(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、この半導体チップ上のボンディングパッドにワイヤを介して電気的に導通させられている複数本の内部リードと、上記半導体チップないし上記各内部リードを包み込む樹脂パッケージと、上記各内部リードに連続して上記樹脂パッケージの外部に延出する複数本の外部リードと、上記半導体チップから発生する熱を放熱するために上記樹脂パッケージに組み込まれた金属放熱板とを備える樹脂パッケージ型半導体装置であって、
上記半導体チップは、ダイパッド上にボンディングされている一方、
上記金属放熱板の上面は、上記ダイパッドの下面よりも面積が大きい平面形状とされており、
上記金属放熱板は、その一部が上記ダイパッドの下面に重ねられるとともにその周縁部上面が各内部リードの先端部下面に対して上記樹脂パッケージによる樹脂のみが介在するように微小隙間を介して重なるように配置されており、かつ、上記ダイパッドに対し、その下面中央の限定された領域において接合されていることを特徴とする、樹脂パッケージ型半導体装置。
【請求項２】
上記金属放熱板は、その下面が上記樹脂パッケージの底面に露出させられている、請求項１に記載の樹脂パッケージ型半導体装置。
【請求項３】
上記ダイパッドに一体形成された放熱フィンが上記樹脂パッドの外部に延出させられている、請求項１または２に記載の樹脂パッケージ型半導体装置。
【請求項４】
半導体チップと、この半導体チップ上のボンディングパッドにワイヤを介して電気的に導通させられている複数本の内部リードと、上記半導体チップないし上記各内部リードを包み込む樹脂パッケージと、上記各内部リードに連続して上記樹脂パッケージの外部に延出する複数本の外部リードと、上記半導体チップから発生する熱を放熱するために上記樹脂パッケージに組み込まれた金属放熱板とを備える樹脂パッケージ型半導体装置であって、
上記半導体チップは、ダイパッド上にボンディングされている一方、
上記金属放熱板の上面は、上記ダイパッドの下面よりも面積が大きい平面形状とされており、
上記金属放熱板は、その一部が上記ダイパッドの下面全体に密着する状態で重ねられるとともにその周縁部上面が各内部リードの先端部下面に微小隙間を介して重なるように配置されており、かつ、上記ダイパッドに対し、その下面中央の限定された領域において接合されていることを特徴とする、樹脂パッケージ型半導体装置。
【請求項５】
ダイパッドと、このダイパッドの周辺に先端部が配置された内部リードとを備えるリードフレームにおける上記ダイパッドの下面中央の限定された領域に、上面が上記ダイパッドよりも面積が大きい平面形状とされ、かつ、周縁部上面が上記各内部リードの先端部下面に微小隙間を介して重なる金属放熱板を接合するステップ、
上記ダイパッドの上面に半導体チップをボンディングするステップ、
上記半導体チップの上面のボンディングパッドとこれに対応する内部リードとの間をワイヤボンディングによって結線するステップ、
上記ダイパッド、半導体チップ、金属放熱板、ないしワイヤボンディング部を包み込む樹脂パッケージを形成するステップ、
を含み、
上記ダイパッドの下面中央の限定された領域に上記金属放熱板を接合するステップは、上記金属放熱板を支持台上に支持した状態において、上記ダイパッドの上面中央の限定された領域に当接してこのダイパッドを上記金属放熱板に向けて押圧するツールに超音波振動を付与することにより行うとともに、
上記ワイヤボンディングによって結線するステップにおけるワイヤと上記内部リードとのボンディングは、上記内部リードを上記金属放熱板の上面に接触させながら行なうことを特徴とする、樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法によって製造された樹脂パッケージ型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本願発明は、樹脂パッケージ型半導体装置およびその製造方法に関し、とくに、金属放熱板が樹脂パッケージ内に組み込まれたタイプの樹脂パッケージ型半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
たとえば、モータドライブ用パワーＩＣ、ある種のゲートアレイ、超ＬＳＩなど、駆動時に生じる発熱量が大きい樹脂パッケージ型半導体装置には、樹脂パッケージ内に金属放熱板を組み込み、放熱性能を高めたものがある。
【０００３】
図１５に、従来のこの種の樹脂パッケージ型半導体装置の構造例を示す。樹脂パッケージ１の両側面から延入する内部リード２の先端部下面には、絶縁性接着部材３を介して、金属放熱板４の上面周縁部が接続されている。半導体チップ５は、この金属放熱板４の上面中央に直接ボンディングされており、また半導体チップの上面のボンディングパッドと各内部リードとの間は、ワイヤボンディング６によって結線されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１５に示す構造の樹脂パッケージ型半導体装置は、発熱源である半導体チップ５が直接金属放熱板４にボンディングされているため、半導体チップ５で発生する熱が効果的に金属放熱板４に伝達されるという利点がある反面、次のような欠点がある。
