JPH11514149A - 熱特性が改善された電子パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 熱特性が改善された電子パッケージ（１０）。プラスチック（３０）パッケージの場合、リードフレームのリード線（１８）の内端部（２０）は、半田やポリマ材料などの高熱伝導性材料（３２）によりヒート・スラグ（１２）に取り付けられる。金属パッケージの場合、リードフレームのリード線の内端部は高熱伝導性材料により金属基部要素に取り付けられる。

Description

【発明の詳細な説明】 熱特性が改善された電子パッケージ 本発明は総括的にいえば改善された電子パッケージに関し、詳細にいえば熱特 性が改善された電子パッケージに関する。 電子産業において、シリコン・ベースの半導体デバイスなどの集積回路の急速 な発展およびその広範囲にわたる使用により、電子デバイスを収納するためのパ ッケージ設計が急速に増えることとなった。パッケージは密封型と非密封型に大 きく分けられるものを含め、さまざまな形態を取る。 密封型パッケージは一般に、セラミックまたは金属要素で形成され、通常はガ ラス封止される。非密封型パッケージは一般に、セラミック、金属またはプラス チック要素で形成され、通常はエポキシ封止される。非密封型パッケージは電子 デバイスの周囲にプラスチックを成形することによって形成される。このような パッケージはすべて、パッケージ内に取り付けられたシリコン・ベースの半導体 デバイスなどの電子部品と、パッケージ内に内部リード端部を有しており、ワイ ヤ・ボンディングによって電子デバイスに接続されるようになされているリード フレームとを有していることを特徴としている。リードフレームは外部装置との 接続のためにパッケージ外へ延びている外部リード端部も含んでいる。 電子パッケージの使用中に、電子部品により熱が発生する。パッケージ内に熱 が蓄積すると、電子システムの操作性が損なわれたり、さらには、パッケージが 使用されているシステム全体の故障を引き起こしたりするため、この熱を放散さ せる必要がある。金属パッケージからの熱の除去は主として、シール用エポキシ 、特にベースにリードフレームを取り付けているエポキシの層を通る熱の流れに よって生じる。エポキシの熱伝導度が比較的低いものであるため、このことがパ ッケージの熱性能を制限する。プラスチック・パッケージにおいては、ヒート・ スラグ（slug）やヒート・スプレッダ（spreader）を有するものであっても、同 じような問題がある。熱は伝導性の悪いエポキシの幾つかの箇所を通って流れな ければならない。 上記に鑑み、本発明の目的は熱特性が改善された電子パッケージを提供するこ とである。 本発明の他の目的は、電子デバイスをプラスチックに封入し、熱特性が改善さ れているタイプの電子パッケージを提供することである。 本発明のさらに他の目的は、電子デバイスを封入する金属ベースおよびカバー を有しており、熱特性が改善されているタイプの電子パッケージを提供すること である。 本発明のこれらおよびその他の目的および利点は、基板と、前記基板に取り付 けられた電子デバイスと、内端部が前記電子デバイスにワイヤ・ボンディングさ れており、外端部が前記パッケージから延びている複数のリード線を有するリー ドフレームと、前記各リード線の前記内端部を基板に接続する高熱伝導性材料と を備えている電子パッケージを提供することにより、本発明にしたがって達成さ れる。 本発明の目的および利点は以下の詳細な説明、および添付図面を参照すること により、より明らかとなろう。 第１図は本発明の原理を組み込んだあるタイプの電子パッケージの断面図であ る。 第２図は本発明の原理を組み込んだ他のタイプの電子パッケージの断面図であ る。 第３図は本発明の原理を組み込んだ第３のタイプの電子パッケージの断面図で ある。 図面、特に第１図を参照すると、ヒート・スラグないし熱拡散基板１２が設け られており、本発明を含む典型的なプラスチック・パッケージ１０が示されてい る。このようなパッケージ１０はチップなどのシリコン・ベースの半導体デバイ スが典型的なものである電子部品１４を収納するようになされている。銅、銅合 金または鉄ニッケル合金などの電導性材料で形成されるのが一般的であるリード フレーム１６が設けられている。