(57)【要約】【課題】単位ワイヤ当たりの電流密度を小さくして、主電流ワイヤのボンド部の温度上昇を低減化することにより、スイッチング動作時に於ける熱サイクル疲労に対する寿命の向上化を図る。【解決手段】主電流ワイヤ用ボンド部２２ａを有する主電流ワイヤ１０のワイヤ群とは別に、電力用トランジスタ１のエミッタ電極１３上と電力用ダイオード２のアノード電極１４上とに、シングルボンド部２１ａ，２１ｂを有するボンディングワイヤ１７ａが、形成されている。加えて、電力用ダイオード２のアノード電極１４の他端側上（エミッタ電極１３とは反対側の端近傍の電極表面上）と第２主端子６の一端側寄り部分上とにシングルボンド部２１ｃ，２１ｄを有するボンディングワイヤ１７ｂが、形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用スイッチング半導体素子及び電力用ダイオードを搭載した基板と第１及び第２主端子とを有し、前記電力用スイッチング半導体素子の第１主電極と前記電力用ダイオードのカソード電極と前記第１主端子とを前記基板上の金属パターンによって電気的に接続し、前記電力用スイッチング半導体素子の第２主電極と前記電力用ダイオードのアノード電極と前記第２主端子とを連続的にワイヤボンドして前記アノード電極上に主電流ワイヤのボンド部を形成することによって電気的に接続してなる電力半導体装置において、
前記電力用スイッチング半導体素子の前記第２主電極及び前記電力用ダイオードの前記アノード電極の両方にシングルボンド部を有するボンディングワイヤを形成したことを特徴とする、
電力半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力半導体装置であって、
前記アノード電極及び前記第２主端子の両方にシングルボンド部を有する別のボンディングワイヤを前記アノード電極と前記第２主端子間にも形成したことを特徴とする、
電力半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の電力半導体装置であって、
前記主電流ワイヤのボンド部と、前記ボンディングワイヤ及び前記別のボンディングワイヤの各々の前記アノード電極上の前記シングルボンド部とが、それぞれ、前記アノード電極上に少なくとも２列に並列して配置されたボンド位置の任意の位置に形成されたことを特徴とする、
電力半導体装置。
【請求項４】
請求項３記載の電力半導体装置であって、
前記ボンド位置は２列に並列して配置されており、前記ボンディングワイヤ及び前記別のボンディングワイヤの各々の前記アノード電極上の前記シングルボンド部と前記ボンド部とが前記ボンド位置に於いてオフセット配置されていることを特徴とする、
電力半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大電流を制御するための電力半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、従来の電力半導体装置の内部構造を透視した俯瞰図である。電力半導体装置は、一般的に、２種類の素子を、即ち、電力用トランジスタ１及び電力用ダイオード２を使用する。図６に於いて、第１主端子５は電力半導体装置に流れ込む電流のための入力端子であり、第２主端子６は本装置から負荷へ電流を出力する出力端子であり、信号端子７は例えばゲート電圧入力端子やエミッタセンス端子より成る。各素子１，２は、基板３の金属パターン４上に搭載されており、基板３はベース板８に固着されてケース９内に収納された上で、上面より蓋を被せて保護される。ここで、図７は、電力用トランジスタ１、電力用ダイオード２及びこれらの素子の電気的な接続構成を示す平面図である。
【０００３】
電力半導体装置は、所定のゲート電圧が印加された場合には、コレクタ領域とエミッタ領域とにチャネルが形成され、コレクタ電極に流入する電流がエミッタ電極から流出する電力スイッチとして働く。ゲート電圧の印加時間や電圧レベルを変えることによって、エミッタ電極から負荷側へ流出する出力を制御する。
【０００４】
他方、ゲート電圧を印加しないスイッチオフの場合には、負荷のインダクタンスに蓄えられた電流エネルギーが電力半導体装置側に還流する。この際、電力用ダイオード２が順方向となる様に回路構成されており、電力用ダイオード２に還流電流が流れる。
