(57)【要約】【課題】  高温環境下でも長期の信頼性が高い半導体装置を提供することにある。【課題を解決するための手段】  半導体装置は、絶縁基板と該絶縁基板の表面に形成された配線とを有する配線基板と、該配線基板の配線上に配置された複数の半導体素子と、該半導体素子と外部接続端子を電気的に接続する第１の板状接続配線と、上記配線基板の配線と外部接続端子を電気的に接続する第２の板状接続配線と、を有し、上記第１及び第２の板状接続配線は、CuまたはCu系の材料によって形成された帯状部材である。【選択図】図１
2007081155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と該絶縁基板の表面に形成された配線とを有する配線基板と、該配線基板の配線上に配置された複数の半導体素子と、該半導体素子と外部接続端子を電気的に接続する第１の板状接続配線と、上記配線基板の配線と外部接続端子を電気的に接続する第２の板状接続配線と、を有し、上記第１及び第２の板状接続配線は、CuまたはCu系の材料によって形成された帯状部材であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、上記第１の板状接続配線と上記第２の板状接続配線の少なくとも一部は、互いに近接し且つ互いに平行になるように配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、上記第１の板状接続配線は、第１の半導体素子に対する接合面を形成する第１の接合部、第２の半導体素子に対する接合面を形成する第２の接合部、外部接続端子に対する接合面を形成する第３の接合部、上記第１の接合部と上記第２の接合部を接続する第１のブリッジ部、及び、上記第２の接合部と上記第３の接合部を接続する第２のブリッジ部を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置において、上記第１の板状接続配線の第１の接合部、第２の接合部、及び、第３の接合部の接合面に、突起が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、上記第２の板状接続配線は、上記配線基板上の配線に対する接合面を形成するＬ字形部、上記外部接続端子に対する接合面を形成する接合部、及び、上記Ｌ字形部と上記接合部を接続するブリッジ部を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置において、上記第２の板状接続配線のＬ字形部及び上記接合部の接合面に、突起が設けら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に記載の半導体装置において、上記半導体素子は、電流の切り換えを行うスイッチング機能を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置を用いた電力変換装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電力変換装置を用いて電気モータへ交流電力を供給するように構成されたハイブリット自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子を含む半導体装置に関し、特に、電力変換器として用いて好適な半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンと電気モータから走行駆動力を得るハイブリッド車、及び、電気モータのみから走行駆動力を得る電気自動車では、電気モータへ交流電力を供給するための電力変換器が必要である。この電力変換器として、半導体素子（チップ）を用いたパワー半導体装置が用いられる。パワー半導体装置は、高発熱体であるエンジン付近に配置されるため、高温環境下における長期の信頼性が要求される。
【０００３】
パワー半導体装置では、半導体素子とその周辺に配置される外部電極が、アルミ製のボンディングワイヤを用いて結線されることが多い。半導体チップとアルミ製ボンディングワイヤは熱膨張率が異なるから、高温環境下では、半導体チップとボンディングワイヤとの接合部に剥離が生ずることがある。
【０００４】
特開2000-183249号公報には、半導体チップとブスバー電極を導電性樹脂によって接続し、ブスバー電極の上に低熱膨張材を貼り付けた構造のパワー半導体装置が記載されている。
【特許文献１】特開2000-183249号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
