JP6629914B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、例えば、半導体チップを封止する封止体の側面から突出した複数のリードを含む半導体装置に適用して有効な技術に関する。
封止体(パッケージ)を有する半導体装置において、複数のリードがパッケージの側面から外方へ突出した構造が、例えば特開2004−319954号公報(特許文献1)に開示されている。
また、ガルウィング形状の複数のアウタリードを有する半導体装置の構造が、例えば特開平5−3277号公報(特許文献2)に開示されている。
特開2004−319954号公報 特開平5−3277号公報
マザーボード(配線基板)上に搭載される半導体装置(半導体パッケージ)の熱膨張率が、マザーボードの熱膨張率と異なる場合、マザーボードと、このマザーボード上に搭載した半導体装置との接合部において、接合不良が発生し易い。この接合不良が発生する原因は、半導体装置が搭載されたマザーボードが熱の影響により変形(膨張、収縮)する際、マザーボードの変形量(膨張量、収縮量)が、同じく熱の影響により変形(膨張、収縮)する半導体装置の変形量(膨張量、収縮量)と異なることにある。
一方、例えばQFP(Quad Flat Package)は、半導体装置の外部端子となるリードの一部(アウタ部)が、半導体チップを封止する封止体の外側において折り曲げられている。すなわち、マザーボードと接合されるリードの一部(アウタ部)が封止体で固定されていない。
そのため、例えば、図31の比較例に示すように、マザーボード12が半導体装置(QFP21)に比較して大きく収縮Sした場合であっても、リード21aの一部(アウタ部)がこのマザーボード12の変動に追従するため、接合不良は起き難い。
しかし、近年では、これまでの製品に比較してより過酷な使用環境下で半導体装置が用いられる傾向にある(例えば、車載関連製品)。
そこで、本願発明者は、これまでのQFPよりも高い実装信頼性(実装強度)を確保することができる半導体装置の構造について検討した。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態による半導体装置は、ダイパッドと、半導体チップと、複数のリードと、半導体チップを封止する封止体と、を含み、上記半導体チップの厚さは、上記ダイパッドの第2面から上記封止体の下面までの厚さよりも大きい。さらに、上記封止体の下面と、上記複数のリードのそれぞれの一部における先端部との距離は、上記封止体のうち、上記半導体チップの主面から上記封止体の上面までの厚さよりも大きい。
上記一実施の形態によれば、半導体装置における実装信頼性を高めることができる。
実施の形態の半導体装置(QFP)の構造の一例を示す平面図である。 図1のA−A線に沿って切断した構造の一例を示す断面図である。 図1に示す半導体装置の詳細構造を示す拡大断面図である。 図1の半導体装置の実装基板への実装構造の一例を示す平面図である。 図4に示す半導体装置(QFP)の実装構造の一例を示す側面図である。 実施の形態の半導体装置(QFP)の構造を示す断面図である。 比較例のQFPの構造を示す断面図である。 実施の形態の半導体装置の構造の一例を示す平面図である。 図8に示す半導体装置の実装構造を示す側面図である。 比較例のQFPの構造を示す平面図である。 図10に示す半導体装置の実装構造を示す側面図である。 図8に示す半導体装置の半田濡れ上がり状態を示す概念図である。 比較例の半導体装置の半田濡れ上がり状態を示す概念図である。 図1の半導体装置の組み立てで用いられるリードフレームの構造の一例を示す平面図である。 図14のA部の構造を拡大して示す拡大部分平面図である。 図15のA−A線に沿って切断した構造の一例を示す断面図である。 図1の半導体装置の組み立てにおけるダイボンディング後の構造の一例を示す拡大部分平面図である。 図17のA−A線に沿って切断した構造の一例を示す断面図である。 図1の半導体装置の組み立てにおけるワイヤボンディング後の構造の一例を示す拡大部分平面図である。 図19のA−A線に沿って切断した構造の一例を示す断面図である。 図1の半導体装置の組み立てにおける樹脂モールド後の構造の一例を示す拡大部分平面図である。 図21のA−A線に沿って切断した構造の一例を示す断面図である。 図1の半導体装置の組み立てにおけるダム切断時の構造の一例を示す断面図である。 図1の半導体装置の組み立てにおけるレーザーマーキング時の構造の一例を示す断面図である。 図1の半導体装置の組み立てにおける外装メッキ形成後の構造の一例を示す断面図である。 図1の半導体装置の組み立てにおけるゲート・先端カット後の構造の一例を示す拡大部分平面図である。 図1の半導体装置の組み立てにおけるリード切断・成形後の構造の一例を示す拡大部分平面図である。 図1の半導体装置の組み立てにおける角部切断後の構造の一例を示す平面図である。 図28の構造の断面図である。 図28の構造の外観斜視図である。 比較例の半導体装置のマザーボードへの実装構造を示す概念図である。
以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数など(個数、数値、量、範囲などを含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。
また、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
また、以下の実施の形態において、構成要素等について、「Aから成る」、「Aより成る」、「Aを有する」、「Aを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
(実施の形態)
