(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極部と他の部材に取り付けられる取付面とを有する半導体素子と、
前記半導体素子が設置される設置面を有し、前記半導体素子を冷却する放熱体と、
前記半導体素子と前記放熱体との間に介在し、前記半導体素子の取付面の範囲内に収まる形状で前記設置面に設けられる接合層と、
前記半導体素子と前記接合層とを接着する接着層と、
前記設置面における前記接合層以外の領域に設けられた、前記放熱体の表面よりも導電性の高い導電層と、
リードと、
前記リードと前記半導体素子の電極部とを接続するワイヤと、
前記リード及び前記半導体素子の電極部の少なくとも一方と前記導電層とを電気的に接続するワイヤと、
前記半導体素子、前記放熱体、前記リードの一部、及び前記ワイヤを封止する樹脂パッケージと、
を含み、
前記放熱体は、導電性を有し、
前記半導体素子の前記取付面と、前記放熱体の前記設置面とは、電気的に導通し、
前記接合層は、前記放熱体の表面よりも導電性が高い樹脂封止型半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の樹脂封止型半導体装置において、
前記導電層は、前記接合層の外周を連続的に囲む形状をなす樹脂封止型半導体装置。
【請求項３】
電極部と他の部材に取り付けられる取付面とを有する半導体素子と、
前記半導体素子が設置される設置面を有し、前記半導体素子を冷却する放熱体と、
前記半導体素子と前記放熱体との間に介在し、前記半導体素子の取付面の範囲内に収まる形状で前記設置面に設けられる接合層と、
前記半導体素子と前記接合層とを接着する接着層と、
前記設置面における前記接合層以外の領域に設けられた、前記放熱体の表面よりも導電性の高い導電層と、
リードと、
前記リードと前記半導体素子の電極部とを接続するワイヤと、
前記リード及び前記半導体素子の電極部の少なくとも一方と前記導電層とを電気的に接続するワイヤと、
前記半導体素子、前記放熱体、前記リードの一部、及び前記ワイヤを封止する樹脂パッケージと、
を含み、
前記放熱体は、導電性を有し、
前記半導体素子の前記取付面と、前記放熱体の前記設置面とは、電気的に導通し、
前記接合層は、前記放熱体の表面よりも導電性が高くなっており、
前記導電層は、前記ワイヤと同等の径で点状をなす樹脂封止型半導体装置。
【請求項４】
放熱体の設置面に半導体素子の取付面の範囲内に収まる形状の接合層を設ける工程と、
一方の面に形成される大径穴と他方の面に形成される小径穴とが連通してなる連通孔を有するマスクを用い、前記小径穴を前記放熱体の設置面に当てて、電気めっきの方法によってワイヤと同等の径で点状の導電層を形成する工程と、
接着剤を介して前記接合層と前記半導体素子とを接着する工程と、
前記半導体素子の電極部とリードとをワイヤで接続し、前記半導体素子の電極部と前記導電層とをワイヤで接続し、前記リードと前記導電層とをワイヤで接続する工程と、
前記半導体素子、前記放熱体、前記リードの一部、及び前記ワイヤを樹脂にて封止して樹脂パッケージを形成する工程と、
を含む樹脂封止型半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱体を有する樹脂封止型半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
近年、ＶＬＳＩ等の消費電力の増大に伴い、低コストで放熱性を高めようという要求が高まっている。これに対処するために、材料の面からは、リードフレームや封止用樹脂の熱伝導性を高めることが検討され、構造の面からは、リードフレーム・デザインの変更やヒートシンクすなわち放熱体の付加による放熱性の向上が検討されている。特に、放熱体の付加によるパッケージの放熱性の改善は、消費電力が１チップあたり２Ｗ程度までのＬＳＩにおいては、もっともオーソドックスな対策と考えられている。
【０００３】
そして、上述の放熱といった観点から、特開平６−５３３９０号公報には、熱伝導性の高い放熱体を用いて、その放熱体がダイパッドの代わりとなる構造が開示されている。この構成によれば、放熱性において優れた半導体装置を得ることができる。
