JP4030956B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、エポキシ樹脂等によってトランスファーモールドされたパワーモジュールに関する。
従来のトランスファーモールドタイプのパワーモジュールにおいては、一般的には、モールド樹脂としてエポキシ樹脂が使用される。また、リードフレームの材料としては、加工性および導電性に優れた銅材が使用される。しかし、エポキシ樹脂と銅材とでは、密着性が悪いので、モールドした直後に、エポキシ樹脂の収縮による剥離が起こることがある。そして、パワーモジュールの電流容量が大きくなると、リードフレームの外部導出端子の幅は広くなるので、この剥離は顕著に現れる。また、モールドした直後に剥離が起こっていなくても、製品の使用環境において温度変化がある場合には、エポキシ樹脂と銅材との熱膨張係数の違いにより剥離が発生することがある。
エポキシ樹脂からなるモールド樹脂と銅材からなるリードフレームとの剥離が発生すると、パワーモジュールへの組み立て工程におけるめっき工程で、めっき液がモールド樹脂とリードフレームとの隙間を伝って内部に侵入する。そのため、内部配線用のボンディングワイヤが、めっき液に含まれる水分により腐食することにより、ＩＧＢＴやフリーホイールダイオードが電気的にオープンとなり耐圧低下等の不具合が発生することがある。また、製品の使用環境によっては、大気中の湿気が侵入することにより、上記のめっき液が侵入した場合と同様の不具合が発生することがある。
モールド樹脂とリードフレームとの剥離は、通常、リードフレームの外部導出用の端子に接しているモールド樹脂の端面から発生し、内部から発生することはほとんどない。そこで、リードフレームの外部導出端子の幅が広い場合には、複数のアンカー穴を樹脂の端面近傍のリードフレームを貫通するように開口させ、このアンカー穴を通してリードフレーム表裏のモールド樹脂を繋げることによりアンカー効果を発生させ、モールド樹脂とリードフレームとの密着性を高めている。しかし、アンカー穴を設ければ、その分リードフレームの断面積は小さくなる。そのため、アンカー穴周辺の電流密度が上昇することにより、発熱してしまう等の問題点があった。
特許文献１には、リードフレームの外部導出端子を、アンカー穴を設けるのではなく開口するように切り起こすことにより、発熱を防止する電力用半導体装置の例が示されている。
また、特許文献２，３には、多孔質物質および吸湿材をそれぞれ用いて、侵入した水分を吸収する電力用半導体装置の例が示されている。
特開昭６２−２６８１５１号公報 特開平０１−２２５１４３号公報 特開昭６０−１７６２５６号公報
特許文献１に示される電力用半導体装置においては、モールド樹脂とリードフレームとの密着強度を高めるために開口部を有するので、電流密度が上昇することによる発熱は、完全には防止できないという問題点があった。
また、特許文献２，３に示される電力用半導体装置においては、モールド樹脂とリードフレームとの密着強度を高めること自体はしておらず水分の侵入は防いでいないので、侵入した水分を完全に吸収できない場合には、上記の腐食が発生してしまうという問題点があった。
本発明は以上の問題点を解決するためになされたものであり、発熱を防止しつつモールド樹脂とリードフレームとの密着強度を高めることができ水分の侵入を防ぐことができる電力用半導体装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明に係る電力用半導体装置は、半導体チップと、リードフレームと、前記半導体チップ及び前記リードフレームをボンディングする第一ワイヤと、前記半導体チップ及び前記リードフレームを封止するモールド樹脂と、前記リードフレーム表面に配置され前記リードフレームと前記モールド樹脂との間のアンカーとして機能するアンカー材とを備え、前記アンカー材は、前記リードフレーム上面にステッチボンディングされた第二ワイヤを含む。また、本発明に係る電力用半導体装置は、半導体チップと、リードフレームと、前記半導体チップ及び前記リードフレームをボンディングする第一ワイヤと、前記半導体チップ及び前記リードフレームを封止するモールド樹脂と、前記リードフレーム表面に配置され前記リードフレームと前記モールド樹脂との間のアンカーとして機能するアンカー材とを備え、前記アンカー材は、前記リードフレーム上面に超音波接合された金属板を含み、前記金属板は前記リードフレームよりも広い幅を有する。
