JP5732955B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

半導体素子の主電極と外部配線（例えば、バスバー）を電気的に接続するために、ワイヤボンディングが通常用いられている。この技術では、ワイヤの一端を主電極の表面にボンディングし、ワイヤの他端を外部配線にボンディングする。これによって、半導体素子の主電極と外部配線とが電気的に接続される。

この技術では、ワイヤの断面積によってワイヤに流れる電流量が制限される。このため、電力用のスイッチング素子のように半導体素子に大電流が流れる場合は、複数本のワイヤが必要になる。複数本のワイヤをボンディングするためには、主電極の表面の面積を大きくしなければならないという問題がある。

このため、主電極と外部配線をワイヤ以外で接続する方法が提案されている（特許文献１）。特許文献１に開示された半導体装置では、半導体素子の表面に形成されたドレイン電極に、導電膜で覆われた出力用回路基板の一部が直接接続されている。この半導体装置では、出力用基板の一部を覆う導電膜を利用することで、導電膜と主電極との接触面積を増大し、大電流を流すことを可能としている。

特開平１１−１２１６６３号

特許文献１の技術のように、半導体素子と外部配線とを剛性の高い導電性の板材によって接続すると、大電流は流せるものの下記の問題が生じる。すなわち、半導体素子に大電流が流れると、半導体素子が発熱する。このため、半導体素子と導電性の板材の温度も上昇する。半導体素子の線膨張率と導電性の板材の線膨張率とは相違する。導電性の板材は、一端が半導体素子の主電極に接合され、他端が外部配線に接合されている。そのため、半導体素子が発熱すると、半導体素子と導電膜とを接合する接合材料に対して大きな熱応力が発生し、接合材料の信頼性が低下するおそれがある。

本明細書では、信頼性の低下を抑制し得る半導体装置を開示する。

本明細書が開示する半導体装置は、表面に主電極が形成されている半導体素子と、主電極の上面に接合される導電板材と、を有している。導電板材は、主電極と対向する第１面と、第１面と反対側であって、第１ワイヤがボンディングされる領域を有する第２面とを備える。第２面の面積は第１面の面積より大きい。

上記の半導体装置では、半導体素子の主電極に接合された導電板材とバスバーとが第１ワイヤで接続される。そのため、半導体素子が高温になり、導電板材の温度が上昇する場合であっても、導電板材の熱変形に伴って大電流用ワイヤが撓むこととなる。その結果、半導体素子（主電極）と導電板材とを接合する接合材料（例えば、はんだ、Ａｇ等）に対して大きな熱応力が作用することが抑制される。その結果、半導体装置の信頼性が低下することを抑制することができる。

また、上記の半導体装置では、導電板材の第２面の面積は第１面の面積より大きい。そのため、半導体素子の主電極に直接ワイヤをボンディングする構成と比較して、より多数のワイヤをボンディングすることができる。このため、半導体素子の主電極を大きくすることなく、半導体素子に大電流を流すことができる。

上記の半導体装置は、半導体素子と並んで配置されるバスバーをさらに有していてもよい。第１ワイヤは、一端が第２面にボンディングされるとともに、他端がバスバーにボンディングされていてもよい。導電板材は、一端縁が第１面の周縁に接続されると共に他端縁が第２面の周縁に接続される外周面を有しており、その外周面のうちバスバー側の第１外周面が、半導体素子から離れるに従ってバスバーに近づくように形成されていてもよい。例えば、半導体装置を封止材（例えば、シリコンゲル等）で封止する場合、半導体素子と導電板材との間に気泡がトラップされると、半導体素子と導電板材との間の絶縁性が低下する場合がある。上記の構成では、バスバー側の第１外周面が、半導体素子から離れるに従ってバスバーに近づくように形成されているため、半導体装置を封止材で封止する場合において、半導体素子と導電板材との間に気泡がトラップされ難くなる。そのため、半導体素子と導電板材との間の絶縁性が低下することを抑制できる。

