JP2023027849A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性を向上させた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、ベース部材と、半導体素子と、第1金属ワイヤと、第2金属ワイヤと、を備える。前記ベース部材は、第1金属パッドと、第2金属パッドと、を含み、前記第1金属パッドおよび前記第2金属パッドは、前記ベース部材の表面に沿って、相互に離間して並ぶ。前記半導体素子は、前記第1金属パッド上にマウントされ、前記第1金属パッドとは反対側の表面に設けられた第1電極を有する。前記第1金属ワイヤは、前記半導体素子の前記第1電極上にボンディングされる。前記第2金属ワイヤは、前記第1金属ワイヤ上にボンディングされた第1端部と、前記第2金属パッド上にボンディングされた第2端部と、を含む。前記第1金属ワイヤは、前記第2金属パッドには接続されない。【選択図】図1
Description
実施形態は、半導体装置に関する。
電力制御用のパワーモジュールに内蔵される半導体チップは、電気抵抗の小さい銅ワイヤを用いて実装することが好ましい。しかしながら、銅ワイヤは、例えば、アルミニウムワイヤに比べて硬度が高く、半導体チップにボンディングダメージを与える恐れがある。
実施形態は、信頼性を向上させた半導体装置を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、ベース部材と、半導体素子と、第1金属ワイヤと、第2金属ワイヤと、を備える。前記ベース部材は、第1表面と、前記第1表面とは反対側の第2面と、を有し、前記第1金属パッドおよび前記第2金属パッドは、前記第1表面上に相互に離間して並ぶ。前記半導体素子は、前記第1金属パッド上にマウントされ、前記第1金属パッドとは反対側の表面に設けられた第1電極を有する。前記第1金属ワイヤは、前記半導体素子の前記第1電極上にボンディングされる。前記第2金属ワイヤは、前記第1金属ワイヤ上にボンディングされた第1端部と、前記第2金属パッド上にボンディングされた第2端部と、を含む。前記第1金属ワイヤは、前記第2金属パッドには接続されない。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
さらに、各図中に示すX軸、Y軸およびZ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。X軸、Y軸、Z軸は、相互に直交し、それぞれX方向、Y方向、Z方向を表す。また、Z方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
図1は、実施形態に係る半導体装置1を示す模式断面図である。半導体装置1は、例えば、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウムなどを材料とするスイッチング素子を含む。
図1に示すように、半導体装置1は、半導体素子10と、ベース部材20と、第1金属ワイヤ30と、第2金属ワイヤ40と、を備える。半導体素子10は、例えば、ショットキダイオードである。
ベース部材20は、例えば、絶縁部材21と、第1金属パッド23と、第2金属パッド25と、金属膜26と、を含む。絶縁部材21は、例えば、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムを含むセラミック部材である。第1金属パッド23および第2金属パッド25は、例えば、銅を含む金属膜である。金属膜26は、例えば、銅を含む。
ベース部材20は、例えば、第1表面20aと、第2表面20bと、を有する。第2表面20bは、第1表面20aの反対側に位置する。第1表面20aおよび第2表面20bは、例えば、絶縁部材21の表面である。第1金属パッド23および第2金属パッド25は、絶縁部材21の第1表面20a上に、相互に離間して設けられる。金属膜26は、絶縁部材21の第2表面20b上に設けられる。
半導体素子10は、第1金属パッド23上にマウントされる。半導体素子10は、第1金属パッド23とは反対側の表面に、第1電極13(図2(a)参照)を有する。第1電極13は、例えば、アノード電極である。第1電極13は、例えば、アルミニウムを含む。
図1に示すように、第1金属ワイヤ30は、半導体素子10の第1金属パッド23とは反対側の表面上にボンディングされる。第1金属ワイヤ30は、例えば、第1電極13上にボンディングされる。第1金属ワイヤ30は、例えば、アルミニウムワイヤである。
