JP4945116B2

JP4945116B2 - 半導体装置

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Publication number: JP4945116B2
Application number: JP2005325957A
Authority: JP
Inventors: 裕之加納; 亮介近藤; 直隆足立
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2025-11-10
Also published as: JP2007134491A

Description

本発明は半導体装置に関するものであり、詳しくは、略平行に配設され複数本のリードフレームの一方の端部に載設された半導体発光素子あるいは半導体受光素子を封止樹脂によって樹脂封止した半導体装置に関する。

半導体装置の発光源となる半導体発光素子（例えば、ＬＥＤチップ）は、一辺の長さが０．５ｍｍ程度の６面体（サイコロ状）の形状をしており、小さくて発光光量が少なく、点光源に近い光学特性を有している。したがって、このような特性のＬＥＤチップを光源にした半導体装置を設計・製作するにあたっては、ＬＥＤチップの活性層で発光された光の量に対するＬＥＤチップから出射される光の量の割合（光取り出し効率）を高め、且つＬＥＤチップから出射されてＬＥＤランプの外部（大気中）に放出される光を一方向に集めてＬＥＤの軸上光度を高めるような手法が施されている。

具体的には、リードフレームやプリント基板等の基材に実装されたＬＥＤチップを透光性樹脂によって樹脂封止するものである。その場合、透光性樹脂はＬＥＤチップを水分、塵埃及びガス等の外部環境から保護し、且つボンディングワイヤを振動及び衝撃等の機械的応力から保護する。また、ＬＥＤチップの光出射面と透光性樹脂とが界面を形成することになるため、ＬＥＤチップの光出射面を形成する半導体材料の屈折率に近い屈折率の透光性樹脂を採用することによってＬＥＤチップの発光光を透光性樹脂内に効率良く導入することができる。

また、ＬＥＤチップの発光光の出射方向の位置に透光性樹脂を球面または非球面等のレンズ形状に成形することによって、ＬＥＤチップから出射されて半導体装置の外部に放出される光の集光及び／又は配光制御を行なうことができる。

ところで、リードフレームの一方の端面にＬＥＤチップを実装し、該ＬＥＤチップを砲弾形に成形した透光性樹脂で樹脂封止するタイプの半導体装置には、従来種々の形状のものが提案されており、それらを回路基板に実装することによって夫々の半導体装置の優れた点や問題点が明らかになる。

図６は従来の半導体装置を回路基板に実装した状態を示したものである。この半導体装置５０は、平行に配置された一対のリードフレーム５１ａ、５１ｂの一方の端面に導電性部材（図示せず）を介してＬＥＤチップ５２が載設され、ＬＥＤチップ５２の下側電極と該ＬＥＤチップ５２が載設されたリードフレーム５１ａとの電気的導通が図られている。ＬＥＤチップ５２の上側電極はボンディングワイヤ５３を介して他方のリードフレーム５１ｂの端面に接続され、ＬＥＤチップ５２の上側電極とボンディングワイヤ５３が接続されたリードフレーム５１ｂとの電気的導通が図られている。そしてＬＥＤチップ５２とボンディングワイヤ５３とを覆うように透光性樹脂５４によって樹脂封止されている。

この場合、リードフレームに載設されたＬＥＤチップ及び架空配線されたボンディングワイヤを透光性樹脂で樹脂封止する一般的な方法は、夫々の端面にＬＥＤチップ及びボンディングワイヤが載設されたリードフームをリードフレーム固定治具に取り付けると共に、注型金型に設けられた注型キャビティに透光性樹脂を注入する。そして、リードフレーム固定治具を注型金型の上方から徐々に下降させてリードフレームのＬＥＤチップが実装された部分を注型キャビティに挿入して透光性樹脂内に埋設させる。注型キャビティとリードフレームとは注型金型にリードフレーム固定治具を固定することによって所定の位置関係を保持することになる。そして、その状態で透光性樹脂を加熱硬化させ、硬化後に注型キャビティから取り出すと半導体装置が完成する（例えば、特許文献１参照。）。

