JP5163069B2

JP5163069B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5163069B2
Application number: JP2007300151A
Authority: JP
Inventors: 三信丹羽
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: JP2009129952A

Description

本発明は、半導体素子とこの半導体素子を制御する制御回路部品とをリードフレームに実装し、モールド樹脂により封止して一体化した半導体装置に関するものである。

自動車等の車両には、半導体素子のスイッチング機能を利用して、燃料噴射制御、点火制御、モータ制御、油圧制御、電力分配制御等の様々な制御を行う半導体装置が種々と搭載されている。
近年、これらの半導体装置の更なる高機能化、高速応答化を図るべく、半導体素子には高い信頼性とともに更なる高電力化、高周波化、小型化等が要求され、半導体素子として、パワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜型電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＢＳＩＴ（バイポーラモード静電誘導トランジスタ）等のパワーデバイスが用いられている。
このようなパワーデバイスの多くは、作動に伴って発熱し、制御回路の信頼性に影響を与える虞があることから、これらの発熱性の半導体素子を含む半導体装置には、放熱対策を含む様々な信頼性向上を図る方策が講じられている。

例えば、特許文献１には、ＩＣチップが搭載されたヒートシンクと、一面に少なくともチップコンデンサを含む他の部品が導電性接着剤を介して搭載されたリードフレームと、前記ＩＣチップと前記リードフレームの一面とを接続するアルミニウムよりなるボンディングワイヤと、前記ヒートシンク、前記ＩＣチップ、前記ボンディングワイヤおよび前記リードフレームを包み込むように封止するモールド樹脂とを備え、前記リードフレームの一面全域はニッケルメッキが施されており、前記ボンディングワイヤはこのニッケルメッキ表面に接続されており、前記リードフレームの一面のうち前記導電性接着剤が配置された部位は、前記ニッケルメッキの上に銀メッキが施されており、前記他の部品はこの銀メッキ表面に前記導電性接着剤を介して接着されていることを特徴とするＩＣパッケージ及びその製造方法が記載されている。

又、特許文献２には、ヒートシンクの上面に電子素子を搭載し、前記電子素子の周囲にリードフレームを設けると共に前記ヒートシンクと前記リードフレームの吊りリードとを接合した後、前記ヒートシンクの下面が露出するように、前記ヒートシンク、前記電子素子及び前記前記リードフレームを、金型を用いてモールド樹脂によって封止するようにした電子装置の製造方法において、前記モールド樹脂の封止工程では、前記金型の上型によって前記吊りリードのみを押さえることにより、前記金型のキャビティ内への前記モールド樹脂を注入することを特徴とする電子装置の製造方法が開示されている。

ところで、この様な半導体装置として、自動車エンジン等の内燃機関の点火に用いられる点火プラグに高電圧を印加するイグニションコイルの駆動を行うイグナイタにおいて、近年、イグナイタをイグニションコイルの頭部に配して一体化したスティック型コイルが使用されるようになり、イグナイタの更なる高耐電圧化、高信頼化、小型化、低コスト化が望まれている。

図１９（ａ）に示す従来のイグナイタ（１ｚ）は、セラミック基板（４００ｚ）上にコンデンサ、ＩＣチップ等の電子部品（５００ｚ）を実装して集積回路部（５０ｚ）を形成し、発熱性のＩＧＢＴ（３００ｚ）と集積回路部（５０ｚ）とを金属製のヒートシンク部（１２０ｚ）上に実装し、ＩＧＢＴ（３００ｚ）と集積回路部（５０ｚ）とヒートシンク部（１２０ｚ）と複数の入出力用リード部（１１０ｚ）との所定の部位が、アルミニウム又は金等の良導電性材料のボンディングワイヤ（６００ｚ）によって接続され、更にこれらがモールド樹脂（７００ｚ）によって覆われた構成となっている。

