JP4255842B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、封止樹脂の下面に露出する外部端子が格子状に規則的に配置された、いわゆるランドグリッドアレイタイプの半導体装置における、半導体チップが搭載された放熱板の構造の改良に関する。
従来例の半導体装置の構造について、図面を参照しながら説明する。図6は、特許文献1に記載された従来の半導体装置の構造の一例を示す概略図である。図6(a)は半導体装置の断面図、(b)は同半導体装置の下面の外観を示す下面図である。図6(a)の断面図は、図6(b)のJ−J線に沿った断面を示す。図6(c)は、この半導体装置を構成する放熱板を取り出して示した下面図、図6(d)は、この半導体装置を構成するリードフレームを示す下面図である。
図6(a)に示すように、半導体チップ1は、放熱板2の中央の突出部2a上に搭載され、銀ペーストなどの接着材3で固定されている。放熱板2は、図6(d)に示すように、半導体装置の四隅のランドからのびた吊りリード4と一体構造であり、強度的にこの吊りリード4により保持されている。また、半導体装置外部に露出する吊りリード4上のランド4aも一体構造となっている。チップ搭載部である突出部2aを含む放熱板2の外側には、規則正しい格子状に、電気信号用端子5が配列されており、ワイヤー6により半導体チップ1と電気的に接続されている。以上の要素は、封止樹脂7で封止されている。
放熱板2の突出部2aの周囲に形成された支持部2bは、半導体装置外部へ露出する、いわゆるフルメタル部分、すなわち厚みがリードフレームの初期の厚みのままであり、突出部2aを支持する役目を果たす。突出部2aの下面の中央凹部2cは、封止樹脂7が流れ込まない構造となっているため、樹脂封止されず、支持部2bとともに半導体装置の外部に露出する。支持部2bを包囲する外周部分2dは、ハーフエッチングにより薄肉化され封止樹脂7に埋め込まれるが、一部はフルメタルの放熱端子2eを形成して半導体装置外部に露出する。その形状・寸法および配列は、半導体装置下面の電気信号用端子5と同様であり、外観上は、電気信号用端子5となんら相違がない。
特開2000−124381号公報
上記従来の半導体装置の場合、実装基板へのはんだ接続の後、露出した放熱板2の下に実装基板上の配線を形成することが困難となるという問題点があった。図7に、基板上配線の様子を示す。図7(a)は、図6に示した構造を有する半導体装置8を実装用の基板9に実装した状態を示す断面図、図7(b)は基板表面の状態を示す平面図である。図7(a)の断面図は、(b)におけるK−K線に沿った断面を示す。この基板9は、高密度配線を付設するために、放熱板2の直下に対応する領域に配線を引き回す必要がある場合の一例である。
基板9上に形成された電極10は、半導体装置8の電気信号用端子5とはんだ材料11により接続される。12は、半導体装置8下面の中央部の基板9上に形成された配線を示す。配線12は、半導体装置8の電気信号用端子5のひとつに対応する基板9上の電極10aから、基板9に形成されたビアホール13に至るように、基板9の上面に形成されている。配線12は、ビアホール13を介して基板9の内層配線14に接続されている。
この状態において、基板9上の配線12と半導体装置8の露出した放熱板2の支持部2bが、互いに金属どうしで向き合うことになる。このような状態となったとき、近接している電気信号用端子5部分のはんだ材料11aがはみだしたり、余分なはんだ材料が分離してはんだボール15となり、配線12と放熱板2とのあいだに位置した場合に、電気的なショートが発生し、回路特性が不良となる。
このような基板設計は、近年の高密度電子回路形成では通常のこととなっているが、露出している放熱板の直下に基板配線を形成することは、放熱板とその直下の基板配線間での相互の干渉が発生する可能性があり、危険な設計として避けられている。
