JPH09237868A - 半導体モジュール - Google Patents

半導体モジュール

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JPH09237868A
JPH09237868A JP8042422A JP4242296A JPH09237868A JP H09237868 A JPH09237868 A JP H09237868A JP 8042422 A JP8042422 A JP 8042422A JP 4242296 A JP4242296 A JP 4242296A JP H09237868 A JPH09237868 A JP H09237868A
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electrode
cathode
semiconductor module
anode
internal electrode
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Hitoshi Onuki
仁 大貫
Mitsuo Kato
光雄 加藤
Koichi Inoue
広一 井上
Hideo Kobayashi
秀男 小林
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Abstract

(57)【要約】 【課題】高信頼，小型でしかも高耐圧，大容量化に適し
た半導体モジュールを提供する。 【解決手段】絶縁基板の上に導電性放熱基板を介して両
主面上に内部電極を有するＭＯＳ制御型パワー半導体素
子と両主面上に内部電極を有するパワーダイオード素子
とを搭載し、ＭＯＳ制御型パワー半導体素子のカソード
内部電極と制御内部電極及びパワーダイオード素子のカ
ソード内部電極を接続する共通電極を支持する絶縁ポス
トを前記導電性放熱基板の上に設ける。 【効果】高耐圧のモジュールが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＭＯＳ制御型パワ
ー半導体、特に、トランジスタ（ＩＧＢＴ等）、あるい
はトランジスタとサイリスタとの複合体（ＩＧＣＴ等）
及びダイオードを並列搭載した半導体モジュールに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】インバータ装置を始めとする電力用変換
器の高性能化，低騒音化に対応するため、高速，低損失
の半導体スイッチング素子の開発が強く望まれている。
この半導体素子として、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipo
lar Transistor）及びＩＧＣＴ（Insulated Gate Contr
olled Thyristor ）がある。ＩＧＢＴは、例えば電子技
術１９９１年８月号１７−７１頁に開示されているよう
に電圧駆動であり、高速動作が可能である。更に、電圧
制御であることから、従来の電流制御素子であるＧＴＯ
サイリスタに比べ、オン電圧を低くできるため、素子の
低損失化が可能である。また、ＩＧＣＴはＩＧＢＴに比
べ、さらにオン電圧の低減，大電流化が可能である。し
かしＩＧＢＴ，ＩＧＣＴ等のＭＯＳ制御型半導体はチッ
プの大面積化がプロセス歩留りの点から難しいため、大
電力のスイッチングを行う際、チップの並列接続が不可
欠であり、このためにはモジュール化する必要がある。
【０００３】図２（ａ)，(ｂ）は特開平5−206449 号公
報に開示されている従来のＩＧＢＴモジュールの平面及
び断面構造を示した図である。図２において、２０１は
Ｃｕ放熱基板、２０２は半田接合部、２０３は絶縁基
板、２０４は半田接合部、205はＣｕ回路共通基板、２
０６は半田接合部、２０７は絶縁端子、２０８は高温半
田接合部、２０９はエミッタ電極端子、２１０はＡｌワ
イヤ、２１１はＭｏ等の熱緩衝板、２１２はＩＧＢＴチ
ップ、２１３はダイオードチップ、２１５はゲート制御
電極端子、２１６は硬ろうである。ＩＧＢＴチップ２１
２及びダイオードチップ２１４のアノード側電極は高温
