JP4738250B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、高消費電力商品などに対する放熱性に優れたリードフレームおよびこれを使用した半導体装置に関するものである。

近年、半導体装置などの半導体部品の高密度、高機能化、システム化が要求されており、それに伴って、半導体部品の消費電力が増大している。これに対応するために、従来の半導体装置は、半導体素子より発生する熱を、放熱板を内蔵したリードフレームを使用して放熱性を向上させている。

図１１（ａ）は（特許文献１）のリードフレームを示し、図１１（ｂ）はこのリードフレームを使用した半導体装置を示す。
リードフレーム１３は、厚さ０．１００ｍｍ〜０．２００ｍｍの銅などを主成分とする銅合金板に、中央に形成された開口の周囲に略放射状に前記複数のスリット１５を形成してインナーリード１６が形成されている。

このリードフレーム１３の裏面の中央には、ポリイミドなどの絶縁板１９を介して、放熱板１７が貼り付けられている。放熱板１７は、前記開口よりも大きな平板で、厚さ０．１００ｍｍ〜０．２００ｍｍの銅など熱伝導率の高い材料から形成されている。

リードフレーム１３に取り付けられた放熱板１７の上には、半導体素子３０が貼り付けられている。半導体素子３０に形成された電極パッドとインナーリード１６との間は、金などから成る金属細線３１で電気的に接続されている。

このようにしてアイランドに半導体素子３０が実装されたリードフレーム１３をモールド金型にセットして、インナーリード１６、放熱板１７、半導体素子３０、金属細線３１を樹脂封止３３で封止して、図１１（ｂ）の半導体装置が形成されている。さらにこの（特許文献１）には、インナーリード１６を形成するプレス打ち抜き加工の際にインナーリード１６に発生したバリが絶縁板１９を通してインナーリード１６と放熱板１７とのリークを解消することを目的として、放熱板１７にスリット１８を形成しておく技術が開示されている。

（特許文献２）の図１には、モールド金型２３にリードフレーム１１をセットしたときに、モールド金型２３の上下キャビティに均等に樹脂を流すことを目的として、放熱プレート１４と絶縁シート１３に小さな切り欠き１６，１７を、封止金型の樹脂注入部に対応して形成しておく技術が開示されている。

（特許文献３）の図２には、インナーリードのピッチが小さくなった場合でも、封止金型の上下キャビティの一方の側からモールディング樹脂を注入するだけで良好なモールディングを行えるようにすることを目的として、放熱板１に貫通孔６を形成しておく技術が開示されている。
特開平８−２０４１００号公報 実開平６−７９１５８号公報 特許第２８６１７２５号公報

図１２の（ａ）〜（ｄ）は、一般的なモールディングの工程を示している。
まず、アイランドに半導体素子３０が実装されたリードフレーム１３を、図１２（ａ）に示すようにモールド金型の下キャビティ３２ａにセットする。

次に、図９（ｂ）に示すように下キャビティ３２ａと上キャビティ３２ｂとでリードフレーム本体１３をクランプする。その結果、局所的な加熱により、インナーリード１６は内側に、放熱板１７は外側に熱膨張する。

しかしながら、インナーリード１６と放熱板１７が接着されているため、図１２（ｃ）に示すように放熱板１７は外側にほとんど膨張せず、内側に膨張してしまう。さらには、放熱板１７は放熱板の外周辺より熱膨張が始まり、放熱板１７の熱膨張による熱応力が放熱板１７の中心部に集中し、集中した応力を逃がすため放熱板１７は下側に撓んでしまう。その結果、放熱板１７が中心部に向かって撓んだ状態のままで樹脂封止されてしまう。

この場合、リードフレーム１７を基点に半導体装置の上下の樹脂厚が異なり、封止後の半導体装置の上下樹脂厚の収縮差のため、図１２（ｄ）に示すように半導体装置全体の反りが発生し、実装不良が多発する。図１３は従来の放熱板１７の熱応力を示し、矢印の長さは熱膨張による熱応力の大きさを、矢印の方向は熱応力の方向を示している。

