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JP7016677B2 - リードフレーム、半導体装置、リードフレームの製造方法 - Google Patents

リードフレーム、半導体装置、リードフレームの製造方法 Download PDF

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Description

リードフレーム、半導体装置、リードフレームの製造方法に関する。
半導体装置用のリードフレームは、半導体装置を基板等に実装するのに使用される(例えば、特許文献1,2参照)。半導体装置において、半導体素子は、リードフレームに実装され、リードフレームと共に樹脂材料にて封止される。例えば、リードフレームの表面は粗化処理され、リードフレームと樹脂材料との密着性を向上させる。
特開2004-349497号公報 特開2004-332105号公報
ところが、粗化処理されたリードフレームに、はんだにより半導体素子を実装する場合、粗化処理によって、はんだが所望の領域から外側に濡れ広がる場合がある。このようなはんだの濡れ広がりは、リードフレームと半導体素子との位置ずれを招く虞がある。このため、はんだの濡れ広がりの抑制が求められる。
本発明の一観点によれば、基材と、前記基材の下面を露出し前記基材の上面及び側面に形成された粗化面を有する粗面めっき層と、を含む導電材と、前記基材の前記上面の前記粗化面上に形成された、半導体素子を接続するためのめっき層と、前記めっき層から露出する前記粗化面と前記基材の前記下面とを覆う酸化膜と、を有する。
また、本発明の一観点によれば、半導体素子と、リードと、前記リードの一部と前記半導体素子とを覆う封止樹脂と、を含み、前記リードは、基材と、前記基材の下面を露出し前記基材の上面及び側面に形成された粗化面を有する粗面めっき層と、を含む導電材と、前記基材の前記上面の前記粗化面上に形成された、前記半導体素子を接続するためのめっき層と、前記めっき層から露出する前記粗化面と前記基材の前記下面とを覆う酸化膜と、を有し、前記リードに、前記封止樹脂及び前記酸化膜から前記基材の前記下面の一部が露出する露出面が設けられ、前記半導体素子の電極は、はんだにより前記めっき層と接続されている。
また、本発明の一観点によれば、ダイパッドと、リードと、前記ダイパッドに搭載された半導体素子と、前記半導体素子の電極と前記リードとを接続するワイヤと、前記リードの一部と前記半導体素子と前記ダイパッドと前記ワイヤとを覆う封止樹脂と、を含み、前記ダイパッドは、基材と、前記基材の下面を露出し前記基材の上面及び側面に形成された粗化面を有する粗面めっき層と、を含む導電材と、前記基材の前記上面の前記粗化面上に形成されためっき層と、前記めっき層から露出する前記粗化面と前記基材の前記下面とを覆う酸化膜と、を有し、前記ダイパッドに、前記封止樹脂及び前記酸化膜から前記基材の前記下面の一部が露出する露出面が設けられ、前記半導体素子は、はんだにより前記めっき層に接続されている。
また、本発明の一観点によれば、基材に粗面めっきを施し、前記基材の下面を露出し前記基材の上面及び側面に粗化面を有する粗面めっき層を形成する粗化処理工程と、前記基材の前記上面の前記粗化面上に半導体素子を接続するためのめっき層を形成するめっき処理工程と、記めっき層から露出する前記粗化面と前記基材の前記下面とを覆う酸化膜を形成する酸化処理工程と、を含む。
本発明の一観点によれば、はんだの濡れ広がりを抑制できる。
(a)はリードフレームの概略断面図、(b)は半導体装置の概略断面図。 半導体装置の概略平面図。 リードフレームの概略平面図。 リードフレームの製造工程の説明図。 (a)は基材の概略断面図、(b)は粗化処理後を示す概略断面図、(c)は部分めっき処理後を示す概略断面図、(d)は酸化処理後を示す概略断面図。 (a)~(c)はリードフレームの製造工程を示す概略断面図。 (a),(b)はリードフレームの製造工程を示す概略断面図。 (a),(b)は半導体装置の製造工程を示す概略断面図。 (a),(b)は半導体装置の製造工程を示す概略断面図。 (a)は変形例のリードフレームの概略断面図、(b)は変形例の半導体装置の概略断面図。 (a)は変形例のリードフレームの概略断面図、(b)は変形例の半導体装置の概略断面図。 変形例のリードフレームの概略平面図。 (a)は変形例のリードフレームの概略断面図、(b)は変形例の半導体装置の概略断面図。 (a)は変形例のリードフレームの概略断面図、(b)は変形例の半導体装置の概略断面図。 変形例のリードフレームの概略平面図。 (a)は変形例のリードフレームの概略断面図、(b)は変形例の半導体装置の概略断面図。 変形例のリードフレームの概略平面図。
以下、添付図面を参照して各実施形態を説明する。
なお、添付図面は、便宜上、特徴を分かりやすくするために特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、各部材の断面構造を分かりやすくするために、一部の部材について複数の離散点からなるハッチングを付し、一部の部材のハッチングを省略している。
半導体装置10を説明する。
図1(b)及び図2に示すように、半導体装置10は、概略、複数のリード11と、半導体素子12と、はんだ13と、封止樹脂14と、外装めっき層15とを有している。この半導体装置10は、QFNパッケージ(Quad Flat Non-leaded Package)の半導体装置である。半導体装置10は、平面視して概略四角形板状に形成されている。
図2に示すように、複数のリード11は、半導体装置10の各辺に沿って配列されている。なお、図2は、複数のリード11を実線で示した概略の平面図である。図2において、半導体素子12を一点鎖線にて示している。
複数のリード11は、内側端部のめっき層23を有している。めっき層23は、リード11に半導体素子12を実装するために設けられている。めっき層23としては、例えば、銀(Ag)めっきを用いることができる。なお、めっき層23として、例えば、ニッケル(Ni)めっき、パラジウム(Pd)めっき、金(Au)めっき、又は複数のめっき層(例えば、Niめっき層とAgめっき層)によりめっき層23を形成してもよい。例えば、粗面めっき層22から順にNiめっき層とAuめっき層とを積層してめっき層23としてもよい。また、粗面めっき層22から順にNiめっき層とPdめっき層とAuめっき層とを積層してめっき層23としてもよい。
