JP2005244035A - 半導体装置の実装方法、並びに半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】実装時における半導体装置の半田剥がれ不良を抑制する。
【解決手段】半導体装置の実装方法において、樹脂封止体9の裏面9yから複数のリード5の各々の一部を露出することによって得られた複数の端子部6に、前記樹脂封止体の裏面よりも突出し、かつ溶融した半田材を凝固して形成された半田層10を有する半導体装置を準備する(a)工程と、配線基板30の複数の電極31に半田ペースト材32を供給する(b)工程と、前記複数の電極の半田ペースト材を溶融して、前記複数の端子部と前記複数の電極とを夫々接続する(c)工程とを有する。
【選択図】図17
【解決手段】半導体装置の実装方法において、樹脂封止体9の裏面9yから複数のリード5の各々の一部を露出することによって得られた複数の端子部6に、前記樹脂封止体の裏面よりも突出し、かつ溶融した半田材を凝固して形成された半田層10を有する半導体装置を準備する(a)工程と、配線基板30の複数の電極31に半田ペースト材32を供給する(b)工程と、前記複数の電極の半田ペースト材を溶融して、前記複数の端子部と前記複数の電極とを夫々接続する(c)工程とを有する。
【選択図】図17
Description
本発明は、半導体装置の実装技術、並びに半導体装置に関し、特に、樹脂封止体の裏面(実装面)からリードの一部を露出することによって得られる外部端子を有する半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。
集積回路が搭載された半導体チップを樹脂封止してなる半導体装置においては、様々なパッケージ構造のものが提案され、製品化されている。その中の1つに、例えばQFN(Quad Flatpack Non-Leaded Package )型と呼称される半導体装置が知られている。このQFN型半導体装置は、半導体チップの電極と電気的に接続されたリードを外部端子として樹脂封止体の裏面から露出させたパッケージ構造になっているため、半導体チップの電極と電気的に接続されたリードを樹脂封止体の側面から突出させて所定の形状に折り曲げ成型したパッケージ構造、例えばQFP(Quad Flatpack Package)型と呼称される半導体装置と比較して、平面サイズの小型化を図ることができる。
QFN型半導体装置は、その製造においてリードフレームが使用される。リードフレームは、金属板に精密プレスによる打ち抜き加工やエッチング加工を施して所定のパターンを形成することによって製造される。リードフレームは、外枠部及び内枠部を含むフレーム本体で区画された複数の製品形成領域を有し、各製品形成領域には、半導体チップを搭載するためのチップ支持体(タブ,ダイパッド,チップ搭載部)や、このチップ支持体の周囲に先端部(一端部)を臨ませる複数のリード等が配置されている。チップ支持体は、リードフレームのフレーム本体から延在する吊りリードによって支持されている。リードは、その一端部(先端部)と反対側の他端部がリードフレームのフレーム本体に支持されている。
このようなリードフレームを使用してQFN型半導体装置を製造する場合、リードフレームのチップ支持体に半導体チップを固定し、その後、半導体チップの電極とリードとを導電性のワイヤで電気的に接続し、その後、半導体チップ、ワイヤ、チップ支持体、吊りリード等を樹脂封止して樹脂封止体を形成し、その後、リードフレームの不要な部分を切断除去する。
QFN型半導体装置の樹脂封止体は、大量生産に好適なトランスファ・モールディング法(移送成形法)によって形成される。トランスファ・モールディング法による樹脂封止体の形成は、成形金型(モールディング金型)のキャビティ(樹脂充填部)の内部に、半導体チップ、リード、チップ支持体、吊りリード、及びボンディングワイヤ等が配置されるように、成形金型の上型と下型との間にリードフレームを位置決めし、その後、成形金型のキャビティの内部に熱硬化性樹脂を注入することによって行われる。
なお、QFN型半導体装置については、例えば特開2001−189410号公報(特許文献1)や、特許第3072291号(特許文献2)に記載されている。
本発明者は、QFN型半導体装置について検討した結果、以下の問題点を見出した。
QFN型半導体装置は、他の面実装型電子部品と共に配線基板に実装され、例えば携帯電話、携帯型情報処理端末機器、携帯型パーソナル・コンピュータ等の小型電子機器に組み込まれる。QFN型半導体装置及び他の面実装型電子部品の実装は、生産性の向上を図るため、一般的にリフローソルダリング法で行われる。リフローソルダリング法とは、配線基板の電極パッド(ランド,フットプリント,接続用端子部)にスクリーン印刷等によって予め設けられた半田ペースト材を溶融して面実装型電子部品等を一括して半田付け実装する方法である。
この実装工程において、QFN型半導体装置は高温に曝されるため、半導体チップを封止している熱硬化性樹脂(樹脂封止体)の硬化反応が促進し、パッケージ(樹脂封止体)に反りが生じる。このパッケージの反りは、実装後の半田接合部(配線基板の電極パッドに半田層を介在してQFN型半導体装置の端子部が接合された部分)に応力を発生させ、配線基板の電極パッドからQFN型半導体装置の外部端子が剥がれるといった不具合(半田剥がれ不良)の要因となる。
QFN型半導体装置においても高性能化や多機能化に伴う多ピン化によりパッケージサイズが大型化する傾向にあるが、パッケージサイズの大型化に伴って前述の実装時におけるパッケージの反り量が増加するため、特にパッケージサイズが大きいQFN型半導体装置においては半田剥がれ不良が発生し易くなる。
半田剥がれ不良は、配線基板の電極パッドとQFN型半導体装置の外部端子との間に介在される半田層の厚さ(実装後の半田層の厚さ)を厚くすることによって抑制することができる。実装後の半田層の厚さを厚くする方法としては、実装時の半田ペースト材の厚さを厚くする方法が考えられる。