【０００４】
また、上記放熱体に銀などのメッキ処理を施して半導体素子を取り付ければ、放熱体と半導体チップとの熱伝導性又は電気的な導通性を高めることができる。
【０００５】
しかし、銀などのメッキは樹脂との接着性に劣るので、樹脂封止を行って樹脂封止型の半導体装置にすると、この半導体装置は、放熱体と樹脂との接着性に劣るので両者の間に隙間が形成されやすい。そして、この隙間に水が溜まると、半導体装置が発熱したときに水蒸気となって膨張し、隙間が広がるのと同時に、放熱体と半導体チップとを剥離させてしまうことがあり得る。
【０００６】
本発明の目的は、放熱体と樹脂との接着性に優れて高い放熱特性を有する樹脂封止型半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の樹脂封止型半導体装置は、電極部と他の部材に取り付けられる取付面とを有する半導体素子と、
前記半導体素子が設置される設置面を有し、前記半導体素子を冷却する放熱体と、
前記半導体素子と前記放熱体との間に介在し、前記半導体素子の取付面の範囲内に収まる形状で前記設置面に設けられる接合層と、
前記半導体素子と前記接合層とを接着する接着層と、
前記設置面における前記接合層以外の領域に設けられた、前記放熱体の表面よりも導電性の高い導電層と、
リードと、
前記リードと前記半導体素子の電極部とを接続するワイヤと、
前記リード及び前記半導体素子の電極部の少なくとも一方と前記導電層とを電気的に接続するワイヤと、
前記半導体素子、前記放熱体、前記リードの一部、及び前記ワイヤを封止する樹脂パッケージと、
を含み、
前記放熱体は、導電性を有し、
前記半導体素子の前記取付面と、前記放熱体の前記設置面とは、電気的に導通し、
前記接合層は、前記放熱体の表面よりも導電性が高い。
【０００８】
この半導体装置によれば、放熱体に設けられる接合層が、半導体素子の取付面の範囲内に収まる形状をなしているので、接合層が半導体素子から突出しないようになっている。したがって、樹脂パッケージが、接合層に接触しないで放熱体を封止するので、樹脂パッケージと放熱体との接着性に優れている。
【００１０】
放熱体は、放熱性を高めるために伝熱性に優れていることに加え、導電性を有する。導電性を有する材料として、例えば、金、銀、銅などの金属が挙げられる。そして、半導体素子の取付面と放熱体の設置面とを通って、半導体素子と放熱体とが電気的に導通するように構成することが好ましい。こうすることで、例えば、放熱体を負電位として半導体素子を接地させることができる。
【００１１】
さらに、半導体素子の取付面と放熱体の設置面との間に存在する接合層は、放熱体の表面よりも導電性が高い。導電性の高い接合層が介在することで、取付面と設置面との間の電気的導通を良好に図ることができる。この半導体装置の例として、放熱体を銅で構成し、接合層を銀で構成する場合が挙げられる。
【００１２】
本発明の樹脂封止型半導体装置においては、前記設置面における前記接合層以外の領域に、前記放熱体の表面よりも導電性の高い導電層が設けられる。
【００１３】
そして、半導体素子の電極部と放熱体との接続、又はリードと放熱体との接続を、導電層を介して行うことができる。その結果、放熱体を介して、電極部とリードとの接続を行えるので、リードの設計の自由度が向上する。導電層の材料として、例えば、金、銀、銅などの金属が挙げられる。
【００１４】
本発明の樹脂封止型半導体装置において、前記導電層は、前記接合層の外周を連続的に囲む形状をなすものや、前記ワイヤと同等の径で点状をなすものが考えられる。
【００１５】
接合層の外周を連続的に囲む形状の導電層によれば、半導体素子の電極部又はリードと導電層とのワイヤによる接続を容易に行うことができる。
【００１６】
ワイヤと同等の径で点状をなす導電層によれば、ワイヤとの接続に必要最低限の大きさなので、樹脂パッケージと導電層との接触面積を最小限に抑えることができる。導電層は、樹脂との接着性に劣るので、接触面積を最小限に抑えることで、樹脂パッケージと導電層との間の剥離を最小限に抑えることができる。
