JPH07147376A

JPH07147376A - 半導体装置およびその製造に用いるリードフレームならびにその半導体装置を組み込んだ電子装置

Info

Publication number: JPH07147376A
Application number: JP5293017A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yano; 洋矢野; Takeshi Hayakawa; 健早川; Masachika Masuda; 正親増田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-11-24
Filing date: 1993-11-24
Publication date: 1995-06-06

Abstract

(57)【要約】【目的】実装時の半田接続部の疲労破壊寿命向上が図
れる半導体装置の提供。【構成】エポキシ樹脂製のパッケージ２から突出する
ガルウィング型のリード３において水平突出部分４から
実装のための固定部分（リードフット部５）に至る脚部
６の実装面側の表面部分を、リード母材（４２アロイ：
熱膨張係数４．４×１０^-6／°Ｃ）よりも熱膨張係数が
大きい銅（熱膨張係数１７×１０^-6／°Ｃ）で形成し
（クラッド層７）てバイメタル構造としてある。熱膨張
係数が１６×１０^-6／°Ｃとなるガラスエポキシ基板
（実装基板３０）に実装した場合、リード３の脚部６は
バイメタル構造となっていることから、高い温度に晒さ
れた場合、脚部６の先端が外側に反り返えるため、実装
基板３０の変形に対応し、実装基板３０とリード３とを
接続する半田３２に大きな力が加わり難くなり、半田部
分の寿命が長くなる。安価なガラスエポキシ基板への実
装が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置、特にガラス
エポキシ樹脂等、熱膨張係数が大きいプリント配線基板
に実装される半導体装置およびその製造に用いられるリ
ードフレームならびに半導体装置を組み込んだ電子装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器は、機能面から高密度実装化
が、実装面から軽量化，小型化，薄型化が要請されてい
る。このため、電子機器に組み込まれる電子部品の多く
は、表面実装（面付け）が可能な構造に移行してきてい
る。また、電子部品の製造コストの低減のために、パッ
ケージ形態は材料が安くかつ生産性が良好な樹脂（レジ
ン）によるレジンパッケージが多用されている。面実装
技術については、工業調査会発行「電子材料」1989年12
月号、同年12月１日発行、Ｐ37〜Ｐ43に記載されてい
る。この文献は、「多様化する半導体パッケージとアセ
ンブリシステム」と題し、ピン挿入タイプと面実装（表
面実装）タイプの各種のパッケージ製品が図解されてい
るとともに、表面実装型におけるリード構造としては、
ガルウィング，Ｊ形状曲げ（Ｊベンド）が示されてい
る。また、この文献には、パッケージの動向の欄におけ
る大チップ化の項において、「パッケージの寸法は，実
装密度向上およびプリント基板の互換性を維持するため
にできるだけ大きくしない方向で開発が進められてい
る。このためパッケージのモールド部分の面積に対する
チップ面積の比率は年々増加しており，１６Ｋで約１５
％ほどであったものが，１ＭのＤＩＰでは４０％にもな
っている。４ＭのＳＯＪでは実に６０％にも達してい
る。」旨記載されている。また、小型・薄形化の項で
は、「パッケージ暑さは１ｍｍ前後となり，これに対応
するためのＱＦＰ (Quad Flat Package)，ＳＯＰ(Small
Outline Package）タイプの薄形パッケージが発表され
ている。」とし、リード構造がガルウィング型となる薄
形パッケージの断面形状が開示されている。この図によ
れば、パッケージから突出（延在）するリード（アウタ
ーリード）の水平方向の長さは０．８０ｍｍとなり、実
装のための固定部（リードフット部）の長さは０．５０
ｍｍ，パッケージから水平に延在しかつ下方に一段折れ
曲がる部分（説明の便宜上以下この部分を脚部と呼称す
る）の水平投射長さは０．３０ｍｍとなっている。ま
た、パッケージの上面からリードフット部の下面までの
間隔が最大で１．１ｍｍとなり、パッケージの中間高さ
からリードが突出しているとすれば、リードの下方に延
在する部分は０．５ｍｍ前後と極めて短いことが分か
る。この文献においては、リードフレームは４２ＮｉＦ
ｅ合金（４２アロイ）が使用されている。

