JP3674476B2

JP3674476B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: JP3674476B2
Application number: JP2000243279A
Authority: JP
Inventors: 寛木内; 光弘斎藤; 淳金森; 崇長坂
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2000-08-10
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: JP2002057269A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に電子部品が搭載され、この電子部品と基板とがボンディングワイヤにより電気的に接続され、電子部品とボンディングワイヤとが被覆され封止されてなる半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来の半導体装置２００の一例を示す斜視図であり、図９は図８における要部構成を示す部分断面図である。この半導体装置２００では、様々な電子部品２０１等が搭載されたマザーボード２０２に対して、複数のセラミック基板２０４が略垂直に配置されている。
【０００３】
各々のセラミック基板２０４の一面には電子部品２０３が搭載され、各々のセラミック基板２０４の他面側がシリコーン系の塗布剤２１０によって１つの放熱部材２０５に接合されている（図９参照）。また、各セラミック基板２０４のマザーボード２０２側の端部には接続端子（クリップ端子）２０６の一端が接合されている。この接続端子２０６は整列板２０７を通して位置決めされており、接続端子２０６の他端がマザーボード２０１に対して電気的に接続されている。
【０００４】
また、これらの部材２０１〜２０７はケース２０８に収容されている。また、セラミック基板２０４に搭載された電子部品２０３は、例えば外部環境から保護したり放熱性を向上させたりするために、ケース２０８の突出部２０８ａにより囲まれて、樹脂２０９等により封止されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この様な構成の半導体装置２００においては、図８、９に示すように、工程上効率を良くするために、以下のようにしている。複数のセラミック基板２０４を１つの支持部材（図示例では放熱部材）２０５の同一面に配置し、電子部品２０３の全てを樹脂２０９等により一括して封止している。このような場合、この樹脂２０９としては、一般的には、取り扱い上の利点から粘性の高いシリコーンゴム等の樹脂を用いている。
【０００６】
ただし、電子部品２０３とセラミック基板２０４とを細いボンディングワイヤにより電気的に接続している場合は、樹脂を注入する際にボンディングワイヤが断線したり歪んだりする恐れがある。また半導体装置２００を冷熱サイクルに曝した場合、樹脂２０９が歪むことによりワイヤが歪んだり断線したりする恐れがある。特に、ワイヤ径が１５０〔μｍ〕未満の場合、この様な問題が顕著である。従って、電子部品２００を封止するには粘性の低いシリコーンゲルを用いるのが望ましい。
【０００７】
しかしながら、シリコーンゲルを用いて放熱部材２０５の同一面上に配置された電子部品２０３の全てを一括して封止すると以下のような問題がある。まず、大きな体積（面積）に粘性の低いゲルが配置されるため、半導体装置２００が振動した場合にゲルが振動してボンディングワイヤが断線する恐れがある。また、ゲルを注入する際にセラミック基板２０４と放熱部材２０５との段差部等において気泡が溜まりやすい。その結果、細いボンディングワイヤの周辺に気泡が存在すると、半導体装置２００の冷熱サイクルによって気泡の周辺でゲルの歪みが変化するため、ボンディングワイヤが歪んでしまう。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑み、電子部品とボンディングワイヤとが封止材により封止された半導体装置において、ボンディングワイヤの歪みや断線を抑制した半導体装置を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電子部品を搭載した複数の基板（３）と、複数の基板を同一平面上に接合した支持部材（４）とを有し、各々の基板において電子部品と基板とをボンディングワイヤ（１１）によって電気的に接続してなる半導体装置において、各々の基板毎に、基板における電子部品、及び、ボンディングワイヤの配置領域を囲う囲み部材（１２）を設け、基板のうち囲み部材で囲まれた領域内をゲル材料よりなる封止材（１３）で充填し、この封止材によって電子部品、及び、ボンディングワイヤを封止しており、囲み部材の表面には、この囲み部材の内外を連通する開口部（１２ｂ、１２ｃ）が３つあり、これら３つの開口部のうち２つの開口部（１２ｂ）は封止材の注入口であり、それらの間にある１つの開口部（１２ｃ）は封止材を注入する際の空気抜き用であることを特徴としている。
【００１０】
本発明では基板毎に電子部品を封止材によって封止することにより、従来のように、支持部材の同一平面上に配置された電子部品の全てを一括して封止する場合に比べて、封止材を配置する体積を小さくできる。封止材は充填される体積が大きいほど振幅が大きいため、本発明により封止材の振幅を低減することができる。
【００１１】
また、基板毎に囲み部材を配置しているため、基板と支持部材との段差部を除いてゲル材料により封止することができる。そのため、気泡の形成を抑制することができる。従って、ボンディングワイヤが封止材の振動により断線したり、封止材の歪みが気泡により変化してボンディングワイヤが歪んだりすることを抑制できる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、電子部品（９）を搭載した複数の第１の基板（３）と、複数の第１の基板を同一平面上に接合した支持部材（４）と、複数の第１の基板を搭載する第２の基板（１）とを有し、各々の第１の基板において電子部品と第１の基板とをボンディングワイヤ（１１）によって電気的に接続し、複数の第１の基板と第２の基板とを接続端子（５）を介して電気的に接続してなる半導体装置において、各々の第１の基板毎に、第１の基板における電子部品、及び、ボンディングワイヤの配置領域を囲う囲み部材（１２）を設け、第１の基板のうち囲み部材で囲まれた領域内をゲル材料よりなる封止材（１３）で充填し、この封止材によって電子部品、及び、ボンディングワイヤを封止しており、囲み部材の表面には、この囲み部材の内外を連通する開口部（１２ｂ、１２ｃ）が３つあり、これら３つの開口部のうち２つの開口部（１２ｂ）は封止材の注入口であり、それらの間にある１つの開口部（１２ｃ）は封止材を注入する際の空気抜き用であることを特徴としている。
