JP2005353713A - 半導体装置 - Google Patents

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electromagnetic wave
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Shinzo Yamashita
信三 山下
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

【課題】 本発明は、外部の電気回路装置の誤作動の原因となるＥＭＩノイズを効果的に排除し、容易に製造可能な、軽量で小型化された信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明の半導体装置は、半導体チップ、該半導体チップが実装される第１の端子、および該半導体チップが配線用金属ワイヤを介して電気的に接続される少なくとも１つの第２の端子を備えた半導体装置において、前記第１の端子の両側に配設された一対の接地端子と、前記一対の接地端子を電気的に接続し、前記半導体素子の上方において延伸する少なくとも１つの電磁波遮蔽用金属ワイヤと、前記電磁波遮蔽用金属ワイヤおよび前記半導体素子の間に充填された絶縁材料からなるモールド樹脂と、を有する。
【選択図】図１

Description

近年、パワーモジュールなどの電力半導体装置は、より大きな電流をより高速でスイッチング制御できるように研究開発が進められている。これに伴い、パワーモジュールから放射される不要な電磁ノイズ（以下、「ＥＭＩノイズ」という。）により、周辺の電子機器が誤作動を起こすという問題がより顕在化しつつある。加えて、人体がＥＭＩノイズにより悪影響を受ける可能性があるという報告もある。そのためＥＭＩノイズは、さまざまな規格で規制の対象となっている。
そこで、パワーモジュールなどの電力半導体装置をアセンブリするメーカは、電子機器がＥＭＩノイズの影響を受けないためのイミュニティ対策を施す一方、パワーモジュールの製造メーカは、パワーモジュールからのＥＭＩノイズをいかにして低減させるかのエミッション対策に莫大な費用と労力を傾注している。
これまでのエミッション対策の一例として、接地電位を有する導電体ケース（カバー）を、モールド成型されたパワーモジュールの周辺に隣接して配置することにより、ＥＭＩノイズを低減するように試みられていた。このとき、ＥＭＩノイズを極力小さくするためには、導電体ケースをパワーモジュールにできるだけ接近して配置することが好ましい。しかし一方、パッケージ樹脂から延びるリードフレームなどの外部端子と導電体ケースの間には、絶縁距離以上の距離を設けることが各種安全規格（例えば、欧州統一規格ＥＮ６０９５０（ＩＣＥ９５０）やＵＬ規格）で規定されている。例えば、使用電圧２５１Ｖ〜６００Ｖでプラスチック材料のＣＴＩ（比較炭化導電指数）が６００の場合、使用環境の汚染度合が２（通常事務室内の環境）においてＥＮ６０９５０で規定された強化絶縁を実現するためには、６．４ｍｍの絶縁距離が必要とされる。ところが、外部端子から導電体ケースまでに６．４ｍｍの間隙があれば、ＥＭＩノイズは、導電体ケースに吸収されることなく、この間隙から容易に漏れてしまう。すなわち、パワーモジュールの周囲に導電体ケースを配置してエミッション対策を行う場合、外部端子と導電体ケースの間の絶縁距離において、相反する２つの条件を同時に満足させなければならない。
これに対処すべく、従来式の電力半導体装置によれば、接地された導電体ケースを半導体チップに隣接してパッケージ樹脂に内蔵し、導電体ケースと半導体チップの間にもパッケージ樹脂などの高誘電率を有する絶縁材料を充填することにより、絶縁距離を極力小さくするとともに、ＥＭＩノイズを低減するように提案されてきた。具体的には、特開平９−１３００８２号は、上部が平らなシールド板２が内蔵された半導体装置を開示している。また、特開２０００−７７５７５号は、板状の放熱体３２がダイ２２の上方を覆うように配置された半導体装置を教示している。
特開平９−１３００８２号公報 特開２０００−７７５７５号公報
しかしながら、板状のＥＭＩノイズ遮蔽用シールド材を樹脂モールド内に内蔵するとき、高い粘性を有する硬化前のトランスファモールド樹脂を、半導体チップとシールド材の間に均一にかつ十分に充填することは容易ではなかった。すなわち、板状のシールド材と半導体チップの間には、モールド樹脂が充填されない領域（気泡またはボイド）が形成されることが多かった。板状シールド材と半導体チップの間に気泡が形成されると、気泡の熱膨張係数が周囲のモールド樹脂に比して実質的に大きいため、使用中に半導体チップから生じる熱により、モールド樹脂がストレスを受け、クラックを生じる。さらに、接地された板状シールド材と高電圧を有する半導体チップの間において気泡が形成されると、その間の絶縁抵抗が小さくなり、放電が生じ、半導体装置が破壊される虞さえ生じる。このように、板状シールド材と半導体チップの間に気泡が形成されると、半導体装置の安全性および信頼性が著しく損なわれる。
そこで本発明は、ＥＭＩノイズ遮断用の導電体と半導体チップの間に気泡を形成することなく、ＥＭＩノイズを遮断することができる半導体装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、ＥＭＩノイズ遮断用の導電体を簡便な手法で製造加工できる半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、半導体チップ、該半導体チップが実装される第１の端子、および該半導体チップが配線用金属ワイヤを介して電気的に接続される少なくとも１つの第２の端子を備えた半導体装置において、前記第１の端子の両側に配設された一対の接地端子と、前記一対の接地端子を電気的に接続し、前記半導体素子の上方において延伸する少なくとも１つの電磁波遮蔽用金属ワイヤと、前記電磁波遮蔽用金属ワイヤおよび前記半導体素子の間に充填された絶縁材料からなるモールド樹脂と、を有する。
