JPH07302811A - 大電流通電用Ａｌワイヤ及びこれを用いた半導体モジュール - Google Patents

大電流通電用Ａｌワイヤ及びこれを用いた半導体モジュール

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JPH07302811A
JPH07302811A JP6096114A JP9611494A JPH07302811A JP H07302811 A JPH07302811 A JP H07302811A JP 6096114 A JP6096114 A JP 6096114A JP 9611494 A JP9611494 A JP 9611494A JP H07302811 A JPH07302811 A JP H07302811A
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JP
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wire
alloy
diameter
semiconductor module
hardness
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Hitoshi Onuki
仁 大貫
Masahiro Koizumi
正博 小泉
Akira Yoshinari
明 吉成
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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】耐熱疲労特性に優れたワイヤボンディング材料
構造を有するパワーモジュール構造を提供すること。 【構成】ＩＧＢＴおよびダイオードチップを絶縁基板上
の共通電極板に多数個並列配置した半導体モジュールに
おいて、前記ＩＧＢＴおよびダイオードのＡｌ電極と共
通電極板およびゲート電極板とが直径５００μｍ、粒径
のワイヤ径に対する比が０.２〜０.６，１８〜３０Ｈｖ
のＡｌ−０.５％Ｃｕ ワイヤにより超音波接続されてい
る。 【効果】上記Ａｌ−０.５％Ｃｕ ワイヤを用いることに
より、５００μｍＡｌの場合に比べ、クラックの進展を
小さく出来る。このことにより、実使用時の熱疲労に対
して強い構造が出来る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はパワー半導体モジュール
に関し、とくに大電流を通電しても高信頼性の得られる
ワイヤボンディング材料，構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来からＩＧＢＴ，ＧＴＯ，パワートラ
ンジスタなどのパワー半導体スイッチング素子が絶縁容
器内に封入されたパワー半導体モジュールが知られてい
る。これらの素子は、その耐圧や電流容量に応じて各種
インバータ装置などに応用されている。中かでもＩＧＢ
Ｔは電圧制御素子のため制御が容易であり、大電流の高
周波動作が可能なことから近年注目されている素子であ
る。パワー半導体モジュールはインバータ装置に応用さ
れることが多いため、素子としては前期ＩＧＢＴとフリ
ーホイール用のダイオードが同一モジュール内に並列に
設置されることが多い。また、パワー半導体モジュール
を大容量化するためには、パワー半導体素子を数個ない
しそれ以上同一モジュール内に並列して配置する必要が
ある。
【０００３】ダイオード或いはＩＧＢＴのアルミ電極表
面と共通電極，制御電極とは太さ３００から５００のア
ルミワイヤで超音波接続されている。
【０００４】ＩＧＢＴモジュールを大電流化するため、
またインバータ装置に適用するためＩＧＢＴチップ，ダ
イオードチップは同一モジュール内に数個並列に配置さ
れる。しかし、大電流通電により、Ｓｉチップが発熱
し、チップ及びそれに接続したワイヤの温度が上昇し次
の通電停止に伴いチップ及びワイヤの温度下降が生じ
る。冷却過程においては、ＳｉとＡｌの熱膨張係数の差
に基づく熱応力がワイヤ／Ｓｉ界面を広げる方向に発生
する。熱応力は通電電流が大きい程、すなわち温度上昇
の程度が大きい程大きい。大電流の繰り返し通電，停止
の結果、この界面を広げる応力によりＡｌワイヤ／Ａｌ
電極膜界面に存在する未接合部（初期クラックと定義す