パワー半導体装置においてブスバー電極に低熱膨張材を貼り付けると次のような問題がある。（１）高温環境下にて、Cuブスバー配線が弓形に変形する。これは、ブスバー配線と低熱膨張材が、熱膨張係数の差に起因してバイメタルのように振舞うからである。ブスバー配線が弓形に変形すると、半導体チップからブスバー配線を引き剥がす力が発生する。このような引き剥がし力は、車の運転、停止（休止）のサイクルによって繰り返し発生することになる。そのため、半導体チップとブスバー配線の間の接合部に剥離が発生し易くなる。（２）ブスバー配線が弓形に変形するとそれに接続されている半導体チップも弓形に変形する。半導体チップと絶縁基板は、はんだ等の塑性変形しやすい材料で接合されている。従って、半導体チップが弓形に変形すると、半導体チップと絶縁基板の間の接合部にも、両者を引き剥がす力が生ずる。このように、低熱膨張材をCuブスバー配線に貼り付けた構造では、高温環境下における長期信頼性の確保が非常に困難になる。
【０００６】
更に、パワー半導体装置において半導体チップとブスバー電極の接合部に導電性樹脂を用いると、次のような問題がある。（３）導電性樹脂の温度が、そのガラス転移温度近くまで上昇すると、導電性樹脂が軟化し、接合部の降伏応力が低下する。（４）導電性樹脂の電気抵抗値は通常使用される他の接合材の電気抵抗値と比較するとかなり大きい。例えば、接合材として使用されるSnPb共晶はんだの体積抵抗率は約１５μΩ・ｃｍであるが、導電性樹脂材の体積抵抗率は１Ω・ｃｍである。即ち、導電性樹脂材の体積抵抗率はSnPb共晶はんだの体積抵抗率の約７万倍と大きい。
【０００７】
更に、パワー半導体装置において、隣接する配線によってインダクタンスが発生することがある。
【０００８】
本発明の目的は、高温環境下でも長期の信頼性が高く、且つ、不要なインダクタンスの発生を回避することができる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によると、半導体装置は、絶縁基板と該絶縁基板の表面に形成された配線とを有する配線基板と、該配線基板の配線上に配置された複数の半導体素子と、該半導体素子と外部接続端子を電気的に接続する第１の板状接続配線と、上記配線基板の配線と外部接続端子を電気的に接続する第２の板状接続配線と、を有し、上記第１及び第２の板状接続配線は、CuまたはCu系の材料によって形成された帯状部材である。上記第１の板状接続配線と上記第２の板状接続配線の少なくとも一部は、互いに近接し且つ互いに平行になるように配置されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、高温環境下でも長期の信頼性が高く、且つ、不要なインダクタンスの発生を回避することができる半導体装置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】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明による半導体装置の実施例の一つを示す図である。本例の半導体装置は、支持部材110と、支持部材110の上にはんだ材130を介して設けられた配線基板101と、配線基板101の上にはんだ材130を介して設けられた半導体素子105、106と、を有する。半導体素子105、106は、電流の切り換えを行うスイッチング素子として機能し、スイッチング半導体素子、又は、パワー半導体素子と称される。例えば、一方の半導体素子105はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、他方の半導体素子106はダイオードである。
【００１２】
配線基板101は、絶縁体102とその上側のCu配線103と絶縁体102の下側のCu製放熱板104からなる積層部材である。絶縁体102は窒化珪素板等のセラミックス基板である。例えば、Cu配線103の厚さは1.0mm、Cu製放熱板104の厚さは0.8mm、絶縁体102の厚さは0.32mmである。
【００１３】
半導体素子105、106と外部接続端子121は、第１の板状接続配線107によって接続されている。配線基板101上のCu配線103と外部接続端子122は、第２の板状接続配線108によって接続されている。板状接続配線107、108はCuまたはCu系の材料によって形成された帯状部材であり、表面にNiめっきが施されている。
【００１４】
第１の板状接続配線107は、第１の半導体素子105に対する接合面を形成する第１の接合部107a、２つの半導体素子105、106を電気的に接続する第１のブリッジ部107b、第２の半導体素子106に対する接合面を形成する第２の接合部107c、第２の半導体素子106と外部接続端子121を接続する第２のブリッジ部107d、及び、外部接続端子121に対する接合面を形成する第３の接合部107eからなる。第１及び第２の接合部107a、107cは、はんだ材130を介して半導体素子105、106の上面のエミッタ電極に、それぞれ接続されている。第３の接合部107eは、はんだ材130を介して外部接続端子121に接続されている。はんだ材130は、Snを含有し、厚さが約150μmである。
【００１５】
