JP3627633B2

JP3627633B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: JP3627633B2
Application number: JP2000243278A
Authority: JP
Inventors: 寛木内; 光弘斎藤; 淳金森; 崇長坂
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2000-08-10
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: JP2002057250A

Description

【０００１】
【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】
車載用の点火装置等で用いられる半導体装置は、従来、図９に示すような構成になっている。図９の（ａ）は半導体装置の上面図であり、（ｂ）は概略断面図である。回路パターン等が形成された基板２０１上に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。また、導電性接着剤２０２等を介して、部品搭載用のランド上には半導体素子等の電子部品２０３が搭載されている。また、電子部品２０３とボンディング用のランドとがボンディングワイヤ２０４により電気的に接続されている。
【０００３】
また、基板２０１上の電子部品２０３とボンディングワイヤ２０４の配置領域を囲うようにして、例えばシリコーンゴムからなる囲み部材２０５が設けられている。囲み部材２０５によって囲まれた領域はゲル材料よりなる封止材２０６により充填され、この封止材２０６によって、電子部品２０３とボンディングワイヤ２０４が封止されている。
【０００４】
囲み部材２０５の表面には、囲み部材２０５の内部と外部とを連通する穴２０７、２０８が設けられている。図示例では、矩形の大きい穴２０７が２つ設けられ、その間に円形の小さい穴２０８が設けられている。この矩形の大きい穴２０７は封止材２０６を注入するためのものであり、円形の小さい穴２０８は封止材２０６を注入する際の気体抜き用のものである。以下、この円形の小さい穴を気体抜け穴２０８という。なお、気体抜け穴２０８の直径は矩形の大きい穴２０７のどの辺よりも小さくなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この様な構成の半導体装置では、封止材２０６を注入する際に、電子部品２０３と基板２０１との接続部などにおいて気体が取り残される。そこで、この気体を除去するために、基板２０１全体を減圧環境下におくことにより気体を基板２０１の反対方向に移動させる。
【０００６】
しかし、囲み部材２０５の表面は、封止材２０６を注入するための穴以外が広く覆われた形状になっており、気体抜け穴２０８が小さいため、気体抜け穴２０８から十分に気体が放出されない。そのため、気体抜け穴２０８の周辺に気体が溜まりやすくなってしまう。
【０００７】
その結果、封止材２０６のうち囲み部材２０５の内表面付近に気泡２０９として気体が溜まってしまう。そして、この様な気泡２０９の存在する半導体装置を冷熱サイクルに曝したり、この半導体装置に振動を与えたりした場合、この気泡２０９が存在する部位においては、封止材２０６の変形が一様ではなくなる。
【０００８】
上記ボンディングワイヤ２０４としてＡｌ（アルミニウム）等からなる太いワイヤを用いた場合は、ボンディングワイヤ２０４の剛性が大きいためボンディングワイヤ２０４近傍に気泡２０９が存在しても、封止材２０６の変形によりボンディングワイヤ２０４が歪んだり断線したりすることは無い。
【０００９】
しかし、近年、１つの電子部品当たりの基板との電気的な接続の数が増えてきており、従来のように太いボンディングワイヤ２０４では接続数を確保できないことから、細いボンディングワイヤ２０４で直径１５０〔μｍ〕未満のものを用いるようになってきている。この程度まで細くしたボンディングワイヤ２０４の近傍に気泡２０９が存在すると、一様でない封止材２０６の変形によりボンディングワイヤ２０４が歪んだり断線したりしてしまう。
【００１０】
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、封止材に形成される気泡を低減した半導体装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【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、矩形の基板（３）に対して電子部品（９）を搭載し、基板と電子部品とを、直径が１５０〔μｍ〕未満であるボンディングワイヤ（１１）により電気的に接続し、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囲み部材（１２）を設け、基板のうち囲み部材で囲まれた領域内にゲル材料よりなる封止材（１３）を充填し、この封止材によって電子部品及びボンディングワイヤを封止してなる半導体装置であって、囲み部材には、封止材を囲み部材内に注入するための第１の開口部（１２ｂ）と、封止材を囲み部材内に注入する際に囲み部材内の気体を放出するための第２の開口部（１２ｃ）とを設け、第１の開口部は、第２の開口部の両側に設けられ、これら第１、第２の開口部は、前記基板の長辺方向に並んでおり、第２の開口部は、両側の第１の開口部から囲み部材内にそれぞれ注入された封止材によって押し出された囲み部材内の気体を外部に排出するためのものであり、第２の開口部における基板の長辺方向に垂直な方向の長さが、第１の開口部における基板の長辺方向に垂直な方向の長さ以上であることを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、第１の開口部が封止材の注入口となり、第２の開口部が気体抜け口として作用する。従来の気体抜け穴は、注入口の内側に収まる程度の大きさであったのに対し、本発明の気体抜け口は、基板の長辺方向に垂直な方向の長さを、注入口における同じ方向の長さ以上とすることにより、従来の気体抜け穴よりも大きくすることができる。
【００１３】
そのため、封止材の内部の気体を封止材の外部に逃げやすくすることができる。その結果、封止材に形成される気泡を低減することができる。
【００１５】
また、請求項１の発明では、請求項２に記載の発明のように、囲み部材として、シリコーンゴムからなるものを用いることができる。
【００１６】
また、請求項１又は２の発明では、請求項３に記載の発明のように、第１の開口部及び第２の開口部を、囲み部材のうち基板と略平行な位置関係になっている上面に設けることができる。