本発明によれば、外部の電気回路装置の誤作動の原因となるＥＭＩノイズを効果的に排除し、容易に製造可能な、軽量で小型化された信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施の形態を説明する。各実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「Ｘ方向」、「Ｙ方向」、および「Ｚ方向」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。
実施の形態１．
図１ないし図３を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（電力半導体装置）の実施の形態１について以下に説明する。図１に示すパワーモジュール１は、概略、ＩＧＢＴチップなどの半導体チップ１０と、Ｘ方向に延びる端子（コレクタ端子２０、エミッタ端子２２、ゲート端子２４、および接地された一対の接地端子２６，２８を含む）と、を有する。半導体チップ１０は、半田などの導電性接着材（図示せず）を介して、コレクタ端子２０のダイボンド領域２１上に実装される。また半導体チップ１０は、エミッタ電極１２およびゲート電極１４を有し、これらは、Ｘ方向に延びる配線用アルミワイヤ３０，３２を介して、それぞれエミッタ端子２２およびゲート端子２４に接続される。
各端子２０〜２８は、フレームタイプの半導体装置の場合、導電性リードフレームであるが、基板タイプの半導体装置のように、絶縁基板上に形成された導電性プリント配線であってもよい。以下の説明において、本発明がフレームタイプの半導体装置１に適用された実施の形態について説明および図示するが、本発明は、任意の形態を有する半導体装置に適用可能であって、半導体装置のタイプにより限定して解釈されるべきではない。
本発明による実施の形態１のパワーモジュール１によれば、コレクタ端子２０が一対の接地端子２６，２８の間に配設されるとともに、半導体チップ１０の上方において図示のＹ方向に延伸する少なくとも１つの（好適には複数の）電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０がそれぞれの接地端子２６，２８にワイヤボンディングされる。各電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０は、半導体チップ１０および配線用アルミワイヤ３０，３２と離間し、半導体チップ１０のみならず、配線用アルミワイヤ３０，３２の上方にも延伸することが好ましい。
電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０は、配線用アルミワイヤ３０，３２を形成するワイヤボンダと同じワイヤボンダを用いてワイヤボンディングされるので、極めて容易に製造加工できる。したがって、両者のアルミワイヤ３０，３２，４０の径および材質は、同じであるが、別のワイヤボンダを用いて互いに異なるように加工してもよい。
半導体チップ１０、各端子２０〜２８、各配線用アルミワイヤ３０，３２、および各電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０は、図２および図３に示すように、絶縁材料からなるモールド樹脂５０で包囲されるように、モールド成型される。このとき、電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０の径が十分に小さいので、配線用アルミワイヤ３０，３２と電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０の間にも、モールド樹脂５０を均一かつ十分に充填することができる（図２および図３において、図面を分かりやすくするために、モールド樹脂５０のハッチングを省略した。）。すなわち、注入されたモールド樹脂５０が、容易にかつ確実に、電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０と半導体チップ１０（および配線用アルミワイヤ３０，３２）との間に入り込むことができ、気泡またはボイドの形成を防止することができる。
このように構成されたパワーモジュール１において、接地された電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０は、高速スイッチング動作を行う半導体チップ１０および配線用アルミワイヤ３０，３２の上方に延伸し、これらから上方に放射されるＥＭＩノイズを効果的に吸収・除去することができる。またパワーモジュール１は、通常、熱伝導率の高い金属製の冷却フィン（図示せず）上に取り付けられるため、半導体チップ１０および配線用アルミワイヤ３０，３２から下方に放射されるＥＭＩノイズは、この冷却フィンにより吸収・遮蔽される。こうして、外部の電気回路装置をＥＭＩノイズから効率的に保護し、誤動作することを防止することができる。
また、高誘電率を有する絶縁材料からなるモールド樹脂が電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０と半導体チップ１０（および配線用アルミワイヤ３０，３２）との間において確実に充填されるので、両者のアルミワイヤ３０，３２，４０の間の絶縁距離を極力小さくして、半導体装置１全体を小型化するとともに、気泡またはボイドを排除できるので、樹脂クラックが発生しにくい信頼性の高い半導体装置１を実現することができる。
