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JP6870249B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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JP6870249B2 JP2016180035A JP2016180035A JP6870249B2 JP 6870249 B2 JP6870249 B2 JP 6870249B2 JP 2016180035 A JP2016180035 A JP 2016180035A JP 2016180035 A JP2016180035 A JP 2016180035A JP 6870249 B2 JP6870249 B2 JP 6870249B2
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power semiconductor
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竜彦 浅井
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Fuji Electric Co Ltd
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    • H01L2224/40221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/40225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/40227—Connecting the strap to a bond pad of the item
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    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
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    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48105—Connecting bonding areas at different heights
    • H01L2224/48106—Connecting bonding areas at different heights the connector being orthogonal to a side surface of the semiconductor or solid-state body, e.g. parallel layout
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    • H01L2224/48153—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H01L2224/48175—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being arranged next to each other, e.g. on a common substrate the item being metallic
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    • H01L2224/73201—Location after the connecting process on the same surface
    • H01L2224/73221—Strap and wire connectors
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73263—Layer and strap connectors
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
    • H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/83447—Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
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    • H01L2224/8438—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/84399—Material
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    • H01L2224/84438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/84447—Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L23/16—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations, e.g. centering rings
    • H01L23/18—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device
    • H01L23/24—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device solid or gel at the normal operating temperature of the device
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    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/492—Bases or plates or solder therefor
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    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49811—Additional leads joined to the metallisation on the insulating substrate, e.g. pins, bumps, wires, flat leads
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    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
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    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
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    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L24/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L24/92—Specific sequence of method steps
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    • H01L2924/11—Device type
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Description

この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
パワー半導体モジュールは、１つまたは複数のパワー半導体チップを内蔵して変換接続の一部または全体を構成し、かつ、パワー半導体チップと積層基板または金属基板との間が電気的に絶縁された構造を持つパワー半導体デバイスである。パワー半導体モジュールは、産業用途としてエレベータなどのモータ駆動制御インバータなどに使われている。さらに近年では、車載用モータ駆動制御インバータに広く用いられるようになっている。車載用インバータでは、燃費向上のため小型・軽量化や、エンジンルーム内の駆動用モータ近傍に配置されることから、高温動作での長期信頼性が求められる。
従来のパワー半導体モジュールの構造を、一般的なＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）パワー半導体モジュール構造を例にとって説明する。
図７は、従来構造のパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。図７に示すように、パワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ１と、絶縁基板２と、接合材３ｂ、３ｃと、電極パターン４と、金属基板５と、端子ケース７と、封止樹脂８と、金属端子９と、金属ワイヤ１０と、蓋１１と、を備える。