本発明は、放熱板が露出する構造の半導体装置における上述の問題を解決し、放熱板下の基板配線の自由度を確保できる半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の第1の構成の半導体装置は、半導体チップと、上面に前記半導体チップが搭載され下面に複数個の放熱端子が設けられた放熱板と、その放熱板の周囲に格子状に規則的に配列された複数個の電気信号用端子と、前記半導体チップと前記電気信号用端子とを電気的に接続する接続部材と、前記電気信号用端子および前記放熱端子の下端面を露出させて、前記半導体チップ、前記放熱板、前記電気信号用端子および前記接続部材を封止した封止樹脂とを備えた基本構成を有する。
前記放熱板は、上面中央部に突出するように設けられ前記半導体チップを支持する突出部と、前記突出部の裏面の周囲に前記突出部を保持するように設けられ前記封止樹脂の裏面に露出した複数個の支持部と、前記複数個の放熱端子と、前記支持部および前記放熱端子の下端面よりも後退した肉薄部とが一体になった構造を有する。前記突出部の下面および前記肉薄部の下面は前記封止樹脂で被覆されており、前記突出部に連続した複数箇所の支持部は、前記突出部の周囲に互いに対称な位置に配置されている。更に、前記支持部、前記放熱端子および前記電気信号用端子の相互間の間隔は、隣接する前記電気信号用端子どうしの相互間の間隔以上であり、前記放熱端子は前記電気信号用端子と実質的に同一の形状および配列を有する。
本発明の第2の構成の半導体装置は、第1の構成と同様の基本構成を備える。そして、前記放熱板は、上面中央部に突出するように設けられ前記半導体チップを支持する突出部と、前記突出部の裏面の周囲に前記突出部を保持するように設けられ前記封止樹脂の裏面に露出した複数個の支持部と、前記複数個の放熱端子と、前記支持部および前記放熱端子の下端面よりも後退した肉薄部とが一体になった構造を有する。前記突出部の下面および前記肉薄部の下面は前記封止樹脂で被覆されており、前記突出部に連続した複数箇所の支持部は、前記突出部の周囲に互いに対称な位置に配置されている。更に、前記突出部に連続した前記支持部の幅は、リードフレーム厚みの1/2以上であり、前記支持部の長さはリードフレーム厚み以上であることを特徴とする。
上記の構成によれば、従来露出していた放熱板下面の相当部分を封止樹脂の中に埋め込み、放熱板の下面が封止樹脂から露出する面積を低減させて、放熱板下の基板配線の自由度を向上させることができる。
本発明の第1または第2の構成の半導体装置において、好ましくは、前記放熱端子は、放熱板の外周部のみに、対称的に配置される。また、前記放熱板の肉薄部の一部に貫通穴が形成されていることが好ましい。前記貫通穴の位置は、すくなくとも半切断部に連続していることが好ましい。
以下、本発明の半導体装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1における半導体装置の構造を示す。図1(a)、(b)は断面図、(c)は下面図である。図1(a)は、(c)のA−A線に沿った断面、(b)はB−B線に沿った断面を示す。図1(d)は、この半導体装置を構成する放熱板を取り出して示した下面図、図1(e)は、この半導体装置を構成するリードフレームの構造を示す下面図である。
この半導体装置の構造においては、放熱板20の構造が、図6に示した従来例の放熱板2と相違する。他の部分の構造は、図6に示した従来例と同様であり、同一の要素には同一の参照符号を付して、説明を簡略化する。
放熱板20の上面には、従来例と同様に突出部20aが形成され、半導体チップ1が搭載されている。放熱板20の下面には、突出部20aの周囲に対応する位置に、支持部20bが形成されている。支持部20bはフルメタル部分であり、封止樹脂7の外部に露出し、突出部20aを保持する役割を果たす。
放熱板20の下面にはさらに、肉薄のハーフエッチング部20c、および放熱端子20dが形成されている。放熱端子20dは、周囲の電気信号用端子5と同じ形状、寸法、配列で配置され、封止樹脂7の外部に露出して、放熱性確保のため基板とはんだ接続されるフルメタル部分である。放熱端子20dの形状、寸法、配列を電気信号用端子5と同じとすることによる利点の一つは、基板に実装するときのはんだ材料供給パターンを統一でき、実装条件の設定が容易なことである。また、基板への接合材料としてはんだボールをつける際に、電気信号用端子5に用いるボールと同じサイズのボールで対応可能である。また、ランドデザインのシンプル化のために、放熱端子20dを電気信号用端子5と連続させて配置することが望ましい。一例として図1(e)に示すように、放熱端子20dを放熱板20の外周縁部にのみ配置する。
