JP2015029143A - 樹脂封止型半導体装置とその製造方法、リードフレーム - Google Patents

Abstract

【課題】外枠が、樹脂パッケージの外周に残存したとしても、樹脂パッケージ内に内蔵された、各半導体チップ等同士が短絡することを防止できるリードフレームを提供する。
【解決手段】外枠８に切欠き１５，１６を有するリードフレーム１を準備し、リードフレーム１のアイランド１３，１３上に半導体チップ２，３をダイボンドする。半導体チップ２，３とリードフレーム１とをワイヤボンディングにより電気的に接続する。そして、半導体チップ２，３がダイボンドされたリードフレーム１を樹脂パッケージ１２により封止する。その後、樹脂パッケージ１２の外側に露出したタイバー１１を切断する。このタイバー１１の切断と同時に、リードフレーム１の外枠８を切欠き１５，１６を含む位置で切断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂封止型半導体装置及びその製造方法、並びにリードフレームに関するものである。

樹脂封止型半導体装置は、リードフレームと各種半導体チップ等と一体化してから、アウターリードや外枠を除く部分を樹脂封止することにより形成される。その詳細は以下の通りで、先ずＣｕ素材等からなるベース金属をプレス加工したリードフレームを準備する。リードフレームは半導体チップ等を搭載するアイランド、半導体チップのボンディングパッド等と連結されるワイヤボンディング部等からなるインナーリードと、インナーリードから封止樹脂の外部に延在するアウターリードと、アウターリード間を支持するタイバーと、リードフレーム全体を支える外枠と、外枠から分離されたアイランド等を支持するためアイランド等と外枠を連結する吊りリードから構成されている。

半導体チップはその裏面を、アイランド上に導電材料により固着され、ダイボンドされる。また半導体チップ上のボンディングパッドとインナーリード上のワイヤボンディング部とは金ワイヤ等でワイヤボンディングされ接続される。チップコンデンサ等の受動素子もインナーリード間に跨って導電材料で固着される。半導体チップ等が固着等されたリードフレームは樹脂封止装置内にセットされ、タイバーを含むアウターリード部及び外枠部が樹脂封止装置の上金型と下金型間に挟持された状態で樹脂が注入され、半導体チップ等を搭載したリードフレームは樹脂封止される。その後、アウターリードにハンダメッキ等を施してからタイバーや外枠がプレス加工で切断され、必要に応じてアウターリードの曲げ加工が行われ樹脂封止型半導体装置が完成する。

このような樹脂封止型半導体装置の組み立て工程については、以下の特許文献１や非特許文献１に記載されている。

特開２００５−６４０７６号公報

図解 最先端半導体パッケージ技術の全て／半導体技術研究会編（２００７年９月２５日初版第１刷発行 株式会社工業調査会）

樹脂封止型半導体装置においては、リードフレームのアイランド上に半導体チップに加え受動素子等をダイボンド等する場合がある。受動素子であるチップコンデンサは、二つの別のインナーリード上のボンディング部に跨って固着される。この場合、リードフレームが薄くなると、半導体チップや受動素子のダイボンドやワイヤボンデングの際の力により、リードフレームが変形する恐れがある。この問題に対して、吊りリードを設けて、当該吊りリードをパッケージの外部に配置される、頑強なリードフレームの外枠に接続し、機械的強度を補強して対処している。

この吊りリードが連結されているリードフレームの外枠は、樹脂封止後にアウターリード間のタイバーを切断するとき同時に切断除去されるので、各半導体チップ等と連結する吊りリード間も分断され、各半導体チップ等間の電気的絶縁性は確保される。しかし、樹脂パッケージの側面に、外枠が完全に切断除去されず残存する場合があり、残存するリードフレームの外枠と各吊りリードが連結したままになり、各吊りリードと繋がっているアイランド等に搭載された半導体チップ等間の短絡が生ずる場合がある。このような残存する外枠による半導体チップ等間の短絡の撲滅を図るのが課題となる。

