(57)【要約】  半導体デバイスは、ヒートスプレッダ１１０の中央部１１０ａの下のリードフレーム１０３上に搭載されるチップ１０１を含む。ヒートスプレッダ１１０は、中央部１１０ａから外に及び下に向かってリードフレーム１０３の溝１０６内に伸びる位置決め部材１１０ｂを有する。封止材料１２０は、チップ１０１とヒートスプレッダ１１０との間の間隙を充填する。溝１０６で受け取られたストラップ１０５は、挿入される封止材料１２０の圧力に対して部材１１０ｂの先端１１１を保持する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスであって、
複数のストラップによって支持されるチップ・パッドを有する金属性リードフレームであって、各ストラップが溝を有する金属性リードフレーム、
前記チップ・パッド上に搭載される半導体チップであって、前記チップから前記リードフレームへの電気的接続を有する半導体チップ、
前記リードフレーム上に配置されるヒートスプレッダであって、前記チップの上に間隔を空けて配置される中央部と、前記中央部から外に及び前記リードフレーム溝に伸びる位置決め部材とを有する前記ヒートスプレッダ、及び
前記チップ、電気的接続、及びスプレッダ部材を囲む封止材料であって、前記ヒートスプレッダとチップとの間の前記間隔を充填し、前記リードフレーム・ヒートスプレッダ中央部の表面を露出させておく封止材料、
を含む半導体デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、前記ヒートスプレッダが、前記金属性チップ・パッドと共に、前記チップを囲む密閉された熱伝導性シェルに近似させるため、３次元の鐘形の部材を更に含むデバイス。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のデバイスであって、前記中央スプレッダ部と接触する第１のヒートシンクを更に含むデバイス。
【請求項４】
請求項３に記載のデバイスであって、前記リードフレームの前記第２の面と接触する第２のヒートシンクを更に含むデバイス。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のデバイスであって、前記リードフレームが銅又は銅合金でつくられるデバイス。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のデバイスであって、前記リードフレームが約１００から３００μｍの範囲の厚みを有するデバイス。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のデバイスであって、前記チップ・パッドが４本のストラップを有するデバイス。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のデバイスであって、前記ストラップ溝がリードフレーム材料の厚みのおよそ２分の１の深さを有するデバイス。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のデバイスであって、前記ヒートスプレッダが銅でつくられるデバイス。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載のデバイスであって、前記ヒートスプレッダ材料が約１００から３００μｍの範囲の厚みを有するデバイス。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載のデバイスであって、前記ヒートスプレッダが４つの位置決め部材を有するデバイス。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載のデバイスであって、前記チップが、熱伝導性接着剤を用いて前記チップ・パッド上に搭載されるデバイス。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかに記載のデバイスであって、前記封止材料が、熱伝導性充填剤材料を有する成形コンパウンドであるデバイス。
【請求項１４】
装置であって、
第１の面及び第２の面を有する金属性リードフレームであって、熱を生成するオブジェクトを搭載するためのパッドを含む前記リードフレーム、