る）がワイヤ粒界に沿って進展（特にＡｌ電極膜に最も
近いワイヤの粒界）していき、ワイヤが破断するという
問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】接合部近傍のＡｌワイ
ヤ粒径はＡｌ膜に拘束されている。すなわち、Ａｌ膜と
接するＡｌワイヤでは、熱処理しても結晶粒が成長する
際には、下地のＡｌ膜の影響をうけ、粒成長しにくい。
熱応力はＳｉとＡｌの熱膨張係数の差に基づいて発生す
るため、接合部界面が最も高く、Ａｌワイヤ上部になる
程低下する。したがってクラックはＡｌ膜直上の小さな
結晶粒界に沿って進展することが最も起こり易く、ワイ
ヤの断線が起こり易い。このため（１）接合面積を大き
くして、破断迄の時間を長くする高強度ボンディング方
法（２）ワイヤを太くしてワイヤ当りの電流密度を低減
して、接合部の温度上昇を低く押える方法が検討され疲
労寿命が向上した。しかし、十分では無い。本発明の目
的は実使用時の大電流繰り返し通電によっても、初期ク
ラックの進展速度が小さく、Ａｌワイヤ剥がれが起こり
にくい、高信頼性を有するパワーモジュールを提供する
ことにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】パワートランジスタモジ
ュール或いはＩＧＢＴモジュール等の複数個のパワー半
導体チップと、これらのチップが搭載された第１の共通
電極と、前記チップのＡｌ電極表面に複数本のワイヤに
よって接続された第２の共通電極と、前記パワー半導体
チップのＡｌ電極表面に複数本のワイヤによって接続さ
れた制御電極と、これらの電極などを絶縁する絶縁板，
絶縁樹脂及び絶縁容器を有するパワー半導体において、
ワイヤはＡｌ合金であり、接続前の平均粒径のワイヤ粒
径に対する比は０.２〜０.６の範囲であり、かつ硬さは
１８〜３０Ｈｖの範囲であり、ワイヤは０.０５ 〜４ｗ
ｔ％のＣｕを含み、Ａｌ電極はＡｌ−１ｗｔ％合金膜で
あるようにした。
【０００７】上記条件のワイヤは以下のようにして得ら
れる。すなわち、図１（ａ）に示すように上記組成のＡ
ｌ合金では、４５０〜５００℃程度の加熱により固溶体
になる、この状態では析出物が存在しないため、図１
（ｂ）に示すように比較的均一に粒成長し、粒径はほぼ
時間の関数として決まる。このようにして平均粒径のワ
イヤ径に対する比を所定のものにした後、低温２５０℃
以下の温度で低温時効することにより、硬さを１８〜３
０Ｈｖに制御出来る。すなわち、４５０℃に加熱し、大
粒径化したＡｌワイヤでは硬さが１５Ｈｖ以下になり、
やわらか過ぎて十分な接合強度が得られ無いため、時効
により図１（ｂ）に示すように微細な金属間化合物を粒
界に析出させ、その量によって硬さを変化させるのであ
る。析出の量は時効時間により変化する。
【０００８】
【作用】ワイヤ結晶粒径のワイヤ直径に対する比が０.
２〜０.６の範囲にあり、かつ硬さが１８〜４０Ｈｖの
範囲にあれば従来と全く同じ条件でＳｉチップにダメー
ジを与えることなくボンディング出来る。なぜなら、市
販のボンディングワイヤは通常上記硬さの範囲にあり、
これでチップへのボンディングが行われているからであ
る。また、比が上記範囲にあれば、例えばワイヤ径が５
００μｍの場合、粒径の範囲は１００μｍ〜３００μｍ
となる。この粒径のワイヤをボンディングし、つぶれ幅
を１.４ とした場合、接合部直上のワイヤの粒径は７０
μｍ以上になる。従来ワイヤの粒径は５０μｍ程度であ
り、ボンディング時につぶされて３０μｍ程度になり、
更に純Ａｌであるため、再結晶化し易く粒径は１０〜３
０μｍ程度になる。実施例のところでも述べるようにＳ
ｉから初期クラックまでの距離が５０μｍ以上になると
クラック先端の応力はかなり小さくなるため、クラック
の進展速度は極めて小さくなる。したがって、接合部直
上のワイヤ粒径が５０μｍ以上になれば疲労寿命は向上
する。なぜなら、クラックは粒界を進展するためであ
る。
【０００９】
【実施例】以下本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図２はＡｌ−Ｃｕ状態図のＡｌ側の１部を示したも
のである。Ａｌ合金ワイヤにおいて、固溶体領域では純
Ａｌと同じように析出物が無いため、アニールにより結
晶粒は図１（ｂ）に示すように均一に成長する。
