JP2017045747A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤの長さを長くすべき場合においてもこれが半導体素子の端部の真上を高く通ることにより、その信頼性低下が抑制された半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子２と、基板７と、ワイヤ１０とを備えている。半導体素子２は、第１の電極３を有し複数の端部２Ａ〜２Ｄを有している。基板７は、第２の電極９を有し半導体素子２の外側に配置されている。ワイヤ１０は、第１および第２の電極９を電気的に接続する。ワイヤ１０は、半導体素子２の複数の端部２Ａ〜２Ｄのうち、第１の電極３から最も近い端部２Ａ〜２Ｄ以外の他の端部２Ａ〜２Ｄの真上を通るように第２の電極９に接続されている。ワイヤ１０の長さは、半導体素子２の表面に対するワイヤ１０の最高高さの４倍以上である。他の端部２Ａ〜２Ｄの真上におけるワイヤ１０の半導体素子２の表面に対する高さは０．３ｍｍ以上である。【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、ワイヤボンディングにより半導体素子上の１点と他の１点とを電気的に接続する構成を有する半導体装置に関するものである。

パワー半導体素子を用いた半導体装置は、機能の複雑化および構成部材の多様化によって、ワイヤボンディングによる半導体素子とリードフレームと制御回路基板との間の電気的な接続が困難になってきている。ワイヤボンディングを用いた半導体装置は、たとえば特開２０１１−１３５１１５号公報（特許文献１）および特開２００４−８７６７３号公報（特許文献２）に開示されている。

特開２０１１−１３５１１５号公報 特開２００４−８７６７３号公報

たとえば１台の半導体装置で３相出力が可能な６ｉｎ１モジュールを含む半導体装置においては、当該半導体装置全体の大きさが大きくなる傾向にある。このため、半導体素子に含まれるゲート電極と、その外側の制御回路基板に含まれる電極とを電気的に接続するワイヤの長さが長くなる。このため６ｉｎ１モジュールを含む半導体装置は、ワイヤが長いことによりこれが半導体素子の表面と間隔をあけてその上方を延びることが困難になり、半導体素子の表面に近い下方を延びる可能性がある。すると当該ワイヤが半導体素子と接触短絡したり、半導体素子の平面視における外縁である端部の真上の低い位置を通るように延びたりすることにより、当該半導体装置の信頼性が低下する可能性がある。

なお上記の特許文献１，２に開示される半導体装置は、いずれも６ｉｎ１モジュールを含む半導体装置に比べて構造が簡単であり簡素な部材でのみ構成されているため、リードフレームおよび半導体素子の位置等の制約が少なく、その設計自由度が高い。このため特許文献１，２の半導体装置においては、少なくとも６ｉｎ１モジュールを含む半導体装置に要求される、半導体素子の端部の真上を通る高さについて考慮する必要がなく、実際特許文献１，２中にはそのような概念について開示されていない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ワイヤの長さを長くすべき場合においてもこれが半導体素子の端部の真上を高く通ることにより、その信頼性低下が抑制された半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、半導体素子と、基板と、ワイヤとを備えている。半導体素子は、第１の電極を有し複数の端部を有している。基板は、第２の電極を有し半導体素子の外側に配置されている。ワイヤは、第１および第２の電極を電気的に接続する。ワイヤは、半導体素子の複数の端部のうち、第１の電極から最も近い端部以外の他の端部の真上を通るように第２の電極に接続されている。ワイヤの長さは、半導体素子の表面に対するワイヤの最高高さの４倍以上である。他の端部の真上におけるワイヤの半導体素子の表面に対する高さは０．３ｍｍ以上である。

本発明によれば、ワイヤは、半導体素子の複数の端部のうち、ワイヤが接続される第１の電極から最も近い端部以外の他の端部の真上を通る。このためワイヤの長さが半導体素子の表面に対するワイヤの最高高さの４倍以上と長い場合において、ワイヤは他の端部の真上の比較的高いところすなわち半導体素子の表面から０．３ｍｍ以上のところを通ることができる。このため、高電界強度による半導体装置の信頼性低下を抑制することができる。

本実施の形態における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。 本実施の形態における半導体装置のうち、図１の一部の領域の構成を概略的にかつ拡大して示す斜視図である。 図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う部分の、封止樹脂およびケースの構成を含めた概略断面図である。 図２の本実施の形態における半導体装置の一部の構成を概略的に示す平面図である。 図３の本実施の形態における半導体装置に含まれる各構成要素の各部分の寸法等の定義を示す概略断面図である。 本実施の形態における半導体素子上のゲート電極の位置の定義を示す概略平面図である。 本実施の形態における半導体素子と、その上のゲート電極との位置関係の第１例およびボンディングワイヤを横切らせることが可能な端部を示す概略平面図（ａ）と、本実施の形態における半導体素子と、その上のゲート電極との位置関係の第２例およびボンディングワイヤを横切らせることが可能な端部を示す概略平面図（ｂ）と、本実施の形態における半導体素子と、その上のゲート電極との位置関係の第３例およびボンディングワイヤを横切らせることが可能な端部を示す概略平面図（ｃ）と、本実施の形態における半導体素子と、その上のゲート電極との位置関係の第４例およびボンディングワイヤを横切らせることが可能な端部を示す概略平面図（ｄ）とである。 本実施の形態におけるボンディングワイヤのゲート電極上での接合角度の定義を示す概略平面図である。 本実施の形態におけるゲート電極の位置とその上に接合されるボンディングワイヤの接合角度との関係の第１例を示す概略平面図（ａ）と、本実施の形態におけるゲート電極の位置とその上に接合されるボンディングワイヤの接合角度との関係の第２例を示す概略平面図（ｂ）と、本実施の形態におけるゲート電極の位置とその上に接合されるボンディングワイヤの接合角度との関係の第３例を示す概略平面図（ｃ）と、本実施の形態におけるゲート電極の位置とその上に接合されるボンディングワイヤの接合角度との関係の第４例を示す概略平面図（ｄ）とである。 比較例におけるゲート電極の位置とその上に接合されるボンディングワイヤの接合角度との関係の第１例を示す概略平面図（ａ）と、比較例におけるゲート電極の位置とその上に接合されるボンディングワイヤの接合角度との関係の第２例を示す概略平面図（ｂ）とである。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお、説明の便宜のため、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向が導入されている。

まず図１を用いて、本実施の形態の半導体装置の構成として、電力用半導体モジュールである６ｉｎ１モジュールの全体的な構成について説明する。図１を参照して、本実施の形態の半導体装置としての電力用半導体モジュール１００は、平面視において、たとえばリードフレーム１と、半導体素子２と、ゲート電極３と、制御回路基板７と、制御回路基板電極９と、ボンディングワイヤ１０とを主に有している。

リードフレーム１は、図示されないが絶縁性のシート、または後述するケースの底面などの上に載置されている。図１においてはＸ方向に関して３列、Ｙ方向に関して２列、合計６つのリードフレーム１が、互いに間隔をあけて行列状に並ぶように配列されている。図１のＹ方向に関して２つ並ぶリードフレーム１の組からなる回路を１相分として、これらが図１のＸ方向に関して３列並ぶことにより３相分（Ｕ相／Ｖ相／Ｗ相）並ぶように回路が配置されている。これにより電力用半導体モジュール１００は、いわゆる６ｉｎ１と呼ばれる構成を含んでいるといえる。

