JP4789771B2 - 樹脂外囲器付きリードフレームとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置用の樹脂外囲器付きリードフレームに関し、特に樹脂とリードフレームの密着性を向上しつつ、樹脂バリの除去が容易なリードフレームの製造方法に関するものである。

従来、鉄または銅やそのいずれかからなる合金の金属板にプレスまたはエッチング加工を施したリードフレームに樹脂モールドする半導体装置において、リードフレーム表面にめっき皮膜を施し、さらに、めっき皮膜表面を粗化して樹脂との密着性を向上しているものがあった（例えば、特許文献１参照）。

図７は、前記特許文献１に記載された従来の半導体装置に用いるリードフレームを示した断面図及び従来のリードフレームの形成工程を示す図である。図７（ａ）において、リードフレーム７００の上にニッケルめっき７０８、パラジウムめっき７０９、金めっき７１０を順次施し、めっき皮膜表面に一定の粗化を施している。めっき皮膜表面には、突起を有する表面積と表面が平坦である場合の表面積との比率を比表面積と称したパラメータとし、そのパラメーターを１．３以上にすることでリードフレーム７００とモールドした樹脂７０４との密着強度を高めていた。なお、前記特許文献１では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で測定した粗化されて突起を有する表面積と表面が平坦である場合の表面積との比率を比表面積と称したパラメーターを用いている。

従来の半導体装置用リードフレームの製造方法は、図７（ｂ）に示すように通常リードフレームと称される金属原板７００に複数箇所の半導体素子組立用パッド部７０２及びリード部７０３をプレス又はエッチング加工によって形成した後、パッド部７０２及びリード部７０３のそれぞれを包囲する樹脂外囲器７０４をトランスファ成形によって一体成形し、次いでパッド部７０２及びリード７０３のそれぞれ所定の位置に半導体素子７０５をダイスボンディング及び金属細線７０６を用いてワイヤーボンディングし、そして樹脂外囲器の内部に封止材の合成樹脂７０７を流し込み、硬化させ樹脂外囲器付きリードフレームを形成している。

一方、近年モバイル等の普及に伴い、樹脂外囲器付きリードフレームが用いられる半導体装置は、温度や湿度の変化に対する耐環境性の性能向上要求が高まってきている。しかし、銅や銅合金からなる樹脂外囲器付きリードフレームを用いた半導体装置の場合、リードフレームの熱膨張率は１７．６×１０^-6／℃であり、樹脂外囲器に用いられる樹脂の熱膨張率は３０〜６０×１０^-6／℃であり、両者の熱膨張率の差が非常に大きくなる。例えば、半導体装置をプリント基板などに実装する際に使用されるリフロー炉では約２３０〜２６０℃に加熱されることがある。その為、半導体装置に熱が加わった場合には、リードフレームと樹脂との界面に生じる応力により剥離が発生し隙間が生じることになる。その隙間には容易に水分が浸入することになり、さらに水分が浸入した状態で加熱された場合、半導体素子自体の信頼性が低下することや、水蒸気爆発によりパッケージ自体が破壊に至るという問題がある。

この問題を解決する為に、リードフレームと封止樹脂との界面の剥離防止対策として、図８に示すようなリードフレーム８００に比表面積が１．３以上となる表面粗化を行うことによって突起８０９を形成させ、リードフレームと樹脂との高い密着性を確保しているものがあった。
特開２００５−２３５９２６号公報

しかしながら、前記従来の半導体装置用リードフレームとその製造方法では、粗化する領域が樹脂密着領域のみならず、リードフレーム全面に対して施しているため、樹脂外囲器とリードフレームの境界部に発生し、後工程で除去される樹脂バリと称される不要樹脂片がリードフレームと高い密着性を保持してしまう。

樹脂バリを除去する方法しては、ウォータージェットやアルカリ電解を用いて除去する方法が用いられているが、高い密着性を有する樹脂バリは従来の方法で除去することが困難であったために樹脂バリが残留するという問題があった。そのため、後工程の半導体素子実装工程やワイヤーボンディング工程において、残留した樹脂バリの影響で半導体素子の接着不具合が発生したり、ボンディングワイヤの接続不具合が発生するという課題があった。

