JP2011114137A - 電力用半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】接続面に平行で接続方向に垂直な方向の変位に対するリボンボンド接合部に発生する引き剥がし力を低減し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的とする。
【解決手段】電極面３ｓが形成された半導体素子３と、半導体素子３から離れて配置された端子８と、断面が扁平のリボン材からなり、長さ方向の両端部１ｊＡ、１ｊＢにおける幅広の面がそれぞれ半導体素子３の電極面３ｓと端子８とに接合され、半導体素子３と端子８とを電気的に接続するリボンボンド１と、を備え、リボンボンド１は、半導体素子３の電極面３ｓと端子８の接合部とを結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに垂直で電極面３ｓに平行な方向（＝ｙ方向）の曲げ応力に対し、当該リボン材の扁平方向に対する曲げ剛性よりも曲げ剛性の低い変形部１Ｄを有するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力用半導体装置に関するもので、とくに半導体素子や配線回路間等をリボンボンディングにより接合する構造に関するものである。
半導体装置では、装置内の電極や半導体素子間の電気接続に主にアルミワイヤのような金属線を用いたワイヤボンド接合が用いられている。しかし、ワイヤは一般的に直径の上限があり、一本あたりに流れうる電流量に制限がある。そのため、例えば半導体素子に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いるような扱う電流が大きな電力用半導体装置においては、ひとつの電気接続に対して複数本のワイヤにより電気接続を行っていた。そのため、製造時間が長くなり、スループットが減少する可能性があった。
そこで、線状のワイヤと比べて電気抵抗が小さく、電流量を増大することができるリボン状のワイヤを用いてボンディングするリボンボンドが提案されている。（例えば、特許文献１または特許文献２参照。）。
特開２００４−３３６０４３号公報（段落００１８〜００２０、図３Ａ−３Ｂ） 特開２００７−２２０７０４号公報（段落００１１、図１）
しかしながら、電力用半導体装置は、動作時の発熱により、一般的にパワーサイクルと呼ばれる発熱とヒートシンクによる冷却が繰返し起こる。そのため、筺体と半導体素子や半導体素子が実装されている回路基板材料等の線膨張係数差により回路基板の面方向において変形が生じ、半導体素子や電極間の面方向における位置関係が変位する。面方向での変位のうち、接続方向に平行な方向での変位に対しては、リボンボンドネック部が最大のひずみ負荷を生じ、ワイヤボンドと同様であるが、接続方向に垂直な方向の変位に対してはワイヤボンドの曲げ剛性よりも幅広のリボンボンドの曲げ剛性の方が大きいため、リボンボンド接合部に引き剥がし方向の力が生じる。とくに、筺体上に設置された外部接続用の端子と、筺体内部の半導体素子の間には多くの材料が介在することになるので変位が大きくなり、両者をリボンボンドで接合した状態では、リボンボンド接合部に引き剥がし方向の力が増加する。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、接続面に平行で接続方向に垂直な方向の変位に対するリボンボンド接合部に発生する引き剥がし力を低減し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的とする。
本発明の電力用半導体装置は、電極面が形成された半導体素子と、前記半導体素子から離れて配置された端子と、断面が扁平のリボン材からなり、長さ方向の両端部における幅広の面がそれぞれ前記半導体素子の電極面と前記端子とに接合されたリボンボンドと、を備え、前記リボンボンドは、前記半導体素子の電極面と前記端子の接合部とを結ぶ直線に垂直で前記電極面に平行な方向の曲げ応力に対し、当該リボン材の断面の扁平方向に対する曲げ剛性よりも曲げ剛性の低い変形部を有することを特徴とする。
本発明の電力用半導体装置によれば、リボンボンドに、半導体素子の電極面に平行で接合部間を結ぶ直線に垂直な方向に対して曲げ剛性が低く、変形が容易な変形部を設けたので、駆動操作時の熱応力に伴うリボンボンド接合部への引き剥がし方向の負荷を低減させることが可能となり、信頼性を向上させることができる。
