電力用半導体装置
【課題】小型でかつ高い信頼性を有する電力用半導体装置を提供する。
【解決手段】モールド樹脂６から複数のリード１が突出した電力用半導体装置１００が、第１ダイパッド部１ｂを含む第１リード１ａと、第１ダイパッド部の表面に載置されたパワーチップ２と、第２ダイパッド部を含む第２リード１ｃと、第２ダイパッド部上に載置された制御チップ３と、パワーチップと制御チップとを接続する金を主成分とするワイヤ４と、第１リードと第２リードの端部がそれぞれ突出するように制御チップとパワーチップとを埋め込むモールド樹脂とを含み、ワイヤは、その第１端部が制御チップにボールボンディングされ、その第２端部がパワーチップにステッチボンディングされる。
【解決手段】モールド樹脂６から複数のリード１が突出した電力用半導体装置１００が、第１ダイパッド部１ｂを含む第１リード１ａと、第１ダイパッド部の表面に載置されたパワーチップ２と、第２ダイパッド部を含む第２リード１ｃと、第２ダイパッド部上に載置された制御チップ３と、パワーチップと制御チップとを接続する金を主成分とするワイヤ４と、第１リードと第２リードの端部がそれぞれ突出するように制御チップとパワーチップとを埋め込むモールド樹脂とを含み、ワイヤは、その第１端部が制御チップにボールボンディングされ、その第２端部がパワーチップにステッチボンディングされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、小型でかつ信頼性の高い電力用半導体装置の提供を目的とする。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置は、パワーチップと、パワーチップを制御するための制御チップ（ロジックチップ）とをフレーム上にダイボンドし、チップ同士をワイヤで接続し、更にチップ等を樹脂でモールドして形成される。制御チップとパワーチップとの間は、制御チップとフレーム上の中継パッドとが金のワイヤで接続され、更に、中継パッドとパワーチップとがアルミニウムのワイヤで接続されている（例えば、特許文献１）。
これに対して、電力用半導体装置の小型化には、かかる中継パッドをなくして制御チップとパワーチップとを直接、ワイヤで接続するのが好ましい。
【特許文献１】特開２０００−１３８３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
制御チップとパワーチップとを、金のワイヤで直接接続した場合、パワーチップの表面電極を形成するアルミニウムとワイヤを形成する金が接続される。パワーチップは、発熱により温度が上昇するため、アルミニウムと金が合金化し、接合部の強度の劣化や断線が発生するという問題があった。一方、制御チップとパワーチップとをアルミニウムのワイヤで直接接続した場合には、ワイヤの強度に問題があった。また、ワイヤの強度を上げるためにワイヤを太くした場合、制御チップのワイヤボンディングパッドを大きくせざるを得ず、チップの大型化やコストアップの原因となるという問題もあった。
【０００４】
そこで、本発明は、制御チップとパワーチップが直接接続された小型で信頼性の高い電力用半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、モールド樹脂から複数のリードが突出した電力用半導体装置であって、第１ダイパッド部を含む第１リードと、第１ダイパッド部の表面に載置されたパワーチップと、第１ダイパッド部の裏面に取り付けられた、モールド樹脂より熱伝導率の大きな絶縁シートと、第２ダイパッド部を含む第２リードと、第２ダイパッド部上に載置された制御チップと、パワーチップと制御チップとを接続する金を主成分とするワイヤと、第１リードと第２リードの端部がそれぞれ突出するように制御チップとパワーチップとを埋め込むモールド樹脂とを含む電力用半導体装置である。
【発明の効果】
【０００６】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる電力用半導体装置では、小型でかつ信頼性の高い電力用半導体装置の提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の斜視図であり、図２は、図１のＩ−Ｉ方向の断面図である。
図２に示すように、電力用半導体装置１００は、複数のリード１を含む。一のリード１は、ボンディングパッド部１ａと、ボンディングパッド部１ａより低い位置にあるダイパッド部１ｂを含む。ボンディングパッド部１ａとダイパッド部１ｂは、リード１を曲げることにより形成される。他方のリード１は、ボンディングパッド部１ａと略同一高さのボンディングパッド部１ｃを含む。リードは、例えば銅などの導電性の良い金属からなる。
【０００８】
ダイパッド部１ｂの上には、ＩＧＢＴ（Insulate Gate Bipolar Transistor）２１、ＦＷＤｉ（Free Wheeling Diode）２２の２つのパワーチップ２がはんだで固着されている。パワーチップ２の表面電極とリード１のボンディングパッド部１ａ、パワーチップ２の表面電極同士は、アルミニウムのワイヤ５により接続されている。
【０００９】
一方、パワーチップ２を制御するための制御チップ３は、フレーム１のボンディングパッド部１ｃにはんだで固着されている。制御チップ３の表面電極と、パワーチップ２の表面電極とは、金のワイヤ４により接続されている。パワーチップ２上には金からなるバンプ９が形成され、ワイヤ４はバンプ９に接続されている。
【００１０】
図３は、パワー半導体装置１００に用いるリードフレームであり、図３（ａ）はその上面図、図３（ｂ）はリードを組み込んだパワー半導体装置の概略図である。
リードフレームには、予め所定の回路が形成されており、その上に、ＩＧＢＴ２１、ＦＷＤｉ２２、制御チップ３が固着される。リード１とＩＧＢＴ２１との間は金のワイヤ４により接続される。また、リード１とＦＷＤｉ２２との間、ＩＧＢＴ２１とＦＷＤｉ２２との間は、アルミニウムのワイヤ５で接続される。
【００１１】
