JP4881752B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置製造方法に関し、特に、半導体チップの表裏のチップ面に備えられた電極の一方の電極に複数のワイヤを接続し両チップ面の電極間に電流を流すパワー半導体装置であってチップ面での温度分布を中央部と周辺部で均一化した半導体装置製造方法に関する。
例えば自動車では、搭載された多数の電気機器に必要な電力を供給するために電力系電気回路が設けられている。この電力系電気回路では、多くのパワー半導体装置が使用されている。パワー半導体装置の一例としてIGBTがある。IGBTはスイッチング素子として使用される半導体装置であり、その等価回路はバイポーラトランジスタとMOSFETを並列接合した電気回路で表現される。IGBTの半導体素子(以下「半導体チップ」または「チップ」とも記す)は表裏のチップ面を有し、IGBTがオンしたとき表裏の方向(縦方向)に電流が流れる。IGBTは、例えば表面から見ると、同一の構造を半導体構造を有する複数のチップ要素に分離されており、IGBTはこれらの複数のチップ要素の集合体として構成されている。IGBTでは、複数のチップ要素のそれぞれがスイッチング素子として機能し、全体としてオン・オフする。
上記のIGBTでは、複数のチップ要素のそれぞれに対応して、その表裏の両チップ面のいずれか一方のチップ面に複数本の通電用ワイヤが接続されている。
上記IGBT等のパワー半導体装置では、半導体装置がオン動作して半導体装置で通電状態が生じた時に、通電による発熱が偏在し、チップ面上での温度分布の不均一化の問題が提起される。
パワー半導体装置での温度分布の不均一を解決する従来技術として特許文献1に記載されたパワー半導体モジュールが存する。このパワー半導体モジュールでは、熱拡散部材を付設することにより、パワー半導体チップの温度分布を均一化している。また一般的な半導体装置に関してその放熱性を高めるための従来技術として特許文献2,3に記載された半導体装置が存する。
特開2000−307058号公報 特開2003−224234号公報 特開2003−163314号公報
従来のIGBTでの複数本のワイヤの配線およびチップ面への接続(ワイヤボンド)に関する実装レイアウトでは、当該チップ面上において均一な位置関係に基づく配置となるように設計されていた。そのため、IGBTがオン動作し、IGBTに電流が流れると、チップから熱を逃がす放熱性、ワイヤ配列のバランスから、IGBTのチップ面の中央部での発熱が高熱化して温度が高くなり、周辺部で温度が低くなるという温度分布の不均一化が生じていた。この問題は、前述した特許文献1〜3のいずれの発明によって解決することはできない。このようなIGBT等のパワー半導体装置でのチップ中央部での高熱化は、当該パワー半導体装置のパワーサイクル寿命を短くしていた。
本発明の目的は、上記の課題を解決することにあり、IGBT等のパワー半導体装置においてチップ面内の発熱による温度分布を均一化し、パワーサイクル寿命の向上を企図した半導体装置製造方法を提供することにある。
本発明に係る半導体装置製造方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。
第1の半導体装置の製造方法(請求項に対応)は、半導体チップの一方のチップ面の電極に均一な配置で接続された複数のワイヤと、半導体チップの他方のチップ面の電極との間に、所定の電力条件で通電を行ったときの半導体チップのチップ面の温度分布を計測する第1のステップと、半導体チップのチップ面を少なくとも2つの区画に分ける第2のステップと、温度分布と所定の電力条件の値に基づいて区画ごとの熱抵抗分布を求める第3のステップと、熱抵抗分布と半導体チップの順方向特性に基づいて、半導体チップの温度分布が均一になるように区画単位のワイヤ抵抗値を求める第4のステップと、ワイヤ抵抗値と一致するように電子線照射によって区画のいずれかに対応する前記半導体チップの順方向特性を変更する第5のステップと、を有する方法である。
