(57)【要約】【課題】  低電気抵抗で高い信頼性を有するワイヤボンディングを有するパワー半導体素子上面の配線接続技術を提供する。【解決手段】  半導体装置の半導体素子上面の配線接続に、電気抵抗値は低いが線膨張係数が大きい金属（例えばCuあるいはCu合金）の導体を、編み線状にして導電性接合材により接続する。これによって、電気抵抗小・線膨張係数大の導体の線膨張による導電性接合材のひずみを抑え、低電気抵抗化と高い接続信頼性が両立できる。【選択図】  図3
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を有する半導体素子と、
導体と、
前記半導体素子の電極と、前記導体とを接合する導電性の接合材とを備えた半導体装置において、
前記導体は複数の導線が編まれた編み線状導体であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記編み線状導体の前記導電性接合材に接続される部分は、編まれていないことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記編み線状導体が、Cuもしくは電気抵抗率2.7×10-8Ω・m未満のCu合金からなる線を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１または２において、
前記編み線状導体がCuもしくは電気抵抗率2.7×10-8Ω・m未満のCu合金からなる導線と、当該CuまたはCu合金よりも線膨張係数が低い低熱膨張率材料からなる導線とを編みこんで形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記低熱膨張率材料が、インバー、Mo、Wの少なくとも１つであることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項３から５のいずれかにおいて、
前記CuまたはCu合金の表面に、Ni、Ni-P、Ni-Bめっきの少なくとも１つがなされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかにおいて、
前記導電性接合材が、Sn系鉛フリーはんだであることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１から６のいずれかにおいて、
編み線状導体を接続する導電性接合材が純Snはんだ、またはSn-Cu共晶はんだであることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低電気抵抗で接続信頼性の高い素子上面電極接続部を有するパワー半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールにおいて、パワー半導体素子上面電極の配線方法として、図１に示すような直径300から400μｍの太Al線を用いたワイヤボンディング1が一般的に用いられている。パワーモジュールでは、数十から数百アンペア以上の大電流をワイヤボンディング部に通電するため、ジュール熱によってAlワイヤボンディング部およびパワー半導体素子等が発熱する。この発熱により温度変化が生じると、Al線と素子の熱膨張率差でAlワイヤボンディング部に応力が発生する。そのため、通電のオンオフが繰り返された場合、Alワイヤボンディング部の接合界面近傍が熱応力によって疲労破壊する。近年、パワーモジュールの大容量化が進み、パワー半導体素子１つあたりに通電する電流が増大しており、熱応力に対するワイヤボンディング部の接続信頼性確保が課題となっている。
【０００３】
Alワイヤボンディング部に発生する熱応力を低減する方法の１つとして、Al線の本数を増やすことが挙げられる。Al線１本あたりに流れる電流を減らすことで、ワイヤボンディング部の発熱量を低減し、接続信頼性を向上することができる。しかしながら、パワー半導体素子の面積によってボンディング可能なAl線の本数が限られるため発熱を大きく低減することは難しい。また、本数を増やすためにパワー半導体素子のサイズを大きくした場合、パワーモジュールの大型化に繋がる。そのため、Alワイヤボンディングに替わる低電気抵抗の配線方法が必要となっている。低電気抵抗な上面電極配線方法としては、特許文献１のように、太Al線の替わりに幅広のAlリボンを超音波ボンディングする方法、特許文献２、３のように、Al線の替わりにCu部材を素子上面にはんだ接続する方法がある。何れも、一般的な太Al線によるワイヤボンディングに比べて低電気抵抗であり、通電による発熱を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2004-336043号公報
