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発明の名称 ボンディング装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−61313
公開日 平成6年(1994)3月4日
出願番号 特願平4−210054
出願日 平成4年(1992)8月6日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 小泉 正博 / 大貫 仁
要約 目的
ボンディングのときの素子の損傷を防止し、半導体装置の機能を損なわず信頼性の高い半導体装置を提供する。

構成
ウエッジボンディングするときのツールが、ワイヤと接するツールの端部にR(アール)を設けてなるツール、及びそのツールを用いて半導体素子と電極端子とを接続してなる半導体装置。
特許請求の範囲
【請求項1】ウエッジボンディング用溝付きツ−ルにおいて、ツールの底面とツールの溝とが接する端部にR(アール)を設け、そのR(アール)の半径が使用するワイヤの直径の0.2 倍から5倍の値であることを特徴とするボンディング装置。
【請求項2】ウエッジボンディング用溝付きツールにおいて、ツールの溝の半径がワイヤの半径と同じ値から5倍の値であることを特徴とするボンディング装置。
【請求項3】ウエッジボンディング用溝付きツールにおいて、ツールの前面及び後面とツールの溝とが接する端部にR(アール)を設け、そのR(アール)の半径が使用するワイヤの直径の0.2 倍から5倍の値であることを特徴とするボンディング装置。
【請求項4】請求項1,2又は3のうち2項以上具備されていることを特徴とするボンディング装置。
【請求項5】請求項1ないし4のいずれか1項記載のツールを用いて、半導体素子と電極板とをボンディングされたことを特徴とする半導体装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関するものであり、特に電力用半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】多くの電力用半導体装置において、半導体素子と電極板との接続には比較的直径の大きいアルミニウムワイヤを用いたウエッジボンディングで行われている。ウエッジボンディングは、半導体素子上のパッド及び電極板にツールを介してワイヤを押しつけると同時に超音波を印加し、ワイヤを変形させながら接合するもので主としてアルミニウムワイヤを接合する場合に用いられている。この方法はワイヤと相手面とが擦れ合うときに互いの酸化膜が除去され、新生面が露出することによって接合するメカニズムである。したがって、接合性には荷重ならびに超音波出力が大きく影響する。電力用半導体装置において、一つのモジュールには数個の半導体素子が搭載されているため、それだけ接続するワイヤの数が多くボンディングには高い信頼性が要求される。
【0003】公知例としては、昭57−15453号,昭62−61349号,昭62−104165号を挙げることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】近年、素子の大容量化が進み、配線に大電流が流れるため使用されるワイヤはさらに直径の大きいものになっている。このようなワイヤを半導体素子上に強固に接合するにはより大きな荷重と超音波出力が必要とされる。しかし、この方法では半導体素子に損傷を与え、半導体装置が機能しなくなるという問題がある。接合後のワイヤの形状と損傷の発生箇所との関係を詳細に調べた結果、損傷はワイヤの周辺の真下に多く発生することを見いだした。図5はツールならびに接合後のワイヤの形状及び損傷の発生箇所を示したものである。損傷はワイヤが最も変形する部分の真下に発生しやすいことがわかる。変形には荷重及び超音波出力が大きく影響するが、ツールの形状も影響するものと考えられる。図2に示したようにワイヤが変形する際に最もその変形に寄与する部分がツールの周辺である。すなわち、周辺部に当たるワイヤの部分には極めて高い応力集中が起こり、そのためその真下にある素子に高い応力を与えることになり損傷が発生するものと考えた。従来、素子の損傷は荷重及び超音波出力の大きさが原因と考え、ツールの形状には注意が払われなかった。
【0005】この発明は、上記問題点を解消しようとするもので、素子に損傷を与えないツール及びそのツールを用いて半導体素子と電極板とを接続した、素子に損傷の無い信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明はワイヤにかかる応力を集中させないためのツール形状にある。ツール形状において、ワイヤの応力集中に寄与するのは前述の周辺部である。すなわち、図6に示すようにツール底面とツールの溝とが接する端部(仮にA端部と略す)ツールの前面及び後面とツールの溝とが接する端部(仮にB端部と略す)ならびに溝の頂部のR(アール)である。
【0007】本発明はA端部及びB端部にR(アール)を設けることならびに溝の頂部のR(アール)を適正範囲にすることにある。図7は、それぞれA及びB端部にR(アール)がない場合から、R(アール)の半径を使用するワイヤの直径の5倍まで変化させたツールを用いてウエッジボンディングした時の素子の損傷発生率を示したものである。損傷はR(アール)がない場合が最も多く発生するが、Rを設けることによって減少し、特に0.2D(Dはワイヤの直径)以上で最小値を示すことがわかる。従来のツールの端部のR(アール)は0.2D以下である。R(アール)の半径が使用するワイヤの直径の5倍以上になると接合性が損なわれるため、本発明はA端部及びB端部のR(アール)の半径が使用するワイヤの直径の0.2 倍から5倍のツールにある。また、本発明は溝の頂部の半径を使用するワイヤの半径から5倍にしたツールにある。5倍までにしたのはそれ以上になるとワイヤが溝から外れやすくなるためである。
【0008】さらに本発明は、上記三方法をすべて有するか、あるいは二つ組み合わせることにある。そして本発明は上記ツールを用いて半導体素子と電極板とをウエッジボンディングして接続された半導体装置にある。
【0009】
【作用】この発明において、ツールの周辺部にR(アール)が設けていることにより、ワイヤにかかる応力が局部に集中せず、すなわち素子に応力が集中しないため素子の損傷が防止でき、素子に損傷のない半導体装置が得られる。
【0010】
【実施例】図1は本発明のツールの一実施例を示したものである。ツール底面とツールの溝との接する端部にR(アール)が設けてあり、その半径が使用するワイヤの直径の0.2 倍の値であるものである。図2は本発明のツールの一実施例を示したものである。ツール頂部の半径が使用するワイヤの半径の3倍の値であるものでる。上記ツールによってワイヤを半導体素子にボンディングすると、ワイヤが最も変形する部分の応力が均等に分散されるため、素子にかかる応力も分散され損傷を与えない。図3は、本発明におけるツールを用いてウエッジボンディングを行った場合の電力用半導体装置を示したものである。以下製作工程について述べる。まず、1及び2の導電材でできている電極端子(1;コレクタ,2;エミッタ)が設けてある3の絶縁板上に4の半導体素子をハンダ等で接着する。つぎに本発明におけるツールを用いて、5の直径0.5mm のアルミニウムワイヤを6のパッド及び2の電極端子(エミッタ)にボンディングし接続する。ゲートにも同様にボンディングする。その後3の絶縁板に7の放熱板をハンダ等で接着し、端子8を取付け全体を樹脂9でモールドし半導体装置が完成する。図4は本発明のツールを用いて、直径0.5mm のアルミニウムワイヤを半導体素子にボンディングしたときの素子の損傷発生率を従来のツールを用いた場合と比較して示したものである。本発明においては従来の場合に比べ、超音波出力を大きくして接合強度を高くしても半導体素子に損傷が発生しにくいことがわかる。なお、本発明はアルミニウムワイヤに限定されず、それ以外のワイヤ例えば金及び銅ワイヤにおいても同様の効果が得られる。
【0011】
【発明の効果】本発明は以上の説明から明らかなように、ワイヤが最も変形し応力が集中する部分に寄与するツール周辺の端部にR(アール)を設けることによって、ワイヤにかかる応力が均一分散し、そのため素子にかかる応力も均一分散することにより素子の損傷が防止され、信頼性の高い電力用半導体装置が達成される。




 

 


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