JP2009081303A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子を中空の封止部材内に配置した構成の半導体装置において、実装時における封止部材の接合面での剥離や中空内での結露発生などを有効に防止するとともに、実装後の長期信頼性を確保する。
【解決手段】半導体素子１と、半導体素子１が搭載されるリードフレーム２と、半導体素子１を封止する封止部材３とを備える。封止部材３は、一端が開口した中空の枠体５とこの枠体５の開口を閉鎖するキャップ６とを有する。封止部材３内に半導体素子１が収納されるとともに、リードフレーム２が封止部材３の外部に引き出されており、かつ枠体５の開口側の縁部にはその内外を貫通する通気用の溝７が形成される。溝７はリードフレーム２の実装用基板１４への固定後の状態において詰栓１１で密閉される。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子を中空の封止部材内に配置した構成の半導体装置およびその製造方法に関する。

従来の半導体装置には、セラミックパッケージ内に半導体素子を収容し、その内部に窒素ガスやドライエア等を充満させて気密封止した構造を採用したものがある。このようなセラミックパッケージを使用した半導体装置は、実装用基板への半田付け時に、半田リフローによる熱が加わっても内部はあまり膨張せず、結露もしないという利点がある。しかしながら、セラミックパッケージは高価であり、半導体装置を安価に製造することが難しい。

そこで、近年の半導体装置では、例えば、図１４および図１５に示すような構造が使用されている。なお、図１４は、従来の半導体装置を示す平面図であり、図１５は、図１４のＦ−Ｆ線に沿う断面図である。この従来の半導体装置は、半導体素子１と、リードフレーム２と、封止部材３とを備える。封止部材３は、合成樹脂からなり、リードフレーム２の下部に位置する基台４と、リードフレーム２の上部に位置する上端が開口した中空の枠体５と、この枠体５の開口側を閉鎖するキャップ６とを有する。そして、基台４と枠体５とは、例えば、リードフレーム２に直接にモールド成形され、また、キャップ６は、枠体５の開口側に接着剤８で固定されている。なお、半導体素子１がＣＣＤ（Charge Coupled Device）やフォトダイオードなどの光半導体素子である場合には、キャップ６としてガラス板や合成樹脂板等の光透過性材料が使用される。

一方、リードフレーム２は、ダイパッド２１と複数本のアウターリード２２とダム樹脂２３とを備える。封止部材３の中空内に位置するリードフレーム２のダイパッド２１上に上記の半導体素子１が銀ペーストなどの接着剤によって固定されている。半導体素子１の外部引出用の図示しない各電極は、金等によるボンディングワイヤ２５を介してそれぞれ対応するアウターリード２２の内端部に電気的に接続されている。また、各アウターリード２２の外端部は封止部材３の外部に引き出されて、プリント配線基板などの実装用基板１４に半田１５で固定される。

図１４および図１５に示した従来の半導体装置は、封止部材３が合成樹脂からなるため、安価に製造できるという利点がある。しかしながら、封止部材３の中空内を予め密閉状態とし、その後、アウターリード２２の外端部を実装用基板１４に半田１５で固定しているため、下記のような問題点を生じている。

上記従来の半導体装置では、枠体５にキャップ６を固定する際、封止部材３の中空内のガスや水分が内部にそのまま閉じ込められた状態になる。このため、リードフレーム２を実装用基板１４へ半田１５で固定する際の加熱によって、封止部材３の中空内に閉じ込められていたガスや水分が膨張する。そして、その圧力によってキャップ６と枠体５との接着部などの境界面で剥離が生じ、封止部材３内の気密性が損なわれることがある。

また、上記実装時の加熱によって封止部材３の中空内の残留水分が水蒸気となる。このため、キャップ６に光透過性のあるガラス板や樹脂板を用いた半導体装置では、水蒸気がキャップ６の内面に付着する。あるいは封止部材３の内外の温度差によって水蒸気が結露を生じる。その結果、光透過率が低下するなどの問題を生じる。

さらに、半導体装置の実装環境としては、これまでの鉛含有半田から鉛を含有しない鉛フリー半田に移行している。このため、実装時の加熱温度は、従来の錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）半田の融点が１８３℃に対し、錫−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）半田では融点が２１７℃と３０℃以上高くなっている。加えて、実装方式が半田リフローによるものから、レーザー等の光を使った実装方式も用いられるようになってきている。光による実装ではパッケージ全体を予熱する必要がないので、封止部材３の内外の温度差がより大きくなる。このため、上記の封止部材３の剥離発生や中空内での結露などの不具合発生が一層顕著になる傾向にある。

