(57)【要約】【課題】ワイヤの接合面積を必要以上に増加させることなく、パワーサイクルに対する高い寿命耐量を効率よく確保して信頼性の向上を図る。【解決手段】ウエッジツールのウエッジ断面形状をＵ字状とし、ボンディングワイヤ９を線径３００μｍ〜５００μｍのアルミワイヤとして、そのワイヤ接合部９ａの接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．３〜２．４の範囲に規定してパワー半導体素子１０のチップ電極１０ａに超音波ボンディングする。あるいは、ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍ〜５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．４の範囲に規定して超音波ボンディングする。【選択図】　　　図１
2004140072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子のチップ電極と主回路との間にワイヤをボンディングして内部配線したパワー半導体装置において、
ウエッジツールのウエッジ断面をＵ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍ〜５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．３〜２．４の範囲に規定して超音波ボンディングしたことを特徴とするパワー半導体装置のワイヤボンディング方法。
【請求項２】
パワー半導体素子のチップ電極と主回路との間にワイヤをボンディングして内部配線したパワー半導体装置において、
ウエッジツールのウエッジ断面をＵ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．３〜２．１の範囲に規定して超音波ボンディングしたことを特徴とするパワー半導体装置のワイヤボンディング方法。
【請求項３】
パワー半導体素子のチップ電極と主回路との間にワイヤをボンディングして内部配線したパワー半導体装置において、
ウエッジツールのウエッジ断面をＵ字状とし、ボンディングワイヤを線径４００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．４〜２．３の範囲に規定して超音波ボンディングしたことを特徴とするパワー半導体装置のワイヤボンディング方法。
【請求項４】
パワー半導体素子のチップ電極と主回路との間にワイヤをボンディングして内部配線したパワー半導体装置において、
ウエッジツールのウエッジ断面をＵ字状とし、ボンディングワイヤを線径５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．５〜２．４の範囲に規定して超音波ボンディングしたことを特徴とするパワー半導体装置のワイヤボンディング方法。
【請求項５】
パワー半導体素子のチップ電極と主回路との間にワイヤをボンディングして内部配線したパワー半導体装置において、
ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍ〜５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．４の範囲に規定して超音波ボンディングしたことを特徴とするパワー半導体装置のワイヤボンディング方法。
【請求項６】
パワー半導体素子のチップ電極と主回路との間にワイヤをボンディングして内部配線したパワー半導体装置において、
ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．１の範囲に規定して超音波ボンディングしたことを特徴とするパワー半導体装置のワイヤボンディング方法。
【請求項７】
パワー半導体素子のチップ電極と主回路との間にワイヤをボンディングして内部配線したパワー半導体装置において、
ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径４００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．３の範囲に規定して超音波ボンディングしたことを特徴とするパワー半導体装置のワイヤボンディング方法。
【請求項８】
パワー半導体素子のチップ電極と主回路との間にワイヤをボンディングして内部配線したパワー半導体装置において、
ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．４の範囲に規定して超音波ボンディングしたことを特徴とするパワー半導体装置のワイヤボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置などに適用するインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｐｏｗｅｒ　Ｍｏｄｕｌｅ）などのモジュールを対象に、そのモジュールに搭載したパワー半導体素子の電極部と主回路との間をワイヤで接続するパワー半導体装置のワイヤボンディング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、頭記したＩＰＭを例としたパワー半導体モジュールの組立構造を図１０，図１１に示す。
各図において、１は放熱用の金属ベース（銅ベース）、２は樹脂成形品になる端子一体形の外囲ケース、３は外囲ケース２の上面に被着した上蓋、４は外囲ケース２と一体にインサート成形したパワー回路の入，出力端子（銅フレーム端子）、５は制御回路に対応する外部端子ブロック、６はセラミック基板などの絶縁回路基板６ａにＩＧＢＴ，フリーホイーリングダイオードのパワー半導体素子６ｂを組にしてはんだマウントした上で、金属ベース１に搭載したパワー回路、７は二階建て方式でパワー回路部６の上方に配置した制御回路、８はパワー回路６と制御回路７の間を接続するよう外囲ケース２の内周側に成形した中継端子ブロック、９はボンディングワイヤである。
【０００３】
ここで、ボンディングワイヤ９は一般に線径３００〜５００μｍのアルミワイヤを用い、前記パワー半導体素子６ｂ，　絶縁回路基板６ａの導体パターン，　主回路端子４および中継端子８の相互間に配線し、超音波ボンディング法により接続するようにしている。
一方、制御回路７はプリント基板に前記パワー素子６ｂの駆動用ＩＣを含む各種回路部品を実装した構成になり、図４に示した外部端子ブロック５からケース内方に突き出たリードと中継端子ブロック８から上方に起立するリードとの間に跨がって架設されている。なお、図１１に表示した端子記号について、Ｐ，Ｎは直流の入力端子、Ｕ，Ｖ，Ｗは三相交流の出力端子、Ｂはブレーキ端子を表している。
【０００４】
前記構成のＩＰＭは次記のような手順で組み立てられる。まず、パワー半導体素子６ｂをダイボンディングした絶縁回路基板６ａを金属ベース板１にはんだマウントし、次に金属ベース板１の上に端子一体形の外囲ケース２を接着剤で接合する。この状態でパワー半導体素子６ｂのチップ電極　（Ａｌ−Ｓｉ合金膜）　，絶縁回路基板６ａの導体パターン，外囲ケース２から内方に突き出した主回路端子４のインナーリード４ａ，および中継端子ブロック８のリードとの間にボンディングワイヤ（Ａｌワイヤ）９を超音波ボンディングして接続する。この場合に、ボンディングワイヤ９は、パワー半導体素子の通電容量に応じて接続するワイヤの線径，本数を選定し、各ワイヤを個別にチップ電極にボンディングして並列接続するようにしている。
【０００５】
なお、この超音波ボンディング工程では、周知のように金属ベース１を下にしてモジュール組立体を超音波ボンダーのワークホルダに載せ、この状態でボンダーよりパワー半導体素子６ｂの電極接合面に供給したボンディングワイヤ（Ａｌワイヤ）をボンダーのホーンに取付けたウエッジツールにより押さえつけ、超音波振動を加えながらボンディング荷重（ウエッジ圧力）を掛ける。これにより、超音波振動の摩擦によって接合面の不純物（酸化物）が除去され、同時に生じる接合面の発熱によりワイヤの抗張力が急減して塑性変形して電極部とワイヤとが固相接合される。
【０００６】
次に、外囲ケース２の上面中央寄りに制御回路の外部端子ブロック５を組付けたうえで、該端子ブロック５からケース内方に突き出した端子リードの先端部と中継端子ブロック８から上向きに突き出したリードの間に跨がって制御回路７のプリント基板を二階建て式に架け渡してはんだ付けする。そして、この組立状態でパッケージ内にゲル状充填材（例えばシリコーンゲル）を注入してパワー回路６，制御回路７を封止し、最後に外囲ケース２に被着した上蓋３を接着剤で固着して組立が完了する。