図1は実施の形態の半導体装置の構造の一例を示す平面図、図2は図1のA−A線に沿って切断した構造の一例を示す断面図、図3は図1に示す半導体装置の詳細構造を示す拡大断面図、図4は図1の半導体装置の実装基板への実装構造の一例を示す平面図、図5は図4に示す半導体装置(QFP)の実装構造の一例を示す側面図である。
<電子装置>
図4に示す実装構造は、配線基板であるマザーボード12上に複数の半導体装置や電子部品が搭載されたモジュール(電子装置)20である。本実施の形態では、一例として、車載用のマザーボード(実装基板であり、以降、ECU(Electronic Control Unit)ボードとも呼ぶ)12を取り上げて説明する。なお、本実施の形態では、コンデンサや抵抗器等の電子部品と区別するために、その内部に半導体チップが搭載されている電子部品を、半導体装置と説明する。
車載用のECUボードのうち、エンジン制御用のECUボードは、金属製のピン(ボルト)を介してエンジンルームと結合し、かつ、固定される。したがって、エンジンルームで発生する熱が上記金属製のピンを介してECUボードに伝わる。
そのため、特に、エンジン制御用のECUボードに搭載される半導体装置や電子部品は、過酷な環境下での使用となる。
図4に示すように、マザーボード12上には、QFP13a,13b,13c,13dやSOP(Small Outline Package)14a,14b等の種々の半導体装置が搭載されている。また、コンデンサ(チップ型タンタルコンデンサ15、積層セラミックコンデンサ17、アルミ電解コンデンサ18)や抵抗器(チップ抵抗を含む)16等の種々の電子部品も搭載されている。そして、これらの半導体装置同士、ある半導体装置とある電子部品、あるいは電子部品同士が、マザーボード12の配線12aを介して、互いに電気的に接続されている。
さらに、マザーボード12には、金属製のピン(ボルト)19が複数本(例えば、5本)挿入されている。
ここで、上記のように、各ピン19はエンジンルームに結合しているため、エンジンルームの熱が伝わり易い。そのため、モジュール(電子装置)20を構成するマザーボード12のうち、特に各ピン19の近傍においては、マザーボード12が変形(膨張、収縮、歪む、撓む等)し易い。言い換えると、ピン19の近傍に配置(搭載)される半導体装置や電子部品は、ピン19の近傍に配置(搭載)されない半導体装置や電子部品に比べて、実装不良を引き起し易い環境下にある。
<半導体装置>
図1および図2に示す本実施の形態の半導体装置は、半導体チップを封止する封止体を備え、かつ、上記封止体から突出する複数のリードを有する半導体パッケージである。本実施の形態では、上記半導体装置の一例として、樹脂によって形成された封止体3から複数のアウタ部(外部接続用端子)1bが突出し、さらに、それぞれのアウタ部1bがガルウィング状に曲げ成形されたQFP(Quad Flat Package)5を取り上げて説明する。
すなわち、QFP5は、平面形状が略四角形からなる封止体3のうちの互いに対向する2組の辺から、外部接続端子となる複数のアウタ部1bが突出する半導体装置である。
QFP5の構成について説明すると、上面(チップ搭載面)1ca、および上面1caとは反対側の下面1cbを有するダイパッド(チップ搭載部、タブ)1cと、ダイパッド1c上に搭載された半導体チップ2と、ダイパッド1cの周囲に配置された複数のリードと、封止体3とを備えている。
また、半導体チップ2は、主面2a、主面2aに形成された複数のボンディングパッド(ボンディング電極)2c、および主面2aとは反対側の裏面2bを有しており、図2に示すように、裏面2bがダイパッド1cの上面1caと対向するように、ダイボンド材6を介してダイパッド1cの上面1ca上に搭載されている。ダイボンド材6としては、例えばAgペースト等のペースト状の接着剤が用いられるが、フィルム状の接着剤を用いてもよい。
また、ダイパッド1cは、複数の吊りリード(後述する図15参照)1eによって支持されており、ダイパッド1cを支持しない上記複数のリードは、複数のワイヤ4を介して半導体チップ2の複数のボンディングパッド2cとそれぞれ電気的に接続されている。
複数のワイヤ4のそれぞれは、例えば、金線または銅線等である。
また、封止体3は、半導体チップ2の主面2a側に位置する上面(表面)3a、上面3aとは反対側の下面(実装面)3b、および上面3aと下面3bとの間に位置する側面3cを有しており、封止用樹脂等によって形成されている。ここで、封止体3の下面3bは、ダイパッド1cの下面1cb側に位置する面である。
そして、封止体3は、上記複数のリードのそれぞれの一部(アウタ部)が側面3cから突出するように、ダイパッド1c、複数のリードのそれぞれの他部(インナ部)、半導体チップ2および複数のワイヤ4を封止している。
つまり、上記複数のリードのそれぞれのうち、封止体3の内部に埋め込まれている部分がインナ部1aであり、封止体3の側面3cから外部に突出している部分がアウタ部(一部)1bである。そして、上記複数のリードのそれぞれにおいて、インナ部1aとアウタ部1bとは、一体に形成されている。
また、複数のリードのそれぞれの一部(アウタ部)は、封止体3の外側において折り曲げられている。すなわち、複数のリードのそれぞれのアウタ部1bは、ガルウィング状に折り曲げられている。
そして、複数のリードのそれぞれのアウタ部1bは、それらの表面がメッキ膜(金属膜)7(後述する図29参照、ただし、切断面は除く)によって覆われている。
なお、封止体3は、例えば熱硬化性のエポキシ系樹脂から成る。
また、半導体チップ2は、シリコンから成る基材と、上記基材の素子形成面上に形成され、かつ上記基材の厚さよりも薄い多層配線層とから構成されている。
本実施の形態のQFP5は、半導体チップ2の主面2aの上部と、ダイパッド1cの下面1cbの下部とに、それぞれ封止体3の一部が配置されている。すなわち、ダイパッド1cを封止体3の内部に埋め込んだ、所謂タブ埋込み構造の半導体装置である。
