JP2014187135A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2014187135A
JP2014187135A JP2013060292A JP2013060292A JP2014187135A JP 2014187135 A JP2014187135 A JP 2014187135A JP 2013060292 A JP2013060292 A JP 2013060292A JP 2013060292 A JP2013060292 A JP 2013060292A JP 2014187135 A JP2014187135 A JP 2014187135A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
resin
chip
metal plate
bonding wires
semiconductor chip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2013060292A
Other languages
English (en)
Inventor
Shoji Hayashi
将司 林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2013060292A priority Critical patent/JP2014187135A/ja
Publication of JP2014187135A publication Critical patent/JP2014187135A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/33—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of a plurality of layer connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L2224/06—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of a plurality of bonding areas
    • H01L2224/0601—Structure
    • H01L2224/0603—Bonding areas having different sizes, e.g. different heights or widths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/2612—Auxiliary members for layer connectors, e.g. spacers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32245—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/83909—Post-treatment of the layer connector or bonding area
    • H01L2224/83951—Forming additional members, e.g. for reinforcing, fillet sealant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/85909—Post-treatment of the connector or wire bonding area
    • H01L2224/8592—Applying permanent coating, e.g. protective coating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L2224/80 - H01L2224/90
    • H01L2224/92—Specific sequence of method steps
    • H01L2224/922—Connecting different surfaces of the semiconductor or solid-state body with connectors of different types
    • H01L2224/9222—Sequential connecting processes
    • H01L2224/92242—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector
    • H01L2224/92247—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector the second connecting process involving a wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181—Encapsulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)
