(57)【要約】【課題】半導体装置の信頼性を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】半導体装置は、半導体素子である電力用半導体素子４と、金属焼結材７ｅ，７ｇと、配線部材である金属ワイヤ６とを備える。金属焼結材７ｅ，７ｇは、電力用半導体素子４の主面上に配設されている。金属ワイヤ６は、金属焼結材７ｅ，７ｇによって電力用半導体素子４と接合されている。金属ワイヤ６の一部分は、電力用半導体素子４の主面と離間された状態で金属焼結材７ｅ，７ｇに埋設されている。【選択図】図３
2020043154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の主面上に配設された金属焼結材と、
前記金属焼結材によって前記半導体素子と接合された配線部材と
を備え、
前記配線部材の一部分は、前記半導体素子の前記主面と離間された状態で前記金属焼結材に埋設されている、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記配線部材は、Ａｕワイヤ、Ａｇワイヤ、または、Ｃｕワイヤを含む、半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体を含む、半導体装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と
を備える、電力変換装置。
【請求項５】
（ａ）半導体素子の主面上に、焼結前の金属焼結材を塗布する工程と、
（ｂ）配線部材の一部分を、前記半導体素子の前記主面と離間された状態で前記金属焼結材に埋める工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後に、前記配線部材の別部分に超音波接合処理を行う工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後に、前記金属焼結材を加熱して焼結することによって、前記配線部材を前記半導体素子に接合する工程と
を備える、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、及び、半導体装置の製造方法、並びに、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置のうちの電力用半導体装置は、産業用機器から家電及び情報端末まで幅広い機器の主電力（パワー）の制御に用いられており、特に、輸送機器等に用いられる電力用半導体装置には、高い信頼性が求められている。そこで、従来のシリコン（Ｓｉ）を用いた半導体素子に代えて、炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子を電力用半導体素子として備えた電力用半導体装置の開発が進められており、高パワー密度化及び高温動作化が進められている。
【０００３】
従来の電力用半導体装置において、電力用半導体素子と、回路基板及び外部電極との接続には、一般的にアルミニウム（Ａｌ）を主材料とする金属ワイヤを、超音波圧着または超音波圧着により接合するウェッジボンディング法が用いられる。しかしながら、電力用半導体装置の動作時に電力用半導体素子が発熱すると、電力用半導体素子と金属ワイヤとの間の熱膨張係数の差異に起因して熱応力が発生する。この熱応力などにより、金属ワイヤが電力用半導体素子から剥離してしまうことがあり、電力用半導体装置の寿命が金属ワイヤ接合の疲労寿命により決定されてしまうことがあった。このような問題に対して、特許文献１には、電力用半導体素子のゲート電極及びエミッタ電極が、緩衝板を介して金属配線と接合する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２８６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術によれば、緩衝板によって、金属ワイヤを超音波接合する際の荷重及び超音波エネルギーによる半導体素子へのダメージを低減できるので、Ａｌワイヤよりも高強度で接合部の信頼性向上が期待できる銅（Ｃｕ）ワイヤを使用できる。しかしながら、緩衝板を備えるため、電気抵抗の増大により発熱が大きくなってしまうという新たな問題が生じる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、半導体装置の信頼性を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子の主面上に配設された金属焼結材と、前記金属焼結材によって前記半導体素子と接合された配線部材とを備え、前記配線部材の一部分は、前記半導体素子の前記主面と離間された状態で前記金属焼結材に埋設されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、配線部材が金属焼結材によって半導体素子と接合され、配線部材の一部分が、半導体素子の主面と離間された状態で金属焼結材に埋設されるので、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る電力用半導体装置の主要部の構成を示す上面図である。
【図２】実施の形態１に係る電力用半導体装置の主要部の構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態１に係る電力用半導体装置の主要部の構成を示す拡大断面図である。
【図４】実施の形態１に係る電力用半導体装置の主要部の構成を示す拡大断面図である。
【図５】実施の形態２に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置である電力用半導体装置１２の主要部の構成を示す上面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１及び図２に示すように、電力用半導体装置１２は、基板２と、接合部材３と、半導体素子である電力用半導体素子４と、それぞれが配線部材である複数の金属ワイヤ６と、金属焼結材である金属焼結体７ｅ，７ｇとを備える。
【００１１】
