JP4907693B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、線径が異なる複数の金属細線を用いてスイッチング素子と配線部材を繋いでなる半導体装置に関わるものである。
従来からパワーモジュールなどにおいて、パワー回路ブロックと制御ブロックとを内部配線用の端子ブロックを用いずに、直接ワイヤボンディングする技術が知られている（特許文献１）。
一方、この発明が対象とする半導体装置は、基板に搭載されたスイッチング素子と配線部材とを有し、配線部材は、装置外部と電流の受け渡しをするために、外部端子と接続されるとともに、スイッチング素子とも接続される。スイッチング素子と配線部材の接続には、主として比較的電気抵抗が小さいアルミニウムを主成分とする材質からなる金属細線が用いられることが多い。また、スイッチング素子には、半導体装置が制御する電流を引き出すための第一の電極が素子表面に形成されるとともに、電流を流したり遮断したりするために電圧もしくは電流を印加する第二の電極が第一の電極と同じ素子表面に形成されている。
第一の金属細線は、第一の電極から第一の配線部材に向かってループ形成されて接続され、また、第二の金属細線は、第二の電極から制御基板につながる第二の配線部材に向かってループ形成されて接続されている。さらに、第一、第二の配線部材はあらかじめ外装ケースに保持されるとともに、外装ケース内には、保護のために樹脂が封入されて、金属細線の周辺を覆っている。
特開平８−２０４１１５号公報（第３頁、図２）
半導体装置においては、スイッチング素子の能動面積が大きいほど、制御できる電流が大きく性能が向上する。一方、第二の電極は印加される電力が小さいため、第二の電極を極力小さく作り、第一の電極を大きくする。また、第一の金属細線は大きな電流を流す必要がある一方で、第二の金属細線は接合する第二の電極が小さいこと、大きな電流を流す必要がないことから、第一の金属細線よりも線径が小さくなる。
金属細線は線径が小さいほど、剛性が小さくなり、機械的信頼性が低下して、半導体装置に要求される性能によっては、線径を大きくせざるを得ず、半導体装置の小形化を妨げるだけでなく、第一の電極の面積が目減りして素子の性能を十分引き出せない問題があった。特に、この種半導体装置では、保護のために樹脂封入する構造となっており、封入樹脂と金属細線との線膨張差に起因する熱応力が金属細線に発生したり、封入樹脂の振動によって金属細線が揺られて歪みが蓄積し、金属細線の機械的特性が制限されるおそれがあった。
この発明は、かかる課題を解決するためになされるものであり、スイッチング素子、スイッチング素子に形成された第一の電極と第二の電極、第一の電極と電気的に繋がる第一の配線部材、第一の電極と第一の配線部材を繋ぐ少なくとも1本の第一の金属細線、第二の電極と電気的に繋がる第二の配線部材、第二の電極と第二の配線部材を繋ぐ少なくとも１本の第二の金属細線、スイッチング素子、第一の配線部材、第二の配線部材、第一の金属細線、および第二の金属細線を収納する外装ケース、外装ケースに封入する封入樹脂とを備えた半導体装置であって、第一の金属細線は、第二の金属細線よりも線径が大きく、かつ長く又はその配線高さを高くし、第一の金属細線の近傍に略並行に第二の金属細線を配線され、しかも、第二の金属細線は、前記第一の金属細線に囲まれるように配線されているものであり、前記第一の金属細線は複数本平行して設けられ、そのうち、少なくとも前記第二の金属細線に最も近い金属細線を前記第二の金属細線の高さよりも高くしたものである。
この発明によれば、半導体装置内部にあって、スイッチング素子と配線部材の間に配線される第一の金属細線と第二の金属細線のうち、第二の金属細線は第一の金属細線に囲まれるように配線され、剛性が大きい第一の金属細線で被覆樹脂が確実に拘束されるために、剛性が小さい第二の金属細線は樹脂物性に影響することなく、機械的信頼性が向上するものであって、第一の金属細線は複数本平行して設けられ、そのうち、少なくとも第二の金属細線に最も近い金属細線を第二の金属細線の高さよりも高くしたことにより、他の第一の金属細線を所望の高さとしつつ、上記の効果を奏することができる。
この発明における半導体装置の実施の形態１を説明するための概略図を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は横断面を模式的に示す。 この発明の実施の形態２を説明するための概略平面図を示す。 この発明の実施の形態２を説明するための模式図を示す。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１を説明するために一部を取り出した部分模式図であり、図１（ａ）は平面、図１（ｂ）は横断面を示す。
