(57)【要約】【課題】基板と半導体素子をはんだ層が接合し、半導体素子にテープ状の導線（テープボンド）がボンディングされた構成の半導体装置に関し、半導体素子が発熱した際のはんだ層に生じるストレスが低減され、当該ストレスに起因する破損を抑制することのできる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子１の表面においてテープ状の導線４がボンディングされる位置Ｐは、半導体素子１にテープ状の導線４がボンディングされていない状態において半導体素子に通電して半導体素子が発熱した際に、接合される金属板２と半導体素子１の線膨張差によって該半導体素子の内部で生じる内部歪が半導体素子を平面的に見た際にその中央で最も大きく、外側に向かって内部歪が小さくなる歪分布を呈するものにおいて、内部歪の最大値に対する比率が０．８４となる位置よりも外側であって該比率が０．８４未満となっている位置に設定されている半導体装置１０である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上で回路を形成する金属板と半導体素子がはんだ層を介して接合され、半導体素子の表面にテープ状の導線がボンディングされてなる半導体装置であって、
半導体素子の表面において前記テープ状の導線がボンディングされる位置は、半導体素子にテープ状の導線がボンディングされていない状態において半導体素子に通電して半導体素子が発熱した際に、相互に接合される金属板と半導体素子の線膨張差によって該半導体素子の内部で生じる内部歪が半導体素子を平面的に見た際にその中央で最も大きく、外側に向かって内部歪が小さくなる歪分布を呈するものにおいて、内部歪の最大値に対する比率が０．８４となる位置よりも外側であって該比率が０．８４未満となっている位置に設定されている半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の表面にテープ状の導線がボンディングされた構成の半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を搭載した半導体装置（パワーモジュール）の基本構成は、絶縁基板上にある回路を形成する金属板と半導体素子がはんだ層を介して接合され、半導体素子に外部電極に通じる導線（ワイヤ）がワイヤボンディングされたものが一般的であり、絶縁基板と半導体素子の間に銅板や純アルミニウム板等の金属板が積層してなる形態、絶縁基板の下方にヒートシンクやヒートシンクと冷却器等がろう付けされた冷却機構を具備する形態、さらには、絶縁基板と半導体素子の接続体がケース内に収容され、封止樹脂体でポッティングされた形態など、その構成形態は多岐に亘っている。
【０００３】
いずれの形態の半導体装置であっても、半導体素子に通電して発熱した際には、はんだ層を介して相互に接続された線膨張係数の異なる半導体素子と絶縁基板上にある回路を形成する金属板の線膨張差に起因して、半導体素子の内部には内部歪（非弾性歪）が生じることになる（半導体素子の線膨張係数は３ｐｐｍ／Ｋ程度、絶縁基板上にある回路を形成する金属板の線膨張係数は、金属板がアルミニウムからなる場合は２２ｐｐｍ／Ｋ程度、銅からなる場合は１６ｐｐｍ／Ｋ程度である。
【０００４】
たとえば平面視正方形の半導体素子を例示するに、この半導体素子が発熱した際には、その中央領域に熱が篭り易いことから発熱量が周辺領域に比して多くなり、したがって中央領域における内部歪は相対的に大きくなるのが一般的である。
【０００５】
実際に熱応力解析などをおこなうと、中央領域から外周に向かって内部歪が徐々に小さくなる同心円状、もしくは略同心円状の内部歪コンターが解析結果としてコンピュータ画面上で確認できる。
【０００６】
そして、半導体素子と金属板を繋ぐはんだ層は半導体素子や金属板に比して剛性が小さく、構造弱部であることから、はんだ層の中でも半導体素子の内部歪が最も大きな領域に対応する領域のストレスが最も大きくなり、この領域にクラックが生じ易くなっている。
【０００７】
半導体装置の小型化が進むにつれて該装置への電流密度や装置内で生じる発熱量も大きくなることから、はんだ層の特に半導体素子の内部歪が最も大きな領域に対応する領域におけるストレスの増大とこれに起因するクラックの発生はより一層顕著なものとなる。
【０００８】
