JPWO2016063744A1 - パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

アルミと銅を重ね合わせて圧接したクラッド材について、パワー半導体素子の電極表面にクラッド材のアルミ側を超音波接合などによって接合しておき、クラッド材の銅側にワイヤボンドを行うことで電気回路を形成する。さらにクラッド材をあらかじめパワー半導体素子の動作温度よりも高温で熱処理しておくことで、接合プロセス後に膜厚が成長しないようにアルミ及び銅の各々との界面に金属間化合物を十分に形成しておく。

Description

この発明は、発電あるいは送電から効率的なエネルギーの利用あるいは再生まであらゆる場面で利用されるパワーモジュールに関するものである。
産業機器から家電あるいは情報端末まであらゆる製品にパワーモジュールが普及しつつあり、家電に搭載されるモジュールについては、小型軽量化とともに多品種に対応できる高い生産性と高い信頼性が求められる。
また、動作温度が高く、効率に優れている点で、今後の主流となる可能性の高いＳｉＣ半導体に適用できるパッケージ形態であることも同時に求められている。
特開平１０−２６１６６４号公報 特開２０１２−２８６７４号公報
謝、他２名、"アルミニウム／銅クラッド材接合界面における金属間化合物の形成"、日本金属学会誌、公益社団法人日本金属学会、２０１１年３月、第７５巻、第３号、ｐｐ.166-172
パワーモジュールは、100V以上の高電圧かつ100A以上の大電流を扱う半導体という特徴があり、100A以上の大電流回路を形成するためにパワー半導体素子表面の電極に対してφ０．５mmにおよぶ太いアルミなどのワイヤボンドを複数本配線することによって電気回路を形成するのが一般的であった。近年の地球温暖化対策、省資源あるいはエネルギーなどの環境問題から、パワーモジュールがさまざまな製品に適用されていく中で、100A以上の大電流に対応しつつ従来より小型化を実現するために、アルミワイヤに比較すると耐熱性が高く、電流容量の大きな銅製のワイヤを用いたワイヤボンドの必要性が高まりつつある。しかし銅ワイヤはアルミワイヤに比較すると、硬くて変形しにくいため、ワイヤボンディング時にパワー半導体素子の表面電極のせん断破壊等のダメージが懸念される。また、素子のダメージの問題を克服できた場合でも、ＳｉＣ製パワー半導体素子のように動作温度が250℃以上などと高くなる場合には、接合部界面での熱応力が動作温度に従って大きくなることで耐温度サイクル性などの信頼性の確保が困難になるという問題があった。
特許文献１においては、アルミ箔をパワー半導体素子表面に置き、その上から銅ワイヤボンドを行うことでパワー半導体素子へのダメージを軽減しようとする方法が提案されている。この方法でダメージの問題は解決できる可能性があるが、アルミ自体が175℃以上の高温にさらされると再結晶による結晶の粗大化によって粒界が顕在化し、クラックの起点となって破断に至る懸念がある。
特許文献２においては、パワー半導体素子（Ｓｉ）に近い膨張係数（α１）の緩衝板Ａと、ワイヤに近い膨張係数（α２）の緩衝板Ｂを、パワー半導体素子とワイヤの間に配置することで、ワイヤボンド時の膨張係数の違いによる歪発生などのダメージを軽減すると同時に、接合部に生じる熱応力を低減して高温動作時に信頼性を確保する方法が提案されている。この方法では緩衝板をはんだ付けで積層するため、耐温度サイクル性など、長期的には、はんだ付け部の耐熱性が不足する懸念がある。
この発明に係るパワーモジュールは、
基板と、
この基板に配置されたパワー半導体素子と、
このパワー半導体素子の表面に形成された電極と、
この電極に接合された積層金属板と、
この積層金属板と前記基板とを接続するワイヤと、を備えたパワーモジュールであって、
前記積層金属板は、前記電極と対向する部材が前記電極と主たる材質が同じであり、前記ワイヤと対向する部材が前記ワイヤと主たる材質が同じである構成にされるとともに、
前記積層金属板の間に金属間化合物層が５μｍ以上、１００μｍ以下の厚さで形成されている、
ことを特徴とするものである。