図1(b)に示すように、リード11は、外部接続部11oと、外部接続部11oより内側の内部接続部11iとを有している。内部接続部11iは、外部接続部11oより薄く形成されている。これにより、リード11の側面は、階段状に形成されている。
半導体素子12の電極12pは、はんだ13を介してリード11のめっき層23に、フリップチップ(FC)接続されている。はんだ13は、例えば、半導体素子12の電極12pに搭載したはんだバンプ(はんだボール)により形成される。なお、半導体素子12の電極12pとリード11のめっき層23の表面にはんだペーストを塗布することによりはんだ13を形成してもよい。はんだ13としては、例えば、SnAgはんだ、AuSnはんだ、PbSnはんだ、等の錫(Sn)を含むはんだを用いることができる。
リード11の一部と半導体素子12は、絶縁性を有する封止樹脂14により封止されている。リード11は、封止樹脂14の側面14b及び底面14cにて露出している。詳述すると、リード11の外部接続部11oは、上面と側面とを封止樹脂14により覆われている。リード11の内部接続部11iは、全面を封止樹脂14により覆われている。
封止樹脂14としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、塩化ビニル樹脂、等を用いることができる。リード11の外側端部の下面(外部接続部11oの下面)は、外装めっき層15により覆われている。外装めっき層15は、この半導体装置10を、回路基板等に実装するために用いられる。外装めっき層15は、封止樹脂14から露出している。外装めっき層15としては、例えば、錫(Sn)めっきを用いることができる。なお、外装めっき層15として、Sn,銀(Ag),亜鉛(Zn),ビスマス(Bi)等の1種以上の材料を用いることができる。
図1(a)及び図3は、半導体装置10の形成に用いられるリードフレーム100を示す。なお、図1(a)は、リードフレーム100のリード部102の長手方向に沿った縦断図を示す。なお、図1(a)は、リード部102の断面を示し、フレーム部101は省略されている。
リードフレーム100は、フレーム部101と、フレーム部101に支持された複数のリード部102と、を含む。フレーム部101は、四角形枠状に形成されている。複数のリード部102は、フレーム部101と直交してフレーム部101の内側に向かって延びるように形成されている。リード部102を破線L1にて切断して図1(b)に示すリード11が形成される。このため、以後の説明において、部材名称として「リード」を用い、符号「11」を付して説明する。なお、図3では、1つの半導体装置10を形成するためのリードフレームの部分(単位リードフレーム)を示している。
リードフレーム100は、複数の単位リードフレームを含むことができる。複数の単位リードフレームは、例えば、マトリックス状に配列され、複数の半導体装置10が同時に形成される。図1(b)に示す半導体装置10は、リードフレーム100に半導体素子12を搭載し、封止樹脂14による封止後、個片化して得られる。
図1(a)に示すように、リードフレーム100のリード11は、基材21と、粗面めっき層22と、めっき層23、酸化膜24とを有している。
基材21の上面21aは、図3に示すフレーム部101から中央部に向かって延びる長手方向の長さが、その基材21の下面21bのそれよりも長くなっている。具体的には、各基材21の内側端部は、その基材21の下面21bの側から薄化されている。基材21は、導電性を有する。基材21の材料としては、例えば、銅(Cu)、Cu合金や、42アロイ(鉄とニッケルの合金)等の金属を用いることができる。
粗面めっき層22は、基材21の表面を覆うように形成されている。粗面めっき層22の表面は粗面化されている。このような粗面めっき層22は、粗化処理により形成することができる。粗面めっき層22の材料としては、例えば、銅(Cu)を用いることができる。粗面めっき層22(粗化銅めっき)の厚さは、例えば0.5μm~2.0μmとすることができる。
粗面めっき層22の上面22aには、めっき層23が形成されている。上述したように、めっき層23は、半導体素子12を接続するために形成されている。めっき層としては、例えば、銀(Ag)めっき、パラジウム(Pd)めっき、等を用いることができる。めっき層23(例えば銀めっき層)の厚さは、例えば0.3μm~15μmとすることができる。
粗面めっき層22の表面は、酸化膜24により覆われている。酸化膜24は、めっき層23の形成部分を除いて、粗面めっき層22の表面を覆っている。上述したように、図示しないが、基材21の側面は粗面めっき層により覆われている。また、基材21の側面を覆う粗面めっき層22の表面は、酸化膜24により覆われている。酸化膜24(銅の酸化膜)の厚さは、例えば、0.03μm~0.3μmとすることができる。
なお、図1(a)に示すリード11において、基材21の下面21b(外部接続部11oとなる部分の下面)の粗面めっき層22を覆う酸化膜24は、図1(b)に示す半導体装置10では除去されている。これについては、後述するが、リードフレーム100を用いて半導体装置10を形成する工程において、除去される。
酸化膜24は、粗面めっき層22の表面を酸化して形成される酸化皮膜である。粗面めっき層22が銅である場合、酸化膜24は、酸化第1銅(CuO)を主成分とし、酸化第1銅(CuO)と酸化第2銅(CuO)を有する酸化銅膜である。酸化膜24は、水酸化物として、例えば水酸化第2銅(Cu(OH))を含む。また、この酸化膜24は、針状結晶を持つ銅酸化膜である。針状結晶は、約0.5μm以下の粒径を有している。このような酸化膜24では、はんだが濡れ難い。
また、酸化膜24は、針状結晶により、酸化膜24を覆う封止樹脂14に対して、アンカー効果を発揮する。
水酸化物を含む酸化膜24は、封止樹脂14との結合により、強力な密着力が得られる。十分な結合力を発揮させるために、封止樹脂14としては、分子中に水酸基を含む樹脂を用いることができる。この様な封止樹脂14としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、塩化ビニル樹脂、等を用いることができる。酸化膜24の水酸化物は、封止樹脂14に含まれる水酸基と水素結合を行い、強力な接着力を発揮する。