前記パッドを保持する複数のストラップであって、各ストラップが溝を有する複数のストラップ、及び
前記リードフレームの前記第１の面上に配置されるヒートスプレッダであって、前記パッドの上に間隔を空けて配置される部分と、前記ストラップの前記溝に入るように前記部分の端から外に伸びる位置決め部材とを含む前記ヒートスプレッダ
を含む装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的に電気的システム及び半導体デバイスの分野に関し、更に特定して言えば、統合された金属性チップ・サポート及びヒートスプレッダを有する、熱的に強化された半導体デバイスに関連する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、米国特許番号第６，５９７，０６５号、発明の名称、「能動回路の上に統合された接合を有する熱的に強化された半導体チップ」が扱っている主題に類似する主題を扱う。
【０００３】
能動部品によって生成される熱を取り除くことは、集積回路技術における最も根本的な難題に属する。部品フィーチャー・サイズが縮小することに加え、デバイス集積密度が増加すると、電力の密度及び熱エネルギー生成が増加する。一方で、能動部品を低い動作温度及び高速のまま保つため、この熱は、継続的に放散しヒートシンクの外側に取り除く必要がある。この取り組みは、エネルギー密度が増加するにつれてますます難しくなっている。
【０００４】
金属性リードを有するデバイスに用いられる、熱除去のための１つのアプローチは、半導体チップの厚みを介する、能動面から受動面への熱輸送に焦点を当てている。この受動面は、金属性リードフレームのチップ搭載パッドに取り付けられ、熱エネルギーが金属性リードフレームのチップ搭載パッドに流れるようになっている。典型的なポリマー取り付け材料の層は、熱的障壁に相当する。適切に形成されると、リードフレームは外部ヒートシンクへのヒートスプレッダとして機能し得る。多くの半導体パッケージ設計において、これは、プラスチップのデバイス封止から突出するように形成される部分を有するリードフレームを意味する。そのため、これは外部ヒートシンクに直接取り付けられてもよい。具体例は、米国特許番号第５，５９４，２３４号、発明の名称、「ダウンセットされた露出するダイ搭載パッド・リードフレーム及びパッケージ」、及び米国特許番号第６，０７２，２３０号、発明の名称、「半導体デバイスのための露出されたリードフレーム製造におけるベンディング及びフォーミング方法」に開示されている。
【０００５】
リードフレームを有さないボールグリッド・アレイ・デバイスに用いられる、別の既知のアプローチは、半導体チップの能動面に近接する電気的接続から離れて配置されるヒートスプレッダを用いる。このアプローチでは、熱は、まず、肉眼で見える厚みの成形材料（典型的に無機粒子及び並の（ｍｅｄｉｏｃｒｅ）熱伝導体で満たされるエポシキ）を通り、その後、金属性ヒートスプレッダ内に拡散する。スプレッダは、成形されたパッケージの表面上に配置されることが多い。他のデバイスでは、米国特許番号第６，５５２，４２８号、発明の名称、「露出したヒートスプレッダを有する半導体パッケージ」に記載されるように、スプレッダは成形されたパッケージ内に埋め込まれる。
【０００６】
外形が小さな（面積消費及びデバイス高さの両方に関して）リードレス・デバイスでは、特にトランスファー成形又は射出成形方法を用いる封止プロセスの間強度が必要とされることが、このような熱的アプローチの適用を難しくしている。このような如何なる熱的進歩も、総合的な半導体デバイス・パッケージのコスト削減を強く重視する市場に合わせ、低コストでなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このため、低コストであり、熱的に改善され、電気的に高性能であるリードレス構造が必要とされている。また、異なる半導体製品ファミリー及び幅広い周波数設計及びアッセンブリ・バリエーションに適用するために充分な柔軟性を有する、基礎物理及び設計コンセプトに基づく一般的な半導体パッケージ構造も必要とされている。これは単に高い熱的及び電気的性能要求を満たすだけではなく、向上したプロセス歩留まり及びデバイス信頼性の目標に向けた改善もすべきである。本発明は、このような要望に対処し、特に、集積回路の、ＳＯＮ、ＳＯＩＣ、ＳＯＰ、及びＰＤＩＰファミリーに適用し得る、集積回路の改善された熱的性能を提供する。
