JP2000100854A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2000100854A
JP2000100854A JP10263107A JP26310798A JP2000100854A JP 2000100854 A JP2000100854 A JP 2000100854A JP 10263107 A JP10263107 A JP 10263107A JP 26310798 A JP26310798 A JP 26310798A JP 2000100854 A JP2000100854 A JP 2000100854A
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Japan
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bonding
bonding wire
semiconductor device
semiconductor element
wire
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Shinpei Yoshioka
心平 吉岡
Yasuto Saito
康人 斉藤
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Toshiba Corp
Toshiba AVE Co Ltd
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba AVE Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボンディングワイヤが、樹脂モールドされる
際の半導体素子のエッジへタッチすることを防止する。 【解決手段】 複数のボンディングワイヤ６−１、６−
２のループが互いに接触するように接続し、接続後に樹
脂モールドされる際のワイヤ流れを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は半導体装置に関
し、特に、パワーエレクトロニクス用半導体素子に好適
な半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置のパワーデバイスは、電力機
器等のインバータ回路，整流回路等に使用されるが、特
にＧＴＲ（Ｇｉａｎｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）はその
ほとんどがインバータ制御のモータの駆動用である。
【０００３】近年、ＧＴＲの用途として、工作機器等の
ＡＣサーボへの使用が多くなり、特にＩＧＢＴ（Ｉｎｓ
ｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓ
ｉｓｔｏｒ）の開発によって、その傾向が顕著になって
きている。特にエアコン、冷蔵庫等の民生用分野におい
てはインバータ化が急速に進む中、小容量モータ、駆動
インバータは高信頼性、小型化、低コスト化が望まれる
ようになつてきている。これらの要求に応えるため、イ
ンバータの１チップ化や高信頼型小型パッケージの開発
が進められている。
【０００４】図５は、従来の１チップインバータ用半導
体装置のパッケージ構造の構成図で、銅等のリードフレ
ーム２１ａ、２１ｂの表面に、半田シート２２を介して
インバータ用の半導体素子２３をスクラブマウント法等
によって接続する。次に、半導体素子２３の外周に沿つ
て形成されたボンディングパッド２４から、リードフレ
ーム２１ａ、２１ｂ上の所望の箇所へ、金、アルミニウ
ム等のボンディングワイヤ２６を用いて超音波ワイヤボ
ンディング法等により電気的接続を行う。
【０００５】最後に、半導体素子２３が搭載された箇所
のリードフレーム２１ａ、２１ｂの下部に、銅等のヒー
トシンク２８をリードフレーム２１ａ、２１ｂに対して
絶縁ギャップを設けて配置し、エポキシ等の封止樹脂２
９をトランスファモールド法等によりモールドするもの
である。
