JPH07135234A - パワー半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【目的】熱サイクルによるワイヤ接合部の劣化を抑制
し、信頼性の高い半導体装置を提供すること。 【構成】半導体素子上の電極パッドにワイヤボンディン
グされたアルミニウムワイヤ接合部の結晶粒の大きさが
均一になっている半導体装置。 【効果】ワイヤ接合部の結晶粒の大きさが均一なため、
熱応力によるクラックの通り道が多岐にわたることによ
って、クラック進展が抑制される効果がある。
し、信頼性の高い半導体装置を提供すること。 【構成】半導体素子上の電極パッドにワイヤボンディン
グされたアルミニウムワイヤ接合部の結晶粒の大きさが
均一になっている半導体装置。 【効果】ワイヤ接合部の結晶粒の大きさが均一なため、
熱応力によるクラックの通り道が多岐にわたることによ
って、クラック進展が抑制される効果がある。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ワイヤボンディングさ
れる半導体装置に関するものであり、特にパワー半導体
モジュールに関する。
れる半導体装置に関するものであり、特にパワー半導体
モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】パワー半導体モジュールは、複数の半導
体素子と外部電極端子とが搭載された絶縁基板に放熱板
が固着され、これら全体が樹脂で覆われた構造である。
従来パワー半導体モジュールに搭載される半導体素子の
電極パッド部においては、半導体基板上に直接またはC
VD法等によって形成されたPSGおよびSiO2 等の
絶縁膜上に電極膜としてアルミニウムおよびAl−Si
合金膜が蒸着法またはスパッタ法により形成されてい
る。この電極膜上にアルミニウムワイヤが超音波と荷重
を印加した超音波法によりボンディングされている。
体素子と外部電極端子とが搭載された絶縁基板に放熱板
が固着され、これら全体が樹脂で覆われた構造である。
従来パワー半導体モジュールに搭載される半導体素子の
電極パッド部においては、半導体基板上に直接またはC
VD法等によって形成されたPSGおよびSiO2 等の
絶縁膜上に電極膜としてアルミニウムおよびAl−Si
合金膜が蒸着法またはスパッタ法により形成されてい
る。この電極膜上にアルミニウムワイヤが超音波と荷重
を印加した超音波法によりボンディングされている。
【0003】パワー半導体モジュールは回路に大電流が
流れるため半導体素子が発熱し、ワイヤおよび電極パッ
ドとの接合部が著しく発熱する。このため、モジュール
は放熱性を重視した部材の選択ならびにモジュールを冷
却フィンやヒートパイプなどに取付け、熱を逃がすよう
にしている。放熱性を重視した部材の選択ならびに構造
の従来例は、例えば特願昭57−5453号,特願昭62−6134
9 号,特願昭62−104145号に記載されている。
流れるため半導体素子が発熱し、ワイヤおよび電極パッ
ドとの接合部が著しく発熱する。このため、モジュール
は放熱性を重視した部材の選択ならびにモジュールを冷
却フィンやヒートパイプなどに取付け、熱を逃がすよう
にしている。放熱性を重視した部材の選択ならびに構造
の従来例は、例えば特願昭57−5453号,特願昭62−6134
9 号,特願昭62−104145号に記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】パワー半導体モジュー
ルは熱膨張率の大きく異なる部材の接合部から成ってい
る。これらの接合部に通電オンおよびオフ時の加熱・冷
却時に発生する熱応力が働き、次第に接合界面が劣化す
ることが知られている。この劣化をできるだけ抑制し
て、各接合部の長寿命化を図ることがモジュールの高信
頼性化につながる。半導体素子上の電極パッドとアルミ
ニウムワイヤとの接合部は、熱膨張率の極めて小さい
(3.5×10-6/℃)シリコンと熱膨張率の大きな(2
4.3×10-6/℃)アルミニウムの組合せの上に最も
高温にさらされるため、接合界面に大きな熱応力が働
く。その結果、接合されたワイヤの周辺部からクラック
が進展し、短時間でワイヤが剥離するという問題があ
る。
ルは熱膨張率の大きく異なる部材の接合部から成ってい
