JP5204744B2 - Power semiconductor device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly to a structure in which semiconductor elements and wiring circuits are joined by ribbon bonding.
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。 In a semiconductor device, wire bond bonding using a metal wire such as an aluminum wire is mainly used for electrical connection between electrodes and semiconductor elements in the device. However, the wire generally has an upper diameter limit, and the amount of current that can flow per wire is limited. Therefore, for example, in a power semiconductor device that handles a large current, such as using silicon carbide (SiC) for a semiconductor element, electrical connection is performed using a plurality of wires for one electrical connection. As a result, the manufacturing time becomes longer and the throughput may decrease.
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。)。
Therefore, a ribbon bond has been proposed in which bonding is performed using a ribbon-like wire that has a smaller electric resistance than a linear wire and can increase the amount of current. (For example, refer to
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。 However, in a power semiconductor device, due to heat generated during operation, heat generation generally called a power cycle and cooling by a heat sink repeatedly occur. Therefore, deformation occurs in the surface direction of the circuit board due to a difference in linear expansion coefficient between the casing and the semiconductor element or a circuit board material on which the semiconductor element is mounted, and the positional relationship in the surface direction between the semiconductor element and the electrode is displaced. Among the displacements in the plane direction, for the displacement in the direction parallel to the connection direction, the ribbon bond neck generates the maximum strain load, which is the same as the wire bond, but the displacement in the direction perpendicular to the connection direction On the other hand, since the bending rigidity of the wide ribbon bond is larger than the bending rigidity of the wire bond, a force in the peeling direction is generated at the ribbon bond joint. In particular, a large amount of material is interposed between the external connection terminals installed on the housing and the semiconductor elements inside the housing, so that the displacement becomes large. The force in the peeling direction increases at the bond joint.
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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and reduces the peeling force generated at the ribbon bond joint with respect to the displacement in the direction parallel to the connection surface and perpendicular to the connection direction. An object is to obtain a high power semiconductor device.
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、前記リボンボンドには、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き、前記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が設けられ、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。 The power semiconductor device of the present invention comprises a semiconductor element having an electrode surface formed thereon, a terminal disposed away from the semiconductor element, and a ribbon material having a flat cross section, and has a wide surface at both ends in the length direction. There comprises a ribbon bond that is bonded to the electrode surface of each of said semiconductor elements and said terminal, and to the ribbon bond, flat-direction section of the ribbon material is tilted with respect to the electrode surface, before Symbol electrodes A bending portion having a lower bending rigidity than a bending rigidity in a flat direction of a cross section of the ribbon material is provided for a bending stress in a direction perpendicular to a straight line connecting the surface and the joint portion of the terminal and parallel to the electrode surface ; At both ends of the ribbon bond, the length direction of the ribbon material is inclined with respect to the straight line in a plane parallel to the electrode surface .
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。 According to the power semiconductor device of the present invention, the ribbon bond is provided with a deformed portion that is low in bending rigidity and easy to deform in a direction perpendicular to a straight line that is parallel to the electrode surface of the semiconductor element and connects the joint portions. Therefore, it becomes possible to reduce the load in the peeling direction on the ribbon bond joint portion due to the thermal stress during the driving operation, and the reliability can be improved.
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。
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A illustrates one semiconductor element, the semiconductor element, and the electric power of the power semiconductor device. FIG. 1B is a cross-sectional view showing a section taken along the line Ib-Ib in FIG. 1A, and FIG. 1C is a diagram. It is a fragmentary sectional view which shows the cut surface by the Ic-Ic line | wire in 1 (a).
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。
In the figure, a power semiconductor device has a
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。
The
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。
The ribbon bond used in the present embodiment is a so-called metal ribbon material made of aluminum and having a rectangular cross section having a thickness (t) of 0.5 mm × width (w) of 10 mm, and the electrode surface of the
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。
Next, the operation will be described.
When the power semiconductor device according to the first embodiment is driven, a current flows through the
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。
Here, when the positions of the bonding parts of the
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。
At this time, with respect to a displacement in which the distance between the joints in the direction parallel to P A -P B changes or a displacement in the height direction that is a direction perpendicular to the
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。
On the other hand, in the conventional ribbon bonding, the flat direction of the cross section of the ribbon material and the direction of the displacement coincide with the displacement in the direction parallel to the
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。
Incidentally, if the range of the angle of twist of the
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。
How to create the
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。
As described above, according to the power semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the
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。
In particular, the
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。
Moreover, although this Embodiment demonstrated the connection of the
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。
The power semiconductor device according to the second embodiment is different from the first embodiment in the method of forming the ribbon bond deformed portion. Since other parts are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted. FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the power semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 2A illustrates one semiconductor element, the semiconductor element, and the electric power of the power semiconductor device. The top view which extracted the square part shown with a broken line as a peripheral part of the terminal connected, FIG.2 (b) is sectional drawing which shows the cut surface by the IIb-IIb line | wire in Fig.2 (a).
