JPH10199923A - 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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JPH10199923A
JPH10199923A JP9003590A JP359097A JPH10199923A JP H10199923 A JPH10199923 A JP H10199923A JP 9003590 A JP9003590 A JP 9003590A JP 359097 A JP359097 A JP 359097A JP H10199923 A JPH10199923 A JP H10199923A
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JP
Japan
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wire
pad
electrode
semiconductor module
power semiconductor
Prior art date
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Pending
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JP9003590A
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English (en)
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Masahiro Koizumi
正博 小泉
Ryoichi Kajiwara
良一 梶原
Hitoshi Onuki
仁 大貫
Hiroshi Miyata
寛 宮田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ワイヤとチップとの熱膨張率の相違に基づく熱
応力により、ワイヤが短時間で剥離することを改善す
る。 【解決手段】パッド６にリング状の溝を設け、ワイヤ７
の端部のパッド６との接触角を大きくし、応力拡大係数
を小さくし、発生する熱応力を低減しクラックの進展速
度を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はパワー半導体モジュ
ールに関する。
【０００２】
【従来の技術】パワーモジュールは、各種モータの速度
制御に使用されているインバータ並びに電力変換機等に
幅広く適用されている。車両用インバータは、従来ＧＴ
Ｏ（Gate・Turn・Off)サイリスタが使用されてきたが、
最近、インバータ装置の小型化，高機能化の要求によ
り、大容量のＩＧＢＴ（Insulated・Gate・Bipoler・Tr
ansisiter）を適用したインバータが開発された。
【０００３】図６は従来のＩＧＢＴモジュールの概略構
造を示す断面図である。図で、窒化アルミニウムからな
る絶縁基板１とＮｉ／Ｃｕ層として設けられたコレクタ
電極２と、エミッタ電極３及びゲート電極４と、半導体
チップ５と、パッド６とアルミニウムからなるワイヤ７
とモリブデンからなる放熱板８から構成されている。半
導体チップ上の主成分がアルミニウムのパッドと、エミ
ッタならびにゲート電極（以下、外部電極と呼称する）
との電気的接続には、直径０.３mm 以上の太いアルミニ
ウムワイヤが用いられている。ワイヤの接続は、超音波
ワイヤボンディング法で行われている。超音波ワイヤボ
ンディングは、ワイヤにツールを介して大きな荷重と超
音波を印加することによって、ワイヤならびに被接合材
を変形させ、両者の酸化膜を除去し互いに清浄な新生面
を露出させる原理で接合するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】パワーモジュールは、
車両の運行状況、すなわち加速，惰性，減速運転ならび
に停止の状態に応じた適切なモータの回転数を、半導体
チップに大小の電流を通電することによって制御するも
のである。通電によって半導体チップは著しく発熱し、
通電を停止すると急激に温度が下がる。半導体チップ上
にボンディングされたワイヤは、半導体チップに直接接
触しているため最も高温にさらされる。ワイヤとパッド
との接合界面では、チップ(シリコン）の熱膨張率が３.