半田接合部２０８によって第１の共通Ｃｕ基板２０５に
あらかじめ硬ろう２１６により接合された熱緩衝板２１
１に接続される。またＩＧＢＴチップ及びダイオードチ
ップのカソード電極面はＡｌワイヤ２１０により共通電
極２０９に接続される。ゲート電極はＭｏ等の熱緩衝板
211に接続される。またＩＧＢＴチップ及びダイオード
チップのカソード電極面はＡｌワイヤ２１０により共通
電極２０９に接続される。ゲート電極はＡｌワイヤによ
りゲート制御電極端子２１５に接続される。ＩＧＢＴチ
ップ２１２及びダイオードチップ２１４内部で生じた熱
はＣｕ回路共通基板２０５で広がり、絶縁基板２０３，
Ｃｕ放熱基板２０１を通して外部へ放散する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来構造では、ワイヤ
ボンディング時にチップダメージが発生しやすい。ま
た、通電・冷却による温度サイクルの冷却過程におい
て、ＡｌとＳｉとの熱膨張係数の差に基づく熱応力がワ
イヤボンディング部に生じ、ワイヤボンディング部２１
７が劣化する問題がある。また、Ｃｕ回路共通基板２０
５とＡｌ2Ｏ3等の絶縁基板２０３との半田接合部２０４
や、Ａｌ2Ｏ3等の絶縁基板２０３とＣｕ放熱基板２０１
との半田接合部２０２にも熱応力が発生し、半田接合部
が劣化する問題もある。さらに従来構造では、ＩＧＢＴ
のチップダメージを少なくするためにボンディングパッ
ド２１８の下部にはＭＯＳ構造をとっていない。このた
め、ＭＯＳ制御部がチップ面積に占める割合が小さくな
り、単位面積あたりの電流容量が小さい。また、ゲート
制御電極及びカソード電極用の共通電極218，209を別々
に、ゲート制御電極及びカソード電極とほぼ同じ高さに
設けているため、高密度化が不十分であった。
【０００５】本発明の目的は、信頼性が高く高密度化，
大容量化が可能な半導体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】本発明の半導体モジュー
ルはＩＧＢＴチツプのカソード電極上にカソード側Ｍｏ
内部電極が金属同士の固相相互拡散により金属学的に接
合されているため、ＭＯＳ制御部をＩＧＢＴチツプの全
面にわたって作製できるので単位面積あたりの電流容量
を大きくとれる。すなわち、カソード側Ｍｏ内部電極上
にワイヤボンデイングできるため、ＭＯＳ制御部がカソ
ード電極の下部にあってもボンディングダメージは発生
しない。カソード内部電極がワイヤボンディング部に発
生する熱応力を緩和するので、ワイヤボンディング部に
劣化が生じない。また、Ｃｕの放熱板とＩＧＢＴチップ
のアノード電極に接続されたアノード内部Ｍｏ電極とが
半田で接続されているので、これらの間に発生した内部
熱応力がＭｏ電極により緩和され半田が劣化しない。本
発明の半導体モジュールはゲート制御電極及びカソード
電極用の共通電極を同一の絶縁ポストの上に設け、絶縁
ポストをＩＧＢＴチップよりも高くできるので、モジュ
ールの高密度化と高耐圧化が可能である。本発明の半導
体モジュールは、ＩＧＢＴチップ基板のアノード，カソ
ード及びゲート電極と熱膨張係数が小さい内部電極とが
硬ろうにより金属学的に接続されているため、Ｃｕの放
熱基板との半田接合部の信頼性が極めて高い。すなわち
ＩＧＢＴチップとＣｕの放熱基板との界面に発生する熱
応力が、低熱膨張係数の内部電極により緩和されるため
クラックの進展速度は小さくなり、接合部の信頼性が向
上する。また、カソード電極と前記内部電極が温度２５
０℃以下，加圧力１kg／mm2 以下で接合されるため、全
面ＭＯＳ制御部がカソード電極の下に存在してもＭＯＳ
制御部に損傷は生じない。このため、従来の半導体モジ
ュールにみられたようにボンディング部の直下にＭＯＳ
制御部を形成できず、電流効率が低下するような不具合
がない。本発明の半導体モジュールは、厚さ５０μｍ以
上の前記内部電極が接合され緩衝効果を示すため、ワイ
ヤボンディングの際にダメージが発生しない。本発明の
半導体モジュールは、厚さ５０μｍ以上の前記熱膨張係
数の小さな内部電極の緩衝効果により、ワイヤボンディ
ング部に発生する熱応力が低減される。