この発明によれば、アルミと銅を重ね合わせて圧接したクラッド材が緩衝板として作用することで、銅ワイヤボンド時のパワー半導体素子へのダメージを低減することが可能となる。銅に比較して再結晶温度が低く耐熱性の低いアルミは表面（封止樹脂に接する面）に露出しないため、従来のSiパワー半導体素子の動作温度よりも高温に保持しても結晶の粗大化による脆化の影響が出にくくなる。また、クラッド材のアルミ側がパワー半導体素子のアルミ電極と接合し、クラッド材の銅側に銅ワイヤボンドを行い、異種金属接合を回避することでアセンブリ後の半導体動作時に金属間化合物の生成による脆化を抑制して、熱応力によるクラック発生などを抑制することが可能となる。なお、クラッド材自体の接合部における金属間化合物の生成による脆化等は問題ないことが別途確認されている（非特許文献１参照）。
本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの断面を示す概念図である。 本発明の実施の形態１によるパワーモジュールのカッターによるアルミ銅クラッドリボンの切断状態を示す断面の概念図である。 本発明の実施の形態１によるパワー半導体素子の主電極と基板の導体層をワイヤで電気的に接続した状態の一例を示すパワーモジュールの断面の概念図である。 図３の平面図である。 図３のＡ部拡大図である。 金属間化合物の成長が不均一な場合のモデル図である。 図４のワイヤをリボンに代えた場合の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの断面を示す概念図である。 本発明の実施の形態２によるパワーモジュールのカッターによるアルミ銅クラッドリボンの切断状態を示す断面の概念図である。 本発明の実施の形態２によるパワー半導体素子の主電極と基板の導体層をワイヤで電気的に接続した状態の一例を示すパワーモジュールの断面の概念図である。 図１０の平面図である。
実施の形態１．
図１〜図５、図７は実施の形態１によるパワーモジュールの概念図である。図１に示すように、パワー半導体素子１が、セラミック基板２（厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ基材２１）の導体層２２（銅製で厚さ０．４ｍｍ。図１のセラミック基板２を構成する下側の導体層２３ではなく、上側の導体層）上に、はんだ５で接合されている。積層金属板であるアルミ銅クラッドリボン３（アルミ箔３２（厚さ０．２ｍｍ）に銅箔３１（厚さ０．０５ｍｍ）が重ね合わされたリボン、幅１０ｍｍ）を用い、パワー半導体素子（Ｓｉ製ダイオード１２ｍｍ×１２ｍｍ×０．３ｍｍ）の主電極（アルミ製、１１ｍｍ×１１ｍｍ×０．０１ｍｍ）１１上に位置決めされ、超音波接合ツール４（先端２ｍｍ×２ｍｍ×２０ｍｍ）によって超音波が印加されて接合部３３を形成する。すなわち、アルミと銅を重ね合わせて圧接したクラッド材を用い、パワー半導体素子の電極表面に、このクラッド材のアルミ側を超音波接合などによって接合しておき、クラッド材の銅側にワイヤボンドを行うことで電気回路を形成する。
次に図２に示すように、カッター４０（機械式のものを含む）を用いて銅箔３１のみを完全に切断し、アルミ箔３２の厚み方向途中で止めて引きちぎり、パワー半導体素子上でアルミ銅クラッドリボン３を切断する。
最後に図３に示すように、銅ワイヤ（φ０．４ｍｍ）を用いてワイヤボンディングを行い、最終的にパワー半導体素子の主電極とセラミック基板の導体層を電気的に接続する。
図４は図３の上面図であるが、超音波接合ツールによってアルミ銅クラッドリボンの９か所を接合することで、ツール先端のあやめ（摩擦を大きくするための縦横の窪み）によって転写される接合痕４１が９か所形成されており、その間の平坦な部分を用いて銅線のワイヤボンドを行うことで、接合痕の凹凸による接合品質への影響を抑制することができる。
図５は、図３のアルミ銅クラッドリボンのＡ部拡大図であるが、あらかじめ不活性雰囲気下で温度４００℃の条件下で３時間加熱し、アルミと銅の間にアルミと銅の金属間化合物層３４を形成してある。パワーモジュールの動作温度あるいは品質保証期間によって異なるが、非特許文献１によれば（例えば図１０参照）、４００℃、３時間の加熱で金属間化合物を生成しておけば、２００℃で３０００時間保持したのと同等の金属間化合物厚さとなっており、その後、２００℃に保持しても化合物の成長は時間の平方根に比例するため（アレニウスプロットによれば４０℃につき５０％まで金属間化合物の生成速度（厚さ）が小さくなるため、４００℃と２００℃で２００℃差なら１／３２まで薄くなる。３２倍の厚さに成長するには二乗の時間を要するため、約１０００倍の時間を要する）と考えられる）、極めて穏やかになる（例えば非特許文献１の１７０ページの説明参照）。