【特許文献２】特開2001-332664号公報
【特許文献３】特開2008-182074号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１から３の方法は、何れにおいても下記のような問題点があった。特許文献１の場合、Al線の替わりに幅広のAlリボンを超音波ボンディングする。AlリボンはAl線に比べてサイズが大きくなるため、ボンディングに必要な超音波を印加するツールのサイズ、接合時の超音波エネルギーが大きくなる。そのため、ボンディング時にパワー半導体素子を傷つける恐れがあり、接合可能なAlリボンサイズに制限があった。また、低電気抵抗のCuリボンを使用する選択もあるが、Cuの方がAlに比べて、ボンディング時の超音波エネルギーが大きいため、さらに素子を傷つける可能性が高くなる。結果として、リボンボンディングでは素子上面電極接合部の電気抵抗を大きく低減することは困難であった。一方、特許文献２、３の場合、図２のように、Cu部材をはんだで素子上面電極に接合する。Cuの電気抵抗率は約1.7×10-8Ω・m（20℃）から2.9×10-8Ω・m（200℃）であり、Alの電気抵抗率約2.7×10-8Ω・m（20℃）から4.8×10-8Ω・m（200℃）に比べて低いため、電気抵抗を大きく低減できる。しかしながら、パワー半導体素子とCuの熱膨張率差によって熱応力が生じた場合、はんだ接続部の劣化が速く接続信頼性の確保が難しい。特許文献３では、はんだ接続部のフィレット形状を制御することにより接続信頼性の向上を図っているが、それだけでは十分に接続信頼性を確保することが困難であった。そのため、半導体素子周辺部をトランスファーモールドにより拘束して、はんだ接続部に応力集中しない構造にする等の工夫がなされている。しかしながら、大型のパワーモジュールにおいては、軟質のゲル封止を用いるため、特許文献２、３の方法では、はんだ接続部の劣化を抑制することが困難であった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、素子上面接合部の電気抵抗を下げ、大電流が通電可能な配線接続を実現し、さらに接続信頼性の高い半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、上記課題を解決するために、電極を有する半導体素子と、導体と、前記半導体素子の電極と、前記導体とを接合する導電性の接合材とを備えた半導体装置において、前記導体は複数の導線が編まれた編み線状導体であることを特徴とする半導体装置とする。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように本発明によれば、編素子上面配線の電気抵抗を抑え、また、はんだのひずみを抑えて、大電流を通電しても接続信頼性を確保できる半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】パワーモジュールの断面を模式的に示した図である。
【図２】Cu板をはんだ接続した素子上面電極構造を模式的に示した図である。
【図３】本発明の一実施例にかかる接続機構を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の一実施例にかかる接続機構を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の一実施例にかかる接続機構を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の一実施例にかかる接続機構を模式的に示す断面図である。
【図７】Cu板をはんだ接続した素子上面電極構造の熱衝撃による劣化状態を模式的に示した図である。
【図８】接本発明の素子上面電極構造の熱衝撃による劣化状態を模式的に示した図である。