以上のような問題を解消するために、後掲の特許文献１および２は、半導体素子を封止する封止部材に通気孔を予め形成した構造を開示している。当該構造では、実装時に封止部材が加熱された場合でも、封止部材の中空内のガスや水分が通気孔を通して外部に排出される。このため、剥離や結露などの不具合発生を防止できるとされている。
特開２００４−１１９８８１号公報 特開２００６−１０８２８５号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載されている従来技術では、実装用基板への実装後も封止部材に形成された通気孔は開放された状態のままなので、実装後にこの通気孔を通して封止部材の中空内に微細な塵埃等の異物が進入しやすくなる。特に、半導体素子がＣＣＤ等の光半導体素子である場合には、封止部材内に配置されたこの素子の表面やキャップ内面に異物が付着すると、素子への入射光量が減少し、半導体装置としての特性が劣化する。

また、実装時には、封止部材の中空内に残留するガスや水分が通気孔を通して排出されるとしても、実装後は通気孔を経由して外部の湿気が再び中空内に進入し、その結果、キャップ内面が曇ったり、半導体素子自体の特性が劣化したりして、半導体素子の長期信頼性が損なわれる恐れがある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、実装時における封止部材の接合面での剥離や内部の結露などの不具合発生を有効に防止するとともに、実装後も長期信頼性を確保することができる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明は以下の技術的手段を採用している。まず、本発明は、半導体素子と、前記半導体素子が搭載される配線板と、前記半導体素子を封止する封止部材とを備える半導体装置を前提としている。そして、本発明に係る半導体装置は、封止部材とシール部材とを備える。封止部材は、一端が開口した中空の枠体と、当該枠体の開口を閉鎖するキャップと、枠体またはキャップに設けられた、キャップが枠体に装着された状態で、枠体の中空部と枠体の外部とを連通する通気路とを備える。また、シール部材は、封止部材の外部に引き出された配線板を実装用基板へ固定した後に、上記通気路を閉鎖する。

本構成によれば、配線板を実装用基板へ固定する際に封止部材が加熱された場合でも、封止部材の中空内の残留ガスや残留水分が通気路を通して排出される。そのため、封止部材の接合面での剥離や内部の結露などの不具合発生を有効に防止することができる。しかも、実装後は通気路がシール部材によって密閉されるので、通気路を通じて外部の湿気や塵埃が封止部材の中空内に再び進入することはない。このため、実装後にキャップ内面の曇りや、半導体素子自体の特性が劣化するなどの不具合発生が防止され、長期信頼性を確保することができる。

上述の半導体装置において、例えば、上記通気路は、上記枠体の開口側の端縁に形成された溝とすることができ、上記シール部材は、上記枠体の内側から当該溝に嵌合された状態で固定される詰栓とすることができる。本構成では、外部からの接触等の機械的要因によって気密状態が破壊され難いので、半導体装置の長期信頼性を確保する上で有効である。また、上記通気路は、上記枠体の一部を内外に貫通する貫通孔であり、上記シール部材は上記枠体の外側から貫通孔内に充填される接着剤とすることもできる。これにより、貫通孔の密閉作業を極めて簡単に行うことができる。

以上の構成は、半導体素子が光半導体素子で、キャップが光透過性部材で構成されている場合、キャップ内面の曇りや半導体素子自体の特性劣化を防止する上で極めて有効な対策となる。また、配線板がリードフレームである場合、リードフレームを実装用基板に半田付けする際、封止部材が加熱されやすい。そのため、封止部材に予め通気路を形成して中空内の残留ガスや残留水分を排出し、実装後に通気路を塞ぐようにすることは、キャップ内面の曇りや半導体素子自体の特性劣化を防止する上で効果が大きい。

一方、他の観点では、本発明は、半導体素子と、前記半導体素子が搭載される配線板と、前記半導体素子を封止する、一端が開口した中空の枠体と当該枠体の開口を閉鎖するキャップとを有する封止部材とを備える半導体装置の製造方法を提供することができる。すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法では、まず、配線板上に半導体素子が搭載される。次いで、半導体素子が搭載された配線板が、配線板の一部を枠体の外部に引き出した状態で当該枠体内に収納される。その後、枠体の開口がキャップにより閉鎖される。また、開口が閉鎖された後、枠体の外部に引き出された配線板が実装用基板に固定される。そして、上記枠体または上記キャップに予め設けられた、キャップが枠体に装着された状態で枠体の中空部と枠体の外部とを連通する通気路が、シール部材によって枠体の内側から閉鎖される。

