JP5368357B2 - 電極部材およびこれを用いた半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の構成のうちの、半導体素子と配線部材との電気接続をおこなうための電極部材の構造に関し、とくに大電流を扱う電力用半導体装置に適した構成に関する。
半導体装置の中でも電力用半導体装置は、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。従って、電力用半導体装置に使用される半導体素子は１００Ａ／ｃｍ２を超える高い電流密度で通電することが求められる。そのため、近年はシリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されており、ＳｉＣからなる半導体素子は５００Ａ／ｃｍ２を超える電流密度での動作が可能である。また、ＳｉＣは１５０℃〜３００℃の高温状態でも安定動作が可能であり、高電流密度動作と高温動作の両立が可能な半導体材料として期待されている。
一方、電力用を含め半導体装置では、半導体素子の下面の電極面を絶縁基板上の回路パターンにはんだ接合し、上面の電極面にアルミニウムのワイヤを超音波接合して半導体素子の給電経路を形成することが一般的に行われてきた。しかし、アルミニウムの線膨張係数は２２ｐｐｍ／Ｋ程度であり、半導体素子として使用されるＳｉやＳｉＣなどの線膨張係数が３〜５ｐｐｍ／Ｋと較べて大きく異なるので、繰り返しの温度変化に伴う熱応力によって、ワイヤ内部に亀裂が進展し、やがて破断に到ることが知られている。これは、パワーサイクル試験と呼ばれる断続的なパルス電流負荷を与えることで破断に対する耐久性を評価することが出来ることから、以降パワーサイクル寿命と称することにする。
パワーサイクル寿命は、熱応力に起因した亀裂に関する現象であることから、半導体素子の温度変化量に大きく依存する。また、半導体素子の最高到達温度が高くなるとパワーサイクル寿命は短い傾向となる。上述したように、ワイドバンドギャップ半導体においては、高温での動作が期待されるため、Ｓｉデバイスと比較すると、高い最高到達温度と大きな温度変化量に耐えうる配線構造が必須となる。これは、たとえば従来のＳｉ半導体に対して最高到達温度を１２５℃、温度変化量を８０Ｋと設定して設けられた配線構造を、ワイドバンドギャップ半導体における動作条件である最高到達温度が１７５℃、温度変化量が１３０Ｋの条件で使用すると、パワーサイクル寿命が１／１０以下まで低下することになる。つまり、電力用半導体装置においてワイドバンドギャップ半導体の機能を発揮できるような厳しい温度条件に対しては、従来のＳｉ半導体に対して用いられてきたアルミニウムワイヤの超音波接合のような配線構造では十分な寿命を得ることができなかった。
そこで、ワイヤに代わって平板状のリード部材と半導体素子との接合部に半導体素子の線膨張係数に近い緩衝板を挿入し、熱サイクル時の接合部に生じる熱応力を緩和する半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１または特許文献２参照。）。また、ワイヤを接合するための電極を弾性率の低い導電性樹脂を介して半導体素子上に配置し、半導体素子と電極間にかかる熱応力を緩和するようにしたパワー半導体モジュールが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開平１１−１６３０４５号公報（段落００３４、図２） 特開２０００−３３２０６７号公報（段落０００７、００１２〜００１４、図１） 特開平１１−１６３０４５号公報（段落００１８〜００１９、図１）
しかしながら、緩衝部材の線膨張係数を半導体素子に近づければ、半導体素子と緩衝部材と接合部の繰り返し熱応力に対する寿命は長くなるが、緩衝部材とリード部材との熱応力を抑制することは困難となる。逆に、緩衝部材の線膨張係数をリード部材に近づけるとリード部材接合部の繰り返し熱応力寿命は長くなるが、半導体素子と緩衝部材との熱応力を抑制することは困難となる。つまり、パワーサイクル寿命を最適化するには、このトレードオフ関係から両者の寿命がほぼ等しくなる点を選ぶ必要がある。これはすなわち、パワーサイクル寿命が線膨張係数のトレードオフによって限界点を持っていることを意味している。このような状況にあっては、ワイドバンドギャップ半導体における高温動作で必要な、１０倍以上のパワーサイクル性能を得ることは不可能であった。また、弾性率の低い導電性樹脂を挿入する場合、樹脂は高温で劣化しやすいので信頼性が低下するとともに、金属部材と比較して抵抗が高いために電力ロスが発生して効率が低下するという問題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、最高到達温度が高く、温度変化量が大きくなっても、信頼性の高い半導体装置を得ることを目的としている。