【００１３】
これにより、請求項１と同様の効果を発揮することができる。また、接続端子を用いて第１の基板と第２の基板を電気的に接続する場合、支持部材の同一平面上に形成された全ての電子部品を一括して封止材により封止しようとすると、接続端子が配置されている部位から封止材が漏れる恐れがある。しかし、本発明では、基板ごとに囲み部材で囲んでいるため、接続端子を封止材の外に設けて封止材の漏れを防止することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２の発明において、接続端子を複数個設け、、複数個の接続端子の位置決めを行うための整列板（６）を備え、複数個の接続端子の位置を整列板により固定した状態で、第１の基板と第２の基板とを複数個の接続端子を介して電気的に接続していることを特徴としている。これにより、接続端子が複数個ある場合に、容易にこれら複数個の接続端子を第２の基板に搭載することができる。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、第２の基板としてプリント基板を用い、整列板の熱膨張率が１３〜１８〔ｐｐｍ〕であることを特徴としている。本発明では、第２の基板と整列板の熱膨張係数が近いため、半導体装置を冷熱サイクルに曝した場合にも、整列板にクラックが生じず、好適に第１の基板と第２の基板の接続を維持することができる。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の発明において、封止材の針入度が４０〜１７０〔１／１０ｍｍ〕であることを特徴としている。封止材が軟らかすぎると封止材の振幅が大きくなりボンディングワイヤが断線する。一方、封止材が硬すぎると半導体装置の冷熱サイクルにより封止材が歪んだ場合に、封止材がボンディングワイヤの周囲を流れるように変形することができずにボンディングワイヤも歪む。従って、本発明程度の針入度が好適である。
【００１７】
請求項６に記載の発明のように、請求項１〜５の発明において、支持部材として電子部品からの発熱を放熱するための放熱部材を用いると好適である。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明のように、請求項１〜６の発明において、囲み部材としてはシリコーンゴムを用いることができる。
【００１９】
また、請求項１〜７の発明において、請求項８に記載の発明のように、ボンディングワイヤとしてはＡｕからなるものを用いることができる。また、請求項９に記載の発明のように、ボンディングワイヤとしてＡｌからなるものを用いることができる。
【００２０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る半導体装置１００の全体構成を示す斜視図である。なお、図１では、セラミック基板３を覆っているカバー１７（後述の図３参照）を省略して示している。図１に示すように、第２の基板としてのプリント基板であるマザーボード１にはマイコン等の様々な電子部品２が搭載されている。また、マザーボード１には、第１の基板としてのセラミック基板３が放熱部材（支持部材）としての放熱フィン４に搭載された状態で複数個配置されている。この放熱フィン４としては例えばＡｌ（アルミニウム）からなるものを用いることができる。
【００２２】
セラミック基板３とマザーボード１とは接続端子（クリップ端子）５を介して電気的に接続されている。この接続端子５は整列板６により位置決めされている。放熱フィン４におけるセラミック基板３が搭載された側とは反対側に、コネクタ７が配置されている。図示していないがコネクタ７のリード端子がマザーボード１に半田付されて電気的に接続されている。
【００２３】
また、マザーボード１とマザーボード１上に搭載された各部材２〜７とがケース８により覆われている。ケース８には放熱フィン４の近傍において突出部８ａが形成されており、放熱フィン４には、複数個のセラミック基板３が並んでいる方向の両端部においてケース８の突出部８ａに対応する位置に突出部４ａが形成されている。そして、このケース８の突出部８ａと放熱フィン４の突出部４ａとが当接して、セラミック基板３上に搭載された電子部品（図示せず）からの発熱を、放熱フィン４を介してケース８に伝え、放熱を行うようになっている。
【００２４】
次に、この放熱フィン４及びセラミック基板３の近傍の構成について説明する。図示例では、１つの放熱フィン４に対して３個のセラミック基板３が接合されている。図２は、複数個のセラミック基板３のうちの１つセラミック基板３を図１中の矢印Ａ方向から見た図であり、図３は、セラミック基板３の厚み方向の概略断面図である。なお、図３では、マザーボード１、コネクタ７及びケース８を省略している。図２、３に示すように、セラミック基板３には複数個の半導体チップ等の電子部品９が搭載されている。これらのセラミック基板３は、例えばセラミック基板３毎に１つの電気的な機能を有するようになっている。
【００２５】
セラミック基板３上には部品搭載用のランド（図示せず）とワイヤボンディング用のランド（図示せず）が形成されている。これらのランドとしては例えばＡｇ（銀）厚膜を用いることができる。部品搭載用のランドに対しては導電性接着剤１０を介して電子部品９が接合されている。この導電性接着剤１０としては、例えばエポキシ樹脂にＡｇフィラーを添加したものを用いることができる。また、電子部品９上のランド（図示せず）とセラミック基板３上のワイヤボンディング用のランドとが、ボンディングワイヤ１１により電気的に接続されている。このボンディングワイヤ１１としては細いワイヤを用いており、例えば直径が１５０〔μｍ〕未満のワイヤを用いている。本例では、ボンディングワイヤ１１としてＡｕ（金）を用いている。
【００２６】
セラミック基板３の各々において、搭載された電子部品９とボンディングワイヤ１１の配置領域を囲う囲み部材１２が設けられている。この囲み部材１２はセラミック基板３における外周の一回り内側において、シリコーン系の接着剤１４によってセラミック基板３に接着されている。また、セラミック基板３のうち囲み部材１２で囲まれた領域内は封止材としてのシリコーンゲル１３で充填され、このシリコーンゲル１３によって電子部品９、及びボンディングワイヤ１１がシリコーンゲル１３によって覆われて封止されている。この囲み部材１２はシリコーンゲル１３の形状を維持するためのものであり、本実施形態ではシリコーンゴムからなるものを用いている。
