JP2017191895A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】隣接するアイランド間に接合材がブリッジすることを防止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。【解決手段】上面21および端面22〜25を有する複数のアイランド2と、各アイランド2上の半導体チップ4と、アイランド2と半導体チップ4との間の接合材32と、アイランド2上にめっき膜17とを含み、複数のアイランド2の少なくとも一つにおいて、当該一つのアイランド2の対向端面22に、アイランド2の素地領域27が露出している、半導体装置1を提供する。【選択図】図3

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
たとえば、特許文献1は、複数のアイランドと、各アイランド上に、Ag系材料等を用いて搭載された複数の半導体チップと、複数のアイランドおよび複数の半導体チップを一括して封止する樹脂パッケージとを含む半導体装置を開示している。
特開平6−61406号公報
特許文献1のように一つの樹脂パッケージに複数の半導体チップを搭載する場合、チップ間の短絡の問題がある。たとえば、半導体チップとアイランドとを接合する接合材が、隣接するアイランドにブリッジして互いに導通する場合がある。
そこで、本発明の一実施形態は、隣接するアイランド間に接合材がブリッジすることを防止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。
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、上面および端面を含む外表面を有する複数のアイランドと、各前記アイランド上の半導体チップと、前記アイランドと前記半導体チップとの間の接合材と、前記アイランドの前記外表面に形成されためっき層とを含み、前記複数のアイランドの少なくとも一つにおいて、当該一つのアイランドの前記端面のうち隣接する前記アイランドと対向する第1端面に、前記アイランドが素地領域として露出している。
本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、上面および端面を含む外表面を有する複数のアイランド、および前記複数のアイランドの周囲のリードを有するリードフレームを準備する工程と、前記複数のアイランドの少なくとも一つにおいて、当該一つのアイランドの前記端面のうち隣接する前記アイランドと対向する第1端面側の周縁部にマスクを形成する工程と、前記マスクを残した状態で、前記アイランドの前記上面にめっき層を形成する工程と、前記めっき層上に、接合材を介して半導体チップを設置する工程とを含む。
本発明の一実施形態によれば、アイランドの第1端面側の周縁部にマスクがされた状態でめっき層が形成されるので、少なくともアイランドの第1端面にめっき層が形成されることを防止することができる。これにより、接合材がめっき層上の領域に濡れ広がっても、第1端面にまで濡れ広がることを防止することができる。その結果、隣接するアイランドに接合材がブリッジすることを防止することができる。よって、アイランド間の短絡を防止できるので、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。 図2は、前記半導体装置の模式的な平面図である。 図3Aおよび図3Bは、それぞれ、図2のA−A切断面およびB−B切断面における断面図である。 図4は、前記半導体装置におけるめっき領域のパターンを示す図である。 図5Aおよび図5Bは、前記半導体装置の製造工程の一部を示す図であり、それぞれ、図2のA−A切断面およびB−B切断面に対応している。 図6Aおよび図6Bは、図5Aおよび図5Bの次の工程を示す図である。 図7Aおよび図7Bは、図6Aおよび図6Bの次の工程を示す図である。 図8Aおよび図8Bは、図7Aおよび図7Bの次の工程を示す図である。 図9Aおよび図9Bは、図8Aおよび図8Bの次の工程を示す図である。 図10Aおよび図10Bは、図9Aおよび図9Bの次の工程を示す図である。 図11は、前記半導体装置の製造工程で使用されるめっき用のマスクパターンを示す図である。 図12Aは、比較例に係る半導体装置の要部を示す画像である。 図12Bは、図12Aの破線Bで囲まれた領域の拡大図である。 図13Aは、実施例に係る半導体装置の要部を示す画像である。 図13Bは、図13Aの破線Bで囲まれた領域の拡大図である。 図14Aは、参考例に係る半導体装置の要部を示す画像である。 図14Bは、図14Aの破線Bで囲まれた領域の拡大図である。 図15Aは、比較例に係る半導体装置のX線イメージ(平面視)である。 図15Bは、比較例に係る半導体装置のX線イメージ(側面視)である。 図16は、実施例に係る半導体装置のX線イメージ(平面視)である。
