(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイパッド部がパッケージの外部に露出し、封止樹脂により半導体チップが封止された半導体装置において、
前記半導体チップが載置されたダイパッド部と、
前記半導体チップと電気的に接続されるインナーリード部、前記ダイパッド部、及び、半導体装置の外部端子であるアウターリード部を備えるリードフレームと、
前記ダイパッド部に対向するパッケージ端部に配置された金属板と、
を含み、
前記金属板が前記ダイパッド部を形成する合金及び前記封止樹脂より熱膨張係数の小さい金属で形成されている半導体装置。
【請求項２】
前記半導体装置を左右対称に２分する中心軸と、
前記半導体チップを左右対称に２分する中心軸と、
前記ダイパッド部を左右対称に２分する中心軸と、
前記金属板を左右対称に２分する中心軸と、
が同軸上に位置する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記リードフレームが、銅合金で形成されていることを含む、請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属板の表面が、パッケージの外部に露出している、請求項１乃至請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属板におけるパッケージ外部に露出している表面に凹状の窪みを設けた、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属板における前記ダイパッド部と対向する面の面積が、
ダイパッド部における金属板と対向する面積の６０％以上、パッケージにおける底部の面積以下の範囲内であって、
好ましくは、前記ダイパッド部における前記金属板と対向する面の面積に対する、前記金属板における前記ダイパッド部と対向する面の面積の比率が、６０％〜２５０％の範囲内である請求項１乃至請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ダイパッド部の厚みに対する、前記金属板の厚みの比率が８０％〜３００％の範囲内である請求項１乃至請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記金属板と、前記半導体チップとの間の距離が、
０．２mm以上、半導体チップの表面とパッケージの表面との間の距離から、金属板の厚みを除いた距離以下の範囲内であって、
好ましくは、０．２mm〜０．６mmの範囲内である請求項４乃至請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記金属板の熱膨張係数が、２×１０-６mm／℃〜１０×１０-６mm／℃の範囲内である請求項１乃至請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
ダイパッド部がパッケージの外部に露出し、封止樹脂により半導体チップの封止を行なう半導体装置の製造方法において、
前記リードフレームを構成しているダイパッド部に半導体チップを載置するステップと、前記半導体チップとインナーリード部、及び、該半導体チップとダイパッド部を接続するワイヤーボンディングステップと、
金型で形成されたキャビティ内部に、前記ダイパッド部を形成する合金及び前記封止樹脂より熱膨張係数の小さい金属板を載置し、前記半導体チップが載置されたリードフレームを前記金型で挟み込み、封止樹脂をキャビティ内部に流し込むステップと、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記金型が、上下に分割可能な上型と下型により形成され、前記金属板を前記下型が形成するキャビティ内部に載置する工程を含む、請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記金型における下型のキャビティ面に設けられた凸状の突起に、前記金属板に設けられた凹状の窪みを嵌め込む工程を含む、請求項１１に記載の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、ダイパッド部がパッケージの外部に露出している樹脂封止型の半導体装置、及びその半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７で示すように、半導体装置５０は、半導体チップ５２を載置しているダイパッド５４が、半導体装置５０における実装基板側のパッケージの外面に露出している。この半導体装置５０は、ダイパッド５４がパッケージの外面に露出していることにより、半導体チップ５２で発生した熱が、ダイパッド５４を通じて半導体装置５０の外部に効率良く放出される。