５×１０-6／℃に対し、アルミニウムワイヤのそれは２
４.３×１０-6／℃ と極めて大きな差があるため、モジ
ュールの加熱・冷却時に高い熱応力が発生する。この熱
応力が繰り返し接合界面に働くため、ワイヤが熱疲労を
起こし、短時間でワイヤが剥離するという問題がある。
近年、パワーモジュールの大容量化が進み、一つのモジ
ュールに多数の半導体チップが搭載されているため、接
続されているワイヤが多い。したがって、熱疲労に対す
るワイヤ接合部の信頼性は、パワーモジュールの信頼性
に大きく係っており、接合部の長期信頼性の確保は重要
な課題である。本発明の目的は、半導体チップ上のパッ
ド上にボンディングされたワイヤの熱疲労による劣化の
進行を遅らせ、信頼性の高いパワーモジュールを提供す
ることにある。
【０００５】ワイヤ接合部の熱疲労強度は、チップに通
電し所定の温度に上昇させた後に、通電を停止し約室温
まで冷却させる、この加熱・冷却のサイクルを繰り返し
行い、ワイヤを横から静かに押して剥離に要する力を測
定して評価できる。ワイヤ接合部の強度は、加熱・冷却
のサイクルを繰り返しうけると徐々に低下し、やがて外
部からのわずかな力でも剥離する。そこで、ワイヤの接
合強度が徐々に低下するメカニズムを調査した。
【０００６】図８は熱疲労試験を行う前と、室温から１
００℃までの温度差で一万サイクル試験した後のパッド
上のワイヤの断面の模式図を示したものである。熱疲労
試験を行う前のワイヤの断面（ａ）を観察すると、ワイ
ヤの両端にパッドに接合していない部分が認められる。
この部分を仮に未接着部と呼称する。一万サイクル後の
ワイヤの断面（ｂ）では、ワイヤの未接着部先端から内
部までクラックが進行しているのが観察される。このク
ラックは、未接着部の先端が起点となっており、温度サ
イクル数の増加に伴い徐々に内部に進行することがわか
った。このため、ワイヤの接合面積が減少し、接合強度
が低下する。
【０００７】クラックは未接着部の先端にチップ（シリ
コン）とワイヤ（アルミニウム）の熱膨張率の差に基づ
く熱応力、すなわちワイヤを引き剥がす引張応力が作用
するために発生する。そこで、発生する引張応力σz が
どの程度かを計算によって求めた。計算のモデルは図８
に示したように、パッドの厚さ５μｍ，未接着部の長さ
ａを７０μｍ，ワイヤ中央部からワイヤの端部までの長
さｂを３００μｍとし２次元応力，軸対称モデルとし、
温度差は１００℃とした。
【０００８】この結果、σz は５０kg／mm2 と極めて高
い値であることがわかった。これは未接着部が一般に材
料力学でいわれている切欠きとなり、応力集中源の働き
をしたためであることを見出した。切欠き先端に作用す
る局所応力は、切欠きが長く、また鋭角なほど大きくな
る。すなわち、未接着部の先端に極めて高い引張応力が
働くことによってクラックが短時間で発生し、温度サイ
クル数の増加ともに内部に進行する。
【０００９】本発明は、パッドに接合されたワイヤに発
生する引張応力を軽減し、クラックの進行速度を低減す
るためのワイヤとパッドとの接合構造にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、連続あるいは
非連続のリング状の溝で少なくとも１個の閉じられた領
域を有するパッドに、ワイヤが超音波ボンディングされ
たパワー半導体モジュールを提供することにある。クラ
ックの発生ならびに進行を遅らせるには、未接着部にお
けるワイヤとパッドとの接触角を大きくし、応力集中を
軽減することである。すなわち、切欠きとならない接合
部にすることで、応力集中が起こらずクラック発生を遅
延できる。
【００１１】そこで、未接合部のワイヤとパッドとの接
触角を９０°以上と大きくした場合、ワイヤ接合部の端
部に発生する引張応力が、前述した従来の接合部の場合
の引張応力に比べてどの程度であるのかを、前述と同様
の計算モデルで求めた。
【００１２】接合部の構造は、図１０に示すように溝が
設けられたパッドにワイヤがボンディングされ、接合部
の端部におけるワイヤとパッドとの接触角が溝のため約
90°と大きい場合のモデルで行った。ワイヤ中央部から