【図９】本発明の接続機構を模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明の実施例及び比較例にかかる検証結果の表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明をパワー半導体モジュールに適用した実施例について、図面を用いて説明する。
【００１１】
本実施例かかるパワー半導体モジュールの断面図を図３に、平面図を図４に示す。基板３上に設けられた電極（図示せず）には、導電性接合材（はんだ）２をを介して、パワー半導体素子６が接続されている。半導体素子６の上には、導電性接合材（はんだ）９を介して、網み線状導体８が接続されている。また、この網み線状導体８は、導電性接合部材（はんだ）９を介して、基板９上の他の電極（図示せず）に接続されている。編み線状導体が接合部材９により接続される長さは、同方向の半導体素子６の大きさの1/3以上である。
【００１２】
本実施例では、半導体素子６の上面電極に編み線状導体８を導電性接合材９で接続している。これによって、Alに比べて硬い材料を用いた場合でも、編み線を構成する一本の線の直径を調整することにより、編み線をたわませることができ、半導体素子６上面接続部に発生する応力を低減することができる。また、編み線にすることで、図５のように導電性接合材を介して線を積層できるため、電気抵抗が低くなり大電流化に対応することができる。
【００１３】
図６に示すように導電性接合材で接続される編み線状導体の端部が、ほつれて広がった状態になっていることが望ましい。これによって、導電性接合材９により接合される編み線状導体の先端部が編まれておらず、ほつれて１つ１つの線にほつれて広がっている方が、より小さな力で変形することができるため、応力緩衝能を向上することができる。また、編み線状導体を構成する１つ１つの線は、導電性接合材を介して繋がっているため低電気抵抗を維持できる。
【００１４】
編み線状導体がCuもしくは電気抵抗率2.7×10-8Ω・m未満のCu合金からなる線で構成されていることが望ましい。編み線状導体にCuもしくは電気抵抗率2.7×10-8Ω・m未満のCu合金からなる線を用いることで、Alワイヤボンディングに比べて電気抵抗を小さくすることができる。Cu合金の場合、Cu含有率が高いほど電気抵抗が小さくなるため、Cu含有率95%以上であることが望ましい。Cuの剛性率は約0.44×1011Paであり、Alの剛性率0.26×1011Paの約1.7倍である。一般的なAlワイヤボンディングにおいて、直径0.4mmのAl線を使用していることを考慮すると、CuおよびCu合金線の直径は、0.2mm以下であることが望ましい。また、直径を0.01mm未満にした場合、導電性接合材にはんだを用いて接続する際にはんだと反応して、Cu線が溶断してしまう恐れがある。図７は、特許文献２、３のように、Cu板を導体にした場合の熱衝撃による接続部の劣化状況である。導電性接合材の周囲からクラックが進展し劣化する。一方、図８は、編み線状導体をはんだで接続した場合の熱衝撃によるクラック進展状況である。編み線状導体の場合、Cu板の場合とは異なり、Cu線とはんだの界面近傍に短いクラックが分散して線と導電性接合材界面近傍に発生する。この場合、長く連続したクラックとならないため、熱衝撃により劣化した際にも電気抵抗が上昇しにくい。
【００１５】
編み線状導体がCuもしくは電気抵抗率2.7×10-8Ω・m未満のCu合金からなる線と、低熱膨張率材料からなる線で構成された半導体装置を提供することにある。
【００１６】
編み線状導体の利点として、図９のように、編み込みによって複数の材料を複合化ができることが挙げられる。Cuの熱膨張率は約17ppm/K、半導体素子の熱膨張率は3ppm/Kと、熱膨張率差が大きい。そのため、編み線構造にしただけでは、応力緩衝能に余裕がない場合がある。そのような場合、低熱膨張率の線を必要に応じてCuもしくはCu合金線と一緒に編みこむことで、導体としての熱膨張率をCuもしくはCu合金線単体による導体に比べて小さくすることができ、導体接続部に発生する熱応力を低減できる。
【００１７】