本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための上面図および断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための上面図および断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための上面図および断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための上面図および断面図である。 本発明の実施の形態５にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための上面図および断面図である。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図１（ａ）は電力用半導体装置のうち、一つの半導体素子と当該半導体素子と電気接続される端子の周辺部として破線に示す四角部分を抜き出した上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるIb−Ib線による切断面を示す断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるIc−Ic線による切断面を示す部分断面図である。
図において、電力用半導体装置は、放熱板（図示せず）の上に絶縁性の接合材を介して設置されている銅からなるベース板７と、絶縁性の基板５ｉの両面に金属電極５ｃ１、５ｃ２が形成され、ダイボンド材４Ｂによりベース板７の一方の面に接合された回路基板５と、回路基板５のベース板７と反対側の面の金属電極５ｃ１にダイボンド材４Ａによってドレイン電極側の面が接合された半導体素子３を有し、ベース板７の外周部分は、例えばＰＰＳ（PolyPhenylene Sulfide）や不飽和ポリエステルといった耐熱性樹脂からなる筺体２が形成されている。半導体素子３の半導体素子３の金属電極５ｃ１と接続された反対側の面の主面には、面状のソース電極が形成されており、筺体２に上に形成された外部からの電流経路となる端子８と半導体素子の電極面３ｓとがリボンボンド１の両端部１ｊＡ、１ｊＢと接合されることにより電気的に接続されている。これにより、半導体素子３のドレイン電極が金属電極５ｃ１へ、ソース電極が端子８に電気的に接続されることにより、半導体素子３への電流経路ができあがる。
なお、半導体素子３としてはワイドバンドギャップの炭化ケイ素（ＳｉＣ）材料のものを用いている。そして、ソース電極の表面には、接続を良くするための図示しない厚さ１μｍ以下の薄いアルミニウムの下地が形成されており、上述したリボンボンド１は、アルミニウムの下地を介してソース電極に接続されている。しかし、以降は下地部分も半導体材料とみなし、電極面３ｓ上にリボンボンド１が接合されているとして説明する。さらに、ソース電極が形成されている主面内には、図示しないゲート電極も形成されているが、ゲート電極は大電流を流す電極ではないので説明から省略し、ソース電極が形成されている部分を代表させて電極面３ｓとして説明する。
本実施の形態で用いたリボンボンドは、アルミニウム製で断面が矩形の厚み（ｔ）０．５ｍｍ×幅（ｗ）１０ｍｍの断面が扁平ないわゆる金属のリボン材であり、半導体素子３の電極面３ｓ部分と接合される端部１ｊＡおよび端子８と接合される端部１ｊＢ間の中間部分、いわゆるループ部分１Ｗにおいて、捻り部１Ｄを有する。ボンディングを施されている端部１ｊＡと１ｊＢは通常のリボンボンディングと同様のボンディングにより形成されたものであり、半導体素子３の電極面３ｓ、端子８の表面と同様ｘｙ平面に平行となっている。一方、捻り部１Ｄは、中間部分１Ｗにおいて、リボンボンド１の長尺方向を中心としてθＤ＝９０°捻ったものであり、端部１ｊＡ、１ｊＢ部分において電極面３ｓや回路基板５に平行（ｘｙ面に平行）だった扁平方向（幅Ｗ方向）が捻り部１Ｄでは、傾いてｚ方向に立ちあがった状態となっている。なお、筺体２の内側はゲル状の絶縁材料により封止され、リボンボンド１の高さは絶縁材料の厚さ以下となる。
つぎに、動作について説明する。