また、基板実装工程においても残留していた樹脂バリが基板上に脱落し実装不具合を引き起こすという課題を有していた。

さらに、銅や銅合金からなるリードフレームを用いた半導体装置の場合、リードフレームの熱膨張率は１７．６×１０^-6／℃であり、モールド樹脂に用いられる樹脂の熱膨張率は３０〜６０×１０^-6／℃であり、両者の熱膨張率の差が非常に大きくなる。例えば、半導体装置をプリント基板などに実装する際に使用されるリフロー炉では約２３０〜２６０℃に加熱されることがある。その為、半導体装置に熱が加わった場合には、リードフレームと樹脂との界面に生じる応力により剥離が発生し隙間が生じることになる。その隙間には容易に水分が浸入することになり、さらに水分が浸入した状態で加熱された場合、半導体素子自体の信頼性が低下することや、水蒸気爆発によりパッケージ自体が破壊に至るという課題がある。

さらに、リードフレームと樹脂との界面に生じた隙間は、組み立て工程や電子機器完成後に加わる振動で経時的に変化し半導体装置が破壊に至るという課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、樹脂とリードフレームの密着性が高く、且つ樹脂バリの除去が容易に可能であり、樹脂とリードフレームとの密着性を向上し、樹脂とリードフレームとの間に水分が浸入することを防止する半導体装置用リードフレームとそれを用いた半導体装置および半導体装置用リードフレームの製造方法を提供する事を目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の半導体装置用リードフレームは、リード部のそれぞれを包囲する形態で樹脂外囲器が形成された金属原板の表面のみを選択的にディンプルを備えている事を特徴としており、本発明の方法ではディンプルに形成された複数の突起によって半導体装置用リードフレームと樹脂との間に強力なアンカー効果が生まれ、樹脂密着性を強固にすることができると共にディンプルが形成されていない領域に発生する樹脂バリの除去が容易に可能である。

以上のように、本発明の半導体装置用リードフレームによれば、樹脂外囲器が形成される金属原板に複数の突起を備えたディンプルを形成しているため、前記突起部の隙間に入り込んだ樹脂が極めて強硬なアンカー効果を発揮し、樹脂とリードフレームとの密着性を大幅に向上させることができる。またディンプルが加工されていない金属原板領域は複数の突起のみで形成されており、樹脂バリが発生しても容易に除去できる仕様となっているため、基板実装時における信頼性が高く、かつ強固な密着性を備えた樹脂外囲器付きリードフレームを形成する事ができる。

（発明の実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施例におけるリードフレームの平面図及びリードフレームのディンプル断面図及び、樹脂外囲器付きリードフレームの断面図を示す。本発明の実施の形態に係るリードフレームは、樹脂外囲器１０４とリードフレーム１０１が接する領域１１０のうち半導体素子搭載領域のパッド部１０２とリード部１０３の上面、及び下面にストライプ状のディンプル１０８を形成すると共にディンプル表面に複数の微小突起１０９を形成したことを特徴とするもので、他部においては図７に示した従来のリードフレームと同様に構成されている。

ディンプル１０８及びディンプル表面に形成された複数の微小突起１０９はリードフレーム１０１の表面積を大きくし、図１（ｅ）に示す熱硬化性モールド樹脂と噛み合って、樹脂外囲器１０４とリードフレーム１０１の界面１１２の密着性を高めるアンカー効果として作用する。また樹脂バリの発生が懸念される領域１１１においては樹脂バリの除去が十分可能な粗さを実現した複数の微小突起１０９のみでリードフレーム表面が形成されているため、樹脂バリが発生しても容易に除去できる。

次にこのリードフレームの製造方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法について説明する。従来のリードフレームと同様に図７に示すように金属原板７００を用いてプレス加工もしくはエッチング加工によって半導体素子が搭載されるパッド部７０２及びリード部７０３を備えたリードフレームを形成する。次いで、図２に示すようなストライプ形状のディンプルが形成可能な上金型２０１及び下金型２０２を用いて図１に示すリードフレームのパッド部とリード部両面の樹脂外囲器が接触する領域１１０にストライプ形状を備えたディンプル１０８を選択的に形成する。このときリードフレーム上面に形成されるディンプルはリードフレーム下面に形成されるディンプルと対応した位置関係にはなく、ディンプルの高さは１０〜５０μｍ程度が望ましい。

