JP6370379B2 - Semiconductor device, method for manufacturing the semiconductor device, and sensor using the semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体チップをベース等の基板に接着固定した半導体装置に係り、特に、半導体装置内の積層実装構造と半導体装置の製造方法及びこれを用いたセンサに関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor chip is bonded and fixed to a substrate such as a base, and more particularly to a stacked mounting structure in a semiconductor device, a method for manufacturing the semiconductor device, and a sensor using the same.
従来、この種の半導体装置としての半導体パッケージは、リードフレーム上に半導体チップを搭載し、全体を樹脂で封止するトランスファーモールド法により製造される場合が多い。このトランスファーモールド法により製造された半導体パッケージは、半導体チップの周囲がモールド樹脂で覆われるため、外部環境から機械的に遮断された構造となっている。 Conventionally, a semiconductor package as this type of semiconductor device is often manufactured by a transfer molding method in which a semiconductor chip is mounted on a lead frame and the whole is sealed with a resin. The semiconductor package manufactured by this transfer molding method has a structure in which the periphery of the semiconductor chip is mechanically cut off from the external environment because the periphery of the semiconductor chip is covered with the mold resin.
近年、モールド樹脂の一部を開口し、従来はモールド樹脂内に覆われていた半導体チップやリードフレームや放熱部品等を外部環境に露出する、外部露出型の半導体パッケージが使われるようになっている。例えば、特許文献1に記載されている外部露出型の半導体パッケージは、放熱板の一部をパッケージ外部に露出することにより、半導体チップの発生する熱を低熱抵抗で外部に放熱する効果を発揮している。また、同様に、半導体センサ等の一部をパッケージ外部に露出させるチップ露出型半導体パッケージにおいて、半導体チップを破損させることなく半導体パッケージを製造できる半導体チップ封止用離型フィルムもある(例えば、特許文献2参照)。
In recent years, externally exposed semiconductor packages have been used in which a part of the mold resin is opened to expose the semiconductor chip, lead frame, heat dissipation component, etc. that were previously covered in the mold resin to the external environment. Yes. For example, the externally exposed semiconductor package described in
前記した外部露出型の半導体パッケージを製造する場合、半導体チップを基板上に接着剤で接着した後、モールド金型でクランプし、その状態でトランスファーモールドを行って露出部を形成させる場合がある。このときクランプ力が過大だと、接着剤の流動変形に伴う半導体チップへの曲げ応力印加により、半導体チップが破損する。また、クランプ力が過小の場合にはモールド金型と露出したい部分との間にモールド樹脂が流れ込み、露出したい部分にモールド樹脂が被さってしまう問題点がある。 When manufacturing the above-described externally exposed semiconductor package, the semiconductor chip may be bonded to the substrate with an adhesive, and then clamped with a mold, and in that state, transfer molding may be performed to form an exposed portion. If the clamping force is excessive at this time, the semiconductor chip is damaged by applying bending stress to the semiconductor chip due to the flow deformation of the adhesive. Further, when the clamping force is too small, there is a problem that the mold resin flows between the mold and the portion to be exposed, and the portion to be exposed covers the mold resin.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、薄膜部を持つ半導体チップを接着剤で固定するとき、半導体チップに過大な応力が作用せず半導体チップの破損を防止できる半導体装置を提供することにある。特に、構成部品の一部がモールド樹脂から外部に露出する外部露出型半導体パッケージを用いても、半導体チップに過度な応力がかからない構造の半導体装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to prevent an excessive stress from acting on a semiconductor chip when a semiconductor chip having a thin film portion is fixed with an adhesive. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of preventing breakage of a chip. In particular, the present invention provides a semiconductor device having a structure in which excessive stress is not applied to a semiconductor chip even when an externally exposed semiconductor package in which a part of component parts is exposed to the outside from a mold resin is used.