また、本発明に係る電力用半導体装置は、半導体チップと、リードフレームと、前記半導体チップ及び前記リードフレームをボンディングする第一ワイヤと、前記半導体チップ及び前記リードフレームを封止するモールド樹脂と、電流経路に平行な方向への剪断加工及び絞り加工により前記リードフレーム上に形成されたプレス加工領域とを備える。
本発明に係る電力用半導体装置は、半導体チップと、リードフレームと、前記半導体チップ及び前記リードフレームをボンディングする第一ワイヤと、前記半導体チップ及び前記リードフレームを封止するモールド樹脂と、前記リードフレーム表面に配置され前記リードフレームと前記モールド樹脂との間のアンカーとして機能するアンカー材とを備え、前記アンカー材は、前記リードフレーム上面にステッチボンディングされた第二ワイヤを含む。従って、アンカー穴を設けることなくリードフレームとモールド樹脂との密着強度を高めることができるので、電流密度の上昇による発熱を防止しつつ水分の侵入を防ぐことができるという効果を有する。また、本発明に係る電力用半導体装置は、半導体チップと、リードフレームと、前記半導体チップ及び前記リードフレームをボンディングする第一ワイヤと、前記半導体チップ及び前記リードフレームを封止するモールド樹脂と、前記リードフレーム表面に配置され前記リードフレームと前記モールド樹脂との間のアンカーとして機能するアンカー材とを備え、前記アンカー材は、前記リードフレーム上面に超音波接合された金属板を含み、前記金属板は前記リードフレームよりも広い幅を有する。従って、リードフレームとモールド樹脂との剥離が発生した場合にも、これらの隙間から侵入しためっき液や湿気を遮断できるという効果を有する。
また、本発明に係る電力用半導体装置は、半導体チップと、リードフレームと、前記半導体チップ及び前記リードフレームをボンディングする第一ワイヤと、前記半導体チップ及び前記リードフレームを封止するモールド樹脂と、電流経路に平行な方向への剪断加工及び絞り加工により前記リードフレーム上に形成されたプレス加工領域とを備える。従って、従って、アンカー穴を設けることなくリードフレームとモールド樹脂との密着強度を高めることができるので、電流密度の上昇による発熱を防止しつつ水分の侵入を防ぐことができるという効果を有する。また、プレス加工領域の形成は、リードフレームの形成と同一工程内において実施できるため、新たに製造工程を増やす必要がないので、製造コストの大幅な上昇を招かないで実現できるという効果を有する。
＜実施の形態１＞
実施の形態１に係る電力用半導体装置は、従来のアンカー穴に代えて、アンカー材としてのボンディングワイヤを用いてアンカー効果を発生させることを特徴とする。
図１（ａ），（ｂ）は、本実施の形態に係る電力用半導体装置を示す上面図および側面図である。これらを含む以下の図においては、説明に直接関係しない部分の図示は適宜簡略化している。また図示の都合上、モールド樹脂が半透明であると仮定し点線で示している。図２は、他の実施の形態との比較のために図１の一部の領域を拡大した図である。
図１（ａ）において、銅材等からなるリードフレーム（全体は図示しない）は、主回路を外部に導出する端子１ａと、信号用の端子１ｂとを備えている。端子１ａは、内部配線用のアルミワイヤ２ａ（第一ワイヤ）を介して、フリーホイールダイオード６（半導体チップ）にボンディングポイント７ａでボンディングされている。また、フリーホイールダイオード６は、アルミワイヤ２ａを介して、ＩＧＢＴ５にボンディングポイント７ａでボンディングされている。また、端子１ｂは、アルミワイヤ２ａを介して、ＩＧＢＴ５にボンディングポイント７ａでボンディングされている。ＩＧＢＴ５、フリーホイールダイオード６は、ヒートシンク４に接触している。ヒートシンク４、ＩＧＢＴ５、フリーホイールダイオード６及びリードフレーム等は、エポキシ樹脂等からなるモールド樹脂３により封止（トランスファーモールド）されている。
