JP6408431B2 - リードフレーム、リードフレームの製造方法、および半導体装置 - Google Patents
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Description
一般に、樹脂封止型の半導体装置において、半導体素子を封止する封止樹脂は、当該半導体装置を配線基板等に実装するまでの保管中に、空気中の水分を吸収する性質がある。封止樹脂に吸収された水分は、半導体装置の実装時の半田リフロー工程で加えられる熱によって急激に気化膨張する。このため、半田リフロー工程で封止樹脂自体に大きな応力が発生する。したがって、リードフレームと封止樹脂との密着力が低い場合は、両者の界面に剥離が生じたり、封止樹脂に亀裂が発生したりする。このような欠陥の発生は、半導体装置の信頼性を低下させる原因となる。このため、保管期間が長期にわたる場合でも、リードフレームと封止樹脂との界面に、水分の気化膨脹による応力に十分に耐え得るだけの高い密着性を備えた半導体装置の提供が強く望まれている。
半導体素子が搭載される素子搭載部を有するリードフレームであって、
少なくとも前記素子搭載部に複数のディンプルが形成され、
前記複数のディンプルには、当該ディンプルの内周壁の一部を内方に突出させた返し部がそれぞれ形成され、
前記複数のディンプルは、前記返し部が形成された第1のディンプルと、当該第1のディンプルとは異なる向きで前記返し部が形成された第2の返し部と、を少なくとも含む
ことを特徴とするリードフレームである。
また、このリードフレームの製造方法としては、
半導体素子が搭載される素子搭載部に相当する部分にディンプル加工によって複数のディンプルを形成するディンプル加工工程と、
前記ディンプル加工工程の後、前記素子搭載部を含むリードフレーム全面に粗化処理を施す粗化処理工程と、
を備えることが好ましい。
少なくとも素子搭載部に複数のディンプルが形成されたリードフレームと、
前記リードフレームの素子搭載部に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と、を備え、
前記複数のディンプルには、当該ディンプルの内周壁の一部を内方に突出させた返し部がそれぞれ形成され、
前記複数のディンプルは、前記返し部が形成された第1のディンプルと、当該第1のディンプルとは異なる向きで前記返し部が形成された第2の返し部と、を少なくとも含む
ことを特徴とする半導体装置である。
図1は本発明の実施形態に係る樹脂封止型の半導体装置の構成例を示す側断面図である。
図示した半導体装置1は、大きくは、リードフレーム2と、半導体素子3と、封止樹脂4と、を備えた構成になっている。リードフレーム2は、複数のリード5と、素子搭載部6と、を備えている。半導体素子3は、たとえば、ICチップ、LSIチップ等を構成するものである。半導体素子3は、素子搭載部6に搭載されている。半導体素子3は、たとえば、図示しないダイボンド材を用いて素子搭載部6の上面に固定されている。
本実施形態では、リードフレーム2の主表面(上面および下面)に平行な平面をX−Y平面とし、このX−Y平面内で直交する二方向のうちの一方をX方向、他方をY方向とする。また、これらX方向およびY方向に直交する方向をZ方向とするとともに、Z方向の一方を上側(または上方)、Z方向の他方を下側(または下方)とする。
続いて、上記構成の半導体装置1に用いて好適なリードフレームの構成について説明する。
図示のように、リードフレーム2の素子搭載部6は、X方向に平行な2つの辺部6a,6aと、Y方向に平行な2つの辺部6b,6bとによって平面視矩形状に形成されている。ここで記述する矩形の概念には、長方形と正方形の両方を含むものとする。素子搭載部6の上面6cには、複数のディンプル10が形成されている。各々のディンプル10は、素子搭載部6の上面6cに所定の深さで凹状に形成されている。
図3は第1のディンプルの構造を説明するもので、図中(A)は平面図、(B)はK−K位置での断面図である。
第1のディンプル10aには複数(図例では4つ)の返し部11aが形成されている。第1のディンプル10aの内周壁12aは、返し部11aの形成部位を除いて、平面視矩形(図例では正方形)に形成されている。返し部11aは、第1のディンプル10aの内周壁12aの一部を、第1のディンプル10aの内方(中心側)に突出させた状態で形成されている。