【０００３】
しかし、このダイパッド５４が露出する型式のパッケージは、ダイパッド５４が半導体装置５０における底部に位置することから、耐湿性試験やリフロー工程等の熱による内部応力により、半導体装置５０の内部構造が破壊されることがあった。これは、半導体チップ５２が載置されたダイパッド５４と封止樹脂５６とが、それぞれ熱膨張係数が異なることから、これらに外部から熱が与えられることにより、異なる方向に膨張して、ダイパッド５４と封止樹脂５６とが剥離することに原因がある。
【０００４】
以下に理由を説明する。図８は、ダイパッド５４がパッケージの外部に露出している樹脂封止型の半導体装置５０に外部から熱を加えたときの内部熱応力の状態を矢印にて示したものである。この図８においてインナーリード５８が存する水平面を基準として、半導体装置５０の上半分を上部分とし、下半分を下部分とする。
【０００５】
半導体装置５０を構成する各部材の熱膨張係数は、シリコンを素材とした半導体チップが３×１０-６mm／℃であり、銅を素材としたダイパッド５４が１７×１０-６mm／℃であり、エポキシを素材とした封止樹脂が１２×１０-６mm／℃である。
【０００６】
図８に示すように、この半導体装置５０に外部から熱が加えられると、半導体装置５０の上部分は、封止樹脂５６の膨張が半導体チップ５２に影響されることから、上向きの凸状に反る。また、半導体装置５０の下部分は、ダイパッド５４の膨張が半導体チップ５２に影響されることから、下向きの凸状に反る。すると、封止樹脂５６とダイパッド５４とが剥離してしまい、封止樹脂５６とダイパッド５４との界面位置に隙間が生じてしまう。
【０００７】
そのため、ダイパッド５４にボンディングされた、半導体チップ５２を接地するためのボンディングワイヤー６０がネック切れを起こしてしまい、半導体装置５０の特性を悪化させていた。
【０００８】
また、このダイパッド５４がパッケージの外部に露出している樹脂封止型の半導体装置５０は、半導体装置５０の耐湿性試験の際に、封止樹脂５６が水分を吸収する。そして、この吸収された水分が、上述のダイパッド５４と封止樹脂５６との界面に生じた隙間に集まる。この水分が、外部からの熱により気化膨張を起こすことが、パッケージ全体に亀裂を生じさせるパッケージクラックの原因の一つである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ダイパッド部がパッケージの外部に露出している樹脂封止型の半導体装置において、半導体装置を構成する部材の内部熱応力の違いによる内部破壊を起こさない半導体装置、及び、その半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の半導体装置は、ダイパッド部がパッケージの外部に露出し、封止樹脂により半導体チップが封止された半導体装置において、前記半導体チップが載置されたダイパッド部と、前記半導体チップと電気的に接続されるインナーリード部、前記ダイパッド部、及び、半導体装置の外部端子であるアウターリード部を備えるリードフレームと、前記ダイパッド部に対向するパッケージ端部に配置された金属板と、を含み、前記金属板が前記ダイパッド部を形成する合金及び前記封止樹脂より熱膨張係数の小さい金属で形成されている。
【００１１】
本発明は、ダイパッド部がパッケージの外部に露出し、封止樹脂により半導体チップの封止を行なう半導体装置の製造方法において、前記リードフレームを構成しているダイパッド部に半導体チップを載置するステップと、前記半導体チップとインナーリード部、及び、該半導体チップとダイパッド部を接続するワイヤーボンディングステップと、金型で形成されたキャビティ内部に、前記ダイパッド部を形成する合金及び前記封止樹脂より熱膨張係数の小さい金属板を載置し、前記半導体チップが載置されたリードフレームを前記金型で挟み込み、封止樹脂をキャビティ内部に流し込むステップと、を含む。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半導体装置及びその半導体装置の製造方法の実施形態を、図面に基づいて詳しく説明する。図１は、本発明のダイパッド部１４がパッケージの外部に露出している樹脂封止型の半導体装置１０の断面図である。この半導体装置１０は、半導体装置１２、リードフレーム１６、及び、金属板１８と、これらを封止する封止樹脂２２により構成される。半導体チップ１２はダイパッド部１４の上に載置される。リードフレーム１６は、ダイパッド部１４、半導体チップ１２と電気的に接続されるインナーリード部１６ａ、及び、半導体装置１０の外部端子であるアウターリード部１６ｂにより形成される。金属板１８は、ダイパッド部１４と対向するパッケージ端部に配置される。封止樹脂２２は、半導体チップ１２、ダイパッド部１４、インナーリード部１６ａ、及び、金属板１８を樹脂封止している。但し、金属板１８の一側面は、パッケージ外面に露出している。