本発明の電極部材は、半導体素子と配線部材とを電気接続するための電極部材であって、帯状の第１の金属板の長さ方向における一端側から所定長さの領域に第２の金属板が張り合わされた帯状材を、前記第２の金属板が張り合わされた領域よりも他端側の部分を折り曲げて前記第１の金属板が前記第２の金属板の外側に位置するＵ字形状となし、前記Ｕ字形状の外側となった面において、前記一端側から折り曲げ部分までの所定長さの領域に前記半導体素子との接合面が、前記他端側から前記折り曲げ部分までの所定長さの領域に前記配線部材との接合面が設けられ、前記第１の金属板の線膨張係数は、前記半導体素子の線膨張係数よりも前記配線部材の線膨張係数に近く、前記第２の金属板が張り合わされた領域における前記帯状材の線膨張係数は、前記配線部材の線膨張係数よりも前記半導体素子の線膨張係数に近い、ことを特徴とする。
本発明の電極部材によれば、半導体素子との接合面は半導体素子の線膨張係数に近く、配線部材との接合面は配線部材の線膨張係数に近いとともに、電極部材内の積層構造界面を通過することなく両接合面間に電流が流れるようにしたので、最高到達温度が高く、温度変化量が大きくなっても、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置および電極部材の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１にかかる電極部材を用いて電力用半導体装置を製造する方法を説明するための部分断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電極部材の第１の変形例の構成を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電極部材の第２の変形例の構成および製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電極部材の第３の変形例の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２にかかる電極部材の構成を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電極部材の構成を説明するための断面図である。
実施の形態１．
図１と図２は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置用電極部材および電力用半導体装置を説明するためのもので、図１は電力用半導体装置のうちの半導体装置用電極部材（以下電極部材と称する）が接合された半導体素子と、電極部材を介して半導体素子と接続された１本のボンディングワイヤ部分を示しており、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線による断面を、図１（ｃ）は電極部材を成型する前のクラッド材の状態を示す断面図である。また、図２は本実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法として、電極部材に対してワイヤを接合する方法を説明するための図である。また、図３〜図５は、本実施の形態の変形例にかかる電極部材の構成を示す断面図である。はじめに、電力用半導体装置および電極部材の構成と動作について説明する。
電力用半導体装置１０は、図１に示すように、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナなどのセラミックス材料からなる絶縁基板１の回路面１ｆ上に図示しないろう材などで接合された回路パターン２が配置されている。回路パターンは銅、アルミニウムなどの導電性材料またはそれらを主成分とする合金材料からなる。さらに、回路パターン２の表面は、酸化防止やはんだ材料の濡れ性を考慮して、ニッケルなどのめっき被膜が形成されている。また、図示しないが絶縁基板１の回路面１ｆの反対側の面（図では２ｒが形成されている面）には放熱板が形成されていても良い。