【０００７】本発明の半導体モジュールは、ゲート制御
電極及びカソード電極用の共通電極を同一の絶縁ポスト
の上に設け、絶縁ポストをＩＧＢＴチップよりも高くす
ることにより従来構造のパッケージより小型にできる。
従来は要求される絶縁耐圧に応じてアノード共通電極と
カソード電極間の距離を大きくしていた。本発明の半導
体モジュールは絶縁ポストの高さを大きくすることによ
り絶縁耐圧を高くできる。モジュールの絶縁耐圧を高く
するとＩＧＢＴチップの効率が落ち、例えば絶縁耐圧を
２kVから４kVにすると電流容量は約７０％に低下する。
この場合、同じ電流容量を実現するためにはモジュール
サイズは１.４ 倍程の大きさになり、特に数千アンペア
クラスの大容量モジュールではサイズが著しく大きくな
り、コストの増大，接合面積の増大による信頼性の低下
をもたらす。本発明の半導体モジュールでは絶縁耐圧を
高くしてもモジュールの大きさは従来構造と余り変わら
ない大きさである。本発明の半導体モジュールは、発生
する熱をＩＧＢＴチップ厚さの５〜３０倍の厚さにした
Ｃｕ放熱基板を通して十分に拡散し、放熱することがで
きる。絶縁基板とＣｕ基板とを低温接合すると熱抵抗を
低くすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例により具体
的に説明する。
【０００９】図１（ａ)，(ｂ）は本発明の半導体モジュ
ールの一例を示す図である。図において１０１は絶縁基
板、１０２はＣｕ放熱基板、１０３はアノード電極、１
０４はコレクタ端子、１０５はゲート電極、１０６は絶
縁端子、１０７は締め付けネジ、１０８は接着層２、１
０９は内部電極、１１０はＩＧＢＴチップ、１１１は接
着層、１１２はボンディングワイヤ、１１３は第２の共
通電極基板、１１４は絶縁ポスト、１１５は樹脂、１１
６はダイオードチップ、１１７はエミッタ共通電極、１
１８はゲート共通電極、１１９はゲート制御共通端子、
１２０はカソード（エミッタ）電極、１２１はエミッタ
共通電極端子、１２２はゲート制御電極用内部電極であ
る。
【００１０】図１に示す半導体モジュールの特徴はＩＧ
ＢＴチップ１１０のカソード電極１２０とアノード（コ
レクタ）電極と内部電極１０９とが強固に金属学的に接
着され、またゲート電極１０５にゲート制御電極用内部
電極１２２とが同様に強固に金属学的に接着されてい
る。これらの電極はアノード（コレクタ）側はＣｕ放熱
基板１０２に接着層２により強固に金属学的に接着され
ており、またカソード側の内部電極１０９及びゲート制
御電極用内部電極１２２はワイヤボンディングによりそ
れぞれエミッタ共通電極１１７及びゲート共通電極１１
８に接続されている。また、第２の共通電極基板１１３
はチップ表面の内部電極１０９よりも高い位置にあり、
絶縁耐圧によりその絶縁ポスト１１４の高さを制御する
ことができる。すなわち、図２に示す従来例のように横
方向の長さにより絶縁耐圧を制御せず、その高さにより
絶縁耐圧を制御できるため小型，高密度化が可能であ
る。アノード（コレクタ）側はＣｕ放熱基板１０２にＭ
ｏ内部電極を介して接着層２により強固に金属学的に接
着されているため、Ｃｕ放熱基板１０２の厚さを制御す
ることによりチップで発生した熱を十分に拡散させ、放
熱フィン(図示せず。)に熱を逃がすことができる。絶縁
基板１０１とＣｕ放熱基板１０２とは加圧接触させる。
カソード電極，アノード電極及びゲート内部電極構造と
してはＡｌ／Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｇ，Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａ
ｇ，Ａｌ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕあるいはＡｌ／Ｃｒ
／Ａｇ，Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ，Ａｌ／Ｃｒ／Ａｇ等、半導
体チップの上に形成した第一層をＡｌとし、最上層はＡ
ｇあるいはＡｕで、第一層と最上層との間に中間層とし
て密着性向上のＣｒ層，Ｔｉ層，バリアであるＮｉ層な