  • Wire Bonding (AREA)

Abstract

【課題】ボンディングワイヤのワイヤ流れの抑制と、半導体チップと金属板の熱膨張率の相違によるハンダの劣化の抑制を両立する技術を提供する。
【解決手段】半導体装置２は、平板型のチップ４と、複数のボンディングワイヤ６と、樹脂被膜９と、樹脂パッケージ５を備える。チップ４は金属板１２にハンダ付けされている。複数のボンディングワイヤ６は、チップ４と接続端子７とを接続する。樹脂被膜９は、複数のボンディングワイヤ６を一体的に被覆して束ねるとともにチップ４を被覆しており、ボンディングワイヤの被覆と半導体チップの被覆が繋がっている。樹脂パッケージ５は、金属板１２に接しているとともに、被覆されたボンディングワイヤ６及びチップ４を封止している。樹脂パッケージ５と金属板１２の熱膨張率の差が、樹脂被膜９と金属板１２の熱膨張率の差よりも小さい。また、被覆された平板型のチップ４の側面を樹脂パッケージ５の樹脂が囲んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップを樹脂で封止した半導体装置に関する。
従来から、半導体チップを樹脂で封止した（モールドした）半導体装置が知られている。本明細書では、半導体チップの全体を覆う樹脂の塊を樹脂パッケージと称する。半導体チップは、金属板の上にハンダ付けされる。金属板は、リードフレームと呼ばれるものであったり、半導体チップの熱を樹脂パッケージの外に放出するための放熱板であったりする。リードフレームの場合はその一部あるいは全部が樹脂パッケージに封止され、放熱板の場合は放熱板の一方の面（半導体チップを固定している面）に樹脂パッケージが固着している。
半導体チップの電極を樹脂パッケージの外部に引き出すため、一部が樹脂パッケージから露出し、残部が樹脂パッケージに埋設された金属導体（接続端子）と半導体チップの電極をボンディングワイヤと呼ばれる金属細線で接続する構造が採用されることがある。
一般に樹脂パッケージは、ボンディングワイヤを取り付けた後に射出成形で成形される。射出成形において、樹脂パッケージに相当する溶融樹脂を金型のキャビティに射出した際、溶融樹脂の流れの圧力によってボンディングワイヤの位置がずれることがある。そのような現象は「ワイヤ流れ」と呼ばれている。ワイヤ流れの影響が大きいと、ワイヤが外れたり、あるいは、隣接するボンディングワイヤが接触して短絡したりする。
ワイヤ流れがボンディングワイヤに与えるダメージを抑制する技術が例えば特許文献１−３に開示されている。特許文献１の技術では、ボンディングワイヤと半導体チップを、射出成形に先立ってエポキシ系の樹脂で覆って補強する。特許文献２、３の技術では、ボンディングワイヤに絶縁被膜を施し、ワイヤ流れによってボンディングワイヤ同士が接触しても短絡しないようにする。特に、特許文献２の技術では、絶縁被膜が隣接するボンディングワイヤを樹脂で連接し、ワイヤ流れに対してボンディングワイヤの位置がずれてしまうことを抑制する。
特開平３−７１６６０号公報 特開２００２−０６４１６６号公報 特開平７−４５７５５号公報
他方、一般に半導体チップと金属板は熱膨張率（線熱膨張係数）が異なる。パワー半導体チップなど発熱量の大きい半導体チップの場合、熱膨張率の差によって半導体チップを金属板に固定しているハンダ材に応力が生じ、ハンダ材の劣化が進行する虞がある。一例では、半導体チップの線熱膨張係数は２．０〜３．０［ｐｐｍ／℃］であり、金属板の線熱膨張係数は５〜１７［ｐｐｍ／℃］である。
そこで、樹脂パッケージ用の樹脂には、金属板の熱膨張率に比較的に近い硬い材質が採用される。典型的には、エポキシ系の樹脂が採用される。熱膨張率を高めるため、樹脂に金属フィラーを混在させることもある。そのような樹脂で半導体チップを封止することで、樹脂パッケージの熱変形に伴って半導体チップを強制的に変形させる。つまり、熱による半導体チップの歪の大きさを、樹脂パッケージの歪の大きさ、即ち、樹脂パッケージと熱膨張率が近い金属板の歪の大きさと同程度としてしまう。金属板の歪と半導体チップの歪が同程度となれば、金属板と半導体チップの間でそれらを固定するハンダ材に加わる応力が抑制され、その結果、劣化が抑制される。
しかしながら、エポキシ系の樹脂は硬いがゆえに、金属板や半導体チップとの接合性が高くない。それゆえ樹脂パッケージが金属板や半導体チップから剥離する虞がある。従って特許文献１のようにエポキシ系の樹脂で半導体チップとボンディングワイヤを補強しても、エポキシ系の樹脂が剥離してしまう虞がある。特許文献１と２の技術は、ワイヤ流れ対策の技術ではあるが、金属板と半導体チップの熱膨張率の相違により生じ得るハンダ材の劣化に関しては考慮がなされていない。
本明細書は、ワイヤ流れの抑制と、半導体チップと金属板の熱膨張率の差によるハンダの劣化抑制を両立する技術を提供する。