このような放熱板20の支持部20bの構造により、支持部20bの周囲のハーフエッチング部20cが封止樹脂7により被覆され、この部分が基板配線可能となる。本実施の形態における支持部20bの形状は、図6の従来例のような一つの大きな矩形状ではなく、小さな長方形状の支持部20bが4個、直交する軸線上に配置されていることが特徴である。それにより、封止樹脂7外部に露出する面積が低減され、はんだショート防止および基板配線設計の簡略性・規則性に有利になっている。
この支持部20bと放熱端子20dの間隔L1、支持部20bどうしの間隔L2は、電気信号用端子5どうし間の間隔L3と同じか、もしくはそれ以上とすることが望ましい。それにより、ショートを防止して基板配線設計の自由度を十分に確保できる。また、支持部20bの寸法については、その幅L4がリードフレーム厚みL5の1/2倍以上、長さL6がリードフレーム幅以上とすることにより、突出部20aを保持する力を確保できるので望ましい。
上述のとおり、本実施の形態では、放熱板20の露出部分が基板上配線と対向することを極力防ぐため、放熱板20下面の露出部分を削減している。すなわち、従来、放熱板20が露出していた箇所を樹脂面とし、その下に基板上配線が配置されるように設計する。それにより、万一配線上に異物が乗ったとしても、対向する半導体装置側は樹脂面であるため、電気的ショートなどの不具合は発生しない。放熱板20下部の樹脂被覆領域は、基板配線の自由度確保のため、可能な限りその面積を大きくすることが望ましい。
(実施の形態2)
図2に示す実施の形態2における半導体装置は、図1の半導体装置における放熱板20下面への封止樹脂7埋め込みの効率を改善した放熱板構造を有する。図2(a)、(b)は断面図、(c)は下面図である。図2(a)は、(c)のC−C線に沿った断面、(b)はD−D線に沿った断面を示す。図2(d)は、この半導体装置を構成する放熱板を取り出して示した下面図である。
図1において、封止樹脂7で埋め込むべき放熱板20下面は、ハーフエッチングされている。しかしながら、封止樹脂7がながれこむ隙間がせまいため、封止樹脂7の充填状態が悪いので未充填部が発生し易く、外観不良となる。したがって、放熱板20下面への封止樹脂7の流れ込みを促進する必要がある。
図2に示す半導体素子の放熱板21の構造は、そのような課題を解決するものである。放熱板21は、図1の構造と同様な、突出部21a、支持部21b、ハーフエッチング部21c、および放熱端子21dを有する。さらに放熱板21には、貫通穴21eが形成されている。貫通穴21eは、リードフレーム製作工程において、エッチングによりあらかじめ形成されている。
半導体装置製造の封止工程において、封止樹脂7が、半導体チップ1の直下の隙間22からも、貫通穴21eを通じて放熱板21下面23へと流れ込む。この貫通穴21eがない場合、例えば図2(a)において、樹脂の流れ込む経路は矢印24で示した経路、つまりハーフエッチング部21c下面の狭い部分を横方向に進む経路のみであり、樹脂の流れが悪く、充填不良が発生し易い。一方貫通穴21eを設けた図2の場合であると、封止樹脂7は、ハーフエッチング部21c下面だけでなく、貫通穴21eを通って上から下方向に流れ込むことになり、放熱板21下面23への樹脂封止効率が改善される。上記貫通穴21eの有無による樹脂封止後の外観の相違を、半導体装置各30ケずつ比較した結果、貫通穴21eなしの場合、未充填不良が5箇所発生したのに対し、貫通穴21eありの場合は充填不良は0であった。
なお、貫通穴21eは、図2(d)に示すように、突出部21aに連続して形成することにより、突出部21a下への樹脂流れ込みが促進されるので望ましい。
(実施の形態3)
