JP4396028B2

JP4396028B2 - 樹脂封止型半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP4396028B2
Application number: JP2000382419A
Authority: JP
Inventors: 本田　　匡宏
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: JP2002184799A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱板を内蔵する樹脂封止型半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器は小型化し高集積化する傾向にあり、１つのデバイス当たりの発熱量が増大し熱設計が重要になってきている。そこで、埋め込み式ヒートシンクや投げ込み式ヒートスプレッダ等の放熱板を半導体装置に内蔵することにより放熱性を向上させるようにしている。
【０００３】
これらの半導体装置のうち、埋め込み式ヒートシンクを用いた半導体装置（以下、埋め込み式半導体装置という）の概略断面図を図５に示す。この図５の様に、半導体チップ１０１の裏面がヒートシンク１０２の表面に対して半田や導電性接着剤のような接続部材１０３を介して接合されている。また、ヒートシンク１０２の表面に対して、リードフレーム１０４が例えばポリイミドテープ１０５を介して固着されている。
【０００４】
また、半導体チップ１０１の表面とリードフレーム１０４のインナーリード１０４ａとがボンディングワイヤ１０６を用いて電気的に接続されている。そして、ヒートシンク１０２の裏面とリードフレーム１０４のうちのアウターリード１０４ｂとが外部に露出する様にして、半導体チップ１０１、リードフレーム１０４及びヒートシンク１０２がモールド樹脂（成形樹脂）１０７により封止されている。
【０００５】
この様に、埋め込み式半導体装置では、リードフレーム１０４に対してヒートシンク１０２がポリイミドテープ１０５により固着されていたり、或は、図示しないが、リードフレーム１０４とヒートシンク１０２とがかしめられて固着されていたりする。そのため、モールド樹脂１０７を注入する際（以下、モールド成形時という）にヒートシンク１０２が移動することはなく成形性が良好であり放熱性も優れている。
【０００６】
しかしながら、リードフレーム１０４とヒートシンク１０２とを固着するという特殊な加工を施しているため、ポリイミドテープ１０５などの部材が必要となったり固着のための製造工程を追加したりしなければならない。その結果、大幅なコストアップにも繋がる。
【０００７】
それに対して、投げ込み式ヒートスプレッダを用いた半導体装置（以下、投げ込み式半導体装置という）の概略断面図を図６に示す。この半導体装置では、図５に示した埋め込み式半導体装置と異なり、リードフレーム１０４のアイランド１０４ｃに対して接続部材を介して半導体チップ１０１の裏面が接合されている。また、ヒートスプレッダ１０８はリードフレーム１０４や半導体チップ１０１とは独立して設けられている。
【０００８】
そして、モールド成形時に金型に対してヒートスプレッダ１０８を投入し、半導体チップ１０１が接合されたリードフレーム１０４を金型に配置した後、金型にモールド樹脂１０７を注入することにより、半導体チップ１０１、インナーリード１０４ａ及びヒートスプレッダ１０８が樹脂封止されている。
【０００９】
この投げ込み式半導体装置では、ヒートスプレッダ１０８を用意してモールド成形時に金型内に投げ込むだけで良く、特別な部材や製造工程を必要としない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、投げ込み式半導体装置では、ヒートスプレッダ１０８が外部に露出すると耐湿性等の面から信頼性が問題となるため、外部に露出する部位を低減するために、ヒートスプレッダ１０８には半導体チップ１０１の反対側に突出する突出部１０８ａが設けられ、ヒートスプレッダ１０８が複雑な形状になることが多い。そして、この突出部１０８ａを金型側に向けてモールド成形することにより、露出したとしても突出部１０８ａのみが露出し、ヒートスプレッダが大きく露出することを防止している。
【００１１】
そのため、ヒートスプレッダ１０８が複雑な形状であるためにモールド成形時にモールド樹脂１０７が引っかかり、モールド樹脂１０７に押されてヒートスプレッダ１０８が金型内の所定位置からずれてしまう。この様なヒートスプレッダ１０８のずれが生じると、場合によってはヒートスプレッダ１０８が突出部１０８ａ以外の部位にて金型と線接触してしまい、完成した半導体装置において当該接触部にてヒートスプレッダ１０８が外部に露出する問題がある。
【００１２】
