JP2011253942A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤの接続不良を抑制する。
【解決手段】第１電極及び第２電極を備える半導体素子と、基板に表面が露出するように固定され、その表面に前記半導体素子の第１電極が接合される金属電極板８と、金属電極板８に形成されて、一端がその金属電極板８の表面に開口し、他端がその金属電極板８の裏面に開口する貫通路８１と、信号端子５を保持するとともに、一部が金属電極板８の表面と接するように基板上に配置される端子台４と、端子台４に形成されて、一端が金属電極板８の表面との接触面４１ａに開口して貫通路８１に接続され、他端がその接触面４１ａとは異なる他の所定面４２ａに開口する内部通路４３と、信号端子５と半導体素子の第２電極とを電気的に接続するワイヤと、モールド成形によって貫通路８１及び内部通路４３に樹脂を充填させることで、金属電極板８及び端子台４と一体化されるモールド部材７と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置及びその製造方法に関する。

特許文献１には、インバータ又はコンバータとして使用される半導体装置が開示されている。

特開２００１−１１０９８５号公報

しかしながら、前述した従来の半導体装置は、半導体素子を接合させた金属電極板を樹脂モールドによって固定しており、金属電極板と樹脂とが接合されるわけではないので、金属電極板と樹脂との間に微小な空隙が存在していた。そのため、金属電極板にワイヤを超音波接合しようとすると、共振が発生しやすくなり、接合不良が発生するという問題点があった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、超音波接合時の共振の発生を抑制し、接合不良の発生を抑制することを目的とする。

本発明は半導体装置である。本発明による半導体装置は、第１電極及び第２電極を備える半導体素子と、基板に表面が露出するように固定され、その表面に前記半導体素子の第１電極が接合される金属電極板と、信号端子を保持するとともに、一部が金属電極板の表面と接するように基板上に配置される端子台と、信号端子と半導体素子の第２電極とを電気的に接続するワイヤと、を備える。金属電極板には、一端がその金属電極板の表面に開口し、他端がその金属電極板の裏面に開口する貫通路が形成される。また、端子台には、一端が金属電極板の表面との接触面に開口して貫通路に接続され、他端がその接触面とは異なる他の所定面に開口する内部通路が形成される。そしてさらに、モールド成形によって貫通路及び内部通路に樹脂を充填させることで、金属電極板及び端子台と一体化されるモールド部材を備える。

また、本発明は、表面に半導体素子が接合されるとともに、表面から裏面に向かって貫通する貫通路を含む金属電極板と、信号端子を保持するとともに、一端が裏面に開口し、他端が裏面とは異なる他の所定面に開口する内部通路を含む端子台と、を備える半導体装置の製造方法である。本発明による半導体装置の製造方法は、まず端子台の裏面に開口する内部通路の開口端が、金属電極板の表面に開口する貫通路の開口端上に位置するように、その金属電極板上にその端子台を配置する。次に端子台の所定面に開口する内部通路の開口端から樹脂を流し込み、その樹脂を内部通路及び貫通路に充填させることで、金属電極板及び端子台と一体化されるモールド部材を成形する。次に超音波接合によって信号端子にワイヤを接合する。

本発明によれば、金属電極板の貫通路と、金属電極板の上に配置される端子台の内部通路とを接続し、内部通路及び貫通路に樹脂を流し込むことによって金属電極板及び端子台と一体化されるモールド部材を成形する。そのため、金属電極板と端子台との接着強度が向上するので、超音波接合によって信号端子にワイヤを接合するときの共振の発生を抑制でき、接合不良が発生するのを抑制できる。

本発明の第１実施形態による半導体装置の概略斜視図である。 本発明の第１実施形態による半導体装置の要部断面の斜視図である。 本発明の第２実施形態による半導体装置の要部断面の斜視図であり、上下を反転させた状態を示す図である。 本発明の第３実施形態による半導体装置の要部断面の斜視図であり、上下を反転させた状態を示す図である。 本発明の第４実施形態による半導体装置の要部断面の斜視図であり、上下を反転させた状態を示す図である。 本発明の第５実施形態による半導体装置の要部断面の斜視図である。 本発明の第６実施形態による半導体装置の要部断面の斜視図であり、上下を反転させた状態を示す図である。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による半導体装置１の概略斜視図である。

半導体装置１は、基板２と、半導体素子３と、端子台４と、信号端子５と、ボンディングワイヤ６と、ケース７と、を備える。半導体装置１は、例えば直流と交流の２種類の電気を相互に変換するインバータとして使用される。

基板２は、半導体装置１の底面に設けられる。基板２は、例えば銅などの導体で構成された複数のバスバ８を、バスバ８の表裏両面が露出するようにモールドした板状の部材である。