熱処理はオーブンあるいは連続炉などで実施され、アルミの融点よりも低い温度で行うと考えると上限は６００℃となる。１０秒の加熱でアルミと銅の間の金属間化合物は５μｍの厚さになるが、この厚さであれば２００℃で０．３２年の熱履歴に相当し、パワーモジュールの置かれる環境と製品寿命を考えると十分であると言える。
また通常使用されるワイヤボンド用の最大径のアルミワイヤが０．５ｍｍであり、電流容量的にそれを置き換えるのに必要なアルミ銅クラッドリボンの厚さは０．２ｍｍとなる。厚さの１／２を越える金属間化合物が存在すると、脆くなることで、ループ形成時に割れなどが発生すると考えられる。
つまり、パワー半導体素子の電極表面にクラッド材のアルミ側を超音波接合などによって接合後、さらに、クラッド材をあらかじめパワーモジュールの動作温度よりも高温で熱処理しておくことで、接合プロセス後にこれ以上膜厚が成長しないようにアルミ及び銅との各々の界面に金属間化合物を十分に形成しておく。
なお、上記金属間化合物層３４が元々ないか不十分な場合には、アルミ銅クラッドリボンと主電極の間の接合部３３と未接合部では、半導体の動作時に温度分布が生じるために、例えば図６に示すように、銅とアルミの間の金属間化合物の成長速度に差が生じ、金属間化合物が不均一な厚さ方向の成長をするため（図６の厚さ方向に不均一な成長をした金属間化合物３５を参照）、表面の銅ワイヤボンド接合部に影響が出る可能性がある。すなわち、図６の破線で囲った部分Ｂで銅ワイヤ６が剥離する懸念がある。
ここでは上記に示した厚さ０．２５ｍｍのアルミと銅のクラッドリボンを用いたが、アルミと同等の柔軟性を有するその他の金属（マグネシウム、錫、インジウム）と、銅の組み合わせであってもワイヤボンドダメージ抑制の効果が得られる。
また、厚さについては、アルミは０．０５ｍｍ以上あればカッターのハーフカットなど、半導体の電極を傷付けない切断が可能（用いるリボンの最も薄い部分の厚さが０．０５ｍｍであり、装置でのハーフカットが可能）であり、１ｍｍ程度の厚さまでであれば良好な超音波接合と切断が可能である。
一方の銅については、厚さ０．０５ｍｍ以上あれば通常の銅ワイヤボンドに対しては、変形を下層のアルミに伝搬させない切断が可能なことを別途確認している。同様に、０．２ｍｍ以下であれば超音波接合と半導体素子上での切断が可能である。アルミと銅の厚さの比率については、１：１よりも銅が薄い方が、超音波接合が容易であると考えられる。しかし、それに限定する必要はない。
ここでは、アルミ銅クラッドリボンを用いたが、あらかじめ半導体素子の表面電極よりも各辺が１ｍｍずつ小さい寸法に切断した個片状のクラッド材を用いても同様の効果が得られる。また、ここではアルミナセラミック基板を用いたが、チッ化アルミあるいはチッ化シリコンなどのセラミック基板でも同様の効果が得られる。また、導体層として銅を用いたが、アルミ導体層のセラミック基板を用いても同様の効果が得られる。またリードフレームに対してパワー半導体素子のダイボンドあるいはワイヤボンドを行っても同様の効果が得られる。
また、ここでは、パワー半導体素子としてダイオードを用いたが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に対しても同様の構成で組み込むことが可能である。また、ここでは、銅製の電極板を用いたが、アルミ製あるいはＣＩＣ（銅インバークラッド材）製板材を用いても同様の効果が得られる。
また、ここでは、カッターによって銅を完全に切断して、アルミを引き離す工程としたが、銅の板厚の途中まで切断しても、後の工程で引き離すことができるため、同様にリボンの切断が可能であり、パワー半導体素子へのダメージを軽減することが可能となる。また、リボンにＶ溝を形成しておくことで、容易に切断することが可能となり、チップ上でのリボン切断を半導体素子へのダメージなしに実施することが可能となる。
また、ここでは、パワー半導体素子の表面電極（１１ｍｍ角、厚さ０．０１ｍｍ）に比べて小さい先端形状（２ｍｍ角、長さ２０ｍｍ）の（図示しない）超音波接合ツールを複数箇所別々に当てて、接合部を複数個作製したが、ツール表面にあやめを部分的に形成した（飛び地的に９か所形成）超音波接合ツールを用いることで、全面を一度に接合しても同様の効果が得られる。この方法の方が工数削減上は有利である。