第２の板状接続配線108は、配線基板101上のCu配線103に対する接合面を形成するＬ字形部108a、外部接続端子122に対する接合面を形成する接合部108c、及び、Ｌ字形部108aと接合部108cを接続するブリッジ部108bからなる。Ｌ字形部108aの下端は、はんだ材130を介して配線基板101上のCu配線103に接続されている。接合部108cは、はんだ材130を介して外部接続端子122に接続されている。Ｌ字形部108aは、ブリッジ部108bの長さを十分大きくするために設ける。
【００１６】
本例によると、図示のように、第１の板状接続配線107の第２のブリッジ部107dの下側に第２の板状接続配線108のブリッジ部108bが近接して配置され、且つ、２つのブリッジ部107d、108bは略平行に配置されている。こうして本例では、２つの板状接続配線107、108のブリッジ部107d、108bが近接して且つ平行に配置されているため、インダクタンスを小さくすることができる。
【００１７】
半導体素子105の下面のコレクタ電極は、はんだ材130を介して配線基板101上のCu配線103に接続されている。半導体素子105の上面のゲート電極と外部接続端子123は、ボンディングワイヤ109によって接続されている。
【００１８】
パワー半導体モジュールにおいては、コレクタ電極ばかりでなくエミッタ電極にも大きな電流が流れるため、エミッタ電極に接続する配線として、板状接続配線107、108を用いる。それにより、エミッタ電極における接続面の信頼性、および放熱性を向上させることが可能になる。
【００１９】
支持部材110の外面には冷却フィン111が設けられている。支持部材110の縁には、ケース112が接続されている。したがって、支持部材110を底面、ケース112を側面とする四角形の凹部が形成される。この凹部に、封止材113が充填されている。封止材113によって、支持部材110上の配線基板101、半導体素子105、106、板状接続配線107、108、ボンディングワイヤ109、及び、外部接続端子121、122、123は、外気より遮断される。
【００２０】
次に、本実施例による半導体装置のモジュールの基本的な効果について説明する。板状接続配線107、108の材料は、高電導性を有すると同時に高熱伝導性を有することが望ましい。高電導性と高熱伝導性を有する材料として、上述のように、CuまたはCu系の合金がある。板状接続配線107、108の熱膨張係数は、約１８ｐｐｍ／℃である。
【００２１】
配線基板101は、上述のように、Cu配線103、絶縁体102及びCu製放熱板104からなる積層部材である。絶縁体102として窒化珪素板を用いると、配線基板101の熱膨張係数は約１０ｐｐｍ／℃となる。
【００２２】
したがって、半導体素子105、106は、熱膨張係数１８ｐｐｍ／℃の板状接続配線107、108と熱膨張係数１０ｐｐｍ／℃の配線基板101によって挟まれている。半導体素子105、106と配線基板101の間における熱膨張係数の差に起因する熱応力は小さいが、半導体素子105、106と板状接続配線107、108の間における熱膨張係数の差に起因する熱応力は比較的大きい。
【００２３】
配線基板101は所定の材料からなり且つ所定の厚さを有する複数の層からなる積層構造を有し、その熱膨張係数は一定の範囲にある。したがって、半導体素子105、106と板状接続配線107、108の間の熱膨張係数の差をできるだけ小さくする必要がある。そこで、板状接続配線107、108の材料として、CuまたはCu系の材料、例えば、Ｃｕ/インバー/Ｃｕの構成の材料などが望ましい。
【００２４】
次に、第１の板状接続配線107と半導体素子105、106の間の接合部の信頼性について説明する。半導体素子105、106は電流のスイッチングを行うため、高温の発熱源である。半導体装置では、半導体素子105、106によって発生する熱を放熱させる必要がある。本例の板状接続配線107の熱伝導率は、約３８０Ｗ/ｍ℃であり、かなり大きい。例えば、参考値として、ボンディングワイヤに用いられるアルミニウムの熱伝導率は、２３３Ｗ/ｍ℃である。従って、板状接続配線107は、半導体素子105、106が発生する熱に対して高い放熱性を達成することができる。板状接続配線107とパワー半導体素子105、106の接合部の温度を、従来のアルミニウム製のボンディグワイヤと半導体素子の接合部と比べて、低くすることができる。接合部の温度を低くすることは、その熱膨張量の低減を意味する。従って、本例では、従来のアルミニウム製のボンディグワイヤと半導体素子の接合部と比べて、長期的信頼性が向上することができる。
【００２５】
図２は本発明による半導体装置の実施例の一つを示す図である。本例の半導体装置では、第１の板状接続配線107の第１の接合部107a、第２の接合部107c、及び第３の接合部107eの接合面に複数の突起107Aが設けられている。第２の板状接続配線108のＬ字形部108a及び接合部108cの接合面に複数の突起108Aが設けられている。
【００２６】
本例の半導体装置は、図１の半導体装置と比較して、板状接続配線107、108の接合面に複数の突起107A、108Aが設けられている点が異なり、それ以外は同一である。
