JPH1032218A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH1032218A
JPH1032218A JP8186182A JP18618296A JPH1032218A JP H1032218 A JPH1032218 A JP H1032218A JP 8186182 A JP8186182 A JP 8186182A JP 18618296 A JP18618296 A JP 18618296A JP H1032218 A JPH1032218 A JP H1032218A
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JP
Japan
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semiconductor element
wire
semiconductor device
electrode
heat
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JP8186182A
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English (en)
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Yasushi Nakajima
泰 中島
Yoshihiro Kashiba
良裕 加柴
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • H01L2924/35—Mechanical effects
    • H01L2924/351—Thermal stress

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の半導体装置は、半導体素子上の表面電
極と外部電極とのワイヤボンディングにおいて、ワイヤ
と表面電極との接合部が、電極中央部の高温となる領域
にあったため、剥離破断しやすいという問題点があっ
た。 【解決手段】 ワイヤ７で半導体素子１上の表面電極６
の周縁部と外部電極５とを接合することにより、ワイヤ
７と表面電極６との接合部は、表面電極６の高温となる
領域を避けて配置され、剥離破断に至るまでの寿命が長
い半導体装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体素子表面
電極と外部電極間をワイヤボンディングした構造の半導
体装置に関するもので、特にワイヤボンディング部の長
寿命化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図７は従来の半導体装置を例示的に示す
構成図である。図において、１は半導体素子、２は例え
ば窒化アルミの絶縁放熱基板、３ａは絶縁放熱基板２上
に設けられた例えば純銅の金属箔、４ａは半導体素子１
と金属箔３ａが被着した絶縁放熱基板２とを固定するダ
イボンド材、５は上記絶縁放熱基板２上に形成された例
えば純銅の外部電極、６は半導体素子１上に形成された
表面電極、７は表面電極６と外部電極５間を接続する例
えば純アルミのワイヤ、８は例えば純銅のヒートシンク
で、金属箔３ｂ、ダイボンド材４ｂを介して絶縁放熱基
板２に固定されている。９はヒートシンク８に設置され
半導体装置全体を被覆する絶縁性ケース、１０はヒート
シンク８と絶縁性ケース９とで形成される空間に充填さ
れ、絶縁放熱基板、半導体素子、ワイヤを完全に封止す
る例えばゲル状の絶縁性樹脂である。ワイヤ７は半導体
素子１のおおよそ中央部に等間隔に配置され、各ワイヤ
への表面電極６からの電流密度をおおよそ均等にしてい
る。ワイヤ７をループ形状にすることによって、電極間
の膨張収縮によるワイヤ７の引張応力を低減している。
ワイヤ７にはアルミを使用し、超音波ワイヤボンディン
グにより加熱なしに接続可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体装置は以
上のように構成されているので、特に、高温となる半導
体素子中央部のワイヤ接合部は、熱疲労によりクラック
で剥離破断し故障が起こる。半導体装置における半導体
素子表面には、機能領域と、周辺回路との絶縁を維持す
るためのガードリングと呼ばれる機能しない領域とが設
けられており、素子を機能させると半導体素子表面が発