【０００６】図６は図５で示した１チップインバータ用
半導体装置のパッケージ構造の平面図である。通常イン
バータ用の半導体素子２３は、半導体素子２３の外周に
沿つて外部との接続用ボンディングパッド２４が配置さ
れている。しかし、このようなボンディングパッド２４
の配置にした場合、特に電源ラインを半導体素子２３の
中央部寄りから外周へ引出して接続する際に、配線パタ
ーンを太くしなければならず、そのため、高価になると
共に半導体装置のチップサイズが大きくなり、また、薄
膜配線のため十分な電気特性が得られにくいという問題
が存在していた。
【０００７】このような電気的問題を解決し、かつ、チ
ップサイズを小型化する方法として、図７に示すよう
に、電源ライン等の特定のボンディングパッド２４−
１、２４−２だけを、半導体素子２３の中央部寄りに配
置する方法がとられている。
【０００８】このような構造をとることにより、通常、
半導体素子２３とリードフレーム２１ａ、２１ｂを接続
するボンディングワイヤ２６−１、２６−２は、１ｍｍ
〜２ｍｍ程度でよかったものが、半導体素子２３の内部
から端子を取出す必要があるため、４ｍｍ〜６ｍｍの長
ループでボンディングを行う必要がでてきた。
【０００９】ボンディングワイヤのループ長が長くなる
と、図８に示すように、最初は問題なくボンデイングさ
れていたボンディングワィヤ２６−３、２６−４が、例
えば矢印Ａの方向からモールドを行った場合、図中右側
の方へボンディングワイヤ２６−４が変形し、半導体素
子２３のエッヂ３０へボンディングワイヤ２６−４が接
触（エッジタッチ）し、電気的不良が発生する惧れがあ
る。
【００１０】また、エッジタッチを防止するために、ボ
ンディングワイヤのワイヤループ高さを高くすると、後
工程のモールド時に横方向へボンディングワイヤが倒れ
やすくなり、隣のボンディングワイヤとショートし易く
なるという問題が発生する惧れがある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の半導体
装置では、ボンディングワイヤのループ長が長くなるこ
とから、モールド時にチツプへのエッヂタッチが発生し
易く、歩留り低下の原因となっていた。
【００１２】また、チップへのエツヂタツチを防止する
ためにボンディングワイヤのワイヤループ高さを高くす
ると、モールド時に樹脂の流動圧により引起こされるワ
イヤ流れにより、隣のボンディングワイヤとのシヨート
不良が発生し易く、いずれにしても歩留りが低下すると
いう問題があつた。
【００１３】この発明は、これらの事情に鑑み、ボンデ
ィングワイヤのエッジタッチ防止を製造工程を増やすこ
と無く、安定した歩留りでの生産ができる半導体装置を
提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、表面に配線パターンが形成された配線基板
と、この配線基板上に固着され中央部寄りの表面に複数
個のボンディングパッドを有する半導体素子と、この半
導体素子上の前記ボンディングパッドと前記配線基板上
の前記配線パターンとを電気的に接続する第１のボンデ
ィングワイヤと、前記半導体素子上の別の前記ボンディ
ングパッドから前記第１のボンディングワイヤが接続し
ている前記配線パターンに電気的に接続する第２のボン
ディングワイヤとを具備し、前記第１のボンディングワ
イヤと第２のボンディングワイヤとは、相互に接触して
いることを特徴とする半導体装置である。
【００１５】また請求項２の発明による手段によれば、
前記第１のボンディングワイヤが接続した前記ボンディ
ングパッドと、前記第２のボンディングワイヤが接続し
た前記ボンディングパッドとは、前記第１のボンディン
グワイヤ及び前記第２のボンディングワイヤの延出方向
に沿って配設されていることを特徴とする請求項１記載
の半導体装置である。
【００１６】また請求項３の発明による手段によれば、
前記第１のボンディングワイヤが接続した前記ボンディ
ングパッドと、前記第２のボンディングワイヤが接続し
た前記ボンディングパッドとは、前記第１のボンディン
グワイヤ及び前記第２のボンディングワイヤの延出方向
