JP5898906B2 - 半導体素子の電気接続構造 - Google Patents
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Description
なお、ボンディングワイヤと回路基板の配線パターンとの接合は、回路基板の上面のうち貫通孔の周縁部分において、ボンディングワイヤを回路基板の配線パターンに押し付けた上で超音波振動を付与することで行われる。
しかしながら、回路基板が放熱部材に対して間隔をあけて配されると、ボンディングワイヤを回路基板の配線パターンに接合する際に、回路基板も振動してしまうことがある。ボンディングワイヤを貫通孔の周縁部分に接合する場合には、接合部分が特に振動し易くなってしまう。その結果として、ボンディングワイヤの接合不良が発生する虞がある。
また、半導体素子(特にその上面側)において発生した熱が、半導体素子の上方側に逃げにくくなるため、半導体素子の上方側に位置する回路基板や空間の温度上昇を抑えることもできる。特に、回路基板の温度上昇を抑えることは、熱に弱い回路部品が回路基板に搭載されている場合に特に有効である。
この構成では、前述した半導体素子の場合と同様に、回路基板に搭載された回路部品の熱もポッティング樹脂から放熱部材に効率よく逃がすことが可能となる。
言い換えれば、前記回路基板のうち前記貫通孔の周縁部分には、前記支持突起との固定部分よりも前記貫通孔の径方向内側に張り出す張り出し部が形成されているとよい。
特に、ボンディングワイヤもポッティング樹脂に埋設されている場合には、ポッティング樹脂の剥離に基づくボンディングワイヤの断線、あるいは、ボンディングワイヤの半導体素子や回路基板からの剥離を防いで、電気接続構造の電気的な信頼性向上を図ることができる。
以下、図1〜3を参照して本発明の第一実施形態について説明する。
図1,2に示すように、この実施形態に係る半導体素子の電気接続構造は、放熱部材2と、放熱部材2の主面2aに重ねて固定される絶縁用基板3及び半導体素子4と、放熱部材2の主面2aの上方に間隔をあけて配される回路基板5と、を備えて大略構成されている。
支持突起21は、放熱部材2の主面2aのうち絶縁用基板3及び半導体素子4が搭載される領域(以下、搭載領域23aと呼ぶ。)の周囲に位置し、この搭載領域23aを囲む平面視環状に形成されている。具体的に説明すれば、支持突起21は、放熱部材2の主面2aのうち搭載領域23aに対して間隔をあけた位置において突出しており、搭載領域23aに搭載された絶縁用基板3及び半導体素子4が、支持突起21の内周面に接触しないようになっている。
なお、この支持突起21は、図示例において平面視円環状に形成されているが、例えば、半導体素子4の平面視形状に相似させる等して平面視多角形の環状に形成されていてもよい。
そして、各筒状突起部22には、その先端面22aから窪むように形成され、回路基板5を放熱部材2に固定するためのねじ(固定用ネジ6)を螺着させる雌ネジ(不図示)が形成されている。
本実施形態における絶縁用基板3は、例えば図3に示すように、導電性を有して放熱部材2の主面2aに接合するための金属板31、電気的な絶縁性を有する絶縁層32、及び、導電性を有して半導体素子4に接合するための導電性層33を下側から順番に積層して構成されている。
金属板31は、例えばアルミニウムや銅(Cu)等のように熱伝導率の高い金属材料によって構成されている。
導電性層33は、例えば銅箔などのように熱伝導率の高い金属材料を薄膜状に形成したものである。
以上のように構成される絶縁用基板3の平面視形状は、図2に示す半導体素子4の平面視形状と一致するように、あるいは微小に大きくなるように設定されている。そして、この絶縁用基板3は、その金属板31(図3参照)がはんだや銀ペースト等の導電性材料やシリコングリス等の絶縁性材料からなる固定剤(不図示)を介して図1に示す放熱部材2の搭載領域23aに接合されることで、放熱部材2に固定されている。