さらに、電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０および配線用アルミワイヤ３０，３２は、同一のワイヤボンダを用いてワイヤボンディングすることができるので、特別の構成部品を要することなく、簡便にＥＭＩノイズのエミッション対策を講じることができる。加えて、電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０は軽量であるので、電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０を追加しても重量の増大を極力避けることができる。
実施の形態２．
図４ないし図７を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態２について以下に説明する。実施の形態２のパワーモジュール２は、複数の電磁波遮蔽用アルミワイヤの代わりに電磁波遮蔽用導電体を用いた点を除いて、実施の形態１のパワーモジュール１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
実施の形態２の電磁波遮蔽用導電体６０は、複数の貫通孔６２を有する金属板を逆Ｕ字状に折り曲げて形成され、折り曲げられた端部においてフランジ６４，６６を有する。図４に示す貫通孔６２は、円形状であるが、例えば、四角形、六角形、八角形などの多角形を含む任意の形状であってもよい。
実施の形態１と同様、半導体チップ１０をダイボンド領域２１上に実装し、配線用アルミワイヤ３０，３２をワイヤボンディングした後、半田などの導電性接着材を用いて、電磁波遮蔽用導電体６０のフランジ６４，６６を一対の接地端子２６，２８に電気的に接続する。電磁波遮蔽用導電体６０は、半導体チップ１０および配線用アルミワイヤ３０，３２の上方に配設される。
その後、同様に、絶縁材料からなるモールド樹脂５０が半導体チップ１０、各端子２０〜２８、各配線用アルミワイヤ３０，３２、および電磁波遮蔽用導電体６０を覆うように、モールド樹脂５０でモールド成型される。
このとき、電磁波遮蔽用導電体６０は、複数の貫通孔６２を有するので、電磁波遮蔽用導電体６０と半導体チップ１０（配線用アルミワイヤ３０，３２を含む）の間において、注入される未硬化モールド樹脂５０が容易にかつ確実に入り込み、気泡またはボイドの形成を防止することができる。
換言すると、気泡またはボイドが形成されないように、かつより効果的にＥＭＩノイズを排除できるように、電磁波遮蔽用導電体６０の貫通孔６２の寸法または個数を自在に選択することができる。
このように、接地された電磁波遮蔽用導電体６０は、半導体チップ１０および配線用アルミワイヤ３０，３２から放射されるＥＭＩノイズを効果的に吸収・除去し、外部の電気回路が誤動作することを防止できる。
また、電磁波遮蔽用アルミワイヤ４０と半導体チップ１０（および配線用アルミワイヤ３０，３２）との間において、モールド樹脂が確実に充填されるので、両者のアルミワイヤ３０，３２，４０の間の絶縁距離を極力小さくして、パワーモジュール２全体を小型化するとともに、気泡またはボイドを排除できるので、樹脂クラックが発生しにくい信頼性の高いパワーモジュール２を実現することができる。
変形例１．
図７に示す変形例１によるパワーモジュール２は、端子一体式電磁波遮蔽用導電体７０を有し、これは、一対の端子部７２，７４と、その間に延伸し複数の貫通孔を含む本体部７６と、を有する。半導体チップ１０および配線用アルミワイヤ３０，３２を本体部７６の下方に配置した後、これらを包囲するようにモールド成型する。変形例１の端子一体式電磁波遮蔽用導電体７０の本体部７６は、実施の形態２の電磁波遮蔽用導電体６０と同様、複数の貫通孔を有するので、本体部７６と半導体チップ１０（および配線用アルミワイヤ３０，３２）との間において、気泡またはボイドが形成されることなく、モールド樹脂が確実に充填される。
このように構成された端子一体式電磁波遮蔽用導電体７０によれば、実施の形態２の電磁波遮蔽用導電体６０と同様の効果を実現することができる。さらに、端子一体式電磁波遮蔽用導電体７０によれば、端子部７２，７４（接地端子２６，２８に相当）と本体部７６（実施の形態２の電磁波遮蔽用導電体６０に相当）を電気的に接続する必要がないので、製造工程が簡略化され、製造コストを低減することができる。
変形例２．
図８に示す変形例１によるパワーモジュール２は、複数の貫通孔６２を有する電磁波遮蔽用導電体６０の代わりに、金属線を網目状に織り込んで形成された網目状電磁波遮蔽用導電体８０を有する。
変形例２の網目状電磁波遮蔽用導電体８０によれば、実施の形態２と同様の効果を得ることができる上に、実施の形態２に比べて、網目状電磁波遮蔽用導電体８０ひいては半導体装置２の重量を軽減することができる。
本発明の第１の実施の形態による半導体装置の斜視図である。 図１のII−II線から見た断面図である。 図１のIII−III線から見た断面図である。 本発明の第２の実施の形態による半導体装置の斜視図である。 図４のＶ−Ｖ線から見た断面図である。 図４のＶI−ＶI線から見た断面図である。 変形例１による端子一体式電磁波遮蔽用導電体の斜視図である。 変形例２による網目状電磁波遮蔽用導電体の斜視図である。
符号の説明
１ パワーモジュール（半導体装置）、１０ 半導体チップ、１２ エミッタ電極、１４ ゲート電極、２０ コレクタ端子、２１ ダイボンド領域、２２ エミッタ端子、２４ ゲート端子、２６，２８ 接地端子、３０，３２ 配線用アルミワイヤ、４０ 電磁波遮蔽用アルミワイヤ、５０ モールド樹脂、６０ 電磁波遮蔽用導電体、６２ 貫通孔、６４，６６ フランジ、７０ 端子一体式電磁波遮蔽用導電体、７２，７４ 端子部、７６ 本体部、８０ 網目状電磁波遮蔽用導電体。

