(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に接合され、かつ表面電極を有する半導体素子と、
前記半導体素子の前記表面電極をまたいで両端部の各々が前記基板にボンディングされたワイヤと、
前記表面電極上に接合された導体と、
前記導体上に配置され、かつ導電性を有する接合材とを備え、
前記ワイヤは、前記導体と前記接合材によって前記表面電極と電気的に接続されており、前記導体とは離間され前記接合材内に埋設されている、半導体モジュール。
【請求項２】
前記基板は、絶縁層と、前記絶縁層上に設けられた導体パターンとを含み、
前記導体パターンは、第１導体部と、第２導体部とを含み、
前記半導体素子は、前記第１導体部と前記第２導体部との間に配置されており、
前記ワイヤの前記両端部のうち第１の端部は前記第１導体部にボンディングされており、前記ワイヤの前記両端部のうち第２の端部は前記第２導体部にボンディングされている、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
基板と、
前記基板上に接合され、かつ表面電極を有する半導体素子と、
前記半導体素子の前記表面電極をまたいで両端部の各々が前記基板にボンディングされたワイヤとを備え、
前記ワイヤは、前記表面電極と電気的に接続されており、
前記表面電極上に接合された導体と、
前記導体上に配置され、かつ導電性を有する接合材とをさらに備え、
前記ワイヤは、前記導体と前記接合材によって接合されており、
前記導体は上面に設けられた溝を含み、
前記ワイヤおよび前記接合材は前記溝に入り込むように配置されている、半導体モジュール。
【請求項４】
前記溝は、前記ワイヤが前記表面電極をまたぐ方向に沿って、前記溝の中央部の深さよりも前記溝の端部の深さが浅くなる形状を有している、請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記接合材は、銀を含む焼結体である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記導体および前記半導体素子を上から見たときに、前記導体の面積は前記半導体素子の面積よりも小さい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記ワイヤの材質は銅である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
基板に接合された半導体素子の表面電極をまたいでワイヤの両端部の各々を前記基板にボンディングする工程と、
前記基板にボンディングされた前記ワイヤを前記半導体素子の前記表面電極と電気的に接続する工程と、
上面に溝が設けられた導体を前記表面電極上に接合する工程と、
前記溝内に前記ワイヤが押し入れられた後に前記溝内で前記導体と前記ワイヤとを導電性を有する接合材で接合する工程とを備えた、半導体モジュールの製造方法。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備えた、電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法および電力変換装置に関し、特に、パワー半導体素子を含むパワー半導体モジュール、その製造方法および電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュールは、通常、導体パターンを有する基板と、導体パターンに接合される裏面と表面電極が設けられている表面とを有する半導体素子と、表面電極に接合されたボンディングワイヤとを有している。【０００３】
また、半導体モジュールには、ワイヤがボンディングされずに半導体素子とワイヤとが電気的に接続されているものがある。このような半導体モジュールの一例が、特許第３８０９３７９号公報（特許文献１）に記載されている。この公報に記載された半導体モジュールにおいては、半導体素子の表面に配置された表面電極上を開口部を有する保護膜が覆っている。保護膜の開口部でワイヤと表面電極とが半田によって接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８０９３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の通常の半導体モジュールにおいては、表面電極にワイヤがボンディングされるため、表面電極とのワイヤの接合部において切欠き形状が形成される。このため、半導体モジュールの運用中の発熱、冷却の繰り返しによる温度変化時に、ワイヤの接合部において切欠き形状の端に応力が集中する。これにより、切欠き形状の端から破壊が発生する。したがって、半導体素子の表面電極にボンディングされたワイヤの接合部を長寿命化することは困難である。【０００６】
