(57)【要約】【課題】パワー半導体チップの界面剥離を防止しつつアルミワイヤの接続寿命を向上させることによりパワー半導体モジュールを長寿命化すること。【解決手段】パワー半導体チップ表面と外部回路パタンとがアルミワイヤで接続され、エポキシ樹脂により封止されるパワー半導体モジュールにおいて、アルミワイヤの線径を０．４±０．０５ｍｍφとし、モジュール定格温度範囲におけるエポキシ樹脂の平均線膨張係数を１５〜２０ｐｐｍ／Ｋとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体チップ表面と外部回路パタンとがアルミワイヤで接続され、エポキシ樹脂により封止されるパワー半導体モジュールであって、
前記アルミワイヤの線径は、０．４±０．０５ｍｍφであり、
モジュール定格温度範囲における前記エポキシ樹脂の平均線膨張係数は、１５〜２０ｐｐｍ／Ｋである、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
モジュール定格温度範囲における前記エポキシ樹脂の平均線膨張係数は、１８ｐｐｍ／Ｋ±１０％である、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記エポキシ樹脂と、前記パワー半導体チップおよび該パワー半導体チップを搭載した基板との間に、ポリアミド樹脂によるコーティング層を設ける、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項３に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記コーティング層の厚さは、１０μｍ以下である、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項５】
パワー半導体チップ表面と外部回路パタンとがアルミワイヤで接続され、エポキシ樹脂により封止されるパワー半導体モジュールであって、
前記パワー半導体チップ近傍のエポキシ樹脂の線膨張係数は、該パワー半導体チップ近傍から封止表面までのエポキシ樹脂の線膨張係数よりも低い、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体チップ近傍のエポキシ樹脂におけるフィラー含有率は、該パワー半導体チップ近傍から封止表面までのエポキシ樹脂におけるフィラー含有率よりも高い、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体チップ近傍のエポキシ樹脂の線膨張係数は、該パワー半導体チップ近傍から封止表面までのエポキシ樹脂の線膨張係数の１／２程度である、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
モジュール定格温度範囲における、前記パワー半導体チップ近傍のエポキシ樹脂の平均線膨張係数は１０ｐｐｍ／Ｋ程度であり、該パワー半導体チップ近傍から封止表面までのエポキシ樹脂の平均線膨張係数は２０ｐｐｍ／Ｋ程度である、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項９】
請求項５から８のいずれかに記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記エポキシ樹脂は、第１エポキシ樹脂と第２エポキシ樹脂から構成され、
前記第１エポキシ樹脂は、前記パワー半導体チップが搭載された基板から該パワー半導体チップの裏面と表面の間の高さまでを封止し、
前記第２エポキシ樹脂は、前記第１エポキシ樹脂より上の部分を封止する、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
各電極要素がその長手方向に直交する方向に並ぶようパワー半導体チップ表面の電極が複数の電極要素に分割されたパワー半導体モジュールであって、
前記各電極要素の長手方向に直交する方向における、前記パワー半導体チップの中央付近の電極要素に接続されるアルミワイヤほどその強度が高められている、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
請求項１０に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記アルミワイヤの強度は、本数を増やすことにより高められる、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記アルミワイヤの強度は、線径を大きくすることにより高められる、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１３】
請求項１２に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記アルミワイヤの線径は、最大０．５ｍｍφであり、最小０．３ｍｍφである、
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールにおける配線構造、樹脂封止構造に関し、特に、ハイブリッド用途に代表される車載用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュール等のように、苛酷な使用環境の下で高信頼性および長寿命が要求されるパワー半導体モジュールにおける配線構造、樹脂封止構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
