JPH07135234A - パワー半導体モジュール - Google Patents

パワー半導体モジュール

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JPH07135234A
JPH07135234A JP5279276A JP27927693A JPH07135234A JP H07135234 A JPH07135234 A JP H07135234A JP 5279276 A JP5279276 A JP 5279276A JP 27927693 A JP27927693 A JP 27927693A JP H07135234 A JPH07135234 A JP H07135234A
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JP
Japan
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wire
electrode pad
semiconductor device
crystal grains
electrode
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JP5279276A
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English (en)
Inventor
Masahiro Koizumi
正博 小泉
Hitoshi Onuki
仁 大貫
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】熱サイクルによるワイヤ接合部の劣化を抑制
し、信頼性の高い半導体装置を提供すること。 【構成】半導体素子上の電極パッドにワイヤボンディン
グされたアルミニウムワイヤ接合部の結晶粒の大きさが
均一になっている半導体装置。 【効果】ワイヤ接合部の結晶粒の大きさが均一なため、
熱応力によるクラックの通り道が多岐にわたることによ
って、クラック進展が抑制される効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ワイヤボンディングさ
れる半導体装置に関するものであり、特にパワー半導体
モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】パワー半導体モジュールは、複数の半導
体素子と外部電極端子とが搭載された絶縁基板に放熱板
が固着され、これら全体が樹脂で覆われた構造である。
従来パワー半導体モジュールに搭載される半導体素子の
電極パッド部においては、半導体基板上に直接またはＣ
ＶＤ法等によって形成されたＰＳＧおよびＳｉＯ2 等の
絶縁膜上に電極膜としてアルミニウムおよびＡｌ−Ｓｉ
合金膜が蒸着法またはスパッタ法により形成されてい
る。この電極膜上にアルミニウムワイヤが超音波と荷重
を印加した超音波法によりボンディングされている。
【０００３】パワー半導体モジュールは回路に大電流が
流れるため半導体素子が発熱し、ワイヤおよび電極パッ
ドとの接合部が著しく発熱する。このため、モジュール
は放熱性を重視した部材の選択ならびにモジュールを冷
却フィンやヒートパイプなどに取付け、熱を逃がすよう
にしている。放熱性を重視した部材の選択ならびに構造
の従来例は、例えば特願昭57−5453号，特願昭62−6134
9 号，特願昭62−104145号に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】パワー半導体モジュー
ルは熱膨張率の大きく異なる部材の接合部から成ってい
る。これらの接合部に通電オンおよびオフ時の加熱・冷
却時に発生する熱応力が働き、次第に接合界面が劣化す
ることが知られている。この劣化をできるだけ抑制し
て、各接合部の長寿命化を図ることがモジュールの高信
頼性化につながる。半導体素子上の電極パッドとアルミ
ニウムワイヤとの接合部は、熱膨張率の極めて小さい
（３.５×１０-6／℃)シリコンと熱膨張率の大きな(２
４.３×１０-6／℃）アルミニウムの組合せの上に最も
高温にさらされるため、接合界面に大きな熱応力が働
く。その結果、接合されたワイヤの周辺部からクラック
が進展し、短時間でワイヤが剥離するという問題があ
る。
【０００５】熱サイクルが与えられた電極上のワイヤを
詳細に観察すると、図４に示すように接合界面直上部の
結晶粒が小さく、その上の結晶粒がそれに比べて大きい
ことが認められた。そしてクラックはこの小さな結晶粒
と大きな結晶粒との間を通っていることが明らかになっ
た。
【０００６】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、その目的は熱サイクルによるアルミニウムワイヤの
剥離を抑制し、信頼性の高いパワー半導体モジュールを
提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のパワー半導体モ