る。これらの接合部に通電オンおよびオフ時の加熱・冷
却時に発生する熱応力が働き、次第に接合界面が劣化す
ることが知られている。この劣化をできるだけ抑制し
て、各接合部の長寿命化を図ることがモジュールの高信
頼性化につながる。半導体素子上の電極パッドとアルミ
ニウムワイヤとの接合部は、熱膨張率の極めて小さい
(3.5×10-6/℃)シリコンと熱膨張率の大きな(2
4.3×10-6/℃)アルミニウムの組合せの上に最も
高温にさらされるため、接合界面に大きな熱応力が働
く。その結果、接合されたワイヤの周辺部からクラック
が進展し、短時間でワイヤが剥離するという問題があ
る。
【0005】熱サイクルが与えられた電極上のワイヤを
詳細に観察すると、図4に示すように接合界面直上部の
結晶粒が小さく、その上の結晶粒がそれに比べて大きい
ことが認められた。そしてクラックはこの小さな結晶粒
と大きな結晶粒との間を通っていることが明らかになっ
た。
詳細に観察すると、図4に示すように接合界面直上部の
結晶粒が小さく、その上の結晶粒がそれに比べて大きい
ことが認められた。そしてクラックはこの小さな結晶粒
と大きな結晶粒との間を通っていることが明らかになっ
た。
【0006】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、その目的は熱サイクルによるアルミニウムワイヤの
剥離を抑制し、信頼性の高いパワー半導体モジュールを
提供することにある。
で、その目的は熱サイクルによるアルミニウムワイヤの
剥離を抑制し、信頼性の高いパワー半導体モジュールを
提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明のパワー半導体モ
ジュールは、ワイヤボンディング後のワイヤの結晶粒の
大きさがほぼ同程度であることを特徴とする。
ジュールは、ワイヤボンディング後のワイヤの結晶粒の
大きさがほぼ同程度であることを特徴とする。
【0008】
【作用】熱サイクルが与えられた時の、接合界面直上部
分の結晶粒が他の部分のそれより小さくなる理由を考察
した。ボンディングに用いられるワイヤは、所定の直径
に線引き加工されると同時に、所定の機械的強度にする
ためにアニールにされる。その場合の結晶粒は線引き方
向に細長くなっていることが多いが、結晶粒の大きさは
比較的均一である。
分の結晶粒が他の部分のそれより小さくなる理由を考察
した。ボンディングに用いられるワイヤは、所定の直径
に線引き加工されると同時に、所定の機械的強度にする
ためにアニールにされる。その場合の結晶粒は線引き方
向に細長くなっていることが多いが、結晶粒の大きさは
比較的均一である。
【0009】ワイヤボンディングの際には、ツールを介
してワイヤに大きな荷重と超音波が印加され、ワイヤが
変形する。この場合、電極膜との接合界面直上の部分が
最も変形する。そのため、その部分の結晶粒は他の部分
のそれよりさらに押しつぶされた形状になるが、その結
晶粒の内部に加工歪が生じる。ワイヤボンディング後、
熱サイクル試験を行うと、その際の加熱により始めに結
晶粒内部の歪が開放され、結晶粒内部に歪の無い新しい
結晶の核が多数発生する。その後、その核が成長し、再
結晶化して元の結晶粒と置き変わるが、この部分には小
さな結晶粒が数多く存在する。
してワイヤに大きな荷重と超音波が印加され、ワイヤが
変形する。この場合、電極膜との接合界面直上の部分が
最も変形する。そのため、その部分の結晶粒は他の部分
のそれよりさらに押しつぶされた形状になるが、その結
晶粒の内部に加工歪が生じる。ワイヤボンディング後、
熱サイクル試験を行うと、その際の加熱により始めに結
晶粒内部の歪が開放され、結晶粒内部に歪の無い新しい
結晶の核が多数発生する。その後、その核が成長し、再
結晶化して元の結晶粒と置き変わるが、この部分には小
さな結晶粒が数多く存在する。
【0010】上記の理由により接合界面直上部分の結晶
粒が他の部分のそれより小さくなるものと考えられる。
熱応力によるクラックは結晶粒界を通るが、小さな結晶
粒と大きな結晶粒との境界を通りやすくなるため短時間
で劣化が進行する。
粒が他の部分のそれより小さくなるものと考えられる。
熱応力によるクラックは結晶粒界を通るが、小さな結晶