また、上記の公報に記載された半導体モジュールにおいては、超音波接合によるワイヤボンディングは行われないため、表面電極とのワイヤの接合部において切欠き形状は形成されない。しかしながら、ワイヤは表面電極に半田によって接合されているため、ワイヤボンディングに比べて、ワイヤの本数が制限される。したがって、ワイヤ一本あたりの電流密度を小さくすることは困難である。【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子の表面電極とのワイヤの接合部を長寿命化し、かつワイヤ一本あたりの電流密度を小さくすることができる半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法および電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体モジュールは、基板と、半導体素子と、ワイヤと、導体と、接合材とを備えている。半導体素子は、基板上に接合され、かつ表面電極を有する。ワイヤは、半導体素子の表面電極をまたいで両端部の各々が基板にボンディングされている。導体は表面電極上に接合されている。接合材は導体上に配置され、かつ導電性を有する。ワイヤは、導体と接合材によって表面電極と電気的に接続されており、導体とは離間され接合材内に埋設されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体モジュールによれば、ワイヤは、半導体素子の表面電極をまたいで両端部の各々が基板にボンディングされており、表面電極と電気的に接続されている。このため、表面電極とのワイヤの接合部において切欠き形状が形成されないので、ワイヤの接合部の端に応力が集中することを抑制することができる。また、ボンディングワイヤが用いられるため、ワイヤが半田によって接合される場合に比べて、ワイヤの本数を多くすることができる。したがって、半導体素子の表面電極とワイヤとの接合部を長寿命化し、かつワイヤ一本あたりの電流密度を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの構成を概略的に示す正面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの構成を概略的に示す上面図である。
【図３】図１および図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う端面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの構成を概略的に示す正面図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの構成を概略的に示す上面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う端面図である。
【図７】本発明の実施の形態２の変形例１に係る半導体モジュールの構成を概略的に示す正面図である。
【図８】本発明の実施の形態２の変形例１に係る半導体モジュールの構成を概略的に示す上面図である。
【図９】図７のＩＸ−ＩＸ線に沿う端面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２の変形例２に係る半導体モジュールの構成を概略的に示す端面図である。
【図１１】本発明の実施形態２の変形例３に係る半導体モジュールの構成を概略的に示す上面図である。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う端面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの構成を概略的に示す正面図である。
【図１４】本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの構成を概略的に示す上面図である。
【図１５】図１３のＸＶ部分における図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿う拡大断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態４に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。なお、各図中同一または相当部分には同一符号を付している。また、以下に記載する実施の形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
【００１２】
実施の形態１．
図１〜図３を参照して、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの構造について説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体モジュールの正面図である。図２は、本実施の形態に係る半導体モジュールの上面図である。図３は、本実施の形態に係る半導体モジュールの端面図である。
【００１３】
図１、図２および図３に示されるように、本実施の形態に係る半導体モジュールは、主として、基板１と、接合材２と、半導体素子３と、接合材５と、導体６と、接合材７と、ワイヤ８とを有している。