しかしながら、リフローソルダリング法では、一般的に、1つの配線基板にQFN型半導体装置と共に他の面実装型電子部品も一括して実装するため、QFN型半導体装置の実装領域における半田ペースト材の厚さを厚くした場合、他の面実装型電子部品における半田ペースト材の厚さも厚くなってしまい、他の面実装型電子部品、例えばチップ型抵抗体やチップ型コンデンサ等のチップ型電子部品において、半田の表面張力によって立ち上がってしまう現象(チップ立ち現象(Chip Standing Phenomenon),マンハッタン現象(Manhattan Phenomenaom))が起こり易くなる。従って、実装時の半田ペースト材の厚さを厚くしてQFN型半導体装置の半田剥がれ不良を抑制することは困難である。
そこで、本発明者は、QFN型半導体装置の外部端子に着目し、本発明をなした。
本発明の目的は、実装時における半導体装置の半田剥がれ不良を抑制することが可能な技術を提供することにある。
本発明の目的は、半導体装置の実装歩留まり向上を図ることが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
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。
(1)導体装置の実装方法であって、
樹脂封止体の裏面から複数のリードの各々の一部を露出することによって得られた複数の端子部に、前記樹脂封止体の裏面よりも突出し、かつ溶融した半田材を凝固して形成された半田層を有する半導体装置を準備する(a)工程と、
配線基板の複数の電極に半田ペースト材を供給する(b)工程と、
前記複数の電極の半田ペースト材を溶融して、前記複数の端子部と前記複数の電極とを夫々接続する(c)工程とを有する。
(1)導体装置の実装方法であって、
樹脂封止体の裏面から複数のリードの各々の一部を露出することによって得られた複数の端子部に、前記樹脂封止体の裏面よりも突出し、かつ溶融した半田材を凝固して形成された半田層を有する半導体装置を準備する(a)工程と、
配線基板の複数の電極に半田ペースト材を供給する(b)工程と、
前記複数の電極の半田ペースト材を溶融して、前記複数の端子部と前記複数の電極とを夫々接続する(c)工程とを有する。
(2)前記手段(1)に記載の半導体装置の実装方法において、
前記(c)工程は、前記半田ペースト材と共に前記複数の端子部の各々の半田層も溶融する。
前記(c)工程は、前記半田ペースト材と共に前記複数の端子部の各々の半田層も溶融する。
(3)前記手段(1)に記載の半導体装置の実装方法において、
前記半田層は、前記半田層の高さをa,前記半田層の幅をbとした時、a/b≦1/2の円弧形状になっている。
前記半田層は、前記半田層の高さをa,前記半田層の幅をbとした時、a/b≦1/2の円弧形状になっている。
(4)半導体装置は、樹脂封止体の裏面から複数のリードの各々の一部を露出することによって得られる複数の端子部に、前記樹脂封止体の裏面よりも突出し、かつ溶融した半田材を凝固して形成された半田層を有する。
(5)前記手段(4)に記載の半導体装置において、
前記半田層は、前記半田層の高さをa、前記半田層の幅をbとした時、a/b≦1/2の円弧形状になっている。
前記半田層は、前記半田層の高さをa、前記半田層の幅をbとした時、a/b≦1/2の円弧形状になっている。
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
本発明によれば、実装時における半導体装置の半田剥がれ不良を抑制することができる。
本発明によれば、半導体装置の実装歩留まり向上を図ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
(実施形態1)
本実施形態1では、樹脂封止体の裏面からリードの一部を露出させて外部端子として使用するノンリード型半導体装置の一種であるQFN型半導体装置に本発明を適用した例について説明する。
本実施形態1では、樹脂封止体の裏面からリードの一部を露出させて外部端子として使用するノンリード型半導体装置の一種であるQFN型半導体装置に本発明を適用した例について説明する。
図1乃至図17は、本発明の実施形態1であるQFN型半導体装置に係わる図であり、
図1は、半導体装置の外観構造を示す模式的平面図(上面図)、
図2は、半導体装置の外観構造を示す模式的底面図(下面図)、
図3は、図2の一部を拡大した模式的底面図、
図4は、半導体装置の内部構造を示す図(樹脂封止体の上部を除去した状態の模式的平面図)、
図5は、半導体装置の内部構造を示す図(樹脂封止体の下部を除去した状態の模式的底面図)、
図6は、半導体装置の内部構造を示す図((a)は図4のa−a線に沿う模式的断面図,((b)は図4のb−b線に沿う模式的断面図)、
図7は、図6(a)の一部を拡大した模式的断面図、
図8は、半導体装置の製造に使用されるリードフレームの模式的平面図、
図9は、図8の一部を拡大した模式的平面図、
図10は、半導体装置の製造工程((a)はチップ搭載工程,(b)はワイヤボンディング工程)を示す模式的断面図、
図11は、半導体装置の製造工程中のモールディング工程において、成形金型にリードフレームを位置決めした状態を示す図((a)はリードフレーム全体を示す模式的断面図,(b)は(a)の一部を拡大した模式的断面図)、
図12は、半導体装置の製造工程において、モールディング工程後の状態を示す図((a)は模式的平面図,(b)は(a)の模式的断面図)である。
図1は、半導体装置の外観構造を示す模式的平面図(上面図)、
図2は、半導体装置の外観構造を示す模式的底面図(下面図)、
図3は、図2の一部を拡大した模式的底面図、
図4は、半導体装置の内部構造を示す図(樹脂封止体の上部を除去した状態の模式的平面図)、
図5は、半導体装置の内部構造を示す図(樹脂封止体の下部を除去した状態の模式的底面図)、
図6は、半導体装置の内部構造を示す図((a)は図4のa−a線に沿う模式的断面図,((b)は図4のb−b線に沿う模式的断面図)、
図7は、図6(a)の一部を拡大した模式的断面図、
図8は、半導体装置の製造に使用されるリードフレームの模式的平面図、
図9は、図8の一部を拡大した模式的平面図、
図10は、半導体装置の製造工程((a)はチップ搭載工程,(b)はワイヤボンディング工程)を示す模式的断面図、