熱するが、ガードリング部分は発熱しないため素子表面
に中心部を頂点とする温度勾配を生じる。例えば素子表
面温度の最高値が１６０℃まで上昇した場合について熱
伝導解析を行ったところ、２０℃程度表面に温度勾配が
生じることが分かる。
【０００４】図８はパワーサイクル試験を半導体素子が
破壊されるまで行った後の、ワイヤの接合部でのシェア
強度を示した図である。図に示すように、半導体素子の
中央部に接合されたワイヤは完全に剥離破断し、周辺部
分のワイヤは残存していること、また、ワイヤのシェア
強度が外側あるいはコーナー部になるに従って高くなっ
ていることが分かる。このことから、半導体素子の中央
部に接合されたワイヤの接合部は温度が高くなるため、
接合部の強度劣化速度が大きいと考えられる。さらに、
接合部の位置によって寿命が異なる為に、最初に剥離し
た接合部周辺の接合部及び残存するワイヤに電流が集中
し、その接合部の温度を高め強度劣化を加速しているこ
とも考えられる。
【０００５】半導体素子は主に単結晶シリコンからな
り、その線膨張係数はおよそ２．５×１０-6であるが、
配線に用いられるワイヤは主として純アルミあるいは数
ｐｐｍのニッケルが含有されたアルミが用いられ、その
線膨張係数がおよそ２３×１０-6程度である。半導体素
子の発熱に伴い接合界面内に、温度によってはワイヤが
塑性変形する程の熱応力が生じる。そのため接合面もし
くはワイヤ内に亀裂が生じ、熱サイクルにより亀裂が進
展するという熱疲労現象でワイヤが断線する。
【０００６】以上のように、最も温度が高くなる電極中
央部に接合されたワイヤの接合部には、最も高い熱応力
が発生するため短時間で剥離破断が起き、その結果残り
のワイヤへの電流集中によりワイヤ及び接合部の温度上
昇が大きくなり、残りのワイヤも剥離破断ないし溶断が
起き、半導体装置が機能しなくなるという問題点を有し
ていた。
【０００７】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、接合部の剥離破断に至るまでの
寿命が長く、信頼性の高い半導体装置を得ることを目的
とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体装
置は、表面に電極が形成された半導体素子、前記半導体
素子の外部電極、前記表面電極と前記外部電極とを接合
する複数本のワイヤを備え、各ワイヤは前記表面電極の
周縁部と前記外部電極とを接合したものである。
【０００９】また、各ワイヤが表面電極上に少なくとも
二カ所の接合部を持つものである。
【００１０】また、半導体素子及び外部電極が絶縁性樹
脂によりモールドされると共に、表面電極上のワイヤ接
合部以外の領域に前記絶縁性樹脂よりも高熱伝導性の部
材を配置したものである。
【００１１】また、半導体素子及び外部電極が固定され
たヒートシンクを更に備え、複数のヒートシンクが前記
半導体素子が固定された面を内側に、且つ前記半導体素
子が重ならないように配置されると共に、前記ヒートシ
ンク間が絶縁性樹脂で充填されているものである。
【００１２】また、ヒートシンクは半導体素子の表面を
非接触に覆う放熱板が固定されていて、絶縁性樹脂は絶
縁フィラーが含有されているものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．以下、この発明の実施の一形態を図につ
いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１による半
導体装置を示す構成図であり、図７に示す従来例と基本
的な構成は同一である。従来例と本実施の形態とが異な
るところは、図１に示すように、ワイヤ７は、表面電極
６の周縁部の少なくとも二ヶ所と外部電極５とを１本の
ワイヤで連続的に接続されているところである。これに
より、ワイヤ７の接合部は、半導体素子１の高温領域
（中央部）を避けることができ、ワイヤ７の接合部の熱
応力を低減でき、接合部の剥離破断に至るまでの寿命を
長くすることができる。また、各ワイヤを二ヶ所で接続
したため、片方のワイヤが剥離破断しても機能を失なわ
ず、接合品質のばらつきによる装置の信頼性の低下を防
ぐことができる。また、異なる二本のワイヤで表面電極
６と外部電極５間を接続する場合よりも作業時間を短く
でき、かつ外部電極での接合部の数が増加しないため、
外部電極の面積を増加させず装置の大型化を抑制するこ
とができる。
【００１４】なお、上記実施の形態１では、一方向にの
