CN1093984C - 树脂密封式半导体器件及其制造方法 - Google Patents

树脂密封式半导体器件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种树脂密封式半导体器件，包括具电极部分和安装面的半导体器件；具有设置半导体元件的设置面并使半导体元件冷却的散热体；在半导体元件和散热体之间、以可容纳于半导体元件安装面的范围之内的形状设于设置面上的接合层；把半导体元件与接合层粘结起来的粘结层；引线；把引线与半导体元件的电极部连接起来的金属丝；以及把半导体元件、散热体、引线的一部分和金属丝密封起来的树脂封装体。

Description

树脂密封式半导体器件及其制造方法
本发明涉及有散热体的树脂密封式半导体器件及其制造方法。
近年来，随着VLSI等的功耗的增加，对以低成本提高散热性的要求越来越高。为了应付这种情况，在材料方面，对提高引线框架和密封树脂的热传导性进行了研究探讨，在构造方面，研究探讨了用更改引线框架的设计和增加热沉即散热体的办法对所形成的散热性的改善。特别是在每个芯片的功耗低于2W的LSI中，用增加散热体以改善封装的散热性的办法被认为是最正统的对策。
从上述的散热这种观点来看，特开平6-53590号公报中公开了应用热传导性高的散热体，并使此散热体成为芯片底座的代用品的一种构造。如果采用这种构造，就可以制得散热性优良的半导体器件。
此外，如果在上述散热体上作镀银等处理之后再装上芯片，则可提高散热体和半导体芯片之间热传导性和电传导性。
但是，由于镀银等工艺将使得与树脂的粘结性能变坏、故当进行树脂密封并制成树脂密封式的半导体器件时，该半导体器件由于散热体和树脂之间的粘结性变坏，容易在两者之间形成间隙。这样一来，如果在此间隙处存有水，则在半导体器件发热时，水就变成水蒸汽而膨胀，使得间隙扩大，同时使散热体与半导体芯片完全剥离开来。
本发明的目的是提供一种散热体与树脂间粘结性优良、有高散热性的树脂密封式半导体器件及其制造方法。
本发明的树脂密封式半导体器件含有(1)具有电极部分和装于其他构件上的安装面的半导体元件；(2)具有设置上述半导体元件的设置面并使上述半导体元件冷却的散热体；(3)介于上述半导体元件和上述散热体之间并以可容纳于上述半导体元件安装面的范围内的形状设于上述设置面上的接合层；(4)把上述半导体元件与上述接合层粘结起来的粘结层；(5)引线；(6)连接上述引线和上述半导体元件的电极部分的金属丝，以及(7)把上述半导体元件、散热体、引线的一部分以及上述金属丝密封起来的树脂封装体。
应用这种半导体器件，由于设于散热体上的接合层形成为容纳于半导体元件安装面的范围之内的形状，故使接合层不突出于半导体元件之外。因而，树脂封装体把散热体密封起来而不与接合层接触，故树脂封装体与散热体之间的粘结性很好。
在本发明的树脂密封式半导体器件中，理想的情况是上述散热体具有导电性，上述半导体元件的安装面和上述散热体的设置面电学导通，而上述接合层的导电性比上述散热体表面的导电性更高。
就是说，散热体除了为了提高散热性要有优良的传热性之外最好还要有导电性。作为具有导电性的材料可以举出比如金、银、铜等等的金属。而且，理想的是构成为使半导体元件与散热体通过半导体元件的安装面和散热体的设置面而电学导通。这样，比如说，可以以散热体为负电位而使半导体元件接地。
另外，存在于半导体元件的安装面和散热体的设置面之间的接合层的导电性最好比散热体表面的导电性更高。由于中间存在着导电性高的接合层，故可以使得安装面和设置面之间导电性良好。作为这种半导体器件的一个例子，可以用铜构成散热体，用银构成接合层。
在本发明的树脂密封式半导体器件中，理想的是在上述设置面上的上述接合层以外的层域上设以导电性比上述散热体表面的导电性还高的导电层。