第2金属ワイヤ40は、第1金属ワイヤ30上にボンディングされる。第2金属ワイヤは、第1端部40aと、第2端部40bと、を有する。第1端部40aは、第1金属ワイヤ30上にボンディングされる。第2端部40bは、第2金属パッド25上にボンディングされる。言い換えれば、半導体素子10は、第2金属ワイヤ40を介して、第2金属パッド25に電気的に接続される。第2金属ワイヤ40は、例えば、銅ワイヤである。
図2(a)および(b)は、実施形態に係る半導体装置1の実装過程を示す模式断面図である。図2(a)は、第1金属ワイヤ30のボンディング過程を表す断面図である。図2(b)は、第2金属ワイヤ40のボンディング過程を表す断面図である。
半導体素子10は、例えば、第1金属パッド23に向き合う裏面上に設けられる裏面電極14をさらに有する。裏面電極14は、例えば、カソード電極である。裏面電極14は、例えば、図示しない導電性の接続部材を介して第1金属パッド23に電気的に接続される。
図2(a)に示すように、第1金属ワイヤ30は、半導体素子10の第1電極13上にボンディングされる。第1金属ワイヤ30は、例えば、ウェッジボンディングにより第1電極13に接続される。第1電極13は、例えば、第1金属ワイヤ30の材料と同じ材料を含む。第1電極13は、例えば、アルミニウム電極である。
第1金属ワイヤ30は、例えば、ルーピングを有する形状に設けられ、第1電極13上の2か所にボンディングされる。さらに、第1金属ワイヤ30は、第1電極13上で切断され、半導体素子10の外側に延出しないように設けられる。第1金属ワイヤ30は、第2金属パッド25には接続されない。
第1金属ワイヤ30は、例えば、第1端30aおよび第2端30bを有する。第1端30aおよび第2端30bは、例えば、ウェッジツールWTにより押しつぶされ、第1電極13に接続される。
図2(b)に示すように、第2金属ワイヤ40を半導体素子10および第2金属パッド25にボンディングする。第2金属ワイヤ40は、例えば、ウェッジボンディングにより、第1金属ワイヤ30を介して、半導体素子10に接続される。また、第2金属ワイヤ40は、第2金属パッド25にも接続される。
第2金属ワイヤ40は、第1端部40aおよび第2端部40bを有する。第1端部40aは、ルーピングを有する形状に設けられ、第1電極13上の2か所に接続される。第1端部40aのルーピングは、第1金属ワイヤ30のルーピングよりも高く設けられる。第1端部40aは、例えば、第1金属ワイヤ30の第1端30aおよび第2端30bの上にボンディングされる。一方、第2端部40bは、第2金属パッド25上にボンディングされる。
実施形態は、例えば、アルミニウムワイヤおよび銅ワイヤに限定される訳ではなく、第1金属ワイヤ30は、例えば、第2金属ワイヤ40の材料よりも低い硬度の材料を含む。また、第1電極30は、第2金属ワイヤ40の材料よりも低い硬度の材料を含む。
例えば、第2金属ワイヤ40を第1金属ワイヤ30を介さずに、第1電極13に直接ボンディングする場合、半導体素子10に与えるボンディングダメージは、第1金属ワイヤ30を第1電極13にボンディングする場合のダメージに比べて大きくなる。したがって、半導体素子10と第2金属ワイヤ40との間に第1金属ワイヤ30を介在させることにより、ボンディング時に半導体素子10に加わる衝撃を軽減し、半導体素子10に与えるボンディングダメージを低減することができる。これにより、半導体装置1の信頼性を向上させることができる。
図3は、実施形態の変形例に係る半導体装置2を示す模式平面図である。図3は、半導体素子10、第2金属パッド25および第3金属パッド27を表す平面図である。この例では、半導体素子10は、MOSFETもしくはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。
ベース部材20(図1参照)は、さらに、第3金属パッド27を含む。第3金属パッド27は、第1金属パッド23および第2金属パッド25と共に、絶縁部材21の表面上に設けられる。第3金属パッド27は、第1金属パッド23および第2金属パッド25から離間して設けられる。
半導体素子10は、第1電極13と、第2電極15と、を含む。第1電極13は、例えば、ソース電極またはエミッタ電極である。第2電極15は、例えば、制御パッドである。第2電極15は、例えば、第1電極13と半導体層(図示しない)との間に設けられるゲート電極(図示しない)に電気的に接続される。また、半導体素子10は、例えば、裏面側(図示しない)に、ドレイン電極またはコレクタ電極を有する。
