JP3612238B2 - 混成集積回路装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、 半導体素子が収容搭載される半導体素子収納用パッケージや、半導体素子の他にコンデンサや抵抗体等の各種電子部品が搭載される混成集積回路基板などのセラミック配線基板を、絶縁性のケースと蓋体とから成る容器内に封止してなり、特に自動車などの車載用として好適な混成集積回路装置に関するものであって、特に、前記セラミック配線基板と絶縁性ケースとのボンディングワイヤによる接続信頼性を高めるための改良に関する。
【0002】
【従来技術】
従来より、混成集積回路装置は、半導体素子収納用パッケージや複数の各種電子部品を搭載した混成集積回路基板等から成る配線基板を適宜、所定の容器に封入することにより構成されている。
【0003】
かかる混成集積回路装置としては、例えば、図4に示すように、半導体素子20や抵抗素子などの各種電子部品21から発生する熱を外部に放熱するために、半導体素子20や電子部品21を搭載した配線基板22の裏面にヒートシンク23が取着されている。そして、ヒートシンク23が取着された配線基板22は、絶縁性ケース24内に収納される。
【0004】
また、配線基板22の表面には、外部回路と接続するための接続電極25が被着形成されており、絶縁性ケース24には、配線基板22の接続電極25と電気的に接続するために、配線基板22の接続電極25と対向する位置に、ケース側接続電極26が形成されている。そして、この接続電極25とケース側接続電極26とは、ワイヤボンディング法などによって、アルミニウムなどの金属からなる線径が約100μm〜500μmの大径のワイヤ27によって電気的に接続されている。また、ケース24内の配線基板22およびワイヤ27による接続部は保護用ゲル材28によって埋設され、蓋体29をケース24の開口部に接合して封止することにより集積回路装置となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の混成集積回路装置では、稼働中の雰囲気温度の急激な変化や、半導体素子20や電子部品21の発熱による温度変化等で、前記ケース24が熱変形を起こし、該ケース24の接続電極26と配線基板22の接続電極25との接続を担うワイヤ27が断線するという問題があった。
【0006】
例えば、混成集積回路装置を構成する配線基板の絶縁基板がアルミナ(Al2 O3 )セラミックスの場合、熱膨張率は約7×10−6/℃であり、ケース材として代表されるPBT樹脂の熱膨張率は50×10−6/℃であることから、前述のような温度変化によりケース24の伸縮が配線基板22のそれより極めて大きいために、前記ワイヤ27のケース側接続電極26との接続点に大きな歪みが発生する。そして、温度変化が繰り返し発生するような環境に保持されると、この歪みが繰り返し発生することから、やがてワイヤ27のケース側接続電極26との接続点付近で断線してしまうのである。
【0007】
そのために、ワイヤ27による接続構造では、稼働雰囲気が高温になり易く、温度変化が激しい自動車などの車載用の混成集積回路装置としては、高い接続信頼性を確保することが非常に困難であった。
【0008】
このような課題に対しては、配線基板を収納するケースを、所定方向に配向した強化用繊維と、該強化用繊維の配向方向を変更するためのじゃま板とを備えて構成された混成集積回路装置が特開平1−39049号公報にて提案されているが、このようなケースの構造や材質の変更による対策は、部品点数、部品コストの増加及び工数の増加を招き、量産性に問題が発生することが多く、より簡単な対策が必要とされてきた。
【0009】
また、構造を変更することなくボンディングワイヤの耐久接続信頼性を確保する方法として、ワイヤのループ高さhを高くする方法が知られている。しかし、装置の小型化が進み、収容空間の高さが制約されたり、ワイヤの保護のための保護用ゲル材28が多量に必要になるなどの問題があり、限られた収容空間内で大径のワイヤによる接続法による高い耐久性を有する接続信頼性を確保するのは非常に困難であった。
【0010】