図11は、半導体装置の製造工程中のモールディング工程において、成形金型にリードフレームを位置決めした状態を示す図((a)はリードフレーム全体を示す模式的断面図,(b)は(a)の一部を拡大した模式的断面図)、
図12は、半導体装置の製造工程において、モールディング工程後の状態を示す図((a)は模式的平面図,(b)は(a)の模式的断面図)である。
図13は、半導体装置の製造工程中の半田層形成工程を説明するための図((a)及び(b)は模式的断面図)、
図14は、図13に続く半田層形成工程を説明するための図((a)及び(b)は模式的断面図)、
図15は、図14に続く半田層形成工程を説明するための図((a)及び(b)は模式的断面図)、
図16は、半導体装置の製造工程中の個片化工程を示す模式的断面図、
図17は、半導体装置の実装工程を示す図((a),(b)及び(c)は模式的断面図)である。
図14は、図13に続く半田層形成工程を説明するための図((a)及び(b)は模式的断面図)、
図15は、図14に続く半田層形成工程を説明するための図((a)及び(b)は模式的断面図)、
図16は、半導体装置の製造工程中の個片化工程を示す模式的断面図、
図17は、半導体装置の実装工程を示す図((a),(b)及び(c)は模式的断面図)である。
本実施形態1のQFN型半導体装置1は、図4、図5、図6((a),(b))に示すように、半導体チップ2、複数のリード5からなる第1乃至第4のリード群5s、チップ支持体(ダイパッド,タブ,チップ搭載部)7、4本の吊りリード7a、複数のボンディングワイヤ8、及び樹脂封止体9等を有するパッケージ構造になっている。半導体チップ2、第1乃至第4のリード群5sの複数のリード5、チップ支持体(ダイパッド,タブ)7、4本の吊りリード7a、及び複数のボンディングワイヤ8等は、樹脂封止体9によって封止されている。半導体チップ2は、チップ支持体7の主面(上面)に接着材4を介在して接着固定され、チップ支持体7は、4本の吊りリード7aと一体的に形成されている。
半導体チップ2は、図4及び図5に示すように、その厚さ方向と交差する平面形状が方形状になっており、本実施形態では例えば正方形になっている。半導体チップ2は、これに限定されないが、例えば、半導体基板、この半導体基板の主面に形成された複数のトランジスタ素子、前記半導体基板の主面上において絶縁層、配線層の夫々を複数段積み重ねた多層配線層、この多層配線層を覆うようにして形成された表面保護膜(最終保護膜)等を有する構成になっている。絶縁層は、例えば酸化シリコン膜で形成されている。配線層は、例えばアルミニウム(Al)、又はアルミニウム合金、又は銅(Cu)、又は銅合金等の金属膜で形成されている。表面保護膜は、例えば、酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜等の無機絶縁膜及び有機絶縁膜を積み重ねた多層膜で形成されている。
半導体チップ2は、図4、図5、並びに図6((a),(b))に示すように、互いに反対側に位置する主面(素子形成面,回路形成面)2x及び裏面2yを有し、半導体チップ2の主面2x側には集積回路が構成されている。集積回路は、主に、半導体基板の主面に形成されたトランジスタ素子、及び多層配線層に形成された配線によって構成されている。
半導体チップ2の主面2xには、図4及び図6((a),(b))に示すように、複数のボンディングパッド(電極)3が形成されている。複数のボンディングパッド3は、半導体チップ2の各辺に沿って配置されている。複数のボンディングパッド3は、半導体チップ2の多層配線層のうちの最上層の配線層に形成され、各々のボンディングパッド3に対応して半導体チップ2の表面保護膜に形成されたボンディング開口によって露出されている。
樹脂封止体9は、図1及び図2に示すように、厚さ方向と交差する平面形状が方形状になっており、本実施形態では例えば正方形になっている。樹脂封止体9は、図1、図2及び図6((a),(b))に示すように、互いに反対側に位置する主面(上面)9x及び裏面(下面,実装面)9yを有し、樹脂封止体9の平面サイズ(外形サイズ)は、半導体チップ2の平面サイズ(外形サイズ)よりも大きくなっている。
樹脂封止体9は、低応力化を図る目的として、例えば、フェノール系硬化剤、シリコーンゴム及びフィラー等が添加されたビフェニール系の熱硬化性樹脂で形成されている。樹脂封止体9の形成方法としては、大量生産に好適なトランスファ・モールディング法を用いている。トランスファ・モールディング法とは、ポット、ランナー、樹脂注入ゲート、及びキャビティ等を備えた成形金型(モールド金型)を使用し、ポットからランナー及び樹脂注入ゲートを通してキャビティの内部に熱硬化性樹脂を注入して樹脂封止体を形成する方法である。
樹脂封止型半導体装置の製造においては、複数の製品形成領域(デバイス形成領域,製品取得領域)を有するリードフレーム(多数個取りリードフレーム)を使用し、各製品形成領域に搭載された半導体チップを各製品形成領域毎に樹脂封止する個別方式のトランスファ・モールディング法や、複数の製品形成領域を有するリードフレームを使用し、各製品形成領域に搭載された半導体チップを一括して樹脂封止する一括方式のトランスファ・モールディング法が採用されている。本実施形態1では、例えば一括方式のトランスファ・モールディング法を採用している。
一括方式のトランスファ・モールディング法の場合、樹脂封止体を形成した後、リードフレーム及び樹脂封止体は、例えばダイシングによって複数の個片に分割される。従って、本実施形態1において、樹脂封止体9は、その主面9xと裏面9yとの外形サイズがほぼ同一になっており、樹脂封止体9の側面9zは、その主面9x及び裏面9yに対してほぼ垂直になっている。
第1乃至第4のリード群5sは、図4及び図5に示すように、樹脂封止体9の4辺に対応して配置され、各リード群5sの複数のリード5は、半導体チップ2の辺(樹脂封止体9の辺)と同一方向に沿って配列されている。また、各リード群5sの複数のリード5は、樹脂封止体9の側面9z側から半導体チップ2に向かって延在している。
