JPH06252284A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH06252284A
JPH06252284A JP5040797A JP4079793A JPH06252284A JP H06252284 A JPH06252284 A JP H06252284A JP 5040797 A JP5040797 A JP 5040797A JP 4079793 A JP4079793 A JP 4079793A JP H06252284 A JPH06252284 A JP H06252284A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】低価格、高信頼性、短納期を可能とし、かつ高
速化対応、低熱抵抗化の要求を満たす多ピンQFPタイ
プの半導体装置を提供する。 【構成】プラスチック積層基板10の一積層面に金属膜
9aを形成し、この金属膜9aに半導体素子3をマウン
ト材7を介して搭載し、半導体素子3と金属膜9aとを
金属細線6bにより結線することによって金属膜9aは
グランド電極を形成する。また、他の金属膜9bは金属
細線6cと結線され電源電極を形成する。また、プリン
ト配線インナーリード11は金属細線6aと結線され
る。これにより、信号線である金属細線6aは金属膜と
の間でストリップラインを形成し、クロストークの低減
ができグランドバウンスを抑えることが可能となる。ま
た、トランスファモールドを行わなくてすむので、半導
体装置の品質向上、低価格、工期短縮が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高集積化された半導体素
子を搭載する半導体装置に関し、特に表面実装タイプの
QFP(Quad Flat Package)型半導
体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の高集積化されたゲートアレイ、シ
ステム、マイコン等の半導体素子は、当初、信号端子お
よび電源端子が多く、延べ100本以上のリード端子が
要求され、かつ大消費電力化に伴い素子の発熱も多くな
るため、アウターリード端子を格子状に配列して実装密
度を高くしたセラミックPGA(Pin Grid A
rray)型のパッケージに搭載されることが多かっ
た。
【0003】しかし、これらの半導体素子を搭載した半
導体装置が実装されるコンピュータ、テスタ等の電気機
器の小型軽量化に伴い、半導体装置は表面実装タイプの
要求が増え始め、最近はQFPがその主役を担ってい
る。QFPはアウターリードがパッケージから4方向に
導出され、ガルウイング状に曲げ成形されたタイプであ
る。そして、主にガラス封止タイプ(QFP−G)とプ
ラスチックトランスファモールドタイプ(QFP−P)
が広く使われている。
【0004】図5に従来の代表的なQFP−Gの断面図
を示す。セラミック基板14の中央にマウント材7を用
いて搭載された半導体素子3は、リードフレーム4のイ
ンナーリード4aとの間を金属細線6により接続され、
セラミックキャップ13が封止ガラス15により気密封
止される。
【0005】また、図6に従来の代表的なQFP−Pの
断面図を示す。リードフレーム4の中央のアイランド1
7に搭載された半導体素子3は、インナーリード4aと
の間を金属細線6により接続され、封止樹脂16により
トランスファモールド成形されている。
【0006】図7は従来装置のうち比較的近年開発さ
れ、その生産が急速に拡大しているQFP−Pの複合リ
ードフレームタイプの断面図である。すなわち、複合リ
ードフレームは、リードフレーム4の開口寸法より広い
面積を持ち半導体素子4を搭載したグランド電極板18
を、リードフレーム4の下側に絶縁テープ19により接
着してグランド電極を形成していることが特徴である。
この複合リードフレームタイプのQFP−Pは、半導体
素子の発熱をグランド電極板18を介してリードフレー
ム4に放散する効果がある上、同時スイッチングにより
生ずるノイズ(グランドバウンス)を低減することがで
きる。
【0007】しかしながら、上述したQFP−Gおよび
QFP−Pタイプの半導体装置には、次に述べるような
欠点がある。まず、QFP−Gの欠点は、第1に重量が
