JP2011044628A - 電子装置、および、電子装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ワイヤー19が接合されたボンディング面21、22をシリコーン樹脂30にて被覆してなるスイッチング装置1の製造方法であって、ケース10内にシリコーン樹脂30を注入する注入工程と、シリコーン樹脂30が注入されたケース10を減圧下に置く減圧工程と、を有し、注入工程では、ワイヤー19の少なくとも一部がシリコーン樹脂30の上面から露出する高さLとなる量のシリコーン樹脂30を注入し、減圧工程で、減圧によりシリコーン樹脂30の液面を上昇させ、注入工程でシリコーン樹脂30よりも上に露出していたワイヤー19をシリコーン樹脂30で被覆する。
【選択図】図4
Description
この構成については、充填された合成樹脂が振動したときに、この振動がワイヤーに伝わって断線を招くおそれが指摘されていた。そこで、上記構成において充填する合成樹脂の量を減らすことにより、ワイヤーの振動を防ぐ方法が提案された(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、ワイヤーボンディングにより金属ワイヤーが接続されたパワー素子をケースに収納し、シリコーン樹脂をケースの上方から注入した後で、吸引ノズルを差し入れ、必要な高さを残してシリコーン樹脂を吸引除去する方法が開示されている。
さらに、特許文献1に開示されたように合成樹脂の量を抑えた場合、ワイヤーに振動が伝わることは無いが、ワイヤーが合成樹脂で被覆されない可能性がある。例えばパワー素子においてはワイヤーが高密度に配線されるため、隣接するワイヤー間の短絡防止の観点から、ワイヤーが合成樹脂で被覆されていることが望ましい。その他の電子装置においてもワイヤーの耐食性確保、ワイヤーと他の部材またはワイヤー間の短絡防止は重要であり、ワイヤーが被覆されていることの利点は大きい。
そこで、本発明は、ワイヤーボンディングが施された電子部品を合成樹脂によって被覆した構成において、合成樹脂の振動がワイヤーに伝わることを防ぎ、かつ、ワイヤーを合成樹脂によって被覆することを目的とする。
この構成によれば、ワイヤーボンディングによって金属ワイヤーが接合された電子部品がケースに収容され、ケースに注入された合成樹脂によってボンディング面が覆われており、かつ、金属ワイヤーが合成樹脂より上に露出しているため、合成樹脂の振動が金属ワイヤーに伝わりにくい構成を実現できる。さらに、減圧下で合成樹脂の液面が上昇することにより合成樹脂の上に露出した金属ワイヤーにも合成樹脂が付着し、これにより金属ワイヤーが合成樹脂により被覆されるので、金属ワイヤーの耐食性を高めるとともに絶縁保護できる。従って、新規設備の導入や電子装置の大型化を伴わずに製造可能で、電子装置のボンディング面を合成樹脂により被覆し、合成樹脂の振動が金属ワイヤーに伝わることを防ぎ、かつ、金属ワイヤーを合成樹脂で被覆した電子装置を実現できる。また、合成樹脂が注入されたケースを減圧下に置く間にケース内の気泡や水分を除去する脱泡を行えるので、金属ワイヤーに合成樹脂を付着させる工程で脱泡を合わせて行い、工数を削減できる。
この方法によれば、ワイヤーボンディングによって金属ワイヤーが接合された電子部品がケースに収容され、このケースに注入された合成樹脂によってボンディング面が覆われ、かつ、金属ワイヤーが合成樹脂より上に露出して、合成樹脂の振動が金属ワイヤーに伝わりにくい電子装置を製造できる。金属ワイヤーに対しては、減圧工程で合成樹脂の液面を上昇させることで、金属ワイヤーの全体が浸る量の合成樹脂をケースに注入することなく、合成樹脂の上に露出する部分にも合成樹脂を付着させて被覆することができる。従って、新規設備の導入や電子装置の大型化を伴わずに、電子装置のボンディング面を合成樹脂により被覆し、金属ワイヤーを合成樹脂の上に露出させて合成樹脂の振動が金属ワイヤーに伝わることを防ぎ、かつ、金属ワイヤーを合成樹脂で被覆できる。
また、減圧工程では、合成樹脂が注入されたケースを減圧下に置くため、この間にケース内の気泡や水分を除去する脱泡を行うことができる。このため、合成樹脂の液面を上昇させて金属ワイヤーに合成樹脂を付着させる工程で脱泡を合わせて行うことにより、工数を削減できる。