前記目的を達成すべく、本発明に係る半導体装置は、基板に、薄膜部を持つ半導体チップを接着剤で固定した半導体装置であって、前記接着剤は、弾塑性特性を有する接着剤であることを特徴としている。具体的には、前記接着剤は、圧縮方向に応力を加えたとき、弾性特性と塑性特性とを有するものであり、圧縮方向の歪が0.4〜0.6の範囲以内で弾性領域を持ち、弾性特性の圧縮方向の弾性率は、前記の範囲で50MPa以上である。すなわち、半導体チップ直下に使用する接着剤として、モールドプロセス温度において圧縮方向の弾性領域の弾性率が大きいもの用いた実装構造としている。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device in which a semiconductor chip having a thin film portion is fixed to a substrate with an adhesive, and the adhesive is an adhesive having elastic-plastic characteristics. It is characterized by that. Specifically, the adhesive has an elastic property and a plastic property when stress is applied in the compression direction, and the elastic region has a strain in the compression direction within a range of 0.4 to 0.6. The elastic modulus in the compression direction of the elastic characteristics is 50 MPa or more in the above range. That is, a mounting structure using an adhesive having a large elastic modulus in an elastic region in a compression direction at a molding process temperature as an adhesive used immediately below a semiconductor chip.
前記のごとく構成された本発明の半導体装置では、半導体チップを基板に接着固定する接着剤は、モードプロセス温度において圧縮方向の弾性率が大きいため、半導体チップの薄膜部に過大な応力が加わることを防止でき、接着剤の流動変形に伴う半導体チップへの曲げ応力印加を防止でき、半導体チップの破損を防止することができる。 In the semiconductor device of the present invention configured as described above, since the adhesive for bonding and fixing the semiconductor chip to the substrate has a large elastic modulus in the compression direction at the mode process temperature, excessive stress is applied to the thin film portion of the semiconductor chip. The bending stress applied to the semiconductor chip due to the flow deformation of the adhesive can be prevented, and the semiconductor chip can be prevented from being damaged.
本発明の半導体装置は、半導体チップの薄膜部に過大な応力が加わることを防止でき、半導体チップの破損を防止することができる。特に、半導体チップのセンサ部として薄膜部をモールド樹脂から露出させる外部露出型の半導体パッケージのモールド工程において
、構成部品の高さばらつきがある場合でも、半導体チップに過度な応力がかからず、半導体チップの破損を防止して成型することが可能となる。The semiconductor device of the present invention can prevent an excessive stress from being applied to the thin film portion of the semiconductor chip, and can prevent the semiconductor chip from being damaged. In particular, in the molding process of an externally exposed semiconductor package in which a thin film portion is exposed from a mold resin as a sensor portion of a semiconductor chip, even if there is a variation in the height of component parts, the semiconductor chip is not subjected to excessive stress, and the semiconductor The chip can be molded while preventing breakage.
以下、本発明に係る半導体装置の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図1は本実施形態に係る半導体装置の縦方向の断面図、図2は図1の半導体装置に用いる接着剤の圧縮方向の応力歪曲線図で圧縮方向の弾性率を示しており、図3は図1の半導体装置の製造工程を示す断面図で、積層工程、モールド工程を示している。 Hereinafter, an embodiment of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 is a longitudinal sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 2 is a stress strain curve diagram of the adhesive used in the semiconductor device of FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 1, showing a stacking process and a molding process.
本発明による半導体装置の実装構造は、半導体チップ直下に弾性領域の弾性率が大きい接着剤を使用して基板等に接着固定するものである。 The mounting structure of the semiconductor device according to the present invention is to bond and fix to a substrate or the like using an adhesive having a large elastic modulus in the elastic region directly under the semiconductor chip.