重くトランスファモールドタイプの2〜3倍にもなるこ
とである。第2にはガラス封止温度が高いことである。
400℃以上の熱処理が必要となるため、高集積化した
半導体素子にダメージを与える。第3には高速化対応の
困難性にある。熱膨張差が大きいため銅リードフレーム
が採用できないこと、ガラスの誘電率が大きいこと、か
つリードフレームの多層化が耐熱性の面から難しいこと
により、配線インダクタンスが大きくその分ノイズ電圧
も大きくなる。
【0008】次に、QFP−Pの欠点は、第1に放熱性
が低いことである。半導体素子を取り巻く材料は大部分
が樹脂である。よってセラミックに比べ熱伝導率が1/
20〜1/30と小さいため、素子の発熱を放散するこ
とができない。第2に耐湿性が悪いことである。すなわ
ち、樹脂には透湿性があり、また離型性を良くしている
ため、熱ストレスを受けるとリードフレームと樹脂との
界面から半導体装置内に向けて水分の浸入がある。ま
た、複合リードフレームタイプのQFP−Pでは、半導
体素子、電源電極板またはグランド電極板の占有面積の
比率が高くなるため、樹脂との熱膨張率の差からくる応
力が高くなり、実装時に樹脂内に浸入した水分の気化体
積膨張により、樹脂の界面剥離やクラックを引き起こす
ことがある。第3に、開発工期が長いことである。トラ
ンスファモールド成形金型の製作期間が2〜6ケ月と長
いため、製品の立上げの律速となりやすい。
【0009】一方、上述したQFP−G、QFP−Pの
多くの欠点を改善し、これらに代る半導体装置としてプ
ラスチック基板を用いた樹脂封止型半導体装置が昨今検
討されている(例えば特開昭64−11356号)。こ
の半導体装置は、図8の断面図に示すように、プラスチ
ック基板2aの中央部に半導体素子3が搭載され、半導
体素子3を金属細線6により接続したリードフレーム4
が、プラスチックキャップ1aによって中空部20を形
成するように気密封止されている。
【0010】この半導体装置の特徴は、軽量で、比較的
高速な半導体素子に対応が可能なほか、ガラス封止と違
い150℃以下での低温樹脂封止が可能となるため、素
子へのダメージが少なく、かつリードフレーム仕上げ処
理も、封止工程を代表とする組立工程において熱履歴以
下の温度で溶融、酸化等のない処理であれば、組立投入
の前工程で処理可能である。
【0011】また、封止樹脂の選択においても、トラン
スファモールド成形用樹脂と違いリードフレームの金属
と密着性が良く、加熱時の流動性をある程度無視できる
樹脂が選択できるので、信頼性の高い半導体装置が得ら
れる。さらには、セラミック成形金型、トランスファモ
ールド成形金型が不要となるため、工期、コストの削減
という利点を有している。また、低温樹脂封止が可能と
いうことは、リードフレームの選択幅を広げることにな
る。すなわち、透磁率の低い銅材の採用が可能な上、複
合リードフレームの採用も制約なく自由に選択できる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】この従来のプラスチッ
ク基板樹脂封止型半導体装置は、上述したようにQFP
−G、QFP−Pに比べ、低価格、軽量、低温履歴、高
速対応が可能な上、高品質、短納期である特徴を有して
いる。しかし、より高速な半導体素子への対応、また低
熱抵抗に対しては要求を充分に満足し得なかった。
【0013】まず、高速化対応の問題点について述べ
る。多ピンになると半導体装置が大きくなるためインナ
ーリードも長くなり、インダクタンスや線間容量も大き
くなる。また、高速動作時のスイッチングノイズや線間
のクロストークが大きくなる。そこで、電源ピンおよび
グランドピンの数を増やして流入電流を減らす対策が必
要となる。しかし、電源ピンおよびグランドピンの本数
を増やすことは逆に半導体装置サイズの大型化を招き、
リード長が伸びるといった悪循環を引き起こす。そこ
で、電源電極、グランド電極を設け、半導体素子から自
由に結線でき特定ピンの局所的な電流集中を避け、電源
系の低インダクタンスによる低ノイズを実現しながら、
電源ピンの数を減らすことなくリード数の少ない半導体
装置が必要となる。しかしながら、この従来の半導体装
置は、単層リードフレームを用いていたためグランドバ
ウンス、クロストークの問題があり、高速化対応がとれ
なかった。