そして、QFP5では、図3に示すように、半導体チップ2の厚さT1は、ダイパッド1cの下面1cbから封止体3の下面3bまでの厚さT5よりも大きい。ここで、T1は、例えば0.4mmであり、T5は、例えば0.39mmである。
なお、QFP5は、封止体3内における半導体チップ2の占有率が高い半導体装置である。ここで、半導体チップ2の占有率とは、封止体3の厚さ方向における、封止体3の総厚に対する半導体チップ2の厚さの割合(支配量)である。そこで、チップ厚さの比較対象の一例としては、チップ下方の封止体3の厚さが挙げられる。QFP5では、上述のように、ダイパッド1cの下面1cb側の封止体3の厚さT5が、半導体チップ2の厚さT1より小さくなっている。
また、QFP5では、封止体3の下面3bと、複数のリードのそれぞれのアウタ部1bにおける先端部(主接合面)1beとの距離D1は、封止体3のうち、半導体チップ2の主面2aから封止体3の上面3aまでの厚さT4よりも大きい。ここで、D1は、例えば0.73mmであり、T4は、例えば0.47mmである。
なお、上記距離D1は、本実施の形態のQFP5のスタンドオフ量である。QFP5のスタンドオフ量は、封止体3の下面3bからアウタ部1bの先端部1beの最下点までの距離である。この時、正確な最下点は、スキャナーの寸法検査を考慮して、アウタ部1bの先端より0.1mm内側の底面における最底点3辺平均を仮層平面とし、この仮層平面を最下点とする。さらに、各アウタ部1bの先端部1beにおいて、QFP5が実装(半田接合)されるマザーボード12の電極パッド(例えば、図31に示すマザーボード12の端子12b)の表面と対向する面(下面1bb)を、主接合面とする。つまり、各アウタ部1bの先端部1beは、半田材が濡れ上がる面であるため、上記メッキ膜7が形成された全て(ただし、切断面を除く)が接合面となるが、実装基板の電極パッドと対向する面(下面1bb)が主の接合面となるため、この面を主接合面とする。
また、QFP5の複数のインナ部1aのそれぞれは、ワイヤ4が接合され、かつ封止体3によって封止されたワイヤ接合部1acを有している。一方、複数のアウタ部1bのそれぞれは、封止体3の厚さ方向に向かって折り曲がる折り曲げ部1bcと、封止体3の上面3aと平行な方向に向かって折り曲がる折り曲げ部1bdとを有しており、折り曲げ部1bcと折り曲げ部1bdとによってガルウィング形状が形成されている。
なお、折り曲げ部1bcおよび折り曲げ部1bdのそれぞれは、アウタ部1bに形成されているため、封止体3から露出しているが、折り曲げ部1bcは、インナ部1aのワイヤ接合部1acよりも半導体チップ2から離れて配置されており、一方、折り曲げ部1bdは、折り曲げ部1bcよりも半導体チップ2から離れた位置に形成されている。
また、複数のアウタ部1bのそれぞれの、封止体3の下面3bから折り曲げ部1bdまでの距離(間隔、D1(スタンドオフ量))は、複数のインナ部1aのそれぞれのワイヤ接合部1acの上面1aaから封止体3の上面3aまでの厚さT8、あるいは、複数のインナ部1aのそれぞれのワイヤ接合部1acの下面1abから封止体3の下面3bまでの厚さT9よりも大きい。
すなわち、QFP5では、D1>T8、あるいは、D1>T9となっている。ここで、QFP5では、T8、T9とも、例えば0.64mmであるが、T8、T9は必ずしも同じでなくてもよい。
また、QFP5において、封止体3の下面3bから、複数のアウタ部1bのそれぞれの先端部1beまでの距離(間隔、D1(スタンドオフ量))は、半導体チップ2の厚さより大きい。すなわち、QFP5では、D1>T1となっている。
次に、本実施の形態のQFP5と、JEITA(Japan Electronics and Information Technology Industries Association)に基づくQFP、LQFP(Low profile Quad Flat Package)、TQFP(Thin Quad Flat Package) との相違点について説明する。
図6は実施の形態の半導体装置(QFP)の構造を示す断面図、図7は比較例のQFPの構造を示す断面図、図8は実施の形態の半導体装置の構造の一例を示す平面図、図9は図8に示す半導体装置の実装構造を示す側面図、図10は比較例のQFPの構造を示す平面図、図11は図10に示す半導体装置の実装構造を示す側面図である。
上述のように本実施の形態のQFP5は、スタンドオフ量(D1)が大きい半導体装置である。
図6に示す本実施の形態のQFP5の封止体3の厚さは、例えば、図3に示すように、T6=1.40mmである。一方、JEITAに基づくQFP、LQFP、TQFPのそれぞれの封止体の厚さは、2.00mm、1.40mm、1.00mmである。
また、本実施の形態のQFP5のスタンドオフ量は、例えば、図3に示すように、D1=0.73mmである。一方、JEITAに基づくQFP、LQFP、TQFPのそれぞれのスタンドオフ量(例えば、図7に示すQFP21のd1)は、3種類ともロー・スタンド値が0.10mm、ハイ・スタンド値が0.40mmである。
つまり、本実施の形態のQFP5は、JEITAに基づく構造であり、封止体3の厚さは、JEITAのLQFPに相当しているが、各アウタ部1bの長さ(特に、封止体3の厚さ方向に対する長さ)が長くなっており、JEITAに基づくQFP、LQFP、TQFPのスタンドオフ量(特に、ハイ・スタンド値)に比べて大きい。
言い換えると、マザーボード(配線基板)12上の実装構造においては、図8〜図11に示すように、本実施の形態のQFP5の方が、封止体3とマザーボード12との距離(隙間)が大きい。