次に、第1のディンプル10aと第2のディンプル10bの向きの違いについて、図4を用いて説明する。図4は図2の一部を拡大した平面図である。
第1のディンプル10aと第2のディンプル10bとは、X−Y平面内において、返し部11a,11bを含むディンプル全体の向き(方向性)が、互いに45度異なっている。以下、詳しく説明する。
ディンプル10は、たとえば、次のようなサイズで形成することが好ましい。
すなわち、ディンプル10の内周壁12の一辺の長さL(図3参照)については、0.2mm以上、0.3mm以下とし、上述したディンプル10のピッチPx,Pyについては、0.45mm以上、0.6mm以下とするのが好ましい。また、上述した深底部13の深さd1については、0.075mm以上、0.325mm以下とし、上述した浅底部14の深さd2については、0.025mm以上、0.175mm以下(ただし、d1>d2の条件を満たす)とするのが好ましい。また、内周壁12からの返し部11の突出量E(図3参照)については、0.01mm以上、0.125mm以下とするのが好ましい。
図6は本発明の実施形態に係るリードフレームの製造方法の工程フロー図である。
本発明の実施形態に係るリードフレームの製造方法は、大きくは、ディンプル加工工程S1と、打ち抜き加工工程S2と、粗化処理工程S3と、検査・梱包工程S4と、を備える。このうち、ディンプル加工工程S1と打ち抜き加工工程S2は、いずれもプレス加工に属するものである。ディンプル加工工程S1と打ち抜き加工工程S2は、順送型によって連続的に行われる。以下、各工程について説明する。
まず、ディンプル加工工程S1で用いるリードフレーム素材について説明する。
リードフレーム素材には、これに搭載される半導体素子の特性に応じた所定の熱伝導率および所定の電気伝導度を有する金属の薄板が用いられる。リードフレーム素材として好適に使用可能な金属材料としては、たとえば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を挙げることができる。また、リードフレーム素材の板厚は、好ましくは、0.08mm以上、3.00mm以下の範囲内で適宜設定するとよい。さらに、リードフレームに所定の強度と耐熱性等の特性を持たせるために、上記の金属材料に、所定量の鉄、亜鉛、リン、すず、ニッケル等の添加元素を添加してもよい。また、リードフレーム素材の形態は、平条材または所定の金属材料からなる薄板の両表面に所定の金属材料からなる薄板を金属学的に接合した材料(異形条材)を用いることもできる。
打ち抜き加工工程S2では、上述のように複数のディンプル10が形成されたリードフレーム素材に対して、たとえば、順送金型を用いた打ち抜きのプレス加工(打ち抜き加工)を施すことにより、上述したリード5や素子搭載部6を含むリードフレームパターンを形成する。このとき形成するリードフレームパターンには、図示しないダムバーなども含まれる。ダムバーは、上記の半導体素子3を封止樹脂4で封止する際に、硬化前の封止樹脂4が不要な部分まで流れ出すことを防止するためのものである。
粗化処理工程S3では、上記のディンプル形成工程S1によって複数のディンプル10が形成され、かつ、上記の打ち抜き加工工程S2によってリードフレームパターンが形成されたリードフレームに対して、粗化処理を施す。粗化処理は、リードフレーム素材の表面をエッチングによって粗化することができるエッチング液(以下、「エッチャント」ともいう。)を用いて行う。エッチング液としては、たとえば、リードフレーム素材を銅の条材で構成した場合は、硫酸系エッチャントを用いることができる。粗化処理は、たとえば、エッチング液を貯留したエッチング槽のなかにリードフレームを浸漬させることにより、素子搭載部6を含むリードフレーム全面に施す。これにより、素子搭載部6を含めて、リードフレーム2全面に粗化面21(図5参照)が形成される。
検査・梱包工程S4では、まず、リードフレームの外観検査を実施する。外観検査では、たとえば、リードフレームに傷や変形、凹みなどがないかどうかを検査する。次に、リードフレームの梱包を実施する。リードフレームの梱包は、外観検査で良品と判断したリードフレームを、たとえば、所定の個数ずつ梱包用の容器に収納することで行う。
半導体装置の製造は、以下に記述するダイボンディング工程、ワイヤボンディング工程、樹脂封止工程、個片化工程の順に行われる。