パワー半導体チップ１は、ＩＧＢＴあるいはダイオードチップ等の半導体素子である。絶縁基板２の両面には、電極パターン４が設けられている。一方の電極パターン４上には、はんだなどの接合材３ｂにてパワー半導体チップ１が接合される。他方の電極パターン４上には、はんだなどの接合材３ｃにて放熱フィン（不図示）が設けられた金属基板５が接合される。なお、絶縁基板２の少なくとも片面に電極パターンが設けられた基板を積層基板という。また、パワー半導体チップ１の上面には、電気接続用の配線として金属ワイヤ１０が電極パターン４との間を接続している。電極パターン４の上面には、外部接続用の金属端子９が設けられている。また、パワー半導体チップ１の絶縁保護のため、端子ケース７内には低弾性率のシリコンゲル等の封止樹脂８が充填され、蓋１１にてパッケージされている。
ここで、車載用パワー半導体モジュールは、産業用パワー半導体モジュールに比べ、設置空間の制約から小型、軽量化が求められる。また、モータを駆動するための出力パワー密度が高くなるため、運転時における半導体チップ温度が高くなるとともに、高温動作時の長期信頼性の要求も高まってきている。このため、高温動作・長期信頼性を有したパワー半導体モジュール構造が要求されてきている。
ところが、従来の金属ワイヤによる金属ワイヤ配線方式ではワイヤ太さが通電時の電流密度に影響し、動作に必要な電流を流すにはワイヤ本数を増やす必要がある。このため、金属ワイヤ配線方式では、複数の金属ワイヤで半導体チップ上面と電極パターン間を接続する必要があり、パワー半導体モジュールのワイヤ接合面積が増えることでパワー半導体モジュール自体が大きくなる。
そこで、これらを解決するために、従来の金属ワイヤ配線方式から、リードフレーム配線方式の検討が進められている。リードフレーム配線方式とは、金属板の型加工により成形されたリードフレーム配線を用いて、半導体チップを支持固定し、半導体チップと電極パターンとを接続する方式である。
さらに、従来の産業用パワー半導体モジュールに比べ車載用パワー半導体モジュールは動作温度が高いため、従来のシリコンゲル封止構造では耐熱性が問題となることから、エポキシなどの熱硬化性樹脂を用いた封止樹脂構造の検討が進められている。
リードフレーム配線方式に関して、例えば、第１リードフレームと、第１リードフレームに対して離間して設けられた第２リードフレームと、第１リードフレーム上に設けられた半導体チップと、半導体チップを封止する樹脂と、コネクタと、を備えている半導体装置がある（例えば、特許文献１参照）。また、第１の主電極に接続された第１の配線であるリードフレームと、第２の主電極に接続された第２の配線である金属フレームと、制御電極に接続された第３の配線であるリードフレームと、を備える半導体装置がある（例えば、特許文献２参照）。また、半導体素子と、半導体素子に一端Ｅｉ部が接合され、他端Ｅｘが外部機器と電気接続される端子部材であるリードフレームと、端子部材の一端Ｅｉ部とともに半導体素子を封止する封止体１、を備える半導体装置がある（例えば、特許文献３参照）。
特開２０１５−１４２０７２号公報 特開２０１１−１９９０３９号公報 特開２０１２−１５６４５０号公報
半導体チップと電極パターン間にリードフレーム配線を用い、さらに樹脂封止されたパワー半導体モジュール構造では、動作時の半導体チップの発熱がリードフレーム配線を介し封止樹脂に伝達される。この結果、半導体チップと接合材、積層基板、リードフレーム配線、封止樹脂の熱膨張差により、半導体チップ近傍に熱変形が生じる。半導体チップは通電オン−オフを繰り返し制御していることから、繰り返しの熱変形が生じることとなる。この結果、信頼性試験においてリードフレーム配線の接合部の半導体チップ上面に熱変形による応力（ひずみ）が集中し、半導体チップ破壊の要因となる。
半導体チップ破壊について、より詳細に説明する。図８は、従来構造のリードフレーム配線の接合部の構成を示す断面図である。図８では、リードフレーム配線６が接合材３ａにてパワー半導体チップ１と接合されている。図８に示すように、リードフレーム配線６の下接合部は、Ｌ字型の形状を有している。Ｌ字型の形状の中で、角の部分Ｐ７１は剛性が高い。そのため、この部分では、熱変形による応力が緩和できないため、角の部分Ｐ７１の直下にあたる部分Ｐ７２に応力が伝達し、パワー半導体チップ１が破壊されてしまう。
また、リードフレーム配線は、例えば半導体チップとはんだなどの接合材を用いて接続される。接合材に、はんだを用いた場合、はんだ溶融時の表面張力とリードフレーム配線の重量により、リードフレーム配線が傾いて接続されることがある。その場合、はんだ厚さが不均一になることから、通電時の温度ばらつきによる応力集中が生じ、製品寿命が低下する。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、半導体素子上面にかかる応力を軽減するとともに、リードフレーム配線を安定して接続できる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。