JP4236826B2 - パワーモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュールの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワーモジュールは、そのケースに一体成形された電極、絶縁基板、および、絶縁基板上の半導体素子を相互にワイヤボンディングして製造される。ワイヤボンディングの位置は予め決められていることから、事前にプログラムすることができる。ワイヤボンド装置は、まず半導体素子の位置を認識して、プログラムされた位置にワイヤボンディングを行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のワイヤボンド装置では、ワイヤボンディングすべき位置にボンディングが行われないことがあった。これは、ワイヤボンド装置は半導体チップの位置のみを認識してワイヤボンディングを行っており、半導体チップを載置した回路パターン、電極、絶縁基板等の位置を認識していなかったからである。回路パターンの各金属線が細くなればなるほど、位置精度の高いワイヤボンディングが必要になる。その上、部品の寸法ばらつきや、製造工程内での取り付け位置精度のばらつきも存在する。したがって半導体チップの位置のみの認識では、事前にプログラムされた位置にワイヤボンディングすると位置ずれが大きくなりすぎ、ボンディング不良が発生してしまう。
【０００４】
本発明の目的は、ワイヤボンディングを所望の位置に確実に行うことである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のパワーモジュールは、ケースに囲まれたパワーモジュールであって、該ケースには第１の認識マークが設けられており、該ケースは、外部接続端子と、基板と、該基板上に設けられ、電力用半導体チップおよび第２の認識マークを有する回路パターンと、ケース上の前記第１の認識マーク、および、回路パターン上の前記第２の認識マークに基づいて設けられた、外部接続端子と電力用半導体チップ、および、外部接続端子と回路パターンの少なくとも一方を接続するボンディングワイヤとを備えたパワーモジュールであり、これにより上記目的が達成される。
【００１０】
前記認識マーク部分と、前記認識マークに隣接する部分との反射率は異なっていてもよい。
【００１１】
前記認識マーク部分と、前記認識マークの周辺部分の面粗度は異なっていてもよい。
【００１５】
本発明のパワーモジュールの製造方法は、第１の認識マークが設けられたケースを提供し、該ケース上に外部接続端子および基板を提供するステップと、該基板上に、電力用半導体チップと、その内部に第２の認識マークを有する回路パターンとを形成するステップと、ケース上の前記第１の認識マーク、および、回路パターン上の前記第２の認識マークに基づいて、外部接続端子と電力用半導体チップ、および、外部接続端子と回路パターンの少なくとも一方をボンディングワイヤで接続するステップとからなるパワーモジュールの製造方法であって、これにより上記目的が達成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態におけるパワーモジュール１００の上断面図を示す。パワーモジュール１００は、複数個の半導体チップを用途、目的に応じて結線し、１つのパッケージに収めた複合型半導体である。内蔵する主要チップの種類の違いにより、ダイオード・モジュール、サイリスタ・モジュール、トランジスタ・モジュール、ＭＯＳＦＥＴ・モジュール、ＩＧＢＴ・モジュール等が知られている。図１に示すパワーモジュール１００は、例えば、ＩＧＢＴ・モジュールである。
【００１８】
パワーモジュール１００は、パワーモジュール１００の熱を発散させる放熱板１、後述の回路パターンを形成するための絶縁基板２（ａ）〜２（ｃ）、パワーモジュール１００の用途、目的に応じて設けられた複数の半導体チップ３（例えばＩＧＢＴチップ）、外部電源回路と接続される電極４（ａ）〜４（ｅ）、電極一体型樹脂ケース５、所定の回路が銅等によりプリントされた回路パターン９（１ａ）〜９（１ｃ）、９（２ａ）〜９（２ｃ）、外部接続端子５０（１ａ）〜５０（１ｃ）、５０（２ａ）〜５０（２ｃ）を有する。さらに複数のボンディングワイヤは、Ａｕ、Ａｌ等の金属細線である。なお以下の説明では、例えば「回路パターン９（１ａ）」と記載した場合にはその特定の構成要素を表し、「回路パターン９」と記載した場合には、回路パターン９（１ａ）〜９（１ｃ）、９（２ａ）〜９（２ｃ）のいずれをも表すとする。