【０００５】
この様な電力半導体装置は、電力用トランジスタ１のコレクタ電極（第１主電極に相当）及び電力用ダイオード２のカソード電極（両者共に対応素子１，２の裏面であり、その符号は省略）並びに第１主端子５の組合わせと、エミッタ電極１３及びアノード電極１４並びに第２主端子６の組合わせとから構成され、前者の組合わせ（コレクタ電極―カソード電極―第１主端子５）は、基板３の金属パターン４及びボンディングワイヤ１１を介して、電気的に接続される。コレクタ電極及びカソード電極は、これらの素子１，２を搭載する基板３上の金属パターン４の上に搭載され、金属パターン４と半田付けされる。これによって、双方の電極同士が電気的に接続される。従来例では、第１主端子５と金属パターン４との間はボンディングワイヤ１１によって互いに接続されているが、これに代えて、半田付け等の方法が用いられることもある。他方、電力用トランジスタ１のエミッタ電極１３、電力用ダイオード２のアノード電極１４及び第２主端子６は、ボンディングワイヤ１０によって接続されており、しかも、ボンディングワイヤ１０は、アノード電極１４上のボンディングワイヤ１０のボンド部（ステッチボンド部）２２ａで切断されること無く、連続的に第２主端子６あるいはエミッタ電極１３に向かって繋がれている。そして、ボンディングワイヤ１０は、電力半導体装置の主電流を輸送する電流路を形成しており、以下、ボンディングワイヤ１０を「主電流ワイヤ」と称する。又、この様に、接合後に切断せずに連続的にボンディングする方法を「ステッチボンド」と称する。ステッチボンドのボンディングワイヤ１０には、アルミニウムワイヤが一般的に良く用いられるが、数十〜数百アンペア以上の主電流を流す電力半導体装置では、従来例の様に、複数本の主電流ワイヤ１０をボンディングすることによって、アルミニウムワイヤが溶断しない様に、電流容量が確保されている。
【０００６】
上記従来例の電力半導体装置では、エミッタ電極１３、アノード電極１４及び第２主端子６をステッチボンドすることによって直接連接しているために、基板上に中間電極を設けることが不要となり、ステッチボンドの技術は電力半導体装置全体の小型化に寄与し得る。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３５３７７８号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上の様に構成された従来の電力半導体装置においては、主電流が電力用トランジスタあるいは電力用ダイオードを流れる際に各素子の電圧降下によって発熱し、素子表面の温度が上昇する。この際、素子表面のボンド部には、アルミニウムから成るボンディングワイヤとシリコンから成る素子間の物性上のミスマッチによる熱応力が発生し、スイッチング数の増加によって熱サイクル疲労が進行し、究極的にはボンド部が破壊されてパワーサイクル寿命に至る。このため、所望の電流容量を流すために必要な複数の主電流ワイヤが、局部的な素子表面温度の上昇を避ける様に、素子上を分散配置されており、これによって電流容量の平準化を図っている。
【０００９】
しかしながら、エミッタ電極とアノード電極間にステッチボンドによって連接された主電流ワイヤのボンド部に関しては、これらのボンド部をステッチボンドされた主電流ワイヤの長手方向に並べて接合部を形成することは、隣接ワイヤとの干渉を避けて安定的に形成する観点から見た場合、不可能であると言え、結局、ボンド部２２ａを、図６及び図７に示す様に、電力用ダイオード２の幅方向（紙面の上から下への縦方向に相当）に沿って一列に配置せざるを得ず、実質的にはステッチボンド部を対角線上に沿って配置することが寸法上の限界であった。このため、デバイスの主電流が大きくなると、主電流ワイヤの本数が増大し、その分だけ電力用ダイオード２の幅方向に一列に並んだステッチボンド部２２ａの配置数が増加するので、電力用ダイオード２の素子サイズがより縦長型となり、素子サイズをより一層大きくする必要性が生じていた。このことは、１個のシリコンウエハから採取し得る電力用ダイオード２の素子数の減少をもたらし、その分だけ、本装置のコストアップをもたらしている。逆に、ステッチボンド部２２ａの配置数を少なくすると、その分だけ素子サイズが幅方向に関してより短くなるけれども、主電流ワイヤのボンド部に於ける発熱量が増大し、熱サイクル疲労に対する寿命の低下と言う問題点が深刻化する。
