JP2014013908A - 一体型スルーホール熱放散ピンを有するモールドされた半導体パッケージおよびその製造方法 - Google Patents

一体型スルーホール熱放散ピンを有するモールドされた半導体パッケージおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ダイ取付パッドからパッケージの外側への熱経路を短くする実装デバイスおよび方法を提供する。
【解決手段】パッド70上に集積回路ダイ73を装着することにより半導体パッケージを製造するための方法であって、前記パッド70の第1の面上にTHT熱放散ピン71を形成するステップと;前記パッド70の第1の面に対向する第2の面に集積回路ダイ73を取り付けるステップと;前記第1の面と前記THT熱放散ピン71を露出した状態で、コンパウンド75内に前記集積回路ダイ73およびパッド70を収容するステップと;前記THT熱放散ピン71をプリント回路基板78に取り付けるステップであって、前記熱放散ピン71は、前記プリント回路基板78内に形成されているスルーホール77を通して挿入されることとを含み、前記THT熱拡散ピン71は、前記パッド70と一体に形成されている。
【選択図】図7

Description

本発明は、リード・フレーム・ベースの半導体パッケージおよびその製造方法に関する。一態様においては、本発明は、パッケージ内、およびパッケージとプリント回路基板(PCB)や他の基板材料で組立てられた構造内に改善された電気経路および熱経路を有する露出パッド、を含むリード・フレーム・ベースのオーバモールドされた半導体パッケージに関する。
露出パッドを有する半導体パッケージ(すなわち、PQFN、QFN、HSOP、SOIC、QFP、TQFP、MO−188等)は、集積回路ダイからプリント回路基板(PCB)に熱を伝達するために、パッケージ内で熱経路を形成する。PCB組立の後で、目的の熱経路内の最高の熱抵抗値は、PCBを介して、大型の銅の平面がヒート・シンクの働きをするPCB背面につながっているPCBのサーマルビアにより発生する。熱経路の熱抵抗率も、半田の隙間のような組立上の問題により増大する。米国特許出願第2005/0110137号に開示されているように、放熱させるための従来の方法は、PCBのサーマルビアが発生する高い熱抵抗率の問題を解決していない。
特開2002−093847号公報
それ故、意図する熱経路内の熱抵抗値を低減する半導体実装装置およびプロセスが求められている。さらに、ダイ取付パッドからパッケージの外側への熱経路を短くする実装デバイスおよび方法も求められている。また、実装プロセス中の組立上の問題に関連するプロセスおよび性能の制限を回避するデバイス実装も求められている。さらに、すでに概略説明したような当技術分野の問題を克服するための改良形半導体プロセスおよびデバイスも求められている。下記の図面および詳細な説明を参照しながら本明細書の残りの部分を読めば、当業者であれば従来のプロセスおよび技術の他の限界および欠点を理解することができるだろう。
下記の図面と一緒に以下の詳細な説明を読めば、本発明および得られるその多くの目的、機能および利点を理解することができるだろう。
図面を簡単に分かりやすくするために、図面内の要素の縮尺は必ずしも正確なものでないことを理解されたい。例えば、分かりやすくし、理解しやすくするために、要素の中のあるものの寸法は、他の要素の寸法より誇張してある。さらに、適当であると思われた場合には、図面の対応するまたは類似の要素を表示するために参照番号を反復して使用してある。
抵抗の少ない直接的な電気経路および熱経路としての露出パッド上に、1つまたは複数のスルーホール技術(THT)熱放散ピンを有するリード・フレーム・ベースのオーバモールドされた半導体パッケージを使用する半導体デバイスを実装するための方法および装置について説明する。一体に形成することにより、または露出ダイ・パッドに熱放散ピンを取り付けることにより、ダイ取付パッドからパッケージの外側に直接的かつ短い電気経路および熱経路が形成される。THT熱放散ピンは、リード・フレーム製造プロセス中に製造することもできるし、または実際のパッケージ製造プロセスの前に予め形成することもできる。
