JP2008211168A - 半導体装置および半導体モジュール - Google Patents

半導体装置および半導体モジュール Download PDF

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俊宏 松永
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Norihiko Hana
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Abstract

【課題】通常のボンディング条件を用いて半導体素子との接合ができ、かつ、熱応力が繰り返し発生しても接合部の剥離が抑制される、信頼性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】
半導体装置が、基板と、基板上に配置された半導体素子と、半導体素子に、所定の接合面で接合された接合部を有するリボンワイヤとを含み、接合部上に、リボンワイヤより線膨張係数の小さな固体層が接合される。また、半導体モジュールが、半導体装置と、半導体装置の半導体素子に電気的に接続された電極と、半導体装置を埋め込むモールド樹脂またはシリコーンゲルを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置および半導体モジュールに関し、特に、パワーサイクルに対する信頼性の高いパワー半導体装置およびパワー半導体モジュールに関する。
パワー半導体装置では、半導体素子と電極との間がボンディングワイヤ等で接続されるが、ボンディングワイヤを通過する電流による発熱を低減するために、断面積が大きく電気抵抗の小さいリボンワイヤが半導体素子と電極との間の接続に用いられる。
しかしながら、リボンワイヤと半導体素子の線膨張係数（アルミワイヤの線膨張係数α＝２４．５×１０−６／Ｋ、素子の線膨張係数α＝３．５×１０−６／Ｋ）の差が大きいため、リボンワイヤと半導体素子との接合部には大きな熱応力が繰返し発生（一般的にパワーサイクルと呼ばれている。）するため、接合部の長期信頼性向上のために、接合部の長寿命化技術の開発が期待されている。
そこで、このような接合部の剥離を抑制し信頼性を向上させるために、アルミニウムからなるリボンワイヤを、線膨張係数がアルミニウムよりも小さい、例えば銅等の金属で被覆したリボンワイヤが提案されていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３３６０４３号公報
しかしながら、半導体素子のパッド等には、通常、アルミニウムのメタライズが施されるため、アルミニウム以外の金属で被覆されたリボンワイヤを用いたボンディング接合は困難である。また、ボンディング条件の設定も困難で、製造工程が複雑化する。
そこで、本発明では、通常のボンディング条件を用いて半導体素子との接合ができ、かつ、熱応力が繰り返し発生しても接合部が剥離しない、信頼性の高い半導体装置の提供を目的とする。
即ち、本発明は、基板と、基板上に配置された半導体素子と、半導体素子に、所定の接合面で接合された接合部を有するリボンワイヤとを含む半導体装置において、接合部上に、リボンワイヤより線膨張係数の小さな固体層が接合されたことを特徴とする半導体装置である。
また、本発明は、かかる半導体装置と、半導体装置の半導体素子に電気的に接続された電極と、半導体装置を埋め込むモールド樹脂またはシリコーンゲルを含むことを特徴とする半導体モジュールでもある。
本発明では、リボンワイヤの熱膨張が抑制され、リボンワイヤが半導体素子から剥離しない信頼性の高いパワー半導体装置およびパワー半導体モジュールの提供が可能となる。
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態１にかかるパワー半導体装置であり、図１（ａ）に上面図を、図１（ｂ）に（ａ）のＡ−Ａ方向に見た場合の断面図を、それぞれ示す。
パワー半導体装置１００は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁基板５を含む。絶縁基板５の上面には、例えば銅からなる配線パターン４が形成されている。配線パターン４の上には半導体素子３がはんだ等で固定されている。半導体素子３は、例えばＩＧＢＴやパワーＦＥＴのようなパワー半導体素子、フリーホイールダイオードからなる。半導体素子３の材料は例えばシリコンであるが、炭化ケイ素、砒化ガリウムやガリウムナイトライド等の他の材料であって良い。半導体素子３の上には、例えばアルミニウムで表面がメタライズされたボンディングパッド（図示せず）が形成されている。