半導体装置は、半導体素子と、電極パターンが設けられ、前記半導体素子を搭載した積層基板と、前記半導体素子と前記電極パターンとを電気的に接続するリードフレーム配線と、前記積層基板を搭載した金属基板と、を有する積層組立体に樹脂ケースを組み合せたものである。前記リードフレーム配線は、前記半導体素子に接する接合部と、前記電極パターンに接する接合部と、前記接合部同士を接続する配線部とからなり、前記接合部の幅は、前記配線部の幅よりも広く、かつ、前記配線部の幅は、前記接合部の幅の５０％より広い。前記配線部の裏面は、前記接合部の上面と接する。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記配線部は、前記接合部が他の前記接合部と対向する辺の端から離れた位置、または、前記接合部の上面の中央部で、前記接合部と接続することを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記接合部の幅は、前記配線部の幅よりも２０％以上広いことを特徴とする。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、積層基板に半導体素子を搭載し、前記積層基板を金属基板に搭載した積層組立体を組み立てる工程を行う。次に、前記半導体素子と、前記積層基板上の電極パターンとを、リードフレーム配線で電気的に接続する工程を行う。最後に、前記積層組立体に、樹脂ケースを組み合わせる工程を行う。また、前記リードフレーム配線は、前記半導体素子に接する接合部と、前記電極パターンに接する接合部と、前記接合部同士を接続する配線部とからなり、前記接合部の幅は、前記配線部の幅よりも広く、かつ、前記配線部の幅は、前記接合部の幅の５０％より広い。前記配線部の裏面は、前記接合部の上面と接する。
上述した発明によれば、接合部の幅を配線部の幅よりも広くし、接合部の端から離れた位置で配線部と接合部とを接続することで、リードフレーム配線の接合部の端の部分にかかる熱変形による応力集中を緩和することができる。応力集中が緩和されることにより、パワー半導体チップが通電オン−オフを繰り返しても、パワー半導体チップが破壊されにくくなり、パワー半導体モジュールの寿命を延長することができる。
また、配線部の幅を狭くするほど、半導体チップが故障するまでの寿命を長くできるため、実施の形態の半導体装置では、配線部の幅を、半導体装置の目標とする寿命を満たす幅より狭くしている。例えば、接合部の幅を、配線部の幅よりも２０％以上広くしている。これにより、パワー半導体チップが故障するまでの寿命を目標とする寿命より長くでき、半導体装置の信頼性を確保できる。
また、接合部の幅を配線部の幅より２０％以上広くすることで、接合材が溶融した際に生じるリードフレーム配線の傾きを抑制できる。このため、接合部の厚さを安定的に形成することができ、半導体装置の信頼性を確保できる。
本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、半導体素子上面にかかる応力を軽減するとともに、リードフレーム配線を安定して接続できるという効果を奏する。
実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態にかかるリードフレーム配線の形状を示す斜視図である。 実施の形態にかかるリードフレーム配線の形状を示す上面図である。 実施の形態にかかるリードフレーム配線の他の形状を示す斜視図である。 実施の形態にかかるリードフレーム配線の他の形状を示す上面図である。 実施の形態にかかるリードフレーム配線の変形前を示す側面図である。 実施の形態にかかるリードフレーム配線の変形後を示す側面図である。 パワー半導体モジュールにおけるひずみと寿命との関係を示すグラフである。 実施の形態において、配線部の幅の比率（Ｌ２／Ｌ１）と、ひずみの低減、疲労寿命との関係を示す表である。 従来構造のパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。 従来構造のリードフレーム配線の接合部の構成を示す断面図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。図１は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。
（実施の形態）
図１に示すように、パワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ１と、絶縁基板２と、接合材３ａ、３ｂ、３ｃと、電極パターン４と、金属基板５と、リードフレーム配線６と、端子ケース７と、封止樹脂８と、金属端子９と、金属ワイヤ１０と、を備える。