周知の態様において、リードフレーム１６は複 数のリード線１８を有しており、その各々は内端部２０と外端部２２とを有して いる。リード線１８の内端部２０は電子部品１４の周囲に配置されており、これ にワイヤ・ボンディング２４によって接続されている。リード線１８の外端部２ ２はプリント回路板などの外部装置に接続するようになされている。適切な接着 剤またはダイ接着剤２６が電子デバイス１４を、図示のように、ヒート・スラグ １２の頂部表面２８に接着している。 第１図に示すように、中実のプラスチック体３０が電子部品１４、ヒート・ス ラグ１２、ワイヤ・ボンディング２４およびリード線１８の一部を包んでいる。 プラスチック体３０は各種の周知のプラスチック成形コンパウンドの任意のもの を、包囲すべき電子デバイス１４、ヒート・スラグ１２、ワイヤ・ボンディング ２４およびリード線１８の一部の周囲の金型へ射出することによって形成するこ とができる。 本発明によれば、リード線１８の各々の内端部２０の端部部分は、半田などの 高熱伝導性接着材料３２、または高熱伝導性ポリマ材料により、ヒート・スラグ １２の上部表面２８の周囲に接続されている。半田はその熱伝導が高いことから 好ましいが、ポリマ厚膜やダイ接着材料などのポリマ材料を使用することもでき る。 熱性能を最良なものとするために、ヒート・スラグ１２とリード線１８も比較 的高い熱伝導度を有しているべきである。このため、ヒート・スラグ１２に好ま しい材料としては、電気絶縁性アノード処理コーティング３４が施されたアルミ ニウムまたはアルミ合金、ならびに電気絶縁性のチッ化物、酸化物、炭化物また は類似のもののコーティング３４が施された銅合金がある。ヒート・スラグ１２ に使用することができる他の材料としては、銅およびアルミニウムをベースとし た金属マトリックス・コンポジット材料（metal matrix composites）がある。 リードフレーム１６は銅、銅合金または鉄ニッケル合金などの電導性材料で形成 することができ、これらの材料にはさらに銅、銀、ニッケル、金またはパラジウ ム、あるいはこれらの合金の組合せなどの異なる金属のめっきを施してもよい。 リードフレーム１６に好ましい材料は銅または銅合金である。 接着材料３２に使用される半田は従来の共晶Ｓｎ／Ｐｂ半田よりも融点が高い 任意の半田である。半田はそれ故、回路板へのパッケージ１０の取付けなどの以 降の作業で使用されるものよりも高い融点を有しているはずである。使用される 特定の半田は約２３０℃以上の融点、好ましくは約２５０℃〜約３００℃の範囲 の融点を有することができる。約２５０℃〜約３００℃までの範囲の融点を有す るものなどのソフト半田を使用することは、リードフレーム１６が銅であり、ヒ ート・スラグ１２がアルミニウムである場合などの、異なる材料がリードフレー ム１６とヒート・スラグ１２に使用される場合の熱不整合による応力に適応する ものである。 半田を接着材料３２として使用した場合、ヒート・スラグ１２にまず選択的に 金属皮膜を設けなければならず、これによりリードフレームの内部リード線パタ ーンと合致する別々のランドのパターンが得られる。これはめっきや蒸着などに よって達成される。適切な技法の１つはフォトレジストを基板に貼付し、マスク を使用して、内部リード端部のパターンにフォトレジストを露光することである 。 導電性ポリマを接着材料３２に使用した場合、ヒート・スラグ１２の表面の金 属皮膜は必要ない。この場合には、導電性ポリマ・ペーストの小さい別々の塊を リード線１８の内端部２０のパターンに合致したパターンでヒート・スラグ１２ 上に分配してもよい。これはスクリーン印刷やパターン・ディスペンシングなど によって達成することができる。次に、リード線１８の内端部２０は別々の塊中 に部分的に押し込まれ、ポリマを硬化させることによって永続的に取り付け得る 。導電性ポリマの例としては、ダイ接着材料として使用される銀充填エポキシお よびポリマ厚膜などがある。 リードフレーム１６およびヒート・スラグ１２が接着材料３２によって取り付 けられた後、シリコン・チップなどの電子部品１４は従来のポリマまたは半田の ダイ接着材料２６を使用して、従来の態様で、ヒート・スラグ１２の上部表面２ ８の中央に取り付け得る。