【００１４】
基板１の表面には導体パターン１ａ、１ｂ、１ｃが設けられている。接合材２は基板１の導体パターン１ｂと半導体素子３とを接合するためのものである。接合材２は導電性を有している。半導体素子３は基板１上に接合されている。半導体素子３は表面電極４を有している。表面電極４は半導体素子３の表面に設けられている。半導体素子３の表面電極４上に接合材５を介して導体６が接合されている。なお、半導体素子３の表面電極４と導体６とは、接合材５のみで接合されていなくてもよく、互いの間に別の導体および接合材が挟まれていてもよい。
【００１５】
接合材７は導体６とワイヤ８とを接合している。ワイヤ８は、半導体素子３の表面電極４をまたいで両端部８ａの各々が基板１にボンディングされている。ワイヤ８は、表面電極４と電気的に接続されている。具体的には、ワイヤ８は、導体パターン１ｂと導体パターン１ｃとに両端部８ａをボンディングされ、半導体素子３をまたぐように橋架けされている。ワイヤ８は表面電極４の上側において表面電極４と電気的に接続されている。
【００１６】
基板１は、導体パターン１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｅと、絶縁層１ｄとを有している。導体パターン１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｅは絶縁層１ｄ上に設けられている。具体的には、基板１は、表面に設けられた導体パターン１ａ、１ｂ、１ｃに加えて、絶縁層１ｄと、半導体素子３が搭載された表面と反対の側の裏面に設けられた導体パターン１ｅとを有している。つまり、絶縁層１ｄの表面に導体パターン１ａ、１ｂ、１ｃが配置されており、絶縁層１ｄの裏面に導体パターン１ｅが配置されている。
【００１７】
半導体素子３は、導体パターン（第１導体部）１ａと、導体パターン（第２導体部）１ｃとの間に配置されている。ワイヤ８の両端部８ａのうち第１の端部８ａ１は導体パターン（第１導体部）１ａにボンディングされており、ワイヤ８の両端部８ａのうち第２の端部８ａ２は第２導体パターン（第２導体部）１ｃにボンディングされている。
【００１８】
絶縁層１ｄには、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が用いられる。導体パターン１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｅは、絶縁層１ｄ上に形成されている。導体パターン１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｅには、例えば銅（Ｃｕ）が用いられる。
【００１９】
本実施の形態に係る半導体モジュールはベース板１０を有している。ベース板１０は、熱伝導性の高い材料により構成されている。ベース板１０には、例えば、銅（Ｃｕ）が用いられる。ベース板１０の上面は、基板１の裏面に形成された導体パターン１ｅに接合されている。導体パターン１ｅとベース板１０とは、接合材９により接合されている。接合材９としては、例えば、はんだ、焼結性銀粒子が用いられる。
【００２０】
半導体素子３は、例えば、下面（裏面）から上面（表面）に向かって電流が流れる縦型構造を有するパワー半導体素子である。半導体素子３は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）、縦型ＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor）のようなスイッチング素子、又はショットキーバリアダイオードのような整流素子である。
【００２１】
半導体素子３は、例えば、シリコン（Ｓｉ）の単結晶を用いて形成されている。半導体素子３を構成する半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）の単結晶に限られるものではなく、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（ＧａＮ）等のワイドバンドギャップを有する半導体材料であってもよい。
【００２２】
半導体素子３の下面は、基板１の表面の導体パターン１ｂに電気的に接合されている。半導体素子３の下面と導体パターン１ｂとは、導電性を有する接合材２を介して接合されている。接合材２としては、例えば、はんだ、焼結性銀粒子等が用いられる。
【００２３】
半導体素子３は、表面電極４を有している。表面電極４は、半導体素子３の表面（上面）に形成されている。表面電極４には、例えば、シリコン（Ｓｉ）を含有するアルミニウム（Ａｌ）合金等が用いられる。表面電極４は、被覆層を有していてもよい。被覆層には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）又はこれらを積層した構造が用いられる。導体６は表面電極４上に接合されている。接合材５は導体６上に配置されている。表面電極４と導体６とは、導電性の接合材５によって接合されている。接合材５としては、例えば、はんだ、焼結性銀粒子等が用いられる。