前記したパワー半導体モジュールの製品には高い寿命耐量，信頼性が求められる。ところで、パワー半導体モジュールには、実使用時の断続通電に伴う温度サイクル（パワーサイクル）により、パワー半導体素子のチップとボンディングワイヤとの接合部（ボンディング部）　にはＡｌワイヤとＳｉチップとの熱膨張係数差に起因するせん断応力が繰り返し加わり、これが基でワイヤとチップ電極面との接合界面に金属疲労によるクラック（亀裂）が発生し、このクラックがワイヤ接合部の外周から中心に向け進展し、遂にはワイヤ接合部が破断してチップから剥がれるといった問題がある。しかもこのようなアルミワイヤの剥がれが生じると、残りのワイヤに電流が集中するために、温度が急激に上昇して他のワイヤが溶断したり、チップダメージに至ることがある。
【０００７】
そこで、ワイヤ接合部の強化策として、ボンディングワイヤとして通常使用されるワイヤ（線径３００μｍ，４００μｍ，５００μｍ）よりも線径の太いワイヤ（線径５５０μｍ）を使用し、その線径に対応するワイヤの潰れ幅を大きくしてボンディング部の接合面積を増大させることにより、ワイヤ接合部のせん断強度を高めるようにしたものが知られている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３０９７３８３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ボンディング部の接合面積増大を図ろうとすると、次記のような問題が新たに発生する。すなわち、
（１）　ウエッジツールにより線径の太いワイヤを押し潰してワイヤ接合部の面積を増加させるには、ウエッジツールに大きな加圧力を加えてワイヤを押し潰す必要があるが、一方では半導体チップに過大なウエッジ圧力を加えるとチップダメージを引き起こすおれがあることから、線径の太いワイヤを採用してもその接合面積の増大化には限界がある。
【００１０】
（２）　また、ボンディングワイヤの線径を太くするとワイヤ自身の剛性が大となる。このために、ワイヤの接合部はその長手方向でワイヤループから拘束力を受け、パワーサイクルに伴うワイヤの熱膨張，収縮によりワイヤ接合部に加わるせん断応力が大きくなってワイヤ接合部に生じたクラックの成長が早まり、その結果、ワイヤ接合部が早期に剥離して期待通りの寿命耐量が確保できなくなる。
この点について発明者等が究明したところ、その理由は次の点にあると推定される。すなわち、先記のように断続通電（パワーサイクル）に伴う熱応力によってワイヤ接合部の周縁に初期クラックが発生すると、クラックは引き続いて繰り返し加わる熱応力によりワイヤ接合部の外周全方位から接合部の中心に向け成長し、クラックがワイヤ接合部の中心まで達するとワイヤ接合部が破断（ワイヤがチップ電極面から剥がれる）してダメージ（寿命）に至る。この場合に、クラックが進展する状況をワイヤ接合部の接合長方向（ワイヤの長手方向）と接合幅方向（ワイヤの潰し幅方向）とに分けて考察すると、接合長方向ではボンディングワイヤの線径が大であるほどそのワイヤループの剛性の影響を大きく受け、接合長方向のクラック進展速度が接合幅方向よりも早くなる。このために、太線ワイヤを採用して接合面積を拡大しても、接合面積の拡大が寿命耐量の向上に十分に生かされずにワイヤ接合部が早期に破断してしまうようになる。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、前記したボンディングワイヤの太線化によるワイヤ接合部の強化策を見直し、従来より一般に使われている線径３００μｍ，４００μｍ，５００μｍのボンディングワイヤについて、そのワイヤ接合部の形状を適切に規定することにより、接合面積を必要以上に増加させることなしに、パワーサイクルに対する高い寿命耐量を効率よく確保して信頼性の向上が図れるようにしたパワー半導体装置のワイヤボンディング方法を提供することを目的する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、パワー半導体素子のチップ電極と主回路（パッケージ側の導体部）との間にワイヤをボンディングして内部配線したパワー半導体装置において、
ワイヤボンディングに使用するウエッジツールのウエッジ断面形状，ボンディングワイヤの線径，およびその接合部の接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを次記のように規定して超音波ボンディングするものとする。