【００１０】
本発明は斯かる閉塞状態を打開すべくなされたものであり、その目的とするところは、電力用ダイオードの幅方向の素子サイズの減少化（横断面形状がより正方形に近づく様にすること）を図りつつも、主電流ワイヤのボンド部の温度上昇を低減化して熱サイクル疲労に対する寿命の向上化を図る点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の主題に係る電力半導体装置は、電力用スイッチング半導体素子及び電力用ダイオードを搭載した基板と第１及び第２主端子とを有し、前記電力用スイッチング半導体素子の第１主電極と前記電力用ダイオードのカソード電極と前記第１主端子とを前記基板上の金属パターンによって電気的に接続し、前記電力用スイッチング半導体素子の第２主電極と前記電力用ダイオードのアノード電極と前記第２主端子とを連続的にワイヤボンドして前記アノード電極上に主電流ワイヤのボンド部を形成することによって電気的に接続してなる電力半導体装置であって、前記電力用スイッチング半導体素子の前記第２主電極及び前記電力用ダイオードの前記アノード電極の両方にシングルボンド部を有するボンディングワイヤを形成したことを特徴とする。
【００１２】
以下、この発明の主題の様々な具体化を、添付図面を基に、その効果・利点と共に、詳述する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の主題によれば、シングルボンドの追加に伴い、電力用トランジスタと電力用ダイオードとを接続する、主電流が流れるべきワイヤの数を増加させることが出来るので、単位ワイヤ当たりの電流密度が小さくなり、主電流ワイヤのボンド部の温度上昇を低減化することが出来、スイッチング動作時に於ける熱サイクル疲労に対する寿命の向上化を図ることが出来る。特に、シングルボンド部が電力用ダイオードの幅方向に略直角な方向（主電流ワイヤの長手方向に相当）に沿ってステッチボンド部の横側に設けられる場合には、電力用ダイオードの素子の横断面形状を縦長の長方形状からより正方形に近い形状（縦方向の長さと横方向の長さとがより均衡化する形状）に変更することが出来、素子サイズの小型化、従って、装置の低コスト化を併せて実現することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施の形態１）
本実施の形態の特徴点は、ステッチボンドのボンディングワイヤに加えて、シングルボンドのボンディングワイヤを追加することにある。これにより、本実施の形態は、電力半導体装置内部に於けるワイヤボンド配線のスペース効率を向上させて、ワイヤ及びチップ上の温度上昇を抑制してパワーサイクル寿命の向上化を図るものである。尚、本実施の形態では、当該ワイヤの両端にシングルボンド部を有するボンディングワイヤを、「シングルボンド」とも称する。以下、図面に基づき、本実施の形態に係る電力半導体装置の好適な一例を詳述する。
【００１５】
図１は、本実施の形態に係る電力半導体装置の内部構造を示す俯瞰図であり、既述した図６に対応する図面である。又、図２は、電力用トランジスタ１、電力用ダイオード２及びこれらの素子の電気的な接続構成を示す平面図であり（Ａ−Ａ線に関する縦断面図も付記されている）、既述した図７に対応する図面である。ここで、図１及び図２中、図６及び図７と同一の参照符号は同一の構成要素を示しており、図６及び図７に関して述べた従来技術に於ける記載をこれらの参照符号で示される各構成要素に関して援用することとして、記載の簡略化を図るものとする。
【００１６】
