(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのリードと、
前記リードと分離されており、かつ前記リードのいずれかと電気的に接続されたダイ・パッドと、
前記ダイ・パッド上にマウントされた半導体チップと、
前記リードのインナー・リード部と前記ダイ・パッドとを覆うように設けられた封止樹脂と、
を備えた半導体装置であって、
前記ダイ・パッドを構成する材料の熱伝導率が、前記リードを構成する材料の熱伝導率よりも高いものとして構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
光素子と、
前記光素子を駆動し、または前記光素子から出力される電気信号を処理する回路が内蔵された半導体チップと、
前記半導体チップがマウントされているダイ・パッドと、
前記ダイ・パッドを覆うように設けられている封止樹脂と、
前記ダイ・パッドと分離された少なくとも１つのリードであって、いずれかのリードが前記ダイ・パッドと電気的に接続され、前記封止樹脂の外部に突出している少なくとも１つのリードと、を備え、
前記ダイ・パッドを構成する材料の熱伝導率が、前記リードを構成する材料の熱伝導率よりも高いものとして構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記ダイ・パッドの一部が前記封止樹脂の外部に延在して露出し、前記半導体チップから放出される熱を前記封止樹脂の外部に放出する放熱体を構成していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記放熱体は、前記樹脂の外部において前記半導体装置が実装される実装基板に接続し放熱経路を確保するための接続部を有することを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ダイ・パッドは、ニッケル（Ｎｉ）を３．０％、シリコン（Ｓｉ）を０．７％含有する銅合金により構成され、
前記リードは、ニッケルを４２％含有する鉄合金により構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、半導体チップを樹脂により封止した半導体装置であって、半導体チップから放出される熱の放熱が良好であり、しかも実装時の半田付けによる劣化も抑制された半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣや各種の個別半導体チップを樹脂により封止した半導体装置は、各種の分野で広く用いられている。このような半導体装置は、リード・フレーム上に半導体チップがマウントされ、所定の端子にワイアで接続されることにより電気的な接続が形成されている。また、半導体チップは、樹脂により封止されて、耐候性や機械的強度が確保されている。以下では、このような半導体装置の一例として、光伝送装置を例に挙げて説明する。
【０００３】
図４は、従来の半導体装置の一例としての光伝送装置の内部構造を表す概略斜視図である。すなわち、光伝送装置１００は、所定の電気信号を光信号に変換して伝送するシステムの送信部または受信部に用いられる半導体装置である。同図に例示した光伝送装置１００は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やフォト・ダイオードなどの光素子１０２と、ＩＣ１０４とを有する。光素子１０２は、所定の光信号を送信または受信する役割を有する。ＩＣ１０４は、光素子１０２を駆動し、或いは光素子１０２から出力される電気信号を処理する役割を有する。光素子１０２とＩＣ１０４は、それぞれダイ・パッド、１０８、１１０の上にマウントされている。ダイ・パッドの周囲には、リード１１２、１１２、・・・が適宜配置され、それぞれの光素子の電極パッドと所定のリードとが、ワイア１１８により接続されている。さらに、光素子１０２、ＩＣ１０４、およびリード１１２の一部分が樹脂１２０により封止されている。
【０００４】
ダイ・パッド１０８、１１０およびリード１１２、１１２、・・・は、一般に「リード・フレーム」と呼ばれる一体の金属部材により供給され、製造組立工程において、適宜切断されて図示したようにそれぞれ分離した部材として形成される。また、リード１１２のうちで、封止樹脂１２０の外部に露出している部分を特に「アウター・リード部」と呼ぶことが多い。なお、図４に例示した半導体装置１００のように、封止樹脂１２０の片側にリード１１２、１１２、・・・が配置されている構成は、一般に「ＳＩＰ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｉｎｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）型」と呼ばれることが多い。
