JP4409528B2

JP4409528B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4409528B2
Application number: JP2006114188A
Authority: JP
Inventors: 正司舩越; 幸雄山口
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2019-02-15
Also published as: JP2006196930A

Description

本発明は、外部端子をアレイ状に配置した構造とそれを実現する工法に特徴を有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。

電子産業の環境は常に変化し、近年になりその変化は顕著となり加速度を増してきた。従って、その変化に対応できる半導体装置が絶えず要求され続けている。最近の電子機器の需要傾向が示唆するように、半導体素子もＬＳＩあるいはＡＳＩＣに代表される高集積化、高機能化及び小面積化が要求され、その開発が進められ、そのような半導体素子を実装するため、半導体装置（パッケージ）には以下のような事項が求められるようになった。

すなわち、（１）半導体素子パッドの増加に対応可能なパッケージ構造及び製造方法、（２）携帯機器等からの要求に対応できる実装面積の縮小化、である。これらの要求を満たし、従来パッケージの設備、材料及び技術が利用可能であり、コスト的に有利であるパッケージとして図１６に示すようなＱＦＰが広く用いられるようになった。

ＱＦＰは外観四角のパッケージの各側面に一定ピッチでガルウィング状にリード端子が配置された構造となっている。図１６の断面図に図示するように、リードフレームのダイパッド部１上に半導体素子２が搭載され、その半導体素子２とリードフレームのインナーリード部３とが金属細線４により電気的に接続されているものである。そしてダイパッド部１を含む半導体素子２の外囲領域は封止樹脂５によりフルモールドされてパッケージを構成しているものである。またリードフレームのうち、封止樹脂５より突出したリード部分はアウターリード部６を構成し、インナーリード部３と連続して構成されているものであり、基板実装時の外部端子を構成するものである。

このようなＱＦＰの製造方法としては、銀めっき等の表面処理が施されたリードフレームに設けられたダイパッド部に半導体素子を搭載する工程と、その半導体素子とリードフレームのインナーリード部とを金属細線で接続する工程と、リードフレーム、金属細線及び半導体素子を含む外囲領域を絶縁部材である封止樹脂でフルモールドする工程と、封止樹脂の領域外のインナーリード部と連続したリード部分をガルウィング状に成形してアウターリード部（外部端子）を形成し、リードフレームの外枠と切り離す工程とから構成されるものである。そして、更なる半導体素子の高機能化及び高集積化に伴いより多くの端子数に対応するため、ＱＦＰでは外部リードの狭ピッチ化、外部端子を構成するアウターリード部自体のリード幅を細くすることにより、実装面積の縮小化が図られてきた。

しかしながら、近年は上記のような試みに問題点が生じてきた。まず、外部端子であるアウターリード部の狭ピッチ化であるが、これはピン間容量が大きくなり出力遅延の原因となり、今後の高周波を扱う半導体素子に対応できない恐れがある。一方、アウターリード部の端子幅を細くすると、強度が低下し、スキューの発生及びコープラナリティー維持が困難となり、製品歩留りが低下するといった問題が考えられる。

このようなＱＦＰが有する問題点を解決するため、図１７に示すようなＢＧＡと呼ばれる半導体装置の開発が進められている。図示するようにＢＧＡは、半導体素子２とその半導体素子２の電極パッドとを実装基板のピッチにスケーリングするための両面配線基板７と、半導体素子２と両面配線基板７の電極とを電気的に接続する金属細線４と、両面配線基板７の両面を導通させるためのスルーホール８と、実装基板に電気的に接続するための球状の外部端子９から構成されている。そして両面配線基板７の上面領域の半導体素子２の外囲は封止樹脂５によりモールドされている。このような構成であれば、外部リードの代替として機能する球状の外部端子９は二次元的に配置され、端子ピッチの増加に対応でき、また強度的にも問題はなく、外部リード変形の問題をなくすことができる。