又、最近では、図１９（ｂ）に示すイグナイタ（１ｘ）のように、セラミック基板を使用することなく、ヒートシンク部（１２０ｘ）とＩＧＢＴ（３００ｘ）を制御する回路の回路配線部（１３ｘ）と入出力用のリード部（１１０ｘ）とを金属製のリードフレーム（１０ｘ）によって形成し、ヒートシンク部（１２０ｘ）にＩＧＢＴ（３００ｘ）を実装し、回路配線部（１３ｘ）に電子部品（５００ｘ、５１０ｘ、５２０ｘ）等を直接実装して集積回路部（５０ｘ）を構成し、ヒートシンク部（１２０ｘ）とＩＧＢＴ（３００ｘ）と回路配線部（１３ｘ）とリード部（１１０ｘ）との所定の部位が、ボンディングワイヤ（６００ｘ）によって接続され、更にこれらが樹脂モールド（７００ｘ）によって覆われた構成となっている。

この様な、イグナイタ（１ｘ）では、焼成に大きな熱エネルギーを必要とするセラミック基板の使用を廃することにより低コスト化を図ることができる。加えて、発熱量の多いＩＧＢＴ（３００ｘ）と発熱量の少ない電子部品（５００ｘ、５１０ｘ、５２０ｘ）等を分けてリードフレーム（１０ｘ）上に配置し、ＩＧＢＴ（３００ｘ）を放熱性に優れたヒートシンク部（１２０ｘ）に載置し、電子部品（５００ｘ、５１０ｘ、５２０ｘ）等を回路配線部（１３ｘ）に実装することにより更なる小型化、高信頼化を図っている。
又、回路配線部（１３ｘ）は、セラミック基板上に印刷形成されたプリント配線に比べ遙かに放熱性に優れ、点火プラグの大電流化に適している。

特開２００３−８６７５６号公報特開２００５−３５３９７７号公報

ところが、この様なリードフレーム（１０ｘ）上に実装される電子部品（５００ｘ、５１０ｘ、５２０ｘ）の内、コンデンサ（５００ｘ）等の複数の電極を有した部品は、所定間隔で離隔された一対のリード（１３０ｘ、１３１ｘ）間に架橋して搭載されることになる。このような架橋構造では、製造工程においてリードフレーム（１０ｘ）に歪みが生じると、コンデンサ（５００ｘ）の接合部の剥離やコンデンサ（５００ｘ）の割れ等の問題を起こす虞がある。

例えば、図１７（ａ）に示すように、コンデンサ（５００ｘ）が、回路配線部の第１の配線部（１３０ｘ）と第２の配線部（１３１ｘ）とを架橋するように導電性接着剤（２１０ｘ）によって固定されている場合、図１７本図（ｂ）に示すように、第１の配線部（１３０ｘ）と第２の配線部（１３１ｘ）とに歪みを生じた状態で樹脂モールド型により第１の配線部（１３０ｘ）と第２の配線部（１３１ｘ）とを挟み込むようにクランプすると、図１７本図（ｃ）に示すように、第１の配線部（１３０ｘ）と第２の配線部（１３１ｘ）とにコンデンサ（５００ｘ）を剥離する方向の外力が働き、コンデンサ（５００ｘ）の導通不良を起こす虞がある。

又、図１８（ａ）に示すように、第１の配線部（１３０ｘ）に実装された電子部品（５２０ｘ）と第２の配線部（１３２ｘ）とをボンディングワイヤ（６００ｘ）によって架橋するように接続する場合においても、図１８本図（ｂ）に示すように、第１の配線部（１３０ｘ）と第２の配線部（１３２ｘ）とに歪みが生じている状態で、これを樹脂モールド型によってクランプしたりボンディング治具により押さえたりすると、図１８本図（ｃ）に示すように、ボンディングワイヤ（６００ｘ）のネック部にストレスがかかりネックダメージによる断線等の導通不良を起こす虞がある。

