(57)【要約】【課題】半導体素子の主面に設けられた主電極及び制御電極とボンディングワイヤ等の接続配線との接続信頼性に優れ、制御電極と接続配線の接続作業性を向上可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子１の主面に設けられた制御電極４と主電極３が、導電部材を介してワイヤまたはリボン状の接続配線７，９と電気的に接続された構成を備え、導電部材は、制御電極４に接合された制御電極用導電部材６と、主電極３に接合された主電極用導電部材５に分割され、且つこれらが絶縁材１３で固定されており、制御電極用導電部材６は制御電極４と接続される面よりも接続配線７と接続される面の面積の方が広いことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の主面に設けられた制御電極と主電極が、導電部材を介してワイヤまたはリボン状の接続配線と電気的に接続された構成を備え、
前記導電部材は、制御電極に接合された制御電極用導電部材と、主電極に接合された主電極用導電部材に分割され、且つこれらが絶縁材で固定されており、
制御電極用導電部材は制御電極と接続される面よりも接続配線と接続される面の面積の方が広い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、
主電極用導電部材の熱膨張係数が半導体素子の熱膨張係数よりも大きく、接続配線の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１の半導体装置において、
主電極用導電部材および制御電極用導電部材の熱膨張係数が半導体素子の熱膨張係数よりも大きく、接続配線の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１の半導体装置において、
主電極用導電部材は主電極と接続される面よりも接続配線と接続される面の面積の方が広いことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１の半導体装置において、
制御電極用導電部材の接続配線との接続部が、主電極用導電材の上に前記絶縁材を介して接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１の半導体装置において、
制御電極用導電部材の一部が前記絶縁材を介して主電極用導電材を覆うように配置されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールに関するものであり、特にモータ制御等の電力変換用の半導体素子を搭載した半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道や電気自動車やハイブリッド自動車に用いられるモータ駆動は、通常電力変換器（インバータ）により制御されている。インバータの主回路と呼ばれる部分には、大電流を制御するためのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子と、スイッチング時の逆電圧を解放するためのＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅａｌ Ｄｉｏｄｅ）と呼ばれる半導体素子が搭載された半導体モジュールが用いられる。車両分野では、搭載機器の小型軽量化が加速されているため、デバイスあるいはパッケージ当たりの電力密度は高くなる傾向にある。そのため、大電流に対応した半導体デバイスとの配線方法および接続寿命の向上が強く望まれている。
【０００３】
特許文献１には、半導体素子の上面に設けられた電極パッドに一枚の金属板をはんだで接合し、ボンディングワイヤを接続する方式を開示している。特許文献１では、半導体素子上の複数の電力起動用の電極パッドを導電部材によって連結しボンディング領域を確保して、ワイヤボンディング時の作業性を向上できることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2003-229449号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＩＧＢＴ素子では、表面電極にエミッタ電極（主電極）とゲート電極（制御電極）が、裏面電極にはコレクタ電極が形成されている。ＭＯＳＦＥＴ素子では、表面電極にソース電極（主電極）とゲート電極（制御電極）が形成され、裏面電極にはドレイン電極が形成されている。特許文献１のように、ボンディングワイヤを接続する半導体素子の主電極が複数に分割されている場合、これらを連結して接続した導電部材を設けることにより、ボンディングワイヤを接続する領域を広げ、作業性を向上させることが可能になる。しかしながら、特許文献１では、半導体素子の制御を行うための制御電極には導電部材を設けていないため、制御電極へのワイヤボンディング時の作業性は従来の半導体装置と同等である。電力用の半導体装置では、より多くの電流を流すために半導体素子上の主電極の面積を広げることが有効であり、そのために制御電極を小さくするとワイヤボンディング可能な面積が確保できず作業性および接続信頼性を向上させることができなくなるという課題がある。一方、制御電極へのワイヤボンディングの作業性を向上させるために、制御電極の面積を広くすると主電極の面積が小さくなり、素子の大容量化を実現できない。また、高発熱部である主電極の発熱量の増加によって接続信頼性の低下を招く。
【０００６】