パワーチップ２の表面は、パワーチップ２の発熱により高温になる。このため、ワイヤ４の材料である金と、パワーチップ２の表面電極を形成するアルミニウムとの間で、金−アルミニウム合金が形成される。金−アルミニウム合金の形成が進むと、機械的強度や電気的特性が劣化し、電力用半導体装置１００の特性不良の原因となる。
【００１２】
そこで、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００では、モールド樹脂６よりも、熱伝導率の大きな絶縁樹脂シート７を、ダイパッド部１ｂの下に配置し、パワーチップ２からの放熱特性を向上させている。このため、パワーチップ２と制御チップ３とを金のワイヤ４で直接接続しても、パワーチップ２の昇温が小さいため、金−アルミニウム合金層の形成が抑制される。
【００１３】
具体的には、ダイパッド部１ｂの裏面に、モールド樹脂６より熱伝導率の大きい絶縁樹脂シート７が、直接固着される。絶縁樹脂シート７の大きさはダイパッド部１ｂよりも大きく、樹脂シート７の他方の面には銅箔８が固着される。更に、銅箔８の裏面が外部に露出するように、パワーチップ２等がモールド樹脂６で封止されている。
【００１４】
ここで、絶縁樹脂シート７には、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ等のセラミック、ＳｉＯ２、絶縁材料でコーティングした金属から選択される少なくとも１種類以上の材料の微粒子を含む樹脂を用いても良い。
【００１５】
上述のように、熱伝導性の高い絶縁樹脂シート７を設けることにより、パワーチップ２に対する冷却性能が向上し、パワーチップ２と制御チップ３とを、中継パッドを介することなく直接金のワイヤ４で接続できる。この結果、電力用半導体装置１００の小型化が可能となる。
【００１６】
また、モールド樹脂６中のフィラーの材質、量、形状に対する制約が大きく緩和され、粘度の小さなモールド樹脂の選択が可能となり、モールド樹脂注入時に懸念される金のワイヤの変形等を防止できる。この結果、ワイヤの変形等による不具合を防止できるとともに、金のワイヤ４を細くして、低コスト化を図ることができる。
【００１７】
更に、銅箔８は、絶縁樹脂シート７を保護しており、パワー半導体装置１００の信頼性、取扱いの容易性を向上させている。
【００１８】
ここで、モールド樹脂６と絶縁樹脂シート７と接触する部分では、両者の混合層１０が形成されている。例えば、絶縁樹脂シート７、モールド樹脂６ともに、エポキシ樹脂を用い、モールド時に同時に硬化させれば、容易に混合層１０が形成できる。混合層１０の形成により、モールド樹脂６と絶縁樹脂シート７との間の明確な界面が消滅し、沿面絶縁耐力が向上する。つまり、沿面絶縁距離を小さくでき、パワー半導体装置１００の小型化が可能となる。
【００１９】
なお、ワイヤ４には、金の他に、金にパラジウムを添加した合金を用いても良い。かかる合金のワイヤ４を用いることにより、表面電極との間で金−アルミニウムの合金が成長するのを抑制できる。つまり、ワイヤ４にパラジウムを添加した金を用いることにより、金−アルミニウム合金の成長を更に抑制し、信頼性を一層向上させることができる。
【００２０】
次に、電力用半導体装置１００におけるチップ周囲での絶縁について説明する。電力用半導体装置１００では、ＩＧＢＴ２１等のパワーチップ２などに数百Ｖ以上の高電圧が印加される。図４（ａ）は、ＩＧＢＴ２１の上面図であり、図４（ｂ）は（ａ）をIV−IV方向に見た断面図である。
図４（ａ）に示すように、ＩＧＢＴ２１は、ＩＧＢＴ２１自身の耐圧を確保するために、高電圧領域３４がガードリング部３３で囲まれた構造となっている。高電圧領域３４に接続される金のワイヤ４においても、周囲との耐圧の確保が重要な課題となる。即ち、ワイヤ４とチップ端部３５との間で高い絶縁耐圧を得るには、空間距離ｄ４１（ＩＧＢＴ２１の周辺端部３５における、ＩＧＢＴ２１とワイヤ４との垂直方向の距離：図４（ｂ）参照）を所定の絶縁距離以上に保つことが必要となる。ここで、所定の絶縁距離としては、例えば、モールド樹脂を充填した後においては数百μｍ程度の距離となる。この点が、特に耐圧を必要としない一般のＩＣ等と異なり、電力用半導体装置固有の課題であると言える。因みに、一般のＩＣでは、絶縁距離は１０μｍ程度である。
【００２１】
次に、ワイヤ４とＩＧＢＴ２１との接続部の構造について、図５を参照しながら説明する。図５は、ワイヤ４のボンディング工程の概略図であり、図５では、説明を容易にするために、制御チップ３とパワーチップ２（ＩＧＢＴ２１）の表面が、略同じ高さにあるものとする。
【００２２】
ボンディング工程では、まず、図５（ａ）に示すように、制御チップ３の電極上に、金のワイヤ４が、ツール３０によりボールボンディングされる（以下、「１ｓｔボンディング」という。）。
【００２３】
次に、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、ワイヤ４に所定のループを形成する。
【００２４】
次に、図５（ｄ）（ｅ）に示すように、ＩＧＢＴ２１の表面電極上に、ステッチボンディングを行なう（以下、「２ｎｄボンディング」という。）。
【００２５】
このような工程で作製したワイヤ４では、図５（ｅ）に示すように、ＩＧＢＴ２１の端部において、ワイヤ４とＩＧＢＴ２１との空間距離ｄ４１が小さくなる。このため、空間距離ｄ４１を所定の絶縁距離にするためには、ＩＧＢＴ２１とワイヤ４との接続部をＩＧＢＴ２１の中央方向（図５では右方向）に移動せざるを得ず、ＩＧＢＴ２１上でワイヤ４が延在する距離（助走距離）ｄｘが大きくなる。
【００２６】
即ち、制御チップ３とＩＧＢＴ２１とを、中継パッドを介さずに、ワイヤ４で直接接した場合、空間距離ｄ４１を所定の絶縁距離にするにはワイヤ４が長くなり、樹脂モールド時にワイヤ４が変形し、不具合が発生するという問題があった。
【００２７】
また、金のワイヤ４の使用量が増えるため、製造コストの増加原因ともなっていた。
【００２８】
更に、ＩＧＢＴ２１の設計の自由度を制限し、結果としてチップサイズの増大を招き、製品の小型化や低コスト化を阻害するという問題もあった。
【００２９】