まず、リードフレーム2の素子搭載部6にダイボンド材(不図示)を用いて半導体素子3を搭載する。ダイボンド材としては、たとえば、エポキシ系の導電性ペーストを用いることができる。ダイボンディング工程では、リードフレームを所定の温度で所定の時間だけ加熱する。
次に、図示しないワイヤボンディング装置を用いて、半導体素子3の電極部とリード5のインナーリード部5aとを、ボンディングワイヤ7により接続する。ちなみに、図1においては、インナーリード5a側をファーストボンディング、半導体素子3側をセカンドボンディングとして、両者の間にループ状にボンディングワイヤ7を掛け渡した例を示している。もちろん、これとは逆に、半導体素子3側をファーストボンディング、インナーリード部5a側をセカンドボンディングとしてワイヤボンディングを行ってもよい。ワイヤボンディング工程では、リードフレームを所定の温度で所定の時間だけ加熱する。
次に、半導体素子3やボンディングワイヤ7を封止樹脂4で封止する。樹脂封止の方法としては、たとえば、トランスファー成形法や射出成形法などを利用することができる。この樹脂封止においては、適度な流動性を有する硬化前の封止樹脂4が、上述したディンプル10や粗化面21に流れ込む。また、ディンプル10では、深底部13や浅底部14の凹み部分、さらには返し部11の下側部分にも封止樹脂4が回り込む。このため、リードフレーム2と封止樹脂4との接触面積が増加する。また、封止樹脂4が硬化することにより、リードフレーム2と封止樹脂4との間にアンカー効果が得られる。樹脂封止工程では、封止樹脂4の原料となる溶融樹脂を成形用金型のキャビティに充填した後、当該成形用金型内を所定の温度で所定の時間だけ加熱することにより、封止樹脂4を硬化させる。
その後は、必要に応じて、リード5の曲げ加工が行われるとともに、半導体装置1が1個単位でリードフレーム2から切り離される。
本発明の実施形態によれば、以下に記述する1つまたは複数の効果が得られる。
この剥離試験を行うにあたっては、樹脂封止に用いるリードフレームとして、以下に記述するサンプルを用意した。
板厚が0.6mmの部分と2.0mmの部分が混在した異形条材のリードフレーム素材(銅材)を用いて、素子搭載部6に相当する部分(板厚2.0mmの部分)の表面に、次の条件でディンプル加工を施すことにより、第1のディンプル10aと第2のディンプル10bを形成した。
内周壁12の一辺の長さL=0.20mm
X方向またはY方向で隣り合うディンプル10間のピッチPx,Py=0.5mm
各ディンプル10における深底部13の深さd1=0.1mm
各ディンプル10における浅底部14の深さd2=0.05mm
板厚が3.0mmの平条のリードフレーム素材(銅材)を用いて、素子搭載部6に相当する部分の表面に、次の条件でディンプル加工を施すことにより、第1のディンプル10aと第2のディンプル10bを形成した。
内周壁12の一辺の長さL=0.20mm
X方向またはY方向で隣り合うディンプル10間のピッチPx,Py=0.45mm
各ディンプル10における深底部13の深さd1=0.15mm
各ディンプル10における深底部13の深さd2=0.075mm
その後は、上記サンプル1と同様に、打ち抜き加工、リードフレームの切断、粗化処理等を行った。このため、サンプル2についても、粗化面21の表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)が、0.25μm〜0.33μmで、最大高さ(Rz)が、2.1μm〜3.4μmであった。
板厚が0.5mmの銅の平条材からなるリードフレーム素材を用いて、ディンプル加工および粗化処理のいずれも行うことなく、打ち抜き加工でリードフレームパターンを形成したものを、サンプル3とした。
板厚が0.5mmの銅の平条材からなるリードフレーム素材を用いて、ディンプル加工および粗化処理のいずれも行うことなく、打ち抜き加工でリードフレームパターンを形成し、かつ、素子搭載部に相当する部分の表面に図7に示すようなV溝22を形成したものを、サンプル4とした。V溝22の角度は90度、深さは0.1mm、長さは5mmとした。