一方、電流密度の高密度化に対応するべく、これまでのワイヤボンディングに代わって、テープ状で比較的幅広の導線を用いてこれを半導体素子の表面にボンディングし（いわゆるテープボンディング）、このテープ状の導線（テープボンド）を介して外部電極から半導体素子に通電する形態の半導体装置も開発されており、このような形態の半導体装置におけるテープボンディング方法やそのための装置が特許文献１に開示されている。
【０００９】
ところで、テープボンドがボンディングされた従来の半導体装置では、半導体素子の表面においてテープボンドをボンディングする位置の設定に特に注意が払われることはなかったが、はんだ層に付与されるストレスの観点で言えば、テープボンドがボンディングされる半導体素子位置に対応するはんだ層部位においてストレスがより一層大きくなり得ることが本発明者等によって特定されている。
【００１０】
このことを本発明者等によってなされた解析結果を示す図７〜図９を参照して説明する。図７ａには、回路を形成する金属板Ｋと半導体素子Ｓがはんだ層Ｈを介して接合され、半導体素子Ｓの表面に４つのテープ状導線Ｔがそれぞれ２箇所のボンディング位置Ｐ，Ｐでテープボンディングされている従来の半導体装置の解析モデルを示しており、図７ｂは図７ａのｂ矢視図（平面図）を示している。
【００１１】
本解析は図７で示す解析モデルの半導体素子に温度履歴を付与する熱応力解析であり、テープボンドのない解析モデルで半導体素子が発熱した際に該半導体素子内で生じる非弾性歪を求めた解析結果を図８ａに、そのIXａ矢視図を図９ａに、図７で示すテープボンドのある解析モデルで半導体素子が発熱した際に該半導体素子内で生じる非弾性歪を求めた解析結果を図８ｂに、そのIXｂ矢視図を図９ｂにそれぞれ示している。なお、解析結果の歪コンター図は、図７ｂの平面図の中央ラインＬの上下で対象であることから、図８の解析結果は図７ｂの上領域Ａのみを示している。
【００１２】
図９ａ，ｂを比較すると明りょうであるが、図９ａの歪グラフは金属板に半導体素子が接合され、双方の線膨張係数の相違に起因する結果であり、テープボンドのない解析モデルにおける内部歪の最大値は熱の篭り易い中央位置ｘ０で最大値ε０を示す。それに対し、テープボンドのある解析モデルにおける内部歪の最大値は、図９ｂで示すように、図９ａの歪グラフに対してテープボンドをボンディングしたことに起因する内部歪の増加分が加わってボンディング位置ｘ３でε１（＞ε０）、ボンディング位置ｘ４でε２（＞ε１＞ε０）を示す結果となっている。
【００１３】
このような解析結果を踏まえ、本発明者等は半導体素子に対するテープボンドのボンディング位置に着目し、従来構造の半導体装置に比してはんだ層にストレスが付与され難く、もってクラック等の破損が生じ難い構造の半導体装置の発案に至っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−２５０５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、回路を形成する金属板と半導体素子をはんだ層が接合し、半導体素子にテープ状の導線（テープボンド）がボンディングされた構成の半導体装置に関し、半導体素子が発熱した際のはんだ層に生じるストレスが低減され、当該ストレスに起因する破損を抑制することのできる半導体装置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】
【００１６】
前記目的を達成すべく、本発明による半導体装置は、絶縁基板上で回路を形成する金属板と半導体素子がはんだ層を介して接合され、半導体素子の表面にテープ状の導線がボンディングされてなる半導体装置であって、半導体素子の表面において前記テープ状の導線がボンディングされる位置は、半導体素子にテープ状の導線がボンディングされていない状態において半導体素子に通電して半導体素子が発熱した際に、相互に接合される金属板と半導体素子の線膨張差によって該半導体素子の内部で生じる内部歪が半導体素子を平面的に見た際にその中央で最も大きく、外側に向かって内部歪が小さくなる歪分布を呈するものにおいて、内部歪の最大値に対する比率が０．８４となる位置よりも外側であって該比率が０．８４未満となっている位置に設定されているものである。
【００１７】
本発明の半導体装置は、その構成要素である半導体素子の表面にテープ状の導線（テープボンド）がボンディングされた構成の装置に関し、テープボンドのボンディング位置を最適な範囲に調整することにより、テープボンドをボンディングすることによって半導体素子が発熱した際にその内部歪（非弾性歪）が増加した場合であっても、その内部歪の最大値をテープボンドがボンディングされない構成の内部歪の最大値よりも小さくすることのできる装置である。