また、ヒートスプレッダ１０８が複雑な形状であるため、樹脂注入時にヒートスプレッダ１０８の下部を流れるモールド樹脂（下流樹脂）の速度が遅くなる。それに対して、半導体チップ１０１の上部を流れるモールド樹脂（上流樹脂）の速度が速いため、上流樹脂がリードフレーム１０４の下まで回り込み、上流樹脂と下流樹脂が巻き込まれてボイドが発生してしまう。そして、場合によっては、このボイドが半導体装置の外部に露出する位置に形成されて外部ボイドとなってしまう。
【００１３】
そこで、ヒートスプレッダ１０８が多少移動しても外部までは露出しない様にしたり、モールド樹脂１０７が流れ易くしたりするために、ヒートスプレッダ１０８を小さくすることが考えられる。しかしながら、ヒートスプレッダ１０８を小さくすると放熱性が低下してしまう。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑み、投げ込み式ヒートスプレッダを用いた樹脂封止型半導体装置において、成形性を向上させた樹脂封止型半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内部に空間部（６ａ）を有し、該空間部に対して成形樹脂（４）を注入するための注入口（６ｂ）を有する金型（６）を用意し、半導体チップ（３）を搭載したアイランド（２ａ）を有するリードフレーム（２）を空間部に配置するとともに、アイランドのうち半導体チップが搭載された側とは反対側に放熱板（１）を配置した後、軟化状態の成形樹脂を注入口から注入して、空間部に充填するようにした樹脂封止型半導体装置の製造方法において、放熱板におけるアイランドとは反対側の面である裏面が、中央付近から周囲に向けて、裏面に対向する成形樹脂の外縁である放熱板対向面（４ａ）から遠ざかるように徐々に傾斜しており、放熱板における金型と対向する金型対向面を該金型対向面に対向する金型の面（６ｃ）に対して、注入口側において離れるように傾斜させ、且つ、注入口側における金型対向面の端部（Ｂ）と、リードフレームのうちのインナーリード（２ｂ）における放熱板が配置されている側の面との距離（Ｌ１）を、金型対向面の端部と金型のうち放熱板と対向する面との距離（Ｌ２）よりも小さくした状態で、成形樹脂の注入を行うことを特徴としている。
【００１６】
本発明では、Ｌ１をＬ２よりも小さくしているため、注入口から注入された成形樹脂を放熱板と金型との間に入り込み易くすることができる。また、放熱板の裏面を傾斜させた状態で成形樹脂を注入しているため、放熱板の裏面側に容易に成形樹脂が入り込み、その結果、放熱板がアイランド側に移動することができる。そのため、放熱板の下に成形樹脂が入り込み、放熱板が外部に露出することを抑制することができる。従って、成形性を向上させた樹脂封止型半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００１７】
この場合、具体的には、放熱板の裏面に突出部（１ａ）を設けることにより、金型対向面を金型の面に対して注入口側において離れるように傾斜させることができる。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明では、放熱板の表面には、突出部（１ｂ）が形成されており、成形樹脂の注入の際に、突出部がアイランドの端部に引っかかるようになっていることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明では、アイランドのうち半導体チップが搭載された側と反対側の面には凹部（２ｄ）が形成され、放熱板の表面には、凹部と嵌合するような凸部（１ｃ）が形成されており、成形樹脂の注入の際に、凹部と凸部（１ｃ）が嵌合するようになっていることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明では、半導体チップ（３）と、該半導体チップが搭載されたアイランド（２ａ）を有するリードフレーム（２）と、放熱板（１）とを備え、放熱板がアイランドのうち半導体チップが搭載された側とは反対側に配置されて、これら半導体チップとリードフレームと放熱板とが、成形樹脂（４）によって封止されてなる樹脂封止型半導体装置において、前記放熱板における前記アイランドとは反対側の面である裏面が、中央付近から周囲に向けて、前記裏面に対向する前記成形樹脂の外縁である放熱板対向面（４ａ）から遠ざかるように徐々に傾斜しており、リードフレームのうちのインナーリード（２ａ）における放熱板と対向する面と放熱板対向面との距離を第１の寸法（Ｍ１）とし、放熱板のうち半導体チップの法線方向におけるリードフレームから最も遠い部位（Ａ）と裏面の端部（Ｂ）との差を第２の寸法（Ｍ２）とし、第１の寸法から第２の寸法を差し引いた寸法を第３の寸法とし、第２の寸法が第３の寸法よりも大きくなっていることを特徴としている。
【００１９】
