(57)【要約】【課題】従来の樹脂製中空パッケージに比べ高い放熱性を安価に実現すること。【解決手段】半導体素子を収納する中空部２の内面からパッケージ本体１の上面及び外側面を経てパッケージ本体１の底面１ａに至るまでの樹脂表面に、連続的または断続的に、パッケージ本体１を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い材料を含んだペーストを印刷し、前記樹脂よりも熱伝導率の高い薄膜層３を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を収納する中空部を有する半導体素子収納用樹脂製中空パッケージであって、パッケージ本体の底面に、パッケージ本体を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い材料を含んだペーストを印刷して形成された、前記樹脂よりも熱伝導率の高い薄膜層を有する半導体素子収納用樹脂製中空パッケージ。
【請求項２】
半導体素子を収納する中空部を有する半導体素子収納用樹脂製中空パッケージであって、前記中空部の内面からパッケージ本体の上面及び外側面を経てパッケージ本体の底面に至るまでの樹脂表面に、連続的または断続的に、パッケージ本体を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い材料を含んだペーストを印刷して形成された、前記樹脂よりも熱伝導率の高い薄膜層を有する半導体素子収納用樹脂製中空パッケージ。
【請求項３】
パッケージ本体の底面に形成された前記薄膜層が、前記中空部の底面に実装される半導体素子と同程度若しくはそれ以上の面積を有する請求項１または請求項２に記載の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージ。
【請求項４】
前記薄膜層の上に、印刷またはめっきで形成された薄膜が積層されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージ。
【請求項５】
半導体素子を収納する凹部を有するパッケージ本体を樹脂で形成する工程と、
前記パッケージ本体の底面に、パッケージ本体を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い材料を含んだペーストを印刷する工程と、
前記印刷されたペーストを乾燥、ベークまたは紫外線照射により固化させて前記樹脂よりも熱伝導率の高い薄膜層を形成する工程と、
を含む半導体素子収納用樹脂製中空パッケージの製造方法。
【請求項６】
半導体素子を収納する凹部を有するパッケージ本体を樹脂で形成する工程と、
前記中空部の内面からパッケージ本体の上面及び外側面を経てパッケージ本体の底面に至るまでの樹脂表面に、連続的または断続的に、パッケージ本体を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い材料を含んだペーストを印刷する工程と、
前記印刷されたペーストを乾燥、ベークまたは紫外線照射により固化させて前記樹脂よりも熱伝導率の高い薄膜層を形成する工程と、
を含む半導体素子収納用樹脂製中空パッケージの製造方法。
【請求項７】
前記薄膜層を形成する工程の後に、前記薄膜層の上に印刷またはめっきにより薄膜を形成する工程を含む請求項５または請求項６に記載の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージの製造方法。
【請求項８】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージの中空部底面に半導体素子が搭載され、前記中空部が蓋体により封止されてなる半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置を有する電子機器。
【請求項１０】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージの中空部底面に、半導体素子を搭載する工程と、
パッケージ本体の電極部分と、半導体素子の電極部分とを電気的に接続する工程と、
前記中空部を蓋体により封止する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を収納する中空部を有する半導体素子収納用樹脂製中空パッケージとそれを使用した半導体装置及び電子機器、さらには、その半導体素子収納用樹脂製中空パッケージと半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の機能特性は、外気の温度や湿度の変化、あるいは微小なダストに大きく影響され、また機械的振動や衝撃を受けることにより劣化しやすいことが知られている。これらの外的要因から半導体素子を保護するために、セラミックスからなるパッケージや樹脂で封止したパッケージなどが使用されている。
【０００３】
ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの半導体素子は、パッケージ外部と光の通路が必要であり、光の通路を必要としない一般的なＬＳＩ素子のように、周囲を樹脂で封止することができない。したがって、これらの半導体素子は、一般的に一方が開放された中空タイプのパッケージに実装され、その中空部をガラスなどの透明な蓋で封止することにより、パッケージングされている。