本実施の形態１にかかる電力用半導体装置を駆動させると、半導体素子３、金属電極５ｃ１、端子８およびリボンボンド１に電流が流れ、電気抵抗分の電力ロスが熱へと変換され、電力用半導体装置全体の温度が変動する。電力用半導体装置内では、端子８は半導体素子３から離れた位置に半導体素子３に対して固定配置されているが、例えば、本実施の形態でいえば、半導体素子３の電極面３ｓから端子８までを機械的につなぐ材料（動かないように固定するための材料）は、半導体材料（半導体素子３）、導電材料（ダイボンド材４Ａ）、金属（金属電極５ｃ１）、絶縁材（絶縁基板５ｉ）、金属（金属電極５ｃ２）、導電材料（ダイボンド材４Ｂ）、金属（ベース板７）、樹脂材料（筺体２）、金属（端子８）というように面方向や厚み方向に線膨張係数の異なる材料が複雑に配置されている。そのため、温度変動した場合に、リボンボンド１の両端部１ｊＡ、１ｊＢとそれぞれ接合されている半導体素子３と端子８間において変位が生じる。
ここで、リボンボンド１と半導体素子３ならびにリボンボンド１と端子８との接合部の位置をＰＡ、ＰＢとすると、駆動に伴う変位は、ＰＡ−ＰＢ方向に平行な方向（ｘ方向）と、電極面３ｓに平行な面（ｘｙ平面）内でＰＡ−ＰＢ方向に垂直な方向（ｙ方向）と、回路基板５の厚み方向である高さ方向（ｚ方向）の変位に分解できる。なお、接合部は、図１（ａ）でいえば、端部１ｊＡ、１ｊＢと記している四角い領域のほぼ全体で電極面３ｓや端子８といわゆる面接合されているが、接合位置ＰＡ、ＰＢとしては、その領域の中央部分を指している。
このとき、ＰＡ−ＰＢに平行な方向である接合部間の距離が変化する変位や、接合面である電極面３ｓに垂直な方向である高さ方向の変位に対しては、端部１ｊＡと中間部分１Ｗとの境界および端部１ｊＢと中間部分１Ｗとの境界にあたるボンドネック部が変形することにより、変位を吸収する。これは、一般的なワイヤボンディングと同様、ワイヤやリボンをボンディングする際にリボンやワイヤを接合位置ＰＡから接合位置ＰＢを結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに対し、高さ方向（ｚ方向）に湾曲する、いわゆるループ形状となるように形成するからである。つまり、接合位置ＰＡ−ＰＢ間の距離が変化する変位や、ＰＡとＰＢの高さ方向の変位に対しては、従来のリボンボンディングを用いた電力用半導体装置でも、本実施の形態にかかる電力用半導体装置でも機械的な信頼性を保つことができる。
一方、電極面３ｓに平行でＰＡ−ＰＢ方向に垂直な方向の変位に対し、従来のリボンボンディングでは、リボン材の断面の扁平方向と変位の方向が一致するので、リボン材の扁平方向に対する強い曲げ剛性により、変位をリボンボンド自身で吸収できず、リボンボンド１と半導体素子３およびリボンボンド１と端子８との接合部に引き剥がし方向の力が生じる。しかし、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置では、リボンボンド１の中間部分１Ｗであるループ部分にリボンの厚み方向が変位の方向に一致するか近づくように捻り部１Ｄを設けたので、電極面３ｓに平行でＰＡ−ＰＢ方向に垂直な方向の変位に対し、曲げ剛性が低くなり変形し易くなる。したがって、電極面３ｓに平行でＰＡ−ＰＢ方向に垂直な方向の変位が捻り部１Ｄで変形吸収される。つまり、リボンボンド１の中間部分１Ｗに、電極面３ｓに平行で接合位置を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに垂直な方向に対してリボン材の扁平方向の曲げ剛性よりも曲げ剛性が低くなり変形部として機能する捻り部１Ｄを設けたので、駆動時の熱変形に対するリボンボンド接合部に生じる引き剥がす力を低減し、電力用半導体装置の信頼性を向上させることができる。
なお、変形部である捻り部１Ｄにおける捻る角度、つまり電極面３ｓに対する扁平方向の傾きθＤは０度から９０度までの範囲であれば、角度が大きいほど、つまり９０度に近づくほどＰＡ−ＰＢに垂直（ｘｙ面内で）な方向の変位に対する曲げ剛性が減少する。したがって、図１のようにＰＡ−ＰＢ方向を中心として接合面に対して変形部１Ｄを９０度捻ったときがＰＡ−ＰＢに垂直な方向の変位を吸収する効果が最大となり、リボンボンド接合部に生じる引き剥がす力を効率よく低減することができる。ただし、中間部分１Ｗ全てに捻りを加えると、高さ方向の変位に対して曲げ剛性の低い厚みｔ方向がｚ方向と一致する領域が少なくなるので、少なくとも端部１ｊＡと中間部分１Ｗとの境界および端部１ｊＢと中間部１Ｗとの境界にあたるボンドネック部は、接合面と平行な部分を残すことが望ましい。