また、ここでは銅ワイヤボンドを用いて回路形成を行ったが、図７に示すように銅リボン６１（幅２ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ）を用いても同様の効果が得られる。この場合、銅ワイヤに比較して銅リボンは断面積が大きくなるため、電流容量が増し、ジュール発熱が減少して信頼性の向上が可能となる。
また、ここでは、アルミ銅クラッドリボンを超音波接合することで、パワー半導体素子上に接合を行ったが、加熱加圧圧着、真空接合あるいは導電性接着剤による接合などによっても同様の効果が得られる。
また、積層金属板の金属界面にあらかじめ熱処理によって金属間化合物層を形成しておくことにより、半導体装置の使用環境による金属間化合物の生成を穏やかにすることで特性の変化を小さくし、信頼性を確保することができる。
さらに、積層金属板を構成する２層の部材のうち、半導体素子の表面に接する第一の部材が半導体素子の表面電極とほぼ同じ組成で、銅ワイヤと接する第二の部材が銅ワイヤとほぼ同じ組成であることから、接合プロセスあるいは半導体の動作温度より高温の動作時における金属拡散に伴う脆い金属間化合物層の生成を抑制することが可能となる。また、耐熱性の低い第一の部材をワイヤボンド界面近傍の表面（封止樹脂に接する面）に露出させないようにし、結晶の粗大化による脆化によってクラックの起点が発生するのを抑制することができる。
実施の形態２．
図８〜図１１は、実施の形態２によるパワーモジュールの概念図である。図８に示すように、パワー半導体素子１が、セラミック基板２（厚さ０．６５７ｍｍのアルミナ基材２１）の導体層２２（銅製厚さ０．４ｍｍ）上に、はんだ５で接合されている。アルミ銅クラッドリボン３（アルミ箔３２（厚さ０．２ｍｍで幅２ｍｍ）上に、幅２ｍｍ、スリット３ｍｍのストライプ状の銅箔３１が重ね合わされた幅１０ｍｍのリボン）を用い、パワー半導体素子（Ｓｉ製ダイオード１２ｍｍ×１２ｍｍ×０．３ｍｍ）の主電極（アルミ製、１１ｍｍ×１１ｍｍ×０．０１ｍｍ）１１上に位置決めされ、超音波接合ツール４（先端２ｍｍ×２ｍｍ×２０ｍｍ）によって超音波印加されて、銅パターンのない部分に接合部３３を形成する。
次に、図９に示すように、カッター４０（機械式のものを含む）を用いて銅箔３１のみを完全に切断し、アルミ箔３２の途中で止めて引きちぎり、図２と同様に、パワー半導体素子上でアルミ銅クラッドリボン３を切断する。
最後に、図１０のように、銅ワイヤ（φ０．４ｍｍ）を用いてワイヤボンディングを行い、パワー半導体素子の主電極とセラミック基板の導体層を電気的に接続する。図１１は図１０の上面図であるが、超音波接合ツールによってクラッドリボンのアルミ部分９か所を接合することで、ツール先端のあやめ（摩擦を大きくするための縦横の窪み）によって転写される接合痕４１が９か所形成されており、その間の銅パターン部分を用いて銅線のワイヤボンドを行うことで、リボンボンドの荷重あるいは接合時間等の超音波接合条件を穏やか（比較的小荷重、短時間接合の条件）にしてパワー半導体素子へのダメージを低減し、接合痕の凹凸による接合面積の増減など接合品質への影響を抑制することができる。
アルミ銅クラッドリボンは、あらかじめ不活性雰囲気において、温度４００℃の条件下で３時間加熱し、アルミと銅の間に金属間化合物層３４を形成してある。パワーモジュールの動作温度あるいは品質保証期間によって異なるが、２００℃で３０００時間保持したのと同等の金属間化合物厚さとなっており、その後、２００℃に保持しても化合物の成長は時間の平方根に比例する（非特許文献１参照）ため、極めて穏やかになる。
ここでは所定の厚さ０．２５ｍｍのアルミと銅のクラッドリボンを用いたが、アルミと同等の柔軟性を有するその他の金属（マグネシウム、錫、インジウム）と、銅の組み合わせであっても、ワイヤボンドダメージを抑制する効果が得られる。
また、厚さについては、アルミは、０．０５ｍｍ以上あればカッターのハーフカット切断など、半導体の電極を傷付けない切断が可能であり、１ｍｍ程度の厚さまでであれば、一般に良好な超音波接合と切断が可能である。
一方、銅については、一般に０．０５ｍｍ以上あれば通常の銅ワイヤボンドに対しては、変形を下層のアルミに伝搬しないことが可能であり、アルミと銅の厚さの比率については、１：１よりも銅が薄い方が、変形の容易なアルミの厚さが銅より大きいため超音波接合が容易であると考えられるが、それに限定する必要はない。
