JP2014123701A - 半導体装置 - Google Patents

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啓 川瀬
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Abstract

【課題】装置の小型化を図りつつインナーリードにワイヤボンディングを良好に行うことができる構成の半導体装置を提供することを課題とする。
【解決手段】半導体装置は、インナーリード２６ｉを放熱回路基板２０上に有する。インナーリード２６ｉは、ワイヤボンディングされるワイヤＷ１の被接続部となるインナーリードポスト２６ｐ１、２６ｐ２を有している。インナーリードポスト２６ｐ１、２６ｐ２は、矩形状であって長手方向が放熱回路基板２０の長手方向に沿っている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤボンディングを行った半導体装置に関する。
近年、市場における電子機器の小型化要求はますます高まっている。その反面、相対的に発熱が多い半導体素子（発熱素子）を有する発熱回路を電源装置に組み込むことも要望されている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、電子機器に搭載されている半導体素子などの電子部品には、アウターリードに連続しているインナーリードに、ワイヤをワイヤボンディングで接続していることが多い。この接続を行う際、通常、アウターリードの例えば両端部を押さえることで、ワイヤボンディング時にインナーリードの移動を抑止している。
特開2001-250911号公報
しかし、ワイヤボンディング時にアウターリードを充分に押さえることができず、この結果、インナーリードの移動を充分に抑止できないという不具合が発生することがあった。電子機器の小型化に伴ってアウターリードの幅を小さくすると、この問題は更に顕著となる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図りつつインナーリードにワイヤボンディングを良好に行うことができる構成の半導体装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、インナーリードを放熱回路基板上に有する半導体装置であって、前記インナーリードは、ボンディングワイヤの被接続部となるインナーリードポストを有しており、前記インナーリードポストは、矩形状であって長手方向が前記放熱回路基板の長手方向に沿っていることを特徴とする。
本発明によれば、装置の小型化を図りつつインナーリードにワイヤボンディングを良好に行うことができる構成の半導体装置が実現される。
図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施形態の半導体装置で、内部構造を説明する平面図および側面断面図である。 本発明の一実施形態の半導体装置の変形例を示す部分拡大平面図である。 本発明の一実施形態の半導体装置の変形例を示す部分拡大平面図である。 本発明の一実施形態の半導体装置の変形例を示す部分拡大平面図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、すでに説明したものと同一または類似の構成要素には同一または類似の符号を付し、その詳細な説明を適宜省略している。
また、図面は模式的なものであり、寸法比などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法比などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。
図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施形態の半導体装置で、内部構造を説明する平面図および側面図である。図２〜図４は、何れも、本発明の一実施形態の半導体装置の変形例を示す部分拡大平面図である。
図１に示すように、半導体装置１０は、放熱性の回路基板である放熱回路基板２０と、放熱回路基板２０に搭載された第１の発熱素子２２、第２の発熱素子２４、リードフレーム２６および感温素子（例えばサーミスタ）２８と、を備えている。
第１の発熱素子２２と第２の発熱素子２４は、封止樹脂３４の短手方向の略中央部に配置されている。また第１の発熱素子２２は第２の発熱素子２４よりも相対的に発熱が多い。
半導体装置１０は、放熱回路基板２０の裏面が露出するように、これらを封止する封止樹脂３４を備えている。