ワイヤの端部までの長さ及びパッドの厚さ等は、前述の
従来の場合と同じ寸法である。計算の結果、引張応力、
σz は１５kg／mm2 と従来の場合の１／３以下に低減す
ることがわかった。
【００１３】本発明のパッド構造により、ワイヤを引き
剥がす応力が、従来の場合の１／３以下に低減できるこ
とを見出した。これは、ワイヤ端部とパッドとの接触角
の増大により、応力集中が起こらないためである。
【００１４】図５は本発明のワイヤ接合部におけるパッ
ドの平面図及びパッドとワイヤとの接合部の断面図であ
る。図５（ａ）は、ほぼ楕円形の２本のリング状の溝を
設けたパッド構造である。図５（ｂ）はワイヤ接合端部
とパッドとの接合部であり、両者の接触角が大きい接合
部である。溝は未接着部の形状と同一な形状に設けるこ
とが最も効果的であるので、未接着部の形状にほぼ合致
する楕円形のリング状が望ましい。ワイヤを接合する際
には未接着部が溝の上に合致するように行うのが理想で
ある。しかし、全ての未接着部が溝上に合致しなくて
も、クラックの進展を十分抑制する効果はある。また、
接合初期に未接着部と溝とがずれる場合があるので、こ
の場合は複数の溝を未接着部の内側に設けることが望ま
しい。この方法だと、進行したクラックは必ず溝に接す
ることになるからである。さらに溝を複数にすれば、接
合初期に未接着部と溝とが接する確率が高くなること
と、進行したクラックが溝に接する確率が高くなる効果
が得られる。
【００１５】一方、溝は図６（ａ）に示すように非連続
のほぼ楕円形のリング状でも、部分的にはワイヤ端部と
溝とが、図６（ｂ）に示すような接触角の大きい接合に
なっているので、クラックの抑制効果が十分得られる。
さらに、溝は楕円形でなくても、矩形のリング状でも良
い。
【００１６】溝を設けたパッドを有する半導体装置は、
特許出願公開の半導体装置（平3−83352 号）に見られ
るが、本発明とは目的も装置を構成するワイヤ材質並び
に装置の用途などが異なる。公報では、金ワイヤをボー
ルにして１μｍ程度の厚さのパッドにボンディングする
際に、パッド下の絶縁膜に損傷を与えないことを目的と
して溝を設けている。すなわち、溝によってパッドの変
形を容易にし、絶縁層に損傷を与えず必要量のボールの
変形を促進させることにあり、接合後のボールの下部の
パッドは接合前の溝の形状は保持されず平坦になってい
る。この理由は、公報の場合、接合後でも溝の形状が保
持されていれば、パッドの変形が不十分であることを意
味しており、目的に反することになる。一方、本発明で
は公報とは溝を設ける目的が異なるため、ワイヤ接合後
でも溝が保持されている。また、公報における溝は、パ
ッドの変形を促進させるためパッド全体に格子状に設け
られている。一方、本発明はワイヤが細長い楕円形に変
形してパッド上に接合されるため、未接着部もワイヤ周
辺に沿って楕円形のリング状になっていることから、溝
はリング状に設けている。格子状に溝を設けてもクラッ
クの進展を抑制する効果はあるが、ワイヤとパッドとの
接合面積が減少するので、接合面積の減少を抑制できる
リング状が望ましい。
【００１７】本発明の溝の上にワイヤの端部が接合され
ている場合における、熱疲労によるクラック進展速度を
計算によって求めた。クラック進展速度はワイヤ端部と
パッドとの接触角に大きく影響される。これは、接触角
によって応力拡大係数△Ｋが係ってくるためである。
【００１８】図１１は、アルミニウムのクラック進展速
度と応力拡大係数△Ｋとの関係を示したものである。ク
ラック進展速度は１サイクルにクラックが進む速度であ
る。図よりクラック進展速度は、応力拡大係数が大きい
ほど大きくなる。従来の場合のクラック進展速度は、実
測の結果４.２×１０-5mm／ サイクルであるので、この
図から応力拡大係数△Ｋは２４kg／mm3/2であることが
わかった。
【００１９】一方、本発明の応力拡大係数（△Ｋ）は、
下記の引張応力（σz ）と応力拡大係数(△Ｋ）の関係
式、△Ｋ＝σz(πａ)1/2Ｆ(ａ／ｂ）から求められる。
この結果、△Ｋは６.８kg／mm3/2であることがわかっ
た。図８より、この値からクラック進展速度を求める