この捻り部１Ｄを作成する方法は、リボン材の長さ方向における両端部１ｊＡと１ｊＢの間の中間部分１Ｗであるループ部分の途中に捻り部１Ｄが来るようにあらかじめ加工したリボン材を用いることにより、リボンボンド１を形成することができる。あるいは、リボン材の一端を半導体素子３または端子８に接合した後、配線途中で捻ることでも作成可能である。また、半導体素子３と端子８との間を通常のリボンボンディングでリボンボンドを形成した後、中間部分１Ｗに捻りを加えて捻り部１Ｄを形成してもよい。ただし、ボンディング作業中や作業後に捻りを加える場合、端部１ｊＡや１ｊＢに捻りの応力がかからないよう、端部１ｊＡや１ｊＢ、および可能ならばボンドネック部を押さえつけるようにすることが望ましい。リボンボンドの接合方法としては超音波による接合、ダイボンド材などでの接合 (例えばはんだ)がある。
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置によれば、電極面３ｓが形成された半導体素子３と、半導体素子３から離れて配置された端子８と、断面が扁平のリボン材からなり、長さ方向の両端部１ｊＡ、１ｊＢにおける幅広の面がそれぞれ半導体素子３の電極面３ｓと端子８とに接合され、半導体素子３と端子８とを電気的に接続するリボンボンド１と、を備え、リボンボンド１は、半導体素子３の電極面３ｓと端子８の接合部とを結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに垂直（ｚｙ）で電極面３ｓ（ｘｙ）に平行な方向（＝ｙ方向）の曲げ応力に対し、当該リボン材の扁平方向に対する曲げ剛性よりも曲げ剛性の低い変形部１Ｄを有するように構成したので、電力用半導体装置の駆動時や駆動・停止の繰返しに伴う温度変化によって生ずる変位を変形部１Ｄが吸収し、特に接合方向ＰＡ−ＰＢに垂直な方向の変位に対するリボンボンド接合部に発生する引き剥がし力を低減するので、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
とくに、リボンボンド１の変形部１Ｄでは、当該リボン材の断面の扁平方向が電極面３ｓに対して傾くようにしたので、接合方向ＰＡ−ＰＢに垂直な方向でのリボンボンド１の電極面３ｓへの投影厚みが薄くなり、曲げ応力が小さくなって効果的に変位を吸収することができる。
また、本実施の形態では、半導体素子３と筺体２に設けた端子８との接続について説明したが、接続する対象はこれに限定される必要はない。回路基板のような絶縁体や導電体が複合された材料を介して位置が固定されるような関係で有れば、例えば回路基板内の半導体素子や配線パターン（上の金属電極）間での接続であってもよい。また、本実施の形態１においては、一つの接続にリボンボンド１を１本使用した例について説明しているが、複数本を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置では、実施の形態１に対してリボンボンドの変形部の形成の仕方が異なるものである。他の部分については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。図２は、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図２（ａ）は電力用半導体装置のうち、一つの半導体素子と当該半導体素子と電気接続される端子の周辺部として破線に示す四角部分を抜き出した上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるIIb−IIb線による切断面を示す断面図である。
図において、リボンボンド２０１は、中間部分２０１Ｗに変形部である捻り部２０１Ｄを持つだけでなく、捻り部２０１Ｄが接合位置ＰＡ−ＰＢを結ぶ直線に対し、電極面３ｓの面方向において同じ側に偏るように半導体素子３および端子８上でのリボンの長さ方向ＤＡ、ＤＢをボンディングにおける接合位置を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに対して所定角度（θＡ、θＢ）傾けるようにしたものである。
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置においても、実施の形態１にかかる電力用半導体装置と同様に、接合位置ＰＡ−ＰＢ間の距離が変化する変位や、ＰＡとＰＢの高さ方向の変位に対しては、リボンボンド２０１が変形して吸収するので、機械的な信頼性を保つことができる。