【００２７】
また、囲み部材１２の表面には、囲み部材１２の内外を連通する開口部１２ｂ、１２ｃがある。この開口部１２ｂ、１２ｃは、シリコーンゲル１３を注入するためのものであり、本例では３つある。この３つの開口部１２ｂ、１２ｃのうち両端の開口部１２ｂはシリコーンゲル１３の注入口であり、中央の開口部１２ｃはシリコーンゲル１３を注入する際の空気抜き用である。
【００２８】
ここで用いられるシリコーンゲル１３としては、硬すぎるものや軟らかすぎるものは望ましくない。シリコーンゲル１３が硬すぎる場合、半導体装置１００の冷熱サイクルによりシリコーンゲル１３が歪んだ際に、シリコーンゲル１３がボンディングワイヤ１１の周囲を流れるように変形することができないため、ボンディングワイヤ１１も歪んでしまう。また、電子部品９にも応力が加わり電子部品９の接続信頼性も低下してしまう。一方、シリコーンゲル１３が軟らかすぎる場合、半導体装置１００が振動してシリコーンゲル１３に振動が加わった際にシリコーンゲル１３の振幅が大きくなり、この振動によりボンディングワイヤ１１が断線してしまう。
【００２９】
そこで、本発明者らはシリコーンゲル１３の硬さを様々に変化させて、ボンディングワイヤ１１の耐振性と冷熱サイクル時の寿命とを調査した。その結果、シリコーンゲル１３を、シリコーンゲル１３の硬さを示す指標である針入度が４０〜１７０〔１／１０ｍｍ〕（ＪＩＳＫ２２２０参照）であるものとすれば好適であることを見出した。
【００３０】
セラミック基板３における囲み部材１２の外側にはランド２２が形成され、ランド２２上に接続端子５の一端が配置されている。この接続端子５は半田１５によりランド２２に電気的に接続されている。このようにして構成された各々のセラミック基板３が、シリコーン系の接着剤１６により放熱フィン４に接合されている。また、複数個のセラミック基板３と各セラミック基板３に搭載された電子部品９とが一括してカバー１７により覆われている。このカバー１７はＰＢＴ等の硬い部材からなり、電子部品９を保護するためのものである。このカバー１７は放熱フィン４のうちセラミック基板３が搭載された面の外縁部において、シリコーン系の接着剤１８により放熱フィン４に固定されており、接続端子５とセラミック基板３との接続部付近まで覆っている。
【００３１】
このようにして、放熱フィン４に搭載されたセラミック基板３は、図１に示すように、マザーボード１とセラミック基板３とが略垂直の位置関係になるようにマザーボード１に対して搭載されている。この際、複数個の接続端子５は整列板６に固定された状態で、マザーボード１に対して半田付されて電気的に接続されている。具体的には、整列板６に形成された複数個の穴に接続端子５を通すことにより接続端子５の位置を固定し、マザーボード１に対して搭載している。
【００３２】
この整列板６としては、マザーボード１と熱膨張率が近似した部材を用いることが望ましい。これは、冷熱サイクルによって各部材が変形した場合に、整列板６にクラックが生じること無く接続端子５の接続を維持するためである。本実施形態ではマザーボード１として熱膨張率が約１５．５〔ｐｐｍ〕であるガラスエポキシ基板を用いているため、整列板６の熱膨張率としては１３〜１８〔ｐｐｍ〕であるものを用いると好適である。
【００３３】
本実施形態では、複数個のセラミック基板３を用いており、接続端子５がセラミック基板３の並んでいる方向に長く配列しているため長い整列板６が必要になる。そして、整列板６は長いほど冷熱サイクルによる変形量が大きくなるため、特に、マザーボード１と熱膨張係数が近似した整列板６を用いると好適である。なお、長い整列板６が必要でない場合は、整列板６としてＰＢＴからなるものを用いても良い。このようにして、本実施形態の半導体装置１００が構成されている。
【００３４】
本実施形態では、セラミック基板３毎にシリコーンゲル１３によって電子部品９とボンディングワイヤ１１とを封止することにより、従来のように、放熱フィン４の同一平面上に配置された電子部品９を一括して封止する場合に比べて、シリコーンゲル１３を配置する体積を小さくできる。一般に、シリコーンゲルは充填される体積が大きいほど、そのシリコーンゲルに振動が加わった場合のシリコーンゲルの振幅が大きくなる。そのため、本実施形態のように、セラミック基板３毎の小さい体積を一括してシリコーンゲル１３により封止することにより、シリコーンゲル１３の振幅を低減してボンディングワイヤ１１が断線することを抑制できる。
【００３５】
また、仮に、放熱フィン４上に配置された電子部品９を一括して封止すると、セラミック基板３と放熱フィン４との段差部において気泡が溜まりやすい。そして、この気泡が存在する部位では半導体装置１００の冷熱サイクルによってシリコーンゲル１３の歪みが変化するため、気泡が細いボンディングワイヤ１１の近傍に存在してしまうと、ボンディングワイヤ１１も歪んだり断線したりする。しかし、本実施形態では、セラミック基板３毎に囲み部材１２を配置しているため、セラミック基板３と放熱フィン４との段差部を除いてシリコーンゲル１３により封止することができる。その結果、気泡の発生を最小限に抑え、ボンディングワイヤ１１の歪みや断線を抑制することができる。
【００３６】
また、不用な部位にシリコーンゲル１３を注入する必要が無いためシリコーンゲル１３の使用量を抑えることができる。また、セラミック基板３とマザーボード１とを接続端子５により電気的に接続しているため、仮に、放熱フィン４に搭載された電子部品９の全てを一括してシリコーンゲル１３により封止しようとすると、囲み部材１２を接続端子５上に配置しなければいけない。この場合、囲み部材１２の形状が接続端子５との接続部位において複雑になったり、接続端子５との接続部位においてシリコーンゲル１３が囲み部材１２の外に漏れたりする可能性がある。
【００３７】
そこで、この場合、接続端子５を回避して囲み部材１２を形成しようとすると、複数個のセラミック基板３を用いているため、セラミック基板３と放熱フィン４との接続部位上に囲み部材１２を配置しなければいけない場合がある。この場合も、セラミック基板３と放熱フィン４との接続部位において、上記接続端子５上に囲み部材１２を配置した場合と同様の問題が生じる。しかし、本実施形態では、セラミック基板３毎にシリコーンゲル１３で封止しているため、この様な問題が無い。
【００３８】
次に、上記構成の半導体装置１００のうち、電子部品９をセラミック基板３に搭載し、セラミック基板３を放熱フィン４に搭載する方法について図に示す工程順に説明する。