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置1を示す斜視図である。図2は、半導体装置1の模式的な平面図である。図3Aおよび図3Bは、それぞれ、図2のA−A切断面およびB−B切断面における断面図である。図4は、半導体装置1におけるめっき膜17のパターンを示す図である。図4では、明瞭化のため、半導体チップ4およびワイヤ5を省略して示している。
半導体装置1は、SOP(Small Outline Package)が適用された半導体装置である。半導体装置1は、複数のアイランド2、複数のリード3、半導体チップ4、ワイヤ5および樹脂パッケージ6を含む。複数のアイランド2、複数のリード3、半導体チップ4およびワイヤ5は、樹脂パッケージ6によって一括して封止されており、半導体装置1(樹脂パッケージ6)の外形は、扁平な直方体形状となっている。樹脂パッケージ6としては、たとえば、エポキシ樹脂等の公知の材料を適用することができる。
複数のアイランド2は、金属薄板(たとえば、銅薄板)を打ち抜くことにより形成されるものである。複数のアイランド2は、この実施形態では、2つのアイランド2を含み、たとえば100μm〜200μmの間隔を空けて互いに隣接している。各アイランド2は、平面視長方形状に形成されており、上面21および4つの端面(側面)22,23,24,25を有している。
4つの端面22〜25のうち、端面22および端面23が互いに対向する関係にあり、端面24および端面25が互いに対向する関係にあって、それぞれ対をなしている。一つの対をなす端面22および端面23は、それぞれ、隣接するアイランド2と対向する対向端面22(本発明の第1端面の一例)およびその反対側で外側に臨む外側端面23(本発明の第3端面の一例)である。もう一方の対をなす端面24および25は、それぞれ、複数のリード3が配置される側の、第1リード側端面24(本発明の第2端面の一例)および第2リード側端面25である。
各アイランド2の外側端面23には、アイランドサポート部13が一体的に接続されている。アイランドサポート部13は、外側端面23から外側に直線状に延び、樹脂パッケージ6から露出している。この実施形態では、アイランドサポート部13は、樹脂パッケージ6から突出しないように、樹脂パッケージ6の側面と面一な先端面14を有している。また、アイランドサポート部13は、互いに隣接するアイランド2の両方に設けられており、図2および図4に示すように、一方のアイランドサポート部13と他方のアイランドサポート部13とが、同一直線上に延びている。
複数のリード3は、アイランド2と同様に金属薄板(たとえば、銅薄板)を打ち抜くことにより形成されるものである。複数のリード3は、第1リード端面24側に配置された複数の第1リード7と、第2リード端面25側に配置された複数の第2リード8とを含む。
複数の第1リード7は、アイランド2の第1リード側端面24に沿って間隔を空けて配列され、各アイランド2に同数ずつ設けられている。たとえば、この実施形態では、1つのアイランド2に対して第1リード7が2本ずつ設けられている。各第1リード7は、水平方向(アイランド2の上面21に平行な方向)にアイランド2と間隔を空けると共に、図3Aに示すように、鉛直方向(アイランド2の上面21の法線方向)において、高低差hを有して配置されている。この実施形態では、各第1リード7は、アイランド2の上方位置に配置されているが、アイランド2の下方位置に配置されていてもよい。むろん、第1リード7をアイランド2と同じ高さ位置に配置してもよい。
また、各第1リード7は、樹脂パッケージ6で封止されたインナーリード9と、樹脂パッケージ6から露出したアウターリード10とを一体的に備えている。
インナーリード9は、アイランド2の上方位置においてアイランド2の上面21と平行に配置され、ワイヤ5が接続されるランド部11およびランド部11から外側へ延びる端子としての延出部12を一体的に有している。ランド部11は、延出部12よりも幅広に形成されている。
アウターリード10は、その全体がインナーリード9の延出部12の延長部(延出部12と同じ幅)で構成されており、下方へ屈曲する屈曲部を有する略クランク形状に形成されている。アウターリード10は、半導体装置1をプリント配線基板に実装するときの外部接続部として機能する。
