JP6316086B2 - 樹脂封止型電力用半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂封止型の電力用半導体装置及びその製造方法に関し、内在するループワイヤの信頼性確保方法に関する。

従来の半導体装置としては、内蔵基板とリードフレームとの間を太線アルミワイヤで接続するものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−１７５６０９号公報

インバータやサーボアンプ、プログラマブルロジックコントローラなどのＦＡ（Factory automation）機器用の電力用半導体装置においては、以下のような課題があった。ＦＡ機器は、制御盤の中に水平方向に複数台並べられるが、横幅が例えば１０ｍｍ広いと、１０台の機器を並べると制御盤の幅が１００ｍｍ延びるという悪影響がある。ＦＡ機器の形態として、いわゆるブックシェルフ型と呼ばれる、厚さを薄くしたタイプがあり、このタイプのものは顧客の小型化のニーズに適合するが、そのようなブックシェルフ型のＦＡ機器にとって厚さが大きいことは特に大きな課題となる。

このため、ＦＡ機器に用いる電力用半導体装置自体も幅をできるだけ小さくしたいという要望がある。

樹脂封止型電力用半導体装置の製造時に、リードフレームの各所に設けられた電極と基板とをワイヤで接続し、金型内に配置されたリードフレーム及び基板に対して水平方向からモールド樹脂を注入すると、金型内を水平方向にモールド樹脂が流動する。この時モールド樹脂は液化しているが、ワイヤに液化した樹脂がワイヤの延在方向と垂直方向から衝突すると、ワイヤが変形するワイヤ流れという現象が発生する。

ワイヤ流れにより、異電圧のワイヤ同士が接触したり、耐電圧上必要な絶縁距離が確保できていなかった場合、短絡故障やリーク故障となるため、煩雑な検査工程が必要であったり、信頼性を確保できる期間に制約が生じるなどの問題が発生する。

このため、樹脂封止型電力用半導体装置においては、ワイヤが短絡することを防止し、適切な絶縁距離を確保するためには、ワイヤ同士の間隔を一定距離以上確保せねばならず、このことが樹脂封止型電力用半導体装置の小型化の妨げとなっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ワイヤ同士の短絡を防止して適切な絶縁距離を確保しつつ小型化を図った樹脂封止型電力用半導体装置及びその製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、並列に配置された複数のワイヤを有し、複数のワイヤがモールド樹脂によって半導体素子とともに封止された樹脂封止型電力用半導体装置であって、複数のワイヤは、モールド樹脂の流動方向に沿って配列されており、流動方向の下流側のワイヤの配線長は、流動方向の上流側のワイヤの配線長以上であることを特徴とする。

本発明によれば、ワイヤが変形しても、下流側のワイヤに接することがなく、短絡を防止するとともに適切な絶縁距離を確保できるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る樹脂封止型電力用半導体装置の実施の形態１の断面図である。 図２は、実施の形態１に係る樹脂封止型電力用半導体装置の上面図である。 図３は、実施の形態１に係る樹脂封止型電力用半導体装置の上面図である。 図４は、ワイヤの拡大図である。 図５は、ワイヤが倒れる過程をワイヤのループを直線的に見る方向から示した図である。 図６は、本発明に係る電力用半導体装置の実施の形態２のワイヤを示す図である。 図７は、一次接続と二次接続を交互に入れ替えて配線した状態を示す図である。 図８は、実施の形態４に係る電力半導体装置を製造するためのモールド金型の断面図である。 図９は、モールド樹脂の注入を完了した状態を示す図である。 図１０は、可動ピンがあった空間に樹脂が充填された状態を示す図である。 図１１は、モールド樹脂充填前後のワイヤの形状を示す図である。 図１２は、ワイヤの断面図である。