【００１７】
本発明の樹脂封止型半導体装置においては、前記接合層は、前記放熱体の表面よりも伝熱性が高いことが好ましい。
【００１８】
こうすることで、半導体素子に生じた熱を効率的に放熱体に伝えて、半導体素子を有効に冷却することができる。
【００１９】
特に、前記樹脂パッケージが、前記放熱体の一部を露出させて封止する場合には、放熱体の放熱効率が一層良くなる。
【００２０】
本発明の樹脂封止型半導体装置の製造方法は、放熱体の設置面に半導体素子の取付面の範囲内に収まる形状の接合層を設ける工程と、
一方の面に形成される大径穴と他方の面に形成される小径穴とが連通してなる連通孔を有するマスクを用い、前記小径穴を前記放熱体の設置面に当てて、電気めっきの方法によってワイヤと同等の径で点状の導電層を形成する工程と、
接着剤を介して前記放熱体と前記半導体素子とを接着する工程と、
前記半導体素子の電極部とリードとをワイヤで接続し、前記半導体素子の電極部と前記導電層とをワイヤで接続し、前記リードと前記導電層とをワイヤで接続する工程と、
前記半導体素子、前記放熱体、前記リードの一部、及び前記ワイヤを樹脂にて封止して樹脂パッケージを形成する工程と、
を含む。
【００２２】
この製造方法によって、本発明の半導体装置を効率よく製造することができる。
【００２３】
特に、一方の面に形成される大径穴と他方の面に形成される小径穴とが連通してなる連通孔を有するマスクを用いれば、連通孔にめっき材料の通りが良くなり、小さな径の導電層でも容易に形成することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置を示し、図２のＩ−Ｉ線に沿って切断した状態を模式的に示す断面図であり、図２は、本発明の実施形態に係る半導体装置を、樹脂パッケージを除いた状態で模式的に示す平面図である。
【００２５】
本実施形態の半導体装置は、放熱体１０と、この放熱体１０に取り付けられた半導体素子２０と、複数のリード３０と、半導体素子２０の外側に配設されたフレームリード３２と、を有し、樹脂パッケージ４０にて封止されている。
【００２６】
放熱体１０は、図１に示すように、大径部１２と、この大径部１２より突出する小径部１４で構成され、断面形状がほぼ凸状を成している。そして、大径部１２の表面が半導体素子２０を設置するための設置面１６であり、小径部１４の表面は樹脂パッケージ４０から露出して放熱効率を向上させるようになっている。
【００２７】
放熱体１０は、エポキシ基板やセラミックからなるものでもよいが、放熱効率を向上させるために、銅、銀又は金等の伝熱性の高い材料で構成されることが好ましい。特に、経済性を考慮して、本実施形態では銅が用いられている。これらの金属は、導電性も有するものである。
【００２８】
放熱体１０の設置面１６には、接合層２２が設けられ、この接合層２２を介して半導体素子２０は放熱体１０に取り付けられるようになっている。接合層２２は伝熱性及び導電性に優れたもので、例えば、銀、金、白金等が挙げられる。特に、経済性を考慮して、本実施形態では銀が用いられている。また、接合層２２は、図１には誇張して厚く示してあるが、数μｍの薄い層で、スパッタや電気めっきの方法によって形成される。あるいは、導電性を有する薄膜又は板材を埋め込んで接合層２２としても良い。
【００２９】
半導体素子２０は、接合層２２に取り付けられる側の取付面２４から電気的に接続できるようになっている。したがって、放熱体１０が導電性を有する銅から構成され、接合層２２も導電性を有する銀から構成されているので、半導体素子２０は、取付面２４から接合層２２を介して放熱体１０に電気的に接続することができる。しかも、銅よりも銀の方が導電率が高いので、接合層２２を設けることで、電気的な接続状態を良好に維持することができる。
【００３０】
このように、半導体素子２０と放熱体１０とを電気的に接続することで、例えば、放熱体１０を負電位として接地することが容易になる。
【００３１】