数アンペアから数百アンペア、さらには一千アンペア程度の電流を制御するＩＧＢＴモジュール等のパワー半導体モジュールでは、パワー半導体チップ表面の電極と外部の回路パタンとがアルミワイヤにより接続されるのが一般的である。このアルミワイヤは超音波接合によりパワー半導体チップ表面のアルミ電極に接合される。これは、接合工程における素子への損傷が比較的小さく、かつメタライズ工程およびワイヤボンディング工程ともに低コストであり、さらには接合信頼性も比較的高いためである。
【０００３】
かかるワイヤ接続構造を持つ一般的なパワー半導体モジュールでは、セラミックス基板接着はんだ層の接続寿命およびアルミワイヤの接続寿命がモジュール全体の寿命を決定する。この点、パワー半導体の封止樹脂をシリコーンゲルから硬質樹脂であるエポキシ樹脂に変更することによって、セラミックス基板接着はんだ層の応力分散低減が図れ、接着はんだ層を長寿命化できることが報告されている（例えば、非特許文献１又は特許文献１参照）。このため、現在、パワー半導体モジュールの寿命を最終的に決定しているのは、主としてアルミワイヤの接続寿命である。
【非特許文献１】Mauro Ciappa Selected failure mechanisms of modern power modules.Microelectronics Reliability 2002; 42: p.653-667
【特許文献１】特開２００６−１７９５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パワー半導体チップは、動作時に通電による発熱と冷却を繰り返す。即ち、パワー半導体チップ及び接合部分近傍のアルミワイヤは、各々の線膨張係数に従った伸縮動作を繰り返す。
【０００５】
このため、接合界面には、大きなせん断応力が発生し、接合界面のアルミワイヤには塑性歪が発生する。この歪により、アルミワイヤが多結晶粒界に沿って破断（リフトオフ故障）されてしまう場合がある。また、アルミワイヤの線膨張係数と封止エポキシ樹脂の線膨張係数のミスマッチにより生じる応力により、アルミワイヤがワイヤネック切れを起こしてしまう場合もある。
【０００６】
図３は、ワイヤ破断を説明するパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）の断面図である。同図では、ＩＧＢＴチップ１０４周辺部を拡大して示している。アルミワイヤ１０２の線膨張係数は２３ｐｐｍ程度であり、一般に封止材であるエポキシ樹脂１０１の線膨張係数よりも大きい。即ち、アルミワイヤ１０２の伸縮４０１は、エポキシ樹脂１０１の伸縮４０２よりも大きいため、アルミワイヤ１０２のネック部４０３には大きな引っ張り応力が生じることとなり、最終的にクラック４００が発生し断線に至る。
【０００７】
一方、アルミワイヤがリストオフ故障またはワイヤネック切れを起こさない場合であっても、動作時の発熱と冷却によってパワー半導体チップの接合界面に亀裂が生じ、界面剥離に至る場合がある。この場合、パワー半導体モジュールの製品寿命は本剥離により決定される。
【０００８】
図４〜６は、パワー半導体モジュール寿命を決定する一要因であるＳｉクラックを説明するパワー半導体モジュールの断面図である。図４，５では、ＩＧＢＴチップ１０４周辺部を拡大して示している。図４に示すように、封止樹脂界面に剥離が発生しなければ、Ｓｉ（ＩＧＢＴチップ１０４）にはモールド時の封止エポキシ樹脂の収縮による圧縮応力（三軸応力）が印加されているのみであるため、Ｓｉクラックは発生しない。これに対して図５は、チップ側壁部６０１に剥離６００が発生した例を示しており、図６は、図５の領域６０１を拡大したものである（Ｓｉチップの変形を誇張して表現している）。図５，６に示すように、剥離６００が一旦発生すると、モールド時の圧縮応力７００のバランスが崩れ、剥離部のＳｉチップ側壁７０２には引っ張り応力７０１が生ずる。この応力がＳｉチップクラック７０３発生の主原因である。即ち、界面剥離は界面応力が小さいほど発生しにくい。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、パワー半導体チップの界面剥離を防止しつつアルミワイヤの接続寿命を向上させることができるパワー半導体モジュール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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ表面と外部回路パタンとがアルミワイヤで接続され、エポキシ樹脂により封止されるパワー半導体モジュールであって、前記アルミワイヤの線径は、０．４±０．０５ｍｍφであり、モジュール定格温度範囲における前記エポキシ樹脂の平均線膨張係数は、１５〜２０ｐｐｍ／Ｋであることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、アルミワイヤの線径と封止エポキシ樹脂の平均線膨張係数との最適な組み合わせにより、パワー半導体チップの界面剥離を防止しつつアルミワイヤの接続寿命を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明の一態様では、モジュール定格温度範囲における前記エポキシ樹脂の平均線膨張係数は、１８ｐｐｍＫ±１０％とする。
【００１３】
また、本発明の一態様では、前記エポキシ樹脂と、前記パワー半導体チップおよび該パワー半導体チップを搭載した基板との間に、ポリアミド樹脂によるコーティング層を設ける。こうすれば、エポキシ樹脂と内蔵部品とを確実に接着させることができ、より信頼性の高いモジュールを実現できるようになる。この態様では、前記コーティング層の厚さは、１０μｍ以下であることが望ましい。
【００１４】