半導体チップ2の複数のボンディングパッド3は、第1乃至第4のリード群5sの複数のリード5と夫々電気的に接続されている。本実施形態1において、半導体チップ2のボンディングパッド3とリード5との電気的な接続は、ボンディングワイヤ8で行われており、ボンディングワイヤ8の一端部は、半導体チップ2のボンディングパッド3に接続され、ボンディングワイヤ8の一端部と反対側の他端部は、半導体チップ2の外側(周囲)において、リード5に接続されている。ボンディングワイヤ8としては、例えば金(Au)ワイヤを用いている。また、ボンディングワイヤ8の接続方法としては、例えば熱圧着に超音波振動を併用したネイルヘッドボンディング(ボールボンディング)法を用いている。
図4、図5、並びに図6((a),(b))に示すように、各リード群5sの複数のリード5は、複数のリード5a、及び複数のリード5bを含んでいる。リード5aは、樹脂封止体9の側面9z側(樹脂封止体9の側面9zの近傍)に端子部6aを有する構成になっており、リード5bは、リード5aの端子部6aよりも内側(半導体チップ2側)に端子部6bを有する構成になっている。即ち、リード5bの端子部6bは、リード5aの端子部6aよりも樹脂封止体9の側面9z(周縁)から離れた位置に配置されている。
図6((a),(b))に示すように、端子部(6a,6b)6は、リード(5a,5b)5と一体に形成されており、端子部6を除くリード5の他の部分の厚さは、端子部6よりも薄くなっている(端子部6の厚さ>他の分部の厚さ)。また、図5に示すように、端子部(6a,6b)6の幅6Wは、リード5の一端部側(半導体チップ2に近い側)と反対側の他端部側(樹脂封止体9の側面9zに近い側)における終端分部での幅5Wよりも広くなっている。
図4及び図5に示すように、各リード群5sの複数のリード5は、リード5aとリード5bとが互いに隣り合うようにリード5a及びリード5bを一方向に沿って(半導体チップ2の辺、又は樹脂封止体9の辺と同一方向に沿って)交互に繰り返し配置した構成になっている。
図2、図3及び図6((a),(b))に示すように、リード(5a,5b)5の端子部(6a,6b)6は、樹脂封止体9の裏面9yから露出し、外部端子として用いられている。端子部6の先端部(樹脂封止体9の裏面9yから露出する部分)には、半田層10が設けられている。本実施形態1の半導体装置1は、これらの端子部(6a,6b)6を配線基板の電極パッド(フットプリント,ランド,接続部)に半田付けすることによって実装される。
各リード群5sにおいて、複数のリード5の夫々の端子部6は、図2乃至図6に示すように、樹脂封止体9の辺に沿って千鳥状に2列配置されている。樹脂封止体9の辺に最も近い1列目の端子列は端子部6aで構成され、1列目よりも内側に位置する2列目の端子列は端子部6bで構成されている。1列目の端子部6aの配列ピッチP1、及び2列目の端子部6bの配列ピッチP2(図3参照)は、リード5の他端部側の終端部における配列ピッチ5P2(図5参照)よりも広くなっている。
本実施形態1において、端子部6bの配列ピッチP2及び端子部6aの配列ピッチP1は、例えば650[μm]程度であり、リード5の他端部側の終端部における配列ピッチ5P2は、例えば650[μm]程度である。
また、端子部(6a,6b)6の幅6W(図5参照)は、例えば300[μm]程度であり、リード(5a,5b)5の他端部側の終端部における幅5W(図5参照)は、例えば200[μm]程度である。
また、樹脂封止体9の側面9z(周縁)から内側(半導体チップ2側)に離間する端子部6aの距離L1(図6参照)は、例えば250[μm]程度であり、樹脂封止体9の側面9z(周縁)から内側(半導体チップ2側)に離間する端子部6bの距離L2(図6参照)は、例えば560[μm]程度である。
また、端子部(6a,6b)6の厚さは、例えば125[μm]〜150[μm]程度であり、端子部6を除くリード5の他の部分の厚さは、例えば65[μm]〜75[μm]程度である(図6(a),(b)参照)。
本実施形態1の半導体装置1は、前述したように、樹脂封止体9の裏面9yから露出し、外部端子として使用される端子部6aが設けられたリード5aと、樹脂封止体9の裏面9yから露出し、外部端子として使用され、かつ端子部6aよりも内側に位置する端子部6bが設けられたリード5bとを有し、
リード5aとリード5bは、互いに隣り合うようにして半導体チップ2の辺(樹脂封止体9の辺)と同一方向に沿って交互に繰り返し配置され、
端子部(6a,6b)6の幅6Wは、リード(5a,5b)5の他端部側の終端部における幅5Wよりも広くなっている。
リード5aとリード5bは、互いに隣り合うようにして半導体チップ2の辺(樹脂封止体9の辺)と同一方向に沿って交互に繰り返し配置され、
端子部(6a,6b)6の幅6Wは、リード(5a,5b)5の他端部側の終端部における幅5Wよりも広くなっている。
このようなパッケージ構造にすることにより、リード(5a,5b)5を微細化しても、実装時の信頼性を確保するために必要な端子部(6a,6b)6の面積を確保できるため、パッケージサイズを変えることなく、多ピン化を図ることができる。
図4乃至図7((a),(b))に示すように、複数のリード(5a,5b)5は、樹脂封止体9の側面9z側から半導体チップ2に向かって真っ直ぐ延びており、各々の一端部側は半導体チップ2の外側で終端し、各々の他端部側は樹脂封止体9の側面9zで終端している。本実施形態1において、リード5aは、その端子部6aから半導体チップ2に向かって延びる部分(引き延ばし部分)5a1(図6(a)参照)を有し、リード5aの一端部側は、その端子部6aよりも内側(半導体チップ2側)で終端している。リード5bの一端部側は、その端子部6bで終端している。複数のリード5は、一端部側の終端部での配列ピッチ5P1(図5参照)と、他端部側の終端部での配列ピッチ5P2(図5参照)とがほぼ同一となるパターンで形成されている。
図5及び図6((a),(b))に示すように、チップ支持体7の平面サイズは半導体チップ2の平面サイズよりも小さくなっている。即ち、本実施形態1の半導体装置1は、チップ支持体7の平面サイズを半導体チップ2の平面サイズよりも小さくした、所謂小タブ構造になっている。小タブ構造は、平面サイズが異なる数種類の半導体チップを搭載することができるため、生産性の合理化や低コスト化を図ることができる。また、チップ支持体7の厚さは、リード5の端子部6の厚さよりも薄くなっており、端子部6を除くリード5の他の部分の厚さとほぼ同一になっている。