リードフレーム１は、図１のＹ方向上側の列に並ぶ３つのリードフレーム１のように、たとえばダイパッド１Ａと、突起部分１Ｂとが一体となった構成を有している。あるいはリードフレーム１は、図１のＹ方向下側の列に並ぶ３つのリードフレーム１のように、ダイパッド１Ａと、リード１Ｃとを有し、リード１Ｃがダイパッド１Ａから独立した構成となっていてもよい。なおリードフレーム１全体の平面視におけるサイズは、たとえば１５０ｍｍ×１１０ｍｍ程度である。

半導体素子２は、電力用半導体モジュール１００を構成するＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）および／またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが搭載された、平面視においてたとえば矩形状（正方形状または長方形状）のチップである。すなわち半導体素子２は複数（４つ）の端部２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄを有している。ここでは端部２Ａは半導体素子２が載置されるＸＹ平面上におけるＸ方向右側の外縁を、端部２ＢはＹ方向上側の外縁を、端部２ＣはＹ方向下側の外縁を、端部２ＤはＸ方向左側の外縁を、それぞれ意味している。なお半導体素子２は、それぞれのリードフレーム１の特にダイパッド１Ａの表面上の一部に載置されることが好ましい。なお半導体素子２の平面視におけるサイズは、２ｍｍ×２ｍｍ以上、５ｍｍ×５ｍｍ以下程度であることが好ましい。

図１においては、たとえば半導体素子２に含まれるＭＯＳＦＥＴを構成するゲート電極３（第１の電極）が、半導体素子２の表面上の一部の領域に形成されている。具体的には、たとえば図１のＹ方向上側の列に並ぶ３つの半導体素子２についてはその端部２Ａ側に寄せられるように、また図１のＹ方向下側の列に並ぶ３つの半導体素子２についてはその端部２Ｃ側に寄せられるように、ゲート電極３が配置されている。

制御回路基板７（基板）は、電力用半導体モジュール１００内に含まれるものの、リードフレーム１およびその上の半導体素子２の外側に、これらと間隔をあけて配置されている。図１においては制御回路基板７はＹ方向に長く延び、Ｘ方向にある寸法の幅を有する細長い長方形状を有している。一般的に制御回路基板７の平面視におけるサイズは、６０ｍｍ×６０ｍｍ以上、６０ｍｍ×１００ｍｍ以下程度であることが好ましい。

なお上記の半導体素子２は、これが長方形状または正方形状の平面形状を有する場合、端部２Ａ，２ＤがＹ方向に沿うように、端部２Ｂ，２ＣがＸ方向に沿うように延びるように配置されていることが好ましい。同様に制御回路基板７は、これが長方形状の平面形状を有する場合、その長手方向の端部がＹ方向に沿うように配置されていることが好ましい。

また半導体素子２と制御回路基板７との平面視における（Ｘ方向の）間隔は、１０ｍｍ以上６０ｍｍ以下程度であることが好ましく、２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下程度であることがより好ましい（本実施の形態においては２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とされる）。

制御回路基板７の表面上には、たとえばＹ方向に関して互いに間隔をあけて３つの制御回路基板電極９（第２の電極）が形成されている。制御回路基板電極９は、半導体素子２などと電気的に接続されることにより、半導体素子２の入出力を制御する機能を有している。なお制御回路基板７上には制御回路基板電極９の他にも、電極および半導体素子などが多数搭載されているが、これらについては一般公知であるため詳細な説明を省略する。

半導体素子２のゲート電極３と、制御回路基板電極９の制御回路基板７とは、ボンディングワイヤ１０（ワイヤ）により互いに電気的に接続される。たとえば図１のＹ方向上側の列に３つ並ぶ半導体素子２のゲート電極３は、制御回路基板７のＹ方向上側に互いに間隔をあけて３つ並ぶ制御回路基板電極９のそれぞれと、ボンディングワイヤ１０により互いに接続されている。またたとえば図１のＹ方向下側の列に３つ並ぶ半導体素子２のゲート電極３は、制御回路基板７のＹ方向下側に互いに間隔をあけて３つ並ぶ制御回路基板電極９のそれぞれと、ボンディングワイヤ１０により互いに接続されている。

ボンディングワイヤ１０は、ゲート電極３と制御回路基板電極９との間を接続する以外にも、たとえば図１に示すように、あるリードフレーム１のダイパッド１Ａと、それに隣り合うリードフレーム１上の半導体素子２（の上の図示されない電極など）とを電気的に接続してもよい。またボンディングワイヤ１０は、あるリードフレーム１上の半導体素子２（の上の図示されない電極など）と、そのリードフレーム１上に形成された、半導体素子２とは異なる他の半導体素子１２（の上の図示されない電極など）とを電気的に接続してもよい。さらにボンディングワイヤ１０は、あるリードフレーム１上の半導体素子２（の上の図示されない電極など）と、そこから離れたリード１Ｃとを電気的に接続してもよい。

電力用半導体モジュール１００全体の構成は概ね以上のとおりであるが、以下においては便宜上、図１中の概ね点線で囲まれた領域Ａ内、すなわち単一の半導体素子２と制御回路基板７とからなる領域を中心に説明がなされる。

すなわち図２は、特に制御回路基板７上に載置された素子などの構成において図１とは若干の差異があるが、基本的には図１の点線で囲まれた領域Ａ内の構成に準じたものを示している。図２を参照して、リードフレーム１は、ダイパッド１Ａ、突起部分１Ｂ、リード１Ｃともに、たとえば銅により形成される金属基板である。ただしリードフレーム１は、純銅により形成されてもよいが、これに限らず、たとえば銅と他の金属との合金であってもよいし、銅からなる本体の表面上に銀またはスズなどのめっきが施されたものであってもよい。たとえばリードフレーム１が銅からなる本体の表面上に銀またはスズなどのめっきが施されたもので形成されれば、ボンディングワイヤ１０との接合性をより高めることができる。また上記のリードフレーム１は金属製であるが、リードフレーム１を配置すべき位置に、リードフレーム１の代わりにセラミック基板またはプリント回路基板が形成されてもよい。

半導体素子２は、たとえばシリコン（Ｓｉ）からなっていてもよい。しかし半導体素子２は、電力用半導体素子に適用されると効果が大きい、たとえば炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）またはダイヤモンドのような、シリコン（Ｓｉ）に比べてバンドギャップが大きい、いわゆるワイドバンドギャップ半導体により形成されていてもよい。

たとえば半導体素子２は、端部２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの長さがいずれも等しい正方形状の平面形状であってもよいが、これらの長さが異なるたとえば長方形状の平面形状であってもよい。ただしいずれの場合においても、半導体素子２の複数（４つ）の端部２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのうち最も短い端部の長さは５．０ｍｍ以下であることが好ましい。また半導体素子２の定格電流は２．５Ａ以上であることが好ましい。

リードフレーム１のＺ方向上側の表面上には、半導体素子２が、たとえばはんだまたは銀ペーストなどの接合部材１８により実装されている。

半導体素子２および制御回路基板７のＺ方向上側の表面上に形成されるゲート電極３および制御回路基板電極９は、アルミニウム、銅、金、銀、白金、ニッケル、パラジウムからなる群から選択されるいずれかにより形成されることが好ましく、また上記群から選択された任意の２種以上の合金であってもよい。