スイッチング素子１は、基板２に形成された金属配線パターン３の上に例えばはんだや導電ペーストによって接合される。スイッチング素子１には、その表面に半導体装置の主たる電流を制御するための第一の電極４と、スイッチング素子のゲートあるいはベースの電圧もしくは電流を制御するための第二の電極５が形成されている。第一の電極４には本実施の形態では４本の第一の金属細線６が接合されている。第一の金属細線６のもう一方の端部は、外装ケース７に保持された第一の配線部材である第一のターミナル部８あるいは基板２上の配線パターン部１２に接合されている。このように、第一の金属細線によって第一の配線部材とスイッチング素子、あるいはスイッチング素子同士を電気的に接続することになる。
一方、スイッチング素子１上の第二の電極５には、第一の金属細線６よりも線径が小さい第二の金属細線９が接合され、もう一方の端部はスイッチング素子１を制御する制御基板に接続するための第二のターミナル部１０あるいは基板２上の配線パターン部１３に接合されている。第二の金属細線９は第一の金属細線６に比べて線径を小さくすることで、第二の電極５の面積も小さくてすみ、大きな電流を制御するために設けた第一の電極４を大きな面積とすることができる。
また、第一の金属細線６は大きな電流を制御するために、電気抵抗の小さいアルミニウムを材質とし、線径は直径１００〜６００μｍ程度で、好ましくは、３００〜５００μｍであれば、接合する際のエネルギーでスイッチング素子に損傷を与えることなく、接合することができる。一方、第二の金属細線９は、同等の機械的特性を有するアルミニウムあるいは金を材質とし、線径は直径１５〜１５０μｍ程度で、好ましくは、２０〜８０μｍであれば、第二の電極面積に対して十分に位置的な尤度をもって接合することができる。
また、半導体装置には、スイッチング素子１や金属細線６、９を含む配線を保護するために封入樹脂１１が封入されている。本実施の形態の金属細線においては、第二の金属細線９は、第一の金属細線６の極近傍に配線されており、各々が略平行なように配線されている。また、第一の金属細線６は、第二の金属細線９よりも長く形成されている。
第二の金属細線９は線径が小さいために、第一の金属細線と比べると剛性があまり大きくなく、半導体装置がさらされる温度サイクルや振動が加わると、封入樹脂との機械的物性の差異によって封入樹脂と金属細線が相対的に変位し、発生するストレスに対する耐量が第一の金属細線６に比べて小さい。
しかしながら、本実施の形態のように剛性が小さい第二の金属細線９の極近くに第一の金属細線６を平行に配線することにより、封入樹脂１１は剛性が高い第一の金属細線６によって拘束されるため、第一の金属細線６の変位に近くなる。一方、第一の金属細線６と第二の金属細線９はほぼ同等の機械的物性を有していることから、第二の金属細線９の周囲の封入樹脂と第二の金属細線９の相対変位は小さくなり、ストレスの発生を低減して機械的信頼性が向上する。
また、剛性が高い第一の金属細線６が例えば振動時に封入樹脂１１に対して発生する慣性力を受け止めて樹脂の動きを拘束するため、剛性が小さい第二の金属細線９が樹脂に揺られることがなく、耐振性の向上が顕著である。
なお、図１（ｂ）の左側部に示すように、第一電極４と第一ターミナル部８とを接合する第一の金属細線６のように、第一の金属細線の高さが、第二の金属細線の高さよりも高くすることによって、第二の金属細線の頂部に作用する封入樹脂量が小さくなる。このため、線径が小さい第二の金属細線の接合部に特に大きなモーメントを作用させる頂部の樹脂量を減らせ、かつ、剛性が高い第一の金属細線が樹脂の動きを制限するため、接合部に作用するモーメントを大幅に低減させることができ、機械的信頼性が向上する。
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２を説明するための半導体装置の概略図で、平面図を模式的に示す図である。本実施の形態では、第二の金属細線９ａ、９ｂは第一の金属細線６ａ、６ｂに囲まれるように配線されている。同様に、第二の金属細線９ｃ、９ｄは第一の金属細線６ｃ、６ｄに囲まれるように配線されている。また、図示しないが本実施形態においても、半導体装置内部に樹脂が封入されている。