粒と大きな結晶粒との境界を通りやすくなるため短時間
で劣化が進行する。
【0011】再結晶は小さな結晶粒から始まるが、十分
な温度と時間があればその結晶粒は次第に大きく成長す
る。従来の熱サイクル試験による加熱温度及び時間では
大きな結晶粒になりうるまでに至らず、その結果前述の
小さな結晶粒に留まっている。
な温度と時間があればその結晶粒は次第に大きく成長す
る。従来の熱サイクル試験による加熱温度及び時間では
大きな結晶粒になりうるまでに至らず、その結果前述の
小さな結晶粒に留まっている。
【0012】本発明はワイヤボンディング後、接合部に
あらかじめ十分な熱エネルギーを与えて大きな結晶粒に
再結晶化させ、ワイヤ全体の結晶粒をほぼ均一な大きさ
にすることにある。熱サイクル試験を行う前に再結晶さ
せているので、熱サイクルを受けても再結晶することが
なく均一な結晶粒が保持される。均一な結晶粒にするこ
とによって、クラックの通り道が多岐にわたるためクラ
ックの進展が抑制される効果が得られる。以下、本発明
を実施例を用いて説明する。
あらかじめ十分な熱エネルギーを与えて大きな結晶粒に
再結晶化させ、ワイヤ全体の結晶粒をほぼ均一な大きさ
にすることにある。熱サイクル試験を行う前に再結晶さ
せているので、熱サイクルを受けても再結晶することが
なく均一な結晶粒が保持される。均一な結晶粒にするこ
とによって、クラックの通り道が多岐にわたるためクラ
ックの進展が抑制される効果が得られる。以下、本発明
を実施例を用いて説明する。
【0013】
実施例1 半導体素子上の電極パッドにアルミニウムワイヤをワイ
ヤボンディング後、ワイヤ接合部を150,200,3
00,350,400,450および500℃にそれぞ
れ1時間電気炉を用いて加熱した。図2は150℃加熱
のワイヤ断面の結晶粒の模式図である。いずれの加熱温
度においても結晶粒は、150℃加熱の場合と同様に加
熱前の結晶粒にくらべて再結晶しているため粗大化かつ
ほぼ均一な形状をしている。
ヤボンディング後、ワイヤ接合部を150,200,3
00,350,400,450および500℃にそれぞ
れ1時間電気炉を用いて加熱した。図2は150℃加熱
のワイヤ断面の結晶粒の模式図である。いずれの加熱温
度においても結晶粒は、150℃加熱の場合と同様に加
熱前の結晶粒にくらべて再結晶しているため粗大化かつ
ほぼ均一な形状をしている。
【0014】実施例2 図1はこの発明の一実施例のパワー半導体モジュールの
断面図である。図1において符号1は外部電極、2は絶
縁基板、3は半導体素子、4は電極パッド、5はアルミ
ニウムワイヤ、6は放熱板を意味する。外部電極1が搭
載された絶縁基板2上に半導体素子3が接合され、素子
上の電極パッド4にはアルミニウムワイヤ5が超音波接
合されている。その後、この絶縁基板をN2 雰囲気電気
炉において150℃で1時間加熱する。その結果、図に
示すようにパッドに接合されているワイヤの結晶粒は、
再結晶によって大きく均一な形状になる。この場合の加
熱温度は、150℃に限定されることがなく、接合部の
ワイヤの再結晶温度である100℃以上でワイヤの融点
(660℃)以下であればよい。さらに加熱するプロセ
スは上記に限定されず、ワイヤボンディング後樹脂モー
ルドしモジュールが完成した後でもよい。
断面図である。図1において符号1は外部電極、2は絶
縁基板、3は半導体素子、4は電極パッド、5はアルミ
ニウムワイヤ、6は放熱板を意味する。外部電極1が搭
載された絶縁基板2上に半導体素子3が接合され、素子
上の電極パッド4にはアルミニウムワイヤ5が超音波接
合されている。その後、この絶縁基板をN2 雰囲気電気
炉において150℃で1時間加熱する。その結果、図に
示すようにパッドに接合されているワイヤの結晶粒は、
再結晶によって大きく均一な形状になる。この場合の加
熱温度は、150℃に限定されることがなく、接合部の
ワイヤの再結晶温度である100℃以上でワイヤの融点
(660℃)以下であればよい。さらに加熱するプロセ
スは上記に限定されず、ワイヤボンディング後樹脂モー
ルドしモジュールが完成した後でもよい。
【0015】なお、この場合の電極パッドの構造は、半
導体基板上に直接あるいは絶縁膜上にアルミニウムある
いはAl−Si合金膜が設けられている。また、電極膜