みワイヤを配置した場合について示したが、上下に異な
る高さで交差させることで表面電極の四辺全てに接合部
を配置すると、表面電極の温度の低い領域を有効に利用
することができ、上記実施の形態１と同様の効果が得ら
れる。また、ワイヤの本数を増加させることができるた
め、ワイヤ本数が多数必要となる大電力の半導体素子に
おいても全てのワイヤの接合部を表面電極の周縁部に設
けることができる。
【００１５】また、上記実施の形態１では、半導体素子
表面電極６が四角形状のものについて説明をしたが、四
角形状に限られるものではない。
【００１６】実施の形態２．図２は、本発明の実施の形
態２による半導体装置の素子近傍を示す平面図である。
図に示すように、ワイヤ７を半導体素子１に対して約４
５゜の角度で配置し、かつワイヤ７を表面電極６の周縁
部近傍に接合することにより、ワイヤ７の接合部は表面
電極６の高温領域を避けて配置され、上記実施の形態１
と同様の効果が得られる。また、多数本のワイヤを設け
る場合でも、ワイヤを３次元的に交差させることなく、
ワイヤの接合部を表面電極の四辺近傍に設けることがで
き、ワイヤ高さの管理などが必要なく、製造が容易にで
きる。
【００１７】実施の形態３．図３は、本発明の実施の形
態３による半導体装置の素子近傍を示す平面図である。
図に示すように、ワイヤ７が表面電極６の異なる二辺に
接合されており、接合部の少なくとも一方は、辺の中央
部以外の部分に接続されるため、ワイヤの接合部に働く
熱応力により接合部に亀裂が進展し剥離破断に至るまで
の時間を長くすることができ、装置の長期信頼性を高め
ることができる。これは、同じ辺でも、中央部の温度が
より高いからである。なお、ワイヤ７は残留応力の発生
を防ぐため、直線的に配列されることが望ましい。
【００１８】実施の形態４．図４は、本発明の実施の形
態４による半導体装置を示す斜視断面図である。図にお
いて、１１は絶縁性樹脂１０よりも熱伝導の大きい部材
であり、例えばＬ字型に曲げた板状の金属板であり、絶
縁性接着剤で表面電極６のおおよそ中央部に接触配置さ
れる。Ｌ字型金属板１１は半導体素子１の面と垂直にな
る面がワイヤ７とおおよそ平行になるように配置するこ
とで、ワイヤボンディング時の干渉を防ぐことができ
る。
【００１９】絶縁性樹脂１０よりも熱伝導率の高い金属
板１１を設置することによって、半導体素子１に発生す
る熱を絶縁性樹脂１０に伝達し、半導体素子１の温度上
昇を低減するため、表面電極６のワイヤ接合部に働く熱
応力を抑制でき、接合部の剥離破断に至るまでの寿命を
長くし、半導体装置の信頼性を高めることができる。な
お、金属板１１の固定には、金属板１１と絶縁性ケース
９内の金属部との短絡を防ぐため絶縁性接着剤を用いる
ことが必要である。
【００２０】上記実施の形態４では、Ｌ字型の金属板に
ついて述べたが、その他、熱伝導が大きくワイヤボンデ
ィングの作業性を損なわない構造であれば良いことは言
うまでもない。また、ワイヤボンディング後に別の部材
を上記金属板に結合して、例えばヒートシンクや絶縁放
熱基板に伝熱しても良い。また、半導体素子の面と垂直
になる面がフィン状になっていれば放熱効率を上げるこ
とができる。
【００２１】実施の形態５．図５は、本発明の実施の形
態５による半導体装置を示す局部断面図である。図にお
いて、１２は例えばシリカなどの熱伝導性が半導体素子
とおおよそ同等程度以上で絶縁性を有する絶縁フィラー
含有樹脂、１３は例えば銅の放熱板である。
【００２２】従来、半導体素子１からの発熱は半導体素
子１を載置する絶縁放熱基板２に伝達して半導体素子１
の温度上昇を抑制していたが、半導体素子１を封入する
絶縁樹脂１０は熱伝導率が約０．２Ｗ／（ｍ・ｋ）程度
であり、特に放熱性を考慮されたものではなかった。図
に示すように、半導体素子１を封入する絶縁性樹脂１０
に熱伝導性の高い絶縁フィラー、例えば熱伝導率５〜８
Ｗ／（ｍ・ｋ）のシリカなどを含有させると共に、ヒー
トシンク８に半導体素子１表面を非接触に被覆する放熱
板１３を固定することにより、半導体素子１に発生する
熱を、絶縁フィラー含有樹脂１２を介して放熱板１３に
伝達させて、半導体素子１の温度上昇を抑制する。これ
により、ワイヤ７の接合部に働く熱応力を抑制でき、接
合部の剥離破断に至るまでの寿命を長くし、半導体装置
の信頼性を高めることができる。なお、放熱板１３と半
導体素子１との距離を約１０ｍｍ以内とすることで、放
熱板１３を設けない場合より約１０％程度半導体素子１
