JP5110567B2 - 樹脂製中空パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子等の半導体素子からの発熱による温度上昇の低下を図った高放熱性を有する中空パッケージに関するものである。

ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子収納用パッケージは樹脂製の中空パッケージが主流となっている。その構造は中空部にインナーリードを有し、当該リードは樹脂内部を通ってパッケージ外側に延出しアウターリードを構成している。その中空パッケージの中空部内底面であるダイアタッチ面に固体撮像素子がダイボンド剤、又はダイアタッチフィルムにて接着され、その後、中空パッケージ内に露出したインナーリードと半導体素子間とがＡｕ線にてワイヤーボンディングにて接続され導通される。その後、中空パッケージの上側の表面に接着剤が塗付され光透過性の透明ガラス、透明樹脂等でシールされる。

固体撮像素子の様に光を受光する素子の場合は中空部内の水分の露点を低く抑える必要がある。透明ガラス、透明樹脂等に結露が発生すると光が遮断され固体撮像素子に正しい情報が伝えられなくなるためである。また、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子を装着させる中空パッケージはますます小型、多画素、高速化になって来ているために素子の発熱量が大きくなってきている。素子の温度が高くなると白点不良等の不良が発生することから素子の温度は低く抑えることが必要とされている。
これを解消する為、中空部内底面に金属板を露出させることにより水分が中空部へ透過するのを阻止させたり（例えば、特許文献１参照）、中空部底面樹脂層内に金属板を挿入させることによりパッケージ裏面側からの水分の透過を阻止させたりして（例えば、特許文献２参照）、耐湿性および放熱性を向上させている。
しかしながら、固体撮像素子を収納する中空パッケージの更なる小型化により、固体撮像素子の温度の高温化が進み、中空部の露点を低く抑えながら、かつ素子の温度を低くおさえるのには充分では無い虞がある。

又、１次元の固体撮像素子の場合も、近年小型、多画素、高速化になってきている。特に高速複写用途には動作周波数を上げるので素子の発熱量が大きくなることにより、細長いチップ両端で温度差が発生することにより素子の特性不良が発生しやすくなって来ている。その対策として波線状のアイランドに並行して配列された接続部を設け、その接続部と外部リードとを接続させて放熱をさせている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、当該発明の方法では、半導体素子と外部リードとの接続箇所だけでは接続点数と接続部の断面積が小さいため熱の流れが制限され、半導体素子の発熱量を高速で充分に移動させることができない虞がある。

特許第２９６８９８８号公報 特許第２５３９１１１号公報 特許３５４０２１０号

本発明は、高画素、高速化された発熱量の高い半導体素子を小さな中空パッケージに収納した際に半導体素子から発生する温度による中空パッケージの中空部の露点を低く抑えながら、かつ半導体素子の温度を低くおさえることを課題とする。

本発明は、ＣＣＤ、ＣＭOＳ等の１次元あるいは２次元の固体映像素子収納用の中空パッケージの放熱性を向上させるために、以下の発明をした。
『（１） 底部にタブを有する半導体素子搭載用の中空パッケージであって、当該タブ、半導体素子と導通せずタブと直接結合するリード（Ａ）及び半導体と導通するリード（Ｂ）を有し、リード（Ａ）とリード（Ｂ）とをパッケージの同じ辺側に有し、リード（Ａ）のアウターリード（ａ）とリード（Ｂ）のアウターリード（ｂ）が、同一幅で同一間隔にあり、タブが、中空パッケージの半導体素子を搭載する面に露出され、タブが、半導体素子と少なくとも同一の大きさであることを特徴とする中空パッケージ。
（２） 底部にタブを有する半導体素子搭載用の中空パッケージであって、当該タブ、半導体素子と導通せずタブと直接結合するリード（Ａ）及び半導体と導通するリード（Ｂ）を有し、リード（Ａ）とリード（Ｂ）とをパッケージの同じ辺側に有し、リード（Ａ）のアウターリード（ａ）とリード（Ｂ）のアウターリード（ｂ）が、同一幅で同一間隔にあり、タブが、中空体パッケージの底部に埋め込まれ、同タブが、半導体素子と少なくとも同一の大きさであることを特徴とする中空パッケージ。
（３）リード（Ａ）が、タブの向かい合う２辺であって、半導体素子を搭載する中央部分に複数列連なって直接結合する請求項１または２何れか一に記載する中空パッケージ。』

