(57)【要約】【課題】半導体チップが発熱した場合においても、大きな熱応力が加わることがない半導体装置を実現できるようにする。【解決手段】半導体装置は、中央部が凸状に折り曲げられた金属板からなり半導体チップ１３を実装基板１２に実装する実装フレーム１１を備えている。実装フレーム１１は、半導体チップ１３を接着するチップ接着部１１Ａと、チップ接着部１１Ａの両側方に形成され、実装基板１２と接続する基板接続部１１Ｃと、チップ接着部１１Ａと基板接続部１１Ｃとの間にそれぞれ形成された弾性部１１Ｂとを有している。チップ接着部１１Ａから基板接続部１１Ｃまでの高さは、半導体チップ１３の高さよりも低い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部が凸状に折り曲げられた金属板からなり半導体チップを実装基板に実装する実装フレームであって、
前記半導体チップを接着するチップ接着面を有するチップ接着部と、
前記チップ接着部の両側方に形成され、前記実装基板と接続する基板接着面を有する基板接続部と、
前記チップ接着部と前記基板接続部との間にそれぞれ形成された弾性部とを備え、
前記チップ接着面から前記基板接続面までの高さは、前記半導体チップの高さよりも低いことを特徴とする実装フレーム。
【請求項２】
前記弾性部は、板バネであることを特徴とする請求項１に記載の実装フレーム。
【請求項３】
前記弾性部は、スリットを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の実装フレーム。
【請求項４】
前記金属板は、前記半導体チップと比べて熱膨張係数が５倍以下の材料により形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の実装フレーム。
【請求項５】
前記金属板は、銅とクロムとを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の実装フレーム。
【請求項６】
前記チップ接着部に前記半導体チップが接着されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の実装フレーム。
【請求項７】
請求項６に記載の実装フレームと、
前記実装基板とを備え、
前記半導体チップは、第１の面にチップ電極パッドを有し、第２の面が前記チップ接着面と接着され、
前記実装基板は、基板電極パッドと、前記基板接着面と接続されたフレーム接続パッドとを有し、
前記チップ電極パッドと前記基板電極パッドとは、機械的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記基板接続面と前記フレーム接続パッドとは、前記基板接続部及び実装基板を貫通するボルトにより接続されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
中央部が凸状に折り曲げられた金属板からなり、第１の面にチップ電極パッドを有する半導体チップの第２の面が接着されたチップ接着面を有するチップ接着部と、前記チップ接着部の両側方に形成され、実装基板と接続する基板接続面を有する基板接続部と、前記チップ接着部と前記基板接続部との間にそれぞれ形成された弾性部とを含み、前記チップ接着面から前記基板接着面までの高さが、前記半導体チップの高さよりも低い実装フレームを準備する工程（ａ）と、
前記チップ電極パッドと、実装基板に形成された基板電極パッドとを対向させた状態において、前記基板接続面と前記実装基板に形成されたフレーム接続パッドとを接続することにより、前記チップ電極パッドと前記基板電極パッドとを圧接する工程（ｂ）とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｃ）では、前記基板接続面と前記フレーム接続パッドとを、前記基板接続部及び実装基板を貫通する貫通ボルトにより接続することを特徴とする請求項９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、実装フレーム、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、パワー半導体装置等の発熱が大きい半導体チップを実装するための実装フレーム、それを用いた半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，電子機器の小型化、軽量化及び高機能化が著しく進む中，そこに搭載される半導体パッケージについても小型化、薄肉化、軽量化及び実装基板への高密度実装が要求されてきている。このような状況の中，チップスケールパッケージ（ＣＳＰ）と呼ばれる半導体パッケージ技術の開発が進んでいる。ＣＳＰではウェハ状態で封止工程が完了し、半導体パッケージのサイズが、ダイシングによって切り出された個々のチップそのもの又は僅かに大きいサイズとなる。ＣＳＰが採用された半導体装置は、表面が保護膜で覆われた半導体チップを備え、保護膜上にはポリイミド層又は再配線が形成され、さらに再配線等を封止する表面側樹脂層が形成されている。表面側樹脂層上には、半導体チップと電気的に接続された複数の外部端子が設けられており、各外部端子を実装基板上のランドに接着させることによって、この半導体装置の実装基板への実装が達成される。