この場合、上向きの凸形状に形成された金属ワイヤーを合成樹脂の上に露出させた状態で、より確実にボンディング面を合成樹脂で被覆できる。
この場合、合成樹脂を注入する際に金属ワイヤーの上から合成樹脂を塗布することで、注入される合成樹脂の液面より上に露出する金属ワイヤーにも、より確実に合成樹脂を付着させて、合成樹脂で金属ワイヤーを被覆できる。
この方法によれば、ワイヤーボンディングによって金属ワイヤーが接合された電子部品がケースに収容され、このケースに注入された合成樹脂によってボンディング面が覆われ、かつ、金属ワイヤーが合成樹脂より上に露出して合成樹脂の振動が金属ワイヤーに伝わりにくい電子装置を製造できる。合成樹脂を注入する工程において注入ノズルを移動させることにより、金属ワイヤーに上方から合成樹脂を流下させることで、金属ワイヤーを合成樹脂で被覆できる。
従って、電子装置のボンディング面を合成樹脂により被覆し、金属ワイヤーを合成樹脂の上に露出させて合成樹脂の振動が金属ワイヤーに伝わることを防ぎ、かつ、金属ワイヤーを合成樹脂で被覆できる。この方法では、吸引等の新規設備の導入や電子装置の大型化を伴わないという利点もある。さらに、ケース内に注入する合成樹脂の量を抑えることで、低コスト化を図るとともに、この合成樹脂を硬化させるための時間を短縮することで、リードタイムを短縮できる。
上記発明において、上向きの凸形状に形成された金属ワイヤーの頂部が、注入された合成樹脂よりも上に露出し、かつ、注入された合成樹脂により全ての前記ボンディング面が覆われる高さまで合成樹脂を注入することで、より確実にボンディング面を合成樹脂で被覆できる。
また、上記発明において、合成樹脂をケースに注入する注入ノズルを金属ワイヤー上において移動させることにより、合成樹脂の液面よりも上方に位置する金属ワイヤーに合成樹脂を塗布しながら注入することで、合成樹脂の液面より上に露出する金属ワイヤーにも、より確実に合成樹脂を付着させて、合成樹脂で金属ワイヤーを被覆できる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明を適用した第1の実施形態に係るスイッチモジュール2の概略構成を示す要部断面図である。
この図1に示すスイッチモジュール2は、半導体素子11が実装された基板15を、上面が開口したケース10に収容して構成される。
電子部品としての半導体素子11は、例えば、IGBT、パワーMOSFET、サイリスタ、ダイオード等の、大電流に対応した電源供給用のスイッチング素子である。基板15は、上面絶縁基板15A及び下面絶縁基板15Bの間に絶縁基板15Cを挟んでロウ材等により接合してなる3層構造の基板であり、上面絶縁基板15A及び下面絶縁基板15Bには、例えば電源供給回路を構成する回路パターンが形成されている。半導体素子11は、上面絶縁基板15A及び下面絶縁基板15Bに形成されたパターンに、はんだ18によって電気的に接続されている。
また、ハウジング13には、ケース10の外側に突出する外部端子14が設けられている。外部端子14は、ケース10の内側と外側とに跨るようにハウジング13を貫通しており、ケース10の外部の回路に接続される金属製の端子である。この外部端子14は、ケース10に収容された半導体素子11を、ケース10の外部の回路に接続するために設けられており、ケース10内では外部端子14と半導体素子11とが、ワイヤー19(金属ワイヤー)によって電気的に接続される。
そこで、この図1に示すスイッチモジュール2に、シリコーン樹脂を注入してボンディング面21、22を被覆することにより、電子装置としてのスイッチング装置1が製造される。
1.スイッチモジュール2にシリコーン樹脂を注入する注入工程。
2.シリコーン樹脂を注入したスイッチモジュール2を減圧下に置く減圧工程。
3.シリコーン樹脂を硬化させる硬化工程。
注入工程では、スイッチモジュール2のケース10内に上方からシリコーン樹脂30が注入され、シリコーン樹脂30の注入量は、シリコーン樹脂30の液面が図中符号Lで示す高さになるよう制御される。シリコーン樹脂30の液面の高さLは、ワイヤー19の最上部(ワイヤートップ)の高さTに比べて十分に低い。高さLは、ボンディング面21、22の金属がシリコーン樹脂30に没し、かつ、ワイヤー19の頂部およびその近傍がシリコーン樹脂30の液面より上に出る高さである。