本発明の樹脂封止型半導体装置の製造方法は、外枠に切欠きを有するリードフレームを準備する工程と、前記リードフレームのアイランド上に半導体チップをダイボンドする工程と、前記半導体チップと前記リードフレームとを電気的に接続する工程と、前記半導体チップがダイボンドされた前記リードフレームを樹脂パッケージにより封止する工程と、前記樹脂パッケージの外側に露出したタイバーを切断する工程と、を有し、前記タイバーの切断と同時に前記リードフレームの前記外枠を当該外枠に設けた前記切欠き部分を含む位置で切断することを特徴とする。

また、本発明の樹脂封止型半導体装置は、半導体チップがダイボンド及び電気的に接続されたリードフレームと、前記リードフレームを封止する樹脂パッケージと、を備え、前記樹脂パッケージの外周に残存する前記リードフレームの外枠が当該リードフレームの当該外枠に設けられた切欠き部分で切断されていることを特徴とする。

更に、本発明のリードフレームは、半導体チップが搭載されるアイランドと、リードフレームの外周を構成する外枠と、前記アイランドと前記外枠を連結する複数の吊りリードと、を備え、２つの吊りリードの間の前記外枠に切欠きが形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、リードフレームの外枠に切欠きを設けたので、タイバー及び外枠の切断後に外枠が樹脂パッケージの外周に残存したとしても、この外枠の残存部によってアイランドから延びる２つの吊リードが連結されることが阻止され、樹脂パッケージ内に内蔵された各半導体チップ等同士が短絡することを防止することができる。

本発明の第１の実施形態における樹脂封止半導体装置の製造方法を示す樹脂封止前の状態の平面図である。 本発明の第２の実施形態における樹脂封止半導体装置の製造方法を示す樹脂封止前の状態の平面図である。 従来の実施形態における樹脂封止半導体装置の製造方法を示す樹脂封止前の状態の平面図である。 樹脂封止装置の金型内にセットされた半導体チップ等を搭載したリードフレームを示す図面である。 樹脂封止装置の金型内にセットされた半導体チップ等を搭載したリードフレームを上金型側から透視した図面である。

〔参考例に係る発明〕
本発明の参考例について、以下に、図面に従って説明する。

なお、使用されるリードフレーム１は、同一パターンが一列だけ複数並んだものや、２列、３列に並んだものがあるが、発明を理解するためには、一パターンについて記述すれば充分なので、一パターンについて、詳細に図示し説明を進める。また、パッケージについても、簡単なパッケージであるSIP（Ｓｉｎｇｌｅ Ｉｎ−ｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）タイプを取り上げ説明する。

本参考例の説明に先立ち、本参考例にいたる前のリードフレーム１の構造について、図３に基づいて説明する。リードフレーム１上の、パワー系半導体チップ２及びコントローラ用半導体チップ３が搭載されるアイランド１３や、その他のチップコンデンサ４等が搭載されるアイランド１３やインナーリード１ｂは、図３に示すように、それぞれ吊りリード５ａ、５ｂ、５ｃで、リードフレームの外枠８に連結され、その剛性を高めている。半導体チップ３と、リードフレーム１のワイヤボンディング部１４ａ、１４ｂ、１４ｃとをワイヤボンディングする際のワイヤとして、熱圧着でおこなうＡｕワイヤを採用する場合、ワイヤボンディングの力は、主にリードフレーム１の主面に対して垂直方向に働く。したがって、図３に示すリードフレーム１の主面に対して、左右、上下方向に作用する力が弱く、このリードフレーム１の構造で問題となることは少ない。しかし、Ａｌワイヤ６ａ，６ｂ、７ａ，７ｂ，７ｃを採用して、超音波ワイヤボンディングするときは、リードフレーム１の主面の左右、上下方向に、超音波振動による強い力が加わるため問題が生ずる恐れがある。