放熱回路基板（放熱板）２０は、金属ベース回路基板やセラミックベース回路基板であることが多い。また、放熱回路基板２０上の銅パターン部分（図示せず）と、第２の発熱素子２４を搭載したリードフレーム２６の裏面とが、導電性接着剤（例えばはんだ）を介して接着され、放熱回路基板２０の裏面は、封止樹脂（封止体）３４から露出している。
（フレームタブ）
リードフレーム２６は複数のフレームタブを有している。すなわち、リードフレーム２６は、第１の発熱素子２２を搭載する第１フレームタブ４０と、第１の発熱素子２２および第２の発熱素子２４を搭載する第２フレームタブ４２と、第２の発熱素子２４を搭載する第３フレームタブ４３とを有する。そして第２フレームタブ４２には、第１の発熱素子２２と第２の発熱素子２４との間のフレームタブ部分４２ｍに、フレームタブ部分４２ｍを貫通する透孔４６が形成されている。また、隣り合う第２の発熱素子２４同士の間にも透孔４６が形成されている。
本実施形態では、リードフレーム２６は銅製であり、均一な厚さの平条フレームである。従ってフレームタブ（第１フレームタブ４０、第２フレームタブ４２、および、第３フレームタブ４３）は銅からなる。フレームタブが導電性接着剤（例えばはんだ）で付けられる放熱回路基板２０上の銅パターン部分（図示せず）のサイズは、フレームタブと接する部分に比べ、同じか或いはやや小さくされている。
また、第１フレームタブ４０における第１の発熱素子２２の１つあたりの面積は、第２フレームタブ４２における第２の発熱素子２４の１つあたりの面積に比べて大きい。具体的には、第１フレームタブ４０の熱抵抗が、第２フレームタブ４２の熱抵抗よりも小さくなるように、第１フレームタブ４０の第１の発熱素子１つあたりの面積を、第２フレームタブ４２の第２の発熱素子１つあたりの面積に比べて例えば1.5倍以上大きくすることにより、第１の発熱素子２２からの熱を効率良く放熱できる構造になっている。なお、第１の発熱素子２２の熱抵抗は1.7Ｗ／℃、第２の発熱素子２４の熱抵抗は3Ｗ／℃である。
（インナーリード）
リードフレーム２６を構成するインナーリード２６ｉはアウターリード２６ｅに連続している。インナーリード２６ｉのうち、第２フレームタブ４２に接続するインナーリード以外では、インナーリードポスト２６ｐ１、２６ｐ２のいずれかを有する。インナーリードポスト２６ｐ１、２６ｐ２は平面視矩形状であり、その長手方向が、放熱回路基板２０の長手方向に沿うように配置されている。インナーリードポスト２６ｐ１の長手方向略中央部には、第２の発熱素子２４と電気接続するためのワイヤ（ボンディングワイヤ）Ｗ１が接続されている。そして、インナーリードポスト２６ｐ２の長手方向略中央部には、第１の発熱素子２２と電気接続するためのワイヤ（ボンディングワイヤ）Ｗ２、Ｗ３が接続されている。なお、ワイヤの材質には例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金、あるいは金または金合金、あるいは銅または銅合金を用いる。
また、本実施形態では、第２フレームタブ４２には１つの第１の発熱素子２２と複数（図１では３つ）の第２の発熱素子２４とが配置されており、第３フレームタブ４３には１つの第２の発熱素子２４が配置されている。このため、第２フレームタブ４２に供給する電力は第３フレームタブに供給する電力に比べて大きい。本実施形態ではこれを考慮して、アウターリード２６ｅと第２フレームタブ４２とに接続するインナーリード本体２６ｍの横幅が、インナーリードポスト２６ｐ１と第３フレームタブ４３とに接続するインナーリード接続部２６ｃｎに比べて幅広にされている。
また、本実施形態では、図１から判るように、第３フレームタブ４３に接続するインナーリード接続部２６ｃｎと、第２の発熱素子２４に接続されるワイヤＷ１とは、平面視で互い違いに交差している。
（封止樹脂）
本実施形態では、封止樹脂３４は、放熱回路基板２０と対向する側の長手方向、すなわち放熱回路基板２０に接する側が放熱回路基板２０に対して確実に凸形状となるように（すなわち封止樹脂３４の表面側が凹形状となるように）、封止樹脂３４の線膨張率、封止樹脂３４の厚み、放熱回路基板２０の厚みなどが考慮されている。
また、封止樹脂３４の裏面に切欠部３４ｄを形成することで沿面距離を確保しており、これにより、電気絶縁性が向上している。
また、封止樹脂３４の長手方向両端部には、ビス止めのネジが入り込む切欠部３４ｓが形成されている。そして、平面視の投影面上で、ビス止めのネジの頭部Ｈが、第１の発熱素子２２、更にはリードフレーム２６に重ならないように、切欠部３４ｓ、リードフレーム２６などの寸法、位置が決められている。
（アウターリード）
また、本実施形態では、インナーリード２６ｉに連続するアウターリード２６ｅは、放熱回路基板２０の外周から内側で曲げて、放熱回路基板２０の裏面から離す必要があり、放熱回路基板２０とは高さを異ならせている。