半導体素子の表面には、第２ワイヤがボンディングされる領域を有する信号電極がさらに形成されていてもよい。その信号電極は、信号電極とバスバーの間に主電極が位置するように配置されていてもよい。導電板材の外周面のうち信号電極側の第２外周面が、半導体素子から離れるに従ってバスバーに近づくように形成されていてもよい。この構成によると、例えば、半導体素子の表面に形成された信号電極に第２ワイヤをボンディングする場合に、ボンディングツールが導電板材に当り難くなる。そのため、信号電極の近傍の主電極に導電板材を接合しても、導電板材がボンディング作業の妨げになることを抑制できる。

実施例の半導体装置を模式的に示す正面図。 半導体素子を模式的に示す平面図。 半導体素子と導電板材とを模式的に示す平面図。 図３の半導体素子と導電板材の正面図。 図３の半導体素子と導電板材の右側面図。

図１に示すように、本実施例の半導体装置２は、放熱板１０と、信号端子２０と、半導体素子４０と、導電板材５０と、ハウジング７０と、バスバー８０を備えている。信号端子２０と半導体素子４０とバスバー８０は、信号端子２０とバスバー８０の間に半導体素子が位置するように、放熱板１０上に配置されている。信号端子２０と半導体素子４０の信号電極４２とは、小電流用ワイヤ３０（請求項の第２ワイヤに相当）で接続されている。導電板材５０の上面１０４とバスバー８０とは、大電流用ワイヤ６０（請求項の第１ワイヤに相当）で接続されている。

放熱板１０は、熱伝導率の高い材料によって形成されている。放熱板１０は、半導体素子４０が発生する熱を放熱する。放熱板１０には、半導体素子４０の裏面（詳細には、裏面電極（図示省略））が、はんだ１２を介して接合されている。信号端子２０は、絶縁層１４を介して放熱板１０に固定されている。バスバー８０は、電気絶縁性を備えるハウジング７０を介して放熱板１０に固定されている。このため、信号端子２０及びバスバー８０は、放熱板１０と絶縁されている。

半導体素子４０は、電力用のスイッチング素子であり、本実施例では、縦型のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。半導体素子４０は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等により形成することができる。図２に示すように半導体素子４０は、平面視すると略矩形状となるように形成されており、その表面には、信号電極４２と表面電極４４（請求項の主電極に相当）が形成されている。信号電極４２及び表面電極４４は、Ａｌ等の導電材料によって形成されている。信号電極４２は、半導体素子４０の非セル領域（ＩＧＢＴが形成されていない領域）の上方に配置されている。信号電極４２は、外部の駆動回路から出力されるゲート信号（小電流の信号）の入力や、半導体素子４０に形成された温度検出素子（図示省略）からの検出信号を出力するため等に用いられる。信号電極４２は、半導体素子４０の上面の３箇所に形成されている。３つの信号電極４２は、半導体素子４０の表面のうち、信号端子２０寄りの周縁に沿って並んで形成されている。各信号電極４２は、小電流用ワイヤ３０の一端をボンディングするためのボンディング領域を備える。一方、表面電極４４は、半導体素子４０のセル領域（ＩＧＢＴが形成されている領域）の上方に配置されている。具体的には、半導体素子４０の上面のうち、バスバー８０寄りの位置に表面電極４４が形成されている。半導体素子４０に電流を流す場合は、表面電極４４を接地線に接続し、半導体素子４０の裏面電極（図示省略）を電源線に接続する。この状態で半導体素子４０をオンすると半導体素子４０を電流（大電流）が流れ、半導体素子４０をオフすると半導体素子４０を流れていた電流が遮断される。半導体素子４０の上面のうち、表面電極４４と信号電極４２の周囲には絶縁層４５が形成されている。

信号端子２０には、小電流用ワイヤ３０の他端がボンディングされる。これによって、信号端子２０は、半導体素子４０の信号電極４２と電気的に接続される。半導体素子４０に入力する信号は、信号端子２０及び小電流用ワイヤ３０を介して信号電極４２に入力される。一方、半導体素子４０から出力される信号は、小電流用ワイヤ３０及び信号端子２０を介して出力される。上述したように、信号端子２０は、絶縁層１４を介して放熱板１０上に固定されている。