この半導体素子4は、はんだや銀ペースト等の導電性接着剤(不図示)を介して絶縁用基板3の上面3aをなす導電性層33に接合されている。したがって、半導体素子4は、前述した絶縁用基板3を介して放熱部材2の主面2aに固定されている。
挿通孔は、回路基板5を放熱部材2に固定するための固定用ネジ6の軸部を挿通させるものであり、放熱部材2の筒状突起部22に対応する数(図示例では二つ)だけ形成されている。各挿通孔の孔径は、固定用ネジ6の軸部の外径よりも大きく、かつ、固定用ネジ6の頭部61の外径や筒状突起部22の外径よりも小さくなるように設定されている。
以上のように構成される回路基板5は、その挿通孔に固定用ネジ6の軸部を挿通させた上で筒状突起部22の雌ネジに螺着させることにより、筒状突起部22と固定用ネジ6の頭部61との間に挟みこまれている。また、回路基板5の下面5bのうち貫通孔51の周縁部分は、支持突起21の先端部との間に隙間が生じないように、はんだや銀ペースト等の導電性材料やシリコングリス等の絶縁性材料からなる固定剤(不図示)によって支持突起21の先端部に接合されている。これにより、回路基板5が放熱部材2に固定されている。
また、回路基板5を放熱部材2に固定した状態では、貫通孔51の内周縁が、回路基板5と支持突起21との接合部分よりも支持突起21や貫通孔51の径方向内側に張り出している。言い換えれば、回路基板5のうち貫通孔51の周縁部分には、支持突起21との固定部分よりも支持突起21や貫通孔51の径方向内側に張り出す張り出し部52が形成されている。
この回路基板5の上面5aと半導体素子4の上面4aとの相対的な高さ位置は、例えば絶縁用基板3の高さ寸法を変更することで容易に調整することが可能である。ただし、この相対的な高さ位置は、例えば、半導体素子4と回路基板5とを電気接続するボンディングワイヤ7(後述)の形成を、最適な状態で行うことができるように設定されることが好ましい。
さらに、回路基板5の上面5aや下面5bには、半導体素子4や温度計測素子8と共に電気回路を構成する回路部品10,11も搭載されている。これら回路部品10,11は回路基板5の上面5aや下面5bに形成された電気配線パターンにそれぞれ電気接続されている。なお、回路基板5の下面5bに搭載される回路部品11は、支持突起21よりも外側に位置している、すなわち、放熱部材2の主面2a、回路基板5の下面5b及び支持突起21の外周面によって区画された外側空間S2に配されている。
このポッティング樹脂9は、少なくとも電気的な絶縁性を有すると共に、空気よりも熱伝導率が高い材料からなり、具体的な材料としては、例えばシリコーン樹脂等の高分子ゲルが挙げられる。
本実施形態の電気接続構造を組み立てる場合には、はじめに、絶縁用基板3の上面3aに半導体素子4を接合する(接合工程)。この工程においては、例えば、はんだペーストや銀ペースト等の導電性接着剤を絶縁用基板3の導電性層33と半導体素子4との間に介在させた状態において、リフローやダイボンドを実施することで、絶縁用基板3と半導体素子4とを接合すればよい。この工程により、絶縁用基板3及び半導体素子4を一体に固定した素子ユニットが構成されることになる。
また、上記接合工程の前後あるいは同時に、回路基板5の上面5aや下面5bの所定位置に温度計測素子8や回路部品10,11等を搭載する(搭載工程)。
この工程においては、はじめに、放熱部材2の搭載領域23a及び支持突起21の先端部に固定剤(不図示)を塗布する。次いで、絶縁用基板3の金属板31が搭載領域23a上の固定剤に触れるように、素子ユニットを放熱部材2の搭載領域23a上に配置する。これにより、素子ユニットが放熱部材2の搭載領域23aに固定される。その後、回路基板5の下面5bのうち貫通孔51の周縁部分が支持突起21に塗布された固定剤に触れるように、回路基板5を支持突起21の先端部上に配置する。これによって、支持突起21の先端部が回路基板5の下面5bに固定されることになる。
最後に、各固定用ネジ6の軸部を回路基板5の各挿通孔に挿通させた上で各筒状突起部22の雌ネジに螺着させ、回路基板5を各筒状突起部22の先端面22aに押し付けて固定することで、取付工程が完了する。