本実施形態では、アウターリード２６ｅは放熱回路基板２０に繋がる部位がデプレスされていることで、このようにアウターリード２６ｅの端部（樹脂封止体側面から導出されたアウターリードの端面）と放熱回路基板２０との高さが異なっている。
また、本実施形態では、デプレスの位置は、放熱回路基板２０を中央にして、左右同じであるが、異なっていてもよい。
なお、デプレスの形態としては、例えば図１（ｂ）に示すように、高さ方向に対して側面視で直線状に傾斜する直線傾斜部２６ｅｓ、２６ｅｔを形成してもよく、デプレスの形態は特に限定しない。
（感温素子）
感温素子２８は半導体素子を有するものであり、過熱保護用に放熱回路基板２０上に載置され、検知能力が向上している。すなわち、図１に示すように、感温素子２８は、放熱回路基板２０に形成されている電極２１ｋ、２１ｊに接続され、放熱回路基板２０上に直接に載置されているので、フレームタブを介して感温素子を配置した場合に比べ、放熱回路基板２０の温度を高い検出精度で検出をすることができる構成になっている。
また感温素子２８は、発熱素子と同様に封止樹脂３４の短手方向の略中央部に配置され、また隣り合う第３フレームタブ４３同士の間隔と同一の間隔で、第２の発熱素子２４の横並びに配置されている。
また、感温素子２８は、長矩形の外形を有し、感温素子２８の長手方向が半導体装置１０の長手方向と垂直になるよう配置しており、歪による特性変動を防止している。
また、本実施形態では、感温素子２８に接続される放熱回路基板２０の電極面積（一方の電極２１ｊおよび他方の電極２１ｋの合計の面積）が、感温素子２８の平面視面積よりも広い。
（作用、効果）
以下、本実施形態の作用、効果について説明する。
本実施形態では、感温素子２８が放熱回路基板２０上に直接に載置されている。従って、支持板などの介在物を経由して感温素子を配置した従来例に比べ、放熱回路基板２０の温度を高い検出精度で温度検出をすることができ、充分な過熱対策保護を図ることができる。
また、本実施形態では、感温素子２８に接続される放熱回路基板２０の電極面積（一方の電極２１ｊおよび他方の電極２１ｋの合計の面積）が、感温素子２８の平面視面積は、従来に比べて遥かに広い。従って、放熱回路基板２０の熱が感温素子２８に伝わる速度は、従来に比べて遥かに速く、放熱回路基板２０の温度をより迅速に正確に検出することができる。
また感温素子２８は、発熱素子と同様に封止樹脂３４の短手方向の略中央部に配置されている。そして、感温素子２８は、隣り合う第３フレームタブ４３の間隔と同一の間隔で第２の発熱素子２４の横並びの位置に配置されており、このように感温素子２８が第２の発熱素子２４に隣接することで、更に検出精度を向上させることができる構成になっている。
また、感温素子２８は、長矩形の外形を有し、感温素子２８の長手方向が半導体装置１０の長手方向と垂直になるよう配置しており、歪による特性変動を防止している。すなわち、温度変化などにより封止樹脂３４に反りが生じた場合、仮に感温素子２８の長手方向が半導体装置１０の長手方向と平行であると、感温素子２８に生じる反りが最大となるが、本実施形態では、封止樹脂３４の反りによって感温素子２８に生じる反りが最小となるように感温素子２８の向きが設定されている。
また、インナーリードポスト２６ｐ１と第２の発熱素子２４が載置される第３フレームタブ４３とに連続するインナーリード接続部２６ｃｎと、インナーリードポスト２６ｐ１と第２の発熱素子２４とに接続するワイヤ（ボンディングワイヤ）Ｗ１とは、平面視で交差した、いわゆるクロス配線となっており、しかも、互い違いにクロスしている。これにより、接続に必要な領域を狭くすることができ、半導体装置１０の小型化に大きく役立っている。また、小型化のために、アウターリードのピッチが狭い場合でも、接続に必要な領域を狭くすることができ、狭ピッチに対応することが可能である。
また、インナーリード接続部２６ｃｎの幅を広くすることにより、放熱性の向上が期待できる。
また、インナーリード接続部２６ｃｎの厚さを厚くして放熱性の向上が期待できる。
また、インナーリード接続部２６ｃｎの幅を広くしたり、あるいは厚さを厚くしたりすることでインナーリード接続部２６ｃｎの機械的強度が向上し、変形を防止する効果が期待できる。
また、インナーリード２６ｉに形成されたインナーリードポスト２６ｐ１、２６ｐ２は、平面視矩形状であって、その長手方向が、放熱回路基板２０の長手方向と平行方向となるように配置されている。インナーリードポスト２６ｐ１には第２の発熱素子２４と電気接続するためのワイヤ（ボンディング）Ｗ１が接続されている。従って、ワイヤボンディングする際にインナーリードポスト２６ｐ１の両端部を押さえて確実にワイヤボンディングすることができる。しかも、半導体装置１０の小型化を図るために第１の発熱素子２２を密集させた配置にしても、上記のクロス配線の領域を確保することができ、半導体装置１０の小型化を充分に図り易い。インナーリードポスト２６ｐ２についても同様である。