低熱膨張率材料としては、インバー、Mo、Wが好適である。これらの何れの材料も線引き等により所望のワイヤ径に加工できる。インバーは熱膨張率が約4ppm/K、Moは5ppm/K、Wは4.5ppm/Kであるため、CuあるいはCu合金線と複合化することにより、編み線状導体の熱膨張率を低減することができる。
【００１８】
Cuもしくは電気抵抗率2.7×10-8Ω・m未満のCu合金の表面にNi、Ni-P、Ni-Bめっきの少なくとも１つがなされていてもよい。CuおよびCu合金にSn系鉛フリーはんだが濡れた場合、CuとSnが反応して接続界面にCu-Sn化合物が形成する。Cu-Sn化合物が厚く形成した場合、Cu線間の距離が狭い箇所が化合物によって連結する可能性がある。その場合、編み線としての応力緩衝能が低減する。CuおよびCu合金線表面にNi系めっきをして接続界面の化合物成長を抑制し、応力緩衝能を維持することができる。Ni系めっき厚さは1〜5μmにすることが望ましい。Ni系めっき厚さが１μm未満の場合、界面反応によりNi系めっきが消失し、めっきの効果が得られない可能性がある。Ni系めっき厚さが5μm以上の場合、めっき厚さの均一性が損なわれること、Cuに比べてNiが硬いことによって、応力緩衝能が低下する恐れがある。
【００１９】
編み線状導体を接続する導電性接合材がSn系鉛フリーはんだである。
【００２０】
Sn系鉛フリーはんだは、Cuもしくは電気抵抗率2.7×10-8Ω・m未満のCu合金に濡れやすく反応性が良いため、導体を良好に接続できる。また、編み線状導体に対して、はんだが毛細管現象により編み線の隙間を充填するため、低電気抵抗の接続となる。
【００２１】
編み線状導体を接続する導電性接合材が純Sn、Sn-Cu共晶はんだである半導体装置を提供することにある。
【００２２】
Sn系鉛フリーはんだの中でも、純Sn、Sn-Cu共晶はんだは、降伏応力が低いはんだであるため、これを用いることにより、応力緩衝能をより向上することができる。
（実施例１〜１１）
本願発明の作用効果を実証するために、以下のようなサンプル（実施例１〜１１）を作成した。図３に示すように、基板３上に、厚さ200μmのSn-７Cu(mass%)はんだ箔２を置き、その上に10mm×10mm.のパワー半導体素子６を積層して、H2還元雰囲気中、300℃5min.で接続を行った。接続した素子６と基板３の上に、図１０に示した各々の実施例に用いた厚さ100μmのはんだ箔９を置き、その上に各種仕様で構成される幅8mmに成形した編み線状導体8を置き、H2還元雰囲気中、300℃5min.で接続した。その後、基板３にケースを取り付けて、接続部周辺にゲルを注入して硬化させ、半導体装置を作製した。
【００２３】
この半導体装置組立後の半導体素子のオン抵抗を測定した。また、-40℃（10min.）⇔125℃（10min.）の温度サイクル試験を1000サイクル行い、温度サイクル試験後のオン抵抗変動を測定した。組立時のオン抵抗については、比較例２であるAlリボンボンディングを用いた半導体装置に比べて、オン抵抗が低い場合を○、オン抵抗が同等以上の場合に×とした。温度サイクル試験結果については、1000サイクル後にオン抵抗の変動が初期値の1.2倍以内であれば○、1.2倍より大きくなった場合を×と判定した。
【００２４】
図１０の表のように、全ての実施例において、組立後のオン抵抗は比較例２のAlリボンボンディングを用いた半導体装置に比べて小さくなった。実施例１から９のオン抵抗は、Alリボンボンディング半導体装置の約0.8倍、実施例10、11は約0.9倍となった。温度サイクル試験結果についても、図１０のように全ての実施例で1000サイクル後もオン抵抗の上昇は、初期値の1.2倍以下となった。実施例１〜９の値は初期値の約1.1倍、実施例10、11は初期値からほとんど変動が見られなかった。素子上面配線接続部を断面観察した結果、実施例１〜９においては、図８のようにCu線とはんだの接続界面近傍にクラックが発生していることを確認することができた。このクラックにより、接続部の電気抵抗が上昇したために、オン抵抗が上昇したと考えられる。一方、実施例10、11についても同様に断面観察を行ったところ、同様なクラックは観察されるものの、クラック発生量が少ないことが分かった。クラックの発生量で３グループに分類した場合、最もクラック発生量が少ないものが、実施例10、11、次に実施例２、４、５〜９、一番多いものが実施例１、３であった。このことから、複合化による応力緩衝が最も有効で、軟質のSn系はんだで接続すること、編み線状導体接続部の編み線をほぐすことも有効であることを確認することができた。