基板２は、セラミックからなる絶縁基板２ａと、絶縁基板２ａに配設された回路パターン２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅとを備える。回路パターン２ｂ，２ｃ，２ｄは、絶縁基板２ａの上面に配設され、回路パターン２ｅは、絶縁基板２ａの下面に配設される。
【００１２】
電力用半導体素子４の下面は、回路パターン２ｂと接合部材３によって接合されている。電力用半導体素子４は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）、及び、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）の少なくともいずれか１つを含み、かつ珪素（Ｓｉ）を含む。
【００１３】
電力用半導体素子４の上面には、エミッタ電極４ｅとゲート電極４ｇとが離間して配設されている。エミッタ電極４ｅ及びゲート電極４ｇは、例えばスパッタ法により成膜された厚さ５μｍのアルミニウム（Ａｌ）を主材料とする膜と、その上に無電解めっき法により成膜された厚さ１０μｍのニッケル（Ｎｉ）を主材料とする膜と、その上にフラッシュめっき法により成膜された厚さ０．０５μｍの金（Ａｕ）を主材料とする膜とからなる３層構造を有する。このようなエミッタ電極４ｅ及びゲート電極４ｇによれば、金属焼結体７ｅ，７ｇと良好な接合を得ることができる。
【００１４】
金属焼結体７ｅ，７ｇは、電力用半導体素子４の主面である上面に配設されたエミッタ電極４ｅ及びゲート電極４ｇ上にそれぞれ配設されている。金属焼結体７ｅ，７ｇの厚さは例えば５０μｍである。
【００１５】
複数の金属ワイヤ６の一部分である一端は、金属焼結体７ｅ，７ｇによってエミッタ電極４ｅ及びゲート電極４ｇと接合されている。また、複数の金属ワイヤ６の別部分である他端は、超音波接合処理、または、荷重のみによる圧着によって、回路パターン２ｃ，２ｄと接合されている。本実施の形態１では、金属ワイヤ６は、Ａｕワイヤ、銀（Ａｇ）ワイヤ、または、銅（Ｃｕ）ワイヤを含むが、これに限ったものではない。
【００１６】
図３及び図４は、それぞれ図２の点線枠Ｌ及び点線枠Ｒ内の拡大断面図である。なお、図３、図４に示される破線は、複数の金属ワイヤ６の一端の下端の位置を示す。図３及び図４に示すように、複数の金属ワイヤ６の一端は、エミッタ電極４ｅ及びゲート電極４ｇと離間された状態で金属焼結体７ｅ，７ｇに埋設されている。なお、金属焼結体７ｅ，７ｇ内には、複数の空隙１０が含まれている。
【００１７】
次に、本実施の形態１に係る電力用半導体装置１２の製造方法について説明する。まず、回路パターン２ｂ〜２ｅを有する基板２を準備する。そして、焼結性金属粒子と分散材とを混錬した金属ペーストを、スクリーン印刷またはディスペンスによって回路パターン２ｂ上に供給する。その後、金属ペースト上の所定の位置に電力用半導体素子４を加圧搭載し、電力用半導体素子４の裏面全面に当該金属ペーストを広げる。それから上記金属ペーストと同様に、焼結前の金属焼結体７ｅ，７ｇである金属ペーストを、エミッタ電極４ｅ及びゲート電極４ｇ上に供給する。
【００１８】
次に、金属ワイヤ６の一端を、エミッタ電極４ｅ及びゲート電極４ｇと離間された状態でエミッタ電極４ｅ及びゲート電極４ｇ上の金属ペーストに埋める。その後、金属ワイヤ６の他端を超音波接合処理などによって回路パターン２ｃ，２ｄに接合する。それから、これまでに構成された一体品を２００℃以上の温度で加熱して、各金属ペースト中の焼結性金属粒子を焼結させることによって、接合部材３及び金属焼結体７ｅ，７ｇを形成する。この際、焼結性金属粒子のネッキングの形成と、分散材の揮発とが起こることによって、接合部材３及び金属焼結体７ｅ，７ｇ内に空隙１０が形成される。
【００１９】
接合部材３によって電力用半導体素子４と回路パターン２ｂとが接合され、金属焼結体７ｅ，７ｇによってエミッタ電極４ｅ及びゲート電極４ｇと複数の金属ワイヤ６とが接合される。以上によって、本実施の形態１に係る電力用半導体装置１２が完成する。
【００２０】
＜実施の形態１のまとめ＞
本実施の形態１に係る電力用半導体装置１２では、緩衝板を用いずに、金属焼結体７ｅ，７ｇを介して金属ワイヤ６を電力用半導体素子４に接合する。これにより、緩衝板と緩衝板を搭載する工程とを省略できるため、従来の電力用半導体装置よりも材料コスト及び製造コストの低減が期待できる。
【００２１】
また本実施の形態１では、金属ワイヤ６の一部分が金属焼結体７ｅ，７ｇに埋設されている。これにより、金属ワイヤ６と金属焼結体７ｅ，７ｇとの接合面積が拡大して強固な接合を実現することができるので、接合部の信頼性を高めることができる。なお、金属ワイヤ６のうちワイヤ径の半分以上の部分が金属焼結体７ｅ，７ｇに埋まり、かつ、金属ワイヤ６の一部が金属焼結体７ｅ，７ｇから露出されていることが望ましい。金属焼結体７ｅ，７ｇの厚さは、金属ワイヤ６の直径の半分以上であることが望ましい。
【００２２】
また本実施の形態１では、金属ワイヤ６のうち、金属焼結体７ｅ，７ｇに埋設された一部分は、電力用半導体素子４の主面から離間されている。これにより、超音波接合処理などによる衝撃が金属ワイヤ６から電力用半導体素子４に伝わることによる電力用半導体素子４へのダメージを抑制することができる。この結果、一般的なワイヤボンディングを用いて電力用半導体装置１２を形成することができる。以上により、信頼性に優れた電力用半導体素子４を実現することができる。
【００２３】
また本実施の形態１では、金属ワイヤ６は、Ａｕワイヤ、Ａｇワイヤ、または、Ｃｕワイヤを含む。これらのワイヤは、Ａｌワイヤよりも再結晶温度が高く、電力用半導体素子４の高温動作に耐えることが可能である。このため、より信頼性に優れた電力用半導体素子４を実現することができる。
【００２４】
＜変形例＞