ここでは、アルミ銅クラッドリボンを用いたが、あらかじめ所定の大きさ、すなわち半導体素子の表面電極よりも各辺が１ｍｍずつ小さい寸法に切断した個片状のクラッド材を用いても同様の効果が得られる。また、ここではアルミナセラミック基板を用いたが、チッ化アルミあるいはチッ化シリコンなどのセラミック基板でも同様の効果が得られる。さらに、導体層として銅を用いたが、アルミ導体層のセラミック基板を用いても同様の効果が得られる。
ここではパワー半導体素子としてダイオードを用いたが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）をはじめとするトランジスター素子に対しても同様の構成で組み込むことが可能である。
また、ここでは、カッターによって銅を完全に切断して、アルミを引き離す工程としたが、銅の板厚の途中まで切断しても同様にリボンの切断が可能であり、パワー半導体素子へのダメージを軽減することが可能となる。
また、ここでは、パワー半導体素子の表面電極（１１ｍｍ角、厚さ０．０１ｍｍ）に比べて小さい先端形状（２ｍｍ角、長さ２０ｍｍ）の超音波接合ツールを複数箇所に当てて、接合部を複数個作製したが、ツール表面のあやめを部分的に形成した超音波接合ツールを用いることで、全面を一度に接合しても同様の効果が得られる。
さらに、ここでは銅パターンをストライプ状としたが、水玉模様あるいはチェッカーフラッグ状としても同様の効果が得られる。また、ここでは、銅パターンはアルミ銅クラッドリボンの状態からエッチングなどで不要部分を除去することによって作製されるが、あらかじめパターン化した銅を用いて圧延し、クラッド化することでも同様の効果が得られる。この場合表面の凹凸のない（アルミに対して銅パターンが埋没した）状態となるが、接合性に影響しないため、特に問題とはならない。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ パワー半導体素子、２ セラミック基板、３ アルミ銅クラッドリボン、４ 超音波接合ツール、５ はんだ、６ 銅ワイヤ、１１ 主電極、２１ アルミナ基材、２２、２３ 導体層、３１ 銅箔、３２ アルミ箔、３３ 接合部、３４ 金属間化合物層、４０ カッター、４１ 接合痕、６１ 銅リボン。

Claims (6)

  1. 基板と、
    この基板に配置されたパワー半導体素子と、
    このパワー半導体素子の表面に形成された電極と、
    この電極に接合された積層金属板と、
    この積層金属板と前記基板とを接続するワイヤと、を備えたパワーモジュールであって、
    前記積層金属板は、前記電極と対向する部材が前記電極と主たる材質が同じであり、前記ワイヤと対向する部材が前記ワイヤと主たる材質が同じである構成にされるとともに、
    前記積層金属板の間に金属間化合物層が５μｍ以上、１００μｍ以下の厚さで形成されている、
    ことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記積層金属板は、前記電極に接合される前に、予め前記パワーモジュールの動作温度よりも高温で熱処理されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 前記積層金属板の前記ワイヤと対向する部材が、前記電極と対向する部材に部分的に積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記ワイヤは、前記パワー半導体素子の電極と同等の幅のリボン形状、あるいは前記パワー半導体素子の電極よりも小さい幅の薄板状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  5. 前記積層金属板の前記電極と対向する部材がアルミを主とする組成で、前記ワイヤと対向する部材が銅を主とする組成であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  6. 前記積層金属板の前記電極と対向する部材の材質は、マグネシウム、錫、インジウムのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
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