JP4151207B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に電子部品が搭載され、この電子部品と基板とがボンディングワイヤにより電気的に接続され、電子部品とボンディングワイヤとが被覆され封止されてなる半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、ハイブリッドICにおいて電子部品を搭載する場合、QFP(Quad Flat Package)等のモールドICとベアチップとを同一基板上に搭載する場合がある。図9は、従来のハイブリッドICの概略断面図である。図9に示すように、基板201上にモールドIC202とベアチップ203とが搭載されている。
【0003】
モールドIC202は、基板201に形成されたランド(図示せず)に対してリード204を介して電気的に接続されている。ベアチップ203は、ベアチップ203が基板201上に接合され、ベアチップ203上のランド(図示せず)と基板201上のランド(図示せず)とがボンディングワイヤ205を介して電気的に接続されている。そして、ボンディングワイヤ205とその接続部を保護するために、ボンディングワイヤ205とベアチップ203とがエポキシ樹脂206によって封止されている。
【0004】
また、基板201全体がケース207内に配置されており、マイグレーションを防止するために、ケース207内が封止材としてのシリコーンゲル208により充填されており、基板201、モールドIC202、エポキシ樹脂206で封止されたベアチップ203及びボンディングワイヤ205がシリコーンゲル208によって覆われている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ベアチップ206とボンディングワイヤ205とをエポキシ樹脂206で封止すると、エポキシ樹脂206で封止する工程を行わなければならず工程数が多くなってしまう。また、近年はハイブリッドICを小型化する傾向にあるが、エポキシ樹脂206が基板201を占有する面積を考慮すると、ハイブリッドICを小型化するには限界がある。
【0006】
そこで、エポキシ樹脂206でベアチップ203とボンディングワイヤ205とを封止せずに、シリコーンゲル208のみで基板201、モールドIC202、ベアチップ203及びボンディングワイヤ205を封止することが考えられる。この場合、ボンディングワイヤ206が直接、シリコーンゲル208と接触することになる。ところが、シリコーンゲル208は振動が加わると大きく揺れてしまうため、シリコーンゲル208の揺れによって、例えばボンディングワイヤ205のネック部などにおいてボンディングワイヤ205が断線してしまう。この振動によるシリコーンゲル208の揺れはシリコーンゲル208が柔らかいほど大きくなる。
【0007】
また、このシリコーンゲル208の揺れの程度は、シリコーンゲル208の量によっても変化する。つまり、シリコーンゲル208の高さが高い程、また面積が大きい程シリコーンゲル208の振動は大きくなる。
【0008】
一方、シリコーンゲル208が硬すぎると、基板201を冷熱サイクルに曝してシリコーンゲル208が膨張したり収縮したりして歪んだ場合に、シリコーンゲル208がボンディングワイヤ205の周囲を流れるように変形することができない。その結果、ボンディングワイヤ205が歪むなどのダメージを受けてしまう。このような、ボンディングワイヤ205が断線したり歪んだりする問題はボンディングワイヤ205が細い場合に顕著であり、特にワイヤの直径が150〔μm〕未満の場合に問題となる。
【0009】
本発明は、上記問題点に鑑み、電子部品とボンディングワイヤとが封止材により封止された半導体装置において、ボンディングワイヤの歪みや断線を抑制した半導体装置を提供する。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、基板の一面に対して電子部品を搭載し、基板と電子部品とを直径が150〔μm〕未満である少なくとも1本のボンディングワイヤにより電気的に接続し、電子部品とボンディングワイヤとをゲル材料よりなる封止材により覆って封止してなる半導体装置であって、基板の一面から基板の法線方向への封止材の高さが5〔mm〕以下であり、基板の法線方向から見たときの封止材の形状が、長辺が60〔mm〕で短辺が20〔mm〕である矩形、若しくは、当該矩形内に収まる形状となっており、封止材の針入度が40〜170〔mm/10〕であることを特徴としている。
【0011】