【０００３】
以下に、従来のＣＳＰが採用された半導体装置について説明する。図５に示すように従来の半導体装置は、ダイシングにより切り出された半導体チップ３０が金属フレーム１００の凹部にエポキシ樹脂１０３により封止されて収容されている。半導体チップ３０は、第１の面にははんだ付けが可能なコンタクト層４０が形成されており、第２の面はドレイン電極となっている。チップのドレイン電極は金属フレーム１００の凹部の底面１０１とはんだ１０２により接着されており、コンタクト層４０の上面は、金属フレーム１００の突出部１０５と同一平面となっている。このため、コンタクト層４０及び突出部１０５と、実装基板のコンタクトとを接続することができる。
【特許文献１】特開２００５−３５４１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の半導体装置は金属フレームと接着された半導体チップが、はんだ等の接着材により金属フレームごと実装基板と強固に固定されている。このため、半導体装置が発熱した場合に、半導体チップと金属フレームとの間及び半導体チップと実装基板との間に大きな熱応力が加わるという問題がある。これは、シリコン（約２．６ｐｐｍ／Ｋ）と、銅（約１６．６ｐｐｍ／Ｋ）及びはんだ（約２８ｐｐｍ／Ｋ）との熱膨張係数の違いによる。半導体チップに大きな熱応力が加わると、半導体装置の閾値電圧等の電気特性が変動したり、信頼性が低下したりする。
【０００５】
また、従来の半導体装置はすべての電極パッドをはんだにより固定する必要がある。はんだ接続について品質検査を行うために、全数をＸ線検査にかける必要があるという問題がある。
【０００６】
本発明は、前記従来の問題を解決し、半導体チップが発熱した場合においても、半導体チップに大きな熱応力が加わることがない実装フレームを実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するため、本発明は実装フレームを、半導体チップに張力を加え、半導体チップと実装基板とを密着させる構成とする。
【０００８】
具体的に、本発明に係る実装フレームは、中央部が凸状に折り曲げられた金属板からなり半導体チップを実装基板に実装する実装フレームを対象とし、半導体チップを接着するチップ接着部と、チップ接着部の両側方に形成され、実装基板と接続する基板接続部と、チップ接着部と基板接続部との間にそれぞれ形成された弾性部とを備え、チップ接着部から基板接続部までの高さは、半導体チップの高さよりも低いことを特徴とする。
【０００９】
本発明の実装フレームは、実装基板とチップ接着部との間に形成された弾性部を備え、チップ接着部から基板接続部までの高さは、半導体チップの高さよりも低い。このため、実装フレームを実装基板上に固定すると、半導体チップに両側方から張力が加わり、半導体チップが実装基板に押しつけられる。従って、はんだ等の接着材を用いることなく、半導体チップの電極パッドと実装基板の電極パッドとの導通を確保することができる。その結果、半導体チップと実装基板との熱膨張率の差により生じる応力は、実装フレームの弾性部により吸収され、熱応力による電気的特性の変化及び信頼性の低下等が生じにくい半導体装置を実現できる。
【００１０】
本発明の実装フレームにおいて弾性部は、板バネであってもよい。また、弾性部は、スリットを有する構成であってもよい。このような構成とすることにより、弾性部を容易に形成することができる。
【００１１】
本発明の実装フレームにおいて金属板は、半導体チップと比べて熱膨張係数が５倍以下の材料により形成されていることが好ましい。
【００１２】
本発明の実装フレームにおいて金属板は、銅とクロムとを含む材料により形成されていてもよい。このような構成とすることにより、実装フレームの放熱性を向上させることができる。
【００１３】
本発明の実装フレームは、チップ接着部に半導体チップが接着されている構成としてもよい。
【００１４】
本発明に係る半導体装置は、本発明に係る実装フレームと、半導体チップと、実装基板とを備え、半導体チップは、第１の面にチップ電極パッドを有し、第２の面が実装フレームのチップ接着部と接着され、実装基板は、基板電極パッドと、基板接続部と接続されたフレーム接続パッドとを有し、チップ電極パッドと基板電極パッドとは、機械的に接続されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の半導体装置において、基板接続部と実装基板のフレーム接続パッドとは、基板接続部及び実装基板を貫通するボルトにより接続されていてもよい。
