(57)【要約】  【課題】大型化を抑制しつつ、熱膨張によるボンディングワイヤまたはその接続部の断線や損傷を生成する応力の緩和を実現した半導体装置を提供する。  【解決手段】半導体素子２と、半導体素子２の周囲に設けられた導体部材３と、半導体素子２の一面と導体部材３とを接続するボンディングワイヤ４と、半導体素子２、導体部材３及びボンディングワイヤ４を封止するモールド樹脂５とを備えた半導体装置。半導体素子２とボンディングワイヤ４の接続部は、モールド樹脂５よりも柔らかく且つ熱膨張率がボンディングワイヤ４と同程度である保護樹脂６で被覆されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、該半導体素子の周囲に設けられた導体部材と、該半導体素子の一面と該導体部材とを接続するボンディングワイヤと、該半導体素子、該導体部材および該ボンディングワイヤを封止するモールド樹脂とを備えた半導体装置において、該半導体素子と該ボンディングワイヤの接続部を該モールド樹脂よりも柔らかく、かつ熱膨張率が該ボンディングワイヤと同程度である樹脂で被覆したことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子とその周囲の導体部材をボンディングワイヤにより接続し、これらをモールド樹脂により封止してなる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の半導体装置は、図３に模式的に示すように、基板１上に、半導体素子２と、半導体素子２の周囲に設けられたリードフレームなどの導体部材３と、半導体素子２の端子と導体部材３とを接続するボンディングワイヤ４と、半導体素子２、導体部材３及びボンディングワイヤ４を封止するモールド樹脂５とを備えて構成されている。
このような半導体装置においては、モールド樹脂５の内部に封止されているボンディングワイヤ４とモールド樹脂５との熱膨張率の差によってモールド樹脂５から応力が加わり、ボンディングワイヤ４自体またはその接続部に断線や損傷が生ずるという問題がある。
【０００３】
その対策として、従来、例えば、特許文献１に開示されているように、モールド樹脂内部で半導体素子およびボンディングワイヤの全体を保護樹脂で覆うことにより、モールド樹脂からの応力を緩和することが提案されている。また、このようにモールド樹脂内部で半導体素子およびボンディングワイヤの全体を保護樹脂で覆う方法は、装置全体の形状が大きくなってしまうという欠点があり、その欠点を解消する手段としては、特許文献２に開示さているように、半導体素子とボンディングワイヤの接続部をモールド樹脂よりも柔らかい樹脂で被覆する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−２８９０１７号公報
【特許文献２】特開２００６−２１０７４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本発明者らが線形ＦＥＭ解析にて確認したところ、特許文献２に記載の方法では、ボンディングワイヤに発生する熱応力は必ずしも減少するとは限らず、例えば、保護樹脂の熱膨張率がモールド樹脂と同程度に大きければ、温度上昇時にボンディングワイヤの接続部近傍のワイヤに、断線の原因となる引っ張り応力が発生することが判明した。図４は、半導体素子２の面が保護樹脂で被覆されておらず直接モールド樹脂で覆われている場合における、温度が１００℃上昇した時のボンディングワイヤ４に発生する引っ張り応力の第１主応力の分布を示している。但し、半導体素子２の熱膨張率を２．８ｐｐｍ／Ｋ、ボンディングワイヤ４の熱膨張率を１４ｐｐｍ／Ｋ、モールド樹脂５の熱膨張率を８４ｐｐｍ／Ｋとした。
【０００５】
また、図５は、柔らかい保護樹脂の熱膨張率がモールド樹脂と同程度に大きい場合の、温度上昇時の第１主応力の分布を示している。図４の場合は、ボンディングワイヤ４と半導体素子２の接合部近くのネック部８に１２００ＭＰａの引っ張り応力が発生しており、図５の場合は、やはりネック部８に１６００ＭＰａ以上の引っ張り応力が発生している領域が、保護樹脂６で被覆された部分に分布している。逆に保護樹脂６の熱膨張率がボンディングワイヤ４程度に小さくても、保護樹脂６の硬さがボンディングワイヤ４の硬さの程度に硬ければ、ボンディングワイヤ４が保護樹脂６に被覆された部分から外側のモールド樹脂５に覆われた部分において、やはり断線の原因となる強い引っ張り応力が発生することが分った。
【０００６】