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。
In the figure, the
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。
Also in the power semiconductor device according to the second exemplary embodiment, as in the power semiconductor device according to the first exemplary embodiment, the displacement in which the distance between the junction positions P A and P B changes, or between P A and P B With respect to the displacement in the height direction, the
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。
Further, the
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。
Further, the length directions D A and D B of both ends 201 jA and 201 jB of the
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。
In the case of the power semiconductor device according to the second embodiment, the length direction of the ribbon material at both ends 201 jA and 201 jB of the
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。
As described above, according to the power semiconductor device according to the second embodiment, at both ends 201 jA and 201 jB of the
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。
The power semiconductor device according to the third embodiment is different from the first embodiment in the form of the deformed portion of the ribbon bond. Since other parts are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted. FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration of the power semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 3A illustrates one semiconductor element, the semiconductor element, and the electrical circuit among the power semiconductor devices. FIG. 3B is a cross-sectional view showing a cut surface taken along the line IIIb-IIIb in FIG. 3A, in which a rectangular portion indicated by a broken line is extracted as a peripheral portion of the terminal to be connected.
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。
In the figure, the
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。
That is, the
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。
As described above, according to the power semiconductor device according to the third embodiment, the
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。
The power semiconductor device according to the fourth embodiment is different from the first embodiment in that the joining surface is changed at both ends of the ribbon bond to form a deformed portion. Since other parts are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted. FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of the power semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 4A illustrates one semiconductor element, the semiconductor element, and the electric power among the power semiconductor devices. FIG. 4B is a cross-sectional view showing a cut surface taken along the line IVb-IVb in FIG. 4A, in which a square portion shown by a broken line is extracted as a peripheral portion of the terminal to be connected.
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。
In the figure, the
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。
Further, since the length direction of the ribbon material that can be easily deformed is oriented in the angle range corresponding to the sum of θ A and θ B in a plane parallel to the
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。
Further, the
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。
As described above, according to the power semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention,
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。 Note that the method of joining different surfaces at both ends as in the present embodiment can also be applied to the case of creating the rotating part in the third embodiment. In this case, the number of rotations is half a rotation, such as one and a half rotations and two and a half rotations, and both ends are directed in substantially the same direction.
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。
In the power semiconductor device according to the fifth embodiment, the deformed portion is formed in the ribbon bond by inclining the direction of the connecting portion of the terminal to be bonded to the first embodiment. Since other parts are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted. FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration of the power semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 5A illustrates one semiconductor element, the semiconductor element, and the electrical circuit among the power semiconductor devices. FIG. 5B is a cross-sectional view showing a cut surface taken along the line Vb-Vb in FIG. 5A, in which a square portion indicated by a broken line is extracted as a peripheral portion of a terminal to be connected.
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。
In the figure, the
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。
Thus, in a plane parallel to the
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。
In the present embodiment, since the
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。
As described above, according to the power semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention, the terminal 508, the electrode surface in the axial joining
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。
In each of the above embodiments, the
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。
Since switching elements and rectifier elements (
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。 On the other hand, when operating at a high temperature as described above, the temperature difference during stop and drive increases, and the amount of current handled per unit volume increases due to high efficiency and downsizing. Therefore, the temperature change with time and the spatial temperature gradient increase, and the displacement between the semiconductor element and the terminal may increase. However, the deformed part provided in the ribbon bond as in the present invention absorbs the displacement due to the temperature change, so the reliability of the wide band gap semiconductor can be improved even if the size and efficiency are improved. It becomes easy to obtain a high power semiconductor device. That is, by exhibiting the effect of the present invention, the characteristics of the wide band gap semiconductor can be utilized.
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。 Note that both the switching element and the rectifying element are preferably formed of a wide band gap semiconductor, but either one of the elements may be formed of a wide band gap semiconductor. In this case, even if control is performed to change the operating temperature depending on the type of element, the deformation part absorbs the displacement caused by the temperature difference between elements, so that the reliability of the power semiconductor device can be improved. Can do.
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。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ribbon bond (1 D deformation | transformation part, 1 jA , 1 jB edge part, 1 W intermediate part), 2 Housing | casing, 3 Semiconductor element (3s electrode surface (source electrode surface)), 4 Die bond material, 5 Circuit board (5i) Insulating substrate, 5c1, 5c2 electrodes) 7 Base plate, 8 terminals.
The direction of the length direction at the ends of D A and D B , t ribbon thickness, W ribbon width, θ inclination of the flat direction with respect to the D electrode surface, and inclination of the length direction with respect to the straight line connecting the θ A and θ B junctions.
The 100th digit indicates a modification.
Claims (4)
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、
前記リボンボンドには、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き、前記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が設けられ、
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電力用半導体装置。 A semiconductor element having an electrode surface formed thereon;
A terminal disposed away from the semiconductor element;
The ribbon cross section is made of a flat ribbon material, and the wide surfaces at both ends in the length direction are respectively bonded to the electrode surface of the semiconductor element and the terminal, and a ribbon bond,
The ribbon bond, tilt flat-direction section of the ribbon material to the electrode surface, bending in the direction parallel to the electrode surface perpendicular to the line connecting the junction of the the previous SL conductive pole face terminal For stress, a deformed portion having a lower bending rigidity than the bending rigidity in the flat direction of the cross section of the ribbon material is provided,
The power semiconductor device according to claim 1, wherein at both ends of the ribbon bond, the length direction of the ribbon material is inclined with respect to the straight line in a plane parallel to the electrode surface .
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