次に、リードフレーム100を形成する工程について説明する。
図4は、リードフレーム100を形成する工程図を示す。
ステップS1において、素材が用意される。素材は、図1(a)に示す基材21を形成するための金属板である。リードフレーム100に用いる素材(金属板)として、例えば、銅(Cu)、銅合金、42アロイ(鉄とニッケルの合金)等の金属を用いることができる。
ステップS2において、エッチング処理を行い、図1(a)に示す基材21を形成する。このエッチング処理において使用されるエッチング液は、金属板の材料に応じて適宜選択することができる。例えば、金属板として銅板を用いた場合、エッチング液としては、塩化第二鉄水溶液や塩化第二銅水溶液を使用することができ、金属板の両面からスプレーエッチングにより基材を形成する。
ステップS3において、粗化処理を行い、粗化面を形成する。例えば、粗化銅めっき処理により、図1(a)に示す粗面めっき層22を形成する。粗化銅めっき処理として、例えば、めっき液中にて極性反転電解法を用いることができる。極性反転電解法は、例えば、めっき液中のワークと、ワークの一方の主面に対向して配置された電極との間に極性反転電極を接続し、ワークと、ワークの他方の主面と対向して配置された電極とをの間に直流電源を接続する。そして、極性反転電極と直流電源により、ワーク及び各電極に印加して、ワークの一方の主面と他方の主面とのめっき処理を同時に行う。
極性反転電極から正パルス電流を供給することで、ワーク主面において部分的に密着性の悪いめっき膜が形成される。そして、電流の極性を反転させ負パルス電流を供給した場合、ワークの主面のめっき膜に対して陽極電解が行われることで、密着性の悪い部分のみが溶解する。これを繰り返すことで、粗化面が形成される。このため、表面が荒らされ粗化面を有するめっき膜(粗面めっき層)が形成される。
めっき液としては、例えば、硫酸銅:200g/L、硫酸:100g/L、塩素:50ppm、ブライトナー(ロームアンドハース社製、商品名:MICROFILLTMEVF):2ml/L、レベラー(ロームアンドハース社製、商品名:MICROFILLTMEVF):10ml/L、ポリマー(ロームアンドハース社製、商品名:MICROFILLTMEVF):20ml/L、含むものとすることができる。処理条件としては、例えば、浴温:約20℃、処理時間:約120秒間、電流密度:約1A/dm、とすることができる。
なお、粗化面を形成する方法としては、粗化エッチング処理を用いるもできる。例えば、図1(a)に示す基材21の表面を粗化エッチング処理して粗化面を形成する。エッチング液としては、例えば、硫酸過水液(硫酸と過酸化水素水の混合水溶液)などの酸性水溶液、蟻酸や酢酸系のエッチング液、等を用いることができる。スプレーにより粗化面を形成する表面にエッチング液を吹き付けて表面をエッチングし、粗化面を形成する。
粗化面の状態は、例えば、原子間力顕微鏡(AFM)による粗度測定により確認することができる。粗度測定では、例えば、算術平均粗さSa、最大高さP-V、表面積率Sratioを測定した。算術平均粗さSaは、表面の平均面に対して、各点の高さの差の絶対値の平均値である。最大高さP-Vは、各点の高さの差の最大値である。表面積率Sratioは、粗面を形成する平坦面の表面積Sと粗面の表面積Sとの比率(Sratio=S/S)である。
処理前の金属板(Cu)では、例えば、Sa=60[nm],P-V=380[nm],Sratio=1.08、である。粗化エッチング処理により得られる粗化面では、例えば、Sa=180[nm],P-V=1510[nm],Sratio=1.6、である。また、粗化銅めっき処理により得られる粗化面では、Sa=340[nm],P-V=2200[nm],Sratio=2.2、である。粗化面の表面積率Sratioとしては、「1.1」~「4.0」の範囲が好適である。
ステップS4において、部分めっき処理を行い、図1(a)に示すめっき層23を形成する。めっき層23は、例えば電解めっき法、無電解めっき法により形成することができる。リードフレーム100の表面を覆い、めっき層23を形成する部分に開口を有するレジスト膜を形成する。レジスト膜の開口からめっき金属を粗面めっき層22の表面に析出し、めっき層23を形成する。その後、レジスト膜を除去する。
ステップS5において、酸化処理を行い、図1(a)に示す酸化膜24を形成する。酸化処理としては、例えば、強制酸化処理を用いることができる。強制酸化処理は、例えば、黒化処理液中にリードフレームを浸漬して陽極酸化処理を行うものである。黒化処理液は、例えば、強アルカリ化合物と酸化剤の混合液である。強アルカリ化合物としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等を用いることができ、これらの単体、又は2種以上を混合して用いることができる。酸化剤としては、例えば、亜塩素酸ナトリウム等を用いることができる。なお、任意の添加剤を追加的に用いることもできる。
黒化処理液としては、例えば、亜塩素酸ナトリウム(NaClO):0~100g/L、水酸化ナトリウム(NaOH):5~60g/L、リン酸三ナトリウム(NaPO):0~200g/L、を含むものを用いることができる。処理条件としては、例えば、浴温:約50~80℃、処理時間:約1秒間~約20秒間、陰極電流密度:約0.2~10A/cm、とすることができる。
図5(a)は、基材21を示す。この基材21に対して、上述の粗化処理を施すことにより、図5(b)に示す粗面めっき層22が得られる。さらに、この粗面めっき層22の表面に対して、上述の部分めっき処理を施すことにより、図5(c)に示すめっき層23が得られる。その後、上述の酸化処理を施すことにより、図5(d)に示す酸化膜24が得られる。この酸化膜24は、針状結晶を有する。酸化膜24は、粗面めっき層22の表面の凹凸に沿って形成されている。