しかしながら、近年の半導体装置がＢＧＡ構造を有することにより以下のような新たな問題が生じてきた。まず、両面配線基板の両面に電極（端子）を設けており、その両面を電気的に接続するためスルーホールを介して導通させているが、信号が通過する回路長が長くなるためノイズ、実効インダクタンスが増加する。また、製造方法上の問題としては、ダイボンド剤として素子搭載用のエポキシ樹脂を用いて半導体素子を両面配線基板上に接着させるために加熱し、更に半導体素子の電極パッドと両面配線基板上の電極とを金属細線で電気的に接続する工程で両面配線基板に熱が加わることにより、基板自体に反りが発生し、水平度が悪化し、後に設ける球状の外部端子に対して、その高さが不均一となるなどの悪影響を及ぼしてしまう。その結果として、実装工程で接続不良が発生したり、また信頼性の問題として、両面配線基板とモールドする封止樹脂との界面の密着力が弱いため、ＱＦＰと比較し、耐久性が低下するといった問題が発生する恐れがある。一方、コストの面ではＱＦＰ設備の兼用が困難であり、更なる微細配線に伴うプリント基板コストの増加等で現状としてトータルコストは増大する傾向となってしまう。また、半導体素子の１チップ化が進むに従い、ＢＧＡに放熱板を取付けることが重要であるが、封止工程の際、放熱板を封止金型に固定し、封止樹脂により、半導体素子、素子搭載部、金属細線等を含む領域を同時に封止し、放熱板を具備する製造方法があるが、この製造方法では放熱板が平行度を失い、位置ズレを起こすといった問題点がある。

本発明は以上のようなＢＧＡ構造の半導体装置の諸問題を解消し、接続不良がなく、また実装歩留まりがよく、コスト的にも増加を抑えたＢＧＡ型の半導体装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、以下のような構成を有している。すなわち、ダイパッド部上に搭載された半導体素子と、前記半導体素子とインナーリード部とを接続した金属細線と、前記半導体素子、ダイパッド部および金属細線領域を封止した封止樹脂とよりなる半導体装置であって、前記封止樹脂の下面の一部は除去されて開口部を有し、その開口部を通して前記インナーリード部の下面に外部端子が設けられている半導体装置である。

また、ダイパッド部上に搭載された半導体素子と、前記半導体素子とインナーリード部とを接続した金属細線と、前記半導体素子、ダイパッド部および金属細線領域を封止した封止樹脂とよりなる半導体装置であって、前記封止樹脂の下面の一部は除去されて前記インナーリード部の肉厚部下面が露出して外部端子を構成している半導体装置である。

そして、開口部の根本部分である封止樹脂とインナーリード部との界面付近の形状はＲを有した曲面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。またインナーリード部はダイパッド部方向に向いた矢印形状のストッパー部と孔部を有している半導体装置である。また、ダイパッド部の下面には放熱板が設けられている半導体装置である。

本発明の半導体装置の製造方法においては、フレーム枠内にダイパッド部と、前記ダイパッド部の周囲にインナーリード部とを有したリードフレームに対して、前記ダイパッド部上に半導体素子を搭載する工程と、前記半導体素子と前記インナーリード部とを金属細線により接続する工程と、前記半導体素子、ダイパッド部および金属細線領域を封止樹脂で封止してパッケージを形成する工程と、前記パッケージ部の底面にテープ部材を密着させる工程と、前記テープ部材が密着されたパッケージに対してレーザー加工し、封止樹脂の一部を除去して開口部を形成し、インナーリード部の下面を露出させる工程と、前記開口部を通して前記インナーリード部の露出した部分に外部端子を付設する工程とよりなる半導体装置の製造方法である。

また、フレーム枠内にダイパッド部と、前記ダイパッド部の周囲にインナーリード部とを有したリードフレームに対して、前記ダイパッド部上に半導体素子を搭載する工程と、前記半導体素子と前記インナーリード部とを金属細線により接続する工程と、前記半導体素子、ダイパッド部および金属細線領域を封止樹脂で封止してパッケージを形成する工程と、前記パッケージ部の底面にテープ部材を密着させる工程と、前記テープ部材が密着されたパッケージに対してレーザー加工し、封止樹脂の一部を除去して開口部を形成し、インナーリード部の下面を露出させる工程と、前記テープ部材が密着されたパッケージに対してレーザー加工し、封止樹脂の一部を除去して開口部を形成し、ダイパッド部の下面を露出させて放熱板設置部を形成する工程と、前記開口部を通して前記インナーリード部の露出した部分に外部端子を付設する工程と、前記ダイパッド部の下面の放熱板設置部に対して放熱板を設ける工程とよりなる半導体装置の製造方法である。

