JP5018013B2 - 樹脂封止半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体チップが樹脂封止され、この半導体チップの表裏面が導体と電気的に接続される樹脂封止半導体装置に関する。
従来、半導体チップが樹脂封止される樹脂封止半導体装置においては、半導体チップと樹脂封止半導体装置の外部端子との電気的な接続をワイヤボンディングによって行うことが一般的であった。
しかし、ワイヤボンディングによる接続では、サージ電流のような大電流が流れた際に溶断し断線してしまうという問題点があり、また、サージ電流のような大電流が流れなくても、装置の動作による温度変化を繰り返すことによってワイヤが伸縮し、その応力から生じる金属疲労によってワイヤが断線してしまうという問題点があった。
また、これらの弊害を防止するためにワイヤ径を太くすると、ボンディング時におけるループ径を高く採らなければならず、製品外形が大きくなってしまうという問題点があった。さらに半導体チップを搭載するリードフレームのリード端子が、半導体チップの搭載前に屈曲されているとリード端子にワイヤボンディングのボンディング時の超音波振動が伝わりにくくボンディングしにくいという問題もあった。
このようなワイヤボンディングによる接続の問題点を解決する従来技術として、つぎに説明する樹脂封止半導体装置がある（特許文献１、２）。
図４は従来の樹脂封止半導体装置の構成図であり、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＣ部拡大図である。
樹脂封止半導体装置１００は、半導体チップ１０４の下面が接続されるリード端子１０２、及び半導体チップの上面が接続されるリード端子１０１が一対で形成され、それらのリード端子１０１、１０２の間に半導体チップを配置し、半田１０３、１０５で接続するものである。尚、図中の符号で、１０４ａは上面電極、１０４ｂは下面電極、１０４ｃは酸化膜、１０４ｄはポリイミド膜、１０４ｅはシリコン基板、１０７は上面電極露出部である。
前記したリード端子１０１、１０２は、ワイヤボンディングに用いるワイヤに比べ、その厚み、幅とも十分大きく採ることが可能であるため、大電流が流れた場合、及び温度変化によって伸縮が繰り返された場合においても十分な強度を有し、また、その配置形状を自由に選択できるため、製品外形の小型化を図ることができる。
特許文献１において、リード端子の上面に半導体チップを半田付けし、補助リード端子を狭幅部において屈曲させて形成した段差部を半導体チップの酸化膜との接触を避けつつ、半導体チップの上面電極に半田付けし、補助リード端子と半田つけすることで、半導体チップの電極部以外への半田付着を防止し、半導体素子の信頼性を向上させることが記載されている。
特許文献２において、半導体チップとリード端子が樹脂で封止され、前記リード端子および下面が前記樹脂の下面と面一である半導体装置において、前記リード端子と樹脂との境界部にテーパー状あるいは円弧状の凹部を設けることで、端子周辺の樹脂バリを防ぎつつ、良好な半田付けが行えることが記載されている。
特開２００１−１２７２２６号公報 図１ 特開２００２−２６１９５号公報 図１
しかし、樹脂封止半導体装置１００では、リード端子１０１が半導体チップ１０４の上面全体を覆うように配置され、このリード端子１０１と半導体チップ１０４との間に配置された半田１０５が溶解し、これらの半田付けが行われる。そのため半田１０５の溶解時に半田１０５が半導体チップ１０４の上面全体に拡がってしまう場合には、半導体チップ１０４の上面電極１０４ａ上のポリイミド膜１０４ｄが剥離し、半田の影響で半導体チップ１０４の信頼性を低下させてしまうという問題点がある。
また、図４（ｂ）に示すように、半導体チップ１０４の上面電極１０４ａが半田によって覆われない場合、樹脂１０６中を浸透してきた水分の影響を直接受け、樹脂封止半導体装置１００の耐湿信頼性を著しく低下させるという問題点もある。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、耐湿信頼性を向上できる樹脂封止半導体装置を提供することである。