また、砲弾形に樹脂封止された上記半導体装置５０を回路基板５５に実装する場合は、回路基板５５のリード孔５６にリードフレーム５１ａ、５１ｂ部を挿入し、砲弾形に成形された透光性樹脂５４の底面が回路基板５５の部品面（部品を実装する側の面）５７に当接した状態で半導体装置５０を回路基板上に載置する。そして、回路基板５５の半導体装置５０が載置された部品面５７の反対面（はんだ面５８）にフラックスを塗布し、はんだ面５８を噴流はんだ槽等に浸漬してリードフレーム５１ａ、５１ｂを回路基板５５にはんだ５９によってはんだ付け接続する。

図７は従来の他の半導体装置を回路基板に実装した状態を示したものである。この半導体装置７０は、構成及び製造方法は上記図６で示した半導体装置５０とほぼ同様であるが、封止樹脂７１から延出したリードフレーム７２ａ、７２ｂに該リードフレーム７２ａ、７２ｂの延出方向に垂直な方向に突出したタイバー７３が形成されていることが異なる（例えば、特許文献２参照。）。そしてこの半導体装置７０を回路基板７４に実装する場合は、回路基板７４のリード孔７５にリードフレーム７２ａ、７２ｂを挿入し、リードフレーム７２ａ、７２ｂに成形されたタイバー７３が回路基板７４の部品面７６に当接した状態で半導体装置７０を回路基板７４上に載置する。そして、回路基板７４のはんだ面７７にフラックスを塗布し、はんだ面を噴流はんだ槽等に浸漬してリードフレーム７２ａ、７２ｂを回路基板７４にはんだ７８によってはんだ付け接続する。

図８は従来の更なる他の半導体装置を回路基板に実装した状態を示したものである。この半導体装置９０は、構成は上記図６及び図７で示した半導体装置５０、７０とほぼ同様であるが、封止樹脂９１の底面にリードフレーム９２ａ、９２ｂの延出位置を通過してリードフレーム９２ａ、９２ｂの配列方向に延びる貫通溝９３が形成されていることが異なる。また、製造方法は、ＬＥＤチップ及びボンディングワイヤが載設されたリードフレームの端部を成形金型にセットし、封止樹脂によるトランスファー成形方法によってインサート成形される（例えば、特許文献３参照。）。そしてこの半導体装置９０を回路基板９４に実装する場合は、回路基板９４のリード孔９５にリードフレーム９２ａ、９２ｂを挿入し、貫通溝９３で分離された封止樹脂９１の最底面９６が回路基板９４の部品面９７に当接した状態に半導体装置９０を回路基板９４上に載置する。そして、回路基板９４のはんだ面９８にフラックスを塗布し、はんだ面９８を噴流はんだ槽等に浸漬してリードフレーム９２ａ、９２ｂを回路基板９４にはんだ９９によってはんだ付け接続する。
特開２００２−９３４８号公報特開２００４−２４１４０１号公報特開２００１−２１０８７６号公報

しかしながら、上記図６に示した半導体装置５０は、製造上リードフレーム５１ａ、５１ｂには封止樹脂５４がリードフレーム５１ａ、５１ｂの表面に沿って這い上がってできた樹脂フィレット６０が形成され、回路基板５５のリード孔５６の部品面６７側の開口部６１を樹脂フィレット６０が塞いだ状態でリードフレーム５１ａ、５１ｂが回路基板５５にはんだ付けされる。

ところが、はんだ付けを行なう前に塗布されたフラックスが一方の開口部を樹脂フィレットで塞がれたリード孔内に残留しており、他方のリード孔開口部がはんだ付けによって塞がれるときの熱によってリード孔内に閉じ込められたフラックスが気化してリード孔内の気圧が上昇し、高圧フラックスガスはリード孔を塞ぐ溶融したはんだ付け部から外部に噴出することになる。その結果、はんだ付け部にブローホールを生じることになり、はんだ付けの信頼性を損なう要因となるものである。