リードフレーム（１０ｘ）は、一定厚の帯状の金属材料からなるケーク材を圧延加工して、ヒートシンク部（１２０ｘ）となる肉厚部（１２ｘ）と、回路配線部（１３ｘ）及びリード部（１１０ｘ）となる肉薄部（１１ｘ）とを形成し、これを、金型等を用いて打ち抜き加工により成形している。従って、リードフレーム（１０ｘ）内部に残留する応力により、僅かではあるが不可避的に歪みが発生する。
通常、熱処理によりリードフレーム（１０ｘ）の歪みの除去が図られているが、この様な歪みを完全に取り除くことは極めて困難である。

そこで、本発明は上記実情に鑑み、半導体素子と該半導体素子を制御する回路部とをリードフレーム上に実装してなる半導体装置において、リードフレームに僅かな歪みが生じている場合でも、ワイヤボンディングの際のボンディング治具による押さえつけやモールド樹脂の充填の際のクランプ等によって作用する外力によって、ボンディングワイヤの断線や実装部品の剥離を引き起こすことがなく、極めて信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明では、発熱性の半導体素子を実装すべく厚肉に形成して放熱性を向上せしめたヒートシンク部と、該半導体素子を制御する制御回路の配線部と、上記ヒートシンク部と上記配線部とに接続する入出力端子を構成するリード部と、これらを支持するフレーム部とを一体のリードフレームによって形成し、上記半導体素子と上記制御回路を構成する回路部品とを上記リードフレームに実装し、これらを接続・導通するワイヤをボンディングし、モールド樹脂によって封止して一体化した半導体装置であって、上記回路部品は、所定の間隙を設けて配設された第１の配線部と第２の配線部とを架橋するように載置された架橋部品を含み、ワイヤボンディング又はモールド樹脂を充填する際に上記架橋部品と上記配線部との接合部に作用する外力の低減を図る外力抑制手段として、上記第１の配線部と上記第２の配線部と略平行に配設した補強フレーム部と、上記第１の配線部と上記補強フレーム部とを架橋する第１の支持部と、上記第２の配線部と上記補強フレーム部とを架橋する第２の支持部とを、上記リードフレームの上記架橋部品を載置した部位の周辺に設け、上記補強フレーム部は、上記架橋部品が上記モールド樹脂により封止固定された後に切除可能な上記樹脂モールドの外形線の外側に配設せしめる。

請求項１の発明によれば、上記ヒートシンク部と上記配線部との肉厚の違いによる残留応力の影響から上記第１の配線部と上記第２の配線部とのいずれか又は両方に歪みを生じ易い状態が存在し、ワイヤボンディング又はモールド樹脂を充填する際に、上記架橋部品の接合部に剥離方向の外力が働いたとしても、上記補強フレームに上記第１の配線部と上記第２の配線部がそれぞれ第１の支持部、第２の支持部を介して接続されているので、上記補強フレームの剛性によって上記架橋部品の接合部が定位置に保持されるので、上記接合部が剥離する虞がない。
従って、本発明によれば、導通信頼性の高い半導体装置が実現可能となる。
又、上記モールド樹脂によって上記架橋部品を封止固定した後に上記補強フレームを切除すれば、上記第１の配線部と上記第２の配線部とが短絡することはない。

請求項２の発明では、上記半導体は絶縁ゲートバイポーラトランジスタであって、内燃機関の点火を行う点火プラグに高電圧を供給する点火コイルの駆動制御を上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのスイッチングによって行うイグナイタに請求項１に記載の発明を適用する。

請求項２の発明によれば、リードフレームに僅かな歪みが生じている場合でも、ワイヤボンディングやモールド樹脂の充填の際に作用する外力によって、実装部品の剥離や、ボンディングワイヤの断線を引き起こすことなく、極めて信頼性の高いイグナイタを実現できる。