そこで、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００では、図２に示すように、制御チップ３がＩＧＢＴ２１より上方に配置されるため、このような問題の発生が防止できる。
即ち、図６（ａ）に示すように、ＩＧＢＴ２１上での２ｎｄボンディングにおいて、ワイヤ４の立ち上がり角度が大きくなる。この結果、空間距離ｄ４１を所定の絶縁距離にするための、助走距離ｄｘを短くできる。
【００３０】
これにより、ワイヤ４が長くなることに起因する不具合、高コスト化を防止できるとともに、電力用半導体装置１００の小型化も可能となる。
【００３１】
ここで、パワーチップ３からの放熱効率を上げるためには、パワーチップ３を電力用半導体装置１００の下方に配置することが好ましい。これは、電力用半導体装置１００の裏面に取り付けられる放熱フィン（図示せず）にパワーチップを近づけることにより、放熱性を良好にするためである。よって、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００では、上方に制御チップ３、下方にパワーチップ２を配置するとともに、制御チップ３側で１ｓｔボンディングを行ない、続いてパワーチップ２側で２ｎｄボンディングを行ない、両者の接続を行なっている。
【００３２】
また、図６（ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ２１上に、予め金のバンプ１１を形成し、その上に２ｎｄボンディングを行うことにより、更に、所定の絶縁距離の確保が容易となる。即ち、バンプ１１は、空間距離ｄ４１を所定の絶縁距離にするためのスペーサとして機能する。また、このバンプ１１は、ＩＧＢＴ２１へのボンディングツール（図示せず）の衝突等による損傷を防止できるという効果もある。
【００３３】
更に、２ｎｄボンディングが、ＩＧＢＴ２１の表面電極に直接ボンディングされる場合の、金とアルミニウムとの接合より、プロセスマージンの広い金と金との接合となるため、製造容易性が増すという効果もある。
【００３４】
次に、図７を参照しながら、図６（ａ）に示すバンプ１１の形成方法について説明する。バンプ１１の形成工程では、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、通常のボンディング方法を用いてＩＧＢＴ２１上にツール３０でボールボンディングを行なう。次に、図７（ｄ）に示すように、図５（ｃ）のようなループを形成することなくステッチボンディングを行なう。ステッチボンディングは、ボールボンディング部の上からＩＧＢＴ２１の内部に向って行なうのが好ましい。
かかるボンディング工程により、図７（ｄ）に示すように、バンプ１１の断面（紙面に平行な方向の断面）を略デルタ形状にすることができる。
【００３５】
なお、バンプ１１の形状は、高さの最も高い部分が、ＩＧＢＴ２１の周辺部に寄った形状とすることが好ましい。即ち、図７（ｄ）のバンプ形状の場合、図の左側がＩＧＢＴ２１の周辺部、右側がＩＧＢＴ２１の中央部となる。
【００３６】
図８は、図７（ｄ）に示す略デルタ形状のバンプ１１上に、ワイヤ４を接合した場合を示す。図８から明らかなように、バンプ１１を用いることにより、空間距離ｄ４１を、容易に所定の絶縁距離とすることができる。
【００３７】
また、図８に示すように、バンプ１１とワイヤ４とが接する２ｎｄボンディング位置は、バンプ１１の中心よりもＩＧＢＴ２１の中央側であることが好ましい。このようにすることにより、バンプ１１がワイヤ４を支え、バンプ１１の斜面に沿ってワイヤ４が延在する。このため、ＩＧＢＴ２１とワイヤ１１のなす角度を大きくでき、空間距離ｄ４１を、容易に所定の絶縁距離以上にすることができる。また、助走距離ｄｘを小さくでき、電力用半導体装置１００の小型化、低コスト化が可能となる。
【００３８】
また、かかる構造を用いることにより、空間距離ｄ４１を確実に所定の絶縁距離以上にできる。このため、絶縁距離を確保するための設計マージンを、バンプ１１を用いない構造よりも小さく設定できる。
【００３９】
なお、本実施の形態では、絶縁樹脂シート７を用いた電力用半導体装置１００について説明したが、熱伝導率がモールド樹脂６よりも大きな他の絶縁材料を、絶縁樹脂シート７に代えて用いても構わない。この場合には、ダイパッド部１ｂとかかる絶縁材料との間を、熱伝導性の接着材料で固定しても構わない。
【００４０】
また、本実施の形態では、パワーチップ２としてＩＧＢＴ２１を用いる場合について説明したが、制御チップ３で制御されるパワーチップ２であれば、例えばＭＯＳＦＥＴ等の他のチップであっても良い。
【００４１】
また、本実施の形態では、パワーチップ２や制御チップ３をはんだで固着する場合について説明したが、機能的に問題が無ければ、例えば導電性接着剤等の他の固着材料を用いても良い。
【００４２】
実施の形態２．
図９は、全体が２００で表される、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の断面図である。図９は、図１のＩ−Ｉと同じ方向に見た場合の断面図であり、図９中、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００４３】
電力用半導体装置２００では、リード１のダイパッド部１ｂの裏面に、絶縁樹脂シート７に代えて、セラミック板５０を用いる。セラミック板５０以外の構造は、上述の電力用半導体装置１００とほぼ同じである。セラミック板５０の材料には、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等が用いられる。
【００４４】
セラミック板５０とダイパッド部１ｂとの間には、放熱性をより向上させるために、高熱伝導性、絶縁性を有する接着剤を用いることが好ましい。接着剤としては、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等からなるベース樹脂に、Ａｌ２Ｏ３、ＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２等から選択される微粒子を加えた接着材が用いられる。特に、セラミック板５０とダイパッド部１ｂとの膨張係数のミスマッチを緩和するためには弾性率が小さい方が好ましいため、シリコーン樹脂がベース基材であることが好ましい。
