(57)【要約】【課題】リードフレームと封止材との界面のクラックの発生を防止し、イオンマイグレーションによる不具合の発生を回避できる半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置は、半導体チップ３０と、樹脂等の封止材により構成されるパッケージ３３と、一端側が半導体チップ３０に電気的に接続され、他端側がパッケージ３３の外側に突出した複数本のリード２４と、封止材よりも弾性率が低い材料により形成され、パッケージ３３の縁部においてリード２４と封止材との間に介在する応力緩和層２７とにより構成されている。応力緩和層２７は、ポリアミドイミド等のように弾性率が１００ＭＰａの樹脂等により形成され、パッケージ３３の表面に露出している。【選択図】図２
2007250703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップを封止する封止材により構成されたパッケージと、
一端側が前記半導体チップに電気的に接続され、他端側が前記パッケージの外側に突出した複数本のリードと、
前記封止材よりも弾性率が低い材料により形成され、前記パッケージの縁部において前記リードと前記封止材との間に介在し前記パッケージ外に露出した応力緩和層と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記応力緩和層が、ポリアミドイミド、シリコーン樹脂ゲル、シリコーン樹脂エラストマ、アクリルゴム、ブタジエンゴム、ウレタンゴム、可撓化剤変性低弾性エポキシ樹脂及び低弾性ウレタン樹脂からなる群から選択されたいずれか１種の材料により形成されてい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】
リードフレームのインナーリード及びアウターリードのうち前記インナーリードの前記アウターリード側の部分を応力緩和層で被覆する工程と、
前記リードフレームのインナーリードと半導体チップとを電気的に接続する工程と、
前記半導体チップを前記応力緩和層よりも弾性率が高い封止材で封止するとともに、前記インナーリードのうち前記応力緩和層で被覆された部分から前記半導体チップ側の部分を封止材で埋め込む工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記封止材による前記半導体チップの封止は、トランスファー成形装置を用いて行うことを特徴とする請求項３に記載の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、リードフレームを用いて製造された半導体装置及びその製造方法に関し、特にリードフレームと封止材との間の熱膨張率の差に起因する不具合の発生を防止した半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の多くは、リードフレームの上に半導体チップを接合した後、パッケージとなる樹脂等の封止材で半導体チップを封止して形成されている。リードフレームは、金属製の薄板をエッチング加工して形成されており、半導体チップを接合するダイパッドと、ダイパッドの周囲に放射状に配置された多数本のリードとにより構成されている。リードのうちパッケージの内側部分（封止材に埋め込まれた部分）はインナーリードと呼ばれ、パッケージの外側に露出した部分はアウターリードと呼ばれる。
【０００３】
図１は、従来の半導体装置の一例を示す断面図である。この図１に示す半導体装置では、半導体チップ１１は素子形成面を上にしてリードフレームの中央のダイパッド１３上に接合（ダイボンディング）されている。半導体チップ１１の素子形成面上に形成された電極は、金属細線（金ワイヤ）１５を介してリード１４（インナーリード）に電気的に接続されている。
【０００４】
これらの半導体チップ１１、ダイパッド１３及び金属細線１５は、樹脂（封止材）からなるパッケージ１６内に埋め込まれている。パッケージ１６からはリード１４の一部（アウターリード）が突出しており、突出した部分はクランク状に屈曲されている。そして、それらのリード１４の先端部分が、はんだ等により実装基板に接合されるようになっている。
【０００５】
上述したようにリードフレームは金属からなり、パッケージを構成する樹脂とは熱膨張率が異なるので、温度変化によりリードとパッケージとの間に微細な隙間が発生しやすい。そして、このような隙間からパッケージ内に水分が侵入すると、半導体チップの特性が劣化して不良の原因となる。そこで、従来から、パッケージ内への水分の侵入を防止する種々の工夫が行われている。例えば、特許文献１には、パッケージの内側の部分のリードの周囲に樹脂を塗布して、この樹脂により半導体チップへの水分の侵入を防止することが記載されている。また、特許文献２には、パッケージの内側の部分のリードの周囲をガラスの層で覆うことにより、半導体チップへの水分の侵入を防止することが記載されている。