【００１８】
すなわち、半導体素子表面におけるテープボンドのボンディング位置のみを調整しただけの極めて簡易な構造改良により、半導体素子が発熱した際の内部歪に起因する構造弱部であるはんだ層に付与されるストレスを低減するものである。
【００１９】
ここで、半導体装置を構成して回路を形成する金属板は、銅やアルミニウム、もしくはこれらの合金から形成できる。また、回路を形成する金属板の下方に位置する絶縁基板には、たとえば純アルミニウムからなる基板と窒化アルミニウムからなる基盤とを積層してなる積層体（ＤＢＡ）などが含まれる。さらに、半導体素子は、ＩＣチップ（シリコンチップ）やトランジスタ、ダイオードなどの素子全般を示称している。
【００２０】
また、半導体装置には、上記する絶縁基板の下方に、ヒートシンク板や、ヒートシンク板と冷媒還流路を具備する冷却器とのアルミダイキャスト一体成形体を具備するものであってもよく、さらには、半導体素子、回路を形成する金属板、絶縁基板、およびヒートシンク板等の積層体が絶縁素材（セラミックス、熱硬化性もしくは熱可塑性の樹脂素材、アルミニウムやその合金素材など）のケース内に収容されるものであっても、ケースレス構造のものであってもよい。さらに、半導体素子や金属板の表面に絶縁性を付与するべく、比較的高剛性なポッティング樹脂体、低剛性で可撓性に富むゲル状のポッティング樹脂体などを、半導体素子や金属板の表面上に具備する形態であってもよい。
【００２１】
既述するように、テープボンドがボンディングされていない構成の半導体装置を取り上げると、半導体素子が発熱した際には、その中央領域で熱が篭り易く、したがって、発熱時の内部歪分布は中央領域で最も大きくなり、外側に向かって同心円状もしくは略同心円状で内部歪は小さくなる傾向を呈する。
【００２２】
そして、テープボンドがボンディングされると、このボンディング位置で半導体素子の内部歪が増加することになるが、本発明者等によれば、このボンディング位置が半導体素子の中央領域に近い一定の範囲にある場合は、テープボンドがボンディングされていない場合の最大値よりも大きな内部歪となることが実証されている。
【００２３】
本発明者等によれば、テープボンドがボンディングされていない状態での半導体素子において、その中央位置の最大の内部歪で各部位の内部歪を規格化（各部位の内部歪を最大値で除する）した値が０．８４よりも小さな範囲にテープボンドをボンディングすることにより、半導体素子表面にテープボンドをボンディングした場合であっても内部歪の最大値は増加しないことが見出されている。
【００２４】
そこで、テープボンドのボンディング位置を、半導体素子が発熱した際に、相互に接合される金属板と半導体素子の線膨張差によって該半導体素子の内部で生じる内部歪が半導体素子を平面的に見た際にその中央で最も大きく、外側に向かって内部歪が小さくなる歪分布を呈するものにおいて、内部歪の最大値に対する比率が０．８４となる位置よりも外側であって該比率が０．８４未満となっている位置に設定することにより、当該ボンディングに起因する半導体素子の内部歪の増大を抑止することができ、構造弱部であるはんだ層に付与されるストレスの増加を抑止することでそのクラック等の破損の抑制を図ることが可能となる。
【００２５】
上記する半導体装置によれば、その小型化と高電流密度化に対応するべく、テープボンドを介して半導体素子に通電がおこなわれる構成の半導体装置であっても、半導体素子が発熱した際のはんだ層の破損は効果的に抑制されていることから、その車載機器に高性能かつ高耐久が要求される、近時のハイブリッド車や電気自動車に車載されるインバータ等への適用に最適である。
【発明の効果】
【００２６】
以上の説明から理解できるように、本発明の半導体装置によれば、半導体素子の表面にテープボンドがボンディングされた構成の装置であっても、テープボンドのボンディング位置が最適な範囲に調整されていることにより、テープボンドをボンディングすることに起因する半導体素子発熱時の内部歪（非弾性歪）の増加によってもその内部歪の最大値をテープボンドがボンディングされない構成の場合の内部歪よりも小さくすることができ、半導体素子の内部歪によって付与されるはんだ層のストレスが増加することを抑止することができ、もってはんだ層の破損を効果的に抑止して半導体装置の耐久低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の半導体装置の一実施の形態の縦断面図である。