近年では、エポキシ系と比較して柔らかく（剛性が低く）、また、熱膨張率は金属材と比較して低いが半導体チップとの密着性が良い非エポキシ系の樹脂で予め金属板や半導体チップを薄く被覆し、その上にエポキシ系の樹脂で樹脂パッケージを射出成形にて成形する手法が採用される。一般に、射出成形の樹脂や塗料などの固着性を高めるために、予め、樹脂や塗料を固着させる対象物の表面を被覆する下地材をプライマと呼ぶ。半導体装置の場合、上記した非エポキシ系の樹脂の被膜がプライマである。プライマ（樹脂被膜）は、半導体チップとエポキシ系の樹脂の双方と密着性が高いがエポキシ系の樹脂と比較すると柔らかく、また、熱膨張率も低い。本明細書が開示する技術は、半導体チップを被覆するプライマで複数のボンディングワイヤを一体的に被覆して一つに束ねる。即ち、ボンディングワイヤの樹脂被膜と半導体チップの樹脂被膜が繋がっている。この連続した樹脂被膜が、ボンディングワイヤのワイヤ流れを抑制する。
他方、本明細書が開示する技術では、さらに、金属板にハンダ付けされているとともに被覆されている平板型の半導体チップの側面を樹脂パッケージの樹脂で囲む。金属板は、樹脂パッケージと接することになる。金属板は、樹脂パッケージに埋設されていてもよい。前述したように、樹脂被膜の樹脂は樹脂パッケージを形成する樹脂と比較すると、柔らかく、また、熱膨張率が金属のそれと比較して低い。それゆえ、樹脂被膜だけでは、半導体チップと金属板の熱膨張率の差によりハンダの劣化が進んでしまう。それゆえ、本明細書が開示する技術では、樹脂パッケージの樹脂として、金属板との熱膨張率の差が、樹脂被膜と金属板との熱膨張率の差よりも小さいものを採用する。そのような樹脂で半導体チップの側面を囲むことで、半導体チップの熱歪を金属板の熱歪と同等とし、金属板と半導体チップの間のハンダに加わる応力を緩和し、ハンダ材の劣化を抑制する。このように、本明細書が開示する技術は、ボンディングワイヤのワイヤ流れの抑制と、半導体チップと金属板の間のハンダ材の劣化の進行抑制を両立する。
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の実施例にて説明する。
図１（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の平面図である（一方の放熱板を除いた状態）。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である（一方の放熱板を含む）。 ボンディングワイヤの間隔Ｌの条件を説明する図である。 半導体装置の製造方法を説明する図である（１）。 半導体装置の製造方法を説明する図である（２）。 半導体装置の製造方法を説明する図である（３）。 図６（Ａ）は、半導体装置の製造方法を説明する図である（４）。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置２の平面図（図１（Ａ））と断面図（図１（Ｂ））である。なお、図１（Ａ）では、理解を助けるため、一方の放熱板（放熱板１３）を除いているとともに、樹脂パッケージ５に封止されている部品を実線で描いてある。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。図１（Ｂ）では、放熱板１２から伸びる電極端１２ａは、樹脂パッケージ５で覆われて見えないはずであるが、理解を助けるために電極端１２ａも断面として描いてある。
半導体装置２は、トランジスタチップ４とダイオードチップ３が逆並列に接続された回路を樹脂で封止したものであり、インバータや電圧コンバータ等の回路に用いられる。トランジスタチップ等を封止している樹脂の塊を樹脂パッケージ５と称する。トランジスタチップ４とダイオードチップ３は、電気自動車など、大電流を流すことのできるいわゆるパワー半導体であり、発熱量が大きい。それゆえ、半導体装置２は、トランジスタチップ４とダイオードチップ３の熱を外部に放出するための一対の放熱板１２、１３を有している。放熱板１２、１３は金属製であり、トランジスタチップ４のエミッタ電極とコレクタ電極を樹脂パッケージ５の外部に引き出す電極の一部を利用している。
図１に示すように、半導体装置２は、一対の放熱板１２、１３の間に配置されている平板状のトランジスタチップ４及びダイオードチップ３と、銅スペーサ１４と、トランジスタチップ４の側方に配置された複数の接続端子７と、トランジスタチップ４と接続端子７とを接続する複数のボンディングワイヤ６とを備えている。トランジスタチップ４とダイオードチップ３は、一対の放熱板１２、１３の間で樹脂パッケージ５により封止されている。
トランジスタチップ４は、具体的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。平板型のトランジスタチップ４は、一方面にエミッタ電極を有し、他方面にコレクタ電極とゲート電極を有している。エミッタ電極がハンダ材１８を介して一方の放熱板１２に固定されている。コレクタ電極は、ハンダ材１８と銅スペーサ１４を介して他方の放熱板１３に固定されている。こうして、一方の放熱板１２はエミッタ電極と導通し、他方の放熱板１３はコレクタ電極と導通する。また、トランジスタチップ４に隣接して平板状のダイオードチップ３が配置されている。ダイオードチップ３の一方の面にアノードが露出しており、他方の面にカソードが露出している。アノードはハンダ材１８を介して一方の放熱板１２に固定されており、カソードはハンダ材１８と銅スペーサ１４を介して他方の放熱板１３に固定されている。前述したように、放熱板１２、１３は電極の一部であり、一対の放熱板１２、１３の間で、トランジスタチップ４とダイオードチップ３が逆並列に接続される。放熱板１２からは電極端１２ａが伸びており、その電極端１２ａが樹脂パッケージ５から露出している。電極端１２ａに他のデバイスから伸びる導体が接続される。図１では、他方の放熱板１３の電極端は図示を省略している。