本発明の中空パッケージは、当該中空パッケージに搭載した固体撮像素子等の半導体素子の温度上昇を低く抑えることができると同時に高い実装強度を得ることができる。また、タブが中空部底面の全面にあることからパッケージ裏面からの水分の透過を阻止することが出来るので耐湿性に優れるので、中空パッケージの底部を厚くする必要が無く、中空パッケージ全体を薄くさせることが可能となる。それにより、ＣＣＤ（電荷結合素子）、ＣＭＯＳ（相補的金属酸化物半導体）等の２次元、または１次元の固体撮像素子等を小型化しても、多画素化及び高速化に対応することができる。
また、本発明の中空パッケージを１次元の固体撮像素子搭載用に使用する場合は、半導体素子と導通せずタブと直接結合したリードがタブの向かい合う２辺に複数列あるので、半田実装されるプリント基板にバランス良く放熱させることが出来ると同時に実装強度を向上させることができる。また、少なくとも半導体素子の大きさと同じタブがあることにより中空パッケージの裏面からの水分透過を防止することから耐湿性能も向上させることができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
中空パッケージは、リードフレームとそれを支える成形体からなり、通常、半導体素子を搭載する中空パッケージを凹型にして中空部を設けた形状である。半導体素子を搭載する場合は、当該中空パッケージの底部の中空部に接する面に半導体素子を固着し、当該半導体素子とインナーリードとをボンディングワイヤーとで接続し、最後に中空パッケージの中空上面が蓋材で気密封止する。

（タブ）
本発明の中空パッケージは、パッケージの底部にタブを有する。本発明に係わるタブは、中空パッケージの中空部への水分の浸入を防止できるものであればよく、蒸気不透過性の板状体が用いられる。このようなタブを設けることで中空パッケージの防湿性を向上する。また、本発明に係わるタブは、半導体素子と導通しないリード（Ａ）と直接結合しており、当該リード（Ａ）が中空パッケージ外部に通じているので、リード（Ａ）を通じて中空パッケージ内で発生した熱を放出することができ、放熱性の高い中空パッケージとなる。又、導通しているリード（Ｂ）に加えて導通していないリード（Ａ）があることにより半田実装強度を向上させることができる。

本発明に係わるタブの材質は、銅、鉄、アルミニウム又はこれらの合金からなる群より選ばれたもの、特に銅合金、又は４２アロイで形成されることが望ましい。そして、リードフレームはことさら表面処理する必要はないが、必要に応じて全面ないし部分的に表面処理を施すことができる。表面処理としては、例えば、銅、金、銀、ニッケル、半田等のメッキ処理があげられる。

本発明に係わるタブは、その大きさが少なくとも搭載される半導体素子の底面と同じ大きさ、乃至それ以上の面積を有しているのが好ましい。そのようなタブであれば、中空パッケージの底部からの水分の透過を阻止することが出来るので耐湿性に非常に優れた中空パッケージとすることができる。また、耐湿性が劣る中空パッケージのように中空パッケージの底部を厚くする必要がないため、中空パッケージ全体の厚みを薄くさせることも可能となる。

（リードフレーム）
本発明に係わるリードフレームは、前記のタブ、半導体素子と導通せずタブと直接結合するリード（Ａ）及び半導体素子と導通するリード（Ｂ）を含み、リード（Ａ）とリード（Ｂ）とがパッケージの同じ辺側にある。
タブがリード（Ａ）と直接しっかりと結合されているので、成形時のタブの位置精度を高くさせることが出来ると同時に成形時のタブの変形を防止させることが出来る。又リード（Ａ）により固定されている半導体素子から発生する熱をリード（Ａ）を通じて中空パッケージの外に放出することができるため、中空パッケージ内の温度を低下させることができる。

本発明に係わるリードフレームは、リード（Ａ）が、ダムバーを挟んでインナーリードとアウターリード（ａ）からなり、リード（Ｂ）が、ダムバーを挟んでインナーリードとアウターリード（ｂ）からなる。リード（Ａ）のアウターリード（ａ）と、リード（Ｂ）のアウターリード（ｂ）はパッケージの同じ辺側から同一幅で且つ同一間隔にあることが実装上好ましい。
本発明に係わるリードフレームは、リード（Ａ）がタブのいずれの方向にあっても良いが、成形時のタブの位置精度、タブの変形防止、及びタブを挟んで均等に熱を放出させる上においてタブの向かい合う２辺に存在することが好ましい。四角形のタブにおいては、４方向にリード（Ａ）を設けても良い。