板厚が1.26mmの銅の平条材からなるリードフレーム素材を用いて、ディンプル加工および粗化処理のいずれも行うことなく、打ち抜き加工でリードフレームパターンを形成し、かつ、素子搭載部に相当する部分の表面に図8に示すようなオーバーハング形状の溝23を形成したものを、サンプル5とした。図示した溝23は、リードフレームの表面を2回のV溝加工で順に押し潰すことにより形成した。
上記サンプル2との比較で、第1のディンプル10aおよび第2のディンプル10bのうちいずれか一方(図例では第2のディンプル10b)だけをディンプル加工により形成し、粗化処理を行わないものを、サンプル6とした(図9参照)。
上記サンプル2との比較で、第1のディンプル10aと第2のディンプル10bをディンプル加工により形成した後、粗化処理を行わないものを、サンプル7とした(図10参照)。
上記サンプル2との比較で、ディンプル加工を行わず、めっきによって粗化処理を行ったものを、サンプル8とした。粗化処理では、リードフレームの表面をアルカリや酸で前処理した後、リードフレームの全面にめっきを施した。その際、まず、塩化ニッケルとほう酸からなるニッケルめっき浴を用いて、電流密度2A/dm2で2分間めっきを行うことにより、厚さが約1μmの結晶核となるニッケルめっきをリードフレームの表面に形成した。次に、その上にスルファミン酸ニッケルめっき浴を用いて、電流密度2A/dm2で2分間めっきを行うことにより、厚さ約1μmのニッケルめっき層をリードフレームの表面に形成した。
まず、前処理として、ダイボンディング工程やワイヤボンディング工程での加熱を模擬するために、各サンプル1〜9を加熱した。具体的には、ダイボンディング工程の加熱条件にあわせて、たとえば酸化雰囲気中で170℃で2時間加熱し、さらにワイヤボンディング工程の加熱条件にあわせて、たとえば250℃で1分間加熱した。
剪断剥離強度測定では、図11に示すように、リードフレーム部25aと樹脂部25bとを有する試験片25をステージ26上に載せた。その際、ステージ26上に固定されているストッパー27にリードフレーム部25aの一辺を突き当てた状態で、ステージ26上に試験片25を固定した。そして、この状態のもとで、矢印方向から樹脂部25bに加圧具28を押し当てて、リードフレーム部25aと樹脂部25bとの接着面に剪断力を加え、両者を剥離させた。その際、リードフレーム部25aから樹脂部25bが剥離したときの剥離荷重を、剪断剥離強度(単位:MPa)として測定した。その結果を、表1に示す。この表1においては、サンプル1を用いて作製した試験片を「試験片1」、サンプル2を用いて作製した試験片を「試験片2」とし、以下同様に表記している。また、樹脂硬化後、温度85℃、湿度85%、72時間の条件で吸湿試験を行い、さらに温度200℃、時間40秒で半田耐熱試験を行ったものを上記同様に測定し、当該試験の前後で、剪断剥離強度がどの程度低下するかを評価した。この評価は、吸湿試験および半田耐熱試験後の剪断剥離強度の低下度合いに応じて、「○(良)」、「△「普通」」「×(不良)」の三段階で行った。
本発明の技術的範囲は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
(付記1)
半導体素子が搭載される素子搭載部を有するリードフレームであって、
少なくとも前記素子搭載部に複数のディンプルが形成され、
前記複数のディンプルには、当該ディンプルの内周壁の一部を内方に突出させた返し部がそれぞれ形成され、
前記複数のディンプルは、前記返し部が形成された第1のディンプルと、当該第1のディンプルとは異なる向きで前記返し部が形成された第2の返し部と、を少なくとも含む
ことを特徴とするリードフレーム。
(付記2)
前記第1のディンプルに形成された返し部の向きと、前記第2のディンプルに形成された返し部の向きとが、45度異なっている
ことを特徴とする付記1に記載のリードフレーム。
(付記3)
前記第1のディンプルと前記第2のディンプルとが千鳥状に配置されている
ことを特徴とする付記1または付記2に記載のリードフレーム。
(付記4)
前記素子搭載部は、互いに直交するX方向およびY方向のうち、X方向に平行な2つの辺部と、Y方向に平行な2つの辺部とによって平面視矩形に形成され、
前記第1のディンプルには、前記X方向に平行な第1の仮想直線上と前記Y方向に平行な第2の仮想直線上にそれぞれ前記返し部が形成され、
前記第2のディンプルには、前記X方向に対して一方向に45度傾いた第3の仮想直線上と前記X方向に対して他方向に45度傾いた第4の仮想直線上にそれぞれ前記返し部が形成されている