パワー半導体チップ１は、ＩＧＢＴあるいはダイオードチップ等の半導体素子である。絶縁性を確保するセラミック基板等の絶縁基板２のおもて面（パワー半導体チップ１側）および裏面（金属基板５側）には、銅（Ｃｕ）板などからなる電極パターン４が設けられている。なお、絶縁基板２の少なくとも片面に電極パターン４が設けられた基板を積層基板１２とする。おもて面の電極パターン４上には、はんだなどの接合材３ｂにてパワー半導体チップ１が接合される。裏面の電極パターン４上には、はんだなどの接合材３ｃにて放熱フィン（不図示）が設けられた金属基板５が接合される。また、パワー半導体チップ１の上面（接合材３ｂと接する面と反対側の面）には、電気接続用の配線としてリードフレーム配線６の一端がはんだなどの接合材３ａにて接合される。リードフレーム配線６の他端は、接合材３ｂにて電極パターン４と接合される。
ここで、３ａ，３ｂのはんだはスズ（Ｓｎ）−銅型やＳｎ−ビスマス（Ｂｉ）型等の柔らかいものが好ましい。それは、これらのはんだにより、リードフレーム配線６の接合部にかかる応力を緩和できるためである。リードフレーム配線６の接合部とは、以下で説明する接合部６ａがパワー半導体チップ１と接する部分である。
樹脂ケース７は、パワー半導体チップ１と積層基板１２と金属基板５とが積層された積層組立体に組み合わされる。例えば、樹脂ケース７は、積層組立体とシリコンなどの接着剤を介して接着されている。また、樹脂ケース７内部には、積層基板１２上のパワー半導体チップ１を絶縁保護するため、エポキシなどの硬質樹脂等の封止樹脂８が充填されている。実施の形態では、封止樹脂８としてエポキシなどの硬質樹脂を用いており、蓋を使用していない。また、金属ワイヤ１０がパワー半導体チップ１と金属端子９との間を接続している。金属端子９は樹脂ケース７を貫通して、外部に突き出ている。
図２Ａは、実施の形態にかかるリードフレーム配線６の形状を示す斜視図であり、図２Ｂは、実施の形態にかかるリードフレーム配線６の形状を示す上面図である。図２Ａに示すように、リードフレーム配線６は、接合材３ａにてパワー半導体チップ１と接合される接合部６ａと、接合材３ｂにておもて面の電極パターン４と接合される接合部６ｂと、接合部６ａと接合部６ｂとを接続する配線部６ｃとからなる。配線部６ｃの中で、接合部６ａ、６ｂと垂直な部分を立ち上がり部６ｄと呼ぶことがある。
ここで、図２Ｂに示すように、接合部６ａ、６ｂの幅Ｌ２は、配線部６ｃの幅Ｌ１より広くなっている。例えば、接合部６ａ、６ｂの幅Ｌ２は、配線部６ｃの幅Ｌ１より２０％以上広くなっている。つまり、Ｌ２≧１．２×Ｌ１が成り立っている。配線部６ｃは、接合部６ａの接合部６ｂと対向する辺ｐ１の端（例えば、図２Ａのａ１）から所定の距離離れた位置で、接合部６ａと接続する。また、配線部６ｃは、接合部６ｂの接合部６ａと対向する辺ｐ２の端（例えば、図２Ａのａ２）から所定の距離離れた位置で、接合部６ｂと接続する。つまり、配線部６ｃは、両端部が同じ長さ分だけ削られて、接合部６ａの辺ｐ１と接合部６ｂの辺ｐ２の中央同士を接続する形状になっている。具体的には、配線部６ｃの幅の中央と接合部６ａ、６ｂの幅の中央同士が接続される形状である。リードフレーム配線が、長方形の板材から作られる場合は、配線部６ｃの幅の両端部から同じ長さを削られる。なお、配線部６ｃが、接合部６ａ、６ｂと接続する箇所は、一辺の中央同士を接続する形状に限らない。つまり、接合部６ａ、６ｂは、面取りを行って角を丸めたり、角を削ったりしても良い。
図３Ａは、実施の形態にかかるリードフレーム配線６の他の形状を示す斜視図であり、図３Ｂは、実施の形態にかかるリードフレーム配線６の他の形状を示す上面図である。図３Ａに示すように、配線部６ｃは接合部６ａの上面（接合材３ａと接する面と反対側の面）の中央部で接合部６ａと接続してもよい。また、配線部６ｃは接合部６ａの端と接しなければ他の部分でもかまわない。なお、端とは、接合部６ａの上面の中央部から離れた周辺の部分である。また、図示はしないが、配線部６ｃは接合部６ｂの上面（接合材３ｂと接する面と反対側の面）の中央部で接合部６ｂと接続してもよい。また、配線部６ｃは接合部６ｂの端と接しなければ他の部分でもかまわない。また、リードフレーム配線６は、例えば、銅からなり、厚さ０．５ｍｍ程度が好ましい。リードフレーム配線６を薄くすると電流密度が減るためである。
ここで、実施の形態にかかるリードフレーム配線６が、パワー半導体チップ１の上面にかかる応力を、低減できることを説明する。図４Ａは、実施の形態にかかるリードフレーム配線６の変形前を示す側面図であり、図４Ｂは、実施の形態にかかるリードフレーム配線６の変形後を示す側面図である。図４Ａおよび図４Ｂは、リードフレーム配線６を立ち上がり部６ｄが正面となる方向（図３Ａの矢印が示す方向）からみた図である。
動作時のパワー半導体チップ１の発熱により、パワー半導体チップ１近傍に熱変形が生じる。この熱変形によって、図４Ａに示すように、パワー半導体チップ１には、リードフレーム配線６を下側に引っ張る力（図４Ａの矢印）が生じる。つまり、パワー半導体チップ１は、図４Ａにおいて、上に凸に変形しようとする。ここで、実施の形態にかかるリードフレーム配線６では、配線部６ｃは接合部６ａ、６ｂの中央同士を接続している。このため、図４Ｂに示すように、接合部６ａ、６ｂの端の部分は、下側に変形することができ、接合部６ａ、６ｂの端の部分にかかる熱変形による応力集中を緩和することができる。