前記の目的を達成するために、半導体チップが樹脂で封止される樹脂封止半導体装置において、前記半導体チップの上面に形成され第１開口部を有する第１絶縁膜と、前記第１開口部を介して前記半導体チップの上面と電気的に接続する上面電極と、前記第１絶縁膜上と、前記第１絶縁膜と前記上面電極との境界部を覆うように形成され第２開口部を有する第２絶縁膜と、前記第２開口部から露出する上面電極露出部と導電性接合材を介して電気的に接続する接続導体とを有し、前記導電性接合材は、前記第２開口部と、前記上面電極からはみ出さないように第２絶縁膜を覆うとともに、前記上部電極露出部から前記接続導体までの距離に前記上部電極露出部の面積を乗じた体積を１００とし、前記導電性接合材の体積を９０〜１５０とする構成とする。
また、前記接続導体は、前記上面電極部に向かって突出する凸部を有し、前記電極露出部から前記接続導体の前記凸部以外の部分までの距離に前記上部電極露出部の面積を乗じた体積から、前記凸部の体積を減じた体積を１００とし、前記導電性接合材の体積を９０〜１５０とする構成とする。
また、前記導電性接合材が半田であるとよい。
また、前記第１絶縁膜が酸化膜もしくは窒化膜であり、前記第２絶縁膜がポリイミド膜であるとよい。
この発明によれば、導電性を有する下面側端子の上面に半導体チップを電気的に接続して配置し、半導体チップの上面電極に、補助端子を電気的に接続し、補助端子に補助端子側端子を電気的に接続して樹脂封止半導体装置を構成し、半導体チップ上の酸化膜と上部電極の一部をポリイミド膜で保護し、上部電極露出部を適正量の半田で被覆することで、酸化膜への半田成分の到達を防止できて、樹脂封止半導体装置の耐湿信頼性の向上を図ることができる。この半田の適正量は、上面電極露出部と補助端子との空間の体積を１００としたときに、９０〜１５０である。
また、上部電極露出部を半田でほぼ覆うことにより、上部電極に接触した水分が上部電極とポリイミド膜の界面に進入して酸化膜に達するのを抑え、樹脂封止半導体装置の耐湿信頼性の向上を図ることができる。
実施の形態を以下の実施例にて説明する。
図１は、この発明の第１実施例の樹脂封止半導体装置の要部構成図であり、同図（ａ）は透過平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線で切断した要部断面図、同図（ｃ）は同図（ｂ）のＢ部拡大図である。同図（ｃ）の半導体チップ６において、上面電極６ａの外形、下面電極６ｂの外形、酸化膜６ｃの開口部、ポリイミド膜６ｄの開口部、シリコン基板６ｅの外形の各形状は全て正方形の場合であるがこれに限るものではない。
樹脂封止半導体装置１は、例えば平均順電流ＩＦが１〜１０Ａのダイオードであり、導電性を有する下面側端子３、上面電極６ａ及び下面電極６ｂを有し、下面側端子３の上面に電気的に接続されて配置される半導体チップ６、半導体チップ６の上面電極６ａと電気的に接続される補助端子２、この補助端子２に形成されている半田７の高さを確保するための凸部７ａ（通称ダボという）と、補助端子２と電気的に接続される補助端子側端子４、半導体チップ６等を封止する樹脂５、及び半田７、８、９によって構成されている。
下面側端子３は、導電性を有する金属等で構成された厚さ０．２〜０．３ｍｍの長方形の板を、上面方向及び下面方向に１回ずつ屈曲させ、これにより、互いに平行な２平面が段違いに配置されるように構成される。即ち、下面側端子の半導体チップ６が搭載される部分が外部に突き出される部分より一段高く構成されている。
補助端子２は、導電性を有する金属等で構成された厚さ０．１〜０．３ｍｍの板であり、ここで使用される板は長方形ではなく、その一部の横幅が、図２に示される半導体チップ６の上面電極６ａのポリイミド膜６ｄが形成されていない金属露出部幅と略同一になるように構成された形状の板が用いられる。
補助端子側端子４は、導電性を有する金属等で構成された厚さ０．２〜０．３ｍｍの長方形の板を、上面方向に１回屈曲させることにより構成される。これら下面側端子３，補助端子側端子４は一つのリードフレーム中に多数個各対向させて形成し、樹脂５で封止後に下面側端子３及び補助端子側端子４を切断するのが製造上好ましい。
なお、下面側端子３，補助端子側端子４、及び補助端子２に用いる材質としては、導電性を有し、ある程度の機械的強度が保持でき、酸化、半田のフラックス等による耐腐食性を有するものであれば、特に制限なく使用できる。
