JP5428512B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、詳細には、耐振動強度向上技術に関する。
従来、例えばエンジンやモータ等の出力軸線方向よりもエンジンのシリンダ内に振動が作用する方向や出力軸線回りの振れ回りの振動の方が大きいのに合わせて、電子制御ユニットやパワーユニット等の電子回路をモジュール化したモジュール部品を、振動の影響の少ない出力軸線方向に対してボンディングワイヤを含む平面が垂直となるように配置することで、ボンディングワイヤの耐久性を損なうボンディングワイヤを含む面に垂直な方向への大きな振動が加わるのを防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１に記載）。
国際公開第２００２／０２５０８７号
しかし、特許文献１に記載の技術では、外乱によって半導体装置に入力される大きな振動（加振力）に対してモジュールケース内に充填された粘弾性を呈するゲル状物質が共振することによって変位し、そのゲル状物質の変位に連動してボンディングワイヤも変位することから、前記ボンディングワイヤが断線等するといった問題が発生する。
そこで、本発明は、ケース内に充填されたゲル状充填材の揺動によるボンディングワイヤの断線を防止し、耐振動強度を向上させることのできる半導体装置を提供する。
本発明の半導体装置では、半導体装置に発生する振動方向とゲル状充填材の短手方向を一致させて前記ゲル状充填材をケース内に充填した構造とし、これに加えて、ゲル状充填材の長手方向をボンディングワイヤの配索方向に一致させた構造とする。
本発明の半導体装置によれば、半導体装置に発生する振動方向とゲル状充填材の短手方向を一致させたことにより、ゲル状充填材の長手方向に対して短手方向は揺動し難い（共振し難い）ことからゲル状充填材の揺動を抑制することができ、ボンディングワイヤに加わる強制変位を低減できる。また、ゲル一次共振モードは、ゲル長手方向の共振となるため、ゲル状充填材の長手方向をボンディングワイヤの配索方向に一致させることにより、ワイヤ剛性及び強度の高いボンディングワイヤの配索方向がゲル状充填材の共振し易い長手方向に一致できる。その結果、ボンディングワイヤの断線を防止することができ、半導体装置の耐振信頼性を向上させることができる。
図１は実施形態１の半導体装置の全体斜視図である。 図２は図１の半導体装置において、ケースと蓋を分離した状態の半導体装置の全体斜視図である。 図３は図１のＡ−Ａ線断面図である。 図４は図１の半導体装置において、ケース内に設けられた半導体素子と導体を接続するボンディングワイヤの配索方向を示す図である。 図５はワイヤ配索高さの低いボンディングワイヤのワイヤ径を太くした実施形態２のボンディングワイヤの斜視図である。 図６はゲル状充填材中央領域に相当する部位に配索されたボンディングワイヤのワイヤ径を太くした実施形態３を示す図である。 図７は図６のＢ−Ｂ線断面図である。 図８はゲル状充填材のうち略中央領域に相当する部位を除いてボンディングワイヤを配索した実施形態４を示す図である。
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
「実施形態１」
図１は実施形態１の半導体装置の全体斜視図、図２は図１の半導体装置において、ケースと蓋を分離した状態の半導体装置の全体斜視図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図、図４は図１の半導体装置において、ケース内に設けられた半導体素子と導体を接続するボンディングワイヤの配索方向を示す図である。