に直交するする方向に沿って配設されていることを特徴
とする請求項１記載の半導体装置である。
【００１７】また請求項４の発明による手段によれば、
前記第１のボンディングワイヤと前記第２のボンディン
グワイヤは、前記半導体素子のエッジ部近傍で交差して
接触していることを特徴とする請求項１記載の半導体装
置だある。
【００１８】また請求項５の発明による手段によれば、
前記第１のボンディングワイヤと前記第２のボンディン
グワイヤは、ループ長の長い方が上側になるようにボン
ディングされていることを特徴とする請求項２記載の半
導体装置である。
【００１９】また請求項６の発明による手段によれば、
前記第１のボンディングワイヤと前記第２のボンディン
グワイヤとは樹脂モールドする際に接触することを特徴
とする請求項１記載の半導体装置である。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実
施の形態の製造工程を示す説明図で、図２はその製造工
程で形成された半導体装置の配線状況を示す平面図であ
る。
【００２２】すなわち、まず、図１（ａ）に示すように
図示しない製造装置のテーブル上の所定位置に厚さ０．
５ｍｍの銅合金等のリードフレーム１ａ、１ｂを載置す
る。次に、図１（ｂ）に示すように、リードフレーム１
ａ、１ｂの表面に、厚さ５０μｍの半田シ−ト２を介し
て、約３００℃の還元雰囲気中で、約７ｍｍ×５ｍｍの
寸法を有するインバータ用の半導体素子３をスクラブマ
ウント法等によつて接続する。なお、半導体素子３には
表面にボンディングパッド４、５が設けられている。
【００２３】次に、図１（ｃ）に示すように半導体素子
３の外周に沿って形成されたボンディングパッド４と半
導体素子の中央部寄りに形成されたボンディングパツド
５から、リードフレーム１ａ、１ｂ上の所定の箇所へ、
例えばφ５０μｍの金又はアルミ二ウム等のボンディン
グワイヤ６を用いて超音波ワイヤボンディング法等によ
りそれぞれ電気的接続を行う。この時のボンディング条
件は、例えば、温度２５０℃，荷重１５０ｇｆ，超音波
出力１２０ｍＷ，時間３０ｍｓである。
【００２４】ここで、半導体素子３の中央部寄りに形成
されるボンディングパッド５は、通常電源等の大電流を
とりだす端子であるから、分割されて一つの端子内に複
数個のボンディングパッド５−１、５−２等が形成され
ている（図２参照）。従って、一つの端子内に形成され
た複数個のボンディングバツド５−１，５−２からは、
リードフレーム１ｂ上の同一ランド上へボンディングさ
れるが、その際、互いのボンデイングワイヤ６−１、６
−２が交差し合うように相互のループを形成する。な
お、本実施例で用いた半導体素子３の内部から接続され
るボンディングワイヤ６のワイヤの長さは、最長で約５
ｍｍである。
【００２５】最後に、図１（ｄ）に示すように半導体素
子３が搭載された箇所のリードフレーム１ａの下部に、
厚さが約１．５ｍｍ〜５ｍｍの銅又はアルミニウム等の
ヒートシンク８をリードフレーム１ａに対して約２００
μｍ〜５００μｍの絶縁ギャップを設けて配置し、エポ
キシ等の封止樹脂９をトランスファモールド法等により
モールドする。この際のモールド条件の一例は、温度が
１７０℃，注入圧力が１４０ｋｇ／ｃｍ2 ，注入速度が
２ｍｍ／ｓｅｃの条件でモールドを行い、パッケージサ
イズは、モールド部分で約３６×１６×５ｍｍ3 であ
る。
【００２６】このように、半導体素子３の中央部寄りか
らボンディングワイヤ６−１、６−２を長ループでボン
ディングする際、同一端子からのボンディングワイヤ６
−１、６−２同志を交差させることで、モールド時に封
止樹脂９が流れ込んできた際、通常の約２倍の力で支え
ることが可能となり、ボンディングワイヤ６−１、６−
２を例え低ループでボンディングを行っても、ボンディ
ングワイヤ６−１、６−２が半導体素子３へエッヂタッ
チするのを大幅に低減させることが可能となる。
【００２７】なお、ボンディングワイヤ６−１、６−２
は、モールド時に封止樹脂９が流れ込んできた際に互い
に接触し合っていることが必要で、封止樹脂９が流れ込