【０００５】
図４に例示したような半導体装置は、図示しない実装基板などに実装するために、そのアウター・リード部を半田付けにより接続固定する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の半導体装置では、以下に詳述するような問題点があった。
【０００７】
まず、第１に、実装工程において半田付けを行うと、封止樹脂１２０にクラックが生じ易いという問題があった。例えば、半田付けにより図示しないプリント回路基板のパターンに接続する場合について説明すると、この時にアウター・リードを加熱することが必要である。例えば、半田槽で半田付けする場合には、高温の溶融半田（およそ２３０℃前後）にアウター・リードとプリント回路基板とを浸けることが必要であった。
【０００８】
しかし、半田付けのために、半導体装置のリード１１２を、例えば２３０℃付近に加熱すると、リード１１２の根元付近の封止樹脂１２０にクラックが発生することがあった。このようなクラックが生ずると、内部の半導体チップ１０２や１０４の耐候性が劣化し、半導体装置の信頼性が低下する。また、このようなクラックに起因して、半導体チップとリードとを接続しているワイア１１８が断線するという問題もあった。
【０００９】
また、同図に示したものとは別の例として、ＬＥＤを樹脂に封止した、いわゆるＬＥＤランプの場合について説明すると、用いられている封止樹脂は、光を効率良く取り出すために透明性樹脂を使用することが多く、そのガラス転移点はおよそ１００〜１５０℃と極めて低い。このため、アウター・リードを高温の半田を接触させることにより封止樹脂が加熱されて軟化変型し、ボンディングワイヤーに対して過度のストレスが負荷されたり、ＬＥＤチップが剥離するなどの問題を生じることがあった。
【００１０】
上述した封止樹脂のクラックや変型は、半田付けに伴う熱がアウター・リードを介してリード周辺の樹脂に伝導することに起因している。従って、リード・フレームを熱伝導率の低い材料により構成すれば、封止樹脂の加熱は抑制され、クラックも生じにくくなる。
【００１１】
しかし、リード・フレームを熱伝導率の低い材料により構成すると、別の問題が生ずる。すなわち、半導体装置を動作させた際に、光素子１０２やＩＣ１０４から放出される熱が封止樹脂１２０の外部に放出されにくくなり、封止樹脂１２０の内部の温度が上昇する。その結果として、半導体装置の特性が低下し、また、半導体チップの劣化が促進されるために、信頼性が低下し製品寿命も短くなるという問題があった。
【００１２】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、その目的は、実装工程において半田付けしても樹脂のクラックや変型などが生ずることなく、しかも動作時において封止樹脂の内部温度の上昇も抑制された半導体装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明による半導体装置は、少なくとも１つのリードと、前記リードのいずれかと電気的に接続されたダイ・パッドと、前記ダイ・パッド上にマウントされた半導体チップと、前記リードのインナー・リード部と前記ダイ・パッドとを覆うように設けられた封止樹脂と、を備えた半導体装置であって、前記ダイ・パッドを構成する材料の熱伝導率が、前記リードを構成する材料の熱伝導率よりも高いものとして構成され、実装時の加熱による樹脂のクラックが抑制されるとともに、動作時の内部温度の上昇も効果的に抑制することができる。
【００１４】
また、本発明による半導体装置は、光素子と、前記光素子を駆動し、または前記光素子から出力される電気信号を処理する回路が内蔵された半導体チップとを備えた光伝送装置に適用して特に好適であり、実装時の樹脂のクラックを解消すると共に、光素子の動作を安定化させることができる。
【００１５】
ここで、前記ダイ・パッドの一部が前記封止樹脂の外部に延在して露出し、前記半導体チップから放出される熱を前記封止樹脂の外部に放出する放熱体を構成することにより、放熱効率をさらに向上させることができる。
【００１６】
また、前記放熱体は、前記樹脂の外部において前記半導体装置が実装される実装基板に接続し放熱経路を確保するための接続部を有するようにすると、さらに放熱効率を改善することができる。
【００１７】