なお、図7に示すQFP21は、JEITAに基づくLQFPと同様の構造であり、それぞれインナ部21aaとアウタ部21abとから成る複数のリード21aのうち、アウタ部21abの先端部21acの下面21abaと封止体3の下面3bとの距離であるスタンドオフ量d1が、半導体チップ2の厚さや、ダイパッド1cの下面1cbと封止体3の下面3bとの距離より小さい。
すなわち、本実施の形態のQFP5のスタンドオフ量D1に比べてQFP21のスタンドオフ量d1は非常に小さい。
ここで、本実施の形態のQFP5の比較対象として、LQFP、TQFPの各部分の寸法の一例を説明する。
半導体チップ2の厚さは、LQFP=0.40mm、TQFP=0.28mm、ダイボンド材6の厚さは、LQFP、TQFPともに0.02mm、リードフレーム(インナ部、アウタ部等)の厚さは、LQFP=0.125mmまたは0.15mm、TQFP=0.15mmである。
さらに、チップ表面から封止体3の上面3aまでの厚さは、LQFP=0.59mm、TQFP=0.33mm、ダイパッド1cの下面1cbから封止体3の下面3bまでの厚さは、LQFP=0.38mm、TQFP=0.23mmである(ただし、吊りリード1eの折り曲げによるダイパッド1cの下げ量を0.24mmとする)。なお、以上の数値は、一例であり、種々変更可能である。
本実施の形態のQFP5は、上述のように封止体3の厚さは、JEITAのLQFPに相当しているため、封止体3の薄型化を図った半導体装置である。しかしながら、半導体チップ2は高機能化により小さくすることが困難である。したがって、本実施の形態のQFP5は、封止体3の内部における半導体チップ2の占有率が大きい傾向にある半導体装置であり、半導体装置本体の剛性も高くなっている。
例えば、QFP5では、封止体3の平面サイズは、一辺が5〜6mm程度の正方形であり、半導体チップ2はその平面サイズが、例えば一辺が2〜2.5mm程度の長方形または正方形である。
このような封止体3の内部における半導体チップ2の占有率が大きなQFP5をマザーボード12等の配線基板に実装した場合、QFP本体(封止体3)の剛性が高いため、基板が熱等の影響で撓んだ際、基板の撓みに対してQFP5の動きが追従しにくくなる。
そこで、本実施の形態のQFP5では、それぞれのアウタ部1bのスタンドオフ量を大きくすることにより、基板の撓みに対する本体(封止体3)の動きを追従し易いようにしている。
ここで、半導体チップ2と封止体3とダイパッド1c(各リードも同じ)のそれぞれの主成分と線膨張係数について説明する。なお、熱膨張率には、直線方向の膨張率の指標である線膨張係数と、3次元空間における膨張率の指標である体積膨張係数とがあるが、温度サイクル負荷に起因する応力の発生原因としては、線膨張係数の違いが大きく影響する。
したがって、本実施の形態では、主に線膨張係数に注目して説明する。
QFP5では、半導体チップ2は、主成分がシリコンであり、その線膨張係数は、4〜5ppm/℃、封止体3(レジン)は、主成分がエポキシ樹脂であり、その線膨張係数は、8〜12ppm/℃である。したがって、半導体チップ2の線膨張係数は、封止体3の線膨張係数よりも小さい。
また、ダイパッド1cを含むリードフレーム1(後述する図14参照)は、主成分が銅(Cu)材であり、その線膨張係数は、17ppm/℃である。
なお、QFP5が実装されるマザーボード12は、主成分が樹脂材であり、その線膨張係数は、例えば15ppm/℃程度である。
以上のように、半導体チップ2の線膨張係数は、封止体3の線膨張係数よりも小さいため、封止体3の内部における半導体チップ2の占有率が大きくなると、QFP5そのものの線膨張係数は低下し、上述のようにQFP本体(封止体3)の剛性は高くなる。
ここで、封止体3内における半導体チップ2の占有率が高い半導体装置における基板への実装時の接合不良の課題について説明する。
QFP5の封止体3は、熱硬化性のエポキシ系樹脂から成るのに対し、半導体チップ2は、シリコンから成る基材と、基材の素子形成面上に形成され、かつ、基材の厚さよりも薄い多層配線層(各配線層間に絶縁層を有する)と、から成る。そのため、半導体チップ2の線膨張係数(4〜5ppm)は、封止体3の線膨張係数(8〜12ppm)よりも低い。
なお、本実施の形態では、半導体チップ2の厚さ(LQFP:0.40mm、TQFP:0.28mm)が、例えば、封止体3のうち、ダイパッド1cの下面1cbから封止体3の下面3bまでの厚さ(LQFP:0.38mm、TQFP:0.23mm)よりも大きい。
これは、近年では、半導体装置の小型化(薄型化)に伴い、封止体3の全体の厚さも小さくなる傾向にある。そのため、封止体3の全体の厚さの薄型化に伴い、ダイパッド1cの下方に位置する封止体3の厚さが、半導体チップ2の厚さよりも薄くなった。この結果、この封止体3内における半導体チップ2の占有率が増加して、半導体装置そのものの線膨張係数は低下した(半導体装置本体(封止体3)の剛性が高くなった)。
これにより、図31の比較例に示すように、QFP21を配線基板であるマザーボード12に実装した構造において、マザーボード12が熱等の影響でS方向に収縮した際、QFP21本体(封止体3)の剛性が高いため、マザーボード12の撓みに対してQFP21の動きが追従しにくくなる。
すなわち、マザーボード12と、このマザーボード12上に搭載したQFP21との接合部(半田8を介したアウタ部21abと端子(電極パッド)12bとの接合部)において、QFP21が搭載されたマザーボード12が熱の影響により変形する際、マザーボード12の変形量が、同じく熱の影響により変形するQFP21の変形量と異なるため、上記接合部において接合不良が発生する。
しかしながら、本実施の形態のQFP5では、複数のアウタ部1bそれぞれのスタンドオフ量が大きいため、マザーボード12の撓みに対するQFP5本体(封止体3)の動きが追従し易い。
