(57)【要約】【課題】ワイヤ接合部の寿命を向上させることができる電力用半導体装置を得る。【解決手段】絶縁基板２上にＩＧＢＴチップ１０（電力用半導体素子）が実装されている。ＩＧＢＴチップ１０の上面のエミッタ電極１２（主電極）は、金属ワイヤ１６（電気的接続部材）により絶縁基板２上のエミッタ電極パターン７（電極パターン）に電気的に接続されている。さらに、エミッタ電極１２は、金属ワイヤ２２（熱的接続部材）により絶縁基板２上の放熱用パターン８に熱的に接続されている。エミッタ電極パターン７は装置外部に接続され、エミッタ電極パターン７及び金属ワイヤ１６に通電される。一方、放熱用パターン８は装置外部に接続されず、放熱用パターン８及び金属ワイヤ２２には通電されない。【選択図】図１
2011222707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板上に実装され、上面に主電極を有する電力用半導体素子と、
前記絶縁基板上に設けられた電極パターン及び放熱用パターンと、
前記主電極を前記電極パターンに電気的に接続する電気的接続部材と、
前記主電極を前記放熱用パターンに熱的に接続する熱的接続部材とを備え、
前記電極パターンは装置外部に接続され、
前記電極パターン及び前記電気的接続部材に通電され、
前記放熱用パターンは装置外部に接続されず、
前記放熱用パターン及び前記熱的接続部材には通電されないことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
前記電気的接続部材及び前記熱的接続部材は一続きの金属ワイヤであることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記電気的接続部材及び前記熱的接続部材はそれぞれ別の金属ワイヤであることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記熱的接続部材は放熱用リード端子であり、
前記放熱用リード端子の一端が前記主電極に半田により接続され、
前記放熱用リード端子の他端が前記放熱用パターンに半田により接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記電気的接続部材は金属ワイヤであり、
前記金属ワイヤの一端は前記放熱用リード端子に接合され、
前記金属ワイヤの他端は前記電極パターンに接合されていることを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁基板上に電力用半導体素子が実装された電力用半導体装置に関し、特にワイヤ接合部の寿命を向上させることができる電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、絶縁基板上に電力用半導体素子が実装された電力用半導体装置が用いられている。電力用半導体素子の上面の主電極は、金属ワイヤにより絶縁基板上の電極パターンに接続される。電極パターンは装置外部に接続され、電極パターン及び金属ワイヤに通電される。電力用半導体素子の動作時に発生した熱は、素子下面から放熱される（例えば、特許文献１参照）。スイッチングを切り替えることで、電力用半導体素子は発熱と放熱を繰り返し、ワイヤ接合部の温度も同様に変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１６５３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の電力用半導体装置では、素子上面からの放熱は少ないので、素子上面の温度が高くなる。従って、金属ワイヤと素子との熱膨張係数の差によりワイヤ接合部に熱ストレスが生じ、スイッチングによる熱サイクルの繰り返しによりクラックが発生し、ワイヤ接合部の寿命が低下するという問題があった。また、金属ワイヤに通電される際に、金属ワイヤの抵抗発熱により素子表面が更に加熱される。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、ワイヤ接合部の寿命を向上させることができる電力用半導体装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、絶縁基板と、前記絶縁基板上に実装され、上面に主電極を有する電力用半導体素子と、前記絶縁基板上に設けられた電極パターンと、前記主電極を前記電極パターンに電気的に接続する電気的接続部材と、前記絶縁基板上に設けられた放熱用パターンと、前記主電極を前記放熱用パターンに熱的に接続する熱的接続部材とを備え、前記電極パターンは装置外部に接続され、前記電極パターン及び前記電気的接続部材に通電され、前記放熱用パターンは装置外部に接続されず、前記放熱用パターン及び前記熱的接続部材には通電されないことを特徴とする電力用半導体装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、ワイヤ接合部の寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ´に沿った断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ´に沿った断面図である。
【図４】比較例に係る電力用半導体装置を示す平面図である。
【図５】比較例に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【図６】ワイヤ接合部の温度振幅とワイヤ接合部の破壊寿命サイクル数の関係図である。
【図７】実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す平面図である。
【図８】実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【図９】実施の形態３に係る電力用半導体装置を示す平面図である。
【図１０】実施の形態３に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【図１１】実施の形態４に係る電力用半導体装置を示す平面図である。
【図１２】実施の形態４に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置について図面を参照して説明する。同じ構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１０】