む以前は必ずしも接触している必要はない。つまり、封
止樹脂９が流れ込む以前は非接触でも、封止樹脂９の流
れによってボンディングワイヤ６−１、６−２が相互に
接触すれば、それによって確実な作用が得られる。ま
た、ボンディングワイヤ６−１、６−２が交差する箇所
は、半導体素子３のエッジ上またはその近傍であれば最
も大きな作用を得ることができる。
【００２８】また、交差させるボンディングワイヤ６−
１、６−２は、それ自体は同じものを用いるがループ形
状が異なるように設定している。すなわち、ボンディン
グワイヤ６−１はボンディングワイヤ６−２よりも高い
ループを形成させる。従って、低い荷重で変形が始まる
（変形しやすい）ボンディングワイヤ６−１を上部に配
置し、変形が始まる荷重が高い方（変形し難い）を下部
に配置することが望ましい。なお、低い荷重で変形が始
まるボンディングワイヤ６−１とは、例えばループ長が
長い場合、また、ループ高さが高い形状の場合を指す。
【００２９】例えば数ｇｆ〜１０ｇｆで変形が始まる形
状のボンディングワイヤ６−１を上部に配置し、下部に
は例えば１０ｇｆ〜２０ｇｆで変形が始まる形状のボン
ディングワイヤ６−２を配置したとすると、上部に配置
されたボンディングワイヤ６−１が数ｇｆ〜１０ｇｆの
荷重で最初に変形を開始し、下部に配置されたボンディ
ングワイヤ６−２に接触した時点で、２本のボンディン
グワイヤ６−１、６−２の荷重が合算され、約１０ｇｆ
〜３０ｇｆまで変形荷重が増大されるためである。
【００３０】なお、ボンディングワイヤを３本以上交差
させると更に効果が増大されることはいうまでもなく、
また、交差されるボンディングワイヤ数は多い程その効
果は大きい。
【００３１】これらの作用を、さらに図３（ａ）（ｂ）
により説明すると、図３（ａ）のように、ループ形状の
異なる２本のボンディングワイヤ１１、１２にそれぞれ
独立して荷重Ｐ１、Ｐ２が加わった場合は、加わった荷
重Ｐ１の増加に伴い、まず、変形荷重が低いボンディン
グワイヤ１１が独立して変形し、一方、変形荷重が高い
ボンディングワイヤ１２も、荷重Ｐ２が増加して変形限
界荷重に達すると同様に独立して変形を開始する。
【００３２】一方、図３（ｂ）に示すように、例えば、
２本のボンディングワイヤ１１、１２に同時に荷重Ｐ３
が加った場合は、各ボンディングワイヤ１１、１２にか
かる荷重は１／２となるため、変形も１／２に抑えるこ
とが可能となる。これと同じ原理で、例えば２本のボン
ディングワイヤを接触・交差させることで、モールド時
に封止樹脂から受ける荷重を従来の約１／２まで低減す
ることが可能となる。
【００３３】図４は、この発明の第２の実施の形態を説
明す半導体装置の平面図である。ここでは、半導体素子
１３の内部に形成されたボンディングバッド５−３，１
５−４が、リードフレーム１ｂの配設方向Ｘに対して直
交方向の同一線（ボンディングワイヤの延出方向と平行
方向な線）上に並んで形成されている。
【００３４】製造工程は上述の実施の形態と同様に図１
（ａ）にもとづいて説明する。すなわち、図示しない製
造装置のテーブル上の所定位置に厚さ０．５ｍｍの銅合
金等のリードフレーム１ａ、１ｂを載置する。次に、図
１（ｂ）に示すように、リードフレーム１ａ、１ｂの表
面に、厚さ５０μｍの半田シ−ト２を介して、約３００
℃の還元雰囲気中で、約７ｍｍ×５ｍｍの寸法を有する
インバータ用の半導体素子３をスクラブマウント法等に
よつて接続する。
【００３５】次に、図１（ｃ）に示すように半導体素子
３の外周に沿って形成されたボンディングパッド４と半
導体素子の中央部寄りに形成されたボンディングパッド
５から、リードフレーム１ａ、１ｂ上の所定の箇所へ、
例えばφ５０μｍの金又はアルミ二ウム等のボンディン
グワイヤ６、７を用いて超音波ワイヤボンディング法等
によりそれぞれ電気的接続を行う。この時のボンディン
グ条件は、例えば、温度２５０℃，荷重１５０ｇｆ，超
音波出力１２０ｍＷ，時間３０ｍｓである。
【００３６】ここで、半導体素子３の中央部寄りに形成
されるボンディングパッド５は、通常電源等の大電流を