の半導体装置の製造方法(請求項に対応)は、上記の方法において、好ましくは、少なくとも2つの区画は、チップ面の中央部と周辺部であり、電子線照射によって半導体チップにおける中央部の順方向特性を周辺部の順方向特性よりも高くしたことで特徴づけられる。
本発明によれば、次の効果を奏する。
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、パワー半導体装置の半導体チップへの通電用ワイヤの実装でチップ面の温度分布を最適にすることができ、ワイヤの剥離・劣化が少なく、寿命の長いパワー半導体装置を製造することができる。
以下に、本発明の好適な実施形態(実施例)を添付図面に基づいて説明する。
図1〜図3を参照して本発明に係る半導体装置の実施形態について説明する。この半導体装置はパワー半導体装置である。図1は本実施形態に係る半導体装置の簡略的な斜視図を示し、図2はIGBT素子の平面図を示し、図3はIGBT素子の実装部分の縦断面図を示す。図3において、厚み方向の寸法は説明の便宜上誇張して拡大して描いており、実際のものとは異なっている。
例えば自動車に搭載されるパワー半導体装置はモジュール化されて構成されている。自動車に搭載されたモータを駆動するためのインバータ装置に用いられるブリッジ回路は、1つの例えばIGBT素子と1つのダイオード素子から成る電気回路を単位回路として構成される。この単位回路は、ブリッジ回路のハイサイド(高圧側)とローサイド(低圧側)のそれぞれに設けられる。ハイサイドおよびローサイドの上記単位回路によってパワー半導体モジュールが形成される。
図1は、モジュール化された半導体装置10を示している。半導体装置10は2つの構成部分10A,10Bを備えている。2つの構成部分10A,10Bの各々は、単位回路として構成されており、IGBT素子11とダイオード素子12が基板部13上に配置されている。2つの構成部分10A,10Bの各々も実質的には1つの半導体装置として構成されている。半導体装置10の全体のイメージは二点鎖線で示されている。半導体装置10のケースや樹脂モールド部分の図示は省略している。基板部13は、後述するようにさらに複数の各種の基板から形成されている。基板部13上には少なくとも1つの電極14が設けられ、これらの電極14とIGBT素子11とダイオード素子12とその他の図示しない電極との間は、多数のワイヤ15により接続されている。図1に示されたワイヤ接続のレイアウトは図示のための便宜上の一例であり、簡素化して示されている。上記のIGBT素子11とダイオード素子12はそれぞれ半導体チップを成している。
上記IGBT素子11は、図1において上側(表側)と下側(裏側)と間でチップの厚み方向に通電が行われる構造となっている。本実施形態に係るIGBT素子11は縦型DMOS構造を有し、IGBT素子11のチップ全体は横方向にて複数のチップ要素に分割されている。そのためIGBT素子11の表裏のチップ面では、複数のチップ要素に基づいて分割された面が形成されている。
IGBT素子11は、エミッタ、コレクタ、ゲートの3つの電極を備えている。IGBT素子11では、ゲートに印加される電圧に応じてエミッタ・コレクタの間に電流が流れる。図1に示されたIGBT素子11において、上側のチップ面(表面)にはエミッタ電極が設けられ、下側のチップ面(裏面)にはコレクタ電極が設けられている。また上側のチップ面には、上記のエミッタ電極と共に、ゲート電極も設けられている。
図2にIGBT素子11の平面図を示す。IGBT素子11はほぼ正方形の矩形チップ面を有している。IGBT素子11の上側のチップ面上には、例えば1つのゲート電極21と、例えば6つのエミッタ電極22−1〜22−6とが、形成されている。IGBT素子におけるエミッタ電極は本来的に1つの概念であるが、この実施形態に係る半導体装置10のIGBT素子11のエミッタ電極では、IGBT素子11のエミッタ電極を設けるべき箇所を6つの箇所の区画し、6つの領域のそれぞれにエミッタ電極22−1〜22−6を設けている。