【００２７】
図１の実施例１で説明したように、半導体素子105、106は、熱膨張係数１８ｐｐｍ／℃の板状接続配線107、108と熱膨張係数１０ｐｐｍ／℃の配線基板101によって挟まれている。半導体素子105、106と配線基板101の間における熱膨張係数の差に起因する熱応力は小さいが、半導体素子105、106と板状接続配線107、108の間における熱膨張係数の差に起因する熱応力は比較的大きい。
【００２８】
しかしながら、本例では、板状接続配線107、108の接合面に複数の突起107A、108Aを設けるため、熱膨張差に起因する熱応力を分散させることができる。このため、接合部における信頼性を大幅に高めることができる。
【００２９】
以上の説明では、半導体素子105としてはIGBTを用いるが、MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等のように、主電流の入出力に上下２面の電極を持っている半導体素子ならば、同様に適用することができる。
【００３０】
また、本発明の半導体装置は自動車のエンジンの電力変換装置ばかりでなく各種の電力変換装置に適用することができる。このように各種の電力変換装置に本例の半導体装置を適用することによって、高温環境の場所に搭載できて、かつ専用の冷却器を持たなくても長期的な信頼性を確保可能な電力変換装置を提供することが可能になる。
【００３１】
図３は半導体装置の回路を説明する図である。半導体装置900は、2系統のブロック901、902を有し、各ブロック901は、並列に接続された４個のMOS FET素子910を有する。半導体装置900は、更に、入力主端子931、932、出力主端子933、及び、補助端子934を有する。
【００３２】
半導体装置900には、温度検出用サーミスタ915が設けられている。温度検出用サーミスタ915は、半導体装置900の回路とは独立して設けられている。温度検出用サーミスタ915の出力は、自動車のエンジンの制御部に供給される。
【００３３】
図４は、本実施例の半導体装置900が、ハイブリッド自動車電動機960の回転数制御用インバータ装置に組み込まれた例を示す。
【００３４】
本実施例の半導体装置900が組み込まれたインバータ装置及び電動機は、電気自動車又はハイブリッド自動車の動力源として使用される。電気自動車又はハイブリッド自動車では、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化できたためギヤーの噛込み比率の違いにより変速していた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され、スムーズな走行が可能で、振動や騒音の面でも従来よりも軽減することができる。
【００３５】
本実施例の半導体装置900を組み込んだインバータ装置は、冷暖房機に使用することができる。インバータ装置を用いた冷暖房機は、従来の交流電動機を用いた冷暖房機より高い効率を得ることができる。この点は、冷暖房機使用時の電力消費を低減するのに役立つ。また、室内の温度が運転開始から設定温度に到達するまでの時間を、従来の交流電動機を用いた場合より短縮できる。
【００３６】
本実施例の半導体装置900を流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗濯機、流体循環装置等に組み込むことできる。
【００３７】
以上本発明に関し、実施例を用いて具体的に説明したが、本発明はこれら実施例に限定したものではなく、各実施例の組み合わせやその効果を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による半導体装置の第１の例の構造を示す図である。
【図２】本発明による半導体装置の第２の例の構造を示す図である。
【図３】本発明による半導体装置の回路構成を示す図である。
【図４】本発明による半導体装置を用いたハイブリッド自動車電動機の回転数制御用インバータ装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
101…配線基板、102…絶縁体、103…Cu配線、104…Cu製放熱板、105、106…半導体素子、107、108…板状接続配線、107A、108A…突起、109…ボンディングワイヤ、110…支持部材、111…冷却フィン、112…ケース、113…封止材、121、122、123…外部接続端子、900…半導体装置、901、902…ブロック、910…MOS FET素子、915…温度検出用サーミスタ、931、932…入力主端子、933…出力主端子、934…補助端子、960…ハイブリッド自動車電動機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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