実施の形態１では、電力用半導体素子４がＳｉによって構成されていたが、これに限ったものではない。例えば、電力用半導体素子４は、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって構成されてもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。このようなワイドバンドギャップ半導体によって構成されたスイッチング素子やダイオード素子等の半導体素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。このため、スイッチング素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。また耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。さらに電力損失が低いため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。なお、スイッチング素子及びダイオード素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって構成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体よって構成されていても、上記の効果をある程度得ることができる。
【００２５】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２に係る電力変換装置は、実施の形態１に係る電力用半導体装置を有する主変換回路を備えた電力変換装置である。以上で説明した電力用半導体装置は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、本実施の形態２として、三相のインバータに、実施の形態１に係る電力用半導体装置を適用した場合について説明する。
【００２６】
図５は、本実施の形態２に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【００２７】
図５に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々の電源で構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成されてもよいし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成されてもよい。また、電源１００は、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成されてもよい。
【００２８】
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００との間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図５に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
【００２９】
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００３０】
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードとを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成には種々の構成があるが、本実施の形態２に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードとから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子及び各還流ダイオードの少なくともいずれか１つは、上述した実施の形態１に係る電力用半導体装置が適用された半導体モジュール２０２によって構成される。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００３１】
駆動回路２０２は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、駆動回路２０２は、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【００３２】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、制御回路２０３は、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、制御回路２０３は、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、制御回路２０３は、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００３３】
以上のような本実施の形態２に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子及び還流ダイオードの少なくともいずれか１つとして、実施の形態１に係る電力用半導体装置を適用するため、信頼性を高めることができる。
【００３４】
以上で説明した本実施の形態２では、２レベルの三相インバータに、実施の形態１に係る電力用半導体装置を適用する例を説明したが、本実施の形態２は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態２では、実施の形態１に係る電力用半導体装置は、２レベルの電力変換装置であるとしたが、３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに上記電力用半導体装置を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに上記電力用半導体装置を適用することも可能である。
【００３５】
また、本実施の形態２に係る電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【００３６】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００３７】
４  電力用半導体素子、６  金属ワイヤ、７ｅ，７ｇ  金属焼結体、１２  電力用半導体装置、２００  電力変換装置、２０１  主変換回路、２０３  制御回路。
【図１】
2020043154.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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