それでは、参考例について、図１に従い説明する。まず、リードフレーム１を準備して、大電流が流れ、発熱量も多いパワー系半導体チップ２を、ハンダプリフォーム等を使用して、リードフレーム１の、パワー系半導体チップ２を搭載すべきアイランド１３にダイボンドする。この場合、リードフレーム１はＣｕ素材にＮｉメッキ等をしたものが使用される。また、コントローラ用半導体チップ３は、消費電力も小さいことからＡｇペースト等で、コントローラ用半導体チップ３が搭載されるべきアイランド１３にダイボンドされる。チップコンデンサ４のような受動素子も、同様に、Ａｇペーストでリードフレーム１のアイランド１３及びインナーリード１ｂに接着される。Ａｇペーストで接着する場合は、リードフレーム１もＡｇメッキ等がされる。

次に、パワー系半導体チップ２とコントローラ用半導体チップ３の間や、コントローラ用半導体チップ３とリードフレーム１上のワイヤボンディング部１４ａとの間を、太いＡｌワイヤ６ａ，６ｂにより、超音波ワイヤボンディングをおこない、電源ラインを形成する。併せて、コントローラ用半導体チップ３からパワー系半導体チップ２のゲートやリードフレーム１上のワイヤボンディング部１４ｂ、１４ｃへ繋がる、少し細いＡｌワイヤ７ａ，７ｂ，７ｃによる、超音波ワイヤボンディングがおこなわれる。

これらのＡｌワイヤ超音波ボンディング時のリードフレーム１の左右、上下方向にかかる力を支えて、超音波振動が効率よくワイヤボンディング力として使われるようにするのが、参考例に係る発明の要旨となる。例えば、太いＡｌワイヤ６ｂを、リードフレーム１上のワイヤボンディング部１４ａとワイヤボンディングするときの、超音波の振動方向を考えてみる。この場合、Ａｌワイヤ６ｂに対する超音波振動は、ワイヤボンディングされるＡｌワイヤ６ｂの向いている方向である、図１の左斜め上の方向となる。その場合、超音波振動による力の方向は、図の上向きと左向きの力に分解することができる。そうすると、図３のように、吊りリード５ａしかない場合は、左横向きに働く力を支えることができないので、リードフレーム１上のワイヤボンディング部１４ａは、左方向に多少でも振動することになり、超音波の力を有効に使用できないことになる。

それに対して、参考例を示す図１においては、リードフレーム１上のワイヤボンディング部１４ａの左側を、しっかりと連結リード９で支えており、超音波振動の力が左に逃げるのを阻止している。また、連結リード９は、強固なリードフレーム１の外枠８と連結されていることから、更に、超音波振動の力が左に逃げるのを阻止している。Ａｌワイヤ６ｂのコントローラ用半導体チップ３上のパッド電極に働く右斜め下方向に向かう超音波振動の力も、同様に、下向きの力は吊りリード５ａで、右向きの力は連結リード９により支持されているので、強固なボンディングが可能となる。

Ａｌワイヤ６ａのコントローラ用半導体チップ３上のパッド電極に働く左斜め上方向へ向かう超音波振動の力も、同様に、吊りリード５ａにより上向きの力が、また、連結リード９により左向きの力が支持されている。次に、パワー系半導体チップ２上のパッド電極に加わる超音波振動の力について考察する。この場合、超音波振動の力は、Ａｌワイヤ６ａの向いている方向である、図１の右下方向に向かっている。この場合の超音波振動の力は、下向きの力と右向きの力に分解することができる。この内、下向きの力は、アウターリード１ａで支持されている。右向きの力については、図３の場合は支えることができないが、本発明を示す図１においては、連結リード１０が設置され外枠８と一体となって形成されているため、右向きの力を充分に支持することができる。

少し細いＡｌワイヤ７ａ等の超音波ワイヤボンディング時の振動の力についても、太いＡＬワイヤ６ａ等の場合と同様、連結リード９等により支持される。Ａｌワイヤ７ａの場合は、ワイヤボンディングされるインナーリード１ｂ部分で左上向きの力が働くが、太いＡｌワイヤ６ａ等の場合よりその力は弱いので、その上向きの力及び左向きの力は吊りリード５ｃにより支持されている。Ａｌワイヤ７ｂの場合は、大略して上下方向に力が働いていることから、上向きの力は吊りリード５ａにより、下向きの力はアウターリード１ａで支持されている。Ａｌワイヤ７ｃの場合は、左右方向の振動力となることから、連結リード９及び１０により左右から、強固に支持されている。