【００１９】
次に、各構成要素の構造を説明する。まず放熱板１と絶縁基板２とは、はんだ等のろう材を用いて接合されている。絶縁基板２上には回路パターン９が形成されている。回路パターン９には半導体チップ３がろう材で接合され、回路パターンとの電気的な接続を確保している。ケース５は、放熱板１、絶縁基板２の周囲を囲うパワーモジュール１００の容器であり、電極４（ａ）〜４（ｅ）がインサートされ樹脂で一体成形されている。複数のボンディングワイヤ６は、上述の外部接続端子と電力用半導体チップ３とを電気的に接続する。または複数のボンディングワイヤ６は、上述の外部接続端子５０と回路パターンとを電気的に接続する。
【００２０】
本実施の形態における主要な特徴として、パワーモジュール１００はさらに、ワイヤボンディング用認識マークを有する。すなわち認識マークは、回路パターン９上のワイヤボンディング用認識マーク７および、樹脂ケース５上のワイヤボンディング用認識マーク８である。これらの認識マークは、パワーモジュール１００のワイヤボンディング時に使用される。認識マークの位置に応じて、放熱板１に対する絶縁基板２の位置ずれ、寸法ばらつきを矯正して、ワイヤボンディングを行うことができる。認識マークをどのようにして設けるかについては、その形状の説明とともに後述する。
【００２１】
以下、ワイヤボンディング用認識マークの位置、および、形状を具体的に説明し、その後、認識マークを利用したワイヤボンディング手法を説明する。まずワイヤボンディング用認識マーク７は、絶縁基板２の回路パターン９内に設けられる。その理由は、絶縁基板２上の回路パターン９より外の部分に認識マーク７を設けるとすれば、その部分には認識マーク７を設けるスペースがさらに必要になり、モジュールの小型化を図れないからである。このように絶縁基板２上の回路パターン９に認識マーク７を設けたことにより、はんだ等のろう材で放熱板１に絶縁基板２が接合された際に、絶縁基板の位置ずれや絶縁基板の寸法ばらつきを吸収でき、より位置精度の高いワイヤボンドが可能になる。これは特に位置精度を要求される細い金属パターンになればなるほど（ファインピッチ化が進むほど）、効果といえる。
【００２２】
図１に示されるように、パワーモジュール１００には回路パターン９は複数存在する。複数の絶縁基板２（ａ）〜２（ｃ）が直線状に配置されていることによって、複数の回路パターン９（１ａ）〜９（１ｃ）、および９（２ａ）〜９（２ｃ）も直線状に配置されることになる。留意すべきは、ワイヤボンディング用認識マーク７（１ａ）〜７（１ｃ）は、直線状に配置された絶縁基板２（ａ）〜２（ｃ）内の同じ位置に設けられていることである。このように統一することにより、ワイヤボンド装置でワイヤボンディングを行う際に、認識マーク７の位置を個別に入力する必要がなくなる。すなわち、認識マーク７の位置に関して絶縁基板２を標準化することになり有効である。このことは、ワイヤボンディング用認識マーク７（２ａ）〜７（２ｃ）についても同様である。なお標準化の目的等がない場合には、いうまでもなく認識マーク７は各回路パターン９内の任意の位置に設けることができる。
【００２３】
図２を参照して、認識マーク７のさらなる特徴を説明する。図２は、１つの絶縁基板２（図１）を抜き出した図である。図示されるように、１つの絶縁基板２上には複数の認識用マーク７（ａ）および７（ｂ）を設けている。図示の例の場合には２つの認識用マーク７（ａ）および７（ｂ）である。留意すべきは、認識用マーク７（ａ）および７（ｂ）が、絶縁基板２の中心点Ｃに関し、絶縁基板２内の非対称の位置に設けられていることである。これにより、複数の絶縁基板２が配設されている場合でもその配設されている方向が識別でき、絶縁基板２の配設組み立てミスを防止できる。
【００２４】
再び図１を参照して、ワイヤボンディング用認識マーク８を説明する。ワイヤボンディング用認識マーク８は、樹脂ケース５上に設けられる。回路パターン９のみならず、ケース５上にも認識マークを設けることにより、放熱板１に接着剤等で接着された際の、ケースの位置ずれやケース寸法のバラつきを吸収でき、より位置精度の高いワイヤボンドが可能になる。特にケースに配設された中継端子等のワイヤボンド面積を小さくした場合、位置精度の高いワイヤボンドが必要なので有効である。なお、ワイヤボンド面積を小さくすることができれば、中継端子の配設ピッチを狭くでき、パッケージの小型化にも寄与できる。
【００２５】