このように取付工程を実施することで、回路基板5が放熱部材2の主面2a上に固定されると共に、半導体素子4が絶縁用基板3を介して放熱部材2の主面2aに固定されることになる。
上記埋設工程では、支持突起21の先端部は回路基板5の下面に隙間なく固定されているため、溶融状態のポッティング樹脂9を内側空間S1に流し込む際に、溶融状態のポッティング樹脂9が内側空間S1から外側空間S2に漏れ出すことは無い。また、溶融状態のポッティング樹脂9は、貫通孔51上に溢れた後、自らの表面張力によって回路基板5の上面5a上において盛り上がるため、回路基板5の上面5aよりも上方に位置するボンディングワイヤ7も確実にポッティング樹脂9内に埋設することができる。
さらに、本実施形態の電気接続構造では、外側空間S2に存在する空気が断熱層として機能するため、この断熱層によって放熱部材2の熱(例えば、半導体素子4から放熱部材2に逃げた熱)が外側空間S2を介して回路基板5側に伝わることを抑制できる。
以上のことから、例えば外側空間S2に面するように回路基板5の下面5bに搭載された回路部品11が熱に弱くても、この回路部品11が半導体素子4や放熱部材2の熱を受けることを抑制でき、この回路部品11を含む電気回路の動作安定化を図ることができる。
さらに、半導体素子4(特にその上面4a側)において発生した熱が、半導体素子4の上方側に逃げにくくなるため、半導体素子4の上方側に位置する回路基板5や空間の温度上昇を抑えることもできる。特に、回路基板5の温度上昇を抑えることは、回路基板5に搭載された回路部品10,11が熱に弱い場合に特に有効である。
したがって、ポッティング樹脂9の剥離に基づく、ボンディングワイヤ7の断線、あるいは、ボンディングワイヤ7の半導体素子4や回路基板5からの剥離を防ぎ、電気接続構造の電気的な信頼性向上を図ることができる。
次に、図4を参照して本発明の第二実施形態について説明する。
この実施形態では、第一実施形態の電気接続構造と比較して、放熱部材の構成のみが異なっており、その他の構成については第一実施形態と同様である。本実施形態では、第一実施形態と同一の構成要素について同一符号を付す等して、その説明を省略する。
この搭載領域23aの平面視形状は、絶縁用基板3及び半導体素子4の平面視形状に相似している。本実施形態では、搭載領域23aが絶縁用基板3及び半導体素子4と同様の平面視矩形状に形成され、その大きさは、絶縁用基板3に一致するように、あるいは、微小に大きくなるように設定されている。
また、図示例では、固定台23上に固定された半導体素子4の上面4aが回路基板5の上面5aよりも高く位置しているが、例えば低く位置してもよいし、あるいは、第一実施形態の場合と同様に、回路基板5の上面5aと同一平面をなしてもよい。
また、本実施形態の放熱部材2では、搭載領域23aが他の領域24aよりも高く位置すると共に、搭載領域23aの平面視形状が半導体素子4や絶縁用基板3の平面視形状に相似しているため、放熱部材2の主面2aに半導体素子4や絶縁用基板3を固定する位置や向きに誤りが生じることを防いで、放熱部材2の主面2aに対する半導体素子4や絶縁用基板3の位置決めを容易に行うことが可能となる。
次に、図5を参照して本発明の第三実施形態について説明する。
この実施形態では、第一実施形態の電気接続構造と比較して、ポッティング樹脂の形成領域のみが異なっており、その他の構成については第一実施形態と同様である。本実施形態では、第一実施形態と同一の構成要素について同一符号を付す等して、その説明を省略する。
本実施形態の放熱構造では、第一実施形態と同様に、ポッティング樹脂9によって絶縁用基板3、半導体素子4、ボンディングワイヤ7及び温度計測素子8が埋設されると共に、回路基板5の上面5aに搭載された回路部品10も埋設されている。なお、ポッティング樹脂9の量を少なく抑えるためには、回路部品10が、ボンディングワイヤ7に干渉しない範囲で、できるだけ貫通孔51に近い位置に搭載されることが好ましい。