図１を参照して、本発明の第１の実施形態における半導体装置について、半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）３００を用いて、図略の内燃機関の点火を行う点火プラグに高電圧を印加する点火コイルの駆動を行うイグナイタ１を例に説明する。
本図（ａ）に示すように、リードフレーム１０は、複数のリード部１１０と制御回路の構成する配線部１３とヒートシンク部１２０と、フレーム部１８０、１９０とによって構成されている。
配線部１３には、コンデンサ５００と、ＩＣチップ５２０、ダイオード等の電子部品が実装されている。第１の配線部１３０と第２の配線部とを架橋するように架橋部品としてコンデンサ５００が実装され、第１の配線部１３０と第２の配線部１３１とは、それぞれ支持部として吊りリード１４０、１４１を介して補強フレーム１５０に接続されている。
ヒートシンク部１２０は、厚肉に形成され、放熱性を向上せしめてある。ヒートシンク部１２０上には、発熱性の半導体素子であるＩＧＢＴ３００と、抵抗部品５１０とが実装されている。
複数のリード部１１０が、配線部１３及びヒートシンク部１２０に導通しており、ＩＧＢＴ３００、抵抗部品５１０、ＩＣチップ５２０、ダイオード等の電子部品の所定部位が、リード部１１０、配線部１３、ヒートシンク部１２０の所定部位とボンディングワイヤ６００によって接続され、制御回路部５０を構成している。

本図（ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ３００、コンデンサ５００、抵抗部品５１０、ＩＣチップ５２０、ダイオード等の電子部品、配線部１３、ヒートシンク部１２０、ボンディングワイヤ６００をモールド樹脂７００によって覆い、フレーム部１８０、１９０及び補強フレーム１５０等のリードフレーム１０の不要部分を切除して、イグナイタ１が形成されている。
尚、リードフレーム１０には、例えば、銅、アルミニウムなどの良導電性で熱伝導率の高い金属材料が用いられ、必要に応じて、ニッケルメッキ等の表面処理がなされている。
ボンディングワイヤ６００には、例えば、アルミニウム又は金等の良導電性の金属材料が用いられている。
モールド樹脂７００には、例えば、エポキシ樹脂等の熱可塑性樹脂が用いられている。又、ダイオード５３０等の、モールド樹脂との濡れ性が悪い部位には、適宜ポリイミド樹脂のコーティングが施され、密着強度の向上が図られている。

図２を参照して本発明の第１の実施形態における本発明の要部である外力抑制手段について詳述する。
本実施形態においては、本図（ａ）に示すように、第１の配線部１３０と第２の配線部１３１とが所定距離Ｄ１だけ離隔して配設されており、長さＬ１のコンデンサ５００が導電性接着剤２１０を用いて接合されている。
第１の配線部１３０と第２の配線部１３１とは、それぞれ支持部として第１の吊りリード１４０と第２の吊りリード１４１を介して、補強フレーム１５０に接続されている。
第１の吊りリード１４０と第２の吊りリード１４１との間隔Ｌ２は、少なくともＤ１よりも長くするのが望ましい。又、補強フレーム１５０は、モールド樹脂７００により、コンデンサ５００が封止固定された後に切除可能なように、図中に一点破線で示した樹脂モールド７００の外形線の外側に配設する必要がある。

本図（ｂ）に示すように、第１の配線部１３０と第２の配線部１３１とのいずれか又は両方に歪みが生じており、ワイヤボンディング又はモールド樹脂を充填する際に、コンデンサ５００の接合部に剥離方向の外力が働いたとしても、補強フレーム１５０に第１の配線部１３０と第２の配線部１３１がそれぞれ第１の吊りリード１４０、第２の吊りリード１４１を介して接続されているので、補強フレーム１５０の剛性によってコンデンサ５００の接合部が定位置に保持される剥離する虞がない。