半導体素子２の平面視におけるサイズと、ゲート電極３の平面視におけるサイズとは一般的に比例している。具体的には、半導体素子２の平面視におけるサイズが小さくなるにつれて、ワイヤボンディングが可能な範囲であるゲート電極３の平面視におけるサイズが小さくなる。また、インバータ駆動可能なモジュールにおいては、リードフレーム１上への半導体素子２の搭載個数が多くなり、ＩＧＢＴおよびダイオードなどの多種の素子が搭載される。これにより、半導体素子２内の配線、および半導体素子２と制御回路基板７などとのボンディングワイヤ１０などによる配線がより複雑になる。

図２および図３を参照して、たとえば半導体素子２上のゲート電極３と制御回路基板７上の制御回路基板電極９とを接続するボンディングワイヤ１０は、半導体素子２および制御回路基板電極９のＺ方向上側に盛り上がるような曲線を描いている。またボンディングワイヤ１０は、半導体素子２および制御回路基板７の表面との間に閉ループを形成するように、ゲート電極３および制御回路基板電極９のそれぞれの表面上に、ワイヤボンディングにより接合される。なお図３に示すように、制御回路基板電極９のＺ方向上側の表面は、半導体素子２のＺ方向上側の表面よりもＺ方向上方に配置される。

ボンディングワイヤ１０は、金、銀、銅、アルミニウムからなる群から選択されるいずれかにより形成されることが好ましく、また上記群から選択された任意の２種以上の合金であってもよい。ボンディングワイヤ１０は、いわゆるボールボンディングまたはウェッジボンディングにより、ゲート電極３上および制御回路基板電極９上に接続される。これらの材料から形成されたボンディングワイヤ１０は、その導電性およびゲート電極３などへの接続性が良好になる。

制御回路基板７の本体は、図２のようにボンディングワイヤ１０による接続がなされる前に半導体素子２と電気的に接続されていないものであれば、リードフレーム１の一部として、リードフレーム１と同じ金属材料からなる基板であってもよい。しかしボンディングワイヤ１０などを用いた配線の多層化、および部品実装の容易化を図る観点からは、制御回路基板７はプリント回路基板により形成されていることがより好ましい。

図３を参照して、これまで述べてきた電力用半導体モジュール１００を構成する各部材（半導体素子２、制御回路基板７、ボンディングワイヤ１０など）はすべて、封止樹脂２７により封止されている。また封止樹脂２７の外側を覆うように、すなわち電力用半導体モジュール１００全体の外形部としてのケース２８が形成されている。つまり電力用半導体モジュール１００は、ケース２８内に、封止樹脂２７により封止された各部材が収納された構成を有している。なお図１および図２においては図面を見やすくするため、封止樹脂２７およびケース２８の図示が省略されている。

ただし図３に示すように、本実施の形態の制御回路基板７は、その一部（図３におけるＸ方向右方）が封止樹脂２７の外側に露出している。

半導体素子２などの封止樹脂２７に封止された部材は、ボンディングワイヤ１０により電気的に接続されたリードフレーム１または制御回路基板７により、電力用半導体モジュール１００の外部の機器と電気的に接続される。ここで、図３に示すように、制御回路基板７が部分的に封止樹脂２７から露出していれば、その露出した部分により電力用半導体モジュール１００とその外部の機器とを電気的に接続することができる。

封止樹脂２７は、熱硬化性樹脂または紫外線硬化性樹脂により構成されることが好ましく、熱硬化性樹脂により構成されることがより好ましい。封止樹脂２７の熱硬化性樹脂としては、エポキシ系熱硬化性樹脂、フェノール系熱硬化性樹脂、メラミン系熱硬化性樹脂、アルキド系熱硬化性樹脂、アクリル系熱硬化性樹脂、ポリウレタン系熱硬化性樹脂、ポリイミド系熱硬化性樹脂、ポリアミドイミド系熱硬化性樹脂からなる群から選択されるいずれかが用いられる。しかしこれらの中でも、本実施の形態での封止樹脂２７は、エポキシ系熱硬化性樹脂であることがより好ましい。具体的には、封止樹脂２７のエポキシ系熱硬化性樹脂は、シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化ホウ素、金属水酸化物からなる群から選択されるいずれかを含有することが好ましい。

封止樹脂２７として使用する樹脂材料は常温時に固体であっても液体であってもよく、一般公知のコンプレッションモールド法、トランスファーモールド法、ポッティング法のいずれかの方法により半導体素子２などが封止される。

特にコンプレッションモールド法またはトランスファーモールド法により封止される場合、ケース２８と封止樹脂２７とが同一物質により構成される。

たとえばこれに対して、ポッティング法によりシリコーンゲルまたはポッティング樹脂等のエポキシ樹脂を封止樹脂２７の材料として使用する場合は、ケース２８として、封止樹脂２７とは異なる材質であるＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの熱可塑性樹脂が用いられる。しかしコンプレッションモールド法またはトランスファーモールド法を用いる場合の封止樹脂２７は、シリコーンゲルまたはポッティング樹脂に比べて弾性率の高い熱硬化性樹脂の材料が用いられる。このため、ボンディングワイヤ１０をより確実に封止保護することができる。特に本実施の形態においては上記のように、ゲート電極３と制御回路基板電極９とを接続するボンディングワイヤ１０がＺ方向上方に盛り上がるような曲線を描いているが、封止樹脂２７は、半導体素子２の表面からＺ方向上方に離れたボンディングワイヤ１０を安定に保護することができる。このような効果は、シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化ホウ素、金属水酸化物からなる群から選択されるいずれかを含むエポキシ系熱硬化性樹脂の封止樹脂２７が用いられた場合により顕著になる。

ケース２８は、特に液状の熱硬化性樹脂を封止樹脂２７に用いる場合に、液状の樹脂材料の外部への流出を抑制するために用いられる外形部である。ただしこのケース２８としては、上記のようにたとえばコンプレッションモールド法またはトランスファーモールド法を用いる場合においては、一般的には封止樹脂２７によって外形部が形成されるため、ケース２８を使用する必要はない。

たとえばポッティング法によりシリコーンゲルまたはシリコーンゴムなどの封止樹脂２７を用いる場合には、半導体素子２とボンディングワイヤ１０との界面に発生する応力により、ボンディングワイヤ１０の接続点における信頼性が確保できない可能性がある。また、金型を用いて封止樹脂２７などを成形する場合においては、ボンディングワイヤ１０および他の各部材のＺ方向の寸法（高さ）に制限が生じる場合がある。たとえばボンディングワイヤ１０のＺ方向の寸法が過剰に大きい場合は、成形時に金型によって封止樹脂２７に変形が生じたり、ボンディングワイヤ１０が封止樹脂２７により包埋されないなどの問題が発生する場合がある。

図４は、図２に示す電力用半導体モジュール１００の一部分、特に半導体素子２、制御回路基板７およびこれらを接続するボンディングワイヤ１０からなる部分を平面視した態様を示している。図４を参照して、図２においては、ボンディングワイヤ１０は、半導体素子２の１つのゲート電極３の表面上と、制御回路基板７の１つの制御回路基板電極９の表面上とに接続点を有するように、これらのゲート電極３および制御回路基板電極９と電気的に接合されている。この接合は、ボンディングワイヤ１０の超音波接合によりなされている。

図４（図２）においては、ゲート電極３は、半導体素子２の４つの端部２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのうち端部２Ｄに最も近い位置に配置されているといえる。これは図４（図２）においてはゲート電極３は半導体素子２の表面のうち端部２Ｄに近いＸ方向左側の領域に配置されているためである。