封止材の寸法を本発明のようにし、封止材の硬さを本発明のようにするこで、ボンディングワイヤが歪んだり断線したりすることを抑制することができる。
【0012】
この場合、請求項2に記載の発明のように、封止材の高さを3〔mm〕以下にすることにより、より封止材の振動を抑えることができ、さらにボンディングワイヤが歪んだり断線したりすることを抑制することができる。
【0013】
また、請求項1の発明において、請求項3に記載の発明のように、封止材の高さを2.5〔mm〕以下にし、矩形を長辺が39.5〔mm〕で短辺が14.5〔mm〕であるものとし、封止材の針入度を128±10〔mm/10〕にすると好適である。
【0014】
また、請求項1〜3の発明では、請求項4に記載の発明のように、基板の一面に、基板における電子部品、及び、ボンディングワイヤの配置領域を囲うようにして、シリコーンゴムからなる囲み部材を設け、封止材を囲み部材によって囲まれた領域に充填した構成にすることができる。
【0015】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施形態について説明する。図1は本実施形態に係る半導体装置100の全体構成を示す斜視図であり、本実施形態では、半導体装置100がハイブリッドICになっている。なお、図1では、セラミック基板3を覆っているカバー17(後述の図3参照)を省略して示している。図1に示すように、プリント基板であるマザーボード1にはマイコン等の様々な電子部品2が搭載されている。また、マザーボード1には、基板としてのセラミック基板3が放熱部材(支持部材)としての放熱フィン4に搭載された状態で複数個配置されている。この放熱フィン4としては例えばAl(アルミニウム)からなるものを用いることができる。
【0017】
セラミック基板3とマザーボード1とは接続端子(クリップ端子)5を介して電気的に接続されている。この接続端子5は整列板6により位置決めされている。放熱フィン4におけるセラミック基板3が搭載された側とは反対側に、コネクタ7が配置されている。図示していないがコネクタ7のリード端子がマザーボード1に半田付されて電気的に接続されている。
【0018】
また、マザーボード1とマザーボード1上に搭載された各部材2〜7とがケース8により覆われている。ケース8には放熱フィン4の近傍において突出部8aが形成されており、放熱フィン4には、複数個のセラミック基板3が並んでいる方向の両端部においてケース8の突出部8aに対応する位置に突出部4aが形成されている。そして、このケース8の突出部8aと放熱フィン4の突出部4aとが当接して、セラミック基板3上に搭載された電子部品(図示せず)からの発熱を、放熱フィン4を介してケース8に伝え、放熱を行うようになっている。
【0019】
次に、この放熱フィン4及びセラミック基板3の近傍の構成について説明する。図示例では、1つの放熱フィン4の一面に対して3個のセラミック基板3が接合されている。図2は、複数個のセラミック基板3のうちの1つセラミック基板3を図1中の矢印A方向から見た図であり、図3は、セラミック基板3の厚み方向の概略断面図である。なお、図3では、マザーボード1、コネクタ7及びケース8を省略している。図2、3に示すように、セラミック基板3にはベアチップやモールドICなどの半導体チップである複数個の電子部品9が搭載されている。これらのセラミック基板3は、例えばセラミック基板3毎に1つの電気的な機能を有するようになっている。
【0020】
セラミック基板3の一面上には部品搭載用のランド(図示せず)とワイヤボンディング用のランド(図示せず)が形成されている。これらのランドとしては例えばAg(銀)厚膜を用いることができる。部品搭載用のランドに対しては導電性接着剤10を介して電子部品9が接合されている。この導電性接着剤10としては、例えばエポキシ樹脂にAgフィラーを添加したものを用いることができる。また、電子部品9上のランド(図示せず)とセラミック基板3上のワイヤボンディング用のランドとが、ボンディングワイヤ11により電気的に接続されている。このボンディングワイヤ11としては細いワイヤを用いており、例えば直径が150〔μm〕未満のワイヤを用いている。本例では、ボンディングワイヤ11としてAu(金)を用いている。
【0021】
各々のセラミック基板3の一面において、搭載された電子部品9とボンディングワイヤ11の配置領域を囲う囲み部材12が設けられている。この囲み部材12はセラミック基板3における外周の一回り内側において、シリコーン系の接着剤14によってセラミック基板3に接着されている。また、セラミック基板3のうち囲み部材12で囲まれた領域は封止材としてのシリコーンゲル13で充填され、このシリコーンゲル13によって電子部品9とボンディングワイヤ11とがシリコーンゲル13によって覆われて封止されている。この囲み部材12はシリコーンゲル13の形状を維持するためのものであり、本実施形態ではシリコーンゴムからなるものを用いている。