複数の第2リード8は、アイランド2の第2リード側端面25に沿って間隔を空けて配列され、各アイランド2に同数ずつ設けられている。たとえば、この実施形態では、1つのアイランド2に対して第2リード8が2本ずつ設けられている。各第2リード8は、アイランド2に片持ち支持された一体型リードとして構成されている。
また、各第2リード8は、樹脂パッケージ6で封止されたインナーリード15と、樹脂パッケージ6から露出したアウターリード16とを一体的に備えている。
インナーリード15は、略一定幅の端子としてアイランド2の第2リード側端面25から外側へ延びている。
アウターリード16は、その全体がインナーリード15の延長部(インナーリード15と同じ幅)で構成されており、下方へ屈曲する屈曲部を有する略クランク形状に形成されている。アウターリード16は、半導体装置1をプリント配線基板に実装するときの外部接続部として機能する。
アイランド2および複数のリード3上には、めっき膜17が形成されている。めっき膜17は、たとえばAu、Ni、Ag等の金属材料からなり、この実施形態では、Agめっき膜が適用されている。このめっき膜17の形成領域は、図4により明確に示される。
図4を参照して、めっき膜17はハッチングを施した領域であり、アイランド2のほぼ全域、第1リード7のランド部11および延出部12の基端部(ランド部11との境界部)、第2リード8のインナーリード15の基端部(アイランド2との境界部)、ならびにアイランドサポート部13の基端部(アイランド2との境界部)に形成されている。
めっき膜17のうちアイランド2、アイランド2と一体な第2リード8およびアイランドサポート部13に形成された本発明のめっき層の一例としての第1めっき膜18の特徴としては、アイランド2の上面21において、対向端面22から所定距離D(たとえば、150μm〜300μm)離れたライン上に第1外縁26が設定されている。これにより、アイランド2の対向端面22、および対向端面22と第1めっき膜18の第1外縁26との間に、アイランド2の素地(つまり、Cu部分)が素地領域27として露出している。
この素地領域27は、アイランド2の上面において、アイランド2の対向端面22に平行な一定幅の直線部28と、直線部28の第1リード7側の端部に連なり、アイランド2の角部において幅が狭くなる非直線部29とを含む。直線部28の第2リード8側の端部は、一定幅の状態で第2リード側端面25に達していてもよい。また、非直線部29の形状は特に制限されないが、この実施形態では、第1めっき膜18の第1外縁26が、アイランド2の内方に湾曲する弓形に形成されることによって区画されている。これにより、第1めっき膜18は、第1リード7側において徐々に幅が広がっている。
また、第1めっき膜18の他の特徴として、アイランド2の上面21において、第1リード側端面24に一致するライン上に第2外縁30が設定されている。これにより、アイランド2の上面21における第1リード7側の周縁部31は、第1めっき膜18で覆われている。さらにこの実施形態では、第1めっき膜18が、第1リード側端面24も覆っている。
以上をまとめると、アイランド2に関して、対向端面22は、めっき膜17で覆われておらず(つまり、アイランド2の素地が露出しており)、第1リード側端面24は、めっき膜17で覆われている。残りの外側端面23および第2リード側端面25については、めっき膜17で覆われていても覆われていなくてもよい。
つまり、対向端面22がめっき膜17で覆われていると、接合材32(後述)が対向端面22まで濡れ広がり、それが原因で、隣接するアイランド2に接合材32がブリッジするおそれがあるため好ましくない。これに対し、第1リード側端面24は、隣接する第1リード7との間に高低差h(図3A)が設けられている。そのため、めっき膜17で覆われることで接合材32が濡れ広がっても、第1リード7に接合材32がブリッジする可能性は低く、あまり問題とならない。外側端面23および第2リード側端面25に関しても同様に、これらの端面23,25に隣接する導電部材は、アイランドサポート部13および第2リード8であり、いずれもアイランド2と直接接続されているものであるから、これらの部材8,13に接合材32が触れても短絡の問題が生じない。したがって、外側端面23および第2リード側端面25については、めっき膜17で覆われていてもよい。