ここで、図12は、本実施の形態のQFP5の半田濡れ上がり状態を示す図である。図12に示すように、QFP5では各アウタ部1bのスタンドオフ量が大きいため、各アウタ部1bにおいて半田8の濡れ上がりがアウタ部1bそれぞれの高さ方向に増加している。
その結果、それぞれのアウタ部1bと上記接合部との半田接合の強度が高められている。さらに、上述のようにマザーボード12の撓みに対するQFP5本体(封止体3)の動きも追従し易くなっているため、QFP5において高い実装信頼性(実装強度)を確保することができる。
言い換えると、本体部(封止体3)の線膨張係数が低いQFP5においても、その実装信頼性(実装強度)を高めることができ、実装基板(マザーボード12)との接合不良の低減化を図ることができる。
さらに、各アウタ部1bにおいて半田8の濡れ上がり量が増えることにより、QFP5の電気特性を向上させることができる。
なお、本実施の形態のQFP5のように、封止体3内に熱がこもり易く、熱ストレスが掛かり易いダイパッド埋込み型の半導体装置においても、実装信頼性(実装強度)を高めることができる。
次に、図4に示すマザーボード12(車載用のECUボード等)への半導体装置の実装構造(モジュール20)における半導体装置の接合不良の課題について説明する。
車載用のECUボードのうち、エンジン制御用のECUボードは、金属製のピン(ボルト)を介してエンジンルームと結合し、かつ、固定される。したがって、エンジンルームで発生する熱が上記金属製のピンを介してECUボードに伝わるため、特に、エンジン制御用のECUボードに搭載される半導体装置や電子部品は、過酷な環境下での使用となる。
詳細には、半導体装置が搭載されるマザーボード(例えば、ECUボード)12は、複数のピン(ボルト)19でエンジンルームに固定されている。各ピン19は金属から成るため、その使用環境が高温に晒されると、このピン19の温度も上昇し易い。
この結果、マザーボード12において、この各ピン19の近傍は、他の領域(ピン19から離れた領域)に比較して、撓み易い(歪み易い)。そして、このピン19の近傍に配置(搭載)された半導体装置は、他の領域に配置された半導体装置に比較して、接合不良が発生し易い。
例えば、図4に示すモジュール20において、QFP13b,13cは、近傍にそれぞれ2つのピン19が配置されているため、これらのQFP13b,13cに対して、本実施の形態のスタンドオフ量が大きな構造を採用することにより、熱の影響を受け易いQFP13b,13cにおいてもその実装信頼性(実装強度)を高めることができる。その結果、マザーボード12(ECUボード)との接合不良の低減化を図ることができる。
ただし、ピン19から離れた領域に配置された半導体装置に対して、本実施の形態のスタンドオフ量が大きな構造を採用してもよいことは言うまでもない。
例えば、モジュール20において、QFP13a、QFP13d、あるいはSOP14aやSOP14bに対して、本実施の形態のスタンドオフ量が大きな構造を採用してもよく。これらの半導体装置の実装信頼性(実装強度)をさらに高めることができる。
なお、半導体装置において、各アウタ部1bのスタンドオフ量を大きくすることの代わりとして、図13に示すQFP21の構造が考えられる。図13は比較例の半導体装置の半田濡れ上がり状態を示す概念図である。
図13に示すQFP21は、各アウタ部21abを基板の実装面方向に沿って長く延在させた構造のものである。図13のQFP21の場合、半田8の濡れ上がり量において、本実施の形態のQFP5に比べて劣るため、実装信頼性(実装強度)を十分に高めることはできない。
すなわち、半田8の濡れ上がりには方向性があるため、図13のQFP21の場合、アウタ部21abの折れ曲がり部分で半田8の濡れ上がりが留まってしまう。したがって、本実施の形態のQFP5ほど十分な実装信頼性(実装強度)を確保することができず、図4に示すモジュール20のマザーボード12(ECUボード)のように、過酷な環境下での使用には耐えることができない。
<半導体装置の製造方法>
図14は図1の半導体装置の組み立てで用いられるリードフレームの構造を示す平面図、図15は図14のA部の構造を拡大して示す拡大部分平面図、図16は図15のA−A線に沿って切断した構造を示す断面図、図17は図1の半導体装置の組み立てにおけるダイボンディング後の構造を示す拡大部分平面図、図18は図17のA−A線に沿って切断した構造を示す断面図である。
また、図19は図1の半導体装置の組み立てにおけるワイヤボンディング後の構造を示す拡大部分平面図、図20は図19のA−A線に沿って切断した構造を示す断面図、図21は図1の半導体装置の組み立てにおける樹脂モールド後の構造を示す拡大部分平面図、図22は図21のA−A線に沿って切断した構造を示す断面図である。
さらに、図23は図1の半導体装置の組み立てにおけるダム切断時の構造を示す断面図、図24は図1の半導体装置の組み立てにおけるレーザーマーキング時の構造の一例を示す断面図、図25は図1の半導体装置の組み立てにおける外装メッキ形成後の構造の一例を示す断面図、図26は図1の半導体装置の組み立てにおけるゲート・先端カット後の構造の一例を示す拡大部分平面図である。
また、図27は図1の半導体装置の組み立てにおけるリード切断・成形後の構造の一例を示す拡大部分平面図、図28は図1の半導体装置の組み立てにおける角部切断後の構造の一例を示す平面図、図29は図28の構造の断面図、図30は図28の構造の外観斜視図である。
1.リードフレーム準備