半田ダイ接着材料を使用する場合、ヒート・スラグ１ ２の電子部品１４の下のヒート・スラグ１２の部分には金属皮膜を設けるか、あ るいはその領域のヒート・スラグ１２上のコーティング３４に開口を設けるかし なければならない。次に、リードフレーム１６のリード線１８の内端部２０をワ イヤ・ボンディング２４により従来の態様で電子デバイスにワイヤ・ボンディン グし、組立体をプラスチック体３０で覆い得る。 組立体がプラスチック体３０に完全に封入されたら、得られたプラスチック・ パッケージ１０に熱除去のための低抵抗の熱経路を設ける。熱の流れは主に、電 子部品１４からヒート・スラグ１２へ流れ、リード線１８からパッケージ１０が 取り付けられている基板へ流出する。 上述の構成の代替構成として、ヒート・スラグないし熱拡散基板１２を、第２ 図の実施の形態に示すように、部分的に露出させることもできる。第２図に示す ように、パッケージ４０は各々が内端部２０と外端部２２を有している複数のリ ード線１８を有するリードフレーム１６を含んでいるという点で、第１図のパッ ケージ１０と類似している。リード線１８の各々の内端部２０は電子部品１４の 周囲に配置され、ワイヤ・ボンディング２４によってこれに接続されている。外 端部２２はプリント回路板などの外部装置に接続するようになされている。適切 な接着剤ないしダイ接着剤２６が電子デバイス１４を図示のように、ヒート・ス ラグないし熱拡散基板１２の上部表面２８の中央に接着している。 第１図のパッケージ１０の場合と同様に、本発明による第２図のパッケージ４ ０は、各リード線１８の内端部２０の端部が、半田や高伝導性ポリマ材料などの 高熱伝導性接着材料によって、ヒート・スラグ１２の上部表面３２の周縁に接続 されている。リード線１８、ヒート・スラグ１２および接着材料３２を含むパッ ケージ４０の種々の要素に使用される材料は、第１図の実施の形態で使用したも のと同じものである。 しかしながら、第２図のパッケージ４０の場合には、プラスチック４２はヒー ト・スラグ１２の側面４４と頂部表面２８、ならびに電子部品１４とリード線１ ８の内端部２０を覆っているだけである。ヒート・スラグ１２の底部表面４６は 覆われておらず、底部表面４６はヒート・シンクを取り付けて熱の除去を援助す るために露出したままとされている。 本発明の第３の実施の形態を第３図に示す。この場合、図示のパッケージ５０ はMahulikar 等の米国特許第４９３９３１６号に示されているような金属クアド ・パック（quad pack）として知られているタイプのものである。パッケージ５ ０は金属基部要素５２と金属カバー要素５４とを含んでいる。基部要素５２とカ バー要素５４とはアルミニウムまたはアルミニウム合金で製造し得る。ＡＳＭ（ 米国金属協会）が３ｘｘｘと指定しているアルミニウム合金が好ましい。これ らの合金は最大約１．５重量％のマンガンを、他の合金元素とともに含有してい る。もっとも好ましいアルミニウム合金は約０．１２重量％の銅、約１．２重量 ％のマンガンおよび残部としてアルミニウムという公称組成を有するアルミニウ ム合金３００３である。 カバー要素５４には、図示のように、内部凹窩５６が設けられている。平坦な 内部表面５８を有するものとして示されているが、基部要素５２には、任意選択 で、内部凹窩を設けてもよい。凹窩５６は、適切なダイ接着剤６４によって基部 要素５２の内部表面５８に接続される電子部品６２を覆うための空洞６０を形成 する役割を果たす。電子部品６２は通常、シリコン・ベースの半導体デバイスな どの集積回路である。 リードフレーム６６が基部要素５２とカバー要素５４の間に配置されている。 リードフレーム６６は各々が内部リード端部７０と外部リード端部７２を有する 複数のリード線６８を備えている。内部リード端部７０の各々はワイヤ・ボンデ ィング７４によって電子部品６２に接続されている。外部リード端部７２はプリ ント回路板などの外部装置（図示せず）に接続するようになされている。リード フレーム６６は銅、銅合金または鉄ニッケル合金などの電導性材料で形成するこ とができ、これらの材料にはさらに銅、銀、ニッケル、金またはパラジウム、あ るいはこれらの組合せなどの、異なる金属のめっきを施してもよい。 リードフレーム６６は接着層７６により、基部要素５２およびカバー要素５４ に対して密封される。接着層７６は当分野で周知の任意の接着剤でよく、熱効果 性または熱可塑性を有する樹脂などのポリマ接着剤が普通である。