また、リボンボンド２０１の中間部分２０１Ｗであるループ部分にリボンの厚み方向が変位の方向に一致するか近づくように捻り部２０１Ｄが形成されるとともに、容易に変形できるリボンの長さ方向が電極面３ｓに平行な面内（ｘｙ面）でθＡとθＢの合計分の角度範囲の方向を向くことになるので、電極面３ｓに平行でＰＡ−ＰＢ方向に垂直な方向の変位に対し、曲げ剛性が低くなり変形し易くなる。つまり、リボンボンド２０１の中間部分２０１Ｗに、電極面３ｓに平行な面内で接合位置を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに垂直な方向に対してリボン材の断面における扁平方向の曲げ剛性よりも曲げ剛性が低くなり変形部として機能する捻り部２０１Ｄを設けたので、駆動時の熱変形に対するリボンボンド接合部に生じる引き剥がす力を低減し、電力用半導体装置の信頼性を向上させることができる。
さらに接合対象となる半導体素子３および端子８の接合位置を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに対してリボンボンド２０１の両端部２０１ｊＡと２０１ｊＢの長さ方向ＤＡ、ＤＢを所定角度θＡ、θＢ傾けて接続することにより、中間部分２０１Ｗにおいて長さ方向が電極面３ｓと平行な面内での直線ＰＡ−ＰＢに垂直な方向の成分を持つことになるので、ＰＡ−ＰＢに対して垂直な方向の変位による接合部に加わる応力をより柔軟に吸収できる。
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置の場合、リボンボンド２０１の両端部２０１ｊＡ、２０１ｊＢでのリボン材における長さ方向を接合位置間の直線ＰＡ−ＰＢに対して所定角度をつけて接合するようにしたので、リボン材自身に捻り加工をしなくても、自然に捻り部２０１Ｄを形成することができる。そして、接合部の角度θＡ、θＢを大きくするほど、つまり、捻り部２０１Ｄでの曲がりを大きく（角度を鋭く）するほど、実施の形態１の図１（ｃ）で示したθＤに相当する捻り角が９０度に向けて大きくなり、ＰＡ−ＰＢに対して垂直な方向の変位による接合部に加わる応力をより柔軟に吸収できる。一方、接合部の角度θＡ、θＢを大きくすると接合部においてリボンボンド２０１の端部２０１ｊＡおよび２０１ｊＢの扁平方向における直線ＰＡ−ＰＢ方向の内側に位置する部分を浮き上がらせようとする力が強くなるので、接合部の角度θＡとθＢは、４５度以下に抑えることが好ましい。また、角度θＡとθＢは、同程度にすることが好ましい。なお、接合部の角度によって自然に形成された捻りに対し、追加工を行って捻り角度を調整してもよい。
以上のように、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置によれば、リボンボンド２０１の両端部２０１ｊＡ、２０１ｊＢでは、電極面３ｓに平行な面内において当該リボン材の長さ方向が、直線ＰＡ−ＰＢに対して傾いているように構成したので、当該リボン材の断面の扁平方向が電極面３ｓに対して傾いている捻り部２０１Ｄを自然に形成することができる。さらに、長さ方向ＤＡ、ＤＢが直線ＰＡ−ＰＢと所定角度θＡ、θＢ傾けて接続することにより、容易に変形できるリボンの長さ方向が電極面３ｓに平行な面内（ｘｙ面）でθＡとθＢの合計分の角度範囲の方向を向くことになるので、中間部分２０１Ｗにおいて長さ方向が電極面３ｓと平行な面内での直線ＰＡ−ＰＢに垂直な方向の成分を持つことになり、より効率的に変位を吸収して応力を緩和することができる。
実施の形態３．
本実施の形態３にかかる電力用半導体装置では、実施の形態１に対してリボンボンドの変形部の形態が異なるものである。他の部分については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。図３は、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図３（ａ）は電力用半導体装置のうち、一つの半導体素子と当該半導体素子と電気接続される端子の周辺部として破線に示す四角部分を抜き出した上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるIIIb−IIIb線による切断面を示す断面図である。
図において、リボンボンド３０１は半導体素子３から端子８へのループの途中で一回転した箇所３０１Ｄを有する。このとき、リボンボンド３０１は、回転に際して、同じ面ＦＡが回路基板５の面内で重ならないよう、少なくともリボンボンドの幅Ｗ分の位置をずらすことになる。そのため、リボンボンド３０１は、いわゆるつるまきばねのような形態となり、接合位置間を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに平行な方向の変位はもちろんのこと、直線ＰＡ−ＰＢに対して垂直な方向の変位に対してもリボン材の断面の扁平方向の曲げ剛性よりも曲げ剛性が低くなり変形し易い。なお、図中では、回転している箇所３０１Ｄでの回転は一回転だけであるが２回転以上であっても、また複数の回転部を設けても同様の効果が得られる。