また、本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ表面と外部回路パタンとがアルミワイヤで接続され、エポキシ樹脂により封止されるパワー半導体モジュールであって、前記パワー半導体チップ近傍のエポキシ樹脂の線膨張係数は、該パワー半導体チップ近傍から封止表面までのエポキシ樹脂の線膨張係数よりも低いことを特徴とする。本発明によれば、アルミワイヤ破断およびＳｉクラックに対して各々個別に対処できるため、パワー半導体チップの界面剥離を防止しつつアルミワイヤの接続寿命を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明の一態様では、前記半導体チップ近傍のエポキシ樹脂におけるフィラー含有率は、該パワー半導体チップ近傍から封止表面までのエポキシ樹脂におけるフィラー含有率よりも高い。この態様では、前記パワー半導体チップ近傍のエポキシ樹脂の線膨張係数は、該パワー半導体チップ近傍から封止表面までのエポキシ樹脂の線膨張係数の１／２程度であってもよい。例えば、モジュール定格温度範囲における、前記パワー半導体チップ近傍のエポキシ樹脂の平均線膨張係数を１０ｐｐｍ／Ｋ程度とし、該パワー半導体チップ近傍から封止表面までのエポキシ樹脂の平均線膨張係数は２０ｐｐｍ／Ｋ程度としてもよい。
【００１６】
また、本発明の一態様では、前記エポキシ樹脂は、第１エポキシ樹脂と第２エポキシ樹脂から構成され、前記第１エポキシ樹脂は、前記パワー半導体チップが搭載された基板から該パワー半導体チップの裏面と表面の間の高さまでを封止し、前記第２エポキシ樹脂は、前記第１エポキシ樹脂より上の部分を封止する。この態様によれば、線膨張係数の異なる２種類のエポキシ樹脂で封止することにより、アルミワイヤ破断およびＳｉクラックに対して各々個別に対処できるようになるため、より効果的にパワー半導体チップの界面剥離を防止しつつアルミワイヤの接続寿命を向上させることができる。
【００１７】
また、本発明に係るパワー半導体モジュールは、各電極要素がその長手方向に直交する方向に並ぶようパワー半導体チップ表面の電極が複数の電極要素に分割されたパワー半導体モジュールであって、前記各電極要素の長手方向に直交する方向における、前記パワー半導体チップの中央付近の電極要素に接続されるアルミワイヤほどその強度が高められていることを特徴とする。本発明によれば、Ｓｉクラックの発生を防止しつつアルミワイヤの接続寿命を向上させ、モジュールを長寿命化することができる。
【００１８】
この態様では、前記アルミワイヤの強度は、本数を増やすこと及び／又は線径を大きくすることにより高められてもよい。また、前記アルミワイヤの線径は、最大０．５ｍｍφであり、最小０．３ｍｍφであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、パワー半導体チップの界面剥離を防止しつつアルミワイヤの接続寿命を向上させるパワー半導体モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２１】
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態に係るパワー半導体モジュール（定格電圧／電流は６００Ｖ／４００ＡのＩＧＢＴモジュール１００）の断面図である。同図に示すように、ＩＧＢＴチップ１０４表面とエミッタパタン１１０とがアルミワイヤ１０２で接続され、銅ベース１１５より上の部分がエポキシ樹脂１０１により封止されている。
【００２２】
本実施形態によれば、アルミワイヤ１０２の線径とエポキシ樹脂１０１の平均線膨張係数との最適な組み合わせにより、ＩＧＢＴモジュール１００の寿命（パワーサイクル寿命）を向上させることができる。特に、アルミワイヤ１０２の線径を０．４ｍｍφ程度、モジュール定格温度範囲（ここでは２５〜１５０℃とする。）におけるエポキシ樹脂１０１の平均線膨張係数を１８ｐｐｍ／Ｋ程度とすれば、長寿命化効果が顕著に現れる。
【００２３】
以下、かかるパワーサイクル寿命（アルミワイヤ接続寿命とＳｉクラック寿命）の長寿命化効果が得られる理由を具体的に説明する。
【００２４】
まず、アルミワイヤ接続寿命を決定するワイヤネック切れの原因は、上記の通り（図３参照）、アルミワイヤ１０２のへ平均線膨張係数αとエポキシ樹脂１０１の平均線膨張係数αのミスマッチにより生じる応力である。この応力を低減するためには、アルミワイヤ１０２の断面積を増大させることが効果的である。また、平均線膨張係数αのミスマッチを低減するためには、エポキシ樹脂１０１の平均線膨張係数αをアルミワイヤ１０２の平均線膨張係数αに近づける（高α化する）ことが有効である。即ち、アルミワイヤ接続寿命を向上させるためには、（１）アルミワイヤ１０２の太線化、及び（２）エポキシ樹脂１０１の高α化、が有効である。
【００２５】
また、Ｓｉクラックの主な原因は、上記の通り（図５，６参照）、チップ側壁部６０１の側壁剥離６００によりモールド時の圧縮応力７００のバランスが崩れ、それに伴ってＩＧＢＴチップ１０４の側壁７０２に生じる引っ張り応力７０１である。この側壁剥離６００は、ＩＧＢＴチップ１０４の側面応力が小さいほど生じにくい。
【００２６】
図７は、ＩＧＢＴチップ１０４の側面応力と、エポキシ樹脂１０１の線膨張係数との関係を示す数値解析結果である。これは、トランスファモールド法でハードモールドしたと想定し、一般的なモールド温度である１７５℃から２５℃まで温度が低下した場合の解析結果である。同図に示すように、エポキシ樹脂１０１の平均線膨張係数αが２０ｐｐｍ／Ｋから１０ｐｐｍ／Ｋまで減少すると、チップ側面応力は１／１．５程度に低減することが分かる。これは、エポキシ樹脂１０１の平均線膨張係数αがＳｉの平均線膨張係数α（３ｐｐｍ／Ｋ程度）に近づき、平均線膨張係数αのミスマッチが小さくなるからである。また、エポキシ樹脂の低α化により、圧縮応力７００（図６参照）も低減する。
