JPH0621276A - 熱強化型半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

熱強化型半導体素子およびその製造方法

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JPH0621276A
JPH0621276A JP5115190A JP11519093A JPH0621276A JP H0621276 A JPH0621276 A JP H0621276A JP 5115190 A JP5115190 A JP 5115190A JP 11519093 A JP11519093 A JP 11519093A JP H0621276 A JPH0621276 A JP H0621276A
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die
lead frame
semiconductor
opening
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Jr Bennett A Joiner
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体ダイのフラグとの界面を減少し、更に
ドロップ・イン(drop−in)ヒートシンクを設け
て、熱的性能を向上させたことに加えて、基板実装中の
パッケージ亀裂に対する抵抗力を強化させた成形型半導
体素子(24)を提供する。 【構成】 半導体ダイ(12)を、開口を備えたフラグ
(15)を有するリードフレーム(16)上に実装し
て、ダイの不活性表面(14)の大部分を露出させる。
ダイ(12)とフラグ(15)との間の界面接触領域を
減少させることにより、剥離が生じる領域を制限、基板
実装中にパッケージに亀裂が発生する危険性を低減す
る。封入材(22)がパッケージ本体を形成し、このパ
ッケージ本体が開口(23)を包囲して、半導体ダイ
(12)の不活性表面の大部分を露出させる。半導体パ
ッケージを印刷回路基板に実装した後、ヒートシンク
(26)を前記開口に挿入し、ヒートシンクを直接ダイ
に結合する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的に半導体素子に
関し、より詳しくは、裸シリコン(baresilic
on)を露出し、熱放散構造を備えたパッケージを有す
る半導体素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】成形された半導体パッケージは、一般的
に、金属リード・フレームのフラグ(flag)上に実
装された半導体ダイを備えており、この半導体ダイをワ
イヤボンドによって金属リード・フレームのリードに、
電気的に接続している。そして、リードの末端を除い
て、これら半導体ダイ、ワイヤボンド及びリードフレー
ムを、プラスチック内に封入する。この種のパッケージ
には固有のいくつかの問題がある。これらの問題には、
パッケージが多くの材料の界面を有すること、及び気相
(vapor phase)及び半田ディップ中にパッ
ケージの亀裂が生じやすいことが含まれている。
【0003】成形された半導体パッケージに対してよく
行なわれる試験は、半導体パッケージを水分即ち水蒸気
で飽和させ、続いてある短い時間間隔の間、半田付け温
度以上で溶媒の蒸気または液体半田のいずれかに浸漬さ
せるものである。現在使われているいくつかのプラスチ
ック成形パッケージの吸水性(water absor
ption)は、0.4%の重量増加で、測定されてい
る。この水分は、急激な加熱で蒸気化し、蒸気圧の急速
な上昇を結果として招く。この内部蒸気圧の急激な上昇
の結果、パッケージに亀裂が生じることになる。この試
験は、通常材料の界面に生じるパッケージの隙間に、凝
縮水(condensed water)があると、特
に破壊的なものとなる。成形品が完璧であっても、形成
化合物、実装用フラグ、およびシリコン・ダイ間の熱膨
張の差に起因する、パッケージ内の機械的応力の結果と
して、隙間が生成されることがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】成形化合物内の亀裂