ここでゲート電極３に接続されたボンディングワイヤ１０は、半導体素子２の複数（４つ）の端部２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのうち、ゲート電極３の配置位置から最も近い端部２Ｄ以外の他の端部の真上を通るように半導体素子２のＺ方向上方を通って制御回路基板電極９に接続されている。具体的には、図４（図２）においては、ボンディングワイヤ１０は半導体素子２の端部２Ａ（他の端部）の真上を通ることにより制御回路基板電極９に達するようにＸ方向右方に延びている。

このため再度図１を参照して、Ｙ方向上側の列に３つ並ぶ半導体素子２上のゲート電極３は、これらに最も近い半導体素子２の端部２Ａの真上を避けるべく、端部２Ｂの真上を通りその後屈曲することによりＸ方向右側に配置される制御回路基板電極９に接続されている。同様に、Ｙ方向下側の列に３つ並ぶ半導体素子２上のゲート電極３は、これらに最も近い半導体素子２の端部２Ｃの真上を避けるべく、端部２Ａの真上を通ることによりＸ方向右側に配置される制御回路基板電極９に接続されている。

図５の断面図が示す電力用半導体モジュール１００は図２の斜視図および図４の平面図の電力用半導体モジュール１００と同様の態様であるとする。ボンディングワイヤ１０の全長をＬとし、端部２Ａの真上を横切るボンディングワイヤ１０の、半導体素子２のＺ方向上側の表面に対するＺ方向の高さ（距離）をｈとし、ボンディングワイヤ１０の描く曲線の半導体素子２のＺ方向上側の表面に対するＺ方向の最高高さをＨとする。なおボンディングワイヤ１０はその一方端および他方端においてゲート電極３および制御回路基板電極９に接続されているものとする。

このとき本実施の形態においては、まずＬ≧４Ｈが成り立つ。つまり本実施の形態は基本的に、全体の大きさが比較的大きくなりボンディングワイヤ１０が比較的長い、６ｉｎ１モジュールを含む電力用半導体モジュール１００を対象としている。

また端部２Ａの真上におけるボンディングワイヤ１０の、半導体素子２のＺ方向上側の表面に対する高さｈについては、０．３ｍｍ≦ｈが成り立つ。さらに基本的にはｈ＜Ｈが成り立つ。すなわち端部２Ａの真上のボンディングワイヤ１０のＺ方向高さｈは、ボンディングワイヤ１０の最高高さ未満である。

より具体的には、本実施の形態においては、Ｈ≦５．０ｍｍ、２０ｍｍ≦Ｌ＜１００ｍｍの関係が成り立つようにボンディングワイヤ１０が実装されている。これらにより必然的にＬ≧４Ｈの関係が成り立っている。上記のように本実施の形態は基本的に、全体の大きさが比較的大きくボンディングワイヤ１０が比較的長い、６ｉｎ１モジュールを含む電力用半導体モジュール１００を対象としているため、Ｌは２０ｍｍ以上であることを前提としている。またＬが１００ｍｍを超えれば封止樹脂２７の形成などの成形時にボンディングワイヤ１０が変形しやすくなりＨおよびｈの値が小さくなる不具合を招く可能性があるため、Ｌは１００ｍｍ以下であることが好ましい。さらにｈ＜Ｈとすることにより、たとえば半導体素子２のＺ方向上側の表面に対するＺ方向の高さ（距離）が過剰に大きくなりボンディングワイヤ１０が封止樹脂２７から露出するなどの不具合を抑制することができる。

本実施の形態においては、制御回路基板７が、半導体素子２から見てＸ方向右方に配置されている。このため半導体素子２の端部２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのうち端部２Ａが制御回路基板電極９からの距離が最も短くなっており、端部２Ｄが制御回路基板電極９からの距離が最も長くなっている。

そこでゲート電極３の全体が、半導体素子２の４つの端部のうち制御回路基板７に最も近い端部２Ａから離れた位置に配置されている。具体的にはここではゲート電極３が、端部２Ａと反対側の（端部２Ａに対向する）端部２Ｄ側に形成されている。特に図４を参照して、ゲート電極３は複数（４つ）の端部３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを有している。端部３Ａは端部２Ａの形成される側（Ｘ方向右方）に、端部３Ｂは端部２Ｂの形成される側（Ｙ方向上方）に、端部３Ｃは端部２Ｃの形成される側（Ｙ方向下方）に、端部３Ｄは端部２Ｄの形成される側（Ｘ方向左方）にそれぞれ対応する位置に形成されている。このときゲート電極３の端部３Ｄが半導体素子２の端部２Ｄに接するように、ゲート電極３が端部２Ｄ寄りに形成されている。

ボンディングワイヤ１０が半導体素子２の端部の真上の高い位置（ｈ≧０．３ｍｍ）を通ることを可能とするために、上記のように半導体素子２の端部２Ａ〜２Ｄのうちゲート電極３に最も近い端部を避けてそれ以外の端部の真上をボンディングワイヤ１０が通るように設計されている。次にこのときのより好ましい条件等について、図６〜図１０を参照してより詳細に説明する。

図６を参照して、たとえば図２および図４と同様に、正方形状の半導体素子２のＸ方向右側に互いに間隔をあけて制御回路基板７が配置される場合を考える。また半導体素子２の中央点をＸＹ平面上の原点とし、半導体素子２の端部２Ａはｘ＝１の位置を、端部２Ｂはｙ=１の位置を、端部２Ｃはｙ＝−１の位置を、端部２Ｄはｘ＝−１の位置を、それぞれ通るものとする。したがって端部２Ａとｘ軸との交点の座標は（１，０）、端部２Ａと端部２Ｂとの交点の座標は（１，１）、端部２Ｂとｙ軸との交点の座標は（０，１）、端部２Ｂと端部２Ｄとの交点の座標は（−１，１）、端部２Ｄとｘ軸との交点の座標は（−１，０）となる。またゲート電極３は平面視においてほぼ正方形状であり、その一辺の長さは約０．５となっている。

図６に示すように、ゲート電極３は、半導体素子２のソース電極の有効面積をなるべく広く確保する観点から、一般的に半導体素子２の平面視における端部２Ａ〜２Ｄの近くに形成される。

このとき、たとえば制御回路基板７に最も近い端部２Ａの真上を通るようにボンディングワイヤ１０を設計する場合には、半導体素子２上のゲート電極３は、図６の（−１，０）、（−１，１）、（０，１）のいずれかの点を含む位置に配置されることが好ましい。このようにすれば、ゲート電極３の全体が、半導体素子２の制御回路基板７に最も近い端部２Ａから離れた位置に配置されることになる。なおたとえば端部２Ｃ，２Ｄの真上を通るようにボンディングワイヤ１０を設計する場合には、図６の（１，１）、（１，０）を含む位置にゲート電極３が配置されてもよい。このようにすれば、ゲート電極３から最も近い端部以外の他の端部２Ｃ，２Ｄの真上を通るようにボンディングワイヤ１０が設計される。

次にゲート電極３の位置と、ボンディングワイヤ１０がその真上を通ることが可能な端部２Ａ〜２Ｄとの関係について図７を用いて説明する。本実施の形態においては、ボンディングワイヤ１０がその真上を通る半導体素子２の端部２Ａ〜２Ｄ（他の端部）と、ゲート電極３（第１の電極）との距離は、上記他の端部と第１の電極とを結ぶ方向（Ｘ方向またはＹ方向）に延びる半導体素子２の端部２Ａ〜２Ｄの長さの１／３を超えている。