図１（ａ）において、端子１ａ上でアルミワイヤ２ａの外側の領域には、モールド樹脂３の左右の端面と平行に、アンカー用の複数のアルミワイヤ２ｂ（第二ワイヤ）が、ボンディングポイント７ｂでボンディングされている。このとき、アルミワイヤ２ｂは、図１（ｂ）に示されるアルミワイヤ２ａと同様に、ある程度撓ませた状態でモールド樹脂３によりトランスファーモールドされている。これにより、モールド樹脂３と接触するアルミワイヤ２ｂの長さを長くすることができる。一般的に、リードフレームとアルミワイヤ２ｂとのボンディングによる密着強度、およびモールド樹脂３とアルミワイヤ２ｂとのトランスファーモールドによる密着強度は、リードフレームとモールド樹脂３とのトランスファーモールドによる密着強度よりも高い。従って、アルミワイヤ２ｂを撓ませた状態でモールド樹脂３でトランスファーモールドすることにより、アンカー効果を発生させ、リードフレームとモールド樹脂３との密着強度を高めることができる。
このアンカー効果は、単位面積あたりのボンディングポイント７ｂの数が多いほど高くなる。従って、隣接するボンディングポイント７ｂ同士の間隔が大きくなると、その間隔の領域において密着強度が低下する。よって、各アルミワイヤ２ｂにおいて、隣接するボンディングポイント７ｂ同士の間隔が比較的に小さくなるようにステッチボンディングすることにより、リードフレームとモールド樹脂３との密着強度を高めることができる。
また、図１（ａ）に示すように、隣接するアルミワイヤ２ｂ同士において、モールド樹脂３の左右の端面と平行な方向に、ボンディングポイント７ｂの位置をずらしている。即ち、ボンディングポイント７ｂを千鳥状に配置することにより、隣接するボンディングポイント７ｂ同士の間隔をさらに小さくすることができる。これにより、リードフレームとモールド樹脂３との密着強度をさらに高めることができる。
このように、本実施の形態に係る電力用半導体装置においては、リードフレームの端子１ａ上に、アルミワイヤ２ｂをステッチボンディングする。従って、アンカー穴を設けることなくリードフレームとモールド樹脂３との密着強度を高めることができるので、電流密度の上昇による発熱を防止しつつ水分の侵入を防ぐことができるという効果を有する。
また、ボンディングポイント７ｂを千鳥状に配置することにより、隣接するアルミワイヤ２ｂ同士において、隣接するボンディングポイント７ｂ同士の間隔をさらに小さくする。従って、リードフレームとモールド樹脂３との密着強度をさらに高めることができるという効果を有する。
また、アルミワイヤ２ｂとしてアルミワイヤ２ａと同じものを使用することができるので、製造装置や治工具は、アルミワイヤ２ａのボンディングに用いたものをそのまま流用できる。従って、新たに製造装置や治工具を準備する必要がないので、製造コストの大幅な上昇を招かないで実現できるという効果を有する。
＜実施の形態２＞
実施の形態１に係る電力用半導体装置においては、リードフレームの端子１ａ上にアルミワイヤ２ｂをステッチボンディングすることにより、アンカー効果を発生させる。
しかし、端子１ａ上に、アルミワイヤ２ｂをステッチボンディングする代わりに、金属板材を超音波接合してもよい。
図３は、実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す上面図である。
図３において、端子１ａ上でアルミワイヤ２ａの外側の領域には、モールド樹脂３の端面と平行に、アンカー用の金属板材８が、超音波接合されている。即ち、図３は、図１，２におけるアルミワイヤ２ｂに代えて、金属板材８を用いたものである。
超音波接合装置が備えるホーン表面には凹凸が施されており、金属板材８を接合するときには、この凹凸が金属板材８表面の全面に転写される。この凹凸がモールド樹脂３に噛み込むことにより、リードフレームとモールド樹脂３との密着強度を高めることができる。
また、金属板材８は、端子１ａよりも広い幅を有するので、リードフレームとモールド樹脂３との剥離が発生した場合にも、これらの隙間から侵入しためっき液や湿気を遮断できる。例えば、図３（ａ）のモールド樹脂３の端部から、端子１ａに沿って（即ちアルミワイヤ２ａに平行な方向に）隙間が形成されたとしても、金属板材８は端子１ａよりも突出しているので、突出したこの部分が段差となってめっき液や湿気を遮断できる。