ここで、前記ダイ・パッドは、ニッケル（Ｎｉ）を約３．０％、シリコン（Ｓｉ）を約０．７％含有する銅合金により構成され、前記リードは、ニッケルを約４２％含有する鉄合金により構成すると、実装時のクラックが激減し、動作時の内部温度の上昇も極めて効果的に抑制することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、半導体チップをマウントするダイ・パッドは熱伝導率の高い材料とし、リードは熱伝導率の低い材料とすることにより、半田付けの際にクラックなどが生ずることがなく、しかも動作時においては内部温度の上昇が抑制された半導体装置を提供することができる。
【００１９】
また、このダイ・パッドの一部を封止樹脂の外部に延在させて放熱体を形成することにより、放熱特性がさらに向上する。
【００２０】
以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の概略構成を例示する斜視図である。また、図２は、同半導体装置を裏側からみた概略斜視図である。
【００２２】
これらの図に例示した半導体装置は、ＳＩＰ型の光伝送装置であり、光素子２とＩＣ４とを有する。これらの半導体チップは、それぞれダイ・パッド８、１０の上にマウントされている。これらのダイ・パッドは、熱伝導率が高い材料により構成されている。また、図４に例示した半導体装置と異なり、ダイ・パッド１０とリード１２とが分離されている。
【００２３】
ダイ・パッドの周囲には、それぞれ独立したリード１２、１２、・・・が適宜配置されている。これらのリードは、熱伝導率が低い材料により構成されている。そして、光素子２やＩＣ４などの半導体チップの電極パッドは、リード１２、１２、・・・のいずれかとワイア１８によって適宜接続されている。また、ダイ・パッド１０とリード１２もワイア１８により接続されている。そして、光素子２やＩＣ４などの半導体チップやリードの一部は、樹脂２０により封止される。
【００２４】
【図ｎ】
また、ダイ・パッド１０は、半導体装置の上部において封止樹脂２０の外部に延在し、折返し部１０Ａを介して放熱体１１を構成している。図示した例においては、放熱体１１は、封止樹脂２０の側面とほぼ同一の寸法を有し、封止樹脂の側面と所定の間隔をあけて配置されている。また、放熱体１１の下部には接続部１１Ａが設けられている。この接続部１１Ａは、例えば、図示しない実装基板に接続して放熱経路を確保するために用いることができる。このような放熱体１１を設けることにより、ＩＣ４において発生する熱を封止樹脂の外部に効率的に逃がすことができる。
【００２５】
図３は、図１及び図２に例示した半導体装置の組立前のリード・フレームの形状を表す概略図である。すなわち、本発明においては、ダイ・パッドとリードとでそれぞれ異なる材料を用いるために、リード・フレームは、ダイ・パッド側とリード側とで分離した構成を有する。図３においては、上側にダイ・パッド側のリード・フレームＡが配置され、下側にリード側のリード・フレームＢが配置されている。リード・フレームＡは熱伝導性の高い材料により形成し、リード・フレームＢは熱伝導率の低い材料により形成する。
【００２６】
本発明の半導体装置の組立に際しては、それぞれのリード・フレームＡ及びＢは、相対的にずれないように固定する必要がある。しかし、このような固定は簡単に施すことができる。例えば、それぞれのリード・フレームに適当な固定用の開口などを設けることによって、相対的にずれないようにすることができる。
【００２７】
リード・フレームＡ及びＢを固定した状態で、光素子２やＩＣ４をマウントし、所定のワイア１８を接続した後に、同図中に２点鎖線で示したように、樹脂２０で封止する。さらに、樹脂封止工程の後に、リード・フレームのダム・バーａ及びｂを切断除去し、一点鎖線で示した切断線に沿って切断することにより、半導体装置をフレームから切り離す。そして、折返し部１０Ａにおいて１８０°折り返して、放熱体１１を樹脂の背面に密着させることにより、図１及び図２に示した半導体装置が完成する。
【００２８】
本発明によれば、リード１２の熱伝導率が低いために、半導体装置を図示しないプリント基板などに実装する工程においてリード１２を半田付けしても封止樹脂が過度に加熱されることがなくなる。その結果として、従来問題とされていた樹脂のクラックや変型、或いはこれらに伴うワイアの断線や半導体チップの剥離などの問題を解消することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、ダイ・パッド８、１０の熱伝導率が高いために、半導体装置の動作時において、光素子２やＩＣ４などの半導体チップから放出される熱をダイ・パッドに沿って効率的に拡散させ、逃がすことができる。つまり、放熱源となる半導体チップの周囲のごく狭い領域のみが高温に加熱されることがなくなり動作不良や寿命の劣化が抑制される。