【００２４】
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。
【００２５】
【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。
【００２６】
また、マザーボード１には、基板としての矩形であるセラミック基板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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
セラミック基板３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。
【００３３】
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。
【００３４】
各々のセラミック基板３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。
【００３５】
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、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。
【００３６】
また、図２に示すように、囲み部材１２のうち矩形であるセラミック基板３と略平行な位置関係になっている上面には、囲み部材１２の内外を連通する第１及び第２の開口部１２ｂ、１２ｃがある。これらの第１及び第２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、本例ではセラミック基板３の長辺方向に並んで３つある。
【００３７】
この３つの第１及び第２の開口部１２ｂ、１２ｃのうち両端に位置する第１の開口部はシリコーンゲル１３の注入口１２ｂであり、中央に位置する第２の開口部はシリコーンゲル１３を注入する際に、囲み部材１２内の気体を囲み部材１２の外部に放出するための気体抜け口１２ｃである。
【００３８】
この気体抜け口１２ｃにおけるセラミック基板３の短辺方向の長さは、注入口１２ｂにおけるセラミック基板３の短辺方向の長さ以上となっている。ここで、セラミック基板３の短辺方向は、囲み部材１２内にシリコーンゲル１３を注入する際のセラミック基板３上のシリコーンゲル１３の移動方向に垂直な方向に相当する。
【００３９】
本例では、気体抜け口１２ｃにおけるセラミック基板３の短辺方向の長さは、注入口１２ｂにおけるセラミック基板３の短辺方向の長さと同じになっているが、気体抜け口１２ｃにおけるセラミック基板３の短辺方向の長さが、注入口１２ｂにおけるセラミック基板３の短辺方向の長さよりも大きくても良い。
【００４０】
また、気体抜け口１２ｃにおけるセラミック基板３の長辺方向の長さは、囲み部材１２とシリコーンゲル１３との界面に存在する気泡が通り抜けることができる程度の寸法であることが必要であり、例えば、２〔ｍｍ〕以上の長さにすると望ましい。また、気体抜け口１２ｃの面積は注入口１２ｂの面積の１／４以上であると好適に気泡を低減することができる。
【００４１】
また、図２に示すように、注入口１２ｂと気体抜け口１２ｃとの間には、セラミック基板３の短辺方向に注入口１２ｂと気体抜け口１２ｃとを仕切る仕切部１２ａが形成されている。この様な半導体装置１００の組付け工程においては、例えば搬送部材としての吸着ノズルにより囲み部材１２を吸着して取り付けて搬送するが、本例では、この仕切部１２ａに対して吸着ノズルを取り付ける。
【００４２】
従って、仕切部１２ａは、実質的に吸着ノズルが取り付け可能なだけの幅（セラミック基板３の長辺方向における長さ）をもって構成されており、本例では、セラミック基板３の長辺方向における幅が４〔ｍｍ〕になっている。また、囲み部材１２がシリコーンゴムからなり軟らかいため、この仕切部１２ａは囲み部材１２の形状を維持する働きもしている。
【００４３】
このように、気体抜け口１２ｃにおけるセラミック基板３の短辺方向の長さを、注入口１２ｂにおけるセラミック基板３の短辺方向の長さ以上とすることにより、従来の注入口の内側に収まる程度の大きさの気体抜け穴よりも大きい気体抜け口１２ｃを設けることができる。そのため、シリコーンゲル１３の内部の気体をシリコーンゲル１３の外部に逃げやすくすることができる。その結果、シリコーンゲル１３に形成される気泡を低減することができる。
【００４４】
また、従来、シリコーンゲル１３と囲み部材１２の上面との境界部に気泡が形成されていた。本例では、囲み部材１２の仕切部１２ａを実質的に搬送部材が取り付け可能なだけの幅として、囲み部材１２の上面における仕切部１２ａの占める面積を極力小さくすることができる。
【００４５】
つまり、囲み部材１２が形状を維持し、半導体装置１００の組付け工程で不具合が無い程度に囲み部材１２の上面を開口して、注入口１２ｂと気体抜け口１２ｃの面積を大きくすることができる。その結果、シリコーンゲル１３に形成される気泡を低減することができる。
【００４６】
なお、図示例の囲み部材１２は、外形がセラミック基板３の長辺方向における長さが約３６〔ｍｍ〕で、セラミック基板３の短辺方向における長さが約１１〔ｍｍ〕となっている。また、注入口１２ｂは、セラミック基板３の長辺方向における長さが約９．５〔ｍｍ〕で、セラミック基板３の短辺方向における長さが約９〔ｍｍ〕となっている。また、気体抜け口１２ｃは、セラミック基板３の長辺方向における長さが約７〔ｍｍ〕で、セラミック基板３の短辺方向における長さが約９〔ｍｍ〕となっている。
【００４７】
図４は、図２中の矢印Ｂ方向から見た概略断面図であって、（ａ）は全体構成であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣの部位の囲み部材１２を拡大した図である。図４（ａ）に示すように、囲み部材１２のうちセラミック基板３と略垂直な位置関係になっている部位である側面と、囲み部材１２の上面との境界部において、囲み部材１２の内表面にテーパ部１２ｄが設けられている。本実施形態では、テーパ部１２ｄのセラミック基板３に対する角度θが４５〔度〕となっている。また、このテーパ部１２ｄにおいて、囲み部材１２の他の部位よりも囲み部材１２の厚みが厚くなっている。
【００４８】
このように、囲み部材１２の上面と側面の境界部にテーパ部１２ｄを設けることにより、境界部付近に存在する気体をテーパ部１２ｄに沿ってセラミック基板３の反対側に移動させ、シリコーンゲル１３からこの気体を除去することができる。また、テーパ部１２ｄにおいてシリコーンゲル１３の厚みが厚くなっているため、このテーパ部１２ｄにより囲み部材１２を補強することができる。