さらに、図１に示すように、接合層２２の長さｌは半導体素子２０の取付面２４の長さＬよりも小さくなり、接合層２２が取付面２４の範囲に収まる形状となっている。
【００３２】
このようにしたのは次の理由からである。つまり、接合層２２は銀メッキ等により形成されるが、この銀メッキ等は、樹脂パッケージ４０を構成する樹脂との接着性が悪いものである。
【００３３】
したがって、接合層２２が半導体素子２０の外側にはみだすように形成されると、この部分において樹脂パッケージ４０との接着性が悪くなる。そして、樹脂パッケージ４０が接合層２２から剥がれてしまい、これに伴って半導体素子２０の取付面２４が接合層２２から離れて両者の導通が図れなくなることも想定される。このことは、接合層２２を介して半導体素子２０の取付面２４を、例えばＧＮＤに接続しようとするときに、電気的接続を保証できないということである。
【００３４】
そこで、図１に示すように、接合層２２の面積を、半導体素子２０の取付面２４の面積より小さくして、接合層２２が取付面２４からはみ出さないようにした。こうすることで、樹脂パッケージ４０が接合層２２に接触しないため、樹脂封止を完全に行うことができ、半導体素子２０の取付面２４と接合層２２との導通も確実となる。
【００３５】
詳しくは、半導体素子２０は、銀ペーストからなる接着層２６によって放熱体１０に接着され、この接着層２６は、図１に示すように、フィレットを形成する。このフィレットは、半導体素子２０の取付面２４よりも大きな面積を有するように末広がりとなる。したがって、接合層２２は、このフィレット内に収まる形状であれば、樹脂パッケージ４０と接触することはないが、半導体素子２０を設置するときに誤差を考慮すれば、接合層２２は取付面２４の範囲内に収まる形状とすることが好ましい。例えば、接合層２２は、取付面２４の外端から約０．０５ｍｍ内側に入り込んだ形状とすることが好ましい。
【００３６】
次に、放熱体１０の設置面１６には、半導体素子２０の周りに、複数のスポット状の導電層１８が形成されている。導電層１８は導電性に優れたもので、例えば、銀、金、白金等が挙げられる。特に、経済性を考慮して、本実施形態では銀が用いられている。また、導電層１８は、図１には誇張して厚く示してあるが、数μｍの薄い層で、スパッタや電気めっきの方法によって形成される。あるいは、銀の支柱を埋め込んで導電層１８としてもよい。
【００３７】
そして、放熱体１０を構成する銅よりも導電層１８を構成する銀の方が、導電率が高いので、放熱体１０に電気的な接続を図るときに、直接放熱体１０に接続するよりも導電層１８を介して接続する方が、良好な接続状態となる。
【００３８】
この導電層１８は、ワイヤ３４を介して、半導体素子２０の電極部２８又はリード３０と電気的に接続されている。
【００３９】
なお、放熱体１０の表面には、接合層２２及び導電層１８の形成領域を除き、図示しない絶縁層が形成されている。この絶縁層は、良好な絶縁性を有する限りにおいてその材質は特に制限されないが、例えば放熱体１０を構成する金属を酸化処理して得られた金属酸化膜であることが好ましい。例えば、放熱体１０が銅で構成されている場合、強アルカリ性の処理液を用いて表面を酸化処理することによって絶縁層を得ることができる。この絶縁層を設けることにより、リード３０及びフレームリード３２と放熱体１０との短絡を防止することができる。さらに、例えば酸化銅によって構成された絶縁層は、通常黒色ないし茶色などの暗色を呈し、そのためワイヤボンディングにおける画像認識においてリード３０の認識が容易となるだけでなく、樹脂パッケージ４０を構成する樹脂との密着性がよいため、パッケージの機械的強度が向上する。
【００４０】
また、設置面１２には、その周縁に沿って連続的に支持部３６が接着によって固定されている。この支持部３６は、絶縁性を有する樹脂、例えばポリイミド樹脂，エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等のテープ状部材から構成されている。
【００４１】
支持部３６は、リード３０の一部だけを支持するように、放熱体１０の外周部に小さな幅で設けられている。支持部３６は、樹脂にて構成されており、その性質上水分を吸収するものであるが、小さく構成することで、吸収する水分をできるだけ減少させることができる。