【００３０】
さらに、本発明によれば、ダイ・パッドの一部を封止樹脂の外部に延在させて放熱体１１を形成することにより、放熱性能をさらに向上することができる。その結果として、封止樹脂の内部温度の上昇が抑制され、半導体装置の動作が安定すると共に、半導体チップの劣化も抑制され、信頼性が向上すると共に製品寿命も改善される。
【００３１】
本発明における放熱体１１の形状は、図示したようなものに限定されない。すなわち、封止樹脂２０の側面の形状と異なる形状であっても良く、また、より大きいものであっても良い。また、１又は２以上の放熱フィンを附加しても良い。このようにすれば、放熱効果をさらに向上させ、封止樹脂２０の温度の上昇を抑制することができる。さらに、放熱体１１は、封止樹脂２０の側面に密着させて配置しても良い。
【００３２】
ここで、図１及び図２に示した例においては、光素子２よりもＩＣ４の方が動作時の発熱量が大きいために、ダイ・パッド１０を延在させて放熱体１１を形成している。これとは逆に、ＩＣ４よりも光素子２の方が発熱量が大きい場合には、ダイ・パッド８を樹脂の外側に延在させて放熱体を形成するようにすれば良い。
【００３３】
また、光素子２とＩＣ４とをいずれも効果的に放熱する場合には、ダイ・パッド８とダイ・パッド１０とをそれぞれ樹脂の外部に延在させてそれぞれ放熱体を形成するようにすれば良い。
【００３４】
さらに、光素子２とＩＣ４とを同電位として良い場合には、一体化された共通のダイ・パッドの上に両者をマウントし、そのダイ・パッドを樹脂の外部に延在させて放熱体を形成することができる。
【００３５】
本発明者は、本発明の効果を確認するために、ダイ・パッド８、１０およびリード１２の材料として、数種類の合金を用いて半導体装置を試作し、その結果を評価した。以下に、採用した材料名及びその熱伝導率を示す。
材料名        熱伝導率（ｃａｌ／ｃｍ．ｓｅｃ．  ℃）
ＫＬＦ−１        ０．５２５
ＣＡＣ９２        ０．１１４
４２アロイ        ０．０３８
ここで、「ＫＬＦ−１」とは銅（Ｃｕ）合金の製品名（神戸製鋼所）であり、ニッケル（Ｎｉ）を約３．０％、シリコン（Ｓｉ）を約０．７％含有する。また、「ＣＡＣ−９２」も銅合金の製品名（神戸製鋼所）であり、ニッケルを約９％、スズ（Ｓｎ）を約２．３％含有する。また、「４２アロイ」は、鉄（Ｆｅ）合金の名称であり、ニッケルを約４２％含有する。上述のデータから、「ＫＬＦ−１」は、「４２アロイ」の１０倍以上高い熱伝導率を有し、「ＣＡＣ９２」は両者の中間に位置することが分かる。
【００３６】
本発明者が試作した４種類の半導体装置の評価結果を以下に示す。
試作番号        材料名                クラック発生        内部温度
１          ＫＬＦ−１                  ×                    ○
２          ＣＡＣ９２                  ○                    △
３          ４２アロイ                  ◎                    ×
４  （ＫＬＦ−１）＋（４２アロイ）      ◎                    ◎
ここで、試作番号１〜３の半導体装置は図４に示した従来の構造とし、それぞれ同一の材料を用いてダイ・パッドとリードとを形成した。また、試作番号４の半導体装置は、図１に示した本発明による構造とし、ダイ・パッドに熱伝導率の高い「ＫＬＦ−１」を用いるとともに、リードには熱伝導率の低い「４２アロイ」を用いた。また、いずれの半導体装置においても、光素子としてはＬＥＤを採用し、ＩＣとしてはドライバＩＣを採用した。
【００３７】
また、上記の「クラック発生」は、約２３０℃の半田槽を用いて各半導体装置をプリント基板に半田付けし、封止樹脂にクラックが発生する頻度を調べて相対的に評価した結果を表す。ここでは、「×」、「○」、「◎」の順にクラックの発生率が低下する。また、「内部温度」は、試作した半導体装置をそれぞれ標準的な動作条件で動作させ、その内部の温度を埋め込み熱電対により測定した結果であり、「×」、「△」、「○」、「◎」の順に動作温度が低いことを表す。
【００３８】
上記した結果から、熱伝導率が最も良好である「ＫＬＦ−１」のみを用いた場合（試作番号１）は、内部温度の上昇は抑制されるものの、半田付け工程の際のクラックの発生率が高いことが分かる。また、熱伝導率が最も低い「４２アロイ」のみを用いた場合（試作番号３）は、半田付け工程の際のクラックの発生率は低いが、動作時の内部温度が最も高くなる。また、熱伝導率が両者の中間的な値である「ＣＡＣ９２」のみを用いた場合（試作番号２）には、クラックも内部温度も中庸的な結果となっている。