また、半導体搭載面に対して、リード（Ａ）のみが複数列連なった部分を有していても良い。効率よく放熱が可能であり、実装時、基板と半田結合リードが多くなるので強度が増すため好ましい。

また、リード（Ａ）とリード（Ｂ）がタブの長手方向に対して離れた場所にあっても良い。例えば、１次元の固体撮像素子収納用の中空パッケージでは、固体撮像素子が細長いため、中空パッケージも細長くなる。当該固体撮像素子は、中空パッケージの長手方向の両端部に電極パッドを有していてそのパッドと半導体素子と導通するリード（Ｂ）間がワイヤーボンディングされる。当該中央部はリード（Ｂ）が無いので、リード（Ａ）を複数列設けることができ、効率よく熱を放出すると同時に実装強度が向上するので好ましい。例えば、図４−１のような構造にすれば、成形時のタブの変形防止ができると共に実装強度が増す。

リード（Ａ）のアウターリード（ａ）は、半導体素子からの熱を外部に伝えるために、出来るだけ広い幅で多い本数である方が良いが、アウターリード製作時のリード加工性、成形後のダムバー部のトリミング性からアウターリード（ｂ）と同一幅が好ましく、又、基板実装部のスルーホールの加工作業性及び半田実装時の作業性から基板への実装性から両端の導通されるアウターリードと同一間隔である方が好ましい。ここで、アウターリードの間隔は５．０から０．５ｍｍが一般的である。

本発明に係わるタブは、通常、吊りピンでリードフレームの端と直接結合している。タブは吊りピンを介してインナーリードの高さと同じか又は少し低い位置に押し下げられている。タブは、中空パッケージの半導体を搭載する面に露出されていても、中空パッケージの底部に埋め込まれていても良い。リードフレーム表面に対してタブがリード（Ｂ）の高さより低い場合は、リード（Ｂ）はタブの近傍にて押し下げられている。

リードフレームは、中空パッケージをインサート成形した後、吊りピン部の切断がなされ、リード（Ａ）のアウターリード（ａ）、及びリード（Ｂ）のアウターリード（ｂ）が曲げられる。
本発明に係わるリードフレームは、種々公知の方法で得ることができる。通常は、一枚の金属板から加工するため、リードフレームは前記のタブと同一素材である。

（パッケージの成形体）
本発明に係わる中空パッケージのリードフレームと結合する成形体は、樹脂やシリコン等通常半導体パッケージとして使用されるものが用いられるが、通常は樹脂が用いられる。樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂、又は液晶ポリマー、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド樹脂（ＰＰＳ）、ポリスルホン、ポリアミド・イミド・ポリアリルスルフォン樹脂等の耐熱熱可塑性樹脂が用いられることが望ましい。これらの内ではエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＰＳを用いることがより望ましい。エポキシ樹脂としてはビスフェノールＡ型、オルソクレゾールノボラック型、ビフェニル型、ナフタレン型、グリシジルアミン型などのエポキシ樹脂を用いることができる。ポリイミド樹脂としてはポリアミノビスマレイミド、ポリピロメリットイミド、ポリエーテルイミド等のポリイミド樹脂を用いることができる。

これらの耐熱樹脂には無機充填剤を添加することが好ましい。無機充填剤としてはシリカ粉末、アルミナ粉末、窒化珪素粉末、ボロンナイトライド粉末、酸化チタン粉末、炭化珪素粉末、ガラス繊維、アルミナ繊維等の耐熱無機充填剤が挙げられる。これらの内、樹脂の等方性収縮の点で繊維よりもシリカ粉末、アルミナ粉末、窒化珪素粉末、ボロンナイトライド粉末などの粉末がより好ましい。無機充填剤の粒径は、通常０．１〜１２０μｍ、さらには、０．５〜５０μｍであることがより好ましい。無機充填剤は耐熱樹脂１００重量部に対して通常４０〜３２００重量部、好ましくは１００〜１１５０重量部配合される。又、無機充填剤の他に、本発明の目的を損ねない範囲で、硬化剤、硬化促進剤、及びカップリング剤が含まれていても良い。