【0014】次に、低熱抵抗化の対応についての問題点
を述べる。半導体素子の高集積化に伴い、半導体素子の
消費電力は増加する。CMOSゲートアレイなどでは、
クロック周波数の増加に伴い消費電力は増加し、20M
Hzでは1W、40MHzでは2Wに至る。ところが、
この従来のプラスチック基板を用いた半導体装置では、
半導体素子から発熱する熱の伝導がプラスチック基板を
介して封止樹脂、リードフレームという系路をとるた
め、熱抵抗が大きく、QFP−Gの2〜3倍でかつQF
P−P相当の値となっていた。このように、消費電力1
Wを超える半導体素子への対応がとれないという問題が
あった。
【0015】さらに、上述した従来のプラスチック基板
樹脂封止型半導体装置に比べ、より低価格、薄型、高信
頼性の半導体装置が要求されており、これらの要件を満
たすことも大きな課題となっている。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
プラスチック基板の素子搭載面に金属膜を形成し、この
上に半導体素子を搭載し、プラスチックキャップまたは
樹脂で封止する半導体装置である。このプラスチック基
板は一片面に金属膜が形成された単層構造か、または複
数層の金属膜が形成された積層基板構造である。
【0017】そして、この金属膜と半導体素子電極とを
金属細線接続することによって、金属膜は電源電極また
はグランド電極となる。さらに、この金属膜は半導体素
子のヒートスプレッダとして機能し、またプラスチック
基板の機械的強度の向上、樹脂への水分の浸入を防ぐ透
湿防止効果を備えている。
【0018】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1〜図4は本発明の実施例1〜4の半導体装置を
それぞれ示す断面図である。
【0019】まず、図1を用いて実施例1を説明する。
ポリフェニレンサルファイド樹脂、フッ化エチレン樹
脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等のエンジニアリン
グプラスチックからなる厚さ0.5〜2mmのプラスチ
ック基板2の一片面に、厚さ10〜100μmのCu箔
を接着またはCu、Al、Ni等を蒸着しさらに無電解
めっきにより厚さ数〜数十μm形成した後、必要に応じ
さらにNiおよびAuめっきを施してグランド電極用の
金属膜9を形成する。この金属膜9上の外周囲に、予め
エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂にSiO2 等のフィラー
を充填した封止樹脂5を印刷し、リードフレーム4を上
部から加熱圧着する。この時の封止樹脂5は硬化または
Bステージ化しておく。
【0020】次に、半導体素子3をプラスチック基板2
の金属膜9の中央部にAgペースト等のマウント材7で
搭載し、AlまたはAuからなる金属細線6a、6bに
より半導体素子3とインナーリード4aおよび金属膜9
とを結線する。そして、プラスチック基板2と同様に一
片面に金属膜8を形成したプラスチックキャップ1に予
め封止樹脂5を印刷してBステージ化しておき、これを
プラスチック基板2に重ね合せ加熱する。リードフレー
ム4は厚さ0.1〜0.25mmのCu材を用い、金属
細線6aをボンディングするインナーリード4a部には
AgまたはAuめっきを施しておき、実装部となるアウ
ターリード4bにはSnまたは半田めっきが5〜30μ
m厚で施されている。
【0021】図2の実施例2は、実施例1の単層リード
フレームに対し、リードフレームを多層化し複合リード
フレームとしたものである。この複合リードフレーム
は、半導体素子搭載用のグランド電極板18がリードフ
レーム4にポリイミドフィルム等の厚さ0.1〜0.2
mmの絶縁テープ19を介して接着される。グランド電
極板18はリードフレーム4の開口寸法より大きく、リ
ードフレーム4のインナーリード下面に接着されるのが
特徴である。このグランド電極板18に半導体素子3が
搭載された後、金属細線6aによりリードフレーム4に
信号線、電源線が結線され、金属細線6bはグランド電
極板18にグランド結線される。次に、この複合リード
フレームは、プラスチック基板2上の金属膜9にAgペ
ーストまたは半田合金等の導電性接着剤12を介して電