【００４９】
また、本発明者らが、このテーパ部１２ｄの角度θについて、電子部品９の搭載面積の大きさ、気体の移動しやすさ、囲み部材１２自身の形成しやすさ等の点から検討した結果、４５〔度〕が最適であることを見出した。
【００５０】
また、セラミック基板３上における囲み部材１２の占有面積を小さくするために、図４（ｂ）に示すように、側面の厚みＬを０．３〜０．５〔ｍｍ〕としている。また、セラミック基板３に接合する側面の先端部の厚みＭは、シリコーン系の接着剤１４の広がりを抑えるため、０．１５〜０．３〔ｍｍ〕にしている。
【００５１】
なお、囲み部材１２においてセラミック基板３と略平行な位置関係になっている部位とは、厳密な意味で平行となっている部位を示すものではなく、囲み部材１２のうち電子部品９に対してセラミック基板３と反対側に位置している部位を示す。また、囲み部材１２においてセラミック基板３と略垂直な位置関係になっている部位とは、厳密な意味で垂直となっている部位を示すものではなく、囲み部材１２のうち上面以外の部位を示す。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、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〕（ＪＩＳＫ２２２０参照）であるものとすれば好適であることを見出した。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。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。
【００５９】
上記構成の半導体装置１００では、電子部品９とボンディングワイヤ１１をシリコーンゲル１３により封止しているため、上述のように、シリコーンゲル１３の振動によりボンディングワイヤ１１が断線する可能性がある。従って、シリコーンゲル１３の振幅を小さくするために、シリコーンゲル１３の高さを低くする必要がある。
【００６０】
仮に、シリコーンゲル１３と囲み部材１２との界面に気泡が存在すると、シリコーンゲル１３の高さが低い場合、その気泡はボンディングワイヤ１１の近くに位置してしまうため、ボンディングワイヤ１１に歪みが生じたり断線したりする可能性がある。しかし、本実施形態のような構成にすると気泡を低減することができるため、シリコーンゲル１３の高さを低くすることができる。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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、つまり、囲み部材１２の上面に設けられた３つの開口部１２ｂ、１２ｃのうちの両側の開口部１２ｂからシリコーンゲル１３を同時に注入して、図６（ｄ）に示す状態にする。
【００６７】
この時、囲み部材１２の気体抜け口１２ｃから、注入されたシリコーンゲル１３によって押し出されるように、囲み部材１２の内側の気体が囲み部材１２の外部に排出される。また、図示していないが、図６（ｄ）に示す状態では、シリコーンゲル１３中の電子部品９の周囲等に気体が存在している。
【００６８】
そこで、図７（ａ）に示すように、セラミック基板３全体を脱泡槽２３に入れて、減圧環境にすることによりシリコーンゲル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。
【００６９】
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。
【００７０】
なお、本実施形態以外にも、回路基板上に電子部品を搭載し、回路基板と電子部品とを細いボンディングワイヤで電気的に接続し、電子部品とボンディングワイヤとをシリコーンゲル等の封止材により封止してなる半導体装置に対して、本発明を適用することができる。
【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】本実施形態に係るセラミック基板の厚み方向の他の概略断面図である。
【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】従来の半導体装置の概略図である。
【符号の説明】
３…セラミック基板、９…電子部品、１１…ボンディングワイヤ、
１２…囲み部材、１２ａ…仕切部、１２ｂ…注入口、１２ｃ…気体抜け口、
１２ｄ…テーパ部、１３…シリコーンゲル（封止材）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device in which an electronic component is mounted on a substrate, the electronic component and the substrate are electrically connected by a bonding wire, and the electronic component and the bonding wire are covered and sealed.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor device used in an in-vehicle ignition device or the like has conventionally been configured as shown in FIG. 9A is a top view of the semiconductor device, and FIG. 9B is a schematic cross-sectional view. A component mounting land (not shown) and a wire bonding land (not shown) are formed on a substrate 201 on which a circuit pattern or the like is formed. An electronic component 203 such as a semiconductor element is mounted on the component mounting land via a conductive adhesive 202 or the like. Further, the electronic component 203 and the bonding land are electrically connected by a bonding wire 204.