Claims (6)

  1. 半導体チップ、該半導体チップが実装される第１の端子、および該半導体チップが配線用金属ワイヤを介して電気的に接続される少なくとも１つの第２の端子を備えた半導体装置において、
    前記第１の端子の両側に配設された一対の接地端子と、
    前記一対の接地端子を電気的に接続し、前記半導体素子の上方において延伸する少なくとも１つの電磁波遮蔽用金属ワイヤと、
    前記電磁波遮蔽用金属ワイヤおよび前記半導体素子の間に充填された絶縁材料からなるモールド樹脂と、を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記電磁波遮蔽用金属ワイヤは、配線用金属ワイヤの上方にも延伸することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 半導体チップ、該半導体チップが実装される第１の端子、および該半導体チップが配線用金属ワイヤを介して電気的に接続される少なくとも１つの第２の端子を備えた半導体装置において、
    前記第１の端子の両側に配設された一対の接地端子と、
    複数の貫通孔または網目を有する電磁波遮蔽用導電体であって、前記一対の接地端子を電気的に接続し、前記半導体素子の上方において配設される電磁波遮蔽用導電体と、
    前記電磁波遮蔽用導電体および前記半導体素子の間に充填された絶縁材料からなるモールド樹脂と、を有することを特徴とする半導体装置。
  4. 半導体チップ、該半導体チップが実装される第１の端子、および該半導体チップが配線用金属ワイヤを介して電気的に接続される少なくとも１つの第２の端子を備えた半導体装置において、
    一対の端子部とその間に配設された本体部とを含む端子一体式電磁波遮蔽用導電体であって、前記半導体素子が該本体部の下方でかつ該一対の端子部の間に配置される端子一体式電磁波遮蔽用導電体と、
    前記本体部および前記半導体素子の間に充填された絶縁材料からなるモールド樹脂と、を有することを特徴とする半導体装置。
  5. 前記本体部は、複数の貫通孔または網目を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記電磁波遮蔽用導電体は、配線用金属ワイヤの上方において延伸することを特徴とする請求項３ないし５のいずれか一に記載の半導体装置。

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