このように、放熱板１７のコーナー部３４に熱膨張による応力が集中している。放熱板１７の周辺部はインナーリード１６と接着されており膨張しにくいため、中心部へと膨張する。その結果、中心部に集中した熱応力により放熱板１７が撓んでしまう。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するものであり、放熱板を内蔵した半導体装置において、放熱板の中心部への熱膨張による熱応力を緩和させ、実装信頼性を向上させることができるリードフレームおよびこれを使用した半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の半導体装置は、インナーリードの端部に放熱板を取り付け、前記放熱板の上に半導体素子をマウントし、半導体素子と前記インナーリードとを電気接続した半導体装置であって、前記放熱板のコーナー部から前記半導体素子の下方位置にわたる切り欠きを形成し、前記放熱板の前記半導体素子よりも外側の位置に、前記半導体素子を取り囲むようにスリットを形成するとともに、前記スリットの端部を前記切り欠きに接続し、前記スリットは、間欠に長方形の孔が穿設された列状のスリット群を、前記放熱板の内周から外周にわたって複数列配列して構成され、前記半導体素子の一方の辺に対応するスリット列は３列であり、かつ、隣接する前記スリット群の相互間では前記孔の位置をずらせたことを特徴とする。

本発明の請求項２記載の半導体装置は、インナーリードの端部に放熱板を取り付け、前記放熱板の上に半導体素子をマウントし、半導体素子と前記インナーリードとを電気接続した半導体装置であって、前記放熱板のコーナー部から前記半導体素子の下方位置にわたる切り欠きを形成し、前記放熱板の前記半導体素子よりも外側の位置に、前記半導体素子を取り囲むようにスリットを形成するとともに、前記スリットの端部を前記切り欠きに接続し、前記スリットは、間欠にＴ型または十字型の孔が穿設された列状のスリット群を、前記放熱板の内周から外周にわたって複数列配列して構成され、前記半導体素子の一方の辺に対応するスリット列は２列であり、かつ、隣接する前記スリット群の相互間では前記孔の位置をずらせたことを特徴とする。

本発明の請求項３記載の半導体装置は、請求項１または請求項２において、前記放熱板のコーナー部に近接して孔部を形成して前記コーナー部に薄肉接続部を構成し、前記切り欠きの端部を前記孔部に連結したことを特徴とする。

この構成によると、放熱板のコーナー部から半導体素子の下方位置にわたる切り欠きを形成、または放熱板のコーナー部から半導体素子の近傍位置にわたる切り欠きを形成し半導体素子よりも外側の位置に前記半導体素子を取り囲むようにスリットを形成したため、樹脂封止時のクランプ加熱による放熱板の中心部への熱膨張が分散できるので、放熱板が撓むことなく樹脂封止されるので、実装不良となる半導体装置全体の反りを低減でき、実装信頼性を向上させることができる。

以下、本発明のリードフレームおよびこれを使用した半導体装置を、各実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図３は本発明の（実施の形態１）を示す。

図１は本発明の半導体装置に使用する放熱板４０Ａを示しており、図２は半導体装置を示している。図１では半導体素子３０のマウント位置を仮想線で示している。
厚さ０．１００ｍｍ〜１．０ｍｍの無酸素銅，銅合金，アルミニウム，銀，セラミックなどの熱伝導率の高い材料からなる放熱板４０Ａには、放熱板４０Ａのコーナー部４１から、半導体装置とした場合に半導体素子３０が実装されるマウント位置の下方位置にわたる切り欠き４２が対角線に沿って形成されている。

詳しくは、切り欠き４２によって放熱板４０Ａには略三角形状部４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄが形成されている。４４はスリットで、半導体素子３０が実装される前記マウント位置よりも外側の位置に、このマウント位置を取り囲むように間欠に孔４４ａ，４４ｂ，４４ｃを穿設した列状のスリット群で構成されている。スリット４４の端部の孔４４ａ，４４ｃは切り欠き４２に接続されている。

このように構成された放熱板４０Ａは、従来と同じリードフレームのインナーリード１６に、図２に示すように絶縁層４５を介して取り付けられてリードフレームを構成している。リードフレーム１３Ａのアイランドである放熱板４０Ａの中央に、半導体素子３０が、熱硬化性のエポキシ樹脂に銀粉を混合させた銀ペースト４６により接着されている。さらに、半導体素子３０に形成された電極パッドとインナーリード１６の間が、金などから成る金属細線３１で電気的に接続されている。

このようにしてアイランドに半導体素子３０が実装されたリードフレーム１３Ａを、図３（ｂ）に示すように封止金型３２にセットして、放熱板４０Ａ、インナーリード１６、半導体素子３０、金属細線３１を樹脂封止３３で封止して、図２（ｂ）の半導体装置が形成されている。