また、上記図７に示した半導体装置７０は、封止樹脂７１から延出したリードフレーム７２ａ、７２ｂに形成されたタイバー７３が回路基板７４の部品面７６に当接した状態ではんだ付けされるためにブローホールの問題は生じない。但し、半導体装置７０を該半導体装置７０の光軸Ａが回路基板面７４に垂直な方向を向くように回路基板７４に実装する場合、リードフレーム７２ａ、７２ｂの配列方向（Ｙ―Ｙ方向）は半導体装置７０の傾きが生じないために光軸Ａずれは生じない。それに対し、リードフレーム７２ａ、７２ｂの配列方向に直角な方向（Ｘ―Ｘ方向）は半導体装置７０の傾きが生じ易いために光軸Ａずれが生じ易くなる。その結果、半導体装置の照射方向が正規の方向とはならず、よって照射方向の再現性も確保できないために照明品位に劣るものとなってしまう。

また、上記図８に示した半導体装置９０は、封止樹脂９１の最底面９６が回路基板９４の部品面９７に当接した状態ではんだ付けされるためにはんだ付け部が貫通溝９３内に形成され、ブローホールの問題は生じない。同時に半導体装置９０が該半導体装置９０の最底面９６が回路基板９４の部品面９７に平面状に接するように回路基板９４に実装されているために回路基板９４に対する光軸ずれはほとんど生じない。但し、貫通溝９３を形成するため、変形加工した金型を用いたトランスファー成形やインジェクション成形によるか、キャスティングによる成形後に溝部を除くことになる。封止樹脂の成形方法がトランスファー成形方法によるインサート成形によると、成形金型に高い精度が要求されると共に必要な成形金型の型数が多くなり、樹脂封止部分に対してランナなどの樹脂封止に寄与しない部分の樹脂も必要となる。従って、金型費及び材料費が高くなり製造コストが上昇することになる。更に、トランスファー成形時の樹脂の成形圧力によって電極からボンディングワイヤが剥離したり、ボンディングワイヤが断線したり、ボンディングワイヤの変形によって短絡したりすることによる電気的な不具合を生じる可能性がある。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、回路基板に実装する半導体装置において、回路基板にはんだ付けする際にはんだ付け部にブローホールが発生することなく、回路基板に対して光軸ずれを低減した実装が可能であり、安価な製造コストで信頼性の高い半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、略平行に配設され複数本のリードフレームのうちの少なくとも一本のリードフレームの端部に半導体素子が載設され、前記半導体素子の電極と該半導体素子が載設されたリードフレーム以外の少なくとも一本のリードフレームの端部とがボンディングワイヤによって架空配線され、前記半導体素子と前記ボンディングワイヤとを含む前記複数本のリードフレームの端部が封止樹脂によって樹脂封止された半導体装置であって、前記封止樹脂は、平側面と、前記リードフレームが延出した底面と、前記平側面と前記底面との交線部を有し、前記底面は、前記半導体素子の光軸に垂直な面に対して所定の角度で傾斜し、前記封止樹脂の底面から延出したリードフレームのうちの少なくとも一本のリードフレームには、該リードフレームの延出方向に垂直な方向に突出したリードストッパーが形成されており、前記封止樹脂は、前記交線部と前記リードストッパーの下面とは前記半導体素子の光軸に垂直な面上の略同一平面上に位置していることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記半導体素子は、ＬＥＤチップ、フォトダイオードチップ、ＰＩＮフォトダイオードチップ及びフォトトランジスタチップの群の中から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２のいずれか１項において、前記樹脂封止は、キャスティングによって行なわれることを特徴とするものである。

本発明の半導体装置は、半導体素子とボンディングワイヤと複数本のリードフレームの一方の端部とを封止樹脂によって樹脂封止した半導体装置において、封止樹脂の底面を半導体素子の光軸に垂直な面に対して所定の角度で傾斜させ、封止樹脂の底面から延出したリードフレームのうちの少なくとも一本のリードフレームに、該リードフレームの延出方向に垂直な方向に突出したリードストッパーを形成し、封止樹脂の底面縁部の一部の線部分と前記リードストッパーの下面とが半導体素子の光軸に垂直な面上の略同一平面上に位置するようにした。