従って、発明の目的は、稼働雰囲気が高温になり易く、温度変化の激しい環境下においても、ケースの接続電極と、配線基板の接続電極とを接続するワイヤが断線することなく、高い接続信頼性を有する混成集積回路装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記課題を解決するためにワイヤによる接続構造について検討を重ねた結果、ワイヤによる接続信頼性がループ高さhのみでなく、ケース側の接続電極におけるワイヤの立上り角θに大きく依存することに着目し、また、ワイヤの破断寿命が(θ/h)/hが小さくなるほど長くなることを見出し、本発明に至った。
【0012】
即ち、本発明の混成集積回路装置は、絶縁基板の表面に第1の接続電極が設けられた配線基板と、前記絶縁基板よりも熱膨張係数の大きい絶縁材料からなり、内部に前記配線基板を収納するとともに、該配線基板の第1の接続電極と対向する位置に第2の接続電極が設けられてなる絶縁性ケースと、前記絶縁性ケース内に前記配線基板を封止するための蓋体とを具備し、前記第1の接続電極と前記第2の接続電極とをループ形状の線径が500μm以下のワイヤによって電気的に接続してなる混成集積回路装置において、前記ワイヤがアルミニウム、金、銅の群から選ばれる少なくとも1種を主成分とする金属からなり、前記ワイヤの前記接続電極からの最大立上り角をθ(°)、該ワイヤの前記接続電極面からの最大ループ高さをh(mm)とした時、(θ/h)/hで表される値が6以下であることを特徴とするものであり、特に、前記ワイヤの線径が100μm以下であること、前記ワイヤがアルミニウムを主成分とする金属からなること、前記第1の接続電極面と前記第2の接続電極面が、実質的に同一高さであること、前記配線基板における絶縁基板がセラミックスからなり、前記前記絶縁性ケースが、有機樹脂を含有する絶縁材料からなること等をさらなる特徴とするものであり、また、かかる混成集積回路装置は、車載用として好適に用いられるものである。
【0013】
【作用】
配線基板における接続電極と、配線基板を収納するケースにおける接続電極とのワイヤによる接続構造において、接続電極との接続点付近でのワイヤの断線は、配線基板の絶縁基板とケースとの熱膨張差によって、接続電極間の距離が繰り返し変化することにより、ワイヤの電極との接続点付近に塑性歪みが蓄積し、ワイヤが疲労破壊することによるものである。
【0014】
このワイヤの接続電極との接続点付近の塑性歪みは、ループの高さhが大きいほど、また接続電極におけるワイヤの最大立上り角θが小さいほど、小さくなる傾向がある。具体的には、(θ/h)/hに比例して塑性歪みも小さくなる。この原理から、(θ/h)/hの値を小さいする、言い換えれば、ワイヤの最大ループ高さhに対して、ワイヤの最大立上り角θを小さくすることによって、ワイヤのループ高さを高くすることなしに、ワイヤの長期接続信頼性を向上させることができる。また、この構造によれば、配線基板やケースなどの構造を変更する必要がないために生産性の問題点も発生することがない。
【0015】
また、かかる構造は、ワイヤの線径が500μmよりも大きい場合には、ワイヤの剛性が高くなり接続電極間の変位差をワイヤが吸収できないために断線しやすくなるためにワイヤの線径が500μmであることが必要である。なお、ワイヤとして、アルミニウムを主成分とする金属によって構成することにより、ボンディング作業を容易にできるとともに、製品コストを低減できる。
【0016】
さらに、前記第1の接続電極面と前記第2の接続電極面とは、実質的に同一高さであることが、ワイヤボンディング法による生産性を高める上で望ましい。
【0017】
また、上記の構成は、前記配線基板における絶縁基板が、セラミックスからなり、前記絶縁性ケースが、有機樹脂を含有する絶縁材料からなる場合において、最も有効的である。
【0018】
かかる構成によれば、高温および低温雰囲気に晒される過酷な条件下においても優れた接続信頼性を発揮することができ、特に、自動車等のエンジン制御やトランスミッション制御、シャーシー制御などを担う車載用の混成集積回路装置に最も好適に使用される。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の混成集積回路装置を図面に基づき詳細に説明する。