本発明では、第２の寸法と第３の寸法がこの様な関係になる構成に樹脂封止型半導体装置をしているため、請求項１の樹脂封止型半導体装置の製造方法に適した半導体装置を提供することができる。
【００２０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図に示す実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る樹脂封止型半導体装置（以下、半導体装置という）１０の概略断面図である。図１に示すように、半導体装置１０の内部には、Ｃｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等の熱伝導性に優れた金属（熱良導性金属）からなる放熱板（ヒートスプレッダ）１と、ＣｕやＣｕ合金または４２合金（４２アロイ金属）からなるリードフレーム２と、半導体チップ３とが収納され、これらの部材はエポキシ樹脂等からなる成形樹脂（以下、単に樹脂とする）４によって封止され一体化されている。
【００２２】
リードフレーム２は、半導体チップ３を搭載するアイランド２ａと半導体チップ３や半導体装置１０の外部と電気的に接続するリード部とから構成されている。リード部は、樹脂４内に位置する部位であるインナーリード２ｂと樹脂４外に引き出された部位であるアウターリード２ｃとからなる。なお、アイランド２ａはリードフレーム２のうち樹脂４外部の図示しない部位と連結されている。
【００２３】
そして、アイランド２ａには半導体チップ３が半田または導電性ペーストなどの接続部材を介して搭載されており、半導体チップ３とインナーリード２ｂとは、Ａｕ（金）またはＡｌ等からなるボンディングワイヤ５によって電気的に接続されている。
【００２４】
また、放熱板１は平面形状が例えば円形となっており、放熱板１におけるアイランド２ａ側の面である表面が平面となっている。また、表面とは反対側の裏面（金型対向面）は、この裏面に対向する樹脂４の外縁である放熱板対向面４ａに対して傾いている。具体的には、放熱板１の裏面は、中央付近から周囲に向けて徐々に放熱板対向面４ａから遠ざかるように傾斜している。
【００２５】
そして、この様な放熱板１の表面がアイランド２ａのうち半導体チップ３が搭載された側とは反対側の裏面に接触するようにして、放熱板１が配置されている。ここで、リードフレーム２のうちのインナーリード２ｂにおける放熱板１と対向する面である裏面と放熱板対向面４ａとの距離を第１の寸法Ｍ１とし、放熱板１のうち半導体チップ３の法線方向における最もリードフレーム２から遠い部位（裏面の中央部）Ａと裏面（放熱板１）の端部Ｂとの差を第２の寸法Ｍ２とし、第１の寸法Ｍ１から第２の寸法Ｍ２を差し引いた寸法を第３の寸法とすると、第２の寸法Ｍ２が第３の寸法よりも大きくなっている。
【００２６】
係る構成を有する半導体装置１０の製造方法について、樹脂４を注入する前後の様子を示す概略断面図である図２を参照して述べる。初めに、リードフレーム２と放熱板１とを、金属板に対してプレス加工等の機械加工等を施すことにより形成する。次に、リードフレーム２のアイランド２ａに対して接続部材を用いて半導体チップ３を搭載する。その後、半導体チップ３に設けられたボンディングパッド（図示せず）とインナーリード２ｂとをボンディングワイヤ５を用いて電気的に接続する。
【００２７】
その後、内部に空間部６ａを有し、この空間部６ａに対して樹脂４を注入するための注入口６ｂを有する金型６を用意する。そして、図２（ａ）に示すように、上述の様な形状の放熱板１を、裏面側を金型６側に向けて空間部６ａ内に配置し、放熱板１の上に半導体チップ３が搭載され且つワイヤボンディングされたリードフレーム２を、リードフレーム２の裏面側を放熱板１側に向けて配置する。
【００２８】
ここで、放熱板１における金型６と対向する金型対向面（裏面）は、金型６のうちこの裏面に対向する面である放熱板対向面６ｃに対して注入口６ｂ側において離れるように傾斜した状態となっている。また、注入口６ｂ側における金型対向面の端部Ｂと、リードフレーム２のうちのインナーリード２ｂの裏面との距離（第１の距離）Ｌ１を、放熱板１の端部Ｂと金型６の放熱板対向面６ｃとの距離（第２の距離）Ｌ２よりも小さくしている。また、リードフレーム２の裏面側に注入口６ｂが配置される。
【００２９】
次に、図２（ｂ）に示すように、軟化状態の樹脂４を注入口６ｂから注入して空間部６ａに樹脂４を充填して樹脂封止を行う。この際、第１の距離Ｌ１を第２の距離Ｌ２よりも小さくしているため、注入口６ｂから注入された樹脂４が放熱板１と金型６との間に入り込み易くなっている。また、放熱板１の裏面を傾斜させた状態で樹脂４を注入しているため、放熱板１の裏面側に容易に樹脂４が入り込む。
【００３０】
その結果、放熱板１に揚力が働いて放熱板１がアイランド２ａ側に移動しアイランド２ａに接触する。そして、放熱板１の表面は平面になっているため、アイランド２ａの裏面全面と放熱板１とが接触する。この様にして、図２（ｃ）に示すように樹脂封止が完了する。