（１）　ウエッジツールのウエッジ断面をＵ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍ〜５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．３〜２．４の範囲に規定する（請求項１）。
【００１３】
（２）　ウエッジツールのウエッジ断面をＵ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．３〜２．１の範囲に規定する（請求項２）。
（３）　ウエッジツールのウエッジ断面をＵ字状とし、ボンディングワイヤを線径４００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．４〜２．３の範囲に規定する（請求項３）。
（４）　ウエッジツールのウエッジ断面をＵ字状とし、ボンディングワイヤを線径５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．５〜２．４の範囲に規定する（請求項４）。
【００１４】
（５）　ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍ〜５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．４の範囲に規定する（請求項５）。
（６）　ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．１の範囲に規定する（請求項６）。
（７）　ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径４００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．３の範囲に規定する（請求項７）。
【００１５】
（８）　ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．４の範囲に規定する（請求項８）。
先述のように、パワーサイクルによってボンディングワイヤの接合部に生じた初期クラックは、引き続き繰り返し熱応力を受けてワイヤ接合部の外周全方位から中心に向けて次第に進展し、クラックがワイヤ接合部の中心まで達するとワイヤの接合界面がチップ電極面から剥がれてダメージに至る。この場合に、パワーサイクル試験で得た知見によれば、ワイヤ接合部における接合長方向，接合幅方向へのクラック進展速度は、ボンディングワイヤの線径によって異なることが確認されている。
【００１６】
そこで、パワーサイクル試験で得たデータから、ボンディングワイヤの線径別にワイヤ接合部における接合長方向，および接合幅方向に進展するクラックの進展速度を予測し、これを基にワイヤ接合部の外周全方位から中心に向けて接合長方向，接合幅方向に進展するクラックが同時に接合部の中心に到達するようにワイヤの線径別にそのワイヤ接合部の形状（接合部の接合長Ｌ／接合幅Ｗの比）を規定することにより、通電電流密度を同一とした条件の下ではパワーサイクルによりワイヤ接合部の外周全方位に発生したクラックは略同時に接合部の中心に達するようになる。
【００１７】
一方、ワイヤボンディング条件を決めるに当たっては、前記のパワーサイクル耐量の他に半導体チップに与えるダメージについても配慮する必要がある。チップダメージはボンディングワイヤの線径のほか、超音波ボンディングに使用するウエッジツールの断面形状によっても異なることが確認されている。先ず、断面Ｕ字状のウエッジツールを用いて超音波ボンディングした場合に、線径３００μｍのＡｌ　ワイヤではＬ／Ｗ比率１．３以上でチップダメージが発生しなくなり、また線径４００μｍのＡｌワイヤの場合はＬ／Ｗ比率ｌ．４以上、線径５００μｍのＡｌワイヤではＬ／Ｗ比率１．５以上でチップダメージが発生しなくなる。次に、断面Ｖ字状のウエッジツールを用いて超音波ボンディングした場合は、線径３００，４００，５００μｍのＡｌワイヤともＬ／Ｗ比率１．５以上でチップダメージが発生しなくなることが確認されている。
【００１８】