は、ダイとフラグ角部に発生し、一方分離は、ダイとフ
ラグ、及びフラグと成形化合物との間に発生している。
また、ダイ接合領域に隙間が発生するのも、一般的なこ
とである。成形半導体パッケージ内の亀裂及び分離は、
それらがワイヤボンドだけでなくダイにも損傷を与える
原因になる点において、特に有害である。また、大量の
応力が、半導体ダイ、特に亀裂がプラスチックの成形化
合物全体に伝播する際に、側部及び角部において作用す
るのが一般的である。したがって、亀裂の伝播を妨げ
る、成形半導体パッケージを有することが望まれてい
る。更に、材料の界面数を最少にして、そこに含まれる
隙間の数を減少させることも、有益である。
【0005】成形半導体パッケージを用いる場合に一般
的に見いだされる別の問題は、熱放散の問題である。プ
ラスチック性パッケージ本体内に取り込まれた熱は、種
々の材料の熱膨張係数の不整合による温度サイクル損
傷、並びに素子の性能を損なう原因となる。ヒートシン
クは、熱放散のために熱路を改善するものである。成形
半導体パッケージにヒートシンクを組み込む1つの方法
は、半導体ダイを直接ヒートシンクに実装することであ
る。この構造体を、次に金属リードフレームに実装し、
ヒートシンクが嵌合するような大きさにした開口を、リ
ードフレームのフラグに設ける。これで、半導体ダイを
リードフレームのリードに、通常の方法でワイヤボンド
することができる。封入材を、ダイ、ヒートシンク及び
リードフレーム構造体全体の回りに成形する。ヒートシ
ンクの底部は封入材で封入されないが、この封入材によ
って形成されたパッケージ本体の底部と同じ面上にな
る。この方法の主な欠点は、ヒートシンクを半導体パッ
ケージ内に成形するので、組立工程後には、特定のユー
ザの要求に対してヒートシンクを変更するいかなる柔軟
性も、排除してしまうことである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
ダイ、リードフレーム、複数の導線、及び封入材を有す
る、半導体素子が提供される。半導体ダイは、活性面、
不活性面、周辺、及び活性面に複数のボンディング・パ
ッドを有する。リードフレームは、複数のリードと、半
導体ダイよりも小さいダイ開口を有する実装表面とを有
する。半導体ダイの不活性面の第1部分は、ダイ開口上
でリードフレームの実装表面に接合されており、これに
よって、半導体ダイの不活性表面の第2部分を露出して
いる。複数の導線が、半導体ダイの活性表面上の複数の
ボンディング・パッドを、リードフレームの複数のリー
ドに、電気的に結合している。封入材は、半導体ダイの
周辺、活性表面上、及び不活性表面の第1部分を形成し
ており、パッケージ本体が、半導体ダイの不活性表面の
第2部分を露出する開口を、包囲している。これらの及
びその他の特徴、および利点は、添付図面に関連してな
された以下の詳細な説明から、より明白に理解できよ
う。例示は原寸に合わせて描く必要はなく、そして具体
的に例示されていない本発明の他の実施例もあることを
指摘しておくのは、重要なことである。
【0007】
【実施例】本発明を用いれば、成形プラスチック半導体
パッケージにおいて亀裂の伝播を防止し、材料の界面数
を減少させ、かつ熱放散のための良好な熱路を設けると
いう、前述の望ましい構造を満足することが可能であ
る。本発明は、半導体ダイのフラグ材との界面を減少さ
せ、挿入可能なヒートシンクを備えた、成形プラスチッ
ク半導体素子を可能とするものである。更に、本発明は
その製造方法も提供する。
【0008】本発明の1要素であるリードフレーム2の
上面図を、図1に示す。リードフレーム2は、ダイ開口
6を有する実装表面4を有している。この実装表面の形
状は、典型的にウインド・フレーム・フラグと呼ばれて
いる。リードフレーム2は、また、半導体ダイ(図示せ
ず)と電気的接続を行なうための複数のリード7、およ
び実装表面4を支持するための複数のバー8を有してい
る。
【0009】本発明による半導体素子10の完成品を図
2に示す。半導体ダイ12は、活性表面13および不活
性表面14を有しており、典型的に伝導性充填エポキシ
のような伝導性接着材を用いて、リードフレーム16の
実装表面15に取り付けられている。実装表面15は、
半導体ダイ12より小さなダイ開口を有する。半導体ダ