【０００８】
本発明の一実施例は、第１の面及び第２の面を有する金属性リードフレームを含む半導体デバイスである。リードフレームは、チップ・パッドと複数のセグメントとを含む。チップ・パッドは複数のストラップによって保持され、各ストラップは溝を有する。チップ・パッド上にチップが搭載され、チップはセグメントに電気的に接続される。リードフレームの第１の面上にヒートスプレッダが配置される。ヒートスプレッダは、チップ接続の上に間隔を空けて配置される中央部と、中央部の端から外に伸びる位置決め部材をも有し、それらがストラップの溝に入る（ｒｅｓｔ  ｉｎ）ようになっている。封止材料は、チップ、電気的接続、及びスプレッダ位置決め部材を囲み、スプレッダとチップとの間の空間を充填する一方、第２のリードフレーム面及び中央スプレッダ部を露出したままにする。リードフレーム及びヒートスプレッダの両方のベース金属は、銅であることが好ましい。リードフレーム及びスプレッダの好ましい厚み範囲は約３００から１５０μｍの間である。チップ・パッド・ストラップの溝の深さは、リードフレームの厚みのほぼ半分であることが好ましい。好ましくは、ヒートスプレッダは、金属性チップ・パッドと共に、チップを囲むほぼ密閉された熱伝導性シェルに近似させる（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ）ように、３次元のドーム状の形状を有する。また、ヒートスプレッダは、封止材料への接着を向上させるように形成される少なくとも１つの溝を有することが好ましい。
【０００９】
本発明の別の実施例において、ヒートシンクが中央スプレッダ部と接触している。本発明の更に別の実施例において、別のヒートシンクがリードフレームの第２の面と接触している。
【００１０】
本発明の技術的利点は、高温ＩＣ部から（外部）ヒートシンクへ熱流束を放散するための急な温度勾配のショート・パスをつくるため、半導体パッケージに低コストの設計及び構造の選択肢を提供することである。
【００１１】
本発明の別の技術的利点は、新たな製造機械の投資を必要としないように、設置済みの装置ベースを用いて本発明を実施することができることである。
【００１２】
本発明によって示される技術的利点及びその目的は、添付の図面及び添付の特許請求の範囲に記載された特徴に関連して考えれば、以下の本発明の好ましい実施例の記載から明らかになるであろう。
【実施例】
【００１３】
図１は、本発明の一実施例を説明するパッケージされた半導体デバイスを示し、全般的に１００で示す。チップ１０１が、金属性リードフレーム１０３の第１の面１０３ａ上に接着性チップ取り付け材料１０２によって搭載される。取り付け接着剤１０２は、熱的に導電性があり、好ましくは銀充填エポキシである。チップ１０１の半導体材料はシリコンであることが好ましい。代替として、チップ１０１はシリコン・ゲルマニウム、ガリウム砒素、又はデバイス製造に用いられる任意の他の半導体材料を含んでいてもよい。
【００１４】
チップ１０１は能動面１０１ａを有し、能動面１０１ａは、集積回路や単品のトランジスタ及びダイオードなどの構成要素、及びキャパシタ及びレジスタを含む受動部品をも含む。デバイス・オペレーションの間、能動面１０１ａは熱エネルギー／熱を生成し、この熱エネルギー／熱は、好ましい動作温度を維持するため及び能動構成要素の過熱を防ぐため、輸送して除く必要がある。
【００１５】
熱エネルギーを除去するための最も効果的な方法は、伝導によるものである。これよりも効果的ではないがそれでも好ましいメカニズムには、対流による及び放射による熱輸送が含まれる。量的に言うと、熱伝導（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）によるエネルギー輸送は、フーリエの方式に従って、単位時間当たりの熱流束Ｑを、熱伝導率λに、低下する温度の方向の温度勾配Ｔを乗算し、温度勾配に対して垂直の面積ｑを乗算した積として表す、次のような微分方程式で表される。
［数１］
ｄＱ／ｄｔ＝−λ・（ｇｒａｄＴ）・ｑ
この方程式において、Ｑは熱流束のベクトル（大きさ及び方向の）であり、λは材料特性である熱伝導率である。熱流束は温度差の方向にあり、その差の大きさに比例する。
