JP2009302261A - 半導体装置 - Google Patents

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Tomokiyo Suzuki
智清 鈴木
Jun Saito
順 斎藤
Akihiro Yanagiuchi
昭宏 柳内
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Abstract

【課題】ボンディング点で局所的に熱が発生する場合に、半導体チップの表面の広い範囲に効率的に伝熱し、ボンディング点が局所的に過熱してワイヤと表面電極の接合強度が劣化する現象の発生を抑制する。
【解決手段】ワイヤ２２がボンディングされている表面電極１６の表面に、表面電極１６よりも熱伝導率が高い材料の被覆層２０が形成されている。ワイヤ２２がボンディングされている表面電極１６の表面に、表面電極１６よりも熱伝導率が高い材料をコーティングすれば、半導体チップ１４の表面の広い範囲に効率的に伝熱することができ、ボンディング点が局所的に過熱されてしまう現象の発生を防止できる。あるいは、表面電極に表面被覆層を介してワイヤをボンディングしてもよい。この場合は、表面電極の表面に、表面電極よりも熱伝導率が高い材料で、表面電極よりも厚く形成されている被覆層を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップの表面電極にワイヤがボンディングされている半導体装置に関する。
半導体チップで処理する電力が増大しており、半導体チップの発熱量が増大している。そこで、半導体チップに冷却装置を付設することによって半導体チップの過熱を防止する半導体装置が開発されており、その一例が特許文献１に記載されている。
特許文献１の技術では、上から順に、半導体チップと絶縁板とヒートシンクを積層している。半導体チップと絶縁板の間ははんだで接続され、絶縁板とヒートシンクの間には熱伝導グリースが介在している。半導体チップの表面には表面電極が形成されており、絶縁板の表面には配線パターンが形成されており、両者間はワイヤで接続されている。半導体チップの表面や絶縁板の表面は樹脂で封止されている。ワイヤは、樹脂内に埋め込まれている。
特開平９-１３４９８３号公報
特許文献１の半導体装置は、半導体チップに生じる発熱を絶縁板を介してヒートシンクに能率よく伝熱するために、半導体チップの過熱を防止することができる。
しかしながら、半導体チップで処理する電力が増大するのに伴って、半導体チップの表面電極にボンディングされているワイヤを通過する電流も増大している。ワイヤでも発熱し、ボンディング点（正確にはワイヤと半導体チップの接続点の近傍に位置するために大電流が通過する範囲内の半導体チップをいう）でも発熱する。特許文献１の半導体装置では、ボンディング点に樹脂を被せて封止している。樹脂の熱伝導率は低く、ボンディング点で局所的に発熱した場合に、半導体チップの広い範囲に伝熱して温度を平均化する能率が低い。ボンディング点で局所的に発熱した場合に、そのボンディングが局所的に過熱してしまいやすい。特許文献１の半導体装置では、ワイヤでの発熱や、ボンディング点での発熱に良好に対処することができない。
現状の技術では、半導体チップの表面電極にボンディングするワイヤを多数本に分け、ボンディング点が表面電極内で分布するように配置している。これによって、ボンディング点が局所的に過熱し、ワイヤと表面電極の接合強度が劣化してしまう現象の発生を抑制している。
しかしながら、ボンディングするワイヤ本数を多数本に分ける技術では、ボンディング処理数が増大し、ボンディング処理に要する時間が長くかかってしまう。
本発明は、ボンディング点で局所的に熱が発生する場合に、その熱を半導体チップの表面の広い範囲に効率的に伝熱することによって、ボンディング点が局所的に過熱する現象の発生を防止できる技術を提供する。
本発明は、半導体チップの表面電極にワイヤがボンディングされている半導体装置に関する。本発明の半導体装置は、ワイヤがボンディングされている表面電極の表面に、表面電極よりも熱伝導率が高い材料の被覆層が形成されていることを特徴とする。
前記したように、特許文献１の半導体装置の場合、ワイヤがボンディングされている表面電極の表面に、表面電極よりも熱伝導率が低い樹脂材料がコーティングされている。これでは、ボンディング点で局所的に発熱した場合に、その熱を半導体チップの表面の広い範囲に効率的に伝熱することができず、その接続点が局所的に過熱されてしまいやすい。