また、ワイヤの材質は、通電のために電気抵抗の低い金属が好ましく、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金、あるいは金または金合金、あるいは銅または銅合金が好ましい。
また、ワイヤの太さについては、大電流を流すワイヤは電気抵抗を小さくするために相対的に太く、それ以外のワイヤは細くしてもよい。
また、リボンワイヤあるいは、ストラップリードを用いることによって、高い通電性と放熱性の向上を期待することができる。
また、リードフレーム２６は複数のフレームタブ（第１フレームタブ４０および第２フレームタブ４２）を有しており、第１フレームタブ４０における第１の発熱素子２２の１つあたりの面積は、第２フレームタブ４２における第２の発熱素子２４の１つあたりの面積に比べて大きい。従って、第１フレームタブ４０では第２フレームタブ４２よりも放熱し易いので、第１の発熱素子２２で発生した熱を放熱し易い。
また、第２フレームタブ４２には、１つの第１の発熱素子２２と複数の第２の発熱素子２４とが配置されており、第２フレームタブ４２に供給する電力は他のフレームタブに比べて相対的に大きい。アウターリード２６ｅと第２フレームタブ４２とに接続するインナーリード本体２６ｍの横幅を幅広にすることで伝熱効果を高め放熱性を向上させることができる。
また、第２フレームタブ４２の透孔４６は、第２フレームタブ４２の横方向の熱伝導を妨げることにより、発熱素子間の熱の影響を防止することには有効であるが、第２フレームタブ４２の中央付近に熱がこもり易くなることを防ぐため、幅広なインナーリード本体２６ｍを第２フレームタブ４２の略中央に接続することにより、第２フレームタブ４２の放熱性を向上させることができる。
また、第１の発熱素子２２と第２の発熱素子２４との間のフレームタブ部分４２ｍに、フレームタブ部分４２ｍを貫通する透孔４６が形成されている。
透孔４６により、フレームタブ部分４２ｍを通過する横方向の伝熱を防止でき、第１の発熱素子２２で発生した熱が、第２の発熱素子２４に伝わることを防止できる。
また、透孔４６内には第２フレームタブ４０を放熱回路基板に接着する際に、樹脂を主剤とした導電性接着剤が入り込んでもよい。この場合、はんだが入り込んだ場合よりも熱の遮断性効果が高くなる。
また、封止樹脂３４にて封止した際に封止樹脂３４が入り込んでも熱の遮断性効果が高くなる。この際、透孔４６内にボイド等の空気が入り込んでも熱の遮断性効果が高くなる。
なお、導電性接着剤として、はんだを入り込ませてもよい。この場合、熱の遮断性は劣るが、接着時にはんだ中のボイドが透孔４６内に抜けるため、はんだの厚みを均一化しやすいという効果が得られる。
また透孔４６の形状、大きさは本実施形態に限定するものでは無く、第２フレームタブの強度が維持される大きさであればよい。
例えば、透孔４６の幅は、フレームタブ部分４２ｍの幅と略等しい幅まで可能である。
また、フレームタブの厚みが均一な平条フレームとしたが、フレームタブが厚い異形条フレームとすることで熱容量が増加し、放熱効果を向上させることができる。
フレームタブが導電性接着剤（例えばはんだ）で付けられる放熱回路基板２０上の銅パターン部分（図示せず）のサイズは、フレームタブと接する部分に比べ、同じか或いはやや小さくされており、これにより、導電性接着剤（例えばはんだ）のはみ出しが抑えられている。
なお、リードフレーム２６の表面にはめっき（例えばニッケルめっき）を施してもよい。
放熱回路基板２０は、放熱性を重視する場合は金属ベース回路基板とし、そうでない場合は、安価なセラミックベース回路基板することができる。
また、放熱回路基板２０は、放熱回路基板２０上の銅パターン部分に、第２の発熱素子２４を搭載したリードフレーム２６の裏面を導電性接着剤（例えばはんだ）を介して接着しており、発熱素子からの熱を封止樹脂３４から露出した放熱回路基板２０の裏面から放熱する効果が期待できる。
また、銅パターン部分のサイズは、フレームタブと接する部分に比べ、同じか或いはやや小さくされており、これにより、導電性接着剤のはみ出しが抑えられている。
また、封止樹脂３４は、放熱回路基板２０と対向する側の長手方向、すなわち放熱回路基板２０に接する側が放熱回路基板２０に対して確実に凸形状となっている。これにより、外部の放熱フィンにビス止めすることで、放熱回路基板２０の中央部が封止樹脂３４から浮き上がることを確実に防止し、密着性を向上させることができる。このことは、封止樹脂３４が薄厚であるときに特に顕著な効果を奏する。
また、封止樹脂３４の裏面に切欠部３４ｄを形成することで沿面距離を確保しており、これにより、電気絶縁性が向上している。