このことから、前項（１）〜（８）のようにワイヤ接合部の形状を規定することにより、ワイヤ接合部の接合面積を必要以上に増大させることなしに、ワイヤ接合部の破断に対して最も効率よく寿命耐量を高めて製品の信頼性向上を図ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図９に基づいて説明する。まず、図１０，図１１のパワー半導体装置に搭載したパワー半導体素子とボンディングワイヤとの接合部についてその模式図を図１に示す。図１において、９はボンディングワイヤ（Ａｌワイヤ）、１０はパワー半導体素子のチップ、１０ａはチップ電極、９ａはチップ電極１０ａにボンディングしたワイヤ９の接合部を表しており、ボンディングワイヤ９は詳細を後記するウエッジツール１１，１２を使ってチップ電極１０ａの電極面上に超音波ボンディングされる。ここで、チップ電極９ａに超音波ボンディングされたワイヤ９の接合部９ａの界面形状はウエッジツールからワイヤ９に加わる押圧力，および超音波振動により図示のように楕円状に押し潰された形状になる。なお、ワイヤ接合部９の“接合長方向”，“接合幅方向”はそれぞれ楕円の長軸，短軸方向に対応し、また図中に表示した寸法Ｌはワイヤ接合部９の接合長，Ｗは接合幅を表し、さらに接合長Ｌ×接合幅Ｗを接合面積と定義する。
【００２０】
次に、超音波ワイヤボンディングに使用するボンダーのウエッジツールの形状を図２に、また超音波ボンディング後にワイヤの表面に生じたウエッジツールとの接触による圧痕の形状を図３に示す。
すなわち、ウエッジツール１１は大別して断面Ｖ字状，Ｕ字状に分けられ、図２（ａ），（ｂ）　はそれぞれＶ字状ウエッジツール１１，Ｕ字状ウエッジツール１２の模式図で、１１ａ，１２ａはツール１１，１２の先端に形成したＶ字溝，Ｕ字溝を表している。なお、図２（ｃ）　はウエッジツールで超音波ボンディングする際の状態を表した側面図で、図中の矢印Ｐは（ａ），（ｂ）　に示したウエッジツールの視野方向を表している。
【００２１】
また、図３（ａ），（ｂ）　は（ｃ）　の矢印Ｐ方向から見たワイヤ９の表面のウエッジツール圧痕を表した図で、図中の９ｂ，９ｃがそれぞれ図２（ａ），（ｂ）　のＶ字状ウエッジツール１１，Ｕ字状ウエッジツール１２との接触により生じた圧痕の形状を示している。
一方、発明者等は図１に示したワイヤ接合部をモデルにパワーサイクル試験を行い、線径３００μｍ，４００μｍ，５００μｍのＡｌワイヤについて、そのワイヤ接合部の形状（接合長／接合幅の比率）とパワーサイクルによりワイヤ接合部に発生したクラックの進展状況との関係を調べた。
【００２２】
図４はＶ字状ウエッジツール（図２（ａ）参照）およびＵ字状ウエッジツール（図２（ｂ）　参照）を用いて超音波ボンディングしたワイヤ接合部について、パワーサイクル試験のデータを基に得た特性図であり、図中の横軸はワイヤ接合部の形状（接合長と接合幅の比率Ｌ／Ｗ）を、縦軸は接合長方向のクラックと接合幅方向のクラックとが接合部の中央に到達する時間比率を表している。ここで、縦軸の時間比率１．０は、ワイヤ接合部（図２参照）の周囲全方位から中心に向けて進展するクラックの接合長方向クラックと接合幅方向クラックとが同時に接合部の中心に到達することを示している。これに対して、時間比率が１．０以上の領域では接合幅方向のクラックが接合長方向のクラックよりも早く接合部中心に到達し、時間比率１．０以下の領域では前記と逆に接合長方向のクラックが接合幅方向のクラックよりも早く接合部中心に到達することを表している。
【００２３】
この図から判るように、直径３００μｍのボンディングワイヤについては、そのワイヤ接合部の最適形状、つまり前記した時間比率が１．０になるＬ／Ｗ比率（Ａ点）は１．６であり、実用的には前記Ｌ／Ｗ比率１．６を中心にＬ／Ｗ比率を１，３〜２．１の範囲に規定することにより、多少のバラツキを補償してパワーサイクルに対する高い寿命耐量を効率よく確保できる。
同様に、直径４００μｍのボンディングワイヤについては、Ｌ／Ｗ比率１．８（Ｂ点）を中心にＬ／Ｗ比率を１，４〜２．３の範囲に規定し、また直径５００μｍのボンディングワイヤについてはＬ／Ｗ比率１．９（Ｃ点）を中点にＬ／Ｗ比率を１，５〜２．４の範囲に規定することにより、ワイヤ接合部のパワーサイクルに対する高い寿命耐量を効率よく確保できる。
【００２４】
また、図５は線径３００μｍ，４００μｍ，５００μｍのＡｌワイヤについて、Ｌ／Ｗ比率を前記範囲に規定して超音波ボンディングしたワイヤ接合部の実寸法とパワーサイクル（ワイヤの通電電流密度は同一）による寿命耐量との関係を表す特性図であり、横軸はワイヤ接合部の実寸法（Ｌ／２，Ｗ／２）、縦軸はパワーサイクル試験でワイヤ接合部が破断に到るまでのサイクル数を表している。なお、図中の各特性線はシミュレーションで得た予測値を表し、これにパワーサイクル試験の実測値を併記している。
