(57)【要約】【課題】パワーサイクルに対する信頼性を向上させることができるパワー半導体装置を提供する。【解決手段】配線パターン４を形成した絶縁基板５上に設けた半導体素子２と、外部機器と接続するための外部接続用端子８と、上記半導体素子間または上記半導体素子と上記配線パターンとの間を接続する配線用ワイヤとが備わり、上記配線用ワイヤと上記外部接続用端子とを絶縁部材９を介して接続した。【選択図】図１Ａ
2009231685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の配線パターン上に配置された半導体素子と、外部機器と接続するための外部接続用端子と、上記半導体素子間または上記半導体素子と上記配線パターンとの間を接続する配線用ワイヤとを備え、
上記配線用ワイヤと上記外部接続用端子とを絶縁部材を介して接続することを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
絶縁基板の配線パターン上に配置された半導体素子と、外部機器と接続するための外部接続用端子と、上記半導体素子間または上記半導体素子と上記配線パターンとの間を接続する配線用ワイヤとを備え、
上記配線用ワイヤと、当該配線用ワイヤが接続される外部接続用端子以外の外部接続用端子とを絶縁部材を介して接続することを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項３】
上記外部接続用端子の熱容量は、絶縁部材を介して接続される上記配線用ワイヤの熱容量よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
上記絶縁基板に立設され、上記外部接続用端子に上記配線用ワイヤを押圧する弾性部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項５】
上記配線用ワイヤと上記外部接続用端子との接触箇所において、上記絶縁部材と上記配線用ワイヤとの間に、上記配線用ワイヤの熱伝導率以上の熱伝導率を有する金属材をさらに設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項６】
上記外部接続用端子は、当該パワー半導体装置の外面に露出した露出部を有するとともに、該露出部にヒートシンクを設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体装置において、半導体素子と主電極等との間の電気配線のために、主にアルミワイヤによるワイヤボンド接合が用いられている。しかしながら、パワー半導体装置が扱う電流が大きい場合には、半導体素子による発熱に加えて、ワイヤ自身にジュール熱が発生する。パワー半導体装置の使用時には、上述の発熱と、パワー半導体装置に設けたヒートシンクによる冷却とが当該パワー半導体装置には繰返し作用する。この熱サイクルを一般的にパワーサイクルと呼ぶ。ここで、アルミワイヤの線膨張係数（α＝２４．５×１０−６／Ｋ）と、半導体素子の線膨張係数（α＝３．５×１０−６／Ｋ）との差が大きいため、アルミワイヤと、半導体素子との接合部には、パワーサイクルにより熱応力が繰返し作用することになる。
【０００３】
このようなパワーサイクルに対するパワー半導体装置の信頼性を向上させるために、半導体素子の下に、はんだ層を介して高熱伝導性の金属板を設けた構成が提案されている。該構成によれば、半導体素子の横方向にも熱を拡散可能とし、パワー半導体装置の放熱性を高めて、温度上昇を低減することにより熱負荷が低減可能である（例えば特許文献1）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１４２６４８号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したパワー半導体装置では、半導体素子の下方向に対する冷却性能を向上させることができ、半導体素子の冷却には効果的である。しかしながら、ジュール発熱によるアルミワイヤ自身の熱は、アルミワイヤが接続された半導体素子を介して除去されることになるので、アルミワイヤ自体に対する効率的な冷却は困難である。したがって、アルミワイヤと半導体素子との接合部には、アルミワイヤの発熱による余分な熱負荷が加わるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、パワーサイクルに対する信頼性を向上させることができるパワー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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様におけるパワー半導体装置は、絶縁基板の配線パターン上に配置された半導体素子と、外部機器と接続するための外部接続用端子と、上記半導体素子間または上記半導体素子と上記配線パターンとの間を接続する配線用ワイヤとを備え、上記配線用ワイヤと上記外部接続用端子とを絶縁部材を介して接続することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様におけるパワー半導体装置によれば、配線用ワイヤに比べて十分に大きな熱容量を有する外部接続用端子に絶縁部材を介して上記配線用ワイヤを接続させたことにより、上記配線用ワイヤに発生するジュール熱を外部接続用端子へ逃がすことができる。