【００２４】
導体６としては、例えば、銅（Ｃｕ）が用いられる。導体６は、接合材５とは異なる材料であってもよい。ワイヤ８は、導体６と導電性を有する接合材７によって接合されている。接合材７としては、例えば、はんだ、焼結性銀粒子等が用いられる。接合材７は、例えば、銀を含む焼結体（Ａｇ焼結体）が好ましい。
【００２５】
図３に示されるように、導体６は、ワイヤ８と接合材７とが入り込む溝６ａを有していてもよい。導体６の上面に溝６ａが設けられている。ワイヤ８および接合材７は溝６ａに入り込むように配置されている。導体６が溝６ａを有することで、ワイヤ８を溝６ａに入れ込んで、接合材７によって固定することが容易となる。
【００２６】
ワイヤ８は、一本でも良いし、複数本でもよい。ワイヤ８は、導体パターン１ａ、１ｃと接合されている。つまり、ワイヤ８の一方端が導体パターン１ａに接合されており、ワイヤ８の他方端が導体パターン１ｃに接合されている。導体パターン１ａと導体パターン１ｃは別々のパターンであってもよく、つながった一つのパターンであってもよい。ワイヤ８が複数本の場合に、ワイヤ８の両端はそれぞれ導体パターン１ａと導体パターン１ｃにすべてボンディングされている必要はなく、一部のワイヤ８が導体パターン１ａと導体パターン１ｃ以外の別の導体パターンとに接続されていてもよい。ワイヤ８には、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等が用いられる。
【００２７】
次に、図４〜図６を参照して、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの製造方法について説明する。
【００２８】
図４に示されるように、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法では、基板１の表面に設けられた導体パターン１ｂ上に、半導体素子３が接合材２によって接合される。導体６は半導体素子３の表面電極４上に接合材５によって接合される。
【００２９】
続いて、図５に示されるように、基板１の表面の導体パターン１ａ、１ｃにワイヤ８の両端が超音波接合によって接合される。ワイヤ８は半導体素子３の表面電極４をまたいでワイヤ８の両端部８ａの各々を基板１の導体パターン１ａ、１ｃにボンディングされる。基板１の導体パターン１ａ、１ｃにボンディングされたワイヤ８が半導体素子３の表面電極４と電気的に接続される。
【００３０】
ワイヤ８の両端と導体パターン１ａ、１ｃとの接合後に、ワイヤ８を導体６に近づくように押して変形させてもよい。そのとき、図６に示されるように、導体６がワイヤ８を入れるための溝６ａを有している場合には、導体６の溝６ａにワイヤ８が入り込むように、ワイヤ８を溝６ａに押し入れてもよい。溝６ａ内にワイヤ８が押し入れられた後に溝６ａ内で導体６とワイヤ８とが接合材７で接合される。これにより、図１〜図３に示された半導体モジュールが製造される。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る半導体モジュールの効果について説明する。
図１、図２および図３に示されように、ワイヤ８を導電性を有する接合材７によって導体６と接合することで、例えば、半導体素子３に対して縦方向に下面から表面電極４に流れた電流が導電性を有する接合材５、導体６、導電性を有する接合材７、ワイヤ８、導体パターン１ａ、１ｃの順に流れることができる。
【００３２】
このとき、仮に、上記の通常の半導体モジュールのように、ワイヤ８が半導体素子３の表面電極４に超音波接合によってボンディングされていると、表面電極４とのワイヤ８の接合部に切欠き形状が形成される。そのため、半導体モジュールの運用中の発熱、冷却の繰り返しによる温度変化時に、ワイヤ８の接合部のおいて切欠き形状の端に応力が集中して、切欠き形状の端から破壊が発生する。言いかえれば、半導体モジュールにおいて、最も温度の変化が大きくなるのは半導体素子周辺である。そして、上記の通常の導体モジュールでは、最も温度変化の大きい半導体素子周辺に、応力が集中する超音波接合によるワイヤボンディング部を有している。このため、信頼性の点で問題がある。また、従来のワイヤボンディング装置を使用して容易に作成できる。
【００３３】
一方、本実施の形態に係る半導体モジュールでは、ワイヤ８は半導体素子３の表面電極４をまたいで両端部８ａの各々が基板１にボンディングされており、表面電極４と電気的に接続されている。このため、表面電極４とのワイヤ８の接合部において切欠き形状が形成されないので、ワイヤ８の接合部の端に応力が集中することを抑制することができる。したがって、半導体素子３の表面電極４とのワイヤ８の接合部を長寿命化することができる。また、ワイヤ８としてボンディングワイヤが用いられるため、ワイヤ８が表面電極４に半田によって接合されている場合と比べて、ワイヤ８の本数を多くすることができる。したがって、ワイヤ一本あたりの電流密度を小さくすることができる。さらに、ワイヤ８は表面電極４をまたいで基板１にボンディングされているため、ワイヤ８の両端に向かって電流を流すことができる。これにより、ワイヤ一本あたりの電流密度を小さくすることができる。