図7に示すように、半田層10は、樹脂封止体9の裏面9yよりも突出し、
半田層10の高さa,半田層10の幅をbとした時、a/b≦1/2の円弧形状になっている。このような円弧形状の半田層10は、溶融した半田材を凝固することによって容易に形成することができる。半田層11の形成方法としては、後で詳細に説明するが、端子部6に設けられた半田ペースト材を溶融して形成する方法や、溶融した半田材を端子部6に付着させて形成する方法(半田ディップ法)等がある。
半田層10の高さa,半田層10の幅をbとした時、a/b≦1/2の円弧形状になっている。このような円弧形状の半田層10は、溶融した半田材を凝固することによって容易に形成することができる。半田層11の形成方法としては、後で詳細に説明するが、端子部6に設けられた半田ペースト材を溶融して形成する方法や、溶融した半田材を端子部6に付着させて形成する方法(半田ディップ法)等がある。
ここで、半田層10の円弧状形状とは、半田層10の厚さが、半田層10の中央部からその周辺部に向かって徐々に薄くなる形状、若しくは半田層10の中央部の厚さがその周辺部の厚さよりも厚い形状を意味する。
次に、半導体装置1の製造に使用されるリードフレームについて、図8及び図9を用いて説明する。
図8に示すように、リードフレームLFは、例えば、外枠部21及び内枠部22を含むフレーム本体(支持体)20で区画された複数の製品形成領域(デバイス形成領域,製品取得領域)23を行列状に配置した多連構造になっている。各製品形成領域23には、図9に示すように、複数のリード5からなる第1乃至第4のリード群5sが配置されている。製品形成領域23の平面形状は方形状になっており、第1乃至第4のリード群5sは製品形成領域23を囲むフレーム本体20の4つの部分に対応して配置されている。各リード群5sの複数のリード5は、複数のリード5a及び5bを含み、リード5aとリード5bとが互いに隣り合うようにリード5a及びリード5bを一方向に沿って交互に繰り返し配置した構成になっている。また、各リード群5sの複数のリード5は、フレーム本体20の対応する部分(外枠部21,内枠部22)に一体的に連結されている。また、各リード群5sの複数のリード5は、ボンディングワイヤとのボンダビリティを高めるため、各々のワイヤ接続部に例えばパラジウム(Pd)を主成分とするメッキ層が設けられている。
リードフレームLFを製造するには、まず、板厚が125[μm]〜150[μm]程度の、銅(Cu)、又はCu合金、又は鉄(Fe)−ニッケル(Ni)合金等からなる金属板を準備し、リード5を形成する箇所の片面をフォトレジスト膜で被覆する。また、端子部6を形成する箇所は、両面をフォトレジスト膜で被覆する。そして、この状態で金属板を薬液によってエッチングし、片面がフォトレジスト膜で被覆された領域の金属板の板厚を例えば半分程度(65[μm]〜75[μm])まで薄くする(ハーフエッチング)。このような方法でエッチングを行うことにより、両面共にフォトレジスト膜で被覆されていない領域の金属板は完全に消失し、片面がフォトレジスト膜で被覆された領域に厚さ65[μm]〜75[μm]程度のリード5が形成される。また、両面がフォトレジスト膜で被覆された領域の金属板は薬液によってエッチングされないので、エッチング前と同じ厚さ(125[μm]〜150[μm])を有する突起状の端子部6が形成される。次に、フォトレジスト膜を除去することによって、図8及び図9に示すリードフレームLFが完成する。
次に、半導体装置1の製造に使用される成形金型について、図11((a),(b))を用いて説明する。
図11((a),(b))に示すように、成形金型25は、これに限定されないが、上下に分割された上型25a及び下型25bを有し、更に、ポット、カル部、ランナー、樹脂注入ゲート、キャビティ26、エアーベント等を有する構成になっている。成形金型25は、上型25aの合わせ面と、下型25bの合わせ面との間にリードフレームLFを位置決めする。樹脂が注入されるキャビティ26は、上型25aの合わせ面と下型25bの合わせ面とを向かい合わせた時、上型25a及び下型25bによって構成される。本実施形態1において、成型金型25のキャビティ26は、これに限定されないが、例えば上型25aに設けられた凹部と下型25bによって構成される。キャビティ26は、リードフレームLFの複数の製品形成領域23を一括して収納できる平面サイズになっている。
次に、半導体装置1の製造について、図10乃至図16を用いて説明する。
まず、図8及び図9に示すリードフレームLFを準備し、その後、図10(a)に示すように、各製品形成領域23において、リードフレームLFのチップ支持体7に接着材4を介在して半導体チップ2を接着固定する。半導体チップ2の接着固定は、チップ支持体7の主面と半導体チップ2の裏面2yとが向かい合う状態で行われる。
次に、図10(b)に示すように、各製品形成領域23において、半導体チップ2の主面2xに配置された複数のボンディングパッド3と複数のリード((5a,5b))5とを複数のボンディングワイヤ8で夫々電気的に接続する。
次に、図11((a),(b))に示すように、成形金型25の上型25aと下型25bとの間にリードフレームLFを位置決めする。
リードフレームLFの位置決めは、複数の製品形成領域23が1つのキャビティ26の内部に位置する状態、即ち、各製品形成領域23の半導体チップ2、リード5、ボンディングワイヤ8等が1つのキャビティ26の内部に位置する状態で行われる。
また、リードフレームLFの位置決めは、リード5の端子部6をこの端子部6と向かい合うキャビティ26の内面に接触させた状態で行われる。
次に、前述のようにリードフレームLFを位置決めした状態で、成形金型25のポットからカル部、ランナー及び樹脂注入ゲートを通してキャビティ26の内部に例えば熱硬化性の樹脂を注入して、図12((a),(b))に示す樹脂封止体9を形成する。各製品形成領域23の半導体チップ2、複数のリード5、複数のボンディングワイヤ8等は、図12((a),(b))に示すように、1つの樹脂封止体9によって一括封止される。また、各製品形成領域23の複数の端子部6は、樹脂封止体9の裏面9yから露出する。