さらにディンプル１０８の外周が樹脂外囲器１０４の形成される領域の外周（モールドライン）よりも内側に位置している。また図３に示すように樹脂外囲器とリード部１０３が接する領域内に位置する前記ストライプ形状を備えたディンプル１０８は樹脂外囲器の外周（モールドライン）３０２と並行であるほうが望ましい。さらにディンプルの外周が樹脂外囲器の形成される領域の外周（モールドライン）よりも内側に位置している。

次いでディンプル１０８を形成した後、リードフレーム１０１の全面に粗化処理を施し複数の微小突起１０９を形成する。この複数の微小突起１０９は、複数の突起を備えたリードフレームの表面積と、表面が平坦である場合のリードフレームの表面積との比率、つまり比表面積で１．１以上１．３未満とし、比表面積は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で測定する。

この複数の突起を形成する際、本発明の方法の一つとしては、エッチング加工により行う。エッチング液としては、金属原板を溶解する酸性、またはアルカリ性の溶解液に腐蝕抑制剤及び金属イオンの内、少なくとも一方を添加したものを用いる。これらのエッチング液を用いた場合、添加した腐蝕抑制剤や金属イオンがリードフレームに部分的に吸着し、その部分ではエッチングが施されないため、ディンプル表面に高低差のある複数の突起を形成できる。

また複数の突起を形成する際の本発明のもう一つの方法として、金属原板にディンプル１０８を形成した後、リードフレーム全面に第一めっき層としてニッケルめっきまたはニッケル合金めっきを形成し、次いで第一めっき層をエッチング加工により粗面化処理を施すことによって複数の微小突起１０９を形成することができる。

上述の方法を用いて複数の突起を形成したリードフレームの表面及び第一めっき層表面に新たにめっき層を鍍着させても良い。その際、新たに鍍着するめっき層は、複数の突起を形成したリードフレーム及び第一めっき層の表面に沿う程度の膜厚で形成し、突起の形状は、最表面のめっき層表面にまで及んでいる。

以上のように本実施形態によれば、リードフレームにディンプルを形成し、リードフレーム表面に複数の突起を形成する。これにより、樹脂密着性向上を目的としたリードフレームにおいて、全面を粗化したリードフレーム（比表面積１．３以上）と比較して、本発明のリードフレームは強力なアンカー効果で半導体装置用リードフレームと樹脂との密着性を確保する事ができると共に、樹脂バリの発生が懸念される領域においても、容易に樹脂バリが除去できる仕様になっている。

ただし本発明のディンプル形状はストライプ形状のみに限定されるのもではなく、図４のディンプル形状に示すようにメッシュ形状にしても良い。このように複雑な形状を備えたディンプルであるほうがアンカー効果は大きくなる為望ましい。また本発明は、複数の突起を形成する領域はリードフレーム全面に限定されるものではなく、図５に示すようリードフレームと封止樹脂とが接触する領域にのみ施すだけでも良い。

図６は表面形状を変化させたリードフレームに対する樹脂バリの取れ易さ、樹脂の密着強度、半田付け性、及びＷ／Ｂ性をそれぞれ未処理リードフレーム、比表面積１．１以上１．３以下で粗化したリードフレーム、比表面積１．３以上で粗化したリードフレーム、ディンプル形成し、比表面積を１．１以上１．３未満で粗化したリードフレームのサンプルで相対的に比較した表である。樹脂バリの取れ易さは樹脂外囲器付リードフレームを有機溶媒に浸漬させた後、ウォータージェットを噴射し、顕微鏡概観検査で樹脂バリの残り具合を観察、評価した。その結果本発明のリードフレームは比表面積１．３以上で粗化したリードフレームと比較して樹脂バリがきれいに除去されていた。

