(57)【要約】【課題】耐熱性に優れた、光電変換機能を有する半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体装置１は、光電変換機能を有する半導体素子２を備え、第１封止樹脂６、第２封止樹脂７及び第３封止樹脂８で封止されている。第２封止樹脂７は、半導体素子２の信号の送受信を可能とするような透明性を有し、半導体素子２側を封止している。第３封止樹脂８は、ガラス転移温度から３００℃までの温度範囲における線膨張係数が１５０ｐｐｍ／℃以上であり、半導体素子２の裏側を封止している。第１封止樹脂６は、ガラス転移温度から３００℃までの温度範囲における線膨張係数が１００ｐｐｍ／℃以下であり、第２封止樹脂７と第３封止樹脂８で挟まれている。また、第２封止樹脂７及び第３封止樹脂８の一方の厚さは、他方の厚さの５０％以上１５０％以下である。これにより、第２封止樹脂７の熱膨張による欠陥の発生を防止している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換機能を有する半導体素子と、前記半導体素子と電気的に接続された導体と、を備え、
前記半導体素子が樹脂封止された半導体装置であって、
樹脂封止するための第１封止樹脂、第２封止樹脂及び第３封止樹脂を有し、
前記第２封止樹脂は、前記半導体素子に対し光信号透過性を有すると共に、前記半導体素子が搭載された、前記導体の一方の面側を封止しており、
前記第３封止樹脂は、前記導体の他方の面側を封止すると共に、前記第２封止樹脂の線膨張による前記導体の撓みの少なくとも一部を抑制するような線膨張係数及び厚さを有し、
前記第１封止樹脂は、前記導体の少なくとも一部を封止すると共に、前記第２封止樹脂と前記第３封止樹脂で挟まれており、前記第２封止樹脂の線膨張の少なくとも一部を抑制するような線膨張係数を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第３封止樹脂は、ガラス転移温度から３００℃までの温度範囲における線膨張係数が１５０ｐｐｍ／℃以上であり、
前記第１封止樹脂は、ガラス転移温度から３００℃までの温度範囲における線膨張係数が１００ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２封止樹脂は、ガラス転移温度から３００℃までの温度範囲における線膨張係数が１５０ｐｐｍ／℃以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２封止樹脂と前記第３封止樹脂とは同一の樹脂からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２封止樹脂及び前記第３封止樹脂のうちの一方の厚さは、他方の厚さの５０％以上１５０％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１封止樹脂の厚さは、前記導体の厚さ以下であり、
少なくとも前記導体の前記一方の面及び前記他方の面は前記第１封止樹脂から露出していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１封止樹脂の厚さは、前記導体の厚さより厚く、
前記導体の前記一方の面及び前記他方の面は前記第１封止樹脂から露出していないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に光電変換機能を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、半導体素子及び配線などは、一般的に、外部環境から保護するために樹脂で封止されている。この封止樹脂としては、通常フィラー（ガラスなどを微細な粒状にしたもの）を含有させたものが使用される。しかしながら、封止樹脂にフィラーを多く含ませると、封止樹脂の透明性は失われる。そのため、光電変換機能を有する半導体素子を封止する場合、半導体装置の内部と外部との間で光を散乱させることなく送受信させる必要があるので、樹脂封止にはフィラーを含有しない透明な封止樹脂が使用される。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の光モジュールにおいては、光素子と配線基板とが別々に樹脂封止され、光素子は透明樹脂で封止されている。配線基板の樹脂封止については、配線基板（例えばアルミナ）と封止樹脂との熱膨張差によるクラックの発生を防止するために、リードフレームの一方の面に配線基板を搭載し、リードフレームの一方の面側にある封止樹脂の配線基板上面からの厚さと他方の面側にある封止樹脂の厚さとの差が配線基板の厚さよりも小さくなるように、リードフレームの両面を樹脂封止している。これにより、配線基板を搭載するリードフレーム両面で発生する過剰な応力の発生や応力集中を回避している。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２４３９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