本実施の形態では、図２に明示する通り、ステッチボンド部２２ａを有する主電流ワイヤ１０のワイヤ群とは別に、ワイヤの両端であって、電力用トランジスタ１のエミッタ電極（第２主電極に相当）１３上と電力用ダイオード２のアノード電極１４上とに、（ステッチボンド部では無い）シングルボンド部２１ａ，２１ｂを有するボンディングワイヤ（第１シングルボンド）１７ａが、形成されている。加えて、電力用ダイオード２のアノード電極１４の他端側上（エミッタ電極１３とは反対側の端近傍の電極表面上）と第２主端子６の一端側寄り部分上とに同様のシングルボンド部２１ｃ，２１ｄを有するボンディングワイヤ（第２シングルボンド）１７ｂが、形成されている。尚、ボンド部２２ａを有する主電流ワイヤ１０に関しては、少なくとも、通電中のワイヤの溶断が発生しないために必要な数量分が形成される。但し、本実施の形態では、アノード電極１４上にシングルボンド部２１ｂ，２１ｃが形成されている分だけ、ボンド部２２ａの数量は図７の場合と比較して減少する。
【００１７】
この様に構成された電力半導体装置においては、アノード電極１４上のステッチボンド部２２ａの両側に、エミッタ電極１３とのシングルボンド部２１ｂ及び第２主端子６とのシングルボンド部２１ｃが形成されているため、電力用ダイオード２の幅方向（図２の紙面の上から下へ向かう縦方向に相当）を大きくすることなく、ワイヤ数を増加させることが出来る。従って、電力用ダイオード２のチップの縦横寸法比を従来例よりも１：１に近づけることが可能となり、コスト低減化にも寄与し得る。この場合、シングルボンドのボンディングワイヤ１７ａ，１７ｂを流れる電流は、電力用ダイオード２のアノード電極１４を構成する厚さ数μｍのアルミニウム膜を経由するが、ボンディングワイヤ１７ａ，１７ｂは、電力用トランジスタ１のエミッタ電極１３から第２主端子６にまで至る主電流ワイヤ１０とは別個の経路を成すため、微少ながらも、主電流の一部が分配される。そのため、主電流ワイヤ１０の電流が減少し、全体的に見ると、主電流ワイヤ１０のボンド部２２ａの発熱を減少させることが出来る。
【００１８】
又、図３は、本実施の形態の変形例に係る電力半導体装置に於ける、電力用トランジスタ１、電力用ダイオード２及びこれらの素子の電気的な接続構成を示す平面図である。図３の変形例は、電力用トランジスタ１のエミッタ電極１３と電力用ダイオード２のアノード電極１４の両方に、シングルボンド部２１ａ，２１ｂを有するボンディングワイヤ１７ａのみを形成した例に該当する。換言すれば、本変形例の構造は、図１及び図２に於ける構造からシングルボンドのボンディングワイヤ１７ｂを無くした構造に相当している。電力半導体装置に於いては、一般的にスイッチオン時の電力用トランジスタを通電する場合の電力損失が大きいため、図３の様に、電力用トランジスタ１と電力用ダイオード２間のシングルボンドのみの増加だけでも、既述した効果は得られる。
【００１９】
この場合、図１及び図２で記載した例と比較すると、単位ワイヤ当たりに流れる電流量は増加するが、ワイヤボンディングの数が少なくて済むため、ワイヤボンド起因不良の発生を軽減することが出来ると言う利点がある。
【００２０】
（実施の形態２）
図４は、本実施の形態に係る電力半導体装置に於ける、電力用トランジスタ１、電力用ダイオード２及びこれらの素子の電気的な接続構成を示す平面図である。本実施の形態の特徴点は、実施の形態１で述べたエミッタ電極１３とのシングルボンド部２１ｂ及び第２主端子６とのシングルボンド部２１ｃが、共にアノード電極１４上の主電流ワイヤ用ボンド部２２ａの両側に常に形成されているのでは無くて、隣り合う主電流ワイヤ用ボンド部２２ａの間のスペースであって且つ任意の位置に形成されている点にある。
【００２１】
本実施の形態では、電力用ダイオード２のアノード電極１４上には、ボンド位置がダイオード２の幅方向（紙面の縦方向に相当）に複数列配置されているが、図４の例では、ボンド位置がアノード電極１４上を平行に二列に並列した場合を取り扱っている。即ち、幅方向に延在した各ボンド位置において、（１）エミッタ電極１３からアノード電極１４を経て第２主端子６に至る主電流ワイヤ１０のボンド部２２ａと、（２）エミッタ電極１３とアノード電極１４との間に形成されたシングルボンド１７ａのシングルボンド部２１ｂ又はアノード電極１４と第２主端子６との間に形成されたシングルボンド１７ｂのシングルボンド部２１ｃとが、任意の位置に形成されている。主電流ワイヤのボンド部２２ａの複数列は、隣接ワイヤ１０と干渉しない程度に、主電流ワイヤ１０の長手方向に沿って配設されており、各列において、各ボンド部２２ａは幅方向に所定の間隔を有して並んでいる。そして、各列において、シングルボンド部２１ｂ，２１ｃは、アノード電極１４上のボンド部２２ａが形成されている場所以外の任意の位置に形成されている。図４の例では、シングルボンド部２１ｂ，２１ｃは、主電流ワイヤのボンド部２２ａ間であって且つ主電流ワイヤのボンド部２２ａに近接した位置に形成されている。