図３に、（ａ）から（ｄ）の順を追ってリードフレーム１０の製造方法を示す。本図（ａ）に示すような帯板上のケーク材１００’を、本図（ｂ）に示すような圧延ロールを用いて圧延し、本図（ｃ）に示すように、配線部１３及びリード部１１０となる肉薄部１１とヒートシンク部１２０となる肉厚部１２との異なる厚みを備えた圧延部材１００を形成する。次いで、本図（ｄ）に示すように、これを、金型等を用いて所定の形状を持ったリードフレーム１０を成形する。この時、複数のユニットが連結した状態に切断される。フレーム部１８０、１９０は、リード部１１０、配線部１３、ヒートシンク部１２０、補強フレーム部１５０を一体に保持すると共に、以後の製造工程における位置決め、保持固定等に用いられる。この様な工程によって、リードフレーム１０が形成されているため、特に配線部１３とヒートシンク部１２０との境界部で厚みが急変する部位における残留応力の影響が大きく、配線部１３に歪みが生じやすい。
尚、本実施形態において、リード部１１０及び配線部１３は０．５ｍｍ、ヒートシンク部１２０は、１．６ｍｍ程度に加工してある。
通常、歪み取りのために、リードフレーム１０は、焼鈍処理され、又、必要に応じて、錆止め及び導通性向上のために、ニッケルメッキ等の表面処理がなされる。

図４に、（ａ）から（ｅ）の順を追って、リードフレーム１０への各部品の実装工程の概要を示す。
本図（ａ）に示すように、リードフレーム１０との各部品との導通を要する部位にハンダ箔２００を貼付する。尚、ハンダ箔２００は、貼付位置を模式的に示したもので、形状を特定するものではない。
次いで、本図（ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ３００、抵抗部品５１０、ＩＣチップ５２０、ダイオード等の電子部品をハンダ箔２００の貼付位置に載置し、還元性雰囲気で加熱し、各部品をハンダ付けする。尚、本実施形態においてはハンダ箔２００を用いたが、糸ハンダやハンダペーストやダイボンド方式等を用いても良い。
次いで、本図（ｃ）に示すように、導電性樹脂２１０を所定位置に塗布する。
次いで、本図（ｄ）に示すように、コンデンサ５００を導電性樹脂２１０によって所定の位置に貼付け、所定の温度で加熱硬化させる。
次いで、本図（ｃ）に示すように、所定の部位を、ボンディングワイヤ６００を用いて導通せしめる。この時、第１の配線部１３０と第２の配線部１３１とが、第１の吊りリード１４０、第２の吊りリード１４１を介して補強フレーム１５０に固定されているので、ボンディングジグによって配線部１３が押さえられても、コンデンサ５００の接続部が剥離することがない。

図５に（ａ）から（ｅ）の順を追って、本実施形態におけるイグナイタ１の樹脂成形工程を示す。本図（ａ）に示すように、上述の工程によって各部品が実装されたリードフレーム１０をモールド型８０に挿入し、本図（ｂ）に示すように、モールド型８０によって、リードフレーム１０のリード部１１０とフレーム部１８０とをクランプし、モールド型８０に形成されたキャビティに、モールド樹脂７００を充填する。
この時、第１の配線部１３０と第２の配線部１３１とに撓みが生じても、コンデンサ５００の接合部は、補強フレーム部１５０により定位置に固定されているので、剥離する虞がない。本図（ｃ）に示すように、モールド樹脂７００が固化したら、モールド型８０から取り出し、本図（ｄ）に示すように、フレーム部１８０、１９０、補強フレーム部１５０及び、リード部１１０の結合部等を切断装置９０により切除する。
以上により、本図（ｅ）に示すようなイグナイタ１が完成する。
尚、第１の吊りリード１４０及び第２の吊りリード１４１の端部１４０’、１４１’として、モールド樹脂７００の側面に露出するので、搭載時には外部との絶縁を考慮する必要がある。

図６に上述したイグナイタの製造工程概要をまとめてフローチャートで示す。一般に、半導体素子と半導体素子を制御する回路とを含み、該制御回路をリードフレームによって構成し、モールド樹脂によってパッケージ化した半導体装置は、略同様の製造工程によって製造可能であり、本発明によれば、従来の半導体装置の製造工程を大幅に変えることなく、信頼性を高めた半導体装置が実現できる。

図７から図１６に、本発明の要部であるフレーム補強部１５０を含むいくつかの参考例を示す。尚、上記実施形態と同一の部分については、同じ符号を付したので説明を省略する。（以下の参考例において同様である。）