以下に、本発明に係る電力用半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る樹脂封止型電力用半導体装置の実施の形態１の断面図である。図２は、実施の形態１に係る樹脂封止型電力用半導体装置の上面図である。樹脂封止型電力用半導体装置２０において、半導体素子３を支持固定し、外部配線と接続するためのリードフレーム２は、基板１とは立体的に干渉しないように配置されている。リードフレーム２には半導体素子３が配置されている。リードフレーム２の半導体素子３が配置される部位の反対面は、絶縁シート１６及び金属ベース１７が配置され、半導体素子３の発熱は、金属ベース１７を介して放熱される。半導体素子３に設けられた電極４や基板１の電極５、リードフレーム２に設けられた電極６との間は、複数のワイヤ７で接続されている。ワイヤ７の材質としては、標準的には常温で接合できるアルミニウムが作業性に優れているが、銅や銅とアルミとの複合材などもワイヤ７の材料として用いることができるほか、他の金属や金属の組み合わせたものをワイヤ７の材料としても構わない。

基板１、リードフレーム２、半導体素子３及びワイヤ７は、モールド樹脂１５によって封止されている。図２中に、モールド樹脂１５で樹脂封止を行う際の流動方向を矢印Ａで示す。

図３は、実施の形態１に係る樹脂封止型電力用半導体装置の上面図であり、モールド樹脂１５を注入する前の状態を示している。モールド前のワイヤ７は、おおよそ平行に配置されており、モールド樹脂１５の流動方向における上流側に短いワイヤ７が配置され、下流側に長いワイヤ７が配置されている。したがって、隣接する二つのワイヤ７に着目した場合、下流側のワイヤ７の配線長は、上流側のワイヤ７の配線長以上となっている。

モールド樹脂１５でモールドする際に、ワイヤ７はモールド樹脂１５の流れの影響を受けて、図２に示したように、下流側に凸の弧を描くように変形する。それぞれのワイヤ７がモールド樹脂１５によって変形した場合の移動量は、短いワイヤ７ほどが小さくなり、長いワイヤ７ほど大きくなるため、モールド樹脂１５の注入後にはワイヤ７間の距離が広がることになる。

実施の形態１では、このようにワイヤ７を配置することによって、短絡やワイヤ７間の距離の不必要な減少を防止している。これにより、樹脂封止型電力用半導体装置２０の歩留まりを向上させることが可能となる。

図４は、ワイヤの拡大図である。ワイヤ７が半導体素子３の電極４ａ，４ｂと基板１の電極５との間を接続している。図の右側がモールド樹脂１５の注入における上流であり、左が下流である。上流から下流にかけてワイヤ７が順番に短くなるように半導体素子３を配置している。ワイヤ７は、モールド樹脂１５の流れに応じて変形するが、モールド樹脂１５の流れの上流側は短く、下流側は長くなっているため、ワイヤ７間の距離が短くなりすぎることは防止されている。この例とは逆に、長いワイヤ７を上流に配置し、短いワイヤ７を下流に配置した場合、長いワイヤ７の移動距離は短いワイヤ７の移動距離よりも大きくなるため、ワイヤ７間の距離が不必要に小さくなるリスクが生じ、樹脂封止型電力用半導体装置２０を小型化できなくなる。

ワイヤ７の移動距離の大きさについて実験検証を実施した。まずワイヤ７の変形に必要な力についてであるが、水平方向への流れによりワイヤ７が弓なり形状になるまでに必要な力は、φ３００μｍのアルミワイヤの場合、０．４ｍＮ〜１ｍＮと非常に小さかった。ワイヤ７は、力を加え始めると最初は弾性変形するが、さらに力を加え続けると塑性変形が始まる。一旦ワイヤ７の塑性変形が始まると、ワイヤ７が一様な弓なり形状になるまで変形が止まらなかった。このときに形成された弧の形状は、ワイヤ７の全長をほほ同じ半径となる弧を倒した形状になった。

図５は、ワイヤが倒れる過程をワイヤのループを直線的に見る方向から示した図である。図の右側がモールド樹脂１５の注入における上流であり、左が下流である。モールド樹脂１５の流れに応じて粘性抵抗が生じ、流れに平行な方向の力Ｆがワイヤ７にかかる。ワイヤ７の根元が塑性変形を起こし、だんだんワイヤ７が寝ていく。このときモールド樹脂１５による粘性抵抗の方向に対して、ワイヤ７を引き延ばす方向の分力Ｆａと倒す方向の分力Ｆｂが生じる。