図５の特性図から判るように、シミュレーションで求めた予測値と実測値とは略一致しており、一例としてワイヤ接合部が破断に到るまでに１５００００ｃｙのパワーサイクル耐量を得るのに最適なワイヤ接合部の形状（Ｌ／Ｗ比率），および接合面積（Ｌ×Ｗ）は次のようになる。
【００２５】
（１）　直径３００μｍのワイヤでは、そのＬ／Ｗ比率＝１．６として、
接合面積＝５６０μｍ　（接合長）　×３４０μｍ（接合幅）＝０．１９ｍｍ２
（２）　直径４００μｍのワイヤでは、そのＬ／Ｗ比率＝１．８として、
接合面積＝７２０μｍ　（接合長）　×４００μｍ（接合幅）＝０．２９ｍｍ２
（３）　直径５００μｍのワイヤでは、そのＬ／Ｗ比率＝１．９として、
接合面積＝９８０μｍ　（接合長）　×５００μｍ（接合幅）＝０．５０ｍｍ２
次に、本発明による寿命耐量の向上を評価，確認するために、ボンディングワイヤに用いる線径３００μｍ，４００μｍ，５００μｍのＡｌワイヤについて、ウエッジツールの形状（図２参照），ワイヤ接合部のＬ／Ｗ比率を変えて半導体チップに超音波ボンディングしたものを供試試料（図１参照）として、パワーサイクル試験により検証したワイヤ接合部のＬ／Ｗ比率とパワーサイクル耐量，チップダメージ発生率との関係を図６〜図９に示す。
【００２６】
すなわち、図６は線径３００μｍ，４００μｍ，５００μｍのＡｌワイヤについて、Ｖ字状ウエッジツール（図２（ｂ）　参照），Ｕ字状ウエッジツール（図２（ｂ）　参照）を用いて超音波ボンディングした場合のＬ／Ｗ比率とパワーサイクル耐量との関係を表す特性図であり、横軸はワイヤ接合部のＬ／Ｗ比率，縦軸はパワーサイクル試験でワイヤ接合部が破断に至るまでのサイクル数を表している。
この図から判るように、Ａｌワイヤの線径３００μｍ，４００μｍ，５００μｍごとに適正なＬ／Ｗ比率の範囲が異なり、線径３００μｍではＬ／Ｗ比率が２．２以上、４００μｍではＬ／Ｗ比率が２．４以上、線径５００μｍではＬ／Ｗ比率が２．５以上になるとパワー耐量が低下している。
【００２７】
一方、ワイヤのボンディング条件（ワイヤ接合部のＬ／Ｗ比率）を決めるに当たっては、前記のパワーサイクル耐量の他に半導体チップに与えるダメージについても配慮する必要がある。そこで、発明者等は線径３００μｍ，４００μｍ，５００μｍのＡｌワイヤについて、そのワイヤ接合部のＬ／Ｗ比率とチップダメージ発生率との関係を検証し、次記の図７〜図９で表す特性を得た。
まず、図７は線径３００μｍのＡｌワイヤについて、図２（ａ），（ｂ）　に示したＶ字状ウエッジツールおよびＵ字状ウエッジツールを用いて超音波ボンディングした場合に、そのワイヤ接合部のＬ／Ｗ比率とチップダメージ発生率との関係を表した特性図である。この図から判るように、Ｕ字状ウエッジツールを用いてボンディングした場合はＬ／Ｗ比率を１．３以上の範囲に規定することでチップダメージが発生しなくなる。また、Ｖ字状ウエッジツールの場合はＬ／Ｗ比率を１．７以上に規定することでチップダメージが発生しなくなることが確認できた。
【００２８】
図８は、線径４００μｍのＡｌワイヤについて、図８と同様にＶ字状ウエッジツールおよびＵ字状ウエッジツールを用いて超音波ボンディングした場合に、そのワイヤ接合部のＬ／Ｗ比率とチップダメージ発生率との関係を表した特性図である。この図から判るように、Ｕ字状ウエッジツールを用いてボンディングした場合はＬ／Ｗ比率を１．４以上の範囲に規定することでチップダメージが発生しなくなる。また、Ｖ字状ウエッジツールの場合はＬ／Ｗ比率を１．７以上に規定することでチップダメージが発生しなくなることが確認できた。
図９は、線径５００μｍのＡｌワイヤについて、図８と同様にＶ字状ウエッジツールおよびＵ字状ウエッジツールを用いて超音波ボンディングした場合に、そのワイヤ接合部のＬ／Ｗ比率とチップダメージ発生率との関係を表した特性図である。この図から判るように、Ｕ字状ウエッジツールを用いてボンディングした場合はＬ／Ｗ比率を１．５以上の範囲に規定することでチップダメージが発生しなくなる。また、Ｖ字状ウエッジツールの場合はＬ／Ｗ比率を１．７以上に規定することでチップダメージが発生しなくなることが確認できた。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、パワー半導体素子のチップ電極と主回路との間にワイヤをボンディングして内部配線したパワー半導体装置において、