【００３９】
まず、図４（ａ）に示すように、セラミック基板３を用意し、一般的な厚膜スクリーン印刷手法により回路（図示せず）を形成し、部品搭載用のランドとワイヤボンディング用のランドを形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、例えば７０〔μｍ〕のメタルマスクを用いて、スクリーン印刷法により、部品搭載用のランド上に導電性接着剤１０を塗布する。
【００４０】
そして、図４（ｃ）に示すように、各電子部品９を搭載して、例えば１５０〔℃〕の温度で導電性接着剤１０を硬化させる。その後、接続端子５（図４では図示せず）をセラミック基板３に配置して、ディスペンサを用いて接続端子５の接続部に半田ペーストを供給し、例えば２３０〔℃〕のＩＲリフロー炉を用いて半田付する。次に、図４（ｄ）に示すように、セラミック基板３全体を洗浄液１９に浸けて半田ペーストに含まれていたフラックスを清浄する。そして、図４（ｅ）に示すように、電子部品９上のランドとセラミック基板３上のワイヤボンディング用のランドとをボンディングワイヤ１１により接続する。
【００４１】
次に、図５（ａ）に示すように、ディスペンサによりシリコーン系の接着剤１４をセラミック基板３上に塗布する。その後、図５（ｂ）に示すように、囲み部材１２を接着剤１４上に搭載し、例えば１５０〔℃〕に加熱して接着剤１４を硬化させ、囲み部材１２をセラミック基板３に固定する。続いて、図５（ｃ）に示すように、ディスペンサ２０によって囲み部材１２の注入口１２ｂからシリコーンゲル１３を注入して、図５（ｄ）に示す状態にする。
【００４２】
その後、図６（ａ）に示すように、セラミック基板３全体を減圧環境下において、シリコーンゲル１３中の気泡２１を取り除く。そして、シリコーンゲル１３を硬化させるために、例えば１４５〔℃〕に加熱して、高温時に６（ｂ）に示す状態になる。そして、室温時に熱収縮して、図６（ｃ）に示す状態になる。次に、図６（ｄ）に示すように、セラミック基板３をシリコーン系の接着剤１６によって放熱フィン４に接合する。最後に、図７に示すように、カバー１７で複数個のセラミック基板３を覆い、セラミック基板３の放熱フィン４への搭載が完了する。なお、図４〜７の工程図は、１つのセラミック基板３における概略断面図にて示している。
【００４３】
また、本実施形態では、Ａｕからなるボンディングワイヤ１１を用いているが、Ａｌからなるボンディングワイヤも用いることができる。また、ＡｕやＡｌ以外の材料からなる直径が１５０〔μｍ〕未満の細いボンディングワイヤを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る半導体装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】本実施形態に係る１つのセラミック基板の概略図である。
【図３】本実施形態に係るセラミック基板の厚み方向の概略断面図である。
【図４】電子部品をセラミック基板に搭載し、セラミック基板を放熱フィンに搭載する方法を断面にて示す工程図である。
【図５】図４に続く工程図である。
【図６】図５に続く工程図である。
【図７】図６に続く工程図である。
【図８】従来の半導体装置の一例を示す斜視図である。
【図９】従来の半導体装置の要部構成を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１…マザーボード（第２の基板）、３…セラミック基板（第１の基板）、
４…放熱フィン（支持部材、放熱部材）、５…接続端子、
６…整列板、１１…ボンディングワイヤ、１２…囲み部材、
１３…シリコーンゲル（封止材）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device in which an electronic component is mounted on a substrate, the electronic component and the substrate are electrically connected by a bonding wire, and the electronic component and the bonding wire are covered and sealed.
[0002]
[Prior art]
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a conventional semiconductor device 200, and FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing a main part configuration in FIG. In the semiconductor device 200, a plurality of ceramic substrates 204 are arranged substantially perpendicularly to a motherboard 202 on which various electronic components 201 and the like are mounted.
[0003]
An electronic component 203 is mounted on one surface of each ceramic substrate 204, and the other surface side of each ceramic substrate 204 is joined to one heat radiating member 205 by a silicone-based coating agent 210 (see FIG. 9). Further, one end of a connection terminal (clip terminal) 206 is joined to an end portion of each ceramic substrate 204 on the side of the mother board 202. The connection terminal 206 is positioned through the alignment plate 207, and the other end of the connection terminal 206 is electrically connected to the mother board 201.