这样，就可以介以导电层进行半导体元件的电极部分与散热体的连接，或者引线与散热体的连接。这样作的结果是，由于可以介以散热体把电极部分与引线连接起来，所以改进了引线设计的自由度。作为导电层的材料，可以举出例如，金、银、铜等金属。
在本发明的树脂密封式半导体器件中，上述导电层可以考虑把它作成把上述接合层的外周不间断地围起来的形状，或作成为与上述金属丝直径相等的点状。
如果导电层采用把接合层的外周不间断地围起来的形状，则可容易地用金属丝把半导体元件的电极部分或引线与导电层连起来。
如果导电层采用与金属丝相等直径的点状物，则由于这是与金属丝相连的最低限度所必需的大小，故可以把树脂封装与导电层的接触面积抑制到最终限度。由于导电层使得与树脂之间的粘结性变坏，把接触面积压低到最小限度以把树脂封装与导电层之间的剥离压低到最小限度。
在本发明的树脂密封式半导体器件中，上述接合层的传热性比上述散热体表面的传热性高。
如此，就可以良好的效率把半导体元件中所产生的热传至散热体上去，从而有效地使半导体元件冷却。
特别是在上述树脂封装体露出一部分上述散热体进行密封时，散热体的散热效率将会变得更好。
本发明的树脂密封式半导体器件的制造方法包括下述工序：在散热体的设置面上设置其形状能容纳于半导体元件安装面的范围内的接合层；介以粘结剂使上述接合层与上述半导体元件安装面粘结；用金属丝把上述半导体元件的电极部件与引线连接起来；把上述半导体元件、上述散热体、上述引线的一部分以及上述金属丝用树脂密封起来以形成树脂封装体。
或者，本发明的树脂密封式半导体器件的制造方法包括下述工序：在散热体的设置面上设置其形状能容纳于半导体元件安装面范围内的接合层；用具有把形成在一侧面上的大口径的孔和形成在另一侧面上的小口径的孔连通起来而构成的连通孔的掩模、把上述小口径的孔贴到上述散热体的设置面上，用电镀法形成直径与金属丝相等的点状导电层；介以粘结剂把上述接合层与上述半导体元件的安装面粘结起来；用金属丝把上述半导体元件的电极部件与管脚连接起来，用金属丝把上述半导体元件的电极部件与上述导电层连接起来，用金属丝把上述管脚与上述导电层连接起来；用树脂把上述半导体元件、上述散热体、上述管脚的一部分及上述金属丝密封起来形成树脂封装体。
应用这些制造方法，可以以良好的效率制造本发明的半导体器件。
特别是在采用具有把形成在一侧面上的大口径的孔与形成在另一侧面上的小口径的孔连通而构成的连通孔的掩模时，镀膜材料易于通过连通孔，故即使是直径小的导电层也可容易地形成。
下边对附图进行说明。
图1示出了本发明的实施例所涉及的半导体器件，它典型地示出了沿图2的I-I线切断的剖面状态。图2为平面图，它以除掉树脂封装体的状态示出了本发明实施例所涉及的半导体器件。
图3示出了本发明的另一个实施例。
图4示出了本发明的另外一种实施例。
图5为示出了图4的半导体器件的制造方法的示意图。下边详细地说明具体实例。
图1示出了本发明的实施例所涉及的半导体器件，它示出了沿图2的I-I线的截面状态。图2的平面图以除掉了树脂封装的状态示出了本发明的实施例所涉及的半导体器件。
本实施例的半导体器件具有散热体10、装配于该散热体10上的半导体元件20、多条引线30和配设于半导体元件20的外侧的框架引线32，并用树脂封装体40把它们密封起来。
如图1所示，散热体10由大口径部分12和从该大口径部分突出出来的小口径部分14构成，其断面形状大体为凸字形形状。大口径部分12的表面是用于设置半导体元件20的设置面16，小口径部分14的表面从树脂封装体40露出来以提高散热效率。
散热体10也可以用环氧树脂基板或陶瓷等构成，但为了提高散热效率，理想的是用铜、银或金等传热性高的材料构成。考虑到经济性的问题，在本实施例中用的是铜。这些金属也是具有导电性的。
在散热体10的设置面16上设有接合层22、并介以该接合层22把半导体元件20装配到散热体10上。接合层22具有优良的传热性和导电性比如说是用银、金、白金等制成的。特别是考虑了经济性之后，在本实施例中用的是银。此外，虽然在图1中把接合层22夸张地画得挺厚，其实是一个几微米厚的薄层，是用溅射法或电镀法形成的。或者也可把具有导电性的薄膜或板材埋进去作成接合层22。