エポキシなど の樹脂接着剤、たとえば米国カリフォルニア州ＧａｒｄｅｎａのＡｂｌｅｓｔｉ ｋ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ製のＡｂｌｅｓｔｉｋ ５５０Ｋは接着材料の一 例である。 基部要素５２およびカバー要素５４の少なくとも一部には、陽極酸化層７８が 設けられている。図示のように、基部要素５２の外部表面全体には、陽極酸化層 ７８が設けられており、カバー要素５４の凹窩５６の底部８０を除く、全表面に は陽極酸化層７８が設けられている。陽極酸化層７８は約０．２５μｍ（１０マ イクロインチ）から約５１μｍ（２０００マイクロインチ）までの厚さを有し得 る。陽極酸化層７８は任意の従来の技法によって施すことができる。約２０℃の 温度で約２０容量％の硫酸を含有する水溶液を使用すると、陽極荷電基板の表面 に十分な陽極酸化層が析出する。 本発明によれば、各リード線６８の内端部７０の端部は半田や高伝導性ポリマ 材料などの高熱伝導性接着材料８２により、基部部材５２の上部表面５８に接続 されている。上述した実施の形態の場合と同様に、半田はその高熱伝導性のため 好ましいものであるが、ポリマ厚膜やダイ接着材料などのポリマ材料も使用する ことができる。接着材料８２をリード線６８の内端部７０の内端に限定すること も、あるいは接着材料７６の密封領域を部分的に、あるいは完全に貫通して延び ていてもよい。接着材料８２を貼付し、上述の実施の形態における接着材料３２ による基板１２へのリード線１８の取付けの場合と同じ態様で、リード線を基部 部材５２に接続することができる。 上記のように、リードフレームのリード線１８または７２をヒート・スラグ１ ２または基部要素５２のいずれかへ接続するために接着材料３２または８２を使 用することにより、電子部品１４または６２からリード線を通って熱が流出する 熱経路がもたらされる。これにより、電子パッケージに対する熱特性が改善され る。本発明は電子部品に４つの側面すべてから近づくリード線端部を有するＱＵ ＡＤパックに限定されるものではない。デュアル・インライン・パッケージ（Ｄ ＩＰ）も本発明の原理にしたがって作成し得る。 本発明を各種の実施の形態に関連して上記で説明してきたが、多くの代替策、 改変形および変形が当分野の技術者にとって自明なものであることは明らかであ る。したがって、すべてのこのような代替策、改変形および変形が添付の請求の 範囲の精神および広義の範囲に属するものとして包含されることが考えられる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１月１７日 【補正内容】 請求の範囲 １．電子パッケージ（１０、４０）において、 ａ．熱拡散基板（１２）と、 ｂ．前記熱拡散基板（１２）に取り付けられた電子デバイス（１４）と、 ｃ．前記電子デバイス（１４）にワイヤ・ボンディング（２４）された内端 部（２０）および前記パッケージ（１０、４０）から延びている外端部（２２） を有する複数のリード線（１８）を有するリードフレーム（１６）と、 ｄ．前記各リード線（１８）の前記内端部（２０）を熱拡散基板（１２）に 接続する、半田および伝導性ポリマからなる群から選択された高熱伝導性材料（ ３２）とを備えていることを特徴とする電子パッケージ（１０、４０）。 ２．前記高熱伝導性材料（３２）が半田であることを特徴とする請求の範囲第 １項に記載の電子パッケージ（１０、４０）。 ３．前記リード線（１８）の前記内端部（２０）を前記熱拡散基板（１２）に 取り付ける前記半田（３２）が約２３０℃以上の融点を有していることを特徴と する請求の範囲第２項に記載の電子パッケージ（１０、４０）。 ４．前記高熱伝導性材料（３２）が高熱伝導性ポリマ材料であることを特徴と する請求の範囲第２項に記載の電子パッケージ（１０、４０）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，Ｋ Ｚ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，Ａ Ｕ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ， ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，Ｔ Ｍ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電子パッケージ（１０、４０）において、 ａ．