【００４５】
図１０に、ＩＧＢＴ２１上の金のバンプ９の形成工程を示す。形成工程では、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、ツール５０を用いて金のワイヤ４をＩＧＢＴ２１の表面にボールボンディングした後、図１０（ｃ）に示すように、ワイヤ４を上方に引き上げて、引き千切るように切断する。
このように、金のワイヤ４を用いてバンプ９を形成することにより、金の使用量を最小限に抑え、製造コストの低コスト化が可能となる。
【００４６】
実施の形態３．
図１１は、全体が３００で表される、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の断面図である。図１１は、図１のＩ−Ｉと同じ方向に見た場合の断面図であり、図１１中、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００４７】
電力用半導体装置３００では、リード１のダイパッド部１ｂの裏面に、絶縁樹脂シート７に代えて、絶縁板５１が取りつけられる。絶縁板５１は、樹脂モールド６から露出し、その裏面にアルミニウム等からなる外部ヒートシンク６０が取りつけられている。他の構造は、上述の電力用半導体装置１００とほぼ同じである。
【００４８】
このように、絶縁板５１を、樹脂モールド６の外部に形成することにより、例えば、絶縁板５１とダイパッド部１ｂとの間の絶縁が不充分な場合には、電力用半導体装置３００全体を廃棄する必要はなく、絶縁材５１の交換等で解決できる場合もある。
この結果、電力用半導体装置３００の製造コストを低減することが可能となる
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の用いるリードフレームである。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置のＩＧＢＴである。
【図５】従来のワイヤボンディング工程である。
【図６】本発明の実施の形態１で用いるワイヤボンディング工程である。
【図７】本発明の実施の形態１で用いるバンプ形成工程である。
【図８】本発明の実施の形態１で用いるワイヤボンディング工程である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２で用いるバンプ形成工程である。
【図１１】本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ リード、２ パワーチップ、３ 制御チップ、４、５ ワイヤ、６ モールド樹脂、７ 絶縁樹脂シート、８ 銅箔、９、１１ バンプ、１０ 反応層、２１ ＩＧＢＴ、２２ ＦＷＤｉ、１００ 電力用半導体装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、小型でかつ信頼性の高い電力用半導体装置の提供を目的とする。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置は、パワーチップと、パワーチップを制御するための制御チップ（ロジックチップ）とをフレーム上にダイボンドし、チップ同士をワイヤで接続し、更にチップ等を樹脂でモールドして形成される。制御チップとパワーチップとの間は、制御チップとフレーム上の中継パッドとが金のワイヤで接続され、更に、中継パッドとパワーチップとがアルミニウムのワイヤで接続されている（例えば、特許文献１）。
これに対して、電力用半導体装置の小型化には、かかる中継パッドをなくして制御チップとパワーチップとを直接、ワイヤで接続するのが好ましい。
【特許文献１】特開２０００−１３８３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
制御チップとパワーチップとを、金のワイヤで直接接続した場合、パワーチップの表面電極を形成するアルミニウムとワイヤを形成する金が接続される。パワーチップは、発熱により温度が上昇するため、アルミニウムと金が合金化し、接合部の強度の劣化や断線が発生するという問題があった。一方、制御チップとパワーチップとをアルミニウムのワイヤで直接接続した場合には、ワイヤの強度に問題があった。また、ワイヤの強度を上げるためにワイヤを太くした場合、制御チップのワイヤボンディングパッドを大きくせざるを得ず、チップの大型化やコストアップの原因となるという問題もあった。
【０００４】
そこで、本発明は、制御チップとパワーチップが直接接続された小型で信頼性の高い電力用半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、モールド樹脂から複数のリードが突出した電力用半導体装置であって、第１ダイパッド部を含む第１リードと、第１ダイパッド部の表面に載置されたパワーチップと、第１ダイパッド部の裏面に取り付けられた、モールド樹脂より熱伝導率の大きな絶縁シートと、第２ダイパッド部を含む第２リードと、第２ダイパッド部上に載置された制御チップと、パワーチップと制御チップとを接続する金を主成分とするワイヤと、第１リードと第２リードの端部がそれぞれ突出するように制御チップとパワーチップとを埋め込むモールド樹脂とを含む電力用半導体装置である。
【発明の効果】
【０００６】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる電力用半導体装置では、小型でかつ信頼性の高い電力用半導体装置の提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の斜視図であり、図２は、図１のＩ−Ｉ方向の断面図である。