【０００５】
第１に、製造における樹脂パッケージ１が形成される前の段階において、金属放熱板４がリードフレーム上に形成された内部リード２によってのみ支持されるため、とくにファインピッチ化が進められて内部リード２が微細化されている場合には、一定以上の重さの金属放熱板４を所定以上の剛性をもって支持することができない。そのため、金属放熱板４として、比較的軽いものを使用せざるをえず、その結果、製品としての樹脂パッケージ型半導体装置の放熱性能を所定以上に高めることができない。
【０００６】
第２に、製造におけるワイヤボンディング時にヒータブロックからの熱を受ける金属放熱板４に対して内部リード２が熱伝達性能の悪い絶縁性接着部材３を介して接続されているため、ヒータブロックからの熱が内部リード２に伝達されにくく、そのため、ヒータブロックからの熱の助けによって内部リード２の上面に熱圧着されるべきワイヤのセカンドボンディングが適正かつ効率的に行われない場合がある。
【０００７】
本願発明は、このような事情のもとで考えだされたものであって、樹脂パッケージ内に金属放熱板が組み込まれたタイプの半導体装置において、樹脂パッケージ内に組込むべき金属放熱板としてより重いものを採用して放熱性能を格段に高めることができるとともに、製造における半導体チップと内部リードとの間のワイヤボンディングをも適正確実に行うことができるようにすることをその課題とする。
【０００８】
【発明の開示】
上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を採用した。
【０００９】
本願発明の第１の側面によれば、樹脂パッケージ型半導体装置が提供され、これは、半導体チップと、この半導体チップ上のボンディングパッドにワイヤを介して電気的に導通させられている複数本の内部リードと、上記半導体チップないし上記各内部リードを包み込む樹脂パッケージと、上記各内部リードに連続して上記樹脂パッケージの外部に延出する複数本の外部リードと、上記半導体チップから発生する熱を放熱するために上記樹脂パッケージに組み込まれた金属放熱板とを備える樹脂パッケージ型半導体装置であって、上記半導体チップは、ダイパッド上にボンディングされている一方、上記金属放熱板の上面は、上記ダイパッドの下面よりも面積が大きい平面形状とされており、上記金属放熱板は、その一部が上記ダイパッドの下面に重ねられるとともにその周縁部上面が各内部リードの先端部下面に対して上記樹脂パッケージによる樹脂のみが介在するように微小隙間を介して重なるように配置されており、かつ、上記ダイパッドに対し、その下面中央の限定された領域において接合されていることに特徴づけられる。
【００１０】
好ましい実施の形態に係る樹脂パッケージ型半導体装置においては、上記金属放熱板は、その下面が上記樹脂パッケージの底面に露出させられている。
【００１１】
また、他の好ましい実施の形態に係る樹脂パッケージ型半導体装置においては、上記ダイパッドに一体形成された放熱フィンが上記樹脂パッケージの外部に延出させられている。
【００１２】
上記構成を備える本願発明の樹脂パッケージ型半導体装置においては、金属放熱板は、ダイパッドの下面に接合されている。このダイパッドは、半導体チップを搭載するべき部位としてリードフレームに形成されるものであるから、金属放熱板を比較的大型で重いものとしても、樹脂パッケージが形成される前の段階において、この金属放熱板を所定の支持剛性をもってリードフレームに支持することができる。その結果、本願発明による半導体装置は、樹脂パッケージ内に組み込まれる金属放熱板を、図１５に示した従来のこの種の半導体装置に比較して大型のものとすることができ、しかも、ダイパッドと協働して、高い放熱性能を発揮することができる。
【００１３】
しかも、上記金属放熱板は、ダイパッドに対し、その下面中央の限定された領域において接合されているので、半導体チップの昇温時、ダイパッドと金属放熱板との間に生じる熱応力を低減することができ、半導体チップが昇温、冷却を繰り返しても、ダイパッドないし金属放熱板あるいはこれらの間の接合部が熱応力によって破損するといった事態を回避し、結果的にこの種の半導体装置の長寿命化を図ることができる。
【００１４】
さらに、上記のように大型で重い金属放熱板を組込むことができることから、この金属放熱板の厚みを増して、その下面が樹脂パッケージの下面に露出するようにもできる。そうすると、金属放熱板が直接外気または外物に触れることができるから、製品半導体装置の放熱性能をさらに高めることががきる。
【００１５】
また、ダイパッドに一体形成した放熱フィンを樹脂パッケージの外部に延出させられる場合には、さらに放熱性能が高められる。