気的に接続される。この実施例の構造は、複合リードフ
レームのグランド電極機能およびヒートスプレッダ機能
をより大きく効果的にしたものである。グランド電極板
18とプラスチック基板2は半導体素子搭載前に接着し
ておいてもよい。また、プラスチックキャップ1は外側
片面に金属膜8を形成し、内側に凹部キャビティを形成
して中空封止している。なお、本実施例はリードフレー
ム4とグランド電極板18との2層構造であるが、電極
層を増やして多層複合リードフレームとすることもでき
る。
【0022】図3は実施例3を示し、実施例1と同様リ
ードフレーム4は単層であるがアイランド17を有して
おり、実施例2の多層リードフレーム構造とは異なる。
このリードフレーム4はトランスファモールド成形タイ
プと同じ構造で、アイランド17は実施例2と同様プラ
スチック基板2上の金属膜9と導電性接着剤12により
電気的に接続され、グランド電極を形成している。また
キャップは用いずに、封止樹脂16により樹脂封止され
ている。この時、封止樹脂16が半導体装置から流れ出
るのを防ぐために、流れ止めとして封止樹脂と同一材ま
たはAl等の金属からなる樹脂枠21をリードフレーム
4上に配置している。
【0023】図4は実施例4であり、実施例1に対しプ
ラスチック基板に代ってプリント配線基板構造のプラス
チック積層板10を用いたものである。このプラスチッ
ク積層板10は、ガラス/エポキシまたはガラス/BT
レジン(ビスマレイミド・トリアジン)に銅箔を張り付
けたものである。プリント配線インナーリード11はプ
リント配線により形成され、その下層に電源電極用およ
びグランド電極用の金属膜9b、9aがそれぞれ絶縁さ
れた状態で積層され、搭載された半導体素子3との間を
それぞれ金属細線6a、6c、6bで結線している。そ
して、金属膜8を内部側に有するプラスチックキャップ
1を用いて封止樹脂5により封止している。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、プラスチ
ック基板に金属膜を形成し、この上部に直接またはリー
ドフレームのアイランドあるいは複合リードフレームを
介した形で半導体素子を搭載し、かつこの金属膜と半導
体素子電極の一部を金属細線により結線することによっ
て電源電極またはグランド電極を形成できるので、電源
系のインダクタンスを低減でき、かつ電源系のグランド
バウンスを低減することができる上、信号線となる金属
細線に対してはストリップラインとしてクロストークを
抑えられる。
【0025】また、実施例4のプラスチック積層基板構
造では、電源、グランドの結線は電源電極、グランド電
極に自由にボンディングできるため、必要な電源リー
ド、グランドリード数の割りには少ないリード数の半導
体装置となり、その寸法を小さくすることが可能とな
る。また、電源電極とグランド電極との間にはデカップ
リングコンデンサの効果も生じる上、信号線の特性イン
ピーダンスもプリント基板の配線抵抗である50Ωに合
わせることによって、実装基板との整合もとれる。これ
らの理由により、高速化に対応した半導体装置を実現で
きる。
【0026】また、半導体素子からの発熱も、この金属
膜を介して半導体装置全体およびリードフレーム等へ放
散することが可能となり、金属膜のない従来の半導体装
置の熱抵抗に比べ大幅に低減でき、2Wを越える半導体
素子の搭載も可能となった。
【0027】さらに本発明によれば、低価格、薄型、高
信頼性も実現できた。それは、一つにトランスファモー
ルドタイプの複合リードフレームに比べ、プラスチック
基板の金属膜はリードフレームの役割りを成すため、電
源電極、グランド電極を有するにもかかわらず一層少な
い複合リードフレームと同じ効果がある。よって、グラ
ンド電極のみのような構造ではリードフレームは単層の
みでも可能であり、従来のリードフレームがそのまま使
用可能である。また、半導体装置全体に占める電源電極
板、グランド電極板の面積比が従来のトランスファモー
ルドタイプの複合リードフレームでは大きいため、封止
樹脂に与える熱ストレスが大きくなり実装時の樹脂クラ
ック、樹脂剥離を起こし耐湿性を損ねていたが、本発明
はプラスチック基板上に金属膜を有する上、金型成型法
と違い樹脂には密着の向上が期待できる。よって、薄型
はもちろん、高信頼性で低価格の半導体装置としてトラ