[0003]
Further, an enclosing member 205 made of, for example, silicone rubber is provided so as to enclose the arrangement area of the electronic component 203 and the bonding wire 204 on the substrate 201. A region surrounded by the enclosing member 205 is filled with a sealing material 206 made of a gel material, and the electronic component 203 and the bonding wire 204 are sealed by the sealing material 206.
[0004]
On the surface of the enclosing member 205, holes 207 and 208 that communicate the inside and the outside of the enclosing member 205 are provided. In the illustrated example, two large rectangular holes 207 are provided, and a small circular hole 208 is provided between them. The rectangular large hole 207 is for injecting the sealing material 206, and the circular small hole 208 is for venting when the sealing material 206 is injected. Hereinafter, this circular small hole is referred to as a gas vent hole 208. The diameter of the gas escape hole 208 is smaller than any side of the rectangular large hole 207.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the semiconductor device having such a configuration, when the sealing material 206 is injected, gas is left behind at a connection portion between the electronic component 203 and the substrate 201. Therefore, in order to remove the gas, the gas is moved in the opposite direction of the substrate 201 by placing the entire substrate 201 in a reduced pressure environment.
[0006]
However, the surface of the surrounding member 205 has a shape that is widely covered except for the hole for injecting the sealing material 206, and the gas escape hole 208 is small, so that the gas is not sufficiently released from the gas escape hole 208. As a result, gas tends to accumulate around the gas escape hole 208.
[0007]
As a result, gas accumulates as bubbles 209 near the inner surface of the enclosing member 205 in the sealing material 206. When a semiconductor device in which such bubbles 209 are present is exposed to a cooling cycle or vibration is applied to the semiconductor device, the deformation of the sealing material 206 is not uniform in the portion where the bubbles 209 are present. Disappear.
[0008]
When a thick wire made of Al (aluminum) or the like is used as the bonding wire 204, the bonding wire 204 has high rigidity, so even if the bubbles 209 exist in the vicinity of the bonding wire 204, the bonding wire 206 is deformed by deformation of the sealing material 206. 204 is not distorted or disconnected.
[0009]
However, in recent years, the number of electrical connections to the substrate per electronic component has increased, and the number of connections cannot be secured with the thick bonding wires 204 as in the prior art. [mu] m] is being used. If the bubbles 209 are present in the vicinity of the bonding wire 204 that has been thinned to this extent, the bonding wire 204 is distorted or disconnected due to non-uniform deformation of the sealing material 206.
[0010]
In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device in which bubbles formed in a sealing material are reduced in a semiconductor device in which an electronic component and a bonding wire are sealed with a sealing material. .
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the invention described in claim 1, the electronic component (9) is mounted on the rectangular substrate (3), and the diameter of the substrate and the electronic component is less than 150 [μm]. An enclosing member (12) that is electrically connected by the bonding wire (11) and encloses the electronic component and the bonding wire in the substrate is provided, and sealing is made of a gel material in the region of the substrate that is surrounded by the enclosing member. A semiconductor device in which an electronic component and a bonding wire are sealed by filling a material (13), and the enclosing member includes a first member for injecting the encapsulating material into the enclosing member. An opening (12b) and a second opening (12c) for releasing the gas in the enclosing member when the sealing material is injected into the enclosing member are provided, and the first opening is the second provided on both sides of the opening, these first, second The openings are aligned in the long side direction of the substrate, the second opening, the first opening portions on both sides of the enclosing member which is pushed by the sealing material injected respectively into the enclosing member For discharging gas to the outside, the length of the second opening in the direction perpendicular to the long side direction of the substrate is the length of the first opening in the direction perpendicular to the long side direction of the substrate. It is characterized by the above.
[0012]
According to the present invention, the first opening serves as an inlet for the sealing material, and the second opening serves as a gas outlet. Whereas the conventional gas vent hole was sized to fit inside the inlet, the gas vent of the present invention has a length in the direction perpendicular to the long side direction of the substrate in the same direction at the inlet. By setting it to more than this length, it can be made larger than the conventional gas escape hole.
[0013]
Therefore, the gas inside the sealing material can easily escape to the outside of the sealing material. As a result, bubbles formed in the sealing material can be reduced.
[0015]
Further, in the first aspect of the present invention, as in the second aspect of the present invention, as the enclosing member, one made of silicone rubber can be used.