透明な封止樹脂、すなわちフィラーを含有しない（もしくはフィラー含有量が少ない）封止樹脂は、フィラーを含有する封止樹脂及び半導体装置における他の構成要素（例えば、リードフレーム、半導体素子、ボンディングワイヤなど）に比べて線膨張係数（熱膨張係数）が大きくなる。各構成要素の線膨張係数を表１に示す。ここで、透明封止樹脂とは、フィラーを含有しない封止樹脂であり、フィラー含有封止樹脂とは、フィラー含有率が７０質量％〜９０質量％の封止樹脂である。
【０００６】
【表１】
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【０００７】
このため、透明な封止樹脂のみで樹脂封止された半導体装置においては、リフローはんだ付け工程などで加熱されると、線膨張係数差により、フィラーを含有しない透明封止樹脂と、リードなどの構成要素との接着界面が剥離しやすくなったり、封止樹脂にクラックが発生しやすくなったりする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１視点によれば、光電変換機能を有する半導体素子と、半導体素子と電気的に接続された導体と、を備え、半導体素子が樹脂封止された半導体装置であって、樹脂封止するための第１封止樹脂、第２封止樹脂及び第３封止樹脂を有し、第２封止樹脂は、半導体素子に対し光信号透過性を有すると共に、半導体素子が搭載された、導体の一方の面側を封止しており、第３封止樹脂は、導体の他方の面側を封止すると共に、第２封止樹脂の線膨張による導体の撓みの少なくとも一部を抑制するような線膨張係数及び厚さを有し、第１封止樹脂は、導体の少なくとも一部を封止すると共に、第２封止樹脂と第３封止樹脂で挟まれており、第２封止樹脂の線膨張の少なくとも一部を抑制するような線膨張係数を有する半導体装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体装置によれば、第１封止樹脂が第２封止樹脂の線膨張を抑制するので、第２封止樹脂と他の構成要素との剥離を防止することができる。また、本発明の半導体装置によれば、第３封止樹脂によって半導体装置全体としての変形を防止することができ、封止樹脂のクラックの発生、配線の断線、及び封止樹脂と他の構成要素との解離などを回避することができる。以上より、本発明によれば、光信号の透過性を有する（好ましくは透明な）封止樹脂を使用する必要がある、光電変換機能を有する半導体装置の耐熱性を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の第１実施形態に係る半導体装置について説明する。図１に、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略斜視図を示し、図２に、概略平面図を示す。また、図３に、図２のIII−III線の概略断面図を示し、図４に、図２のIV−IV線の概略断面図を示す。
【００１１】
半導体装置１は、光電変換機能を有する半導体素子２と、半導体素子２と電気的に接続された導体と、これらを封止する封止樹脂とを備える。該導体としては、例えば、半導体素子２を搭載すると共に電気的に接続されたアイランド３、及びボンディングワイヤ５によって半導体素子２と電気的に接続されたリード４がある。また、半導体装置１において、半導体素子２などは、３つの封止樹脂、第１封止樹脂６、第２封止樹脂７及び第３封止樹脂８によって封止されている。
【００１２】
半導体素子２は光電変換素子であるので、半導体素子２を覆う第２封止樹脂７は、半導体装置１の内部と外部との間で信号の送受信が可能となる光学的透明性を有する必要がある。したがって、第２封止樹脂７のフィラー含有率は、光による信号の送受信を阻害しないように、好ましくは３０質量％以下であり、より好ましくは０質量％〜１０質量％である。このとき、例えば、フィラーを含有しないエポキシ樹脂の線膨張係数（熱膨張率）は、樹脂のガラス遷移温度以下の温度範囲では約５０ｐｐｍ／℃以上であり、樹脂のガラス遷移温度以上の温度範囲では約１５０ｐｐｍ／℃以上である。一般的に使用される導体（アイランド３及びリード４）の材料の線膨張係数は５ｐｐｍ／℃〜２０ｐｐｍ／℃（３０℃〜３００℃）であるので、第２封止樹脂７の線膨張係数は、樹脂のガラス遷移温度以上においてアイランド３又はリード４の線膨張係数の５倍以上となる。