次に、成形金型25からリードフレームLFを取り出し、その後、図15(b)に示すように、各製品形成領域23において樹脂封止体9の裏面9yから露出する端子部6の表面に半田層10を形成する。
本実施形態1において、半田層10の形成は、例えばスクリーン印刷技術を用いたリフロー法で行う。具体的には、まず、図13(a)に示すように、スクリーン印刷用のメタルマスク27を準備する。メタルマスク27は複数の開口部27aを有し、複数の開口部27aは樹脂封止体9の裏面9yから露出する複数の端子部6に対応して配置されている。
次に、樹脂封止体9の裏面9yから露出する複数の端子部6上にメタルマスク27の複数の開口部27aが夫々位置するようにメタルマスク27を位置決めし、図13(b)に示すように、樹脂封止体9の裏面9yにメタルマスク27を密着させる。
次に、メタルマスク27上に半田ペースト材10aを塗布し、その後、図14(a)に示すように、メタルマスク27の表面に沿ってスキージ28を摺動させて、図14(b)に示すように、メタルマスク27の複数の開口部27aの中に半田ペースト材10aを充填する。半田ペースト材10aとしては、少なくとも微小な半田粒子とフラックスとを混練した半田ペースト材を用いる。
次に、図15(a)に示すように、樹脂封止体9の裏面9yからメタルマスク27を除去し、その後、例えば樹脂封止体9を赤外線リフロー炉に搬送して半田ペースト材10aを溶融し、その後、凝固させる。これにより、樹脂封止体9の裏面9yから露出する複数の端子部6の夫々の表面に、樹脂封止体9の裏面9yよりも突出する円弧形状の半田層10が形成される。
半田層10の厚さ(突出量)は、メタルマスク27の厚さや開口部27aの大きさを変えることによって容易に調整することができる。
次に、図16に示すように、リードフレームLF及び樹脂封止体9を例えばダイシングによって各製品形成領域23毎に分割して個片の樹脂封止体9を形成する。これにより、図1乃至図7に示す半導体装置1がほぼ完成する。
次に、リフローソルダリング法による半導体装置1の実装方法について、図17を用いて説明する。
まず、図1乃至図7に示す半導体装置1を準備し、更に図17(a)に示す配線基板(実装基板)30を準備する。配線基板30は、半導体装置1が実装される面に、半導体装置1の複数の端子部6に対応して配置された複数の電極(フットプリント,ランド,接続用パッド)31を有する構成になっている。
次に、図17(a)に示すように、配線基板30の複数の電極31上に半田ペースト材32を例えばスクリーン印刷法で配置し、その後、配線基板30の複数の電極31上に半導体装置1の複数の端子部6が夫々位置するように、配線基板30の主面上に半導体装置1を配置し、その後、半田層10及び半田ペースト材32を溶融し、その後、凝固する。これにより、半導体装置1の端子部6は配線基板30の電極31に半田層33によって電気的にかつ機械的に接続され、半導体装置1は配線基板30に実装される。
ここで、本実施形態1では、他の電子部品について説明を省略しているが、QFN型半導体装置1は、他の面実装型電子部品と共に配線基板に実装され、例えば携帯電話、携帯型情報処理端末機器、携帯型パーソナル・コンピュータ等の小型電子機器に組み込まれる。QFN型半導体装置1及び他の面実装型電子部品の実装は、生産性の向上を図るため、一般的にリフローソルダリング法で行われる。
この実装工程において、QFN型半導体装置1は高温に曝されるため、半導体チップを封止している熱硬化性樹脂(樹脂封止体9)の硬化反応が促進し、パッケージ(樹脂封止体9)に反りが生じる。このパッケージの反りは、図17に示す実装後の半田接合部(配線基板30の電極パッド31に半田層33を介在してQFN型半導体装置1の端子部6が接合された部分)34に応力を発生させ、配線基板30の電極パッド31からQFN型半導体装置1の端子部6が剥がれるといった不具合(半田剥がれ不良)の要因となる。
QFN型半導体装置1においても高性能化や多機能化に伴う多ピン化によりパッケージサイズが大型化する傾向にあるが、パッケージサイズの大型化に伴って前述の実装時におけるパッケージの反り量が増加するため、特にパッケージサイズが大きいQFN型半導体装置においては半田剥がれ不良が発生し易くなる。
半田剥がれ不良は、配線基板30の電極パッド31とQFN型半導体装置1の端子部6との間に介在される半田層33の厚さ(実装後の半田層の厚さ)を厚くすることによって抑制することができる。実装後の半田層33の厚さを厚くする方法としては、実装時の半田ペースト材32(図17(a)参照)の厚さを厚くする方法が考えられる。しかしながら、リフローソルダリング法では、一般的に、1つの配線基板30にQFN型半導体装置1と共に他の面実装型電子部品も一括して実装するため、QFN型半導体装置1の実装領域における半田ペースト材32の厚さを厚くした場合、他の面実装型電子部品における半田ペースト材の厚さも厚くなってしまい、他の面実装型電子部品、例えばチップ型抵抗体やチップ型コンデンサ等のチップ型電子部品において、半田の表面張力によって立ち上がってしまう現象(チップ立ち現象,マンハッタン現象)が起こり易くなる。従って、実装時の半田ペースト材32の厚さを厚くしてQFN型半導体装置1の半田剥がれ不良を抑制することは困難である。
これに対し、本実施形態1では、半導体装置1の端子部6に、樹脂封止体9の裏面9yよりも突出し、かつ溶融した半田材を凝固して形成された円弧形状の半田層10が設けられているため、配線基板30の電極パッド31とQFN型半導体装置1の端子部6との間に介在される半田層33の厚さ(実装後の半田層の厚さ)を選択的に厚くすることができる。従って、他の面実装型電子部品のチップ立ち現象を抑制しつつ、半導体装置1の半田剥がれ不良を抑制することができる。
半田層10の形成方法としてはメッキ法が知られているが、メッキ法では20μm程度の厚さが限界であり、配線基板30の電極パッド31からQFN型半導体装置1の端子部6が剥がれるといった不具合の抑制に必要な厚さを形成することが困難である。これに対し、本実施形態1のように、スクリーン印刷で設けた半田ペースト材を溶融し、その後、凝固して半田層10を形成する方法では、メタルマスク27の厚さ及び開口部27aの大きさを変えることによって半田層10の厚さを容易に形成することができるため、配線基板30の電極パッド31からQFN型半導体装置1の端子部6が剥がれるといった不具合の抑制に必要な厚さを形成することができる。