[0004]
Further, these members 201 to 207 are accommodated in a case 208. In addition, the electronic component 203 mounted on the ceramic substrate 204 is surrounded by a protruding portion 208a of the case 208 and sealed with a resin 209 or the like in order to protect it from the external environment or improve heat dissipation, for example. Yes.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the semiconductor device 200 having such a configuration, as shown in FIGS. 8 and 9, the following is performed in order to improve the process efficiency. A plurality of ceramic substrates 204 are arranged on the same surface of one supporting member (radiating member in the illustrated example) 205, and all the electronic components 203 are collectively sealed with a resin 209 or the like. In such a case, as the resin 209, generally, a resin such as silicone rubber having a high viscosity is used from the viewpoint of handling.
[0006]
However, when the electronic component 203 and the ceramic substrate 204 are electrically connected by a thin bonding wire, the bonding wire may be disconnected or distorted when the resin is injected. Further, when the semiconductor device 200 is exposed to a cooling / heating cycle, the resin 209 is distorted, which may cause the wire to be distorted or disconnected. In particular, when the wire diameter is less than 150 [μm], such a problem is remarkable. Therefore, it is desirable to use a silicone gel having a low viscosity for sealing the electronic component 200.
[0007]
However, if all of the electronic components 203 arranged on the same surface of the heat dissipation member 205 are collectively sealed using silicone gel, there are the following problems. First, since a low-viscosity gel is arranged in a large volume (area), the gel may vibrate and the bonding wire may break when the semiconductor device 200 vibrates. In addition, when the gel is injected, bubbles tend to accumulate at a step portion between the ceramic substrate 204 and the heat dissipation member 205. As a result, if bubbles exist around the thin bonding wire, the strain of the gel changes around the bubbles due to the cooling / heating cycle of the semiconductor device 200, and thus the bonding wire is distorted.
[0008]
In view of the above problems, the present invention provides a semiconductor device in which electronic components and bonding wires are sealed with a sealing material, in which distortion and disconnection of the bonding wires are suppressed.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 includes a plurality of substrates (3) on which electronic components are mounted, and a support member (4) in which the plurality of substrates are joined on the same plane, in an electronic component and a substrate in a substrate of a semiconductor device formed by electrically connected by a bonding wire (11), each respective substrate, enclosing member (12 surrounding the electronic component in the substrate, and an arrangement region of the bonding wire ) is provided, a region surrounded by the enclosing member of the substrate was filled with a sealing material made of gel material (13), the electronic component by the sealing material, and has sealed bonding wires, enclosed On the surface of the member, there are three openings (12b, 12c) communicating with the inside and outside of the surrounding member, and two of the three openings (12b) are injection ports for the sealing material, Between them That one opening (12c) is characterized by an air vent due to injection of the sealing material.
[0010]
In the present invention, by sealing the electronic components for each substrate with a sealing material, as compared with the conventional case where all of the electronic components arranged on the same plane of the support member are collectively sealed, The volume in which the sealing material is disposed can be reduced. Since the amplitude of the sealing material increases as the filled volume increases, the amplitude of the sealing material can be reduced according to the present invention.
[0011]
Moreover, since the surrounding member is arrange | positioned for every board | substrate, it can seal with a gel material except the level | step-difference part of a board | substrate and a supporting member. Therefore, the formation of bubbles can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the bonding wire from being disconnected due to the vibration of the sealing material, or the distortion of the sealing material from being changed by the bubbles and distorting the bonding wire.
[0012]
The invention according to claim 2 includes a plurality of first substrates (3) on which electronic components (9) are mounted, a support member (4) in which the plurality of first substrates are joined on the same plane, and a plurality of a second substrate (1) and mounting the first substrate, the electronic component and the first substrate are electrically connected by a bonding wire (11) in the first substrate of each of the plurality first In a semiconductor device in which one substrate and a second substrate are electrically connected via a connection terminal (5), an electronic component on the first substrate and a bonding wire are provided for each first substrate. The enclosure member (12) surrounding the arrangement region of the first substrate is filled with a sealing material (13) made of a gel material in the region surrounded by the surrounding member, and by this sealing material, an electronic component, and it has sealed bonding wires, on the surface of the enclosure, the enclosed There are three openings (12b, 12c) communicating between the inside and the outside of the material, and of these three openings, two openings (12b) are sealing material injection ports, and one opening between them. The part (12c) is characterized by being used for venting air when the sealing material is injected .
[0013]
Thereby, the same effect as that of claim 1 can be exhibited. In addition, when the first substrate and the second substrate are electrically connected using the connection terminals, all electronic components formed on the same plane of the support member are collectively sealed with a sealing material. As a result, the sealing material may leak from the portion where the connection terminal is disposed. However, in the present invention, since each substrate is surrounded by a surrounding member, the connection terminal can be provided outside the sealing material to prevent the sealing material from leaking.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, a plurality of connection terminals are provided, and an alignment plate (6) for positioning the plurality of connection terminals is provided. The first substrate and the second substrate are electrically connected through a plurality of connection terminals in a state where the substrate is fixed by an alignment plate. Thereby, when there are a plurality of connection terminals, the plurality of connection terminals can be easily mounted on the second substrate.
[0015]
The invention according to claim 4 is the invention according to claim 3, wherein a printed circuit board is used as the second substrate, and the thermal expansion coefficient of the alignment plate is 13 to 18 ppm. . In the present invention, since the thermal expansion coefficients of the second substrate and the alignment plate are close, even when the semiconductor device is exposed to a thermal cycle, the alignment plate is not cracked, and the first substrate and the second substrate are preferably formed. Connection can be maintained.