【００１３】
第１封止樹脂６は、アイランド３の周囲、アイランド３とリード４間、及びリード４間など、半導体素子２の搭載面に沿って半導体装置１のパッケージ全面に亘って形成されていると共に、第２封止樹脂７と第３封止樹脂８とで挟まれている。第１実施形態において第１封止樹脂６の厚さは、アイランド３及びリード４の厚さ（すなわちリードフレームの厚さ）以下であり、少なくともアイランド３又はリード４の上面及び下面は第１封止樹脂６から露出している。図４に示す形態においては、アイランド３とリード４とは同じ高さにあり、第１封止樹脂６の厚さは、アイランド３及びリード４の厚さと同一にしてある。すなわち、第１封止樹脂６は、半導体素子２の搭載面より他方側に形成されている。
【００１４】
第１封止樹脂６は、第２封止樹脂７の熱膨張の少なくとも一部を抑制するような線膨張係数を有する樹脂とする。例えば、第１封止樹脂６の線膨張係数は、第２封止樹脂７及び第３封止樹脂８の線膨張係数より小さくする。第１封止樹脂６の線膨張係数を第２封止樹脂７（及び第３封止樹脂８）より小さくするためには、第１封止樹脂６のフィラー含有率を第２封止樹脂７（及び第３封止樹脂８）のフィラー含有率より高くすると好ましい。したがって、第１封止樹脂６のフィラー含有率は、好ましくは５０質量％以上であり、より好ましくは７０質量％〜９０質量％である。例えば、フィラー含有率７０質量％〜９０質量％のエポキシ樹脂の線膨張係数は、樹脂のガラス遷移温度以下の温度範囲では約３０ｐｐｍ／℃以下であり、樹脂のガラス遷移温度以上の温度範囲では約１００ｐｐｍ／℃以下である。したがって、第１封止樹脂６の線膨張係数は、樹脂のガラス遷移温度以上において、アイランド３又はリード４の材料の線膨張係数の５倍未満が好ましく、より好ましくは４倍以下である。
【００１５】
第３封止樹脂８は、第２封止樹脂７とで第１封止樹脂６を挟むように形成されている。すなわち、第３封止樹脂８は、半導体素子２が搭載された面の裏側に形成されている。第３封止樹脂８は、第２封止樹脂７の熱膨張によるアイランド３等の導体の撓みの少なくとも一部を抑制するような線膨張係数及び厚さを有する樹脂とする。
【００１６】
第３封止樹脂８の線膨張係数は、第２封止樹脂７の線膨張係数と同等ないし近い値であると好ましく、樹脂のガラス遷移温度以下の温度範囲で好ましくは約５０ｐｐｍ／℃以上であり、樹脂のガラス遷移温度以上の温度範囲では好ましくは約１５０ｐｐｍ／℃以上である。したがって、第３封止樹脂８の線膨張係数は、樹脂のガラス遷移温度以上においてアイランド３又はリード４の線膨張係数の５倍以上であると好ましい。また、第３封止樹脂８の線膨張係数を第２封止樹脂７の線膨張係数と同等ないし近い値にするために、第３封止樹脂８のフィラー含有率は、第２封止樹脂７のフィラー含有率と同等ないし近い値であると好ましい。したがって、第３封止樹脂８のフィラー含有率は、好ましくは３０質量％以下であり、より好ましくは０質量％〜１０質量％である。さらに好ましくは、第３封止樹脂８は、第２封止樹脂７と同じ材料で形成するようにする。
【００１７】
半導体素子２搭載面からの第２封止樹脂７の厚さｔ１と該搭載面の裏面からの第３封止樹脂８の厚さｔ２はできるだけ近い値になると好ましい。例えば、第２封止樹脂７の厚さｔ１及び第３封止樹脂８の厚さｔ２のうち一方の厚さは、他方の厚さの±５０％以下であると好ましい。
【００１８】
第２封止樹脂７側の熱膨張による影響を第３封止樹脂８側の熱膨張による影響でより効果的に相殺するために、該搭載面の裏面（アイランド３の第３封止樹脂８側の面）には、半導体素子２と同様の線膨張係数及び／又は大きさを有するダミー素子を配置してもよい。これにより、第２封止樹脂７側と第３封止樹脂８側とで対称性が高まり、線膨張係数的にも封止樹脂の厚さ的にも両者の変形量をより近づけることができる。
【００１９】
第１封止樹脂６と第２封止樹脂７又は第１封止樹脂６と第３封止樹脂８は、同種の接着性樹脂（例えばエポキシ樹脂）を使用すると好ましく、より好ましくは、第１封止樹脂６、第２封止樹脂７及び第３封止樹脂８に使用する接着性樹脂を統一する。これにより、第１封止樹脂６と第２封止樹脂７間及び第１封止樹脂６と第３封止樹脂８間の親和性（接着性）を高めることができる。
【００２０】
本発明において、封止樹脂の「線膨張係数」は、ＪＩＳＫ７１９７に準拠して、樹脂のガラス転移温度〜３００℃の温度範囲内で測定した「平均線膨張係数」から算出する。また、本発明において、導体の「線膨張係数」は、ＪＩＳＺ２２８５に準拠して、該樹脂のガラス転移温度〜３００℃の温度範囲内で測定した「平均線膨張係数」から算出する。