厚さが厚い半田層10を形成する方法としては、半田ボールを溶融して端子部6に半田バンプを形成する方法がある。この場合、半田層10の厚さを厚くすることができるが、端子部6の幅よりも半田バンプの幅の方が広くなるため、端子部6の配列ピッチを狭くした場合、隣り合う端子部6間において半田ブリッジが発生し易くなる。また、QFN型半導体装置1の実装高さが高くなる。
図18は、端子部6が0.5μmピッチで配置されたQFN型半導体装置において、半田層の厚さと実装不良(実装歩留まり)との関係を示す図である。
図18に示すように、半田層10の厚さが50μm以下になると、実装時のパッケージ反りに起因する半田剥がれ不良が起こり易くなる。一方、半田層10の厚さが150μm以上になると半田ブリッジが発生し易くなる。このことから、半田層10は、半田層10の高さa,半田層10の幅をbとした時、a/b≦1/2の円弧形状で形成することが望ましい。
このように、本実施形態1によれば、QFN型半導体装置1の実装時における半田剥がれ不良を抑制することができる。
また、QFN型半導体装置1の実装時における半田ブリッジ不良を抑制することができる。
また、実装時における半田剥がれ不良及び半田ブリッジ不良を抑制できるので、QFN型半導体装置1の実装歩留まり向上を図ることができる。
また、半田ブリッジ不良を抑制することができるので、QFN型半導体装置1の多ピン化を図ることができる。
なお、本実施形態1では、半田層10及び半田ペースト材32を溶融してQFN型半導体装置1を実装する例について説明したが、半田層10よりも融点が低い半田ペースト材を使用し、半田層10を溶融しないで半田ペースト材のみを溶融してQFN型半導体装置1を実装してもよい。この場合においても、実施形態1と同様の効果が得られる。
図19及び図20は、本発明の実施形態1の変形例であるQFN型半導体装置に係わる図であり、図19は、QFN型半導体装置の一部を示す模式的断面図、図20は、半導体装置の製造工程において、成形金型にリードフレームを位置決めした状態を示す模式的断面図である。
図19に示すように、リード5の端子部6は、樹脂封止体9の裏面9yよりも突出しており、半田層10は、端子部6の接合面及び側面を覆うようにして形成されている。樹脂封止体9の裏面9yよりも突出する端子部6は、モールディング工程において、図20に示すように、リードフレームLFの裏面と下型25bの合わせ面との間にシート29aが介在する状態で成形金型25にリードフレームLFを位置決めすることによって形成することができる。シート29aとしては、例えば、モールディング時の加熱温度に耐え、成形金型の型締め力(クランプ力,挟み力)で押し潰すことが可能な樹脂製のものを使用する。
端子部6の接合面及び側面を覆う半田層10は、樹脂封止体9の裏面9yから端子部6が突出する状態で端子部6の接合面に、実施形態1と同様の方法で半田ペースト材32を設け、その後、半田ペースト材32を溶融することによって形成することができる。
このような本変形例においても、前述の実施形態1と同様の効果が得られる。また、半導体装置1を実装した後、配線基板30の電極パッド31と半導体装置1の端子部6との接合部34における半田層は、半導体装置1の端子部6の側面を覆う形状となるため、接合部34の接合強度を高めることができる。
(実施形態2)
前述の実施形態1では、半田ペースト材32を溶融して端子部6に半田層10を形成する例について説明したが、本実施形態2では、溶融した半田材を端子部6に付着させて半田層を形成する半田ディップ法について、図21及び図22を用いて説明する。
前述の実施形態1では、半田ペースト材32を溶融して端子部6に半田層10を形成する例について説明したが、本実施形態2では、溶融した半田材を端子部6に付着させて半田層を形成する半田ディップ法について、図21及び図22を用いて説明する。
図21は、半導体装置の製造工程中の半田層形成工程を説明するための図((a)及び(b)は模式的断面図)であり、図22は、半導体装置の製造工程中の個片化工程を示す模式的断面図である。
前述の実施形態1と同様の方法で樹脂封止体9まで形成した後、図21(a)に示すように、半田槽29b中に溶融状態で設けられた溶融半田材10bに端子部6を順次接触させて、端子部6に溶融半田10bを付着させ、その後、溶融半田材10bを凝固させる。これにより、図21(b)に示すように、樹脂封止体9の裏面9yから露出する複数の端子部6の夫々の表面に、樹脂封止体9の裏面9yよりも突出する円弧形状の半田層10が形成される。半田層10の厚さ(突出量)は、端子部6が半田槽28中の溶融半田材10bに接触している時間を変えることによって容易に調整することができる。
次に、図22に示すように、リードフレームLF及び樹脂封止体9を例えばダイシングによって各製品形成領域23毎に分割して個片の樹脂封止体9を形成する。これにより、本実施形態2の半導体装置がほぼ完成する。
このように、本実施形態2においても、a(半田層の高さ)/b(半田層の幅)≦1/2の円弧形状の半田層10を形成することができるため、前述の実施形態1と同様の効果が得られる。
(実施形態3)
図23乃至図25は、本発明の実施形態3である半導体装置に係わる図であり、
図23は半導体装置の外観構造を示す模式的底面図、
図24は半導体装置の内部構造を示す図((a)は模式的平面図,(b)は模式的断面図)、
図25は図24(b)の一部を拡大した模式的断面図である。
図23乃至図25は、本発明の実施形態3である半導体装置に係わる図であり、
図23は半導体装置の外観構造を示す模式的底面図、
図24は半導体装置の内部構造を示す図((a)は模式的平面図,(b)は模式的断面図)、
図25は図24(b)の一部を拡大した模式的断面図である。