酸化膜24の表面状態は、例えば、電子顕微鏡により観察することができる。酸化膜24の表面は、粗面めっき層22のめっき金属に由来する先端が尖った針状の突起が無数に存在し、これらの突起が、封止樹脂に対するアンカーの役割を果たしている。針状の突起は、いろいろな形態を有することができ、典型的には、三角錐状形態、梨地状形態、羽毛状形態などの形態である。針状の突起は、それが被覆面の全体に全面的に分布しているのが一般的に好ましい。なお、針状の突起は、所期の効果が得られるのであるならば、被覆面の実質的な部分(例えば、約80%もしくはそれ以上の領域)を占有しているだけでもよい。また、針状の突起は、それらの突起の全部が針状である必要はなく、場合によっては、所期の効果が得られるのであるならば、一部の突起が角のとれた丸みを帯びた先端を有する突起であってもよい。めっき金属の針状結晶構造は、その形状によって接合面積の増加をもたらすことに加えて、アンカー効果も導いているからである。
次に、半導体装置10の製造工程について説明する。なお、ここでは、リードフレーム100の製造工程を含めて説明する。
図6(a)に示す工程では、金属板51を用意する。金属板51の材料としては、例えば、銅(Cu)、Cu合金、42アロイ等の金属を用いることができる。金属板51の厚さは、例えば、100~250μm程度とすることができる。なお、図6(a)に示す破線L1は、個片化により図1(b)に示す半導体装置10を得るための切断線を示す。
図6(b)に示す工程では、基材21を形成する。例えば、図6(a)に示す金属板51の表面に、基材21の形状に合わせた開口を有するエッチングレジストを形成し、次いで、エッチングレジストの開口から露出した金属板51の部分にエッチングを施し、基材21を得る。その後、エッチングレジストを除去する。金属板51の材料として銅(Cu)、Cu合金を用いた場合、エッチング液として塩化第二鉄水溶液や塩化第二銅水溶液を使用することができ、金属板51の両面からスプレーエッチングにて本工程を実施することができる。エッチングレジストの材料としては、所望の解像性を有し、耐エッチング性を有する材料であれば特に限定されない。なお、金属板51に対するエッチング処理に替えて、金属板51をプレス加工して基材21を得るようにしてもよい。
図6(c)に示す工程では、基材21の表面に粗面めっき層22を形成する。
粗面めっき層22は、粗化処理により形成することができる。粗化処理としては、例えば、めっき液中にて極性反転電解法を用いることができる。極性反転電解法は、例えば、めっき液中のワークと、ワークの一方の主面に対向して配置された電極との間に極性反転電極を接続し、ワークと、ワークの他方の主面と対向して配置された電極とをの間に直流電源を接続する。そして、極性反転電極と直流電源により、ワーク及び各電極に印加して、ワークの一方の主面と他方の主面とのめっき処理を同時に行う。
極性反転電極から正パルス電流を供給することで、ワーク主面において部分的に密着性の悪いめっき膜が形成される。そして、電流の極性を反転させ負パルス電流を供給した場合、ワークの主面のめっき膜に対して陽極電解が行われることで、密着性の悪い部分のみが溶解する。これを繰り返すことで、粗化面が形成される。このため、表面が荒らされ粗化面を有するめっき膜(粗面めっき層)が形成される。
めっき液としては、例えば、硫酸銅:200g/L、硫酸:100g/L、塩素:50ppm、ブライトナー(ロームアンドハース社製、商品名:MICROFILLTMEVF):2ml/L、レベラー(ロームアンドハース社製、商品名:MICROFILLTMEVF):10ml/L、ポリマー(ロームアンドハース社製、商品名:MICROFILLTMEVF):20ml/L、含むものとすることができる。処理条件としては、例えば、浴温:約20℃、処理時間:約120秒間、電流密度:約1A/dm、とすることができる。
図6及び図7(a)に示す工程では、めっき層23を形成する。めっき層23は、例えば銀(Ag)めっきである。めっき層23は、例えば電解めっき法、無電解めっき法により形成することができる。リードフレーム100の表面を覆い、めっき層23を形成する部分に開口を有するレジスト膜を形成する。レジスト膜の開口からめっき金属を粗面めっき層22の表面に析出し、めっき層23を形成する。その後、レジスト膜を例えばアルカリ液等により除去する。
図7(b)に示す工程では、粗面めっき層22の表面に酸化膜24を形成する。
この酸化膜24は、粗面めっき層22表面の酸化処理により得ることができる。酸化処理としては、例えば、黒化処理液中にリードフレームを浸漬して陽極酸化処理を行う強制酸化処理を用いることができる。黒化処理液は、例えば、強アルカリ化合物と酸化剤の混合液である。強アルカリ化合物としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等を用いることができ、これらの単体、又は2種以上を混合して用いることができる。酸化剤としては、例えば、亜塩素酸ナトリウム等を用いることができる。なお、任意の添加剤を追加的に用いることもできる。
黒化処理液としては、例えば、亜塩素酸ナトリウム(NaClO):0~100g/L、水酸化ナトリウム(NaOH):5~60g/L、リン酸三ナトリウム(NaPO):0~200g/L、を含むものを用いることができる。処理条件としては、例えば、浴温:約50~80℃、処理時間:約1秒間~約20秒間、陰極電流密度:約0.2~10A/cm、とすることができる。
図8(a)に示す工程では、リード11に半導体素子12を実装する。半導体素子12の実装に際して、例えば、リードフレーム100のめっき層23と半導体素子12の電極との少なくとも一方にはんだ13を付着させる。なお、はんだボールを用いてはんだ13を付着させるようにしてもよい。そして、めっき層23と電極12pとを位置合せした後、リフロー処理によって溶融したはんだ13が硬化することにより、半導体素子12がリード11に接続される。
図8(b)に示す工程では、リード11の一部と半導体素子12とを覆う封止樹脂14を形成する。封止樹脂14は、例えば、トランスファモールド法、コンプレッションモールド法やインジェクションモールド法などの方法を用いて形成することができる。
図9(a)に示す工程では、前処理により、封止樹脂14から露出する酸化膜(図8(b)に示す酸化膜24x)を除去する。前処理として、酸処理又はアルカリ処理を用いることができる。
図9(b)に示す工程では、リード11の封止樹脂14から露出する部分に、外装めっき層15を形成する。外装めっき層15は、例えば、電解めっき法、無電解めっき法により形成することができる。そして、個片化処理において、切断線L1にて個片化し、図1(b)に示す半導体装置10を得る。