【００１６】
本願発明の第２の側面によれば、樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法が提供され、この方法は、ダイパッドと、このダイパッドの周辺に先端部が配置された内部リードとを備えるリードフレームにおける上記ダイパッドの下面中央の限定された領域に、上面が上記ダイパッドの下面よりも面積が大きい平面形状とされ、かつ、周縁部上面が上記各内部リードの先端部下面に微小隙間を介して重なる金属放熱板を接合するステップ、上記ダイパッドの上面に半導体チップをボンディングするステップ、上記半導体チップの上面のボンディングパッドとこれに対応する内部リードとの間をワイヤボンディングによって結線するステップ、上記ダイパッド、半導体チップ、金属放熱板、ないしワイヤボンディング部を包み込む樹脂パッケージを形成するステップ、を含み、上記ダイパッドの下面中央の限定された領域に上記金属放熱板を接合するステップは、上記金属放熱板を支持台上に支持した状態において、上記ダイパッドの上面中央の限定された領域に当接してこのダイパッドを上記金属放熱板に向けて押圧するツールに超音波振動を付与することにより行うとともに、上記ワイヤボンディングによって結線するステップは、上記内部リードを金属放熱板の上面に接触させながら行なうことに特徴づけられる。
【００１７】
このような方法で製造された樹脂パッケージ型半導体装置には、前述したのと同様の利点があることは明白である。また、本願発明方法によれば、半導体装置の製造過程において得られる次のような利点もある。すなわち、ダイパッドの下面中央部に限定して金属放熱板を接合しているので、ワイヤボンディング時、ヒータブロックからの熱を金属放熱板の周縁部に均等に伝達することができる。リードフレーム上の内部リードの先端部下面は、上記金属放熱板の周縁部上面に対して微小隙間を介して位置しているので、セカンドボンディング時、ボンディングツールは接続するべきワイヤの端部を内部リードに押しつけたまま、さらにこの内部リードをわずかに弾性変形させながら上記のように均等に加熱された金属放熱板の周縁部上面に圧接させることができる。このとき、金属放熱板からの熱が内部リードに効果的に伝達されて、この内部リードに対するワイヤの熱圧着を適正に行うことができるのである。その結果、製造過程におけるワイヤボンディング、とくに内部リードに対してワイヤを熱圧着するセカンドボンディングを、図１５に示した従来の構造の半導体装置の製造に比較して、確実かつ適正なものとすることができる。
【００１８】
本願発明方法においてはまた、上記ダイパッドの下面中央の限定された領域に上記金属放熱板を接合するステップは、上記金属放熱板を支持台上に支持した状態において、上記ダイパッドの上面中央の限定された領域に当接してこのダイパッドを上記金属放熱板に向けて押圧するツールに超音波振動を付与することにより行われる。
【００１９】
すなわち、この接合方法は、超音波接合と呼ばれる接合方法であり、たとえば、溶接等の接合方法に比較し、圧痕が形成されるという、製品品位を悪化させる要因を排除することができる。そして、本願発明方法においては、基本的に、ダイパッドの下面中央の限定された領域に対して金属放熱板を接合するものであるから、上記超音波振動のエネルギを限定された領域に集中して、効率のよい接合を行うことができる。
【００２０】
本願発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細の説明により、より明らかとなろう。
【００２１】
【好ましい実施の形態】
図１は、本願発明の樹脂パッケージ型半導体装置１０の一実施形態の拡大断面図であり、図２は図１のII−II線断面図である。
【００２２】
図１および図２に示されるものは、デュアル・イン・ライン型の半導体装置１０に本願発明を適用した例である。エポキシ樹脂などで形成された樹脂パッケージ１１の内部には、ダイパッド１２上にボンディングされた半導体チップ１３、上記ダイパッド１２の下面中央部において接合され、かつ所定の平面形状を有する金属放熱板１４が組み込まれている。ダイパッド１２と金属放熱板１４との間の接合は、後述するように、いわゆる超音波接合が好適であるが、これに限定されず、たとえば、スポット溶接を採用することもできる。図に示す例において、この金属放熱板１４は、所定の厚みのものが使用され、その下面が樹脂パッケージ１１の下面に露出させられている。また、上記ダイパッド１２ないし半導体チップ１３の周縁に内端部が配置されている内部リード１５は、水平方向外方に延びて、樹脂パッケージ１１の側面から突出する外部リード１６に連続させられている。上記半導体チップ１３の上面のボンディングパッドと各内部リード１５との間は、ワイヤボンディング１７によって結線されている。また、上記金属放熱板１４は、その上面周縁部が上記内部リード１５の内端部の下面に対して微小隙間１８を介して上下方向に重なるように配置されている。上記微小隙間１８には樹脂が入り込んでいるので、内部リード１５と金属放熱板１４との間の絶縁性は保たれている。なお、上記金属放熱板１４の材質としては、銅または銅合金が放熱性能の観点から好適であるが、これに限定されない。