と、２×１０-7mm／サイクルと従来の１／１００の速度
に減少することがわかった。△Ｋが小さいのはワイヤ端
部とパッドとの接触角が大きいため、切欠きにならない
ためである。
【００２０】本発明では、ワイヤ接合直後にワイヤ端部
とパッドの溝が計算のモデルのように接触してなくとも
効果がある。すなわち、接合直後はワイヤ端部が平坦な
パッドの上にあっても、クラックが進行すれば必ず溝と
接触し、ここから先は、クラックの進行速度が減少する
ためである。溝の形状はワイヤ接合部と同様のほぼ楕円
形で連続のリング状が望ましいが、非連続でも効果があ
る。また、リング状の溝は、少なくともワイヤ接合部内
に１個あれば効果がある。
【００２１】また、き裂の先端に発生する応力σmと先
端の曲率半径ρの関係は、σm∝１／√ρで表され、半
径が大きいほど応力が小さくなる。ワイヤとパッドとの
接触角をθとし、接触角に内接する円の半径をｒとし
て、接触角θと曲率半径ρの関係は、ρ＝ｒsinθ／２
の式で表せる。この式より接触角と応力との関係を示し
たのが図１２である。接触角が１８０°では曲率半径１
で、その時の応力を１とすれば、９０°で１.２，４５
°で１.６，２０°では２.４ と接触角が４５°より小
さくなるほど応力が加速度的に高くなる。応力の度合い
を約１.５ 以下にするには接触角は４５°以上必要であ
る。
【００２２】
【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例を示すパ
ワー半導体モジュールの断面及びこのモジュールのパッ
ドの平面図並びにパッドとワイヤとの接合部の断面図で
ある。図で、１は厚さ０.６mm の窒化アルミニウムの絶
縁基板、２，３及び４はＮｉ／Ｃｕ層（厚さ５μｍ／
０.２mm）として形成されたコレクタ電極，エミッタ電
極，ゲート電極、５は半導体チップ、６は３本の連続の
楕円形のリング状の溝が設けられたＡｌ−Ｓｉ合金のパ
ッド、７はアルミニウムワイヤ、８は放熱板である。パ
ッドの厚さは６.５μｍ である。半導体チップ５上のパ
ッド６とエミッタ電極３とゲート電極４とは、直径０.
５mm のアルミニウムワイヤ７を用いた超音波ワイヤボ
ンディングによって接続されている。パッド上には、図
２（ａ）に示したように、深さ及び幅とも５μｍの未接
着部の形状とほぼ同一の楕円形の３本のリング状の溝
を、ホトリソグラフィーとエッチングの方法で形成した
後、前述の方法でアルミニウムワイヤ７を接合した。図
２（ｂ）に示したようにワイヤ接合端部とパッドとの接
触角が大きい接合構造である。ワイヤ接合初期にこの構
造が望ましいが、パッドの中心方向に複数の溝が設けら
れているため、熱疲労によって発生するクラックがワイ
ヤ内部に進展しても、確実にクラックは（ｂ）図で示し
たように溝に接触する。パッドに溝が設けられているた
め、ワイヤ端部とパッドとの接合における接触角が大き
くなり、応力の集中が起こらないため、ワイヤ端部に働
く引張応力及び応力拡大係数が小さくなりクラックが発
生しにくくなることと、複数の溝によって進展するクラ
ックは確実に溝に接触し、そこで進展速度が低減する効
果がある。
【００２３】図３は本発明の一実施例を示すパワー半導
体モジュールのパッドの平面図並びにパッドとワイヤと
の接合部の断面図である。モジュールの構造は図１と同
様であるが、ワイヤとパッドとの接合で、図３（ａ）に
示すようにほぼ未接着部の形状と同一の楕円形の非連続
のリング状の溝が３本設けたパッド上に、ワイヤが接続
された構造である。パッドの厚さは６.５μｍ で、溝は
深さ及び幅とも５μｍである。図３（ｂ）に示すよう
に、ワイヤ接合端部とパッドとの接触角が大きい接合構
造であるため、応力の集中が起こらずワイヤ端部に働く
引張応力及び応力拡大係数が小さくなりクラックが発生
しにくくなることと、複数の溝を設けているため進展す
るクラックは確実に溝に接触し、そこで進展速度が低減
する効果がある。
【００２４】本実施例では楕円形のリング状の溝を設け
たが、矩形のリング状でもなんら問題はない。
【００２５】図４は図１と同様に本発明の楕円形のリン
グ状の溝を設けたパッドに直径0.5mmのアルミニウムワ