【０００３】レジンパッケージ型半導体装置の製造にお
いては、銅や鉄・ニッケル合金等の金属製のリードフレ
ームが使用される。日経ＢＰ社発行「日経マイクロデバ
イス」1988年５月号、同年５月１日発行、Ｐ41〜Ｐ47に
はＳＯＪ構造のＤＲＡＭについて記載されている。この
文献には、リードフレームとして、パッケージを形成す
る樹脂と略同じ熱膨張係数を有するＣｕ系金属を選ぶ設
計思想と、半導体チップを形成するシリコンの熱膨張係
数（３．０×１０^-6／°Ｃ）に近似したＦｅーＮｉ系を
選ぶ設計思想があることが記載されている。この文献に
は、パッケージを形成するエポキシ樹脂の熱膨張係数は
１５〜１７×１０^-6／°Ｃであることが記載されてい
る。

【０００４】一方、工業調査会発行「電子材料」1983年
８月号、同年８月１日発行、Ｐ65〜Ｐ71には、リードフ
レーム用両面アルミストライプテープについて記載され
ている。アルミストライプテープは、鉄・ニッケル合金
上にストライプ状にアルミニウムを被覆したテープであ
り、低融点ガラス封止パッケージにおいて、低融点ガラ
スとの接着性の改善を図ったものである。この文献に
は、鉄・ニッケル合金の熱膨張係数の一例が記載されて
おり、４２アロイの熱膨張係数は４．４×１０^-6／°Ｃ
（３０〜３００℃）となっている。

【０００５】一方、工業調査会発行「電子材料」1991年
４月号、同年４月１日発行、Ｐ22〜Ｐ28には、ファイン
ピッチのＳＭＴ（Surface Mount Technology）実装につ
いて記載されている。この文献には、ファインピッチタ
イプのＩＣパッケージを一括リフローソルダリングで実
装する方法が開示されている。この実装方法では、配線
板に予備ハンダを付けた後、ハンダペーストを印刷す
る。つぎに、ＱＦＰをマウントした後、ファインピッチ
パッケージとなるＴＣＰ（Tape Carrier Package）を実
装するために接着剤を塗布し、その後ＴＣＰをマウント
する。最後に一括リフローソルダリングを行ってＱＦＰ
およびＴＣＰを実装する。また、この文献には、配線板
（配線基板）として、ガラス転位点（Ｔ_g）が高いガラ
スエポキシ基材（Ｔ_g＝１６０〜２１０℃）が使用され
ている旨記載されている。

【０００６】また、株式会社プレスジャーナル発行「月
刊セミコンダクターワールド（Semiconductor World
）臨時増刊号、1987年３月１日発行、Ｐ46には、ガラ
ス布基材エポキシ樹脂積層板（ＧＥ材）の熱膨張係数は
１６ppm/℃（常温〜１５０℃）であることが記載されて
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】高密度・多機能化の要
請により半導体チップは一層大型化の傾向にある。この
ため、リードフレームとして、前記文献に示されるよう
に半導体チップを形成するシリコンの熱膨張係数（３．
０×１０^-6／°Ｃ）に近似したＦｅーＮｉ系合金、たと
えば４２アロイ（熱膨張係数４．４×１０^-6／°Ｃ）等
が多用されている。このような熱膨張係数の小さいリー
ドフレームの使用は、熱膨張係数が１５〜１７×１０^-6
／°Ｃとなるエポキシ樹脂からなるパッケージの熱膨張
係数を低下させることになり、パッケージの熱膨張係数
に近似した安価なガラス布基材エポキシ樹脂積層板（ガ
ラスエポキシ基板）の使用ができ難くなり、高価なセラ
ミック系の配線基板を使用せざるを得なくなって来てい
る。本発明者の分析によれば、エポキシ樹脂からなるパ
ッケージの厚さが２．６ｍｍとなる厚型パッケージの場
合は、パッケージ全体の熱膨張係数は約１０×１０^-6／
°Ｃとなり、パッケージの厚さが１．０ｍｍとなる薄型
パッケージの場合は、パッケージ全体の熱膨張係数は約
７×１０^-6／°Ｃとなる。この結果、熱膨張係数が１６
×１０^-6／°Ｃ程度となるガラスエポキシ基板に半田を
介して実装を行った場合、温度サイクル試験（−５５℃
〜１５５℃間に亘る温度サイクル試験）でリードと配線
基板（実装基板）を接続する半田接続部が剥離してしま
い、半田接続部の疲労破壊寿命が低いことが判明した。