【００１３】
図１で示すように、本実施形態のリードフレーム１６は、銅合金などの通常のリードフレームに用いられている金属で形成されている。このリードフレーム１６の中央に設けられたダイパッド部１４の上に、Agペースト等の熱伝導性に優れた材料により接合される半導体チップ１２が載置される。このダイパッド部１４の両側にはインナーリード部１６ａが形成されており、このインナーリード部１６ａと連続してアウターリード部１６ｂが設けられている。
【００１４】
この半導体チップ１２の電極（図示せず）とリードフレーム１６のインナーリード部１６ａとが、Auを素材としたボンディングワイヤー２０で電気的に接続される。また、この半導体チップ１２の電極は、リードフレーム１６のダイパッド部１４との間においても、Auを素材とした接地用ボンディングワイヤー２０ａで電気的に接続される。
【００１５】
この半導体チップ１２とダイパッド部１４との間を電気的接続する理由は、半導体装置１０の高い電気的特性を保持するために、半導体チップ１２を部分的に接地する必要があるからである。つまり、接地用ボンディングワイヤー２０ａが、半導体チップ１２とダイパッド部１４の接地端子（図示せず）とを接続することで、半導体チップ１２が接地されることになる。この接地端子は、ダイパッド部１４がリードフレーム１６を介して外部の接地装置と接続される。この接地端子をダイパッド部１４に４ヶ所設けている。
【００１６】
リードフレーム１６におけるアウターリード部１６ｂは、本発明による半導体装置１０を実装基板に接続するための外部端子の役割を果たしている。
【００１７】
図１に示すように、金属板１８は、ダイパッド部１４おける半導体チップ１２が載置されている面に対向する位置に配置されていて、この金属板１８の一側面が半導体装置１０の外部に露出している。この金属板１８は４２合金（42％Fe-Ni合金）を用いて形成している。この金属板は４２合金に限定されず、リードフレーム１６を構成する素材より熱膨張係数が小さい材料であればよい。理想的には、熱膨張係数が２×１０-６mm／℃〜１０×１０-６mm／℃の範囲内であることが望ましい。
【００１８】
この金属板１８のダイパッド部１４と対向する面の面積は、ダイパッド部１４における金属板１８と対向する面の面積に対して１２０％の比率となる。また、この面積の比率は、この数値に限定されない。
【００１９】
図２は、本実施の形態における半導体装置１０の断面を示したものであり、図１と同じ構成で示してあることから、符号は省略してある。Ａは金属板１８におけるダイパッド部１４と対向する面の面積である。Ｂはダイパッド部１４における金属板１８と対向する面の面積（半導体チップ１２が載置されている部分の面積も含む）である。Ｃは半導体装置１０におけるパッケージの底面の面積である。Ｄは金属板１８の厚み（mm）である。Ｅはダイパッド部の厚み（mm）である。Ｆは金属板１８と半導体チップ１２との距離（mm）である。Ｇはパッケージ表面と半導体チップ１２との距離（mm）である。
【００２０】
金属板１８におけるダイパッド部１４と対向する面の面積（Ａ）が、ダイパッド部１４における金属板１８と対向する面積（Ｂ）の６０％以上、パッケージにおける底部の面積（Ｃ）以下の範囲内（０．６×Ｂ≦Ａ≦Ｃ）であればよい。好ましくは、ダイパッド部１４における金属板１８と対向する面の面積（Ｂ）に対する、金属板１８におけるダイパッド部１４と対向する面の面積（Ａ）の比率が、６０％〜２５０％の範囲内（０．６×Ｂ≦Ａ≦２．５×Ｂ）であることが望ましい。これらの数値は、発明者が鋭意研究を重ねた結果により得られた数値である。
【００２１】
また、この金属板１８における露出面の中央位置には、凹状の窪み２６が設けられている。この窪み２６は、後述する金型２８における下型２８ｂに設けられた凸状の突起２４に嵌め込むために設けられている。
【００２２】
この金属板１８の厚みは、図２に示すように、同じ厚さ（Ｄmm＝Ｅmm）で形成されている。また、金属板１８の厚さもこの数値に限定されず、ダイパッド部１４の厚み（Ｅ）mmに対する、金属板１８の厚み（Ｄ）mmの比率が８０％〜３００％の範囲内（０．８×Ｅ≦Ｄ≦３×Ｅ）であればよい。これらの数値は、発明者が鋭意研究を重ねた結果により得られた数値である。
【００２３】
図１に示すように、封止樹脂２２は、半導体チップ１２が載置されたダイパッド部１４と、半導体チップ１２と電気的に接続されたインナーリード部１６ａと、その電気的に接続するために使用されているボンディングワイヤー２０と、金属板１８とを封止している。この封止樹脂２２は、エポキシ樹脂にシリカ系のフィラーを配合したものを素材とし、一般的にエポキシ樹脂系封止材と呼ばれているものである。