(作用)
次に、上述のリードフレーム100と半導体装置10の作用を説明する。
粗面めっき層22の表面は、酸化膜24により覆われている。酸化膜24は、めっき層23を除いて、粗面めっき層22の表面を覆っている。上述したように、図示しないが、基材21の側面は粗面めっき層により覆われている。この基材21の側面を覆う粗面めっき層の表面もまた、酸化膜24により覆われている。
この酸化膜24は、水酸化物を含む酸化銅の皮膜である。また、この酸化膜24は、針状結晶を持つ銅酸化膜である。
図5(a)は、基材21を示す。この基材21に対して、上述の粗化処理を施すことにより、図5(b)に示す粗面めっき層22が得られる。さらに、この粗面めっき層22の表面に対して、上述の酸化処理を施すことにより、図5(c)に示す酸化膜24が得られる。
このようにして得られるリードフレーム100に対して、図1(b)に示す半導体素子12が実装される。半導体素子12は、電極12pを有し、その電極12pは、はんだ13を介してリードフレーム100のめっき層23に接続される。はんだ13として、例えばはんだボールを用いることができる。
酸化膜24は、酸化銅の皮膜である。このような酸化膜24では、はんだが濡れ難い。従って、リード11において、めっき層23の周囲が酸化膜24により覆われていることで、はんだ付けの際におけるはんだの必要以上の濡れ広がり(ブリードアウト)を抑制できる。
溶融したはんだ13は、例えば、粗面めっき層22のように粗化面を有する表面では、粗化面の毛細管現象により、溶融したはんだが必要な領域以上に濡れ広がってしまう。これに対し、本実施形態のリード11は、酸化膜24により、はんだの濡れ広がりを抑制できる。
図1(b)に示すように、半導体素子12と、複数のリード11のそれぞれの一部は、封止樹脂14により覆われている。上述したように、酸化膜24は、針状結晶を持つ皮膜である。この酸化膜24によるアンカー効果により、封止樹脂14と強力な密着力を得ることができる。このため、リード11と封止樹脂14との間の剥離を抑制でき、半導体装置の信頼性を向上できる。
上述したように、酸化膜24は、水酸化物を含む酸化銅の皮膜である。この酸化膜24と封止樹脂14との結合により、強力な密着力を得ることができ、半導体装置10の信頼性を向上できる。詳述すると、酸化膜24に含まれる水酸化物が、封止樹脂14の硬化により生成される水酸基と結合(水素結合)を行うことにより、強力な密着力を得ることができる。このため、リード11と封止樹脂14との間の剥離を抑制でき、半導体装置の信頼性を向上できる。
そして、本実施形態では、リードフレーム100(リード11)の表面に、粗化面を有する粗面めっき層22と、粗面めっき層22を覆う酸化膜24との相乗効果により、封止樹脂14とリード11の密着性を向上できる。例えば、「粗化面を有する粗面めっき層のみを設けたリードフレーム」と、「粗化面を有する粗面めっき層の上に更に酸化膜を設けたリードフレーム」とにおいて、封止樹脂との密着性(シェア強度)を比較する。この場合、「粗化面を有する粗面めっき層の上に更に酸化膜を設けたリードフレーム」は、「粗化面を有する粗面めっき層のみを設けたリードフレーム」と比べ、20%程度高い密着性(シェア強度)が得られる。
以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)リードフレーム100のリード11は、基材21と、粗面めっき層22と、めっき層23、酸化膜24とを有している。粗面めっき層22は、基材21の表面を覆うように形成されている。粗面めっき層22の表面は粗面化されている。粗面めっき層22の上面22aには、はんだ13を介して半導体素子12を接続するめっき層23が形成されている。酸化膜24は、めっき層23を除いて、粗面めっき層22の表面を覆っている。酸化膜24は、酸化銅の皮膜であり、針状結晶を持つ。このような酸化膜24では、はんだが濡れ難い。従って、リード11において、めっき層23の周囲が酸化膜24により覆われていることで、はんだ付けの際におけるはんだの必要以上の濡れ広がり(ブリードアウト)を抑制できる。そして、はんだ13によりリード11に接続する半導体素子12の位置ずれを抑制できる。
(2)半導体素子12と、複数のリード11のそれぞれの一部は、封止樹脂14により覆われている。上述したように、酸化膜24は、針状結晶を持つ皮膜である。この酸化膜24によるアンカー効果により、強力な密着力を得ることができる。このため、リード11と封止樹脂14との間の剥離を抑制でき、半導体装置の信頼性を向上できる。
(3)酸化膜24は、水酸化物を含む酸化銅の皮膜である。この酸化膜24と封止樹脂14との結合により、強力な密着力を得ることができ、半導体装置10の信頼性を向上できる。詳述すると、酸化膜24に含まれる水酸化物が、封止樹脂14の硬化により生成される水酸基と結合(水素結合)を行うことにより、強力な密着力を得ることができる。このため、リード11と封止樹脂14との間の剥離を抑制でき、半導体装置の信頼性を向上できる。
(変形例)
なお、上記実施形態は、以下の態様で実施してもよい。
なお、以下の説明において、上述の実施形態と同様の部材については同じ符号を付し、説明の一部または全てを省略することがある。
(第1変形例)
図10(a)は、第1変形例のリードフレーム120を示し、図10(b)はこのリードフレーム120を用いた半導体装置110を示す。この半導体装置110は、QFNパッケージ(Quad Flat Non-leaded Package)の半導体装置である。
図10(a)に示すように、リードフレーム120のリード111は、基材21と、粗面めっき層22と、めっき層23と、酸化膜24とを有している。この変形例において、粗面めっき層22は、基材21の上面21a、端面21c、及び側面を覆うように形成されている。粗面めっき層22は、例えば、基材21の下面側をレジスト膜等によりマスクして粗化処理(粗化銅めっき処理)を行うことにより形成される。酸化膜24は、めっき層23を除き、粗面めっき層22の表面と、基材21の下面を覆うように形成されている。酸化膜24は、粗面めっき層22の表面と基材21の表面とを酸化して形成されている。