[0016]
The invention according to claim 5 is characterized in that, in the inventions according to claims 1 to 4, the penetration of the sealing material is 40 to 170 [1/10 mm ]. If the sealing material is too soft, the amplitude of the sealing material increases and the bonding wire is disconnected. On the other hand, if the sealing material is too hard, when the sealing material is distorted due to the cooling / heating cycle of the semiconductor device, the sealing material cannot be deformed so as to flow around the bonding wire, and the bonding wire is also distorted. Therefore, the penetration of the present invention is suitable.
[0017]
As in the sixth aspect of the invention, in the first to fifth aspects of the invention, it is preferable to use a heat radiating member for radiating heat generated from the electronic component as the support member.
[0018]
As in the invention described in claim 7, in the inventions in claims 1 to 6, silicone rubber can be used as the enclosing member.
[0019]
In the inventions of claims 1 to 7, as in the invention of claim 8, a bonding wire made of Au can be used. In addition, as in the ninth aspect of the invention, a bonding wire made of Al can be used.
[0020]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments shown in the drawings will be described. FIG. 1 is a perspective view showing an overall configuration of a semiconductor device 100 according to the present embodiment. In FIG. 1, the cover 17 (see FIG. 3 described later) covering the ceramic substrate 3 is omitted. As shown in FIG. 1, various electronic components 2 such as a microcomputer are mounted on a mother board 1 which is a printed circuit board as a second substrate. In addition, a plurality of ceramic substrates 3 as first substrates are arranged on the mother board 1 in a state of being mounted on heat radiation fins 4 as heat radiation members (support members). As the heat radiating fins 4, for example, those made of Al (aluminum) can be used.
[0022]
The ceramic substrate 3 and the mother board 1 are electrically connected via a connection terminal (clip terminal) 5. The connection terminal 5 is positioned by the alignment plate 6. A connector 7 is disposed on the side of the radiating fin 4 opposite to the side on which the ceramic substrate 3 is mounted. Although not shown, the lead terminal of the connector 7 is soldered and electrically connected to the mother board 1.
[0023]
Further, the motherboard 1 and the members 2 to 7 mounted on the motherboard 1 are covered with a case 8. Protrusions 8 a are formed in the case 8 in the vicinity of the radiating fins 4, and the radiating fins 4 have positions corresponding to the projecting parts 8 a of the case 8 at both ends in the direction in which the plurality of ceramic substrates 3 are arranged. A protrusion 4a is formed on the surface. Then, the protruding portion 8a of the case 8 and the protruding portion 4a of the radiating fin 4 come into contact with each other to generate heat from an electronic component (not shown) mounted on the ceramic substrate 3 via the radiating fin 4. 8 to dissipate heat.
[0024]
Next, the configuration in the vicinity of the radiating fins 4 and the ceramic substrate 3 will be described. In the illustrated example, three ceramic substrates 3 are bonded to one radiating fin 4. 2 is a view of one of the plurality of ceramic substrates 3 as viewed from the direction of arrow A in FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the ceramic substrate 3 in the thickness direction. In FIG. 3, the mother board 1, the connector 7, and the case 8 are omitted. As shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of electronic components 9 such as a plurality of semiconductor chips are mounted on the ceramic substrate 3. These ceramic substrates 3 have, for example, one electrical function for each ceramic substrate 3.
[0025]
On the ceramic substrate 3, a land for component mounting (not shown) and a land for wire bonding (not shown) are formed. As these lands, for example, an Ag (silver) thick film can be used. An electronic component 9 is bonded to the component mounting land via a conductive adhesive 10. As this conductive adhesive 10, for example, an epoxy resin added with an Ag filler can be used. A land (not shown) on the electronic component 9 and a wire bonding land on the ceramic substrate 3 are electrically connected by a bonding wire 11. As the bonding wire 11, a thin wire is used, for example, a wire having a diameter of less than 150 [μm]. In this example, Au (gold) is used as the bonding wire 11.
[0026]
Each ceramic substrate 3 is provided with a surrounding member 12 that surrounds a region where the mounted electronic component 9 and the bonding wire 11 are arranged. The enclosing member 12 is bonded to the ceramic substrate 3 with a silicone-based adhesive 14 on the inner side of the outer periphery of the ceramic substrate 3. Further, the region surrounded by the enclosing member 12 in the ceramic substrate 3 is filled with a silicone gel 13 as a sealing material, and the electronic component 9 and the bonding wire 11 are covered with the silicone gel 13 by the silicone gel 13. It is sealed. The surrounding member 12 is for maintaining the shape of the silicone gel 13, and in the present embodiment, one made of silicone rubber is used.
[0027]
In addition, on the surface of the surrounding member 12, there are openings 12 b and 12 c communicating with the inside and outside of the surrounding member 12. The openings 12b and 12c are for injecting the silicone gel 13, and there are three in this example. Of these three openings 12b and 12c, the openings 12b at both ends are injection holes for the silicone gel 13, and the opening 12c at the center is for venting the silicone gel 13.
[0028]
As the silicone gel 13 used here, one that is too hard or too soft is not desirable. When the silicone gel 13 is too hard, when the silicone gel 13 is distorted by the cooling / heating cycle of the semiconductor device 100, the silicone gel 13 cannot be deformed so as to flow around the bonding wire 11, so that the bonding wire 11 is also distorted. End up. Further, stress is applied to the electronic component 9 and the connection reliability of the electronic component 9 is also lowered. On the other hand, when the silicone gel 13 is too soft, when the semiconductor device 100 vibrates and vibration is applied to the silicone gel 13, the amplitude of the silicone gel 13 increases, and the bonding wire 11 is disconnected by this vibration.