【００２４】
これらの、半導体チップ１２と、ダイパッド部１４と、金属板１８のそれぞれを左右対称に２分する中心軸が、半導体装置１０を左右対称に２分する中心軸と同軸上に位置している。また、本実施の形態による半導体装置１０は、ダイパッド部１４を半導体装置１０の外面に露出させるために、ダイパッド部１４が半導体装置１０における端部に位置することになる。さらに、本実施の形態による半導体装置１０においては、金属板１８と、この金属板１８と対向する半導体チップ１２との間の距離が、０．２０mmになるように金型２８の大きさが調整されている。この距離も０．２０mmに限定されない。
【００２５】
図２に示すように、金属板１８と半導体チップ１２との間の距離（Ｆ）mmが、０．２mm以上、半導体チップ１２の表面とパッケージの表面との間の距離（Ｇ）mmから、金属板１８の厚み（Ｄ）mmを除いた距離以下の範囲内（０．２mm≦Ｆ≦Ｇmm−Ｄmm）であって、好ましくは、０．２mm〜０．６mmの範囲内であることが望ましい。これらの数値は、発明者が鋭意研究を重ねた結果により得られた数値である。
【００２６】
次に、本発明における半導体装置１０の製造方法を図３から図５に基づいて説明する。これらの図面は、本実施の形態における半導体装置１０の製造方法を説明するための断面図である。
【００２７】
本発明における半導体装置１０は、リードフレーム１６を構成しているダイパッド部１４に半導体チップ１２を載置する工程と、半導体チップ１２とインナーリード部１６ａ、及び、その半導体チップ１２とダイパッド部１４を接続するワイヤーボンディング工程と、金型２８で形成されたキャビティ３０内部に金属板１８を挿入し、半導体チップ１２が載置されたリードフレーム１６を金型２８で挟み込み、封止樹脂２２をキャビティ３０内部に流し込む工程とにより形成する。
【００２８】
図３に示すように、リードフレーム１６を構成するダイパッド部１４の上面にAgペースト等の接着剤により半導体チップ１２を載置する。このとき、この半導体チップ１２は、半導体チップ１２の中心が、ダイパッド部１４の中心に位置するように載置する。
【００２９】
次に、図４に示すように、リードフレーム１６を構成するインナーリード部１６ａと、半導体チップ１２の電極（図示せず）とを、Auを素材としたボンディングワイヤー２０で接続する。また、ダイパッド部１４における接地端子と、半導体チップ１２の電極との間も、半導体チップ１２を接地させるために、Auを素材とした接地用ボンディングワイヤー２０ａで接続する。
【００３０】
次に、図５を用いて半導体チップ１２が載置されたリードフレーム１６を封止樹脂２２で樹脂封止する工程について説明する。この樹脂封止工程においては、上下に分割可能な上型２８ａと下型２８ｂにより形成された金型２８を使用する。この上型２８ａと下型２８ｂが形成するキャビティ３０内に封止樹脂２２を流し込むことになる。この下型２８ｂには、下型２８ｂのキャビティ３０面の中央位置に凸状の突起２４が形成されている。
【００３１】
まず、下型２８ｂのキャビティ３０内に金属板１８を載置する。この際に、金属板１８の凹状の窪み２６を下型２８ｂの凸状の突起２４に嵌め込むようにして、金属板１８を下型２８ｂに載置する。そして、その下型２８ｂに、半導体チップ１２が載置されているリードフレーム１６を、ワイヤーボンディングされている面が金属板１８側に向くようにして載置する。その時、半導体チップ１２の中心が、金属板１８の中心に位置するように、リードフレーム１６を下型２８ｂに載置する。
【００３２】
次に、リードフレーム１６を挟み込むようにして、下型２８ｂと上型２８ａを重ね合わせる。そして、この上型２８ａと下型２８ｂにより形成されるキャビティ３０内に封止樹脂２２を流し込み、封止樹脂２２を固化させた後、金型２８を外して、アウターリード部１６ｂを整形するなどの後処理を行い、図１に示される半導体装置１０を完成させる。
【００３３】
次に、本発明に係る半導体装置１０の作用について説明する。一般的に半導体装置１０は、完成後に各種の信頼性試験が行われる。その中の一つに耐湿性試験があり、湿度１００％の高温高圧という条件で試験が行われる。また、半導体装置１０を基板に組み込む際に、赤外線炉などを利用したリフロー工程がある。このように半導体装置１０は外部から高い熱を加えられる。
【００３４】
図６は、本実施の形態における半導体装置１０に外部から熱を加えた場合の内部熱応力の状態を示す断面図である。この図６においてインナーリード部１６ａが存する水平面を基準として、半導体装置１０の上半分を上部分とし、下半分を下部分とする。
【００３５】
