JP2022077623A - リードフレーム、半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

リードフレーム、半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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bed
semiconductor device
extending
semiconductor element
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浩二 荒木
Koji Araki
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Toshiba Corp
Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
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Toshiba Corp
Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
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Abstract

【課題】半導体素子のクラック発生を抑制できるリードフレーム、半導体装置、及び半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態のリードフレームは、第1フレーム部分と、第2フレーム部分と、を有する。第1フレーム部分は、第1方向における厚さが薄い部分を有するベッド部と、第1支持部と、第2方向において、前記ベッド部と前記第1支持部と接続された第1リード部と、前記ベッド部に接続された第1延在部と、第3方向において前記第1延在部と離間して設けられ、前記ベッド部に接続された第2延在部と、を有する。第2フレーム部分は、前記第1延在部と前記第2延在部とに接続された第2支持部と、前記第2支持部に接続された第2リード部と、を有する。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、リードフレーム、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置の1つとして、樹脂等で封止された半導体装置がある。樹脂等で封止された半導体装置は、例えば、半導体素子を載置するベッド部と、外部電源と接続される端子となるリード部と、半導体素子とベッド部とリード部の一部を封止する樹脂、及び半導体素子の電極とリード部とを電気的に接続するボンディングワイヤーなどで構成される。
特開平11-121680号公報
本発明が解決しようとする課題は、半導体素子のクラック発生を抑制できるリードフレーム、半導体装置、及び半導体装置の製造方法を提供することである。
実施形態のリードフレームは、第1フレーム部分と、第2フレーム部分と、を有する。第1フレーム部分は、第1方向における厚さが薄い部分を有するベッド部と、第1支持部と、前記第1方向と交わる第2方向において、前記ベッド部と前記第1支持部との間に位置し、且つ前記ベッド部と前記第1支持部と接続された第1リード部と、前記第2方向において前記第1リード部に対向する側に位置し、前記ベッド部に接続された第1延在部と、前記第1方向及び前記第2方向と交わる第3方向において前記第1延在部と離間して設けられ、前記ベッド部に接続された第2延在部と、を有する。第2フレーム部分は、前記第1延在部と前記第2延在部とに接続された第2支持部と、前記第2方向において前記ベッド部と前記第2支持部との間に位置し、前記第2支持部に接続された第2リード部と、を有する。
実施形態の半導体装置は、ベッド部と、第1リード部と、第1延在部と、第2延在部と、第2リード部と、半導体素子と、樹脂と、を有する。ベッド部は、第1方向における厚さが薄い第1部分を有する。第1リード部は、前記ベッド部と接続されている。第1延在部は、前記第1方向と交わる第2方向において、前記第1リード部に対向する側の前記ベッド部に接続されている。第2延在部は、前記第1方向及び前記第2方向と交わる第3方向において前記第1延在部と離間して設けられ、前記ベッド部に接続されている。第2リード部は、前記ベッド部と離間し、前記第2方向において前記第1延在部と前記第2延在部との間に設けられている。半導体素子はベッド部に設けられている。樹脂は、前記ベッド部、前記第1リード部、前記第1延在部、前記第2延在部、前記第2リード部、及び前記半導体素子の少なくとも一部を覆う。