前述のごとく縦型DMOS構造を有しかつチップ全体が複数のチップ要素に分割されたIGBT素子11では、矩形のチップ面のほぼ全体にわたって均一に分布して形成されたチップ要素のうち適宜な数のチップ要素を、6つのエミッタ電極22−1〜22−6のそれぞれに対応させて接続するようにしている。
IGBT素子11の上側のチップ面に接続される前述した複数のワイヤ15は、ゲート電極21に接続されるワイヤと、6つのエミッタ電極22−1〜22−6に接続されるワイヤを含む。これらのワイヤ15はワイヤボンディングによって対応する各電極に接続されている。この中で6つのエミッタ電極22−1〜22−6のそれぞれに接続されるワイヤ15は、IGBT素子11に通電用の電流を流すための電流路を形成している。本実施形態に係る半導体装置10によれば、6つのエミッタ電極22−1〜22−6のそれぞれに接続される複数のワイヤ15の実装のレイアウトに関して、後述するごとき所定の不均一配置の配線の仕方を採用したり、あるいはワイヤの断面積を接続場所に応じて相違させる等している。すなわち、チップ面上のエミッタ電極が占める面積領域における複数のワイヤ15の接続レイアウトに関して、後述する条件を満たす基準に基づいて、所要の不均一性を与える構造を採用するようにした。
図3に従って半導体装置10のIGBT素子11の実装部分の縦断面構造を説明する。IGBT素子11のチップは、AlN(窒化アルミニウム)基板31の上のAl(アルミニウム)パターン32上に実装されている。IGBT素子11はダイボンディングによりAlパターン32の上面に接合されている。符号33で示された層は基板部13上に形成された前述した電極14の1つであり、この電極33もAlパターンとして形成される。上記のAlN基板31はハンダ34によってベース部材35に接合されている。ベース部材35は銅で作られている。この銅ベース部材35はサーマルコンパウンド36を介してヒートシンク37に接合されている。ヒートシンク37はアルミニウムで作られており、その外側下面にはフィンが形成されている。サーマルコンパウンド36は、ベース部材35とヒートシンク37との間の熱結合を均一化しかつ当該熱結合を高めるための熱伝導剤である。
上記の構造において、IGBT素子11の上面(エミッタ電極等)と電極33との間には複数のワイヤ15が配線されている。IGBT素子11のエミッタ電極22−1〜22−6には、通電時には電極33およびワイヤ15を経由して通電用の電流が供給されことになる。
次に、本実施形態に係る半導体装置10の特徴的構成を説明する。半導体装置10の特徴的構成は、IGBT素子11のエミッタ電極22−1〜22−6に接続される複数のワイヤ15の通電時の発熱に起因する温度分布をチップ面の全体にわたって均一にするため、反対に、エミッタ電極22−1〜22−6に接続される複数のワイヤ15の接続の仕方に関して所要の不均一性を与えるようにした点にある。
まず、ワイヤ15の上記不均一性を説明する前に、半導体装置10のIGBT素子11における複数のワイヤ15を実装するための手順を説明する。図4にワイヤ実装のための手順をフローチャート形式にて示す。
このワイヤ実装では、IGBT素子11のチップ面におけるワイヤの接続レイアウトについて所要の不均一性を与える。そのために、最初のステップS1(温度分布の観察)で、IGBT素子11においてそのエミッタ電極(22−1〜22−6)の全占有面積上で複数のワイヤを均一配置で接続して実装した場合の通電時の温度分布(発熱分布)の情報を計測によって取得する。「ワイヤの均一配置での実装」とは、同一のワイヤを均等な間隔でエミッタ電極22−1〜22−6の全体の占有面積上に配置することを意味している。IGBT素子11のチップ面における温度分布情報を得るための計測では、計測装置としてサーモビュアが使用される。取得された温度分布の情報は、IGBT素子11のチップ面における温度分布の状態である。IGBT素子11のエミッタ電極22−1〜22−6におけるワイヤの均一配置実装においてワイヤへの通電条件は例えば225[A]および2.22[V]である。IGBT素子11のチップ面における温度分布(発熱分布)は計測装置の表示画面に表示される。表示画面に示されたチップ面上の温度分布は色彩で表現される。