としてアルミニウムあるいはアルミニウム合金とその他
の金属例えばTiW等との二層膜でもよい。
導体基板上に直接あるいは絶縁膜上にアルミニウムある
いはAl−Si合金膜が設けられている。また、電極膜
としてアルミニウムあるいはアルミニウム合金とその他
の金属例えばTiW等との二層膜でもよい。
【0016】実施例3 再結晶により大きな結晶粒を得るには、以下の方法でも
よい。半導体素子が接着された絶縁基板を、ワイヤボン
ディング時に150℃にヒーター等で加熱する。その半
導体素子上の電極パッドにワイヤを超音波接合し、30
分その温度に保持する。この場合、加熱温度は150℃
に限定されることがなく、接合部のワイヤの再結晶温度
である100℃以上で、上限は半導体素子と絶縁基板と
の接着剤(ハンダ,ロウ等)の融点以下であればよい。
さらに加熱の方法はヒーターに限定されず、レーザー,
ランプおよび熱風等を半導体素子に照射しても同様の効
果が得られる。
よい。半導体素子が接着された絶縁基板を、ワイヤボン
ディング時に150℃にヒーター等で加熱する。その半
導体素子上の電極パッドにワイヤを超音波接合し、30
分その温度に保持する。この場合、加熱温度は150℃
に限定されることがなく、接合部のワイヤの再結晶温度
である100℃以上で、上限は半導体素子と絶縁基板と
の接着剤(ハンダ,ロウ等)の融点以下であればよい。
さらに加熱の方法はヒーターに限定されず、レーザー,
ランプおよび熱風等を半導体素子に照射しても同様の効
果が得られる。
【0017】実施例4 図3は、半導体素子上の電極パッドにアルミニウムワイ
ヤをワイヤボンディング後、ワイヤ接合部を150,2
00,300,350,400,450および500℃
にそれぞれ1時間加熱した後、温度サイクルを500回
まで繰り返した場合のワイヤ接合部のせん断強度の劣化
率(温度サイクル後の強度を温度サイクル前の強度で割
った値)を、従来のワイヤ接合部のそれと比較したもの
である。その結果、従来の接合部の強度は、200サイ
クルで温度サイクルを行う前の約75%,500サイク
ルで約40%低下するのに対し、いずれの温度に加熱し
た場合においても従来の場合に比べ劣化しにくいことが
わかる。実施例1で説明したように、これは温度サイク
ルを行う前にワイヤ接合部が再結晶してワイヤ全体の結
晶粒の大きさがほぼ均一なためである。
ヤをワイヤボンディング後、ワイヤ接合部を150,2
00,300,350,400,450および500℃
にそれぞれ1時間加熱した後、温度サイクルを500回
まで繰り返した場合のワイヤ接合部のせん断強度の劣化
率(温度サイクル後の強度を温度サイクル前の強度で割
った値)を、従来のワイヤ接合部のそれと比較したもの
である。その結果、従来の接合部の強度は、200サイ
クルで温度サイクルを行う前の約75%,500サイク
ルで約40%低下するのに対し、いずれの温度に加熱し
た場合においても従来の場合に比べ劣化しにくいことが
わかる。実施例1で説明したように、これは温度サイク
ルを行う前にワイヤ接合部が再結晶してワイヤ全体の結
晶粒の大きさがほぼ均一なためである。
【0018】以上本発明を実施例を用いて説明した。本
発明の半導体装置は、モーター制御用の電力変換装置に
適用可能で、その回路図は図5に示される。また、図6
は上記発明の半導体装置を従来のものと比較したテスト
結果を示したものである。同一条件で高温および低温に
対する熱サイクルテストを行った結果、従来の半導体装
置では300回で約10%が不良となり、500回では
約25%が不良になったのに対し、本発明の半導体装置
では500回でも不良が発生しなかった。
発明の半導体装置は、モーター制御用の電力変換装置に
適用可能で、その回路図は図5に示される。また、図6
は上記発明の半導体装置を従来のものと比較したテスト
結果を示したものである。同一条件で高温および低温に
対する熱サイクルテストを行った結果、従来の半導体装
置では300回で約10%が不良となり、500回では
約25%が不良になったのに対し、本発明の半導体装置
では500回でも不良が発生しなかった。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、半導体素子上の電極パ
ッドにワイヤボンディングされたアルミニウムワイヤ接