ジュールは、ワイヤボンディング後のワイヤの結晶粒の
大きさがほぼ同程度であることを特徴とする。
【０００８】
【作用】熱サイクルが与えられた時の、接合界面直上部
分の結晶粒が他の部分のそれより小さくなる理由を考察
した。ボンディングに用いられるワイヤは、所定の直径
に線引き加工されると同時に、所定の機械的強度にする
ためにアニールにされる。その場合の結晶粒は線引き方
向に細長くなっていることが多いが、結晶粒の大きさは
比較的均一である。
【０００９】ワイヤボンディングの際には、ツールを介
してワイヤに大きな荷重と超音波が印加され、ワイヤが
変形する。この場合、電極膜との接合界面直上の部分が
最も変形する。そのため、その部分の結晶粒は他の部分
のそれよりさらに押しつぶされた形状になるが、その結
晶粒の内部に加工歪が生じる。ワイヤボンディング後、
熱サイクル試験を行うと、その際の加熱により始めに結
晶粒内部の歪が開放され、結晶粒内部に歪の無い新しい
結晶の核が多数発生する。その後、その核が成長し、再
結晶化して元の結晶粒と置き変わるが、この部分には小
さな結晶粒が数多く存在する。
【００１０】上記の理由により接合界面直上部分の結晶
粒が他の部分のそれより小さくなるものと考えられる。
熱応力によるクラックは結晶粒界を通るが、小さな結晶
粒と大きな結晶粒との境界を通りやすくなるため短時間
で劣化が進行する。
【００１１】再結晶は小さな結晶粒から始まるが、十分
な温度と時間があればその結晶粒は次第に大きく成長す
る。従来の熱サイクル試験による加熱温度及び時間では
大きな結晶粒になりうるまでに至らず、その結果前述の
小さな結晶粒に留まっている。
【００１２】本発明はワイヤボンディング後、接合部に
あらかじめ十分な熱エネルギーを与えて大きな結晶粒に
再結晶化させ、ワイヤ全体の結晶粒をほぼ均一な大きさ
にすることにある。熱サイクル試験を行う前に再結晶さ
せているので、熱サイクルを受けても再結晶することが
なく均一な結晶粒が保持される。均一な結晶粒にするこ
とによって、クラックの通り道が多岐にわたるためクラ
ックの進展が抑制される効果が得られる。以下、本発明
を実施例を用いて説明する。
【００１３】
【実施例】
実施例１ 半導体素子上の電極パッドにアルミニウムワイヤをワイ
ヤボンディング後、ワイヤ接合部を１５０，２００，３
００，３５０，４００，４５０および５００℃にそれぞ
れ１時間電気炉を用いて加熱した。図２は１５０℃加熱
のワイヤ断面の結晶粒の模式図である。いずれの加熱温
度においても結晶粒は、１５０℃加熱の場合と同様に加
熱前の結晶粒にくらべて再結晶しているため粗大化かつ
ほぼ均一な形状をしている。
【００１４】実施例２ 図１はこの発明の一実施例のパワー半導体モジュールの
断面図である。図１において符号１は外部電極、２は絶
縁基板、３は半導体素子、４は電極パッド、５はアルミ
ニウムワイヤ、６は放熱板を意味する。外部電極１が搭
載された絶縁基板２上に半導体素子３が接合され、素子
上の電極パッド４にはアルミニウムワイヤ５が超音波接
合されている。その後、この絶縁基板をＮ2 雰囲気電気
炉において１５０℃で１時間加熱する。その結果、図に
示すようにパッドに接合されているワイヤの結晶粒は、
再結晶によって大きく均一な形状になる。この場合の加
熱温度は、１５０℃に限定されることがなく、接合部の
ワイヤの再結晶温度である１００℃以上でワイヤの融点
（６６０℃）以下であればよい。さらに加熱するプロセ
スは上記に限定されず、ワイヤボンディング後樹脂モー
ルドしモジュールが完成した後でもよい。
【００１５】なお、この場合の電極パッドの構造は、半
導体基板上に直接あるいは絶縁膜上にアルミニウムある
いはＡｌ−Ｓｉ合金膜が設けられている。また、電極膜
としてアルミニウムあるいはアルミニウム合金とその他
の金属例えばＴｉＷ等との二層膜でもよい。
【００１６】実施例３ 再結晶により大きな結晶粒を得るには、以下の方法でも
よい。半導体素子が接着された絶縁基板を、ワイヤボン
ディング時に１５０℃にヒーター等で加熱する。その半
導体素子上の電極パッドにワイヤを超音波接合し、３０
分その温度に保持する。この場合、加熱温度は１５０℃
に限定されることがなく、接合部のワイヤの再結晶温度
である１００℃以上で、上限は半導体素子と絶縁基板と
の接着剤（ハンダ，ロウ等）の融点以下であればよい。
さらに加熱の方法はヒーターに限定されず、レーザー，
ランプおよび熱風等を半導体素子に照射しても同様の効
果が得られる。
【００１７】実施例４ 図３は、半導体素子上の電極パッドにアルミニウムワイ
ヤをワイヤボンディング後、ワイヤ接合部を１５０，２
００，３００，３５０，４００，４５０および５００℃
にそれぞれ１時間加熱した後、温度サイクルを５００回
まで繰り返した場合のワイヤ接合部のせん断強度の劣化
率（温度サイクル後の強度を温度サイクル前の強度で割
った値）を、従来のワイヤ接合部のそれと比較したもの
である。その結果、従来の接合部の強度は、２００サイ
クルで温度サイクルを行う前の約７５％，５００サイク
ルで約４０％低下するのに対し、いずれの温度に加熱し