【００２７】
また、ＩＧＢＴチップ１０４の側壁剥離６００（図５参照）には、モジュール反りも影響している。図８は、Ｓｉクラックを説明するパワー半導体モジュール９０２の断面図である。同図に示すように、エポキシ樹脂封止のモジュール９０２では、エポキシ樹脂１０１の化学的な収縮及び平均線膨張係数αに従った熱的な収縮により、モジュールの銅ベース１１５裏面が凸形に変形する。この変形したモジュール９０２がヒートシンクに取り付けられると、その際に印加される荷重９００によりモジュール反りが矯正される。その結果、エポキシ樹脂１０１に引っ張り応力９０１が生じる。この引っ張り応力９０１が、ＩＧＢＴチップ１０４の側壁剥離を助長している。
【００２８】
さらに、Ｓｉクラックには、アルミワイヤ１０２の太線化も影響する。アルミワイヤ１０２はエポキシ樹脂１０１に比べて熱伝導率が２桁程度高いため、発熱源であるＩＧＢＴチップ１０４の熱を伝導させやすい。従って、図４における領域５００の温度は他の部分に比べて高くなる。その結果、側面応力がより大きくなり、側壁剥離が生じ易くなる。この影響は、アルミワイヤ１０２の線径を増大し、ＩＧＢＴチップ１０４の発熱がより多く伝熱されるようになると、顕著になる。このため、アルミワイヤ１０２の線径を増大すると、Ｓｉクラック耐量が低下してしまう。また、アルミワイヤ１０２の太線化はワイヤ接合部の応力を増大させ、この応力によりＳｉクラック耐量が低下することもある。
【００２９】
従って、Ｓｉクラック寿命を向上させるためには、（１）アルミワイヤ１０２の細線化、及び（２）エポキシ樹脂１０１の低α化、が有効である。また、（２）に密接に関連するが、モジュールベース裏面の凸形状の反りを小さくすることも効果的である。
【００３０】
以上のことから、アルミワイヤ接続寿命の長寿命化とＳｉクラック寿命の長寿命化は、互いにトレードオフの関係にあることが分かる。特に、アルミワイヤ線径がＳｉクラック発生にも影響するため、ワイヤ線径の太線化には限界がある。
【００３１】
ここで、ＩＧＢＴチップ１０４について実施したパワーサイクル試験について説明する。本試験で使用されたＩＧＢＴチップ１０４のエミッタ電極は１２の電極要素に分割されており、各電極要素にはアルミワイヤ（エミッタワイヤ）が超音波接合により並列に接続されている。本試験では、線径の異なる３種類のアルミワイヤ（線径０．３ｍｍφ，０．４ｍｍφ，０．５ｍｍφ）および平均線膨張係数αが異なる２種類のエポキシ樹脂（２５〜１５０℃の平均線膨張係数１８ｐｐｍ／Ｋ，２１ｐｐｍ／Ｋ）を用い、それらすべて組み合わせついてそれぞれパワーサイクル耐量を測定した。
【００３２】
なお、アルミワイヤの線径を０．３ｍｍφ又は０．４ｍｍφとした場合には、エミッタ電極要素毎に２本のワイヤをボンディングし、０．５ｍｍφとした場合にはエミッタ電極毎要素に１本のワイヤをボンディングした。ワイヤ線径を０．５ｍｍφとした場合にボンディングするワイヤの数を１本としたのは、スペース的に２本ボンディングするのが困難であり、また量産時のボンディング工程において高い歩留まりを維持するのが困難となるためである。
【００３３】
また、平均線膨張係数αの範囲を１５０℃までとしたのは、一般に、ＩＧＢＴモジュールの定格温度は２５〜１５０℃であり、かつ、パワーサイクル試験の温度振幅を一般的に用いられる１００ｄｅｇとした場合に、チップの最大温度（ホットスポット）は１５０℃程度となるためである。また、エポキシ樹脂の弾性率は、大きすぎるとモールド時にＳｉクラックが発生する場合があり、逆に低すぎると内蔵部材の熱応力分散及び低減効果を損なう場合がある。このため、エポキシ樹脂の弾性率は、十数ＧＰａであることが望ましい。本試験では、２５℃での弾性率が１５ＧＰａ程度のエポキシ樹脂を用いた。
【００３４】
本パワーサイクル試験では、以上の条件の下、ＩＧＢＴチップ１０４に通電・遮断の電気的負荷を与えることにより、ＩＧＢＴチップ１０４の接合温度（ジャンクション温度）を所定範囲（ジャンクション温度振幅ΔＴｊ）内で繰り返し上昇・下降させ、ＩＧＢＴチップ１０４の熱ストレスに対する破壊耐性を評価した。なお、本試験では、複数のモジュールを直列接続して同時に測定を実施したため、試験装置のヒートシンクの熱抵抗を含む熱抵抗のばらつき、及び、素子の損失ばらつきによりジャンクション温度振幅ΔＴｊに多少のばらつきが生じている。
【００３５】
図９，１０は、ＩＧＢＴチップ１０４のパワーサイクル耐量の評価結果を示す図である。図９には、平均線膨張係数αが１８ｐｐｍ／Ｋのエポキシ樹脂を用いた場合における、アルミワイヤ線径別のパワーサイクル耐量が示されている。ワイヤネック破断による断線に最も強いのは、アルミワイヤ強度が最も高い線径０．５ｍｍφのワイヤであるはずにもかかわらず、同図に示すように、パワーサイクル耐量は線径０．４ｍｍφ＞０．５ｍｍφ＞０．３ｍｍφとなっている。また、アルミワイヤの線径を０．３ｍｍφ又は０．４ｍｍφとした場合には、故障モードがオン電圧過大であり耐圧不良は発生していないのに対し、０．５ｍｍφとした場合には、オン電圧は過大とはならず主耐圧劣化が故障モードである点も特徴的である。即ち、アルミワイヤの線径を０．５ｍｍφとした場合、０．３ｍｍφ又は０．４ｍｍφとした場合と比較して、Ｓｉチップクラックが発生し易いことが分かる。
【００３６】
図１０には、平均線膨張係数αが２１ｐｐｍ／Ｋのエポキシ樹脂を用いた場合における、アルミワイヤ線径別のパワーサイクル耐量が示されている。同図に示すように、パワーサイクル耐量が最も高くなるのは、アルミワイヤの線径を０．４ｍｍφとした場合である。
【００３７】