上述の如く、超音波振動の力は、吊りリード５ａ、５ｂ、５ｃやアウターリード１ａに加え、参考例で採用した連結リード９及び１０により、しっかりと支持されているので、超音波Ａｌワイヤボンディングによっても安定した接合が形成され、信頼性の高いワイヤボンディングが可能となる。次にパワー系半導体チップ２等が搭載されたリードフレーム１は、樹脂封止工程で樹脂封止され、図１の１点鎖線で囲まれた内部が樹脂で満たされた樹脂パッケージ１２となる。その後、樹脂封止工程が終了するまでアウターリード１ａを支持していたタイバー１１と、リードフレーム１全体を支持していたリードフレーム１の外枠８が切断され、必要に応じ、アウターリード１ａに対する曲げ加工等をおこなうことにより樹脂封止型半導体装置は完成する。

〔本発明の実施形態〕
本発明の実施形態についての説明に先立ち、樹脂封止工程及びリードフレーム１の外枠８の切断工程について、その内容と問題点について検討する。樹脂封止工程では図４に示すように、樹脂封止装置の上金型１００と下金型１０１の間の空間に、Ａｌワイヤ６ａ等でワイヤボンディングされた半導体チップ２等が搭載されたリードフレーム１を挟み込み、樹脂注入を行う。図４では、左側のタイバー１１が上金型１００と下金型１０１に挟まれ、ダムバーとしての役割を果たし、樹脂が左側から樹脂パッケージ１２の外部に流出するのを阻止している。また、右側はリードフレーム１の外枠８が上金型１００と下金型１０１に挟まれ、樹脂が右側から樹脂パッケージ１２の外部に流出するのを阻止している。手前側、奥側も同様に外枠８により樹脂が樹脂パッケージ１２の外部に流出するのを阻止している。

この場合、できるだけ樹脂パッケージ１２を小さなものとするため、アイランド１３等を支持するだけで、他の役目を有しない図４に示す吊りリード５ａ等はできるだけ細く、短く形成している。また、リードフレーム１の外枠８の内側部分と樹脂パッケージ１２の外周部分も、図４に示すように、接触状態で隣接する状態で形成される。樹脂封止工程が終了すると、支持体としての役目の終了したタイバー１１と外枠８は同時に切断されるが、樹脂パッケージ１２の外側とリードフレーム１の外枠８の内側との位置関係等により外枠８が完全に除去されず、外枠８の一部が樹脂パッケージ１２の外周に残る場合がある。

この場合、吊りリード５ａ等は、残存した不用な外枠８と連結しているので、その残存部の支持体になってしまう。特に、吊りリードの一種とも考えられる前述した連結リード９等は、Ａｌワイヤボンディング時の強力な超音波振動力を支えるため、通常の吊りリード５ａ等に比べ格段に幅広に構成されているので、残存した不用な外枠８を吊りリード５ａ等よりも、幅広く強固に支持することになる。具体的には、参考例を示す図１の場合、リードフレーム１の外枠８を切断する場合に、外枠８が樹脂パッケージ１２の端部から樹脂パッケージ１２の外部に向けて延在しているため、外枠８を完全に切断するのが難しく、樹脂パッケージ１２の横の側面や上の側面で、当該樹脂パッケージ１２の側面に、細くリードフレーム１の外枠８が残存する可能性が高い。

これを何らかの方法で除去しない場合には、図１に示す場合、半導体チップ２が載置されているアイランド１３と連結している吊りリード５ｂと、半導体チップ３が載置されているアイランド１３と連結している吊りリード５ａとが、樹脂パッケージ１２の側面に残存するリードフレーム１の外枠８を介して連結したまま分断されないという弊害を生ずる。吊りリード５ａ等よりはるかに幅の広い、Ａｌワイヤボンディング時の超音波振動力の効率利用を図るために導入した、連結リード９にも同様な弊害が生じる。即ち、半導体チップ３が載置されているアイランド１３と連結している連結リード９と、チップコンデンサ４の一方の電極が接着しているインナーリード１ｂと連結している吊りリード５ｃとが、樹脂パッケージ１２の側面に残存するリードフレーム１の外枠８を介して連結されたまま分断されないことになる。