前記構成により、本発明の半導体装置は今後更なる多ピン化に対応したパッケージ構造であり、外部端子を二次元的に配置できるものである。また、半導体素子をパッケージの中心に位置させることにより、封止工程後には大きな反りが発生せず、内部リードは同一平面に保持され、後工程で設置される外部端子の高さ調整が容易になる。さらに半導体素子パッドと内部リードを金属細線により接続し、外部端子までの距離が短いためノイズ、実効インダクタンスの低減に大きく貢献する。

またインナーリード部の裏面を露出させる手段については、レーザーを用いることにより精度よく露出部を加工でき、外部端子の位置についての自由度が大きくなる。また目的に応じた露出部の形状を加工でき、実装工程の際、外部端子根元への熱応力集中を緩和するような形状にすることも可能である。

本発明の半導体装置は、精度よくインナーリード部の形状に応じてアレイ状に外部端子を設けることができ、ＢＧＡ型の半導体装置を実現できるものである。また製造方法においては、テープ部材を密着させ、レーザーを用いて封止樹脂を除去して開口部を形成できるため、冷却作用による形状精度の向上及び切削屑の付着防止とともに、精度よく開口部を形成して外部端子を付設できるものである。

以下、本発明の半導体装置及びその製造方法について、その一実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず本実施形態の半導体装置について説明する。図１は本実施形態他の半導体装置を示す断面図である。

図１に示すように本実施形態の半導体装置は、リードフレームのダイパッド部１上に搭載された半導体素子２と、その半導体素子２とインナーリード部３とを電気的に接続した金属細線４と、半導体素子２、金属細線４の領域およびダイパッド部１の下面領域、インナーリード部３を封止した絶縁性の封止樹脂５とにより構成されているものである。そしてインナーリード部３の下面の一部分は封止樹脂５が除去されて開口部１０を構成し、インナーリード部３の下面が露出し、その開口部１０を通してインナーリード部３の下面には外部端子１１が設けられているものである。本実施形態においては、外部端子１１は半導体装置の裏面領域においてアレイ状に配置されているものであり、多端子化を実現している。また外部との接続は外部端子１１により行うため、従来のＱＦＰのアウターリード部とは異なり、リード強度上の問題もない。また本実施形態の半導体装置では基板を用いたＢＧＡ型の半導体装置ではなく、リードフレームよりなるＢＧＡ型の半導体装置であり、従来設備や工法を取り入れてコストアップすることなく製造することができる。

次に本実施形態の半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。図２は本実施形態の半導体装置の製造方法を示す工程フロー図である。図３〜図９は本実施形態の半導体装置の製造方法を各工程ごとに示した断面図である。

まず図２に従って本実施形態の半導体装置の製造方法をフローで説明すると、複数の半導体素子が形成された半導体ウェハーを個々の半導体素子に分割するダイシング工程と、ダイシングにより分割した個々の半導体素子をリードフレームのダイパッド部上に搭載するダイボンド工程と、搭載した半導体素子とリードフレームのインナーリード部とを電気的に金属細線により接続するワイヤーボンド工程と、半導体素子、金属細線領域、ダイパッド部領域を封止樹脂で封止する封止工程と、インナーリード部の下面の一部を露出させるために封止樹脂の一部を除去して開口部を形成するレーザー加工工程と、露出したインナーリード部の下面部分に開口部を通して外部端子を設ける外部端子取付工程と、リードフレームから半導体装置を分離するために半導体装置と接続したリード部分を切断するレーザー切断工程とよりなるものであり、半導体装置を構成後はさらに製品の動作、外観等の検査を行う検査工程と、出荷用の梱包、出荷という流れになる。

以上のような製造フローにより本実施形態の半導体装置が製造されるが、その各工程について詳細を図３〜図９を参照して以下、説明する。

まず図３に示すように、リードフレームのダイパッド部１上に導電性ペーストにより半導体素子２を接合する。そして搭載した半導体素子２の電極パッドとリードフレームのインナーリード部３とを金属細線４により電気的に接続する。ここでリードフレームを形成する材料は導電性に優れた金属が望ましく、所定のリードフレーム形状にエッチングもしくはプレス加工で形成される。また金属細線４は耐酸化性であり延性に富み、半導体素子２の電極パッドの材料と固相拡散する材料として、例えば金線を選択する。