（中空パッケージ）
本中空パッケージは、前記のリードフレーム及び前記の成形体からなる。例えば、実施形態1〜４のような形状が挙げられるがこれに限定されるものではない。図は正面図及びその断面図を記載する。

（実施形態１）
図１−１に示すような、半導体素子と半導体素子と導通せずタブと直接結合するリードと、半導体素子と導通するリード、タブを有するリードフレームを用いて、樹脂成形をした後、ダムバーを切断し（図１−２）、その後、この成形体をリードから切り離した後、全てのアウターリードを曲げたものが中空パッケージが得られる（図１−３）。
タブは、中空部の内底面とほぼ同じ大きさであり、半導体素子と導通するリードのインナーリード１の高さより押し下げられて中空部の内底面に露出している。また、タブは、相対する辺にそれぞれ３本の半導体素子と導通しないリードと直接連結されている。半導体素子と導通しないリードのアウターリード５は、半導体素子と導通するリードのアウターリード２と半導体素子搭載面に対してリードフレームから同一幅で同一間隔である。

（実施形態２）
１次元の固体撮像素子は細長いのでそれを搭載する中空パッケージも細長くなり、リードフレームも細長くなる。当該固体撮像素子は、両端部に電極パッドを有していてそのパッドと半導体素子と導通するリード間がワイヤーボンディングされる。半導体素子の両端に電極パッドがあることから、中空部露出のリードは中空パッケージの相対する長辺の両端に局在することになる。半導体素子よりも大きな細長いタブは中空部内底面に露出される様に内底面の高さまでインナーリード高さより押し下げられている。細長いタブは中空パッケージ長辺の中央近傍にて、複数本連なった導通しないリードと直接結合している。半導体素子と導通しないリードのアウターリードは、半導体素子と導通するリードのアウターリードと同一幅、同一間隔である（図４−１）。

（製造方法）
本発明の中空パッケージは、前記のリードフレームと樹脂等からなる成形体を結合したものであり、リードフレームを用いてインサート成形により得られる。
インサート成形は、リードフレームを成形金型に装着し、該金型のキャビティーにエポキシ樹脂等を充填するトランスファー成形或いは射出成形による行われる。トランスファー成形する条件は使用する樹脂によっても異なるが、エポキシ樹脂の場合を例にとると、通常、成形圧力５〜３０ＭＰａ、成形温度１３０〜２００℃、成形時間１０〜１２０秒の条件、好ましくは成形圧力１０〜１７ＭＰａ、成形温度１５０〜１８０℃、成形時間１５〜６０秒の条件で行われる。

射出成形の場合は、通常、射出圧力５〜１００ＭＰａ、成形温度１３０〜２００℃、成形時間１０〜１２０秒の条件、好ましくは射出圧力８〜６０ＭＰａ、成形温度１５０〜１８０℃、成形時間１５〜６０秒の条件で成形される。その後、それぞれの成形法において必要に応じて後硬化を加えることができる。

タブはインナーリードより押し下げられて中空パッケージの半導体搭載面に露出している。相対する辺にそれぞれ３本あるタブと連結された導通されてないアウターリードの接続部が一部中空部内底面に見られる。ここで、アウターリードの本数は、中空部に露出したインナーリードの本数よりもタブと直結したアウターリードの本数分多くなる。
本発明の中空パッケージは、リードフレームを用いてインサート成形した後、吊りピン部の切断がなされる。その後、所定の形状に切断され、リード（Ａ）のアウターリード（ａ）と、リード（Ｂ）のアウターリード（ｂ）が同時に曲げ加工される。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図は正面図及びその断面図を記載する。

（実施例１）
図１−１に示すような、半導体素子と半導体素子と導通せずタブと直接結合するリード１及びリード４と、半導体素子と導通するリード２及びリード５、タブを有するリードフレームを作成する。このリードフレームに、エポキシ樹脂でトランスファー成形をした後、ダムバーを切断することにより図１−２に示すような中空パッケージが得られる。その後、この成形体をリードから切り離した後、全てのアウターリードを曲げたものが図１−３である。
タブは、中空部の内底面とほぼ同じ大きさであり、半導体素子と導通するリードのインナーリード３の高さより押し下げられて中空部の内底面に露出している。また、タブは、相対する辺にそれぞれ３本の半導体素子と導通しないリード１と直接連結されている。半導体素子と導通しないリード１のアウターリード４は、半導体素子と導通するリード２のアウターリード５と半導体素子搭載面に対してリードフレームから同一幅で同一間隔である。
これにより、水分を透過せず、放熱性に優れた中空パッケージを得ることが出来る。