これらの弊害を防止または除去するため、吊りリード５ａ等を長めに形成し、その一部を樹脂パッケージ１２の外側に露出させた状態で、外枠８と共に当該露出部を切断するとか、必要に応じ、切断後の樹脂パッケージの外周から残存した外枠８を掻き落とす。但し幅広の連結リード９等に幅広く接続している残存した外枠８は容易に掻き落とす事ができない。また、吊りリード５ａ等を長めにして、一部樹脂パッケージ１２の外側に露出させるためには、吊りリード５ａ等を長くした分、リードフレーム１全体を大きめにするか、外枠８の幅を狭くしリードフレーム１全体は大きさを変えないようにするなど工夫が必要になる。

それでは本発明の実施形態について、図２に基づいて詳細に説明する。リードフレーム１全体の大きさを変えることなく、また、残存する外枠８を掻き落とすことなく、リードフレーム１の外枠８の不用な残存物による連結リード９等と吊りリード５ｃ等の連結を阻止し、各半導体素子等が残存する外枠８により短絡することを防止することを特徴としている。

図５は、図４に示す樹脂封止装置の内部を、上金型１００方向から透視した、半導体素子２等を搭載した状態での、リードフレーム１の構成を示している。アウターリード１ａ側は、タイバー１１が上金型１００と下金型１０１に強固に挟持されダムバーとしての役割を果たし、樹脂がアウターリード１ａ側に流出するのを防止している。また、樹脂パッケージ１２の両サイド及び上面側は、同様に上金型１００と下金型１０１に強固に挟持されたリードフレーム１の外枠８が樹脂パッケージ１２外への樹脂の流出を防止している。そして、樹脂パッケージ１２の端部に接する、上金型１００と下金型１０１に挟まれたリードフレーム１の外枠８には、当該外枠８の内側から外側に向かう切欠き１５，１６が形成されているのが示されている。

本実施形態に係る発明の特徴は、図５や図２に示すように、リードフレーム１の外枠８に切欠き１５、１６等を形成することにより、樹脂パッケージ１２の側面に残存するリードフレーム１の外枠８を分断して、個々の吊りリード５ｃ等、連結リード９等間の連結を排除して、各半導体素子２等間の短絡を防止するものである。切欠き１５等は、図２に示すようにリードフレーム１の外枠８が樹脂パッケージ１２と当接する側に、小さく形成されており、リードフレーム１の全体の強度に対して影響を与えない程度の大きさである。その横幅はリードフレーム１の残存する外枠８を分断する事ができる幅であれば良い。その奥行きも樹脂パッケージ１２からその先端が露出する程度でよい。図２では切欠き１５，１６と２個のみ記載しているが、分断が必要な連結リードを含む各吊りリード間に形成される。

係るリードフレーム１の外枠８に切欠き１５等を形成することにより樹脂封止工程で上金型１００、下金型１０１でリードフレーム１を挟持するとき、当該切欠き１５等をあわせマークとして使用することができるので、精度良くリードフレーム１の外枠８の内側と金型１００等とを位置合わせできるという利点もある。切欠き１５等は外枠８の内側から外側に向かい窪んでいるので、その窪み内には、図５に示すように、アウターリード１ａ上のタイバー１１と樹脂パッケージ１２間に形成される樹脂バリ１７と同様に、樹脂バリ１８が形成される。

従って、次に外枠８を切断する場合、切欠き１５等の内部の黒色の樹脂バリ１８を目安に樹脂パッケージ１２との境界ぎりぎりで外枠８を切断する事ができるので、切り残された外枠８が残存する確率も低くなる。また、切欠き１５等を横切ってリードフレーム１の外枠８を切断することになるので、例え、樹脂パッケージ１２の側面にリードフレーム１の外枠８の切り残しが生じたとしても、切欠き１５等部分で外枠８の切り残しを分断する事ができる。即ち、この切欠き１５等により、リードフレーム１の外枠８の切り残しがあったとしても、外枠８の残存部は切断される。