合部を再結晶させ、結晶粒の大きさが均一になっている
ことから、熱サイクルによるワイヤ接合部の劣化が抑制
された半導体装置が提供される。
ッドにワイヤボンディングされたアルミニウムワイヤ接
合部を再結晶させ、結晶粒の大きさが均一になっている
ことから、熱サイクルによるワイヤ接合部の劣化が抑制
された半導体装置が提供される。
【図1】本発明の一実施例の半導体装置の断面図であ
る。
る。
【図2】本発明の一実施例で再結晶の概略図である。
【図3】ワイヤ接合部の結晶粒の大きさを均一にした場
合の、温度サイクルテスト後のワイヤ接合部の強度劣化
率を従来のものと比較して示した図である。
合の、温度サイクルテスト後のワイヤ接合部の強度劣化
率を従来のものと比較して示した図である。
【図4】熱サイクルを受けた従来のワイヤの結晶粒の概
略図である。
略図である。
【図5】本発明の一実施例のパワー半導体モジュールを
用いた電力変換装置の回路図である。
用いた電力変換装置の回路図である。
【図6】本発明の一実施例の半導体装置の熱サイクルテ
スト結果を従来のものと比較して示した図である。
スト結果を従来のものと比較して示した図である。
1…外部電極、2…絶縁基板、3…半導体素子、4…電
極パッド、5…アルミニウムワイヤ、6…放熱板。
極パッド、5…アルミニウムワイヤ、6…放熱板。
Claims (8)
- 【請求項1】半導体素子上の電極パッドと外部電極とが
ワイヤで接続されてなる半導体装置において、電極パッ
ドと接合されているワイヤの結晶粒の大きさがほぼ均一
であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】半導体素子上の電極パッドと外部電極とが
アルミニウムワイヤで接続されてなる半導体装置におい
て、電極パッドと接合されているワイヤの結晶粒の大き
さがほぼ均一であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項3】放熱板上に固着された絶縁基板およびこの
絶縁基板上に固着された複数の外部電極と、この外部電
極上にそれぞれ固着された複数の半導体素子とこれら全
体を樹脂で覆った構造のパワー半導体モジュールにおい
て、半導体素子上の電極パッドと接続されているアルミ
ニウムワイヤの結晶粒の大きさがほぼ均一であることを
特徴とするパワー半導体モジュール。 - 【請求項4】半導体素子上の電極パッドと外部電極とが
ワイヤで接続されてなる半導体装置において、少なくと
も最大温度がワイヤの再結晶温度に加熱される熱サイク
ルを与えた後の電極パッドと接合されているワイヤの結
晶粒の大きさがほぼ均一であることを特徴とする半導体
装置。 - 【請求項5】半導体素子上の電極パッドと外部電極とが
アルミニウムワイヤで接続されてなる半導体装置におい
て、少なくとも最大温度がそのワイヤの再結晶温度に加
熱される熱サイクルを与えた後の電極パッドと接合され
ているワイヤの結晶粒の大きさがほぼ均一であることを
特徴とする半導体装置。 - 【請求項6】放熱板上に固着された絶縁基板およびこの
絶縁基板上に固着された複数の外部電極と、この外部電
極上にそれぞれ固着された複数の半導体素子とこれら全
体を樹脂で覆った構造のパワー半導体モジュールにおい
て、少なくとも最大温度がワイヤの再結晶温度に加熱さ
れる熱サイクルを与えた後の電極パッドと接合されてい
るワイヤの結晶粒の大きさがほぼ均一であることを特徴
とする半導体装置。 - 【請求項7】半導体素子上の電極パッドと外部電極とが
ワイヤで接続されてなる半導体装置において、電極パッ
ドおよび外部電極と接合されているワイヤの結晶粒の大
きさがほぼ均一であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項8】半導体素子上の電極パッドと外部電極とが
ワイヤで接続されてなる半導体装置において、少なくと
も最大温度がワイヤの再結晶温度に加熱される熱サイク
ルを与えた後の電極パッドおよび外部電極と接合されて
いるワイヤの結晶粒の大きさがほぼ均一であることを特
徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5279276A JPH07135234A (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | パワー半導体モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5279276A JPH07135234A (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | パワー半導体モジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07135234A true JPH07135234A (ja) | 1995-05-23 |
Family
ID=17608914
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5279276A Pending JPH07135234A (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | パワー半導体モジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07135234A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006120886A1 (ja) * | 2005-05-09 | 2006-11-16 | Denso Corporation | 素子部を有する半導体装置およびその製造方法 |
| WO2007088747A1 (ja) * | 2006-02-01 | 2007-08-09 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 振動子の支持構造およびその製造方法 |
| JP2008311383A (ja) * | 2007-06-14 | 2008-12-25 | Ibaraki Univ | ボンディングワイヤ、それを使用したボンディング方法及び半導体装置並びに接続部構造 |
| CN102842516A (zh) * | 2011-06-23 | 2012-12-26 | 富士电机株式会社 | 半导体器件的制造方法 |
| JP2013089763A (ja) * | 2011-10-18 | 2013-05-13 | Fuji Electric Co Ltd | パワー半導体装置およびその製造方法 |
| US9748186B2 (en) | 2013-04-25 | 2017-08-29 | Fuji Electric Co., Ltd. | Semiconductor device and method for manufacturing the semiconductor device |
| EP4068342A1 (en) * | 2021-04-02 | 2022-10-05 | Mitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V. | Method for improving the microstructure of the connection portion of a bond wire as well as the resulting device |
| CN115398623A (zh) * | 2020-04-02 | 2022-11-25 | 三菱电机株式会社 | 用于增加功率模块的可靠性的装置和方法 |
-
1993
- 1993-11-09 JP JP5279276A patent/JPH07135234A/ja active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2022209029A1 (en) * | 2021-04-02 | 2022-10-06 | Mitsubishi Electric Corporation | Method for improving the microstructure of the connection portion of a bond wire as well as the resulting device |
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