図６は、保護樹脂６の熱膨張率がボンディングワイヤ４程度に小さく、且つ保護樹脂６のヤング率がボンディングワイヤ４程度に大きい場合の、温度上昇時ボンディングワイヤ４に発生する引っ張り応力の分布を示している。この場合も、保護樹脂６のない図４の場合ほどではないが、１０００ＭＰａ程度の大きい引っ張り応力が保護樹脂６の外側に発生している。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体素子と、半導体素子の周囲に設けられたリードフレームなどの導体部材をボンディングワイヤで接続し、これらをモールド樹脂により封止してなる半導体装置において、大型化を抑制しつつ、熱膨張によるボンディングワイヤまたはその接続部の断線や損傷を生成する応力の緩和を実現した半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明による半導体装置は、半導体素子と、該半導体素子の周囲に設けられた導体部材と、該半導体素子の一面と該導体部材とを接続するボンディングワイヤと、該半導体素子、該導体部材および該ボンディングワイヤを封止するモールド樹脂とを備えた半導体装置において、該半導体素子と該ボンディングワイヤの接続部を該モールド樹脂よりも柔らかく、かつ熱膨張率が該ボンディングワイヤと同程度である樹脂で被覆したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体素子と、半導体素子の周囲に設けられた導体部材と、半導体素子の一面と導体部材とを接続するボンディングワイヤと、半導体素子、導体部材およびボンディングワイヤを封止するモールド樹脂とを備えていて、ボンディングワイヤの断線や損傷を皆無にした半導体装置を廉価に提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明するが、その説明に先立ち、ボンディングワイヤ４とモールド樹脂５との間の熱膨張率の差によりボンディングワイヤ４に発生する応力によって、温度上昇時ボンディングワイヤ４自体またはその接続部に断線や損傷が生ずる機構について説明する。例えば、ボンディングワイヤ４を金線とし、モールド樹脂をエポキシ樹脂とすると、熱膨張率の差は数１０ｐｐｍである。仮に温度が1００℃上昇した場合、単純に熱膨張率の差だけを考慮するならば、歪みは数１０００ｐｐｍ以下であり、ボンディングワイヤ４の弾性率が１００００ＭＰａ程度とすると、この程度の伸びではボンディングワイヤ４に発生する応力は数１０ＭＰａ以下であるはずである。しかるに、線形ＦＥＭ解析にてボンディングワイヤ４に発生する応力を計算すると、図４に示すようにボンド点付近で１２００ＭＰａ程度以上となり、その部分のボンディングワイヤ４は応力により塑性変形して細り、さらには断線する可能性を示している。
【００１１】
何故、前記の単純に熱膨張率の差だけを考慮した時に発生すると考えられる応力よりも遥かに大きな応力がボンディングワイヤ４のボンド点付近のネック部に発生するかについて、本発明者らは鋭意検討した結果、次の原因によることを究明した。即ち、熱膨張率の低い半導体素子２の一面と熱膨張率の高いモールド樹脂５が接着していることにより、接着面付近のモールド樹脂５の該接着面に平行な方向の熱膨張が阻害されるため、モールド樹脂５は体積膨張分だけ接着面に垂直な方向に伸びようとする。そこで、半導体素子２の面にボンディングワイヤ４が接合されており、該ボンディングワイヤ４の表面とモールド樹脂５とが接着していると、ボンディングワイヤ４には、半導体素子２の面に垂直な方向に、単純な熱膨張率の差よりも遥かに大きな引っ張り応力が発生することになる。この引っ張り応力は、ボンディングワイヤ４の接合面付近のネック部８の部分で最も大きくなる。
【００１２】
このようにしてボンディングワイヤ４の接合部のネック部８付近に発生する大きな引っ張り応力を減少させるためには、このネック部８付近を保護樹脂６で覆うことが一つの方法である。これは、半導体素子２の面の近くでモールド樹脂５が半導体素子２の面に垂直な方向に伸びるときに、ボンディングワイヤ４を引っ張ることを防止する効果があると考えられるからである。しかしながら、その保護樹脂６の熱膨張率がモールド樹脂と同程度に大きければ、モールド樹脂５が非圧縮性である限り、硬さによらず、保護樹脂６自身がボンディングワイヤ４の接合部付近で垂直方向に伸びつつネック部８の部分を引っ張ることになり、これは保護樹脂６の無い場合と同様の結果になってしまう。したがって、保護樹脂６の熱膨張率はボンディングワイヤ４の材料と同程度に小さいことが必要である。
【００１３】