図3Aは、実施の形態3における半導体装置を示す。図3A(a)は断面図、(b)は下面図である。図3(a)は、(b)のE−E線に沿った断面を示す。図3(c)は、この半導体装置を構成する放熱板を取り出して示した下面図である。
本実施の形態では、図1および図2に記載した突出部20a、21aを保持する4ケ所のフルメタル露出の支持部20b、21bとは異なり、図3A(b)に示すように、支持部25cを、他の露出端子である放熱端子、電気信号用端子とほぼ同等の形状および配置にする。
図3A(c)に示すように、放熱板25の上面には、中央部にチップを搭載する円形の突出部25aを有し、そこから十字形状に延びるように補助突出部25bが形成されている。補助突出部25bの先端部に位置する支持部25cが形成され、その形状は他の端子と同様の形状となっている。破線で示した輪郭形状26のプレス金型で半分切断することにより、センターが円形で十字形状の補助部をもつ突出部25a、補助突出部25bが形成され、図3A(b)に示すように、それを保持する支持部25cは、放熱端子25dとほぼ同等のピストル弾のような形状となる。その結果、基板配線自由度がいっそう確保できることになる。しかも、この支持部25cで放熱のための基板へのはんだ接続が可能となる。25eはハーフエッチング部、25fは貫通穴である。
次に、上記図3Aの構造を改善した例を図3Bに示す。図3Aの構造では、補助突出部25bが十字形状となっており、その幅が狭いため、補助突出部25b全体としての強度が弱く、チップ搭載時に変形する可能性がある。これを解決するための一例として、図3Bに示す形状を用いることができる。この構造における突出部27aは、正方形である。また、図3Aの構造における貫通穴25fに対応して、図3Bの構造では三角形状の貫通穴27bが形成される。なお、他の部分については図3Aと同一の参照符号を付して、説明を省略する。突出部27aの形状を十字から正方形とすることにより、図3Aの場合の補助突出部25bの幅の狭さが解消され、突出部の強度が増す。また貫通穴27aの形状を三角形状とすることにより、樹脂流通は図3Aと同様に良好であり、安定した生産性・歩留まりを確保することが可能である。
(実施の形態4)
図4は、実施の形態4における半導体装置を示す。図4(a)は断面図、(b)は下面図である。図4(a)は、(b)のG−G線に沿った断面を示す。図4(c)は、この半導体装置を構成する放熱板を取り出して示した下面図である。
本実施の形態は、放熱板28の中央部に突出部を設けず、フラットとした構造を特徴とする。その上面がフラットな放熱板28の中央に、Agペーストにより半導体チップ1を装着固定する。この場合、上述の実施の形態のように突出部およびそれを保持する支持部を形成する必要がない。その結果、半導体装置下面の放熱板28の露出部分の外観は、図4(c)に示したように、ハーフエッチング部28aに放熱端子28bのみが配置された状態となる。つまり金属露出部分を極限まで減らすことができるので、基板配線自由度をいっそう十分に確保できる。
(実施の形態5)
図5Aは、実施の形態5における半導体装置を示す。図5A(a)は断面図、(b)は下面図である。図5A(a)は、(b)のH−H線に沿った断面を示す。図5A(c)は、この半導体装置を構成する放熱板を取り出して示した下面図である。本実施の形態は、図4に示した実施の形態4の改良例である。
本実施の形態では、図4と同様に上面がフラットな放熱板29の構造を有し、図5A(c)に示すように、ハーフエッチング部29aの放熱端子29bの内側に、貫通穴29cを設ける。それにより、樹脂が貫通穴29cを通じて、放熱板29の上面から下面へ流れ込む樹脂流路30が形成される。その結果、放熱板29下面への樹脂の流れを促進し、未充填の外観不良の発生を軽減する。ただし、貫通穴29cからの樹脂流れ込みを有効とするには、半導体チップ1の外形輪郭よりも外形サイズの大きな貫通穴29cを設ける必要がある。
以上のように、放熱板に突出部を形成せず、その上面をフラットとし、かつ貫通穴を設けることにより、実装基板配線の自由度を確保し、放熱板下面への樹脂流れ込みを促進し、しかも突出部加工の工程を省く事ができる。