次に樹脂バリをウォータージェットで落としたそれぞれのサンプルの樹脂密着性を超音波映像装置（ＳＡＴ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈ）を用いて評価した。なお加速試験の規格として、ＪＥＤＥＣ Ｓｔａｎｄａｒｄ ２２−Ａ１１３Ｄのレベル３を使用し、詳細条件として湿度６０％、温度６０℃の雰囲気中にサンプルを４０時間放置した。また鉛フリーはんだを実装するためのリフロー条件として２６０℃で４０秒のラインにサンプルを流した後、超音波探査映像装置を用いて、リードフレームと樹脂との隙間を観察した。その結果、本発明のリードフレームは比表面積１．３以上で粗化を施したリードフレームと同等以上の樹脂密着性を確認した。

次に樹脂バリをウォータージェットで落としたそれぞれのサンプルのはんだ付け性を確認した。その評価方法として、はんだ組成Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕのはんだにそれぞれのサンプルを５ｓ間浸漬させ、浸漬させたリードフレームの表面積が９５％以上はんだに濡れている事を評価基準とし確認した。その結果比表面積１．３以上で粗化を施したリードフレームサンプルには樹脂バリが残っていた為９５％以上はんだに濡れていないものがあったのに対し、本発明のリードフレームサンプルはこの規格を十分クリアしていた。

次に樹脂バリをウォータージェットで落としたそれぞれのサンプルにおいて所定の位置にＡｕワイヤーを接合しＷ／Ｂ性を確認した。その結果比表面積１．３以上で粗化を施したリードフレームサンプルには樹脂バリが残っていた為Ｗ／Ｂ接合が不可能なサンプルが続出したのに対し、本発明のリードフレームはＡｕワイヤーが外れることなく良好なＷ／Ｂ性を示した。

総合的に評価すると本発明のリードフレームが、樹脂密着性、樹脂バリ除去の簡易性、またそれらに伴うはんだ付け性、Ｗ／Ｂ性において最も優れた基板実装信頼性を得ることが確認できた。

なお、本実施の形態ではディンプルに複数の突起が形成されたリードフレームにおいて、半導体素子及び半導体素子搭載用パッド及び、半導体素子が接続されるリード部の領域を除いて囲うように構成した合成樹脂製の枠体、すなわち樹脂外囲器をトランスファ成形によって形成し、次いでパッド部に半導体素子を固着した後、半導体素子の一方の電極とリード部を金属細線を介して電気的に接続し、最後に樹脂外囲器の内部にポッティング樹脂を充填することによって半導体装置を完成させていたが、ここでトランスファ成形する樹脂の構成は外囲器でなくてもよい。すなわちディンプルに複数の突起が形成されたリードフレームにおいて、パッド部に半導体素子を固着した後、半導体素子の一方の電極とリード部を金属細線を介して電気的に接続し、最後にこれらを樹脂封止して半導体装置を完成させる場合においても、リードフレームと樹脂形成体が接する領域内でリードフレームに形成されたディンプルの外周が封止樹脂の外周より内側に構成されていれば、強力なアンカー効果で半導体装置用リードフレームと樹脂との密着性を確保する事は可能であり、また樹脂バリの発生が懸念される領域においても、容易に樹脂バリが除去可能である事は言うまでも無い。

本発明の半導体装置用リードフレームによれば、樹脂と金属原板との密着性を向上させることができる。また従来の方法で粗化したリードフレーム比較して容易に樹脂バリの除去が可能となるため、量産時における樹脂バリが起因した不良率の低減等の効果が奏される。

本発明の実施例のリードフレームの図であり、（ａ）はリードフレームの表側の図、（ｂ）はリードフレームの裏側の図、（ｃ）はディンプルが形成されたリードフレームの部分断面図、（ｄ）は突起形状を形成したリードフレームの部分断面図、（ｅ）は本発明のリードフレームに外囲器樹脂をトランスファーモールドで形成した樹脂外囲器付きリードフレームの断面図及びその拡大図 本発明のディンプル形成時に使用する金型の断面図 本発明のリードフレームに形成されるディンプルと外囲器樹脂の位置関係を示す図 本発明の他の実施例リードフレームを示す図 本発明の他の実施例リードフレームに外囲器樹脂を形成した断面図およびその拡大図 本発明の樹脂外囲器付きリードフレームとその他の表面状態を備えた樹脂外囲器付きリードフレームを信頼性評価試験にかけた場合の相対的な比較を示した表 従来の半導体装置の形成工程図とそのＸ−Ｘ’断面を示す図 従来のディンプルが形成されたリードフレームの図であり、（ａ）はリードフレームの表側の図、（ｂ）はリードフレームの裏側の図、（ｃ）は突起が形成されたリードフレームの部分断面図、（ｄ）はリードフレームに樹脂外囲器をトランスファーモールドで形成した樹脂外囲器付きリードフレームのＸ−Ｘ’断面を示す図及びその拡大図