本発明によれば、配線板を実装用基板へ固定する際に封止部材が加熱された場合でも、封止部材の中空内の残留ガスや残留水分が通気路を通して排出されるので、封止部材の接合面での剥離や内部の結露などの不具合発生を有効に防止することができる。また、実装後は通気路がシール部材によって密閉されるので、通気路を通じて外部の湿気や塵埃が封止部材の中空内に再び進入することはない。このため、実装後にキャップ内面の曇りや、半導体素子自体の特性が劣化するなどの不具合発生が防止され、長期信頼性を確保することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明に係る第１の実施形態の半導体装置を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。また、図１および図２では、図１４および図１５に示した従来の半導体装置と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付している。

図１および図２に示すように、本実施形態の半導体装置は、半導体素子１と、この半導体素子１が搭載された配線板としてのリードフレーム２と、半導体素子１を封止する封止部材３とを備える。封止部材３は、合成樹脂からなり、リードフレーム２の下部に位置する基台４と、リードフレーム２の上部に位置する上端が開口した中空の枠体５と、この枠体５の開口側を閉鎖するキャップ６とを有する。そして、基台４と枠体５とは、リードフレーム２に直接にモールド成形され、また、キャップ６は、枠体５の開口側に接着剤で固定されている。なお、接着剤は、枠体５とキャップ６との接触面に配置される。図２の断面図では、溝７により枠体５とキャップ６とは非接触であるため、接着剤は図示されていない。また、基台４と枠体５とは別体として、リードフレーム２に対してそれぞれ接着剤で固定した構成とすることも可能である。さらに、半導体素子１がＣＣＤやフォトダイオードなどの光半導体素子である場合には、キャップ６としてガラス板や合成樹脂板等からなる光透過性材料が使用される。

また、図１および図２に示すように、本実施形態では、枠体５のキャップ６と接する開口側の上端縁の互いに対向する２個所に通気路としての溝７が形成されている。そして、各溝７にはシール部材としての詰栓１１が嵌合されて密閉され、さらに各詰栓１１は接着剤１３で固定されている。なお、後述するように、左右の各詰栓１１は、リードフレーム２が実装用基板１４に半田１５で固定された後に、封止部材３の内部側から各溝７に嵌合され、固定される。

一方、リードフレーム２は、ダイパッド２１と複数本のアウターリード２２とダム樹脂２３とを備え、封止部材３の中空内に位置するリードフレーム２のダイパッド２１上に上記の半導体素子１が銀ペーストなどの接着剤によって固定されている。また、半導体素子１の外部引出用の図示しない各電極は、金等によるボンディングワイヤ２５を介してそれぞれ対応するアウターリード２２の内端部に電気的に接続されている。また、各アウターリード２２の外端部は封止部材３の外部に引き出されてプリント配線基板などの実装用基板１４に半田１５で固定される。

次に、この半導体装置の組立手順について説明する。図３はキャップ６装着前の状態を示す平面図である。また、図４は図３に示すＢ−Ｂ線における断面図である。図５は、溝７が形成された面を示す側面図である。図３から図５に示すように、リードフレーム２のダイパッド２１上に半導体素子１が搭載されて銀ペーストなどの接着剤で固定される。また、半導体素子１のそれぞれの電極は金等によるボンディングワイヤ２５によって各々対応するアウターリード２２の内端部に接続される。

この状態で、半導体素子１を取り囲むように基台４および枠体５が樹脂モールドにより一体成形される。その際、枠体５の開口側の上端縁には互いに対向した左右一対の溝７が形成される。また、リードフレーム２のアウターリード２２はモールド樹脂の外部に引き出されている。

次に、詰栓１１とストッパ１７とが一体固定されている左右一対のフィルム１６を溝７内に挿入して枠体５の内外に架け渡す。図６は、フィルム１６が配置された状態を示す平面図であり、図７は図６に示すＣ−Ｃ線における断面図である。また、図８は、フィルム１６を示す平面図であり、図９は、フィルム１６の側面図である。さらに、図１０は、図８に示すＤ−Ｄ線における断面図である。図８および図９に示すように、各フィルム１６には、その一端に詰栓１１が接着剤で固定され、また、他端側にはストッパ１７が接着剤で固定されている。そして、図８および図１０に示すように、両詰栓１１の対向面の内、一方の詰栓１１には凸部１１ａが、他方の詰栓１１には凸部１１ａが嵌入される凹部１１ｂがそれぞれ形成されており、両者１１ａ、１１ｂを嵌合することにより互いが連結されている。そして、図６および図７に示すように、詰栓１１同士を結合した状態でフィルム１６を溝７内に配置すると、各ストッパ１７が枠体５の外側面に掛止されるとともに、フィルム１６の外端は枠体５の溝７よりも外側に突出する。