図1は、本発明の混成集積回路装置の概略断面図である。図1において、1は、混成集積回路装置、2は配線基板、3は絶縁性ケースである。配線基板2によれば、絶縁基板4の表面には、配線回路11が被着形成され、絶縁基板4の表面に搭載された半導体素子5や抵抗素子などの電子部品6等と電気的に接続されて電気回路が形成されている。また、配線基板2の端部には、外部回路と接続するための接続電極7が被着形成されている。
【0020】
また、配線基板2の裏面には、表面に搭載された半導体素子5や電子部品6から発生した熱を放散させるために高熱伝導性セラミックスからなるヒートシンク8が接合されている。
【0021】
また、上記配線基板2は、絶縁性ケース3内にて、配線基板2に接合されたヒートシンクがケース3の下面から露出するようにして収納固定されている。また、絶縁性ケース3の配線基板2における接続電極7と対向するケース3の表面に、接続電極9が形成されており、この接続電極9は、ケース3に設けられた接続端子(図示せず)と電気的に接続されている。
【0022】
そして、配線基板2側の接続電極7と、ケース3側の接続電極9とは、線径が100〜500μmのワイヤ10によって電気的に接続されている。このワイヤ10による接続は、一般的なワイヤボンディング装置によって行われる。
【0023】
このワイヤーボンディング装置によれば、図3(a)に示すように、まず、接続電極9に超音波ボンディング用ツール12によってクランプ13により保持されたワイヤ10を接続する。次に、図3(b)に示すように、ツール12を移動させ、接続電極7にワイヤ10をボンディング接続し、図3(c)に示すようにワイヤ10の端部を切断することにより、接続電極7、9をループ形状のワイヤ10によって接続することができる。なお、超音波ボンディング用ツール12による接続の順序としては、接続電極7から接続電極9に接続してもよい。
【0024】
本発明によれば、上記ループ形状において、図2に示すように、接続電極7、9におけるループ形状の内側におけるワイヤ10の立上り角θ1 、θ2 のうち、大きい方の角度(図2ではθ1 )を最大立上り角θ(°)、ループ形状の接続電極7、9面からのループ形状の頂点までの高さのうち、大きい方の高さを最大ループ高さh(mm)とした時、(θ/h)/hで表される値が、6以下、特に5以下、さらには4以下であることが重要である。
【0025】
これは、接続電極7、9間の接続信頼性を高める上で重要であり、上記の値が6よりも大きいと、立上り角の大きい接続部に大きな塑性歪みが発生し、ワイヤ10の立上り角の大きい接続電極側で断線が発生しやすくなり、接続信頼性が確保できなくなる。
【0026】
また、ワイヤ10の線径は500μm以下、特に400μm以下であることも重要である。これは、ワイヤの線径が500μmよりも大きいと、ワイヤ10自体の剛性が高くなってしまい接続電極7、9間の変位差をワイヤ10自体が吸収できず断線を引き起こすためである。なお、ワイヤ10の線径は100μm以上であることが望ましい。これは、ワイヤ10の線径が100μmよりも細すぎると、一般的に混成集積回路に対して適用される0.1A以上の電流に対してワイヤが許容できず、接続電極7、9間を2本以上のワイヤによって接続する必要が生じ、その結果、工数、コストが増えてしまうためである。
【0027】
なお、上記ワイヤ10の最大ループ高さhが低すぎると装置的にループ形状を形成することが困難であると同時に接続電極7、9間の変位差を十分に吸収できず断線してしまう恐れがあるため2mm以上であることが望ましい。一方、最大ループ高さが高すぎると、混成集積回路装置の外形状が大きくなる他、ワイヤの腐食防止に用いる保護ゲルの必要量が多くなり、コスト高につながるといった問題が生じるためこの高さは10mm以下が適当である。
【0028】