ボンディングパッドの上には、リボンワイヤ１が接合されている。リボンワイヤ１は、例えばアルミニウムからなり、幅は１．０〜２．５ｍｍ程度、厚さは０．２ｍｍ程度、接合部２０の長さは約１ｍｍ程度である。リボンワイヤ１は、例えば超音波接合によりボンディングパッド上に接合される。
リボンワイヤ１の接合部２０の上には、セラミック層２が形成されている。セラミック層２は、アルミナ等のセラミック材料の粉体をアルコール系溶剤に混ぜた、市販のセラミック接着剤をリボンワイヤ１の接合部２０上に塗布し、乾燥させることにより形成する。
なお、本実施の形態１では、線状のボンディングワイヤではなくリボンワイヤ１を用いるため、接合部２０上に容易にセラミック接着剤を塗布することができる。
セラミック層２の線膨張係数は、アルミナの場合で約７×１０−６／Ｋ程度であり、例えばリボンワイヤ１の材料として使われるアルミニウムの線膨張係数２４．５×１０−６／Ｋに比べると小さく、半導体素子３の材料であるシリコンの線膨張係数３．５×１０−６／Ｋに近い。
このため、パワーサイクルにおいて、接合部２０の温度が上昇し、リボンワイヤ１が膨張した場合でも、その上のセラミック層２は、半導体素子３と同程度にしか膨張せず、リボンワイヤ１を収縮する方向に引張ることとなる。この結果、リボンワイヤ１の伸び量が抑えられ、線膨張係数のミスマッチに起因する接合部２０の剥離を抑制し、信頼性の高いパワー半導体装置１００を得ることができる。
図２には、リボンワイヤ１の厚さを０．２ｍｍ、幅を２．０ｍｍ、接合部２０の長さを１．０ｍｍ、そしてセラミック層２の厚さを０．１ｍｍとし、セラミック層２をＡｌ２Ｏ３（線膨張係数：約７×１０−６／Ｋ）、Ｓｉ３Ｎ４（線膨張係数：約３×１０−６／Ｋ）、ＡｌＮ（線膨張係数：約５×１０−６／Ｋ）、またはＣｕ（線膨張係数：約１７×１０−６／Ｋ）とした場合の、寿命改善効果を有限要素法（ＦＥＭ）により計算した結果を示す。図２の縦軸は、セラミック層２が無い状態の寿命を基準寿命１とした場合の、セラミック層２がある場合の寿命比率を示している。線膨張係数が小さいセラミックでは寿命改善効果は大きいが、線膨張係数１７×１０−６／ＫのＣｕでは効果が小さいことがわかる。この結果から、セラミック層２には、線膨張係数が低いセラミックが金属よりも好ましいことが分かる。
ここでは、リボンワイヤ１の厚さを０．２ｍｍ、セラミック層２の厚さを０．１ｍｍとした場合の例を示したが、リボンワイヤ１およびセラミック層２の厚さの変化に加え、その他の部分の構造の変化によっても寿命改善効果が変化する。このため、従来のパワー半導体装置に比較して、１．５〜２倍程度の寿命改善効果が見込まれる。
図３（ａ）は、全体が５００で表される、パワー半導体装置１００を組み込んだパワー半導体モジュールであり、図１（ａ）のＡ−Ａ方向と同じ方向に見た場合の断面図である。
パワー半導体モジュール５００では、図３（ａ）に示すように、パワー半導体装置１００の絶縁基板５が、絶縁性の樹脂シート１１の上に載置され、半導体素子３が、リボンワイヤやボンディングワイヤのようなワイヤ１２により外部電極１３に接続されてパワー半導体装置１００全体が、モールド樹脂１４に埋め込まれている。
また、図３（ｂ）は、全体が５５０で表される、パワー半導体装置１００を組み込んだ他のパワー半導体モジュールであり、図１（ａ）のＡ−Ａ方向と同じ方向に見た場合の断面図である。
図３（ｂ）に示すように、パワー半導体モジュール５５０では、パワー半導体装置１００の絶縁基板５が、銅など放熱性の高い材質で作られたベース板１５の上に載置され、半導体素子３がリボンワイヤやボンディングワイヤのようなワイヤ１２により外部電極１３に接続されている。筐体１６により囲まれたパワー半導体装置１００全体が、シリコーンゲル１７等に埋め込まれてもよい。
なお、パワー半導体モジュール５００、５５０において、半導体装置３とワイヤ１２との接合部にも、接合部２０と同様にセラミック層を形成することが可能である。
本実施の形態１にかかるパワー半導体モジュール５００、５５０では、パワーサイクル中のリボンワイヤ１の剥離を抑制し、信頼性の高いパワー半導体モジュール５００、５５０を提供することができる。
なお、以下の実施の形態２〜４に示すパワー半導体装置についても、図３に示すように、パワー半導体モジュールとして使用することが可能である。