言い換えれば、ゲート電極３に接続されたボンディングワイヤ１０は、ゲート電極３から対象とする端部２Ａ〜２ＤまでのＸ方向またはＹ方向に関する距離が、その距離を形成するＸ方向またはＹ方向に関するゲート電極３の長さの１／３を超えている。さらに言い換えれば、たとえばゲート電極３が正方形状であれば、ゲート電極３から端部２Ａ〜２ＤまでのＸ方向またはＹ方向に関する距離が、ゲート電極３の１辺の長さの１／３を超えている端部２Ａ〜２Ｄの真上を通過するようにボンディングワイヤ１０が設計される。これを逆に言えば、ゲート電極３からの距離がゲート電極３の１辺の長さの１／３以下の位置にある端部２Ａ〜２Ｄを避けるようにボンディングワイヤ１０が端部２Ａ〜２Ｄの真上を通過する構成となっている。

たとえば図７（ａ）を参照して、ゲート電極３が半導体素子２のＸ方向右方に（端部３Ａが端部２Ａに接するように）配置される場合は、これと端部２Ａとの距離は、ゲート電極３と端部２Ａとを結ぶ方向（Ｘ方向）における半導体素子２の（端部２Ｂ，２Ｃの）長さの１／３以下（ほぼ０）である。ここでの距離とは、ゲート電極３と端部２Ａ〜２Ｄとの最短距離を示し、通常、当該ゲート電極３から端部２Ａ〜２Ｄのいずれかの延びる方向に沿って延びる直線の長さで表される。

一方、図７（ａ）においてはゲート電極３は半導体素子２のＹ方向に関するほぼ中央に配置されているため、ゲート電極３と端部２Ｂ，２Ｃとの距離は、ゲート電極３と端部２Ｂ，２Ｃとを結ぶ方向（Ｙ方向）における半導体素子２の（端部２Ａ，２Ｄの）長さの１／３を超えている。また図７（ａ）のゲート電極３と端部２Ｄとの距離は、ゲート電極３と端部２Ｄとを結ぶ方向（Ｘ方向）における半導体素子２の（端部２Ｂ，２Ｃの）長さの１／３を超えている。

以上により、図７（ａ）においては、ボンディングワイヤ１０が端部２Ａの真上を通らないように設計されることが好ましく、ボンディングワイヤ１０は他の端部２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのいずれかの真上を通ることが好ましい。図７においては、半導体素子２の端部２Ａ〜２Ｄのうち、ボンディングワイヤ１０がその真上を通るべきでない端部を太線で示している。

以下同様に、たとえば図７（ｂ）を参照して、ゲート電極３が半導体素子２の右上角部に（端部３Ａが端部２Ａに、端部３Ｂが端部２Ｂに接するように）配置される場合には、これと端部２Ａ，２Ｂとの距離がほぼ０である。これに対してゲート電極３と端部２Ｃとの距離は、これらを結ぶ方向に延びる端部２Ａ，２Ｄの長さの１／３を超えている。またゲート電極３と端部２Ｄとの距離は、これらを結ぶ方向に延びる端部２Ｂ，２Ｃの長さの１／３を超えている。このためボンディングワイヤ１０は端部２Ａ，２Ｂの真上を避けてそれ以外の端部２Ｃ，２Ｄの真上を通るように接続されることが好ましい。

またたとえば図７（ｃ）を参照して、端部２Ａと端部３Ａとの距離は、これらを結ぶ方向に延びる端部２Ｂ，２Ｃの長さの１／３以下であり、端部２Ｂと端部３Ｂとの距離は、これらを結ぶ方向に延びる端部２Ａ，２Ｄの長さの１／３以下である。しかし端部２Ｃと端部３Ｃとの距離は、これらを結ぶ方向に延びる端部２Ａ，２Ｄの長さの１／３を超えており、端部２Ｄと端部３Ｄとの距離は、これらを結ぶ方向に延びる端部２Ｂ，２Ｃの長さの１／３を超えている。このためボンディングワイヤ１０は端部２Ａ，２Ｂの真上を避けてそれ以外の端部２Ｃ，２Ｄの真上を通るように接続されることが好ましい。

図７（ｄ）を参照して、このゲート電極３は半導体素子２の平面視における中央部に配置されている。このためゲート電極３と端部２Ａ〜２Ｄのすべてとの距離が、その距離の方向に沿って延びる端部２Ａ〜２Ｄの長さの１／３を超えている。したがってボンディングワイヤ１０は端部２Ａ〜２Ｄのいずれの真上を通るように接続されてもよい。

上記のようにワイヤボンディングにおいてはいわゆるボールボンディングまたはウェッジボンディングがなされる。この中でも特にウェッジボンディングがなされる場合には、ボンディングワイヤ１０の側面をゲート電極３および制御回路基板電極９の表面上に押しつけて接合される。このため、ゲート電極３および制御回路基板電極９の表面上に接続されるボンディングワイヤ１０が、その接続される点の近くにおいて屈曲する可能性がある。

具体的には図８を参照して、たとえば半導体素子２のＹ方向上側の端部２Ｂに接するようにゲート電極３が形成された場合を考える。このとき、そのゲート電極３上に一方端が接続されたボンディングワイヤ１０は、一方端の付近ではゲート電極３から見て制御回路基板７の存在する方向を示すｘ軸（Ｌ１の方向）とのなす接合角度がθである直線Ｌ２の方向に延びているが、そこから屈曲しており、ｘ方向右方に近い方向に向けて延びている。ただし屈曲してその延伸方向が変わっているために、ボンディングワイヤ１０はゲート電極３から最も近い半導体素子２の端部２Ｂの真上を避けて他の端部２Ａの真上を通るように制御回路基板７に接続されている。次に図９を用いて、ボンディングワイヤ１０の一方端（ゲート電極３との接続点となる部分）での延びる方向を示す接合角度と、屈曲による変更後の延びる方向を示す延伸角度との関係について説明する。

図９（ａ）を参照して、この例においては図８の態様に近い態様となっており、ボンディングワイヤ１０の接合角度θが９０°、電極位置が座標（０，１）を含む位置になっている。すなわちこの例においては一方端からボンディングワイヤ１０はｘ軸との間の接合角度θがほぼ９０°となるように端部２Ｂに向けて延び、屈曲によりほぼｘ方向右方（正確にはそれよりややｙ方向下方に向かっている）に向けた延伸角度で延びている。

このように、ゲート電極３上に接続されたボンディングワイヤ１０は、ゲート電極３から最も近い端部２Ｂの方向を向いて延び、かつゲート電極３から最も近い半導体素子２の端部２Ｂの真上を避けて他の端部（ここでは端部２Ａ）の方向を向いて延びる（端部２Ａの真上を通る）ように屈曲される。

その他の例としては以下のようなものがある。図９（ｂ）を参照して、これはボンディングワイヤ１０の接合角度が０°であり、電極位置が座標（−１，０）を含む位置になっている。この例においては屈曲によりボンディングワイヤ１０の延びる方向が大きく変わることなく、接合角度と同様に０°の延伸角度でＸ方向右方に延びている。

図９（ｃ）を参照して、これはボンディングワイヤ１０の接合角度が０°であり、電極位置が座標（０，１）を含む位置になっている。図９（ｄ）を参照して、これはボンディングワイヤ１０の接合角度が−９０°であり、電極位置が座標（−１，１）を含む位置になっている。