図１では、回路パターン２ａ上にはんだ５ｂを介して半導体素子３が接続されている。半導体素子３は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でも良いが、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料への適用を目的としており、特に炭化ケイ素を用いた半導体素子に適用される。デバイス種類としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子、またはダイオードのような整流素子である。ＭＯＳＦＥＴの場合、半導体素子３の回路パターン２側の面にはドレイン電極が形成されている。そして、ドレイン電極と反対側（図で上側）の面には、ゲート電極やソース電極が、領域を分けて形成されているが、本発明の実施の形態の特徴を分かりやすくするため、上側の面には、大電流が流れるソース電極のみに着目して説明する。なお、ドレイン電極の表面にははんだ５ａとの接合を良好とするための複合金属膜が形成されている。ソース電極の表面にも、図示しない厚さ数μｍの薄いアルミニウムなどの電極膜やチタン、モリブデン、ニッケル、金などの薄膜層が形成されている。そして、半導体素子３の上側の面には、はんだ５ａを介して電極部材６の第１の接合面６ｔ１が接合されている。なお、はんだ５ａおよびはんだ５ｂは、例えば銀を主成分とする焼結性フィラーやろう材といった、はんだに分類されない接合材料であっても良い。
電極部材６は、線膨張係数の異なる少なくとも２種類の金属板を張り合わせて一体化したものであり、２種類のうち、一方の種類の金属板６ＭＣは、半導体素子３よりもボンディングワイヤ４に線膨張係数が近い材料で、銅または銅を主成分とする良導電性材料である。もう一方の種類の金属板６ＭＢは、ボンディングワイヤ４よりも半導体素子３に線膨張係数が近く、あるいは、半導体素子３よりも線膨張係数が低い材料で、モリブデン、ないしモリブデンを含有する合金、またはインバー合金などのいわゆる、低熱膨張材である。
電極部材６は、図１（ｃ）に示すように、金属板６ＭＣと金属板６ＭＢからなる２層のクラッド材で、しかも、一端６Ｅ１側のみに金属板６ＭＢが積層されたサイドレイクラッド材６Ｂを金属板６ＭＣ側が外側になるようにＵ字形状（またはコの字形状）に折り曲げ加工したものである。そして、電極部材６のうち、クラッド材の一端６Ｅ１側の線膨張係数の低い金属板６ＭＢが一体化されている領域６ＦＢにおけるＵ字形状の外側面である第１の接合面６ｔ１の線膨張係数は、金属板６ＭＢの影響により、金属板６ＭＣ自体の線膨張係数よりも半導体素子３の線膨張係数に近く、半導体素子３の線膨張係数と同程度にまで小さくなっている。つまり、電極部材６のうち、金属板６ＭＢが一体化されている領域６ＦＢ部分は、半導体素子３に対するいわゆる緩衝部材として機能する。一方、クラッド材の他端６Ｅ２側の線膨張係数の低い金属板６ＭＢが一体化されていない部分、別の言い方をすると良導電性の金属板６ＭＣのみの部分におけるＵ字形状の外側面である第２の接合面６ｔ２の線膨張係数は、金属板６ＭＣの線膨張係数、つまり、ボンディングワイヤやリード部材といった配線部材と同程度の線膨張係数になり、配線部材に対する緩衝部材として機能する。
そして、電極部材６の他端６Ｅ２側の接合面６ｔ２と絶縁基板１上の他の回路パターン２ｂ上とを橋架するように、アルミニウムないし銅のワイヤ４が接合され、半導体素子３のソース電極を図示しない外部回路に電気的に接続することができる。ワイヤ４は通常、電流容量を確保するため、複数本を並べて配置する。図示されていないが、ワイヤ４のループ形状の大きさを変えて、多数のワイヤを配置することも一般的に行われる。また、ワイヤに限らず、板状もしくはリボン状のリード部材を用いてもよい。
いずれの構成においても、たとえば、電極部材６に５０アンペアの電流を通電する場合、金属板６ＭＣ部分に幅４ｍｍ、厚み０．３ｍｍの銅板を用いれば、断面積は１．２ｍｍ２となって、通電による発熱に対しても十分な電流容量を確保出来る。
つぎに動作について説明する。
電力用半導体装置１０を駆動させると、半導体素子３をはじめとする電力用半導体装置１０内の様々な素子に電流が流れ、その際、電気抵抗分の電力ロスが熱へと変換され、発熱が生ずる。このとき、電流は時間的に大きく変化するので、発熱および熱伝導にともなう温度分布は定常的なものではなく過渡的であり、半導体素子３が最高到達温度に達している時間も短時間である。そのため、本実施の形態１にかかる電極部材６のようにワイヤ４と接合面６ｔ２との接合部が、発熱原である半導体素子３の表面から離した構成では、半導体素子３からの熱伝導に遅れが生じ、ワイヤ４と接合面６ｔ２との接合部の温度上昇が抑制される。このため、半導体素子の直上にワイヤ等の配線部材を接合する場合や、半導体素子上に接合された緩衝部材上に配線部材を接合する場合に較べてワイヤとの接合部の温度変化量および最高到達温度が抑制され、熱応力を低減できる。