図２に示すように、電力用半導体装置１００は、複数のリード１を含む。一のリード１は、ボンディングパッド部１ａと、ボンディングパッド部１ａより低い位置にあるダイパッド部１ｂを含む。ボンディングパッド部１ａとダイパッド部１ｂは、リード１を曲げることにより形成される。他方のリード１は、ボンディングパッド部１ａと略同一高さのボンディングパッド部１ｃを含む。リードは、例えば銅などの導電性の良い金属からなる。
【０００８】
ダイパッド部１ｂの上には、ＩＧＢＴ（Insulate Gate Bipolar Transistor）２１、ＦＷＤｉ（Free Wheeling Diode）２２の２つのパワーチップ２がはんだで固着されている。パワーチップ２の表面電極とリード１のボンディングパッド部１ａ、パワーチップ２の表面電極同士は、アルミニウムのワイヤ５により接続されている。
【０００９】
一方、パワーチップ２を制御するための制御チップ３は、フレーム１のボンディングパッド部１ｃにはんだで固着されている。制御チップ３の表面電極と、パワーチップ２の表面電極とは、金のワイヤ４により接続されている。パワーチップ２上には金からなるバンプ９が形成され、ワイヤ４はバンプ９に接続されている。
【００１０】
図３は、パワー半導体装置１００に用いるリードフレームであり、図３（ａ）はその上面図、図３（ｂ）はリードを組み込んだパワー半導体装置の概略図である。
リードフレームには、予め所定の回路が形成されており、その上に、ＩＧＢＴ２１、ＦＷＤｉ２２、制御チップ３が固着される。リード１とＩＧＢＴ２１との間は金のワイヤ４により接続される。また、リード１とＦＷＤｉ２２との間、ＩＧＢＴ２１とＦＷＤｉ２２との間は、アルミニウムのワイヤ５で接続される。
【００１１】
パワーチップ２の表面は、パワーチップ２の発熱により高温になる。このため、ワイヤ４の材料である金と、パワーチップ２の表面電極を形成するアルミニウムとの間で、金−アルミニウム合金が形成される。金−アルミニウム合金の形成が進むと、機械的強度や電気的特性が劣化し、電力用半導体装置１００の特性不良の原因となる。
【００１２】
そこで、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００では、モールド樹脂６よりも、熱伝導率の大きな絶縁樹脂シート７を、ダイパッド部１ｂの下に配置し、パワーチップ２からの放熱特性を向上させている。このため、パワーチップ２と制御チップ３とを金のワイヤ４で直接接続しても、パワーチップ２の昇温が小さいため、金−アルミニウム合金層の形成が抑制される。
【００１３】
具体的には、ダイパッド部１ｂの裏面に、モールド樹脂６より熱伝導率の大きい絶縁樹脂シート７が、直接固着される。絶縁樹脂シート７の大きさはダイパッド部１ｂよりも大きく、樹脂シート７の他方の面には銅箔８が固着される。更に、銅箔８の裏面が外部に露出するように、パワーチップ２等がモールド樹脂６で封止されている。
【００１４】
ここで、絶縁樹脂シート７には、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ等のセラミック、ＳｉＯ２、絶縁材料でコーティングした金属から選択される少なくとも１種類以上の材料の微粒子を含む樹脂を用いても良い。
【００１５】
上述のように、熱伝導性の高い絶縁樹脂シート７を設けることにより、パワーチップ２に対する冷却性能が向上し、パワーチップ２と制御チップ３とを、中継パッドを介することなく直接金のワイヤ４で接続できる。この結果、電力用半導体装置１００の小型化が可能となる。
【００１６】
また、モールド樹脂６中のフィラーの材質、量、形状に対する制約が大きく緩和され、粘度の小さなモールド樹脂の選択が可能となり、モールド樹脂注入時に懸念される金のワイヤの変形等を防止できる。この結果、ワイヤの変形等による不具合を防止できるとともに、金のワイヤ４を細くして、低コスト化を図ることができる。
【００１７】
更に、銅箔８は、絶縁樹脂シート７を保護しており、パワー半導体装置１００の信頼性、取扱いの容易性を向上させている。
【００１８】
ここで、モールド樹脂６と絶縁樹脂シート７と接触する部分では、両者の混合層１０が形成されている。例えば、絶縁樹脂シート７、モールド樹脂６ともに、エポキシ樹脂を用い、モールド時に同時に硬化させれば、容易に混合層１０が形成できる。混合層１０の形成により、モールド樹脂６と絶縁樹脂シート７との間の明確な界面が消滅し、沿面絶縁耐力が向上する。つまり、沿面絶縁距離を小さくでき、パワー半導体装置１００の小型化が可能となる。
【００１９】
なお、ワイヤ４には、金の他に、金にパラジウムを添加した合金を用いても良い。かかる合金のワイヤ４を用いることにより、表面電極との間で金−アルミニウムの合金が成長するのを抑制できる。つまり、ワイヤ４にパラジウムを添加した金を用いることにより、金−アルミニウム合金の成長を更に抑制し、信頼性を一層向上させることができる。
【００２０】
次に、電力用半導体装置１００におけるチップ周囲での絶縁について説明する。電力用半導体装置１００では、ＩＧＢＴ２１等のパワーチップ２などに数百Ｖ以上の高電圧が印加される。図４（ａ）は、ＩＧＢＴ２１の上面図であり、図４（ｂ）は（ａ）をIV−IV方向に見た断面図である。
図４（ａ）に示すように、ＩＧＢＴ２１は、ＩＧＢＴ２１自身の耐圧を確保するために、高電圧領域３４がガードリング部３３で囲まれた構造となっている。高電圧領域３４に接続される金のワイヤ４においても、周囲との耐圧の確保が重要な課題となる。即ち、ワイヤ４とチップ端部３５との間で高い絶縁耐圧を得るには、空間距離ｄ４１（ＩＧＢＴ２１の周辺端部３５における、ＩＧＢＴ２１とワイヤ４との垂直方向の距離：図４（ｂ）参照）を所定の絶縁距離以上に保つことが必要となる。ここで、所定の絶縁距離としては、例えば、モールド樹脂を充填した後においては数百μｍ程度の距離となる。この点が、特に耐圧を必要としない一般のＩＣ等と異なり、電力用半導体装置固有の課題であると言える。因みに、一般のＩＣでは、絶縁距離は１０μｍ程度である。
【００２１】
次に、ワイヤ４とＩＧＢＴ２１との接続部の構造について、図５を参照しながら説明する。図５は、ワイヤ４のボンディング工程の概略図であり、図５では、説明を容易にするために、制御チップ３とパワーチップ２（ＩＧＢＴ２１）の表面が、略同じ高さにあるものとする。