図10(b)に示すように、半導体装置110は、複数のリード111と、半導体素子12と、はんだ13と、封止樹脂14と、外装めっき層15とを有している。半導体素子12の電極12pは、はんだ13によりリード111のめっき層23に接続されている。外装めっき層15は、封止樹脂14から露出する基材21の下面を覆うように形成されている。
このような変形例では、上述した実施形態と同様に、リード111におけるはんだ13の濡れ広がりを抑制でき、半導体素子12の位置ずれを抑制できる。また、酸化膜24により、リード111と封止樹脂14の間の剥離を抑制できる。
また、この変形例では、製造工程や実装の際の不具合を改善する。例えば、リード111の下面に粗面めっき層22が形成されていると、樹脂封止工程において、外部接続端子となるリード111の下面部分(外装めっき層15を形成する部分)に封止樹脂が付着し易くなる。この部分に封止樹脂が付着すると、その後の工程において、外装めっき層15の形成や、半導体装置110の実装に支障が生じる。このため、この変形例のように、リード111の下面部分に粗面めっき層を形成しないようにすることで、外装めっき層15の形成や半導体装置110の実装を良好に行うことができる。
(第2変形例)
図11(a)及び図12は、第2変形例のリードフレーム140を示し、図11(b)はこのリードフレーム140を用いた半導体装置130を示す。この半導体装置130は、QFNパッケージ(Quad Flat Non-leaded Package)の半導体装置である。
図11(b)に示すように、半導体装置130は、ダイパッド131と、複数のリード132と、半導体素子133と、はんだ134と、ワイヤ135と、封止樹脂136と、外装めっき層137,138とを有している。
半導体素子133は、はんだ134により、ダイパッド131の上面に搭載されている。半導体素子133は、上面に電極133pを有し、電極133pはワイヤ135によりリード132に接続されている。ワイヤ135は、例えば金(Au)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)などの細線からなる。ダイパッド131及びリード132の一部、半導体素子133、はんだ134、ワイヤ135は、絶縁性を有する封止樹脂136により封止されている。ダイパッド131の下面、リード132の下面及び端面は、封止樹脂136から露出している。ダイパッド131の下面には外装めっき層137が形成されている。リード132の下面には外装めっき層138が形成されている。外装めっき層137,138は、上述した実施形態の外装めっき層15と同様のめっき層からなり、外装めっき層15と同様の方法により形成される。
図11(a)及び図12に示すように、リードフレーム140は、フレーム部141と、ダイパッド131と、複数のリード132と、サポートバー142とを有している。フレーム部141は、四角形枠状に形成されている。ダイパッド131は、複数本(図12では4本)のサポートバー142によりフレーム部141に支持され、フレーム部141の中央に配設されている。複数のリード132は、フレーム部141からダイパッド131に向かって延びるように形成されている。
図11(a)に示すように、複数のリード132は、基材21と、粗面めっき層22と、めっき層23と、酸化膜24とを有している。
ダイパッド131は、基材151と、粗面めっき層152と、めっき層153と、酸化膜154とを有している。基材151は、上面の長さ(幅)が、下面の長さ(幅)よりも長くなっている。具体的には、基材151の端部は、基材151の下面の側から薄化されている。基材151の材料としては、例えば、銅(Cu)、Cu合金を用いることができる。
ダイパッド131において、粗面めっき層152は、基材151の表面を覆うように形成されている。粗面めっき層152は、リード132の粗面めっき層22と同様に、粗化処理により形成することができる。粗面めっき層152の材料としては、例えば銅(Cu)を用いることができる。
めっき層153は、粗面めっき層152の上面の一部を覆うように形成されている。めっき層153は、このリードフレーム140に搭載する半導体素子133(図11(b)参照)の大きさに応じて設定されている。めっき層153としては、例えば、銀(Ag)めっきを用いることができる。なお、めっき層153として、例えば、ニッケル(Ni)めっき、パラジウム(Pd)めっき、金(Au)めっき、又は複数のめっき層(例えば、Niめっき層とAgめっき層)によりめっき層153を形成してもよい。例えば、粗面めっき層152から順にNiめっき層とAuめっき層とを積層してめっき層153としてもよい。また、粗面めっき層152から順にNiめっき層とPdめっき層とAuめっき層とを積層してめっき層153としてもよい。
酸化膜154は、めっき層153を除いて、粗面めっき層152の表面を覆うように形成されている。なお、酸化膜154のうち、ダイパッド131の下面側の酸化膜154xは、図11(b)に示す半導体装置130の製造工程において除去されている。
この半導体装置130において、半導体素子133は、はんだ134により、ダイパッド131の上面のめっき層153に接続されている。ダイパッド131は、めっき層153を除き、酸化膜154により覆われている。
酸化膜154は、上述した実施形態と同様に、水酸化物を含む酸化銅の皮膜であり、針状結晶を持つ。このような酸化膜154では、はんだが濡れ難い。このため、半導体素子133を実装する際に、はんだ134の濡れ広がり(ブリードアウト)を抑制できる。これにより、溶融したはんだ134による半導体素子133の位置ずれを抑制できる。
例えば、溶融したはんだ134が濡れ広がると、広がったはんだ134の表面張力によって、半導体素子133が移動したり、ダイパッド131の上面において半導体素子133が回転することで、ダイパッド131に対して半導体素子133が傾いたりする場合がある。この場合、半導体素子133の移動や傾きにより、リード132と接続するワイヤ135を半導体素子133の電極133pに接続できない(ボンディングできない)ことが生じることがある。
これに対し、図11(a)に示すリードフレーム140は、ダイパッド131におけるはんだ134(図11(b)参照)の濡れ広がりを抑制する。このため、半導体素子133の位置ずれを抑制でき、ワイヤ135を接続することができる。なお、この変形例では、リード111のめっき層23には、リード132と半導体素子133とを接続するワイヤ135が接続される。このため、リード132における酸化膜24を省略することもできる。