めっき膜17のうち第1リード7に形成された本発明の第2めっき層の一例としての第2めっき膜19は、たとえば、第1リード7のランド部11の全体を覆っている。この実施形態では、ランド部11の端面は第2めっき膜19で覆われていないが、前述の接合材32のブリッジの発生原理に基づけば、ランド部11の端面が第2めっき膜19で覆われていても特に問題ではない。
半導体チップ4は、平面視四角形状に形成されており、上面の周縁部に複数のパッド20を有している。複数のパッド20は、半導体チップ4の一つの周縁に沿って等しい間隔を空けて配列されている。半導体チップ4は、パッド20が配置された上面を上方に向けた姿勢で、接合材32を介してアイランド2に接合されている。また、複数の半導体チップ4は、互いに同じ機能を有する素子(たとえば、両方ともがMOSFET等)であってもよい。
接合材32には、たとえば、半田ペーストが用いられる。接合材32は、めっき膜17が平面視で半導体チップ4よりも広い面積で半導体チップ4を取り囲むように形成されているため、半導体チップ4とアイランド2との間の領域から外側にはみ出し部33を有している。しかしながら、めっき膜17の第1外縁26が対向端面22から離れて設定されているため、対向端面22にまで濡れ広がらず、アイランド2の内方領域に収まっている。
ワイヤ5は、この実施形態では、Cuを主成分(たとえば、Cuの純度が99.99%以上)とする、いわゆるCuワイヤからなるが、変形例としてAuワイヤやAlワイヤを使用してもよい。ワイヤ5は、半導体チップ4のパッド20と第1リード7との間を接続している。図1に示すように、1つの第1リード7に対して、2つのパッド20から2本のワイヤ5が接続されていてもよいし、1つの第1リード7に対して、1つのパッド20から1本のワイヤ5が接続されていてもよい。
図5〜図10は、半導体装置1の製造工程の一部を工程順に示す図である。図5〜図10の各図において、「A」と併記される図面が図2のA−A切断面に対応し、「B」と併記される図面が図2のB−B切断面に対応している。
半導体装置1を製造するには、たとえば、まず図5Aおよび図5Bに示すように、アイランド2およびリード3を一体的に有するリードフレームが準備される。
次に、図6Aおよび図6Bに示すように、アイランド2およびリード3上にマスク34が形成される。マスク34としては、たとえばポリイミドテープ等のマスキングテープを貼着できる。マスク34は、図11に示すように、前述のめっき膜17を形成すべき領域に開口35を有している。この実施形態では、アイランド2およびリード3を個別に被覆するのではなく、たとえば、互いに隣接するアイランド2の両方の対向端面22に跨るように、当該対向端面22の周縁部がマスク34で一体的に覆われる。
次に、図7Aおよび図7Bに示すように、マスク34の開口35から露出するアイランド2およびリード3の外表面に、めっき膜17が形成される。めっき方法としては、たとえば、電解めっき法が適用できる。
次に、図8Aおよび図8Bに示すように、接合材32を介して、半導体チップ4がアイランド2にダイボンディングされる。
次に、図9Aおよび図9Bに示すように、半導体チップ4と第1リード7とがワイヤ5で接続される。
次に、図10Aおよび図10Bに示すように、複数のアイランド2、複数のリード3、半導体チップ4およびワイヤ5は、樹脂パッケージ6によって一括して封止される。封止後、各半導体装置1の個片に切り分けられる。そして、リード3のアウターリード10,16がクランク状に曲がるように加工されることによって、図1に示す半導体装置1が得られる。
以上、この実施形態によれば、図11に示すように、アイランド2の対向端面22から所定距離D離れた位置までのアイランド2の周縁部にマスク34がされた状態でめっき膜17が形成される。これにより、めっき後のアイランド2において、図4に示すように、対向端面22および対向端面22側のアイランド2の周縁部に、素地領域27を形成することができる。そのため、半導体チップ4をアイランド2にボンディングする際に、接合材32が外側に広がっても、当該接合材32の広がりを素地領域27とめっき膜17との境界(第1外縁26)で止めることができる。つまり、接合材32が、対向端面22にまで濡れ広がることを防止することができる。その結果、隣接するアイランド2に接合材32がブリッジすることを防止することができる。よって、アイランド2間の短絡を防止できるので、信頼性の高い半導体装置1を実現することができる。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、素地領域27は、隣接するアイランド2の両方に形成されていたが、どちらか一方にだけ形成された態様であってもよい。この場合、他方のアイランド2の対向端面22には、めっき膜17が形成されていてもよい。このような構成であっても、少なくとも対向端面22に素地領域27が形成されたアイランド2に接合材32が濡れ広がることを防止できるので、上記の効果を達成することができる。