なお、インナーリードポスト２６ｐ１、２６ｐ２とアウターリード２６ｅやインナーリード接続部２６ｃｎとの接続形態や、インナーリードポスト２６ｐ１、２６ｐ２の寸法などは特に限定するものではない。例えば、図１に示したアウターリード２６ｅよりも幅細のアウターリード５６ｅ（図２参照）が接続されたインナーリードポスト５６ｐであってもよいし、図１に示したインナーリード接続部２６ｃｎに比べ、平面視で逆方向（紙面左下方向）に延び出すインナーリード接続部６６ｃｎ（図３参照）が接続されたインナーリードポスト６６ｐであってもよい。また、図１に示したインナーリードポスト２６ｐ２に比べ、平面視での縦横比が更に大きいインナーリードポスト７６ｐ（図４参照）であってもよい。
また、本実施形態では、感温素子２８の長手方向が半導体装置１０の長手方向と垂直になるよう配置された例で説明したが、厳密に垂直ではなくて、例えば垂直方向に対して±５°程度に傾いていても、封止樹脂３４の反りによって感温素子２８に生じる反りを小さくすることができる。
また、本実施形態では、インナーリードポスト２６ｐ１、２６ｐ２の長手方向が、放熱回路基板２０の長手方向と平行方向となるように配置された例で説明したが、厳密に平行ではなくて、例えば平行方向に対して±５°程度に傾いていても、ワイヤボンディングする際にインナーリードポスト２６ｐ１の両端部を押さえて確実にワイヤボンディングすることができ、また、第１の発熱素子２２を密集させた配置にしても、上記のクロス配線の領域を確保して半導体装置１０の小型化を充分に図ることができる。
感温素子２８は、温度検知精度に応じた電子部品や抵抗で構成することもできる。
第１の発熱素子２２と第２の発熱素子２４は、従来のシリコン（Ｓｉ）半導体素子に比べて高温状態での動作が可能であり、スイッチング速度が速く、低損失である化合物半導体、例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）やガリウムナイトライド（ＧａＮ）等の化合物半導体で構成することもできる。
以上のように、本発明に係る半導体装置は、インナーリードは、ボンディングワイヤの被接続部となるインナーリードポストを有しており、インナーリードポストは、矩形状であって長手方向が放熱回路基板の長手方向に沿っているので、装置の小型化を図りつつインナーリードにワイヤボンディングを良好に行うことができる構成の半導体装置として用いるのに好適である。
１０ 半導体装置
２０ 放熱回路基板
２２ 発熱素子
２４ 発熱素子
２６ リードフレーム
２６ｃｎ インナーリード接続部
２６ｍ インナーリード本体
２６ｐ１ インナーリードポスト
２６ｐ２ インナーリードポスト
４０ 第１フレームタブ（単数素子搭載フレームタブ）
４２ 第２フレームタブ（複数素子搭載フレームタブ）
４３ 第３フレームタブ（単数素子搭載フレームタブ）
Ｗ１ ワイヤ（ボンディングワイヤ）
Ｗ２ ワイヤ（ボンディングワイヤ）
Ｗ３ ワイヤ（ボンディングワイヤ）

Claims (4)

  1. インナーリードを放熱回路基板上に有する半導体装置であって、
    前記インナーリードは、ボンディングワイヤの被接続部となるインナーリードポストを有しており、
    前記インナーリードポストは、矩形状であって長手方向が前記放熱回路基板の長手方向に沿っていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記インナーリードポストの長手方向略中央部にボンディングワイヤが接続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. 前記インナーリードを有するリードフレームは、発熱素子が載置されるフレームタブを備えており、
    前記インナーリードポストと前記フレームタブとに連続するインナーリード接続部と、前記インナーリードポストと前記フレームタブ上に載置された前記発熱素子とに接続するボンディングワイヤとは、平面視で交差していることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
  4. 前記フレームタブとして、１つの発熱素子が載置された単数素子搭載フレームタブと、複数の発熱素子が載置された複数素子搭載フレームタブとが設けられ、
    前記複数素子搭載フレームタブに接続する前記インナーリード接続部またはインナーリード本体は、前記単数素子搭載フレームタブに接続する前記インナーリード接続部に比べて幅広であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
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