また、実施の形態１〜５では、半導体装置３がＩＧＢＴ等からなるパワー半導体装置およびパワー半導体モジュールの場合について説明するが、半導体装置３が、ＦＥＴやＭＯＳＦＥＴのような通常の半導体素子からなる場合においても、本発明にかかる構造を適用することは可能である。これにより、半導体素子３とリボンワイヤ１との剥離を抑制し、信頼性の高い半導体装置や半導体モジュールを提供することができる。
実施の形態２．
図４は、本実施の形態２にかかるパワー半導体装置１１０の部分断面図であり、リボンワイヤ１と半導体素子３との接合部のみを示す。図４中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体装置１１０では、半導体素子３とリボンワイヤ１との接合部２０の上にセラミック層２を設けるとともに、接合部２０の周囲の半導体素子３の上に、コーティング樹脂６が設けられている。コーティング樹脂６は、リボンワイヤ１の接合部２０の周囲を囲むように設けられることが好ましい。コーティング樹脂６は、例えば、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂またはポリイミド樹脂からなる。
このように、パワー半導体装置１１０では、セラミック層２を設けることにより、線膨張係数のミスマッチに起因するリボンワイヤ１の剥離を抑制できるとともに、コーティング樹脂６により、リボンワイヤ１と半導体素子３との接合部に発生する応力を低減させることで、接合部への亀裂の進展を抑制し、接合部長寿命化の効果を得ることができる。この結果、信頼性の高いパワー半導体装置１１０を提供することができる。
実施の形態３．
図５は、本実施の形態３にかかるパワー半導体装置１２０であり、（ａ）に部分上面図を、（ｂ）に、（ａ）のＢ−Ｂ方向に見た場合の部分断面図を、それぞれ示す。図５は、リボンワイヤ１と半導体素子３との接合部のみを示し、図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体装置１２０では、半導体素子３とリボンワイヤ１とを接合した後に、接合部２０のリボンワイヤ１を接着剤８で覆うとともに、リボンワイヤ１の上にセラミック板７が接着されている。接着剤８には、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等が用いられる。また、セラミック板７には、Ａｌ２Ｏ３（線膨張係数：約７×１０−６／Ｋ）、ＡｌＮ（線膨張係数：約５×１０−６／Ｋ）またはＳｉ３Ｎ４（約３×１０−６／Ｋ）等を用いることができる。
パワー半導体装置１２０では、セラミック板７を接着することにより、リボンワイヤ１と半導体素子３との線膨張係数のミスマッチに起因するリボンワイヤ１の剥離を抑制できるとともに、接着剤８により、リボンワイヤ１と半導体素子３との接合部に発生する応力を低減させることで、接合部への亀裂の進展を抑制し、接合部長寿命化の効果を得ることができる。この結果、信頼性の高いパワー半導体装置１２０を提供することができる。
実施の形態４．
図６は、本実施の形態４にかかるパワー半導体装置１３０であり、（ａ）に部分上面図を、（ｂ）に、（ａ）のＣ−Ｃ方向に見た場合の部分断面図を、それぞれ示す。図６は、リボンワイヤ１と半導体素子３との接合部のみを示し、図６中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
本実施の形態４にかかるパワー半導体装置１３０では、リボンワイヤ１の接合部２０の上面に、ディンプル孔９が設けられている。ディンプル孔９の直径は、約０．２〜０．３ｍｍ程度で、深さは、例えば０．２ｍｍであるリボンワイヤ１の厚さの、１０〜２５％程度とする。
ディンプル孔９は、複数設けることが好ましく、図６では５つのディンプル孔９が設けられている。
リボンワイヤ１の接合部２０の上には、ディンプル孔９を埋め込むようにセラミック層２が形成されている。このようなセラミック層２は、実施の形態１で述べたように、接合部２０の上に、ディンプル孔９を埋め込むようにセラミック接着剤を塗布し、乾燥することにより形成する。
本実施の形態４にかかるパワー半導体装置１３０では、セラミック層２を設けることにより、線膨張係数のミスマッチに起因する接合部２０の剥離を抑制できる。特に、ディンプル孔９を埋め込むようにセラミック層２が形成されるため、リボンワイヤ１とセラミック層２との接続強度が向上し、リボンワイヤ１の剥離をより効果的に抑制できる。この結果、信頼性の高いパワー半導体装置１３０を提供することができる。
実施の形態５．