また、図９と１０を比較すると、エポキシ樹脂の平均線膨張係数αを１８ｐｐｍ／Ｋとした場合の方が２１ｐｐｍ／Ｋとした場合よりも、最大で１．５倍程度パワーサイクル耐量が高いことが分かる。本結果は、パワーサイクル寿命がアルミワイヤの接続寿命だけでは決定されず、別の要因（Ｓｉクラック）も影響していることを示唆している。実際に、試験終了品を開封し、断面観察等で故障解析を実施したところ、平均線膨張係数αが２１ｐｐｍ／Ｋのエポキシ樹脂で封止した場合に、Ｓｉクラックが観察された。即ち、パワーサイクル耐量は、アルミワイヤの耐量で決定されておらず、Ｓｉクラックの耐量で決定されることが分かった。実際、この場合の故障モードは主耐圧不良であった。一方、平均線膨張係数αが１８ｐｐｍ／Ｋのエポキシ樹脂で封止した場合、故障モードはオン電圧の過大であり、耐圧不良は発生しなかった。即ち、この場合、ワイヤネック切れの耐量でパワーサイクル寿命が決定されることが分った。
【００３８】
このように、ワイヤ線径がパワーサイクル試験時のチップクラックに影響を及ぼすことが新たに見いだされ、アルミワイヤの線径とエポキシ樹脂の平均線膨張係数との最適な組み合わせがパワー半導体モジュールを長寿命化することが確認された。即ち、アルミワイヤ線径を０．４ｍｍφ程度にし、チップ（モジュール）最大定格温度１５０℃までのエポキシ樹脂の平均線膨張係数αを１８ｐｐｍ／Ｋ程度にすることにより、パワー半導体モジュールの長寿命化を実現できることが明らかになった。なお、パワー半導体モジュールの製造を考慮すると、アルミワイヤ線径は０．４±０．０５ｍｍφとし、チップ（モジュール）定格温度範囲２５〜１５０℃におけるエポキシ樹脂の平均線膨張係数αは１５〜２０ｐｐｍ／Ｋ（たとえば、１８ｐｐｍ／Ｋ±１０％）であることが望ましい。また、以上の説明では、ＩＧＢＴチップについての試験結果を示したが、ＦＷＤチップについても同様の結果が得られることは言うまでもない。
【００３９】
また、銅ベース１１５反りのエポキシ樹脂依存性を評価したところ、平均線膨張係数αを２１ｐｐｍ／Ｋとした場合、反りが０．１６ｍｍ程度であったのに対し、平均線膨張係数αを１８ｐｐｍ／Ｋとした場合、０．１１ｍｍ程度であった。即ち、エポキシ樹脂１０１の平均線膨張係数αを１８ｐｐｍ／Ｋにすれば銅ベース１１５反りが低減するため、樹脂剥離の防止に効果があることが分かった。
【００４０】
従って、アルミワイヤ１０２の線径を０．４ｍｍφ程度にすれば、ワイヤ自体の熱応力を低減するのみならず、エポキシ樹脂１０１とＩＧＢＴチップ１０４側壁界面との剥離を助長しないという効果がある。また、エポキシ樹脂１０１の２５〜１５０℃における平均線膨張係数αを１８ｐｐｍ／Ｋ程度にしても同様の効果がある。さらに、銅ベース／セラミックス基板構造のモジュール反りを低減させる効果もある。
【００４１】
以上のように、本実施形態に係るＩＧＢＴモジュール１００によれば、アルミワイヤ１０２の線径を０．４ｍｍφ程度とし、かつ、エポキシ樹脂１０１の平均線膨張係数αを１８ｐｐｍ／Ｋ程度とすることにより、エポキシ樹脂封止したパワー半導体モジュールのパワーサイクル寿命（熱疲労寿命）を最大限に向上させることができる。
【００４２】
以下、本実施形態に係るＩＧＢＴモジュール１００の構成についてより詳細に説明する。
【００４３】
図２は、パワー半導体チップを搭載した銅貼りＳｉＮ基板１０８の平面図である。同図に示すように、厚さ０．３５ｍｍ程度のＩＧＢＴチップ１０４とＦＷＤチップ３００は、２組並列するよう一枚の銅貼りＳｉＮ基板１０８にはんだ層１０６等で接着されている。はんだ層１０６は、概略５％のＳｎ、１．５％のＡｇを含んだ融点３００℃以上の高温鉛はんだであり、その厚さは０．１ｍｍ程度である。なお、ＩＧＢＴチップ１０４裏面はコレクタ電極、ＦＷＤチップ３００裏面はカソード電極であり、はんだ濡れ性を良好にするために表面層はＡｕでメタライズされている。また、ＩＧＢＴチップ１０４の定格電圧／電流は各々６００Ｖ／２００Ａであり、フリーホイールダイオード（ＦＷＤ：Free Wheeling Diode）チップ３００のそれも同様である。
【００４４】
はんだ層１０７で接着されているゲート抵抗チップ１０５は、並列接続されたＩＧＢＴチップ１０４が動作時に共振することを防ぐためのダンピング抵抗である。
【００４５】
銅貼りＳｉＮ基板１０８の大きさは、概略３ｃｍ×５ｃｍである。銅貼りＳｉＮ基板１０８における表面回路パタン（コレクタパタン１０９、エミッタパタン１１０、ゲートパタン１１１）の厚さは０．６ｍｍ、裏面銅板の厚さは０．５ｍｍ、ＳｉＮ基板１０８の厚さは０．３２ｍｍである。
【００４６】
ＩＧＢＴチップ１０４及びＦＷＤチップ３００がはんだ接着された銅貼りＳｉＮ基板１０８は、厚さ０．２ｍｍ程度及び融点１８０℃程度の低融点はんだ層（Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ）１１４で銅ベース１１５にはんだ接着されている。銅ベース１１５の材質は無酸素銅であり、厚さは３ｍｍである。
【００４７】
以上のように接着されたパワー半導体チップ（ＩＧＢＴチップ１０４、ＦＷＤチップ３００）、銅貼りＳｉＮ基板１０８、及び銅ベース１１５は、所謂トランスファモールド成型により、フィラーとして溶融シリカを含有するエポキシ樹脂１０１でモールドされている。エポキシ樹脂１０１と上記内蔵部材は、銅ベース１１５表面に２列の溝で形成した突起を設けて（図示せず）エポキシ樹脂をかしめる構造（モールドロック構造）により高い接着性を保持している。
【００４８】
銅貼りＳｉＮ基板１０８の銅板及び銅ベース１１５の表面は、接着はんだ層１０６、１０７、１１４の信頼性（良好な耐酸化性、及び、Ｓｎ化合物の安定性）を考慮してニッケルメッキ処理されている。ニッケルメッキ層の厚さは６μｍ程度である。ＩＧＢＴモジュール１００を外部装置に実装する際は、銅ベース１１５を高熱伝導グリース等でヒートシンクに固着して放熱してもよいし、銅ベース１１５にフィンを形成し直接冷却水を当てて冷却してもよい。