(a)第1の実施形態に係るリードフレーム100の平面図。(b)図1(a)に示すA-A’線による断面図。(c)図1(a)に示すB-B’線による断面図。(d)第1の実施形態に係るリードフレーム100の全体図。 (a)第1の実施形態に係る半導体装置200の平面図。(b)図2(a)に示すC-C’線による断面図。(c)図2(a)に示すD-D’線による断面図。 (a)第1の実施形態に係る半導体装置200の製造方法を示す平面図。(b)図3(a)に示すE-E’による断面図。 (a)比較例の半導体装置400の平面図。(b)図4(a)に示すF-F’線による断面図。 (a)リフロー炉の温度降下中において、接合材の融点に達するまでの半導体装置400の断面図。図5(b)リフロー炉の下降中において、接合材の融点未満の温度にある半導体装置400の断面図。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する符号を付す。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。なお、本実施形態は、本発明を限定するものではない。
[第1の実施形態]
(リードフレーム100の構造)
第1の実施形態に係るリードフレーム100について、図1を参照して説明する。図1(a)は第1の実施形態に係るリードフレーム100の平面図、図1(b)は図1(a)に示すA-A’線による断面図、図1(c)は図1(a)に示すB-B’線による断面図、図1(d)は第1の実施形態に係るリードフレーム100の全体図を示している。
リードフレーム100は、第1フレーム部分110と第2フレーム部分120と、を有する。第1フレーム部分110は、ベッド部130と、第1リード部140と、第1支持部151と、第1延在部160と、第2延在部170と、を有する。第2フレーム部分120は、第2リード部180と、第2支持部152と、を有する。なお、各図面において第1フレーム部分110は鎖線、第2フレーム部分120は一点鎖線によって示されている。
リードフレーム100の厚み方向をZ方向(第1方向)とする。また、Z方向と直交する方向をX方向(第2方向)、X方向及びZ方向と直交する方向をY方向(第3方向)とする。図1(a)に示すリードフレーム100はX-Y平面における平面図、図1(b)及び図1(c)に示すリードフレーム100はX-Z平面における断面図を示している。なお、X方向、Y方向、及びZ方向は本実施形態では直交関係で示しているが直交に限定されず、互いに交差する関係であればよい。
図1(b)及び図1(c)に示すように、第1リード部140はX方向においてベッド部130と第1支持部151との間に位置し、それぞれと接合している。すなわち、ベッド部130、第1リード部140、及び第1支持部151は一体となっている。なお、第1支持部151はY方向に延在した構造を有する。また、本実施形態では一例として、第1リード部140はY方向において2つ設けられている。
第1延在部160と第2延在部170は、X方向においてベッド部130と第2支持部152との間に位置し、それぞれと接合している。すなわち、ベッド部130、第1延在部160、第2延在部170、及び第2支持部152は一体となっている。なお、第1延在部160、第2延在部170、及び第2支持部152は、X方向において第1リード部140と第1支持部151とは対向する側に設けられている。また、第2支持部152はY方向に延在した構造を有する。さらにまた、第2延在部170は、Y方向において第1延在部160と離間して設けられている。
ベッド部130はZ方向における厚さが薄い第1薄板部131(第1部分)を有する。前述した第1薄板部131はベッド部130のうち第2支持部152側に形成されており、第1薄板部131のZ方向における厚さは第1延在部160と第2延在部170のZ方向における厚さと等しくなっている。