なお、高さLは、注入工程で注入されるシリコーン樹脂30の量の指標である。換言すれば、注入工程においてはシリコーン樹脂30の液面が静止した状態で液面の高さがLになるよう、注入量が決定されている。このため、注入工程においてシリコーン樹脂30の流動により液面が乱れ、液面が高さLよりも上になっても何ら問題はない。
この注入工程は、常圧条件下で行ってもよいが、減圧条件下で行ってもよい。すなわち、後述する装置によってスイッチモジュール2にシリコーン樹脂30を注入する際に、スイッチモジュール2の全体、及び、シリコーン樹脂30を注入するノズルをチャンバー内に収容し、このチャンバー内部を減圧して、いわゆる真空注入によりシリコーン樹脂30の注入を行ってもよい。真空注入を行うと、速やかにシリコーン樹脂30を注入できる等の利点がある。
減圧工程では、シリコーン樹脂30が注入されたスイッチモジュール2を密閉可能な室(チャンバー等)に収容し、この室内の真空度が600Pa〜1000Paにされる。また、減圧工程では、上記の真空度で、スイッチモジュール2が10分〜1時間程度放置される。
また、注入工程で上述した真空注入を行った場合、シリコーン樹脂30の注入が完了してから減圧工程に移行し、スイッチモジュール2が引き続き減圧環境下で放置される。この場合、減圧工程におけるスイッチモジュール2を収容したチャンバー内の真空度を、注入工程よりも高く(圧力を低く)してもよいし、注入工程と同じ真空度としてもよい。
しかしながら、シリコーン樹脂30は高い粘性を有するので、いったんシリコーン樹脂30に浸った部分には、シリコーン樹脂30が符号Lの高さまで戻った後も、その表面にシリコーン樹脂30が付着したまま、被膜となって残る。一般的なシリコーン樹脂の粘性を基準にすれば、数時間ないし数十時間、被膜が残ることが明らかである。従って、減圧工程でワイヤートップTの位置までシリコーン樹脂30が吹き上がることで、ワイヤー19の全体に、シリコーン樹脂30の被膜が形成される。
また、減圧工程でスイッチモジュール2を放置する時間は、十分に脱泡できればよいので、上述したスイッチモジュール2における素子の数やシリコーン樹脂30の特性、及び減圧工程における真空度を加味して決定すればよい。一般には真空度が高く、時間が長いほど確実に脱泡できるため、脱泡の状態と生産性を考慮して、真空度と時間を定めればよい。
硬化工程においては、減圧工程に引き続いてスイッチモジュール2を減圧条件下においてもよいし、徐々に真空度を下げて常圧条件にしてもよく、常圧になった後で硬化工程に移行してもよい。
図4は、製造されたスイッチング装置1の構成を示す要部断面図である。
スイッチング装置1のケース10には、ボンディング面21、22の両方を覆う高さLまでシリコーン樹脂30が充填されてゲル状に硬化しており、さらに、このシリコーン樹脂30よりも上方にワイヤー19の一部が出ている。ワイヤー19のうち、シリコーン樹脂30の上面より上に出ている部分は、シリコーン樹脂30が硬化した樹脂被膜31によって被覆されている。
また、真空チャンバー150は、内部を150℃程度まで加熱可能なヒーター(図示略)及び内部温度を検出する温度センサー(図示略)を備え、この温度センサーの検出値に従ってヒーターへの通電を制御することにより、真空チャンバー150内の気温を調整できる。
主剤タンク101は、主剤30Aを加温するヒーター102及びバンドヒーター103を備えるとともに、撹拌翼104を備えた撹拌機構105を備え、図示しないモーターによって撹拌機構105を駆動することにより主剤30Aを撹拌する。
一方、硬化剤タンク111は、硬化剤30Bを加温するヒーター112及びバンドヒーター113を備えている。また、硬化剤タンク111は撹拌翼114を備えた撹拌機構115を備え、図示しないモーターによって撹拌機構115を駆動することにより硬化剤30Bを撹拌する。
なお、注入装置100は、ヒーター102、112、バンドヒーター103、113及びその他の各種ヒーターを備えているが、主剤30A及び硬化剤30Bとして加熱を必要としない材料を用いる場合には、注入装置がヒーターを備える必要がないので、ヒーターが無い構成としてもよい。
定量混合部130は、予め設定された混合比で主剤30Aと硬化剤30Bとを混合し、計量を行いながら混合したシリコーン樹脂30を送出する。定量混合部130で混合されたシリコーン樹脂30は、混合樹脂供給管125を経て、真空チャンバー150の注入ノズル152に送出され、注入ノズル152からスイッチモジュール2に注入される。