実施形態１の半導体装置１は、図１から図３に示すように、回路基板２に搭載された半導体素子３と、回路基板２上に絶縁体４を介して積層された導体５と、半導体素子３と導体５とを電気的に繋ぐボンディングワイヤ６と、回路基板２を内部に収容するように該回路基板２の周囲に取り付けられたケース７と、ケース７内に充填されて少なくとも半導体素子３とボンディングワイヤ６を保護するゲル状充填材８と、回路基板２に貼り合わされた放熱板９と、ケース７に取り付けられてゲル状充填材８を封止する蓋１０と、を備えている。
半導体素子３は、例えば電気自動車等において電力変換をするためのデバイスとして使用される。具体的には、バッテリーからの直流電源をモーターへの３相交流に変換して流すインバータにおいて、電流変換を行うパワーモジュール中に設けたスイッチング素子の導通、非導通を制御する機能として半導体素子３が使用される。この半導体素子３は、電子回路部が形成された回路基板２の一面２ａとなる部品実装面に実装されている。
導体５は、回路基板２の部品実装面である一面２ａ上に、直接設けられるのではなく絶縁体４を介して設けられている。
ボンディングワイヤ６は、半導体素子３に電力を供給する電力供給線として機能する。このボンディングワイヤ６は、半導体素子３と導体５とを電気的に繋ぐように接続されている。具体的には、ボンディングワイヤ６は、一端を半導体素子３に電気的に接続し、他端を導体５に接続させてアーチ状とされている。半導体素子３と導体５間を接続するボンディングワイヤ６は、例えば３本或いはそれ以上の複数本とされている。
ケース７は、回路基板２を内部に収容するように該回路基板２の周囲に取り付けられる平面視長方形をなす枠体として形成されている。このケース７は、内部に半導体素子３や導体５若しくはボンディングワイヤ６を実装させた回路基板２とゲル状充填材８とを充填させるキャビティとしても機能する。
放熱板９は、半導体素子３が発する熱を放熱するヒートシンクとして機能する。この放熱板９は、前記回路基板２の部品実装面である一面２ａとは反対側の他面２ｂに貼り付けられている。また、放熱板９は、半導体素子３の発熱をケース外へと放熱するため、ケース７の底に取り付けられている。別の見方をすると、放熱板９は、ケース７の底を構成している。
ゲル状充填材８は、回路基板２上に実装された半導体素子３、導体５及びボンディングワイヤ６を覆うようにしてケース７内に充填されている。かかるゲル状充填材８は、これら半導体素子３、導体５及びボンディングワイヤ６が損傷等しないように外力から保護する役目をする。また、ゲル状充填材８は、ケース７内に隙間無く満たされるように充填される。ゲル状充填材８としては、例えばシリコン系、エポキシ系等の粘弾性を呈する樹脂が使用される。ゲル状充填材として使用できる樹脂としては、例えば、シリコン、ウレタン、エポキシがある。
蓋１０は、ゲル状充填材８を充填させたケース７の上部に取り付けられている。このケース７の上部が蓋１０で閉蓋されると、ゲル状充填材８が封止されることになる。
本実施形態の半導体装置では、半導体装置１に発生する（加えられる）振動方向（加振方向）Ｋと、前記ゲル状充填材８の短手方向Ｓを一致させて、前記ゲル状充填材８を前記ケース７内に充填させた構造としている。
半導体装置１には、例えば図２に示すように、自動車等に搭載されるエンジンやモーター等の車両駆動装置からの振動やロードノイズがケース７の長手方向ではなく短手方向Ｋに発生する（加振される）ものとする。そうした場合、ケース７内に充填されたゲル状充填材８は、前記半導体装置１に発生する振動に対してそのゲル状充填材８自身の長手方向Ｌには共振し易く、ゲル状充填材８自身の短手方向Ｓには共振し難い特性を有する。
したがって、半導体装置１に発生する（加振される）振動方向Ｋにゲル状充填材８の短手方向Ｓを一致させれば、ゲル状充填材８の長手方向Ｌに対して短手方向Ｓは共振し難い（揺動し難い）ことから、ゲル状充填材８の揺動を抑制することができる。つまり、本実施形態の半導体装置１によれば、該半導体装置１に発生する振動に共振するゲル状充填材８の共振点が高くなり、ボンディングワイヤ６に加わる強制変位の低減及びボンディングワイヤ内部に発生する応力を低減することができる。したがって、本実施形態の半導体装置１によれば、ボンディングワイヤ６の断線を回避することができ、耐振動強度を大幅に向上させることができる。