本発明の目的は、上述の課題を解決して、半導体素子の主面に設けられた主電極及び制御電極とボンディングワイヤ等の接続配線との接続信頼性に優れ、制御電極と接続配線の接続作業性を向上可能な半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明に係わる半導体装置は、半導体素子の主面に設けられた制御電極と主電極が、導電部材を介してワイヤまたはリボン状の接続配線と電気的に接続された構成を備え、前記導電部材は、制御電極に接合された制御電極用導電部材と、主電極に接合された主電極用導電部材に分割され、且つこれらが絶縁材で固定されており、制御電極用導電部材は制御電極と接続される面よりも接続配線と接続される面の面積の方が広いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、半導体素子の主面に設けられた主電極及び制御電極とボンディングワイヤ等の接続配線との接続信頼性に優れ、制御電極と接続配線の接続作業性を向上可能な半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の半導体装置の要部斜視図である。
【図２】第１実施形態の半導体装置の製造工程を示す要部斜視図である。
【図３】第１実施形態の半導体装置の製造工程を示す要部斜視図である。
【図４】第１実施形態の半導体装置の製造工程を示す要部斜視図である。
【図５】第１実施形態の半導体装置の製造工程を示す要部斜視図である。
【図６】第１実施形態の導電材の製造工程概略図である。
【図７】第２実施形態の半導体装置の要部斜視図である。
【図８】第３実施形態の導電材の要部斜視図である。
【図９】第４実施形態の導電材の要部斜視図である。
【図１０】第５実施形態の導電材の要部斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照し説明する。
【第１実施形態】
【００１１】
図１は、本発明の第１実施形態に係わる半導体装置の要部斜視図である。図１は、本発明の半導体装置の特定の部位を示すものではなく、シリコーンゲル等の充填樹脂、ケース、ケースと絶縁基板との配線および放熱ベース等は図示していない。図２は、本実施形態の半導体装置の製造工程を示す要部斜視図である。
【００１２】
本実施形態の半導体装置は、配線パターンが形成された絶縁配線基板にＩＧＢＴ素子やＭＯＳＦＥＴ素子などの半導体素子１が搭載されている。絶縁配線基板を構成する絶縁基板１１には、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナ等が用いられ、表面にはアルミニウムや銅等の金属導体でできた配線パターン８，１０がろう付け等により接合され、裏面にはアルミニウムや銅等の金属導体でできた金属箔１２がろう付け等により接合されている。そして、半導体素子１の主面に設けられた主電極３および制御電極４上に接合材２ａおよび２ｂを介して主電極用導電材５および制御電極用導電材６が接合されている。接合材２ａ，２ｂとしては、はんだや低温焼結を利用した焼結性の銀や銅の微粒子ペーストが用いられる。還元によって銀や銅を生成する酸化銀や酸化銅の微粒子ペーストを用いることもできる。主電極用導電材５および制御電極用導電材６は絶縁材１３で固定され、各導電材の上にそれぞれ接続配線７，９が接続され、対応する絶縁基板１１上の配線パターン８やケース上に設けた端子（図示せず）と接続されている。
【００１３】
本実施形態において、制御電極用導電材６は制御電極４と接続される面よりも接続配線７と接続される面の面積の方が広くなっている。導電材６の形状をこのようにするのは、以下の理由による。制御電極４は半導体素子１のスイッチングを制御するための電圧を印加するための電極である。ゲート電流は、オンとオフの短い期間に流れるのみであり、瞬時に流れる電流量もエミッタ−コレクタ間に流れる電流の数十分の一から数百分の一程度であり、電圧、電流共に低いため、大きな電極面積を必要としない。しかし、制御電極用の接続配線７を半導体素子１に接続するためには、配線と電極との接続強度を確保するための接合面積が必要となることから半導体素子上の電極面積を広くする必要がある。一方、電力用の半導体素子においては、より多くの電流を半導体素子１に流すためには主電極は広くした方が有利である。そこで半導体素子１に設けた制御電極４の面積は小さくして電力用電極３の面積を広くしたまま、制御電極４へ接続配線７を接合することが望まれる。そのため、本実施形態では、制御電極用導電材６は制御電極４との接続面の面積が小さく、接続配線７との接続面の面積が大きくなる形状を採用している。この制御電極用導電材６によって、制御電極４の面積を小さくしても接続配線７が接続される制御電極用導電材６の接続面の面積を大きくすることが可能となり、ワイヤボンディングの作業性を向上することができる。また、半導体素子の主電極と制御電極の面積割合をワイヤボンディングの作業性によらずに設計できるため、半導体素子の小型化、大容量化を図ることができる。また、高発熱部である主電極３の面積を大きくできることから熱が拡散しやすくなり、接続配線との接続信頼性を向上することができる。また、主電極用導電材５および制御電極用導電材６を介して接続配線と電極を接続した構造であるため、接続部の熱応力の緩和やボンディング時の衝撃を吸収しやすく、接続配線との接続信頼性を向上することができる。主電極用導電材５および制御電極用導電材６は、銅やアルミニウムと低熱膨張のモリブデン、タングステンおよび鉄とニッケルから成る合金を層状あるいは粉体で複合化したものが使用可能であり、必要に応じて表面をニッケル等でめっきを施してから使用しても良い。接続信頼性を向上する観点からは、半導体素子１と接続配線７，９の中間の熱膨張係数を有するものが望ましい。接続配線７，９としては銅やアルミニウム等およびこれらを複合化したリボン状あるいはワイヤ状にしたものが使用可能である。
【００１４】