この最大ループ高さ位置は、特に限定するものではないが、図2に示したように超音波ボンディングツールによって、ケース3の接続電極9から配線基板2側の接続電極7にワイヤを接続する場合、最大ループ高さ位置は、接続電極7、9の中間位置よりもケース3の接続電極9側にシフトする。逆に、配線基板2側の接続電極7からケース3の接続電極9にワイヤを接続する場合、最大ループ高さ位置は、接続電極7、9の中間位置よりも配線基板2の接続電極7側にシフトする。
【0029】
ワイヤ10の上記最大立上り角θは、ループ高さhを高くすることなく(θ/h)/hを6以下にするためにはできるだけ小さい方がよいが、あまりにも小さすぎるとボンディングワイヤの剛性が高くなってしまい接続電極間の変位差を吸収できずボンディングワイヤ接続部での剥離破壊を生じてしまう場合がある。よって、最大立上り角θは30°以上であることが望ましい。一方、最大立上り角θを大きすぎると、ボンディングワイヤの立上り部に大きな塑性変形が生じ、この塑性歪みのために長期信頼性が確保できず断線してしまう場合がある。よって、最大立上り角θは120°以下、特に100°以下であることが望ましい。
【0030】
接続電極7、9間距離が近いと、ボンディングツールの干渉が発生する恐れが生じやすく、また、この接続電極7、9間距離が長くなるに従い、混成集積回路装置の外形状も大きくなってしまうため、接続電極7、9間距離は3〜20mmが適当である。
【0031】
また、接続電極7、9の両電極面の高さは、ワイヤーボンディング装置によるワイヤ接続性の点から、実質的に同一高さ、言い換えれば、同一平面内に存在することが望ましい。
【0032】
本発明の混成集積回路装置における配線基板を構成する絶縁基板4としては、過酷な環境下においても優れた耐久性と信頼性を高める上で、セラミックスからなることが望ましく、具体的には、アルミナ(Al2 O3 )セラミックス、窒化アルミニウム(AlN)セラミックス、窒化珪素(Si3 N4 )セラミックス、ムライト(3Al2 O3 ・2SiO2 )セラミックス、ガラスセラミックスの群から選ばれる少なくとも1種、または2種以上の複合セラミックス等が好適に使用される。
【0033】
配線基板2を構成する配線回路11や接続電極7は、W、Mo、Mo−Mn、Cu、Alなどの金属によって構成され、さらに、それらの表面には、NiメッキやAuメッキが施されてもよい。特に、接続電極7の表面やボンディングワイヤとの接続性の点で、Niメッキを施し、さらにAuメッキが施されていることが望ましい。
【0034】
配線基板2に接合されるヒートシンク8としては、熱膨張率が23×10−6/℃であるアルミニウム(Al)、同じく17×10−6/℃である銅(Cu)等の金属製、あるいは熱膨張率が5×10−6/℃である窒化アルミニウム(AlN)や同じく4×10−6/℃である炭化珪素(SiC)等のセラミックス等が挙げられ、かかる材料から成るヒートシンク8は、例えばシリコーン系の接着剤等で配線基板2と接合される。
【0035】
また、前記絶縁性ケース3としては、その配線基板2の保護、気密性の確保及び外部回路との電気的接続を行うための接続電極を絶縁保護する上で、有機樹脂を含有する絶縁材料から構成されることが望ましい。
【0036】
含有される有機樹脂としては、公知のPPS樹脂やPBT樹脂などが挙げられる。なお、この絶縁材料中には、機械的強度等の特性向上のために、20〜40重量%程度のガラス繊維、カーボン繊維などの無機繊維、あるいはガラス、SiO2 、Al2 O3 、AlN、Si3 N4 、ムライトなどの無機粉末を添加混合した複合材であってもよい。
【0037】
ケース3の表面に形成される接続電極9としては、銅、あるいは銅を主成分とする公知の合金から成ることが望ましく、特に、接続電極9の表面は、配線基板2の接続電極7と同様の理由から、NiメッキおよびAuメッキが順次施してあることが望ましい。
【0038】
一方、前記ワイヤ10を構成する線材としては、Al、Au、Cuの群から選ばれる少なくとも1種を主成分とする金属が低抵抗であることから好適に使用されるが、Auを主成分とする金属の場合には、ボンディング時に接続電極を所定温度に加熱する必要性があり、また、線径が大きく、またループ長さが長いために装置面およびコストの点で難しいことから、アルミニウム、銅のいずれかを主成分とする金属、特にアルミニウムを主成分とする金属からなることが最も望ましい。なお、このワイヤ10としては、上記線材の表面にNiメッキやAuメッキを施してもよい。