[0016]
In the invention of claim 1 or 2, as in the invention of claim 3 , the first opening and the second opening are in a positional relationship substantially parallel to the substrate in the surrounding member. It can be provided on the top surface.
[0024]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments shown in the drawings will be described. FIG. 1 is a perspective view showing an overall configuration of a semiconductor device 100 according to the present embodiment. In FIG. 1, the cover 17 (see FIG. 3 described later) covering the ceramic substrate 3 is omitted. As shown in FIG. 1, various electronic components 2 such as a microcomputer are mounted on a mother board 1 that is a printed circuit board.
[0026]
Further, a plurality of rectangular ceramic substrates 3 serving as substrates are arranged on the mother board 1 in a state of being mounted on heat radiation fins 4 serving as heat radiation members (support members). As the heat radiating fins 4, for example, those made of Al (aluminum) can be used.
[0027]
The ceramic substrate 3 and the mother board 1 are electrically connected via a connection terminal (clip terminal) 5. The connection terminal 5 is positioned by the alignment plate 6. A connector 7 is disposed on the side of the radiating fin 4 opposite to the side on which the ceramic substrate 3 is mounted. Although not shown, the lead terminal of the connector 7 is soldered and electrically connected to the mother board 1.
[0028]
Further, the motherboard 1 and the members 2 to 7 mounted on the motherboard 1 are covered with a case 8. Protrusions 8 a are formed in the case 8 in the vicinity of the radiating fins 4, and the radiating fins 4 have positions corresponding to the projecting parts 8 a of the case 8 at both ends in the direction in which the plurality of ceramic substrates 3 are arranged. A protrusion 4a is formed on the surface.
[0029]
Then, the protruding portion 8a of the case 8 and the protruding portion 4a of the radiating fin 4 come into contact with each other to generate heat from an electronic component (not shown) mounted on the ceramic substrate 3 via the radiating fin 4. 8 to dissipate heat.
[0030]
Next, the configuration in the vicinity of the radiating fins 4 and the ceramic substrate 3 will be described. In the illustrated example, three ceramic substrates 3 are bonded to one radiating fin 4. 2 is a view of one of the plurality of ceramic substrates 3 as viewed from the direction of arrow A in FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the ceramic substrate 3 in the thickness direction. In FIG. 3, the mother board 1, the connector 7, and the case 8 are omitted.
[0031]
As shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of electronic components 9 that are semiconductor chips such as bare chips and mold ICs are mounted on the ceramic substrate 3. These ceramic substrates 3 have, for example, one electrical function for each ceramic substrate 3.
[0032]
On the ceramic substrate 3, a land for component mounting (not shown) and a land for wire bonding (not shown) are formed. As these lands, for example, an Ag (silver) thick film can be used. An electronic component 9 is bonded to the component mounting land via a conductive adhesive 10. As this conductive adhesive 10, for example, an epoxy resin added with an Ag filler can be used.
[0033]
A land (not shown) on the electronic component 9 and a wire bonding land on the ceramic substrate 3 are electrically connected by a bonding wire 11. As the bonding wire 11, a thin wire is used, for example, a wire having a diameter of less than 150 [μm]. In this example, Au (gold) is used as the bonding wire 11.
[0034]
Each ceramic substrate 3 is provided with a surrounding member 12 that surrounds a region where the mounted electronic component 9 and the bonding wire 11 are arranged. The enclosing member 12 is bonded to the ceramic substrate 3 with a silicone-based adhesive 14 on the inner side of the outer periphery of the ceramic substrate 3.
[0035]
The region surrounded by the surrounding member 12 in the ceramic substrate 3 is filled with a silicone gel 13 as a sealing material, and the electronic component 9 and the bonding wire 11 are covered and sealed with the silicone gel 13. The surrounding member 12 is for maintaining the shape of the silicone gel 13, and in the present embodiment, one made of silicone rubber is used.
[0036]
Further, as shown in FIG. 2, first and second openings communicating with the inside and outside of the surrounding member 12 are formed on the upper surface of the surrounding member 12 which is in a substantially parallel positional relationship with the rectangular ceramic substrate 3. 12b and 12c. These first and second openings 12b and 12c are for injecting the silicone gel 13, and in this example, there are three in line in the long side direction of the ceramic substrate 3.
[0037]
Of the three first and second openings 12b and 12c, the first opening located at both ends is the injection port 12b of the silicone gel 13, and the second opening located in the center is the silicone gel 13. It is a gas outlet 12 c for discharging the gas in the surrounding member 12 to the outside of the surrounding member 12 when injecting.
[0038]
The length in the short side direction of the ceramic substrate 3 at the gas outlet 12c is equal to or longer than the length in the short side direction of the ceramic substrate 3 at the injection port 12b. Here, the short side direction of the ceramic substrate 3 corresponds to a direction perpendicular to the moving direction of the silicone gel 13 on the ceramic substrate 3 when the silicone gel 13 is injected into the surrounding member 12.
