JPH088288A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH088288A
JPH088288A JP13686694A JP13686694A JPH088288A JP H088288 A JPH088288 A JP H088288A JP 13686694 A JP13686694 A JP 13686694A JP 13686694 A JP13686694 A JP 13686694A JP H088288 A JPH088288 A JP H088288A
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JP
Japan
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wire
igbt module
crystal grains
semiconductor device
aluminum
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JP13686694A
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English (en)
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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】稼働中における電極パッド上のワイヤのクラッ
クの進展を抑制し、信頼性の高いＩＧＢＴモジュールを
提供することにある。 【構成】本発明のＩＧＢＴモジュールは、素子と外部電
極との接続において、５０μｍ以上の平均結晶粒径を有
し、かつ、通電時に再結晶を起こさないように、再結晶
温度を１５０℃以上と高めるためのＦｅが０.０２〜１
ｗｔ％ 含有したアルミニウムワイヤで構成される。 【効果】ワイヤの剥離のない信頼性の高いＩＧＢＴモジ
ュールが提供できる。

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し、特にパワー半導体装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】誘導電動機（インダクションモータ）を
インバータによって制御するインバータ電車は、広く普
及している。大容量化，高速化，省エネルギー化などに
優れたＧＴＯ（自己消弧型）サイリスタを使ったインバ
ータが実用化されて以来、現在はＧＴＯインバータが主
流となっている。
【０００３】近年、大容量のＩＧＢＴ（Insulated-Gate
-Bipolar-Transistor)素子が開発され、従来のＧＴＯサ
イリスタに替わり、車両用のインバータに適用されつつ
ある。このＩＧＢＴ素子を適用したＩＧＢＴモジュール
によって低騒音化及びインバータの小型化が図れる等の
メリットがある。
【０００４】従来、例えば特開昭57−5453号，特開昭62
−61349号，特開昭62−104145号 に記載されている素子
上のアルミニウム合金膜で形成されている電極パッドと
外部電極端子とは、超音波ワイヤボンディング法によっ
て直径３００〜５００μｍのアルミニウムワイヤで接続
されている。この方法は、大きな荷重と超音波によって
ワイヤを変形させ電極パッドならびに外部電極端子に強
固に接合するものである。
【０００５】電車の運行では、走行，停止が煩雑にかつ
長時間繰り返される。そのため、走行の際には半導体素
子に通電され、その結果電極パッド上のワイヤが著しく
高温になる。一方、停止の際には通電を止めるが、この
場合には急速に冷却される。この加熱−冷却の温度サイ
クルにより、素子とワイヤとの熱膨張率の差に基づいて
発生する熱応力により、ワイヤの周辺部からクラックが
進展し短時間で剥離するという問題がある。図４（ａ）
は、温度サイクルが行われた後のワイヤと電極パッドと
の接合部の断面の模式図である。接合界面直上部の結晶
粒が他の部分に比べて小さく、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。熱応力は接合界面が最も高く、界面より離れる
のにしたがい低くなる。したがって一般的にはクラック
はワイヤと電極パッドとの界面を進展するものと考えら
れるが、パワーモジュールの場合、ワイヤが強固に電極
パッドに接合されているため、クラックは結晶粒界を進