半导体元件20这样构成，使其能从被安装到接合层22上去的那一侧的安装面24进行电连接。于是，半导体元件20可以介以接合层22从安装面24电连接到散热体10上，因为散热体10由具有导电性的铜构成，接合层22也是由具有导电性的银构成。而且，银的导电率比铜高，所以通过设置接合层22可以良好地保持电连接状态。
这样，通过把半导体元件20与散热体10进行电连接，使得比如说把散热体10作为负电位接地变得容易了。
再有，如图1所示，接合层22的长度l比半导体元件20的安装面24的长度L短，接合层22即成为可以被容纳于安装面24的范围之内的形状。
之所以这样做是由于下述理由。即，虽然接合层22由镀银等形成，但该镀银层等和构成树脂封装体40的树脂之间的粘结性不好。
因此，当接合层22形成为超出半导体元件20的外侧以外时，该部分与树脂封装体40的粘结性就将变坏。因而，可想象树脂封装体40就会从接合层22上剥离下来，与此同时，半导体元件20的安装面24将从接合层22上脱离下来而变为不可能使两者导通。这一现象即所说的当企图介以接合层22把半导体元件20的安装面24接地时，不能保证电连接。
于是，如图1所示，把粘合层22的面积作得比半导体元件20的安装面24的面积小，使得接合层22不会超出安装面24的范围之外。如此，由于树脂封装体40不与接合层22接触，故可以满意地进行树脂密封，半导体元件20的安装面24与接合层22之间的导通也会变得确实可靠。
详细地说，就是半导体元件20用由银膏构成的粘结层26粘结到散热体10上，该粘结层26如图1所示那样形成倒角形状。该倒角形成一种遂渐扩展，使其具有比半导体元件20的安装面24更大的面积。因此如果接合层22为可收纳于该倒角之内的形状的话，就不会与树脂封装体40接触，但如果在设置半导体元件20时考虑误差，则理想的是把接合层22作成为可收纳于安装面24的范围之内的形状。例如、最好把接合层22作成为可放入距安装面的外沿约0.05mm以内的形状。
其次，在散热体10的设置面16上，在半导体元件20的周围形成有多个点状的导电层18。导电层18是导电性优良的金属层，例如可以是银、金和白金等等的金属层。特别是出于经济上的考虑，在本实施例中用的是银。另外，导电层18在图1中夸张地画得很厚，但它是几个微米厚的薄层，是用溅射或电镀等方法形成的。或者也可用埋入银支柱形成导电层18。
由于构成导电层18的银比构成散热体10的铜的导电率高，所以在谋求与散热体10的电连接时，介以导电层18进行连接，其连接，状态要比直接连到散热体10上去好。
该导电层18通过金属丝34与半导体元件20的电极部分28或者引线30电连接。
另外，在散热体10的表面上，除去接合层22和导电层18的形成区域之外，还形成有没有画出来的绝缘层。该绝缘层只要求有良好的绝缘性，对其材质没有特别的限制，但理想的是，例如，把构成散热体10的金属进行氧化处理后所得到的金属氧化膜。比方说，在用铜构成散热体10的情况下，借助于用强碱性的处理液进行表面氧化处理就可得到绝缘层。借助于设置这种绝缘层，可以防止引线30和框架引线32与散热体之间的短路。还有，比如说用氧化铜构成的绝缘层通常呈现黑色和茶色等暗色，因此，不仅在进行丝焊时的图像识别中容易识别引线30，而且由于和构成树脂封装体40的树脂之间的紧密结合性良好，还可以提高封装体的机械强度。
另外，在设置面12上，沿看其周边用粘结剂连续地固定有支承部分36。该支承部分36由具有绝缘性的树脂，例如聚亚酰胺树脂、环氧树脂等热硬化树脂等的带状构件构成。
支承部分36以小的宽度设于散热体10的外围部分以仅仅支承引线30的一部分。支承部分由树脂构成，虽然从其性质上说是吸收水分的材料，但由于其结构不大，故可以尽可能地减少对水分的吸收。