剛性が大きい第一の金属細線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄによって囲まれる領域の封入樹脂は、両側の金属細線に拘束されるために温度変化や振動時の変位が小さくなり、第一の金属細線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと同等材質である第二の金属細線９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄとの相対変位が小さくなり、ストレスを低減することができる。
さらに、第一の金属細線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄによって囲まれる領域は小さい容積であるために、第二の金属細線９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄへの機械的影響が小さくなり、とりわけ振動時の樹脂の動きが小さくなるので、耐振性の向上が顕著となる。
また、基板２上に第二の金属細線９ａ、９ｂと接続する配線パターン部１３が形成されており、配線パターン部１３からさらに図示しない配線ターミナル部に接続される。配線パターン部１３は本実施形態では第一の金属細線６ｂをくぐるように下方に配線されており、立体的にコンパクトに集約されて配線をすることができる。
なお、第一の金属細線６ａは第二の金属細線９ａよりも長く、第二の金属細線９ａ、９ｂと第二の電極５ならびに配線パターン部１２の接合部は、第一の金属細線６ａの両端部から金属細線６ｂとの垂線で囲まれた領域（図３中斜線部）内に位置している。第二の金属細線９ｃ、９ｄの場合も同様である。このような位置関係によって、特に信頼性を左右する接合部１４、１５近傍の樹脂が剛性の高い第一の金属細線６ａ、６ｂ又は６ｃ、６ｄの拘束を受けるので、接合部の信頼性が向上し、半導体装置としての信頼性が向上する。
また、図１で説明したと同様に第二の金属細線の高さが、第一の金属細線の高さよりも小さくすることによって、線径が小さい第二の金属細線の接合部に特に大きなモーメントを作用させる第二の金属細線の頂部に作用する封入樹脂量が小さくなる。また、これと相まって剛性が高い第一の金属細線が樹脂の動きを制限するため、接合部に作用するモーメントを低減させることができ、機械的信頼性が向上する。
なお、本発明の実施形態のごとく、第一の金属細線が複数本形成されている場合には、第二の金属細線に最も近く配置された第一の金属細線６ａ１，６ｂ１，６ｃ１，６ｄ１が、その他の金属細線と異なり、第二の金属細線の高さより高くするようにすれば、他の第一の金属細線を所望の高さとしつつ、上記と同様の効果を奏することができる。
１ スイッチング素子、２ 基板、３ 金属配線パターン、４ 第一の電極、５ 第二の電極、６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 第一の金属細線、７ 外装ケース、８ 第一ターミナル部、９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 第二の金属細線、１０ 第二ターミナル部、１１ 封入樹脂、１２ 配線パターン部、１３ 配線パターン部、１４ 接合部、１５ 接合部。

Claims (2)

  1. スイッチング素子、前記スイッチング素子に形成された第一の電極と第二の電極、前記第一の電極と電気的に繋がる第一の配線部材、前記第一の電極と前記第一の配線部材を繋ぐ少なくとも１本の第一の金属細線、前記第二の電極と電気的に繋がる第二の配線部材、前記第二の電極と前記第二の配線部材を繋ぐ少なくとも１本の第二の金属細線、前記スイッチング素子、前記第一の配線部材、前記第二の配線部材、前記第一の金属細線および前記第二の金属細線を収納する外装ケース、前記外装ケースに封入する封入樹脂とを有する半導体装置であって、前記第一の金属細線は、前記第二の金属細線よりも線径が大きく、前記第一の金属細線の近傍に略並行に前記第二の金属細線を配線するとともに、前記第一の金属細線の高さは、前記第二の金属細線の高さより高くなるよう配線され、しかも、前記第二の金属細線は、前記第一の金属細線に囲まれるように配線されているものであり、前記第一の金属細線は複数本平行して設けられ、そのうち、少なくとも前記第二の金属細線に最も近い金属細線を前記第二の金属細線の高さよりも高くしたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第二の金属細線と接続される配線パターン部は、前記第一の金属細線の下をくぐって形成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。
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