長さＬにわたって温度降下が安定しており、高温Ｔ２から低温Ｔ１まで均一である場合、（ｇｒａｄＴ）は（Ｔ２−Ｔ１）／Ｌまで約し、
［数２］
ｄＱ／ｄｔ＝−λ・（ｑ／Ｌ）・（Ｔ２−Ｔ１）
となる。
λ・（ｑ／Ｌ）は熱伝導係数（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）と呼ばれ、その逆数値Ｌ／（λ・ｑ）は熱抵抗（オームの法則と同様に）と呼ばれる。
【００１６】
本発明において、λ・ｑ及び（ｇｒａｄＴ）の両方の改善は、半導体チップ１０１の能動面１０１ａ上の熱を生成する能動部品から、熱流束を垂直方向に除くことを促進するために同時に提供される。
【００１７】
能動チップ面からの熱流束の垂直方向の除去を促進することに加え、半導体材料チップ１０１を介してその受動面１０１ｂへ及びそれを超えてリードフレーム１０３内へ、反対方向に熱エネルギーを伝導させる従来の可能性がある。熱流束は、リードフレーム１０３の第２の面１０３ｂを介し、周囲の又は取り付けられる基板に入ることができる。
【００１８】
リードフレーム１０３は、好ましくは銅又は銅合金であるベース金属でつくられる。代替のベース金属には、真鍮、アルミニウム、鉄−ニッケル合金（「４２合金」など）、及びインバールが含まれる。ベース金属はめっき層で完全に覆われることが多く、一例として、銅ベース金属はニッケル層でめっきされ得る。（ここで定義するように、リードフレームの出発材料は「ｂａｓｅ  ｍｅｔａｌ」と呼ばれ、金属の種類を示す。従って、「ｂａｓｅ  ｍｅｔａｌ」という用語が、電気機械的な意味に（「ｎｏｂｌｅ  ｍｅｔａｌ」の反対として）又は構造的な意味に解釈されることは意図していない。）
【００１９】
リードフレーム１０３のベース金属は、１００から３００μｍの好ましい厚み範囲の金属シートからつくられる。更に薄いシートも可能である。この厚み範囲の延性は、５から１５％の伸び率を提供し、これがセグメントのベンディング及びフォーミング・オペレーションを促進する。リードフレームは、出発金属シートから打ち抜かれるか又はエッチングされる。
【００２０】
上述のように、リードフレーム１０３のベース金属は、例えばニッケル層でめっきされることが多い。めっきされる層は、０．２から１．０μｍの間、好ましくは０．５±０．２５μｍ、の厚みを有する粗い非反射性ニッケルであることが好ましい。ニッケルは、最近のデバイスの錫ベースのはんだの下に配置されると、錫ウィスカーを発生する傾向を低減させるため、好ましい金属である。めっきされるニッケル層は、リードフレームのベンディング及び形成プロセスのため延性がある。
【００２１】
図１の図は、図２に図示したデバイスの線Ａ−Ａ’に沿った断面を含む。従って、リードフレーム１０３の材料は、図１では連続的に見えるが、実際はチップ・パッド１０４と、チップ・パッド１０４を支持する複数のストラップ１０５とを含む。各ストラップ１０５は、深さ１０６ａ及び幅１０６ｂの溝１０６（図２参照）を有する。好ましくは、ストラップ溝の深さ１０６ａは、リードフレーム材料の厚みのおよそ２分の１であり、約５０から１５０μｍの深さとなる。図１に示されていないのは、複数のリードフレーム・セグメント１０７である（しかし、これらは図２にはっきりと示されている）。半導体チップ１０１は、リードフレーム・セグメントに電気的に接続され、一例として、図１は、チップ・コンタクト・パッドとリードフレーム・セグメント（図示せず）との間のチップ接続として機能する２つのワイヤ・ボンド１０８を示す。
【００２２】
図１は更に、リードフレームの第１の面１０３ａ上に配置されるヒートスプレッダ１１０を示す。ヒートスプレッダ１１０は、チップ１０１の上に間隔を空けて配置される中央部１１０ａとチップ接続１０７とを有する。更に、ヒートスプレッダ１１０は、複数の位置決め部材１１０ｂを有し、これらは中央部１１０ａの端から外に伸び、リードフレーム・ストラップ１０５の溝１０６内に入る。ヒートスプレッダは、リードフレームの金属に類似する範囲の厚み（１００から３００μｍ）の銅でつくられることが好ましい。
【００２３】