次に図４に示すように、半導体素子２の外囲としてダイパッド部１の下面領域、金属細線４の接続領域を含む領域を封止樹脂５によりモールドし、パッケージを構成する。一般的に封止プロセスはトランスファーモールド工法により行われるが、本実施形態では製造コスト、歩留り等を考慮した封止工法を選択する。

次に図５に示すように、封止樹脂５によるパッケージの下面領域にレーザー加工用として、テープ部材１２を密着させる。このテープ部材１２を密着させることにより、冷却作用が働き、レーザーによる加工精度を更に向上させることができる。また加工時に発生する封止材の屑がパッケージ本体に付着するのを防ぐ効果もある。図５では、レーザー加工面の全面にテープ部材を施しているが、加工領域のみテープ部材１２を施す方がコスト的に有利である。また熱放散性を考えた上でテープ厚の最適化を図ることにより、更なる形状精度の向上を望むことができる。

次に図６に示すように、封止樹脂５によるパッケージの下面領域のテープ部材１２を密着させた部分に対して、レーザー加工を行う。これにより、一部の封止樹脂５を除去して、インナーリード部３の下面部分を露出させる開口部１０を形成するものである。用いるレーザーとしては、Ａｒレーザー、ＣＯ₂レーザー等、寸法精度のよいレーザーを用いる。

また図７に示すように、開口部１０の根本部分に対しては、Ｒを有した曲面１３を形成するようにレーザー加工するものである。これは実装工程の際、後工程で具備する凸状の外部端子の一点に応力集中が発生しないようにするための形状である。しかしながらレーザーにより露出部を加工するには時間、精度を考慮すると限界があり、そのレーザー能力に応じてインナーリード部３の裏面の封止樹脂５における厚みをディメンジョンで薄くする。なお図７において、開口部１０の拡大部分を円内に示している。

次に図８に示すように、開口部１０から露出したインナーリード部３の下面に対して外部端子１１を設けることにより、半導体装置を構成するものである。

最後に図９に示すように、外枠と半導体装置を切り離す工程については、インナーリード部３裏面の露出部を加工するレーザー設備を併用することにより設備コストの低減となる。また切断箇所にテープ部材１２を密着させることにより切断形状の精度向上及び切断屑の付着防止が可能となる。さらに図示するように、レーザーによる切断時間の短縮を、切断すべきリード部分に薄肉部を設けることにより実現する。例えば、現状のレーザー装置を用いた場合、銅材リードフレームの厚みが０．２０［ｍｍ］の場合において切断可能である。従って、切断箇所は０．２０［ｍｍ］よりも薄く、搬送時のリードフレーム強度を十分満たした肉厚にするといった考えで設計することができる。

次に本実施形態の半導体装置について他の実施形態を説明する。

図１０は前記同様に半導体装置を示す断面図であり、インナーリード部３の露出すべき下面部分が他の部分よりも厚い部分、肉厚部１４を有した場合の例である。このインナーリード部構成により、開口部１０を形成するレーザー加工の際、深さ方向を浅くし、精度のよいレーザー加工を可能にするものである。

図１１は図１０に示した肉厚部１４を有したリードフレームを用いた場合の半導体装置を示す断面図であり、レーザー加工で封止樹脂５を除去し、インナーリード部３の肉厚部１４の裏面を露出させ、外部端子１５として用いる例である。この時、インナーリード部３の外部端子１５に相当する部分の厚みについては、レーザー加工時間を考慮した上で設計を行う。

図１２は同様に半導体装置を示す断面図であり、多ピン化に対応するために、１本のインナーリード部３に、複数の外部端子１５を具備するパッケージ構造を示している。この場合、同じインナーリード部３の外部端子１５と外部端子１５とを分離するため、レーザーにより切断部１６を形成して切断する。レーザーによる切断部１６については、リードフレームの設計図面を参考に座標を合わせれば可能である。また以上のように製造方法は上記した例に関わらず１本のインナーリード部が複数の外部端子を有し、分離する場合は有効な製造方法であり、切断箇所にテープを密着させると、更に精度が向上する。

次に図１３は半導体装置を示す断面図であり、発熱性の強いパワー系半導体素子に対応するためにダイパッド部１の裏面に放熱板設置部１７を設けた場合の構成である。放熱板設置部１７の加工については、レーザーで行うことにより形状寸法精度が向上する。