【００３１】
この様に放熱板１がアイランド２ａ側に移動するため、樹脂注入時において第２の距離Ｌ２が第１の距離Ｌ１よりも大きい状態が、完成した半導体装置１０では上記構成で述べたように、第２の寸法Ｍ２が第３の寸法よりも大きい状態となる。つまり、第２の距離Ｌ２と第２の寸法Ｍ２とが等しく、第１の距離Ｌ１が第３の寸法に相当する。
【００３２】
そして、図２（ｃ）に示す状態で軟化状態の樹脂４を硬化させた後、金型６から樹脂封止された半導体装置を取り出し、最後に、マーキング処理やアウターリード２ｃの処理等を行うことにより半導体装置１０が完成する。
【００３３】
この様に、本実施形態では樹脂注入時に放熱板１がアイランド２ａ側に移動し易い構成にしており、この移動により放熱板１の下に樹脂４が入り込むため、放熱板１が外部に露出することを抑制できる。また、放熱板１が滑らかな形状になっているため樹脂４が容易に流れることができ、ボイドが形成されることも抑制できる。従って、成形性を向上させた半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【００３４】
また、成形性が向上するため、従来技術で述べたように放熱板１の外部露出を低減することや、樹脂４の流れを向上させることを考慮して放熱板１を小さくする必要が無く、放熱板１の大きさの自由度を増すことができる。その結果、放熱板１を大きくして放熱性を向上させることができる。
【００３５】
また、樹脂注入時に放熱板１が樹脂４により押されて放熱板１の端部が金型６に接触することも考えられるが、放熱板１の平面形状が円形であるため、この接触は点接触となり問題となる露出とはならない。
【００３６】
また、樹脂４の注入により放熱板１がアイランド２ａ側に移動する際に、放熱板１の表面が平面となっているため、アイランド２ａの裏面と放熱板１の表面とを大きな面積で接触させることができる。そのため、半導体チップ３から発生する熱をアイランド２ａを介して放熱板１に伝え、放熱性を向上させることができる。
【００３７】
更に、放熱板１がアイランド２ａの裏面全面と接触しているため、放熱板１とリードフレーム２との平行性を確保することができ、放熱板１とインナーリード２ｂとがショートする恐れも無い。
【００３８】
なお、本実施形態では放熱板１の金型対向面全面を傾斜させているが、少なくとも放熱板１のうち金型６の注入口６ｂ側において傾斜させることにより、樹脂４を放熱板１と金型６との間に入り込み易くすることができる。
【００３９】
また、放熱板１の平面形状は必ずしも円形である必要は無い。また、放熱板１の表面は平面になっているが、必ずしも全面を平面にする必要は無く、少なくともアイランド２ａと接触する部位を平面にすれば、上述のように放熱性を向上させることができる。
【００４０】
また、樹脂４の注入速度が遅いと放熱板１がアイランド２ａ方向に移動しない（持ち上がらない）場合があるため、適宜、樹脂４の注入速度を調節するようにする。
【００４１】
また、仮に放熱板１がアイランド２ａの裏面全面に接触せずに傾いた場合に、インナーリード２ｂのショートを防ぐために、安全策としてリードフレーム２の裏面や放熱板１の表面にポリアミドテープ等の絶縁膜を設けても良い。
【００４２】
（第２実施形態）
図３は第２実施形態に係る半導体装置を製造する際の樹脂を注入する前の状態を示す概略断面図である。以下、主として第１実施形態と異なる部分について述べ、図中、図２（ａ）と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。
【００４３】
図３に示すように、放熱板１の金型対向面に突出部１ａが設けられている。この突出部１ａは放熱板１の金型対向面の中央部からずれた部位に、例えば２個設けられており、この突出部１ａにより放熱板１が傾いている。そして、放熱板１の金型対向面が金型６の放熱板対向面６ｃに対して、注入口６ｂ側において離れるように傾斜した状態となっている。
【００４４】
これにより、更に樹脂４を放熱板１と金型６との間に入り込み易くすることができるため、第１実施形態と同様に成形性を向上させることができる。
【００４５】
また、放熱板１の表面にも突出部１ｂが形成されており、樹脂注入の際にこの突出部１ｂがアイランド２ａの端部に引っかかり、樹脂４の注入により放熱板１が移動しない様にすることができる。
【００４６】
これにより、アイランド２ａ直下に放熱板１を配置することができ、放熱板１が移動して金型６に接触することを防止できる。
【００４７】
（他の実施形態）
上記第２実施形態において設けた放熱板１の表面の突出部１ｂを設けずに、図４の半導体装置を製造する際の樹脂を注入する前の状態を示す概略断面図のように、アイランド２ａの裏面に凹部２ｄを形成し、この凹部２ｄに嵌合するような凸部１ｃを放熱板１の表面に設けても良い。