【０００４】
従来、完全封止する一般的なＬＳＩ素子においては、自己発熱によって応答速度の低下を生じるといった問題があった。近年ではＬＳＩ素子の高集積化が進みＬＳＩ素子からの発熱量が増加する傾向にあるため、前記の問題は特に注目すべき点となってきた。この問題は、中空タイプのパッケージに搭載される前記の半導体素子においても例外ではなく半導体素子の発熱は必然であり、特に中空タイプのパッケージにおいては、パッケージ本体に吸着していた水分が熱によって気化し、その気化した水分が中空部内にこもり、その影響で半導体素子が劣化したり、電極部分に水分が付着し酸化腐食が発生したり、封止材として用いるガラスなどの蓋体が結露して受光が妨害され、装置が誤作動したり使用不能になったりする等の問題が生じる。
【０００５】
このため従来、放熱材料を用いて熱を放出する手法がとられている。例えば、特許文献１には、半導体素子の動作時に発生する熱を放出する効果を持つ半導体装置として、放熱効果を有する耐湿板を樹脂製中空パッケージの中空部底部の樹脂内に埋め込んだものが記載されている。また、特許文献２には、リードフレームの一部にアイランド部を設け、このアイランド部を樹脂製中空パッケージの中空部底部の樹脂内に埋め込むことにより放熱性を高めた半導体装置が記載されている。
【０００６】
しかし、上記従来の半導体装置には、以下のような問題がある。
【０００７】
すなわち、特許文献１の半導体装置では、放熱効果を有する耐湿板が樹脂内に完全に埋め込まれており、半導体素子の動作時の発熱が耐湿板から熱伝導率の低い樹脂を介して雰囲気中へ放出されるため、半導体装置において最も温度が上昇するパッケージ本体の底面において十分な放熱効果が得られない。特許文献２の半導体装置においても、同様の問題がある。
【０００８】
さらに、特許文献２の半導体装置では、前記アイランド部はリードフレームと同一金属板の加工により作られるため、アイランド部の厚さがリードフレームと同厚になる。一般にリードフレームの厚みは０．１０〜０．３０ｍｍ程度が多用されるため、例えばパッケージ中空部下方の樹脂の厚さが０．２０ｍｍの薄型パッケージの場合、０．１０ｍｍのアイランドを挿入すると、樹脂の厚さは０．１０ｍｍといった極めて薄い状態になり、成型時に樹脂の充填不良が多発したり、強度が低下したりするなどの問題が発生するため、薄型の半導体素子収納用中空パッケージとしては実用的でない。
【０００９】
また、リードフレームの肉厚を薄くして０．１０ｍｍ未満の薄いアイランドを形成しようとすると、その強度の低下に起因して、前記アイランドが成型時の樹脂注入圧や金型クランプ圧に耐えることができず、変形を生じる。さらにはリードフレームのアウターリードも同厚となるため搬送の際に位置決めを行うパイロット穴の変形やハンドリング性の悪化など、リードフレーム全体における不具合も発生する。
【００１０】
また、リードフレームを打抜きまたはエッチングにより形成しようとした場合、前記アイランド部は構造上インナーリードより内側に形成しなければならない。さらにインナーリードとアイランド部の間のクリアランスが必要であるため、アイランド部はさらに小さいものとなってしまい、放熱性や耐湿性などの効果を十分に発揮でない。
【００１１】
また、このパッケージに電解めっきを行う場合、アイランド部がリードフレームと導通しているため、アイランド部の金属面が露出した構造では、めっきの必要がないアイランド部の金属面にまでめっきされてしまう。さらに無電解めっきの場合でも同様に、露出したアイランド部の金属面に対してめっきされてしまうため、めっきコストが増大するという問題もある。
【００１２】
そのほかにも、従来、樹脂製中空パッケージにおいては様々な工夫がなされてきた。例えば、特許文献３には水分不透過膜として機能する金属めっきをパッケージ底面に形成する技術が提案されている。しかし、樹脂製のパッケージに直接、金属めっきを施すためには、パターニング工程が必要であり、そのパターニング工程に伴うコストが高いという問題がある。
【特許文献１】特開平４−７９２５６号公報
【特許文献２】特開平４−３１２９６３号公報
【特許文献３】特開２００５−２１７２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、従来の樹脂製中空パッケージに比べ高い放熱性を安価に実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージは、半導体素子を収納する中空部を有する半導体素子収納用樹脂製中空パッケージであって、パッケージ本体の底面、若しくは前記中空部の内面からパッケージ本体の上面及び外側面を経てパッケージ本体の底面に至るまでの樹脂表面に、連続的または断続的に、パッケージ本体を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い材料を含んだペーストを印刷して形成された、前記樹脂よりも熱伝導率の高い薄膜層を有するものである。
【００１５】
パッケージ本体の底面に形成する前記薄膜層は、前記中空部の底面に実装される半導体素子と同程度若しくはそれ以上の面積を有する大きさとすることができる。また、前記薄膜層の上には、印刷またはめっきにより、さらに薄膜を積層することもできる。