どが積層されていれば良い。一方、内部電極１０９，ゲ
ート制御電極用内部電極１２２の接着層はＮｉ／Ａｇ，
Ｎｉ／Ａｕからなる。ＡｇとＡｇあるいはＡｇとＡｕと
の固相相互拡散により２５０℃以下の温度で金属接合が
完了する。また、アノード側内部電極とＣｕ放熱基板１
０２との接合はＰｂ−Ｓｎ，Ｓｎ−Ｓｂの合金半田によ
り２００℃〜２８０℃で行っても良いし、またアノード
側の内部電極１０９の表面にＮｉ／Ａｇ，Ｎｉ／Ａｕ層
及びＣｕ放熱基板１０２の表面にもＮｉ／Ａｇ，Ｎｉ／
Ａｕ層を設け、これをＡｇとＡｇとの固相相互拡散によ
り２５０℃以下の温度で接合しても良い。カソード側の
内部電極１０９及びゲート制御電極用内部電極１２２と
第２の共通電極基板１１３上のゲート共通１１８及びエ
ミッタ共通電極１１７は太さ２００〜５５０μｍのワイ
ヤにより超音波接合される。ワイヤ材質としてはカソー
ド側の内部電極１０９が存在するため、純Ａｌの他にＣ
ｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｇ及びＡｌ合金の何れでもよい。ワ
イヤボンディング部に発生する熱応力はカソード側の内
部電極１０９により緩和される。したがって純Ａｌでも
十分な信頼性が得られる。また、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａ
ｇの熱膨張係数はそれぞれ、１７.０×１０-6／℃，１
２.１×１０-6／℃，１９.１×１０-6／℃でＡｌの２
３.５×１０-6／℃ に比較して小さく、ワイヤボンディ
ング部に発生する熱応力は一段と小さくなり信頼性はさ
らに向上する。モジュールの大容量化を図るためにはチ
ップの数をさらに増せば良い。
【００１１】図３（ａ)，(ｂ）に本発明の別の実施例を
示す。図３において３０１は絶縁基板、３０２はＣｕ放
熱基板、３０３はアノード電極(コレクタ電極)、３０４
はコレクタ端子、３０５はカソード電極、３０６は絶縁
端子、３０７はネジ、３０８は接着層２、３０９はＭｏ
内部電極、３１０はＩＧＢＴチップ、３１１は接着層、
３１２はボンディングワイヤ、３１３は第２の共通電極
基板、３１４は絶縁ポスト、３１５は樹脂、３１６はダ
イオードチップ、３１７はエミッタ(カソード)共通電
極、３１８はゲート共通電極、３１９はゲート制御共通
端子、３２０はカソード電極、３２１はエミッタ共通電
極端子、３２２はゲート内部電極である。図３の特徴は
図１の場合と異なり、カソード電極３０９及びこれと接
合されたＭｏ内部電極がＩＧＢＴチップ３１０の中央部
に位置し、ゲート電極と接合したゲート内部電極３２２
がＩＧＢＴチップの外側に位置していることにある。
【００１２】図４（ａ)，(ｂ）に本発明の第２の共通電
極基板の構造を示す。図４（ａ）において４０１はＣｕ
放熱基板、４０２はネジ、４０３は有機樹脂、４０４は
接着材、４０５はゲート制御共通電極、４０６はエミッ
タ（カソード）共通電極である。ここで、有機樹脂４０
３はネジでなく、接着材でＣｕ放熱基板４０１に接合し
てもよい。また、共通電極４０５及び４０６は表面に光
沢あるいは無光沢Ｎｉメッキを施されたＣｕあるいはア
ルミ材からなる。接着材４０４は例えばシリコーンゴム
系のものが良い。
【００１３】図４（ｂ）において４１０はＣｕ放熱基
板、４１１はＣｕ、４１２は例えば半田等の金属接合
層、４１３はＣｕ層、４１４はアルミナ等のセラミッ
ク、４１７もアルミナ等のセラミック、４１５はゲート
制御共通電極、４１６はエミッタ（カソード）共通電極
である。ゲート制御共通電極４１５及びエミッタ（カソ
ード）共通電極４１６とアルミナ等のセラミック４１６
との接合は上記接着材，半田等の金属接合あるいはＡｇ
等を用いた固相金属接合でもよい。また、アルミナ等の
絶縁基板４１４と４１７とは一体型でも接合して一体に
しても良い。４１５及び４１６の表面には光沢あるいは
無光沢Ｎｉメッキが施されている。
【００１４】図５は本発明のモジュール構造の一部及び
モジュール構造のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対応する黒丸点の位
