JP3975181B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は大電流を制御するための電力用半導体装置に関し、特に、一組の電力用半導体素子とインナーリードを複数のボンディングワイヤで接続した電力用半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、モールド樹脂封止された電力用半導体装置においては、ＩＣチップ等の半導体素子から主電流を取り出すための主端子（または「リード」とも呼ぶ）は、インナーリードとアウターリードとを一体的に形成した構成であり、主端子はアウターリードにおいて外側の基板またはバスバーといった配線部にネジで締結され、外部の制御回路からゲート端子を介してゲートに印加した電圧によって主電流を制御している。ここで、電力用半導体素子から電気的接続をするためのボンディングワイヤは、その径がφ１００〜５００μｍのアルミワイヤを同一リードに複数本配置して電流量を確保している。
【０００３】
一般に、樹脂封止された半導体装置（パッケージ）においては、モールド樹脂と金属材のリードフレームとでは、それらの線膨張係数やヤング率などの物性が異なるため、熱サイクルによってこれらの部材間の界面においてせん断力が作用する。モールド樹脂部の寸法が大きい半導体装置や長期信頼性が要求される製品について、このようなモールド樹脂とリード主端子面の界面にせん断力が働いた場合、これらの部材間に剥離が生じることがある。特に、ワイヤボンド部近傍で剥離が発生すると、ワイヤボンド部に亀裂が入り、その結果、ワイヤ自体の断線にいたることがある。
【０００４】
このような界面での剥離を防止するための有効な構成として、例えば、特許文献１に開示された半導体装置では、ボンディングワイヤの固着部を形成するポスト部に、ボンディングワイヤの接合性を確保するためにメッキ膜が形成され、ボンディングワイヤを固着するインナーリードのポスト部には、メッキ膜を貫通するように貫通孔が形成されている。このような半導体装置では、メッキ膜に貫通孔を形成することにより、本来樹脂との密着性が低いメッキ膜とモールド樹脂との界面の面積が低減でき、界面剥離を防止することが図られている。この従来例では、ＬＯＣ（Lead On Chip）構造の半導体装置など、駆動電流が小さく、微小なポスト部に径がφ５０μｍ程度以下のボンディングワイヤを用いる半導体装置に対しては有効な構造である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２３８８４３号公報（段落００１７〜００２３、図１、図４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電力用半導体装置では駆動電流量が大きいために、ボンディングワイヤとしては、径がφ１００〜５００μｍの金属線を用いることが一般的であり、また、１つのインナーリードに対して複数本のボンディングワイヤを固着する必要がある。従って、前述のような従来構成を用いた場合、リードの許容電流密度が貫通孔で制限されるといった問題があり、貫通孔の形状及び配置に関しては更なる改善が要請されていた。
【０００７】
また、電力用半導体においては、大電流を許容するために、半導体装置としては径の大きいボンディングワイヤを大きな超音波エネルギーを与えて固着する方法が用いられている。このため、ボンディングワイヤをインナーリード上面に固着する部材としては、高い剛性と良好な拘束力が要求される。もし固着部の剛性が低く、拘束力が良好でない場合は、固着時の超音波振動と共振してしまい、効率的に固着部に超音波エネルギーが加わらない恐れがある。
【０００８】
特に、インナーリードは、形状を創製するプロセス上の理由と小型化の要請の観点から、リードの板厚を薄くすることが必要であり、また、上下からの固定だけでは、面方向において十分に拘束力を満足させることができないといった製造上および安定性の観点から課題があった。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、本願発明者等は、特に、主端子に形成した貫通孔を好適に配置することにより、モールド樹脂が貫通孔に拘束されて、貫通孔から半導体装置の中心部側には剥離が進行しないことを見出した。さらに、主端子に貫通孔を形成することで、ボンディングワイヤの固着部近傍を超音波振動方向に対して確実に拘束する構成としたことで、ボンディング時の安定性が顕著に向上するといった知見に基いて本発明を完成させたものである。
【００１０】