さらに、熱膨張率がボンディングワイヤ４の材料と同程度に小さい保護樹脂６であっても、その硬さが硬ければ、保護樹脂６の内部ではボンディングワイヤ４は保護されるが、保護樹脂６の外側では、その付近のモールド樹脂５の熱膨張率が大きいのに保護樹脂６との接合面に平行な方向では膨張を妨げられるため、該接合面に垂直な方向により伸びようとする結果、接着しているボンディングワイヤ４の保護樹脂６から出た外側の部分に強い引っ張り応力が発生することになる。一方、保護樹脂６の熱膨張率がボンディングワイヤ４の材料と同程度に小さく、かつ保護樹脂６の硬さがモールド樹脂５よりも柔らかければ、保護樹脂６とモールド樹脂５との接合面が、これに平行な方向にも伸びるため、垂直方向の伸びが緩和され、その結果ボンディングワイヤを引っ張ることも緩和される。従って、保護樹脂６の熱膨張率がボンディングワイヤ４の材料程度に小さく、且つモールド樹脂５より柔らかいという条件が揃うと、ボンディングワイヤ４のネック部８に発生する強い応力を緩和させることができる。
【００１４】
次に、本発明の実施例について説明する。
（実施例）
図１は本発明による半導体装置の一実施例の模式断面図、図２は図１に示した半導体装置の半導体素子とボンディングワイヤとの接続部における１００度温度上昇時の第１主応力分布を示す部分拡大図である。図中、従来の半導体装置と実質上同一の構成部材には同一符号を付し、それらについての説明は省略する。
【００１５】
アルミナ基板１上に配置された半導体素子２としてのシリコンチップと該シリコンチップを囲むリード面の間を、線径が１００μｍであり純金に近い金線からなるボンディングワイヤ４を使用して、シリコンチップの1辺あたり１０本、合計４０本のワイヤボンディングを実施した。また、柔らかいウレタン樹脂に平均粒径1μｍのガラス粉を混入し、熱膨張率が金線と同程度である１５ｐｐｍとなるように、ガラス粉の混入量を調節して、保護樹脂剤を用意した。この保護樹脂剤を、ワイヤボンディングを施したシリコンチップの面に塗布し、ボンディングワイヤ４の接合部の近傍を覆い、更に、エポキシ樹脂でシリコンチップおよびリードとそれらをつなぐ４０本のボンディングワイヤ４全体をエポキシ樹脂で封止して、図１に示すような形態とした。
【００１６】
かくして作成した試験体を、室温から１００℃上までの温度との間を、１０回加熱と冷却を繰り返した後、各ボンディングワイヤ４の形状観察を行い、ボンディングワイヤ４の細りや断線を調べた。この実験を１０試験体にて実施し、ボンディングワイヤ４の損傷率を求めた結果、損傷率は０であった。
【００１７】
また、これらの試験体に対する線形ＦＥＭ解析による引っ張り応力分布は、図２に示す通りであった。解析条件は、図４〜図６の場合と全く同様とした。保護樹脂６内部のボンディングワイヤ４のネック部８の応力は、保護樹脂６の熱膨張率の大きい図５の場合の１／４以下であり、また保護部のすぐ外側のボンディングワイヤ４の応力は、保護樹脂６の硬い図６の場合の１／２以下であった。
【００１８】
（比較例１）
実施例と同様の試験を、ボンディングワイヤ４に離型剤を塗布することなく実施し、ボンディングワイヤ４の損傷率を求めた結果、損傷率はおよそ５０％であった。
【００１９】
（比較例２）
保護樹脂６として、ガラス粉を混入しない以外は、実施例と同様に作成した試験片で、実施例と同様の試験によりボンディングワイヤ４の損傷率を求めた結果、損傷率はおよそ８０％であった。
【００２０】
（比較例３）
保護樹脂６として、ガラス粉を混入した高硬度エポキシ樹脂を使用したこと以外は、実施例と同様に作成した試験片で、実施例と同様にボンディングワイヤ４の損傷率を求めた結果、およそ３０％であった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る半導体装置の一実施例の断面模式図である。
【図２】本発明に係る半導体装置に対する線形ＦＥＭ解析による１００度温度上昇時の第１主応力分布を示す部分拡大図である。
【図３】従来の一般的な半導体装置の断面模式図である。
【図４】従来の一般的な半導体装置に対する線形ＦＥＭ解析による１００度温度上昇時の第１主応力分布を示す部分拡大図である。
【図５】半導体素子とボンディングワイヤとの接続部がモールド樹脂よりも柔らかい保護樹脂で被覆されてなる半導体装置に対する、保護樹脂の熱膨張率がモールド樹脂と同程度に大きい場合の１００度温度上昇時の第１主応力分布を示す部分拡大図である。
【図６】半導体素子とボンディングワイヤとの接続部がボンディングワイヤと同程度に硬い保護樹脂で被覆されてなる半導体装置に対する、保護樹脂の熱膨張率がボンディングワイヤと同程度に小さい場合の１００度温度上昇時の第１主応力分布を示す部分拡大図である。
【符号の説明】
【００２２】
１      アルミナ等の基板
２      半導体素子
３      導体部材
４      ボンディングワイヤ
５      モールド樹脂
６      保護樹脂
７      ボンディングワイヤ接合部
８      ボンディングワイヤネック部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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