半導体素子３は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの電力制御用の素子であり、表裏両面に電極３１を備える。以下では半導体素子３の表面に形成された電極を「表面電極３１ａ」といい、裏面に形成された電極を「裏面電極３１ｂ」という。半導体素子３は、バスバ８の表面に半田付けされる。これにより、半導体素子３の裏面電極３１ｂとバスバ８とが電気的に接続される。

端子台４は、モールド成形によって各信号端子５と一体化させたＬ字状の樹脂部材であり、基板２の上に配置される土台部４１と、土台部４１に対して直角に図中上方に延びる垂直壁部４２と、を備える。端子台４は、基板２の両端に１つずつ、それぞれが対向するように配置される。端子台４は、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの耐熱性を有する絶縁樹脂で構成される。

信号端子５は、Ｌ字状に曲げ加工された絶縁被膜を施してない帯状の導体であり、端子台４に保持される。信号端子５の一端側は、端子台４の垂直壁部４２から図中上方に垂直に突出し、外部電源や外部電気機器などと電気的に接続される。一方、信号端子５の他端側は、端子台４の土台部４１の表面に配置され、ボンディングワイヤ６によって半導体素子３の表面電極３１ａ又は基板２のバスバ８と電気的に接続される。ボンディングワイヤ６は、例えばアルミニウムで構成された金属の細い線である。

ケース７は、基板２の外周に沿って形成される樹脂部材であり、モールド成形によって基板２、バスバ８、及び端子台４と一体化される。ケース７も端子台４と同様にＰＢＴやＰＰＳなどの耐熱性を有する絶縁樹脂で構成される。

ここで、半導体装置１の組立工数やコストの低減を図るには、接着剤等を用いずに、超音波接合によってボンディングワイヤ６を信号端子５に接続するのが望ましい。しかしながら、端子台４とバスバ８との間に空隙が存在すると、接合時に共振が起こりやすくなり、接合不良が発生することがある。

そこで本実施形態では、ケース７をモールド成形によって基板２、バスバ８、及び端子台４と一体化させるときに、端子台４とバスバ８とを積極的に密着させることで、超音波接合時の共振の発生を抑えることにした。以下、どのようにして端子台４とバスバ８とを密着させるかについて、図２を参照して具体的に説明する。

図２は、図１の要部断面の斜視図である。図２（Ａ）は、基板２及びバスバ８の上に端子台４を配置する前の図である。図２（Ｂ）は、基板２及びバスバ８の上に端子台４を配置した後の図である。図２（Ｃ）は、モールド成形によって基板２、バスバ８、及び端子台４をケース７と一体化させた後の図である。

図２（Ａ）に示すように、端子台４には、一端が垂直壁部４２の外側側面４２ａに開口し、他端が土台部４１の裏面４１ａに開口する内部通路４３が形成される。垂直壁部４２の外側側面４２ａに開口する内部通路４３の開口端（以下「側面開口端」という。）は略矩形の形状をしており、土台部４１の裏面に開口する内部通路４３の開口端（以下「裏面開口端」という。）は略円形の形状をしている。

バスバ８には、一端がバスバ８の表面に開口し、他端がバスバ８の裏面に開口してバスバ８を垂直方向に貫通する貫通路８１が形成される。貫通路８１は、バスバ８の表面側に形成される小径部８１ａと、裏面側に形成されて小径部８１ａの径よりも大きい径を有する大径部８１ｂと、を備える。バスバ８の表面に開口する貫通路８１の小径部８１ａの開口端（以下「小径部開口端」という。）は、内部通路４３の裏面開口端の径と略同等の径を有する。なお、貫通路８１は、半導体素子３を冷却する上で性能上問題ない位置に設けることが望ましい。

図２（Ｂ）に示すように、基板２及びバスバ８の上に端子台４を配置するときは、バスバ８に形成された貫通路８１の小径部開口端の上に、端子台４の内部通路４３の裏面開口端が配置されるようにして、内部通路４３と貫通路８１とを接続させる。

これにより、図２（Ｃ）に示すように、モールド成形によってケース７を形成するときに、内部通路４３の側面開口端から内部通路４３の内部に流れ込んだ樹脂が、貫通路８１の小径部８１ａ及び大径部８１ｂへと流れて内部通路４３及び貫通路８１に樹脂が充填される。