【００１６】
また、本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージの製造方法は、半導体素子を収納する凹部を有するパッケージ本体を樹脂で形成する工程と、パッケージ本体の底面、若しくは前記中空部の内面からパッケージ本体の上面及び外側面を経てパッケージ本体の底面に至るまでの樹脂表面に、連続的または断続的に、パッケージ本体を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い材料を含んだペーストを印刷する工程と、前記印刷されたペーストを乾燥、ベークまたは紫外線照射により固化させて前記樹脂よりも熱伝導率の高い薄膜層を形成する工程とを含むものである。
【００１７】
そして、このようにして得られた半導体素子収納用樹脂製中空パッケージの中空部底面に半導体素子を搭載し、パッケージ本体の電極部分と半導体素子の電極部分とを電気的に接続し、前記中空部を蓋体で封止することにより半導体装置を得ることができる。さらに、この半導体素子を用いて電子機器を製作することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、パッケージ本体の樹脂表面に、パッケージ本体を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い薄膜層を形成することにより、半導体素子の動作時の発熱は、前記薄膜層から直接雰囲気中へと放出されるため、高い放熱性を有する半導体装置が得られ、特に薄型の樹脂製中空パッケージを用いた半導体装置においても十分な性能を長期にわたり安定して得ることが可能となる。
【００１９】
また、前記薄膜層は、パッケージ本体を構成する樹脂よりも熱伝導率の高いペーストをパッケージ本体の樹脂表面に印刷することにより形成されるので、その薄膜層の形成には、パターニング工程に伴うレジスト処理を行う必要がなく、大幅なコストダウン及びリードタイムの短縮を図ることができる。
【００２０】
さらに、前記薄膜層をパッケージ本体の樹脂表面上に選択的に形成でき、また、その薄膜層の形状や面積も自由に設定できる。したがって、半導体装置の種類や使用環境に応じて、必要な放熱性を容易に満足させることができる。さらに、前記薄膜層の厚みも自由に設定できるので、耐湿性の向上も図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。無論、本発明はこの実施の形態に限られるものではない。
【００２２】
図１は、本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージの一例を示す断面図である。
【００２３】
樹脂製のパッケージ本体１は、半導体素子を収納する中空部２を有し、パッケージ本体１の樹脂表面には、後で詳しく説明するように、パッケージ本体１を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い薄膜層３が形成されている。パッケージ本体１は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、またはポリスルホン樹脂などの耐熱性熱可塑性樹脂によって成型するのが好ましい。
【００２４】
図１の例では、パッケージ本体１の樹脂中にリードフレーム４が埋設されており、そのインナーリード４ａの一端上面は中空部２に露出している。他端側のアウターリード４ｂはフレーム曲げ加工により所定の形状に成形されて、パッケージ本体１の側方に露出している。このリードフレーム４は、ニッケル合金、銅合金などで形成するのが好ましい。リードフレーム４には、必要に応じて金、銀、ニッケル、半田などのめっき加工を必要な部位に施すこともできる。
【００２５】
前記の薄膜層３は、パッケージ本体１を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い材料を含んだペーストをインクジェットなどの印刷により所定の部位に所定の形状で印刷し、その後、乾燥、ベークまたは紫外線照射等により固化させたものである。薄膜層３の厚みは、例えばインクジェット印刷の場合、吐出圧、吐出量、パターニング速度等の条件を変更したり、同じパターンを２回以上同一領域に印刷したりすることにより容易に制御することができる。また、印刷により形成した薄膜層３の上に、さらにめっきにより薄膜を形成することによって、薄膜層３の厚みを変更することもできる。具体的には、無電解めっきや電解めっきにより浸漬時間や電流の制御を行うことで厚みを変更する。
【００２６】
薄膜層３のベースとなるペーストは、パッケージ本体１を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い材料を含むものであれば特に限定されるものではなく、金属、無機化合物、酸化物、樹脂またはこれらの複合物からなる材料とすることができる。ただし、熱伝導率を向上させるためには、ペーストに含有させる材料として、例えば金、銀、銅、白金、亜鉛、パラジウム、タングステン、ニッケル若しくはアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料、若しくはこれらを含む合金を選択することが好ましい。あるいは、セラミックスを含有させることもできる。また、前記材料群のうち一種に限定することなく二種以上の材料を選択し混合したり、異なる材料の薄膜層を積層することも可能である。例えば、銅の薄膜層を形成した後にニッケルの薄膜層を形成することで、銅の錆びの発生を防止できる機能を兼ね備えることが可能となる。