【００１６】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、中央部が凸状に折り曲げられた金属板からなり、第１の面にチップ電極パッドを有する半導体チップの第２の面が接着されたチップ接着面を有するチップ接着部と、チップ接着部の両側方に形成され、実装基板と接続する基板接続面を有する基板接続部と、チップ接着部と基板接続部との間にそれぞれ形成された弾性部とを含み、チップ接着面から基板接着面までの高さが、半導体チップの高さよりも低い実装フレームを準備する工程（ａ）と、チップ電極パッドと、実装基板に形成された基板電極パッドとを対向させた状態において、基板接続面と実装基板に形成されたフレーム接続パッドとを接続することにより、チップ電極パッドと基板電極パッドとを圧接する工程（ｂ）とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の半導体装置の製造方法は、チップ接着部と基板接続部との間にそれぞれ形成された弾性部とを含み、チップ接着面から基板接着面までの高さが、半導体チップの高さよりも低い実装フレームを、チップ電極パッドと、基板電極パッドとを対向させた状態において、基板接続面と実装基板に形成されたフレーム接続パッドとを接続する。このため、はんだ等の接着材を用いることなく、機械的な接続によりチップ電極パッドと基板電極パッドとの導通を確保することができる。このため、熱応力による、半導体チップの反り及び歪み等が生じにくく、電気的特性の変化及び信頼性の低下等が生じにくい半導体装置を実現できる。
【００１８】
本発明の半導体装置の製造方法において、工程（ｃ）では、基板接続部とフレーム接続パッドとを、基板接続部及び実装基板を貫通する貫通ボルトにより接続する構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る実装フレーム、半導体装置及びその製造方法によれば、半導体チップが発熱した場合においても、半導体チップに大きな熱応力が加わることがない実装フレーム、それを用いた半導体装置及びその製造方法を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置であり、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示している。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の半導体装置は、実装基板１２の上に、実装フレーム１１と接続された半導体チップ１３が実装されている。実装フレーム１１は、中央部が凸状に折り曲げられた銅等からなる金属板である。中央部には、半導体チップ１３を接着するチップ接着部１１Ａが形成され、チップ接着部１１Ａの両側方には、それぞれ弾性部１１Ｂ及び基板接続部１１Ｃが形成されている。弾性部１１Ｂは、板バネとなっており、実装フレーム１１を実装基板１２に固定した際に、半導体チップ１３を実装基板１２に押しつける応力を発生させる。
【００２２】
半導体チップ１３は、第１の面にチップ電極パッド１３Ａを有し、第１の面と反対側の第２の面がはんだ又は銀ペースト等の接着材１５により実装フレーム１１のチップ接着部１１Ａのチップ接着面と接着されている。半導体チップ１３の第２の面を例えばドレイン電極とすれば、実装フレーム１１を介して、ドレイン電極を効率よく接地することができる。
【００２３】
実装基板１２は、基板電極パッド１２Ａとフレーム接続パッド１２Ｂとを有している。フレーム接続パッド１２Ｂと基板接続部１１Ｃの基板接続面とは、はんだ又は銀ペースト等の接着材１６により接着されている。実装フレーム１１を実装基板１２と接続することにより、半導体チップ１３には両側方の弾性部１１Ｂから２方向の力が加わる。これにより、半導体チップ１３は実装基板１２に押しつけられ、基板電極パッド１２Ａとチップ電極パッド１３Ａとが圧接され密着する。このため、基板電極パッド１２Ａとチップ電極パッド１３Ａとを、はんだ等の接着材を用いることなく、導通状態とすることができる。
【００２４】
実装フレーム１１は、実装基板１２に実装されていない状態においては、図２に示すように、チップ接着面に接着された半導体チップ１３の高さよりも、チップ接着面から基板接続面までの高さが、ｄだけ低くなっている。半導体チップ１３のチップ電極パッド１３Ａを、基板接続部１１Ｃの基板接続面よりも突出させることにより、基板接続部１１Ｃを実装基板１２と接続した際に、弾性部１１Ｂにより半導体チップ１３を下向きに押さえる張力が発生する。このため、チップ電極パッド１３Ａと基板電極パッド１２Ａとは、はんだ等の接着材を用いることなく、電気的導通を確保できるように接続することができる。
【００２５】
半導体チップ１３が発熱した場合には、半導体チップ１３と接着材１５及び実装フレーム１１との熱膨張係数の違いにより、応力が発生する。しかし、この応力は弾性部１１Ｂにより吸収され、半導体チップ１３に歪みや反りが生じることはない。また、チップ電極パッド１３Ａと基板電極パッド１２Ａとがはんだ等により接着されていないため、チップ電極パッド１３Ａと基板電極パッド１２Ａとの間に歪みや反りが発生することもない。
【００２６】