【0022】
また、囲み部材12の表面には、囲み部材12の内外を連通する開口部12b、12cがある。この開口部12b、12cは、シリコーンゲル13を注入するためのものであり、本例では3つある。この3つの開口部12b、12cのうち両端の開口部12bはシリコーンゲル13の注入口であり、中央の開口部12cはシリコーンゲル13を注入する際の空気抜き用である。
【0023】
ここで用いられるシリコーンゲル13としては、硬すぎるものや軟らかすぎるものは望ましくない。シリコーンゲル13が硬すぎる場合、半導体装置100の冷熱サイクルによりシリコーンゲル13が歪んだ際に、シリコーンゲル13がボンディングワイヤ11の周囲を流れるように変形することができないため、ボンディングワイヤ11も歪んでしまう。また、電子部品9にも応力が加わり電子部品9の接続信頼性も低下してしまう。一方、シリコーンゲル13が軟らかすぎる場合、半導体装置100が振動してシリコーンゲル13に振動が加わった際にシリコーンゲル13の振幅が大きくなり、この振動によりボンディングワイヤ11が断線してしまう。
【0024】
そこで、本発明者らはシリコーンゲル13の硬さを様々に変化させて、ボンディングワイヤ11の耐振性と冷熱サイクル時の寿命とを調査した。その結果、セラミック基板3の一面からセラミック基板3の法線方向へのシリコーンゲル13の高さが5〔mm〕であり、セラミック基板3の法線方向から見たときのシリコーンゲル13の形状が、長辺が60〔mm〕であり短辺が20〔mm〕である矩形の場合、シリコーンゲル13を、シリコーンゲル13の硬さを示す指標である針入度が40〜170〔mm/10〕(JIS K 2220参照)であるものとすれば、好適にボンディングワイヤ11の断線や歪みによる強度の低下を抑制することを見出した。
【0025】
従って、シリコーンゲル13の振幅はシリコーンゲル13のサイズが小さくなる程小さくなるため、シリコーンゲル13の高さが5〔mm〕以下であり、セラミック基板3の法線方向から見たときのシリコーンゲル13の形状が、長辺が60〔mm〕であり短辺が20〔mm〕である矩形内に収まる形状の場合は、同様に、ボンディングワイヤ11の断線や歪みを抑制することができる。ここで、矩形内に収まる形状とは、この矩形よりも小さくて矩形内に収まる形状や、少なくとも一辺がこの矩形と同じ長さである形状等を示し、この矩形よりもはみ出さない形状を示す。
【0026】
次に、このシリコーンゲル13の寸法について発明者らが行った検討の一例を述べる。まず、シリコーンゲルを入れる80〔mm〕角のケースを用意した。そして、セラミック基板に電子部品を搭載し、電子部品とセラミック基板とを直径30〔μm〕のAuからなるボンディングワイヤで電気的に接続したワークを、ケース内に収納した。その後、ケース内に針入度が40〔mm/10〕のシリコーンゲルを注入した。
【0027】
これにより、セラミック基板の法線方向から見たときのシリコーンゲルの形状が、80〔mm〕角の矩形状である試料が完成した。この様な試料において、セラミック基板の法線方向へのシリコーンゲルの高さを変えて、シリコーンゲルの変位量とボンディングワイヤの破断寿命を調査した。
【0028】
ここで、シリコーンゲル13の変位量が50〔μm〕以下であれば、ボンディングワイヤ11が断線しないことを確認した。ここで、シリコーンゲル13の変位量とは、シリコーンゲル13が振動した場合の振動の中央から端までの距離である。
【0029】
そこで、この変位量50〔μm〕を指標値として、シリコーンゲル13の高さを変化させた時の振動周波数とシリコーンゲル13の変位量との関係について調査した。図4に、この結果を示す。図4は、例えば、上記試料を振動加速度が20Gの環境下に置いた場合において、シリコーンゲル13の高さを6〔mm〕(図中、白三角で示す)、3〔mm〕(図中、黒丸で示す)、1〔mm〕(図中、白丸で示す)に変化させた場合の結果である。また、調査した振動周波数は、半導体装置100を車両に搭載する際に一般に問題となる振動周波数である。
【0030】