[0039]
In this example, the length of the ceramic substrate 3 at the gas outlet 12c in the short side direction is the same as the length of the ceramic substrate 3 at the inlet 12b in the short side direction, but the ceramic substrate 3 at the gas outlet 12c. The length in the short side direction may be larger than the length in the short side direction of the ceramic substrate 3 at the injection port 12b.
[0040]
Further, the length in the long side direction of the ceramic substrate 3 at the gas outlet 12c needs to be a dimension that allows air bubbles present at the interface between the surrounding member 12 and the silicone gel 13 to pass through. It is desirable that the length is 2 [mm] or more. Moreover, it is possible to suitably reduce bubbles when the area of the gas outlet 12c is ¼ or more of the area of the inlet 12b.
[0041]
Further, as shown in FIG. 2, a partition 12a that partitions the injection port 12b and the gas outlet 12c in the short side direction of the ceramic substrate 3 is formed between the injection port 12b and the gas outlet 12c. . In such an assembly process of the semiconductor device 100, for example, the enclosing member 12 is adsorbed and attached by an adsorbing nozzle as a conveying member, and in this example, the adsorbing nozzle is attached to the partition portion 12a.
[0042]
Accordingly, the partitioning portion 12a is configured to have a width (a length in the long side direction of the ceramic substrate 3) that can substantially attach the suction nozzle. In this example, the width in the long side direction of the ceramic substrate 3 is configured. Is 4 [mm]. Further, since the surrounding member 12 is made of silicone rubber and is soft, the partition portion 12a also functions to maintain the shape of the surrounding member 12.
[0043]
Thus, the length in the short side direction of the ceramic substrate 3 in the gas outlet 12c is equal to or longer than the length in the short side direction of the ceramic substrate 3 in the injection port 12b, so that it can be accommodated inside the conventional injection port. It is possible to provide a gas vent 12c larger than the gas vent with a size of. Therefore, the gas inside the silicone gel 13 can easily escape to the outside of the silicone gel 13. As a result, bubbles formed in the silicone gel 13 can be reduced.
[0044]
Conventionally, bubbles are formed at the boundary between the silicone gel 13 and the upper surface of the surrounding member 12. In this example, the area occupied by the partitioning portion 12a on the upper surface of the surrounding member 12 can be made as small as possible by making the partitioning portion 12a of the surrounding member 12 substantially wide enough to attach the conveying member.
[0045]
That is, the area of the inlet 12b and the gas outlet 12c can be increased by opening the upper surface of the enclosure member 12 to the extent that the enclosure member 12 maintains its shape and there is no problem in the assembly process of the semiconductor device 100. . As a result, bubbles formed in the silicone gel 13 can be reduced.
[0046]
The enclosure member 12 in the illustrated example has an outer shape with a length of about 36 [mm] in the long side direction of the ceramic substrate 3 and a length in the short side direction of the ceramic substrate 3 of about 11 [mm]. . The injection port 12b has a length of about 9.5 [mm] in the long side direction of the ceramic substrate 3 and a length of about 9 [mm] in the short side direction of the ceramic substrate 3. Further, the gas vent 12c has a length in the long side direction of the ceramic substrate 3 of about 7 [mm], and a length in the short side direction of the ceramic substrate 3 of about 9 [mm].
[0047]
4 is a schematic cross-sectional view as viewed from the direction of arrow B in FIG. 2, where (a) is the overall configuration, and (b) is an enlarged view of the enclosing member 12 at the portion C in (a). is there. As shown in FIG. 4A, the inner side of the surrounding member 12 at the boundary between the side surface of the surrounding member 12, which is a portion that is substantially perpendicular to the ceramic substrate 3, and the upper surface of the surrounding member 12 A taper portion 12d is provided on the surface. In the present embodiment, the angle θ of the tapered portion 12d with respect to the ceramic substrate 3 is 45 degrees. In addition, in the tapered portion 12d, the surrounding member 12 is thicker than other portions of the surrounding member 12.
[0048]
Thus, by providing the tapered portion 12d at the boundary between the upper surface and the side surface of the surrounding member 12, the gas existing in the vicinity of the boundary is moved to the opposite side of the ceramic substrate 3 along the tapered portion 12d. This gas can be removed from. Further, since the thickness of the silicone gel 13 is increased in the tapered portion 12d, the surrounding member 12 can be reinforced by the tapered portion 12d.
[0049]
Further, the present inventors have examined the angle θ of the tapered portion 12d from the viewpoints of the size of the mounting area of the electronic component 9, the ease of gas movement, the ease of forming the surrounding member 12 itself, and the like. , 45 degrees was found to be optimal.
[0050]
Moreover, in order to reduce the occupation area of the surrounding member 12 on the ceramic substrate 3, as shown in FIG.4 (b), the thickness L of the side surface is 0.3-0.5 [mm]. In addition, the thickness M of the tip of the side surface joined to the ceramic substrate 3 is set to 0.15 to 0.3 [mm] in order to suppress the spread of the silicone-based adhesive 14.