【００２２】
ボンディング工程では、まず、図５（ａ）に示すように、制御チップ３の電極上に、金のワイヤ４が、ツール３０によりボールボンディングされる（以下、「１ｓｔボンディング」という。）。
【００２３】
次に、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、ワイヤ４に所定のループを形成する。
【００２４】
次に、図５（ｄ）（ｅ）に示すように、ＩＧＢＴ２１の表面電極上に、ステッチボンディングを行なう（以下、「２ｎｄボンディング」という。）。
【００２５】
このような工程で作製したワイヤ４では、図５（ｅ）に示すように、ＩＧＢＴ２１の端部において、ワイヤ４とＩＧＢＴ２１との空間距離ｄ４１が小さくなる。このため、空間距離ｄ４１を所定の絶縁距離にするためには、ＩＧＢＴ２１とワイヤ４との接続部をＩＧＢＴ２１の中央方向（図５では右方向）に移動せざるを得ず、ＩＧＢＴ２１上でワイヤ４が延在する距離（助走距離）ｄｘが大きくなる。
【００２６】
即ち、制御チップ３とＩＧＢＴ２１とを、中継パッドを介さずに、ワイヤ４で直接接した場合、空間距離ｄ４１を所定の絶縁距離にするにはワイヤ４が長くなり、樹脂モールド時にワイヤ４が変形し、不具合が発生するという問題があった。
【００２７】
また、金のワイヤ４の使用量が増えるため、製造コストの増加原因ともなっていた。
【００２８】
更に、ＩＧＢＴ２１の設計の自由度を制限し、結果としてチップサイズの増大を招き、製品の小型化や低コスト化を阻害するという問題もあった。
【００２９】
そこで、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００では、図２に示すように、制御チップ３がＩＧＢＴ２１より上方に配置されるため、このような問題の発生が防止できる。
即ち、図６（ａ）に示すように、ＩＧＢＴ２１上での２ｎｄボンディングにおいて、ワイヤ４の立ち上がり角度が大きくなる。この結果、空間距離ｄ４１を所定の絶縁距離にするための、助走距離ｄｘを短くできる。
【００３０】
これにより、ワイヤ４が長くなることに起因する不具合、高コスト化を防止できるとともに、電力用半導体装置１００の小型化も可能となる。
【００３１】
ここで、パワーチップ３からの放熱効率を上げるためには、パワーチップ３を電力用半導体装置１００の下方に配置することが好ましい。これは、電力用半導体装置１００の裏面に取り付けられる放熱フィン（図示せず）にパワーチップを近づけることにより、放熱性を良好にするためである。よって、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００では、上方に制御チップ３、下方にパワーチップ２を配置するとともに、制御チップ３側で１ｓｔボンディングを行ない、続いてパワーチップ２側で２ｎｄボンディングを行ない、両者の接続を行なっている。
【００３２】
また、図６（ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ２１上に、予め金のバンプ１１を形成し、その上に２ｎｄボンディングを行うことにより、更に、所定の絶縁距離の確保が容易となる。即ち、バンプ１１は、空間距離ｄ４１を所定の絶縁距離にするためのスペーサとして機能する。また、このバンプ１１は、ＩＧＢＴ２１へのボンディングツール（図示せず）の衝突等による損傷を防止できるという効果もある。
【００３３】
更に、２ｎｄボンディングが、ＩＧＢＴ２１の表面電極に直接ボンディングされる場合の、金とアルミニウムとの接合より、プロセスマージンの広い金と金との接合となるため、製造容易性が増すという効果もある。
【００３４】
次に、図７を参照しながら、図６（ａ）に示すバンプ１１の形成方法について説明する。バンプ１１の形成工程では、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、通常のボンディング方法を用いてＩＧＢＴ２１上にツール３０でボールボンディングを行なう。次に、図７（ｄ）に示すように、図５（ｃ）のようなループを形成することなくステッチボンディングを行なう。ステッチボンディングは、ボールボンディング部の上からＩＧＢＴ２１の内部に向って行なうのが好ましい。
かかるボンディング工程により、図７（ｄ）に示すように、バンプ１１の断面（紙面に平行な方向の断面）を略デルタ形状にすることができる。
【００３５】
なお、バンプ１１の形状は、高さの最も高い部分が、ＩＧＢＴ２１の周辺部に寄った形状とすることが好ましい。即ち、図７（ｄ）のバンプ形状の場合、図の左側がＩＧＢＴ２１の周辺部、右側がＩＧＢＴ２１の中央部となる。
【００３６】
図８は、図７（ｄ）に示す略デルタ形状のバンプ１１上に、ワイヤ４を接合した場合を示す。図８から明らかなように、バンプ１１を用いることにより、空間距離ｄ４１を、容易に所定の絶縁距離とすることができる。
【００３７】
また、図８に示すように、バンプ１１とワイヤ４とが接する２ｎｄボンディング位置は、バンプ１１の中心よりもＩＧＢＴ２１の中央側であることが好ましい。このようにすることにより、バンプ１１がワイヤ４を支え、バンプ１１の斜面に沿ってワイヤ４が延在する。このため、ＩＧＢＴ２１とワイヤ１１のなす角度を大きくでき、空間距離ｄ４１を、容易に所定の絶縁距離以上にすることができる。また、助走距離ｄｘを小さくでき、電力用半導体装置１００の小型化、低コスト化が可能となる。
【００３８】
また、かかる構造を用いることにより、空間距離ｄ４１を確実に所定の絶縁距離以上にできる。このため、絶縁距離を確保するための設計マージンを、バンプ１１を用いない構造よりも小さく設定できる。
【００３９】
なお、本実施の形態では、絶縁樹脂シート７を用いた電力用半導体装置１００について説明したが、熱伝導率がモールド樹脂６よりも大きな他の絶縁材料を、絶縁樹脂シート７に代えて用いても構わない。この場合には、ダイパッド部１ｂとかかる絶縁材料との間を、熱伝導性の接着材料で固定しても構わない。
【００４０】