本実施の形態の半導体装置の組み立てでは、図14に示すように、枠部1fの内側に複数のデバイス領域(デバイス形成部)1iが形成された薄板状のリードフレーム1を準備する。なお、デバイス領域1iとは、1つのQFP5が形成される領域である。また、本実施の形態では、複数のデバイス領域1iが、平面視において、マトリクス状に配置されているが、一列(単列)に配置されていてもよく、1枚のリードフレーム1に形成されるデバイス領域1iの数は、特に限定されるものではない。また、本実施の形態では、リードフレームの平面形状が、長方形から成る。そして、リードフレーム1の枠部1fのうち、互いに対向する一対の辺(長辺)に沿って、位置決め用もしくはガイド用等の複数の孔部1gがそれぞれ形成されている。さらに、複数のデバイス領域1iのうち、互いに隣り合うデバイス領域の間には、互いに対向する一対の辺(短辺)に沿って、複数の長孔1hが形成されている。
次に、デバイス領域1iの詳細について説明する。
1つのデバイス領域1iには、図15に示すように、1つのダイパッド1cが設けられている。ここで、本実施の形態におけるダイパッドの平面形状は、略四角形から成る。そして、このダイパッド1cは、各角部が吊りリード1eによって支持されている。さらに、ダイパッド1cの周囲には、複数のリードが形成されている。各リードは、インナ部1aと、これに繋がるアウタ部1bとから成る。そして、各アウタ部1bの端部は、枠部1fの内側(ダイパッド側)に設けられた内枠1faに繋がっている。
また、複数のアウタ部1bにおいて、インナ部1aとアウタ部1bの境界部の僅かに外側の位置で、隣り合うアウタ部同士がダムバー1dによって連結されている。
そして、複数のアウタ部1bのそれぞれは、後のリード成形工程において生成されるリードのスタンドオフ量が大きくなるように、長く形成されている。
また、吊りリード1eによって支持されるダイパッド1cは、図16に示すように、複数のインナ部1aのそれぞれより低い位置に配置されている。すなわち、各吊りリード1eの途中に折り曲げが形成されており、これによってダイパッド1cは、複数のインナ部1aのそれぞれより低い位置となっている。
なお、リードフレーム1は、例えば銅を主成分とする金属材から成る。
本実施の形態では、便宜上、1つのデバイス領域1iを代表して取り上げて、以降のQFP5の組み立てを説明する。
2.ダイボンド
リードフレーム準備完了後、ダイボンドを行う。
ダイボンド工程では、図17および図18に示すように、ダイボンド材6を介して半導体チップ2をダイパッド1cの上面1caに搭載する。すなわち、主面2aに複数のボンディングパッド2cが形成された半導体チップ2を、ダイボンド材6を介してダイパッド1c上に搭載する。
3.ワイヤボンド
ダイボンド完了後、ワイヤボンドを行う。
ワイヤボンド工程では、図19および図20に示すように、半導体チップ2の複数のボンディングパッド2cと、複数のインナ部1aとを、複数のワイヤ4を介してそれぞれ電気的に接続する。この時、複数のワイヤ4のそれぞれの一端は、複数のインナ部1aのそれぞれのワイヤ接合部1acに接合する。
4.モールド
ワイヤボンド完了後、モールドを行う。
モールド工程では、図21および図22に示すように、封止用樹脂を用いて、半導体チップ2、ダイパッド1c、複数のインナ部1aおよび複数のワイヤ4を封止する。まず、図示しない樹脂成形金型のキャビティ内に、ワイヤボンド済みのリードフレーム1を配置し、リードフレーム1を金型でクランプした後、上記封止用樹脂を上記キャビティ内に充填して封止体3を形成する。上記封止用樹脂は、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂であり、充填後の熱硬化によって封止体3を形成する。
なお、封止用樹脂は、形成される封止体3の4つの角部のうちの1つから注入されるため、封止体3の平面視における1つの角部に図21に示すゲートレジン22が形成される。封止体3を形成すると、図22に示すように、封止体3のそれぞれの側面3cから複数のアウタ部1bが突出した状態となる。
5.リード切断(ダムバー切断)
モールド完了後、リード切断(ダムバー切断)を行う。
ダムバー切断工程では、図23に示すように、隣り合うアウタ部間に配置されたダムバー1dを切断刃9によって切断する。なお、ダムバー切断工程では、ダムバー1dの切断のみを行う。
6.マーク
ダムバー切断完了後、マーキングを行う。
マーク工程では、図24に示すように、封止体3の上面3aにレーザー10を照射し、後述する図26に示すように、所定の製造番号や管理番号等のマーク11を封止体3の上面3aに付す。
7.メッキ
マーク工程完了後、メッキ膜形成を行う。
メッキ工程では、図25に示すように、半田メッキ等のメッキ膜(外装メッキ)7を複数のアウタ部1bのそれぞれの表面(上面1baおよび下面1bbを含む表面)に形成する。
なお、メッキ膜7として、半田メッキを用いる場合、鉛フリー半田を採用することが好ましく、鉛フリー半田を採用することにより、環境負荷の低減化を図ることができる。ここで、鉛フリー半田とは、鉛(Pb)の含有量が0.1wt%以下のものを意味し、この含有量は、RoHS(Restriction of Hazardous Substances)指令の基準として定められている。
8.リード切断(ゲート切断)
メッキ工程完了後、リード切断(ゲート切断)を行う。
ゲート切断工程では、図21に示すゲートレジン22が形成された角部におけるフレームを切断する。これにより、封止体3は、残りの3つの角部によってリードフレーム1に支持された状態となる。
9.リード成形
ゲート切断工程完了後、リード成形を行う。
リード成形工程では、まず、各アウタ部1bの先端同士を互いに繋ぐ内枠1faを枠部1fから切り離す(図26参照)。次に、各アウタ部1bの先端を繋いだまま、例えば図29に示すようなガルウィング状にアウタ部1bを成形(折り曲げ)する。その後、各アウタ部1bの先端同士を互いに繋いでいる内枠1faを切断し、各アウタ部1bを互いに分離する(図27参照)。
なお、このアウタ部1bの成形工程は、複数の吊りリード1eを枠部1fに繋げた状態で行う。
10.リード切断(角部切断)
リード成形工程完了後、リード切断(角部切断)を行う。