第2リード部180は、X方向においてベッド部130と第2支持部152との間、Y方向において第1延在部160と第2延在部170との間に設けられている。また、第2リード部180は第2支持部152と接合しているが、ベッド部130、第1延在部160、及び第2延在部170とは離間して設けられている。また、図1(c)に示すように、ベッド部130側において、第2リード部180はZ方向における厚さが薄い第2薄板部181(第2部分)を有する。異なる電位が印加される第1リード部140及びベッド部130と、第2リード部180とが近接する領域においては、絶縁耐圧の確保やショートを抑制する目的で樹脂250の充填体積が大きい方が望ましい。そのため、ベッド部130には第1薄板部131、第2リード部180には第2薄板部181をそれぞれ設け、樹脂250の充填体積を確保することが、半導体装置の信頼性の観点から望ましい。なお、第1薄板部131のZ方向における厚さは、第1薄板部131以外の部分のZ方向における厚さの1/2以下であることが望ましい。同様に、第2薄板部181のZ方向における厚さは、第2薄板部181以外の部分のZ方向における厚さの1/2以下であることが望ましい。
以上説明したように、リードフレーム100は、第1支持部151、第1リード部140、ベッド部130、第1延在部160、第2延在部170、第2リード部180、及び第2支持部152が一体となった構造を有する。また、リードフレーム100の構成部材のそれぞれは、例えば銅(Cu)からなる。
また、図1において、ベッド部130のうち第1支持部151側にも第1薄板部131のように薄い部分があるように示した。ベッド部130のうち第1支持部151側に形成された薄い部分は、後述するリードフレーム100を用いて製造された半導体装置200において、樹脂250で被覆される。そのため、X方向において、外部端子となるために樹脂の外に一部が露出した第1リード部140と、樹脂250の外部に一部が露出したベッド部130のZ方向における厚さが厚い部分との間には、ベッド部130のうち第1支持部151側に形成された薄い部分が設けられる。半導体装置200を基板に実装する際(すなわち、第1リード部140が基板に実装される際)、例えばはんだが用いられる。はんだは樹脂250には付着しない性質を持つ。そのため、ベッド部130のうち第1支持部151側に形成された薄い部分を被覆している樹脂250によって、第1リード部140に付着したはんだがX方向に流出し、樹脂250の外部に露出したベッド部130へ付着することを防ぐことができる。以上、第1支持部151側の薄板部を設ける目的を記載したが、本実施形態において、第1支持部151側の薄板部は設けなくても実施可能である。
なお、後述する半導体装置200を製造する際は、図1(d)に示すような、リードフレーム100がY方向に繰り返し設けられ、且つそれぞれが第1支持部151と第2支持部152を介して一体構造となったリードフレームが一例として用いられる。以降の説明では簡易的に図1(a)に示したリードフレーム100を用いて説明する。
(半導体装置200の構造)
次にリードフレーム100を用いた半導体装置200の構造について図2を参照して説明する。
図2(a)は第1の実施形態に係る半導体装置200の平面図、図2(b)は図2(a)に示すC-C’線による断面図、図2(c)は図2(a)に示すD-D’線による断面図を示している。なお、図2(a)においては、樹脂250は透過し、内部の構造が見えるように示している。
半導体装置200は、ベッド部130と、第1リード部140と、第1延在部160と、第2延在部170と、半導体素子220と、接合材231と、ボンディングワイヤー240(電流経路部材)と、樹脂250と、を有する。
半導体素子220は例えば縦型MOSFETであり、Z方向における下面にドレイン電極(不図示)、上面にソース電極とゲート電極(不図示)が形成され、電流は下面から上面に流れる。半導体装置220はMOSFETに限定されず、IGBTなどでも適用可能である。また、半導体素子220は、例えばシリコン(Si)、炭化シリコン(SiC)、または窒化ガリウム(GaN)などで構成される。
ベッド部130は、第1薄板部131を有する。第1リード部140は、X方向においてベッド部130と接合している。すなわち、ベッド部130と、第1リード部140は一体となっている。また、本実施形態では一例として、第1リード部140はY方向において2つ設けられている。
第1延在部160と第2延在部170は、X方向においてベッド部130と接合している。すなわち、ベッド部130と、第1延在部160及び第2延在部170は一体となっている。なお、第1延在部160と第2延在部170は、X方向において第1リード部140とは対向する側に設けられている。
第2リード部180は、X方向においてベッド部130と離間し、Y方向において第1延在部160と第2延在部170との間に設けられている。第2リード部180は、第1延在部160、及び第2延在部170と離間している。また、本実施形態では一例として、第2リード部180はY方向において2つ設けられ、互いに離間して設けられている。