また、本実施の形態では、パワーチップ２としてＩＧＢＴ２１を用いる場合について説明したが、制御チップ３で制御されるパワーチップ２であれば、例えばＭＯＳＦＥＴ等の他のチップであっても良い。
【００４１】
また、本実施の形態では、パワーチップ２や制御チップ３をはんだで固着する場合について説明したが、機能的に問題が無ければ、例えば導電性接着剤等の他の固着材料を用いても良い。
【００４２】
実施の形態２．
図９は、全体が２００で表される、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の断面図である。図９は、図１のＩ−Ｉと同じ方向に見た場合の断面図であり、図９中、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００４３】
電力用半導体装置２００では、リード１のダイパッド部１ｂの裏面に、絶縁樹脂シート７に代えて、セラミック板５０を用いる。セラミック板５０以外の構造は、上述の電力用半導体装置１００とほぼ同じである。セラミック板５０の材料には、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等が用いられる。
【００４４】
セラミック板５０とダイパッド部１ｂとの間には、放熱性をより向上させるために、高熱伝導性、絶縁性を有する接着剤を用いることが好ましい。接着剤としては、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等からなるベース樹脂に、Ａｌ２Ｏ３、ＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２等から選択される微粒子を加えた接着材が用いられる。特に、セラミック板５０とダイパッド部１ｂとの膨張係数のミスマッチを緩和するためには弾性率が小さい方が好ましいため、シリコーン樹脂がベース基材であることが好ましい。
【００４５】
図１０に、ＩＧＢＴ２１上の金のバンプ９の形成工程を示す。形成工程では、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、ツール５０を用いて金のワイヤ４をＩＧＢＴ２１の表面にボールボンディングした後、図１０（ｃ）に示すように、ワイヤ４を上方に引き上げて、引き千切るように切断する。
このように、金のワイヤ４を用いてバンプ９を形成することにより、金の使用量を最小限に抑え、製造コストの低コスト化が可能となる。
【００４６】
実施の形態３．
図１１は、全体が３００で表される、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の断面図である。図１１は、図１のＩ−Ｉと同じ方向に見た場合の断面図であり、図１１中、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００４７】
電力用半導体装置３００では、リード１のダイパッド部１ｂの裏面に、絶縁樹脂シート７に代えて、絶縁板５１が取りつけられる。絶縁板５１は、樹脂モールド６から露出し、その裏面にアルミニウム等からなる外部ヒートシンク６０が取りつけられている。他の構造は、上述の電力用半導体装置１００とほぼ同じである。
【００４８】
このように、絶縁板５１を、樹脂モールド６の外部に形成することにより、例えば、絶縁板５１とダイパッド部１ｂとの間の絶縁が不充分な場合には、電力用半導体装置３００全体を廃棄する必要はなく、絶縁材５１の交換等で解決できる場合もある。
この結果、電力用半導体装置３００の製造コストを低減することが可能となる
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の用いるリードフレームである。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置のＩＧＢＴである。
【図５】従来のワイヤボンディング工程である。
【図６】本発明の実施の形態１で用いるワイヤボンディング工程である。
【図７】本発明の実施の形態１で用いるバンプ形成工程である。
【図８】本発明の実施の形態１で用いるワイヤボンディング工程である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２で用いるバンプ形成工程である。
【図１１】本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ リード、２ パワーチップ、３ 制御チップ、４、５ ワイヤ、６ モールド樹脂、７ 絶縁樹脂シート、８ 銅箔、９、１１ バンプ、１０ 反応層、２１ ＩＧＢＴ、２２ ＦＷＤｉ、１００ 電力用半導体装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モールド樹脂から複数のリードが突出した電力用半導体装置であって、
第１ダイパッド部を含む第１リードと、
該第１ダイパッド部の表面に載置されたパワーチップと、
該第１ダイパッド部の裏面に取り付けられた、該モールド樹脂より熱伝導率の大きな絶縁シートと、
第２ダイパッド部を含む第２リードと、
該第２ダイパッド部上に載置された制御チップと、
該パワーチップと該制御チップとを接続する金を主成分とするワイヤと、
該第１リードと該第２リードの端部がそれぞれ突出するように該制御チップと該パワーチップとを埋め込む該モールド樹脂とを含む電力用半導体装置。
【請求項２】
上記ワイヤが、金、および金とパラジウムとの合金から選択される少なくとも１つの材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
上記絶縁シートが、樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
上記絶縁シートと上記モールド樹脂との界面に、それぞれの材料が混ざった混合層を有することを特徴とする請求項３に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
上記絶縁シートの、上記第１ダイパッド部が取り付けられた面と対向する面が、金属箔で覆われたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