また、図１に示すように、複数の接続端子７は、トランジスタチップ４に隣接する位置に並べて配置され、トランジスタチップ４に向かって伸びている。複数の接続端子７は、一部が樹脂パッケージ５に埋設されており、他部が樹脂パッケージ５から露出している。複数の接続端子７は、トランジスタチップ４のゲート電極を樹脂パッケージ５の外部へ引き出すために備えられている。複数の接続端子７は、樹脂パッケージ５の内部で、ボンディングワイヤ６を介してトランジスタチップ４のゲート電極に接続されている。トランジスタチップ４のエミッタとコレクタには大電流が流れるため、平板の放熱板１２、１３が電極として用いられるが、ゲートにはそれほどの大電流は流れないので、ゲートと接続端子７は金属細線のボンディングワイヤ６で接続される。
複数のボンディングワイヤ６は、トランジスタチップ４と接続端子７との間に並べて配置されており、一端がトランジスタチップ４に固定され、他端が接続端子７に固定されており、両者を接続している。ボンディングワイヤ６の材質としては、例えばアルミニウム、銅等の金属が用いられる。
トランジスタチップ４、ダイオードチップ３、銅スペーサ１４、ボンディングワイヤ６は、樹脂で完全にモールドされている（封止されている）が、トランジスタチップ４などと樹脂パッケージ５の境界には樹脂被膜９（プライマ；下地剤）の層が介在している。別言すれば、トランジスタチップ４、ダイオードチップ３、銅スペーサ１４、ボンディングワイヤ６は、樹脂パッケージ５の樹脂とは異なる樹脂で被覆されている。典型的には、樹脂パッケージ５はエポキシ系樹脂であり、樹脂被膜９は非エポキシ系樹脂である。より具体的には、樹脂被膜９は、ポリアミド系の樹脂である。樹脂被膜９は、樹脂パッケージ５と比較すると、柔らかく（剛性が低く）、しかし金属との密着性がよい。金属との密着性は、金属と固着させた後、その樹脂を剥離させるのに要する応力の大きさで定量的に特定することができる。
また、樹脂被膜９の熱膨張率（線熱膨張係数）と樹脂パッケージ５の熱膨張率を比較すると、樹脂パッケージ５の熱膨張率は樹脂被膜９の熱膨張率よりも金属（放熱板１２、１３）のそれに近い。別言すれば、樹脂パッケージ５と放熱板１２、１３（金属板）の熱膨張率の差が、樹脂被膜９と放熱板１２、１３（金属板）の熱膨張率の差よりも小さい。
樹脂パッケージ５は、トランジスタチップ４とダイオードチップ３を保護するとともに、それらのチップと金属製の放熱板１２、１３との熱膨張率の相違によるハンダ材１８の劣化を抑制する。以下、説明の便宜上、トランジスタチップ４とダイオードチップ３を合わせてチップと称する。一般に、チップの熱膨張率（線熱膨張係数）は２．０〜３．０［ｐｐｍ／℃］であり、金属板（放熱板）の線熱膨張係数は５〜１７［ｐｐｍ／℃］である。チップを樹脂でモールドしない場合、チップと放熱板１２、１３との熱膨張率の差により、それらの間のハンダ材１８に応力が生じる。チップが発熱を繰り返す毎にハンダ材１８に応力が加わり、繰り返し応力がハンダ材１８の劣化を進めてしまう。金属板と同程度の熱膨張率を有する樹脂でチップを封止することで、熱膨張によるチップの歪の大きさを、強制的に樹脂の歪の大きさに近づける。即ち、熱膨張によるチップの歪を放熱板１２、１３の歪と同程度とさせる。その結果、チップと放熱板１２、１３の変形量の差が小さくなるので、それらの間のハンダ材１８に生じる応力が緩和され、劣化の進みが抑制される。
一方、樹脂パッケージ５は、樹脂の射出成形工程で形成されるが、硬くて熱膨張率が金属板に近い樹脂パッケージ５の樹脂はチップや金属板（放熱板）との密着性が低い。そこで、樹脂パッケージ５の射出成形に先立って、樹脂パッケージ５の樹脂よりもチップや放熱板１２、１３との密着性がよい樹脂でチップや金属板を被覆する。即ち、樹脂被膜９を形成する。
ここで、図１（Ａ）に示すように、実施例の半導体装置２では、樹脂被膜９により、複数のボンディングワイヤ６を一体的に被覆して束ねる。図１の符号９ａが、複数のボンディングワイヤ６を一つに束ねている箇所を示している。符号９ａが示す箇所を、ワイヤ結束被膜９ａと称する。なお、図１（Ｂ）に示すように、樹脂被膜９はチップの周囲や放熱板１２、１３の表面にも塗布されるが、図１（Ａ）ではワイヤ結束被膜９ａだけを描いてあり、チップや放熱板１２、１３の表面の樹脂被膜は図示を省略している。
樹脂被膜９は、さらに、ボンディングワイヤ６とトランジスタチップ４との接続部、及び、ボンディングワイヤ６と接続端子７との接続部位まで一体的に被覆する。その結果、トランジスタチップ４の周囲の樹脂被膜９と、複数のボンディングワイヤ６を一つに束ねているワイヤ結束被膜９ａと、接続端子７の周囲の樹脂被膜が連続することになる。こうして、複数のボンディングワイヤ６は、ワイヤ結束被膜９ａにより、一つに束ねられるとともに、トランジスタチップ４との接続部位から接続端子７との接続部位まで完全に被覆される。