ワイヤ７が倒れていくと、ワイヤ７を倒そうとする方向の分力Ｆｂが小さくなり、接続部の根元が弾性範囲になるまで分力Ｆｂが小さくなったところで飽和する。この時、全長が大きいワイヤ７ほど、同じワイヤループ高さであっても、鉛直方向から見て、ワイヤ７が倒れた距離が大きい傾向にあった。これは、ワイヤ７の接続部の根元が塑性変形してワイヤ７が弧を倒した形状になっているが、ワイヤ長さが短いほど、より弾性変形範囲となり、倒れる幅が狭くなり、ワイヤ長さが大きいほど倒れる幅が大きくなるためと考えられる。

すなわち、ワイヤ７の配列を図４のようにモールド樹脂１５の上流側から下流側に向けてワイヤ長が大きくなるように配置することで、ワイヤ７間のクリアランスがより広がる方向となり、最小限のスペースを用意すれば良いため、樹脂封止型電力用半導体装置をより小型化することが可能である。

ワイヤ７の全長は、ワイヤ７の水平方向の長さとワイヤループ高さにより決定される。ワイヤ長さ２０ｍｍ以上では特にワイヤ７の移動が大きいが、ワイヤループ高さはモールド金型の厚さの制約を受けるため、基本的には同じ高さ、具体的には２ｍｍ〜４ｍｍ程度にすることになる。すなわち、ワイヤ７が金型上面に接触すると、ワイヤ７が摩擦によって流されなくなるという現象が発生し、金型上面に接するか否かでワイヤ７の移動量が大きく変化するため制御が困難となる上に、金型に接した場合、電力用半導体装置の上面に配線部材であるアルミワイヤが露出してしまうため、製品としては不良となる。このため、ワイヤ７は金型上面に対してある程度のクリアランスが必要である。

ワイヤ７のループ高さは、機械的な再現性に富み、通常は±０．２ｍｍ程度に収まるほどの精度が実験検証を行った時点で実現可能であった。ところがワイヤのフィード系統に用いられる樹脂パーツ、具体的にはワイヤガイドと呼ばれるツール先端にワイヤを誘導する穴の開いた部材やワイヤを通す樹脂のチューブなどの部材があるが、これらはワイヤを送り出す際の摩耗により擦動抵抗が変化する。すなわちワイヤループ高さは通常は±０．２ｍｍの範囲で変動するが、長期的には±０．５ｍｍ程度の変動が生じるものである。

よって、ワイヤループ高さは、金型上面に対して最低限０．５ｍｍ＋絶縁上必要な樹脂厚さ分の距離を確保する必要がある。エポキシ樹脂の場合、例えば、０．２ｍｍ程度の樹脂厚を確保することで上面に導電性の接触物がない場合絶縁性を確保できたため、好ましくは合計０．７ｍｍ以上のクリアランスを確保しておくことが必要である。すなわち、ワイヤループ高さには制約があり、自在の高さを実現できないため、上記の制約を意識して高さを設定する必要がある。

隣接する長さの異なるワイヤ７の組に関して、モールド樹脂１５の流動に伴うワイヤ７の変形があっても隣のワイヤ７との距離をワイヤループ高さ以上に確保すれば、隣接するワイヤ７同士の接触を回避できる。すなわち、お互いに干渉しない最低限のワイヤ７の流れる距離のクリアランスを開ければ、複数の組を配置しても同様の効果を発揮できる。

実施の形態２．
図６は、本発明に係る電力用半導体装置の実施の形態２のワイヤを示す図である。本実施の形態では、隣接するワイヤ７に関して、一次接続側７ａと二次接続側７ｂの並び方、すなわちワイヤループを引く方向を揃えている。すなわち、一次接続側７ａから二次接続側７ｂへの向きは、複数のワイヤ７で揃えられている。