本実施の形態においては、基本的にゲート電極３上に接続されたボンディングワイヤ１０は制御回路基板電極９に接続されるため、ボンディングワイヤ１０は制御回路基板電極９の配置される方向すなわちＸ方向右方に向けて延びる（接合角度および延伸角度を有する）ことが好ましい。この観点から言えば、ボンディングワイヤ１０の接合角度θは０°（または０°に近い比較的小さい角度）であることがより好ましい。このようにすれば、ボンディングワイヤ１０は本来延びるべき方向（制御回路基板７の存在する方向）により近い方向（接合角度）で延びることになる。ボンディングワイヤ１０の屈曲部に大きな応力が加わらないため、ゲート電極３とボンディングワイヤ１０との接続点における熱応力を低減させることができる。このため熱による当該部分へのダメージの発生を抑制することができる。

なお封止樹脂２７として熱硬化性樹脂を用いる場合には、熱硬化性樹脂の弾性率が比較的高いため、ゲート電極３とボンディングワイヤ１０との接続点に作用する応力を、熱硬化性樹脂の部分で受けることができる。このためゲート電極３とボンディングワイヤ１０との接続点における信頼性を確保することができる。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
基本的に半導体素子２の端部２Ａ〜２Ｄにおいては他の領域に比べて電界強度が高くなる。このため高い電界強度の影響を受けないようにする観点から、ボンディングワイヤ１０はなるべく端部２Ａ〜２Ｄから離れた位置に（特に半導体素子２の表面からＺ方向上方に離れるように）配置されることが好ましい。ところが特に６ｉｎ１モジュールのように半導体装置全体のサイズが大きくなり、ボンディングワイヤ１０の長さが長くなれば、半導体素子２の表面からＺ方向上方に大きく離れるような曲線を描くようにボンディングワイヤ１０を設けることが困難となる。このためボンディングワイヤ１０がすぐに落下したり半導体素子２の表面上に接触する不具合を来したり、ボンディングワイヤ１０が半導体素子２の端部の高電界の影響を受ける可能性が高くなる。

そこで本実施の形態においては、ボンディングワイヤ１０の長さがその半導体素子２表面に対するＺ方向の最高高さの４倍以上である場合において、ボンディングワイヤ１０は、半導体素子２に接続されるゲート電極３に最も近い端部以外の他の端部の真上を通りながら制御回路基板電極９の方へ導かれる。このようにすれば、ゲート電極３に最も近い端部の真上を通る場合に比べて、ゲート電極３上のボンディングワイヤ１０の接続点から半導体素子２の端部の真上までの（ＸＹ平面上の）距離を長くすることができる。このため当該半導体素子２の端部の真上におけるボンディングワイヤ１０のＺ方向高さを高く（０．３ｍｍ以上に）することが容易になる。したがってボンディングワイヤ１０がたとえば半導体素子２の端部の高電界の影響を受けることによる接合信頼性の低下を抑制することができる。

たとえば図７（ｃ）においてはゲート電極３に接続されたボンディングワイヤ１０は端部２Ｃ，２Ｄの真上を通ることが好ましい。このように、ゲート電極３からのボンディングワイヤ１０が真上を通るべき端部は、当該ゲート電極３と当該端部とを結ぶ方向における半導体素子２の１辺の長さの１／３を超えていることが好ましい。このようにすれば、そうでない場合に比べて、ゲート電極３上のボンディングワイヤ１０の接続点から半導体素子２の端部の真上までの（ＸＹ平面上の）距離を長くすることができる。このため当該半導体素子２の端部の真上におけるボンディングワイヤ１０のＺ方向高さを高く（０．３ｍｍ以上に）することが容易になる。したがってボンディングワイヤ１０の接合信頼性の低下を抑制することができる。

ただし本実施の形態においては、たとえば図９（ａ）のように、ゲート電極３上の接続点から延びるボンディングワイヤ１０の接合角度が、ゲート電極３から最も近い半導体素子２の端部の方向を向いて延び、その後の屈曲により当該端部を避けて他の端部の真上を通る構成となっていてもよい。このようになっていても、ゲート電極３から最も近い半導体素子２の端部２Ｂの真上を通らない以上、ボンディングワイヤ１０が高電界の影響を受ける不具合を抑制する効果を奏することができる。

ここで図９（ａ）の比較例である図１０（ａ）を参照して、ここでは図９（ａ）と同じ位置にゲート電極３が形成された半導体素子２に対して、ゲート電極３上に接続されたボンディングワイヤ１０が図９（ａ）と同じ接合角度で延びるが、その後ゲート電極３に最も近い端部２Ｂの真上を通る構成となっている点において図９（ａ）と異なっている。このようにすればボンディングワイヤ１０が半導体素子２の表面に対してＺ方向の低い位置において端部２Ｂと交差することにより信頼性が低下する可能性がある。このため図１０（ａ）のような構成とならないよう留意することが好ましい。

制御回路基板７が半導体素子２の端部２Ａ側に配置される場合、ボンディングワイヤ１０は端部２Ａの真上を通るように形成されることが好都合である場合が多い。この場合において、ゲート電極３の全体が、半導体素子２の制御回路基板７に最も近い端部２Ａから離れた位置に配置されていることが好ましく、当該もっとも近い端部２Ａに対向する端部２Ｄに接するように配置されていることがより好ましい。このようにすれば、半導体素子２の端部２Ａ〜２Ｄのうちゲート電極３に最も近い端部が端部２Ａではなくなる。このため、設計上の特別な工夫等を要することなく、容易にボンディングワイヤ１０を端部２Ａ上を通らせる構成とすることができる。

なおたとえば複数（４つ）の端部のうち最も短い端部の長さが５．０ｍｍ以下である比較的小さい半導体素子２が実装された電力用半導体モジュール１００は特に端部２Ａ〜２Ｄが高電界になりやすく、信頼性の低下が懸念される。同様に、たとえば半導体素子２の定格電流が２．５Ａ以上と比較的大きい場合、特に端部２Ａ〜２Ｄが高電界になりやすく、信頼性の低下が懸念される。このためこれらの特徴を有する構成に対して本実施の形態の構成を採用することにより、電力用半導体モジュール１００の信頼性の低下を抑制する効果がいっそう期待できる。

さらに本実施の形態においては、ボンディングワイヤ１０のＺ方向に関する最高高さＨを５．０ｍｍ以下とすることにより、樹脂封止時にボンディングワイヤ１０が樹脂の流れとともに移動する不具合の発生を抑制し、ボンディングワイヤ１０に起因する短絡不良の発生を抑制することができる。

また本実施の形態においては、ゲート電極３から見た制御回路基板７（制御回路基板電極９）の方向に対する、ボンディングワイヤ１０の接合角度θがなるべく０°に近いことが好ましく、その絶対値が９０°以下であることが好ましい。たとえば図１０（ｂ）を参照して、これはボンディングワイヤ１０の接合角度が１８０°であり、電極位置が座標（−１，０）を含む位置になっている。この場合、ゲート電極３上のボンディングワイヤ１０の接続点において大きな熱応力が加わりダメージが発生する可能性がある。接合角度θを小さくすることにより、このような不具合を抑制することができる。

図１および図２に示す本実施の形態の電力用半導体モジュール１００（封止樹脂２７により封止されたもの）を用いて、その信頼性の評価を行なった。これについて以下に詳述する。

まず電力用半導体モジュール１００を製作準備した。具体的には、図２に示すような銅製のリードフレーム１の一方（Ｚ方向上方）の主表面上に、接合部材１８としてのはんだを用いて、定格電流が２．５Ａの半導体素子２が実装された。その後半導体素子２の表面上の、図６に示す（−１，０）の座標位置を含むように（すなわち端部２Ｄを含むように）ゲート電極３が形成された。また図２に示すようにたとえば平面視におけるサイズが６０ｍｍ×１００ｍｍである制御回路基板７が準備された。