イ12はウインド・フレーム・フラグとも呼ばれてお
り、半導体ダイ12の実装表面15との界面のみが、半
導体ダイ12の不活性表面14の周辺を取り囲むように
なっている。リードフレーム16も、銅、銅合金、鉄ニ
ッケル合金、またはその他の金属のような、熱伝導性材
質で作られている。リードフレーム16は、複数のリー
ド18を有しており、各々が半導体ダイ12に隣接しか
つその末端に端部を有する。これらのリードは、ダイに
電気的に結合されている。図示のように、ワイヤボンド
20を用いて、リード18の隣接する端部を、半導体ダ
イ12の活性表面13のボンディング・パッド(図示せ
ず)に結合している。ワイヤボンド20は、金、銅、ア
ルミニウム、またはこれらの物質の合金から成るもので
ある。
【0010】図2に示すように、半導体ダイ12の活性
表面13、リード18の隣接する端部、ワイヤボンド2
0、実装表面15、および半導体ダイ12の不活性表面
14の部分を、封入材22によって、封入する。封入材
22は、典型的に、例えばフェノール樹脂系エポキシ
(phenolic epoxy)、ノボラック樹脂
(novolac resin)またはその他の成形化
合物樹脂のような熱硬化性樹脂である。図2に示すよう
に、封入材22は、半導体ダイ12の不活性表面14を
完全には封入しておらず、パッケージ本体の開口23を
取り囲んで不活性表面14の一部分を露出させている。
開口23は、ボス(boss)または台座を成形工具に
付加えることによって形成することができる。この構造
にはいくつかの利点がある。半導体ダイとフラグとの間
の物質界面を少なくして、ダイ周辺の回りのみで接触さ
せている。半導体素子が応力を受けると、典型的に、剥
離または分離がこの界面に発生する。そして、水分がこ
の剥離した領域に入り込み、パッケージの「ポップコー
ン状のふるまい(popcorn performan
ce)」を誘発する可能性がある。パッケージの内側に
少しでも水分があると、気相または半田リフロー処理に
関連する急速な加熱で、この水分が蒸発し、蒸気圧が急
激に上昇する。この内部蒸気圧の急上昇によって、結果
的にパッケージに亀裂が発生することになる。半導体ダ
イを、ダイ開口を備えたフラグ上に実装することによっ
て、剥離が起こり得る表面領域が狭くなる。更に、ダイ
開口が圧力抜き出し路として作用し、気相または半田リ
フロー処理中、水分がパッケージからでて行くことにな
る。内部蒸気圧をパッケージ本体の開口を介して放出す
ることができるので、本発明のプラスチック半導体パッ
ケージは、亀裂もポップコーン現象も起こすことがな
い。
【0011】本発明の別の実施例を、図3に示す。ここ
に示すのは、図2に示した第1実施例と実質的に同一要
素を備え、更にヒートシンク26を取り付けた、半導体
素子24の断面図である。ヒートシンク26は、金属ま
たは金属複合材のような高熱伝導率を有する物質で構成
されている。好ましくは、ヒートシンク26を、アルミ
ニウムを充填したポリマで構成する。しかしながら、ア
ルミニウム、銅、金等、およびこれらの合金等の、高熱
伝導率を有する他の金属を用いることもできる。加え
て、融解シリカ、窒化硼素等のような、非金属熱伝導材
を、ヒートシンク26の充填材として用いることもでき
る。ヒートシンク26は、複数の冷却用フィン28を有
しており、ヒートシンク26の熱消散効果を高めてい
る。10°C/Wの熱抵抗を有するように計算された本
発明と比較すると、ヒートシンクのない標準的なプラス
チックの28ミリ角の正方形パッケージに対する熱抵抗
は、40°C/Wと評価され、一方上表面が平坦なヒー
トシンクを有する同一パッケージを32°C/Wと評価
された。熱抵抗が低い程、良好な熱消散を示すことにな
る。ヒートシンク26を、パッケージ本体22の輪郭と
一致する形状に形成して、ヒートシンク26がパッケー
ジ本体22を直接覆うようにしており、ヒートシンクの
挿入可能部分は、パッケージ本体22の開口23に嵌合
されている。ヒートシンク26は、熱伝導性接着剤で、
半導体ダイ12の不活性表面14に直接取り付けられて
いる。代替案として、ヒートシンク26を、熱グリース
(thermal grease)を用いて半導体ダイ
12の不活性表面に結合し、クリップ(図示せず)で所
定位置に固着することもできる。また、半導体素子を既