また、前述の実施形態では、SOPタイプの半導体装置を取り上げたが、本発明は、QFP(Quad Flat Package)、SON(Small Outline Non-leaded package)、QFN(Quad Flat Non-leaded Package)等の他の種類のパッケージタイプの半導体装置に適用することもできる。
本発明の半導体装置は、パワーモジュール等のパワーデバイスの製造全般に利用可能であり、特に、小型・軽量化が求められている分野、車載、太陽電池、産業機器向けの装置等、温度変化が激しい環境下で使用される装置に良好に適用できる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
次に、本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は下記の実施例によって限定されるものではない。
<実施例>
前述の実施形態に倣って、半導体装置1を作製した。この際、2つのアイランド2のうち、一方のアイランド2の対向端面22に素地領域27を形成し、他方の対向端面22にはめっき膜17を形成した。なお、主要な構成材料は次の通りである。
・アイランド2およびリード3:Cu合金
・めっき膜17:Agめっき膜
・接合材32:Pb−3Sn−1Ag半田
<比較例>
両方のアイランド2の対向端面22にめっき膜17を形成した(対向端面22に素地領域27なし)こと以外は、実施例と同様に半導体装置1を作製した。
<評価>
実施例および比較例で得られた半導体装置の内部の写真を、図12A、図12B、図13Aおよび図13Bに示す。図12Aおよび図12Bが比較例の写真で、図13Aおよび図13Bが実施例の写真である。
図12Aおよび図12Bに示すように、比較例では、対向端面22にめっき膜17が形成された結果、接合材32(半田)が対向端面22に濡れ広がり、さらに隣接するアイランド2にブリッジしていた。
これに対して、実施例では、図13Aおよび図13Bに示すように、めっき膜17が形成された対向端面22に、接合材32が濡れ広がっていたものの、隣接するアイランド2へのブリッジは確認されなかった。これは、一方のアイランド2の対向端面22が素地領域27として露出しているところ、Cu合金からなる素地領域27に接合材32が濡れなかったためであると考えられる。
ここで、半田がCu合金に濡れないことは、図14Aおよび図14Bの参考例によっても証明できる。図14Bでは、チップ4、アイランド2およびリード3で区画された凹部に多量の接合材32が溜まっており、本来ならリード3の上部まで接合材32が濡れ広がりそうであるが、実際には、めっき膜17と素地領域27との境界で濡れ拡がりが止まっている。
なお、実施例および比較例における半田ブリッジの有無は、図15A、図15Bおよび図16に示すX線イメージによっても確認することができる。図15Aは、比較例に係る半導体装置のX線イメージ(平面視)であり、図15Bは、比較例に係る半導体装置のX線イメージ(側面視)である。また、図16は、実施例に係る半導体装置のX線イメージ(平面視)である。
1 半導体装置
2 アイランド
3 リード
4 半導体チップ
6 樹脂パッケージ
7 第1リード
8 第2リード
13 アイランドサポート部
17 めっき膜
18 第1めっき膜
19 第2めっき膜
21 上面
22 対向端面
23 外側端面
24 第1リード側端面
25 第2リード側端面
26 第1外縁
27 素地領域
28 直線部
29 非直線部
30 第2外縁
31 周縁部
32 接合材
33 はみ出し部
34 マスク

Claims (19)

  1. 上面および端面を含む外表面を有する複数のアイランドと、
    各前記アイランド上の半導体チップと、
    前記アイランドと前記半導体チップとの間の接合材と、
    前記アイランドの前記外表面に形成されためっき層とを含み、
    前記複数のアイランドの少なくとも一つにおいて、当該一つのアイランドの前記端面のうち隣接する前記アイランドと対向する第1端面に、前記アイランドが素地領域として露出している、半導体装置。
  2. 前記アイランドの前記上面において、前記第1端面から所定距離離れたライン上に、前記めっき層の第1外縁が設定されており、