図3に示すように、第1金属ワイヤ30は、第1電極13上にボンディングされる。第1金属ワイヤ30は、第1端30aおよび第2端30bを有する。第1金属ワイヤ30は、第1端30aと第2端30bとの間にルーピングを有し、第1端30aおよび第2端30bは、第1電極13に接続される。また、第1金属ワイヤ30は、例えば、第1電極13上で切断され、第1電極13の外側に延出しないように設けられる。
第2金属ワイヤ40は、第1端部40aと第2端部40bとを有する。第1端部40aは、ルーピングを有し、第1金属ワイヤ30の第1端30aおよび第2端30bの上にボンディングされる。一方、第2端部40bは、第2金属パッド25上にボンディングされる。第2金属ワイヤ40は、第1金属ワイヤ30を介して第1電極13に電気的に接続され、第2金属パッド25にも電気的に接続される。
図3に示すように、第1金属ワイヤ30と第2金属ワイヤ40とのペアは、複数設けられても良い。この例でも、第1金属ワイヤ30は、第2金属ワイヤ40の硬度よりも低い硬度を有する。また、第1金属ワイヤ30は、第2金属パッド25に接続されない。
第2金属ワイヤ40を第1金属ワイヤ30上にボンディングすることにより、第2金属ワイヤ40のボンディング時において半導体素子10に加わる衝撃を緩和し、半導体素子10に与えるボンディングダメージを低減することができる。
第2電極15は、第3金属ワイヤ50を介して、第3金属パッド27に電気的に接続される。第3金属ワイヤ50は、第1端部50aおよび第2端部50bを有する。第1端部50aは、第2電極15上にボンディングされる。第2端部50bは、第3金属パッド27上にボンディングされる。
第3金属ワイヤ50は、第1金属ワイヤ30と同じ材料を含む。第3金属ワイヤ50は、例えば、アルミニウムワイヤである。第2電極15と第3金属パッド27との間には、例えば、第1電極13と第2金属パッド25との間に流れるような大電流が流れることはない。したがって、第1金属ワイヤ30と同じ材料を第3金属ワイヤ50に用いることができる。第3金属ワイヤ50は、例えば、第1金属ワイヤ30と同じ工程において、第2電極15および第3金属パッド27にボンディングされる。
図4は、実施形態の別の変形例に係る半導体装置3を示す模式平面図である。図4は、半導体素子10、第2金属パッド25および第3金属パッド27を表す平面図である。この例でも、半導体素子10は、MOSFETもしくはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。
図4に示すように、第1電極13は、第2金属ワイヤ40を介して、第2金属パッド25に電気的に接続される。第2金属ワイヤ40は、第1金属ワイヤ30を介して、第1電極13上にボンディングされる。第1金属ワイヤ30は、第1電極13上で切断され、第1電極13の外側に延出しない。また、第1金属ワイヤ30が第2金属パッド25に接続されることはない。
半導体装置3は、第4金属ワイヤ60を備える。第4金属ワイヤ60は、第2電極15と第3金属パッド27とを電気的に接続する。第4金属ワイヤ60は、第2金属ワイヤ40と同じ材料を含む。第4金属ワイヤ60は、例えば、銅ワイヤである。
第4金属ワイヤ60は、第1端部60aと第2端部60bとを有する。第1端部60aは、例えば、緩衝材55を介して、第2電極15上にボンディングされる。第2端部60bは、第3金属パッド27上にボンディングされる。
緩衝材55は、第4金属ワイヤ60の硬度よりも低い硬度を有する。緩衝材55は、例えば、第1金属ワイヤ30と同じ材料を含む。緩衝材55は、例えば、アルミニウムを含む。緩衝材55は、例えば、ウェッジボンディングにより金属ワイヤを第2電極15に接続した後、第2電極15上において、金属ワイヤを切断することにより設けられる。
この例でも、緩衝材55を設けることにより、第2電極15上に第4金属ワイヤ60をボンディングする際に半導体素子10に加わる衝撃を緩和し、半導体素子10に与えるボンディングダメージを低減することができる。
図5は、実施形態のさらなる別の変形例に係る半導体装置4を示す模式平面図である。図5は、半導体素子10、第2金属パッド25および第3金属パッド27を表す平面図である。この例でも、半導体素子10は、MOSFETもしくはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。