ここで、添付の図面を参照しながら本発明の種々の例示としての実施形態について詳細
に説明する。種々の詳細な点については以下に説明するが、本発明は、これらの特定の詳細な点を使用しなくても実行することができること、実施態様ごとに変わるプロセス技術とのコンプライアンスまたは設計に関連する制約のようなデバイスの設計者の特定のゴールを達成するために、本明細書に記載する本発明に、多くの実施に関する特定の決定を行うことができることを理解されたい。このような開発の努力は、複雑で時間がかかるかも知れないが、この開示の利点を有する通常の当業者であれば日常的な試みである。例えば、選択した態様は、本発明を制限し、または分かりにくくなるのを避けるために、すべてのフィーチャまたは幾何学的形態を含んでいるわけではない簡単な断面図を参照しながら説明してある。また、この詳細な説明全体を通して、エッチング、フライス加工、打ち抜き、機械加工または適当な寸法およびサイズのこのような構造の他の形成のための任意の所望の製造技術により形成することができるいくつかの例示としての実装構造の説明が行われていることにも留意されたい。そのような詳細な点は、周知のものであり、当業者には本発明を実施し、使用する方法については説明を要しないと考える。
一体型THT熱放散・ピンを有する露出パッドの例示としての本体構造の底面の斜視図。 1つのTHTピン本体構造を含む例示としてのパッケージ組立体の底面図。 複数の一体型THT熱放散・ピンを有する露出パッドの別の例示としての本体構造の底面の斜視図。 複数のTHTピンを備える本体構造を含む例示としてのパッケージ組立体の底面図。 本発明の種々の実施形態による多ピン本体構造の側面図。 本発明の種々の他の実施形態による多ピン本体構造の側面図。 複数の一体型THT熱放散・ピンを有する露出パッドを備えるパッケージが、プリント回路基板上に装着される場合の断面図。 本発明の種々の実施形態によるパッケージのための製造プロセスを示す図面。 本発明の種々の実施形態によるパッケージ用に使用することができる種々の製造プロセスのステップを示す図面。
図1は、一体型THT熱放散ピン12を有する露出パッドまたはリード・フレーム10の例示としての本体構造1の底面の斜視図である。リード・フレーム10は、基本的には、パッケージの基板または「バックボーン」キャリアである。リード・フレーム10は、通常、金属または導電性のものであるが、必ずしもそうでなくてもよい。リード・フレーム10は、半導体チップを支持しているダイ・フラグを含む。選択した実施形態の場合には、露出パッド10の面は、1つまたは複数のスルーホール技術熱放散12を含む。図2は、パッケージの面から突出している1つのシリンダー状のピン構造12を示しているが、(以下に説明するように)PCBビアと物理的係合および接触をすることができるように、ピン構造が露出パッド10の面から十分に突出している限りは、他の形状もピン構造12として使用することができることを理解されたい。どんな形状のものを使用するにせよ、スルーホール熱放散ピン12は、露出パッド10の一体型部材として形成することができるので、スルーホール熱放散ピンは露出パッド10と一体に作られる。例えば、パッドおよびTHTピンは、エッチング、フライス加工、打ち抜き、または他の機械加工手順により、リード・フレーム製造プロセス中に一体に製造することができる。別の方法としては、THTピン12を、パッド10とは別々に製造し、後で圧着、冷間溶接、または他の適当な接続技術により、リード・フレーム本体またはパッド10を製造した後で、THTピン12をリード・フレーム構造に追加または挿入するなどすることにより、露出パッドに取り付けや接続をすることができる。THTピン12は、本明細書に記載する本発明の種々の実施形態のための任意の適当なタイプで作ることができる。
ここで、図2を参照すると、この図は、1つのTHTピン本体構造22を含む例示としてのパワー・クワッド・フラット・パック・ノーリード(PQFN)パッケージ組立体2の底面図である。図のパッケージは、多数のリード・フレーム構成要素、または他のデバイスおよびコネクタ26を含む。さらに、パッケージは、他の実施形態および図面のところですでに示したように、露出パッド20の面から突出している1つの一体型THT熱放散ピン22をフィーチャしている露出パッド20を含む。