【００２１】
次に、本発明の作用について説明する。本発明の半導体装置１において、透明な第２封止樹脂７は第１封止樹脂６と接しており、好ましくは、第１封止樹脂６の線膨張係数は第２封止樹脂７の線膨張係数より小さい。第２封止樹脂７と第１封止樹脂６との親和性（接着性）は、第２封止樹脂７と他の構成要素（例えば導体３，４、半導体素子２など）との親和性よりも高い。そのため、半導体装置１が加熱され、第２封止樹脂７が熱膨張したとしても、第１封止樹脂６が第２封止樹脂７の熱膨張を抑制することができる。これにより、本発明の半導体装置１によれば、第２封止樹脂７と他の構成要素との剥離を防止することができる。また、第２封止樹脂７と第１封止樹脂６との線膨張係数差は、第２封止樹脂７と他の構成要素との線膨張係数差より小さく、さらに第２封止樹脂７と第１封止樹脂６との親和性は高いので、第２封止樹脂７と第１封止樹脂６とが解離することもない。さらに、第１封止樹脂６と他の構成要素との線膨張係数差は、第２封止樹脂７と他の構成要素との線膨張係数差よりも大きくないので、第１封止樹脂６と他の構成要素との剥離も抑制されている。以上の効果は、第３封止樹脂８と第１封止樹脂６及び他の構成要素との間にも当てはまる。
【００２２】
また、本発明の半導体装置１において、第２封止樹脂７の反対側には第１封止樹脂６と接する第３封止樹脂８が形成され、好ましくは、第３封止樹脂８の線膨張係数は第２封止樹脂７の線膨張係数と同等ないし近い値となっている。そのため、半導体装置１が加熱され、第２封止樹脂７が熱膨張したとしても、第３封止樹脂８も同様に熱膨張するので、第２封止樹脂７による半導体装置にたわみを生じさせる力は、第３封止樹脂８によって相殺される。これにより、本発明の半導体装置１によれば、半導体装置１全体としての変形を防止することができ、封止樹脂のクラックの発生、配線の断線、及び封止樹脂と他の構成要素との解離などを回避することができる。
【００２３】
次に、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１の製造方法の一例について説明する。リードフレームに半導体素子２を搭載する前に、リードフレームのアイランド３周辺、アイランド３とリード４との間及びリード４間を第１封止樹脂６で封止する。次に、アイランド３に半導体素子２を搭載し、ボンディングワイヤ５で半導体素子２の電極とリード４とを電気的に接続する。次に、同じ材料からなる第２封止樹脂７と第３封止樹脂８とで、リードフレームと第１封止樹脂６を挟み込むように封止して、半導体装置１のパッケージを製造する。
【００２４】
本発明の第１実施形態によれば、第１封止樹脂と第２封止樹脂及び第３封止樹脂との接着力及び線膨張係数差により、第２封止樹脂及び第３封止樹脂の熱膨張を第１封止樹脂によって抑制することができる。これにより、第２封止樹脂及び第３封止樹脂と他の構成要素との剥離を防止することができる。
【００２５】
また、第２封止樹脂及び第３封止樹脂を第１封止樹脂に対して対称的に形成することにより、半導体装置を変形させる力を相殺することができる。これにより、クラックの発生、配線の断線及び封止樹脂と他の構成要素との剥離を防止することができる。
【００２６】
上記説明においては、半導体装置が加熱され、封止樹脂が熱膨張する場合について説明したが、半導体装置が冷却され（例えば環境加速試験による温度サイクル試験など）、封止樹脂が収縮する場合についても同様である。
【００２７】
本発明の第２実施形態に係る半導体装置について説明する。図５に、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略斜視図を示し、図６に、概略平面図を示す。また、図７に、図６のVII−VII線の概略断面図を示し、図８に、図６のVIII−VIII線の概略断面図を示す。
【００２８】
第１実施形態においては、第１封止樹脂６の厚さがアイランド３又はリード４の厚さ以下であり、少なくともアイランド３又はリード４の表面が第１封止樹脂６から露出していたが、第２実施形態においては、第１封止樹脂６の厚さはアイランド３又はリード４の厚さより厚く、アイランド３又はパッケージ内のリード４の表面は第１封止樹脂６から露出していない。したがって、第１実施形態においては、第２封止樹脂７又は第３封止樹脂８とアイランド３又はリード４とが直接接していたが、第２実施形態においては、第２封止樹脂７又は第３封止樹脂８は、アイランド３又はリード４とは直接接していない。これ以外の第２実施形態における形態は、上記第１実施形態と同様である。
【００２９】