半導体素子220のドレイン電極は、ベッド部130の第1薄板部131側とはZ方向において対向する面に接合材231を介して電気的に接続されている。
ボンディングワイヤー240は、半導体素子220のソース電極と第2リード部180の一方とを電気的に接続している。また、半導体素子220のゲート電極と第2リード部180の他方とを電気的に接続している。
本実施形態ではボンディングワイヤー240は金属細線で表したが、コネクタ板でも適用可能である。ボンディングワイヤー240は、例えばCuが用いられる。半導体素子220のドレイン電極、ソース電極及びゲート電極は例えばアルミニウム(Al)が用いられる。接合材231は、例えばはんだが使用される。はんだは、例えばSn-アンチモン(Sb)-銀(Ag)系はんだが使用される。
樹脂250は、ベッド部130、第1リード部140、第1延在部160、第2延在部170、第2リード部180、半導体素子220、及びボンディングワイヤー240の少なくとも一部を覆う。詳細には、ベッド部130と接合している側と対向する側の第1リード部140の一部と、X方向においてベッド部130とは対向する側の第2リード部180の一部は、外部端子として樹脂250の外部に露出している。樹脂250は、例えばエポキシ樹脂が使用される。
(リードフレーム100、及び半導体装置200の製造方法)
まず、リードフレーム100の製造方法について説明する。リードフレーム100は金属製の板材をプレスまたはエッチングすることによって、図1に示すようなリードフレーム100の形状に形成される。
リードフレーム100の第1薄板部131及び第2薄板部181は、プレスあるいはエッチングによって形成される。
続いて、半導体装置200の製造方法について図3を参照して説明する。図3は半導体装置200の製造方法を示す図であり、図3(a)は第1の実施形態に係る半導体装置200の製造方法を示す平面図、図3(b)は図3(a)に示すE-E’線による断面図を示している。
まず、図3(a)に示すように、図1で示したリードフレーム100の第1支持部151、及び第2支持部152を固定部材310でそれぞれ固定する。固定部材310には例えばテープなどが用いられる。
次に、図3(b)に示すように、ベッド部130に接合材231を塗布し、接合材231が半導体素子220下面のドレイン電極と接するように半導体素子220を搭載する。
その後、リフロー炉にて温度を上昇させ、接合材231を融解させる。その後、リフロー炉の温度を降下させ、接合材231を固着させることによってベッド部130と半導体素子220のドレイン電極とを電気的に接続させる。
また、半導体素子220のソース電極及びゲート電極と第2リード部180とを例えば超音波を用いてボンディングワイヤー240で電気的に接続する。
次に、第1フレーム部分110の一部、第2フレーム部分120の一部、半導体素子220、及びボンディングワイヤー240を樹脂250で封止(モールド)する。この時、ベッド部130の第1薄板部131を有する面において、第1薄板部131以外の部分の少なくとも下面を樹脂250の外に露出させる。ベッド部130と接合している側と対向する側の第1リード部140の一部と、X方向において第1フレーム部分110とは対向する側の第2リード部180の一部に付着した樹脂が取り除かれ、完全に外部に露出される。
最後に、第1リード部140と第1支持部151の接続部、第2リード部180と第2支持部152の接続部、第1延在部160と第2支持部152の接続部、及び第2延在部170と第2支持部152の接続部がダイシングカッターなどで切断される。これによって、第1支持部151と第2支持部152が切り外される。以上の工程によって、半導体装置200は形成される。
(第1の実施形態の効果)
第1の実施形態の半導体装置200の効果について、比較例の半導体装置400を用いて説明する。図4(a)は、比較例の半導体装置400の平面図を示しており、図4(b)は、図4(a)に示すF-F’線による断面図を示している。第1の実施形態の半導体装置200と同じ部分については、同一の符号を付している。
比較例の半導体装置400は、第1延在部160と第2延在部170が設けられていない点で、第1の実施形態の半導体装置200と異なる。すなわち、半導体素子220を載置するベッド部130と、外部端子となるリード部180とが離間しており、ベッド部130とリード部180の間は封止樹脂250、及び半導体素子220の電極とリード部180とを電気的に接続するボンディングワイヤー240のみで構成される。そのため、半導体装置400に外力(例えば、Z方向への外力)が加わった場合、主にベッド部130と第2リード部180との間を起点として樹脂250が変形し、樹脂250にクラックが発生してしまう恐れがある。