引线30粘结并固定在这种以比较小的宽度设置的支承部分36上。
在半导体元件20和引线30之间以非按触的状态设置有框架引线32。如图2所示，该框架引线32用4条支承引线32a稳定地支承着。而支承引线32a分别由支承部分36将其一部分固定住。
框架引线32，例如可以用作电源电压(VCC)或者基准电压(Vss)引线。把此框架引线32用作Vcc引线时，借助于用焊丝34分别把多条电源用电极部分28以及引线30和框架引线32连接起来的办法，可以大幅度地减少用作电源的引线数目。因而可以相对地增加可供信号引线使用的引线，可以提高半导体元件20的电极部分28与引线之间的金属丝布线的自由度，在设计上有利。
此外，由于具有框架引线32，不论在半导体元件20的哪一位置上都可供给规定的电源电压或者基准电压，故可以在降低电源噪声的状态下谋求提高动作速度。
还有，在本实施例中，框架引线32由4条支承引线32a所支承，但只要支承引线32a能稳定地支承框架引线32就可以，比如说仅在相对的位置上配置两条等等，在本例中对其条数和配置没有限定。
下面，说明本实施例的半导体器件的制造方法。
首先，在散热体10的设置面16上用镀银的办法形成导电层18和接合层22。接着，在把这些导电层18和粘合层22遮蔽起来的状态下，在比如说麦路泰克斯(ソルテックス)株式会社生产的“艾博诺路(エボノ-ル)(商品名)中浸泡数秒钟进行表面氧化处理以形成图中没有画出来的绝缘层。这样所形成的绝缘层，具有比如说2-3μm的膜厚，并已确认其电阻率大于1013Ω.cm，有良好的绝缘性。
或者也可与上述方法相反，在形成了绝缘层之后再形成导电层18和接合层22。
其次，在设于散热体10上的接合层22上，用由银膏等导电性粘结剂构成的粘结层26来粘接半导体元件20。然后，把散热体10、支承部分36、全部引线30和框架引线32形成一个整体而构成的框架(没有画出来)位置对准而重迭起来，并把三者用例如环氧树脂粘结剂进行热压粘结使之相互固定。接着，用通常的手法，用丝焊装置以规定的图形压焊金属丝34。
此外，用人们通常所用的铸模工艺，用环氧系列树脂等形成树脂封装体40。这时，在使散热体10的小口径部分14的表面从树脂封装体40露出来的状态下进行铸模处理。
接着，把已形成一个整体的各个引线30和框架引线32切断就制成了半导体器件。
这样制成的树脂密封式半导体器件其粘合层22做成可容纳于半导体元件20的安装面24的范围之内的形状。由于与粘结性变坏有关系的树脂封装体40和接合层22不接触，故不产生因两者间剥离所造成的缺陷。
其次，图3的平面图示出了本发明的另一实施例所涉及的半导体器件的主要部分。该半导体器件在导电层48的形状和图2所示半导体器件不同。而除导电层48以外的构成均和图2所示的半导体器件相同，故标以相同的符号进行说明。
在图2中，多个导电层18被做成点状，而在图3中，导电层48在引线30和框架引线32之间的区域上被做成为方环状。
如此，比在多个部位形成导电层要简单，能形成可以多个部位进行连接的导电层。
其次，图4的平面图示意性地示出了本发明的另一个实施例所涉及的半导体器件的主要部分。该半导体器件在导电层58的形状上与图2所示的半导体器件不同。而除导电层58以外的构成均与图2所示的相同，故标以相同的符号进行说明。
在图2中，多个导电层18被形成为点状。对此，在图4中，导电层58做成直径与金属丝34的直径相等的点状。详细地说来，理想的是在金属丝34的直径约为0.8mm的情况下，导电层58的直径也与此大体上相等。
导电层58用镀银等方法形成，由于导电层与树脂封装体40的粘结性不好，故通过在可能的范围内缩小导电层58，就可以尽可能地减小与树脂封装体40相接触的部分。于是，就可以尽可能地防止树脂封装体40与导电层58之间的剥离。