【０００６】
その他、本発明に関係すると思われる従来技術として、特許文献３及び特許文献４がある。これらの特許文献３，４には、半導体チップに印加される応力を軽減するために、半導体チップに所定の特性を有する樹脂を接合することが記載されている。
【特許文献１】特開昭６１−２５３８４５号公報
【特許文献２】特開昭５９−１５５１５２号公報
【特許文献３】特開平９−２４６４２３号公報
【特許文献４】特許第２５５６６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、半導体装置の高機能化及び高密度化に伴って、半導体装置のパッケージサイズが大型化しており、リードの本数も増加している。一方、電子機器の小型化及び軽量化の要求から、半導体装置のパッケージの厚さは薄くなっており、リードの幅やピッチも縮小化される傾向にある。これらの要因が重なって、近年、リードフレームと封止材との界面に、リードフレームと封止材との熱膨張率の差に起因するクラックが多発するようになった。このクラックからパッケージ内に水分が侵入し、リード間でイオンマイグレーションが発生して短絡等の不具合が発生する。
【０００８】
以上から、本発明の目的は、リードフレームと封止材との界面のクラックの発生を防止し、イオンマイグレーションによる不具合の発生を回避できる半導体装置及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、半導体チップと、前記半導体チップを封止する封止材により構成されたパッケージと、一端側が前記半導体チップに電気的に接続され、他端側が前記パッケージの外側に突出した複数本のリードと、前記封止材よりも弾性率が低い材料により形成され、前記パッケージの縁部において前記リードと前記封止材との間に介在し前記パッケージ外に露出した応力緩和層とを有する半導体装置が提供される。
【００１０】
本発明においては、パッケージの縁部において、リードと封止材との間に介在しパッケージの表面に露出した応力緩和層を有している。半導体装置に温度変化が加えられると、リードと封止材との熱膨張率の差に応じた応力が発生するが、この応力により応力緩和層が弾性変形して、封止材（パッケージ）に印加される応力が緩和される。
【００１１】
これにより、封止材（パッケージ）にクラックが発生することが回避される。その結果、クラック内に侵入する水分によるイオンマイグレーションが防止され、半導体装置の信頼性が向上する。
【００１２】
応力緩和層は、少なくともパッケージの縁部に配置されていればよいが、クラックをより確実に防止するために、インナーリード全体（但し、半導体チップと電気的に接続される部分を除く）を応力緩和層で被覆することが好ましい。応力緩和層には、リードと封止材との両方に対し密着性が良好であることが要求される。また、応力緩和層の弾性率は封止材の弾性率よりも小さいことが要求される。応力緩和層の弾性率は、例えば１００ＭＰａ以下であればよい。
【００１３】
本発明の他の観点によれば、リードフレームのインナーリード及びアウターリードのうち前記インナーリードの前記アウターリード側の部分を応力緩和層で被覆する工程と、前記リードフレームのインナーリードと半導体チップとを電気的に接続する工程と、前記半導体チップを前記応力緩和層よりも弾性率が高い封止材で封止するとともに、前記インナーリードのうち前記応力緩和層で被覆された部分から前記半導体チップ側の部分を封止材で埋め込む工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１４】
本発明においては、インナーリードのうちアウターリード側の部分を応力緩和層で被覆した後、半導体チップを封止材で封止する。これにより、上述した構造の半導体装置を製造することができる。
【００１５】
なお、前述した特許文献１，２はいずれもリードと封止材との間に発生した隙間から侵入する水分を、パッケージ内部に配置された樹脂又はガラス層で遮断するものであり、クラックの発生を防止する本願発明とは技術的思想が異なる。また、特許文献１，２では樹脂又はガラス層がパッケージの内部にあるのに対し、本発明では低弾性樹脂がパッケージの表面に露出しているという外見上の違いがある。