この実施の形態では、放熱板４０Ａに切り欠き２とスリット４４を形成したことによって、樹脂封止時の封止金型クランプ加熱による放熱板４０Ａの中心部への熱膨張が分散できるので、放熱板４０Ａが撓むことなく樹脂封止される。

したがって、実装不良となる半導体装置全体の反りを低減でき、実装信頼性を向上させることができる。
（実施の形態２）
図４（ａ）（ｂ）と図５（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ放熱板４０Ａの別の例を示している。

（実施例１）
図１に示した放熱板４０Ａでは切り欠き４２とスリット４４とが形成されていたが、この実施例では図４（ａ）に示すように、前記スリット４４を設けずに、コーナー部４１から半導体素子３０のマウント位置の下方位置にわたる切り欠き４２だけを形成した放熱板４０Ｂを作製し、これをリードフレーム本体のインナーリードに取り付けたリードフレームを使用して半導体装置を作製した場合にも、放熱板４０Ｂのコーナー部４１の応力集中を従来に比べて低減することができ、放熱板４０Ｂ中心部の撓みおよび半導体素子３０に作用する応力を、従来の放熱板１７を使用した半導体装置に比べて低減できる。

（実施例２）
図１に示した放熱板４０Ａでは切り欠き４２とこの切り欠き４２に端部が接続されたスリット４４とが形成されていたが、図４（ｂ）に示すように、前記スリット４４の端部が切り欠き４２に接続されていない放熱板４０Ｃを作製し、これをリードフレーム本体のインナーリードに取り付けたリードフレームを使用して半導体装置を作製した場合にも、放熱板４０Ｃ中心部の撓みおよび半導体素子３０に作用する応力を、従来の放熱板１７を使用した半導体装置に比べて低減できる。

（実施例３）
図１に示した放熱板４０Ａでは切り欠き４２が半導体素子３０のマウント位置の下方位置にまで達して形成され、さらに、この切り欠き４２に端部が接続されたスリット４４とが形成されていたが、図５（ａ）に示すように、コーナー部４１から半導体素子３０のマウント位置の近傍位置にわたる切り欠き４６を形成し、半導体素子３０の前記マウント位置よりも外側の位置に、前記マウント位置を取り囲むようにスリット４７を形成した放熱板４０Ｄを作製し、これをリードフレーム本体のインナーリードに取り付けたリードフレームを使用して半導体装置を作製した場合にも、放熱板４０Ｄ中心部の撓みおよび半導体素子３０に作用する応力を、従来の放熱板１７を使用した半導体装置に比べて低減できる。

（実施例４）
図５（ａ）に示した放熱板４０Ｄでは、スリット４７が切り欠き４６に連結されていなかったが、図５（ｂ）に示すように、スリット４７の端部を切り欠き４６に連結した放熱板４０Ｅを作製し、これをリードフレーム本体のインナーリードに取り付けたリードフレームを使用して半導体装置を作製した場合にも、放熱板４０Ｅの中心部の撓みおよび半導体素子３０に作用する応力を、従来の放熱板１７を使用した半導体装置に比べて低減できる。

また、図５（ｃ）に示すように、図５（ｂ）のスリット４７の孔４７ａ，４７ｂの間に孔４７ｃを追加した放熱板４０Ｆを作製し、これをリードフレーム本体のインナーリードに取り付けたリードフレームを使用して半導体装置を作製した場合にも、放熱板４０Ｆの中心部の撓みおよび半導体素子３０に作用する応力を、従来の放熱板４０を使用した半導体装置に比べて低減できる。

（実施の形態３）
図６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は（実施の形態１）の放熱板４０Ａの別の例を示している。図１と図２に示した放熱板４０Ａでは、スリット４４は、半導体素子３０の辺に沿って孔４４ａ，４４ｂ，４４ｃが形成された一列のスリット群で構成されていたが、この半導体装置で使用している放熱板４０Ｇでは、放熱板４０Ｇの内周から外周にわたって複数列、ここでは３列のスリット群４８ａ，４８ｂ，４８ｃで構成されており、隣接するスリット群の相互間では前記孔の位置をずらせて千鳥足状に配置され、２列目、３列目のスリット群４８ｂ、４８ｃの端部が切り欠き４２に接続されている。

このように構成することによって、図６（ｂ）（ｃ）に示すように、この千鳥足状に配列した孔により、放熱板１の熱膨張による応力を更に分散し、放熱板４０Ｇの撓みを緩和することが可能である。例えば、放熱板４０Ｇのサイズが２０ｍｍ□である場合、千鳥足状の配列は、放熱板の強度と放熱に関する熱抵抗を考えるとスリット幅０．１mm〜０．５ｍｍ、長さ１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ、スリット４８ａ、４８ｂの隙間は０．３ｍｍ〜０．５ｍｍが適切だと考えられる。