よって、本発明は、モールド樹脂外周端面から主端子内部方向に剥離が発生した場合でも、内部方向には剥離が進行することが防止でき、ワイヤボンド部の形成部分及びその近傍では剥離の発生及びボンディングワイヤの破断が確実に防止でき、信頼性が高く、また、小型化が可能な電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る電力用半導体装置は、ダイパッド上に載置された半導体素子と主端子リードとをボンディングワイヤを介して電気的に接続して、半導体素子の電極部とボンディングワイヤと主端子リード上のワイヤ固着部を含めた部分をモールド樹脂で封止してパッケージングした構成である。主端子リードは、ボンディングワイヤが固着されたインナーリード部と電気的外部接続用のアウターリード部とが一体的に構成された単一体であり、アウターリード部はモールド樹脂から外部側に露出され、インナーリード部上の複数個のワイヤボンド部に複数個のボンディングワイヤを並列に固着している。インナーリード部上に形成されたボンディングワイヤのワイヤ固着部に対応してワイヤ固着部の外部側近傍位置に主端子リードを貫通する複数個の貫通孔が複数個のワイヤ固着部の配列方向と平行に形成されるとともに、主端子リードが前記モールド樹脂から外部側に露出するアウターリード部の幅は、前記ボンディングワイヤが固着されたインナーリード部の幅よりも狭く構成されたことを特徴とする。これにより、樹脂剥離防止とワイヤボンド性の向上を実現している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明については省略している。本発明に係る電力用半導体措置の基本形態は、主端子リードは、ボンディングワイヤが固着されたインナーリード部と外部接続用のアウターリード部とが一体的に構成された単一体であり、アウターリード部はモールド樹脂から外部側に露出され、インナーリード部上の複数個のワイヤ固着部に複数個のボンディングワイヤが並列に固着され、インナーリード部上に形成されたワイヤ固着部に対応してその外部側近傍位置に、主端子リードを貫通する複数個の貫通孔がワイヤ固着部の配列方向と略平行に形成された構成を有する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置のモールド樹脂の部分を透視した上面図である。同図において、参照番号１はダイパッド（ＤＰ）上に載置されたＩＣチップ等の電力用半導体素子、２は電力用半導体素子１から主電流を取り出す主端子（リード）であり、インナーリード２ａとアウターリード２ｂが一体的に形成された構成を有する。３は電力用半導体素子１と主端子２のインナーリード２ａ間を電気的に接続するボンディングワイヤ、４はボンディングワイヤ３で接続された電力用半導体素子１とインナーリード２ａ部等を封止するモールド樹脂を示す。
【００１４】
主端子２において、アウターリード２ｂの略中央部に、外側の基板（不図示）またはバスバーといった配線部にネジで締結されるために、ネジを取り付ける穴５が形成されている。なお、主端子のアウターリード部と外部基板との連結はネジ止め以外にハンダ付などによる接合方法を用いてもよい。６はゲート端子であり、電力用半導体素子１は、外部の制御回路からゲート端子６を介してゲートに印加した制御電圧（ゲート電圧）によって主電流を制御する。７は半導体装置の過電流防止などの保護機能のために設けられたセンス端子である。電力用半導体素子１から電気的接続をするボンディングワイヤ３は、その径がφ１００〜５００μｍの例えばアルミ、銅、金等の金属製ワイヤを複数本、同一のリードに配設して大電流量を確保している。
【００１５】
ボンディングワイヤ３の両端部は、電力用半導体素子１側に固着した素子側ボンド部３ａと、インナーリード２ａ側に固着したリード側ボンド部３ｂが形成されている。さらに、リード側ボンド部３ｂとモールド樹脂４の外周輪郭端面４ａ（主端子リード側）との間の位置でリード側ボンド部３ｂ近傍に、リード側ボンド部３ｂの配列方向と略平行に主端子リード部を貫通する矩形の細長い貫通孔８ａが形成されている。ここで、貫通孔８ａの長手配列方向はボンディングワイヤ３の延在方向と略直角方向である。これにより、貫通孔はモールド樹脂の封止領域内に含まれ、主端子構成の安定性が得られる。
【００１６】
図２は、主端子２のインナーリード部２ａの拡大上面図であり、同図を参照してインナーリード２ａ上に位置するボンディングワイヤ３のリード側ボンド部３ｂと主端子リード部の貫通孔８ａの配置関係を説明する。複数のリード側ボンド部３ｂの近傍でモールド樹脂外周端面４ａ側位置には、所定数のボンディングワイヤ３に対応して貫通孔８ａが形成され、所定数のリード側ボンド部３ｂと対応する１個の貫通孔８ａとの一対の組合せ９を、ボンディングワイヤ３の全本数に応じてインナーリード２ａ上に１組または複数組形成している。図２の例では、３対のボンド部３ｂと貫通孔８ａの組合せ９を形成した場合を示している。ここで、貫通孔８ａの形状は長手方向の長さＬ１がボンド部３ｂの各組の配列長さＬ２に比べ同等またはそれより少し大きくなるように構成している。