角部切断工程では、図27に示す封止体3を支持している残り3つの角部において、フレーム切断を実施して個片化する。これにより、図28〜図30に示すように、各アウタ部1bのスタンドオフ量が大きなQFP5の組み立てを完了する。
<半導体装置の実装方法>
本実施の形態のQFP5の実装においては、図12に示すように、実装基板であるマザーボード12に半田8を介して実装を行う。この時、QFP5では各アウタ部1bのスタンドオフ量が大きいため、各アウタ部1bにおいて半田8の濡れ上がり量が増加し、アウタ部1bそれぞれの高さ方向に高い位置(図3に示す折り曲げ部1bc)まで半田8が濡れ上がっている。
したがって、QFP5のそれぞれのアウタ部1bの半田接合における接合強度が高められている。その結果、QFP5において高い実装信頼性(実装強度)を確保することができる。
なお、QFP5は、封止体3における半導体チップ2の占有率が大きい半導体装置であるため、このような半導体チップ2の占有率が高いQFP5であっても、その実装信頼性を高めることができ、マザーボード12との接合不良の低減化を図ることができる。
さらに、図4に示すようなECUボード(マザーボード12)等の熱の影響度が高く、過酷な環境下での実装となるQFP13b,13c等においても、それらの実装信頼性を高めることができ、ECUボードとの接合不良の低減化を図ることができる(ただし、マザーボード12上の他の半導体装置に対してもスタンドオフ量が大きな構造を適用してもよい)。
<変形例>
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明はこれまで記載した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
(変形例1)
上記実施の形態では、QFPがダイパッド埋込み構造の場合を取り上げて説明したが、上記QFPは、封止体3からダイパッド1cの一部(例えば、下面1cb)を露出させた、所謂、タブ露出構造であってもよい。
(変形例2)
上記実施の形態では、半導体装置がQFPの場合について説明したが、前記半導体装置は、平面形状が略四角形からなる封止体3のうちの互いに対向する2つの辺から、外部接続端子となる複数のリードが突出する、所謂、SOP(Small Outline Package)型の半導体装置であってもよい。
(変形例3)
上記実施の形態のQFP5では、封止体3の厚さ方向における封止体内の半導体チップ2の占有率が増加すると、封止体3の線膨張係数が低下することを説明したが、半導体チップ2の厚さの比較対象として、チップ上方の封止体3の厚さを採用してもよい。すなわち、半導体チップ2の占有率とは、封止体3の厚さ方向における、封止体3の総厚に対する半導体チップ2の厚さの割合(支配量)である。そのため、ダイパッド下方の封止体3の厚さが半導体チップ2の厚さより大きかったとしても、チップ上方の封止体3の厚さが、半導体チップ2の厚さより小さい場合は、封止体3の線膨張係数が低下し、封止体3の変形(膨張、収縮)による半導体装置の実装不良に至る恐れがある。このことから、チップ厚さの比較対象としては、ダイパッド下方の封止体3の厚さに限らず、チップ上方の封止体3の厚さも採用できる。ただし、上記実施の形態のQFP5のように、ワイヤ4を介して半導体チップ2とリードを電気的に接続する場合は、このワイヤ4が封止体3の表面から露出しないように、半導体チップ2の上方(主面側)に形成される封止体3の厚さは、半導体チップ2の厚さよりも大きくなる場合が多い。そのため、封止体3における半導体チップ2の占有率(支配量)を判断する上では、ダイパッド下方の封止体3の厚さを比較対象として採用することが好ましい。
(変形例4)
上記実施の形態では、半導体装置(QFP5)における複数のアウタ部1bのそれぞれがガルウィング状に形成されている場合を説明したが、複数のアウタ部1bのそれぞれは、例えば、Jリード形状であってもよい。すなわち、半導体装置は、QFJ(Quad Flat J-leaded Package) やSOJ(Small Outline J-leaded Package) であってもよい。
(変形例5)
上記実施の形態の半導体装置の組み立てでは、モールド工程で封止体3を形成し、封止体形成後に、各アウタ部1bの表面にメッキ膜(外装メッキ)7を形成する場合を説明したが、予めリードフレーム1の表面全体に、例えば、パラジウム(Pd)を主成分とするメッキ膜が形成されたリードフレーム1を準備し、このリードフレーム1を用いて半導体装置を組み立ててもよい。
この組み立てによれば、モールド工程後の外装メッキ塗布工程を省略することができる。
(変形例6)
上記実施の形態では、外装メッキ工程において各アウタ部1bに形成されるメッキ膜7が半田材から成るメッキ膜であり、上記半田材は、鉛(Pb)を実質的に含まない、鉛フリー半田の場合を説明したが、上記半田材は、鉛を含む半田材であってもよい。ただし、環境汚染問題を考慮すれば、上記鉛フリー半田から成る半田材の使用が好ましい。
(変形例7)
さらに、上記実施の形態で説明した技術思想の要旨を逸脱しない範囲内において、変形例同士を組み合わせて適用することができる。
1 リードフレーム
1a インナ部(リード)
1aa 上面
1ab 下面
1ac ワイヤ接合部
1b アウタ部(リード)
1ba 上面
1bb 下面
1bc,1bd 折り曲げ部
1be 先端部(主接合面)
1c ダイパッド(チップ搭載部、タブ)
1ca 上面(チップ搭載面)
1cb 下面
1d ダムバー
1e 吊りリード
1f 枠部
1fa 内枠
1g 孔部
1h 長孔
1i デバイス領域
2 半導体チップ
2a 主面
2b 裏面
2c ボンディングパッド(ボンディング電極、電極パッド)
3 封止体
3a 上面(表面)
3b 下面(実装面)
3c 側面
4 ワイヤ
5 QFP(半導体装置)