【００１６】
更に、前述した特許文献３，４は、半導体チップに印加される応力を軽減するために半導体チップに特定の樹脂を接合するものであり、リードと封止材との間に発生するクラックを防止するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１８】
図２は、本発明の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。この図２に示すように、本実施形態の半導体装置では、半導体チップ３０は素子形成面を上にして、金属薄板により形成されたリードフレームの中央のダイパッド２３上に接合（ダイボンディング）されている。ダイパッド２３の周囲には、多数本のリード２４が放射状に配置されている。半導体チップ３０の素子形成面上に形成された電極は、金属細線（金ワイヤ）３１を介してリード２４の一方の端部（ダイパッド２３側の端部）に電気的に接続されている。
【００１９】
これらの半導体チップ３０、ダイパッド２３及び金属細線３１は、樹脂（封止材）からなるパッケージ３３内に埋め込まれている。リード２４の一部（アウターリード）はパッケージ３３の外側に突出しており、突出した部分はクランク状に屈曲されている。そして、それらのリード２４の先端部分が、はんだ等により実装基板に接合されるようになっている。
【００２０】
本実施形態の半導体装置では、図２に示すように、リード２４のうちパッケージ３３から突出する部分の周囲に、例えばポリアミドイミド等の低弾性樹脂からなる応力緩和層２７が配置されている。これにより、リード２４がパッケージ３３から突出する部分では、封止材（パッケージ３３）とリード２４との間に応力緩和層２７が介在し、封止材とリード（金属）２４とが直接接触しないようになっている。このため、本実施形態では、熱膨張率の差により封止材とリード２４との間に応力が発生しても、それらの間に介在する応力緩和層２７が弾性変形して、封止材に加わる応力が緩和される。これにより、封止材にクラックが発生することが回避される。
【００２１】
封止材として一般的に使用されるエポキシ樹脂は、弾性率が１ＧＰａ以上のものが多い。応力緩和層２７の弾性率は、この封止材の弾性率よりも十分低いことが必要である。例えば、応力緩和層２７は、弾性率が１００ＭＰａ以下の低弾性樹脂により形成することが好ましい。また、応力緩和層２７は、リード２４がパッケージ３３の外面と交差する部分（パッケージ３３の縁部）のみに設ければよい。しかし、封止材のクラックをより確実に防止するという観点から、パッケージ３３の内側のリード全体（但し、金属細線３１が接合される部分を除く）を応力緩和層２７で被覆することが好ましい。また、図３に示すように、応力緩和層２７はパッケージ３３の外側に突出していてもよい。
【００２２】
本実施形態においては、応力緩和層２７として、パッケージ３３を構成する封止材と、リード２４との両方に対して密着性が良好な樹脂（ポリアミドイミド）を使用している。このため、例えば３０ｍｍ角の半導体装置に対して、電子部品のリフロー温度に相当する２５０℃から２５℃までの温度変化を与えた場合、例えば１５ｐｐｍの熱膨張係数を有するリードフレームが１０１μｍ縮むのに対し、例えば５ｐｐｍの熱膨張係数を有する封止材（パッケージ３３）は３３μｍ程度しか縮まず、温度変化により封止材に発生する応力が小さい。これにより、封止材（パッケージ３３）にクラックが発生することが回避され、パッケージ３３内への水分の侵入を防止することができる。その結果、イオンマイグレーションによるリード間の短絡の発生を回避することができ、半導体装置の信頼性が向上する。
【００２３】
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図４〜図７を参照して説明する。
【００２４】
まず、図４に示すようなリードフレーム２０を用意する。このリードフレーム２０は、例えばコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）の薄板をエッチング加工して形成され、枠体２１と、ダイパッド支持部２２と、ダイパッド２３と、リード２４と、タイバー２５とにより構成されている。本実施形態では、ダイパッド２３は略正方形に形成されており、その角部に連絡する４本のダイパッド支持部２２により支持されて、リードフレーム２０の幅方向の中央に配置されている。ダイパッド２３の周囲には多数本のリード２４が放射状に配置されている。それらのリード２４は、パッケージ３３内に埋め込まれるインナーリード２４ａと、パッケージ３３の外側に突出するアウターリード２４ｂとにより構成されている。各インナーリード２４ａの先端は、ダイパッド２３から一定の距離だけ離れている。また、アウターリード２４ｂは、枠体２１とタイバー２５との間に支持されている。タイバー２５はリード２４及びダイパッド支持部２２を支持するために設けられており、半導体チップ３０を封止材で封止した後に切断除去される。