図3を参照すると、この図は、複数の一体型THT熱放散ピン32、34を有する露出パッドまたはリード・フレーム30の別の例示としての本体構造3の底面図である。図に示すように、THTピンは、行(例えば、ピンの行34)および規則正しいグリッド・パターンを形成している列(例えば、ピンの列32)の形をして配置されている。図3は、グリッド・パターンを形成しているTHTピンの3つの行および6つの列を示すが、他のパターンも使用することができることを理解されたい。この場合も、THTピン32、34のパターンまたはグリッドは、露出パッド30と一体に形成することもできるし、または後でパッド30にピン32、34を挿入または取り付けることにより形成することもできる。
図4は、複数のTHTピン42、48を有する本体構造を含む例示としてのPQFNパッケージの底面図である。図のパッケージは、多数のリード・フレーム構成要素、または他のデバイスおよびコネクタ46を含む。図に示すように、パッケージは、他の実施形態および図面のところですでに示したように、露出パッド40の面から突出している複数の一体型THT熱放散ピン42、48をフィーチャしている露出パッド40を含む。
図5は、リード・フレーム製造中に、1つまたは複数のTHT熱放散ピン52が露出パッド50の一体型部材として製造される本発明の種々の実施形態による多ピン本体構造5の側面図である。図に示すように、一体に形成されているピン52それぞれは、パッド50から垂直に突出しているか、または延びているが、ピンが、非標準構成を有するPCBビア内に挿入するように構成される場合のように、他の突出角を使用することもできる。それ故、他の形状のTHTピン52を使用しても、本発明と同じ利点が得られる。本発明の種々の他の実施形態によれば、図6は、THT熱放散ピン62が別々に製造され、露出パッド60内に挿入される多ピン本体構造6の側面図である。例えば、パッド60のリード・フレームの製造中に、1つまたは複数の装着孔64が露出パッド60内に形成される。次に、THT熱放散ピン62が、ピン62およびパッド60をしっかりと接続するための任意の所望の取り付けまたは接続技術により、装着孔64内に挿入される。
図7は、プリント回路基板78上で組み立てられた複数の一体型THT熱放散・ピン71を有する露出パッドまたはパワー・ダイ・フラグ70を備えるPQFNリード・フレーム・パッケージ7の断面図である。図示していないが、ピン71は、すでに説明したように、行および列の形に形成することができる。図のパッケージ7は、1つまたは複数の入出力(I/O)パッド74、集積回路73(例えば、パワー・ダイ)、リード・フレーム70およびダイ取付材料72(例えば、半田、導電性エポキシまたは任意の他の塗布可能な接着剤)を含む。これらの要素は、パッド70、74の底面およびTHT熱放散ピン71(パワー・ダイ・フラグ70と一体に形成されているか、後でパワー・ダイ・フラグ70に固定状態に取り付けられる)を露出させたまま、図に示すように、パワー・ダイ73、I/Oパッド74およびパワー・ダイ・フラグ70を被覆するために塗布されるエポキシ・コンパウンドまたは任意の他の適当な材料の形を通常しているモールド・コンパウンド75内に収容される。次に、パッケージを収容しているモールド・コンパウンドを、PCB78およびその上に置かれた任意のデバイス間に半田ジョイント76を使用し、次に、PCB78内に形成されているビア開口部77内にTHT熱放散ピン71を挿入することにより、プリント回路基板(PCB)78に取り付けることができる。図に示すように、PCB78は、PCBビア77の面上、およびPCB78の頂面および底面上に、所定の厚さ(例えば、約0.35ミクロンの銅)で形成されているPCB導体層79を含む。各ビア77は、THTピン71の幅(例えば、約0.4mmのピンの直径)より広い所定の幅(例えば、約0.5mmの直径)を有し、THTピンの長さ(例えば、約1.5mm)は、ピン71がビア77の導体層79と接触し、ビア77を完全に貫通して延びるように選択することができる。もちろん、ピンの構成および実装タイプにより、他の厚さ、幅および長さの寸法も使用することができることを理解されたい。