図1に、本発明に係る半導体装置1の実装構造の断面を示す。本発明に係る半導体装置1は、基板となるリードフレーム20と、リードフレーム20の上面に第2の接着剤30で接着固定された中間部材40と、中間部材40の上面に接着剤(第1の接着剤)50で接着固定された薄膜部70を持つ半導体チップ60と、中間部材40と半導体チップ60を覆うモールド樹脂10から成る。なお、薄膜部70は、外部露出させたままモールド樹脂10でモールドされている。
FIG. 1 shows a cross section of a mounting structure of a
リードフレーム20は金属薄板で形成され、半導体チップ60に電源を供給する端子、半導体チップ60に信号を入力する端子、半導体チップ60からの出力端子等が形成され
、その中心部には第2の接着剤30を用いて配線基板からなる中間部材40が接着固定されている。中間部材40はセラミック製基板や樹脂製基板から構成され、その中心部には
、半導体チップ60を接着するパターンが形成され、このパターン上に第1の接着剤50を用いて半導体チップ60が接着されている。The
中間部材40は例えばガラス、セラミック等の基板で構成され、半導体チップ60の平面形状より大きい面積で厚さが0.05〜2mm程度に設定され、基板としてのリードフレーム20に接着固定されて半導体チップ60の台座として機能すると共に、半導体チップ60とリードフレーム20との導通を確保するためのものであり、上下の面に形成された導電パターンと、これらの導電パターンを導通させるスルーホール等で形成されている
。The
半導体チップ60は平面形状が0.5〜5mm程度の矩形で厚さが0.05〜1mm程度のシリコン基板等で形成され、検出回路、演算回路等の各種の回路が形成されると共に
、薄膜のダイアフラム等のセンサ部が形成されている。本実施の形態の半導体装置は、エンジン等の吸気系に設置されるエアフロセンサに使用されるものであり、気体の流量を測定するための各種回路やセンサ部が形成されている。ダイアフラムを構成する薄膜部70の下面には空洞65が形成され、この空洞に対応する薄膜部70が気体の流量等を測定するセンサ部となっている。The
ここで、前記した第2の接着剤30及び第1の接着剤50について詳細に説明する。図2に、第1の接着剤50に適した物性を持つ接着剤の圧縮方向の応力歪曲線を示すと共に
、第2の接着剤30を比較として示している。第1の接着剤50は、モードプロセス温度において、圧縮方向の弾性領域の弾性率が大きいものであり、圧縮方向の歪が0.4〜0
.6の範囲以内で弾性領域を持ち、弾性領域における圧縮方向弾性率(勾配E2で示す)が50MPa以上のものが望ましい。また、圧縮方向の歪が0.4〜0.6の範囲以上になると塑性変形を示し、歪を増加させても応力が増加しない。塑性変形領域まで変形後は
、応力を除去しても元の形に戻らない。つまり、第1の接着剤50は弾性特性と塑性特性を有する弾塑性体である。なお、本実施形態のモードプロセス温度は100〜250℃の範囲である。Here, the above-described second adhesive 30 and first adhesive 50 will be described in detail. FIG. 2 shows a stress strain curve in the compression direction of an adhesive having physical properties suitable for the
. It is desirable to have an elastic region within the range of 6 and have an elastic modulus in the compression region (indicated by the gradient E2) of 50 MPa or more. Further, when the strain in the compression direction is in the range of 0.4 to 0.6 or more, plastic deformation is exhibited, and the stress does not increase even if the strain is increased. After deformation to the plastic deformation region, it does not return to its original shape even if the stress is removed. That is, the
前記第1の接着剤50は、硬化後においても変位可能な塑性特性を有するものである。すなわち、半導体チップ60を接着する接着剤50は、図2において弾性領域を超えて塑性領域に入る応力が加わった場合に塑性変形するが、さらに応力が加わるとさらに塑性変形することができる接着剤である。このような特性を有するため、例えば圧縮方向に押圧され塑性変形を起こした状態で、さらに押圧された場合に、さらに変形できる特性を有している。また、図2の塑性領域の応力歪曲線で右端の応力が落ち込む部位は、除荷すると歪が残ったまま(元の形状に完全に戻らず)、応力が0となることを示している。
The first adhesive 50 has a plastic property that can be displaced even after curing. In other words, the
これに対して、第2の接着剤30は図2に破線で示すように、モードプロセス温度において、圧縮方向の弾性領域の弾性率が小さいものであり、圧縮方向の歪が0.4〜0.6の範囲まで弾性領域を持ち、弾性領域における圧縮方向弾性率(勾配E1で示す)が20MPa程度となっており、第1の接着剤50と比較してモードプロセス温度において、弾性率が小さいものとなっている。また、第2の接着剤30も、図2の塑性領域の応力歪曲線で右端の応力が落ち込む部位は、除荷すると歪が残ったまま、応力が0となることを示している。
On the other hand, the