その結果、配線用ワイヤの温度が低下し、配線用ワイヤの発熱による熱負荷が半導体素子及びワイヤ接合部へ伝わりにくくなる。したがって、パワーサイクルによる熱応力を低減することが可能となり、パワー半導体装置の信頼性を向上させる効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態であるパワー半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。当該パワー半導体装置は、半導体素子に接続されるアルミワイヤと、アルミワイヤに比べて十分に大きな熱容量を有する外部接続用端子とを、樹脂やセラミック等の絶縁物質を介して接続させたものである。
【００１０】
実施の形態１．
図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるパワー半導体装置２０の一例を示す断面図である。
図１Ａに示すように、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素などのセラミックから成り表面及び裏面に銅配線パターン４を形成した絶縁基板５が、半田などに代表されるダイボンド材３にて、放熱用で金属材にてなるベース板６上に取り付けられている。絶縁基板５の表面における銅配線パターン４上には、ダイボンド材３にて半導体素子２が接続されている。又、絶縁基板５とは分離したベース板６上の位置には、ベース板６と電気的に絶縁された状態で、外部接続用端子８が配置されている。
【００１１】
さらに、ベース板６上には、半導体素子２を接続した絶縁基板５及び外部接続用端子８を覆って樹脂材等にてなるケース７が被せられている。ケース７の外面７ａには、外部接続用端子８の露出部８ａが配置され、露出部８ａは、当該パワー半導体装置２０以外の外部機器と電気的に接続される。ケース７内では、外部接続用端子８は、半導体素子２の上方を通過して引き回されて露出部８ａに至っている。このようなケース７内には、シリコンゲル１０が充填されている。
【００１２】
配線用ワイヤの一例に相当するアルミワイヤ１の一端１ａは、半導体素子２の電極と接続され、他端１ｂは、別の半導体素子２、外部接続用端子８、銅配線パターン４等に接続されている。即ち、アルミワイヤ１の一端１ａは、半導体素子２がアルミワイヤ１により電気的接続を行うための一方の箇所に相当する。又、半導体素子２が別の半導体素子２、外部接続用端子８、銅配線パターン４等と電気的接続を行うための他方の箇所を、アルミワイヤ１の他端１ｂとする。尚、図示するように、外部接続用端子８は、アルミワイヤ１に比べて太く体積も大きいことから、アルミワイヤ１に比して大きな熱容量を有する。又、この大きな熱容量は、アルミワイヤ１に発生するジュール熱を放熱するに十分な熱容量である。
【００１３】
パワー半導体装置の多くのタイプにて、半導体素子２間の配線として、例えばワイヤ径が約３００〜５００μｍ程度の線形状のアルミ製のワイヤによるワイヤボンディングが用いられていることから、本実施形態でも、配線用ワイヤとしてアルミワイヤ１を例に採った。しかしながら、配線用ワイヤの材質は、アルミニウムに限定するものではなく、電気抵抗の小さい金属なら配線に適している。アルミニウム以外の材料例とし、銅などが挙げられる。また、配線用ワイヤの形状として、線形状の代わりにワイヤ幅が太い板状のワイヤ（リボンワイヤ：幅１．０〜２．５ｍｍ程度、板厚０．１〜０．３ｍｍ程度）を使用してもよい。リボンワイヤの材質についても、アルミニウムや銅などが使用可能である。また、図１Ａでは、図示を簡略化しているが、アルミワイヤ１は、１つの半導体素子２に対して１本ではなく、実際には数本〜数十本のアルミワイヤがボンディングされている。また、半導体素子２と銅配線パターン４などにも配線されている。
【００１４】
ケース７内にて引き回されている外部接続用端子８は、アルミワイヤ１の他端１ｂと、アルミワイヤ１の一端１ａとの間に位置するアルミワイヤ１の放熱部分１ｃにて、絶縁部材９を介してアルミワイヤ１と接続している。又、絶縁部材９を介してのアルミワイヤ１との接続が容易に行えるように、外部接続用端子８は、絶縁基板５の厚み方向において半導体素子２の上方を通るように配置され、図示するように、ベース板６とは反対側に位置するケース７の上部に外部接続用端子８の露出部８ａを配置している。アルミワイヤ１は、半導体素子２の上方を通る外部接続用端子８に接続容易なように、絶縁基板５の厚み方向において凸状に配線される。又、外部接続用端子８は、アルミワイヤ１に比して線径又は線幅がより大きい導電性線材にてなり、絶縁部材９及びアルミワイヤ１との接続部分では、他の部分に比して上記厚み方向に直交する方向に幅広の形状としてもよい。
【００１５】
絶縁部材９と、アルミワイヤ１及び外部接続用端子８との接続方法としては、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、及びポリイミド樹脂などの接着剤を硬化させることで、絶縁部材９を形成して接続する方法が考えられる。
【００１６】