[0029]
Therefore, the present inventors investigated the vibration resistance of the bonding wire 11 and the lifetime during the cooling and heating cycle by changing the hardness of the silicone gel 13 in various ways. As a result, it has been found that it is preferable that the silicone gel 13 has a penetration of 40 to 170 [1/10 mm ] (see JIS K 2220), which is an index indicating the hardness of the silicone gel 13. .
[0030]
A land 22 is formed outside the enclosing member 12 in the ceramic substrate 3, and one end of the connection terminal 5 is arranged on the land 22. The connection terminal 5 is electrically connected to the land 22 by solder 15. Each ceramic substrate 3 configured as described above is bonded to the radiation fins 4 with a silicone-based adhesive 16. The plurality of ceramic substrates 3 and the electronic components 9 mounted on each ceramic substrate 3 are collectively covered with a cover 17. The cover 17 is made of a hard member such as PBT and protects the electronic component 9. The cover 17 is fixed to the heat radiating fin 4 with a silicone-based adhesive 18 at the outer edge of the surface of the heat radiating fin 4 on which the ceramic substrate 3 is mounted. Covered.
[0031]
In this way, the ceramic substrate 3 mounted on the radiation fins 4 is mounted on the motherboard 1 so that the motherboard 1 and the ceramic substrate 3 are in a substantially vertical positional relationship as shown in FIG. . At this time, the plurality of connection terminals 5 are soldered and electrically connected to the mother board 1 while being fixed to the alignment plate 6. Specifically, the position of the connection terminal 5 is fixed by passing the connection terminal 5 through a plurality of holes formed in the alignment plate 6 and mounted on the mother board 1.
[0032]
As this alignment plate 6, it is desirable to use a member having a thermal expansion coefficient close to that of the mother board 1. This is to maintain the connection of the connection terminals 5 without cracks in the alignment plate 6 when each member is deformed by the cooling / heating cycle. In this embodiment, since a glass epoxy substrate having a thermal expansion coefficient of about 15.5 [ppm] is used as the mother board 1, when the thermal expansion coefficient of the alignment plate 6 is 13 to 18 [ppm] Is preferred.
[0033]
In this embodiment, a plurality of ceramic substrates 3 are used, and the connection terminals 5 are arranged long in the direction in which the ceramic substrates 3 are arranged, so that a long alignment plate 6 is required. The longer the alignment plate 6 is, the larger the deformation amount due to the cooling cycle becomes. Therefore, it is particularly preferable to use the alignment plate 6 having a thermal expansion coefficient approximate to that of the mother board 1. If a long alignment plate 6 is not necessary, a plate made of PBT may be used as the alignment plate 6. In this way, the semiconductor device 100 of this embodiment is configured.
[0034]
In this embodiment, by sealing the electronic component 9 and the bonding wire 11 with the silicone gel 13 for each ceramic substrate 3, the electronic components 9 arranged on the same plane of the radiating fins 4 as in the past are batched. And the volume which arrange | positions the silicone gel 13 can be made small compared with the case where it seals. In general, the larger the volume in which the silicone gel is filled, the greater the amplitude of the silicone gel when vibration is applied to the silicone gel. For this reason, as in this embodiment, the small volume of each ceramic substrate 3 is collectively sealed with the silicone gel 13, whereby the amplitude of the silicone gel 13 can be reduced and the bonding wire 11 can be prevented from being disconnected.
[0035]
Also, if the electronic components 9 arranged on the radiating fins 4 are collectively sealed, bubbles are likely to accumulate at the stepped portion between the ceramic substrate 3 and the radiating fins 4. Since the distortion of the silicone gel 13 changes due to the cooling / heating cycle of the semiconductor device 100 at the portion where the bubbles are present, if the bubbles are present in the vicinity of the thin bonding wire 11, the bonding wire 11 is also distorted or disconnected. To do. However, in this embodiment, since the enclosing member 12 is arranged for each ceramic substrate 3, it can be sealed with the silicone gel 13 except for the stepped portion between the ceramic substrate 3 and the radiation fin 4. As a result, the generation of bubbles can be minimized and the bonding wire 11 can be prevented from being distorted or disconnected.
[0036]
Moreover, since it is not necessary to inject the silicone gel 13 in an unnecessary site | part, the usage-amount of the silicone gel 13 can be restrained. Further, since the ceramic substrate 3 and the mother board 1 are electrically connected by the connection terminals 5, if all the electronic components 9 mounted on the heat radiating fins 4 are collectively sealed with the silicone gel 13. The enclosing member 12 must be disposed on the connection terminal 5. In this case, there is a possibility that the shape of the surrounding member 12 becomes complicated at the connection portion with the connection terminal 5, or the silicone gel 13 leaks out of the surrounding member 12 at the connection portion with the connection terminal 5.
[0037]
Therefore, in this case, if the surrounding member 12 is formed while avoiding the connection terminal 5, since the plurality of ceramic substrates 3 are used, the surrounding member 12 is placed on the connection portion between the ceramic substrate 3 and the radiation fin 4. It may be necessary to arrange. Also in this case, the same problem as in the case where the surrounding member 12 is disposed on the connection terminal 5 occurs at the connection portion between the ceramic substrate 3 and the heat radiation fin 4. However, in this embodiment, since each ceramic substrate 3 is sealed with the silicone gel 13, there is no such problem.
[0038]
Next, a method of mounting the electronic component 9 on the ceramic substrate 3 and mounting the ceramic substrate 3 on the radiation fin 4 in the semiconductor device 100 having the above configuration will be described in the order of steps shown in the drawing.
[0039]
First, as shown in FIG. 4A, a ceramic substrate 3 is prepared, a circuit (not shown) is formed by a general thick film screen printing technique, and a land for component mounting and a land for wire bonding are formed. Form. Next, as shown in FIG. 4B, the conductive adhesive 10 is applied onto the component mounting lands by a screen printing method using, for example, a 70 [μm] metal mask.