このように、第2の接着剤30でリードフレーム20上に中間部材40を接着固定し、モードプロセス温度において、圧縮方向の弾性率の大きい特性を有する、第1の接着剤50で中間部材40上に半導体チップ60を接着した後、これらの部材の積層構造体をモールド金型80内に設置し、外部露出させたい薄膜部70をモールド金型80の突出部82等でクランプした状態でモールド樹脂を注入する。
In this way, the
具体的には、図3(a)に示すように、リードフレーム20上に、下面に第2の接着剤で接着層30を形成した中間部材40を接触させ、中間部材40上に、下面(中間部材40側の面)に第1の接着剤で接着層50を形成した半導体チップ60を接触させて積層体を形成する。すなわち、半導体チップ60の直下に、弾性率の大きい第1の接着剤を使用して中間部材40に半導体チップを接着固定している。
Specifically, as shown in FIG. 3A, an
この後、図3(b)に示すように積層体を覆うようにモールド型80を設置する。モールド型80には空間81内に下方に向けて突出する突出部82が形成されている。突出部82は半導体チップ60の薄膜部70と接触する平坦面が下端に形成され、この平坦面が図3(c)に示すように、薄膜部70に接触して半導体チップ60をクランプしている。そして、モールド型80は空間81を介して半導体チップ60を覆っている。半導体チップ60の薄膜部70と接触してクランプしている突出部82は薄膜部70に適正なクランプ圧力Pで接触する。このように、半導体チップ60を備える積層体をモールド型80で覆い、内部の空間81にモールド樹脂を注入、充填することで薄膜部70を除いて半導体チップ60をモールドすると共に、中間部材40もモールドすることができる。なお、中間部材40の部分はモールドしないようにしてもよい。
Then, as shown in FIG.3 (b), the mold type |
すなわち、リードフレーム20、中間部材40、半導体チップ60の高さ方向の寸法にばらつきがあり、高さが増減しても、半導体チップ60を接着固定する第1の接着剤50は弾性率が大きいため、クランプ力(押圧力)が過大とならない。また、突出部82の押圧力が適正であるため、モールド金型80の空間81に樹脂を注入する際に、突出部82と薄膜部70との間にモールド樹脂が進入せず、薄膜部70の表面が樹脂で覆われることがない。このため、この半導体装置1を気体の流量を測定するセンサに使用したとき、測定精度を向上させることができる。
That is, the
なお、モールド型80はリードフレーム20、中間部材40、半導体チップ50の積層体を上方から覆う形状のものを使用したが、図3(c)に示すように、上方から覆う形状の上型80と、下方からリードフレーム20を覆う下型85とで、積層体を挟み込む形状のモールド型を使用することもできる。
The
薄膜部70をモールド金型80等でクランプする際に、クランプ力Pが過大だと、モールド型80の突出部82が薄膜部70を過度に押圧し、第1の接着剤50が流動を伴う塑性変形を起こし、半導体チップ60に曲げ応力がかかる結果、薄膜部70にダメージが発生する。薄膜部70にダメージを与えず、かつ構成部品の高さばらつきを吸収してモールド成型するためには、第1の接着剤50に、硬化後の圧縮方向の弾性領域の弾性率が大きく、かつ塑性変形を示す接着剤を使用する。
When the
なお、このような挙動を示す第1の接着剤50としては、エポキシ樹脂とアクリル樹脂を使用したものなどが挙げられる。
In addition, as the 1st
このように、半導体チップ60を固定する第1の接着剤50が弾塑性を有する接着剤であり、硬化後の圧縮方向の弾性領域の弾性率が大きく、かつ塑性変形を示すため、構成部品の高さばらつき等により突出部82が薄膜部70を過度に押し付けても、すなわちクランプ力Pが過大であっても、第1の接着剤50の大きな弾性により吸収することができ、薄膜部70の破損等を防止できると共に、薄膜部70に加わるダメージを低減できる。また、第1の接着剤50の弾性率が大きいため、モールド型80の突出部82と薄膜部70との間に隙間ができにくく、薄膜部70と突出部82との間に樹脂が入り込むことがなくなり、薄膜部70を確実にモールド樹脂10から露出させることができる。
As described above, the
本発明に係るセンサは、前記した半導体装置1を用いたセンサであり、半導体チップ60の薄膜部70がモールド樹脂から露出され、この薄膜部70がダイアフラムを形成し、気体等の流体の流量を計測するものである。例えば熱式の流量センサでは、ダイアフラムに沿って気体が流れ、流れによって放熱される熱量を測定することで気体の流量を計測するものである。本実施形態の半導体装置1では、モールド樹脂から露出している薄膜部70は破損がなく、残留応力もなく、モールド樹脂が薄膜部に被ることがないため、正確な計測が可能となる。
The sensor according to the present invention is a sensor using the
本発明に係る半導体装置の製造方法では、薄膜部を有する半導体チップを基板に接着固定する際、接着剤は弾塑性特性を有するものであり、弾性率が大きいものを使用するため
、半導体チップや他の構成部品の破損を防止でき、半導体装置をモールドする際に半導体チップの露出している薄膜部はモールド樹脂で覆われることがなく、容易に製造することができる。In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, when a semiconductor chip having a thin film portion is bonded and fixed to a substrate, the adhesive has elastic-plastic characteristics and uses a material having a large elastic modulus. Other components can be prevented from being damaged, and when the semiconductor device is molded, the exposed thin film portion of the semiconductor chip is not covered with the molding resin and can be easily manufactured.