【００４９】
ＩＧＢＴチップ１０４及びＦＷＤチップ３００への通電は、上記のように、ＩＧＢＴチップ１０４裏面のコレクタ電極、ＦＷＤチップ３００裏面のカソード電極がＳｉＮ基板１０８上の回路パタン（コレクタパタン１０９等）に接着されるとともに、エミッタ、アノードがアルミワイヤ１０２、３０１でそれぞれ接続されることにより行われる。ＩＧＢＴチップ１０４にはさらにゲートワイヤ１０３が接続され給電される。これらアルミワイヤには、数１０ｐｐｍ程度のＮｉ他の不純物しか含まれていない。なお、図２に示すアルミワイヤのボンディング本数、形状等は一例にすぎない。
【００５０】
［実施形態２］
一般に、エポキシ樹脂とニッケルメッキ層は良好な接着性を有しない。このため、モジュール動作時の熱応力により、内蔵部品（特にＳｉＮ基板）とエポキシ樹脂が剥離し、各種接着はんだ層及びアルミワイヤ配線が劣化してしまう場合がある。
【００５１】
そこで本実施形態では、モールド前に、エポキシ樹脂に比べて伸び易く軟らかいポリアミド樹脂（線膨張係数、弾性率は各々５０ｐｐｍ／Ｋ、３ＧＰａ程度）で内部部品をコーティングすることにより、エポキシ樹脂と内蔵部品とを確実に接着させるようにしている。
【００５２】
図１１は、本発明の実施形態に係るパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール１０００）の断面図である。同図に示すように、エポキシ樹脂１００２と内蔵部品の間にプレコーティング層１００１が介在している。即ち、ＩＧＢＴモジュール１０００は、実施形態１で示したＩＧＢＴモジュール１００の被封止部材にさらにプレコーティング処理を施した構造を有している。なお、アルミワイヤの線径とエポキシ樹脂の平均線膨張係数との最適な組み合わせによる上記長寿命化効果を維持するためには、プレコーティング層１００１を可能な限り薄くすることが望ましい。
【００５３】
一例として、膜厚が１０μｍ程度のプレコーティング層１００１を有するモジュールに対して、実施形態１と同条件のパワーサイクル試験を実施したところ、寿命は実施形態１と全く同じであった。これは、エポキシ樹脂と内蔵部材の間に軟らかい樹脂層を１０μｍ程度介在させても、アルミワイヤの熱応力分散低減を損なうことなくエポキシ樹脂の良好な接着性を実現できることを示している。
【００５４】
以上のように、本実施形態に係るＩＧＢＴモジュール１０００によれば、エポキシ樹脂と内蔵部品の間にポリアミド樹脂によるプレコーティング層を設けることにより、より信頼性の高いモジュールを実現することができる。
【００５５】
［実施形態３］
パワー半導体モジュールを線膨張係数の異なる２種類のエポキシ樹脂で封止をすれば、アルミワイヤ破断、Ｓｉクラックに対して各々個別に対処できるようになり、より安定したモジュール品質、寿命を実現することが可能となる。例えば、Ｓｉクラックに対しては、上述のように平均線膨張係数の低いエポキシ樹脂を用いた方が樹脂界面剥離を防止でき、モジュールを長寿命化することができる。
【００５６】
図１２は、本発明の実施形態に係るパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール１１００）の断面図であり、特にＩＧＢＴチップ１０４周辺部を拡大表示したものである。同図に示すように、ＩＢＧＴモジュール１１００では、ＳｉＮ基板１１３からＩＧＢＴチップ１０４表面までを平均線膨張係数の低いエポキシ樹脂１１０１で封止し、その上からモジュール表面までを平均線膨張係数の高い（エポキシ樹脂１１０１の２倍程度）エポキシ樹脂１１０２で封止している。例えば、エポキシ樹脂１１０１の２５〜１５０℃における平均線膨張係数αを１０ｐｐｍ／Ｋ程度（ここでは１２ｐｐｍ／Ｋ）、エポキシ樹脂１１０２の２５〜１５０℃における平均線膨張係数αを２０ｐｐｍ／Ｋ程度（ここでは２０ｐｐｍ／Ｋ）とすることにより、アルミワイヤの接続寿命およびＳｉクラック寿命を大幅に向上させることができる。
【００５７】
なお、ＩＧＢＴチップ１０４表面は厚さ数１０μｍ程度のエポキシ樹脂１１０１で被覆されるのが望ましい。これは、平均線膨張係数の低いエポキシ樹脂１１０１でＳｉ全体を封止することによりＳｉ／エポキシ樹脂界面剥離を防止しつつ、同時に平均線膨張係数の高いエポキシ樹脂１１０２でアルミワイヤ１０２を封止することによりワイヤ破断を可能な限り防ぐためである。このような封止形態を実現することは困難であれば、エポキシ樹脂１１０１の封止上面をＩＧＢＴチップ１０４表面から５０μｍ程度下にすることが望ましい。
【００５８】
以上のように、本実施形態によるＩＧＢＴモジュール１１００によれば、ＳｉＮ基板１１３からＩＧＢＴチップ１０４表面までを平均線膨張係数の低いエポキシ樹脂１１０１で封止し、その上からモジュール表面までを平均線膨張係数の高いエポキシ樹脂１１０２で封止することにより、アルミワイヤの接続寿命およびＳｉクラック寿命を向上させることができる。
【００５９】
また、エポキシ樹脂１１０１がＳｉクラックの発生を十分に防いでいるため、Ｓｉクラックの発生を考慮することなくアルミワイヤ１０２の線径を自由に設定できるようになる。即ち、アルミワイヤ１０２の線径を実施形態１，２におけるアルミワイヤよりも太い０．５ｍｍφとすることができる。こうすれば、上記エポキシ樹脂１１０２の高α化とあわせ、モジュールをさらに長寿命化することができる。実際に、実施形態１，２と同条件のパワーサイクル試験を実施したところ、実施形態１，２の場合よりさらに２割程度の長寿命化が確認された。
【００６０】