の表面温度を下げることができる。
【００２３】また、絶縁フィラー含有樹脂１２は絶縁フ
ィラーと樹脂との間から水分などが進入しやすく、さら
に、絶縁フィラー含有樹脂１２は放熱板１３の位置まで
充填されていれば良いので、絶縁フィラー含有樹脂１２
一層よりも、図５中の破線に示すように、絶縁フィラー
含有樹脂１２と絶縁フィラーを含まない樹脂１０との二
層構造にすることが望ましい。またその場合、両樹脂の
主成分は同じであることが樹脂の境界面の熱応力による
剥離を防ぐため好ましい。
【００２４】また、上記実施の形態５では銅による放熱
板を用いたが、熱伝導性の高い材料であればＡｌＮなど
の他の材料でも良い。また、金属のような電気伝導性を
持つ材料の場合、表面に絶縁コーティングを施すこと
が、半導体装置内部の短絡発生による信頼性低下を防ぐ
ために望ましい。放熱板は複数個の絶縁放熱基板上を覆
うように一体になっていることが作業性の面から好まし
い。
【００２５】実施の形態６．図６は、本発明の実施の形
態６による半導体装置を示す局部断面図である。２枚の
ヒートシンク８ａ、８ｂが、半導体素子１及び絶縁放熱
基板２を固定した面を対向するように絶縁性ケース９に
固定されていると共に、半導体素子１ａ、１ｂは互いに
垂直な方向に重ならないように配置されている。また、
ヒートシンク８ａ、８ｂに固定された放熱板１３ａ、１
３ｂが、半導体素子１ａ、１ｂから数ミリの距離で平面
に垂直方向に重なるように配置されている。
【００２６】半導体素子１ａ、１ｂに発生する熱は、絶
縁放熱基板２を通ってヒートシンク８ａ、８ｂへと伝達
されるとともに、絶縁フィラー含有樹脂１２が半導体素
子１の表面から対向する放熱板１３ａ、１３ｂに熱を伝
達するため、半導体素子１表面の温度上昇を抑制し、ワ
イヤ７の接合部に働く熱応力を低減でき、接合部の剥離
破断に至るまでの寿命を長くし、半導体装置の長期信頼
性を高めることができる。
【００２７】ヒートシンクが対称に組み合わされている
ため、発熱によるヒートシンクの反りに起因する絶縁放
熱基板２の割れ不良の発生を抑制することができる。ま
た、複数個のヒートシンクを同一の絶縁性ケースに載置
するためスペース効率に優れる。ヒートシンク上の放熱
板１３と半導体素子１間の距離は約１０ｍｍ以内にする
と、半導体素子の発熱を効率的に対向するヒートシンク
側に伝達できる。
【００２８】
【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、複数本のワイヤは前記表面電極の周縁部と前記外部
電極とを接合しているので、表面電極上のワイヤ接合部
が素子の高温領域を避けて配置されており、ワイヤ接合
部に働く熱応力を抑制でき、接合部の剥離破断に至るま
での寿命を長くして、半導体装置の信頼性を高めること
ができる。
【００２９】また、請求項２記載の発明によれば、各ワ
イヤが表面電極上に少なくとも二カ所の接合部を持つの
で、片方のワイヤが剥離破断しても機能を失わず、半導
体装置の信頼性を高めることができる。
【００３０】また、請求項３記載の発明によれば、半導
体素子及び外部電極が絶縁性樹脂によりモールドされる
と共に、表面電極上のワイヤ接合部以外の領域に絶縁性
樹脂よりも高熱伝導性の部材を配置したので、半導体素
子に発生する熱を絶縁性樹脂に伝達し半導体素子の温度
上昇を低減するため、表面電極のワイヤ接合部に働く熱
応力を抑制でき、接合部の剥離破断に至るまでの寿命を
長くし、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００３１】また、請求項４記載の発明によれば、半導
体素子及び外部電極が固定されたヒートシンクを更に備
え、複数のヒートシンクが半導体素子が固定された面を
内側に、且つ半導体素子が重ならないように配置される
と共に、ヒートシンク間が絶縁性樹脂で充填されている
ので、半導体素子に発生する熱が、絶縁放熱基板を通っ
てヒートシンクへと伝達されるため、半導体素子表面の
温度上昇の抑制、ワイヤ接合部に働く熱応力の低減によ
り、接合部の剥離破断に至るまでの寿命を長くして、半
導体装置の長期信頼性を高めることができる。また、ヒ
ートシンクが対向して組み合わされているため、発熱に
よるヒートシンクの反りに起因する絶縁放熱基板の割れ
不良の発生を抑制することができる。また、複数のヒー
トシンクを同一の絶縁性ケースに載置するため、スペー
ス効率に優れる。
【００３２】また、請求項５記載の発明によれば、ヒー
