(57)【要約】【課題】装置内のＡｌワイヤとＡｌ電極の接続部の熱荷重によるき裂進展を抑制する。【解決手段】半導体チップ上のＡｌ電極を厚くかつ長さ及び幅を小さくし、超音波装置でワイヤボンディングするときにＡｌワイヤでＡｌ電極の上面をすべて被覆することで、ＡｌワイヤとＡｌ電極が形成する角度が鈍角になることでき裂の進展を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップに電気的に接続されるワイヤと、
前記半導体チップと前記ワイヤとを接合する電極部材を備えた半導体装置において、
前記電極部材は、前記ワイヤによって被覆されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体チップと、
前記半導体チップに電気的に接続されるワイヤと、
前記半導体チップと前記ワイヤとを接合する電極部材を備えた半導体装置において、
前記電極部材の前記ワイヤの長さ方向の端部の高さは、前記電極部材の前記端部の前記ワイヤの下部の高さよりも高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体チップと、
前記半導体チップに電気的に接続されるワイヤと、
前記半導体チップと前記ワイヤを接合する電極部材を備えた半導体装置において、
前記ワイヤの直径は、前記電極部材のワイヤ径方向の幅よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
半導体チップと、
前記半導体チップに電気的に接続されるワイヤと、
前記半導体チップと前記ワイヤを接合する電極部材を備えた半導体装置において、
前記電極部材を前記半導体チップ表面に投影した領域は、前記ワイヤと前記電極部材との接合面を前記半導体チップ表面に投影した領域にすべて含まれることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
半導体チップと、
前記半導体チップに電気的に接続されるワイヤと、
前記半導体チップと前記ワイヤを接合する電極部材を備えた半導体装置において、
前記電極部材と前記ワイヤとの境界は、２７０度以上の角を含まずに形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記ワイヤ及び前記電極部材は、アルミニウムで構成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６において、
前記ワイヤの直径は、３００μｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
半導体チップの上にＡｌ電極を配置する工程と、
前記Ａｌ電極の上にＡｌワイヤを配置する工程と、
前記Ａｌワイヤ及び前記Ａｌ電極の上からボンディングツールにより荷重をかけて接合する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
接合を行う前の前記ワイヤの直径は、前記Ａｌ電極のワイヤ径方向の幅よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体チップの上にＡｌ電極を配置する工程と、
前記Ａｌ電極の上にＡｌワイヤを配置する工程と、
前記Ａｌワイヤ及び前記Ａｌ電極の上からボンディングツールにより荷重をかけて接合する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
接合を行う前の前記Ａｌ電極は、その中心の高さが端部の高さよりも低いことを特徴とす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、家電，電力機器，産業機器などのインバータシステムに用いられ、電力をオン・オフするスイッチの機能を目的とする半導体装置にかかる。
【背景技術】
【０００２】
図７に従来の半導体装置の全体図を示す。基板７上に回路６が設けられ、回路６の上に、電力をオン・オフする半導体チップ１が設けられている。また、半導体チップ１上面側は、Ａｌ（アルミニウム）電極２を用いて、Ａｌワイヤ３と接合されている。
【０００３】