次に、樹脂封止半導体装置１の配置構成について説明する。下面側端子３，補助端子側端子４は、下面側端子３，補助端子側端子４の各１平面が同一平面上に配置され、この同一平面上に配置される各平面の末端が互いに外側を向き、また、この同一平面上に配置される各平面の屈曲がそれぞれ上面方向で後述の樹脂５内となるように配置される。
このように配置することによって、下面側端子３の１平面と同一平面上に配置されない補助端子側端子４の１平面の末端の下面が、半田９によって半田付けされる。
尚、ここで、補助端子２の半田付けは、補助端子２の凸部２ａを半導体チップ６の上面電極６ａの領域内の中央部に配置されるようにして、補助端子２の位置を補正しつつ行う。この凸部２ａがあるために、上面電極露出部１０と補助端子２の間隔は所定の間隔に保たれ、この間隔が狭まることによって半田７の異常な広がりを防止できる。
また、この凸部２ａがあるため補助端子２と半導体チップ６の外周部を被覆するポリイミド膜６ｄとの直接接触が防止され耐圧低下を防ぐことができる。ここでは、凸部の高さＨを０．０６ｍｍしたので、上面電極露出部１０と補助端子２の間隔は０．０６ｍｍである。
補助端子側端子４の１平面と同一平面上に配置されないが、その平面と平行に配置されることとなる下面側端子３の屈曲後の別平面上部には、半田８が塗布され、その上部には半導体チップ６が配置される。さらに、半導体チップ６の上部電極６ａには半田７が塗布され、その上部には補助端子２が配置される。そして、半田７、８を溶解させることにより、下面側端子３と半導体チップ６の下面電極６ａ、及び半導体チップ６の上面電極６ａと補助端子２との半田付けが行われる。
このように配置された半導体チップ６等は樹脂５によって封止される。この際、樹脂５下面と同一平面上に配置される下面側端子３、補助端子側端子４の各１平面の末端部は、樹脂５の外部に配置され、この外部に配置された末端部によって、外部の配線パターン等との電気的な接続が行われる。
同図（ｃ）において、半導体チップ６の上下面には、下面側端子３、補助端子側端子４を接続するための上面電極６ａ及び下面電極６bが形成されている。また、電極が形成さ
れていない部分には絶縁層（第１絶縁膜）である酸化シリコン膜等の酸化膜６ｃ（窒化膜の場合もある）が形成され外部との耐圧を保ち、なおかつ酸化膜６ｃ上と、酸化膜６ｃと上面電極６ａとの境界部を覆うように第２絶縁膜としてポリイミド膜６ｄが形成される。上述したように、上面電極６ａの上部には、上面電極６ａからはみ出さないように半田７が配置され、さらにその上部には補助端子２が配置される。半田７の高さは、前記したように補助端子２に形成された凸部２ａの高さＨと同じになり確実に確保される。この凸部２ａの形状は例えば円柱状になっている。このようにすることにより、上面電極６ａと接触する半田７の量を適正化して、補助端子２を上面電極６ａに半田付けすることができる。また、上述したように、下面電極６ｂは下面側端子３の上面に半田８によって半田付けされる。
図２は、図１の樹脂封止半導体装置の耐湿信頼性実験の結果の一例を示す図である。実験は１０００時間のＴＨＢ(耐湿性電圧印加)試験（８５℃、８５％ＲＨ、印加電圧＝半導体装置定格電圧の８０％）を行い、漏れ電流が初期値の２倍以下のものを良品と判定し表では○印で示した。半導体チップと上面電極露出部はそれぞれ正方形である。
ポリイミド膜６ｄが形成されていない上面電極６ａの幅、すなわち上面電極露出部１０の幅Ｌは半導体チップ６の幅Ｗに対して４５％、５０％、６０％、７０％の範囲とし、（上面電極露出部１０の面積（Ｌ２）−凸部２ａの面積）×０．０６ｍｍを１００とした場合、半田体積を６５〜１７０まで９種類選んで実験を行った。ここで０．０６ｍｍは半田７の高さ（すなわち上面電極露出部と補助端子の間の距離＝凸部２ａの高さＨ）である。実験の結果、上面電極露出部の幅Ｌに関係なく半田体積を９０〜１５０とすることで、漏れ電流を初期値に対して２倍以下に抑えることができて、耐湿信頼性を向上することができる。
半田体積が９０未満の場合には、図３（ａ）に示すように、樹脂に入り込んだ水分がポリイミド膜と上部電極の界面に侵入してシリコン基板上の酸化膜（または窒化膜）に達っして空乏層の伸びに影響を及ぼし、一方、半田体積が大き過ぎると、図３（ｂ）に示すように、ポリイミド膜が上面電極から剥離し、半田成分が酸化膜（または窒化）へ到達（浸透）してやはり空乏層の伸びに影響を及ぼして漏れ電流を増大させるものと考えられる。