次に、実施の形態にかかるリードフレーム配線６が、パワー半導体モジュールの信頼性を満たすために必要な応力を、低減できることを説明する。図５は、パワー半導体モジュールにおけるひずみと寿命との関係を示すグラフである。なお、ひずみは、パワーサイクル試験において、半導体チップ上面の電極に生じる最大ひずみをシミュレーションにより求めたものである。図５において、横軸はパワー半導体モジュールのパワーサイクル試験における疲労寿命を示す。具体的には、この疲労寿命は、パワー半導体モジュールに対して、通電オン−オフ時の温度差が１３５℃程度の試験を繰り返して、パワー半導体チップ１が故障するまでの回数である。具体的には、４０℃から５分で１７５℃まで昇温し、１０分保持することを１サイクルとする。
ここで、図５に記載の目標耐量はパワー半導体モジュールの信頼性を満たすために必要とする目標とする寿命である。例えば、目標耐量は、１０万回である。また、図５において、縦軸はパワー半導体チップ１の上部に生じるひずみを示す。具体的には、ひずみは、パワー半導体チップ１の上部の低温時と高温時の縦横の変化の度合い（膨張差）を示す。
図５において、点Ｐ１は、配線部６ｃの幅が接合部６ａ、６ｂの幅と同じ、つまりＬ２＝Ｌ１であるリードフレーム配線６を用いた場合である。また、点Ｐ２は、接合部６ａ、６ｂの幅が配線部６ｃの幅より１０％広い、つまりＬ２＝１．１×Ｌ１であるリードフレーム配線６を用いた場合である。また、点Ｐ３は、接合部６ａ、６ｂの幅が配線部６ｃの幅より２０％広い、つまりＬ２＝１．２×Ｌ１であるリードフレーム配線６を用いた場合である。このように、接合部６ａ、６ｂの幅を配線部６ｃの幅より広くするほど、言い換えれば、配線部６ｃの幅を接合部６ａ、６ｂの幅より狭くするほど、ひずみが小さくなり、パワー半導体チップ１の寿命が長くなることが分かる。例えば、接合部６ａ、６ｂの幅を配線部６ｃの幅より２０％以上広くすることにより、配線部６ｃの幅が接合部６ａ、６ｂの幅と同じ場合より、ひずみを３０％以上低減できる。
このため、実施の形態のパワー半導体モジュールでは、配線部６ｃの幅を、パワー半導体チップ１が故障するまでの寿命が目標耐量より長くなるように、接合部６ａ、６ｂの幅より狭くしている。具体的には、点Ｐ１では、寿命は、目標耐量より短く、パワー半導体モジュールの信頼性を満たしていない。点Ｐ２では、略目標耐量をみたしているが、点Ｐ３では、寿命は、目標耐量より長く、パワー半導体モジュールの信頼性を満たしている。また、図６は、実施の形態において、配線部の幅の比率（Ｌ２／Ｌ１）と、ひずみの低減、疲労寿命との関係を示す表である。なお、図６中のＬ２／Ｌ１とは、配線部６ｃの幅Ｌ１に対する、接合部６ａ、６ｂの幅Ｌ２の比である。また、ひずみの低減（％）は、Ｌ２／Ｌ１＝１の時のひずみから低減したひずみの割合である。また、疲労寿命とは、図５と同様にパワー半導体モジュールのパワーサイクル試験における疲労寿命である。図６は、Ｌ２／Ｌ１を１〜１．５まで変化させた場合の結果を示す。図６に示すように、接合部６ａ、６ｂの幅を配線部６ｃの幅より広くすることで、ひずみを低減することができる。接合部６ａ、６ｂの幅を配線部６ｃの幅より、１０％以上広くすることが好ましく、２０％以上広くすることがさらに好ましい。ここで、配線部６ｃの板厚は、リードフレームの剛性と電流密度を満足する範囲が好ましく、０．２ｍｍから２ｍｍが好ましい。より好ましくは、０．５ｍｍから１ｍｍである。なお、図５は、リードフレーム配線６の板厚が０．５ｍｍ程度の場合であるが、板厚が変化しても、結果は変わらない。つまり、リードフレーム配線６の板厚に関係なく、接合部６ａ、６ｂの幅を配線部６ｃの幅より２０％以上広くすることにより、ひずみは低減し、パワー半導体モジュールの信頼性を満たすことができる。
このように、接合部６ａ、６ｂの幅を配線部６ｃの幅より２０％広くすることで、パワー半導体チップ１が故障するまでの寿命を目標耐量より長くなるようにできる。また、配線部６ｃの幅を狭くするほど、寿命が長くなる。しかし、配線部６ｃは、通電時に電流が流れる部分であるため、配線部６ｃの幅は、通電時の電流を流すために必要な面積を確保できる幅以上にしてある。例えば、配線部６ｃの幅は、接合部６ａ、６ｂの幅の５０％より広くしてある。なお、接合部６ａ、６ｂの面積は、それぞれ、パワー半導体チップ１、おもて面の電極パターン４とはんだ付けするために必要な面積とする。このため、実施の形態では、リードフレーム配線６により通電時における電流密度を確保することができる。