た場合においても従来の場合に比べ劣化しにくいことが
わかる。実施例１で説明したように、これは温度サイク
ルを行う前にワイヤ接合部が再結晶してワイヤ全体の結
晶粒の大きさがほぼ均一なためである。
【００１８】以上本発明を実施例を用いて説明した。本
発明の半導体装置は、モーター制御用の電力変換装置に
適用可能で、その回路図は図５に示される。また、図６
は上記発明の半導体装置を従来のものと比較したテスト
結果を示したものである。同一条件で高温および低温に
対する熱サイクルテストを行った結果、従来の半導体装
置では３００回で約１０％が不良となり、５００回では
約２５％が不良になったのに対し、本発明の半導体装置
では５００回でも不良が発生しなかった。
【００１９】
【発明の効果】本発明によれば、半導体素子上の電極パ
ッドにワイヤボンディングされたアルミニウムワイヤ接
合部を再結晶させ、結晶粒の大きさが均一になっている
ことから、熱サイクルによるワイヤ接合部の劣化が抑制
された半導体装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の半導体装置の断面図であ
る。
【図２】本発明の一実施例で再結晶の概略図である。
【図３】ワイヤ接合部の結晶粒の大きさを均一にした場
合の、温度サイクルテスト後のワイヤ接合部の強度劣化
率を従来のものと比較して示した図である。
【図４】熱サイクルを受けた従来のワイヤの結晶粒の概
略図である。
【図５】本発明の一実施例のパワー半導体モジュールを
用いた電力変換装置の回路図である。
【図６】本発明の一実施例の半導体装置の熱サイクルテ
スト結果を従来のものと比較して示した図である。
【符号の説明】
１…外部電極、２…絶縁基板、３…半導体素子、４…電
極パッド、５…アルミニウムワイヤ、６…放熱板。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体素子上の電極パッドと外部電極とが
    ワイヤで接続されてなる半導体装置において、電極パッ
    ドと接合されているワイヤの結晶粒の大きさがほぼ均一
    であることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】半導体素子上の電極パッドと外部電極とが
    アルミニウムワイヤで接続されてなる半導体装置におい
    て、電極パッドと接合されているワイヤの結晶粒の大き
    さがほぼ均一であることを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項３】放熱板上に固着された絶縁基板およびこの
    絶縁基板上に固着された複数の外部電極と、この外部電
    極上にそれぞれ固着された複数の半導体素子とこれら全
    体を樹脂で覆った構造のパワー半導体モジュールにおい
    て、半導体素子上の電極パッドと接続されているアルミ
    ニウムワイヤの結晶粒の大きさがほぼ均一であることを
    特徴とするパワー半導体モジュール。
  4. 【請求項４】半導体素子上の電極パッドと外部電極とが
    ワイヤで接続されてなる半導体装置において、少なくと
    も最大温度がワイヤの再結晶温度に加熱される熱サイク
    ルを与えた後の電極パッドと接合されているワイヤの結
    晶粒の大きさがほぼ均一であることを特徴とする半導体
    装置。
  5. 【請求項５】半導体素子上の電極パッドと外部電極とが
    アルミニウムワイヤで接続されてなる半導体装置におい
    て、少なくとも最大温度がそのワイヤの再結晶温度に加
    熱される熱サイクルを与えた後の電極パッドと接合され
    ているワイヤの結晶粒の大きさがほぼ均一であることを
    特徴とする半導体装置。
  6. 【請求項６】放熱板上に固着された絶縁基板およびこの
    絶縁基板上に固着された複数の外部電極と、この外部電
    極上にそれぞれ固着された複数の半導体素子とこれら全
    体を樹脂で覆った構造のパワー半導体モジュールにおい
    て、少なくとも最大温度がワイヤの再結晶温度に加熱さ
    れる熱サイクルを与えた後の電極パッドと接合されてい
    るワイヤの結晶粒の大きさがほぼ均一であることを特徴
    とする半導体装置。
  7. 【請求項７】半導体素子上の電極パッドと外部電極とが
    ワイヤで接続されてなる半導体装置において、電極パッ
    ドおよび外部電極と接合されているワイヤの結晶粒の大
    きさがほぼ均一であることを特徴とする半導体装置。
  8. 【請求項８】半導体素子上の電極パッドと外部電極とが
    ワイヤで接続されてなる半導体装置において、少なくと
    も最大温度がワイヤの再結晶温度に加熱される熱サイク
    ルを与えた後の電極パッドおよび外部電極と接合されて
    いるワイヤの結晶粒の大きさがほぼ均一であることを特
    徴とする半導体装置。
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