符号の説明

１００、５００、７００、８００ 金属原板（リードフレーム）
１０１ａ、４０１ａ、８０１ａ リードフレーム（表側）
１０１ｂ、４０１ｂ、８０１ｂ リードフレーム（裏側）
１０２、７０２、８０２ パッド部
１０３、７０３、８０３ リード部
１０４、５０４、７０４、８０４ 樹脂外囲器
１０８、４０８ ディンプル
１０９、８０９ 突起
１１０ ディンプル形成領域
２０１、２０２ 金型
２０３ 半抜きパンチ
３０２ 樹脂外囲器外周（モールドライン）
５０９ａ 突起を形成したディンプル
７０５ 半導体素子
７０６ 金属細線
７０７ ポッティング樹脂
７０８ ニッケルめっき
７０９ パラジウムめっき
７１０ 金めっき
１１１、８１１ 樹脂バリ発生領域

Claims (7)

1. 半導体素子が搭載されるダイパッド部と、金属板材料に形成された半導体素子組立用パッド部及びリード部の所定の箇所に半導体素子が搭載され、かつ前記パッド部及び前記リード部のそれぞれを包囲する形態で樹脂外囲器が形成された半導体装置用リードフレームであって、前記樹脂外囲器が形成される前記金属原板の表面のみを選択的にディンプル形成が施されており、前記ディンプルの表面に複数の微小突起を備え、前記リードフレームにおいて、比表面積が１．１以上１．３未満であることを特徴とする樹脂外囲器付きリードフレーム。
2. 前記リードフレームに形成された前記ディンプルの外周が樹脂外囲器の形成される領域の外周（モールドライン）よりも内側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の樹脂外囲器付きリードフレーム。
3. 金属原板材料に複数の半導体素子を搭載する組立用パッド部とリード部とを形成し、前記組立用パッド部とリード部とを囲繞する樹脂外囲器を形成するリードフレームの製造方法であって、前記金属原板材料表面の前記樹脂外囲器が形成される領域に予めディンプルを形成するディンプル形成工程と、前記ディンプルの表面に比表面積が１．１以上１．３未満である複数の微小突起を形成する微小突起形成工程を備えた樹脂外囲器付きリードフレームの製造方法。
4. 前記ディンプル形成工程は、前記半導体素子が搭載される半導体素子組立用リード部の上面をプレス加工により行うことを特徴とする請求項３記載の樹脂外囲器付きリードフレームの製造方法。
5. 前記微小突起形成工程は、前記ディンプル表面をエッチング加工により行うことを特徴とする請求項４記載の樹脂外囲器付きリードフレームの製造方法。
6. 前記微小突起形成工程は、前記ディンプル表面をめっき工法により鍍着させて行うことを特徴とする請求項４記載の樹脂外囲器付きリードフレームの製造方法。
7. 半導体素子が搭載されるダイパッド部と、金属板材料に形成された半導体素子組立用パッド部及びリード部の所定の箇所に半導体素子が搭載され、かつ前記パッド部及び前記リード部のそれぞれを包囲する形態で樹脂外囲器が形成された半導体装置において、前記樹脂外囲器が形成される前記金属原板の表面のみを選択的にディンプル形成が施されており、前記ディンプルの表面に複数の微小突起を備え、前記リードフレームの比表面積が１．１以上１．３未満であることを特徴とし、且つ、前記リードフレームに形成された前記ディンプルの外周が樹脂外囲器の形成される領域の外周（モールドライン）よりも内側に位置していることを特徴とする半導体装置。

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