半導体素子２上のゲート電極３と制御回路基板７上の制御回路基板電極９とが、断面の直径が３００μｍであるアルミニウムのボンディングワイヤ１０により、いわゆる超音波接合を用いて接続された。半導体素子２は１辺（各端部２Ａ〜２Ｄ）の長さが５．０ｍｍの平面視における正方形状であり、ゲート電極３は１辺（各端部３Ａ〜３Ｄ）の長さが１．５ｍｍの平面視における正方形状である。なおボンディングワイヤ１０は、たとえば図９（ｂ）に示すようにその接合角度θ（図８参照）が０°となるようにゲート電極３上に接続された。したがってボンディングワイヤ１０は、ゲート電極３に最も近い端部２Ｄの真上を通ることを避けて端部２Ａの真上を通る態様となっている。形成されたボンディングワイヤ１０は、半導体素子２の表面からのＺ方向の最大高さＨ（図５参照）が５．０ｍｍ、半導体素子２の端部２Ａの真上における半導体素子２の表面からのＺ方向の高さｈ（図５参照）が０．５ｍｍ、その全長Ｌ（図５参照）が２５ｍｍであった。

その後、形成された半導体素子２などが、一般公知のトランスファーモールド法により封止されることにより、電力用半導体モジュール１００として完成させた。

形成された電力用半導体モジュール１００のサンプルに対し、高温逆バイアス試験（ＨＴＲＢ試験）が実施された。具体的には、電力用半導体モジュール１００が１２５℃以上１５０℃以下の雰囲気下に投入された状態で、半導体素子２のコレクタ−エミッタ間に１０００Ｖの電圧が印加された。この状態で、半導体素子２に含まれる回路中に流れる漏れ電流をモニタリングしながら１０００時間試験が行われた。このように高温逆バイアス試験とは、高温および高電圧によるストレス条件下での漏れ電流の時間変化を測定評価する試験である。

また、半導体素子２とボンディングワイヤ１０との接合の信頼性を試験する目的で、パワーサイクル試験（Ｐ／Ｃ試験）が行われた。具体的には、半導体素子２の定格電流付近で通電し、ΔＴ＝１００℃の温度スイング幅となるような条件下で試験が行われた。このようにパワーサイクル試験とは、半導体素子２に電流を流す状態と流さない状態とを繰り返すことにより半導体素子２の温度を所定の範囲内にて昇温および降温を繰り返させる信頼性試験である。

実施例２においては基本的に実施例１と同一条件で同様の試験がなされているが、電力用半導体モジュール１００におけるゲート電極３が、半導体素子２の表面上の、図６に示す（０，１）の座標位置を含む位置（すなわち端部２Ｂを含む位置）に形成されている。またボンディングワイヤ１０の接合角度θ（図８参照）が９０°であり、ボンディングワイヤ１０の上記最大高さＨ（図５参照）が４．５ｍｍ、端部２Ａの真上での高さｈ（図５参照）が０．３６ｍｍ、全長Ｌ（図５参照）が２３ｍｍであった。これは図９（ａ）に示すような態様であり、ゲート電極３に最も近い端部２Ｂの真上をボンディングワイヤ１０が通ることを抑制すべく屈曲されている。以上の点においてのみ実施例２の条件は実施例１と異なっており、他についてはすべて実施例１と同様である。このためここでは詳細な記載を省略する。

実施例３においては基本的に実施例１と同一条件で同様の試験がなされているが、電力用半導体モジュール１００におけるゲート電極３が、半導体素子２の表面上の、図６に示す（０，１）の座標位置を含む位置（すなわち端部２Ｂを含む位置）に形成されている。またボンディングワイヤ１０の接合角度θ（図８参照）が０°であり、ボンディングワイヤ１０の上記最大高さＨ（図５参照）が４．５ｍｍ、端部２Ａの真上での高さｈ（図５参照）が０．３５ｍｍ、全長Ｌ（図５参照）が２３ｍｍであった。これは図９（ｃ）に示すような態様であり、ゲート電極３に最も近い端部２Ｂの真上をボンディングワイヤ１０が通ることがないようにボンディングされている。以上の点においてのみ実施例２の条件は実施例１と異なっており、他についてはすべて実施例１と同様である。このためここでは詳細な記載を省略する。

実施例４においては基本的に実施例１と同一条件で同様の試験がなされているが、電力用半導体モジュール１００におけるゲート電極３が、半導体素子２の表面上の、図６に示す（−１，１）の座標位置を含む位置（すなわち端部２Ｂ，２Ｄを含む位置）に形成されている。またボンディングワイヤ１０の接合角度θ（図８参照）が−９０°であり、ボンディングワイヤ１０の上記最大高さＨ（図５参照）が５．０ｍｍ、端部２Ａの真上での高さｈ（図５参照）が０．４ｍｍ、全長Ｌ（図５参照）が２６ｍｍであった。これは図９（ｄ）に示すような態様であり、ゲート電極３に最も近い端部２Ｂ，２Ｄの真上をボンディングワイヤ１０が通ることがないようにボンディングされている。以上の点においてのみ実施例２の条件は実施例１と異なっており、他についてはすべて実施例１と同様である。このためここでは詳細な記載を省略する。

以上の実施例１〜実施例４の試験結果は以下の表１に示すとおりである。

本実施の形態の構成上の特徴を有する電力用半導体モジュール１００は、高温逆バイアス試験を１０００時間行った後において漏れ電流値の変化が少なかった。このことを表１中の「ＨＴＲＢ試験」の欄に○印で示している。また本実施の形態の構成上の特徴を有する電力用半導体モジュール１００は、パワーサイクル試験を１００ｋｃｙｃ以上の温度スイングで行なった場合においても特性変化のない、信頼性の高いものであることがわかった。このことを表１中の「Ｐ／Ｃ試験」の欄に○印で示している。このような結果は、ボンディングワイヤ１０がゲート電極３に最も近い半導体素子２の端部以外の端部の真上を通ることにより、端部の真上での高さが０．３ｍｍ以上となるように制御できたことにより得られたものであると考えられる。
（比較例１）
本実施の形態の電力用半導体モジュール１００に対する比較例１のサンプルは、以下のように準備された。銅製のリードフレームの一方（Ｚ方向上方）の主表面上に、接合部材１８としてのはんだを用いて半導体素子２が実装された。その後半導体素子２の表面上の、図６に示す（−１，０）の座標位置を含むように（すなわち端部２Ｄを含むように）ゲート電極３が形成され、図２に示すような制御回路基板７が準備された。半導体素子２およびゲート電極３のサイズは実施例１〜実施例４と同様である。

半導体素子２上のゲート電極３と制御回路基板７上の制御回路基板電極９とが、断面の直径が３００μｍであるアルミニウムのボンディングワイヤ１０により、いわゆる超音波接合を用いて接続された。このときボンディングワイヤ１０は、接合角度θ（図８参照）が１８０°であり、ボンディングワイヤ１０の上記最大高さＨ（図５参照）が５．０ｍｍ、端部２Ａの真上での高さｈ（図５参照）が０．７ｍｍ、全長Ｌ（図５参照）が２５ｍｍであった。これは図１０（ｂ）に示すような態様である。その後、シリコーンゲルを用いてポッティング法により樹脂封止がなされた。