一方、制御電極４に接続する制御電極用導電部材６は接続配線７を接合する際には下側の面積が小さく不安定な構造となる。そこで、本実施形態では、絶縁材１３で主電極用導電材５と接続することにより接続配線７を接合する時の制御電極用導電材６の変形や脱落を防止している。導電材５および６を固定する絶縁材１３としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂で導電材５および６を半導体素子１上の電極３および４に接合する温度で剥離や熔融しないものが使用可能であり、必要に応じて、マイカやクレイ、シリカ、窒化ホウ素、アルミナ等の充填材や導電材との接着性を確保するためのシランカップリング剤等の添加剤を配合しても良い。
【００１５】
本実施形態の半導体装置は例えば図２に示した工程で製作可能である。図２では、予め配線パターン８，１０、金属箔１２を絶縁基板１１の両面に形成した絶縁配線基板の配線パターン上に、半導体素子１をはんだや微粒子ペースト（図示せず）を用いて接続する。さらに図３では、半導体素子１上の主電極３および制御電極４の上に、印刷用マスク（図示せず）を用いて接合材２ａ，２ｂを塗布する。図４では、主電極用導電材５および制御電極用導電材６を絶縁材１３で固定して一体化したものを接合材２ａ，２ｂの上に搭載し、加熱処理により導電材と電極を接合する。さらに図５で導電材と絶縁基板１１上の配線パターンあるいはケース（図示せず）に設けた端子（図示せず）を接続配線７，９で接続する。
【００１６】
本実施形態の主電極用導電材５および制御電極用導電部材６を絶縁材１３で固定して一体化する製造工程の一例を図６に示す。図６（ａ）では、導電材となる平板状の材料１０１を準備する。図６（ｂ）では、プレス、エッチングあるいはレーザ等の加工手段を用いて、信号用導電材と電力用導電材を分離するための溝１０２を形成する。図６（ｃ）では、前工程で作成した溝部分に絶縁材１３を充填する。続いて、図６（ｄ）に示す導電材の形状に合わせて切断することで、図６（ｅ）に示した目的とする形状の導電材が得られる。図６に示す製造工程は一例であって他の製造工程によって作製してもよい。
【第２実施形態】
【００１７】
図７は、本発明の他の導電材形状を用いた半導体装置に関する第２の実施形態を示す斜視図である。本実施形態では主電極用導電材１０５および制御電極用導電材１０６の接続配線７および９との接合部の面積を、いずれも半導体素子１に設けた主電極３および制御電極４より広くしている。第１実施形態では、制御電極用導電材６により制御電極４と接続配線７との接合部面積は拡大可能であるが、一方で主電極３に搭載した主電極用導電材５では接続配線側の面積が縮小されるため、充分な接続配線数を確保できない可能性がある。主電極の接続配線数が少ないと、配線一本当たりの電流量が増加し、配線の発熱の増加により導電材との接合部の劣化が生じ易くなる。そこで、本実施形態では主電極３に搭載する主電極用導電材１０５においても主電極と接続される面よりも接続配線と接続される面の面積の方が広くなる形状としたことを特徴としている。このように主電極用導電材１０５の接続配線側の面積を広げることにより、第１実施形態の効果に加えて、主電極側の接続配線数を増加させることが可能となり、主電極と接続配線の接続信頼性を向上させることができる。
【第３実施形態】
【００１８】
図８は、本発明の他の導電材形状に関する第３の実施形態を示す斜視図である。制御電極用導電材２０６の接続配線との接合面と、主電極用導電材２０５の接続配線との接合面は必ずしも同一平面上に設ける必要は無い。図８に示したように制御電極用導電材２０６の接続配線との接合面を、主電極用導電材２０５の接続配線との接合面よりも高い位置に設けて、制御電極用導電部材２０６の一部が絶縁材２１３を介して主電極用導電材２０５を覆うように配置した構成としてもよい。このように、制御電極用導電部材２０６の接続配線との接続部が主電極用導電材２０５の上に絶縁材２１３を介して接続された構造とすることで、制御電極用導電部材２０６の制御電極との接続面よりも接続配線との接続面を広くすることが可能である。また、本構造では第１実施形態よりもボンディング時の安定性を向上させることができ、接続作業性が向上する。
【第４実施形態】
【００１９】
本発明の他の導電材形状に関する第４の実施形態を説明する。第１〜第３の実施形態では主電極の角部に制御電極が配置された構造を例として説明したが、本発明はこれ以外の電極レイアウトにも適用することができる。
【００２０】
図９は、主電極の外周部の一辺に切り欠いて制御電極が配置された場合の導電材の形状を示す斜視図である。また、図１０は主電極の中央部に制御電極が配置された場合の導電材の形状を示す斜視図である。図１０（ａ）は導電材の分解斜視図であり、図１０（ｂ）は主電極用導電材３０５と制御電極用導電材３０６が一体化した導電材の斜視図である。図９，１０において、導電材の基本構成は図８と同様であり、電極レイアウトと対応するように主電極用導電材３０５と制御電極用導電材３０６が配置され、絶縁材３１３で固定されることで一体化されている。このように本発明によれば電極レイアウトによらずに接続配線との接続信頼性、接続作業性を向上することが可能である。
【００２１】
以上、本発明を実施例を用いて具体的に説明した。なお、本発明は実施例に記載された範囲に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【符号の説明】
【００２２】
１  半導体素子
２ａ，２ｂ  接合材
３  主電極
４  制御電極
５，１０５，２０５，３０５  主電極用導電材
６，１０６，２０６，３０６  制御電極用導電材
７，９  接続配線
８，１０  配線パターン
１２  金属箔
１３，２１３，３１３  絶縁材
【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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