また、混合樹脂供給管125は分岐して複数の注入ノズル152の各々に接続され、この分岐した管路には、注入ノズル152毎にバルブ151が設けられている。バルブ151は、真空チャンバー150内の真空度を高める場合に閉鎖される。これにより、例えばシリコーン樹脂30の注入後に、真空ポンプ135により真空チャンバー150内を十分に減圧できる。
注入工程では、真空チャンバー150にスイッチモジュール2が収容され、バルブ151が開かれて混合済みのシリコーン樹脂30が注入ノズル152に供給され、注入ノズル152によって上方からスイッチモジュール2にシリコーン樹脂30が注入される。真空注入を行う場合は、バルブ136が開弁され、真空ポンプ135により真空チャンバー150内の気圧が予め指定された圧力まで減圧される。注入ノズル152から、設定された量のシリコーン樹脂30がスイッチモジュール2に注入された後、バルブ151が閉弁され、注入工程が完了する。
その後、硬化工程が行われる。硬化工程では、真空チャンバー150が備えるヒーター(図示略)によって真空チャンバー150内の温度が設定された温度に調整される。また、真空チャンバー150内の真空度が真空ポンプ135によって調整され、例えば真空チャンバー150内を常圧にする場合、真空ポンプ135が停止されるとともにバルブ136が閉弁され、図示しないリーク弁が開かれて、真空チャンバー150内の気圧が徐々に大気圧に戻される。
つまり、上述したスイッチング装置1の製造方法では、ケース10内にシリコーン樹脂30を注入する注入工程と、注入工程でシリコーン樹脂30が注入されたケース10を減圧下に置く減圧工程と、を有し、注入工程では、金属ワイヤーの少なくとも一部がシリコーン樹脂30の上面から露出する所定高さとなる量のシリコーン樹脂30を注入し、減圧工程で、減圧によりシリコーン樹脂30の液面を上昇させ、注入工程でシリコーン樹脂30よりも上に露出していた金属ワイヤーをシリコーン樹脂30で被覆する。
そして、スイッチング装置1は、ボンディング面21、22がシリコーン樹脂30によって被覆保護され、かつ、シリコーン樹脂30の振動がワイヤー19に伝わりにくい。さらに、ワイヤー19がシリコーン樹脂30により被覆されるので、ワイヤー19の耐食性が高められ、絶縁保護されている。
図6は、本発明を適用した第2の実施形態に係るスイッチング装置の製造方法の説明図であり、特に注入工程を示す。また、図7は、図6に示す製造方法で製造されるスイッチング装置1Aの構成を示す要部断面図である。
なお、この第2の実施形態において上述した第1の実施形態と同様に構成される部分には同符号を付して説明を省略する。
この注入ノズル152を、図中矢印で示すように、シリコーン樹脂30をスイッチモジュール2に流下させながらスイッチモジュール2の上を移動させることにより、ケース10内に配設された基板15や半導体素子11にシリコーン樹脂30が降りかかる。また、ワイヤー19にも、ボンディング面21、22だけでなく頂部を含む全体に、シリコーン樹脂30が降りかかる。
従って、注入ノズル152を移動させる範囲を調整し、例えば、ハウジング13の内側全体に隙間無くシリコーン樹脂30が行き渡るように、シリコーン樹脂30を流下させることも可能である。また、ワイヤー19の下方など、複数の部材が上下に重なる位置では、注入ノズル152を一定時間留まらせたり、注入ノズル152の移動速度を遅くしたりすれば、シリコーン樹脂30を下方の部材にも十分に行き渡らせることができる。
ノズルヘッド154によってシリコーン樹脂30を分散させることで、シリコーン樹脂30内に気泡が入りやすくなるが、その後に減圧工程を行うことで脱泡されるため、ノズルヘッド154を用いることによるデメリットは生じない。
ケース10内に注入されたシリコーン樹脂30の量は、少なくとも、ワイヤー19の一部を露出させる程度の高さにすることが望ましい。これは、シリコーン樹脂30が硬化した後のスイッチング装置1Aにおいて、シリコーン樹脂30の振動がワイヤー19に伝わりにくいようにするためである。図7に示すスイッチング装置1Aでは、ケース10の底部に固定された基板15を覆う程度の高さまでしかシリコーン樹脂30が注入されていない。シリコーン樹脂30の液面は、ワイヤー19の頂部に比べて非常に低く、ボンディング面21、22に比べても低い位置にある。このため、スイッチング装置1Aに振動が加わった場合に、ゲル状のシリコーン樹脂30が振動してワイヤー19に負荷を与え、或いは、この振動の負荷により断線を招くおそれはない。