熱拡散基板（１２）と、 ｂ．前記熱拡散基板（１２）に取り付けられた電子デバイス（１４）と、 ｃ．前記電子デバイス（１４）にワイヤ・ボンディング（２４）された内端 部（２０）および前記パッケージ（１０、４０）から延びている外端部（２２） を有する複数のリード線（１８）を有するリードフレーム（１６）と、 ｄ．前記各リード線（１８）の前記内端部（２０）を熱拡散基板（１２）に 接続する、半田および伝導性ポリマからなる群から選択された高熱伝導性材料（ ３２）とを備えていることを特徴とする電子パッケージ（１０、４０）。 ２．前記高熱伝導性材料（３２）が半田であることを特徴とする請求の範囲第 １項に記載の電子パッケージ（１０、４０）。 ３．前記リード線（１８）の前記内端部（２０）を前記熱拡散基板（１２）に 取り付ける前記半田（３２）が約２３０℃以上の融点を有していることを特徴と する請求の範囲第２項に記載の電子パッケージ（１０、４０）。 ４．前記高熱伝導性材料（３２）が高熱伝導性ポリマ材料であることを特徴と する請求の範囲第２項に記載の電子パッケージ（１０、４０）。 ５．前記電子デバイス（１４）、前記リード線（１８）の内端部（２０）およ び前記熱拡散基板（１２）がプラスチック（３０）で覆われていることを特徴と する請求の範囲第２項または第４項のいずれかに記載の電子パッケージ（１０） 。 ６．前記電子デバイス（１４）、前記リード線（１８）の内端部（２０）、お よび前記熱拡散基板（１２）の側壁（４４）と頂部表面（２８）がプラスチック （３０）で覆われており、前記基板（１２）の底部表面（４６）が露出している ことを特徴とする請求の範囲第２項または第４項のいずれかに記載の電子パッケ ージ（４０）。 ７．前記熱拡散基板（１２）がアルミニウム、銅またはこれらの合金から製造 され、前記リードフレームが銅、銅合金または鉄ニッケル合金から製造されるこ とを特徴とする請求の範囲第２項または第４項のいずれかに記載の電子パッケー ジ（１０、４０）。 ８．前記熱拡散基板（１０、４０）がその上に電気絶縁コーティング（３４） を有していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電子パッケージ（１０ 、４０）。 ９．電子パッケージ（５０）において、 ａ．金属カバー要素（５４）と、 ｂ．金属基部要素（５２）とを備えており、前記基部要素（５２）と前記カ バー要素（５４）とが空洞（６０）を画定しており、 ｃ．前記基部要素（５２）に取り付けられ、前記空洞（６０）内に配置され ている電子部品（６２）と、 ｄ．前記カバー要素（５４）と前記基部要素（５２）との間に配置され、こ れらに接続されるようになされており、かつ内部リード線端部（７０）を有して いるリードフレーム（６６）と、 ｅ．前記内部リード線端部（７０）を前記基部要素（５２）へ接続する、半 田および伝導性ポリマからなる群から選択された高熱伝導性材料（８２）と を備えていることを特徴とする電子パッケージ（５０）。 １０．前記高熱伝導性材料（８２）が半田であることを特徴とする請求の範囲 第９項に記載の電子パッケージ（５０）。 １１．前記内部リード線端部（７０）を前記基部要素（５２）に取り付ける前 記半田（８２）が約２３０℃以上の融点を有していることを特徴とする請求の範 囲第１０項に記載の電子パッケージ（５０）。 １２．前記高熱伝導性接着材料（８２）が高熱伝導性ポリマ材料であることを 特徴とする請求の範囲第９項に記載の電子パッケージ（５０）。 １３．前記カバー要素（５４）および前記基部要素（５２）がアルミニウム、 またはアルミニウム合金から製造され、前記リードフレームが銅、銅合金または 鉄ニッケル合金から製造されることを特徴とする請求の範囲第１０項または第１ ２項のいずれかに記載の電子パッケージ（５０）。 １４．基部要素（５２）の少なくとも一部およびカバー要素（５４）がその上 に陽極酸化層（７８）を有していることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載 の電子パッケージ（５０）。