また、半導体素子３に接合される接合面６ｔ１の線膨張係数は、低熱膨張材６ＭＢと良導電材６ＭＣの厚みの比率を変えることで制御でき、たとえば、金属板６ＭＢが一体化されている部分６ＦＢの線膨張係数を半導体素子３の線膨張係数に近づけ、使用温度範囲内で両者の線膨張係数差が５ｐｐｍ／Ｋを下回るようにすると、はんだの接合面に平行な方向のせん断応力が著しく低下し、接合面に平行に進展する亀裂が発生しにくくなる。その場合は、パワーサイクル負荷によってはんだが厚み方向に亀裂を生じることがあるが、厚み方向の亀裂は接合面方向と異なり、電気抵抗と熱伝導に対する影響が小さくて済む。すなわち、半導体素子の固定、通電、放熱の各機能が損なわれる割合が少ないため、最高到達温度が高く、温度変化量の大きなパワーサイクル負荷にも耐えることが可能になる。
さらに、本発明の特徴的な構成は、電極部材６のうち、低熱膨張材６ＭＢが一体化されていない端部６Ｅ２側にワイヤ用の接合面６ｔ２を設けた点である。以下詳細に説明する。良導電材６ＭＣに銅を用い、酸化防止のためニッケルめっきを施して一般的なアルミワイヤを接合させると、両者の線膨張係数差は８ｐｐｍ／Ｋを下回る。この場合の応力低減は、半導体素子３上に直接ワイヤを接合する場合に比べて４０倍以上のパワーサイクル寿命を実現することが出来る。さらに、半導体素子３に対して直接超音波接合を行うのではないため、超音波エネルギーが半導体素子３に伝播することによる素子破壊現象を考慮する必要がない。したがって、超音波エネルギーの大きさを素子破壊が生じない上限値よりも大きくすることで、ワイヤを大きく変形させ、ワイヤ接合面積を拡大することが出来ることから、さらにパワーサイクル寿命を向上させることが出来る。
このことは、接合時に大きな超音波エネルギーを必要とする太いワイヤの適用が可能になることを意味しており、たとえば従来、ゲート配線を有する電極面に対して適用に困難があった直径５００μｍ以上のアルミワイヤについても十分な超音波エネルギーを用いて接合し、大電流通電を行うことが出来る。同様に、大きな超音波エネルギーを必要とする幅２ｍｍ以上、厚み２００μｍ以上のアルミリボンを接合することも可能になる。リボン材料はアルミのほか、銅や銅とアルミのクラッド材を用いてもよい。さらに、銅製の電極部材に対して銅製のワイヤを用いれば、ワイヤ接合部は同一素材で構成できるので、劣化がほとんど生じない接合体を構成することができる。
つぎに、本実施の形態１にかかる半導体装置１０の製造方法について図２を用いて説明する。本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０のアセンブリ工程においてポイントとなるのは、半導体素子（半導体チップ）３上に設けた電極部材６に対するワイヤ接合工程である。絶縁基板１の回路パターン２と半導体素子３、半導体素子３と電極部材６との接合には、上述したように、はんだないし銀接着剤、銀焼結体などを用いることが出来る。接合材料は、接合箇所によって変えてもよいし、同じでもよい。また、ワイヤ以外のすべての接合を同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい。
半導体素子３に電極部材６の接合が完了した後、ワイヤ４の接合を行う。通常、ワイヤ接合には超音波接合が用いられており、ワイヤ接合部はワイヤボンダツールの超音波振動によって位置がずれたりしないことが必要である。本実施の形態１に示す電極部材６のうち、板材の厚みが０．５ｍｍを超えている場合は、そのまま超音波接合が可能である。一方、例えば、半導体素子３との間のはんだ５ａに対する熱応力を低減するため、あるいは電流量が少ない等の理由で、電極部材６の厚みを０．５ｍｍ以下とする場合は、超音波接合を行うには強度が不十分である。その場合は、図２に示すようなバキュームチャックテーブル７を接合面６ｔ２の裏面６ｔ２Ｒに挿入し、ワイヤ接合面６ｔ２の裏面６ｔ２Ｒ側から電極部材６を真空吸引して電極部材６の固定を行う。さらに固定を確実にするため、ワイヤ接合面６ｔ２の端に押さえ爪８を用いて電極部材６を押さえつけ、バキュームチャックテーブル７と挟み込んで固定することが有効である。ワイヤ接合強度が十分であるなら、機構を簡略化するためバキュームチャックテーブル７の真空吸引機能を省いてもよい。ワイヤ接合は超音波接合を用いたワイヤボンダで行い、接合完了後にバキュームチャックテーブル７と押さえ爪８は外される。
ワイヤ４接合後、電極部材６のワイヤ接合面６ｔ２が設置された端部６Ｅ２は片側支持状態で不安定であるが、通常、半導体装置１０全体を耐熱性の樹脂でモールドするため、ワイヤ接合面下の空間は樹脂で埋められて、振動を受ける環境においてもワイヤを安定に支持することが出来る。
実施の形態１の変形例１．