図7の実施形態の場合には、ダイ・フラグの上面は、集積回路ダイのところで発生した熱をTHT熱放散ピン71に直接伝達するために、集積回路ダイと接触状態で配置されていて、THT熱放散ピン71は、熱をPCBビア77および銅の平面79に直接伝達する。このようにして、スルーホール熱放散・ピン71は、技術的現状の組立技術と比較すると、(例えば、最大3の係数だけ)熱性能を向上することにより、搭載性能を向上する組立の後で、PCB78への一体型最適化熱経路を含むパッケージを提供する。さらに、パッケージの搭載性能を制約する恐れがある大部分の潜在的なボード取付に関連する問題が
取り除かれる。同様に、熱放散・ピン71は、PCB組立中に自己整合の利点を提供する。熱放散・ピン71は、ダイ73とPCBの銅平面79間の熱経路の熱抵抗を低減するので、パワー・ダイ73をPCB78に取り付けるために、リード・フレーム70をパワー・アプリケーションと一緒に使用することができる。
図8は、本発明の種々の実施形態によるパッケージを製造するための例示としてのプロセス80を示す流れ図である。予備ステップとして、エッチング、フライス加工、打ち抜き、機械加工またはパッド(81)の一体型部材としてのTHTピンの形成により、リード・フレームの露出パッド内に1つまたは複数の熱放散・ピンが一体に形成される。エッチングしたリード・フレームを含むパッケージの場合には、熱放散ピンを容易に製造することができる。何故なら、リード・フレームを製造するために使用したエッチング・プロセスを、全体のプロセスに追加のステップを使用しなくても、露出パッドの面上にTHTピンをパターン形成するために使用することができるからである。別の方法としては、熱放散ピンを別々に形成して、装着孔(82)を含むようにリード・フレームを製造し、次に、取り付け、接続、圧着、冷間溶接、またはリード・フレームにピンを結合する他の方法により、THTピンをリード・フレーム(83)に別々に形成したTHTピンを挿入することにより、熱放散ピンを別々に形成して取り付けることができる。
次に、リード・フレームに接続する種々の構成要素を、リード・フレームの上面に取り付けることができる。これらの構成要素は、通常、ある程度モールド封入されるパッケージの一部を形成する構成要素である。構成要素の正確な性質は、デバイスおよび結果として得られるパッケージ(84)の最終的使用目的により異なる。次に、モールド・コンパウンドが、パッケージ(85)の種々の構成要素に塗布される。このプロセスは、モールドプレス成形または他のモールド・コンパウンド塗布方法を含む種々の異なる方法で行うことができる。次に、パッケージが、必要な用途に適するように完成される。このことは、内蔵させる(86)リードの接続、追加などのためのいくつかのエリアからのモールド・コンパウンドの一部の除去を含むことができる。次に、パッケージは、半田付けプロセス(87)によりPCBまたは他のデバイスに取り付けられる。THT熱放散・ピンを使用することにより、パッケージをPCBビアに整合することができる。
パッケージの製造プロセスは、半導体パッケージを製造する環境で通常使用される他のステップを含むことができる。図9は、本発明の種々の実施形態によるパッケージ用に使用することができる製造プロセス・ステップの例示としてのシーケンスを示す。しかし、多くの他の方法もあることを理解されたい。図9に示すように、1つのリード・フレームまたは一組(すなわち、マトリクス)のリード・フレーム90/92が、その露出パッド上に形成されている1つまたは複数のTHT熱放散・ピン93と一緒に製造され、パターン形成される(150)。ウェハを装着した後で、1つまたは複数の異なるシリコン・ウェハが、鋸ひきまたは他の適当な手段で、1つの半導体ダイに分割され、検査される(152)。
ダイ半田ペーストまたは任意の他の適当なダイ取付材料(94)を塗布した後で(154)、半導体ダイ95がダイ取り付け材料94内に置かれ、次に硬化またはリフロ−される。次に、脱フラックス(de−flux)およびDI水リンス・ステップを行うことができる(156)。必要に応じて、エポキシまたは任意の他の適当なダイ取り付け材料が塗布され(158)、追加の半導体ダイがダイ取り付け材料内に置かれ、および/またはダイ取付硬化が行われる(160)。支持パネルを提供するためにテープ(96)がリード・フレーム(162)に取り付けられ、ワイヤボンド(99)が取り付けられ(164)、視覚的検査が行われる(166)。