つまり、リボンボンド３０１の中間部分３０１Ｗに、電極面３ｓに平行で接合位置を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに垂直な方向に対して変形部として機能する回転部３０１Ｄを設けたので、リボンボンドネック部への直線ＰＡ−ＰＢに対して垂直な方向の変形に対するリボンボンドの曲げ剛性が低い箇所を有することになり、接合部への引き剥がす力を低減できる。さらに回転部３０１Ｄは、ばねのような働きをするので、どの方向に対しても、またねじれを伴う変位に対しても吸収できる。とくに、さらに接続している半導体素子３と端子８の高さが異なる場合には、半導体装置の熱変形により高さ方向（ｚ方向）での熱変形が生じやすくなるが、変形部である回転部３０１Ｄでは、高さ方向の変位の曲げ剛性も低いのでリボンボンド３０１を引き剥がす方向への負荷を低減し機械的な信頼性を向上させることができる。
以上のように、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置によれば、リボンボンド３０１の変形部３０１Ｄでは、当該リボン材を長さ方向に回転させているように構成したので、変形部３０１Ｄがつるまきばねのようにどの方向の変位に対しても効率よく変形し、応力を緩和することができる。
実施の形態４．
本実施の形態４にかかる電力用半導体装置では、実施の形態１に対してリボンボンドの両端部で接合面を変え、変形部を構成したものである。他の部分については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。図４は、本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図４（ａ）は電力用半導体装置のうち、一つの半導体素子と当該半導体素子と電気接続される端子の周辺部として破線に示す四角部分を抜き出した上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるIVb−IVb線による切断面を示す断面図である。
図において、リボンボンド４０１は半導体素子３に対して接合した面ＦＢと反対側の面ＦＡで端子８と接続したものである。そして、端部４０１ｊＡでの長さ方向ＤＡに対し、端部４０１ｊＢでの長さ方向ＤＢを９０度傾けるようにした。こうして、この二つの接合位置ＰＡとＰＢで接続することにより、リボンボンド４０１の中間部４０１Ｗにおいて、リボン材の断面における扁平方向の曲げ剛性よりも曲げ剛性が低くなり変形部として機能する捻り部４０１Ｄが形成される。捻り部４０１Ｄが形成されることにより、電極面３ｓに平行で接合位置間を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに垂直な方向の変位を吸収し、リボンボンドネック部への応力が緩和される。
また、容易に変形できるリボン材の長さ方向が電極面３ｓに平行な面内（ｘｙ面）でθＡとθＢの合計分の角度範囲の方向を向くことになるので、電極面３ｓに平行でＰＡ−ＰＢ方向に垂直な方向の変位に対し、曲げ剛性が低くなり変形し易くなる。とくに、端部４０１ｊＡでは面ＦＢ、端部４０１ｊＢでは面ＦＡというように、両端部でそれぞれ異なる面で半導体素子３、端子８と接合しているので、θＡとθＢの合計を１８０度まで大きくしても（θＡ、θＢをそれぞれ９０度以上にしても）リボンの端部４０１ｊＡおよび４０１ｊＢの直線ＰＡ−ＰＢ方向の内側に位置する部分を浮き上がらせようとする力が強くならないので、長さ方向が存在する角度範囲が広くなり、回路基板５の面に平行な方向での変位に対し広範囲に応力緩和効果を発揮できる。
また、捻り部４０１Ｄは、反回転ではあるが回転要素も有しているので、実施の形態３と同様に高さ方向の変位にも曲げ剛性に低い箇所が存在することから接合部への負荷を低減できる。また、実施の形態３と異なり、電極面３ｓに平行な面内で接合位置を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに対して片側にしかリボンが広がらないことから、実施の形態３に比べて設置面積の削減が可能となる。