(第3変形例)
図13(a)は、第3変形例のリードフレーム170を示し、図13(b)はこのリードフレーム170を用いた半導体装置160を示す。この半導体装置160は、QFNパッケージ(Quad Flat Non-leaded Package)の半導体装置である。
図13(b)に示すように、半導体装置160は、ダイパッド161と、複数のリード162と、半導体素子133と、はんだ134と、ワイヤ135と、封止樹脂136とを有している。
図13(a)に示すように、リードフレーム170は、ダイパッド161と、複数のリード162とを有している。
ダイパッド161は、基材151と、粗面めっき層152と、めっき層153と、酸化膜154とを有している。リード162は、基材21と、粗面めっき層22と、めっき層23と、酸化膜24とを有している。
図13(a)及び図13(b)に示すように、ダイパッド161の基材151とリード132の基材21の上面及び側面にのみ粗面めっき層152,22が形成されている。このように粗面めっき層152,22を形成しても、上述の変形例と同様に、はんだ134の濡れ広がりを抑制でき、半導体素子133の位置ずれを抑制できる。なお、この変形例では、リード132のめっき層23には、リード132と半導体素子133とを接続するワイヤ135が接続される。このため、リード132における酸化膜24を省略することもできる。
(第4変形例)
図14(a)及び図15は、第4変形例のリードフレーム190を示し、図14(b)はこのリードフレーム190を用いた半導体装置180を示す。
図14(b)に示すように、半導体装置180は、ダイパッド181と、複数のリード182と、半導体素子183と、はんだ184と、ワイヤ185と、封止樹脂186と、外装めっき層187とを有している。この半導体装置180は、QFP(Quad flat package)の半導体装置である。
半導体素子183は、はんだ184により、ダイパッド181の上面に搭載されている。ダイパッド181は、リード182の内端部よりも低い位置に配置されている。半導体素子183は、上面に電極183pを有し、電極183pはワイヤ185によりリード182に接続されている。ワイヤ185は、例えば金(Au)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)などの細線からなる。ダイパッド181、リード182の一部、半導体素子183、はんだ184、ワイヤ185は、絶縁性を有する封止樹脂186により封止されている。封止樹脂186から突出するリード182の部分(外部リード)は、外装めっき層187により覆われている。この突出する部分は、ガルウイング状に屈曲形成されている。外装めっき層187は、上述した実施形態の外装めっき層15と同様のめっき層からなり、外装めっき層15と同様の方法により形成される。
図14(a)及び図15に示すように、リードフレーム190は、フレーム部191と、ダイパッド181と、サポートバー192と、インナーリード193と、アウターリード194と、ダムバー195とを有している。フレーム部191は、概略四角形枠状に形成されている。ダイパッド181は、四角形板状に形成されている。ダイパッド181は、複数本(図15では4本)のサポートバー192によりフレーム部191に支持され、フレーム部191の中央に配設されている。ダイパッド181の周囲には、ダムバー195に接続された複数のインナーリード193が形成されている。ダムバー195には、複数のアウターリード194の基端が接続され、各アウターリード194の先端はフレーム部191に接続されている。インナーリード193とアウターリード194とにより、図14(b)に示すリード182が形成される。なお、図15において、配線部分は封止樹脂186(図14(b)参照)により封止される領域を示している。
図14(a)に示すように、ダイパッド181は、基材201と、粗面めっき層202と、めっき層203と、酸化膜204とを有している。粗面めっき層202は、基材201の表面を覆うように形成されている。めっき層203は、粗面めっき層202の上面に形成されている。酸化膜204は、めっき層203を除き、粗面めっき層202の表面を覆うように形成されている。リード182(インナーリード193とアウターリード194)は、基材211と、粗面めっき層212と、めっき層213と、酸化膜214とを有している。粗面めっき層212は、基材211の表面を覆うように形成されている。めっき層213は、リード182の内側端部において、粗面めっき層212の上面に形成されている。酸化膜214は、めっき層213を除き、粗面めっき層212の表面を覆うように形成されている。ダイパッド181の基材201とリード182の基材211は、1つの金属板(例えば銅板)をエッチングして形成される。
この変形例においても、上述した第2変形例と同様に、はんだ184の濡れ広がりを抑制でき、半導体素子183の位置ずれを抑制できる。また、酸化膜204,214により、ダイパッド181と封止樹脂186の間の剥離、リード182と封止樹脂186の間の剥離を抑制できる。
(第5変形例)
図16(a)は、第5変形例のリードフレーム230を示し、図16(b)はこのリードフレーム230を用いた半導体装置220を示す。
図16(b)に示すように、半導体装置220は、ダイパッド181と、複数のリード221と、半導体素子183と、はんだ184と、ワイヤ185と、封止樹脂186と、を有している。この半導体装置220は、QFP(Quad flat package)の半導体装置である。
図16(a)及び図16(b)に示すように、リード221は、基材211と、粗面めっき層212と、めっき層213とを有している。つまり、このリード221は、第4変形例に対して、酸化膜214を有していない。粗面めっき層212は、その表面が粗化面であるため、この粗化面により、リード221と封止樹脂186とが密着する。なお、封止樹脂186から突出するリード221の表面(粗面めっき層212の表面)を、上述の第4変形例と同様に、外装めっき層により覆うようにしてもよい。
(第6変形例)
図17は、第6変形例のリードフレーム240を示す。このリードフレーム240は、SOPパッケージ(Small outline package)の半導体装置に用いられるリードフレームである。