一方、第1の実施形態の半導体装置200は、第2リード部180が位置する側の樹脂250端部とベッド部130との間に、第1延在部160、及び第2延在部170が設けられている。そのため、半導体装置200に外力(例えば、Z方向への外力)が加わった際、第1延在部160、及び第2延在部170が外力による樹脂250の変形を抑制できる。そのため、半導体装置200は、樹脂250へのクラック発生を抑制することが可能となる。
次に、第1の実施形態に係る半導体装置200の製造方法の効果について、比較例の半導体装置400の製造方法と比較して説明する。
図5は、比較例の半導体装置400の製造時の断面図を示している。図5(a)はリフロー炉の温度降下中において、接合材の融点に達するまでの半導体装置400の断面図、図5(b)はリフロー炉の温度下降中において、接合材の融点未満の温度にある半導体装置400の断面図を示している。
比較例の半導体装置400の製造方法について説明する。第1延在部160、及び第2延在部170が設けられていないベッド部130と半導体素子220下面のドレイン電極を接合材231で接続するために、リフロー炉の温度を上昇させる。
その際、ベッド部130は温度上昇によって熱膨張する。ベッド部130に載置された半導体素子220も熱膨張するが、一般に半導体素子の線膨張係数よりもリードフレームの線膨張係数のほうが大きいため、半導体素子220の膨張量よりもベッド部130の膨張量のほうが大きい。例えば、リードフレームの主材料がCu、半導体素子の主材料がSiであるとすると、Cuの線膨張係数は1.7×10-5、Siの線膨張係数は2.8×10-6である。
続いて、接合材231を固着させるためにリフロー炉の温度を降下させる。この時、温度上昇時に膨張したベッド部130と半導体素子220は共に収縮するが、半導体素子220の線膨張係数よりもベッド部130の線膨張係数のほうが大きいため、半導体素子220の収縮量よりもベッド部130の収縮量が大きい。図5(a)に示すように接合材231の融点に達するまでは半導体素子220及びベッド部130はX方向に収縮する。温度降下時に接合材231の融点に達すると、ベッド部130と半導体素子220が接合材231を介して固着する。
さらに温度を降下させていくと、ベッド部130と半導体素子220は収縮し続けるが、ベッド部130と半導体素子220は接合材231を介して固着している。そのため、ベッド部130と半導体素子220が固着した部分の面積は一定でなければならない。
その際、収縮量が大きいベッド部130のX方向の長さが短くなるよう曲げ応力が生じ、ベッド部130と半導体素子220は半導体素子220搭載側に凸に歪む。曲げ応力に起因する歪みが原因で、半導体素子220にクラックが発生する恐れがある。特に、ベッド部130の厚さが半導体素子220の厚さより薄くなっている場合、歪みが大きくなり、半導体素子220にクラックが発生しやすくなっていた。
図5(b)に示すような曲げ応力を緩和するために、ベッド部130に設けられた第1薄板部131を設けない、すなわち、ベッド部130のZ方向における厚さを大きくする方法がある。しかしながら、異なる電位が印加されるベッド部130と第2リード部180とが近接する領域においては、絶縁耐圧の確保やショートを抑制する目的で樹脂250の充填体積が大きい方が望ましい。そのため、ベッド部130には第1薄板部131、第2リード部180には第2薄板部181をそれぞれ設け、樹脂250の充填体積を確保することが、半導体装置の信頼性の観点から望ましい。
以上の内容を踏まえ、第1の実施形態に係る半導体装置200の製造方法の効果について説明する。図3(a)で示したように、第1支持部151、及び第2支持部152を固定部材310で固定し、第1接続材231を介して半導体素子220をベッド部130上に載置した状態でリフロー炉の温度を上昇させる。ここで、第1支持部151及び第2支持部152は、例えばピンなどを用いることで固定され、X-Y-Z方向への動きが抑制される。