例えば、上記の実施形態においては、ボンディング面21、22及びワイヤー19を被覆する合成樹脂として、2液性のシリコーン樹脂30をスイッチモジュール2に注入する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ケース10に注入される合成樹脂はシリコーン樹脂30に限らない。つまり、注入時に流動性を有し、その後に硬化してゲル状または固体となる合成樹脂であれば良い。また、上記合成樹脂としては、絶縁性及び耐久性を有し、ワイヤー19及びボンディング面21、22の金属を腐蝕させないものが望ましく、厳しい環境下においてもワイヤー19及びボンディング面21、22の金属を被覆した状態を保つことが可能な耐光性、耐熱性、耐水性を有するものがより好ましい。具体的には、シリコーン樹脂に限らず、エポキシ樹脂等を用いることができ、光硬化性および熱硬化性のいずれであってもよいし、添加剤等を含んでいてもよい。
さらに、上記各実施形態では、電子部品としての半導体素子11が実装された基板15を備えたスイッチモジュール2にシリコーン樹脂30を注入して、スイッチング装置1、1Aを製造する場合について説明したが、本発明は、電子部品として、キャパシタや抵抗器等の各種回路素子あるいは各種の集積回路を用いた装置にも適用可能であり、ケース10の形状についても任意であって、例えば上面を覆う蓋を備えたケースを用いてもよく、この場合は注入工程において蓋を開いておけばよい。その他、スイッチング装置1、1A及び注入装置100の具体的な細部構成についても、任意に変更可能である。
2 スイッチモジュール
10 ケース
11 半導体素子(電子部品)
15 基板
19 ワイヤー(金属ワイヤー)
21、22 ボンディング面
30 シリコーン樹脂(合成樹脂)
31 樹脂被膜
100 注入装置
150 真空チャンバー
152 注入ノズル
154 ノズルヘッド
Claims (4)
- 電子部品にワイヤーボンディングにより金属ワイヤーを接合し、該金属ワイヤーが接合されたボンディング面を封止用の合成樹脂にて被覆してなる電子装置において、
前記電子部品をケースに収納し、前記ケース内に、前記金属ワイヤーの一部が合成樹脂の上面から露出する所定高さとなる量の合成樹脂を注入し、
前記ケースを減圧下に放置することによって前記合成樹脂の液面を上昇させ、前記合成樹脂よりも上に露出する前記金属ワイヤーに前記合成樹脂を付着させることにより、前記金属ワイヤーを合成樹脂で被覆したこと、
を特徴とする電子装置。 - ケースに収容された電子部品にワイヤーボンディングにより金属ワイヤーを接合し、該金属ワイヤーが接合されたボンディング面を封止用の合成樹脂にて被覆してなる電子装置の製造方法であって、
前記ケース内に前記合成樹脂を注入する注入工程と、
前記注入工程で前記合成樹脂が注入された前記ケースを減圧下に置く減圧工程と、を有し、
前記注入工程では、前記金属ワイヤーの少なくとも一部が前記合成樹脂の上面から露出する所定高さとなる量の前記合成樹脂を注入し、
前記減圧工程で、減圧により合成樹脂の液面を上昇させ、前記注入工程で前記合成樹脂よりも上に露出していた前記金属ワイヤーを前記合成樹脂で被覆すること、
を特徴とする電子装置の製造方法。 - 前記金属ワイヤーは、前記ボンディング面に両端が接合され、上向きの凸形状に形成され、
前記注入工程では、少なくとも前記金属ワイヤーの頂部が、注入された前記合成樹脂よりも上に露出し、かつ、注入された前記合成樹脂により全ての前記ボンディング面が覆われる高さまで前記合成樹脂を注入すること、
を特徴とする請求項2記載の電子装置の製造方法。 - 前記注入工程で、前記合成樹脂を前記ケースに注入する注入ノズルを前記金属ワイヤー上で移動させることにより、前記合成樹脂の液面よりも上方に位置する前記金属ワイヤーに前記合成樹脂を塗布しながら注入を行うこと、
を特徴とする請求項2または3記載の電子装置の製造方法。
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