図１Ａでは、１本の外部接続用端子８に対して複数本のアルミワイヤ１を接続させた構成を図示している。しかしながら、アルミワイヤ１及び外部接続用端子８は、１つのパワー半導体装置に何本か存在するため、アルミワイヤ１は、特定の外部接続用端子８にのみ接続させるものではない。図１Ｂに他の接続構造を示すように、アルミワイヤ１と外部接続用端子８との構造に応じて、複数の外部接続用端子８に対してアルミワイヤ１を接続することができる。このとき、一つの半導体素子２に接続されている複数のアルミワイヤ１のそれぞれを絶縁部材９を介して、一つの同じ外部接続用端子８に接続させてもよいし、互いに異なる複数の外部接続用端子８に接続させてもよい。
【００１７】
このように、アルミワイヤ１の一端１ａと他端１ｂとの間の放熱部分１ｃを、絶縁部材９を介して外部接続用端子８に接続させることで、アルミワイヤ１よりも熱容量の大きい外部接続用端子８は、アルミワイヤ１自身に発生したジュール熱を吸収、放散することが可能となる。
又、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、半導体素子２と外部接続用端子８とを接続するアルミワイヤ１を、このアルミワイヤ８と接続されている外部接続用端子８とは異なる外部接続用端子に絶縁部材９を介して接続することによって、放熱経路を２倍にすることができ、アルミワイヤ１自身に発生したジュール熱をより多く吸収、放散することが可能となる。
【００１８】
尚、絶縁性能を高めるために、本実施形態では、ケース７内に、シリコンゲル１０を注入して封止する構造を採る。その他のパワー半導体装置の構造としては、装置全体をモールド樹脂で封止するタイプなどもある。よって、本発明は、アルミワイヤ１と半導体素子２がワイヤボンドにより接続されている場合のパワー半導体装置全てを対象としている。
【００１９】
以上のように構成されるパワー半導体装置２０でも、アルミワイヤ１に電流が流れることで、アルミワイヤ１にはジュール熱が発生する。しかしながら、本実施形態に示す構成を採ることで、ワイヤ１に発生したジュール熱は、アルミワイヤ１の電気的接続箇所に相当する上述の一端１ａ及び他端１ｂにおいて半導体素子２等を介して放熱されるが、さらに、一端１ａ及び他端１ｂ以外の部分であるアルミワイヤ１の放熱部分１ｃからも直接に外部接続用端子８へ放熱することができる。
【００２０】
ここで外部接続用端子８は、アルミワイヤ１よりも大きな電流を扱うために、アルミワイヤ１に比べ大きな熱容量を有しており、さらに、パワー半導体装置２０の外部に延在していることから、パワー半導体装置２０の他の内部構造部材よりも冷却され易い状態にある。よって、外部接続用端子８は、アルミワイヤ１よりも温度が低い状態になり、アルミワイヤ１の熱を常に吸収、放熱できる状態になっている。
【００２１】
従来では上述したように、アルミワイヤ１で発生したジュール熱は、アルミワイヤ１を通じて半導体素子２とアルミワイヤ１との接合部に伝わり、該接合部で発生する熱応力を増加させていた。しかしながら、本実施形態では、上述の冷却効果により、上記接合部へ伝わる熱負荷を減少させ、熱応力を低下させることが可能となる。そのため、パワーサイクルに起因するパワー半導体装置の寿命短縮を防止することができ、パワー半導体装置の長寿命化を図ることができる。
【００２２】
尚、放熱部分１ｃにおけるアルミワイヤ１と外部接続用端子８との接続は、本実施形態では樹脂製の接着剤によることから、アルミワイヤ１と外部接続用端子８との間は絶縁されており、接続によるショートは防止されている。
【００２３】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、放熱部分１ｃにてアルミワイヤ１を外部接続用端子８に接続させるに当たり、絶縁部材９として作用する接着剤を使用した。しかしながら、絶縁部材９の設け方は、これに限定されない。例えば、アルミワイヤ１及び外部接続用端子８のどちらか一方、もしくは両方に、絶縁性を有する樹脂を予めコーティングしておいてもよい。コーティングする樹脂としては、エポキシ樹脂やポリアミド樹脂及びポリイミド樹脂などがある。
【００２４】
このような構成によれば、アルミワイヤ１と外部接続用端子８とを絶縁した状態にて、アルミワイヤ１に電流が流れたときにアルミワイヤ１に発生するジュール熱を外部接続用端子８へ放熱することができる。これにより、実施の形態１と同様に、アルミワイヤ１と半導体素子２との間に生じる熱応力を低下させ、パワーサイクルに起因するパワー半導体装置の寿命短縮を防止することができ、パワー半導体装置の長寿命化を図ることができる。
【００２５】
実施の形態３．
図２は、本発明の実施の形態３によるパワー半導体装置２１における、アルミワイヤ１と外部接続用端子８との接続部分を拡大して図示している。本実施形態のパワー半導体装置２１では、上記放熱部分１ｃに対応して、外部接続用端子８にアルミワイヤ１を押圧する絶縁性を有する弾性部材１１を絶縁基板５に立設した構造を有する。絶縁性を有する弾性部材１１の材料としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂や耐熱シリコーンゴムなどを用いることが好ましい。その他の構成は、上述した実施の形態１及び実施の形態２の構成に同じである。尚、弾性部材１１は、絶縁基板５に形成されている銅配線パターン４上に立設してもよい。
【００２６】