置の温度を示した図である。図５において、５０１はIG
BTチップ、５０２はＣｕ放熱基板ベース、５０３はヒー
トシンクである。図５において、チップとベースの温度
差を縦軸に示すが、例えばチップ直下のＡ点及びＣ点と
Ｄ点及びＢ点との温度差が少ない方がチップで発生した
熱がＣｕ放熱基板ベース５０２に十分に広がることを示
している。ＩＧＢＴチップ５０１の厚さｔとＣｕ放熱基
板ベース５０２の厚さＴの比Ｔ／ｔが大きくなるほど熱
拡散が十分に起こっていることを示している。前記の比
Ｔ／ｔが５未満ではＡ点及びＣ点とＤ点及びＢ点との温
度差が大きくなることがわかる。しかし、Ｔ／ｔが３０
より大きくなるとＣｕのベースの縦方向の熱損失が大き
くなり、熱抵抗が増大しモジュール性能としては好まし
くない。
【００１５】図６は本発明のＩＧＢＴ上の電極構造を示
した図である。図において６０１はＩＧＢＴ基体、６０
２はＡｌ電極、６０３はＣｒ電極、６０４はＮｉ電極、
605はＡｇ電極、６０６はゲート酸化膜、６０７はゲー
ト（ポリシリコン）である。ここでＡｌ電極はｐ- Ｓ
ｉ，ｎ+ Ｓｉとのオーミックコンタクトを得ることとｐ
- Ｓｉ，ｎ+ Ｓｉとの密着性を向上させるために用いて
ある。Ｃｒ電極はＡｌ電極との密着性を向上させるため
に用いる。Ｎｉ電極はＡｌ電極とＡｇ電極との反応防止
が目的である。上記は電極構造の一例を示したものであ
るが、電極システムとしてはＡｌ／Ｃｒ／Ａｇ，Ａｌ／
Ｎｉ／Ａｇ，Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ，Ａｌ／Ｃｒ／Ａｇ等で
もよい。Ａｌ電極の厚さは５〜２０μｍ，Ｃｒ電極の厚
さは0.1〜０.５μｍ，Ｎｉ電極の厚さは０.３〜１.０μ
ｍ，Ａｇ電極の厚さは０.５〜５μｍの範囲が良い。Ａ
ｌ電極の形成方法としてはスパッタリング，Ｃｒ電極，
Ｎｉ電極，Ａｇ電極はそれぞれ真空蒸着あるいはスパッ
タリングがある。上記Ａｌ電極はＳｉを０.５〜１.５ｗ
ｔ％含んでいるがこれはアニールによるＡｌのスパイク
を防止するためである。さらに電流密度が高くなれば上
記Ａｌ合金にＰｄ，Ｃｕを添加しエレクトロマイグレー
ションを防止することが重要である。上記Ｐｄ，Ｃｕの
添加はパワーモジュールの熱疲労試験において発生する
Ａｌのストレスによる粒界すべり，ヒロックの生成を防
止できる。本発明では、Ａｌ電極の上部にＣｒ電極，Ｎ
ｉ電極，Ａｇ電極が存在するため粒界すべり，ヒロック
の生成はこのままでも起こりにくい。
【００１６】図７は図６において述べたＩＧＢＴチップ
のカソード及びアノード側電極とＭｏ内部電極を低温接
合した後の断面構造を示す図である。図７において７０
１はＩＧＢＴチップ、７０２はＳｉ側からＡｌ／Ｃｒ／
Ｎｉ／Ａｇ多層電極、703はカソード側Ｍｏ内部電極、
７０４はターミネーション、７０５はゲート制御内部電
極、７０６はアノード側内部電極、７０７は接合層、７
０８はゲート酸化膜、７０９もゲート電極（ポリシリコ
ン）である。接合はまず、カソード側Ｍｏ内部電極及び
アノード側内部電極の表面にＮｉ膜，その上部にＡｇ電
極を形成する。これを大気中，真空中、及び不活性ガス
中で、図６に示すＩＧＢＴチップと重ね、２５０℃以下
の温度に加熱し、加圧力０.５kg／mm2，保持時間１０分
の条件下で接合した。接合温度は１００℃以上であれば
良い。
【００１７】この接合条件ではゲート酸化膜が破損する
ことはない。接合はＡｇ−ＡｇあるいはＡｇ−Ａｕ（カ
ソード側Ｍｏ内部電極及びアノード側内部電極の表面に
Ｎｉ膜，その上部にＡｕ電極を形成した場合）の固相拡
散により完了する。カソード側では内部電極をＭｏから
ＡｌあるいはＣｕに変えてもよい。しかし、アノード側
では内部電極はＭｏ等の低い熱膨張係数の材料が不可欠
である。内部電極の厚さとしては５０μｍ以上、特に１
００μｍが望ましい。５０μｍ未満になるとボンディン
グダメージ，ワイヤボンディング部の信頼性の点で問題
が生ずる。なお、図７には記載されていないが、ゲート
配線の低抵抗化のため、ポリシリコンをＡｌで裏うちし
ている。このため、ゲート配線部の高さをカソード配線
部よりも低くする目的でその部分のＳｉをエッチング等
の手段により５〜１０μｍ程度掘り下げる必要がある。