【００３４】
また、本実施の形態に係る半導体モジュールでは、半導体素子３は、導体パターン（第１導体部）１ａと、導体パターン１ｃ（第２導体部）との間に配置されている。このため、ワイヤ８は、半導体素子３の表面電極４をまたいで表面電極４と電気的に接続することができる。ワイヤ８の両端部８ａのうち第１の端部８ａ１は導体パターン１ａにボンディングされており、ワイヤ８の両端部８ａのうち第１の端部８ａ１は導体パターン１ｃにボンディングされている。このため、ワイヤ８の両端部８ａの各々に向かって電流を流すことができる。
【００３５】
また、本実施の形態に係る半導体モジュールでは、ワイヤ８は、表面電極４上に接合された導体６と接合材７によって接合されている。このため、半導体素子３と電気的に繋がった導体６とワイヤ８とを、超音波接合ではなく、接合材７によって接合することができる。したがって、導体６とワイヤ８との接合部は切欠き形状ではないため、導体６とのワイヤ８の接合部を長寿命化することができる。
【００３６】
また、ワイヤ８が半導体素子３の表面電極４にボンディングされる場合、および、ワイヤ８がはんだ等の接合材によって半導体素子３の表面電極４に接合される場合には、一般的に、ワイヤ８の線膨張係数は、半導体素子３の線膨張係数と比べて数倍以上に大きい。そのため、半導体モジュールの運用中の発熱、冷却の繰り返しによる温度変化時に、半導体素子３の線膨張係数とワイヤ８の線膨張係数との差異による熱応力が発生する。この熱応力がワイヤ８が表面電極４にボンディングされた接合面付近および半導体素子３とワイヤ８とを接合した接合材に生じることにより、当該接合面および当該接合材に破壊が発生しやすい。
【００３７】
一方、本実施の形態では、半導体素子３とワイヤ８との間に導体６を介しているため、導体６とワイヤ８との線膨張係数差による熱応力、および、半導体素子３と導体６との線膨張係数差による熱応力を考えればよい。導体６とワイヤ８とは一般的に線膨張係数差が小さいため、発生する熱応力は小さい。半導体素子３と導体６とは線膨張係数差が大きいが、半導体素子３と導体６との接合部の端が切欠き形状にならないため、発生する熱応力を低く抑えることができる。さらに、半導体素子３と導体６の接合面積はワイヤボンディングの面積と比較して数十倍以上に大きいため、接合部を長寿命化することができる。
【００３８】
また、本実施の形態に係る半導体モジュールでは、ワイヤ８および接合材７は溝６ａに入り込むように配置されているため、ワイヤ８を溝６ａに入れ込んで接合材７によって固定することが容易となる。
【００３９】
また、本実施の形態に係る半導体モジュールでは、接合材７は、銀を含む焼結体である。これにより、高耐熱、高信頼性の接合材を使うことで、ワイヤ８の接合部を長寿命化することができる。したがって、半導体モジュールの信頼性が大きく向上することが可能となる。
【００４０】
また、本実施の形態に係る半導体モジュールでは、ワイヤ８の材質は銅である。これにより、半導体モジュールのコストを低減することができる。
【００４１】
本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は次の工程を備えている。基板１に接合された半導体素子３の表面電極４をまたいでワイヤ８の両端部８ａの各々が基板１にボンディングされる。基板１にボンディングされたワイヤ８が半導体素子３の表面電極４と電気的に接続される。したがって、半導体素子３の表面電極４とワイヤ８との接合部を長寿命化し、かつワイヤ一本あたりの電流密度を小さくすることができる半導体モジュールを製造することが可能となる。
【００４２】
また、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は次の構成をさらに備えている。上面に溝６ａが設けられた導体６が表面電極４上に接合される。溝６ａ内にワイヤ８が押し入れられた後に溝６ａ内で導体６とワイヤ８とが導電性を有する接合材７で接合される。ワイヤ８を溝６ａに入れ込んで接合材７によって固定することが容易となる。また、チップ上の配線構造として、ワイヤ以外の銅板などを使用せず、従来のワイヤとワイヤボンディング装置を用いて配線できるため、製造が容易であるという利点がある。
【００４３】
実施の形態２．
図７〜図９を参照して、本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの構造について説明する。なお、ここでは、実施の形態１と異なる点について主に説明する。図７は、本実施の形態に係る半導体モジュールの正面図である。図５は、本実施の形態に係る半導体モジュールの上面図である。図６は、本実施の形態に係る半導体モジュールの端面図である。
【００４４】
図７、図８および図９に示すように、本実施の形態に係る半導体モジュールは、実施の形態１に係る半導体モジュールと同様に、主として、基板１と、接合材２と、半導体素子３と、接合材５と、導体６と、接合材７と、ワイヤ８とを有している。
【００４５】