この、ボンディングワイヤ６のワイヤ結束被膜９ａは、樹脂パッケージ５を射出成形する際の溶融樹脂の流れからボンディングワイヤ６を保護する。樹脂パッケージ５を除くチップと放熱板のアセンブリは金型に入れられ、周囲に溶融樹脂が高圧で流し込まれる。そのとき、溶融樹脂が勢いよくボンディングワイヤ６に衝突する。ここで、複数のボンディングワイヤ６がワイヤ結束被膜９ａで一つに束ねられているので、溶融樹脂の流れに抗することができる。即ち、ワイヤ結束被膜９ａは、溶融樹脂によるワイヤ流れを抑制することができる。
また、樹脂被膜９は、チップ表面を薄く被覆するのみであり、平板型のチップの側面（特に、チップと放熱板１２と境界を含む側面）は薄い樹脂被膜９を挟んで樹脂パッケージ５の樹脂で囲まれている。それゆえ、上記したように、チップと放熱板との熱膨張率の差によるハンダ材１８の劣化も抑制される。なお、チップ表面や放熱板の表面における樹脂被膜９の層厚は、概ね１００ミクロン以下である。
以上のとおり、実施例の半導体装置２は、ボンディングワイヤ６のワイヤ流れの抑制と、チップと放熱板を接合するハンダ材１８の劣化抑制を両立する。
次に、複数のボンディングワイヤ６を樹脂被膜９で一つに束ねるのに好適なボンディングワイヤの間隔について説明する。樹脂被膜９は、樹脂パッケージ５を除くチップと放熱板のアセンブリを溶融している樹脂のタンクに浸し、引き上げることで生成する。それゆえ、ワイヤ結束被膜９ａの樹脂（以下、プライマ樹脂と称することがある）は、溶融している間、隣接するボンディングワイヤの間から落ちないことが必要である。溶融したプライマ樹脂が落ちないためには、複数のボンディングワイヤ６は、それぞれ下記の式（Ａ）を満たす距離Ｌを隔てて配置されることが好ましい。以下、式（Ａ）の導出過程を説明する。
Figure 2014187135
ここで、上記の式（Ａ）において、Ｌは、ボンディングワイヤ６の間隔、ρは、ワイヤ結束被膜９ａの樹脂（プライマ樹脂）の密度、γは、溶融状態におけるワイヤ結束被膜の表面張力、Ｒは、ボンディングワイヤ６の直径、ｇは、重力加速度、πは、円周率である。
図２を参照して式（Ａ）についてより詳細に説明する。図２は、２本のボンディングワイヤ６と、それらを一つに束ねるワイヤ結束被覆９ａの断面図である。図２に示すように、ボンディングワイヤ６の間に固化する前のワイヤ結束被膜９ａ（即ち溶融したプライマ樹脂）を保持するためには、ワイヤ結束被膜９ａに加わる重力をＦｇとし、固化前のワイヤ結束被膜９ａの表面張力によるボンディングワイヤ６への接着力をＦ１とすると、下記の式（１）の関係が成立する。
Figure 2014187135
ここで、ワイヤ結束被膜９ａの体積をＶとし、固化前のワイヤ結束被膜９ａの密度をρとし、ボンディングワイヤ６の長さをｙとすると、Ｆｇは、下記の式（２）で表される。
Figure 2014187135
また、固化前のワイヤ結束被膜９ａの表面張力をγとすると、Ｆ１は、下記の式（３）で表される。
Figure 2014187135
上記の式（１）、（２）、（３）より、次の式（４）が成立する。
Figure 2014187135
式（４）の最後の式が、上記した式（Ａ）に相当する。以上より、複数のボンディングワイヤは、それぞれ式（Ａ）を満たす間隔で配置されていることが好ましい。
ボンディングワイヤ６の間隔Ｌの一つの具体例を説明する。プライマ樹脂として、ＮＭＰ希釈ポリアミドイミドを用いた。ＮＭＰは、Ｎ−メチル−２−ピロリドンの略である。希釈後のプライマ樹脂の密度ρは１．０２７ｇ／ｃｍ３であり、このとき、表面張力γは４１ｄｙｎｅ／ｃｍであった。また、ボンディングワイヤ６の径Ｒを３００μｍとした。
このとき、上記の式（Ａ）を用いて、好ましい各ボンディングワイヤ６の間隔Ｌは下記の通り求まる。
Figure 2014187135
 以上より、各ボンディングワイヤ６の間隔Ｌを２．７４×１０−２ｍ以下にすれば、溶融したプライマ樹脂（ＮＭＰ希釈ポリアミドイミド）は、重力に抗して、隣接するボンディングワイヤ６の間に留まる。なお、プライマ樹脂であるポリアミドイミドをＮＭＰで濃い目に希釈し、表面張力γを調整することによって、上記した式（Ａ）を満足する間隔Ｌが得られる。
次に、上記の構成を備える半導体装置２の製造方法について説明する。図３〜図６は、半導体装置２の製造方法を説明する図である。半導体装置２を製造するときは、まず図３に示すように、一方の放熱板１２の上にハンダ材１８を介してトランジスタチップ４とダイオードチップ３を固定する（ハンダ付けする）。また、トランジスタチップ４とダイオードチップ３の上にそれぞれハンダ材１８を介して銅スペーサ１４を固定する。銅スペーサ１４の上には、後に他方の放熱板１３を固定するためのハンダ材１８が取り付けられる。また、不図示の治具を用いて、接続端子７をトランジスタチップ４に隣接する位置に固定する。