【００２３】
図１および図２から判るように、金属放熱板１４とダイパッド１２とは、双方の中央部の限定された領域１９において接合されている。しかしながら、金属放熱板１４は、全体としてダイパッド１２の下面全体に接触した状態とすることができるので、半導体装置の動作時に半導体チップ１３から発生する熱を効果的に金属放熱板１４に伝達し、外部に放熱することができる。この際、ダイパッド１２と金属放熱板１４の熱膨張率の相違、あるいは半導体チップ１３からの熱伝達の時間的ずれがあっても、ダイパッド１２の周縁部と金属放熱板１４の周縁部との間に熱応力が生じることがない。その結果、半導体チップ１３の昇温・冷却が繰り返されても、熱応力に起因した内部構造の破損を回避して、半導体装置の寿命を延長することができる。
【００２４】
次に、上記の樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法について説明する。
【００２５】
図３は、この半導体装置１０の製造に使用されるリードフレーム２０の平面的構成を示す部分平面図である。幅方向両側に位置するサイドフレーム２１を掛け渡すようにして、サポートリード２２によって支持された平面視矩形状のダイパッド１２が形成されている。このダイパッド１２は、アイランドと呼ばれることもある。そして、サイドフレーム２１を掛け渡すようにして、上記ダイパッド１２に対してフレームの長手方向両側に形成されている各タイバー２３によってこのタイバー２３よりも外側に延びる外部リード１６および内側に延びる内部リード１５が一体につなげられている。このリードフレーム２０は、図３に符号Ｘで示す領域を１単位として、これがフレームの長手方向に連続して形成されたものであり、ニッケル合金あるいは銅を材質とする金属薄板に打ち抜きプレス加工を施すことによって作製される。
【００２６】
ところで、上記ダイパッド１２は、リードフレーム２０のその他の部分、すなわち、たとえば内部リード１５と同一平面内に位置するのではなく、図４、図６、図７に示されるように、内部リード１５に対して若干ダウンセットされている。このダウンセット量Ｚは、たとえば２００〜４００μｍとされる。
【００２７】
次いで、図５、図６、図７に示すように、周縁部が上記各内部リード１５の下面に所定量重なる平面的形状と、所望の厚みをもつ金属放熱板１４が、上記ダイパッド１２の下面に重ねるように接合される。ただし、このダイパッド１２と金属放熱板１４との間の接合部１９は、ダイパッド１２の下面中央の限定された領域とされる。このように接合部の位置および大きさを限定する理由は、接合後、ダイパッド１２と金属放熱板１４との間のとくに周縁部間に熱応力が生じることを解消ないし軽減するためであり、かかる目的に合致した接合部の大きさが選択される。より詳しくは、後述する樹脂モールド工程までのリードフレーム状態において、ダイパッド１２の下面に金属放熱板１４を適正な支持剛性をもって支持できる限りにおいて、上記接合部１９の大きさを最小とすることが望まれる。
【００２８】
上記の接合方法としては、いわゆる超音波接合が好ましい。すなわち、図８に示すように、支持台２４上に載置した金属放熱板１４の上面にリードフレーム２０のダイパッド１２を重ね、超音波ホーン２５に接続された押圧ツール２６をダイパッド１２の上面中央部に押し付けて押圧ツール２６に超音波振動を供給する。本願発明の場合、上記押圧ツール２６の下端の面積は、ダイパッド１２の中央部の限定された領域に接合部１９を形成するのに対応したものとすべきである。押圧ツール２６から、２０μｍ程度の振幅の水平方向成分を有する超音波振動がダイパッド１２に与えられ、金属放熱板１４との間の接触面に生じる摩擦熱および上記ツール２６による押圧力により、上記ダイパッド１２と金属放熱板１４は、限定された領域の接合部１９をもって相互に接合される。
【００２９】
次に、図９に示すように、上記ダイパッド１２の上面に、半導体チップ１３がボンディングされ、次いで、図１０に示すように、半導体チップ１３の上面のボンディング用パッドとこれに対応する内部リード１５間が、ワイヤボンディング１７によって結線される。
【００３０】
ところで、上記ワイヤボンディングは、リードフレーム２０をヒータブロック２７上に載置した状態で行われる。本願発明の場合、図１１に示すように、上記金属放熱板１４がヒータブロック２７に直接接触する。放熱金属板１４は、その上面中央部がダイパッド１２に実質的に接合されているため、ヒータブロック２７からの熱は、金属放熱板１４の上面中央部の限定された領域からダイパッド１２ないしリードフレーム２０に伝達される。したがって、金属放熱板１４の上面周縁部は、均等に加熱された状態となる。
【００３１】