（ａ）本発明の第１の実施形態における外力抑制手段を設けたリードフレームの実装状態を示す平面図及び断面図、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態におけるイグナイタの概要を示す平面図及び断面図。（ａ）は、本発明の第１の実施形態における外力抑制手段を設けた回路配線部の概要を示す平面図、（ｂ）は、本実施形態における配線部に生じた歪みを示す側面図、（ｃ）は、本実施形態における本発明の効果を示す側面図。は、本発明の第１の実施形態におけるイグナイタに用いられるリードフレームの製造工程概要を（ａ）から（ｄ）の順を追って示す模式図。は、本発明の第１の実施形態におけるイグナイタの製造工程概要の前半部を（ａ）から（ｅ）の順を追って示す平面図。は、本発明の第１の実施形態におけるイグナイタの製造工程概要の後半部を（ａ）から（ｅ）の順を追って示す断面図及び斜視図。は、イグナイタの製造工程概要を示すフローチャート。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明を含まない参考図。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明を含まない参考図。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明を含まない参考図。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明を含まない参考図。は、本発明を含まない参考図。は、本発明を含まない参考図。は、本発明を含まない参考図。は、本発明を含まない参考図。は、本発明を含む参考図。は、本発明を含まない参考図。（ａ）は、従来の回路配線部の電子部品実装部位を示す平面図、（ｂ）は、電子部品実装部位における従来の回路配線部に生じた歪みを示す側面図、（ｃ）は、部品実装部位における従来の回路配線部の問題点を示す側面図。（ａ）は、ワイヤボンディング部位における従来の回路配線部を示す平面図、（ｂ）は、ワイヤボンディング部位における従来の回路配線部に生じた歪みを示す側面図、（ｃ）は、ワイヤボンディング部位における従来の回路配線部の問題点を示す側面図。（ａ）は、従来のイグナイタの概要を示す内部平面図及び断面図、（ｂ）は、リードフレームを用いることによりセラミック基板を廃して低コスト化を図った従来のイグナイタの概要を示す内部平面図及び断面図。

符号の説明

１半導体装置
１０リードフレーム
１１０入出力リード部
１２０ヒートシンク部
１３配線部
１３０第１の配線部
１３１第２の配線部
１４０、１４１外力抑制手段（吊りバー）
１５０補強用フレーム部
１８０、１９０フレーム部
２１０電導性接着剤
３００半導体素子
５０制御回路部
５００、５１０、５２０、５３０実装部品
６００ボンディングワイヤ
７００モールド樹脂

Claims

発熱性の半導体素子を実装すべく厚肉に形成して放熱性を向上せしめたヒートシンク部と、該半導体素子を制御する制御回路の配線部と、上記ヒートシンク部と上記配線部とに接続する入出力端子を構成するリード部と、これらを支持するフレーム部とを一体のリードフレームによって形成し、
上記半導体素子と上記制御回路を構成する回路部品とを上記リードフレームに実装し、これらを接続・導通するワイヤをボンディングし、モールド樹脂によって封止して一体化した半導体装置であって、
上記回路部品は、所定の間隙を設けて配設された第１の配線部と第２の配線部とを架橋するように載置された架橋部品を含み、
ワイヤボンディング又はモールド樹脂を充填する際に上記架橋部品と上記配線部との接合部に作用する外力の低減を図る外力抑制手段として、
上記第１の配線部と上記第２の配線部と略平行に配設した補強フレーム部と、上記第１の配線部と上記補強フレーム部とを架橋する第１の支持部と、
上記第２の配線部と上記補強フレーム部とを架橋する第２の支持部とを、上記リードフレームの上記架橋部品を載置した部位の周辺に設け、
上記補強フレーム部は、上記架橋部品が上記モールド樹脂により封止固定された後に切除可能な上記樹脂モールドの外形線の外側に配設せしめたことを特徴とする半導体装置。
上記半導体は絶縁ゲートバイポーラトランジスタであって、内燃機関の点火を行う点火プラグに高電圧を供給する点火コイルの駆動制御を上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのスイッチングによって行うイグナイタに適用したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。