【０００８】本発明の目的は、温度変化に伴ってリード
姿勢が変化する半導体装置を提供することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、実装時の半田接続部
の疲労破壊寿命向上が図れる半導体装置を製造すること
ができるリードフレームを提供することにある。

【００１０】本発明の他の目的は、熱膨張係数の大きな
配線基板上に半導体装置を実装してなる電子装置におい
て、前記半導体装置における半田接続部の疲労破壊寿命
の向上を図ることにある。本発明の前記ならびにそのほ
かの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図
面からあきらかになるであろう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。すなわち、本発明の半導体装置は、
レジンからなるパッケージと、前記パッケージ内部に設
けられる半導体チップと、内端を前記半導体チップの周
縁に延在させるとともに外端を前記パッケージ外に延在
させる金属からなるガルウィング型のリードとを有する
半導体装置であって、前記パッケージから突出するガル
ウィング型のリード部分において水平突出部分から実装
のための固定部分に至る脚部の実装面側の少なくとも一
部表面部分は、リード母材よりも熱膨張係数が大きい金
属板で形成（クラッド層）されバイメタル構造となって
いる。前記クラッド層は前記リード母材よりも熱膨張係
数が大きい金属板によって形成されている。

【００１２】本発明のリードフレームは、レジンからな
るパッケージと、前記パッケージ内部に設けられる半導
体チップと、内端を前記半導体チップの周縁に延在させ
るとともに外端を前記パッケージ外に延在させる金属か
らなるガルウィング型のリードとを有する半導体装置の
製造用のリードフレームであって、前記パッケージから
突出するガルウィング型のリード部分において水平突出
部分を構成する箇所から実装端に至る脚部において、実
装面側の表面部分はリード母材よりも熱膨張係数が大き
い金属板からなるクラッド層によって形成されバイメタ
ル構造となっている。

【００１３】本発明の電子装置は、レジンからなるパッ
ケージと、前記パッケージ内部に設けられる半導体チッ
プと、内端を前記半導体チップの周縁に延在させるとと
もに外端を前記パッケージ外に延在させる金属からなる
ガルウィング型のリードとを有する半導体装置をガラス
エポキシ基板のような前記パッケージ等に比較して熱膨
張係数が大きなプリント配線基板に半田を介して実装し
てなる電子装置であって、前記パッケージから突出する
リード部分において水平突出部分から実装のための固定
部に至る脚部の実装面側のリード表面部分は、リード母
材よりも熱膨張係数が大きい金属板（クラッド層）で形
成されバイメタル構造となっている。

【００１４】

【作用】上記した手段によれば、本発明の半導体装置に
おいては、脚部がバイメタル構造となるリードフレーム
を使用して製造してあることから、ガラスエポキシ基板
のような熱膨張係数が大きい実装基板に実装した場合、
パッケージ外に延在するリードの脚部は、実装面側がリ
ード母材よりも熱膨張係数が大きいクラッド層で形成さ
れ、バイメタル構造となっていることから、高い温度に
晒された場合、バイメタル効果によってアウターリード
が外側に反り返って姿勢が変わるため、実装基板の変形
に対応し、実装基板とリードとを接続する半田に大きな
力が加わり難くなり、半田部分の寿命が長くなる。これ
により、安価なガラスエポキシ基板の使用が可能とな
る。