图5示出了这种直径极其小的导电层58的形成方法。通常导电层58用电镀方法形成，具体方法是从在掩模上形成的孔电解淀积液体状态的银。但是，在导电层58的直径极其小的情况下，由于掩模的孔变得非常小，故银将很难通过。于是，为了使银能方便地通孔，曾考虑过把掩模作得很薄的方法，但这样的话掩模将变得易于断裂。
在本实施例中，决定用图5所示的掩模60来形成导电层58。该掩模60具有把在一侧表面上形成的大口径的孔62和在另一侧表面上形成的小口径的孔64连通起来形成的连通孔66。详细说来，孔62和孔64变成为台阶状的连通起来。也可以不用这种形状而代之以锥状地连通。
用此掩模60，把小口径的孔64贴到散热体10的设置面16上，采用使银从大口径的孔62流入而电镀的方法，就可以形成其直径与金属丝34相等的点状的导电层58。
采用这掩模60，由于流入银的一侧的孔口径大，银可以顺畅地通过，故也可以根据需要把掩模60本身的厚度作得厚。
此外，在本实施例中，其他部分的制造方法与图1和图2所示的半导体器件的相同，故省略了说明。

Claims (13)

1.一种树脂密封式半导体器件，它包括：
具有电极部分和安装于其他构件上的安装面的半导体元件；
具有设置上述半导体元件的设置面、并冷却上述半导体元件的散热体；
存在于上述半导体元件与上述散热体之间并以可容纳于上述半导体元件安装面的范围之内的形状设置于上述设置面上的接合层；
用于粘结上述半导体元件与上述接合层的粘结层；
引线；
连接上述引线和上述半导体元件的电极部分的金属丝；
把上述半导体元件、上述散热体、上述引线的一部分及上述金属丝密封起来的树脂封装体。
2.如权利要求1所述的树脂密封式半导体器件，其中，
上述散热体具有导电性；
上述半导体元件的上述安装面与上述散热体的上述设置面电学导通；
上述接合层的导电性比上述散热体表面的导电性高。
3.如权利要求2所述的树脂密封式半导体器件，其中，
在上述设置面的上述接合层以外的区域上设有其导电性比上述散热体表面的导电性高的导电层。
4.如权利要求3所述的树脂密封式半导体器件，其中，
上述导电层制成把上述接合层的外周连续围起来的形状。
5.如权利要求3所述的树脂密封式半导体器件，其中，
上述导电层制成其直径与上述金属丝相等的点状。
6.如权利要求1所述的树脂密封式半导体器件，其中，
上述接合层的传热性比上述散热体表面的传热性高。
7.如权利要求2所述的树脂密封式半导体器件，其中，
上述接合层的传热性比上述散热体表面的传热性高。
8.如权利要求3所述的树脂密封式半导体器件，其中，
上述接合层的传热性比上述散热体表面的传热性高。
9.如权利要求4所述的树脂密封式半导体器件，其中，
上述接合层的传热性比上述散热体表面的传热性高。
10.如权利要求5所述的树脂密封式半导体器件，其中，
上述接合层的传热性比上述散热体表面的传热性高。
11.如权利要求1-10中任一项所述的树脂密封式半导体器件，其中，进行密封时，上述树脂封装体使上述散热体的一部分露在外面。
12.一种树脂密封式半导体器件的制造方法，包括下述工序：
在散热体的设置面上设置其形状为可容纳于半导体器件安装面的范围之内的接合层；
介以粘结剂把上述接合层和上述半导体元件的安装面粘结起来；
用金属丝把上述半导体元件的电极部分和引线连接起来；
把上述半导体元件、上述散热体、上述引线的一部分以及上述金属丝用树脂密封以形成树脂封装体。
13.一种如权利要求12所述的树脂密封式半导体器件的制造方法，还包括下述工序：
应用具有把在一侧表面上形成的大口径孔和在另一侧表面上形成的小口径孔连通而构在的连通孔的掩模，将上述小口径孔贴到上述散热体的设置面上，用电镀的方法形成直径与金属丝相等的点状的导电层；
用金属丝把上述半导体元件的电极部分和上述导电层连接起来，并用金属丝把上述引线与上述导电层连起来。
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