図１に示すように、認識マーク８は、直線状に配置された絶縁基板２に対応して設けられている。そして、例えば絶縁基板２（ａ）と、それに対応する認識マーク８（１ａ）との位置関係は、絶縁基板２（ｂ）と、それに対応する認識マーク８（１ｂ）との位置関係と同じである。これはさらに絶縁基板２（ｃ）と、それに対応する認識マーク８（１ｃ）との位置関係についても同様である。このように、絶縁基板２と認識マーク８との位置関係が同じになるように規則的に認識マーク８を設けることで、ワイヤボンド装置を動作させるワイヤボンドプログラムの設定が容易にできる。すなわち、１つの絶縁基板の位置と１つの認識マークの位置とを設定すれば、残りの基板と認識マークの設定も容易に行うことができる。よってプログラム作成時間を短縮できる。
【００２６】
ここで、絶縁基板２の回路パターン９内とケース５の両方に認識マークを設けることで、ケースに一体成形された電極４または外部接続端子５０と絶縁基板２の金属パターン間について、ワイヤボンドの位置精度を向上できる。
【００２７】
続いてワイヤボンディング用認識マークの形状を、その作成方法とともに具体的に説明する。まず回路パターン９内のワイヤボンディング用認識マーク７から説明する。回路パターン９内のワイヤボンディング用認識マーク７は、パターン形成時に設けられる。その方法は、例えば薬品等による基板への穿孔、または、めっきである。穿孔する場合には、当然に絶縁基板２の厚さ方向に対し深さを有するマークになる。図３は、絶縁基板に空けられた穴としての認識マークを示す図である。認識マークの周辺領域１０−１は、絶縁基板の他の領域と比較してより高い光沢を有するようにされている。そして認識マークの穴の底部１０−２は光の反射を抑えるために半球面状に加工されている。これにより、認識マークを上部からみたとき、穴の底部１０−２、その周辺部分１０−１、および、さらにそれ以外の基板部分の３者について、コントラストが異なることになる。すなわち光の反射がない穴の底部１０−２および基板部分に対して周辺部分１０−１は光の反射があるため、認識マークの識別精度が向上し、識別時間が削減される。なお穴の底部１０−２の形状は、光の反射を抑えることができるのであれば、例えば図４に示す凸形状１１、または多角形等の他の形状であってもよい。
【００２８】
一方メッキにより回路パターン９内のワイヤボンディング用認識マーク７（図１）を形成する場合には、絶縁基板２の表面に形成された平面的なマークになる。この場合には、銅にアルミのめっきする等、めっきのつけ方を変化させることもできる。
【００２９】
次に、樹脂ケース５上のワイヤボンディング用認識マーク８を説明する。認識マーク８は、樹脂成形時にその金型に予めピンを立てておくことにより設けることができる。したがって、図３または図４に示すような絶縁基板２の厚さ方向に対し深さを有するマークとなる。この認識マークの場合には、穴の周辺領域１０−１（図３）とそれ以外の領域の面粗度を変化させて、識別精度を向上させることができる。面粗度は、樹脂ケース成形用金型において、周辺領域１０−１（図３）に相当する部分の面粗度をその他の領域と差別化することにより変化させることができる。よって、容易に認識マークを設けることができる。なお穴の底部の形状は、上述のように光の反射を抑えることができるのであれば、任意である。
【００３０】
以下、認識マークを利用したワイヤボンディング手法を説明する。図５は、ワイヤボンド装置５０を示す概略図である。ワイヤボンド装置５０は、カメラ５１でテーブル７上の絶縁基板２（図１）および樹脂ケース５（図１）における認識マーク７、８（図１）を撮影し、画像処理に基づいて算出したその位置に基づいてボンディングアーム５６を動作させ、パワーモジュール１００のワイヤボンディングを行う装置である。
【００３１】
ワイヤボンド装置５０の構成および動作をより具体的に説明する。まずカメラ５１は、パワーモジュール１００のボンディング前のケース５（図１）が搬送されてテーブル５７上で位置決めされると、そのケース５（図１）の全部または一部を撮像する。フレームには既に回路パターン９（図１）が設けられた絶縁基板２（図１）等が載置されている。絶縁基板２（図１）の回路パターン９上にはワイヤボンディング用認識マーク７が、樹脂ケース５上にはワイヤボンディング用認識マーク８が設けられている。撮像された画像データは、画像処理部５３に入力される。
【００３２】
画像処理部５３は、予めプログラムされたおおよその認識マーク７、８（図１）の位置、および、コントラストが高い画像内の部位を抽出する等の画像処理を行い、認識マーク７、８（図１）の位置を算出する。上述のように、認識マーク７、８（図１）とその周辺領域１０−１（図３）との間には反射率または面粗度の差によるコントラストの差があるので、認識マーク７、８（図１）を識別するための画像処理は容易である。画像処理部５３は、識別した認識マーク７、８（図１）の位置を制御部５４に送信する。