図5に示すように、第1電極13は、第2金属ワイヤ40を介して、第2金属パッド25に電気的に接続される。第2金属ワイヤ40は、緩衝部材33aおよび33bを介して、第1電極13上にボンディングされる。緩衝部材33aおよび33bは、例えば、金属ワイヤをウェッジボンディングにより第1電極13に接続した後、その金属ワイヤを第1電極13上において切断することにより設けられる。緩衝材33aおよび33bは、第2金属ワイヤ40の硬度よりも低い硬度を有する。緩衝材33aおよび33bは、例えば、アルミニウムを含む。
第2電極15は、第3金属ワイヤ50を介して、第3金属パッド27に電気的に接続される。第3金属ワイヤ50は、第2電極上にボンディングされる第1端部50aと、第3金属パッド27上にボンディングされる第2端部50bを有する。第3金属ワイヤ50は、緩衝材33aおよび33bと同じ材料を含む。第3金属ワイヤ50は、例えば、アルミニウムワイヤである。
この例でも、緩衝材33aおよび33bの上に第2金属ワイヤ40の端部をボンディングすることにより半導体素子10に加わる衝撃を緩和し、半導体素子10に与えるボンディングダメージを低減することができる。
図6は、実施形態の他の変形例に係る半導体装置5を示す模式平面図である。図6は、半導体素子10、第2金属パッド25および第3金属パッド27を表す平面図である。この例でも、半導体素子10は、MOSFETもしくはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。半導体装置5は、第2金属ワイヤ40に代えて、第5金属ワイヤ43と、第6金属ワイヤ45と、を備える。
図6に示すように、第1金属ワイヤ30は、第1電極13上にボンディングされる。第1金属ワイヤ30は、第1端30aと第2端30bとの間にルーピングを有し、第1端30aおよび第2端30bは、第1電極13に接続される。また、第1金属ワイヤ30は、第1電極13の外側に延出しないように設けられる。
第5金属ワイヤ43は、第1金属ワイヤ30の第1端30a上にボンディングされる端部と、第2金属パッド25上にボンディングされる端部と、を有する。第6金属ワイヤ45は、第1金属ワイヤ30の第2端30b上にボンディングされる端部と、第2金属パッド25上にボンディングされる端部と、を有する。第5金属ワイヤ43および第6金属ワイヤは、第1電極13と第2金属パッド25とを電気的に接続する。
図6に示すように、第1金属ワイヤ30、第5金属ワイヤ43および第6金属ワイヤ45の組は、複数設けられても良い。第1金属ワイヤ30は、第5金属ワイヤ43および第6金属ワイヤ45の硬度よりも低い硬度を有する。第5金属ワイヤ43および第6金属ワイヤ45は、例えば、銅ワイヤである。
この例でも、第5金属ワイヤ43および第6金属ワイヤ45を第1金属ワイヤ30上にボンディングすることにより、半導体素子10に加わる衝撃を緩和し、半導体素子10に与えるボンディングダメージを低減することができる。
第2電極15は、第3金属ワイヤ50を介して、第3金属パッド27に電気的に接続される。第3金属ワイヤ50は、第2電極15上にボンディングされる第1端部50aと、第3金属パッド27上にボンディングされる第2端部50bを有する。
図7は、実施形態に係るパワーモジュール6を示す模式断面図である。パワーモジュール6は、例えば、半導体装置2を内蔵した電力変換器である。半導体装置2は、例えば、ケース120の内部に配置される。
この例では、半導体装置2のベース部材20は、第1金属パッド23および第2金属パッド27を含む。半導体素子10は、裏面側を第1金属パッド23に向けてマウントされる。半導体素子10の裏面側の電極は、例えば、導電性のダイマウント材17を介して第1金属パッド23に電気的に接続される。
ベース部材20は、例えば、はんだ材135を介して放熱板130上にマウントされる。はんだ材135は、ベース部材20の裏面と放熱板130を接続する。放熱板130は、例えば、銅を含む金属板である。半導体装置2の動作中に生じる熱は、ベース部材20および放熱板130を介して外部に放散される。
ケース120は、放熱板130および半導体装置2を囲むように設けられる。ケース120の底部は、放熱板130に接する。
ケース120は、接続端子123および125を有する。ケース120の内部に配置された半導体装置2は、接続端子123および125を介して、外部回路に電気的に接続される。