【００２５】
なお、リードフレーム２０には、上述のコバール以外にも、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）やリン青銅若しくは銅などからなる金属薄板、又はそれらの金属薄板に、はんだ、銅、ニッケル又は銀等の金属をめっきしたものなどが用いられる。
【００２６】
次に、中性洗剤や溶剤によりリードフレーム２０を洗浄して油脂分や汚れを除去する。その後、図５に示すように、リードフレーム２０の所定部分（リードフレーム２０のうち図５中に網掛けした領域Ａで示す部分）を応力緩和層２７となるポリアミドイミド等の低弾性樹脂により被覆する。応力緩和層２７は、例えばスクリーン印刷法により形成する。すなわち、最初にリードフレーム２０の一方の面側に、応力緩和層２７となるポリアミドイミド等の低弾性樹脂をスクリーン印刷する。その後、この低弾性樹脂を１８０℃の温度で１０分間乾燥する。そして、リードフレーム２０を室温まで冷却した後、同様にしてリードフレーム２０の他方の面側にも低弾性樹脂をスクリーン印刷し、１８０℃の温度で乾燥する。
【００２７】
応力緩和層２７となる低弾性樹脂としては、上述したポリアミドイミドの他にも、シリコーン樹脂ゲル、シリコーン樹脂エラストマ、アクリルゴム、ブタジエンゴム、ウレタンゴム、可撓化剤変性低弾性エポキシ樹脂、低弾性ウレタン樹脂などのエラストマを使用することができる。低弾性樹脂は、リード２４及び封止材の両方に対し密着性が良好であることが要求される。
【００２８】
また、ここではスクリーン印刷法により低弾性樹脂をリードフレーム２０上に塗布して応力緩和層２７を形成する場合について説明したが、リードフレーム２０のうちダイパッド２３、インナーリード２４ａの先端部分及びアウターリード２４ｂを金属板又は耐溶剤性プラスチック板等で覆った後、低弾性樹脂を吹付け又はロール等により塗布して、応力緩和層２７を形成してもよい。
【００２９】
なお、本実施形態では、後述するようにリードフレーム２０に応力緩和層２７となる低弾性樹脂を塗布した後に樹脂でモールド（封止）するので、低弾性樹脂のガラス転移温度は封止材（封止樹脂）のガラス転移温度よりも高いことが好ましい。
【００３０】
次に、図６に示すように、リードフレーム２０のダイパッド２３の上に半導体チップ３０を接合する。この半導体チップ３０の接合には、例えば銀を含有するエポキシ樹脂系ダイボンディング剤を使用する。その後、ワイヤーボンディング装置を使用し、半導体チップ３０の素子形成面上の電極とリードフレーム２０のインナーリード２４ａの先端部とを金属細線（金ワイヤ）３１により電気的に接続する。
【００３１】
次に、低圧トランスファー成形装置を使用して、図７に示すように、半導体チップ３０、ダイパッド２３及び金属細線３１を封止材により封止する。低圧トランスファー成形に用いる封止材には熱硬化性であることが要求され、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂が使用される。本実施形態では、封止材として一般的に使用されるエポキシ樹脂を用いるものとする。具体的には、封止材として、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂にフェノールノボラック樹脂硬化剤とトリフェニルホスフィン硬化促進剤とを混合したものを使用する。そして、半導体チップ３０を接合したリードフレーム２０を金型内に配置し、１７５℃の温度で９０秒間の条件で低圧トランスファープレス成形する。その後、１７５℃の温度で５時間かけて封止材を硬化させ、パッケージ３３を形成する。
【００３２】
なお、本実施形態では、上述したように半導体チップ３０の封止に低圧トランスファー形成法を用いているが、ポッティング法、ディッピング法、キャスティング法又は含浸法により半導体チップ３０を封止してもよい。
【００３３】
次いで、レジンカットパンチを用いてパッケージ３３とタイバー２５との間に付着した樹脂を除去し、タイバーカットパンチを用いてタイバー２５をカットする。また、リードカットパンチを用いてリード２４を枠体２１から切り離す。このようにして各リード２４をそれぞれ電気的に分離した後、曲げパンチを用いてリード２４を所定の形状（クランク状）に折り曲げる。このようにして、図２に示す構造の本実施形態の半導体装置が完成する。