次に、不図示のワイヤ供給装置およびボンディングツールを用いて、図４に示すように、トランジスタチップ４と接続端子７とをボンディングワイヤ６により接続する。次に、図５に示すように、２個の銅スペーサ１４の上にハンダ材１８を介して他方の放熱板１３を固定する。樹脂パッケージを成形する前の半導体装置の構造体をアセンブリ５０と称する。さらに、アセンブリ５０をＮＭＰ希釈プライマ樹脂が満たされたタンクの中に浸し、引き上げる。そうすると、アセンブリ５０の全体にプライマ樹脂の被膜（樹脂被膜９）が形成される。隣接するボンディングワイヤ６の間隔Ｌが前述した式（Ａ）の関係を満たしていれば、隣接するボンディングワイヤ６の間にプライマ樹脂が留まる。プライマ樹脂が固化すると、複数のボンディングワイヤ６を一体に束ねたワイヤ結束被膜９ａが形成される。
最後に、プライマ樹脂の被膜が形成されたアセンブリ５０に樹脂パッケージ５を射出成形する。図６（Ａ）に、金型２３、２４に収められたアセンブリ５０の断面図を示す。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。金型は、上型２４と下型２３で構成され、内部に樹脂パッケージ５の形状を有するキャビティ空間ＣＡが形成されている。アセンブリ５０をそのキャビティ空間ＣＡに入れ、金型を閉じ、プランジャ２５で溶融樹脂Ｒｅをキャビティ空間ＣＡに射出する。図６（Ａ）、（Ｂ）においてキャビティ空間ＣＡ内に描かれているグレーの領域が溶融樹脂を示しており、矢印は、溶融樹脂の進行方向を示している。図６（Ｂ）によく示されているように、溶融樹脂Ｒｅはボンディングワイヤ６に向かって流れる。複数のボンディングワイヤ６は、ワイヤ結束被膜９ａによって、トランジスタチップ側の接続部位から接続端子側の接続部位まで一つに束ねられている。それゆえ、溶融樹脂の流れによく耐え、ボンディングワイヤ６が受けるダメージが抑制される。
実施例の半導体装置の特徴のいくつかを以下列記する。
（１）平板型のトランジスタ（半導体チップ）が放熱板（金属板）にハンダ付けされている。複数のボンディングワイヤが、トランジスタと接続端子とを接続している。接続端子は、一部が樹脂パッケージから露出しているとともに、他部は樹脂パッケージ５に埋設されており、トランジスタチップの電極（ゲート電極）を樹脂パッケージ５の外へ引き出すための導体である。プライマ樹脂が、複数のボンディングワイヤを一体的に被覆して束ねるとともにトランジスタを被覆している。即ち、半導体装置２は、プライマ樹脂による樹脂被膜９を備える。樹脂被膜９は、ボンディングワイヤを被覆している部分とトランジスタチップを被覆している部分が繋がっている。樹脂パッケージ５を形成する樹脂は、放熱板１２、１３とともに、プライマ樹脂で被覆された複数のボンディングワイヤ６及びトランジスタチップ４をモールドする（封止する）。樹脂パッケージ５は、放熱板１２の一面に固着している。樹脂パッケージ５と放熱板１２の熱膨張率の差は、樹脂被膜９と放熱板１２の熱膨張率の差よりも小さい。そして、樹脂被膜９で被覆された平板型のトランジスタ４の側面を樹脂パッケージ５の樹脂が囲んでいる。
（２）樹脂被膜９は、接続端子７とボンディングワイヤ６の接続部位まで被覆している。すなわち、樹脂被膜９は、ボンディングワイヤ６の一方の接続部位から他方の接続部位まで連続的に覆っている。
（３）隣接するボンディングワイヤ６は、前述の式（Ａ）を満たす間隔で配置されている。
トランジスタチップ４が半導体チップの一例に相当する。しかし、半導体チップはトランジスタチップに限られない。樹脂で封止されているとともに、樹脂パッケージの中でボンディングワイヤが使われているものであればよい。そのような半導体チップの別の例は、多数のトランジスタを集積したＩＣチップなどがある。
放熱板１２が、金属板の一例に相当する。樹脂パッケージ５の樹脂と、樹脂被膜９の樹脂は、エポキシ系と非エポキシ系に限られない。樹脂パッケージ５と放熱板１２の熱膨張率の差が、樹脂被膜９と放熱板１２の熱膨張率の差よりも小さければよい。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では半導体チップ２としてＩＧＢＴを用いた構成を説明したが、この構成に限定されるものではなく、半導体チップ２として様々な構成を用いることができる。例えば、基板上にＩＧＢＴやダイオード等を複数配置した構成を半導体チップ２とすることもでき、半導体チップ２の概念が上記のＩＧＢＴに限定されるものではない。このようなＩＧＢＴに限定されない半導体チップ２においても、ボンディングワイヤ６のワイヤ流れを確実に抑制することができる。
また、上記実施形態では、ボンディングワイヤ６の他に半導体チップ２等もＮＭＰ希釈ポリアミドイミドのプライマ樹脂により被覆していたが、この構成に限定されるものではなく、半導体チップ２等を別の樹脂により被覆してもよい。このような構成によっても、半導体チップ２等をプライマ処理することができる。
また、上記実施形態では、一対の放熱板１２，１３を用いていたが、必ずしも一対である必要ななく、一方（例えば上方）の放熱板１３を省略することもできる。
また、各ボンディングワイヤ６の間隔や、プライマ樹脂、樹脂パッケージの樹脂および半導体チップ２の熱膨張率は、適宜変更可能である。樹脂パッケージと金属板の熱膨張率の差が、プライマ樹脂と金属板の熱膨張率の差よりも小さければよい。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