【図２】図１のII−II矢視図であって本発明の半導体装置の一実施の形態の平面図である。
【図３】（ａ）は、テープボンドのボンディング位置を規定するための解析で用いた解析モデルを示す模式図であり、（ｂ）は、解析条件である半導体素子の温度履歴グラフを示す図である。
【図４】（ａ）は、テープボンドをボンディングしていないモデルの温度応力解析結果の非弾性歪の歪分布を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の解析結果を用いて、中央の最大値で各部位を規格化した規格化後の歪分布を示す図である。
【図５】（ａ）は、テープボンドがボンディングされている解析モデルの温度応力解析結果の非弾性歪の歪分布を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の解析結果を用いて、中央の値（最大値ではない）で各部位を規格化した規格化後の歪分布を示す図である。
【図６】温度応力解析結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、従来構造のテープボンドがボンディングされてなる半導体装置を示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ矢視図である。
【図８】（ａ）は、図７で示す構造からテープボンドを廃した構成の半導体装置をモデル化して温度応力解析をおこなった結果を示す図であり、（ｂ）は図７で示す構成の半導体装置をモデル化して温度応力解析をおこなった結果を示す図である。
【図９】（ａ）は、図８ａのIXａ−IXａ矢視図であり、（ｂ）は、図８ｂのIXｂ−IXｂ矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の半導体装置の実施の形態を説明する。図１は本発明の半導体装置の一実施の形態の縦断面図であり、図２は図１のII−II矢視図であってその平面図となっている。
【００２９】
図１，２で示す半導体装置１０は、回路を形成する金属板２の一側面にはんだ層３を介して半導体素子１が接続され、半導体素子１の表面には幅広のテープ状の導線（テープボンド４）が２つのボンディング位置Ｐ，Ｐでボンディングされてその全体が大略構成されている。なお、テープボンド４のボンディング位置の基数は図示例に何等限定されるものではない。
【００３０】
回路を形成する金属板２は、銅やアルミニウム、もしくはこれらの合金を素材とするものであり、その下方には、不図示の絶縁基板やさらに不図示の応力緩和基板等が設けられており、この絶縁基板には、たとえば純アルミニウムからなる基板と窒化アルミニウムからなる基盤とを積層してなる積層体（ＤＢＡ）などが含まれる。
【００３１】
一方、半導体素子１には、ＩＣチップ（シリコンチップ）やトランジスタ、ダイオードなどのいずれか一種が適用できる。
【００３２】
はんだ層３は、Ｐｂ系はんだ、Ｐｂフリーはんだのいずれであってもよいが、環境影響負荷低減を図るべく、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだなどのＰｂフリーはんだからなるものが好ましい。
【００３３】
図２で示すように、半導体素子１の表面でテープボンド４がボンディングされるボンディング位置Ｐは、最適なボンディング位置を規定する環状ラインＱよりも外側となるように設定される。
【００３４】
この環状ラインＱは、後述する本発明者等による温度応力解析結果に基づいて半導体素子１が発熱した際に生じる非弾性歪の最大値が、テープボンドを具備しない構造の半導体装置の場合の非弾性歪の最大値よりも小さくなる、もしくはこの最大値以下となる境界ラインであり、この環状ラインＱよりも外側にボンディング位置Ｐを設定するようにしたものである。
【００３５】
テープボンド４をボンディングすることにより、半導体素子１が発熱した際には、この半導体装置１にはテープボンド４とはんだ層３を介して金属板２とから拘束を受け、非弾性歪み分布は、半導体素子１の中央とテープボンド４のボンディング位置で歪みのピークを有する歪分布を呈することになる。その際に、ボンディング位置が環状ラインＱよりも内側に存在すると、ボンディング位置における非弾性歪のピーク値が半導体素子の中央位置におけるピーク値よりも高くなってしまう。
【００３６】