【0039】
また、他の形態として、例えば、アルミニウムワイヤで接続する場合、接続電極7、9の表面に、42アロイやアルミニウムからなる板片(ポスト)を半田等で取付け、このポストにワイヤを接続することによって、ワイヤによる接続電極との接続信頼性を高めることができる。
【0040】
また、ワイヤ10によって接続電極7、9間を接続する場合、ワイヤ10による接続点の高さが実質的に同一高さからなることが望ましい。これは、接続点の高さが異なると、ワイヤーボンディング装置のツールが、前記絶縁性ケースや配線基板と干渉し、ボンディング作業が困難となったり、ワイヤが段差部と接触しワイヤの断線の原因となる場合がある。なお、実質的に同一高さとは、接続点における高さの違いが±0.5mm以内であればよい。
【0041】
上記のように、絶縁性ケース3と接続電極7、9のワイヤ10による接続によって接続した配線基板2は、ワイヤ10による接続部とともにシリコーン系ゲルなどの絶縁性ゲル14をケース3内に充填することにより埋め込まれ、さらに、ケース3の開口部に公知のPPS樹脂やPBT樹脂、アルミニウム合金等の金属からなる蓋体15を接合することによって、ケース3および蓋体15からなる容器内に配線基板2が収納され、混成集積回路装置となる。
【0042】
【実施例】
次に、本発明の混成集積回路装置を以下に詳述するようにして評価した。
先ず、配線基板の絶縁基体を作製するにあたり、Al2 O3 に対して、助剤としてSiO2 、MgO、CaOを合計で8重量%の割合で添加した原料粉末に公知の有機バインダーと可塑剤、溶剤を適量添加して混合し、泥漿を調製した後、該泥漿を周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成形技術により厚さ約300μmのセラミックグリーンシートを成形した。
【0043】
次いで、前記セラミックグリーンシートの所定位置に打ち抜き加工を施してスルーホールを形成した。その後、W、Mo等の高融点金属を主成分とする粉末に、アルミナ粉末を適量添加し、公知の有機バインダーと可塑剤、溶剤を添加混合して調製した金属ペーストを前記セラミックグリーンシートに所望のパターンでスクリーン印刷すると共に、スルーホール部分にも、前記スクリーン印刷あるいは圧力充填法により前記金属ペーストを充填した。
【0044】
次に、前記グリーンシートを積層し、これを水素(H2 )と窒素(N2 )の混合ガスから成る還元性雰囲気中、約1600℃の温度で焼成した後、絶縁基板の表面に形成した配線回路および接続電極表面に無電解メッキ法によりNiメッキおよびAuメッキをそれぞれ5μm、0.5μmの厚さで施し、さらにその上に銅ペーストを印刷塗布して約1000℃の温度で焼き付け処理して、厚さ約1.25mmの配線基板を作製した。
【0045】
一方、ヒートシンクとしては、ダイキャスト用アルミニウム合金を用い、所定の形状にダイキャスト法により成形した。
【0046】
他方、絶縁性ケースとして、Cu板からなる接続電極を金型に入子して30重量%のガラス繊維を混合したPBT樹脂を用いて射出成形して作製した。
【0047】
かくして得られた前記配線基板の裏面に熱硬化性のシリコーン系接着剤によりヒートシンクと位置合わせして接着固定した後、さらに、配線基板を絶縁性ケースに対して、熱硬化性のシリコーン系接着剤で固着した。
【0048】
その後、ワイヤボンディング法により配線基板の接続電極と樹脂製ケースの接続電極とを線径300μmのアルミニウム線で接続した。
【0049】
この時のワイヤボンディング時のボンディングツールの動きを変えたり、接続後にワイヤループを上より押圧あるいは引張って強制的にワイヤのループ形状を調整し表1のように形状の異なるループを形成した。その後、樹脂製ケース内にシリコーンゲルを充填した後、ケースの開口部に、板金加工により作製したアルミニウム合金製の蓋体を接着剤で取り付け、評価用の混成集積回路装置とした。
【0050】