取出す端子であるから、分割されて一つの端子内に複数
個のボンディングパッド５−３、５−４等が形成されて
いる。従って、一つの端子内に形成された複数個のボン
ディングパツド５−３，５−４からは、リードフレーム
１ｂ上の同一ランド上へボンディングされる。
【００３７】ただしこの場合、２本のボンディングワイ
ヤ６−３、６−４は長さが異なる。すなわち、半導体素
子３の中央部寄りのボンディングパッド５−３からのボ
ンディングワイヤ６−３のループは半導体素子３の外側
のボンディングパッド５−４からのボンディングワイヤ
６−４のループよりも長くなっている。ボンディングワ
イヤ６−３、６−４自体は２本とも同じ線材を使用して
いるので、ループの長いほうが変形しやすいものにな
る。
【００３８】この場合のボンディングの順序は、変形し
難いほうのボンディングワイヤ６−４を先に行ない、後
から変形しやすいボンディングワイヤ６−３のボンディ
ングを行なう。その結果、変形し難いボンディングワイ
ヤ６−４の上に変形しやすいボンディングワイヤ６−３
が乗る形で２本のボンディングワイヤ６−３、６−４の
ボンディングが行われる。
【００３９】最後に、図１（ｄ）に示すように半導体素
子３が搭載された箇所のリードフレーム１ａの下部に、
厚さが約１．５〜５ｍｍの銅又はアルミ二ウム等のヒー
トシンク８をリードフレーム１ａに対して約２００〜５
００μｍの絶縁ギャップを設けて配置し、エポキシ等の
封止樹脂９をトランスファモールド法等によりモールド
する。この際のモールド条件の一例は、温度が１７０
℃，注入圧力が１４０ｋｇ／ｃｍ２，注入速度が２ｍｍ
／ｓｅｃの条件でモールドを行い、パッケージサイズ
は、モールド部分で約３６×１６×５ｍｍ３である。
【００４０】このように、半導体素子３の中央部寄りか
らボンディングワイヤ６−３、６−４を長ループでボン
ディングする際、同一端子のボンディングワイヤ６−
３、６−４同志を接触させることで、モールド時に封止
樹脂９が流れ込んできた際、通常の約２倍の力で支える
ことが可能となり、ボンディングワイヤ６−３、６−４
を低ループでボンディングを行っても、ボンディングワ
イヤ６−３、６−４が半導体素子３のエッジへタッチす
るのを大幅に低減させることが可能となる。
【００４１】なお、ボンディングワイヤ６−３、６−４
は、モールド時に封止樹脂９が流れ込んできた際に、互
いに接触し合っていることが必要で、封止樹脂９が流れ
込む以前は必ずしも接触している必要はない。つまり、
封止樹脂９が流れ込む以前は非接触でも、封止樹脂９の
流れによってボンディングワイヤ６−３、６−４が相互
に接触すれば、それによって確実な作用が得られる。
【００４２】この実施の形態では、ボンディングワイヤ
６−３、６−４を交差させてリードフレーム１ｂへ接続
するのが難しいため、リードフレーム１ｂ上のほぼ同一
の場所に２本のボンディングワイヤ６−３、６−４を接
続し、互いに接触し合うようにボンディングを行うこと
で、同一の作用をえることができる。
【００４３】なお、これまで配線基板としてリードフレ
ームを例にあげてきたが、通常の印刷配線基板等いかな
る配線基板でも同様の作用が得られる。
【００４４】また、各実施の形態は、エアコン、冷蔵庫
等用の半導体素子インバータのパッケージ構造を例にと
つて説明してきたが、例えばＡＣサーボドライブ等の産
業用モータ制御装置や無停電電源等、電力制御の必要な
パワーエレクトロニクスの各分野に応用が可能である。
【００４５】また、パワーエレクトロニクスの分野に限
らずそれ以外の分野でも、同様な構造を有する半導体素
子を用いたパツケージやモジユール等であれば適用が可
能である。
【００４６】上記したように、この発明ではモールド時
に変形を起こす可能性が高い半導体素子の中央部寄りか
ら接続されるボンデイングワイヤを、互いに接触させて
接続を行うことで、強度を合算させ全体の強度を上げる
ことが可能となり、モールド時の封止樹脂の圧力による
ボンディングワイヤの変形を防止することができる。従
って、歩留りの高い、生産性に優れた半導体装置を得る
ことができる。
【００４７】