上記第２ダイパッド部が、上記第１ダイパッド部の表面より上方に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
上記ワイヤは、その第１端部が上記制御チップにボールボンディングされ、その第２端部が上記パワーチップにステッチボンディングされたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
更に、上記パワーチップ上にバンプを有し、上記第２端部が該バンプ上にステッチボンディングされたことを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
上記バンプは、上記パワーチップの表面に対して垂直方向の断面が、略デルタ形状であることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
上記略デルタ形状のバンプがデルタ形状の２辺を形成する２つの斜面を含み、上記第２端部が該斜面上にステッチボンディングされたことを特徴とする請求項９に記載の電力用半導体装置。
【請求項１１】
上記第２端部が、上記制御チップからの距離が遠い方の上記斜面上にステッチボンディングされたことを特徴とする請求項１０に記載の電力用半導体装置。
【請求項１２】
上記バンプが、上記パワーチップ上にボールボンディングされたワイヤのボールボンディング部からなることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体装置。
【請求項１３】
上記パワーチップがアルミニウムからなる表面電極を含み、上記ワイヤが該表面電極に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項１】
モールド樹脂から複数のリードが突出した電力用半導体装置であって、
第１ダイパッド部を含む第１リードと、
該第１ダイパッド部の表面に載置されたパワーチップと、
該第１ダイパッド部の裏面に取り付けられた、該モールド樹脂より熱伝導率の大きな絶縁シートと、
第２ダイパッド部を含む第２リードと、
該第２ダイパッド部上に載置された制御チップと、
該パワーチップと該制御チップとを接続する金を主成分とするワイヤと、
該第１リードと該第２リードの端部がそれぞれ突出するように該制御チップと該パワーチップとを埋め込む該モールド樹脂とを含む電力用半導体装置。
【請求項２】
上記ワイヤが、金、および金とパラジウムとの合金から選択される少なくとも１つの材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
上記絶縁シートが、樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
上記絶縁シートと上記モールド樹脂との界面に、それぞれの材料が混ざった混合層を有することを特徴とする請求項３に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
上記絶縁シートの、上記第１ダイパッド部が取り付けられた面と対向する面が、金属箔で覆われたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
上記第２ダイパッド部が、上記第１ダイパッド部の表面より上方に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
上記ワイヤは、その第１端部が上記制御チップにボールボンディングされ、その第２端部が上記パワーチップにステッチボンディングされたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
更に、上記パワーチップ上にバンプを有し、上記第２端部が該バンプ上にステッチボンディングされたことを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
上記バンプは、上記パワーチップの表面に対して垂直方向の断面が、略デルタ形状であることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
上記略デルタ形状のバンプがデルタ形状の２辺を形成する２つの斜面を含み、上記第２端部が該斜面上にステッチボンディングされたことを特徴とする請求項９に記載の電力用半導体装置。
【請求項１１】
上記第２端部が、上記制御チップからの距離が遠い方の上記斜面上にステッチボンディングされたことを特徴とする請求項１０に記載の電力用半導体装置。
【請求項１２】
上記バンプが、上記パワーチップ上にボールボンディングされたワイヤのボールボンディング部からなることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体装置。
【請求項１３】
上記パワーチップがアルミニウムからなる表面電極を含み、上記ワイヤが該表面電極に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−２６３２１０（Ｐ２００８−２６３２１０Ａ）
【公開日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２９８５９（Ｐ２００８−１２９８５９）
【出願日】平成２０年５月１６日（２００８．５．１６）
【分割の表示】特願２００３−３８９２５４（Ｐ２００３−３８９２５４）の分割
【原出願日】平成１５年１１月１９日（２００３．１１．１９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１６日（２００８．５．１６）
【分割の表示】特願２００３−３８９２５４（Ｐ２００３−３８９２５４）の分割
【原出願日】平成１５年１１月１９日（２００３．１１．１９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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