図5Bに、図5Aに示した構造の改善例を示す。図5B(a)は断面図、(b)は下面図である。図5B(a)は、(b)のI−I線に沿った断面を示す。図5A(c)は、この半導体装置を構成する放熱板を取り出して示した下面図である。図5Cには、図5Bに示した半導体装置を基板実装した状態を断面で示す。
この例においては、放熱板31の中央部に中央放熱端子31dを設ける。中央放熱端子31dは、フルメタルであり、電気信号用端子5、あるいは他の放熱端子31bと同形状・寸法である。31aはハーフエッチング部、31cは貫通穴である。
図5Cに示すように、この半導体装置を基板9に実装する際には、中央放熱端子31dも同時にはんだ接続する。これにより、半導体チップ1で回路作動時に発生する熱は、放熱端子31bを介した基板9への放熱経路32のみならず、中央放熱端子31dを介した放熱経路33からも分散して基板9に放熱される。したがって放熱性の改善につながり、放熱性を示す熱抵抗の値が10%〜30%改善される。
中央放熱端子31dを設けることによるもうひとつの効果を図5Dに示す。 図5Dは、半導体装置組み立て工程における、リードフレームへの半導体チップ1装着時の様子を示す。図5D(a)は、図5Aの放熱板29の場合、図5D(b)は、図5Bの中央放熱端子31dを有する放熱板31の場合を示す。
図5D(a)に示すように、組み立て当初のリードフレームは、放熱板29、電気信号用端子5を形成するリードなどが、シート34上に貼り付いた状態となっている。そこに、矢印35で示した方向つまり上方から下方向に荷重をかけながら、半導体チップ1が装着される。このとき、中央放熱端子31dが存在しない放熱板29は、破線で示されるように変形するという不具合が生じる。放熱板29が変形すると、外観上の不良あるいは半導体装置の信頼性への不具合につながることになる。したがって、変形を生じない範囲での荷重のもとで半導体チップ1を装着する必要があり、チップ装着条件幅が小さくなる。
これに対して、図5D(b)に示すように、中央放熱端子31dを設けた場合には、中央放熱端子31dが放熱板31への荷重負荷を支える役割を果たし、上述のような変形は発生しない。
以上のように、図5Bに示す構造は、放熱性向上と組み立て時の放熱板変形防止の2つの利点を有する。
本発明によれば、放熱板の下面が封止樹脂から露出する面積を低減させて、放熱板下の基板配線の自由度を向上させることができるので、ランドグリッドアレイタイプのリードフレームを用いた半導体装置の製造に有用である。
実施の形態1における半導体装置を示し、(a)および(b)は断面図、(c)は下面図、(d)は構成要素の一部である放熱板の下面図、(e)は構成要素の一部であるリードフレームの下面図 実施の形態2における半導体装置を示し、(a)および(b)は断面図、(c)は下面図、(d)は構成要素の一部である放熱板の下面図 実施の形態3における半導体装置を示し、(a)は断面図、(b)は下面図、(c)は構成要素の一部である放熱板の下面図 実施の形態3における半導体装置の改良例の半導体装置を示し、(a)は断面図、(b)は下面図、(c)は構成要素の一部である放熱板の下面図 実施の形態4における半導体装置を示し、(a)は断面図、(b)は下面図、(c)は構成要素の一部である放熱板の下面図 実施の形態5における半導体装置を示し、(a)は断面図、(b)は下面図、(c)は構成要素の一部である放熱板の下面図 実施の形態5における半導体装置の改良例の半導体装置を示し、(a)は断面図、(b)は下面図、(c)は構成要素の一部である放熱板の下面図 図5Bに示した半導体装置を基板実装した状態を示す断面図 半導体装置を組み立てる際の半導体チップ搭載時の放熱板変形の様子を示す断面図 従来例の半導体装置を示し、(a)は断面図、(b)は下面図、(c)は構成要素の一部である放熱板の下面図、(d)は構成要素の一部であるリードフレームの下面図 図6の半導体装置を基板に実装した構造を示し、(a)は断面図と、(b)は基板表面のパターン図
符号の説明
1 半導体チップ
2 放熱板
2a 突出部
2b 支持部
2c 中央凹部
2d ハーフエッチング部
2e 放熱端子
3 接着材
4 吊りリード