支持パネルを分離するために、モールド・コンパウンド(100)が塗布され(168)、テープ96が除去される(170)。後成形硬化(172)およびレーザ・マーキング・ステップ(174)の後に清掃ステージが実行される(176)。次に、パッケージが個々の要素に分割され(178)、検査が行われる(180)。
一形態の場合には、本明細書は、露出パッドの露出している第1の面上に1つまたは複数の熱放散構造を含む露出パッド上に集積回路ダイを装着することにより、半導体パッケージを製造するための方法を記載している。熱放散構造は、銅のような任意の熱伝導材料から形成することができ、リード・フレームのエッチング、フライス加工、打ち抜き、機械加工のような任意の所望の技術により露出パッドの一体型部材として形成することができる。別の方法としては、露出している第1の面内に形成されている少なくとも1つの装着孔を含む露出パッドを形成し、1つまたは複数の熱放散ピンを形成し、次に、第1の熱放散・ピンが露出パッドから突出するように、熱放散ピンを露出パッドの装着孔内に取り付けることにより、熱放散構造を露出パッドとは別々に形成することもできる。この方法の場合には、集積回路ダイは、露出している第1の面に対向している露出パッドの面に取り付けられ、次に、集積回路ダイおよび露出パッドがコンパウンド内に入れられ、露出している第1の面および第1の熱放散構造は露出したままになる。次に第1の熱放散構造が、プリント回路基板内に形成されているビアを通して熱放散構造を挿入するなどして、プリント回路基板に取り付けられる。
他の形態の場合には、本発明は、露出パッドを含むリード・フレーム・ベースのオーバモールドされた半導体パッケージを提供する。露出パッドは、プリント回路基板内に形成されているビア内に挿入するように構成されている1つまたは複数のスルーホール技術熱放散ピンを含む。この場合、熱放散ピンは、露出パッドの一体型部材として形成することもできるし、露出パッドへの以降の固定取り付けのために、露出パッドとは別々に形成することもできる。このようにして、熱放散ピンを、PQFN、QFN、HSOP、SOIC、QFP、TQFP、またはMO−188パッケージを含むが、これらに限定されないパッケージを含む任意の所望の半導体パッケージの一部として形成することができる。選択した実施形態の場合には、露出パッドおよび熱放散・ピンは、銅で形成することができる。しかし、導電性および熱伝導性の任意の材料も使用することができる。
さらに他の形態では、少なくとも一部がモールド構造に収容されているダイを含むパワー・クワッド・フラット・パック・ノーリード(PQFN)パッケージ組立構造のような電子デバイスが開示されている。さらに、ダイと結合しているダイ取付パッドは、モールド構造から露出している第1の面および第1の面から突出している(一体にまたは別々に形成されている)1つまたは複数の第1のスルーホール技術熱放散ピンを含む。例えば、モールド構造が第1の底面を有する場合には、熱放散ピンおよびダイ取付パッドの第1の面は、モールド構造の第1の面から露出するモールド構造内に配置されている。ヒート・シンクがダイ取付パッドの熱放散ピンと熱的連通するように配置されている場合には、ダイからの熱はピンに熱的に結合していて、ヒート・シンクに移動することができる。
本明細書に記載する上記例示としての実施形態は、種々のリード・フレーム・ベースの半導体パッケージ構造およびその製造方法に関するものであるが、本発明は、必ずしも、種々様々なプロセスおよび/またはデバイスに適用することができる本発明の発明的態様を示す例示としての実施形態に限定されない。それ故、上記の特定の実施形態は、例示としてのものに過ぎず、本発明を制限するものと解釈すべきではない。何故なら、本発明は、本明細書の教示の利点を有する当業者であれば自明のものである異なっているがしかし等価の方法で修正および実行することができるからである。例えば、図7は、パッケージの種々の要素間の接続の詳細を示していないが、リード、ビア、ボンドおよび他の接続手段も、任意の電気的接続を行うために使用することができることを理解されたい。同様に、他の絶縁材料も、種々の構成要素を電気的に絶縁するために使用することができる。同