また、本実施形態の実装フレーム１１は、放熱性にも優れている。半導体チップ１３において発生した熱は、接着材１５を介して実装フレーム１１に伝わる。半導体チップ１３は、第２の面の全面を実装フレーム１１と接着することが可能であり、放熱に利用できる面積を大きくすることができる。また、半導体チップ１３の周囲は開放されているため、ファン等を用いて強制的に半導体チップ１３を空冷することも可能である。
【００２７】
２ｍｍ角程度のサイズの半導体チップ１３を実装する場合には、実装フレーム１１の幅は、半導体チップ１３の幅と同じか、数ｍｍ大きくすれば十分である。また、弾性部１１Ｂと基板接続部１１Ｃとを合わせた長さは１ｍｍ〜２ｍｍ程度あれば十分である。このため、従来のＣＳＰとほとんど変わらない大きさに実装することが可能である。また、このサイズの場合には、半導体チップ１３と基板接続面との高さの差ｄは５０μｍ程度とすればよい。
【００２８】
半導体チップ１３に加える荷重は、チップ電極パッド１３Ａと基板電極パッド１２Ａとの間の密着性を確保する観点からは大きい方が好ましい。しかし、シリコンウェハの降伏応力を越える力が半導体チップ１３に加わると、半導体チップ１３が破損する。このため、４５ＭＰａ程度以下とすることが好ましい。
【００２９】
弾性部１１Ｂは、半導体チップ１３と実装基板１２とを密着させる張力を発生させられればどのような構造であってもよい。図１及び２においては、弾性部１１Ｂを金属板を複数回折り返すことにより形成した板バネとしたが、図３（ａ）及び（ｂ）に示すような、金属板にスリット１１ａを設けた構造としてもよい。このような構造とすることにより弾性部１１Ｂを容易に形成することができる。
【００３０】
具体的には、２ｍｍ〜４ｍｍ角の半導体チップを実装するために、幅が２ｍｍ〜８ｍｍで長さが４ｍｍ〜２８ｍｍ程度の実装フレームを用いる場合には、スリット１１ａを幅が０．２ｍｍ〜１ｍｍで長さが０．２ｍｍ〜１ｍｍの方形状とし、１個〜５個程度形成すればよい。
【００３１】
また、実装フレーム１１と実装基板１２とを接着材１６により固定する例を示したが、図４に示すように基板接続部１１Ｃ及び実装基板１２を貫通する貫通孔を形成し、ボルト１９により固定してもよい。この場合、フレーム固定具１８を用いることにより、より強固に実装フレーム１１を固定することができる。また、はんだ等の接着材を用いる必要がないため、実装フレーム１１を実装基板１２に固定する工程が簡略化できる。さらに、実装フレーム１１の熱をボルト１９を介して実装基板１２の裏面に伝えることができる。これにより、実装基板１２の裏面を用いて放熱が可能となるため、放熱効率を向上させることができる。この場合、実装基板１２の裏面に放熱フィン等を設けてもよい。
【００３２】
実装フレーム１１は、熱伝導性が良く、ある程度の弾性を有する材料であればどのようなものでもよく、例えば、銅又は銅とタングステン、銅とモリブデン若しくは銅とクロム等の合金を用いればよい。但し、シリコン基板との熱膨張係数の差があまりに大きいと熱応力を吸収することが困難となるため、熱膨張係数がシリコン基板の熱膨張係数の５倍以下であることが好ましい。また、実装基板１２は、ガラスエポキシ基板又は強化繊維プラスチック（ＦＲＰ）等からなる基板とすればよい。半導体チップ１３は、どのようなものでもよいが、特に発熱量が大きいパワーデバイス等の場合に大きな効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係る実装フレーム、半導体装置及びその製造方法は、半導体チップが発熱した場合においても、大きな熱応力が加わることがない実装フレーム、半導体装置及びその製造方法を実現でき、特に、パワー半導体装置等の発熱が大きい半導体チップを実装する実装フレーム、それを用いた半導体装置及びその製造方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る実装フレームを示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る実装フレームの変形例を示す断面図である。
【図４】本発明の一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５】従来例に係る半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１      実装フレーム
１１Ａ    チップ接着部
１１Ｂ    弾性部
１１Ｃ    基板接続部
１１ａ    スリット
１２      実装基板
１２Ａ    基板電極パッド
１２Ｂ    フレーム接続パッド
１３      半導体チップ
１３Ａ    チップ電極パッド
１５      接着材
１６      接着材
１８      フレーム固定具
１９      ボルト
【図１】
2009252956.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2009252956.tif 000007