図８に示されるように、ワイヤ８は２列に並んで導体パターン１ａ、１ｃにボンディングされていてもよい。また、図９に示されるように、ワイヤ８が導体６の溝６ａにおいて接合されるときに、２段以上に並んで接合されていてもよい。
【００４６】
次に、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法について説明する。
本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、実施の形態１に係る半導体モジュールの製造方法と同様であり、図８に示されるように、ワイヤ８がボンディングされる際に２列に並んで導体パターン１ａ、１ｃにボンディングされる点だけが異なる。なお、ワイヤ８は３列以上に並んでボンディングされていてもよく、ワイヤ８の両端部８ａの各々は導体パターン１ａ、１ｃの任意の位置にボンディングされていてもよい。
【００４７】
次に、本実施の形態に係る半導体モジュールの効果について説明する。ここでは、実施の形態１に係る半導体モジュールの効果に記載していなかった効果について説明する。
【００４８】
本実施の形態に係る半導体モジュールでは、導体６とのワイヤ８の接合部が２段以上になることで、一つの半導体素子３と電気的に接続されたワイヤ８の本数を、半導体素子３の表面積に依存せず、任意に増加することができる。半導体モジュールでは、半導体素子３だけでなく、ワイヤ８における損失による発熱も半導体モジュールの寿命を短くする要因である。本実施の形態では、ワイヤ一本当たりの電流密度を減らすことができるため、半導体モジュールを長寿命化することができる。
【００４９】
次に、図１０〜図１２を参照して、本実施の形態の変形例に係る半導体モジュールについて説明する。なお、本実施の形態の変形例は、特に説明しない限り、上記の本実施の形態と同様の構成を備えているため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
【００５０】
図１０に示されるように、本実施の形態の変形例１に係る半導体モジュールにおいては、１段目のワイヤ８同士の間に２段目のワイヤ８が配置され、２段目のワイヤ同士の間に１段目のワイヤが配置されている。つまり、１段目のワイヤ８と２段目のワイヤ８とは互いに１段目のワイヤ８同士の間と２段目のワイヤ８同士の間を詰めるように並んでいる。
【００５１】
本実施の形態の変形例１に係る半導体モジュールによれば、１段目のワイヤ８と２段目のワイヤ８との積層方向の距離を短くすることができる。したがって、半導体モジュールを小型化することができる。
【００５２】
図１１および図１２に示されるように、本実施の形態の変形例２における半導体モジュールにおいては、導体６の上にさらに導電性の接合材１１を介して導体１２が接合されている。導体１２は溝１２ａを有している。ワイヤ１４が溝１２ａ内において導電性の接合材１３によって接合されている。ワイヤ１４には、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等が用いられる。導体１２としては、例えば、銅（Ｃｕ）が用いられる。接合材１３としては、例えば、はんだ、焼結性銀粒子等が用いられる。ワイヤ８とワイヤ１４とは互いに交差する方向に半導体素子３の表面電極４をまたぐように配置されている。
【００５３】
半導体素子３上に導体が２つ以上、接合材によって接合される場合には、導体６とワイヤ８とが先に接合材７によって接合されてから、ワイヤ１４と導体１２とが接合材１３によって接合されてもよいし、接合材７と接合材１３を同時に硬化させてもよい。
【００５４】
本実施の形態の変形例２に係る半導体モジュールによれば、ワイヤ８とワイヤ１４とが半導体素子３の表面電極４をまたぐ方向を互いに異ならせることができる。これにより、ワイヤの配置の自由度を向上させることができる。
【００５５】
実施の形態３．
図１３〜１５を参照して、本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの構造について説明する。なお、ここでは、実施の形態１と異なる点について主に説明する。図１３は、本実施の形態に係る半導体モジュールの正面図である。図１４は、本実施の形態に係る半導体モジュールの上面図である。図１５は、本実施の形態に係る半導体モジュールの図１３におけるＸＶ部分の図１４におけるＸＶ−ＸＶ線に沿う断面を拡大して示す断面図である。
【００５６】
図１３、図１４および図１５に示すように、本実施の形態に係る半導体モジュールは、実施の形態１に係る半導体モジュールと同様に、主として、基板１と、接合材２と、半導体素子３と、接合材５と、導体６と、接合材７と、ワイヤ８とを有している。
【００５７】
図１３および図１４に示されるように、導体６および半導体素子３を上から見たときに、導体６の面積は半導体素子３の面積よりも小さい。すなわち、上面視において、導体６は半導体素子３よりも面積が小さい。つまり、導体６の上面の面積は、半導体素子３の上面の面積よりも小さい。具体的には、導体６の縦幅は半導体素子３の縦幅よりも小さく、導体６の横幅は半導体素子３の横幅よりも小さい。