Ａｌ電極２の他方の端部は、Ａｌの外部電極に接続されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３０３８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本半導体装置は、スイッチの役目をしているため電力オン・オフにより１５０度から室温に及ぶ昇降温の繰返し熱荷重を受ける厳しい環境下で使用される。このような熱荷重を繰返し受けると、半導体チップ１とＡｌワイヤの線膨張係数差に起因する熱ひずみがＡｌ電極２，Ａｌワイヤ３に加わり、このＡｌ電極２，Ａｌワイヤ３の接続の端部より亀裂が発生、進展する。亀裂が進展すると、Ａｌ電極２，Ａｌワイヤ３の接合面積が減少し、電気抵抗が増大することで発熱量が増加するとともに、Ａｌ電極２，Ａｌワイヤ３を通した放熱経路の面積も低下し、放熱性も低下するため、半導体チップ１の温度が異常に上昇する。最終的に、Ａｌ電極２，Ａｌワイヤ３の溶融や半導体チップ１が耐熱限界に達し、整流機能が消失し、故障状態になる。特にＡｌ電極２，Ａｌワイヤ３の端部は鋭角部分を形成して接続されているため、亀裂が進展しやすくなっている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために、半導体チップと、前記半導体チップに電気的に接続されるワイヤと、前記半導体チップと前記ワイヤとを接合する電極部材を備えた半導体装置において、（１）電極部材は、前記ワイヤによって被覆されている、（２）電極部材のワイヤの長さ方向の端部の高さは、電極部材の端部のワイヤの下部の高さよりも高くする、（３）ワイヤの直径は、電極部材のワイヤ径方向の幅よりも大きくする、（４）電極部材を半導体チップ表面に投影した領域は、ワイヤを前記半導体チップ表面に投影した領域にすべて含まれるようにする、（５）電極部材とワイヤ境界は、２７０度以上の角を含まずに形成されている、のいずれかの構造とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、熱ひずみによる半導体チップ，Ａｌワイヤ及びＡｌ電極の接合部の亀裂の発生・進展を抑制することができ、半導体素子を長寿命化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【０００９】
本発明の第１の実施形態を、図１から図３を用いて説明する。図１は、本発明に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置は、電流を制御する半導体チップ１と、半導体チップ１の上面側に接合されるＡｌ電極２と、ワイヤボンダ（図示せず）を用いてＡｌ電極２に超音波接合されるＡｌワイヤ３とを有している。また、半導体チップ１は、半導体装置を外部の装置と接続するための回路６にはんだ５で接続される。Ａｌワイヤの半導体チップ１と接続される方と反対の端は、回路６上に設けられたＡｌ電極９に接続されている。これらの部材は、半導体チップ１等を流れる電流を周囲と絶縁するための基板７の上に搭載されている。
【００１０】
半導体装置では、内蔵された半導体チップ１が通電により発熱し、その熱がＡｌワイヤに伝わる。Ａｌワイヤ３，Ａｌ電極２は半導体チップ１と線膨張係数が違うため、通電による発熱で熱変形する。本実施例の半導体装置は、例えば、インバータシステムであり
１０００Ａ以上の電流が流れるため、パソコンなどの家電品のような細いＡｕワイヤでは発熱で溶けてしまうため（Ａｕワイヤは太くても５０μｍ）、３００μｍ以上のＡｌワイヤのような太線を用いる必要がある。またＡｌワイヤ３を用いる場合には電極はＡｌ電極２を用いる。これは同材料とすることで、超音波接合するときにＡｌワイヤ３とＡｌ電極２の材料境界に未接合部を作らないためである。
【００１１】
図２は、図１の半導体装置の断面図の半導体チップ１付近の拡大図である。半導体チップ１の上に設けられたＡｌ電極２を、Ａｌワイヤ３が被覆している。半導体装置の使用時には、通電により半導体チップ１が特に大きく発熱し、半導体装置及びその周囲の温度が上昇する。ここで、半導体チップ１は線膨張係数が３.０×１０-6 と小さいが、Ａｌ電極２及びＡｌワイヤ３は線膨張係数が２３.６×１０-6 と大きいため、線膨張の差によってＡｌ電極２に熱ひずみが生じる。
【００１２】
次に製造工程を図６，図７の半導体装置を用いて説明する。基板７上に回路６がロウ材（図示せず）で装着される。そして、シリコン製の半導体チップ１をはんだ５で接続する。その後、半導体チップ１上にＡｌ電極２を配置し、Ａｌ電極２にＡｌワイヤ３をボンディングツールを用いて超音波接合する。超音波ボンディングは、超音波と荷重をボンディングツールのウェッジ４によりワイヤに印加して接合するため、ウェッジボンディングともいう。超音波ボンディングプロセスにおいては、Ａｌ電極２の上にＡｌワイヤ３が設置され、その真上にウェッジ４を配置する。そして、ウェッジ４が降下し、ウェッジ４が