以上のように、本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置によれば、リボンボンド４０１は、半導体素子３の電極面３ｓと接合される面ＦＢと異なる面ＦＡが端子８に接合されているように構成したので、電極面３ｓに平行な面内で接合位置間を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに垂直な方向の変位を吸収し、リボンボンドネック部への応力を効果的に緩和できる変形部４０１Ｄを無理なく形成することができる。
なお、本実施の形態のように両端部で異なる面を接合させる方法は、実施の形態３における回転部を作成する場合にも応用できる。この場合、回転数は１回転半や２回転半のように半回転分を有し、両端部がほぼ同じ向きを向くことになる。
実施の形態５．
本実施の形態５にかかる電力用半導体装置では、実施の形態１に対して接合対象である端子の接続部の方向を傾けることで、リボンボンドに変形部を形成するものである。他の部分については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。図５は、本発明の実施の形態５にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図５（ａ）は電力用半導体装置のうち、一つの半導体素子と当該半導体素子と電気接続される端子の周辺部として破線に示す四角部分を抜き出した上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるVb−Vb線による切断面を示す断面図である。
図において、電力用半導体装置の端子５０８は、リボンボンドとの接合部である接続面５０８ｓが、Ｚ方向成分を含むように直線ＰＡ−ＰＢを軸に傾き、Ｚ軸に平行になって、いわゆる側面に形成されている。リボンボンド５０１と端子５０８を除く電力用半導体装置の他の部分については、上述した各実施の形態と同様である。そして、リボンボンド５０１は半導体素子３の電極面３ｓにおいて、リボン材の長さ方向ＤＡが接合位置を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに沿うように面ＦＢ側を接続し、中間部分５０１Ｗにおいて９０度捻ねった捻り部５０１Ｄにより、面ＦＢをｚ軸に平行にさせた状態で、長さ方向ＤBが接合位置を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに沿うように面ＦＢ側を端子５０８の接続面５０８ｓに接続している。そのため、変形部として機能する捻り部５０１Ｄは、ＰＡ−ＰＢ方向に垂直な方向の変形に対してリボン材の断面における扁平方向の曲げ剛性よりも曲げ剛性が低くなる。
こうして、電極面３ｓに平行な面内で、接合位置を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに対して垂直な方向の変形をリボン材の断面における扁平方向の曲げ剛性よりも曲げ剛性の低い変形部５０１Ｄが吸収するので、リボンボンドネック部や接合部への引き剥がす力を低減できる。
なお、本実施の形態では、面５０８ｓをｚ軸に垂直にしたので、変形部である捻り部５０１Ｄは、リボンの長さ方向を軸に９０度捻られているが、それに限定されることはなく、面５０８ｓに高さ方向であるｚ軸方向の成分を有していれば、別の角度(例えば３０度や４５度など)で捻るような構成になってもよい。また、本実施の形態では、接続面５０８ｓに対しリボンボンド５０１の面ＦＢ側を接続するようにしたが、面ＦＡ側を接続するようにしてもよく、また両端部５０１ｊＡと５０１ｊＢにおける長さ方向ＤＡとＤＢが平行になっていなくても、曲げ剛性を低くし、変形部として機能する捻り部を形成することができる。
以上のように、本発明の実施の形態５にかかる電力用半導体装置によれば、端子５０８は、リボンボンド５０１との接合部である接合面５０８ｓが直線ＰＡ−ＰＢを軸に電極面３ｓに対して傾いて形成されるように構成したので、リボンボンド５０１に、当該リボン材の断面の扁平方向が電極面３ｓに対して傾いている変形部５０１Ｄを容易に形成でき、電極面３ｓに平行で接合位置を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢに対して垂直な方向の変形を変形部５０１Ｄが吸収するので、リボンボンドネック部や接合部への引き剥がす力を低減できる。
なお、上記各実施の形態においては、スイッチング素子（トランジスタ）や整流素子（ダイオード）として機能する半導体素子３には、炭化ケイ素によって形成されたものを示したが、これに限られることはなく、一般的に用いられているケイ素（Ｓｉ）で形成されたものであってもよい。しかし、ケイ素よりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、以下に述べるように本発明による効果をより一層発揮することができる。