に基板に実装した後に、ヒートシンク26をパッケージ
本体22の開口23内に挿入することが好ましいが、こ
れは、ヒートスプレッダの熱に関する利点を得ることに
加えて、ポップコーン現象(popcorning)に
対する利点も保持することができるからである。必要な
のは、半導体素子の動作中にのみヒートシンクに熱を放
散させることである。したがって、印刷回路基板に実装
後にヒートシンクを取り付けることによって、熱放散を
強化するためのヒートシンクを有することに加えて、図
2に示す第1実施例の全ての利点を、ユーザにもたらす
ことができる。更に、ヒートシンクをエンドユーザの居
所で挿入することにより、ユーザは、彼の要求を最も満
たすヒートシンク材および外形を選択する柔軟性を有す
ることになる。例えば、ヒートシンクをパッケージ本体
より大きくしてもよい。
【0012】本発明の別の代替案を図4に示すが、ここ
では多くの要素が図2に示した第1実施例と実質的に同
一である。図4に示されているのは、半導体ダイ32を
備えたLOC(リードオンチップ)半導体素子30の断
面であり、この半導体素子30は、活性面34と不活性
面36とを有し、リードフレーム40の複数のリード3
8上に実装されている。活性表面34を、典型的に両面
ポリイミッド・テープまたは熱伝導性エポキシで、複数
のリード38に取り付ける。ワイヤボンド42を用い
て、リード38の隣接する端部を、半導体ダイ32の活
性表面上のボンディングパッド(図示せず)に結合す
る。半導体ダイ32の活性表面34、リード38の隣接
端部、ワイヤボンド42、および半導体ダイ32の不活
性表面のせいぜい一部を、封入材44で封入する。図4
に示すように、封入材44は、半導体ダイ32の不活性
表面を完全に封止してしまうのではなく、半導体本体内
の開口46を包囲して、不活性表面36の少なくとも一
部を露出するようにしている。この開口46内のヒート
シンクを、図3に示した本発明の第2実施例と同様に、
半導体ダイ32の不活性表面36の露出された部分に、
取り付けることも可能である。
【0013】図5は、図4に示した実施例と実質的に同
様な別の実施例であるが、1つの大きな相違がある。図
5に示すように、活性表面52および不活性表面54を
有し、リードフレーム58の複数のリード56上に実装
されている、半導体ダイ50を備えたCOL(チップオ
ンリード)半導体素子48の断面が示されている。不活
性表面54は、典型的に両面ポリイミッド・テープまた
は熱伝導性エポキシによって、複数のリード56に取り
付けられている。ワイヤボンド60を用いてリード56
の隣接端部を、半導体第50の活性表面52上のボンデ
ィング・パッド(図示せず)に結合している。封入材6
2がパッケージ本体を形成し、開口64を包囲して、不
活性表面54の少なくとも一部を露出させている。ここ
でもまた、開口64内のヒートシンクを、不活性表面5
4の露出された部分に取り付けることが可能である。
【0014】以上の説明およびここに含まれる例示は、
本発明に関連する多くの利点を実際に示したものであ
る。特に、半導体ダイをリードフレームのウインド・フ
レーム・フラグ上に実装し、パッケージ本体をダイ、フ
ラグおよびリードフレームの周りに成形し、パッケージ
本体が半導体ダイの不活性表面の一部を露出させる空乏
を備えることによって、気相または半田ディップ中のパ
ッケージの亀裂に対する抵抗力を強化することができ
る。更に、ヒートシンクをパッケージ本体の前記空乏内
に挿入して、それを半導体ダイに直接結合することもで
き、これによりヒートシンクの熱消散効果を高めること
ができる。更に他の利点は、本発明では、半導体素子を
既に基板に実装した後に、ユーザの所在地でヒートシン
クを取り付けることができ、ユーザには、パッケージと
共に用いるヒートシンクの種類についての柔軟性を、向
上させることができることである。
【0015】本発明を、その具体的な実施例を参照して
記載し図示してきたが、本発明がそれらの例示した実施
例に限定されることを、意図しているのではない。本発
明の精神から逸脱せずに、改造および変更が可能なこと
は、当業者であれば認めるであろう。例えば、TABテ
ープを、リードフレームの代りに用いて、半導体ダイを
支持することもできる。更に、本発明は、冷却用フィン