Ａｌ電極２に接触すると、超音波印加によりボンディングが行われる。超音波印加により、Ａｌ電極２及びＡｌワイヤ３を変形させ、接合界面の酸化膜や汚れ等を除去して新生面を露出させて接合する。超音波ボンディング工程中は、ウェッジ４を左右（Ａｌ電極２及びＡｌワイヤ３の長手方向）に加振しながら、Ａｌワイヤ３をＡｌ電極２に接合する。このときの加振幅は、Ａｌワイヤ３が溶融してＡｌ電極２を覆う幅である。Ａｌ電極幅が長手方向２００μｍ，短手方向１００μｍであった場合を考える。条件として半導体チップ１とＡｌワイヤ３が接触しないように荷重制御する。例えば４００μｍ径のＡｌワイヤの場合、Ａｌワイヤ３がウェッジ４によってＡｌ電極２の上端からＡｌワイヤ３の上端までの高さが３３０μｍに潰される。縮小した高さ７０μｍ（＝４００μｍ−３３０μｍ）分の余剰分が溶融し、Ａｌ電極２を覆う一部になるが、Ａｌワイヤ３を半導体チップ１と接触させないため、Ａｌ電極２の厚さは余剰分以上とする。余剰分を考える場合、Ａｌワイヤ３が縮小した高さは７０μｍである本例では、Ａｌ電極２をｚ２＝１００μｍにしている。これによりＡｌ電極２の上面をＡｌワイヤ３で全て覆いかぶせる、すなわち被覆することができる。
【００１３】
ここで比較のために、従来の半導体装置の構造を説明する。図４は、従来の半導体装置の断面図であり、図５は、半導体チップ１周辺の拡大図である。従来の半導体装置は、
Ａｌ電極１０としてＡｌワイヤ３長さ方向及び径方向の長さが長く、厚さが薄いものを使用している。
【００１４】
従来の半導体装置の問題点を図５を用いて記載する。半導体チップ１上のＡｌ電極２に超音波装置のワイヤボンダ４でＡｌワイヤ３をワイヤボンディングすると、従来手法においてはＡｌワイヤ３とＡｌ電極２の間には図４のような形状の接続部ができる。これは
Ａｌ電極２の長手方向及び径方向の長さがＡｌワイヤ３との接続面よりも大きいため、
Ａｌ電極２とＡｌワイヤ３の間には鋭角の接続部が作られる。このような半導体装置では、Ａｌ電極２とＡｌワイヤ３の接合部の断面に鋭角部分１１ができる。熱ひずみが生じた際には、この鋭角部分１１から亀裂が発生・進展しやすく、鋭角部分１１を有する従来の半導体装置は、昇降温の熱荷重を受けると、亀裂が生じやすくなっていた。
【００１５】
対して本発明の半導体装置では、図２，図３に示すように、従来に比べてＡｌ電極２の厚さは厚く、長さ及び幅は小さくなっている。厚さを厚くすることにより、Ａｌ電極２とＡｌワイヤ３の接合の面積が増加する。また、Ａｌ電極２の長さ及び幅を小さくすることにより、Ａｌ電極２とＡｌワイヤ３の接合部の端が、Ａｌ電極２の側面にあり、鈍角になる。すなわち、電極部材とワイヤとの境界は、２７０度以上の角を含まずに形成されているので、亀裂が発生しにくくなる。
【００１６】
従来の接続部形状では亀裂が進展し易いことは材料力学の応力集中率を用いて評価できる。応力集中率を図８の楕円モデルにて説明する。図８は、従来のＡｌ電極２とＡｌワイヤ３の接合部付近を上方から見た図であり、楕円８は接合面を表している。以下の式で表されるαは、応力集中率であり、値が大きいほど応力が集中することを意味する。ρは楕円先端の曲率半径、ａは楕円の長軸の半径、Ｐは引っ張り応力である。
【００１７】
図８のａ，Ｐ，ρより応力集中率αは次式で表される。
【００１８】
α＝１＋２√（ａ／ρ）
この式よりρが小さくなればなるほどαが大きくなり、また、ａが大きくなるほどαが大きくなり、楕円孔先端部に大きな応力が集中することが分かる。本形状では亀裂先端が鋭角でρが小さく応力集中が起こり、亀裂進展速度が速く寿命が短い。
【００１９】
本発明の接合部も従来の接合部も同様であるが、横断面の形状は、本発明の接合部の図２、従来手法は図５のようになる。
【００２０】
本発明で用いる被覆を図３を用いて定義する。
【００２１】
図３における、半導体チップ１の上面から、Ａｌ電極２がＡｌワイヤ３と接合しているＡｌワイヤ３長さ方向の端部におけるＡｌワイヤ３の下面までの高さをｚ１、半導体チップ１の上面からＡｌ電極２端部におけるＡｌ電極２の最上部の高さをｚ２とする。
【００２２】
図４，図５で示される従来形態は、Ａｌ電極２の端部は、Ａｌワイヤ３と接合している部分よりも長く延びているため、接合の端部でのＡｌ電極２最上部とＡｌワイヤ３の下面が一致してｚ１＝ｚ２である。
【００２３】
図１，図８で示される本発明形態は図９においてｚ２＞ｚ１である。このｚ２＞ｚ１という関係を持つ場合を被覆とする。
【００２４】
この被覆の関係を持つためにはＡｌ電極２の半導体チップ１の面への投影がＡｌワイヤ３接合面の投影よりも小さくなければならない。図９に従来形態（図４）の接合面を示す。斜線部分８で示したのがＡｌ電極２とＡｌワイヤ３の接合面である。
【００２５】
４００μｍ径のＡｌワイヤ３を用いる場合、図９におけるＡｌ電極の奥行きは図１６で示すように、長手方向１０００μｍ，短手方向３００μｍの楕円になる。本発明の目的を達成させるためには、Ａｌ電極２をＡｌワイヤ３で被覆するためにこの楕円よりもＡｌ電極を小さくする必要がある。
【００２６】
例えばＡｌ電極が長手方向２００μｍ，短手方向１００μｍならば十分被覆できる寸法である。
【００２７】