【００１０】しかし、ワイヤの硬さは著しく低下してＡ
ｌ膜に比べかなり軟らかいため、接合時にワイヤのみが
変形するのに対し、Ａｌ膜は変形しない。したがって、
接合界面の酸化膜は破壊されず、ワイヤ／膜界面の真実
接合が得られないため、高いボンディング強度は得られ
ない。しかし、Ａｌ−０.０５ 〜４ｗｔ％Ｃｕ合金ワイ
ヤを４５０〜５００℃の範囲に０.５ 〜１０ｈ保持し
て、粒径を１００〜300μｍにした後、２００〜３００
℃の範囲で０.５ 〜２０時間低温時効することによりθ
相、すなわちＡｌ２Ｃｕ化合物がＡｌワイヤの結晶粒界
に微細に析出して、ワイヤは硬くなる。この程度は図に
示すように時効時間により、任意に変えられるため、従
来のワイヤの硬さである１８〜３０Ｈｖの硬さを有し、
ボンディングに適したＡｌ合金ワイヤが得られる。
【００１１】図３は本発明及び従来の各ボンディングワ
イヤで超音波ボンディングしたときのせん断強度に及ぼ
すつぶれ幅／ワイヤ径（Ｗｒ）の影響を示している。こ
こでは、本発明では２５Ｈｖ、従来のそれは２２Ｈｖの
ワイヤを用いた。５００μｍＡｌワイヤの場合、Ｈｖが
３０以上になるとボンディングダメージが発生すること
が経験上分かっている。また１８Ｈｖ未満では、ワイヤ
のみが変形し、Ａｌ膜はほとんど変形しないため、界面
の酸化膜が破れず高い接合強度が得られない。いずれの
場合も、Ｗｒが１.３ 以下になるとせんだん強度は著し
く低下する。これは大きな接合面積が得られないためで
ある。接合強度はワイヤ硬さ及びつぶれ幅で決まるた
め、両者で強度の差はほとんど無い。図４，図５は本発
明のワイヤによるボンディング部を拡大した模式図を従
来例と比較して示したものである。基板と半田ずけ（２
３０℃×１０分）後の断面である。本発明ワイヤ４（図
４）の場合、従来ワイヤの場合（図５）に比べ、Ａｌ膜
３の接合界面近傍における粒径がかなり大きい。一方、
従来のワイヤでは界面近傍は極めて小さい粒径である。
【００１２】図６は本発明の一実施例であり、１個の３
００Ａ級モジュール単位の平面図を示したものである。
また、図７は図６においてＡ１−Ａ２に沿った断面図を
示したものである。本実施例では、ＩＧＢＴチップ１０
１が６個、ダイオードチップ１０２が２個、例えば絶縁
ＡＩＮ板上のＮｉ／Ｃｕ／からなるコレクタ共通電極１
０３上に分散配置されている。各チップはコレクタ共通
電極１０３は半田接合されている。エミッタ電極１０４
は絶縁板１０５を介してコレクタ共通電極板１０３の周
縁部に存在している。ダイオードチップ１０２はＩＧＢ
Ｔチップ101端部に配置されている。また、ゲート電極
１０６はコレクタ共通電極１０３を介してエミッタ電極
１０４の反対側にあり、絶縁板１０５を介して接合され
ている。チップ表面と各電極は直径５００μｍＡｌ−
０.５ｗｔ％ ワイヤ１０７によって超音波接続されてい
る。ゲート及びエミッタ電極上のＣｕ板はそのままで
も、又はＮｉ，メッキ膜が施されていてもよい。絶縁板
１０５は放熱基板１０８に半田１０９接続されている。
図８は５００μｍの従来Ａｌ及び本発明のＡｌ−0.5ｗ
ｔ％Ｃｕワイヤを用いて超音波接続したモジュールの信
頼性試験結果を示したもので有る。すなわち、正弦半波
の大電流を繰り返しモジュールに与え、各サイクル毎に
接続強度を測定し、これらの結果をまとめたものであ
る。この様に、パワーサイクルによりせんだん強度が低
下するのは初期クラックが進展し、ＡｌワイヤとＡｌ膜
との真実接合面積が減少するためである。ここで各ワイ
ヤのつぶれ幅のワイヤ径に対する比は１.４ である。電
流の幅は１０ｍｓであり、ピーク電流の値は３００Ａで
あり、ＩＧＢＴ表面の温度は３０〜１１５℃の間で繰り
返し変動するが、通電後の冷却過程において初期クラッ
クが進展する。接合強度は、ワイヤをせん断試験機で横
から静かに押して、ワイヤが破断する強度とした。従来
Ａｌワイヤの接合強度はサイクル数と共に低下して行く
ことが解る。しかし本発明ワイヤのそれは２０ｋサイク
ル後もあまり低下せず、テスト前の約７６％で有ること
がわかる。一方、従来のそれは約２６％で有り、本発明
ワイヤの寿命は従来５００μｍの約３倍程度以上高いと
推定される。
【００１３】図９は図８において２００００サイクル経
過後の銅及びＡｌボンディング部の断面組織の模式図で
ある。従来Ａｌワイヤ３０１ではＩＧＢＴ上のＡｌ膜３