【００４２】
こうして比較的小さな幅で設けられた支持部３６に、リード３０は接着されて固定されている。
【００４３】
フレームリード３２は、半導体素子２０とリード３０との間に両者と非接触の状態で設置されている。このフレームリード３２は、図２に示すように、４本の支持リード３２ａによって安定的に支持されている。そして、支持リード３２ａはそれぞれ支持部３６によってその一部が固定されている。
【００４４】
フレームリード３２は、例えば電源電圧（Ｖｃｃ）リードまたは基準電圧（Ｖｓｓ）リードとして使用される。このフレームリード３２を例えばＶｃｃリードとして用いる場合には、複数の電源用の電極部２８及びリード３０とフレームリード３２とをワイヤ３４によってそれぞれ接続することにより、電源用に使用されるリードの数を大幅に減少させることができる。したがって、信号用リードとして使用できるリードを相対的に増加させることができ、半導体素子２０の電極部２８とリードとのワイヤ配線の自由度を高めることができ、設計上有利となる。
【００４５】
また、フレームリード３２を有することにより、半導体素子２０のどの位置においても所定の電源電圧または基準電圧を供給することができ、電源ノイズを低減した状態で動作速度の高速化を図ることができる。
【００４６】
なお、本実施形態においては、フレームリード３２は４本の支持リード３２ａによって支持されているが、支持リード３２ａはフレームリード３２を安定に支持できればよく、例えば対向する位置に２本のみ配置する等、その本数や配置についてはこの例に限定されない。
【００４７】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。
【００４８】
まず、放熱体１０の設置面１６に、例えば銀メッキによって導電層１８及び接合層２２を形成する。そして、これら導電層１８及び接合層２２をマスキングした状態で、例えばメルテックス株式会社製の「エボノール（商品名）」に数秒間浸漬して表面を酸化処理することにより絶縁層（図示せず）を形成する。このようにして形成された絶縁層は、例えば２〜３μｍの膜厚を有し、その電気抵抗率が１０13Ω・ｃｍ以上という、良好な絶縁性を有することが確認された。
【００４９】
あるいは、上述の方法とは逆に、絶縁層を形成した後に導電層１８及び接合層２２を形成してもよい。
【００５０】
次に、放熱体１０に設けられた接合層２２に銀ペースト等の導電性の接着剤からなる接着層２６によって半導体素子２０を接合する。その後、放熱体１０、支持部３６、全てのリード３０及びフレームリード３２が一体化されてなるフレーム（図示せず）を位置合わせして重ね合わせ、三者を例えばエポキシ樹脂等の接着剤を用いて熱圧着し、相互を固定する。次いで、通常の手法により、ワイヤボンディング装置を用いてワイヤ３４を所定のパターンでボンディングする。
【００５１】
さらに、通常用いられているモールディングプロセスによってエポキシ系樹脂等を用いて樹脂パッケージ４０を形成する。このとき、放熱体１０の小径部１４の表面が樹脂パッケージ４０より露出する状態でモールドが行われる。
【００５２】
ついで、一体化されていたそれぞれのリード３０及びフレームリード３２を切断して完成する。
【００５３】
こうして製造された樹脂封止型の半導体装置によれば、接合層２２が半導体素子２０の取付面２４の範囲内に収まる形状をなしている。したがって、接着性に劣る関係にある樹脂パッケージ４０と接合層２２とが接触しないので、両者の剥離による欠陥が生じない。
【００５４】
次に、図３は、本発明の他の実施形態にかかる半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。この半導体装置は、導電層４８の形状において、図２に示す半導体装置と異なる。そして、導電層４８以外の構成は、図２に示す半導体装置と同様であるので同一の符号を付して説明する。
【００５５】