２；半導体装置
３；ダイオードチップ
４；トランジスタチップ
５；樹脂パッケージ
６；ボンディングワイヤ
７；接続端子
９；樹脂被膜
１２；放熱板
１３；放熱板
１４；銅スペーサ
１８；ハンダ材
２３；下型
２４；上型
２５；プランジャ
５０；アセンブリ

Claims (4)

  1. 金属板（１２）にハンダ付けされた平板型の半導体チップ（４）と、
    半導体チップ（４）と接続端子（７）とを接続する複数のボンディングワイヤ（６）と、
    前記複数のボンディングワイヤ（６）を一体的に被覆して束ねるとともに半導体チップ（４）を被覆しており、ボンディングワイヤ（６）の被覆と半導体チップ（４）の被覆が繋がっている樹脂被膜（９）と、
    前記金属板（１２）に接しているとともに、被覆された前記ボンディングワイヤ（６）及び前記半導体チップ（４）を封止している樹脂パッケージ（５）と、
    を備えており、
    樹脂パッケージ（５）と金属板（１２）の熱膨張率の差が、樹脂被膜（９）と金属板（１２）の熱膨張率の差よりも小さく、
    被覆された平板型の半導体チップ（４）の側面を樹脂パッケージ（５）の樹脂が囲んでいる、
    半導体装置（２）。
  2. 樹脂被膜（９）は、接続端子（７）とボンディングワイヤ（６）の接続部位まで被覆している請求項１に記載の半導体装置（２）。
  3. 樹脂被膜（９）の樹脂は、半導体チップ（４）に対する密着性が樹脂パッケージ（５）の樹脂よりも高いプライマ樹脂である請求項１又は２に記載の半導体装置（２）。
  4. 前記複数のボンディングワイヤ（６）は、下記の式（Ａ）を満たす間隔で配置されている請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置（２）。
    Figure 2014187135
     ここで、上記の式（Ａ）において、Ｌは、ボンディングワイヤの間隔、ρは、樹脂被膜の密度、γは、樹脂被膜の表面張力、Ｒは、ボンディングワイヤの径、ｇは、重力加速度、πは、円周率である。
JP2013060292A 2013-03-22 2013-03-22 半導体装置 Pending JP2014187135A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013060292A JP2014187135A (ja) 2013-03-22 2013-03-22 半導体装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013060292A JP2014187135A (ja) 2013-03-22 2013-03-22 半導体装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2014187135A true JP2014187135A (ja) 2014-10-02

Family

ID=51834439

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013060292A Pending JP2014187135A (ja) 2013-03-22 2013-03-22 半導体装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2014187135A (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019021766A1 (ja) * 2017-07-24 2019-01-31 株式会社デンソー 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP2019024084A (ja) * 2017-07-24 2019-02-14 株式会社デンソー 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP2021034527A (ja) * 2019-08-22 2021-03-01 株式会社デンソー 半導体モジュールの製造方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002064166A (ja) * 2000-06-06 2002-02-28 Nippon Steel Corp 半導体装置およびその製造方法、ならびに半導体装置の樹脂封止装置
JP2006032617A (ja) * 2004-07-15 2006-02-02 Hitachi Ltd 半導体パワーモジュール
WO2007023852A1 (ja) * 2005-08-24 2007-03-01 Fujitsu Limited 半導体装置及びその製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002064166A (ja) * 2000-06-06 2002-02-28 Nippon Steel Corp 半導体装置およびその製造方法、ならびに半導体装置の樹脂封止装置