【００３３】
制御部５４は、認識マーク７、８（図１）の位置を認識すると予めプログラムされた基準位置と比較する。基準位置は、正確に配置された場合の、放熱板１（図１）、ケース５（図１）、および絶縁基板２（図１）の位置である。制御部５４は、比較結果に基づいて、放熱板１（図１）に対するケース５（図１）の位置ずれ量、および、放熱板１（図１）またはケース５（図１）に対する絶縁基板２（図１）の位置ずれ量を計算する。さらに絶縁基板の寸法も基準寸法と比較され、そのばらつきを計算する。それらの計算の結果、制御部５４はボンディングする位置を決定し、その位置にボンディングアーム５６およびテーブル５７を駆動させるための駆動信号を出力する。
【００３４】
駆動部５５は、制御部５４からの駆動信号に基づいて、テーブル５７の位置を変更し、さらにボンディングアーム５６を動作させ、ワイヤボンディングを行う。例えば、外部接続端子５０と電力用半導体チップ３や、外部接続端子５０と回路パターン９のワイヤボンディングを行う。制御部５４からの駆動信号に基づいてボンディングするので、正確かつ迅速に行うことができる。なお、カメラ５１が認識マーク７、８（図１）を全て含むように撮像できる場合には、そのケース５（図１）に対する絶縁基板２（図１）のそれぞれの位置ずれ量が一度の撮像で計算できることから、さらにワイヤボンディング動作を高速にできる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の第１の発明および第４の発明によれば、絶縁基板の回路パターン内とケースの両方に認識マークを設けたので、ケースに一体成形された電極または外部接続端子と絶縁基板の金属パターン間について、ワイヤボンドの位置精度を向上できる。
【００４０】
本発明の第２の発明によれば、認識マーク部分と、認識マークに隣接する部分との反射率を異ならせることにより、認識マークの識別が容易にできる。
【００４１】
本発明の第３の発明によれば、認識マーク部分と、認識マークの周辺部分の面粗度を異ならせることにより、認識マークの識別が容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態におけるパワーモジュールの上断面図である。
【図２】 絶縁基板の図である。
【図３】 絶縁基板に空けられた穴としての認識マークを示す図である。
【図４】 認識マークの底部の形状を示す図である。
【図５】 ワイヤボンド装置を示す概略図である。
【符号の説明】
２ 絶縁基板、 ３ 半導体チップ、 ４ 電極、 ５ ケース、 ６ ボンディングワイヤ、 ７ 回路パターン内のワイヤボンディング用認識マーク、 ８ ケース上のワイヤボンディング用認識マーク、 ９ 回路パターン、 １０−１ 穴の周辺領域、 １０−２ 穴の底部、 １１ 凸形状の穴の底部、 １００ パワーモジュール

Claims (4)

  1. ケースに囲まれたパワーモジュールであって、該ケースには第１の認識マークが設けられており、該ケースは、
    外部接続端子と、
    基板と、
    該基板上に設けられ、電力用半導体チップおよび第２の認識マークを有する回路パターンと、
    ケース上の前記第１の認識マーク、および、回路パターン上の前記第２の認識マークに基づいて設けられた、外部接続端子と電力用半導体チップ、および、外部接続端子と回路パターンの少なくとも一方を接続するボンディングワイヤと
    を備えたパワーモジュール。
  2. 前記認識マーク部分と、前記認識マークに隣接する部分との反射率が異なる、請求項１記載のパワーモジュール。
  3. 前記認識マーク部分と、前記認識マークの周辺部分の面粗度が異なる、請求項１記載のパワーモジュール。
  4. 第１の認識マークが設けられたケースを提供し、該ケース上に外部接続端子および基板を提供するステップと、
    該基板上に、電力用半導体チップと、その内部に第２の認識マークを有する回路パターンとを形成するステップと、
    ケース上の前記第１の認識マーク、および、回路パターン上の前記第２の認識マークに基づいて、外部接続端子と電力用半導体チップ、および、外部接続端子と回路パターンの少なくとも一方をボンディングワイヤで接続するステップと
    からなるパワーモジュールの製造方法。
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