一端が半導体チップ１３のボンディングパッドにボンディングされたワイヤ１７の内部リード１５に対するセカンドボンディングは、図１１に示すように、ボンディングツール２８によってワイヤ１７を内部リード１５の上面に押し付けて熱圧着することによって行われる。本願発明においては、自然状態において、各内部リード１５が上記均等に加熱された金属放熱板１４の上面周縁部に対して微小隙間１８を介して上方に重なっているので、ボンディングツール２８による押圧力によって内部リード１５が弾性的に撓んで金属放熱板１４の上面に接触させられ、その際に金属放熱板１４から伝達される充分な熱によって、各内部リード１５に対するワイヤの適正な熱圧着が行われる。もちろん、ボンディングツール２８によって上記内部リード１５を撓ませるのではなく、別の押圧部材によって内部リードを金属放熱板１４の上面に接触させるように弾性変形させた状態において、セカンドボンディングを行ってもよい。このようなセカンドボンディングが終わってボンディングツール２８が退避すると、内部リード１５は、その弾性復元力により、金属放熱板１４の上面に対して微小隙間１８を介して離間する自然状態に復帰する。
【００３２】
次に、図１２に示すように、上記半導体チップ１３、ワイヤボンディング部１７を包みこむようにして、かつ、上記金属放熱板１４の下面を露出させるようようにして、エポキシ樹脂を用いたトランスファモールド法等によって、樹脂パッケージ１１が形成される。
【００３３】
その後、リードフレーム２０に対するハンダメッキ、樹脂パッケージ１１に対する標印、タイバーカット、リードカット、リードフォーミング等の工程を経て、図１および図２に示したような単位半導体装置が得られる。
【００３４】
本願発明の範囲は、図に示され、かつ前述した形態に限定されるものではない。図に示した形態においては、金属放熱板１４を、その下面が樹脂パッケージ１１の下面に露出するように組み込んだが、図１３に示すように、金属放熱板１４が樹脂パッケージ１１の下面に露出しないように組み込まれる場合も、もちろん、本願発明の範囲に包摂される。
【００３５】
また、図１４に示すように、ダイパッド１２と一体的に形成された放熱フィンが樹脂パッケージの外部に延出する形態の半導体装置についても、同様に本願発明を適用することができる。
【００３６】
さらに、図１および図２に示した形態は、デュアル・イン・ライン型のパッケージ形態をもつものであるが、クワッド型のパッケージ形態をもつ半導体装置にも、同様に本願発明を適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の一実施形態に係る樹脂パッケージ型半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１および図２の半導体装置の製造に用いられるリードフレームの一例の部分平面図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図である。
【図５】図３に示すリードフレームのダイパッドの下面に金属放熱板を接合した状態の部分平面図である。
【図６】図５のVI−VI線断面図である。
【図７】図５のVII −VII 線断面図である。
【図８】ダイパッドの下面に金属放熱板を、超音波接合法によって接合している様子を示す断面図である。
【図９】図５に示すリードフレームのダイパッドの上面に半導体チップをボンディングした状態の部分平面図である。
【図１０】図９に示すリードフレーム上の半導体チップと各内部リードとの間をワイヤボンディングによって結線した状態を示す部分平面図である。
【図１１】半導体チップの上面と内部リードとの間をワイヤボンディングしている様子を示す側面断面図である。
【図１２】図１１に示すリードフレームに樹脂パッケージを形成している様子を示す断面図である。
【図１３】本願発明の他の形態に係る樹脂パッケージ型半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１４】本願発明のさらに他の形態に係る樹脂パッケージ型半導体装置の構造を示す一途切り欠き透視斜視図である。
【図１５】従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０  樹脂パッケージ型半導体装置
１１  樹脂パッケージ
１２  ダイパッド
１３  半導体チップ
１４  金属放熱板
１５  内部リード
１６  外部リード
１７  ワイヤ
１８  微小隙間
１９  接合部
２０  リードフレーム
２１  サイドフレーム
２２  サポートリード
２３  タイバー
２５  超音波ホーン
２７  ヒータブロック
２８  ボンディングツール
３０  放熱フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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