このように、本実施の形態に係る電力用半導体装置においては、リードフレームの端子１ａ上に、金属板材８を超音波接合する。従って、アンカー穴を設けることなくリードフレームとモールド樹脂３との密着強度を高めることができるので、実施の形態１と同様に、電流密度の上昇による発熱を防止しつつ水分の侵入を防ぐことができるという効果を有する。
また、金属板材８は、端子１ａよりも広い幅を有するので、リードフレームとモールド樹脂３との剥離が発生した場合にも、これらの隙間から侵入しためっき液や湿気を遮断できるという効果を有する。
＜実施の形態３＞
実施の形態２に係る電力用半導体装置においては、リードフレームの端子１ａ上に、金属板材８を超音波接合することにより、アンカー効果を発生させる。
しかし、端子１ａ上に、金属板材８を超音波接合する代わりに、接着剤を塗布してもよい。
図４は、実施の形態３に係る電力用半導体装置を示す上面図である。
図４において、端子１ａ上でアルミワイヤ２ａの外側の領域には、モールド樹脂３の端面と平行に、アンカー用の接着剤９が、塗布されている。即ち、図４は、図３における金属板材８に代えて、接着剤９を用いたものである。
ここで、接着剤９は、端子１ａ上面だけではなく、他の表面すなわち端子１ａ裏面および側面にも塗布されている。言い換えれば、接着剤９は、端子１ａの周囲を環状に塗布されている。これにより、端子１ａのワイヤボンディング面（上面）だけではなく、裏面および側面においてもアンカー効果を発生させることができる。従って、リードフレームとモールド樹脂３との密着強度をさらに高めることができる。
このように、本実施の形態に係る電力用半導体装置においては、リードフレームの端子１ａ上に、接着剤９を塗布する。従って、アンカー穴を設けることなくリードフレームとモールド樹脂３との密着強度を高めることができるので、実施の形態１と同様に、電流密度の上昇による発熱を防止しつつ水分の侵入を防ぐことができるという効果を有する。
また、接着剤９を、端子１ａ上面だけではなく端子１ａ裏面および側面にも塗布することにより、リードフレームとモールド樹脂３との密着強度をさらに高めることができるという効果を有する。
＜実施の形態４＞
実施の形態３に係る電力用半導体装置においては、リードフレームの端子１ａの周囲に接着剤９を環状に塗布することにより、アンカー効果を発生させる。
しかし、端子１ａの周囲に接着剤９を環状に塗布する代わりに、リードフレームに剪断加工及び絞り加工を施すことにより、端子１ａ上にプレス加工領域１ｃを形成してもよい。
図５は、実施の形態４に係る電力用半導体装置を示す上面図および側面図である。また、図６は、実施の形態４に係る電力用半導体装置を示す斜視図である。また、図７は、本実施の形態の背景として、アンカー穴１ｄを用いた従来の電力用半導体装置を示す上面図である。
図５において、端子１ａ上でアルミワイヤ２ａの外側の領域には、アンカー用のプレス加工領域１ｃが、形成されている。即ち、図５は、図４における接着剤９に代えて、プレス加工領域１ｃを用いたものである。ここで、プレス加工領域１ｃは、電流経路（左右方向）と平行に剪断加工されると同時に絞り加工されることにより形成される。よって、図７に示されるようなアンカー穴１ｄを開口する場合に比べて、リードフレームの断面積が小さくならないので、電流密度の上昇を低減することができる。従って、プレス加工領域１ｃを形成することにより、発熱を防止しつつリードフレームとモールド樹脂３との密着強度を高めることができる。
また、複数のプレス加工領域１ｃを、モールド樹脂３の端面と平行に並ぶように形成する。複数のプレス加工領域１ｃを形成することにより、リードフレームとモールド樹脂３との密着強度をさらに高めることができる。
また、プレス加工領域１ｃは、リードフレームを形成するための金型において、剪断加工及び絞り加工用の突起部を設けることにより、リードフレームの形成と同一工程内において実施できる。
このように、本実施の形態に係る電力用半導体装置においては、リードフレームの端子１ａ上に、プレス加工領域１ｃを形成する。従って、アンカー穴１ｄを設けることなくリードフレームとモールド樹脂３との密着強度を高めることができるので、実施の形態１と同様に、電流密度の上昇による発熱を防止しつつ水分の侵入を防ぐことができるという効果を有する。
