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JP4894784B2 - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ワイヤボンディングを行い樹脂ケースに導入された金属端子と半導体チップとを接続する半導体装置とその製造方法に関し、特にワイヤボンディングの際に金属端子が樹脂ケースに対して強固に固定された半導体装置とその製造方法に関するものである。
パワーデバイス半導体装置などの半導体装置においては、その筐体となるべき樹脂ケースをモールド形成した後に金属端子を樹脂ケースの所定位置に挿入する（又は取り付けする）ことが一般的である。このように樹脂ケース形成後に金属端子を樹脂ケースに挿入する方法はアウトサートとよばれる。
アウトサートされた金属端子は、樹脂ケース内に搭載されている半導体チップとワイヤボンディングによって接続される。ここで、ワイヤボンディングを精度よくかつ十分な接合強度を持たせるように行うためには、金属端子が樹脂ケースに対して固定され位置がずれないことが要求される。そのため前述の樹脂ケースは、金属端子と嵌合する部分などを設けることにより、金属端子の動きを制限する構造を備える。
アウトサートされた金属端子の動きを制限（固定）する手段の一例を図１０、１１を参照して説明する。図１０に示す通りワイヤボンディング面１０８を備える金属端子１００が、樹脂ケース１０２に矢印方向に沿って挿入される。この挿入は金属端子１００が、樹脂ケース１０２の有する突起部１０４および隣接する突起部１０４との間を通るように行われる。金属端子１００の挿入が終わると、図１１に示されるように金属端子１００は突起部１０４に嵌合する。また、ワイヤボンディング面１０８はワイヤボンディング面固定部１６に挟まれるようにして固定される。なお、端子フレームなどを固定する他の方法については特許文献１−６に記載がある。
特開昭５９−００８３９９号公報 特開昭６２−１５８３８９号公報 特開２００２−２３１２１７号公報 特開昭６０−２２３１４３号公報 特開２００２−２９１１３５号公報 特開平０１−２４３３８３号公報
前述の通り、金属端子が樹脂ケースに対して固定されていることはワイヤボンディングを高品質で行うために必須となる。しかしながら図１１で説明したように単に金属端子が樹脂ケースの所定位置に挿入されるだけでは固定が不十分である。すなわち、図１１の１２−１２段面図である図１２に記載されるように突起部１０４と金属端子１００との間にある隙間Ａ、Ｂ、Ｃなどにより金属端子１００の固定が十分でない。また、図１１の平面図である図１３に示されるようにワイヤボンディング面固定部１６とワイヤボンディング面１０８との隙間Ｄも金属端子１００の固定が不十分となる要因である。ここで、一定の製造ばらつきを考慮すると、前述の隙間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの発生は回避できないものである。
そこで、図１２と同位置の平面図である図１４に示されるように、接着剤１００を塗布して金属端子１００と樹脂ケース１０２（突起部１０４含む）の固定を強固なものとすることがある。しかしながら接着剤の塗布は作業負荷が高く、また、接着剤の硬化に時間を要する。従って製造プロセスが複雑化し、タクトタイムが長期化してしまう問題があった。また、接着剤がワイヤボンディング面やはんだの接合面などに付着して製品歩留まりを低下させる問題もあった。
別の金属端子の固定方法として、図１５に示すように高温金属１１２を用いて金属端子周辺の樹脂を溶融することも考えられる。これにより金属端子１００と樹脂ケース１０２との溶着固定ができる。しかしながらこのような溶着固定では金属端子１００の一部のみが樹脂ケース１０２と接合されるから固定が不十分であるという問題があった。そして、より広い部分で金属端子１００と樹脂ケース１０２の溶着固定を行うために高温金属１１２の温度を上げると、樹脂ケース１０２が広範囲で溶融してしまい強度低下や変形を起す問題もあった。また、金属端子１００などに付着した樹脂がワイヤボンディング面やはんだの接合面に付着し歩留まりを低下させる問題もあった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、金属端子が弊害なく簡易な方法で強固に樹脂ケースと接合され、ワイヤボンディングにより金属端子と半導体チップとが接続された半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。
本願の発明にかかる半導体装置は、樹脂ケースと、該樹脂ケース内部に搭載された半導体チップと、相対するワイヤボンディング面と接触面とを有し、かつ凹部を有する金属端子と、該ワイヤボンディング面と該半導体チップを接続するワイヤとを備える。そして、該接触面は該樹脂ケース内部に溶着固定により面接合され、該凹部には該樹脂ケースの樹脂が浸入していることを特徴とする。