以上のようにして、フィルム１６が配置された後、詰栓１１同士が結合された状態のまま、接着剤によりキャップ６が枠体５の上面に固定される。図１１は、キャップ６が固定された状態を示す断面図である。なお、図１１は、図７に示す断面に対応する断面である。なお、詰栓１１、フィルム１６、およびストッパ１７は、実装用基板への実装時に加わる熱に耐えられるように、１００℃以上の耐熱性のある材料でかつ加工性が良好な材料であることが求められる。このため、例えばポリカーボネート等の材料で作成されている。またフィルム１６は表面に合成ポリマによる吸水性高分子膜を形成しておいてもよい。

引き続いて、リードフレーム２のアウターリード２２を半田１５で実装用基板１４に実装固定する。この時の半田付けを良好に行うため、アウターリード２２は２００℃以上の高温に加熱される。この熱により、封止部材３の内部から水分等がガス化して、中空内へ放出されるが、封止部材３には内外に通じる溝７が設けられているため、発生したガスは溝７を通して外部に排出される。そのため、中空内の圧力は上昇しない。

実装後は、封止部材３から外部に突出している各フィルム１６の両端を外方に向けて引っ張ることにより、詰栓１１の凸部１１ａと凹部１１ｂ（図８および図１０参照。）との結合が外れて二分され、各詰栓１１が溝７に嵌合して溝７を塞ぐ。ここで、実装時には封止部材３の中空内に発生した水蒸気は、キャップ６下面の一番温度の低いフィルム１６の表面で結露する可能性がある。しかしながら、実装後はフィルム１６が除かれるため、キャップ６内面に結露が生じることはない。

そして、実装後に詰栓１１が溝７内に嵌入された状態で、この詰栓１１をさらに接着剤１３によって固定して詰栓１１と溝７との隙間を塞ぐことで、封止部材３内は確実に密閉される。なお、枠体５の外側にはみ出しているフィルム１６およびストッパ１７は接着剤１３が十分に固まった後に切除される。

なお、上記実施形態では、枠体５の開口側の端縁に溝７を形成しているが、これに限らず、キャップ６の枠体５側の底面に溝７を形成することも可能である。
（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図１２は本発明の第２の実施形態の半導体装置を示す平面図であり、図１３は図１２に示すＥ−Ｅ線における断面図である。図１２および図１３では、図１および図２に示した半導体装置と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付しいている。

図１２および図１３に示すように、本実施形態の半導体装置には、半導体素子１が収納された封止部材３を構成する枠体５の周側部の左右の２個所において、その上部外側から下部内側へ向けて傾斜した状態で内外に貫通する通気路としての貫通孔１８がそれぞれ形成されている。

そして、各貫通孔１８は、アウターリード２２を半田１５で実装用基板１４に実装固定する際には開放されている。このため、加熱により封止部材３の内部から発生した水蒸気等はこの貫通孔１８を通じて外部に排出される。特に、レーザー等により半田を加熱して、アウターリード２２を実装用基板１４に固定する場合、アウターリード２２から封止部材３へ熱が伝播するため、アウターリード２２（リードフレーム２）と接触する封止部材３の下部の温度がより上昇する。そのため、封止部材３の下部からより多くの水蒸気が発生する。また、封止部材３の下部で発生した水蒸気は、封止部材３の内部を下方から上方に向かって移動する。本実施形態では、封止部材３の下部内側に貫通孔１８の一端が位置し、上部外側へ向かって貫通孔１８が設けられているため、このような状況下であっても封止部材３の外部に水蒸気を効率よく排出することができる。

実装後は、シール部材としての接着剤１９を封止部材３の外部から貫通孔１８内に充填することによって、封止部材３の中空内が密閉される。したがって、この第２の実施形態では、第１の実施形態のような詰栓１１を用いないため、貫通孔１８の口径は、溝７の場合よりも十分小さくなるように形成することができる。