    前記素地領域は、前記アイランドの前記第1端面と前記めっき層の前記第1外縁との間にさらに設けられている、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記アイランドの前記第1端面と前記めっき層の前記第1外縁との距離が、150μm〜300μmである、請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記アイランドは、4つの前記端面によって区画された平面視四角形状に形成されており、
    前記アイランドの上面における前記素地領域は、前記アイランドの前記第1端面に対して一定幅の直線部と、前記直線部の少なくとも長手方向一端部に連なり、前記アイランドの角部において幅が狭くなる非直線部とを含む、請求項2または3に記載の半導体装置。
  5. 前記非直線部は、前記アイランドの内方に湾曲する弓形の前記めっき層の前記第1外縁によって区画されている、請求項4に記載の半導体装置。
  6. 前記アイランドの周囲に配置され、前記アイランドに対して高低差を有するリードを含み、
    前記アイランドの前記上面において、前記リード側の第2端面に一致するライン上に、前記めっき層の第2外縁が設定されており、
    前記アイランドの前記上面における前記第2端面側の周縁部は、前記めっき層で覆われている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記アイランドの前記第2端面は、前記めっき層で覆われている、請求項6に記載の半導体装置。
  8. 前記リードの外表面に形成された第2めっき層をさらに含む、請求項6または7に記載の半導体装置。
  9. 前記アイランドの前記第1端面とは異なる第3端面に一体的に接続され、前記第3端面から外側に延びるアイランドサポート部をさらに含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 前記アイランドサポート部は、互いに隣接する前記アイランドの両方に設けられており、
    一方の前記アイランドサポート部と他方の前記アイランドサポート部とが、同一直線上に延びている、請求項9に記載の半導体装置。
  11. 互いに隣接する前記アイランド間の距離が、100μm〜200μmである、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体装置。
  12. 前記アイランドは、Cuを主成分とする金属材料からなる、請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体装置。
  13. 前記複数のアイランドおよび前記複数の半導体チップを一括して封止する樹脂パッケージを含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体装置。
  14. 前記接合材は、前記複数のアイランドの前記上面において、前記上面の端縁の内方領域に収まっている、請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体装置。
  15. 前記接合材は、前記アイランドと前記半導体チップとの間の領域から外側のはみ出し部を含む、請求項1〜14のいずれか一項に記載の半導体装置。
  16. 上面および端面を含む外表面を有する複数のアイランド、および前記複数のアイランドの周囲のリードを有するリードフレームを準備する工程と、
    前記複数のアイランドの少なくとも一つにおいて、当該一つのアイランドの前記端面のうち隣接する前記アイランドと対向する第1端面側の周縁部にマスクを形成する工程と、
    前記マスクを残した状態で、前記アイランドの前記上面にめっき層を形成する工程と、
    前記めっき層上に、接合材を介して半導体チップを設置する工程とを含む、半導体装置の製造方法。
  17. 前記マスクを形成する工程は、互いに隣接する前記アイランドの両方の周縁部を一体的に覆うマスクを形成する工程を含む、請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
  18. 前記マスクを形成する工程は、前記リードフレームにマスキングテープを貼着する工程を含む、請求項16または17に記載の半導体装置の製造方法。
  19. 前記マスキングテープは、ポリイミドテープを含む、請求項18に記載の半導体装置の製造方法。
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