以上により形成されたサンプルに対して、実施例１〜実施例４と同様の試験（高温逆バイアス試験およびパワーサイクル試験）がなされた。
（比較例２）
比較例２においては基本的に実施例１と同一条件で同様の試験がなされているが、電力用半導体モジュール１００におけるゲート電極３が、半導体素子２の表面上の、図６に示す（１，０）の座標位置を含む位置（すなわち端部２Ａを含む位置）に形成されている。またボンディングワイヤ１０の接合角度θ（図８参照）が０°であり、ボンディングワイヤ１０の上記最大高さＨ（図５参照）が４．５ｍｍ、端部２Ａの真上での高さｈ（図５参照）が０．２２ｍｍ、全長Ｌ（図５参照）が２１ｍｍであった。つまり比較例２においては、ゲート電極３に最も近い端部２Ａの真上をボンディングワイヤ１０が通っている。以上の点においてのみ比較例２の条件は実施例１と異なっており、他についてはすべて実施例１と同様である。また試験内容についても比較例１とまったく同様である。このためここでは詳細な記載を省略する。
（比較例３）
比較例３においては基本的に実施例１と同一条件で同様の試験がなされているが、電力用半導体モジュール１００におけるゲート電極３が、半導体素子２の表面上の、図６に示す（０，０．７）の座標位置を含む位置に形成されている。またボンディングワイヤ１０の接合角度θ（図８参照）が９０°であり、ボンディングワイヤ１０の上記最大高さＨ（図５参照）が４．５ｍｍ、端部２Ｂの真上での高さｈ（図５参照）が０．２９ｍｍ、全長Ｌ（図５参照）が２３ｍｍであった。つまり比較例３においては、ゲート電極３に最も近く、そのゲート電極３からの距離が半導体素子２のＹ方向に延びる端部長さの１／３以下である端部２Ｂの真上をボンディングワイヤ１０が通っている。以上の点においてのみ比較例３の条件は実施例１と異なっており、他についてはすべて実施例１と同様である。また試験内容についても比較例１とまったく同様である。このためここでは詳細な記載を省略する。
（比較例４）
比較例４においては基本的に実施例１と同一条件で同様の試験がなされているが、電力用半導体モジュール１００におけるゲート電極３が、半導体素子２の表面上の、図６に示す（０，１）の座標位置を含む位置（すなわち端部２Ｂを含む位置）に形成されている。またボンディングワイヤ１０の接合角度θ（図８参照）が９０°であり、ボンディングワイヤ１０の上記最大高さＨ（図５参照）が５．５ｍｍ、端部２Ｂの真上での高さｈ（図５参照）が０．３９ｍｍ、全長Ｌ（図５参照）が２５ｍｍであった。つまり比較例４においては、ゲート電極３に最も近い端部２Ｂの真上をボンディングワイヤ１０が通っている。以上の点においてのみ比較例４の条件は実施例１と異なっており、他についてはすべて実施例１と同様である。また試験内容についても比較例１とまったく同様である。このためここでは詳細な記載を省略する。

以上の比較例１〜比較例４の試験結果は以下の表２に示すとおりである。

比較例１においては、高温逆バイアス試験については問題がなかったが、パワーサイクル試験の際に１５ｋｃｙｃ程度のところでオン電圧の上昇がみられた。そこでボンディングワイヤ１０のゲート電極３上での接続点の顕微鏡観察を行なった結果、ボンディングワイヤ１０のリフトオフが確認できた。このため、接続点の信頼性が確保できなかったといえる。このことを表２中の「Ｐ／Ｃ試験」の欄に×印で示している。

これは、比較例１においては接合角度が１８０°であることと、封止にシリコーンゲルが使用されていることとが原因として考えられる。シリコーンゲルは熱硬化性樹脂に比べて柔らかく、封止樹脂２７がゲート電極３上の接続点を保護する役割が十分に発揮できなかったためと考えられる。

比較例２および比較例３においては、表２に示すように、高温逆バイアス試験において、１０００時間以内で漏れ電流の増大が発生した。このことを表２中の「ＨＴＲＢ試験」の欄に×印で示している。高温逆バイアス試験の結果が思わしくなかったため、パワーサイクル試験は実施していない。このような結果となったのは、ゲート電極３に最も近い端部の真上を通るようにボンディングワイヤ１０が接続されたために、当該端部の真上におけるボンディングワイヤ１０の高さｈ（図５参照）が０．３ｍｍ未満となったためと考えられる。このために高温逆バイアス試験において漏れ電流が増大し、信頼性が低下していると考えられる。

比較例４においては、ボンディングワイヤ１０の最大高さＨ（図５参照）が５．０ｍｍを超えており（Ｚ方向に過剰に高く）、その最大高さの箇所の近くにおけるボンディングワイヤ１０の封止樹脂２７からの露出が確認された。このように比較例４においては、成形時に問題が発生し、試験が実施できなかった。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ リードフレーム、１Ａ ダイパッド、１Ｂ 突起部分、１Ｃ リード、２ 半導体素子、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ 端部、３ ゲート電極、７ 制御回路基板、９ 制御回路基板電極、１０ ボンディングワイヤ、１２ 他の半導体素子、１８ 接合部材、２７ 封止樹脂、２８ ケース、１００ 電力用半導体モジュール。

Claims (14)

1. 第１の電極を有し、複数の端部を有する半導体素子と、
   第２の電極を有し、前記半導体素子の外側に配置された基板と、
   前記第１および第２の電極を電気的に接続するワイヤとを備え、
   前記ワイヤは、前記半導体素子の複数の前記端部のうち、前記第１の電極から最も近い前記端部以外の他の端部の真上を通るように前記第２の電極に接続され、
   前記ワイヤの長さは、前記半導体素子の表面に対する前記ワイヤの最高高さの４倍以上であり、
   前記他の端部の真上における前記ワイヤの前記半導体素子の表面に対する高さは０．３ｍｍ以上である、半導体装置。
2. 前記他の端部と、前記第１の電極との距離は、前記第１の電極と前記他の端部とを結ぶ方向に延びる前記半導体素子の前記端部の長さの１／３を超える、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１の電極上に接続された前記ワイヤは、前記半導体素子の複数の前記端部のうち前記第１の電極から最も近い前記半導体素子の端部の方向を向いて延び、かつ前記他の端部の真上を通るように屈曲される、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記第１の電極の全体が、前記半導体素子の前記基板に最も近い前記端部から離れた位置に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第１の電極は、前記半導体素子の前記基板に最も近い前記端部に対向する前記端部に接するように形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記半導体素子の複数の前記端部のうち最も短い前記端部の長さが５．０ｍｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記半導体素子の定格電流が２．５Ａ以上である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記第１の電極はゲート電極である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記基板は制御回路基板である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
10. 前記ワイヤは金、銀、銅、アルミニウム、金と銀と銅とアルミニウムとから選択された任意の２種以上の合金、からなる群から選択されるいずれかにより形成される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
11. 前記半導体素子、前記基板および前記ワイヤは封止樹脂により封止され、
    前記基板の少なくとも一部は前記封止樹脂から露出している、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
12. 前記封止樹脂は熱硬化性樹脂である、請求項１１に記載の半導体装置。
13. 前記熱硬化性樹脂は、シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化ホウ素、金属水酸化物からなる群から選択されるいずれかを含有するエポキシ系熱硬化性樹脂である、請求項１２に記載の半導体装置。
14. 前記封止樹脂はトランスファーモールドにより成形された樹脂である、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の半導体装置。
    

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