その結果、貫通路８１の大径部８１ｂに充填された樹脂（すなわちケース７）によってバスバ８が保持されることになり、このケース７によって保持されたバスバ８とケース７の垂直壁部４２とによって端子台４が挟持されることなる。これにより、バスバ８と端子台４との密着強度が増して、バスバ８と端子台４との間に空隙が生じるのを抑制できる。よって、超音波接合によってボンディングワイヤ６を信号端子５の他端側に接続するときに共振が発生するのを抑制でき、接合不良が発生するのを抑制できる。

また、接着剤等を用いずにボンディングワイヤ６を信号端子５の他端側に接続することができるので、組立工数及びコストの低減を図ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、各バスバ８に複数の貫通路８１を設けた点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図３は、本実施形態による半導体装置１の要部断面の斜視図であり、上下を反転させた状態を示す図である。図３（Ａ）は、基板２及びバスバ８の上に端子台４を配置する前の図である。図３（Ｂ）は、基板２及びバスバ８の上に端子台４を配置した後の図である。図３（Ｃ）は、モールド成形によって基板２、バスバ８、及び端子台４をケース７と一体化させた後の図である。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、本実施形態ではバスバ８に２つの貫通路８１を設けるとともに、端子台４にも各貫通路８１に接続される内部通路４３を別個に設ける。そして、図３（Ｃ）に示すように、各内部通路４３及び貫通路８１に樹脂を充填する。

これにより、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、内部通路４３及び貫通路８１を複数設けることによって、バスバ８と端子台４との密着強度を第１実施形態よりも増加させることができる。よって、超音波接合によってボンディングワイヤ６を信号端子５の他端側に接続したときに接合不良が発生する確率をより低下させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、バスバ８の裏面に信号端子５の整列方向に伸びる溝を形成した点で第２実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図４は、本実施形態による半導体装置１の要部断面の斜視図であり、上下を反転させた状態を示す図である。図４（Ａ）は、基板２及びバスバ８の上に端子台４を配置する前の図である。図４（Ｂ）は、基板２及びバスバ８の上に端子台４を配置した後の図である。図４（Ｃ）は、モールド成形によって基板２、バスバ８、及び端子台４をケース７と一体化させた後の図である。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、本実施形態では、バスバ８の裏面に、バスバ８に設けられた２つの貫通路８１の大径部８１ｂを接続する溝８２が形成される。この溝８２は、端子台４に保持された信号端子５の整列方向に伸びるように形成される。

そして、図４（Ｃ）に示すように、内部通路４３及び貫通路８１を通して最終的に溝８２に樹脂を流し込み、溝８２に樹脂を充填する。

これにより、第２実施形態と同様の効果が得られるほか、第２実施形態よりもケース７とバスバ８の裏面との接触面積が増加するので、よりバスバ８と端子台４との密着強度が増加する。したがって、超音波接合によってボンディングワイヤ６を信号端子５の他端側に接続したときに接合不良が発生する確率をより低下させることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、バスバ８の裏面に形成した溝８２の形状が第３実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図５は、本実施形態による半導体装置１の要部断面の斜視図であり、上下を反転させた状態を示す図である。図５（Ａ）は、基板２及びバスバ８の上に端子台４を配置する前の図である。図５（Ｂ）は、基板２及びバスバ８の上に端子台４を配置した後の図である。図５（Ｃ）は、モールド成形によって基板２、バスバ８、及び端子台４をケース７と一体化させた後の図である。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、本実施形態では、バスバ８の裏面に、バスバ８に設けられた２つの貫通路８１の大径部８１ｂを接続する溝８２が形成される。この溝８２は、端子台４に保持された信号端子５の整列方向に伸びる幹部８２ａと、幹部８２ａから整列方向に直行する方向に分岐する枝部８２ｂと、を備えるように形成される。

そして、図５（Ｃ）に示すように、内部通路４３及び貫通路８１を通して溝８２の幹部８２ａと枝部８２ｂとに樹脂を流し込み、樹脂を充填する。

これにより、第３実施形態よりもケース７とバスバ８の裏面との接触面積が増加するので、よりバスバ８と端子台４との密着強度が増加する。したがって、超音波接合によってボンディングワイヤ６を信号端子５の他端側に接続したときに接合不良が発生する確率をより低下させることができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本発明の第５実施形態は、バスバ８の裏面側に形成される大径部８１ｂの形状をラビリンス構造とした点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図６は、本実施形態による半導体装置１の要部断面の斜視図であり、モールド成形によって基板２、バスバ８、及び端子台４をケース７と一体化させた後の図である。

図６に示すように、本実施形態では、貫通路８１の大径部８１ｂに、大径部８１ｂの外周に沿ってバスバ８の表面側に凹む環状の凹部８３がさらに形成される。そして、内部通路４３を通って貫通路８１に流れ込んで来た樹脂をこの凹部８３に流し込んで充填する。