次のステップS2(熱抵抗の算出)では、ステップS1で得られたIGBT素子11のチップ面についての温度分布に基づいて、チップ面内のミクロな熱抵抗を例えば中央部と周辺部(または外周部)の各々で算出する。チップ面内のミクロな熱抵抗の計算は、チップ面の場所ごとのジャンクション温度(接合温度)に基づいて熱抵抗を算出するようにしている。チップ面における場所は適宜に選択することができる。この実施形態では、IGBT素子11のチップ面の中央部の熱抵抗値と周辺部の熱抵抗値を算出する。
熱抵抗の値の一例を述べる。中央部の温度を145℃かつ室温を25℃とすると、中央部の熱抵抗の値は(145−25)[℃]/(225×2.22)[W]=0.24[℃/W]となる。また同様にして、周辺部の熱抵抗の値は、周辺部の温度を115℃とするとき、(115−25)[℃]/(225×2.22)[W]=0.19[℃/W]となる。
なお、上記において、チップ面で設定される区画は中央部と周辺部に限定されず、2より多い複数の区画とすることもできる。
次のステップS3(ジャンクション温度の一致化条件の算出)では、ステップS2で得られた異なる中央部の熱抵抗値と周辺部の熱抵抗値とに基づいて、両者の熱抵抗値が実質的に一致するような中央部が負担すべき電力と周辺部が負担すべき電力とを算出する。中央部の電力と周辺部の電力は、それぞれ、IGBT素子11のチップ実装状態を含めた当該IGBT素子11の順方向特性から求められる。この計算を、図5のグラフを参照して説明する。
図5の座標系について、横軸はコレクタ・エミッタ電圧(Vce)を示し、縦軸はコレクタ・エミッタ電流(Ice)を示す。従って図5に示した特性グラフ41は、IGBT素子11のコレクタ・エミッタ間のV−I特性を示している。この特性グラフ41は前述したIGBT素子11の順方向特性を表している。当該特性グラフ41において、仮に中央部の状態を示す点がP1であるとき、その電力は100[A]×1.7[V]=170[W]となる。そこで、次には、中央部と周辺部の熱抵抗値の比(0.24/0.19)を利用して、中央部の電力170[W]に対応する電力を、170×(0.24/0.19)の式に従って求めると、215[W]になる。この電力215[W]に対応する点を特性グラフ41の上で探す。その結果、120[A]×1.8[V]=216[W]により、特性グラフ41上で点P2が求められる。結果的に、IGBT素子11のチップ面で温度分布(発熱分布)で均一性を生じさせるようにするためには、中央部での電流が100Aである場合には、周辺部の電流は120Aであることが望ましいということが判明する。その結果、IGBT素子11のエミッタ電極22−1〜22−6の面上に複数の通電用ワイヤ15を実装する場合において、当該ワイヤに関する実装の抵抗バランスを、中央部の抵抗値をRc、周辺部の抵抗値をRpとするとき、Rc:Rp=100:120という関係式による条件を満たすように設定する。これにより、IGBT素子11のチップ面において中央部に流れる電流を少なくし、かつ周辺部に流れる電流を多くするように、複数のワイヤ15の実装に関する抵抗バランスを設定する。この抵抗バランスによって、ワイヤ15によるジャンクション温度が中央部と周辺部でほぼ同一となり、チップ面におけるワイヤ15による温度分布を均一にすることが可能となる。
最後のステップS4(抵抗バランスに基づくワイヤの実装)では、半導体装置10におけるIGBT素子11のエミッタ電極22−1〜22−6上に複数のワイヤ15を実装するにあたり、前述した実装条件(ジャンクション温度が同一になる条件)を満たすように実装を行う。このワイヤ15の実装は、好ましくは、エミッタ電極22−1〜22−6において中央部と周辺部の間で、接続するワイヤ本数を変えたり、ワイヤ断面積を変えたりする。またワイヤの実装の代わりに、抵抗バランスに従って、IGBT素子11のエミッタ電極側のチップ面の順方向特性を電子線照射によって変更させることもできる。この場合、IGBT素子11の順方向特性について、チップ面の中央部の順方向特性を周辺部の順方向特性に比較して高くするようにする。すなわち、同一の印加電圧に対して中央部の通電量が周辺部の通電量に比して少なくなるように順方向特性を適切に調整する。なお「電子線照射」は、電離作用で生じた放射線を処理・加工対象物に対して照射するもので、電離作用等に基づき対象物の物性的特質を改変することができる処理技術である。