すると、半導体装置を回路基板に実装する場合、半導体装置は回路基板に対して、封止樹脂の底面縁部の一部の線部分との接触と、リードストッパーの下面との接触との２箇所で接触することになる。

その結果、回路基板に対する半導体装置の光軸ずれはほとんど生じることはない。また、封止樹脂の底面は底面縁部の一部の線部分のみが回路基板に接触しており、その他の部分は回路基板の上方に浮いた状態に支持されている。従って、製造過程でリードフレームの表面に沿って封止樹脂が這い上がって樹脂フィレットが形成されたとしても、実装時に回路基板のリード孔の開口部を樹脂フィレットが塞ぐことはない。よって、はんだ付け部におけるブローホールの発生はなく、はんだ接合の高い信頼性を確保することができる。

更に、樹脂封止は注型成形（キャスティング）によって行なわれるものである。そのため、トランスファー成形に比べて金型数が少なく金型精度もトランスファー成形金型ほどの高い精度は要求されない。よって、注型金型が安価で且つ短期間で作製でき、成形時に使用する成形樹脂にむだを生じることがない。また、架空配線されたボンディングワイヤが成形時にトランスファー成形の成形圧力のような力をうけることがない。そのため、製造体制を迅速に構築できると共に製造コストを安価にでき、電気的に信頼性の高い半導体装置を実現することが可能となる。

以下、この発明の好適な実施形態を図１から図５を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明の半導体装置に係わる実施形態の斜視図、図２は断面図である。本実施形態は上記「背景技術」で説明した従来例の構成と同様の部分もあるが、再度詳細に説明する。

本実施形態の半導体装置１は、略平行に配置された一対のリードフレーム２ａ、２ｂの一方の端面に導電性部材（図示せず）を介してＬＥＤチップ３が載設され、ＬＥＤチップ３の下側電極と該ＬＥＤチップ３が載設されたリードフレーム２ａとの電気的導通が図られている。また、一方の端部がＬＥＤチップ３の上側電極に接続されたボンディングワイヤ４の他方の端部が他方のリードフレーム２ｂの端面に接続され、ＬＥＤチップ３の上側電極とボンディングワイヤ４が接続されたリードフレーム２ｂとがボンディングワイヤ４を介して電気的導通が図られている。そしてＬＥＤチップ３とボンディングワイヤ４とを覆うように封止樹脂５によって樹脂封止されている。

なお、ＬＥＤチップの替わりに、フォトダイオードチップ、ＰＩＮフォトダイオードチップ、フォトトランジスタチップなどの半導体受光素子を使用することも可能である。

封止樹脂はエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の透光性樹脂からなっており、ＬＥＤチップ３を水分、塵埃及びガス等の外部環境から保護し、且つボンディングワイヤ４を振動及び衝撃等の機械的応力から保護する。また、ＬＥＤチップ３の光出射面と封止樹脂５とが界面を形成することになるため、ＬＥＤチップ３の光出射面を形成する半導体材料の屈折率に近い屈折率の封止樹脂５を採用することによってＬＥＤチップ３の発光光を封止樹脂５内に効率良く導入することができる。

封止樹脂５は台座部６と凸状レンズ部７とからなり、凸状レンズ部７にはＬＥＤチップ３の光出射方向の前方に球面または非球面等のレンズ面８が形成されており、ＬＥＤチップ３から出射されて半導体装置１の外部に放出される光の集光及び／又は配光制御が行なわれる。

封止樹脂５の台座部６は、側面の少なくとも一部がＬＥＤチップ３の光軸Ａに対して略平行な平側面９からなり、底面（レンズ面８と対向する側の面）１０はＬＥＤチップ３の光軸Ａに垂直な面Ｂに対して所定の角度αで傾いている。

封止樹脂５の底面１０から延出した一対のリードフレーム２ａ、２ｂのうち、一方のリードフレーム２ａには封止樹脂５の底面１０の延出部近傍に該リードフレーム２ａの延出方向に垂直な方向に突出したリードストッパー１１が形成されており、リードストッパー１１の下面１２と平側面９の下辺１３とはＬＥＤチップ３の光軸Ａに垂直な面Ｂ上の略同一平面上に位置している。また、平側面９は、その下辺１３が、リードストッパー１１の突出方向（下面１２の長手方向）に対して、垂直となるように形成されている。