このように、大径部８１ｂの形状を複雑に入り組んだラビリンス構造とすることでも、ケース７とバスバ８の裏面との接触面積を増加させることができるので、バスバ８と端子台４との密着強度を増加させることができる。したがって、超音波接合によってボンディングワイヤ６を信号端子５の他端側に接続したときに接合不良が発生する確率をより低下させることができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本発明の第６実施形態は、バスバ８の裏面側にロケートピン７１を形成する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図７は、本実施形態による半導体装置１の要部断面の斜視図であり、上下を反転させた状態を示す図である。図７（Ａ）は、基板２及びバスバ８の上に端子台４を配置する前の図である。図７（Ｂ）は、基板２及びバスバ８の上に端子台４を配置した後の図である。図７（Ｃ）は、モールド成形によって基板２、バスバ８、及び端子台４をケース７と一体化させた後の図である。

図７（Ｃ）に示すように、本実施形態では、モールド成形によって基板２、バスバ８、及び端子台４をケース７と一体化させるときに、貫通路８１から突出する位置決め用のロケートピン７１を形成する。

これにより、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、このロケートピン７１にボンディングワイヤ６を超音波接合するときの位置決めの役割や、例えば基板２の下面に冷却器を取り付けるときの位置決め機能の役割を持たせることで、新たに別個のロケートピン７１を準備する必要がない。よって、コストの低減を図ることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

１ 半導体装置
２ 基板
３ 半導体素子
４ 端子台
５ 信号端子
６ ボンディングワイヤ（ワイヤ）
７ ケース（モールド部材）
８ バスバ（金属電極板）
３１ａ 表面電極（第２電極）
３１ｂ 裏面電極（第１電極）
４１ａ 土台部の裏面（接触面）
４２ａ 垂直壁部の外側側面（所定面）
４３ 内部通路
７１ ロケートピン（突出部）
８１ 貫通路
８１ａ 小径部（第１通路部）
８１ｂ 大径部（第２通路部）
８２ 溝
８２ａ 幹部
８２ｂ 枝部
８３ 凹部（ラビリンス構造の通路）

Claims (8)

1. 第１電極及び第２電極を備える半導体素子と、
   基板に表面が露出するように固定され、その表面に前記半導体素子の第１電極が接合される金属電極板と、
   前記金属電極板に形成されて、一端がその金属電極板の表面に開口し、他端がその金属電極板の裏面に開口する貫通路と、
   信号端子を保持するとともに、一部が前記金属電極板の表面と接するように前記基板上に配置される端子台と、
   前記端子台に形成されて、一端が前記金属電極板の表面との接触面に開口して前記貫通路に接続され、他端がその接触面とは異なる他の所定面に開口する内部通路と、
   前記信号端子と前記半導体素子の第２電極とを電気的に接続するワイヤと、
   モールド成形によって前記貫通路及び前記内部通路に樹脂を充填させることで、前記金属電極板及び前記端子台と一体化されるモールド部材と、
   を備える半導体装置。
2. 前記貫通路は、
   前記金属電極板の表面側に形成される第１通路部と、
   前記金属電極板の裏面側に形成され、前記第１通路部よりも太い第２通路部と、
   を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記貫通路及び前記内部通路を複数形成する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記金属電極板の裏面に、その金属電極板の裏面に開口する一の前記貫通路の開口部と、他の前記貫通路の開口部と、を連通する溝を形成する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記溝は、
   前記一の前記貫通路の開口部と、前記他の前記貫通路の開口部と、を連通する幹部と、
   前記幹部から分岐し、前記幹部に直行する方向に延接される枝部と、
   を備える、
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記貫通路は、ラビリンス構造の通路を備える、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の半導体装置。
7. 前記モールド部材は、前記貫通路から前記金属電極板の裏面側に突出する突出部を備える、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の半導体装置。
8. 表面に半導体素子が接合されるとともに、表面から裏面に向かって貫通する貫通路を含む金属電極板と、
   信号端子を保持するとともに、一端が裏面に開口し、他端が裏面とは異なる他の所定面に開口する内部通路を含む端子台と、
   を備える半導体装置の製造方法であって、
   前記端子台の裏面に開口する前記内部通路の開口端が、前記金属電極板の表面に開口する前記貫通路の開口端上に位置するように、その金属電極板上にその端子台を配置する工程と、
   前記端子台の所定面に開口する前記内部通路の開口端から樹脂を流し込み、その樹脂を前記内部通路及び前記貫通路に充填させることで、前記金属電極板及び前記端子台と一体化されるモールド部材を成形する工程と、
   超音波接合によって前記信号端子にワイヤを接合する工程と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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