【００１５】

【実施例】以下図面を参照して本発明の一実施例につい
て説明する。図１は本発明の一実施例による半導体装置
を示す断面図、図２は同じく要部拡大断面図、図３は本
発明の半導体装置を製造するためのリードフレームの平
面図、図４は同じくリードフレームの底面図、図５は同
じくチップボンディング，ワイヤボンディングが終了し
かつモールドが完了したリードフレームの平面図であ
る。

【００１６】本発明の半導体装置１は、外観的には図１
に示すように、矩形のパッケージ２と、このパッケージ
２の周面から突出する複数のリード３とからなってい
る。この例では、前記リード３がガルウィング型とな
り、表面実装型の半導体装置となっている。ガルウィン
グ型のリード３は、図１および図２に示すように、前記
パッケージ２から突出する水平突出部分４と、先端の実
装のための固定部（リードフット部５）と、前記水平突
出部分４からリードフット部５に至る下方に延在する脚
部６とからなっている。また、これが本発明の特徴の一
つであるが、前記脚部６の実装面側の表面部分は、リー
ド母材よりも熱膨張係数が大きい金属（金属層：クラッ
ド層７）で形成され、バイメタル構造となっている。リ
ード母材は、たとえば厚さ０．１５ｍｍの４２アロイ
（熱膨張係数４．４×１０^-6／°Ｃ）で形成されてい
る。また、クラッド層７は銅（熱膨張係数１７×１０^-6
／°Ｃ）で形成されている。なお、前記クラッド層７の
厚さは、半導体装置の使用環境を考慮して決定すればよ
く、たとえば０．０５〜０．０８ｍｍ前後となってい
る。

【００１７】ここで、半導体装置１の細部構造について
図１を参照しながら説明する。この例ではＴＳＯＰ型の
半導体装置１について説明する。半導体装置１はエポキ
シ樹脂からなるパッケージ２の周面から複数のリード３
を突出させる。パッケージ２の厚さは１．０ｍｍとなっ
ている。また、リード３の幅は０．２〜０．４ｍｍとな
るとともに、リードピッチは０．５〜１．２７ｍｍとな
る。また、リードフット部５の長さは、０．４〜０．６
ｍｍとなり、リード高さは０．５ｍｍ程度となってい
る。前記パッケージ２の中央には前記リード３と同一の
材質（４２アロイ）で形成されたタブ１０が設けられて
いる。このタブ１０の上面にはＬＳＩ等からなる半導体
チップ１１が接合材１２を介して固定されている。前記
半導体チップ１１の厚さは２８０μｍとなっている。ま
た、前記接合材１２はエポキシ樹脂系の銀ペーストであ
る。また、前記半導体チップ１１の図示しない電極と、
前記リード３の内端は導電性のワイヤ１３で電気的に接
続されている。

【００１８】つぎに、本発明の半導体装置の製造方法に
ついて説明する。最初に図３に示すようにリードフレー
ム２１が用意される。このリードフレーム２１は、Ｆｅ
−Ｎｉ合金板、たとえば４２アロイ（熱膨張係数４．４
×１０^-6／°Ｃ）の薄板（厚さ０．１５ｍｍ）をエッチ
ングによりまたはプレスによってパターニングすること
によって製造される。リードフレーム２１は同図に示す
ように、一対の平行に延在する外枠２２と、この一対の
外枠２２を連結しかつ外枠２２に直交する方向に延在す
る一対の内枠２３とによって形成される枠構造となって
いる。また、前記枠の中央には矩形状のタブ（支持体）
１０が配置されているとともに、このタブ１０は一対の
枠の隅の太幅部２４から延在するタブ吊りリード２５に
よって支持されている。また、前記内枠２３および外枠
２２から前記タブ１０に向かって複数のリード３が延在
している。また、相互に平行に延在するリード部分にお
いて、各リード３はダム２６によって連結されている。
このダム２６は、前記内枠２３または外枠２２に平行に
配置されるとともに、枠の隅の太幅部２４に連結されて
いる。また、前記外枠２２にはガイド孔２７，２９が設
けられている。