JP2006032617A (ja) * 2004-07-15 2006-02-02 Hitachi Ltd 半導体パワーモジュール
WO2007023852A1 (ja) * 2005-08-24 2007-03-01 Fujitsu Limited 半導体装置及びその製造方法

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019021766A1 (ja) * 2017-07-24 2019-01-31 株式会社デンソー 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP2019024084A (ja) * 2017-07-24 2019-02-14 株式会社デンソー 半導体装置及び半導体装置の製造方法
CN110945645A (zh) * 2017-07-24 2020-03-31 株式会社电装 半导体装置及半导体装置的制造方法
US11355357B2 (en) 2017-07-24 2022-06-07 Denso Corporation Semiconductor device and method for producing the semiconductor device
CN110945645B (zh) * 2017-07-24 2023-11-07 株式会社电装 半导体装置及半导体装置的制造方法
JP2021034527A (ja) * 2019-08-22 2021-03-01 株式会社デンソー 半導体モジュールの製造方法
JP7295532B2 (ja) 2019-08-22 2023-06-21 株式会社デンソー 半導体モジュールの製造方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8558367B2 (en) Semiconductor module
US9698091B2 (en) Power semiconductor device
US9852962B2 (en) Waterproof electronic device and manufacturing method thereof
CN110249426B (zh) 半导体装置及电力转换装置
US9754855B2 (en) Semiconductor module having an embedded metal heat dissipation plate
US8912644B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing same
US10727145B2 (en) Semiconducter device with filler to suppress generation of air bubbles and electric power converter
US10418359B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method
JP6183226B2 (ja) 電力用半導体装置の製造方法
JP2015126119A (ja) 半導体装置及び半導体装置の製造方法
US20110309375A1 (en) Semiconductor device
US20140367842A1 (en) Power semiconductor device and method of manufacturing the same
CN111095537B (zh) 半导体装置及具备该半导体装置的功率转换装置
JP2014187135A (ja) 半導体装置
KR102033521B1 (ko) 반도체 장치의 제조 방법
JP2013197573A (ja) 半導体装置
CN110858568B (zh) 半导体装置
US9355999B2 (en) Semiconductor device
JP2007288044A (ja) 半導体装置
JP6157320B2 (ja) 電力用半導体装置、電力用半導体モジュール、および電力用半導体装置の製造方法
CN109844936B (zh) 半导体装置及其制造方法
JP2007142105A (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
JPWO2020148879A1 (ja) 半導体装置、半導体装置の製造方法及び電力変換装置
JP7278077B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
JP2015053442A (ja) 半導体装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150612

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160415

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160426

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20161025