また、リードフレーム配線６において、接合部６ａ、６ｂと配線部６ｃとがなす角度θ（図１参照）は、９０°であることが好ましい。少なくとも、角度θは、９０°±１０°であることが好ましく、より好ましくは９０°＋２°である。これは、角度θが大きくなると、接合部６ａ、６ｂと配線部６ｃとが接する部分、つまり、リードフレーム配線６の角の部分ではんだが薄くなり、はんだで吸収できる応力が少なくなる。このため、パワー半導体モジュールの寿命が低下してしまうためである。
このようなパワー半導体モジュールの製造方法は、従来技術によるパワー半導体モジュールと同様である。パワー半導体モジュールの製造方法では、まず、積層基板１２にパワー半導体チップ１を実装し、パワー半導体チップ１と、絶縁基板２上に設けられた電極パターン４とを、リードフレーム配線６で電気的に接続する。次に、これらを金属基板５に接合して、パワー半導体チップ１、積層基板１２および金属基板５からなる積層組立体を組み立てる。この積層組立体に樹脂ケース７をシリコンなどの接着剤で接着する。
次に、金属ワイヤ１０でパワー半導体チップ１と金属端子９との間を接続し、樹脂ケース７内にエポキシなどの硬質樹脂等の封止樹脂８を充填する。これにより、図１に示す実施の形態にかかるパワー半導体モジュールが完成する。なお、封止樹脂８がエポキシ樹脂等の硬質樹脂でない場合、封止樹脂８が外に漏れないようにするため、蓋を取り付けるようにする。
以上、説明したように、実施の形態の半導体装置によれば、接合部の幅を配線部の幅よりも広くし、接合部の端から離れた位置で配線部と接合部とを接続することで、リードフレーム配線の接合部の端の部分にかかる熱変形による応力集中を緩和することができる。応力集中が緩和されることにより、パワー半導体チップが通電オン−オフを繰り返しても、パワー半導体チップが破壊されにくくなり、パワー半導体モジュールの寿命を延長することができる。
また、配線部の幅を狭くするほど、半導体チップが故障するまでの寿命を長くできるため、実施の形態の半導体装置では、配線部の幅を、半導体装置の目標とする寿命を満たす幅より狭くしている。例えば、接合部の幅を、配線部の幅よりも２０％以上広くしている。これにより、パワー半導体チップが故障するまでの寿命を目標とする寿命より長くでき、半導体装置の信頼性を確保できる。
また、接合部の幅を配線部の幅より２０％以上広くすることで、接合材が溶融した際に生じるリードフレーム配線の傾きを抑制できる。このため、接合部の厚さを安定的に形成することができ、半導体装置の信頼性を確保できる。
以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。
１ パワー半導体チップ
２ 絶縁基板
３ａ、３ｂ、３ｃ 接合材
４ 電極パターン
５ 金属基板
６ リードフレーム配線
６ａ、６ｂ 接合部
６ｃ 配線部
６ｄ 立ち上がり部
７ 端子ケース
８ 封止樹脂
９ 金属端子
１０ 金属ワイヤ
１１ 蓋
１２ 積層基板

Claims (4)

  1. 半導体素子と、電極パターンが設けられ、前記半導体素子を搭載した積層基板と、前記半導体素子と前記電極パターンとを電気的に接続するリードフレーム配線と、前記積層基板を搭載した金属基板と、を有する積層組立体に樹脂ケースを組み合せた半導体装置において、
    前記リードフレーム配線は、前記半導体素子に接する接合部と、前記電極パターンに接する接合部と、前記接合部同士を接続する配線部とからなり、
    前記接合部の幅は、前記配線部の幅よりも広く、かつ、前記配線部の幅は、前記接合部の幅の５０％より広く、
    前記配線部の裏面は、前記接合部の上面と接することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記配線部は、前記接合部が他の前記接合部と対向する辺の端から離れた位置、または、前記接合部の上面の中央部で、前記接合部と接続することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記接合部の幅は、前記配線部の幅よりも２０％以上広いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 積層基板に半導体素子を搭載し、前記積層基板を金属基板に搭載した積層組立体を組み立てる工程と、
    前記半導体素子と、前記積層基板上の電極パターンとを、リードフレーム配線で電気的に接続する工程と、
    前記積層組立体に、樹脂ケースを組み合わせる工程と、
    を含み、
    前記リードフレーム配線は、前記半導体素子に接する接合部と、前記電極パターンに接する接合部と、前記接合部同士を接続する配線部とからなり、
    前記接合部の幅は、前記配線部の幅よりも広く、かつ、前記配線部の幅は、前記接合部の幅の５０％より広く、
    前記配線部の裏面は、前記接合部の上面と接することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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