また、回路部品10において生じた熱も、半導体素子4の場合と同様に、ポッティング樹脂9から放熱部材2に効率よく逃がすことが可能となる。
この第三実施形態の構成は、前述した第二実施形態にも適用することが可能である。
例えば、回路基板5が放熱部材2に固定されることで画成される回路基板5の張り出し部52は、貫通孔51の周方向全体に画成されることに限らず、例えば、貫通孔51の周方向の一部にのみ画成されてもよいし、貫通孔51の周方向に複数配列されていてもよい。また、張り出し部52は、特に画成されなくても構わない。
また、支持突起21や筒状突起部22は、放熱部材2に一体に形成されるとしたが、少なくとも放熱部材2の主面2aから突出するように設けられていればよく、例えば放熱部材2と別個に形成されて、放熱部材2の主面2aから突出するように放熱部材2に取り付けられてもよい。
2a 主面
21 支持突起
22 筒状突起部
22a 先端面
23 固定台
23a 搭載領域
24a 他の領域
3 絶縁用基板
4 半導体素子
4a 上面
5 回路基板
5a 上面
5b 下面
51 貫通孔
52 張り出し部
6 固定用ネジ
7 ボンディングワイヤ
8 温度計測素子
9 ポッティング樹脂
10,11 回路部品
S1 内側空間
S2 外側空間
Claims (8)
- 放熱部材と、
当該放熱部材の主面に固定される半導体素子と、
前記主面の上方に間隔をあけて配されると共に、ボンディングワイヤによって前記半導体素子に電気接続される回路基板と、を備え、
当該回路基板に、その厚さ方向に貫通して前記半導体素子を前記回路基板の上方に露出させる貫通孔が形成され、
前記ボンディングワイヤは、前記貫通孔の周縁部分において前記回路基板に接合され、
前記放熱部材に、前記主面から突出すると共に前記回路基板の下面のうち少なくとも前記ボンディングワイヤが接合された接合領域の直下またはその近傍に固定される支持突起が設けられていることを特徴とする半導体素子の電気接続構造。 - 前記支持突起が、前記主面に固定された前記半導体素子を囲む平面視環状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の電気接続構造。
- 前記支持突起の外周面側において前記放熱部材と前記回路基板とによって挟まれる空間に存在する空気が、前記放熱部材と前記回路基板とを断熱する断熱層として機能することを特徴とする請求項2に記載の半導体素子の電気接続構造。
- 前記半導体素子が、ポッティング樹脂によって埋設されることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の半導体素子の電気接続構造。
- 前記回路基板の上面に搭載された回路部品が、前記ポッティング樹脂によって埋設されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体素子の電気接続構造。
- 前記貫通孔の内周縁が、前記回路基板と前記支持突起との固定部分よりも前記貫通孔の径方向内側に張り出していることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の半導体素子の電気接続構造。
- 前記回路基板の下面のうち前記支持突起との固定部分よりも前記貫通孔の径方向内側に張り出す領域に、前記半導体素子の温度を計測するための温度計測素子が搭載されていることを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の電気接続構造。
- 前記放熱部材の主面のうち前記半導体素子を固定する搭載領域が、当該搭載領域を除く前記主面の他の領域よりも上方に突出する位置に形成され、
前記搭載領域及び前記半導体素子の平面視形状が、互いに相似していることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の半導体素子の電気接続構造。
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