なお、リードストッパー１１は半導体装置１の極性マークとして活用することもできる。

以上、本発明の半導体装置に係わる実施形態を説明してきたが、次に製造工程について図３を参照しながら説明する。

まず、（ａ）の工程において、複数個の注型キャビティ２０を設けた注型金型２１を作製する。夫々の注型キャビティ２０は半導体装置の樹脂封止の形状に対応した凹形状を有しており、夫々の注型キャビティ２０の中心軸Ｃが略平行に一直線上に所定の間隔を保った状態に配置されている。そして、上記構成の注型金型２１を注型キャビティ２０の中心軸Ｃが水平面Ｄに垂直な線Ｅに対して角度α傾いた状態に支持する。このとき、注型キャビティ２０の傾斜方向は、図１及び図２で示した封止樹脂５の平側面９に対応する面が傾斜した注型キャビティ２０の下方に位置するような方向となっている。

次に、（ｂ）の工程において、注型キャビティ２０内にディスペンサ（液体定量吐出装置）によって所定量の封止樹脂５を注入する。封止樹脂５の注入量は、図１及び図２で示した封止樹脂５の平側面９の下辺１３に対応する注型キャビティ２０の開口縁部２２に封止樹脂５の上面が略一致するように設定される。

次に、（ｃ）の工程において、夫々の端面にＬＥＤチップ３及びボンディングワイヤ４が載設された一対のリードフーム２ａ、２ｂが複数個タイバー２３を介して平行に一直線上に所定の間隔を保つように配置された多数個取りリードフレーム２４を準備する。そして前記多数個取りリードフレーム２４を注型金型２１の上方から徐々に下降させて夫々の一対のリードフレーム２ａ、２ｂのＬＥＤチップ３及びボンディングワイヤ４が載設された部分を注型キャビティ２０に挿入して封止樹脂５中に埋設させる。このとき、注型金型２１に対する多数個取りリードフレーム２４の方向及び深さは、ＬＥＤチップ３の光軸Ａと注型キャビティ２０の中心軸Ｃとが略一致し、リードストッパー１１が傾斜した注型キャビティ２０の上方に位置し、リードストッパー１１の下面１２と封止樹脂５の平側面９の下辺１３に対応する注型キャビティ２０の開口縁部２２とが注型キャビティ２０の開口面２５上の略同一平面上に位置するようになっている。

最後に、（ｄ）の工程において、封止樹脂５を加熱硬化した後、注型キャビティ２０から多数個取りリードフレーム２４を取り外してタイバーカットを施して分離すると、図１及び図２に示すような半導体装置が完成する。

上記製造方法の他に、注型キャビティを注型金型の底面の垂直線に対して該注型キャビティの中心軸を予め所定の角度に傾けた状態で設け、後の工程を注型金型を直接水平面に置いた状態で進めることができるようにすることも可能である。

また、同様に上記製造工程において、注型キャビティは直接注型金型に掘り込まれていたが、複数個のキャビティが設けられた多連の樹脂型を使用することもできる。それにより、キャビティ内面に封止樹脂や離型剤などの汚れが付着したときに簡単に交換でき、多数の半導体装置を製造するにあたって、表面状態が良好な封止樹脂を有する半導体装置を歩留まり良く大量に製造することができる。

樹脂型を使用する場合も、直接キャビティを設ける注型金型と同様に、キャビティを樹脂型に対して該キャビティの中心軸の角度を適宜設定した状態に設けることができる。

図４及び図５に、上記製造工程を経て製造された半導体装置を回路基板に実装したときの状態を示している。回路基板３０のリード孔３１に回路基板３０の部品面３２側から半導体装置１のリードフレーム２ａ、２ｂが挿入され、回路基板３０のはんだ面３３側からリードフレーム２ａ、２ｂとリード孔３１に形成されたランドとがはんだ付けされてはんだ３４による接合がなされている。