本願の発明にかかる半導体装置の製造方法は、凹部が形成された金属端子を樹脂ケース内部の所定位置に取り付ける工程と、取り付けられた該金属端子を誘導加熱により該樹脂ケースの融点以上まで加熱し、該凹部に該樹脂ケースの樹脂を浸入させ、かつ該金属端子を該樹脂ケースと接触する部分において該樹脂ケースに溶着固定する工程と、該樹脂ケース内部に半導体チップを搭載する工程と、溶着固定された該金属端子と該半導体チップをワイヤボンディングにより接続する工程とを備えることを特徴とする。
本発明により金属端子を簡易な方法で樹脂ケースに溶着固定でき、高精度かつワイヤが金属端子に十分接合されるワイヤボンディングを行うことができる。
実施の形態１
本実施形態は樹脂ケースにアウトサートされた金属端子と半導体チップのワイヤボンディングを行う半導体装置およびその製造方法に関する。以後、図１を参照して本実施形態の構成を説明する。本実施形態の半導体装置は樹脂ケース１２を備える。樹脂ケース１２は半導体装置の筐体となるものであり、その内壁側の側面に突起部１４を備える。突起部１４は樹脂ケース１２の側面から突出した先太り形状である。樹脂ケース１２はさらにワイヤボンディング面固定部１６を備える。ワイヤボンディング面固定部１６は後述する金属端子のワイヤボンディング面を固定するための溝を形成するように配置される凸部である。
上述の構成を備える樹脂ケース１２に金属端子１０が固定されている。金属端子１０は、ワイヤボンディングによりワイヤが接続されるべき面であるワイヤボンディング面２２を備える。金属端子１０は以下の３の部分を備える。すなわち、樹脂ケース１２の外部に伸びる外部接続部と、突起部１４に嵌合する嵌合部と、ワイヤボンディング面２２を含むワイヤボンディング部を備える。
ワイヤボンディング面２２には、ワイヤ１８の一端が接続される。ワイヤ１８の他端は樹脂ケース１２の内部に搭載された半導体チップ２０の所定位置と接続される。このような構成により、半導体チップ２０はワイヤ１８および金属端子１０を介して外部装置と導通されることが可能である。
図２は図１の平面図である。図２から把握されるように、金属端子１０と樹脂ケース１２とはその接触面において溶着固定部２４が形成されている。溶着固定部２４とは樹脂ケース１２の樹脂が溶融したことにより金属端子１０の嵌合部分と樹脂ケース１２とを溶着固定している部分である。
図３は図１の３−３断面である。図３では金属端子１０のうちワイヤボンディング部と、ワイヤボンディング面固定部１６を含む樹脂ケース１２との接触面に形成された溶着固定部２５が示されている。溶着固定部２５は溶着固定部２４と同様に、金属端子１０のワイヤボンディング部と、樹脂ケース１２とを溶着固定している。本実施形態の半導体装置は上述の構成を備える。以後本実施形態の半導体装置の製造方法について図４に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップ３０により、金属端子が樹脂ケースに挿入される。図５を用いてステップ３０を説明する。図５に示されるとおり、モールド形成された樹脂ケース１２に金属端子１０が矢印方向に挿入される。なお、図１と同一の符号が付された部分は図１と同一である（図１以外の全ての図において同じ）。ステップ３０による処理が行われると、金属端子１０の嵌合部が樹脂ケース１２の突起部１４に嵌合する。また金属端子１０のワイヤボンディング部はワイヤボンディング面固定部１６により固定される。
次いでステップ３２へと処理が進められる。ステップ３２では交流磁場発生装置が樹脂ケース１２の内部へ配置される。図６を用いてステップ３２について説明する。交流磁場発生装置４０は導線部分を備える。導線部分に交流電流をながすことで周囲に磁場を発生させることができる。具体的には交流磁場発生装置４０はその一部に長方形を描くように導線が配置された部分（以後、長方形部分と称する）を備える。 交流磁場発生装置４０の長方形部分は金属端子１０とは接触しない程度で、かつ樹脂ケース１２の内壁に可能な限り近接させるように長方形の大きさが決められる。
次いでステップ３４へと処理が進められる。ステップ３４の処理中は樹脂ケース１２内部に配置された前述の長方形部分が磁場を発生させる。この磁場の時間変化により金属端子１０に電磁誘導の効果が及び電流（渦電流）が発生する。本実施形態では交流磁場発生装置４０が３００［ＫＨｚ］程度の周波数を用いて、金属端子１０に５００−６００［Ａ］程度の電流を誘起する。これを約１０秒間印加することで、金属端子１０が３００［℃］程度の高温に加熱される。金属端子１０が３００［℃］程度となると、樹脂ケース１２は溶融する。すなわち、金属端子１０と樹脂ケース１２との接触面では樹脂ケース１２が溶融する。なお、金属端子１０と樹脂ケース１２との間に、図１２、１３で説明した隙間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄがある場合でも、両者の距離は十分近接しているから樹脂ケース１２は溶融する。