[0051]
Note that the portion of the surrounding member 12 that is in a substantially parallel positional relationship with the ceramic substrate 3 does not indicate a portion that is parallel in a strict sense, but the electronic component 9 of the surrounding member 12. The site | part located on the opposite side to the ceramic substrate 3 is shown. Further, the portion of the surrounding member 12 that is in a substantially vertical positional relationship with the ceramic substrate 3 does not indicate a portion that is vertical in a strict sense, but indicates a portion other than the upper surface of the surrounding member 12. .
[0052]
As the silicone gel 13 used here, one that is too hard or too soft is not desirable. When the silicone gel 13 is too hard, when the silicone gel 13 is distorted by the cooling / heating cycle of the semiconductor device 100, the silicone gel 13 cannot be deformed so as to flow around the bonding wire 11, so that the bonding wire 11 is also distorted. End up.
[0053]
Further, stress is applied to the electronic component 9 and the connection reliability of the electronic component 9 is also lowered. On the other hand, when the silicone gel 13 is too soft, when the semiconductor device 100 vibrates and vibration is applied to the silicone gel 13, the amplitude of the silicone gel 13 increases, and the bonding wire 11 is disconnected by this vibration.
[0054]
Therefore, the present inventors investigated the vibration resistance of the bonding wire 11 and the lifetime during the cooling and heating cycle by changing the hardness of the silicone gel 13 in various ways. As a result, it has been found that it is preferable that the silicone gel 13 has a penetration of 40 to 170 [mm / 10] (see JIS K 2220), which is an index indicating the hardness of the silicone gel 13. .
[0055]
A land 22 is formed outside the enclosing member 12 in the ceramic substrate 3, and one end of the connection terminal 5 is arranged on the land 22. The connection terminal 5 is electrically connected to the land 22 by solder 15. Each ceramic substrate 3 configured as described above is bonded to the radiation fins 4 with a silicone-based adhesive 16.
[0056]
The plurality of ceramic substrates 3 and the electronic components 9 mounted on each ceramic substrate 3 are collectively covered with a cover 17. The cover 17 is made of a hard member such as PBT and protects the electronic component 9. The cover 17 is fixed to the heat radiating fin 4 with a silicone-based adhesive 18 at the outer edge of the surface of the heat radiating fin 4 on which the ceramic substrate 3 is mounted. Covered.
[0057]
In this way, the ceramic substrate 3 mounted on the radiation fins 4 is mounted on the motherboard 1 so that the motherboard 1 and the ceramic substrate 3 are in a substantially vertical positional relationship as shown in FIG. . At this time, the plurality of connection terminals 5 are soldered and electrically connected to the mother board 1 while being fixed to the alignment plate 6. Specifically, the position of the connection terminal 5 is fixed by passing the connection terminal 5 through a plurality of holes formed in the alignment plate 6 and mounted on the mother board 1.
[0058]
As this alignment plate 6, it is desirable to use a member having a thermal expansion coefficient close to that of the mother board 1. This is to maintain the connection of the connection terminals 5 without cracks in the alignment plate 6 when each member is deformed by the cooling / heating cycle. In this embodiment, since a glass epoxy substrate having a thermal expansion coefficient of about 15.5 (ppm) is used as the mother board 1, if the thermal expansion coefficient of the alignment plate 6 is 13 to 18 (ppm), Is preferred. In this way, the semiconductor device 100 of this embodiment is configured.
[0059]
In the semiconductor device 100 having the above configuration, since the electronic component 9 and the bonding wire 11 are sealed with the silicone gel 13, the bonding wire 11 may be disconnected due to the vibration of the silicone gel 13 as described above. Therefore, it is necessary to reduce the height of the silicone gel 13 in order to reduce the amplitude of the silicone gel 13.
[0060]
If bubbles exist at the interface between the silicone gel 13 and the surrounding member 12 and the height of the silicone gel 13 is low, the bubbles are positioned near the bonding wire 11, and thus the bonding wire 11 is distorted. Or there is a possibility of disconnection. However, since the bubbles can be reduced when the configuration of the present embodiment is adopted, the height of the silicone gel 13 can be reduced.
[0061]
Next, a method of mounting the electronic component 9 on the ceramic substrate 3 and mounting the ceramic substrate 3 on the radiation fin 4 in the semiconductor device 100 having the above configuration will be described in the order of steps shown in the drawing.
[0062]
First, as shown in FIG. 5A, a ceramic substrate 3 is prepared, a circuit (not shown) is formed by a general thick film screen printing technique, and a land for component mounting and a land for wire bonding are formed. Form. Next, as shown in FIG. 5B, the conductive adhesive 10 is applied onto the component mounting lands by a screen printing method using, for example, a 70 [μm] metal mask.