このとき、半導体装置１は回路基板３０に対して、封止樹脂５の平側面９の下辺１３との線状部分の接触と、リードフレーム２ａのリードストッパー１１の下面１２との接触の２箇所で接している。従って、平側面９の下辺１３と回路基板３０との接触部でＸ−Ｘ方向の光軸Ａのずれを防止すると共に、リードストッパー下面１２と回路基板３０との接触部でＹ−Ｙ方向の光軸Ａのずれを抑えることができるため、回路基板３０に対する半導体装置１の光軸ＡずれはＸ−Ｘ方向及びＹ−Ｙ方向ともほとんど生じることはない。

また、封止樹脂５の底面１０は平側面９の下辺１３のみが回路基板３０に接しており、その他の部分は回路基板３０の上方に浮いた状態に支持されている。従って、製造過程でリードフレーム２ａ、２ｂの表面に沿って封止樹脂５が這い上がって樹脂フィレットが形成されたとしても、実装時に回路基板３０のリード孔３１の開口部３５を樹脂フィレットが塞ぐことはない。よって上記「背景技術」で述べたようなはんだ付け部におけるブローホールの発生はなく、はんだ接合の高い信頼性を確保することができる。

本発明の半導体装置は、上述の製造方法の他にトランスファー成形による製造方法も可能である。しかしながら、注型成形（キャスティング）で製造することによってトランスファー成形に比べて金型数が少なく金型精度もトランスファー成形金型ほどの高い精度は要求されない。よって、注型金型が安価で且つ短期間で作製でき、成形時に使用する成形樹脂にむだが生じることがない。また、架空配線されたボンディングワイヤが成形時にトランスファー成形の成形圧力のような力をうけることがない。その結果、製造体制を迅速に構築できると共に製造コストを安価にでき、電気的に信頼性の高い半導体装置を実現することが可能となる。

本発明の半導体装置に係わる実施形態の斜視図である。同じく、本発明の半導体装置に係わる実施形態の断面図である。同じく、本発明の半導体装置に係わる実施形態の製造工程図である。本発明の半導体装置に係わる実施形態を回路基板に実装したときの断面図である。同じく、本発明の半導体装置に係わる実施形態を回路基板に実装したときの底面図である。従来の半導体装置を回路基板に実装したときの断面図である。従来の他の半導体装置を回路基板に実装したときの断面図である。従来の更に他の半導体装置を回路基板に実装したときの断面図である。

符号の説明

１半導体装置
２ａ、２ｂリードフレーム
３ＬＥＤチップ
４ボンディングワイヤ
５封止樹脂
６台座部
７レンズ部
８レンズ面
９平側面
１０底面
１１リードストッパー
１２下面
１３下辺
２０注型キャビティ
２１注型金型
２２開口縁部
２３タイバー
２４多数個取りリードフレーム
２５開口面
３０回路基板
３１リード孔
３２部品面
３３はんだ面
３４はんだ
３５開口部

Claims

略平行に配設され複数本のリードフレームのうちの少なくとも一本のリードフレームの端部に半導体素子が載設され、前記半導体素子の電極と該半導体素子が載設されたリードフレーム以外の少なくとも一本のリードフレームの端部とがボンディングワイヤによって架空配線され、前記半導体素子と前記ボンディングワイヤとを含む前記複数本のリードフレームの端部が封止樹脂によって樹脂封止された半導体装置であって、
前記封止樹脂は、平側面と、前記リードフレームが延出した底面と、前記平側面と前記底面との交線部を有し、
前記底面は、前記半導体素子の光軸に垂直な面に対して所定の角度で傾斜し、
前記封止樹脂の底面から延出したリードフレームのうちの少なくとも一本のリードフレームには、該リードフレームの延出方向に垂直な方向に突出したリードストッパーが形成されており、前記封止樹脂は、前記交線部と前記リードストッパーの下面とは前記半導体素子の光軸に垂直な面上の略同一平面上に位置していることを特徴とする半導体装置。
前記半導体素子は、ＬＥＤチップ、フォトダイオードチップ、ＰＩＮフォトダイオードチップ及びフォトトランジスタチップの群の中から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記樹脂封止は、キャスティングによって行なわれることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体装置。