【００２７】
このペーストをパッケージ本体１の樹脂表面に印刷する方法としては、立体的な形状部分に対してはインクジェット印刷技術を適用することが好ましいが、平面的な形状部分に対しては、スクリーン印刷技術を適用できる。また、ディスペンス印刷技術を適用することもできる。
【００２８】
なお、パッケージ本体１の樹脂表面と薄膜層３との密着性を向上させるために、インクジェット印刷などでペーストを印刷する以前に、パッケージ本体１の樹脂表面を粗面化してもよい。粗面化の方法としては、例えばブラスト法、化学研磨法等が好ましい。
【００２９】
次に、本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージの製造方法の一例を説明する。図２は、図１に示す半導体素子収納用樹脂製中空パッケージの製造方法の要部を工程順に示す断面図である。
【００３０】
まず、図２（ａ）に示すように、上金型１１ａと下金型１１ｂからなる金型１１内にリードフレーム４をセットする。具体的には、位置決めのためにリードフレーム４のパイロット穴（図示せず）に金型１１に設けられたパイロットピン（図示せず）を挿入し、リードフレーム４を金型１１内の所定位置にセットした後、上金型１１ａと下金型１１ｂによりクランプする。
【００３１】
次に、金型１１内に樹脂を注入してパッケージ本体１を成型する。これにより、図２（ｂ）に示すように、樹脂がリードフレーム４を覆うように成型され、中空部２を有する所定形状のパッケージ本体１が成型される。成型方法としては一般にトランスファー成型やインジェクション成型が用いられる。
【００３２】
その後、図２（ｃ）に示すように、リードフレーム４のアウターリード４ｂがフレーム曲げ加工により所定の形状に成形される。
【００３３】
次に、図２（ｄ）に示すように、パッケージ本体１の底面１ａにスクリーン印刷により、パッケージ本体１を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い材料を含んだペーストを印刷し、乾燥、ベークまたは紫外線照射等により固化させ前記樹脂よりも熱伝導率の高い薄膜層３を形成する。これによって、放熱性を考慮した高放熱性パッケージが得られるが、さらに以下の工程を実施し、放熱性をより向上させることができる。
【００３４】
すなわち、図２（ｅ）−１に示すように、中空部２の底面２ａにインクジェット印刷により、パッケージ本体１を構成する樹脂よりも熱伝導率の高い材料を含んだペーストを印刷し、乾燥、ベークまたは紫外線照射により固化させ前記樹脂よりも熱伝導率の高い薄膜層３を形成する。図２（ｅ）−２は図２（ｅ）−１のＡ−Ａ断面を示す。同図に示すように、中空部２の内側面２ｂ並びにパッケージ本体１の上面１ｂ及び外側面１ｃにも同様に実施し、前記薄膜層３を形成する。
【００３５】
さらに、前記の工程で所定の形状に形成された薄膜層３上にめっき層を形成すべくめっき処理を施す。めっき層は、所定の形状に形成された薄膜層３上にのみ形成されるため、不要な部分にめっきがなされることがなく、コスト削減を図ることができる。以上の工程を経て図２（ｆ）に示すように、本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージが完成する。
【００３６】
図３〜図１０は、本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージにおいて、パッケージ本体１の樹脂表面上に形成される薄膜層の形状例を示す。
【００３７】
図３は、パッケージ本体１の底面１ａに、半導体素子が搭載される中空部２の底面２ａ（図１参照）と同程度の面積で薄膜層３を形成した例を示す。また、この薄膜層３は、図４に示すようにパッケージ本体１の底面１ａとほぼ同程度の大きさに形成することが好ましい。これにより、放熱性をさらに向上させることができるとともに、薄膜層３が水分遮蔽膜となり封止後の中空パッケージの中空部に水分が浸入しにくくなり、耐湿性が向上する。
【００３８】
図５は、中空部２のインナーリード４ａ露出部分を除いて、その底面２ａ及び内側面２ｂ並びにパッケージ本体１の上面１ｂに、薄膜層３を選択的に形成した例を示す。図６は図５の別の例を示した図であり、薄膜層３は自由な形状で形成することができる。
【００３９】
図７は図４のＢ−Ｂ断面を示す。薄膜層３は、中空部２の底面２ａ及び内側面２ｂからパッケージ本体１の上面１ｂ及び外側面１ｃを経てパッケージ本体１の底面１ａに至るまで、連続的な帯状に形成されている。薄膜層３は、例えば図８に示すように、連続的でなく断続的な帯状に形成してもよい。この場合、パッケージ本体１の厚さが比較的厚い部分については薄膜層３を形成せずとも十分な性能を有するため機能的には問題なく、コストを抑えることが可能となる。なお、薄膜層３をパッケージ本体１の外側面１ｃに形成する場合、各々のアウターリード４ｂが短絡しないように、パッケージ本体１の外側面１ｃのアウターリード４ｂの露出部分を除く範囲に形成することが好ましい。