０３直上のＡｌワイヤの小さな粒界３０２をクラックが
進展し、その長さは中央部に迄達している。一方、本発
明ワイヤ３０５の場合には、クラックの進展は少し（３
０６）あるが、少ない。これは、本ワイヤでは接合部直
上の粒径が大きくクラックが進展しにくいことに対応し
ている。この様に、粒径が大きいとクラック進展速度が
小さいのは、図に示すようにクラック先端の応力が粒径
の小さい場合に比べかなり小さくなるためである。Ａｌ
膜厚さと計算から求めたクラック先端の応力との関係を
図１０に示す。Ａｌ膜の厚さが厚くなるにつれて応力は
小さくなる。すなわち粒径が大きくなる程、寿命が伸び
ることを示唆している。
【００１４】図１１はワイヤのボンディング前のワイヤ
の平均粒径に対するワイヤ径の比Ｄｒと２００００サイ
クル後のせんだん強度の試験前の強度に対する比との関
係を示している。Ｄｒが０.２ 未満の場合、強度比は粒
径の増加と共に増加していき、Ｄｒが０.２ 以上の粒径
になると、あまり変化し無くなる。
【００１５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、硬
さ１８〜３０Ｈｖ、粒径のワイヤに対する比が０.２〜
０.６のＡｌ−０.０５ 〜１ｗｔ％Ｃｕワイヤを用いて
ボンディングすることにより従来に比べ、ワイヤボンデ
ィング部が断線しにくい高信頼性のパワーモジュールが
得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａｌの状態図である。
【図２】Ａｌ−Ｃｕ状態図である。
【図３】超音波ボンディングをしたときのせん断強度に
及ぼすつぶれ幅／ワイヤ径の影響を示す図である。
【図４】本発明によるワイヤを用いた場合のボンディン
グ部を拡大した模式図である。
【図５】従来のワイヤを用いた場合のボンディング部を
拡大した模式図である。
【図６】本発明を半導体装置に適用した実施例を示す図
である。
【図７】図６に示した半導体装置の断面図である。
【図８】本発明のＡｌワイヤを用いた場合のパワーサイ
クル信頼性試験結果を示す図である。
【図９】２０００サイクル経過後の銅及びＡｌボンディ
ング部の断面組織の模式図である。
【図１０】Ａｌ膜厚さと計算から求めたクラック先端の
応力との関係を示す図である。
【図１１】ワイヤのボンディング前のワイヤの平均粒径
に対するワイヤ径の比Ｄｒと２００００サイクル後のせ
んだく強度の試験前の強度に対する比を示す図である。
【符号の説明】
１０１…ＩＧＢＴ、１０２…ダイオード、１０３…コレ
クタ共通電極、１０４…エミッタ電極、１０５…絶縁
板、１０６…ゲート電極、１０７…５００μｍＡｌ合金
ワイヤ、１０８…放熱基板、１０９…半田接合部。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】平均結晶粒のワイヤ直径に対する比が０.
    ２〜０.６の範囲にありかつワイヤの硬さは１８〜３０
    Ｈｖの範囲にあることを特徴とする直径２００〜６００
    μｍの大電流通電用Ａｌ合金ワイヤ。
  2. 【請求項２】請求項１において、前記Ａｌ合金ワイヤは
    固溶体合金であることを特徴とするＡｌ合金ワイヤ。
  3. 【請求項３】請求項１において、前記Ａｌ合金は０.０
    ５ 〜４ｗｔ％の銅を含むことを特徴とするＡｌ合金ワ
    イヤ。
  4. 【請求項４】ＭＯＳ制御型パワー半導体チップおよびダ
    イオードチップを絶縁基板上の共通電極板に複数個配置
    した半導体モジュールにおいて、前記ＭＯＳ制御型パワ
    ー半導体チップおよびダイオードチップのＡｌ電極と共
    通電極板およびゲート電極板とが直径２００〜６００μ
    ｍ、粒径のワイヤ径に対する比が０.２〜０.６の範囲に
    ありかつワイヤの硬さは１８〜３０ＨｖのＡｌ合金ワイ
    ヤにより超音波接続されている半導体モジュール。
  5. 【請求項５】請求項４において前記Ａｌ合金ワイヤは固
    溶体合金であることを特徴とする半導体モジュール。
  6. 【請求項６】請求項４において、前記Ａｌ合金は０.０
    ５ 〜４ｗｔ％の銅を含むことを特徴とする半導体モジ
    ュール。
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