【００３９】
これに対して、本発明による試作番号４の半導体装置は、クラックの発生が低く、しかも動作時の内部温度の上昇が極めて効果的に抑制されている。つまり、リード半田付け工程に際しては、熱伝導率の低い「４２アロイ」が熱の流入を阻止し、動作時においては、熱伝導率の高い「ＫＬＦ−１」が半導体チップから放出される熱を効果的に外部に逃がして温度の上昇を抑制していることが分かる。また、試作番号４の半導体装置の内部温度が、同じ「ＫＬＦ−１」をダイ・パッドに用いた試作番号１の半導体装置よりも低かった理由は、図１に示したように、ダイ・パッド１０を延在させて放熱体１１を構成しているので、放熱性能がさらに向上しているためであると考えられる。
【００４０】
以上、具体例を例示しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、本発明を光伝送装置に適用する際においては、光素子としては、前述したＬＥＤの他に、半導体レーザやフォトダイオードなどの各種の光素子を用いて同様の効果を得ることができる。
【００４１】
また、本発明は、光伝送装置のみに限定されず、その他にも、ＬＥＤランプ、受光モジュール、パワートランジスタ、集積回路、サイリスタ、ダイオードなど、各種の半導体装置に適用して同様の効果を得ることができる。特に、本発明は、樹脂に封止されている半導体チップの発熱量が大きい場合に用いて好適である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。
【００４３】
まず、本発明によれば、実装工程に際して半田付けに起因する樹脂のクラックの発生が解消され、組立歩留まりを顕著に改善することができるとともに、封止樹脂のクラックに起因する信頼性の低下も解消することができる。
【００４４】
さらに、本発明によれば、動作時において、ＩＣなどの半導体チップから放出される熱を極めて効果的に樹脂内に拡散させ、樹脂の外部に放出させて、樹脂内部の温度の上昇を抑制することができた。その結果、半導体チップの動作が極めて安定すると共に、製品寿命を伸ばすこともできるようになる。
【００４５】
また、本発明は、光素子とＩＣとを有する光伝送装置に用いて特に好適である。何故ならば、光伝送装置においては、前述したように、駆動用ＩＣ或いは信号処理用ＩＣが放熱源となる場合が多く、この熱により、ＬＥＤや半導体レーザ、或いはフォト・ダイオードなどの光素子の動作特性が劣化したり、寿命が短縮されたりする場合が多いからである。本発明によれば、これらのＩＣから発生される熱を効率的に樹脂内に拡散させ、外部に逃がすことができるので、光素子の温度の上昇を抑制して、動作を安定させ、製品寿命を伸ばすことができる。
【００４６】
さらに、光伝送装置の使用温度の上限を拡大することができるようになる。つまり、従来よりもより高温の環境下においても動作することができるようになり、応用範囲を拡大することができる。さらに、内部温度の低下に伴って、ＬＥＤやＩＣの劣化も抑制され、製品の信頼性が向上し、寿命も改善する。
【００４７】
また、本発明によれば、ダイ・パッドの一部を樹脂の外部に延在させて放熱体として樹脂の側面に配置することにより、いわゆる「シールド効果」が生じて、半導体装置の耐ノイズ性が改善されることも分かった。この効果は、放熱体１１が接地電位にされている場合に、特に顕著である。
【００４８】
以上説明したように、本発明によれば、安定した動作特性を有し実装歩留まりも顕著に改善された半導体装置を提供することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の概略構成を例示する斜視図である。
【図２】本発明の半導体装置を裏側からみた概略斜視図である。
【図３】図１及び図２に例示した半導体装置の組立前のリード・フレームの形状を表す概略図である。
【図４】従来の半導体装置の一例としての光伝送装置の構成を表す概略斜視図である。
【符号の説明】
２、１０２  光素子
４、１０４  ＩＣ
８、１０、１０８、１１０  ダイ・パッド
１０Ａ  折返し部
１１  放熱体
１１Ａ  接続部
１２、１１２  リード
１８、１１８  ワイア
２０、１２０  封止樹脂
Ａ、Ｂ  リード・フレーム
【図１】
0003544842.tif 000002
【図２】
0003544842.tif 000003
【図３】
0003544842.tif 000004
【図４】
0003544842.tif 000005