また、本実施形態の半導体装置では、図２で示すゲル状充填材８の長手方向Ｌを、図４で示すボンディングワイヤ６の配索方向Ｗに一致させた構造としている。ゲル状充填材８は、半導体装置１の長手方向又は短手方向に発生する振動方向（加振方向）に拘わらず、ゲル一次共振モードがゲル長手方向Ｌの共振となる。
前記ボンディングワイヤ６のワイヤ配索方向Ｗでは、ワイヤ剛性及びワイヤ強度が、該ワイヤ配索方向Ｗと直交する方向に比べて高い。そのため、ゲル状充填材８が振動し易い該ゲル状充填材８の長手方向Ｌとワイヤ剛性及びワイヤ強度が高いボンディングワイヤ６のワイヤ配索方向Ｗを一致させることで、加振されてゲル状充填材８が揺動してもボンディングワイヤ６に発生する応力を低減することができる。したがって、本実施形態の半導体装置によれば、ボンディングワイヤ６の断線を防止することができ、該ボンディングワイヤ６の耐振信頼性を高めることができる。
「実施形態２」
図５はワイヤ配索高さの低いボンディングワイヤのワイヤ径を太くした実施形態２のボンディングワイヤの斜視図である。
実施形態２の半導体装置では、図５に示すように、ボンディングワイヤ６（６ａ、６ｂ、６ｃ）の配索高さＨ（Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃ）が異なり、配索高さＨの高い側のボンディングワイヤ６ｂ、６ｃのワイヤ径Ｄｂ、Ｄｃに比べて配索高さＨの低い側のボンディングワイヤ６ａのワイヤ径Ｄａを太くした構成としている。
前記半導体装置１が加振されてゲル状充填材８が揺動した際のボンディングワイヤ６の変形挙動は、ゲル変形に沿った形でのワイヤ強制変位となる。具体的には、ボンディングワイヤ６は、半導体素子３又は導体５との接合部位である根元に捻り応力Ｆが発生し、その捻れ応力Ｆでワイヤ配索方向と直交する方向に変位せしめられる。強制変位時は、相対的な変位量が短いワイヤが大きくなる。そのため、相対的な変位量が短いワイヤ、つまり配索高さＨの高い側のボンディングワイヤ６ｂ、６ｃのワイヤ径Ｄｂ、Ｄｃに比べて配索高さＨの低い側のボンディングワイヤ６ａのワイヤ径Ｄａを太くする。図５では、最も配索高さＨの低いボンディングワイヤ６ａのワイヤ径Ｄａを、これよりも配索高さＨの高いボンディングワイヤ６ｂ、６ｃのワイヤ径Ｄｂ、Ｄｃに対して太くしている。
このように構成した実施形態２の半導体装置では、ボンディングワイヤ６ａ、６ｂ、６ｃの配索高さＨａ、Ｈｂ、Ｈｃが異なり、配索高さＨの高い側のボンディングワイヤ６ｂ、６ｃのワイヤ径Ｄｂ、Ｄｃに比べて配索高さＨの低い側のボンディングワイヤ６ａのワイヤ径Ｄａを太くしたことにより、ワイヤ剛性が高まってゲル状充填材８の揺動により生じる捻り力Ｆに耐え得ることができ、このボンディングワイヤ６ａの強制変位量を少なくすることができる。したがって、本実施形態２によれば、ボンディングワイヤ６の断線を防止でき、当該ボンディングワイヤ６の耐振信頼性を高めることが可能となる。
「実施形態３」
図６はゲル状充填材中央領域に相当する部位に配索されたボンディングワイヤのワイヤ径を太くした実施形態３を示す図、図７は図６のＢ−Ｂ線断面図である。
先の実施形態２の半導体装置では、全てのボンディングワイヤ６のワイヤ径を同一径とした実施形態１とは異なり、図６及び図７に示すように、ゲル状充填材８のうち略中央領域Ａ１に相当する部位に配索されたボンディングワイヤ６Ａのワイヤ径ＤＡを、それ以外の領域Ａ２の部位に配索されたボンディングワイヤ６Ｂのワイヤ径ＤＢよりも太くした構成としている。