を有するヒートシンクのような、特定のヒートスプレッ
ダ形状に限定されるものではない。挿入可能な部分を有
するいかなる形式のヒートシンクでも、本発明において
受け入れることができる。したがって、本発明は、添付
の特許請求の範囲の範疇に属するそのような変化変容を
全て包含することを、意図するものとする。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、半導体ダイとフラグ材
との界面を減少し、挿入可能なヒートシンクを備えて、
先に述べた必要性および利点を完全に満足する、成形プ
ラスチック半導体素子が提供された。
【図面の簡単な説明】
【図1】ウインド・フレーム・フラグとも呼ばれるダイ
開口を備えた実装表面を有するリードフレームの上面
図。
【図2】熱伝導性ヒート・スプレッダを挿入し、それを
直接半導体ダイに結合するための開口をパッケージ本体
に有する、成形プラスチック半導体素子断面図であり、
半導体ダイがダイ開口を有するフラグ上に実装されてい
ることを示す図。
【図3】半導体ダイに直接取り付けられた熱伝導性ヒー
ト・スプレッダを挿入した、成形プラスチック半導体素
子の断面図であり、半導体ダイがダイ開口を有するフラ
グ上に実装されていることを示す図。
【図4】熱伝導性ヒート・スプレッダを挿入し、それを
半導体ダイに直接結合するための開口をパッケージ本体
に有する、成形LOC(Lead on Chip)プ
ラスチック半導体素子の断面図。
【図5】熱伝導性ヒート・スプレッダを挿入し、それを
半導体ダイに直接結合するための開口をパッケージ本体
に有する、成形COL(Chip on Lead)プ
ラスチック半導体素子の断面図。
【符号の説明】
12 半導体ダイ 13 活性表面 14 不活性表面 15 フラグ 16 リードフレーム 18 リード 20 導電ワイヤ 22 封入材 23 開口 24 成形型半導体素子 26 ヒートシンク

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】活性表面(13)と、不活性表面(14)
    と、周辺とを有する半導体ダイ(12)であって、前記
    活性表面上に複数のボンディング・パッドを有する、前
    記半導体ダイ;複数のリード(18)と、ダイ開口
    (6)を備えた実装表面(15)とを有するリードフレ
    ーム(16)であって、前記ダイ開口は前記半導体ダイ
    より小さく、前記半導体ダイの不活性表面の第1部分
    を、前記ダイ開口上の前記リードフレームの実装表面
    に、接合してあり、これにより前記半導体ダイの不活性
    表面の第2部分を露出させた、前記リードフレーム;前
    記半導体ダイの活性表面上の複数のボンディングパッド
    を、前記リードフレームの複数のリードに、電気的に結
    合する複数の導電ワイヤ(20);および前記周辺の周
    りで、前記活性表面上、および前記半導体ダイの不活性
    表面の前記第1部分、前記ワイヤ、および前記リードフ
    レーム上において、パッケージ本体を形成する封入材
    (22)であって、前記パッケージ本体は、前記半導体
    ダイの不活性表面の前記第2部分を露出させる開口(2
    3)を包囲するようにした、前記封入材;から成ること
    を特徴とする熱強化型半導体素子(10)。
  2. 【請求項2】活性表面(13)と、不活性表面(14)
    と、周辺とを有する半導体ダイ(12)であって、前記
    活性表面上に複数のボンディング・パッドを有する、前
    記半導体ダイ;複数のリード(18)と、ダイ開口
    (6)を備えた実装表面(15)とを有するリードフレ
    ーム(16)であって、前記ダイ開口は前記半導体ダイ
    より小さく、前記半導体ダイの不活性表面の第1部分
    を、前記ダイ開口上の前記リードフレームの実装表面
    に、接合してあり、これにより前記半導体ダイの不活性
    表面の第2部分を露出させた、前記リードフレーム;前
    記半導体ダイの活性表面上の複数のボンディングパッド
    を、前記リードフレームの複数のリードに、電気的に結
    合する複数の導電ワイヤ(20);および前記周辺の周
    りで、前記活性表面上、および前記半導体ダイの不活性