弧の形状はワイヤループ高さとワイヤ長さとの影響を受けて決まる。ところで、ワイヤループの高さは実際にはワイヤボンド装置のヘッドの軌跡をＮＣ（Numerical Control）制御することで加工している。通常の軌跡としては、一次接続側７ａをボンディングした後、垂直にツールを移動させ、所定の高さになった後にワイヤを繰り出しながら水平に移動し、その後二次接続の高さまでツールを下降させる。ツールを水平に移動する過程でワイヤ７は一次接続している箇所が固定され、そこからワイヤボンドツールに付随しているワイヤガイドとの間を結ぶ線を若干曲線上に延びて引き出される。

まず一次接続が行われた後、ツール及びワイヤガイドは垂直に上昇する。この時ワイヤも垂直に引き出される。その後ツール及びワイヤガイドが水平に移動するにしたがって角度が寝てくる。この時の変形は一次接続している領域からワイヤループが繋がっている領域の間のいわゆるネック部と呼ばれる一次接続によりワイヤ７が変形したツールの形状が転写された領域の端部となる。ツール及びワイヤガイドが移動するにしたがって、この部分が塑性変形する。そして二次接続に向けてツール及びワイヤガイドが降下する際にはワイヤガイドから一次接続の根元までの距離が短くなっていくが、ワイヤガイドから繰り出されたワイヤは後戻りすることがない程度の張力しかかけられていないためワイヤが弛んでくる。そのため二次接続の高さまでツール及びワイヤガイドが下降したときに弧が形成されることとなる。ワイヤが最も繰り出される長さはおよそ一次接続からの上昇高さと水平方向の距離の二乗の和の平方根によって決まる（三平方の定理）。

二次接続後の一次接続と二次接続との間の距離に対して、ワイヤ７が繰り出された長さが大きくなるため、この差により弧の形状が決定される。一次接続側７ａの根元が塑性変形によって変形してきた結果として、いわゆるスプリングバックと呼ばれる弾性変形分の戻り不足が生じるのに対して、二次接続側７ｂではそのような根元形状の形成は二次接続によって初めて生じ、かつその後ワイヤ７の変形はないため、スプリングバックは発生せず、結果として一次接続側７ａの根元と二次接続側７ｂの根元とを比較すると、一次接続側が立った不均等な弧が形成される。すなわち、弧のうち最も高い頂部７ｃは弧の中央よりも一次接続側７ａに若干ずれた位置に形成される。

このように、ワイヤ７のループ形状は、一次接続側７ａと二次接続側７ｂとでは一次接続側７ａの方が角度が立つため、ワイヤループを引く方向を揃えることにより、同じ長さのワイヤ７を並列に配線する場合でも、ループの頂部７ｃの位置を揃えることができ、ワイヤ７間のクリアランスを確保できる。すなわち、図６に示したように、ワイヤループを引く方向を揃えてワイヤ７をボンディングした場合は、並行間隔を維持できるため、隣接するワイヤ７間の距離をより近づけることが可能となる。これにより、樹脂封止型電力用半導体装置を小型化できる。

図７は、一次接続と二次接続を交互に入れ替えて配線した状態を示す図である。一次接続側７ａと二次接続側７ｂとを交互に入れ替えて配線した場合、ループの頂部７ｃの位置が交互に変わってしまい、間隔を詰めて隣接するワイヤ７を配置した場合にワイヤ７同士の距離が近くなる。したがって、ワイヤ７同士の短絡を防ぎ、絶縁距離を確保するためには、ワイヤ７の間隔を広くしておかなければならず、電力用半導体装置の小型化の妨げとなる。

実施の形態３．
実施の形態３においては、隣接するワイヤに関して、ワイヤループ高さをモールド樹脂の流れの下流側となるワイヤほど高く設定した。ワイヤループ高さをワイヤごとに変更することは、ＮＣ制御による一次接続後の上昇高さ設定により容易に実現可能である。下流側のワイヤほど大きく倒れるため、ワイヤが倒れても下流側のワイヤが上流側のワイヤから遠ざかることになる。したがって、隣接するワイヤ間の配置を詰めてもワイヤ間の接触が起こりにくくなるため、樹脂封止型電力用半導体装置を小型化できる。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４に係る電力半導体装置を製造するためのモールド金型の断面図である。金型１０は、上型１１と下型１２との間にキャビティ１３が形成される構造であり、上型１１からキャビティ１３内に可動ピン８を出没させる可動ピン駆動機構１４を備えている。