ンスファモールドの優位に立つことが可能である。ま
た、プラスチック基板の成型もプレート状のものを切断
するだけで可能な上、リードフレームも単層での応用が
広くなるため、トランスファモールドの複合リードフレ
ーム構造に比べ価格、工期ともに半減することも可能で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1のプラスチック基板および単
層リードフレーム構造の断面図である。
【図2】本発明の実施例2のプラスチック基板および複
合リードフレーム構造の断面図である。
【図3】本発明の実施例3のプラスチック基板およびア
イランド付単層リードフレーム構造の断面図である。
【図4】本発明の実施例4のプラスチック積層基板構造
の断面図である。
【図5】従来のガラス封止タイプ(QFP−G)の半導
体装置の断面図である。
【図6】従来のトランスファモールドタイプ(QFP−
P)の半導体装置の断面図である。
【図7】従来の複合リードフレーム構造のトランスファ
モールドタイプ(QFP−P)の半導体装置の断面図で
ある。
【図8】従来のプラスチック基板樹脂封止構造の半導体
装置の断面図である。
【符号の説明】
1、1a プラスチックキャップ 2、2a プラスチック基板 3 半導体素子 4 リードフレーム 4a インナーリード 4b アウターリード 5、5a 封止樹脂 6、6a、6b、6c 金属細線 7 マウント材 8、9、9a、9b、9c 金属膜 10 プラスチック積層基板 11 プリント配線インナーリード 12 導電性接着剤 13 セラミックキャップ 14 セラミック基板 15 封止ガラス 16 封止樹脂 17 アイランド 18 グランド電極板 19 絶縁テープ 20 中空部 21 樹脂枠

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 中央の半導体素子搭載部に半導体素子を
    搭載したプラスチック基板と、前記半導体素子の周囲に
    配置され半導体素子との間を金属細線により電気的に接
    続するインナーリードとを備え、前記プラスチック基板
    を樹脂材を用いて封止する半導体装置において、前記プ
    ラスチック基板は一片面に金属膜が形成された単層のプ
    ラスチック基板もしくは多層の金属膜を有するプラスチ
    ック積層基板であることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記プラスチック基板の金属膜は半導体
    素子の一部電極と結線され、少なくとも電源電極または
    グランド電極を形成している請求項1記載の半導体装
    置。
  3. 【請求項3】 前記インナーリードが形成されたリード
    フレームは、単層のリードフレームまたは多層の複合リ
    ードフレームである請求項1記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記単層リードフレームのアイランドま
    たは複合リードフレームの電極板は半導体素子の一部電
    極と結線され、かつ前記リードフレームまたは電極板上
    に導電性接着剤を介して接続されている請求項1記載の
    半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記プラスチック積層基板の多層金属膜
    の最上層金属膜はプリント配線されたインナーリードが
    形成され、これらの多層金属膜と半導体素子の一部電極
    とがそれぞれ結線されている請求項1記載の半導体装
    置。
  6. 【請求項6】 封止材としてプラスチック基板または少
    なくとも一片面に金属膜を形成したプラスチック基板か
    らなるプラスチックキャップを用い、搭載した半導体素
    子まわりを中空または充填樹脂封止した請求項1記載の
    半導体装置。
  7. 【請求項7】 半導体素子を搭載した前記プラスチック
    基板もしくはプラスチック積層基板上に半導体素子を囲
    む樹脂枠を設け、この枠内に樹脂を充填して封止する請
    求項1記載の半導体装置。
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