様に、デバイス、パッド、ダイ等の任意の組合せも所望のパッケージ用に必要に応じて使用することができる。それ故、上記説明は、本発明を上記の特定の形に制限するためのものではなく、それどころか、添付の特許請求の範囲に定義する本発明の精神および範囲に含まれるこのような代替物、修正および等価物をカバーするためのものである。それ故、当業者は、広義での本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、種々の変更、置換および変更を行うことができることを理解されたい。
利益、他の利点および種々の問題の解決方法について特定の実施形態を参照しながら説明してきた。例えば、開示のリード・フレーム・ベースの半導体パッケージ構造は、PCBのサーマルビア内に熱伝導または拡散ピン構造を挿入することにより、(ヒート・シンクとしての働きをする大型の銅の平面をフィーチャする)PCB背面上にPCBを貫通する意図する熱経路内の熱抵抗値を低減することにより、パッケージ内の最適化した熱経路を形成する。さらに、パッケージ搭載性能を制限する恐れがある典型的な組立上の問題(すなわち、半田の隙間)を解決することができ、熱放散ピンによりPCB組立中にパッケージおよびPCBを自己整合することができる。しかし、利益、利点、問題の解決方法および任意の利益、利点または解決方法をもたらし、もっと優れたものにする任意の要素を、任意のまたはすべての請求項の重要な、必要なまたは本質的なフィーチャまたは要素と解釈すべきではない。本明細書で使用する場合、「備える」、「備えている」またはその任意の他の派生語は、要素のリストを含むプロセス、方法、物品または装置が、これらの要素だけを含んでいるのではなく、明示的に列挙していないまたはそのようなプロセス、方法、物品または装置に固有の他の要素も含むことができるというように、非包括的に包含することをカバーするためのものである。

Claims (5)

  1. パッド上に集積回路ダイを装着することにより半導体パッケージを製造するための方法であって、
    前記パッドの第1の面上にTHT熱放散ピンを形成するステップと;
    前記パッドの第1の面に対向する第2の面に集積回路ダイを取り付けるステップと;
    前記第1の面と前記THT熱放散ピンを露出した状態で、コンパウンド内に前記集積回路ダイおよびパッドを収容するステップと;
    前記THT熱放散ピンをプリント回路基板に取り付けるステップであって、前記熱放散ピンは、前記プリント回路基板内に形成されているスルーホールを通して挿入されることと
    を含み、
    前記THT熱放散ピンは、前記パッドと一体に形成されている、方法。
  2. 前記THT熱放散ピンは、前記パッドから垂直に突出しているか、または延びているが、前記THT熱放散ピンが、非標準構成を有する前記プリント回路基板内に挿入するように構成される場合のように、他の突出角を使用することもできる、
    請求項1に記載の方法。
  3. 前記THT熱放散ピンは、前記パッドから垂直に突出しているか、または延びている、
    請求項2に記載の方法。
  4. パッケージ構造を含む電子デバイスであって、
    モールド構造と、
    前記モールド構造内に配置されるダイと;
    プリント回路基板と;
    前記ダイと結合し、且つ前記ダイと前記プリント回路基板との間に位置するダイ取付パッドであって、前記ダイ取付パッドは、前記モールド構造から露出している第1の面を有し、前記プリント回路基板は、スルーホールを有し、前記ダイ取付パッドは、前記第1の面から突出しているTHT熱放散ピンを有し、前記スルーホールは、前記プリント回路基板を貫通することと
    を備え、
    前記THT熱放散ピンは、前記パッドと一体に形成されている、電子デバイス。
  5. 前記モールド構造は、第1の面を有し、
    前記THT熱放散ピンと、前記ダイ取付パッドの前記第1の面とは、前記モールド構造の前記第1の面から露出する、
    請求項4に記載の電子デバイス。
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