バスバー８０は、半導体素子４０を流れる大電流を流すための配線である。バスバー８０は、放熱板１０上に形成されたハウジング７０上に配置されている。上述の通り、ハウジング７０は電気絶縁性を備えるため、放熱板１０とバスバー８０は電気的に絶縁されている。

導電板材５０は、例えばＣｕ等の導電材料で形成されている。図３〜図５から明らかなように、導電板材５０は、略角錐台形状に形成されている。導電板材５０の底面１０２（請求項の「第１面」に相当）は、半導体素子４の表面電極４４上に配置され、はんだ９０を介して表面電極４４に接合されている。導電板材５０の上面１０４（請求項の「第２面」に相当）には、大電流用ワイヤ６０の一端をボンディングするためのボンディング領域が形成されている。導電板材５０の底面１０２の形状及び面積は、半導体素子４０の表面電極４４の表面形状及び表面積以上となるように形成されている。また、導電板材５０の上面１０４の面積は、底面１０２の面積より大きくなるように形成されている。従って、導電板材５０の上面１０４は、表面電極４４の上面より面積が大きく、表面電極４４と比較して、より多数の大電流用ワイヤ６０をボンディングすることができる。図３及び図５に示すように、本実施例では、導電板材５０の上面１０４には、７本の大電流用ワイヤ６０の一端をボンディングすることができる。

導電板材５０の４つの外周面１０６、１０８、１１０、１１２は、いずれも底面１０２から上面１０４に向かって傾斜している。このうち、バスバー８０側の第１外周面１０６は、底面１０２から上面１０４に向かって先拡がりになる方向（即ち、面積が広がる方向）に傾斜している。即ち、第１外周面１０６は、半導体素子４０から離れるに従ってバスバー８０との距離が小さくなるように形成されている。一方、第１外周面１０６の反対面である、信号電極４２側の第２外周面１１０は、底面１０２から上面１０４に向かって先細りになる方向（即ち、面積が狭くなる方向）に傾斜している。即ち、第２外周面１１０も、半導体素子４０から離れるに従ってバスバー８０との距離が小さくなるように形成されている。なお、本実施例では、第１外周面１０６と隣合う第３外周面１０８及び第４外周面１１２も、底面１０２から上面１０４に向かって先拡がりになる方向に傾斜している。

上述の通り、本実施例では、導電板材５０の上面１０４と、バスバー８０とは、７本の大電流用ワイヤ６０によって電気的に接続されている。即ち、各大電流用ワイヤ６０の一端は導電板材５０の上面１０４にボンディングされ、他端はバスバー８０にボンディングされる。これにより、半導体素子４０の表面電極４４とバスバー８０とが７本の大電流用ワイヤによって電気的に接続される。半導体素子４０を流れる電流は、導電板材５０及び７本の大電流用ワイヤ６０を介してバスバー８０に供給される。

以上、本実施例の半導体装置２について説明した。上述の通り、本実施例の半導体装置２では、導電板材５０とバスバー８０とが大電流用ワイヤ６０によって接続される。そのため、半導体素子４０が高温になり、導電板材５０及び放熱板１０が熱膨張する場合であっても、大電流用ワイヤ６０を撓ませることができる。このため、半導体素子４０と導電板材５０とを接合するはんだ９０に対して大きな熱応力が作用することが抑制される。その結果、はんだ９０にクラックが発生することを抑制し、半導体装置２の信頼性が低下することを抑制することができる。

また、本実施例の半導体装置２では、導電板材５０の上面１０４の面積は底面１０２の面積より大きい。即ち、導電板材５０の上面１０４の面積は半導体素子４０の表面電極４４の面積より大きい。そのため、半導体素子４０の表面電極４４に直接大電流用ワイヤを接続する構成と比較して、より多数本の大電流用ワイヤ６０を接続することができる。このため、表面電極４４を大きくすることなく、半導体素子４０に大電流を流すことができる。