実施の形態１では、絶縁部材９と、アルミワイヤ１及び外部接続用端子８とは、化学的な結合により接続する方法を採っているが、本実施形態の構成によれば、弾性部材１１を挿入することで発生する圧力により、絶縁部材９を間に挟んだ絶縁状態で、アルミワイヤ１を外部接続用端子８に圧接することができる。即ち、絶縁部材９と、アルミワイヤ１及び外部接続用端子８とは、物理的、機械的に接続される。そのため、絶縁部材９には、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミック材を用いることができる。また、フィラーなどを加えて熱伝導率を高め、成型された樹脂板を予め絶縁部材９として用いることも可能である。
【００２７】
本実施形態の構成により、上述の実施の形態１、２の場合と同様に、アルミワイヤ１に発生するジュール熱を外部接続用端子８へ放熱することができる。さらに、弾性部材１１による押圧作用を増すことで、アルミワイヤ１と外部接続用端子８との間の熱抵抗の減少効果を増すことができるため、更なる放熱効果の向上も期待できる。したがって、本実施形態によっても、実施の形態１、２と同様に、アルミワイヤ１と半導体素子２との間に生じる熱応力を低下させ、パワーサイクルに起因するパワー半導体装置の寿命短縮を防止することができ、パワー半導体装置の長寿命化を図ることができる。
【００２８】
但し、弾性部材１１の押圧作用により、アルミワイヤ１全体にテンションがかかる状態になると、アルミワイヤ１と半導体素子２の接合部とは別にアルミワイヤ１自体にも負荷がかかることになる。よって、アルミワイヤ１は、適度な余裕を持たせた状態で配線することが望ましい。
【００２９】
実施の形態４．
図３は、本発明の実施の形態４によるパワー半導体装置２２における、アルミワイヤ１と外部接続用端子８との接続部分を拡大して図示している。本実施形態では、アルミワイヤ１と外部接続用端子８との接続箇所において、絶縁部材９とアルミワイヤ１との間に、アルミワイヤ１以上の熱伝導率を有する金属材１２を、ヒートスプレッダーとしてさらに設けた。その他の構成は、上述した実施の形態１及び実施の形態２の構成に同じである。
尚、本実施形態では、金属材１２は、絶縁部材９により接着されている。ここでの絶縁部材９は、外部接続用端子８及び金属材１２を接着するため、エポキシ樹脂やポリアミド樹脂及びポリイミド樹脂などの接着剤が好ましい。また、金属材１２としては。アルミニウムや銅などによる。さらに金属材１２とアルミワイヤ１との接続には、ワイヤボンディングなどが好ましい。
【００３０】
このような構成によれば、ヒートスプレッダーである金属材１２による熱の拡散により、アルミワイヤ１の放熱性がさらに高められる。よって、アルミワイヤ１と半導体素子２との間に生じる熱応力を低下させ、パワーサイクルに起因するパワー半導体装置の寿命短縮を防止することができ、パワー半導体装置の長寿命化を図ることができる。
【００３１】
実施の形態５．
図４は、本発明の実施の形態５によるパワー半導体装置２３における、ケース７の外面７ａに配置された外部接続用端子８の露出部８ａを拡大して図示している。本実施形態では、露出部８ａにヒートシンク１３を取り付けた構造を有している。その他の構成は、上述した実施の形態１及び実施の形態２の構成に同じである。
【００３２】
このような構成によれば、外部接続用端子８の冷却能力が向上する。よって、ヒートシンク１３を設けない構成に比べて、外部接続用端子８をより低い温度にすることができる。その結果、ケース７内で外部接続用端子８と接続されているアルミワイヤ１も冷却され易くなるため、アルミワイヤ１と半導体素子２との間に生じる熱応力を低下させ、パワーサイクルに起因するパワー半導体装置の寿命短縮を防止することができ、パワー半導体装置の長寿命化を図ることができる。
【００３３】
尚、上述した各実施形態を適宜組み合わせた構成を採ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】本発明の実施の形態１及び２によるパワー半導体装置を示す断面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施の形態１及び２によるパワー半導体装置を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態３によるパワー半導体装置におけるアルミワイヤと外部接続用端子との接続構成を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態４によるパワー半導体装置におけるアルミワイヤと外部接続用端子との接続構成を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態５によるパワー半導体装置における外部接続用端子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  アルミワイヤ、２  半導体素子、４  銅配線パターン、５  絶縁基板、
６  ベース板、７  ケース、８  外部接続用端子、９  絶縁部材、１１  弾性部材、
１２  金属材、１３  ヒートシンク、２０〜２３  パワー半導体装置。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
2009231685.tif 000006
【図４】
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