（実施の形態４）
図７（ａ）（ｂ）と図８（ａ）（ｂ）はそれぞれ放熱板４０Ｇの別の例を示している。
（実施例５）
図７（ａ）は（実施例５）の放熱板４０Ｈを示し、図７（ａ）に示すように千鳥足状に配列されたスリット４４の孔４４ｄの各形状が十字型形状である。

（実施例６）
図７（ｂ）は（実施例６）の放熱板４０Ｉを示し、図７（ｂ）に示すように千鳥足状に配列されたスリット４４の孔４４ｅの各形状がＴ字型形状である。

（実施例７）
図８（ａ）（ｂ）は（実施例７）の放熱板４０Ｊ，４０Ｋを示す。
図６に示した（実施の形態３）の放熱板４０Ｇでは、スリット４４が半導体素子８の前記マウント位置の辺と平行な４辺に配置されていたが、この図８（ａ）（ｂ）の放熱板４０Ｊ，４０Ｋでは、半導体素子８の前記マウント位置の中心部を中心とし、スリット４４が同心円状に配列されている点だけが異なっている。

このような放熱板４０Ｊ，４０Ｋを備えたリードフレームを使用して半導体装置を作製することによって、樹脂封止時の封止金型による加熱は、インナーリード１６の外周辺から同心状に伝わり、放熱板４０Ｊ，４０Ｋが膨張するため、熱膨張による応力を緩和でき、実装不良となる半導体装置全体の反りを低減でき、実装信頼性を向上させることができる。

また、（実施例６）（実施例７）を示す図７（ａ）（ｂ）におけるスリット４４の配置を図８と同様に、半導体素子８の前記マウント位置の中心部を中心とし同心円状に配列しても同様である。

（実施の形態５）
図９（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は（実施の形態５）の半導体装置を示す平面図および断面図である。

これは、図２における半導体装置の構成に加え、半導体素子３０と放熱板４０の間にＰＳＤ（Point Support Diepad）などの小型のダイパッド４９を設置したものである。図９（ａ）に示すように、半導体素子３０が放熱板４０Ａの上に直接に接着されるのではなく、放熱板４０Ａの上に設置されたダイパッド４９の上に接着されている。このようなダイパッド４９を半導体素子３０と放熱板４０Ａの間に介することにより、樹脂封止金型によるクランプの際の熱膨張による熱応力を分散させ、放熱板４０Ａの撓みを緩和させるとともに、半導体素子３０の裏面に封止樹脂３３を回り込ますことができ、封止樹脂３３との密着性が向上するという効果を奏する。

また、図９（ｃ）または図９（ｄ）に示すように放熱板１に形成した切り欠き４２およびスリット４４を利用して、アップセットおよびダウンセットした状態に樹脂封止した半導体装置を容易に作製できる。

このようにアップセット及びダウンセットを実施することにより、放熱板４０Ａの熱応力を逃がすことができ、撓みを緩和することが可能である。さらには、アップセットにより半導体装置全体を樹脂封止後の樹脂厚の差を均等にすることが可能であり、逆にダウンセットを行うことにより放熱板４０Ａの裏面を封止樹脂３３より露出させ、放熱性を向上させることが可能である。

ここではダイパッド４９を設置した半導体装置を（実施の形態１）の場合を例に挙げて説明したが、他の実施の形態においても同様に実施できる。
（実施の形態６）
図１０は本発明の（実施の形態６）を示す。

上記の各実施の形態の放熱板に形成された切り欠き４２，４６は、コーナー部４１の端で完全に切り離されていたが、この実施の形態では図１０に示すように、放熱板のコーナー部４１に近接して孔部５０を形成してコーナー部４１に薄肉接続部５１を構成し、切り欠き４２，４６の端部を孔部５０に連結して構成されている点だけが異なっている。

このように薄肉接続部５１によって連結されているので、放熱板が熱膨張しても、コーナー部４１の端で完全に切り離されていた場合とほぼ同様に、切り欠き４２，４６の端部が変形移動することができ、放熱板のコーナー部４１への応力集中を緩和することができる。また、放熱板の材質が厚さ０．１００mm〜１．０mmの薄板材料であるため、コーナー部４１の端で完全に切り離した切り欠き４２，４６を放熱板に形成した場合には、放熱板をリードフレーム本体に絶縁層４５を介して貼り付けるまでの工程において、放熱板の平面度が低下するおそれがあるが、図１０に示したように薄肉接続部５１によって連結された状態で切り欠き４２，４６を形成することによって、放熱板の平面度を高くできる。