図6と図7を参照して具体的なワイヤ実装等の例を示す。
図6はIGBT素子に関して3つの平面図(A),(B),(C)を示している。図6の(A)は従来方式のワイヤ実装の例を示し、(B)と(C)は本実施形態によるワイヤ実装の例を示している。図6の(A)は、本実施形態に係る実装例である(B)および(C)と対比させるために図示されたものである。
図6の(A)によれば、IGBT素子11の上側のチップ面におけるエミッタ電極22−1〜22−6の全面積部分に対して均一のレイアウト(配置または配列)で同一の複数のワイヤ15が接続されている。すなわち、6つのエミッタ電極22−1〜22−6から成るエミッタ電極のチップ面上の占有面積領域において均等な間隔で偏りのない状態で配置されている。
上記のワイヤ実装に対して、図6の(B)に示した本実施形態に係るワイヤ実装の第1の例によれば、同一の複数のワイヤ15の接続で、中央部51のワイヤ本数に対して周辺部52のワイヤ本数を増した状態でワイヤが接続されている。すなわち、IGBT素子11の周辺部52に接続されるワイヤの本数が中央部51に接続されるワイヤの本数よりも多くなるように実装されている。この図示例では、一例として、中央部51のワイヤ15の本数が12であるのに対して、周辺部52のワイヤ15の本数は32となっている。実際上、ワイヤ実装による不均一なレイアウトは、前述のごとく、ステップS3で得られた条件に基づいて決定される。このワイヤ実装に基づいて、IGBT素子11のチップ面の温度分布を、中央部51と周辺部52とでほぼ等しくすることができ、チップ面全体で均一にすることができる。
また図6の(C)に示した実施形態に係るワイヤ実装の第2の例によれば、エミッタ電極の面全体でのワイヤ(15,53)の接続は均一に配置すると共に、周辺部52に接続されたワイヤ53の断面積(または径)を、中央部51に接続されたワイヤ15の断面積(または径)よりも大きくしている。中央部51に接続されたワイヤ15は、図6の(A)に示した従来方式のワイヤと同じである。周辺部52に接続されたワイヤ53は、配置位置および本数は従来方式のワイヤの例と同じであり、断面積が例えばほぼ2倍程度になっている。このワイヤ実装の場合にも、実際上、ワイヤ実装による不均一なレイアウトは、前述のごとく、ステップS3で得られた条件に基づいて決定される。このワイヤ実装に基づいて、IGBT素子11のチップ面の温度分布を、中央部51と周辺部52とでほぼ等しくすることができ、チップ面全体で均一にすることができる。
図7は、IGBT素子11の平面図を示し、IGBT素子11のエミッタ電極側のチップ面の順方向特性を電子線照射によって変更させる例を示している。この図示例では、IGBT素子11の順方向特性について、チップ面の中央部51の順方向特性を周辺部52の順方向特性に比較して高くするようにしている。ワイヤ15の配列は均一な配列となっており、従来方式のワイヤ実装と同じである。
なお上記では、半導体装置10においてIGBT素子11のワイヤ実装の例のみを説明したが、パワー半導体素子としてのダイオード素子12についても必要に応じて同様なワイヤ実装を行うことができる。さらに、その他のパワー半導体装置に含まれる半導体チップ一般に本実施形態に係るワイヤ実装を適用することができる。
前述した半導体装置10の製造方法を概説する。この製造方法は、工程順の述べると、(1)ダイボンディング工程、(2)ケーシング工程、(3)ワイヤボンド工程、(4)シリコンゲル・ポッティング工程、(5)ゲートドライバ/絶縁フィルムコネクタ取付け工程、(6)検査工程、(7)ヒートシンク取付け工程、(8)エージング工程から構成されている。
ダイボンディング工程は、半導体チップ(IGBT素子11およびダイオード素子12)を、予め用意された基板部にハンダ付けする工程である。これにより単位装置の半導体装置10が作られる。