トシンクは半導体素子の表面を非接触に覆う放熱板が固
定されていて、絶縁性樹脂は絶縁フィラーが含有されて
いるので、半導体素子が動作することによる発熱が上記
絶縁フィラー含有樹脂に伝達し、また、絶縁フィラー含
有樹脂から放熱板に熱が伝達され、半導体素子の温度上
昇を低減するため、半導体素子の表面電極のワイヤ接合
部に働く熱応力を抑制でき、接合部の剥離破断に至るま
での寿命を長くし、半導体装置の信頼性を高めることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による半導体装置を
示す断面斜視図である。
【図２】 この発明の実施の形態２による半導体装置を
示す局部平面図である。
【図３】 この発明の実施の形態３による半導体装置を
示す局部平面図である。
【図４】 この発明の実施の形態４による半導体装置を
示す局部断面図である。
【図５】 この発明の実施の形態５による半導体装置を
示す局部断面図である。
【図６】 この発明の実施の形態６による半導体装置を
示す断面斜視図である。
【図７】 従来の半導体装置を示す局部斜視図である
【図８】 従来の半導体装置を説明する図である
【符号の説明】
１ 半導体素子、２ 絶縁放熱基板、３ａ、３ｂ 金属
箔、４ａ、４ｂ ダイボンド材、５ 外部電極、６ 表
面電極、７ ワイヤ、８ ヒートシンク、９ 絶縁性ケ
ース、１０ 絶縁性樹脂、１１ 金属板、１２ 絶縁フ
ィラー含有樹脂、１３ 放熱板

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 表面に電極が形成された半導体素子、前
    記半導体素子の外部に設けられた外部電極、前記表面電
    極と前記外部電極とを接合する複数本のワイヤを備え、
    各ワイヤは前記表面電極の周縁部と前記外部電極とを接
    合することを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 各ワイヤが表面電極上に少なくとも二カ
    所の接合部を持つことを特徴とする請求項１記載の半導
    体装置。
  3. 【請求項３】 半導体素子及び外部電極が絶縁性樹脂に
    よりモールドされると共に、表面電極上のワイヤ接合部
    以外の領域に前記絶縁性樹脂よりも高熱伝導性の部材を
    配置したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  4. 【請求項４】 半導体素子及び外部電極が固定されたヒ
    ートシンクを更に備え、複数のヒートシンクが前記半導
    体素子が固定された面を内側に、且つ前記半導体素子が
    重ならないように配置されると共に、前記ヒートシンク
    間が絶縁性樹脂で充填されていることを特徴とする請求
    項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 【請求項５】 ヒートシンクは半導体素子の表面を非接
    触に覆う放熱板が固定されていて、絶縁性樹脂は絶縁フ
    ィラーが含有されていることを特徴とする請求項３から
    ４のいずれか一項に記載の半導体装置。
JP8186182A 1996-07-16 1996-07-16 半導体装置 Pending JPH1032218A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007067342A (ja) * 2005-09-02 2007-03-15 Ultrasonic Engineering Co Ltd ワイヤボンディング方法およびワイヤボンディング装置
JP2008047615A (ja) * 2006-08-11 2008-02-28 Nissan Motor Co Ltd 半導体装置及び電力変換装置
JP2008186957A (ja) * 2007-01-29 2008-08-14 Honda Motor Co Ltd 半導体装置およびその製造方法
JP2019121612A (ja) * 2017-12-28 2019-07-22 新電元工業株式会社 電子デバイス
DE102020133473A1 (de) 2020-03-06 2021-09-09 Mitsubishi Electric Corporation Halbleitereinrichtung

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