なお、本実施形態では、枠体５の周側部に貫通孔１８を形成しているが、これに限らず、キャップ６の一部に貫通孔を形成した構成とすることも可能である。また、貫通孔１８の数は何ら限定されるものではない。

以上説明したように、本発明によれば、配線板を実装用基板へ固定する際に封止部材が加熱された場合でも、封止部材の中空内の残留ガスや残留水分が通気路を通して排出されるので、封止部材の接合面での剥離や内部の結露などの不具合発生を有効に防止することができる。また、実装後は通気路がシール部材によって密閉されるので、通気路を通じて外部の湿気や塵埃が封止部材の中空内に再び進入することはない。このため、実装後にキャップ内面が曇ったり、半導体素子自体の特性が劣化するなどの不具合発生が防止され、長期信頼性を確保することができる。

なお、以上で説明した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記各実施形態では、配線板がリードフレーム２である場合について説明したが、このようなリードフレーム２に限定されるものではなく、印刷配線板、あるいは絶縁基板上にメッキ、蒸着などの薄膜形成手段で配線を形成した配線基板である場合にも適用することが可能である。

本発明は、実装時における不具合発生を有効に防止するとともに、実装後も長期信頼性を確保することができるという効果を有し、半導体装置およびその製造方法として有用である。

本発明の第１の実施形態における半導体装置を示す平面図 本発明の第１の実施形態における半導体装置を示す断面図 本発明の第１の実施形態における半導体装置の組み立て途中の状態を示す平面図 本発明の第１の実施形態における半導体装置の組立過程を示す断面図 本発明の第１の実施形態における半導体装置の組立過程を示す側面図 本発明の第１の実施形態における半導体装置の組立過程を示す平面図 本発明の第１の実施形態における半導体装置の組立過程を示す断面図 詰栓とストッパとが一体固定されている左右一対のフィルムを示す平面図 詰栓とストッパとが一体固定されている左右一対のフィルムを示す側面図 詰栓を示す要部断面図 本発明の第１の実施形態における半導体装置の組立過程を示す断面図 本発明における第２の実施形態における半導体装置を示す平面図 本発明における第２の実施形態における半導体装置を示す断面図 従来の半導体装置の一例を示す平面図 従来の半導体装置の一例を示す断面図

符号の説明

１ 半導体素子
２ リードフレーム（配線板）
３ 封止部材
７ 溝（通気路）
１１ 詰栓（シール部材）
１４ 実装用基板
１８ 貫通孔（通気路）
１９ 接着剤（シール部材）

Claims (6)

1. 半導体素子と、前記半導体素子が搭載される配線板と、前記半導体素子を封止する封止部材とを備える半導体装置であって、
   一端が開口した中空の枠体と、
   当該枠体の前記開口を閉鎖するキャップと、
   前記枠体またはキャップに設けられた、前記キャップが前記枠体に装着された状態で、前記枠体の中空部と枠体の外部とを連通する通気路と、
   を備えた前記封止部材と、
   前記封止部材の外部に引き出された前記配線板を実装用基板へ固定した後に、前記通気路を閉鎖するシール部材と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記通気路が前記枠体の前記開口側の端縁に形成された溝であり、前記シール部材が前記枠体の内側から前記溝に嵌合された状態で固定される詰栓である請求項１記載の半導体装置。
3. 前記通気路が前記枠体の一部を内外に貫通する貫通孔であり、前記シール部材が前記枠体の外側から前記通気路内に充填される接着剤である請求項１記載の半導体装置。
4. 前記半導体素子が光半導体素子であり、前記キャップが光透過性部材である請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記配線板がリードフレームである請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 半導体素子と、前記半導体素子が搭載される配線板と、前記半導体素子を封止する、一端が開口した中空の枠体と当該枠体の開口を閉鎖するキャップとを有する封止部材とを備える半導体装置の製造方法であって、
   配線板上に半導体素子を搭載する工程と、
   前記半導体素子が搭載された配線板を、前記配線板の一部を前記枠体の外部に引き出した状態で前記枠体内に収納する工程と、
   前記枠体の開口を前記キャップにより閉鎖する工程と、
   前記開口が閉鎖された後、前記枠体の外部に引き出された配線板を実装用基板へ固定する工程と、
   前記配線板が実装用基板に固定された後、前記枠体または前記キャップに予め設けられた、前記キャップが前記枠体に装着された状態で前記枠体の中空部と枠体の外部とを連通する通気路を、シール部材によって前記枠体の内側から閉鎖する工程と、
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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