【００１７】
図３は本実施の形態１に係る半導体電力装置において、主端子２にボンディングワイヤ３を固着する工程を説明する要部断面図である。ワイヤボンドする際には、主端子２を上下方向から加圧固定している。即ち、ワイヤボンドは、一般的にはボンディングワイヤ３に超音波振動を与えて被接合材（２）の表面に摩擦させ、誘起された機械エネルギー及び熱エネルギーによって塑性流動を生じさせ、表面酸化物の除去および新生面の露出を促進して金属接合させる方法であり、超音波振動は主端子２の表面に平行な方向に加えられる。従って、主端子２の上下方向からの加圧固定が十分でない場合は、超音波振動にともなって主端子２も共振してしまい、その結果、接合が不充分となったり、ワイヤに過大な変位が発生して損傷する恐れがある。
【００１８】
これに対しては、図３に示すように、主端子２において、リード側ボンド部３ｂの近傍でボンディングワイヤ３の延長戦上に貫通孔８ａを形成し、主端子２を上下方向から上側治具１０ａ及び下側治具１０ｂより成る治具１０で加圧固定する。このとき、貫通孔８ａ内に下側治具１０ｂの上面所定位置に突部状に形成された固定ピン１１を挿入して主端子２を面方向に関しても固定する。
【００１９】
このように加圧固定したことにより、超音波振動方向の変位は固定ピン１１と貫通孔８ａの側壁との圧接部１２で拘束することができる。よって、ボンディングワイヤ３と主端子２が効率良く相対変位し、良好な接合が得られる。
【００２０】
このように本実施の形態によれば、主端子のネジ固定部や信号端子の基板との固定部などが拘束点となって熱サイクルが付加された場合に、ワイヤ部近傍のモールド樹脂と主端子表面間に作用するせん断方向の歪を拘束するように作用するので、モールド樹脂の界面剥離を防止することができる。
【００２１】
図４は、本実施の形態の構成に基いて、−４０〜１２５°Ｃの温度変化で１０００サイクルの熱サイクル試験を行った時の剥離の発生状況を従来構成の場合との比較結果を示し、同図（ａ）は貫通孔を形成していない従来構成の場合、同図（ｂ）は貫通孔を形成した本実施の形態の場合を示す。
【００２２】
同図（ａ）に示す貫通孔を形成していない従来構成の場合、主端子表面のモールド樹脂剥離領域１３ａは、ボンド部３ｂの形成箇所を含めてインナーリード２ａの略全面に広がり、ボンド部のボンディングワイヤに破断が発生した。
【００２３】
一方、同図（ｂ）に示す貫通孔８ａを形成した本実施の形態の場合、モールド樹脂の外周端面４ａから主端子内部方向に剥離領域１３ｂが発生したが、貫通孔８ａより内部方向には剥離が進行することが抑制され、ボンド部３ｂの形成部分及びその近傍では剥離の発生は確実に防止でき、ボンディングワイヤの破断は起こらなかった。特に、図示のように貫通孔の長手方向の長さＬ１がボンド部３ｂの各組の配列の幅Ｌ２に比べ同等以上となるように構成したことにより、ボンド部への剥離の進行がより確実に防止された。
【００２４】
上記構成によれば、各ボンディングワイヤからボンド部、インナーリードを経てアウターリードへ至る電流路のバランスを損なわずに、貫通孔間の主端子部分を必要最低限だけ形成すればよく、半導体装置の小型化が可能となる。また、モールド樹脂の外周端面における主端子リード露出用の開口部の幅がワイヤボンド部が形成されたインナーリード部の幅より狭く構成したことにより、剥離進展の速度を下げることができる。これは、上記モールド樹脂の外周端面における主端子リード露出用の開口部の幅は電流を通電するのに最小限必要な幅があればよく、多数のワイヤボンド部を並列に配置するのに必要な領域の幅の開口をモールド樹脂の外周端面に形成する必要はないことに基づいた構成である。
【００２５】
図５は図２に示す本実施の形態１の変形例であり、主端子２のインナーリード２ａに形成された貫通孔８ｂの形状が図２に示す貫通孔８ａの形状と異なり、交互に対称形状となるように台形の貫通孔８ｂを配列した構成である。図５において、ボンド部３ｂの配列方向を結ぶ仮想線１４と平行に複数個の貫通孔８ｂをボンド部３ｂの近傍外側位置に配列し、仮想線１４に対する貫通孔８ｂの投影部が間隙なく密になるように貫通孔を形成したもので、ボンド部３ｂは貫通孔８ｂの位置に関係なく、略同一間隔で配列している。このように構成することにより、ボンド部３ｂとモールド樹脂外周端面４ａとの間には必ず貫通孔部が介在するように形成されるので、ボンド部を密に配列することができ、半導体装置のさらなる小型化が可能となる。