それに対して、ワイヤがボンディングされている表面電極の表面が、表面電極よりも熱伝導率が高い材料でコーティングされていれば、半導体チップの表面の広い範囲に効率的に伝熱することができ、ボンディング点が局所的に過熱されてしまう現象の発生を防止できる。
なお、表面電極よりも熱伝導率が高い材料でコーティングした後に、さらに樹脂をコーティングしてもよい。
前記に代えて、半導体チップの表面電極に被覆層を介してワイヤをボンディングしてもよい。この場合は、表面電極の表面に、表面電極よりも熱伝導率が高い材料で、表面電極よりも厚く形成されている被覆層を形成する。
例えばアルミ等で表面電極を形成し、その表面にはんだとのなじみがよいニッケル層を形成し、さらにその表面に金層を形成することがある。この場合、ニッケル層や金層は、表面電極の一部ということもできるが、被覆層ということもできる。本明細書では、後者の見方をする。本明細書では、半導体チップの半導体領域に直接的に接触している膜を電極といい、その表面を覆っている層は被覆層という。
従来の技術では、表面電極の表面に、表面電極よりも熱伝導率が高い材料（例えば金）で被覆層を形成することがあるが、その被覆層は表面電極よりも薄く、伝熱能力には期待できない。
本発明の半導体装置では、表面電極の表面に、表面電極よりも熱伝導率が高い材料で、表面電極よりも厚く形成されている被覆層を形成しておいてワイヤをボンディングする。この場合、被覆層が伝熱効率を改善する。ボンディング点で局所的に発熱した場合に、被覆層によって半導体チップの表面の広い範囲に効率的に伝熱することができ、ボンディング点が局所的に過熱されてしまう現象の発生を防止できる。
被覆層を有機材料で形成すると簡単にコーティングすることができる。この場合、カーボンナノチューブを含有する有機材料で被覆すれば、表面電極よりも高い熱伝導率を得ることができる。
同一表面電極に複数本のワイヤがボンディングされている場合、各々のボンディング点に形成されている被覆層が分断されていてもよいし、1枚の共通の被覆層が複数のボンディング点に亘って伸びていてもよい。
前者によると使用する材料量が少なくてすむメリットが得られ、後者であれば表面電極の広い範囲に伝熱することができる。必要性にあわせて取捨選択することが好ましい。
本発明によると、ボンディング点で局所的に発生した熱を半導体チップの表面の広い範囲に効率的に伝熱することができ、ボンディング点が局所的に過熱してワイヤと表面電極の接合強度が劣化してしまう現象の発生を抑制できる。
従来の技術に比してワイヤ数を減少することができ、ボンディング点の数を減少することができる。あるいは、ワイヤ数を増加しないで、より大電力を給電することができる。
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（特徴１）ワイヤをボンディングした表面電極の表面に、カーボンナノチューブを含む液状材料をたらし、その後に固化することによって被覆層を形成する。
（特徴２）ワイヤをボンディングした表面電極の表面に、表面電極よりも熱伝導率の高い金属を付着して被覆層を形成する。付着方法は、蒸着・スパッタリング・メッキ法のいずれでもよい。
（特徴３）ワイヤをボンディングする前の表面電極の表面に、表面電極よりも熱伝導率の高い金属を付着して被覆層を形成し、その後にワイヤボンディングする。付着方法は、蒸着・スパッタリング・メッキ法のいずれでもよい。
（第１実施例）
図１は、半導体装置２６の断面図を示している。図１において、参照番号２は、内部を冷却水が通過するヒートシンク、４は伝熱性グリース、６は絶縁性の伝熱板、８は伝熱板６の表面に形成されている導体パターン、１２ははんだ層、１４は半導体チップ、１６は半導体チップ１４の表面に形成されている表面電極、２２はワイヤ、２０は被覆層を示している。導体パターン８は伝熱板６の表面に形成されており、両者を総称して伝熱板１０という。表面電極１６は半導体チップ１４の表面に形成されており、両者を総称して半導体チップ１８という。
被覆層２０は、表面電極１６を被覆している層２０ａと、ワイヤ２２を被覆している層２０ｂで形成されている。両者は、一体に形成されている。