【００４８】
これにより、樹脂注入によって放熱板１がアイランド２ａ方向に移動した際に、この凹部２ｄと凸部１ｃとが嵌合して放熱板１が半導体チップ３の面方向に移動することを防止できる。その結果、アイランド２ａ直下に放熱板１を配置することができ、放熱板１が金型６に接触することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法において樹脂を注入する前後の様子を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法において樹脂を注入する前の様子を示す概略断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の製造方法において樹脂を注入する前の様子を示す概略断面図である。
【図５】従来の埋め込み式ヒートシンクを用いた半導体装置の概略断面図である。
【図６】従来の投げ込み式ヒートスプレッダを用いた半導体装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１…放熱板、２…リードフレーム、２ａ…アイランド、２ｂ…インナーリード、２ｃ…アウターリード、３…半導体チップ、４…樹脂（成形樹脂）、４ａ…樹脂の放熱板対向面、６…金型、６ａ…空間部、６ｂ…注入口、６ｃ…金型の放熱板対向面。

Claims

内部に空間部（６ａ）を有し、該空間部に対して成形樹脂（４）を注入するための注入口（６ｂ）を有する金型（６）を用意し、半導体チップ（３）を搭載したアイランド（２ａ）を有するリードフレーム（２）を前記空間部に配置するとともに、前記アイランドのうち前記半導体チップが搭載された側とは反対側に放熱板（１）を配置した後、軟化状態の前記成形樹脂を前記注入口から注入して、前記空間部に充填するようにした樹脂封止型半導体装置の製造方法において、
前記放熱板における前記アイランドとは反対側の面である裏面が、中央付近から周囲に向けて、前記裏面に対向する前記成形樹脂の外縁である放熱板対向面（４ａ）から遠ざかるように徐々に傾斜しており、
前記放熱板における前記金型と対向する金型対向面を、該金型対向面に対向する前記金型の面（６ｃ）に対して、前記注入口側において離れるように傾斜させ、
且つ、前記注入口側における前記金型対向面の端部（Ｂ）と、前記リードフレームのうちのインナーリード（２ｂ）における前記放熱板が配置されている側の面との距離（Ｌ１）を、前記金型対向面の端部と前記金型のうち前記放熱板と対向する面との距離（Ｌ２）よりも小さくした状態で、前記成形樹脂の注入を行うことを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。
前記放熱板の裏面に突出部（１ａ）を設けることにより、前記金型対向面を前記金型の面に対して前記注入口側において離れるように傾斜させることを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法。
前記放熱板の表面には、突出部（１ｂ）が形成されており、前記成形樹脂の注入の際に、前記突出部が前記アイランドの端部に引っかかるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法。
前記アイランドのうち前記半導体チップが搭載された側と反対側の面には凹部（２ｄ）が形成され、
前記放熱板の表面には、前記凹部と嵌合するような凸部（１ｃ）が形成されており、
前記成形樹脂の注入の際に、前記凹部と凸部（１ｃ）が嵌合するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法。
半導体チップ（３）と、該半導体チップが搭載されたアイランド（２ａ）を有するリードフレーム（２）と、放熱板（１）とを備え、前記放熱板が前記アイランドのうち前記半導体チップが搭載された側とは反対側に配置されて、これら半導体チップとリードフレームと放熱板とが、成形樹脂（４）によって封止されてなる樹脂封止型半導体装置において、
前記放熱板における前記アイランドとは反対側の面である裏面が、中央付近から周囲に向けて、前記裏面に対向する前記成形樹脂の外縁である放熱板対向面（４ａ）から遠ざかるように徐々に傾斜しており、
前記リードフレームのうちのインナーリード（２ａ）における前記放熱板と対向する面と前記放熱板対向面との距離を第１の寸法（Ｍ１）とし、前記放熱板のうち前記半導体チップの法線方向における前記リードフレームから最も遠い部位（Ａ）と前記裏面の端部（Ｂ）との差を第２の寸法（Ｍ２）とし、前記第１の寸法から前記第２の寸法を差し引いた寸法を第３の寸法とし、
前記第２の寸法が前記第３の寸法よりも大きくなっていることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。