図4から、シリコーンゲル13の高さが3〔mm〕以下の場合にはシリコーンゲル13の変位が50〔μm〕(0.05〔mm〕)以下になるため、シリコーンゲル13の高さが3〔mm〕以下であれば、ボンディングワイヤ11の断線を防止できることが分かる。また、これらの検討はケースサイズが80〔mm〕角である場合について行っているが、上述のような60〔mm〕×20〔mm〕の場合は80〔mm〕角よりサイズが小さい。従って、振動によるシリコーンゲル13の変位も小さくなる。本発明者らが60〔mm〕×20〔mm〕の場合について検討したところ、シリコーンゲル13の高さが5〔mm〕のときにボンディングワイヤ11の断線を抑えることができることを確認している。
【0031】
なお、シリコーンゲル13の高さの上限は上述のように決定されているが、下限は、電子部品9のボンディングワイヤ11の全てがシリコーンゲル13によって囲まれている状態であれば良い。その様な状態となるには、電子部品9の高さ等にも依存するが、例えば1.25〔mm〕以上にすれば良い。
【0032】
また、図示例の半導体装置では、シリコーンゲル13の高さを2.5〔mm〕とし、セラミック基板3に平行な方向の形状を、長辺が39.5〔mm〕で短辺が14.5〔mm〕である矩形にしている。また、シリコーンゲルの針入度は128±10〔mm/10〕としている。これらのシリコーンゲル13の寸法や針入度は、上述の検討結果からボンディングワイヤ11の歪みや断線を抑制することが分かる。
【0033】
セラミック基板3における囲み部材12の外側にはランド22が形成され、ランド22上に接続端子5の一端が配置されている。この接続端子5は半田15によりランド22に電気的に接続されている。このようにして構成された各々のセラミック基板3が、シリコーン系の接着剤16により放熱フィン4に接合されている。また、複数個のセラミック基板3と各セラミック基板3に搭載された電子部品9とが一括してカバー17により覆われている。このカバー17はPBT等の硬い部材からなり、電子部品9を保護するためのものである。このカバー17は放熱フィン4のうちセラミック基板3が搭載された面の外縁部において、シリコーン系の接着剤18により放熱フィン4に固定されており、接続端子5とセラミック基板3との接続部付近まで覆っている。
【0034】
このようにして、放熱フィン4に搭載されたセラミック基板3は、図1に示すように、マザーボード1とセラミック基板3とが略垂直の位置関係になるようにマザーボード1に対して搭載されている。この際、複数個の接続端子5は整列板6に固定された状態で、マザーボード1に対して半田付されて電気的に接続されている。具体的には、整列板6に形成された複数個の穴に接続端子5を通すことにより接続端子5の位置を固定し、マザーボード1に対して搭載している。
【0035】
この整列板6としては、マザーボード1と熱膨張率が近似した部材を用いることが望ましい。これは、冷熱サイクルによって各部材が変形した場合に、整列板6にクラックが生じること無く接続端子5の接続を維持するためである。本実施形態ではマザーボード1として熱膨張率が約15.5〔ppm〕であるガラスエポキシ基板を用いているため、整列板6の熱膨張率としては13〜18〔ppm〕であるものを用いると好適である。
【0036】
本実施形態では、複数個のセラミック基板3を用いており、接続端子5がセラミック基板3の並んでいる方向に長く配列しているため長い整列板6が必要になる。そして、整列板6は長いほど冷熱サイクルによる変形量が大きくなるため、特に、マザーボード1と熱膨張係数が近似した整列板6を用いると好適である。なお、長い整列板6が必要でない場合は、整列板6としてPBTからなるものを用いても良い。このようにして、本実施形態の半導体装置100が構成されている。
【0037】
本実施形態では、シリコーンゲルの寸法と硬さを上述のようにしているため、電子部品とボンディングワイヤとがシリコーンゲルにより封止された半導体装置において、ボンディングワイヤが歪んだり断線したりすることを抑制した半導体装置を提供することができる。また、セラミック基板3毎にシリコーンゲル13によって電子部品9とボンディングワイヤ11とを封止することにより、不用な部位にシリコーンゲル13を注入する必要が無いためシリコーンゲル13の使用量を抑えることができる。
【0038】
次に、上記構成の半導体装置100のうち、電子部品9をセラミック基板3に搭載し、セラミック基板3を放熱フィン4に搭載する方法について図に示す工程順に説明する。
【0039】
まず、図5(a)に示すように、セラミック基板3を用意し、一般的な厚膜スクリーン印刷手法により回路(図示せず)を形成し、部品搭載用のランドとワイヤボンディング用のランドを形成する。次に、図5(b)に示すように、例えば70〔μm〕のメタルマスクを用いて、スクリーン印刷法により、部品搭載用のランド上に導電性接着剤10を塗布する。