表面電極１６はアルミで形成されており、ワイヤ２２もアルミで形成されており、被覆層２０は銅で形成されている。被覆層２０の方が、表面電極１６やワイヤ２２よりも、熱伝導率が高い。被覆層２０は、表面電極１６にワイヤ２２をボンディングした後に、銅を蒸着して形成されている。蒸着法に代えて、スパッタ法を用いてもよいし、メッキ法を用いてもよい。被覆層２０は、金でもよいし、銀でもよい。
被覆層の２０の表面を樹脂等で被覆して封止してもよい。
（第２実施例）
以下では、第１実施例と相違する部分のみを説明する。表面電極１６にワイヤ２２をボンディングしている点までは第１実施例と同じである。
第２実施例では、図２に示すように、ボンディング点２４の周囲にカーボンナノチューブを含む有機材料によって被覆層３０を形成している。具体的には、ボンディング点２４の周囲にカーボンナノチューブを含む液状樹脂をたらし、その後に固化することによって被覆層３０を形成している。
図３は、第２実施例の半導体装置３２の平面図を示し、１枚の表面電極１６に対して３本のワイヤ２２ａ〜２２ｃが接続されている。各々のボンディング点２４ａ〜２４ｃの周囲に被覆層３０ａ〜３０ｃを形成している。各々の被覆層３０ａ〜３０ｃは、隣接する被覆層から分断されている。この場合、使用する樹脂量を節約することができる。
（第３実施例）
図４は、第３実施例の半導体装置３４の平面図を示している。縦断面図は、図２に等しい。第３実施例の半導体装置３４では、１枚の表面電極１６に対して３本のワイヤ２２ａ〜２２ｃが接続されている。３箇所のボンディング点２４ａ〜２４ｃが、１枚の共通被覆層３０で被覆されている。この場合、表面電極１６の広い範囲に、ボンディング点２４ａ〜２４ｃで発生する熱を伝熱することができる。ボンディング点２４ａ〜２４ｃの過熱防止能力が高い。
（第４実施例）
図５は、第４実施例の半導体装置４２の縦断面図を示している。第１実施例と相違する部分のみを説明する。第４実施例の半導体装置４２では、ボンディング前の表面電極１６の表面に、被覆層４０が形成されている。表面電極１６はアルミで形成されており、ワイヤ２２もアルミで形成されており、被覆層４０は銅で形成されている。被覆層４０の方が、表面電極１６やワイヤ２２よりも、熱伝導率が高い。被覆層２０は、表面電極１６に銅を蒸着して形成されている。蒸着法に代えて、スパッタ法を用いてもよいし、メッキ法を用いてもよい。被覆層２０は、表面電極１６よりも厚く形成されている。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
第１実施例の半導体装置の断面図。 第２実施例の半導体装置の断面図。 第２実施例の半導体装置の平面図。 第３実施例の半導体装置の平面図。 第４実施例の半導体装置の断面図。
符号の説明
２：ヒートシンク
４：伝熱性グリース
６：伝熱板
８：配線パターン
１２：はんだ
１４：半導体チップ
１６：表面電極
２０：被覆層
２２：ワイヤ
３０：被覆層
４０：被覆層

Claims (5)

  1. 半導体チップの表面電極にワイヤがボンディングされている半導体装置であり、
    ワイヤがボンディングされている表面電極の表面に、表面電極よりも熱伝導率が高い材料の被覆層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 半導体チップの表面電極に被覆層を介してワイヤがボンディングされている半導体装置であり、
    表面電極の表面に、表面電極よりも熱伝導率が高い材料で表面電極よりも厚く形成されている被覆層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記被覆層が、カーボンナノチューブを含有する有機材料で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 同一表面電極に複数本のワイヤがボンディングされており、各々のボンディング点に形成されている被覆層が分断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１項に記載の半導体装置。
  5. 同一表面電極に複数本のワイヤがボンディングされており、1枚の共通の被覆層が複数のボンディング点に亘って伸びていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
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