【００１９】また、本発明のリードフレーム２１の裏面
（底面）においては、図４で点々を施して示すように、
ダム２６の外側の一部に亘るリード表面部分はクラッド
層７で形成され、バイメタル構造となっている。このク
ラッド層７は、リード母材（４２アロイ：熱膨張係数
４．４×１０^-6／°Ｃ）よりも熱膨張係数が大きな銅
（熱膨張係数１７×１０^-6／°Ｃ）で形成され、半導体
装置１となった状態では、パッケージ２から突出したガ
ルウィング型のリード３における脚部６の実装面側を形
成するようになる。なお、リードフレーム２１は図で
は、説明の便宜上リード３の数を大幅に少なくしている
が、実際には多数となっている。

【００２０】つぎに、このようなリードフレーム２１に
対してチップボンディング，ワイヤボンディングが行わ
れる。すなわち、図５に示すように、タブ１０上に接合
材１２（図１参照）を介してＬＳＩを構成する半導体チ
ップ１１が固定される。その後、半導体チップ１１の図
示しない電極と、リード３の内端が導電性のワイヤ１３
で接続される。

【００２１】つぎに、組立が終了したリードフレーム２
１は、常用のトランスファモールド装置によって、ダム
２６の内側部分モールドされてパッケージ２（図５参
照）が形成される。その後、前記リードフレーム２１は
トランスファモールド型から取り外され、不要リードフ
レーム部分が切断除去されるとともに、リード成形が行
われ、図１および図２に示されるようなガルウィング型
の半導体装置１が製造される。

【００２２】本発明の半導体装置１は、図２に示すよう
に、ガラスエポキシ基板からなる配線基板（実装基板）
３０上に実装しても支障がなくなる。すなわち、半導体
装置１は、実装基板３０の表面のフットプリント（導体
層）３１上に、半導体装置１のリードフット部５を重
ね、フットプリント３１やリードフット部５にあらかじ
め被着されている半田を溶かし（リフローソルダリン
グ）、半田３２によって接続する。このような実装構造
では、リード３の脚部６はバイメタル構造となっている
ことから、温度が上昇した場合、脚部６が矢印３３の方
向に反り返るようになり、パッケージ部およびリード部
に比較して熱膨張係数が大きなガラスエポキシ基板から
なる実装基板３０が膨張して矢印３４の方向に動いて
も、実装基板３０の動きに脚部６の先端が追従するた
め、リード３のリードフット部５を接続する半田３３に
は大きな応力が発生しなくなる。したがって、ガラスエ
ポキシ基板に半田を介して実装してある半導体装置１の
半田接続部の疲労破壊寿命の向上が図れる。このこと
は、温度サイクル試験（−５５℃〜１５５℃間に亘る温
度サイクル試験）を行なった場合、実装基板３０のフッ
トプリント３１と、リード３のリードフット部５を接続
する半田３２が剥離するようなことがないことからも証
明される。この結果、ガラスエポキシ基板の使用が無理
で、生産コストが高いセラミック系の配線基板を使用し
なければならなかった半導体装置１の実装も、半導体装
置１におけるリード３の脚部６をバイメタル構造とする
ことによって、安価なガラスエポキシ基板からなる配線
基板の使用が可能となる。

【００２３】

【発明の効果】（１）本発明の半導体装置は、リードの
脚部がバイメタル構造となり、昇温すると脚部の先端が
外側に反り返る構造となっていることから、熱膨張係数
が大きなガラスエポキシ製のプリント配線基板に実装し
た場合、実装部分となる半田接続部に大きな熱ストレス
が加わらなくなり、半田接続部の疲労破壊の長寿命化が
図れるという効果が得られる。

【００２４】（２）上記（１）により、本発明の半導体
装置は、生産コストの高いセラミック系の配線基板に代
えて、コストの安いガラスエポキシ基板に実装可能とな
るという効果が得られる。

【００２５】（３）上記（２）により、本発明によれば
ガラスエポキシ基板上に半導体装置を実装した電子機器
を提供できることになり、電子機器における実装半導体
装置の実装信頼度の向上および電子機器の生産コストの
低減が達成できるという効果が得られる。