したがって、切欠き１５の存在より、コントローラ用半導体チップ３が載置されたアイランド１３から延びている吊りリード５ａや連結リード９と、チップコンデンサ４の一方の電極が載置されたインナーリード１ｂから延びた吊りリード５ｃとの連結は阻止される。同様に、切欠き１６の存在により、コントローラ用半導体チップ３やチップコンデンサ４が載置されたアイランド１３から延びる吊りリード５ａと、パワー系半導体チップ２が載置されたアイランド１３から延びる吊りリード５ｂが、リードフレーム１の外枠８の残存部により連結されるのも阻止される。

結果的に、本実施形態に係る発明により、リードフレーム１の外枠８の切断残存部による、各半導体チップ等間の短絡不良を解消し、信頼性の高い樹脂封止型半導体装置の製造が可能となる。なお、切欠き１５等は、図２ではコの字形に形成されているが、外枠８の内側から外側に向かうＶ字形や半円形にする等、コの字形と異なる形で形成されたとしても、発明の目的を達成できるものであればかまわない。

また、本発明の実施形態においては、超音波ワイヤボンディング材料として、ＡＬワイヤを使用する場合について記述してきたが、銅を主成分とするワイヤを使用する場合にも適用できることは言うまでも無い。パッケージについても、ＳＩＰ型パッケージにて説明をしたが、ＤＩＰ（Ｄｕａｌ Ｉｎ−ｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）型パッケージ等の他のパッケージでも発明思想が同一である限り適用ができることは言うまでもない。

１ リードフレーム
１ａ アウターリード
１ｂ インナーリード
２ パワー系半導体チップ
３ コントローラ用半導体チップ
４ チップコンデンサ
５ａ，５ｂ，５ｃ 吊りリード
６ａ，６ｂ Ａｌワイヤ
７ａ，７ｂ，７ｃ Ａｌワイヤ
８ リードフレーム外枠
９，１０ 連結リード
１１ タイバー
１２ 樹脂パッケージ
１３ アイランド
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ リードフレームのワイヤボンディング部
１５，１６ 切欠き
１７，１８ 樹脂バリ
１００ 上金型
１０１ 下金型

Claims (6)

1. 外枠に切欠きを有するリードフレームを準備する工程と、
   前記リードフレームのアイランド上に半導体チップをダイボンドする工程と、
   前記半導体チップと前記リードフレームとを電気的に接続する工程と、
   前記半導体チップがダイボンドされた前記リードフレームを樹脂パッケージにより封止する工程と、
   前記樹脂パッケージの外側に露出したタイバーを切断する工程と、を有し、
   前記タイバーの切断と同時に前記リードフレームの前記外枠を当該外枠に設けた前記切欠き部分を含む位置で切断することを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。
2. 前記切欠きを２つの吊りリードの間の前記リードフレームの前記外枠に形成することを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法。
3. 半導体チップがダイボンド及び電気的に接続されたリードフレームと、
   前記リードフレームを封止する樹脂パッケージと、を備え、
   前記樹脂パッケージの外周に残存する前記リードフレームの外枠が当該リードフレームの当該外枠に設けられた切欠き部分で切断されていることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
4. 前記リードフレームは前記半導体チップがダイボンドされたアイランドと、前記アイランドと前記外枠とを連結する複数の吊りリードと、を備え、
   前記切欠きが２つの吊りリードの間の前記外枠に形成されたことを特徴とする請求項３に記載の樹脂封止型半導体装置。
5. 半導体チップが搭載されるアイランドと、
   リードフレームの外周を構成する外枠と、
   前記アイランドと前記外枠を連結する複数の吊りリードと、を備え、
   ２つの前記吊りリードの間の前記外枠に切欠きが形成されたことを特徴とするリードフレーム。
6. 前記外枠の前記切欠きを挟む前記２つ吊りリードの一方または双方が前記アイランドまたはインナーリードと前記外枠を連結する連結リードであることを特徴とする請求項５に記載のリードフレーム。

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