    表面の前記第1部分、前記ワイヤ、および前記リードフ
    レーム上において、パッケージ本体を形成する封入材
    (22)であって、前記パッケージ本体は、前記半導体
    ダイの不活性表面の前記第2部分を露出させる開口(2
    3)を包囲するようにした、前記封入材;前記半導体ダ
    イの不活性表面に取り付けられた熱伝導性ヒートスプレ
    ッダ(26)であって、前記封入材によって封入されて
    いない前記ヒートスプレッダ;から成ることを特徴とす
    る熱強化型半導体素子(10)。
  3. 【請求項3】活性表面(34)と、不活性表面(36)
    と、周辺とを有する半導体ダイ(32)であって、前記
    活性表面上に複数のボンディング・パッドを有する、前
    記半導体ダイ;複数のリード(38)を有する、フラグ
    レス(flagless)リードフレーム(40)であ
    って、前記複数のリードのある数のものが前記半導体ダ
    イの活性表面(34)上に、その周辺に沿って実装され
    ており、前記複数のリードは前記半導体ダイの活性表面
    上の前記複数のボンディングパッドに、選択的に電気的
    に結合されており、および前記半導体ダイの不活性表面
    を露出させている、前記リードフレーム;および前記周
    辺および前記活性表面を含む前記半導体ダイ、および前
    記リードフレームの周りにパッケージ本体(44)を形
    成する封入材であって、前記パッケージ本体が、前記半
    導体ダイの不活性表面の少なくとも大部分を露出させる
    開口(46)を包囲するようにした、前記封入材;から
    成ることを特徴とする熱強化型半導体素子(10)。
  4. 【請求項4】活性表面(52)と、不活性表面(54)
    と、周辺とを有する半導体ダイ(50)であって、前記
    活性表面上に複数のボンディング・パッドを有する、前
    記半導体ダイ;前記半導体ダイの不活性表面(54)の
    第1部分に、その周辺に沿って実装された複数のリード
    (56)を有し、これによって前記不活性表面の第2部
    分を露出させるようにしたフラグレス・リード・フレー
    ム(58)であって、前記複数のリードを、選択的に、
    前記半導体ダイの活性表面上の複数のボンディング・パ
    ッドに電気的に結合するようにした、前記フラグレス・
    リード・フレーム;および前記周辺、前記活性表面、お
    よび前記不活性表面の第1部分を含む半導体ダイ、並び
    に前記リードフレームの周りにパッケージ本体(62)
    を形成する封入材であって、前記パッケージ本体が、前
    記半導体ダイの不活性表面の前記第2部分を露出させる
    開口(64)を包囲するようにした、前記封入材;から
    成ることを特徴とする熱強化型半導体素子(10)。
  5. 【請求項5】活性表面(13)、不活性表面(14)お
    よび周辺を有する半導体ダイ(12)を備えるステッ
    プ;ダイ実装領域(15)および複数のリード(18)
    を有するリードフレーム(16)を備えるステップ;前
    記半導体ダイを、前記ダイ実装領域に実装し、前記ダイ
    実装領域が、前記半導体ダイ周辺の周りで、前記不活性
    領域の第1部分を支持し、前記半導体ダイの不活性表面
    の第2部分を露出させるステップ;前記半導体ダイを、
    前記リードフレームの複数のリードに、電気的に結合す
    るステップ;および前記周辺の周りで、前記半導体ダイ
    の前記活性表面上、および不活性表面の前記第1部分
    上、並びに前記リードフレームの周りに、パッケージ本
    体(22)を成形し、前記半導体本体が、前記半導体ダ
    イの不活性表面の前記第2部分を露出させる開口(2
    3)を包囲するステップ;から成ることを特徴とする熱
    強化型半導体素子(10)を製造する方法。
JP5115190A 1992-04-21 1993-04-20 熱強化型半導体素子およびその製造方法 Pending JPH0621276A (ja)

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