典型的に、ヒートスプレッダは、シート金属から打ち抜かれ及び形成される。このプロセスで、位置決め部材１１０ｂは、封止材料のヒートスプレッダ上への強い固着（ａｎｃｈｏｒｉｎｇ）を提供する構成となる。封止接着性のため少なくとも１つの屈曲を有して適切に形成された部材の一例が、図１に概略的に図示されており、この図面は更に、その部材の先端１１１がストラップ溝１０６内に配置される手法を示す。この位置決めは、トランスファー成形プロセスの間、成形コンパウンドの如何なる圧力にも耐えるため、溝の深さを用いて、ヒートスプレッダの充分に強い固着を確実にする。
【００２４】
最終的な形状において、ヒートスプレッダ１１０は３次元の鐘形状の金属パーツを含む。この鐘形状のヒートスプレッダは、リードフレームの金属性チップ・パッド１０４と共に、チップ１０１を囲む統合された熱的に強い導電性シェルにデバイス１００を近似させる。
【００２５】
デバイス１００は、チップ１０１、電気的接続１０８、及びスプレッダ位置決め部材１１０ｂを囲む封止材料１２０でパッケージされる。封止材料は、スプレッダ１１０とチップ１０１との間の空間を充填するが、第２のリードフレーム面１０３ｂと中央スプレッダ部１１０とを露出させたまま残す。好ましい封止材料は、熱伝導性充填剤を含む成形コンパウンドである。
【００２６】
図１の断面は図２の線Ａ−Ａ’に沿って切り取ったものである。図２自体は、本発明の一実施例の概略的な上面図であり、図２における点線はプラスチック封止内部のデバイス形状を示す。参照番号１１０ａは、ヒートスプレッダの中央部の外形である。４つの位置決め部材１１０ｂは、中央部の端から外に伸び、リードフレーム・チップ・パッドのストラップ１０５の溝１０６に入る。パッド１０３上に搭載されるチップ１０１は複数のコンタクト・パッド２０１を有し、明確にするため、それらのうちの４つのパッドのみが図２に示されている。ボンディング・ワイヤ１０８は、チップ・パッド２０１をリードフレーム・セグメント１０７に接続するが、明確にするため、複数のセグメントのうち４つのボンディング・ワイヤ接続のみが図２に示されている。
【００２７】
図３の概略的な断面では、図１のデバイス１００が、実際に取り付けられたヒートシンクと共に示されており、図３は２つヒートシンクを示すが、幾つかのアプリケーションでは１つのヒートシンクで充分である。第１のヒートシンク３０１は、取り付け材料３０２を用いて、ヒートスプレッダ１１０の露出した中央部１１０ａを有するデバイス面上に搭載される。第２のヒートシンク３０３は、取り付け材料３０４を用いて、チップ・パッド１０４の露出した面１０３ｂを有するリードフレーム面上に搭載される。ヒートシンク３０１及び／又は３０３は、能動チップ面１０１ａ上の、熱を生成する能動部品からの熱流束の除去を促進するために、急な温度勾配（ｇｒａｄＴ）を提供する。同時に、金属性リードフレーム及び金属性ヒートスプレッダを、それらの高い熱伝導率λ及び温度勾配に対して垂直な大きな面積ｑと組み合せることにより、積λ・ｑが改善される。
【００２８】
例示用の実施例に関して本発明を説明してきたが、この説明を限定的な意味で解釈されることは意図していない。当業者であれば、この説明を参照すれば、これらの例示用の実施例の種々の変形及び組み合せだけでなく、他の実施例も明らかであろう。一例として、本発明は、シリコン、シリコン・ゲルマニウム、ガリウム砒素、又は集積回路製造に用いられる任意の他の半導体材料の基板につくられる集積回路を包含する。別の例として、本発明は熱を生成する半導体ユニットを全般的に包含する。そのため、この概念は、シングルチップだけではなくマルチチップ・デバイスも含む。更に、この概念は、ワイヤ・ボンディングされるアッセンブリだけではなく、フリップチップ・アッセンブリを用いるデバイスも含む。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の一実施例を説明する、パッケージされた半導体デバイスの概略的な一部断面図であり、図１は図２の線Ａ−Ａ’に沿った断面を含む。
【図２】図２は図１に示した半導体デバイスの概略的な上面図である。
【図３】図３は、本発明の更に別の実施例を図示する、図１の図に類似する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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