次いで、ステップ３６では交流磁場発生装置４０が樹脂ケース１２内部から退避させられる。
次いで、ステップ３８の工程へと処理が進められる。ステップ３８では樹脂ケース１２の内部の底部に半導体チップが搭載される。半導体チップは例えば、図１に示される半導体チップ２０のように配置されるが、後述するワイヤボンディングが可能であれば特に限定されない。
次いで、ステップ４０の工程へ処理が進められる。ステップ４０では図１に示すように、ワイヤボンディング面２２と半導体チップ２０とがワイヤボンディングにより接続される。
ワイヤボンディングによって金属端子と半導体チップとの接続を行う場合、金属端子に熱、超音波、荷重を印加しながらワイヤの接続を行う。ワイヤボンディングによる接続の際、超音波振動が適正に金属端子に対して印加されていることが、十分な合金部分を形成してワイヤを接続することの条件となる。しかしながら、金属端子をアウトサートする場合金属端子の樹脂ケースに対する固定が不十分であることが多い。そのため、ワイヤボンディング装置の先端部であるキャピラリと金属端子とが同調して動いてしまうなどの原因により、超音波振動が適正に金属端子に印加されないことがあった。そのような結果として、金属端子とワイヤとが接合できなかったり、接合強度が不十分であったりする問題があった。
本実施形態によれば上述の問題を解決できる。本実施形態では図２、３で説明した通り、金属端子と樹脂ケースとの接合面に溶着固定部が形成されており、両者を複数の面で溶着固定している。よって金属端子と樹脂ケースとが接する場所では面接合が行われることになり、金属端子は強固に樹脂ケースに固定されている。ゆえにワイヤボンディングの際にも金属端子が不安定になることはなく、合金部分が十分形成されたワイヤの接合を高精度で行うことができる。なお、金属端子の接合強度は図１５のように樹脂を加熱する方法による接続を行った場合３０−４０[Ｎ]程度であったが、本実施形態の方法による接続を行った場合は８０−１００[Ｎ]であり、金属端子が強固に樹脂ケースに固定されていることを確認できた。
また、フローチャートである図４で説明した通り、本実施形態では金属端子自体を誘導加熱により加熱することが特徴である。誘導加熱を行うことにより非接触で金属端子を加熱できるため、金属端子の固定位置の制御性が良好である。例えば、高温金属を直接に金属端子に押し当てて金属端子を加熱すると、高温金属を押し当てることにより金属端子の位置が所定位置からずれてしまうことが考えられる。しかし本実施形態のように非接触で金属端子を加熱すれば金属端子の位置がずれることはない。
さらに、金属端子の誘導加熱は樹脂ケース内部に配置された交流磁場発生装置により行われるから金属端子と交流磁場発生装置との距離を近接させることができる。よって金属端子を効率よく加熱できる。特に交流磁場発生装置が樹脂ケース外部に配置された場合と比較して、交流磁場発生装置が金属端子のワイヤボンディング部と近接した状態で誘導加熱を行うことができる。そのため、ワイヤボンディング部におけるワイヤボンディング面と相対する面である接触面において、良好な面接合を得ることができる。前述した接触面が溶着固定により面接合しているため、ワイヤボンディングによる超音波振動が適正に金属端子に印加され、ワイヤの接合強度を高めた精度の高いワイヤボンディングを安定して行うことができる。
本実施形態の方法による金属端子の固定は、接着剤を用いて金属端子の固定を行う場合と比較して工程が簡易であるし接着材の飛びによる不良発生のおそれもない。また、高温金属を樹脂ケースに当てて樹脂ケースを溶融する場合と比較して接続の効率が良い。すなわち、高温金属を樹脂ケースに当てて樹脂ケースを溶融すると、金属端子と樹脂ケースの接合に寄与しない部分の樹脂ケースまで溶融してしまい樹脂ケースの強度低下や変形のおそれがある。一方本実施形態の半導体装置の製造方法によれば金属端子と樹脂ケースの溶着固定に寄与しない樹脂ケースの部分が溶融することはなく効率的である。
金属端子と樹脂ケースとの固定をさらに高めるために、金属端子を図７に示すような形状としても良い。図７に示す金属端子５０は外部接続部、嵌合部、ワイヤボンディング部を備える点においては上述してきた金属端子と同等である。しかしながら嵌合部に凹部５２を備える点に特徴がある。凹部５２を備える金属端子５０は図７の矢印方向に沿って挿入される。その後の工程は図４に示すフローチャートと同等である。