前記の実施形態では、半導体チップ60の直下に弾性率の大きい第1の接着剤50を用いて半導体チップ60を中間部材40に接着固定し、中間部材40は第2の接着剤30を用いてリードフレーム20に接着固定するため、2種類の接着剤を機能に合わせて使用することができる。また、2種類の接着剤を使用する例を示したが、中間部材40とリードフレーム20との接着にも第1の接着剤を用いてもよいことは勿論である。この場合は、2層に用いた接着剤の両方の弾性率が大きいため、より高さ方向の寸法ばらつきを吸収することができる。
In the above-described embodiment, the
また、本実施の形態では、基板としてのリードフレーム20と、中間部材40と、半導体チップ60の3層構造の例について示したが、中間部材のない2層構造の場合にも本発明を適用できるものであり、さらに多層の構造の場合にも本発明を適用できることは勿論である。
In the present embodiment, an example of the three-layer structure of the
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、基板の一例としてリードフレームの例を示したが、これに限られるものでなく、板状のセラミック基板、樹脂製の基板等、適宜のものを用いることができる。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed. For example, although an example of a lead frame is shown as an example of the substrate, the present invention is not limited to this, and an appropriate substrate such as a plate-shaped ceramic substrate or a resin substrate can be used.
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Furthermore, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
本発明の活用例として、この半導体装置を用いて各種のセンサに適用することができ、例えば圧力センサ、湿度センサ等の半導体チップの一部をモールド樹脂から露出したセンサの用途にも適用できる。 As an application example of the present invention, the semiconductor device can be applied to various sensors. For example, the present invention can also be applied to the use of a sensor in which a part of a semiconductor chip such as a pressure sensor and a humidity sensor is exposed from a mold resin.
1:半導体装置、10:モールド樹脂、20:リードフレーム(基板)、30:第2の
接着剤、40:中間部材、50:接着剤(第1の接着剤)、60:半導体チップ、70:
薄膜部、80:モールド型、81:空間、82:突出部(クランプ部)、P:クランプ力1: Semiconductor device, 10: Mold resin, 20: Lead frame (substrate), 30: Second adhesive, 40: Intermediate member, 50: Adhesive (first adhesive), 60: Semiconductor chip, 70:
Thin film part, 80: mold, 81: space, 82: protrusion (clamp part), P: clamping force
Claims (7)
前記接着剤は、圧縮方向に応力を加えたときに、圧縮方向の歪が0.4ないし0.6の間の境界値よりも小さいときは弾性特性を有し、前記境界値以上のときは塑性特性を有する弾塑性体であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device in which a semiconductor chip having a thin film portion is fixed to a substrate with an adhesive,
The adhesive has an elastic property when a stress is applied in the compression direction, when the strain in the compression direction is smaller than a boundary value between 0.4 and 0.6, and when the stress is not less than the boundary value, A semiconductor device characterized by being an elastoplastic material having plastic properties .
前記半導体チップの前記基板側の面に、圧縮方向に応力を加えたときに、圧縮方向の歪が0.4ないし0.6の間の境界値よりも小さいときは弾性特性を有し、前記境界値以上のときは塑性特性を有する弾塑性体である接着剤を塗布して接着層を形成し、
前記接着層を前記基板の面に接触させて前記半導体チップを前記基板に接着固定し、
前記薄膜部に接触する突出部を有するモールド型で前記半導体チップを覆い、
前記モールド型の内部空間にモールド樹脂を注入する半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor chip having a thin film portion is fixed to a substrate with an adhesive,
When a stress is applied to the surface of the semiconductor chip on the substrate side in the compression direction, when the strain in the compression direction is smaller than a boundary value between 0.4 and 0.6, it has elastic characteristics, When the boundary value or more, apply an adhesive that is an elastic-plastic body with plastic properties to form an adhesive layer,
Bonding the semiconductor chip to the substrate by bringing the adhesive layer into contact with the surface of the substrate;
Covering the semiconductor chip with a mold having a protrusion that contacts the thin film portion,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a mold resin is injected into an internal space of the mold.
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