【００２６】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置のインナーリード部を示す拡大上面図である。同図に示すように、ボンド部３ｂを配列方向に結ぶ仮想線１４と略平行で且つ千鳥状に所定の間隔をおいて交互にずらして略等間隔となるように複数個の貫通孔８ｃを２列に配置している。このように千鳥状に配置した貫通孔８ｃは、仮想線１４に対する貫通孔８ｃの投影部が間隙なく密になるように貫通孔を形成したもので、ボンド部３ｂは貫通孔８ｃの位置に関係なく、略同一間隔で配列している。このように構成することにより、所定の電流量は千鳥状に配置した貫通孔間の主端子部によって確保でき、ボンド部をさらに密に配列することができ、よって、ボンド部近傍のモールド樹脂の剥離を防止しながら半導体装置の小形化を図ることができる。
【００２７】
なお、本実施の形態では各貫通孔８ｃの形状は細長い矩形として例示しているが、図５に示すように、交互に対称形状となるように台形の貫通孔を配列した構成としてもよい。このように構成することにより、ボンド部３ｂとモールド樹脂外周端面４ａとの間には必ず貫通孔部が介在するように形成され、ボンド部をさらに密に配列することができ、半導体装置の小型化が可能となる。
【００２８】
（実施の形態３）
以下、図７（ａ），（ｂ）を参照して本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置について説明する。図７（ａ）は電力用半導体装置のモールド樹脂４の部分を透視したインナーリード部の上面図であり、同図（ｂ）はその切断線Ａ−Ａ’方向における断面図を示す。本実施の形態では、主端子に設けられた各貫通孔８ｄの一部がモールド樹脂４の外周側端面４ａから外部側にも延在するように形成されていることを特徴とする。即ち、貫通孔の一部がモールド樹脂の側面から外部側に露出するように形成することで、外部からの吸湿経路の面積を縮小することで湿度信頼性の向上を図ったものである。
【００２９】
また、好ましくは、図７（ｂ）に示すように、主端子２において上記モールド樹脂側面から外部側に露出した各貫通孔の部分を横断するように、モールド樹脂４の外周側端面４ａと平行に段差状の曲げ部１５を形成している。この段差状曲げ部１５はモールド樹脂４の外周側端面４ａ近傍の外部側位置に形成されているので、リード曲げ部１５は、主端子２のネジ固定部５が拘束部となって主端子方向に働く外力に対して緩衝する機能を有する。これによっ主端子の耐熱サイクル疲労、耐震性を向上させることができる。
【００３０】
また、貫通孔がモールド樹脂の外部にまで露出して形成されることで、外部からボンド部３ｂにいたる透湿経路の表面積が小さくなり、モールド樹脂で封止されたパッケージ４’の湿度に対する信頼性を向上させることができる。また、リード曲げ部１５は主端子の幅よりも実質的には狭い幅で形成することができるので、リード曲げ加工が容易に行え、リード曲げ工程に起因するモールド樹脂と主端子との界面剥離や金型磨耗の進行を抑制することができる。
【００３１】
以上説明してきたように、実施の形態１〜３においては貫通孔８ａ〜８ｄ（参照番号８で代表する）を形成したことにより、モールド樹脂４とネジ固定された主端子２の熱サイクル時の伸縮量のミスマッチにより発生される主端子表面のせん断歪を拘束することができる。
【００３２】
ここで、図８（ａ）に示すような貫通孔８の近傍の断面構成では、モールド樹脂４と接する主端子２の貫通孔８の上面外周部に応力１７が集中し、長時間熱サイクルが加わるような半導体装置では、貫通孔８の外周部から主端子表面の面方向にクラック１８が発生する可能性がある。同図に示すように、クラック１８が貫通孔８を突き抜けて進行すると、貫通孔によるモールド樹脂４に対する拘束力が失われる。その結果、貫通孔を形成していない従来構成の場合と同様に、モールド樹脂４と主端子２間の界面で剥離が加速度的に進行する恐れがある。
【００３３】
これに対して、図８（ｂ）は図８（ａ）の貫通孔８の構造を改良した変形例を示す貫通孔近傍の拡大断面図である。同図に示すように、貫通孔８の上面外周部に、主端子２の主面側でボンディングワイヤ３の配線経路方向と同じ方向にテーパ形状部１９を形成している。これにより、図８（ａ）の貫通孔構造の場合のように、貫通孔８の上面外周部に応力１７が集中することが抑制され、クラック１８の発生を効果的に防止することができ、より高い信頼性が求められる電力用半導体装置に対して極めて有効である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、主端子の主面側に形成されたボンディングワイヤの固着部の配列位置と主端子を被覆するモールド樹脂の外周側端面との中間位置に、主端子を貫通する複数個の貫通孔をボンディングワイヤの固着部の配列方向と略平行に形成したので、モールド樹脂外周端面４ａから主端子内部方向に剥離領域１３ｂが発生した場合でも、貫通孔８ａより内部方向には剥離が進行することが防止され、ボンド部３ｂの形成部分及びその近傍では剥離の発生及びボンディングワイヤの破断は確実に防止でき、また、貫通孔間の主端子部分を必要最低限だけ形成すればよく、電力用半導体装置の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置のモールド樹脂の部分を透視した上面図である。