そこで、ボンディング位置を環状ラインＱよりも外側に設定することにより、テープボンド４をボンディングした構成の半導体装置１０においても、テープボンドをボンディングしない構成の半導体装置よりも半導体素子１が発熱した際に生じる非弾性歪（内部歪）を小さくすることができる。そして、このように非弾性歪が小さくなることにより、この半導体素子１内で生じる非弾性歪に起因してはんだ層３に付与されるストレスを低減することができ、このストレスに起因して生じ得るクラック等の破損を抑制することができる。そしてこのことは、テープボンドをボンディングしたことに起因する半導体装置の耐久低下を抑制することに繋がるものである。
【００３７】
なお、この環状ラインＱは、後述する解析結果に基づき、図２で示すように半導体装置１０を平面的に見た際に、テープボンドがボンディングされていない構成の場合の中央位置における非弾性歪の最大値に対して比率０．８４の非弾性歪を与える部位から構成されるラインとなっている。
【００３８】
[テープボンドのボンディング位置を規定するための温度応力解析とその結果]
本発明者等は、図３ａで示すように金属板モデルＭ２と半導体素子モデルＭ１がはんだ層モデルＭ３を介して接続され、半導体素子モデルＭ１にテープボンドモデルＭ４がボンディングされた解析モデルＭ、および、この解析モデルＭからテープボンドを廃した別途の解析モデル（不図示）をコンピュータ内で作成し、それぞれの解析モデルに対して図３ｂで示す温度履歴を半導体素子モデルに付与して各解析モデルの半導体素子に生じる非弾性歪を求めた。
【００３９】
図４ａは、テープボンドをボンディングしていない解析モデルの温度応力解析結果の非弾性歪の歪分布を示す図であり、図４ｂは、図４ａの解析結果を用いて、中央の最大値で各部位を規格化した規格化後の歪分布を示す図である。一方、図５ａは、テープボンドがボンディングされた図３aで示す解析モデルの温度応力解析結果の非弾性歪の歪分布を示す図であり、図５ｂは、図５ａの解析結果を用いて、中央の最大値で各部位を規格化した規格化後の歪分布を示す図である。
【００４０】
図５ａ，ｂより、テープボンドのボンディング位置によっては、中央の非弾性歪の値よりもボンディング位置における非弾性歪の値が高くなっている。
【００４１】
一方、図４ａで示す温度応力解析の結果に基づき、非弾性歪の値が最大となる中央位置の値で他の部位の値を除して規格化し、図４ｂで示す結果を得ている。
【００４２】
この図４ｂ、図５ｂの各規格化後の結果に基づき、それぞれの解析モデルの半導体素子において共通した複数点での各規格値を求め、テープボンドがボンディングされた解析モデルの規格値の結果を縦軸に、テープボンドがボンディングされていない解析モデルの規格値の結果を横軸とし、複数点（本解析では４点）の結果をプロットしてその近似直線を求めたものを図６に示している。なお、各プロットから近似直線（もしくは回帰直線）を作成する方法としては、直線方程式：ｙ＝ａｘ＋ｂを仮に設定し、最小二乗法にてａ，ｂを求める方法などを使用できる。
【００４３】
同図において、縦軸の１に対応する近似直線の横軸を読んで０．８４が特定される。
【００４４】
縦軸で１よりも大きな範囲はテープボンドがボンディングされた構成の半導体装置においてボンディング位置の非弾性歪の値が中央位置の値よりも高くなる範囲を示しており、縦軸で１以下の範囲はボンディング位置の非弾性歪の値が中央位置の値以下となる範囲を示している。
【００４５】
したがって、縦軸１に対応する横軸０．８４以下（もしくは０．８４未満）の範囲に相当する半導体素子の平面位置を特定し、この範囲よりも外側（図２の環状ラインＱの外側）にボンディング位置を設定することにより、テープボンドをボンディングしたことによる半導体素子における内部歪の増加とこれに起因するはんだ層のストレス増加の問題は解消され、テープボンドがボンディングされてなる半導体装置においてもその耐久低下という課題が解消されるものとなる。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４７】
１…半導体素子、２…金属板、３…はんだ層、４…テープボンド（テープ状の導線）、１０…半導体装置、Ｐ…ボンディング位置、Ｑ…最適なボンディング位置を規定する環状ライン
【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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