【００３４】
以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。
【００３５】
（付記１）半導体チップと、
前記半導体チップを封止する封止材により構成されたパッケージと、
一端側が前記半導体チップに電気的に接続され、他端側が前記パッケージの外側に突出した複数本のリードと、
前記封止材よりも弾性率が低い材料により形成され、前記パッケージの縁部において前記リードと前記封止材との間に介在し前記パッケージの表面に露出した応力緩和層と
を有することを特徴とする半導体装置。
【００３６】
（付記２）前記応力緩和層が、ポリアミドイミド、シリコーン樹脂ゲル、シリコーン樹脂エラストマ、アクリルゴム、ブタジエンゴム、ウレタンゴム、可撓化剤変性低弾性エポキシ樹脂及び低弾性ウレタン樹脂からなる群から選択されたいずれか１種の材料により形成されていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【００３７】
（付記３）前記応力緩和層の弾性率が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【００３８】
（付記４）前記封止材がエポキシ樹脂を主成分とすることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【００３９】
（付記５）前記半導体チップと前記リードとが金属細線を介して電気的に接続されていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【００４０】
（付記６）リードフレームのインナーリード及びアウターリードのうち前記インナーリードの前記アウターリード側の部分を応力緩和層で被覆する工程と、
前記リードフレームのインナーリードと半導体チップとを電気的に接続する工程と、
前記半導体チップを前記応力緩和層よりも弾性率が高い封止材で封止するとともに、前記インナーリードのうち前記応力緩和層で被覆された部分から前記半導体チップ側の部分を封止材で埋め込む工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００４１】
（付記７）前記封止材による前記半導体チップの封止は、トランスファー成形装置を用いて行うことを特徴とする付記６に記載の半導体装置の製造方法。
【００４２】
（付記８）前記リードフレームは、前記半導体チップを搭載するダイパッドを有することを特徴とする付記６に記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、従来の半導体装置の一例を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明に実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その１）であり、リードフレームの平面図を示している。
【図５】図５は、本発明に実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その２）であり、応力緩和層となる低弾性樹脂の塗布領域を示している。
【図６】図６は、本発明に実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その３）であり、半導体チップを搭載したリードフレームを示している。
【図７】図７は、本発明に実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図（その４）であり、半導体チップを封止した状態を示している。
【符号の説明】
【００４４】
１１，３０…半導体チップ、
１３，２３…ダイパッド、
１４，２４…リード、
１５，３１…金属細線、
１６，３３…パッケージ、
２０…リードフレーム
２１…枠体、
２２…ダイパッド支持部、
２４ａ…インナーリード、
２４ｂ…アウターリード、
２５…タイバー、
２７…応力緩和層。
【図１】
2007250703.tif 000003
【図２】
2007250703.tif 000004
【図３】
2007250703.tif 000005
【図４】
2007250703.tif 000006
【図５】
2007250703.tif 000007
【図６】
2007250703.tif 000008
【図７】
2007250703.tif 000009