本実施の形態の場合は、シリコンを素材とした半導体チップ１２の熱膨張係数は３×１０-６mm／℃であり、銅を素材としたダイパッド部１４の熱膨張係数は１７×１０-６mm／℃である。また、エポキシを素材とした封止樹脂２２の熱膨張係数は１２×１０-６mm／℃であり、４２合金を素材とした金属板１８の熱膨張係数は５×１０-６mm／℃である。
【００３６】
図６に示すように、本実施の形態における半導体装置１０に外部から熱が加えられると、半導体装置１０の下部分は、ダイパッドの膨張が半導体チップ１２に影響されることから、下向きの凸状に反る。また、半導体装置１０の上部分は、封止樹脂２２の膨張が金属板１８によって矯正されることから、半導体装置１０の下部分と同じ下向きの凸状に反る。よって、半導体装置１０内部における熱応力の発生が少なくなることから、封止樹脂２２とダイパッドとは剥離しなくなる。
【００３７】
つまり、ダイパッド部１４にワイヤーボンディングされた、半導体チップ１２を接地するための接地用ボンディングワイヤー２０ａがネック切れを起こさないので、半導体チップ１２の接地が確保される。すなわち、半導体装置１０の高周波特性等を高く保つことができるので、半導体装置１０の特性を高いものに維持することができる。
【００３８】
また、この半導体装置１０は、金属板１８がパッケージの外部に露出している。よって、パッケージの外部に露出している封止樹脂２２の表面積が減少するので、封止樹脂２２が吸収する水分の量が減少する。すなわち、吸収された水分が引き起こす、封止樹脂２２とダイパッド部１４との剥離が発生しにくくなる。
【００３９】
本実施の形態における半導体装置１０は、半導体チップ１２と、ダイパッド部１４と、金属板１８のそれぞれを左右対称に２分する中心軸が、半導体装置１０を左右対称に２分する中心軸と同軸上に位置している。これにより、半導体装置１０において、熱応力が中心軸を中心に左右対称に働くことになる。よって、熱応力が偏ることなく均等に働くので、封止樹脂２２とダイパッド部１４との剥離が発生しにくくなる。
【００４０】
さらに、本発明における半導体装置１０の製造方法においては、金属板１８の凹状窪み２６を下型２８ｂの凸状突起２４に嵌め込んだ後に封止樹脂２２を流し込んでいることから、封止樹脂２２を流し込む際に、金属板１８が所定の位置からずれることがない。よって設計されたとおりの構造の半導体装置１０を得ることができる。
【００４１】
以上、本発明に係る半導体装置１０と半導体装置１０の製造方法について、図面に基づいて説明したが、本発明は、図示した例示に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の半導体装置及びその半導体装置の製造方法によれば、ダイパッド部がパッケージの外部に露出していることによる内部熱応力の偏りが、ダイパッドに対向する端部に設けられた金属板により矯正される。よって半導体装置を構成する部材の内部熱応力の違いによる半導体装置内部の破壊を起こすことはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるダイパッド部がパッケージの外部に露出している樹脂封止型の半導体装置の断面図である。
【図２】本発明による半導体装置の断面図であって、各符号は、図１と同じ構成であることから省略している。
【図３】本発明におけるダイパッド部がパッケージの外部に露出している樹脂封止型の半導体装置の製造方法において、リードフレームの上にダイパッドを載置することを説明する断面図である。
【図４】本発明におけるダイパッド部がパッケージの外部に露出している樹脂封止型の半導体装置の製造方法において、ワイヤーボンディングする工程を説明する断面図である。
【図５】本発明におけるダイパッド部がパッケージの外部に露出している樹脂封止型の半導体装置の製造方法において、樹脂封止の工程を説明する断面図である。
【図６】本発明における半導体装置に、外部から熱を加えた場合の内部熱応力の状態を示す断面図である。
【図７】従来の、ダイパッド部がパッケージの外部に露出している樹脂封止型の半導体装置の断面図である。
【図８】従来の、ダイパッド部がパッケージの外部に露出している樹脂封止型の半導体装置に、外部から熱を加えた場合の内部熱応力の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０：半導体装置
１２：半導体チップ
１４：ダイパッド部
１６：リードフレーム
１６ａ：インナーリード部
１６ｂ：アウターリード部
１８：金属板
２０：ボンディングワイヤー
２０ａ：接地用ボンディングワイヤー
２２：封止樹脂
２４：凸状突起
２６：凹状窪み
２８：金型
２８ａ：上型
２８ｂ：下型
３０：キャビティ
【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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