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子や整流素子（各実施の形態における半導体素子３）は、ケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子や整流素子における高効率化が可能であり、ひいては、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子や整流素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子や整流素子を用いることにより、電力用半導体装置も小型化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。
一方、上記のように高温動作する場合は停止・駆動時の温度差が大きくなり、さらに、高効率・小型化によって、単位体積当たりに扱う電流量が大きくなる。そのため経時的な温度変化や空間的な温度勾配が大きくなり、半導体素子や端子間の変位も大きくなる可能性がある。しかし、本発明のようにリボンボンドに設けた変形部が、温度変化による変位を吸収してくれるので、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かして、小型化や高効率化を進めても信頼性の高い電力用半導体装置を得ることが容易となる。つまり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。
なお、スイッチング素子及び整流素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。その場合、素子の種類によって動作温度を変えるような制御を行ったとしても、素子間の温度差に起因する変位を変形部が吸収してくれるので、電力用半導体装置の信頼性を向上させることができる。
１ リボンボンド（１Ｄ 変形部、１ｊＡ，１ｊＢ 端部、１Ｗ 中間部）、 ２ 筐体、 ３ 半導体素子（３ｓ 電極面（ソース電極面））、 ４ ダイボンド材、 ５ 回路基板（５ｉ 絶縁性の基板、 ５ｃ１，５ｃ２ 電極） ７ ベース板、 ８ 端子。
ＤＡ、ＤＢ 端部における長さ方向の向き、 ｔ リボン厚み、 Ｗ リボン幅、 θＤ 電極面に対する扁平方向の傾き、 θＡ、θＢ 接合部を結ぶ直線に対する長さ方向の傾き。
１００位の数字は変形例を示す。

Claims (6)

  1. 電極面が形成された半導体素子と、
    前記半導体素子から離れて配置された端子と、
    断面が扁平のリボン材からなり、長さ方向の両端部における幅広の面がそれぞれ前記半導体素子の電極面と前記端子とに接合されたリボンボンドと、を備え、
    前記リボンボンドは、前記半導体素子の電極面と前記端子の接合部とを結ぶ直線に垂直で前記電極面に平行な方向の曲げ応力に対し、当該リボン材の断面の扁平方向に対する曲げ剛性よりも曲げ剛性の低い変形部を有することを特徴とする電力用半導体装置。
  2. 前記リボンボンドの変形部では、当該リボン材の断面の扁平方向が前記電極面に対して傾いていることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
  3. 前記リボンボンドの変形部では、当該リボン材を長さ方向に回転させていることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
  4. 前記リボンボンドの両端部では、当該リボン材の長さ方向が、前記電極面に平行な面内において前記直線に対して傾いていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  5. 前記リボンボンドは、前記半導体素子の電極面と接合される面と異なる面が前記端子に接合されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  6. 前記端子は、前記リボンボンドとの接合部が前記直線を軸に前記電極面に対して傾いて形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
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