また、複数のプレス加工領域１ｃを形成することにより、リードフレームとモールド樹脂３との密着強度をさらに高めることができるという効果を有する。
また、プレス加工領域１ｃの形成は、リードフレームの形成と同一工程内において実施できる。従って、新たに製造工程を増やす必要がないので、製造コストの大幅な上昇を招かないで実現できるという効果を有する。
なお、以上の実施の形態１〜４におけるアンカー材は、少なくとも、端子１ａ上のボンディングポイント７ａ付近に配置されていればよい。ボンディングポイント７ａ付近にのみアンカー材を配置させることにより、端子１ａとモールド樹脂３との界面からの水分の侵入に関し最も弱いボンディングポイント７ａを効率的に保護することができる。従って、信頼性の高い電力用半導体装置を低コストで提供できるという効果を有する。
実施の形態１に係る電力用半導体装置の構造を示す上面図および側面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の構造を示す上面図である。 実施の形態２に係る電力用半導体装置の構造を示す上面図および側面図である。 実施の形態３に係る電力用半導体装置の構造を示す上面図および側面図である。 実施の形態４に係る電力用半導体装置の構造を示す上面図および側面図である。 実施の形態４に係る電力用半導体装置の構造を示す斜視図である。 従来の電力用半導体装置の構造を示す上面図である。
符号の説明
１ａ，１ｂ 端子、１ｃ プレス加工領域、１ｄ アンカー穴、２ａ，２ｂ アルミワイヤ、３ モールド樹脂、４ ヒートシンク、５ ＩＧＢＴ、６ フリーホイールダイオード、７ａ，７ｂ ボンディングポイント、８ 金属板材、９ 接着剤。

Claims (6)

  1. 半導体チップと、
    リードフレームと、
    前記半導体チップ及び前記リードフレームをボンディングする第一ワイヤと、
    前記半導体チップ及び前記リードフレームを封止するモールド樹脂と、
    前記リードフレーム表面に配置され前記リードフレームと前記モールド樹脂との間のアンカーとして機能するアンカー材と、
    を備え、
    前記アンカー材は、
    前記リードフレーム上面にステッチボンディングされた第二ワイヤ
    を含む
    電力用半導体装置。
  2. 請求項１に記載の電力用半導体装置であって、
    前記第二ワイヤは前記リードフレーム上に千鳥状に配置されたボンディングポイントにおいて複数本ステッチボンディングされる
    電力用半導体装置。
  3. 半導体チップと、
    リードフレームと、
    前記半導体チップ及び前記リードフレームをボンディングする第一ワイヤと、
    前記半導体チップ及び前記リードフレームを封止するモールド樹脂と、
    前記リードフレーム表面に配置され前記リードフレームと前記モールド樹脂との間のアンカーとして機能するアンカー材と、
    を備え、
    前記アンカー材は、
    前記リードフレーム上面に超音波接合された金属板
    を含み、
    前記金属板は前記リードフレームよりも広い幅を有する
    電力用半導体装置。
  4. 半導体チップと、
    リードフレームと、
    前記半導体チップ及び前記リードフレームをボンディングする第一ワイヤと、
    前記半導体チップ及び前記リードフレームを封止するモールド樹脂と、
    電流経路に平行な方向への剪断加工及び絞り加工により前記リードフレーム上に形成されたプレス加工領域と、
    を備える電力用半導体装置。
  5. 請求項４に記載の電力用半導体装置であって、
    前記プレス加工領域は、
    前記リードフレーム表面において前記第一ワイヤがボンディングされるボンディングポイント付近に配置される
    電力用半導体装置。
  6. 請求項５に記載の電力用半導体装置であって、
    前記プレス加工領域は複数個形成される
    電力用半導体装置。
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