ケーシング工程は、上記の半導体装置10を例えば2つ用意し、さらに別途に適宜形状のケースを用意し、2つの半導体装置10を所定の配置関係によってケースに収納し、接着剤で接着し、かつ接着剤を硬化させる工程である。
ワイヤボンド工程では、半導体装置10に含まれるIGBT素子のエミッタ電極およびゲート電極と、ダイオード素子の電極と、その他の電極部分との間を、複数のワイヤで接続する。このとき、IGBT素子等のエミッタ電極に複数のワイヤを接続するワイヤ実装では、前述した通りの特徴的な実装が行われる。
シリコンゲル・ポッティング工程では、ワイヤが配置される空間部に対してシリコンゲルが充填され、当該シリコンゲルは硬化される。
ゲートドライバ/絶縁フィルムコネクタ取付け工程では、硬化したシリコンゲル部分の露出面に対してゲートドライバが取り付けられ、さらにその上に絶縁フィルムコネクタが取り付けられる。
検査工程は、組み立てられた半導体装置の電気的特性を検査する工程である。
ヒートシンク取付け工程は、熱伝導剤を介在させて、半導体装置を含むケースの全体をヒートシンクに取り付ける工程である。
エージング工程は、製造された半導体装置の全体を高温または低温で連続して運転する工程である。
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成(材質)については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
本発明は、各種の電気機器および電子機器に利用されるパワー半導体装置に含まれる半導体チップのワイヤ実装に利用される。
本発明の本実施形態に係る半導体装置の構成の外観例を簡略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る半導体装置に搭載されたIGBT素子の平面図である。 IGBT素子の実装構造を示す縦断面図である。 本実施形態に係る半導体装置のIGBT素子における複数のワイヤを実装するための手順を説明するためのフローチャートである。 IGBT素子のコレクタ・エミッタ間のV−I特性(順方向特性)を示すグラフである。 IGBT素子に関して従来方式のワイヤ実装の例(A)と本実施形態によるワイヤ実装の例(B),(C)とを示す平面図である。 IGBT素子のエミッタ電極側のチップ面の順方向特性を電子線照射によって変更させる例を示す平面図である。
符号の説明
10 半導体装置
11 IGBT素子
12 ダイオード素子
13 基板部
14 電極
15 ワイヤ
21 ゲート電極
22−1〜22−6 エミッタ電極
31 AlN基板
32 Alパターン
33 電極
34 ベース部材
35 サーマルコンパウンド
36 ヒートシンク
51 中央部
52 周辺部
53 ワイヤ

Claims (2)

  1. 半導体チップの一方のチップ面の電極に均一な配置で接続された複数のワイヤと、前記半導体チップの他方のチップ面の電極との間に、所定の電力条件で通電を行ったときの前記半導体チップの前記チップ面の温度分布を計測するステップと、
    前記半導体チップの前記チップ面を少なくとも2つの区画に分けるステップと、
    前記温度分布と前記所定の電力条件の値に基づいて前記区画ごとの熱抵抗分布を求めるステップと、
    前記熱抵抗分布と前記半導体チップの順方向特性に基づいて、前記半導体チップの温度分布が均一になるように前記区画単位のワイヤ抵抗値を求めるステップと、
    前記ワイヤ抵抗値と一致するように電子線照射によって前記区画のいずれかに対応する前記半導体チップの順方向特性を変更するステップと、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記少なくとも2つの区画は、前記チップ面の中央部と周辺部であり、
    前記電子線照射によって前記半導体チップにおける前記中央部の順方向特性を前記周辺部の順方向特性よりも高くしたことを特徴とする請求項に記載の半導体装置の製造方法。
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