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す平面図である。図２は図１のＡ−Ａ´に沿った断面図である。図３は図１のＢ−Ｂ´に沿った断面図である。
【００１１】
放熱板１上に絶縁基板２が設けられている。絶縁基板２の下面に下面電極パターン３が設けられ、この下面電極パターン３は半田４により放熱板１に接合されている。放熱板１はＣｕなどの熱伝導性の高い材質からなり、絶縁基板２はセラミックなどの絶縁体からなる。半田４は放熱を助ける役割もする。
【００１２】
絶縁基板２上に、ゲート電極パターン５、コレクタ電極パターン６、エミッタ電極パターン７（電極パターン）、放熱用パターン８，９が設けられている。これらのパターンはＣｕなどの電気伝導性及び熱伝導性の高い材質からなる。
【００１３】
絶縁基板２上にＩＧＢＴチップ１０（電力用半導体素子）が実装されている。ＩＧＢＴチップ１０は、上面にゲート電極１１及びエミッタ電極１２（主電極）を有し、下面にコレクタ電極１３を有する。コレクタ電極１３は半田１４によりコレクタ電極パターン６に接合されている。ゲート電極１１は金属ワイヤ１５によりゲート電極パターン５に電気的に接続されている。エミッタ電極１２は、金属ワイヤ１６（電気的接続部材）によりエミッタ電極パターン７に電気的に接続されている。なお、ワイヤボンディングには超音波接合などが用いられる。
【００１４】
絶縁基板２上にダイオードチップ１７（電力用半導体素子）が実装されている。ダイオードチップ１７の上面のアノード電極１８（主電極）は、金属ワイヤ１９（電気的接続部材）によりエミッタ電極１２に電気的に接続されている。ダイオードチップ１７の下面のカソード電極２０は、半田２１によりコレクタ電極パターン６に接合されている。
【００１５】
エミッタ電極１２は、金属ワイヤ２２（熱的接続部材）により放熱用パターン８に熱的に接続されている。ダイオードチップ１７のアノード電極１８は、金属ワイヤ２３（熱的接続部材）により放熱用パターン９に熱的に接続されている。実施の形態１では、金属ワイヤ１６と金属ワイヤ２２は一続きの金属ワイヤであり、金属ワイヤ１９と金属ワイヤ２３は一続きの金属ワイヤである。
【００１６】
エミッタ電極パターン７は装置外部に接続され、エミッタ電極パターン７及び金属ワイヤ１６，１９に通電される。一方、放熱用パターン８，９は装置外部に接続されず、放熱用パターン８，９及び金属ワイヤ２２，２３には通電されない。
【００１７】
実施の形態１の効果について比較例と比較しながら説明する。図４は比較例に係る電力用半導体装置を示す平面図であり、図５はその断面図である。比較例では、実施の形態１に比べて、放熱用パターン８，９及び金属ワイヤ２２，２３が存在しない。
【００１８】
図６は、ワイヤ接合部の温度振幅とワイヤ接合部の破壊寿命サイクル数の関係図である。実施の形態１では、比較例に比べてワイヤ接合部温度振幅が小さいため、破壊寿命サイクル数が多くなる。これについて以下に説明する。
【００１９】
比較例では、ＩＧＢＴチップ１０及びダイオードチップ１７の動作時に発生した熱の多くは、素子下面から放熱される。一方、実施の形態１では、放熱用パターン８，９及び金属ワイヤ２２，２３には通電されず、これら自体が発熱することもない。従って、放熱用パターン８，９及び金属ワイヤ２２，２３により、素子下面からだけでなく、素子上面からも放熱される。よって、ワイヤ接合部の寿命を向上させることができる。
【００２０】
なお、上記の金属ワイヤは、Ａｌ、Ｃｕ、又はＡｕなどの電気伝導性及び熱伝導性の高い金属からなる。また、ＩＧＢＴチップ１０の代わりに、パワーＭＯＳＦＥＴチップなどの他の電力用半導体素子を用いてもよい。
【００２１】
実施の形態２．
図７は実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す平面図であり、図８はその断面図である。実施の形態１では金属ワイヤ１６と金属ワイヤ２２は一続きの金属ワイヤであったが、実施の形態２ではそれぞれ別の金属ワイヤである。同様に金属ワイヤ１９と金属ワイヤ２３もそれぞれ別の金属ワイヤである。この場合でも実施の形態１と同様の効果を得ることができる。なお、金属ワイヤ２２，２３は、断面が短形状のリボンでもよい。
【００２２】
実施の形態３．
図９は実施の形態３に係る電力用半導体装置を示す平面図であり、図１０はその断面図である。実施の形態３では、実施の形態１，２の金属ワイヤ２２，２３の代わりに、放熱用リード端子２４，２５（熱的接続部材）を用いる。放熱用リード端子２４，２５は、Ａｌ、Ｃｕ、又はＡｕなどの熱伝導性の良い材質からなる。放熱用リード端子２４の一端がエミッタ電極１２に半田２６により接続され、放熱用リード端子２４の他端が放熱用パターン８に半田２７により接続されている。放熱用リード端子２５も同様である。これにより実施の形態１，２よりも放熱性が高くなる。
【００２３】
実施の形態４．
図１１は実施の形態４に係る電力用半導体装置を示す平面図であり、図１２はその断面図である。実施の形態４では、放熱用リード端子２４がエミッタ電極１２の全面に接続されている。そして、金属ワイヤ１６の一端が放熱用リード端子２４に接合され、金属ワイヤ１６の他端がエミッタ電極パターン７に接合されている。放熱用リード端子２５及び金属ワイヤ１９も同様である。その他の構成は実施の形態３と同様である。これにより、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００２４】
２  絶縁基板
７  エミッタ電極パターン（電極パターン）
８，９  放熱用パターン
１０  ＩＧＢＴチップ（電力用半導体素子）
１２  エミッタ電極（主電極）
１６，１９  金属ワイヤ（電気的接続部材）
１７  ダイオードチップ（電力用半導体素子）
１８  アノード電極（主電極）
２２，２３  金属ワイヤ（熱的接続部材）
２４，２５  放熱用リード端子（熱的接続部材）
２６  半田
【図１】
2011222707.tif 000003
【図２】
2011222707.tif 000004
【図３】
2011222707.tif 000005
【図４】
2011222707.tif 000006
【図５】
2011222707.tif 000007
【図６】
2011222707.tif 000008
【図７】
2011222707.tif 000009
【図８】
2011222707.tif 000010
【図９】
2011222707.tif 000011
【図１０】
2011222707.tif 000012
【図１１】
2011222707.tif 000013
【図１２】
2011222707.tif 000014