次に図１４は放熱板を設けた場合の半導体装置を示す断面図である。放熱板１８を設けることにより、放熱性を向上させ、半導体特性を損なうのを防止できる。また図１３に示したように放熱板設置部を設けてから放熱板１８を付設するため、封止による放熱板の位置ずれ、傾きを抑制することができる。また放熱板１８を取付ける際に、ダイパッド部１の裏面に耐リフロー性を有し導電性に優れた接着剤を用いることにより固定できる。

次に本実施形態の半導体装置で用いるリードフレームについて説明する。図１５はリードフレームを示す平面図である。

図１５に示すリードフレームにおいては、フレーム枠１９とそのフレーム枠１９内に吊りリード部２０により連接された半導体素子が搭載されるダイパッド部１と、ダイパッド部１の周囲にインナーリード部３が配置されているものである。本実施形態のリードフレームでは、特にインナーリード部３にストッパー部２１と、孔部２２を設けている。ストッパー部２１は矢印形状であり、ダイパッド部１方向に向いた矢印形状である。このストッパー部２１、孔部２２により、封止樹脂により封止して半導体装置を構成した際、封止樹脂の食いつきを良好にして密着性を向上させ、耐パッケージクラック等の信頼性を向上させることができるものである。なお、本実施形態では、ストッパー部２１と孔部２２との両者を設けたが、パッケージサイズ等の条件によりどちらか一方でも可能である。またストッパー部２１は、金属細線とインナーリード部との接続部と併用した構造にすることにより、接続面積の拡大で実効インダクタンス低減に寄与する。また多ピン化に対応するため金属細線との接続部分を併用したストッパー部２１を１本のインナーリード部３に複数箇所設けることもできる。また、この場合上述したように、封止工程後にレーザーにより内部リードの切断が必要となる。

以上のように本実施形態の半導体装置は、リードフレームに対して半導体素子を搭載し、電気的な接続を行い、封止樹脂でモールドした後、インナーリード部の裏面の所定箇所に対してレーザー加工により開口部を形成してリード面を露出させることにより、インナーリード部に外部端子を形成することができ、効率よく外部端子をアレイ状に配置することができる。また半導体装置としては、インナーリード部の金属細線の接続部が幅広の矢印形状のストッパー部を有し、ストッパー部が封止樹脂との密着性を向上させるため、信頼性の高い半導体装置を実現できるものである。

半導体装置の外部端子をアレイ状に配置し、多機能の電子機器を実現する方法として有用である。

本発明の一実施形態における半導体装置を示す断面図本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法を示すフロー図本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図本発明の一実施形態における半導体装置を示す断面図本発明の一実施形態における半導体装置を示す断面図本発明の一実施形態における半導体装置を示す断面図本発明の一実施形態における半導体装置を示す断面図本発明の一実施形態における半導体装置を示す断面図本発明の一実施形態におけるリードフレームを示す平面図従来の半導体装置を示す断面図従来の半導体装置を示す断面図

符号の説明

１ダイパッド部
２半導体素子
３インナーリード部
４金属細線
５封止樹脂
６アウターリード部
７両面配線基板
８スルーホール
９外部端子
１０開口部
１１外部端子
１２テープ部材
１３曲面
１４肉厚部
１５外部端子
１６切断部
１７放熱板設置部
１８放熱板
１９フレーム枠
２０吊りリード部
２１ストッパー部
２２孔部

Claims

ダイパッド部上に搭載された半導体素子と、前記半導体素子とインナーリード部とを接続した金属細線と、前記半導体素子、ダイパッド部および金属細線領域を封止した封止樹脂とよりなる半導体装置であって、
前記インナーリード部は、各下面が前記封止樹脂の下面から露出する複数の外部端子を有し、
前記インナーリード部には、前記複数の外部端子のうち互いに隣り合う外部端子間を分離する切断部が形成され、
開口部の根本部分である前記封止樹脂と前記インナーリード部との界面付近の形状はＲを有した曲面が形成されていることを特徴とする半導体装置。
前記開口部の根本部分の形状は、前記インナーリード部の下面側から前記外部端子の下面側に向かって開口幅が大きくなる形状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記インナーリード部はダイパッド部方向に向いた矢印形状のストッパー部と孔部を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。