可動ピン８は、モールド樹脂１５の注入前にはキャビティ１３内に突出するように可動ピン駆動機構１４によって下げられている。

可動ピン８は、隣接するワイヤ７の間に配置する。可動ピン８がキャビティ１３内に下ろされた状態でモールド樹脂１５が注入されるが、可動ピン８の上流側にあるワイヤ７は可動ピン８に接触するため、可動ピン８に当接した箇所ではそれ以上下流側に流れることはない。すなわちワイヤ７は一次接続部と可動ピン８によって規定される弧と、可動ピン８と二次接続部とによって規定される弧とを組み合わせた形状をとる。下流側のワイヤ７は可動ピン８に当接しないため、より下流側に流される。これによってワイヤ７間の距離が狭くなることはないため、より高密度にワイヤ７を配置することができる。図９は、モールド樹脂１５の注入を完了した状態を示す図である。

樹脂が注入完了する前後に可動ピン駆動機構１４によって上昇させられてキャビティ１３から抜き取られる。

樹脂注入が完全に終了し、樹脂が硬化した後にキャビティ１３から抜き取った場合、可動ピン８が存在していた空間にモールド樹脂１５は存在しないが、モールド樹脂１５の硬化が完了する前に可動ピン８をキャビティ１３から抜くことで、極わずかであっても樹脂が流動性を有するため、可動ピン８が存在していた空間に樹脂が充填されることになる。

例えば、モールド樹脂１５の注入が完了した時点で可動ピン８をキャビティから引き抜くと、成形圧力が継続して与えられているため、可動ピン８があった空間には樹脂が充填される。図１０は、可動ピンがあった空間に樹脂が充填された状態を示す図である。

図１１は、モールド樹脂充填前後のワイヤの形状を示す図である。結果として、図１１に示すように、ワイヤ７は可動ピン８と当接していた位置で弧がふたこぶになる形状になり、ワイヤ７間のクリアランスをより接近させることができるようになる。

本実施の形態による電力用半導体は可動ピンの痕がモールド金型上面に接していた面に残る。可動ピンが曲がると、可動ピンを引き抜くときに折れるため、ある程度強度が必要である。具体的には例えば直径２ｍｍの鋼鉄製などで必要な強度を発揮できる。可動ピンの直下に部品がない場合、電力用半導体装置のパワー素子を配置しているリードフレームや絶縁基板の表面にあたらない領域までピンを下降させることができる。しかしながら、例えばリードフレームの下に樹脂絶縁シートを配置し、リードフレームと絶縁シートをモールド樹脂１５で成形する際に同時に接着硬化させるプロセスを用いる形態の電力用半導体装置の場合において、モールド樹脂１５の金型への注入がほぼ完了した時点でピンを引き抜くと、モールド樹脂１５の圧力が急激に下がってしまい、絶縁シートへの加圧力が低下し、絶縁シートの絶縁性が十分発揮できないという課題が生じる。すなわち絶縁シートの絶縁性と接着性を十分発揮させるには、絶縁シートが金型内で加熱され軟化している間にモールド樹脂１５の成形圧力が与えられ、絶縁シートが圧縮される必要がある。

このプロセスによればモールド樹脂１５の表面にそのような工程を経たことの痕跡が残る。可動ピンの可動体積が大きいほど、圧力が失われる関係にあることから、可動ピンの移動高さは大きくしたくないという事情がある。また可動ピンの直径も大きくしたくないという事情がある。すなわち可動ピンの強度を大きくすることは絶縁シートを用いるタイプの樹脂封止型電力用半導体装置においては得策でないといえる。可動ピンの直径としては上記の二つの理由、すなわちピンの強度と容積変化の観点から直径１．５ｍｍ〜３ｍｍの間が適正であった。