図２において、複数の導電層１８がスポット状に形成されていたのに対して、図３において導電層４８は、リード３０とフレームリード３２との間の領域で、角リング状に形成されている。
【００５６】
こうすることで、複数箇所で形成するよりも簡単に、複数箇所からの接続ができる導電層を形成することができる。
【００５７】
次に、図４は、本発明のさらに別の実施形態にかかる半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。この半導体装置は、導電層５８の形状において、図２に示す半導体装置と異なる。そして、導電層５８以外の構成は、図２に示す半導体装置と同様であるので同一の符号を付して説明する。
【００５８】
図２において、複数の導電層１８がスポット状に形成されていたのに対して、図４において導電層５８は、ワイヤ３４の径と同等の径で点状をなすように形成されている。詳しくは、例えば、ワイヤ３４の直径が約０．８ｍｍの場合には、導電層５８もこれにほぼ等しい程度の径とすることが好ましい。
【００５９】
導電層５８は銀メッキ等で形成され、樹脂パッケージ４０との接着性に劣るので、導電層５８を可能な範囲で小さくすることで、樹脂パッケージ４０との接触部分をできるだけ小さくすることができる。そして、樹脂パッケージ４０と導電層５８との剥離をできるだけ防止することができる。
【００６０】
図５は、このような極めて小さな径の導電層５８の形成方法を示す図である。通常、導電層５８は、マスクに形成された穴から液状の銀を電着させるという、電気めっきの方法によって形成される。しかしながら、導電層５８の径が極めて小さい場合には、マスクの穴が極めて小さくなるので、銀の通りが悪くなる。ここで、銀の通りを良くするために、マスクを薄くすることも考えられるが、そうするとマスクが割れやすくなる。
【００６１】
そこで、本実施形態では、図５に示すマスク６０を用いて導電層５８を形成することとした。このマスク６０は、一方の面に形成される大径の穴６２と他方の面に形成される小径の穴６４とが連通してなる連通孔６６を有するものである。詳しくは、穴６２と穴６４とは、階段状をなして連通するようになっている。なお、この形状の代わりに、テーパ状に連通するようにしてもよい。
【００６２】
そして、このマスク６０を用い、小径の穴６４を放熱体１０の設置面１６に当てて、大径の穴６２から銀を流して電気めっきの方法によってワイヤ３４と同等の径で点状の導電層５８を形成することができる。
【００６３】
このマスク６０によれば、銀を流し込む側の穴６２が大径なので、銀の通りが良く、必要に応じてマスク６０自体の厚みを厚く構成することもできる。
【００６４】
なお、この実施形態において、他の部分の製造方法は、図１及び図２に示す半導体装置の製造方法と同様なので説明を省略する。
【００６５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置を示す図で、図２のＩ−Ｉ線に沿って切断した状態を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置を、樹脂パッケージを除いた状態で模式的に示す平面図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図４】本発明のさらに別の実施形態を示す図である。
【図５】図４の半導体装置の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
１０  放熱体
１６  設置面
１８、４８、５８  導電層
２０  半導体素子
２２  接合層
２４  取付面
２６  接着層
２８  電極部
３０  リード
３４  ワイヤ
６０  マスク
６２  穴（大径穴）
６４  穴（小径穴）
６６  連通孔
【図１】
0003542677.tif 000002
【図２】
0003542677.tif 000003
【図３】
0003542677.tif 000004
【図４】
0003542677.tif 000005
【図５】
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