展する。この時、接合界面直上部に小さな結晶粒がほぼ
直線にならんでいるため、クラックはより進展しやすく
なり、短時間で劣化するものと推定できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】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(２４.３×１０-6／℃）アルミニウムの組合わせ
である。前述したようにワイヤは通電時には温度が急激
に上昇し、通電を止めた時は逆に急激に下がる。この温
度サイクルによって、上記接合界面には熱膨張率の違い
に基づく高い熱応力が発生するため、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。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。前述したように、接合の際にはワイヤには大きな
荷重と超音波振動が負荷され、著しく変形する。この場
合、電極パッドとの接合界面直上の部分が最も変形す
る。したがってその部分の結晶粒の内部に他の部分に比
べて大きな加工歪が生じる。通電時にはワイヤがおおよ
そ最高１３０℃に加熱されるが、その際の熱エネルギに
より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。これは一般に再結晶化
と言われている。アルミニウムワイヤの再結晶化温度は
約１００℃であるため、通電時の加熱で再結晶が起こ
る。その後、その核が成長し元の結晶粒に置き変わる
が、この部分には小さな結晶粒が数多く存在する。
【０００７】すなわち、通電時にワイヤが再結晶を起こ
す温度よりも高い温度に加熱されることによりワイヤが
再結晶するため、接合界面直上部の結晶粒が他の部分の
それより小さくなるものと推察できる。
【０００８】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、稼働中における電極パッド上のワイ
ヤのクラックの進展を抑制し、信頼性の高いＩＧＢＴモ
ジュールを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明のＩＧＢＴモジュ
ールは、素子と外部電極との接続において、５０μｍ以
上の平均結晶粒径を有し、かつ、通電時に再結晶を起こ
さないように、再結晶温度を１５０℃以上と高めるため
のＦｅが０.０２〜１ｗｔ％ 含有したアルミニウムワイ
ヤで構成される。
【００１０】
【作用】アルミニウムにＦｅを含有させることにより、
再結晶を起こす温度を高めることができるため通電時に
再結晶せず、接合界面直上部に小さな結晶粒が形成され
ない。また、前述したように熱応力は接合界面が最も高
く、界面から離れるほど低くなる。したがって、結晶粒
の大きさが５０μｍ以上と大きいことにより、クラック
の進展経路である結晶粒界が接合界面から離れ、その結
果、結晶粒界に働く熱応力が低くなりクラックの進展が
抑制される。
【００１１】
【実施例】
実施例１ 図１は、本発明の一実施例のＩＧＢＴモジュールの断面
図である。外部電極１が固着された絶縁基板２にＩＧＢ
Ｔ素子３が接着されている。上記素子にはアルミニウム
もしくはＡｌ−Ｓｉ合金膜の電極パッド４が形成されて
おり、このパッドと外部電極が直径５００μｍのＡｌ−
０.０２ｗｔ％Ｆｅ合金ワイヤ(Ａｌ−Ｆｅ合金ワイヤ）
５で接続されている。この絶縁基板は放熱板６に固着さ
れ、これら全体が樹脂７でモールドされた構造である。
【００１２】実施例２ 図２は、アルミニウム中のＦｅの含有量を変化させて作
製した直径５００μｍのワイヤを用い、再結晶化する温
度とＦｅの含有量との関係を示した図である。従来のＦ
ｅが含有されていない純アルミニウムでは、通電時の加
熱温度の１３０℃以下である１００℃で再結晶するのが
わかる。Ｆｅが含有することにより再結晶温度は高くな
るが、１３０℃ 以上のそれを得るにはＦｅの含有量が
０.０２％以上あればよいことがわかる。Ｆｅの含有量
が多くなるほど再結晶を起こす温度は高くなるが、あま
り多いとワイヤが硬くなりボンディング時に素子に損傷
を与えるため、１ｗｔ％が上限として望ましい。
【００１３】実施例３ 図３は、素子と外部電極との接続に、本発明の直径５０
０μｍのＡｌ−0.05ｗｔ％Ｆｅワイヤを用いたＩＧＢＴ
モジュールを熱疲労試験（繰り返し電流をＯＮ，ＯＦＦ
させる）を行い、サイクル数と電極パッド上のワイヤの