4a ランド
5 端子
5a コーナーランド
6 ワイヤー
7 封止樹脂
7a チップと放熱板間の樹脂
8 半導体装置
9 基板
10、10a 電極
11、11a はんだ材料
12 配線
13 ビアホール
14 内層配線
15 はんだボール
20、21、25、28、29、31 放熱板
20a、21a、25a、27a 突出部
20b、21b、25c 支持部
20c、21c、25e、28a、29a、31a ハーフエッチング部
20d、21d、25d、28b、29b、31b 放熱端子
21e、25f、27b、29c、31c 貫通穴
22 隙間
23 放熱板21下面
24 矢印
25b 補助突出部
26 輪郭形状
30 樹脂流路
31d 中央放熱端子
32、33 放熱経路
34 シート
35 矢印
L1 支持部と放熱端子の間隔
L2 支持部どうしの間隔
L3 電気信号用端子どうし間の間隔
L4 支持部の幅
L5 リードフレーム厚み
L6 支持部の長さ

Claims (5)

  1. 半導体チップと、上面に前記半導体チップが搭載され下面に複数個の放熱端子が設けられた放熱板と、その放熱板の周囲に格子状に規則的に配列された複数個の電気信号用端子と、前記半導体チップと前記電気信号用端子とを電気的に接続する接続部材と、前記電気信号用端子および前記放熱端子の下端面を露出させて、前記半導体チップ、前記放熱板、前記電気信号用端子および前記接続部材を封止した封止樹脂とを備えた半導体装置において、
    前記放熱板は、上面中央部に突出するように設けられ前記半導体チップを支持する突出部と、前記突出部の裏面の周囲に前記突出部を保持するように設けられ前記封止樹脂の裏面に露出した複数個の支持部と、前記複数個の放熱端子と、前記支持部および前記放熱端子の下端面よりも後退した肉薄部とが一体になった構造を有し、
    前記突出部の下面および前記肉薄部の下面は前記封止樹脂で被覆されており、
    前記突出部に連続した複数箇所の支持部は、前記突出部の周囲に互いに対称な位置に配置されており、
    前記支持部、前記放熱端子および前記電気信号用端子の相互間の間隔は、隣接する前記電気信号用端子どうしの相互間の間隔以上であり、
    前記放熱端子は前記電気信号用端子と実質的に同一の形状および配列を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 半導体チップと、上面に前記半導体チップが搭載され下面に複数個の放熱端子が設けられた放熱板と、その放熱板の周囲に格子状に規則的に配列された複数個の電気信号用端子と、前記半導体チップと前記電気信号用端子とを電気的に接続する接続部材と、前記電気信号用端子および前記放熱端子の下端面を露出させて、前記半導体チップ、前記放熱板、前記電気信号用端子および前記接続部材を封止した封止樹脂とを備えた半導体装置において、
    前記放熱板は、上面中央部に突出するように設けられ前記半導体チップを支持する突出部と、前記突出部の裏面の周囲に前記突出部を保持するように設けられ前記封止樹脂の裏面に露出した複数個の支持部と、前記複数個の放熱端子と、前記支持部および前記放熱端子の下端面よりも後退した肉薄部とが一体になった構造を有し、
    前記突出部の下面および前記肉薄部の下面は前記封止樹脂で被覆されており、
    前記突出部に連続した複数箇所の支持部は、前記突出部の周囲に互いに対称な位置に配置されており、
    前記突出部に連続した前記支持部の幅は、リードフレーム厚みの1/2以上であり、
    前記支持部の長さはリードフレーム厚み以上であることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記放熱端子は、放熱板の外周部のみに、対称的に配置された請求項1または2記載の半導体装置。
  4. 前記放熱板の肉薄部の一部に貫通穴が形成されている請求項1または2記載の半導体装置。
  5. 前記貫通穴の位置は、すくなくとも半切断部に連続している請求項記載の半導体装置。
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