[0063]
And as shown in FIG.5 (c), each electronic component 9 is mounted and the conductive adhesive 10 is hardened at the temperature of 150 [degreeC], for example. Thereafter, the connection terminals 5 (not shown in FIG. 5) are arranged on the ceramic substrate 3 and a solder paste is supplied to the connection portions of the connection terminals 5 using a dispenser, for example, using an IR reflow furnace at 230 ° C. Solder.
[0064]
Next, as shown in FIG. 5D, the entire ceramic substrate 3 is immersed in the cleaning liquid 19 to clean the flux contained in the solder paste. Then, as shown in FIG. 5E, the lands on the electronic component 9 and the lands for wire bonding on the ceramic substrate 3 are connected by bonding wires 11.
[0065]
Next, as shown in FIG. 6A, a silicone adhesive 14 is applied onto the ceramic substrate 3 by a dispenser. After that, as shown in FIG. 6B, the surrounding member 12 is mounted on the adhesive 14 and heated to, for example, 150 [° C.] to cure the adhesive 14, thereby fixing the surrounding member 12 to the ceramic substrate 3. .
[0066]
Subsequently, as illustrated in FIG. 6C, the inlet 12 b of the surrounding member 12 by the dispenser 20, that is, the openings 12 b on both sides of the three openings 12 b and 12 c provided on the upper surface of the surrounding member 12. The silicone gel 13 is injected at the same time to obtain the state shown in FIG.
[0067]
At this time, the gas inside the surrounding member 12 is discharged to the outside of the surrounding member 12 so as to be pushed out from the gas outlet 12 c of the surrounding member 12 by the injected silicone gel 13. Further, although not shown, in the state shown in FIG. 6D, gas exists around the electronic component 9 in the silicone gel 13 or the like.
[0068]
Therefore, as shown in FIG. 7A, the entire ceramic substrate 3 is put in a defoaming tank 23, and the bubbles 21 in the silicone gel 13 are removed by creating a reduced pressure environment. And in order to harden the silicone gel 13, it heats to 145 [degreeC], for example, and will be in the state shown in FIG.7 (b) at high temperature. And it heat-shrinks at room temperature, and will be in the state shown in FIG.7 (c).
[0069]
Next, as shown in FIG. 7 (d), the ceramic substrate 3 is bonded to the radiation fins 4 with a silicone-based adhesive 16. Finally, as shown in FIG. 8, a plurality of ceramic substrates 3 are covered with a cover 17, and mounting of the ceramic substrates 3 on the heat radiation fins 4 is completed. 5 to 8 are schematic sectional views of one ceramic substrate 3.
[0070]
In addition to this embodiment, an electronic component is mounted on the circuit board, the circuit board and the electronic component are electrically connected with a thin bonding wire, and the electronic component and the bonding wire are sealed with a sealing material such as silicone gel. The present invention can be applied to a semiconductor device that is sealed by the above.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an overall configuration of a semiconductor device according to an embodiment.
FIG. 2 is a schematic view of one ceramic substrate according to the present embodiment.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view in the thickness direction of the ceramic substrate according to the present embodiment.
FIG. 4 is another schematic cross-sectional view in the thickness direction of the ceramic substrate according to the present embodiment.
FIG. 5 is a process diagram showing, in cross section, a method of mounting an electronic component on a ceramic substrate and mounting the ceramic substrate on a radiation fin.
FIG. 6 is a process drawing following FIG. 5;
FIG. 7 is a process drawing following FIG. 6;
FIG. 8 is a process drawing following FIG. 7;
FIG. 9 is a schematic view of a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
3 ... ceramic substrate, 9 ... electronic component, 11 ... bonding wire,
12 ... Surrounding member, 12a ... Partition, 12b ... Inlet, 12c ... Gas outlet,
12d ... taper part, 13 ... silicone gel (sealing material).

Claims

A rectangular substrate (3);
An electronic component (9) mounted on the substrate;
A bonding wire (11) electrically connecting the substrate and the electronic component and having a diameter of less than 150 [μm];
A surrounding member (12) which is provided on the substrate and surrounds an arrangement region of the electronic component and the bonding wire on the substrate;
A semiconductor device comprising: a sealing material (13) made of a gel material that fills a region of the substrate surrounded by the surrounding member and seals the electronic component and the bonding wire;
The enclosing member includes a first opening (12b) for injecting the sealing material into the enclosing member, and a gas in the enclosing member when the sealing material is injected into the enclosing member. And a second opening (12c) for discharging
The first opening is provided on both sides of the second opening, and the first and second openings are aligned in the long side direction of the substrate, and the second opening is For discharging the gas in the surrounding member pushed out by the sealing material injected into the surrounding member from the first openings on both sides, to the outside,
The length of the second opening in the direction perpendicular to the long side direction of the substrate is not less than the length of the first opening in the direction perpendicular to the long side direction of the substrate. Semiconductor device.

The semiconductor device according to claim 1 , wherein the surrounding member is made of silicone rubber.

The said 1st opening part and said 2nd opening part are provided in the upper surface which has a positional relationship substantially parallel to the said board | substrate among the said surrounding members, The Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. The semiconductor device described.