ことを特徴とする付記2に記載のリードフレーム。
(付記5)
前記素子搭載部を含むリードフレーム全面が、粗化処理された粗化面になっている
ことを特徴とする付記1〜4のいずれか1つに記載のリードフレーム。
(付記6)
前記粗化面の表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)で0.25μm以上、最大高さ(Rz)で2.0μm以上である
ことを特徴とする付記5に記載のリードフレーム。
(付記7)
付記5または付記6に記載のリードフレームの製造方法であって、
半導体素子が搭載される素子搭載部に相当する部分にディンプル加工によって複数のディンプルを形成するディンプル加工工程と、
前記ディンプル加工工程の後、前記素子搭載部を含むリードフレーム全面に粗化処理を施す粗化処理工程と、
を備えることを特徴とするリードフレームの製造方法。
(付記8)
少なくとも素子搭載部に複数のディンプルが形成されたリードフレームと、
前記リードフレームの素子搭載部に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と、を備え、
前記複数のディンプルには、当該ディンプルの内周壁の一部を内方に突出させた返し部がそれぞれ形成され、
前記複数のディンプルは、前記返し部が形成された第1のディンプルと、当該第1のディンプルとは異なる向きで前記返し部が形成された第2の返し部と、を少なくとも含む
ことを特徴とする半導体装置。
2…リードフレーム
3…半導体素子
4…封止樹脂
5…リード
6…素子搭載部
7…ボンディングワイヤ
10(10a,10b)…ディンプル
11(11a,11b)…返し部
12(12a,12b)…内周壁
Claims (5)
- 半導体素子が搭載される素子搭載部を有するリードフレームであって、
少なくとも前記素子搭載部に複数のディンプルが形成され、
前記複数のディンプルには、当該ディンプルの内周壁の一部を内方に突出させた少なくとも4つの返し部がそれぞれ形成され、
前記4つの返し部は、前記4つの返し部のうちの2つの返し部が前記リードフレームの主表面に平行な平面内で直交する二方向のうちの一方向で互いに対向し、前記4つの返し部のうちの他の2つの返し部が前記二方向のうちの他方向で互いに対向するように配置されており、
前記複数のディンプルは、前記4つの返し部が形成された第1のディンプルと、当該第1のディンプルとは45度異なる向きで前記4つの返し部が形成された第2のディンプルと、を少なくとも含む
ことを特徴とするリードフレーム。 - 前記第1のディンプルと前記第2のディンプルとが千鳥状に配置されている
ことを特徴とする請求項1に記載のリードフレーム。 - 前記素子搭載部を含むリードフレーム全面が、粗化処理された粗化面になっている
ことを特徴とする請求項1または2に記載のリードフレーム。 - 請求項3に記載のリードフレームの製造方法であって、
半導体素子が搭載される素子搭載部に相当する部分にディンプル加工によって複数のディンプルを形成するディンプル加工工程と、
前記ディンプル加工工程の後、前記素子搭載部を含むリードフレーム全面に粗化処理を施す粗化処理工程と、
を備えることを特徴とするリードフレームの製造方法。 - 少なくとも素子搭載部に複数のディンプルが形成されたリードフレームと、
前記リードフレームの素子搭載部に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と、を備え、
前記複数のディンプルには、当該ディンプルの内周壁の一部を内方に突出させた少なくとも4つの返し部がそれぞれ形成され、
前記4つの返し部は、前記4つの返し部のうちの2つの返し部が前記リードフレームの主表面に平行な平面内で直交する二方向のうちの一方向で互いに対向し、前記4つの返し部のうちの他の2つの返し部が前記二方向のうちの他方向で互いに対向するように配置されており、
前記複数のディンプルは、前記4つの返し部が形成された第1のディンプルと、当該第1のディンプルとは45度異なる向きで前記4つの返し部が形成された第2のディンプルと、を少なくとも含む
ことを特徴とする半導体装置。
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