【発明の効果】上述したように、この発明の半導体装置
によれば、モールド時のボンディングワイヤの変形を確
実に防止することができるため、歩留りの高い、生産性
に優れた半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態
の製造工程を示す説明図。
【図２】本発明の半導体装置の配線状況を示す平面図。
【図３】（ａ）２本のボンディングワイヤに独立して荷
重がかかった場合の説明図。（ｂ）２本のボンディング
ワイヤに同時に荷重がかかった場合の説明図。
【図４】本発明の半導体装置の別の形態による配線状況
を示す平面図。
【図５】従来の半導体装置の断面側面図。
【図６】従来の半導体装置の平面図。
【図７】従来の別の半導体装置の平面図。
【図８】従来の別の半導体装置の断面側面図。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ…リードフレーム、３…半田シート、４、５
…ボンディングパッド、６…ボンディングワイヤ、９…
ヒートシンク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 25/18 (72)発明者 斉藤 康人 東京都港区新橋３丁目３番９号 東芝エ ー・ブイ・イー株式会社内 Ｆターム(参考） 4M109 AA01 BA01 CA21 5F044 AA01 AA19 AA20 HH00 JJ03 5F067 AA18 DE01 DF01

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 表面に配線パターンが形成された配線基
    板と、この配線基板上に固着され中央部寄りの表面に複
    数個のボンディングパッドを有する半導体素子と、この
    半導体素子上の前記ボンディングパッドと前記配線基板
    上の前記配線パターンとを電気的に接続する第１のボン
    ディングワイヤと、前記半導体素子上の別の前記ボンデ
    ィングパッドから前記第１のボンディングワイヤが接続
    している前記配線パターンに電気的に接続する第２のボ
    ンディングワイヤとを具備し、 前記第１のボンディングワイヤと第２のボンディングワ
    イヤとは、相互に接触していることを特徴とする半導体
    装置。
  2. 【請求項２】 前記第１のボンディングワイヤが接続し
    た前記ボンディングパッドと、前記第２のボンディング
    ワイヤが接続した前記ボンディングパッドとは、前記第
    １のボンディングワイヤ及び前記第２のボンディングワ
    イヤの延出方向に沿って配設されていることを特徴とす
    る請求項１記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記第１のボンディングワイヤが接続し
    た前記ボンディングパッドと、前記第２のボンディング
    ワイヤが接続した前記ボンディングパッドとは、前記第
    １のボンディングワイヤ及び前記第２のボンディングワ
    イヤの延出方向に直交する方向沿って配設されているこ
    とを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記第１のボンディングワイヤと前記第
    ２のボンディングワイヤは、前記半導体素子のエッジ部
    近傍で交差して接触していることを特徴とする請求項１
    記載の半導体装置。
  5. 【請求項５】 前記第１のボンディングワイヤと前記第
    ２のボンディングワイヤは、ループ長の長い方が上側に
    なるようにボンディングされていることを特徴とする請
    求項２記載の半導体装置。
  6. 【請求項６】前記第１のボンディングワイヤと前記第２
    のボンディングワイヤとは樹脂モールドする際に接触す
    ることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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