【００２５】
以上のことから、本発明を用いることで、低電気抵抗で高接続信頼性を有する素子上面配線接続が可能なことが明らかとなった。なお、上記では全体構造を編み線状導体と半導体素子、半導体素子と基板の接続を別々に接続するプロセスについて述べたが、編み線状基板、はんだ箔、半導体素子、はんだ箔、基板を積層した後、一度のプロセスで接続しても良い。
（比較例１、２）
基板上に、厚さ200μmのSn-７Cu(mass%)はんだ箔を置き、その上に10mm×10mm.のパワー半導体素子を積層して、H2還元雰囲気中、300℃5min.で接続を行った。その後、比較例１では半導体素子上と基板上の電極間を直径0.4mmのAlワイヤを12本ボンディングし、比較例２では半導体素子上と基板上の電極間を厚さ0.1mm、幅3mmのAlワイヤを2本ボンディングした。その後、基板３にケースを取り付けて、接続部周辺にゲルを注入して硬化させ、半導体装置を作製した。
【００２６】
この半導体装置組立後の半導体素子のオン抵抗、-40℃（10min.）⇔125℃（10min.）の温度サイクル試験を1000サイクル後のオン抵抗を測定した。組立時のオン抵抗については、比較例２であるAlリボンボンディングを用いた半導体装置に比べて、オン抵抗が低い場合を○、オン抵抗が同等以上の場合に×とした。温度サイクル試験結果については、1000サイクル後にオン抵抗の変動が初期値の1.2倍以内であれば○、1.2倍より大きくなった場合を×と判定した。
【００２７】
図１０の表のように、比較例１のAlワイヤボンディングの場合、比較例２のAlリボンボンディングに対して、1.4倍のオン抵抗となった。比較例１、２共に実施例1から11に比べて、組立後のオン抵抗が高くなることを確認した。ただし、温度サイクル試験後については、比較例１、２共に温度サイクル試験後も初期値に対してほぼ変動は見られなかった。
（比較例３）
基板上に、厚さ200μmのSn-７Cu(mass%)はんだ箔を置き、その上に10mm×10mm.のパワー半導体素子を積層して、H2還元雰囲気中、300℃5min.で接続を行った。接続した素子と基板の上に、厚さ100μmのSn-3.5Ag（mass%）はんだ箔を置き、厚さ0.2mm、幅8mmのCu板導体を置き、H2還元雰囲気中、300℃5min.で接続した。その後、基板にケースを取り付けて、接続部周辺にゲルを注入して硬化させ、半導体装置を作製した。
【００２８】
この半導体装置組立後の半導体素子のオン抵抗、-40℃（10min.）⇔125℃（10min.）の温度サイクル試験を1000サイクル後のオン抵抗を測定した。組立時のオン抵抗については、比較例２であるAlリボンボンディングを用いた半導体装置に比べて、オン抵抗が低い場合を○、オン抵抗が同等以上の場合に×とした。温度サイクル試験結果については、1000サイクル後にオン抵抗の変動が初期値の1.2倍以内であれば○、1.2倍より大きくなった場合を×と判定した。
【００２９】
図１０の表のように、組立後のオン抵抗は、比較例２のAlリボンボンディングを用いた半導体装置の約0.6倍と、実施例1から11を含む全ての半導体装置の中で最も低い値となった。一方、温度サイクル試験1000サイクル後に、オン抵抗が初期値の約1.5倍に上昇しており、実施例１から11を含む全ての半導体装置の中で最も低信頼性であった。素子上面配線接続部の断面を観察したところ、図７のようにはんだ接続部端部からクラックが進展し、接続面積の50%以上が破壊していた。
【符号の説明】
【００３０】
１・・・Alワイヤ、２・・・導電性接合材（はんだ）、３・・・基板、４・・・はんだ、５・・・支持部材、6・・・パワー半導体素子、７・・・Cu板状導体、８・・・編み線状導体、９・・・導電性接合材、10・・・Cu線もしくはCu合金線、11・・・低熱膨張率材料線、101・・・クラック。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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