【００４０】
図９は図４のＣ−Ｃ断面を示し、図１０は図４の側面図を示す。薄膜層３をこのような形状に形成することで、中空部の底面２ａを形成する樹脂より高い熱伝導率を有する薄膜層３を介して、半導体素子からの熱はパッケージ本体１の外周を伝導し直接雰囲気中へと放出されるため、より高い放熱効果が得られる。
【００４１】
次に、本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージを用いた半導体装置の製造方法の一例を説明する。図１１は、図１に示す半導体素子収納用樹脂製中空パッケージを用いた半導体装置の製造方法の要部を工程順に示す断面図である。
【００４２】
まず、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、中空部２の底面２ａの薄膜層３上に、半導体素子２１を搭載する。半導体素子２１は、薄膜層３上にエポキシ系接着剤あるいは銀ペーストにより接着するのが好ましい。なお、図８に示したように中空部２の底面２ａ上の薄膜層が断続的な帯状であったとしても、半導体素子２１の一部が薄膜層３上に接着されることで薄膜層３による放熱効果は確保される。
【００４３】
次に、図１１（ｃ）に示すように、リードフレーム４のインナーリード４ａと半導体素子２１の電極とを、電気的導通を可能にする配線２２、例えば金線により電気的に接続する。
【００４４】
その後、パッケージ本体１の上面１ｂにＵＶ硬化型及び熱硬化型などの接着剤２３を塗布し、その上に蓋体２４を被せることにより、中空部２上方の開口部を蓋体２４により閉塞する。なお、中空部２の封止が可能であれば、接着剤の種類は問わない。
【００４５】
以上の構成の半導体装置においては、半導体素子２１の動作時の発熱は、上述したように薄膜層３より直接雰囲気中へと放出されるため、放熱性の高い半導体装置を得ることができる。また、パッケージ本体１の底面に形成された薄膜層３が水分遮蔽膜としても機能するため、薄型の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージにおいて、その中空部に半導体素子を搭載し、開口部をガラス等の蓋体２４で封止した後についても、パッケージ本体１の底面部分からの水分の浸入を遮断することができ、長きにわたって信頼性を確保できる。さらに、本発明では、薄膜層３の形成にあたり、作業が面倒で、複雑であるパターニング工程を必要としないので、従来の製造方法と比較して飛躍的にコストの削減が可能となる。
【００４６】
図１２は、本発明をＭＩＤ（Molded Interconnect Device）構造の樹脂製中空パッケージに適用した例を示す。図１２において、パッケージ本体１に形成される配線パターンは省略している。本発明は、図１２のようなリードフレームを埋設しないＭＩＤ構造の樹脂製中空パッケージにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージの一例を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体素子収納用樹脂製中空パッケージの製造方法の要部を工程順に示す断面図である。
【図３】本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージにおいて、パッケージ本体の樹脂表面上に形成される薄膜層の形状例を示す。
【図４】本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージにおいて、パッケージ本体の樹脂表面上に形成される薄膜層の形状例を示す。
【図５】本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージにおいて、パッケージ本体の樹脂表面上に形成される薄膜層の形状例を示す。
【図６】本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージにおいて、パッケージ本体の樹脂表面上に形成される薄膜層の形状例を示す。
【図７】図４のB−B断面を示す。
【図８】本発明の半導体素子収納用樹脂製中空パッケージにおいて、パッケージ本体の樹脂表面上に形成される薄膜層の形状例を示す。
【図９】図４のC−C断面を示す。
【図１０】図４の側面図を示す。
【図１１】図１に示す半導体素子収納用樹脂製中空パッケージを用いた半導体装置の製造方法の要部を工程順に示す断面図である。
【図１２】本発明をＭＩＤ（Molded Interconnect Device）構造の樹脂製中空パッケージに適用した例を示す。
【符号の説明】
【００４８】
１  パッケージ本体
１ａ  パッケージ本体の底面
１ｂ  パッケージ本体の上面
１ｃ  パッケージ本体の外側面
２  中空部
２ａ  中空部の底面
２ｂ  中空部の内側面
３  薄膜層
４  リードフレーム
４ａ  インナーリード
４ｂ  アウターリード
１１  金型
１１ａ  上金型
１１ｂ  下金型
２１  半導体素子
２２  配線
２３  接着剤
２４  蓋体
【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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