また、本実施例の半導体装置２では、導電板材５０の第１外周面１０６が、半導体素子４０から離れるに従ってバスバー８０に近づくように形成されている。そのため、半導体装置２を封止材（例えば、シリコンゲル等）で封止する場合において、表面電極４４の周囲に形成された絶縁層４５と導電板材５０との間に気泡がトラップされ難くなる。そのため、半導体装置２を封止材で封止する場合においても、絶縁層４５と導電板材５０との間の絶縁性が低下することを抑制できる。

また、本実施例の半導体装置２では、導電板材５０の第２外周面１０８が、半導体素子４０から離れるに従ってバスバー８０に近づくように形成されている。そのため、導電板材５０を半導体素子４０の表面電極４４の全体に接合したとしても（すなわち、導電板材５０を表面電極４４の信号電極４２と近接した位置にまで接合したとしても）、信号電極４２に小電流用ワイヤ３０をボンディングする際に、ボンディングツールが導電板材５０に当り難くなる。そのため、導電板材５０と表面電極４４との接合面積を広くしながら、導電板材５０がボンディング作業の妨げになることを抑制できる。

上記の実施例の変形例を以下に列挙する。
（１）上記の実施例では、導電板材５０の各外周面１０６、１０８、１１０、１１２がいずれも底面１０２から上面１０４に向かう方向に傾斜している。これに代えて、導電板材５０の各外周面１０６、１０８、１１０、１１２のうち少なくとも１面を傾斜させずに半導体素子４０に対して鉛直になるように形成してもよい。このようにしても、他の外周面を傾斜させることで、導電板材５０の上面１０４の面積を底面１０２の面積より大きくすることができる。
（２）導電板材５０の材料は、Ｃｕに限らず、ＣｕＭｏ、Ｍｏ等、他の材料であってもよい。また、導電板材５０と表面電極４４とを接続する接合材料も、Ａｇ等、他の材料であってもよい。
（３）半導体素子４０には、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴやダイオード等の他のパワー半導体素子が用いられていてもよい。また、半導体素子４０は、ＳｉＣ材料製のものに限られず、Ｓｉ材料製のものであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体装置
１０：放熱板
１２：はんだ
１４：絶縁層
２０：信号端子
３０：小電流用ワイヤ
４０：半導体素子
４２：信号電極
４４：表面電極
４５：絶縁層
５０：導電板材
６０：大電流用ワイヤ
７０：ハウジング
８０：バスバー
１０２：底面
１０４：上面
１０６：第１外周面
１０８：第３外周面
１１０：第２外周面
１１２：第４外周面

Claims (1)

1. 半導体装置であって、
   表面に主電極が形成されている半導体素子と、
   前記主電極の上面に接合される導電板材と、
   前記半導体素子と並んで配置されるバスバーと、
   を有しており、
   前記導電板材は、前記主電極と対向する第１面と、前記第１面と反対側であって、第１ワイヤがボンディングされる領域を有する第２面とを備え、
   前記半導体素子の表面には、第２ワイヤがボンディングされる領域を有する信号電極がさらに形成されており、その信号電極は、前記信号電極と前記バスバーの間に前記主電極が位置するように配置されており、
   前記第１ワイヤは、一端が前記第２面にボンディングされるとともに、他端が前記バスバーにボンディングされ、
   前記導電板材は、一端縁が前記第１面の周縁に接続されると共に他端縁が前記第２面の周縁に接続される外周面を有しており、前記外周面のうち前記バスバー側の第１外周面が、前記半導体素子から離れるに従って前記バスバーに近づくように形成されており、前記外周面のうち前記信号電極側の第２外周面が、前記半導体素子から離れるに従って前記バスバーに近づくように形成されており、前記第２面の面積は前記第１面の面積より大きい、
   半導体装置。

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