【００２６】（４）本発明のリードフレームは、リード
の一部にクラッド層が設けられ、バイメタル構造となっ
ていることから、半導体装置を製造した場合、半導体装
置のパッケージから突出するリードの脚部部分にバイメ
タル構造を形成できることになり、上記（１）に記載し
た効果を奏する半導体装置を製造することができるとい
う効果が得られる。

【００２７】（５）上記（１）〜（４）により、本発明
によれば、熱膨張係数の大きな配線基板に半導体装置を
実装しても、熱ストレスによって実装部分となる半田接
続部分が劣化しない半導体装置および実装構造（電子機
器）を提供することができるという相乗効果が得られ
る。

【００２８】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない、たとえば、
図６に示すように、リード構造がＪーベンドとなる半導
体装置１に対しても同様に適用でき前記実施例同様な効
果が得られる。

【００２９】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野である半導体
装置の製造技術に適用した場合について説明したが、そ
れに限定されるものではない。本発明は少なくとも実装
基板の熱膨張係数に比較して熱膨張係数が小さな材質で
製造された前記同様な構造の電子部品の製造には適用で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による半導体装置を示す断面
図である。

【図２】本発明の一実施例による半導体装置の要部拡大
断面図である。

【図３】本発明の一実施例による半導体装置を製造する
ためのリードフレームの平面図である。

【図４】本発明の一実施例による半導体装置を製造する
ためのリードフレームの底面図である。

【図５】本発明の一実施例による半導体装置の製造にお
いて、チップボンディング，ワイヤボンディングが終了
しかつモールドが完了したリードフレームを示す平面図
である。

【図６】本発明の他の実施例による半導体装置を示す一
部を断面とした正面図である。

【符号の説明】

１…半導体装置、２…パッケージ、３…リード、４…水
平突出部分、５…リードフット部、６…脚部、７…クラ
ッド層、１０…タブ、１１…半導体チップ、１２…接合
材、１３…ワイヤ、２１…リードフレーム、２２…外
枠、２３…内枠、２４…太幅部、２５…タブ吊りリー
ド、２６…ダム、２７，２９…ガイド孔、３０…実装基
板（配線基板）、３１…フットプリント、３２…半田、
３３、３４…矢印。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レジンからなるパッケージと、前記パッ
ケージ内部に設けられる半導体チップと、内端を前記半
導体チップの周縁に延在させるとともに外端を前記パッ
ケージ外に延在させる金属からなるリードとを有する半
導体装置であって、前記パッケージから突出するリード
部分において突出部分から実装のための固定部に至る脚
部の実装面側の少なくとも一部表面部分は、リード母材
よりも熱膨張係数が大きい金属で形成されていることを
特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記半導体装置におけるリードはガルウ
ィング型となっていることを特徴とする請求項１記載の
半導体装置。
【請求項３】レジンからなるパッケージと、前記パッ
ケージ内部に設けられる半導体チップと、内端を前記半
導体チップの周縁に延在させるとともに外端を前記パッ
ケージ外に延在させる金属からなるリードとを有する半
導体装置の製造に用いられるリードフレームであって、
前記パッケージから突出するリード部分において突出部
分から実装のための固定部に至る脚部の実装面側の少な
くとも一部表面部分は、リード母材よりも熱膨張係数が
大きい金属で形成されていることを特徴とするリードフ
レーム。
【請求項４】レジンからなるパッケージと、前記パッ
ケージ内部に設けられる半導体チップと、内端を前記半
導体チップの周縁に延在させるとともに外端を前記パッ
ケージ外に延在させる金属からなるリードとを有する半
導体装置をパッケージ全体の熱膨張係数よりも熱膨張係
数が大きな実装基板に半田を介して実装してなる電子装
置であって、前記パッケージから突出するリード部分に
おいて突出部分から実装のための固定部に至る脚部の実
装面側の少なくとも一部表面部分は、リード母材よりも
熱膨張係数が大きい金属で形成されていることを特徴と
する電子装置。