なお、本実施形態では、樹脂封止にトランスファモールド法を適用することができないため、あらかじめポリフェニレンサルファイド（polyphenylene sulfide：ＰＰＳ）製プラスチックケースを銅ベース周囲に接着しておき、その中に樹脂を滴下注入する所謂ポッティング法を採用している。また、エポキシ樹脂１１０１，１１０２には、弾性率が２０ＧＰａ以下のエポキシ樹脂を採用している。これは、弾性率が２０ＧＰａを大きく超えるような高弾性樹脂を使うと、封止によりＳｉクラックが発生するおそれがあるためである。
【００６１】
［実施形態４］
図１３は、本発明の実施形態に係るパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール１２００）の断面図であり、特にＩＧＢＴチップ１０４周辺部を拡大表示したものである。同図に示すように、エポキシ樹脂１２０２はシリカフィラー１２０１を含んでいる。フィラー１２０１は、エポキシ樹脂１２０２の平均線膨張係数α及び弾性率を調整するものである。
【００６２】
本実施形態によれば、封止下面から上方に向けてフィラー１２０１の含有量を減らすことにより、エポキシ樹脂の平均線膨張係数αを増大させ、実施形態３と同じ効果を実現することができる。
【００６３】
なお、フィラー１２０１の含有量が増大すれば、エポキシ樹脂１２０２の熱伝導率も増大する。特に、フィラーの材質をアルミナ、ＡｌＮ、ＢＮ等のセラミックスにすればこの効果は顕著に現れる。これに対し、フィラー材質を溶融シリカとした場合には、熱伝導率の向上効果はあまりみられない。
【００６４】
［実施形態５］
一般に、ＩＧＢＴチップのエミッタ電極は、複数の電極要素に分割されており、それら電極要素は各電極要素の長手方向に直交する方向に並んでいる。また、ＩＧＢＴチップは発熱時にチップ中央が高くチップ周辺が低くなるという温度分布を持つ。これは、チップ中央が発熱体の中心部であるのに対し、チップ周辺は印加コレクタ電圧緩和層（ＦＬＲと呼ばれる。）という主電流が流れない非発熱領域であるためである。実際にＩＧＢＴチップの温度分布を測定みると、チップ中央のゲート電極近傍の電極要素の温度は１５０℃（最大）、チップ周囲の温度は１００℃であり、両者の間に５０ｄｅｇもの温度差があることが分かる。このように大きな温度差がある場合、チップ中央部からアルミワイヤの劣化断線が始まり、次第に周辺へと劣化が進む。
【００６５】
ただし、電極要素に接続する全てのワイヤについて本数を増やたり線径を大きくしたりして強度を高めると、上述のとおりＳｉクラックが発生し易くなってしまう。また、アルミワイヤの超音波接合はチップへダメージを与える工程であるため、製品製造過程において組立ての歩留まりが低くなってしまう。
【００６６】
そこで、本実施形態では、電極要素の長手方向に直交する方向におけるチップ中央付近の電極要素に接続されるアルミワイヤを強化することにより、Ｓｉクラックの発生を防止しつつアルミワイヤの接続寿命を向上させ、モジュールの長寿命化を実現している。
【００６７】
図１４は、本発明の実施形態に係るパワー半導体チップ（ＩＢＧＴチップ１０４）の平面図である。同図に示すように、本実施形態に係るＩＧＢＴチップ１０４では、エミッタ電極が１２の電極要素１５０６に分割されている。また、電極要素１５０６の長手方向に直交する方向におけるチップ中央付近（ここでは、領域１５００，１５００’）の電極要素１５０６に接続されるアルミワイヤの本数は多く、チップ周辺付近（ここでは、領域１５０２，１５０２’）の電極要素１５０６に接続されるワイヤの本数は少なくなっている。
【００６８】
ここでは、電極要素１５０６の長手方向に直交する方向におけるチップ中央部を中心にしてワイヤ本数が対称となるように、線径０．４ｍｍφのアルミワイヤが接続されている。例えば、領域１５００と１５００’の電極要素１５０６、領域１５０２と１０５２’の電極要素１５０６にはそれぞれ同じ本数のワイヤが接続されている。また、１本のアルミワイヤで２つの電極要素を接続する所謂ステッチボンディングが部分的に採用されている。具体的には、図１４に示すように、領域１５００の電極要素１５０６にはアルミワイヤ各２本が、領域１５０１の電極要素１５０６にはアルミワイヤ各１本及びステッチワイヤ１本が、領域１５０２の電極要素１５０６にはステッチワイヤ２本が、それぞれ接続されている。
【００６９】
実際に、上記のアルミワイヤ仕様で配線したモジュールを、実施形態１と同じ２５〜１５０℃の平均線膨張係数が１８ｐｐｍ／Ｋのエポキシ樹脂でモールドし、実施形態１と同条件のパワーサイクル試験を実施したところ、ほぼ同じ耐量が得られた。即ち、ＩＢＧＴチップ全体でのアルミワイヤ本数を減らしても、モジュールの長寿命を実現できることが確認された。
【００７０】
以上のように、本実施形態に係るＩＢＧＴチップ１０４によれば、電極要素１５０６の長手方向に直交する方向におけるチップ中央付近の電極要素１５０６に接続されるアルミワイヤの本数を多くし、かつチップ周辺部の電極要素１５０６に接続されるワイヤの本数を少なくすることにより、Ｓｉクラックの発生を抑えつつアルミワイヤの接続寿命を向上させることができる。また、エミッタ電極に接続するアルミワイヤ本数を減らすことができるので、製品製造コスト低減しつつ、実施形態１よりも高い製造歩留まりを実現することができる。
【００７１】
［実施形態６］
本実施形態の目的及び効果は実施形態５のそれと同じである。
【００７２】
図１５は、本発明の実施形態に係るパワー半導体チップ（ＩＢＧＴチップ１０４）の平面図である。同図に示すように、本実施形態に係るＩＧＢＴチップ１０４では、アルミワイヤの線径を変化させることにより、電極要素１５０６の長手方向に直交する方向におけるＩＧＢＴチップ１０４中央付近のアルミワイヤを強化している。具体的には、領域１６００の電極要素１５０６には線径０．５ｍｍφのワイヤが、領域１６０１の電極要素１５０６には線径０．４ｍｍφのワイヤが、領域１６０２の電極要素１５０６には線径０．３ｍｍφのワイヤが、それぞれ接続されている。