（１）　ウエッジツールのウエッジ断面をＵ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍ〜５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．３〜２．４の範囲に規定する。
（２）　ウエッジツールのウエッジ断面をＵ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．３〜２．１の範囲に規定する。
【００３０】
（３）　ウエッジツールのウエッジ断面をＵ字状とし、ボンディングワイヤを線径４００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．４〜２．３の範囲に規定する。
（４）　ウエッジツールのウエッジ断面をＵ字状とし、ボンディングワイヤを線径５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．５〜２．４の範囲に規定する。
（５）　ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍ〜５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．４の範囲に規定する。
【００３１】
（６）　ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径３００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．１の範囲に規定する。
（７）　ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径４００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．３の範囲に規定する。
（８）　ウエッジツールのウエッジ断面をＶ字状とし、ボンディングワイヤを線径５００μｍのアルミワイヤとして、その接合長Ｌと接合幅Ｗの比率Ｌ／Ｗを１．７〜２．４の範囲に規定する。
【００３２】
このように、ワイヤ接合部の形状（接合長／接合幅）を規定して超音波ボンディングすることにより、接合面積を必要以上に増大させることで発生する半導体チップへのダメージを回避し、パワーサイクルに対する高い寿命耐量を効率よく確保して信頼性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】パワー半導体素子に超音波ボンディングしたワイヤの接合部分を模式的に表した図
【図２】超音波ボンディングに用いるウエッジツールの形状を模式的に表した図で、（ａ），（ｂ）　はそれぞれＶ字状，Ｕ字状ツールの断面図、（ｃ）　はワイヤを超音波ボンディングする状態の側面図
【図３】超音波ボンディングによりワイヤ表面に生じたウエッジツールの圧痕形状を現す図で、（ａ），（ｂ）　はそれぞれ図２（ａ），（ｂ）　のウエッジツールに対応する圧痕、（ｃ）　はワイヤ接合部の側面図
【図４】直径３００μｍ，４００μｍ，５００μｍのＡｌワイヤについて、そのワイヤ接合部の形状（接合長／接合幅の比率）とパワーサイクルに伴いワイヤ接合部に発生したクラックの進展状況との関係を表す図
【図５】本発明により形状を規定したワイヤ接合部の寸法とパワーサイクル試験の寿命耐量との関係を表す特性図
【図６】線径３００μｍ，４００μｍ，５００μｍのＡｌワイヤについて、そのワイヤ接合部のＬ／Ｗ比率とパワーサイクル耐量との関係を表す特性図
【図７】線径３００μｍのＡｌワイヤについて、そのワイヤ接合部のＬ／Ｗ比率とチップダメージ発生率との関係を表す特性図
【図８】線径４００μｍのＡｌワイヤについて、そのワイヤ接合部のＬ／Ｗ比率とチップダメージ発生率との関係を表す特性図
【図９】線径５００μｍのＡｌワイヤについて、そのワイヤ接合部のＬ／Ｗ比率とチップダメージ発生率との関係を表す特性図
【図１０】本発明の対象となるパワー半導体モジュールの組立構造を表す断面側視図
【図１１】図１０におけるパワー回路部の平面図
【符号の説明】
９　　ボンディングワイヤ
９ａ　ワイヤ接合部
１０　　パワー半導体チップ
１０ａ　チップ電極
１１　　Ｖ字状ウエッジツール
１２　　Ｕ字状ウエッジツール
Ｌ　　ワイヤ接合部の接合長
Ｗ　　ワイヤ接合部の接合幅
【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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