可動ピン８をキャビティ１３から引き抜きかなかった場合、可動ピン８に接触していた箇所でワイヤ７が露出してしまうため、結果として電力用半導体装置の表面のピンの痕内に接してワイヤ７が露出することになり、絶縁性の観点で沿面放電距離を大きくする必要が生じるため得策ではない。可動ピン８をワイヤ７に接触しない位置まで引き抜くことで、可動ピン８の痕の領域にワイヤ７が露出しない状態を達成でき、ワイヤ７の露出を防止できる。このように、可動ピンを下ろす工程、モールド樹脂１５を注入する工程、モールド樹脂１５の硬化前に可動ピンを引き抜く工程を備えたことで、モールド樹脂１５注入時に可動ピン８に接してワイヤ７を支持することができ、ワイヤ間の距離を確保できるため電力用半導体装置を小型化できた。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置に適用されるワイヤ７は、絶縁被覆９を備える。図１２は、ワイヤの断面図である。またワイヤボンド装置には絶縁被覆９を剥がす機構を備える。絶縁被覆９を剥がせるようにするために、モールド樹脂１５の成形温度よりも融点及び沸点が高く、かつレーザ光の吸収率が高い絶縁性の材料で絶縁被覆９を構成する。ワイヤボンダのツールのワイヤ接続部に対してレーザ光を照射しアブレーション加工により被覆樹脂を除去する。このような絶縁被覆９を有するワイヤ７と絶縁被覆除去機構つきのワイヤボンダにより、絶縁被覆９を有するワイヤ７を用いての配線が可能となる。これによってワイヤ７同士が接触しても、ワイヤループの途中には絶縁被覆９が残っているのでワイヤ７同士の短絡は起こりえない。したがって、隣接するワイヤ間の配置を詰めてもワイヤ７間の接触が起こりにくくなるため、樹脂封止型電力用半導体装置を小型化できる。

以上のように、本発明に係る樹脂封止型電力用半導体装置は、隣接するワイヤ同士の間隔を確保しつつ、小型化できる点で有用である。

１ 基板、２ リードフレーム、３ 半導体素子、４，５，６ 電極、７ ワイヤ、７ａ 一次接続側、７ｂ 二次接続側、７ｃ 頂部、８ 可動ピン、９ 絶縁被覆、１０ 金型、１１ 上型、１２ 下型、１３ キャビティ、１４ 可動ピン駆動機構、１５ モールド樹脂、１６ 絶縁シート、１７ 金属ベース、２０ 樹脂封止型電力用半導体装置。

Claims (5)

1. 半導体素子と、該半導体素子への通電用のリードフレームと、前記半導体素子と前記リードフレームとを接続する複数のワイヤとを有し、前記半導体素子、前記リードフレーム及び前記複数のワイヤがモールド樹脂によって封止され、前記複数のワイヤは、前記モールド樹脂の流動方向と交差する方向に延在するように並列に配列されている樹脂封止型電力用半導体装置であって、
   前記流動方向の下流側のワイヤの配線長は、前記流動方向の上流側のワイヤの配線長よりも長いことを特徴とする樹脂封止型電力用半導体装置。
2. 前記複数のワイヤは、ワイヤループの頂部の位置が揃えられていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型電力用半導体装置。
3. 前記複数のワイヤは、絶縁被覆を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂封止型電力用半導体装置。
4. 前記流動方向の下流側のワイヤほどワイヤループ高さが高いことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の樹脂封止型電力用半導体装置。
5. 可動ピンを備えた上型と、該上型と係合した際に該上型との間にキャビティが形成される下型とを用いて、並列に配置された複数のワイヤで基板と接続された半導体素子をモールド樹脂で封止した樹脂封止型電力用半導体装置を製造する方法であって、
   前記可動ピンの先端が前記複数のワイヤの間に位置するように、前記半導体素子を配置済みの前記キャビティ内に、前記上型から前記可動ピンを突出させる工程と、
   前記モールド樹脂が、前記複数のワイヤの並列方向に沿って流動するように前記キャビティ内に前記モールド樹脂を注入し、前記可動ピンに、前記モールド樹脂の流動方向の下流側のワイヤを支持させる工程と、
   前記モールド樹脂の硬化が完了する前に、前記可動ピンを前記上型に収容して前記キャビティから抜き取る工程とを有することを特徴とする樹脂封止型電力用半導体装置の製造方法。

Images