【００１８】図８は図７と同様の方法にてＳｉとＭｏと
を接合した後、接合部の信頼性を温度サイクル試験によ
り評価した結果を示す。ここで温度変動幅は１００℃と
した。比較のために、ＳｉとＭｏをＳｎ−Ｓｂ半田によ
り接合した場合の結果も示した。この場合のＳｉ側の電
極構造としてはＡｌ／Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｇの四層膜を用
い、Ｍｏ側にはＮｉメッキ膜を設け、これらの間にＳｎ
−Ｓｂ半田を挟み、水素雰囲気中で２８０℃の温度に１
０分間加熱して接合した。接合部の寸法は３０mm角であ
る。半田接合サンプルを５個，固相接合サンプルを５個
作製した。これらを温度サイクル試験装置に投入し、２
００，４００，６００，８００サイクル後に超音波探傷
試験装置により、接合界面に発生したボイドの面積を測
定しこれをサイクル数に対してプロットした。
【００１９】半田接合部では、４００サイクル以上でボ
イドが成長していくのに対し、固相接合ではボイドの成
長がない。なお、ボイドは超音波探傷試験装置に表示さ
れた部分の面積である。
【００２０】図９はＭｏ内部電極上にワイヤボンデイン
グした後のボンディング部の剪断強度とつぶれ幅比との
関係を示す。ここでつぶれ幅比とはボンディング後のワ
イヤの最大幅Ｗとワイヤ径ｄとの比Ｗ／ｄを表わす。Ｃ
ｕワイヤの場合は、３００μｍワイヤを用い、Ｍｏ内部
電極上にはＡｇ膜を設け、この上部にワイヤボンデイン
グを行ったが、このほかにＡｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｎｉ等の
膜を設けても良い。また、Ｍｏ内部電極の他にＡｌ，Ｃ
ｕの内部電極を用いてもよく、この場合は直接Ｃｕワイ
ヤボンディングしてもよい。５００μｍワイヤを用いた
ボンディングの場合は、直接Ｍｏ内部電極上に行った。
ワイヤボンディング強度はＣｕワイヤの場合の方が高い
が、いずれのワイヤの場合もつぶれ幅比が１.２ まで
は、つぶれ幅比とともに急激に高くなるが、この比が
１.２ 以上になると飽和する傾向である。したがって、
今後は強度が安定するつぶれ幅比１.４ の条件でワイヤ
ボンディングすることにする。
【００２１】図１０は本発明のワイヤボンディング部の
熱疲労寿命を従来のＡｌワイヤ／Ａｌ−１ｗｔ％Ｓｉ電
極膜接合部のそれと比較した結果を示す。使用したＡｌ
ワイヤの硬さは２０−２５Ｈｖ，ボンディング荷重は１
４００ｇ，超音波印加時間は１００ｍｓである。また、
Ｃｕワイヤは５Ｎの純度を有し、その硬さは３０−４０
Ｈｖである。ボンディング荷重は１４００ｇ，超音波印
加時間は１００msとＡｌワイヤと同一条件でボンディン
グした。ＡｌワイヤはＮｉ，Ｐｄ，Ｃｕ等を添加しても
よい。添加することにより、接合強度，耐食性は向上
し、また疲労寿命も向上する。従来方式では、ＩＧＢＴ
チップの温度変化が少なくなるにつれて、ワイヤボンデ
ィング部が破断するまでの時間はほぼ直線的に増加す
る。温度変化が４０℃未満になるとワイヤボンディング
部の破断は認められなくなり、従って疲労限度に対応す
る温度は４０℃である。一方、本発明のワイヤボンディ
ング部の熱疲労寿命は従来方式に比べ３倍以上と長く、
しかも疲労限度に対応する温度は６０〜７０℃と高い。
なお、Ａｌワイヤの代わりにＣｕワイヤを使用すること
により寿命をさらに向上させられるため、本発明モジュ
ール構造は汎用製品ばかりでなく、車両用インバータ，
電気自動車用インバータに使用しても十分な信頼性を有
する。なお、Ａｌワイヤ／Ａｌ−１ｗｔ％Ｓｉ電極膜界
面は対応境界あるいは微細結晶粒の層からなるため、界
面でワイヤが破断することはなく、全てワイヤ内部、特
に接合界面直上のワイヤの粒界にそって起こる。Ｃｕワ
イヤでも同様である。したがって、熱疲労寿命はワイヤ
材質，ワイヤ粒界の強度等により決定される。このた
め、ＡｌワイヤではＮｉ，Ｐｄ，Ｃｕ等を添加して粒界
析出を起こし寿命を伸ばすことが重要である。Ｃｕワイ
ヤではＡｌワイヤに比べ高強度であり、粒界強度も高い
ため、元素添加の必要はなく、その硬度を低減すること
が重要である。