6 ダイボンド材
7 メッキ膜(金属膜、外装メッキ)
8 半田
9 切断刃
10 レーザー
11 マーク
12 マザーボード(配線基板、実装基板、モジュール基板)
12a 配線
12b 端子
13a,13b,13c,13d QFP(半導体装置)
14a,14b SOP(半導体装置)
15 コンデンサ(チップ型タンタルコンデンサ)
16 抵抗器
17 コンデンサ(積層セラミックコンデンサ)
18 コンデンサ(アルミ電解コンデンサ)
19 ピン(ボルト)
20 モジュール(電子装置)
21a リード
21aa インナ部
21ab アウタ部
21aba 下面
21ac 先端部
22 ゲートレジン

Claims (7)

  1. 第1面、および前記第1面とは反対側の第2面を有するダイパッドと、
    主面、前記主面に形成された複数のボンディング電極、および前記主面とは反対側の裏面を有し、前記裏面が前記ダイパッドの前記第1面と対向するように、ダイボンド材を介して前記ダイパッドの前記第1面上に搭載された半導体チップと、
    複数のワイヤを介して、前記複数のボンディング電極とそれぞれ電気的に接続された複数のリードと、
    前記半導体チップの前記主面側に位置する上面、前記上面とは反対側の下面、前記上面と前記下面との間に位置する第1側面、および前記上面と前記下面との間に位置し、かつ、前記第1側面とは反対側の第2側面を有し、前記半導体チップおよび前記複数のワイヤを封止する封止体と、
    を含み、
    前記半導体チップは、主に、第1線膨張係数を有する第1部材から成り、
    前記封止体は、主に、前記第1線膨張係数よりも高い第2線膨張係数を有する第2部材から成り、
    前記複数のリードのそれぞれは、
    前記封止体で封止されたインナ部と、
    前記封止体から露出したアウタ部と、
    を有し、
    前記アウタ部は、
    前記インナ部と繋がり、かつ、前記封止体の前記上面に沿った水平方向に延在する第1部分と、
    前記上面から前記下面に向かう前記封止体の厚さ方向に前記アウタ部を折り曲げる第1折り曲げ部を介して前記第1部分と繋がる第2部分と、
    前記水平方向に前記アウタ部を折り曲げる第2折り曲げ部を介して前記第2部分と繋がる第3部分と、
    を有し、
    前記複数のリードは、
    前記複数のワイヤのうちの第1ワイヤを介して、前記複数のボンディング電極のうちの第1ボンディング電極と電気的に接続され、かつ、前記封止体の前記第1側面から突出する第1リードと、
    前記複数のワイヤのうちの第2ワイヤを介して、前記複数のボンディング電極のうちの第2ボンディング電極と電気的に接続され、かつ、前記封止体の前記第2側面から突出する第2リードと、
    を有し、
    断面視において、前記半導体チップは、前記第1リードの前記インナ部と前記第2リードの前記インナ部との間に位置しており、
    断面視において、前記半導体チップの厚さは、前記封止体のうちの前記ダイパッドの前記第2面から前記封止体の前記下面までの厚さよりも大きく、
    断面視において、前記封止体のうちの前記ダイパッドの前記第2面から前記封止体の前記下面までの厚さは、前記ダイパッドおよび前記ダイボンド材のそれぞれの厚さよりも大きく、
    断面視において、前記複数のリードのそれぞれのスタンドオフ量は、JEITA(Japan Electronics and Information Technology Industries Association)に基づくQFP(Quad Flat Package)、LQFP(Low Quad Flat Package)、TQFP(Thin Quad Flat Package)のスタンドオフ量のうちのハイ・スタンド値よりも大きく、かつ、前記封止体のうちの前記封止体の前記上面から前記封止体の前記下面までの厚さよりも小さく、
    前記スタンドオフ量は、前記封止体の前記厚さ方向における、前記封止体の前記下面から前記アウタ部の前記第3部分までの距離であり、
    断面視において、前記複数のリードのそれぞれの前記スタンドオフ量は、前記複数のリードのそれぞれの前記インナ部のうちの前記半導体チップの前記主面側に位置する上面から前記封止体の前記上面までの厚さ、あるいは、前記複数のリードのそれぞれの前記インナ部のうちの前記ダイパッドの前記第2面側に位置する下面から前記封止体の前記下面までの厚さよりも大きい、半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第1部材は、シリコンであり、
    前記第2部材は、エポキシ系樹脂である、半導体装置。
  3. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記半導体チップの厚さは、前記封止体のうちの前記半導体チップの前記主面から前記封止体の前記上面までの厚さよりも大きい、半導体装置。
  4. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記封止体のうちの前記封止体の前記上面から前記封止体の前記下面までの厚さは、1.40mm、あるいは、1.00mmである、半導体装置。
  5. 請求項4に記載の半導体装置において、
    前記複数のリードのそれぞれの厚さは、0.125mm、あるいは、0.15mmである、半導体装置。
  6. 請求項5に記載の半導体装置において、
    前記半導体装置は、QFP(Quad Flat Package)である。
  7. 請求項4に記載の半導体装置において、
    前記複数のリードのそれぞれの前記スタンドオフ量は、0.73mmである、半導体装置。
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