図23及び図24に示すように、本実施形態3の半導体装置40は、樹脂封止体9の各辺に沿って複数のリード41を配置したパッケージ構造になっており、複数のリード41の各々は、ボンディングワイヤ8が接続されるワイヤ接続面と反対側の裏面が樹脂封止体9の裏面から露出し、外部端子として用いられている。
複数のリード41の各々の裏面には、図25に示すように、前述の実施形態1と同様に、a(半田層の高さ)/b(半田層の幅)≦1/2の円弧形状の半田層10が形成されている。
このように構成された半導体装置40においても、前述の実施形態1と同様の効果が得られる。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
例えば、本発明は、樹脂封止体の裏面からリードの一部を露出させて外部端子として使用するノンリード型半導体装置の一種であるSON型半導体装置においても適用することができる。
1…半導体装置、2…半導体チップ、3…ボンディングパッド、4…接着材、5…リード、6…端子部、7…支持体、7a…吊りリード、8…ボンディングワイヤ、9…樹脂封止体、10…半田層、
LF…リードフレーム、20…フレーム本体(支持体)、21…外枠部、22…内枠部、23…製品形成領域(デバイス形成領域)、
25…成形金型、25a…上型、25b…下型、26…キャビティ、27…メタルマスク、28…スキージ、29a…シート、29b…半田槽。
LF…リードフレーム、20…フレーム本体(支持体)、21…外枠部、22…内枠部、23…製品形成領域(デバイス形成領域)、
25…成形金型、25a…上型、25b…下型、26…キャビティ、27…メタルマスク、28…スキージ、29a…シート、29b…半田槽。
Claims (13)
- 樹脂封止体の裏面から複数のリードの各々の一部を露出することによって得られた複数の端子部に、前記樹脂封止体の裏面よりも突出し、かつ溶融した半田材を凝固して形成された半田層を有する半導体装置を準備する(a)工程と、
配線基板の複数の電極に半田ペースト材を供給する(b)工程と、
前記複数の電極の半田ペースト材を溶融して、前記複数の端子部と前記複数の電極とを夫々接続する(c)工程とを有することを特徴とする半導体装置の実装方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の実装方法において、
前記(c)工程は、前記半田ペースト材と共に前記複数の端子部の各々の半田層も溶融することを特徴とする半導体装置の実装方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の実装方法において、
前記半田層は、前記半田層の高さをa,前記半田層の幅をbとした時、a/b≦1/2の円弧形状になっていることを特徴とする半導体装置の実装方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の実装方法において、
前記複数の端子部の各々は、前記樹脂封止体の裏面から突出し、
前記複数の端子部の各々の半田層は、前記各々の端子部の側面を覆うようにして形成されていることを特徴とする半導体装置の実装方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の実装方法において、
前記複数のリードは、前記樹脂封止体の側面に沿って配置されていることを特徴とする半導体装置の実装方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の実装方法において、
前記複数の端子部は、前記樹脂封止体の側面に沿って配置された複数の第1の端子部と、前記第1の端子部よりも内側に配置された複数の第2の端子部とを含み、
前記複数の第1及び第2の端子部は、前記複数のリードの配列方向に沿って前記第1及び第2の端子部を繰り返し配置した配列になっていることを特徴とする半導体装置の実装方法。 - 請求項6に記載の半導体装置の実装方法において、
前記複数のリードは、前記樹脂封止体の側面に沿って配置された複数の第1のリードと、前記複数の第1のリード間に配置された複数の第2のリードとを含み、
前記複数の第1のリードの各々は、前記第1の端子部を含み、
前記複数の第2のリードの各々は、前記第2の端子部を含むことを特徴とする半導体装置の実装方法。 - 樹脂封止体の裏面から複数のリードの各々の一部を露出することによって得られる複数の端子部に、前記樹脂封止体の裏面よりも突出し、かつ溶融した半田材を凝固して形成された半田層を有することを特徴とする半導体装置。
- 請求項8に記載の半導体装置において、
前記半田層は、前記半田層の高さをa、前記半田層の幅をbとした時、a/b≦1/2の円弧形状になっていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項8に記載の半導体装置において、
前記複数の端子部の各々は、前記樹脂封止体の裏面から突出し、
前記複数の端子部の各々の半田層は、前記各々の端子部の側面を覆うようにして形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項8に記載の半導体装置において、
前記複数のリードは、前記樹脂封止体の側面に沿って配置されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項8に記載の半導体装置において、
前記複数の端子部は、前記樹脂封止体の側面に沿って配置された複数の第1の端子部と、前記第1の端子部よりも内側に配置された複数の第2の端子部とを含み、
前記複数の第1及び第2の端子部は、前記複数のリードの配列方向に沿って前記第1及び第2の端子部を繰り返し配置した配列になっていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項12に記載の半導体装置において、
前記複数のリードは、前記樹脂封止体の側面に沿って配置された複数の第1のリードと、前記複数の第1のリード間に配置された複数の第2のリードとを含み、
前記複数の第1のリードの各々は、前記第1の端子部を含み、
前記複数の第2のリードの各々は、前記第2の端子部を含むことを特徴とする半導体装置。
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