次に、リフロー炉の温度を徐々に降下し、接合材231を固着させる。ここで、ベッド部130はX方向において第1延在部160及び第2延在部170を介して、固定部材310で固定された第2支持部152と接続されている。曲げ応力が発生しやすいベッド部130端部が第2支持部152によって固定されるため、図5(b)で示したような線膨張係数差に起因する曲げ応力の発生を抑制することができる。よって、曲げ応力に起因する第1フレーム部分110の第1薄板部131の一部と半導体素子220の凸形状の歪み発生が抑制されるため、第1薄板部131を設けることで半導体装置の耐圧向上や電極ショートを抑制しつつ、半導体素子220へのクラック発生を抑制できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
100 リードフレーム
110 第1フレーム部分
120 第2フレーム部分
130 ベッド部
131 第1薄板部
140 第1リード部
151 第1支持部
152 第2支持部
160 第1延在部
170 第2延在部
180 第2リード部
181 第2薄板部
200、400 半導体装置
220 半導体素子
231 接合材
240 ボンディングワイヤー
250 樹脂
310 固定部材

Claims (9)

  1. 第1方向における厚さが薄い第1部分を有するベッド部と、
    第1支持部と、
    前記第1方向と交わる第2方向において、前記ベッド部と前記第1支持部との間に位置し、且つ前記ベッド部と前記第1支持部と接続された第1リード部と、
    前記第2方向において前記第1リード部に対向する側に位置し、前記ベッド部に接続された第1延在部と、
    前記第1方向及び前記第2方向と交わる第3方向において前記第1延在部と離間して設けられ、前記ベッド部に接続された第2延在部と、
    を有する第1フレーム部分と、
    前記第1延在部と前記第2延在部とに接続された第2支持部と、
    前記第2方向において前記ベッド部と前記第2支持部との間に位置し、前記第2支持部に接続された第2リード部と、
    を有する第2フレーム部分と、
    を有することを特徴とするリードフレーム。
  2. 前記第2リード部は、前記第1方向における厚さが薄い第2部分を有する請求項1に記載のリードフレーム。
  3. 第1方向における厚さが薄い第1部分を有するベッド部と、
    前記ベッド部と接続された第1リード部と、
    前記第1方向と交わる第2方向において、前記第1リード部に対向する側の前記ベッド部に接続された第1延在部と、
    前記第1方向及び前記第2方向と交わる第3方向において前記第1延在部と離間して設けられ、前記ベッド部に接続された第2延在部と、
    前記ベッド部と離間し、前記第2方向において前記第1延在部と前記第2延在部との間に設けられた第2リード部と、
    前記ベッド部上に設けられた半導体素子と、
    前記ベッド部、第1リード部、前記第1延在部、前記第2延在部、前記第2リード部、及び前記半導体素子の少なくとも一部を覆う樹脂と、
    を有する半導体装置。
  4. 前記第2リード部は、前記第1方向における厚さが薄い第2部分を有する請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体素子の電極と、
    前記第2リード部と、
    が電流経路部材で電気的に接続されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  6. 前記第1部分上に前記半導体素子が搭載されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  7. 前記ベッド部の下面の少なくとも一部が前記樹脂から露出していることを特徴とする請求項3乃至6いずれか1つに記載の半導体装置。
  8. 請求項1に記載のリードフレームを用いた半導体装置の製造方法であって、
    前記第1支持部と前記第2支持部をそれぞれ固定する工程と、
    前記ベッド部に接合材を介して前記半導体素子を搭載し、加熱により前記ベッド部に前記半導体素子を固着する工程と、
    前記第1リード部を前記第1支持部から切り離す工程と、
    前記第2リード部と前記第1延在部と前記第2延在部とを第2支持部から切り離す工程と、
    を有する請求項3乃至7いずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第1支持部と前記第2支持部をそれぞれ固定する工程、前記ベッド部に前記半導体素子を固着する工程は、前記第2のリード部と前記第1延在部と前記第2延在部とを第2支持部から切り離す工程よりも前にあることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
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