【００５８】
図１５に示されるように、導体６が溝６ａを有する場合に、断面視において、溝６ａは、ワイヤ８が表面電極４をまたぐ方向に沿って、溝６ａの中央部（内部）の深さが深く、端部の深さが浅い形状であってもよい。つまり、導体６は、ワイヤ８が表面電極４をまたぐ方向に沿って、溝６ａの中央部の深さよりも溝６ａの端部の深さが浅くなる形状を有している。溝６ａの中央部の深さよりも溝６ａの両端部の各々の深さが浅くなっていてもよい。
【００５９】
なお、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造工程は、実施の形態１に係る半導体モジュールの製造工程と同様である。
【００６０】
次に、本実施の形態に係る半導体モジュールの効果について説明する。ここでは、実施の形態１および実施の形態２に係る半導体モジュールの効果に記載していなかった効果について説明する。
【００６１】
本実施の形態に係る半導体モジュールによれば、導体６および半導体素子３を上から見たときに、導体６の面積は半導体素子３の面積よりも小さいため、高電圧がかかりかつ絶縁を保つことが必要となる導体パターン１ｂとワイヤ８との間の絶縁距離を稼ぐことができる。
【００６２】
また、本実施の形態に係る半導体モジュールによれば、ワイヤ８が表面電極４をまたぐ方向に沿って、溝６ａの中央部の深さよりも溝６ａの端部の深さが浅くなるため、高電圧がかかりかつ絶縁を保つことが必要となる導体パターン１ｂとワイヤ８との間の絶縁距離を稼ぐことができる。
【００６３】
実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜３に係る半導体モジュールを電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
【００６４】
図１６は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【００６５】
図１６に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
【００６６】
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図１６に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
【００６７】
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００６８】
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１〜３のいずれかに相当する半導体モジュール２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００６９】
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【００７０】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００７１】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１〜３に係る半導体モジュールを適用するため、電力変換装置を長寿命化し、かつ半導体モジュールのワイヤ一本あたりの電流密度を小さくすることを実現することができる。
【００７２】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
【００７３】
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【００７４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７５】
１  基板、１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｅ  導体パターン、２  接合材、３  半導体素子、４  表面電極、５  接合材、６  導体、７  接合材、８  ワイヤ、８ａ  両端部、９  接合材、１０  ベース板、１１  接合材、１２  導体、１３  接合材、１４  ワイヤ、  １００  電源、２００  電力変換装置、２０１  主変換回路、２０２  半導体モジュール、２０３  制御回路、３００  負荷。
【要約】
半導体モジュールは、基板（１）と、半導体素子（３）と、ワイヤ（８）とを備えている。半導体素子（３）は、基板（１）上に接合され、かつ表面電極（４）を有する。ワイヤ（８）は、半導体素子（３）の表面電極（４）をまたいで両端部（８ａ）の各々が基板（１）にボンディングされている。ワイヤ（８）は、表面電極（４）と電気的に接続されている。【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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