（実施例２）
実施例１と同様のリードフレームを作製（図２−１）したが、タブが中空パッケージの底部の樹脂層内にインサートされる高さまでインナーリードの高さよりも押し下げられている。このリードフレームを用いて、実施例１と同様にアウターリードが折り曲げされた中空パッケージ（図２−２）を得る。
タブは、中空部の内底面とほぼ同じ大きさであり、半導体素子と導通するリード２のインナーリード３の高さより押し下げられ、中空パッケージの底部の樹脂層内にインサートされる高さにある。半導体素子と導通しないリード１のアウターリード４、半導体素子と導通するリードのアウターリード５と同じ幅、同じ間隔である。

（実施例３）
１次元の固体撮像素子用で、タブの２方向に半導体素子と導通するリード２を有し、且つ、２方向に半導体素子と導通せずタブと直接結合するリード１を有するリードフレームである（図３−１）。
上記リードフレームを用いてインサート成形後、ダムバー部が切断され、リードから切り離した後、全てのアウターリードを曲げたものが図３−２である。
タブは中空部内底面に露出する高さまで押し下げられている。

（実施例４）
１次元の固体撮像素子収納用の中空パッケージの底部に少なくとも半導体素子と同じ大きさのタブを挿入する（図４−１、図４−２）。中空部には、タブ及び半導体素子と導通しないリード１の連結部は露出していない。タブは中空部内樹脂層内に挿入された高さまで押し下げられている。細長いタブは中空パッケージ長辺側中央近傍の多数（１２箇所）の半導体素子と接続されないリード１と直接結合している。
上記リードフレームを用いてインサート成形後、ダムバー部が切断されたのが図４−２である。タブと半導体素子と導通していないアウターリード４との連結部が中空部内底面内に見られる。その後、アウターリードが曲げられたのが図４−３である。

実施例１のリードフレーム。 実施例１のリードフレームを用いて成形した後、ダムバーが切断されている中空パッケージ。 実施例１のアウターリードが曲げ加工された中空パッケージ。 実施例２のリードフレーム。 実施例２のアウターリードが曲げ加工された中空パッケージ。 実施例３のリードフレーム。 実施例３のリードフレームを用いて成形した後、ダムバーが切断されている中空パッケージ。 実施例３のアウターリードが曲げ加工された中空パッケージ。 実施例４のリードフレーム。 実施例４のアウターリードが曲げ加工された中空パッケージ。

符号の説明

１ リード（Ａ）
２ リード（Ｂ）
３ インナーリード
４ アウターリード（ａ）
５ アウターリード（ｂ）
６ タブ
７ 吊りピン
８ ダムバー
９ 成形体

Claims (3)

1. 底部にタブを有する半導体素子搭載用の樹脂製中空パッケージであって、当該タブ、固体撮像素子と導通せず、タブと直接結合するリード（Ａ）及び固体撮像素子と導通するリード（Ｂ）を有し、リード（Ａ）とリード（Ｂ）とをパッケージの同じ辺側に有し、リード（Ａ）のアウターリード（ａ）とリード（Ｂ）のアウターリード（ｂ）とが、同一幅で同一間隔にあり、タブが、樹脂製中空パッケージの固体撮像素子を搭載する面に露出され、タブが、固体撮像素子と少なくとも同一の大きさであることを特徴とする樹脂製中空パッケージ。
2. 底部にタブを有する固体撮像素子搭載用の樹脂製中空パッケージであって、当該タブ、固体撮像素子と導通せず、タブと直接結合するリード（Ａ）及び固体撮像素子と導通するリード（Ｂ）を有し、リード（Ａ）とリード（Ｂ）とをパッケージの同じ辺側に有し、リード（Ａ）のアウターリード（ａ）とリード（Ｂ）のアウターリード（ｂ）が、同一幅で同一間隔にあり、タブが、当該樹脂製中空体パッケージの底部に埋め込まれ、同タブが、固体撮像素子と少なくとも同一の大きさであることを特徴とする樹脂製中空パッケージ。
3. リード（Ａ）が、タブの向かい合う２辺であって、固体撮像素子を搭載する中央部分に複数列連なって直接結合する請求項１または２何れか一に記載する樹脂製中空パッケージ。

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