接合強度との関係を従来のワイヤを用いた場合と比較し
て示した図である。試験前の接合強度を１００としてあ
らわすと、従来の場合の接合強度はサイクル数の増加と
ともに急激に低下することがわかる。すなわち、１００
００サイクル後で試験前の接合強度の５０％に低下する
のに対し、本発明の場合ではわずかに２０％しか低下し
ないことがわかる。
【００１４】この結果は、１００００サイクル後の両者
のワイヤ部の断面の模式図を示した図４からわかるよう
に、図４（ａ）で示す従来の場合では接合界面直上部の
結晶粒が他の部分に比べ小さく、かつ一直線に揃い、ク
ラックがこの小さな結晶粒と大きな結晶粒の間をワイヤ
内部まで進展しているのに対し、図４（ｂ）で示す本発
明の場合では小さな結晶粒は存在せず、接合界面にわず
かにクラックが進展している程度であるからである。
【００１５】実施例４ 図５は、ＩＧＢＴモジュールのワイヤボンディングに平
均結晶粒径の異なるＡｌ−０.０２ｗｔ％Ｆｅ ワイヤを
用い、前述の熱疲労試験を１００００サイクル行った後
の電極パッド上のワイヤの接合強度の変化を示した図で
ある。試験前の接合強度を１００とすると、従来のワイ
ヤを用いた場合は試験前の接合強度の５０％に低下す
る。一方、Ａｌ−Ｆｅワイヤの場合、いずれの粒径にお
いても従来のワイヤを用いた場合より低下しないが、低
下の度合いは粒径に依存し、粒径が５０μｍ以上ではほ
とんど低下しないことがわかる。
【００１６】これは、結晶粒が大きくなると、クラック
の進展経路である結晶粒界が接合界面から離れ、その結
果、結晶粒界に働く熱応力が低くなりクラックの進展が
抑制されるためである。
【００１７】Ａｌ−Ｆｅワイヤの結晶粒の粗大化は、ワ
イヤをアニールすればよい。図６にＡｌ−０.０２％Ｆ
ｅ ワイヤの場合におけるアニール温度と平均結晶粒径
との関係を示す。５０μｍ以上の結晶粒を得るために
は、３００℃以上の温度でアニールすればよいことがわ
かる。
【００１８】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく種々の変形が可能である。上記実施例ではワ
イヤとしてＡｌ−Ｆｅ合金ワイヤを用いたが、Ｔｉ，Ｍ
ｎ及びＣｒを含有したアルミニウム合金でもよい。
【００１９】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ワ
イヤの剥離のない信頼性の高いIGBTモジュールが提供で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明一実施例のＩＧＢＴモジュールの断面図
である。
【図２】Ｆｅの含有量と再結晶化する温度との関係図で
ある。
【図３】本発明のモジュールにおけるワイヤ接合部の強
度変化と熱疲労試験サイクル数との関係図である。
【図４】本発明及び従来の熱疲労試験後のワイヤ断面の
概略図である。
【図５】Ａｌ−Ｆｅ合金ワイヤの結晶粒平均径と熱疲労
試験後の強度変化との関係図である。
【図６】Ａｌ−Ｆｅ合金ワイヤの結晶粒平均径とアニー
ル温度との関係図である。
【符号の説明】
１…外部電極、２…絶縁基板、３…ＩＧＢＴ素子、４…
電極パッド、５…Ａｌ−Ｆｅ合金ワイヤ、６…放熱板、
７…樹脂、８…アルミニウムワイヤ。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体素子と外部電極との接続にワイヤボ
    ンディングを用いた半導体装置において、前記ワイヤボ
    ンディング素材として、１５０℃以上で再結晶するワイ
    ヤを用いることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】前記ワイヤボンディング素材として、１５
    ０℃以上で再結晶するアルミニウム合金ワイヤを用いる
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】前記ワイヤボンディング素材として、５０
    μｍの平均結晶粒径を有し、かつ１５０℃以上で再結晶
    するアルミニウム合金ワイヤを用いることを特徴とする
    請求項１記載の半導体装置。
  4. 【請求項４】前記ワイヤボンディング素材として、Ｆｅ
    を０．０２〜１wt％含有し、残部アルミニウムからなる
    ワイヤを用いることを特徴とする請求項１記載の半導体
    装置。
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