第１封止樹脂６は、アイランド３及び封止樹脂内のリード４の上面及び下面を覆うように封止している。第１封止樹脂６の厚さの上限は、半導体素子２の光電変換機能を損なわないまで、すなわち半導体装置１の内部と外部で信号の送受信を阻害しないまでの厚さとする。第１封止樹脂６は、透明性が低いので、厚すぎると半導体素子２の信号送受信が阻害されるからである。
【００３０】
半導体素子２側の第１封止樹脂６面からの第２封止樹脂７の厚さｔ３とその裏側の第１封止樹脂６面からの第３封止樹脂８の厚さｔ４は同等ないし近い値であると好ましい。例えば、第２封止樹脂７の厚さｔ３及び第３封止樹脂８の厚さｔ４のうち一方の厚さは、他方の厚さの±５０％以下であると好ましい。
【００３１】
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体装置１の製造方法の一例について説明する。まず、アイランド３に半導体素子２を搭載し、ボンディングワイヤ５で半導体素子２の電極とリード４とを電気的に接続する。次に、リードフレームのアイランド３及びリード４の一部（インナリード部分）を覆うように第１封止樹脂６で封止する。次に、同じ材料からなる第２封止樹脂７と第３封止樹脂８とで、第１封止樹脂６を挟み込むように封止して、半導体装置１のパッケージを製造する。
【００３２】
第２実施形態によれば、線膨張係数の小さいアイランド及びリードは、線膨張係数の大きい第２封止樹脂及び第３封止樹脂と直接接触しておらず、第２封止樹脂及び第３封止樹脂より線膨張係数が小さい第１封止樹脂と接しているので、封止樹脂が熱膨張したとしても、アイランドないしリードと封止樹脂間の剥離が第１実施形態より発生しにくい。また、第２封止樹脂及び第３封止樹脂と第１封止樹脂との接触面積が第１実施形態より大きいので、より効果的に第２封止樹脂及び第３封止樹脂の熱膨張を抑制することができると共に、第２封止樹脂及び第３封止樹脂と第１封止樹脂との解離が起きにくくなっている。
【００３３】
第２実施形態に係る半導体装置のその他の説明については、第１実施形態の説明を援用する。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、光電変換機能を有する半導体素子を備える半導体装置に適しているが、半導体素子の機能に限定されることなく、種々のタイプの半導体装置に適用することができる。
【００３５】
本発明の半導体装置は、第１〜第２実施形態に基づいて説明されているが、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において、かつ本発明の基本的技術思想に基づいて、上記実施形態に対し種々の変形、変更及び改良を含むことができることはいうまでもない。また、本発明の請求の範囲の枠内において、種々の開示要素の多様な組み合わせ・置換ないし選択が可能である。
【００３６】
本発明のさらなる課題、目的及び展開形態は、請求の範囲を含む本発明の全開示事項からも明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略斜視図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略平面図。
【図３】図２のIII−III線の概略断面図。
【図４】図２のIV−IV線の概略断面図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略斜視図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略平面図。
【図７】図１のVII−VII線の概略断面図。
【図８】図１のVIII−VIII線の概略断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１          半導体装置
２          半導体素子
３          アイランド
４          リード
５          ボンディングワイヤ
６          第１封止樹脂
７          第２封止樹脂
８          第３封止樹脂
【図１】
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【図２】
2008300554.tif 000005
【図３】
2008300554.tif 000006
【図４】
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【図５】
2008300554.tif 000008
【図６】
2008300554.tif 000009
【図７】
2008300554.tif 000010
【図８】
2008300554.tif 000011