【００２２】図１１は本発明の構造のＩＧＢＴモジュー
ルと従来構造のＩＧＢＴモジュールの熱疲労試験による
熱抵抗の変化を調べ、これを熱疲労回数に対してプロッ
トした結果を示す。モジュールの放熱基板の試験による
温度差は７０℃とした。従来構造のＩＧＢＴモジュール
の熱抵抗は熱疲労回数とともに増加していくのに対し、
本発明構造のＩＧＢＴモジュールの熱抵抗はほとんど変
化しない。
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、小型で信頼性が高い、
低熱抵抗，大容量，高耐圧のパワーモジュールを提供す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体モジュールの平面図（ａ）、及
び断面図（ｂ）を示す。
【図２】従来の半導体モジュールの平面図（ａ）、及び
断面図（ｂ）を示す。
【図３】本発明の半導体モジュールの平面図（ａ）、及
び断面図（ｂ）を示す。
【図４】本発明の共通電極支持基板の構造を示す図であ
る。
【図５】本発明のモジュール構造における放熱特性に及
ぼす放熱基板の厚さの影響を示す図である。
【図６】本発明のＩＧＢＴチップの電極構造を示す図で
ある。
【図７】内部電極とＩＧＢＴチップとの接合部の断面図
を示す図である。
【図８】内部電極接合部の信頼性を示す図である。
【図９】ワイヤボンディング部の接合強度に及ぼすつぶ
れ幅比の影響を示す図である。
【図１０】Ａｌワイヤボンディング部の熱疲労寿命を示
す図である。
【図１１】ＩＧＢＴモジュールの熱抵抗の変化を示す図
である。
【符号の説明】 １０１…絶縁基板、１０２…Ｃｕ放熱基板、１０３…ア
ノード電極、１０４…コレクタ端子、１０５…ゲート電
極、１０６…絶縁端子、１０７…締め付けネジ、１０８
…接着層２、１０９…内部電極、１１０…ＩＧＢＴチッ
プ、１１１…接着層、１１２…ボンディングワイヤ、１
１３…第２の共通電極基板、１１４…絶縁ポスト、１１
５…樹脂、１１６…ダイオードチップ、１１７…エミッ
タ共通電極、１１８…ゲート共通電極、１１９…ゲート
制御共通端子、１２０…カソード電極、１２１…エミッ
タ共通電極端子、１２２…ゲート制御電極用内部電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 秀男 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】絶縁基板の上に導電性放熱基板を介して両
    主面上に内部電極を有するＭＯＳ制御型パワー半導体素
    子と両主面上に内部電極を有するパワーダイオード素子
    とを搭載した半導体モジュールにおいて、前記ＭＯＳ制
    御型パワー半導体素子のカソード内部電極と制御内部電
    極及び前記パワーダイオード素子のカソード内部電極を
    接続する共通電極を支持する絶縁ポストを前記導電性放
    熱基板の上に設けたことを特徴とする半導体モジュー
    ル。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の半導体モジュールにおい
    て、前記導電性放熱基板の厚さが前記ＭＯＳ制御型パワ
    ー半導体素子の厚さの５〜３０倍であることを特徴とす
    る半導体モジュール。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の半導体モジュールにおい
    て、前記ＭＯＳ制御型パワー半導体素子のアノード側内
    部電極及び前記ダイオード素子のアノード側内部電極と
    前記導電性放熱基板上に設けた第一の共通電極とは金属
    学的に接続され、前記ＭＯＳ制御型パワー半導体素子の
    カソード側内部電極及びダイオード素子のカソード側内
    部電極と前記絶縁ポスト上に設けた第二の共通電極とが
    金属ワイヤにより接続され、かつ前記ＭＯＳ制御型パワ
    ー半導体素子のゲート側内部電極と前記絶縁ポスト上に
    設けた制御電極とが金属ワイヤにより接続されているこ
    とを特徴とする半導体モジュール。
  4. 【請求項４】請求項１に記載の半導体モジュールにおい