前記ゲル状充填材８は、半導体装置１に発生する振動によって略中央領域Ａ１が最も加振の影響を受けて揺動する。そのため、ゲル状充填材８の略中央領域Ａ１に相当する部位に配索されたボンディングワイヤ６Ａは、それ以外の領域Ａ２に相当する部位に配索されたボンディングワイヤ６Ｂに作用する応力よりも大きな応力を受ける。したがって、この略中央領域Ａ１に相当する部位に配索されたボンディングワイヤ６Ａのワイヤ径を、それ以外の領域Ａ２に相当する部位に配索されたボンディングワイヤ６Ｂのワイヤ径よりも太くすることで、中央領域Ａ１のボンディングワイヤ６Ａのワイヤ剛性が高くなることにより、このボンディングワイヤ６Ａに作用する応力を低減することができ、当該ボンディングワイヤ６Ａの断線を防止することができる。
なお、この実施形態３の半導体装置においては、先の実施形態２と同様、ボンディングワイヤ６の配索高さＨの高い側のボンディングワイヤのワイヤ径に比べて配索高さＨの低い側のボンディングワイヤのワイヤ径を太くしてもよい。
「実施形態４」
図８はゲル状充填材のうち略中央領域に相当する部位を除いてボンディングワイヤを配索した実施形態４を示す図である。
実施形態４では、ゲル状充填材８の略中央領域Ａ１が最も揺動するため、この略中央領域Ａ１に相当する部位にボンディングワイヤ６を配索せず、この略中央領域Ａ１を除く領域にボンディングワイヤ６を配索させている。
このように構成した実施形態４の半導体装置では、ゲル状充填材８が最も揺動する略中央領域Ａ１に相当する部位を除いてボンディングワイヤ６を配索しているので、中央領域Ａ１以外の部位に配索されたボンディングワイヤ６への応力が抑制される。したがって、実施形態４によれば、ボンディングワイヤ６の断線を防止することができ、該ボンディングワイヤ６の耐振信頼性を向上させることができる。
本発明は、回路基板上に実装された半導体素子と導体を接続するボンディングワイヤ等をゲル状充填材で覆った半導体装置を自動車等に搭載する技術として利用することができる。
１…半導体装置
２…回路基板
３…半導体素子
４…絶縁体
５…導体
６（６ａ，６ｂ，６ｃ）…ボンディングワイヤ
７…ケース
８…ゲル状充填材
９…放熱板
１０…蓋

Claims (4)

  1. 回路基板上に搭載された半導体素子と、
    前記回路基板上に絶縁体を介して積層された導体と、
    前記半導体素子と前記導体とを電気的に繋ぐボンディングワイヤと、
    前記回路基板を内部に収容するように該回路基板の周囲に取り付けられたケースと、
    前記ケース内に充填されて少なくとも前記半導体素子と前記ボンディングワイヤを保護するゲル状充填材と、を備えた半導体装置であって、
    前記半導体装置に発生する振動方向と前記ゲル状充填材の短手方向を一致させて前記ゲル状充填材を前記ケース内に充填すると共に、前記ゲル状充填材の長手方向を前記ボンディングワイヤの配索方向に一致させた
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
    前記ボンディングワイヤは複数あり、複数のボンディングワイヤの配索高さが異なり、配索高さの高い側のボンディングワイヤのワイヤ径に比べて配索高さの低い側のボンディングワイヤのワイヤ径を太くした
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体装置であって、
    前記ゲル状充填材のうち略中央領域に相当する部位に配索された前記ボンディングワイヤのワイヤ径を、それ以外の領域に相当する部位に配索されたボンディングワイヤのワイヤ径よりも太くした
    ことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１又は請求項２に記載の半導体装置であって、
    前記ゲル状充填材のうち略中央領域に相当する部位を除く領域に前記ボンディングワイヤを配索した
    ことを特徴とする半導体装置。
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