【００２２】
この様な２列配置構成に修正することによって、実施の形態１と比較して、幅方向に直角な方向（図４の紙面の横方向：長手方向）に沿ってシングルボンド部と主電流ワイヤのボンド部とを配置する際のボンド配列数が少なくなる。図４の例では、ボンド部２２ａの配列に許容される電力用ダイオード２の幅内に収まる様にシングルボンド部２１ｂ，２１ｃを配列し、長手方向に関しては最低限の配列数（２列）とすることでダイオードチップの長さを小さくしている。
【００２３】
本実施の形態でも、電力用トランジスタ１又は電力用ダイオード２とのシングルボンド数分の増加に伴い、単位ワイヤ当たりの電流を軽減して、パワーサイクル寿命を向上させることが出来る。
【００２４】
尚、電力用ダイオード２のアノード電極１４上に３列以上のボンド部配列を設ける場合には、電力用ダイオード２のチップサイズの点と総合して最適化を図る必要性がある。
【００２５】
又、本実施の形態の変形例を、図５に示す。図５の構造の特徴点は、図４の２列に配列されたボンド位置における実施の形態２に対して、２つのシングルボンド部２１ｂ，２１ｃと２つの主電流ワイヤのボンド部２２ａとを一組として当該組を交互に幅方向に配置して成るボンド配置例とした点にある。ここで、この様なボンド配置例を「オフセット配置」と定義することにする。
【００２６】
この様なオフセット配置を有する本変形例の電力半導体装置では、シングルボンド部２１ｂ，２１ｃ同士が近接配置されているために、アノード電極膜に形成される通電路の電気抵抗を小さくすることが出来るので、シングルボンド１７ａ，１７ｂへの電流の分配を増大させることが出来、主電流ワイヤ１０の電流密度をより一層低減化することが出来る。
【００２７】
（付記）
以上、本発明の実施の形態を詳細に開示し記述したが、以上の記述は本発明の適用可能な局面を例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、記述した局面に対する様々な修正や変形例を、この発明の範囲から逸脱することの無い範囲内で考えることが可能である。例えば、本発明を、ＩＧＢＴのみならず、ＭＯＳＦＥＴやＧＴＯ等、その他の電力用スイッチング半導体素子を用いた実施の形態に対しても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施の形態１に係る電力半導体装置の内部構造を示す俯瞰図である。
【図２】実施の形態１に於ける、電力用トランジスタ、電力用ダイオード及びこれらの素子の電気的な接続構成を示す平面図である。
【図３】実施の形態１の変形例に於ける、電力用トランジスタ、電力用ダイオード及びこれらの素子の電気的な接続構成を示す平面図である。
【図４】実施の形態２に於ける、電力用トランジスタ、電力用ダイオード及びこれらの素子の電気的な接続構成を示す平面図である。
【図５】実施の形態２の変形例に於ける、電力用トランジスタ、電力用ダイオード及びこれらの素子の電気的な接続構成を示す平面図である。
【図６】従来例に係る電力半導体装置の内部構造を示す俯瞰図である。
【図７】従来例に於ける、電力用トランジスタ、電力用ダイオード及びこれらの素子の電気的な接続構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  電力用トランジスタ、２  電力用ダイオード、３  基板、４  金属パターン、５  第１主端子、６  第２主端子、７  信号端子、８  ベース板、９  ケース、１０  主電流ワイヤ、１３  エミッタ電極、１４  アノード電極、１７ａ，１７ｂ  シングルボンド、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ  シングルボンド部、２２ａ  主電流ワイヤのボンド部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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