    て、前記ＭＯＳ制御型パワー半導体素子のカソード電極
    とアノード電極及びゲート電極はそれぞれカソード側内
    部電極とアノード側内部電極及びゲート側内部電極と金
    属学的に接続され、パワーダイオード素子のアノード電
    極及びカソード電極はそれぞれアノード側内部電極及び
    カソード側内部電極と金属学的に接続されたことを特徴
    とする半導体モジュール。
  5. 【請求項５】請求項１に記載の半導体モジュールにおい
    て、前記絶縁ポスト上に設けた共通電極はＭＯＳ制御型
    パワー半導体素子のアノード側内部電極及びパワーダイ
    オード素子のアノード側内部電極よりも高い位置に設置
    したことを特徴とする半導体モジュール。
  6. 【請求項６】請求項１に記載の半導体モジュールにおい
    て、前記ＭＯＳ制御型パワー半導体素子のカソード電極
    及びゲート電極並びに前記パワーダイオード素子のカソ
    ード電極とアノード電極は第一層がＡｌからなり、最上
    層はＡｕ，Ａｇまたはこれらの合金からなり、前記第一
    層と最上層とで挟まれた中間層はＣｒ，Ｔｉ，Ｎｉの少
    なくとも１種からなることを特徴とする半導体モジュー
    ル。
  7. 【請求項７】請求項４に記載の半導体モジュールにおい
    て、前記ＭＯＳ制御型パワー半導体素子のカソード電極
    とカソード内部電極との接合，アノード電極とアノード
    内部電極との接合，ゲート電極とゲート内部電極との接
    合及びダイオードの両主面電極と内部電極との接合はＡ
    ｇとＡｇ、又はＡｕとＡｇとの相互拡散により金属学的
    に接合されていることを特徴とする半導体モジュール。
  8. 【請求項８】請求項４に記載の半導体モジュールにおい
    て、前記ＭＯＳ制御型パワー半導体素子及びダイオード
    のカソード内部電極はＡｌ，Ｃｕ，Ｆｅ及びこれらの合
    金の何れかからなることを特徴とする半導体モジュー
    ル。
  9. 【請求項９】請求項２に記載の半導体モジュールにおい
    て、前記ＭＯＳ制御型パワー半導体素子及びダイオード
    のカソード内部電極はＡｌ，Ｃｕ，Ｆｅ及びこれらの合
    金の何れかからなることを特徴とする半導体モジュー
    ル。
  10. 【請求項１０】請求項７に記載の半導体モジュールにお
    いて、前記ＭＯＳ制御型パワー半導体素子のアノード側
    内部電極及びダイオードのアノード側内部電極と前記第
    一の共通電極とはＡｇとＡｇ、又はＡｇとＡｕとの相互
    拡散により金属学的に接合されていることを特徴とする
    半導体モジュール。
  11. 【請求項１１】請求項２に記載の半導体モジュールにお
    いて、前記第二の共通電極及び制御電極と前記放熱基板
    とはＡｌ2Ｏ3あるいは樹脂により絶縁されていることを
    特徴とする半導体モジュール。
  12. 【請求項１２】請求項３に記載の半導体モジュールにお
    いて、前記金属ワイヤは直径２００〜５５０μｍであり
    Ｃｕ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｆｅ及びＡｌ合金の何れかからなる
    ことを特徴とする半導体モジュール。
  13. 【請求項１３】請求項１から請求項５の何れか１つに記
    載の半導体モジュールにおいて、前記半導体モジュール
    のパワー半導体側および共通電極側が樹脂封止されてい
    ることを特徴とする半導体モジュール。
  14. 【請求項１４】請求項１に記載の半導体モジュールにお
    いて、前記モジュールの導電性放熱基板側は前記絶縁基
    板を介して冷却放熱フィンにネジ止めされていることを
    特徴とする半導体モジュール。
  15. 【請求項１５】請求項１に記載の半導体モジュールにお
    いて、前記絶縁基板がＡl2Ｏ3，ＡlＮの何れかよりなる
    ことを特徴とする半導体モジュール。
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