また、ここでは半田の高さとなる凸部の高さＨが０．０６ｍｍの場合について説明したがこれに限るものではない。凸部の高さＨおよび上面電極露出部１０の面積が任意の場合には、（上面電極露出部１０の面積−凸部面積）×（上面電極露出部１０と補助端子２の間の距離＝凸部の高さＨ）を１００とし、半田体積（半田７の体積）を９０〜１５０とすることで、漏れ電流を初期値に対して２倍以下に抑えることができて、耐湿信頼性を向上することができる。また、凸部２ａの形状が底面と上面で面積が異なる場合には、（上面電極露出部１０の面積）×（上面電極露出部１０と補助端子２の間の距離＝凸部の高さＨ）−凸部体積を１００とすればよい。
また、前記の説明は補助端子２と補助端子側端子４が半田９で接続される場合を示したが、補助端子２と補助端子側端子４が一体となっている場合には凸部の高さＨに相当する隙間を確保できるので、凸部２ａは必ずしも補助端子２に形成しなくてもよい。その場合は（上面電極露出部の面積）×（上面電極露出部と補助端子の間の距離）で算出した体積を１００とするとよい。
尚、通常の素子では上面電極露出部の幅Ｌは５０％から６０％である。また前記の半田７はこれに限るものではなくその他の導電性接合材を用いても構わない。
また、前記樹脂封止半導体装置の樹脂５の外形は縦×横が２．５ｍｍ×４．０ｍｍ程度で厚さが１．２〜１．６ｍｍであり、下面側端子３、補助端子側端子４の樹脂５からはみ出した長さ（各０．５ｍｍ）を含めた横の長さが５．０ｍｍ程度である。
この発明の第１実施例の樹脂封止半導体装置の要部構成図であり、（ａ）は透過平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線で切断した要部断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ部拡大図 図１の樹脂封止半導体装置の耐湿信頼性実験の結果の一例を示す図 漏れ電流が増大するメカニズムを説明した図であり、（ａ）は水分による図、（ｂ）は半田成分による図 従来の樹脂封止半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ部拡大図
符号の説明
１、１００ 樹脂封止半導体装置
２ 補助端子
２ａ 凸部（ダボ）
３ 下面側端子
４ 補助端子側端子
５ 樹脂
６ 半導体チップ
６ａ 上面電極
６ｂ 下面電極
６ｃ 酸化膜
６ｄ ポリイミド膜
６ｅ シリコン基板
７、８、９ 半田
１０ 上面電極露出部
Ｗ 半導体チップの幅
Ｌ 上面電極露出部の幅
Ｈ 凸部の高さ

Claims (4)

  1. 半導体チップが樹脂で封止される樹脂封止半導体装置において、前記半導体チップの上面に形成され第１開口部を有する第１絶縁膜と、前記第１開口部を介して前記半導体チップの上面と電気的に接続する上面電極と、前記第１絶縁膜上と、前記第１絶縁膜と前記上面電極との境界部を覆うように形成され第２開口部を有する第２絶縁膜と、前記第２開口部から露出する上面電極露出部と導電性接合材を介して電気的に接続する接続導体とを有し、前記導電性接合材は、前記第２開口部と、前記上面電極からはみ出さないように前記第２絶縁膜を覆うとともに、前記上部電極露出部から前記接続導体までの距離に前記上部電極露出部の面積を乗じた体積を１００とし、前記導電性接合材の体積を９０〜１５０とすることを特徴とする樹脂封止半導体装置。
  2. 前記接続導体は、前記上面電極部に向かって突出する凸部を有し、前記電極露出部から前記接続導体の前記凸部以外の部分までの距離に前記上部電極露出部の面積を乗じた体積から、前記凸部の体積を減じた体積を１００とすることを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止半導体装置。
  3. 前記導電性接合材が半田であることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂封止半導体装置。
  4. 前記第１絶縁膜が酸化膜もしくは窒化膜であり、前記第２絶縁膜がポリイミド膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の樹脂封止半導体装置。
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