【００７３】
ここでは、電極要素１５０６の長手方向に直交する方向におけるチップ中央部を中心してワイヤ線径が対称になるように、同数のアルミワイヤが接続されている。例えば、領域１６００と１６００’の電極要素１５０６、領域１６０２と１０６２’の電極要素１５０６には、それぞれ同じ線径のワイヤが接続されている。また、アルミワイヤは全てステッチボンディングとなっており、同図に示すように、２つの電極要素１５０６がステッチワイヤ２本で接続されている。
【００７４】
仮に全てのアルミワイヤに印加される温度振幅が同じであるとすると、線径が０．３ｍｍφのワイヤに生じる熱応力は線径が０．５ｍｍφのワイヤに生じる熱応力に比べてかなり大きくなるが、上述の通り、チップ周辺部の電極要素１５０６の温度振幅はチップ中央付近のそれと比べて顕著に小さいため、ワイヤの線径を小さくしても、ワイヤ寿命への影響は小さい。実際にアルミワイヤ以外を全て実施形態５と同条件にしてパワーサイクル試験を実施したところ、実施形態５と比べて寿命はほとんど低下しなかった。
【００７５】
以上のように、本実施形態に係るＩＢＧＴチップ１０４によれば、電極要素の長手方向に直交する方向におけるチップ中央付近の電極要素に接続されるアルミワイヤの線径を大きくし、かつチップ周辺部の電極要素に接続されるワイヤの線径を小さくしたので、モジュール寿命を向上させることができる。
【００７６】
以上説明したパワー半導体モジュールによれば、半導体チップの界面剥離を防止しつつアルミワイヤの接続寿命を向上させることができるようになる。
【００７７】
なお、本発明は、上記６つの実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。そして、それら種々の実施形態のいずれといずれとを組み合わせてもよい。
【００７８】
また、本発明に係るパワー半導体チップには、ＩＢＧＴチップに限らず、ＦＷＤチップやパワーＭＯＳＦＥＴも適用可能である。また、上記アルミワイヤの代わりに銅ワイヤを用いてもよい。また、モジュール定格温度の範囲は２５〜１５０℃とは異なる範囲であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施形態１に係るパワー半導体モジュールの断面図である。
【図２】パワー半導体チップを搭載したセラミックス基板の平面図である。
【図３】ワイヤ破断を説明するパワー半導体モジュールの断面図である。
【図４】Ｓｉクラックを説明するパワー半導体モジュールの断面図である。
【図５】Ｓｉクラックを説明するパワー半導体モジュールの断面図である。
【図６】Ｓｉクラックを説明するパワー半導体モジュールの断面図である。
【図７】ＩＧＢＴチップの側面応力とエポキシ樹脂の線膨張係数との関係を示す図である。
【図８】Ｓｉクラックを説明するパワー半導体モジュールの断面図である。
【図９】パワーサイクル耐量の評価結果を示す図である。
【図１０】パワーサイクル耐量の評価結果を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態２に係るパワー半導体モジュールの断面図である。
【図１２】本発明の実施形態３に係るパワー半導体モジュールの断面図である。
【図１３】本発明の実施形態４に係るパワー半導体モジュールの断面図である。
【図１４】本発明の実施形態５に係るパワー半導体チップの平面図である。
【図１５】本発明の実施形態６に係るパワー半導体チップの平面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１００，１０００，１１００，１２００，９０２  ＩＧＢＴモジュール、１０１，１００２，１１０１，１１０２，１２０２  エポキシ樹脂、１０２，１５０３，１５０４，１５０５，１６０３，１６０４，１６０５  アルミワイヤ（エミッタワイヤ）、１０３  アルミワイヤ（ゲートワイヤ）、１０４  ＩＧＢＴチップ、１０５  ゲート抵抗チップ、１０６  ＩＧＢＴチップ接着はんだ層、１０７  ゲート抵抗チップ接着はんだ層、１０８  銅貼り（銅回路パタン付）ＳｉＮ基板、１０９  コレクタパタン（銅板）、１１０  エミッタパタン（銅板）、１１１  ゲートパタン（銅板）、１１２  ＳｉＮ基板はんだ接着用銅パタン、１１３  ＳｉＮ基板、１１４  銅貼りＳｉＮ基板接着はんだ層、１１５  銅ベース、３００  フリーホイールダイオード（ＦＷＤ）、３０１  アルミワイヤ（アノードワイヤ）、４００  アルミワイヤネック部クラック、４０１  アルミワイヤの伸縮、４０２  エポキシ樹脂の伸縮、４０３  アルミワイヤネック部、５００  アルミワイヤにおける昇温領域、６００  Ｓｉチップ側壁のエポキシ樹脂剥離（側壁剥離）、６０１  Ｓｉチップ側壁のエポキシ樹脂剥離領域、７００  封止時におけるエポキシ樹脂の圧縮応力、７０１  ７００により生ずるＳｉの引っ張り応力、７０２  Ｓｉ側壁、７０３  Ｓｉクラック、９００  モジュール取付け時に印加される荷重、９０１  ９００により生ずるエポキシ樹脂の引っ張り応力、１００１  プレコーティング層、１２０１  フィラー、１５００，１５０１，１５０２，１５００’，１５０１’，１５０２’，１６００，１６０１，１６０２，１６００’，１６０１’，１６０２’  エミッタ電極における領域、１５０７  ゲート電極、１５０６  エミッタ電極の電極要素。
【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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