本発明は半導体装置の中でも、発熱を伴う高消費電力商品などに使用される半導体装置の信頼性の向上に寄与できる。

本発明の（実施の形態１）の半導体装置に使用する放熱板の平面図 同実施の形態にかかる半導体装置の平面図および断面図 同実施の形態にかかる半導体装置の金型クランプ時の放熱板に働く熱膨張による応力図及び断面図 本発明の（実施の形態２）の半導体装置に使用する（実施例１）（実施例２）の放熱板の平面図 同実施の形態の半導体装置に使用する（実施例３）（実施例４）の放熱板の平面図 本発明の（実施の形態３）の半導体装置の平面図と金型クランプ時の放熱板に働く熱膨張による応力図及び断面図ならびに半導体装置の断面図 本発明の（実施の形態４）の半導体装置に使用する放熱板の（実施例５）（実施例６）の平面図 同実施の形態の半導体装置に使用する放熱板の（実施例７）（実施例８）の平面図 本発明の（実施の形態５）の半導体装置の平面図と断面図 本発明の（実施の形態６）の半導体装置に使用する放熱板の要部の斜視図 従来の放熱板付きリードフレームの拡大平面図とこれを使用した半導体装置の断面図 従来の放熱板半導体装置の樹脂封止工程の断面図 従来の半導体装置の金型クランプ時の放熱板に働く熱膨張による応力図

符号の説明

１３Ａ リードフレーム
１６ インナーリード
３０ 半導体素子
３２ 封止金型
３３ 封止樹脂
４０Ａ〜４０Ｋ 放熱板
４１ 放熱板４０Ａのコーナー部
４２ 半導体素子３０が実装されるマウント位置の下方位置にわたる切り欠き
４４ スリット
４４ａ，４４ｂ，４４ｃ スリット４４を形成する孔
４５ 絶縁層
４６ コーナー部４１から半導体素子３０のマウント位置の近傍位置にわたる切り欠き
４７ 半導体素子３０のマウント位置を取り囲むスリット
４７ａ，４７ｂ，４７ｃ スリット４７を構成する孔
４８ａ，４８ｂ，４８ｃ ３列のスリット群
４４ｄ スリット４４の孔
４４ｅ スリット４４の孔
４９ ダイパッド
５０ 孔部
５１ 薄肉接続部

Claims (3)

1. インナーリードの端部に放熱板を取り付け、
   前記放熱板の上に半導体素子をマウントし、半導体素子と前記インナーリードとを電気接続した半導体装置であって、
   前記放熱板のコーナー部から前記半導体素子の下方位置にわたる切り欠きを形成し、
   前記放熱板の前記半導体素子よりも外側の位置に、前記半導体素子を取り囲むようにスリットを形成するとともに、前記スリットの端部を前記切り欠きに接続し、
   前記スリットは、間欠に長方形の孔が穿設された列状のスリット群を、前記放熱板の内周から外周にわたって複数列配列して構成され、前記半導体素子の一方の辺に対応するスリット列は３列であり、かつ、隣接する前記スリット群の相互間では前記孔の位置をずらせた
   半導体装置。
2. インナーリードの端部に放熱板を取り付け、
   前記放熱板の上に半導体素子をマウントし、半導体素子と前記インナーリードとを電気接続した半導体装置であって、
   前記放熱板のコーナー部から前記半導体素子の下方位置にわたる切り欠きを形成し、
   前記放熱板の前記半導体素子よりも外側の位置に、前記半導体素子を取り囲むようにスリットを形成するとともに、前記スリットの端部を前記切り欠きに接続し、
   前記スリットは、間欠にＴ型または十字型の孔が穿設された列状のスリット群を、前記放熱板の内周から外周にわたって複数列配列して構成され、前記半導体素子の一方の辺に対応するスリット列は２列であり、かつ、隣接する前記スリット群の相互間では前記孔の位置をずらせた
   半導体装置。
3. 前記放熱板のコーナー部に近接して孔部を形成して前記コーナー部に薄肉接続部を構成し、前記切り欠きの端部を前記孔部に連結した
   請求項１または請求項２記載の半導体装置。

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