[0040]
And as shown in FIG.4 (c), each electronic component 9 is mounted and the conductive adhesive 10 is hardened at the temperature of 150 [degreeC], for example. Thereafter, the connection terminals 5 (not shown in FIG. 4) are arranged on the ceramic substrate 3, and a solder paste is supplied to the connection portions of the connection terminals 5 using a dispenser, for example, using an IR reflow furnace at 230 [° C.]. And solder. Next, as shown in FIG. 4D, the entire ceramic substrate 3 is immersed in the cleaning liquid 19 to clean the flux contained in the solder paste. Then, as shown in FIG. 4 (e), the lands on the electronic component 9 and the lands for wire bonding on the ceramic substrate 3 are connected by bonding wires 11.
[0041]
Next, as shown in FIG. 5A, a silicone-based adhesive 14 is applied onto the ceramic substrate 3 by a dispenser. Thereafter, as shown in FIG. 5B, the surrounding member 12 is mounted on the adhesive 14, and is heated to, for example, 150 ° C. to cure the adhesive 14, thereby fixing the surrounding member 12 to the ceramic substrate 3. . Subsequently, as shown in FIG. 5C, the silicone gel 13 is injected from the injection port 12b of the surrounding member 12 by the dispenser 20 to obtain the state shown in FIG.
[0042]
Thereafter, as shown in FIG. 6A, the bubbles 21 in the silicone gel 13 are removed from the entire ceramic substrate 3 under a reduced pressure environment. And in order to harden the silicone gel 13, it heats to 145 [degreeC], for example, and will be in the state shown to 6 (b) at high temperature. And it heat-shrinks at room temperature, and will be in the state shown in FIG.6 (c). Next, as shown in FIG. 6 (d), the ceramic substrate 3 is joined to the radiation fins 4 with a silicone-based adhesive 16. Finally, as shown in FIG. 7, a plurality of ceramic substrates 3 are covered with a cover 17, and mounting of the ceramic substrates 3 on the heat radiation fins 4 is completed. 4 to 7 are schematic sectional views of one ceramic substrate 3.
[0043]
In the present embodiment, the bonding wire 11 made of Au is used, but a bonding wire made of Al can also be used. Further, a thin bonding wire having a diameter of less than 150 [μm] made of a material other than Au or Al may be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an overall configuration of a semiconductor device according to an embodiment.
FIG. 2 is a schematic view of one ceramic substrate according to the present embodiment.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view in the thickness direction of the ceramic substrate according to the present embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional process diagram illustrating a method of mounting an electronic component on a ceramic substrate and mounting the ceramic substrate on a heat dissipating fin.
FIG. 5 is a process drawing following FIG. 4;
FIG. 6 is a process drawing following FIG. 5;
FIG. 7 is a process drawing following FIG. 6;
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a conventional semiconductor device.
FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing a main configuration of a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Mother board (2nd board | substrate), 3 ... Ceramic board | substrate (1st board | substrate),
4 ... Radiating fins (supporting member, radiating member), 5 ... Connection terminal,
6 ... alignment plate, 11 ... bonding wire, 12 ... enclosing member,
13: Silicone gel (sealing material).

Claims

A plurality of substrates (3) on which electronic components (9) are mounted; and a support member (4) in which the plurality of substrates are joined on the same plane. DOO is a semiconductor device in which are electrically connected by a bonding wire (11),
For each of the substrates, there is provided a surrounding member (12) for enclosing the electronic component and the bonding wire in the substrate,
The region surrounded by the surrounding member of the substrate is filled with a sealing material (13) made of a gel material, and the electronic component and the bonding wire are sealed by the sealing material ,
The surface of the surrounding member has three openings (12b, 12c) communicating with the inside and the outside of the surrounding member, and two of the three openings (12b) are injection ports for the sealing material. The semiconductor device is characterized in that one opening (12c) between them is for venting air when the sealing material is injected .

A plurality of first substrates (3) on which electronic components (9) are mounted, a support member (4) in which the plurality of first substrates are bonded on the same plane, and the plurality of first substrates are A second substrate (1) mounted thereon, wherein the electronic component and the first substrate are electrically connected to each other by a bonding wire (11) in each of the first substrates. In a semiconductor device in which one substrate and the second substrate are electrically connected via a connection terminal (5),
For each of the first substrates, there is provided a surrounding member (12) that encloses the electronic component on the first substrate and an arrangement region of the bonding wires,
A region surrounded by the surrounding member in the first substrate is filled with a sealing material (13) made of a gel material, and the electronic component and the bonding wire are sealed by the sealing material. and,
The surface of the surrounding member has three openings (12b, 12c) communicating with the inside and the outside of the surrounding member, and two of the three openings (12b) are injection ports for the sealing material. The semiconductor device is characterized in that one opening (12c) between them is for venting air when the sealing material is injected .

A plurality of the connection terminals are provided, and an alignment plate (6) for positioning the plurality of connection terminals is provided, and the positions of the plurality of connection terminals are fixed by the alignment plate. 3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the first substrate and the second substrate are electrically connected via the plurality of connection terminals.

The semiconductor device according to claim 3, wherein a printed circuit board is used as the second substrate, and the thermal expansion coefficient of the alignment plate is 13 to 18 ppm.

5. The semiconductor device according to claim 1, wherein a penetration of the sealing material is 40 to 170 [1/10 mm ].

The semiconductor device according to claim 1, wherein the supporting member is a heat radiating member for radiating heat generated from the electronic component.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the surrounding member is made of silicone rubber.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the bonding wire is made of Au.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the bonding wire is made of Al.