図７は、本実施の形態５にかかるパワー半導体装置１４０であり、（ａ）に部分上面図を、（ｂ）に、（ａ）のＤ−Ｄ方向に見た場合の部分断面図を、それぞれ示す。図７は、リボンワイヤ１と半導体素子３との接合部のみを示し、図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
本実施の形態５にかかるパワー半導体装置１４０では、リボンワイヤ１の接合部２０の上面に、溝１０が設けられている。溝１０の幅は、リボンワイヤ１の接合部の面積にもよるが、例えば０．２〜０．３ｍｍ程度が好ましい。また、深さは、リボンワイヤ１の厚さの１０〜２５％程度が好ましい。
リボンワイヤ１の接合部２０の上には、溝１０を埋め込むようにセラミック層２が形成されている。このようなセラミック層２は、実施の形態４と同様に、セラミック接着剤を、接合部２０の上に、溝１０を埋め込むように塗布し、乾燥することにより形成する。
上述のパワー半導体装置１３０と同様に、本実施の形態５にかかるパワー半導体装置１４０でも、セラミック層２を設けることにより、線膨張係数のミスマッチに起因するリボンワイヤ１の剥離を抑制できる。特に、溝１０を埋め込むようにセラミック層２が形成されるため、リボンワイヤ１とセラミック層２との接合強度が向上し、リボンワイヤ１の剥離をより効果的に抑制できる。この結果、信頼性の高いパワー半導体装置１４０を提供することができる。
本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置である。 セラミック層の材料を変えた場合の寿命改善効果を示す。 本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体モジュールである。 本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体装置である。 本発明の実施の形態３にかかるパワー半導体装置である。 本発明の実施の形態４にかかるパワー半導体装置である。 本発明の実施の形態５にかかるパワー半導体装置である。
符号の説明
１ リボンワイヤ、２ セラミック層、３ 半導体素子、４ 配線パターン、５ 絶縁基板、６ コーティング樹脂、７ セラミックス板 、８ 接着剤、９ ディンプル孔、１０ 溝、１１ 樹脂シート、１２ ワイヤ、１３ 外部電極、１４ モールド樹脂、 １５ ベース板、１６ 筐体、１７ シリコーンゲル、１００ パワー半導体装置、５００、５５０ パワー半導体モジュール。

Claims (8)

  1. 基板と、該基板上に配置された半導体素子と、該半導体素子に、所定の接合面で接合された接合部を有するリボンワイヤとを含む半導体装置において、
    該接合部上に、該リボンワイヤより線膨張係数の小さな固体層が接合されたことを特徴とする半導体装置。
  2. 上記リボンワイヤの接合部の周囲に、コーティング材が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 上記コーティング材が、上記リボンワイヤの接合部上にも設けられ、該コーティング材により上記固体層が該接合部上に接合されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 上記コーティング材が、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、およびポリイミド樹脂からなる群から選択される材料からなることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。
  5. 上記リボンワイヤの接合部の上面に凹部が設けられ、該凹部を埋め込むように上記固体層が接合されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  6. 上記凹部が、ディンプル孔または溝からなることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
  7. 上記固定層が、セラミック材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置と、
    該半導体装置の半導体素子に電気的に接続された電極と、
    該半導体装置を埋め込むモールド樹脂またはシリコーンゲルを含むことを特徴とする半導体モジュール。
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