【図２】 図１において、主端子リード部の拡大上面図である。
【図３】 本実施の形態１に係る半導体装置において、主端子にボンディングワイヤを固着する構成を説明する要部断面図である。
【図４】 熱サイクル試験を行った時の剥離の発生状況を比較する説明図で、（ａ）は従来構成の場合、（ｂ）は本実施の形態の場合を示す。
【図５】 図２に示す本実施の形態１の変形例示す要部拡大上面図である。
【図６】 本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置のインナーリード部を示す拡大上面図である。
【図７】 （ａ）は本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置のインナーリード部の上面図であり、（ｂ）はその切断線Ａ−Ａ’方向における断面図である。
【図８】 （ａ）は本発明に係る貫通孔近傍の拡大断面構成、（ｂ）は（ａ）の貫通孔構造を改良した変形例の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 電力用半導体素子、 ２ 主端子、 ２ａ インナーリード、 ２ｂ アウターリード、 ３ ボンディングワイヤ、 ３ａ，３ｂ ワイヤボンド部、 ４ モールド樹脂、 ４ａ モールド樹脂外周端面、 ４’パッケージ、 ５ ネジ取り付け穴、 ６ ゲート端子、 ７ センス端子、 ８，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ 貫通孔、 １５ リード曲げ部。

Claims (7)

1. ダイパッド上に載置された半導体素子と主端子リードとをボンディングワイヤを介して電気的に接続して、前記半導体素子の電極部と前記ボンディングワイヤと前記主端子リード上のワイヤ固着部を含めた部分をモールド樹脂で封止してパッケージングした電力用半導体装置であって、
   前記主端子リードは、前記ボンディングワイヤが固着されたインナーリード部と電気的外部接続用のアウターリード部とが一体的に構成された単一体であり、該アウターリード部は前記モールド樹脂から外部側に露出され、前記インナーリード部上の複数個の前記ワイヤ固着部に複数個の前記ボンディングワイヤを並列に固着した電力用半導体装置において、
   前記インナーリード部上に形成された前記ボンディングワイヤのワイヤ固着部に対応して該ワイヤ固着部の外部側近傍位置に前記主端子リードを貫通する複数個の貫通孔が前記複数個のワイヤ固着部の配列方向と平行に形成されるとともに、主端子リードが前記モールド樹脂から外部側に露出するアウターリード部の幅は、前記ボンディングワイヤが固着されたインナーリード部の幅よりも狭く構成されたことを特徴とする電力用半導体装置。
2. 前記複数の貫通孔は前記ワイヤ固着部の配列方向と平行に複数列形成されるとともに千鳥配置状に配列されたことを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
3. 前記貫通孔は前記ワイヤ固着部と前記モールド樹脂の外周端面との中間位置に形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の電力用半導体装置。
4. 前記貫通孔の一部が前記モールド樹脂の外周端面から外部側に露出するように形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の電力用半導体装置。
5. 前記モールド樹脂の側面から外部側に露出した前記貫通孔の部分において、前記主端子リードは段差状の曲げ部を有する請求項４記載の電力用半導体装置。
6. 前記貫通孔は、前記主端子リードの表面側の開口端部が前記主端子リード表面方向に向けてテーパ形状を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
7. 前記貫通孔は、交互に対称形状となるように台形の貫通孔を配列し、前記ワイヤ固着部は、前記貫通孔の位置に関係なく、同一間隔で配列した構成である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。

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