イヤを接合したパワー半導体モジュールを、パッド上に
おける温度差が７０℃の条件で熱疲労試験を行い、ワイ
ヤ接合部が剥離するまでのサイクル数を、従来のパワー
半導体モジュールのワイヤ接合部の場合と比較したもの
である。本発明のパワー半導体モジュールのワイヤ接合
部は、従来の場合に比べ著しく長寿命であることが明ら
かである。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、溝を設けたパッドにワ
イヤをボンディングするため、ワイヤ接合端部における
ワイヤとパッドとの接触角が大きくなり、応力の集中が
起こらないため、ワイヤ端部に働く引張応力及び応力拡
大係数が小さくなりクラックの進展を著しく抑制する効
果がある。したがって、パワー半導体モジュールの寿命
が伸び、高信頼のパワー半導体モジュールを提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例のパワー半導体モジュール
の断面図。
【図２】本発明による実施例のパワー半導体モジュール
の断面図。
【図３】本発明による実施例のパワー半導体モジュール
におけるパッド並びにワイヤの説明図。
【図４】本発明による実施例のパワー半導体モジュール
におけるパッドとワイヤとの接合部の熱疲労試験結果を
従来の場合と比較して示した説明図。
【図５】本発明のワイヤ接合部におけるパッドの説明
図。
【図６】本発明のワイヤ接合部におけるパッドの説明
図。
【図７】従来のパワー半導体モジュールを示す断面図。
【図８】熱疲労試験前後のパッドとワイヤとの接合部の
断面図。
【図９】従来のパッドとワイヤとの接合部に発生する引
張応力を計算で求めるための説明図。
【図１０】未接着部のないワイヤ接合部に発生する引張
応力を計算で求めるための説明図。
【図１１】アルミニウムにおける応力拡大係数とクラッ
ク進展速度との関係を示す特性図。
【図１２】ワイヤとパッドとの接触角とワイヤ接合端部
に発生する引張応力との関係を示す特性図。
【符号の説明】
１…絶縁基板、２…コレクタ電極、３…エミッタ電極、
４…ゲート電極、５…半導体チップ、６…パッド、７…
ワイヤ、８…放熱板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮田 寛 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 (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】絶縁基板上にパターン状に電極を並設し、
    一方の電極上にパッドを有する半導体チップを搭載し、
    前記パッドと他方の電極とをワイヤで電気的に接続する
    パワー半導体モジュールにおいて、前記半導体チップ上
    のパッドに接続されたワイヤの下部のパッドに少なくと
    も１個の連続あるいは非連続のリング状の溝で実質的に
    閉じられた領域を有することを特徴とするパワー半導体
    モジュール。
  2. 【請求項２】絶縁基板上にパターン状に電極を並設し、
    一方の電極上にパッドを有する半導体チップを搭載し、
    前記パッドと他方の電極とをワイヤで電気的に接続する
    パワー半導体モジュールにおいて、ワイヤ接合部の端部
    とパッドとの接触角が４５°以上有することを特徴とす
    るパワー半導体モジュール。
  3. 【請求項３】前記ワイヤがアルミニウムが主成分である
    請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 【請求項４】前記ワイヤの直径が０.１mm 以上である請
    求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 【請求項５】前記半導体チップ上のパッドと他方の電極
    とを超音波ボンディングによって、アルミニウムワイヤ
    が接続された請求項１に記載のパワー半導体モジュー
    ル。
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