接続端子123は、例えば、第2金属ワイヤ40を介して半導体素子10の第1電極13に電気的に接続される(図3参照)。第2金属ワイヤ40は、第1金属ワイヤ30を介して、第1電極13上にボンディングされる。
接続端子125は、例えば、第5金属ワイヤ70を介して、ベース部材20の第1金属パッド23に電気的に接続される。すなわち、接続端子125は、第5金属ワイヤ70および第1金属パッド23を介して、半導体素子10の裏面側の電極に電気的に接続される。
さらに、半導体素子10の第2電極15(図3参照)は、例えば、第3金属ワイヤ50を介して、ベース部材20の第3金属パッド27に電気的に接続される。第3金属パッド27は、ケース120に設けられた制御信号端子(図示しない)に電気的に接続される。
半導体装置2は、例えば、ゲル状の絶縁部材140に浸漬される。絶縁部材140は、ケース120および放熱板130により囲まれた空間に充填される。さらに、ケース120および放熱板130により囲まれた空間は、ケース120の上端に接続された蓋150により密閉される。
パワーモジュール6では、接続端子123と接続端子125との間に大電流が流れる。このため、第1金属ワイヤ40として、例えば、銅ワイヤを用いることが好ましい。さらに、第2金属ワイヤ40を、第1金属ワイヤ30を介して第1電極13上にボンディングすることにより、第1電極13と接続端子123との間の電気的接続の信頼性を向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1、2、3、4、5…半導体装置、 6…パワーモジュール、 10…半導体素子、 13…第1電極、 14…裏面電極、 15…第2電極、 17…ダイマウント材、 20…ベース部材、 20a…第1表面、 20b…第2表面、 21、140…絶縁部材、 23…第1金属パッド、 25…第2金属パッド、 26…金属膜、 27…第3金属パッド、 30…第1金属ワイヤ、 30a…第1端、 30b…第2端、 40…第2金属ワイヤ、 40a、50a、60a…第1端部、 40b、50b、60b…第2端部、 50…第3金属ワイヤ、 55…緩衝材、 60…第4金属ワイヤ、 70…第5金属ワイヤ、 120…ケース、 123、125…接続端子、 130…放熱板、 135…はんだ材、 150…蓋、 WT…ウェッジツール
Claims (7)
- 第1金属パッドと、第2金属パッドと、を含むベース部材であって、前記ベース部材は、第1表面と、前記第1表面とは反対側の第2面と、を有し、前記第1金属パッドおよび前記第2金属パッドは、前記第1表面上に相互に離間して並ぶ、ベース部材と、
前記第1金属パッド上にマウントされ、前記第1金属パッドとは反対側の表面上に設けられた第1電極を有する半導体素子と、
前記半導体素子の前記第1電極上にボンディングされた第1金属ワイヤと、
前記第1金属ワイヤ上にボンディングされた第1端部と、前記第2金属パッド上にボンディングされた第2端部と、を含む第2金属ワイヤと、
を備え、
前記第1金属ワイヤは、前記第2金属パッドには接続されない半導体装置。 - 前記第2金属ワイヤの硬度は、前記第1金属ワイヤの硬度よりも高い請求項1記載の半導体装置。
- 前記第1金属ワイヤは、アルミニウムを含み、
前記第2金属ワイヤは、銅を含む請求項2記載の半導体装置。 - 前記第2金属ワイヤの硬度は、前記半導体素子の前記第1電極の硬度よりも高い請求項1~3のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記半導体素子に接続された第3金属ワイヤをさらに備え、
前記ベース部材は、前記第1表面上において、前記第1金属パッドおよび前記第2金属パッドに並ぶ第3金属パッドをさらに含み、
前記半導体素子は、その前記表面上に設けられ、前記第1電極から離間した第2電極をさらに含み、
前記第2電極は、前記第3金属ワイヤを介して前記第3金属パッドに電気的に接続される請求項1~4に記載の半導体装置。 - 前記第3金属ワイヤは、前記第1金属ワイヤと同じ材料を含む請求項5記載の半導体装置。
- 前記第2電極上にボンディングされた緩衝部材をさらに備え、
前記第3金属ワイヤは、前記緩衝部材を介して、前記第2電極にボンディングされ、
前記第3金属ワイヤは、前記第2金属ワイヤと同じ材料を含み、
前記緩衝部材は、前記第1金属ワイヤと同じ材料を含む請求項5記載の半導体装置。
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