かくして得られた評価用の混成集積回路装置を用いて、温度範囲が−50℃〜150℃の液槽冷熱サイクル試験を行い、100サイクルごとに配線基板とケースの電極間の電気抵抗を測定し、初期抵抗に対して抵抗が増大した時のサイクル数を表1に示した。
【0051】
【表1】
【0052】
その結果、本発明外の比較例の試料No.1〜4は、いずれも従来の形状のままループ高さを低くした場合であり、800サイクル以下でケースの接続電極側でワイヤが断線して導通不良となっていた。また、ワイヤの線径が500μmよりも大きい試料No.14では耐久性が極端に低下した。
【0053】
これに対して、本発明では、比較例と同じループ高さであってもワイヤの最大立上り角θを小さくし(θ/h)/hが6以下となるようにループを形成したことにより、1000サイクル以上の接続信頼性が確保できることが確認できた。さらに、(θ/h)/hが6以下においても、最大ループ高さが2mm以上、θが30°〜120°の範囲で前記値が5以下では、1500サイクル以上、4以下では2500サイクル以上の高信頼性を有することが確認された。
【0054】
【発明の効果】
叙上の如く、本発明の混成集積回路装置によれば、配線基板とそれを収納する絶縁性ケースとにそれぞれ形成された接続電極をワイヤボンディング法によって接続した構造において、ワイヤ形状を特定条件を満足するように制御することにより、稼働雰囲気が高温になり易く、温度変化が激しい使用環境条件下でもワイヤの接続電極との接続点付近の歪みの発生が抑えられ、上記過酷な雰囲気下において長期間稼働してもワイヤ自体が破断することがなく高い接続信頼性が得られ、これによって自動車などの車載用の混成集積回路装置としての信頼性も同時に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の混成集積回路装置の一実施例を示す概略断面図である。
【図2】図1の混成集積回路装置におけるワイヤによる接続部の拡大断面図である。
【図3】接続電極間のワイヤによる接続方法を説明するための図である。
【図4】従来の混成集積回路装置を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1 混成集積回路装置
2 配線基板
3 絶縁性ケース
4 絶縁基板
5 半導体素子
6 電子部品
7、9 接続電極
8 ヒートシンク
10 ワイヤ
11 配線回路
Claims (6)
- 絶縁基板の表面に第1の接続電極が設けられた配線基板と、前記絶縁基板よりも熱膨張係数の大きい絶縁材料からなり、内部に前記配線基板を収納するとともに、該配線基板の第1の接続電極と対向する位置に第2の接続電極が設けられてなる絶縁性ケースと、前記絶縁性ケース内に前記配線基板を封止するための蓋体とを具備し、前記第1の接続電極と前記第2の接続電極とをループ形状の線径500μm以下のワイヤによって電気的に接続してなる混成集積回路装置において、前記ワイヤがアルミニウム、金、銅の群から選ばれる少なくとも1種を主成分とする金属からなり、前記ワイヤの前記接続電極からの最大立上り角をθ(°)、該ワイヤの前記接続電極面からの最大ループ高さをh(mm)とした時、(θ/h)/hで表される値が6以下であることを特徴とする混成集積回路装置。
- 前記ワイヤの線径が100μm以上であることを特徴とする請求項1記載の混成集積回路装置。
- 前記ワイヤがアルミニウムを主成分とする金属からなることを特徴とする請求項1または請求項2記載の混成集積回路装置。
- 前記第1の接続電極面と前記第2の接続電極面が、実質的に同一高さであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか記載の混成集積回路装置。
- 前記配線基板における絶縁基板が、セラミックスからなり、前記絶縁性ケースが、有機樹脂を含有する絶縁材料からなることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか記載の混成集積回路装置。
- 車載用として用いられる請求項1乃至請求項5のいずれか記載の混成集積回路装置。
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