従来形態の接合では、Ａｌ電極とＡｌワイヤに高い応力が負荷され、この応力により亀裂が進展する。そのためＡｌワイヤでＡｌ電極を被覆することで亀裂先端の角度を大きくすることで、亀裂先端に負荷される応力は小さくなり亀裂進展を抑制できる。
【００２８】
その効果を有限要素モデルを作成し、応力解析で評価した。
【００２９】
図１０が亀裂を有する有限要素モデルである。これは２次元モデルである。従来より解析時間の短縮，モデルの変更しやすさにより２次元で評価している。図９のＡｌワイヤ接合部の１部を２分の１モデルで、対称面には対称面に垂直方向に拘束している。またＳｉチップ下面を拘束している。図の上側にはＡｌワイヤ３を、下側にはＡｌ電極１０を表している。図１０に記載のものは従来の形態であるので、Ａｌワイヤ３とＡｌ電極１０の境界に鋭角部分１１が生じている。なお、荷重条件は８０℃から２０℃に下げて、冷却時の応力を評価した。
【００３０】
図１０のＡｌワイヤ接続部の鋭角部分１１に対応した部分に関して拡大したのが図１１から図１４である。分かりやすいように有限要素を表示していないが、要素分割サイズは同じである。図１１に従来手法でＡｌワイヤよりも大きいＡｌ電極にウェッジボンディングして亀裂先端が鋭角であるＡｌワイヤ接続部である。
【００３１】
図１２にＡｌ電極の高さをｚ２＝２０μｍ（ｚ１＝１０μｍ）にしたＡｌワイヤ接続部を示す。図１３にＡｌ電極を５０μｍ（ｚ１＝４０μｍ）にしたＡｌワイヤ接続部を示す。図１４にＡｌ電極を１００μｍ（ｚ１＝９０μｍ）にしたＡｌワイヤ接続部を示す。図１５に図１１から図１４までの応力解析により得たσｘ，σｙとｚ１の関係を示す。評価位置は図１１から図１４に記載してある矢印の先端の節点１２である。従来の電極がＡｌワイヤよりも大きい場合はＡｌ電極板厚が０μｍである。従来の電極では、σｘとσｙの絶対値が他のＡｌ電極板厚よりも大きくなっており、応力集中が起きていることがわかる。またＡｌ電極を厚くすることで応力集中が少なくなることも分かる。これは、従来構造では応力が集中する節点１２の鋭角が９０°以上となったため、応力集中が緩和されたためである。図１５の関係よりｚ１が１０μｍ以上であれば大幅に応力が低減でき、１０
μｍを超えて大きくしても効果は少ないことが分かる。
【実施例２】
【００３２】
本発明の第１の実施形態を、図１６を用いて説明する。実施例１と同様のワイヤボンディングでＡｌワイヤ３とＡｌ電極２を超音波接続する。このときに溶融する部分を多くするためにＡｌ電極２の端部に突起１３を設けた例である。これにより溶融量が増え、確実に被覆できる。突起１３を設けるＡｌ電極２の端部は、Ａｌワイヤ３長さ方向の端部でも、幅方向の端部でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態を示す半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示す半導体装置の要部断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態を示す半導体装置のＡｌ電極におけるＡｌワイヤの接合部を示す断面図である。
【図４】従来の半導体装置の断面図である。
【図５】従来の半導体装置の要部断面図である。
【図６】本発明の半導体チップ上のＡｌ電極にＡｌワイヤを超音波接合する製造方法を示す図である。
【図７】本発明の半導体チップ上のＡｌ電極にＡｌワイヤを超音波接合する製造方法を示す図である。
【図８】従来の半導体装置における応力集中を示す楕円モデルである。
【図９】被覆の関係を示す図である。
【図１０】ワイヤ被覆量の違いでＡｌワイヤの応力集中を比較するための有限要素モデルを示す図である。
【図１１】本発明の半導体装置のＡｌ電極におけるＡｌワイヤの接合部を示す図である。
【図１２】本発明の半導体装置のＡｌ電極におけるＡｌワイヤの接合部を示す図である。
【図１３】本発明の半導体装置のＡｌ電極におけるＡｌワイヤの接合部を示す図である。
【図１４】本発明の半導体装置のＡｌ電極におけるＡｌワイヤの接合部を示す図である。
【図１５】Ａｌ電極におけるＡｌワイヤの接合部を有限要素モデルを用いた応力解析で亀裂先端の応力を各被覆量で比較したグラフである。
【図１６】本発明の第２実施形態を示す半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…半導体チップ、２…Ａｌ電極、３…Ａｌワイヤ、４…超音波装置のワイヤボンダ
（ウェッジ）、５…はんだ、６…回路、７…基板、８…ＡｌワイヤとＡｌ電極の接合面。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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