図８は金属端子５０が樹脂ケース１０２に挿入されかつ、誘導加熱が行われた後の外観を示す図である。図９は図８の９−９断面を表す図である。図９に示す通り、誘導加熱により、凹部５２には凹部５２の形状に沿うように溶着固定部５２が形成される。これにより、凹部がない場合と比べて溶着固定により固定される面が増えるから金属端子の固定を強化することができる。
このように、本発明は金属端子が樹脂ケースに面接合しており金属端子と樹脂ケースが強固に固定された状態でワイヤボンディングを行うことができる。よって、ワイヤボンディングの精度が高くしかもワイヤを十分に金属端子に固定できるから半導体装置の長寿命化や、省エネルギー化、歩留まり向上ができる。さらに誘導加熱を用いて金属端子と樹脂ケースとが接合されるから生産工程を簡素化できる。また、このようにして製造された半導体装置は接着剤などの材料を用いていないから、廃棄時の分解性、分別性および破砕化の容易性に優れるものである。
本実施形態では交流磁場発生装置が長方形部分を備え、長方形部分を樹脂ケース内部に配置して磁場を発生させることとしたが本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は誘導加熱により金属端子の固定を行うものであり、交流磁場の発生源を樹脂ケース内部に導入して誘導加熱を行うことにより効果を高めることができる。よって交流磁場の発生源を外部においても誘導加熱が十分行える場合は内部配置の必要はないし、内部配置外部配置に関わらず長方形部分を有しなくても本発明の効果を失わない。
また、図４において説明した半導体チップ搭載を行う工程（ステップ３８）は、ステップ４０で説明したワイヤボンディングを行う工程の前であればいつ行われてもよい。
実施の形態１の半導体装置の斜視図である。 図１の平面図である。 図１の３−３断面である。 実施の形態１の半導体装置の製造方法を説明するフローチャートである。 図４のステップ３０を説明する図である。 図４のステップ３２、３４を説明する図である。 凹部を有する金属端子を説明する図である。 図７の金属端子を挿入および誘導加熱後の構成を説明する図である。 図８の９−９断面である。 金属端子のアウトサートについて説明する図である。 アウトサートされた金属端子について説明する図である。 嵌合部における金属端子と樹脂ケースとの隙間について説明する図である。 ワイヤボンディング部における金属端子と樹脂ケースとの隙間について説明する図である。 接着剤を用いて金属端子と樹脂ケースとの接着を行うことについて説明する図である。 樹脂ケースに高温金属を当てて金属端子の固定を行うことについて説明する図である。
符号の説明
１０ 金属端子
１２ 樹脂ケース
２０ 半導体チップ
２２ ワイヤボンディング面
２４、２５ 溶着固定部
４０ 交流磁場発生装置
５２ 凹部

Claims (4)

  1. 樹脂ケースと、
    前記樹脂ケース内部に搭載された半導体チップと、
    相対するワイヤボンディング面と接触面とを有し、かつ凹部を有する金属端子と、
    前記ワイヤボンディング面と前記半導体チップを接続するワイヤとを備え、
    前記接触面は前記樹脂ケース内部に溶着固定により面接合され、
    前記凹部には前記樹脂ケースの樹脂が浸入していることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記金属端子は前記樹脂ケースと接触する全ての部分において前記樹脂ケースに溶着固定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 凹部が形成された金属端子を樹脂ケース内部の所定位置に取り付ける工程と、
    取り付けられた前記金属端子を誘導加熱により前記樹脂ケースの融点以上まで加熱し、 前記凹部に前記樹脂ケースの樹脂を浸入させ、かつ前記金属端子を前記樹脂ケースと接触する部分において前記樹脂ケースに溶着固定する工程と、
    前記樹脂ケース内部に半導体チップを搭載する工程と、
    溶着固定された前記金属端子と前記半導体チップをワイヤボンディングにより接続する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 前記金属端子として、相対するワイヤボンディング面と接触面とを有するものを用い、
    前記ワイヤボンディング面に前記ワイヤボンディングを行い、
    前記樹脂ケース内部に交流磁場発生装置を導入し、前記交流磁場発生装置を用いた誘導加熱により、前記接触面を前記樹脂ケース内部の底部に溶着固定することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
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