リードフレーム240は、フレーム部241と、ダイパッド242と、サポートバー243と、インナーリード244と、アウターリード245と、ダムバー246とを有している。
フレーム部241は、長方形枠状に形成されている。ダイパッド242は、長方形板状に形成されている。ダイパッド242は、複数本(図17では2本)のサポートバー243により支持され、フレーム部241の中央に配設されている。ダイパッド242にはめっき層251が形成されている。
ダイパッド242の左右両側には、ダムバー246に接続された複数のインナーリード244が形成されている。インナーリード244の先端部には、めっき層252が形成されている。ダムバー246には、複数のアウターリード245の基端が接続され、アウターリード245の先端はフレーム部241に接続されている。インナーリード244とアウターリード245とによりリードが形成される。
このようなリードフレーム240においても、上述の実施形態及び各変形例と同様に、基材と、基材を覆う粗面めっき層と、粗面めっき層を覆う酸化膜とを有している。このため、このリードフレーム240を用いた半導体装置において、はんだの濡れ広がりが抑制され、ダイパッド242に接続される半導体素子の位置ずれを抑制できる。
(その他の変形例)
・上記実施形態及び変形例は、QFN,QFP,SOPのリードフレーム及び半導体装置について開示したが、SOJやTSOP等の他の表面実装型のパッケージのリードフレーム及び半導体装置に適用してもよい。また、DIP等の挿入実装型のパッケージのリードフレーム及び半導体装置に適用してもよい。
・上記実施形態及び変形例は、リードフレームに実装された1つの半導体素子を含む半導体装置について説明したが、複数の半導体素子を実装するリードフレーム及び半導体装置としてもよい。
・上記実施形態及び変形例に対して、リード、ダイパッドの形状を適宜変更してもよい。例えば、図11(a)及び図11(b)において、上面の長さと下面の長さとが互いに等しい形状としてもよい。上述したように、酸化膜154と封止樹脂136との間で強力な密着力が得られるため、ダイパッド131と封止樹脂136との間の剥離を抑制できる。
100 リードフレーム
11 リード
12 半導体素子
13 はんだ
14 封止樹脂
21 基材(導電材)
22 粗面めっき層(導電材)
23 めっき層(第1めっき層)
24 酸化膜

Claims (10)

  1. 基材と、前記基材の下面を露出し前記基材の上面及び側面に形成された粗化面を有する粗面めっき層と、を含む導電材と、
    前記基材の前記上面の前記粗化面上に形成された、半導体素子を接続するためのめっき層と、
    前記めっき層から露出する前記粗化面と前記基材の前記下面とを覆う酸化膜と、
    を有することを特徴とするリードフレーム。
  2. 前記酸化膜は、水酸化物を含む酸化銅の皮膜からなることを特徴とする請求項1に記載のリードフレーム。
  3. 前記粗面めっき層の前記粗化面の粗度は、前記粗面めっき層に覆われる部分の前記基材の表面の粗度より大きい、請求項1又は2に記載のリードフレーム。
  4. 前記酸化膜は、前記粗面めっき層のめっき金属の酸化物、及び前記基材の金属の酸化物である、請求項1~3のいずれか1項に記載のリードフレーム。
  5. 前記半導体素子が搭載されるダイパッドと、
    前記半導体素子の電極が接続されるリードとを備え、
    前記ダイパッド及び前記リードはそれぞれ、前記導電材、前記めっき層、及び前記酸化膜を有する、
    請求項1~のいずれか1項に記載のリードフレーム。
  6. 半導体素子と、
    リードと、
    前記リードの一部と前記半導体素子とを覆う封止樹脂と、
    を含み、
    前記リードは、
    基材と、前記基材の下面を露出し前記基材の上面及び側面に形成された粗化面を有する粗面めっき層と、を含む導電材と、
    前記基材の前記上面の前記粗化面上に形成された、前記半導体素子を接続するためのめっき層と、
    前記めっき層から露出する前記粗化面と前記基材の前記下面とを覆う酸化膜と、
    を有し、
    前記リードに、前記封止樹脂及び前記酸化膜から前記基材の前記下面の一部が露出する露出面が設けられ、
    前記半導体素子の電極は、はんだにより前記めっき層と接続されたこと、
    を特徴とする半導体装置。
  7. ダイパッドと、
    リードと、
    前記ダイパッドに搭載された半導体素子と、
    前記半導体素子の電極と前記リードとを接続するワイヤと、
    前記リードの一部と前記半導体素子と前記ダイパッドと前記ワイヤとを覆う封止樹脂と、を含み、
    前記ダイパッドは、
    基材と、前記基材の下面を露出し前記基材の上面及び側面に形成された粗化面を有する粗面めっき層と、を含む導電材と、
    前記基材の前記上面の前記粗化面上に形成されためっき層と、
    前記めっき層から露出する前記粗化面と前記基材の前記下面とを覆う酸化膜と、
    を有し、
    前記ダイパッドに、前記封止樹脂及び前記酸化膜から前記基材の前記下面の一部が露出する露出面が設けられ、
    前記半導体素子は、はんだにより前記めっき層に接続されたこと、
    を特徴とする半導体装置。
  8. 基材に粗面めっきを施し、前記基材の下面を露出し前記基材の上面及び側面に粗化面を有する粗面めっき層を形成する粗化処理工程と、
    前記基材の前記上面の前記粗化面上に半導体素子を接続するためのめっき層を形成するめっき処理工程と、
    記めっき層から露出する前記粗化面と前記基材の前記下面とを覆う酸化膜を形成する酸化処理工程と、を含むことを特徴とするリードフレームの製造方法。
  9. 前記酸化処理工程は、黒化処理液中に前記粗面めっき層と前記めっき層とを形成した前記基材を浸漬して陽極酸化処理を行う強制酸化処理であることを特徴とする請求項8に記載のリードフレームの製造方法。
  10. 前記粗化処理工程は、前記基材をめっき液に浸漬して電解めっきを施し前記粗面めっき層を形成することを特徴とする請求項8又は9に記載のリードフレームの製造方法。
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