【0040】
そして、図5(c)に示すように、各電子部品9を搭載して、例えば150〔℃〕の温度で導電性接着剤10を硬化させる。その後、接続端子5(図5では図示せず)をセラミック基板3に配置してディスペンサを用いて接続端子5の接続部に半田ペーストを供給し、例えば230〔℃〕のIRリフロー炉を用いて半田付する。次に、図5(d)に示すように、セラミック基板3全体を洗浄液19に浸けて半田ペーストに含まれていたフラックスを清浄する。そして、図5(e)に示すように、電子部品9上のランドとセラミック基板3上のワイヤボンディング用のランドとをボンディングワイヤ11により接続する。
【0041】
次に、図6(a)に示すように、ディスペンサによりシリコーン系の接着剤14をセラミック基板3上に塗布する。その後、図6(b)に示すように、囲み部材12を接着剤14上に搭載し、例えば150〔℃〕に加熱して接着剤14を硬化させ、囲み部材12をセラミック基板3に固定する。続いて、図6(c)に示すように、ディスペンサ20によって囲み部材12の注入口12bからシリコーンゲル13を注入して、図6(d)に示す状態にする。
【0042】
その後、図7(a)に示すように、セラミック基板3全体を減圧環境下において、シリコーンゲル13中の気泡21を取り除く。そして、シリコーンゲル13を硬化させるために、例えば145〔℃〕に加熱して、高温時に図7(b)に示す状態になる。そして、室温時に熱収縮して、図7(c)に示す状態になる。次に、図7(d)に示すように、セラミック基板3をシリコーン系の接着剤16によって放熱フィン4に接合する。最後に、図8に示すように、カバー17で複数個のセラミック基板3を覆い、セラミック基板3の放熱フィン4への搭載が完了する。なお、図5〜8の工程図は、1つのセラミック基板3における概略断面図にて示している。
【0043】
また、その他、セラミック基板3上に、モールドICをリードを介して搭載しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る半導体装置の全体構成を示す斜視図である。
【図2】本実施形態に係る1つのセラミック基板の概略図である。
【図3】本実施形態に係るセラミック基板の厚み方向の概略断面図である。
【図4】本実施形態におけるシリコーンゲルの振動周波数と変位量との関係を示すグラフである。
【図5】電子部品をセラミック基板に搭載し、セラミック基板を放熱フィンに搭載する方法を断面にて示す工程図である。
【図6】図5に続く工程図である。
【図7】図6に続く工程図である。
【図8】図7に続く工程図である。
【図9】従来のハイブリッドICの概略断面図である。
【符号の説明】
1…マザーボード、3…セラミック基板、
4…放熱フィン(支持部材、放熱部材)、5…接続端子、
6…整列板(板部材)、11…ボンディングワイヤ、12…囲み部材、
13…シリコーンゲル(封止材)。
Claims (4)
- 基板の一面に対して電子部品が搭載され、前記基板と前記電子部品とが、直径が150〔μm〕未満である少なくとも1本のボンディングワイヤにより電気的に接続され、前記電子部品と前記ボンディングワイヤとがゲル材料よりなる封止材により覆われて封止されてなる半導体装置であって、
前記基板の一面から前記基板の法線方向への前記封止材の高さが5〔mm〕以下であり、前記基板の法線方向から見たときの前記封止材の形状が、長辺が60〔mm〕で短辺が20〔mm〕である矩形、若しくは、当該矩形内に収まる形状となっており、
前記封止材の針入度が40〜170〔mm/10〕であることを特徴とする半導体装置。 - 前記封止材の高さが3〔mm〕以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記封止材の高さが2.5〔mm〕以下であり、前記矩形は長辺が39.5〔mm〕で短辺が14.5〔mm〕であるものであり、
前記封止材の針入度は128±10〔mm/10〕であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記基板の一面には、前記基板における前記電子部品、及び、前記ボンディングワイヤの配置領域を囲うようにして、シリコーンゴムからなる囲み部材が設けられており、前記封止材は前記囲み部材によって囲まれた領域に充填されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の半導体装置。
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