なお、図１に示す実施の形態１では電極部材６として２層のサイドレイクラッド材６Ｂを用いた例を示したが、バイメタルの応力を防止するため、図３にように厚み方向において対称となるように三層構成をとるようにしてもよい。図３（ａ）は一端側１６Ｅ１において厚み方向の中間部に低熱膨張材１６ＭＢを挿入して３層クラッドを構成した板材１６Ｂの断面を示し、図３（ｂ）は板材１６Ｂを良導電部材１６ＭＣが外側になるように（本変形例１ではどちら側に曲げても外側になるが）Ｕ字形状に折り曲げた電極部材１６の断面を示す。本変形例１では、低膨張部材１６ＭＢの影響により、第１の接合面１６ｔ１が設けられた緩衝部分１６ＦＢの線膨張係数はワイヤよりも半導体素子の線膨張係数に近くなっているが、線膨張係数の同じ部材が板材１６Ｂの厚み方向の対称な位置に配置されるようになっているので、接合面１６ｔ１側と裏面１６ｔ１Ｒ側に働く力が均等となり、いわゆるバイメタルのような反りの発生が抑制される。
なお、本変形例１においては、部分クラッド（インレイクラッド）の板材１６Ｂを示しているが、実施の形態１に示したようなサイドレイクラッド材の２枚を低膨張材側が向き合うように重ねて一体化して形成するようにしてもよい。
実施の形態１の変形例２．
また、上記実施の形態１や変形例１においては、部分クラッド材を用いることで、一端側と他端側で線膨張係数が異なるようにしたが、本変形例では板材の厚み方向の構成が板材の面の延在方向において一様なクラッド材、いわゆるオーバーレイクラッド材を用いて電極部材を構成した例について示す。図４は、本変形例２にかかる電極部材および電極部材の形成方法を説明するための図であり、図４（ａ）は板材の断面を、図４（ｂ）はエッチング加工した板材の断面を、図４（ｃ）は電極部材の断面を示す。図において、板材２６Ｂは、低膨張部材２６ＭＢを厚み方向の両側から良導電部材２６ＭＣ１、２６ＭＣ２で挟み込むようにして一体化し、面の延在方向で材質が一様な３層クラッド材である。このクラッド材２６Ｂに対し、図４（ａ）に示すように、他端２６Ｅ２側の曲線Ｅ−Ｅに相当する部分をエッチングにより除去し、３層のうちの、一方の良導電部材１６ＭＣ１のみを残すようにする。そして、図４（ｂ）に示すように、良導電部材１６ＭＣ１側が外側になるようにエッチング後の板材２６ＢＥをＵ字形状に折り曲げると、図４（ｃ）に示すような電極部材２６が形成できる。
この場合、流通量が多く、各層の接合信頼性の高いオーバーレイクラッド材を用いることができるので、緩衝部分２６ＦＢの線膨張係数のばらつきが少なく、設計通りの線膨張係数を容易に得ることができるので、半導体装置１０に用いた時に品質が安定する。
実施の形態１の変形例３．
また、本実施の形態にかかる電極部材では、半導体素子との接合面が設けられた部分と配線部材との接合面が設けられた部分とが離れているので、配線部材との接合面の形状が半導体素子の形状の制約を受けなくなる。そのため、配線部材との接合面の大きさを半導体素子の大きさよりも大きくすることができる。図５は、本変形例３にかかる電極部材および電極部材の形成方法を説明するための図であり、図５（ａ）は板材の平面を、図５（ｂ）は板材を曲げ加工する際の側面を、図５（ｃ）は加工後の電極部材の平面を示す。図において、板材３６Ｂは、低膨張部材３６ＭＢが一体化され、第１の接合面３６ｔ１が設けられる一端部３６Ｅ１側の幅は、接合対象の半導体素子の電極面に合わせているが、第２の接合面３６ｔ２が設けられる他端３６Ｅ２側の幅は、一端部３６Ｅ１側の幅より広くなり、接合面３６ｔ２の広さは、半導体素子の電極面よりも大きくなっている。
本変形例３のように、第２の接合面３６ｔ２の大きさを半導体素子の大きさよりも大きくしたので、従来のように、半導体素子の面積で制約を受けていたワイヤ本数を第２の接合面３６ｔ２の大きさに対応して増やすことが可能になる。このため、半導体素子に流す電流に対してワイヤ１本あたりの電流量が低減し、ワイヤの通電による発熱を低減し、ワイヤの最高温度を低下させることで、パワーサイクル寿命を改善することが可能となる。このことは、パワーサイクル寿命の第２のファクターであるワイヤの通電／非通電サイクルでのループ変形による疲労破壊の寿命を延ばすことにもつながる。
なお、第２の接合面３６ｔ２が設けられる他端３６Ｅ２側の大きさは、幅だけでなく、長さ方向に張り出してもよく、張り出す方向が一方に偏っていてもよい。
＜線膨張係数の調整例＞
なお、上記実施の形態や変形例において、半導体素子３に接合される接合面６ｔ１の線膨張係数をクラッド材の低熱膨張材６ＭＢと良導電材６ＭＣの厚みの比率を変えることで制御する例をあげる。たとえば、図３に示す変形例１のようにインバー合金（厚みＴＢ）を銅（厚みＴＣ）で挟んだ３層構造の電極部材の厚み比率ＴＣ１：ＴＢ：ＴＣ２を１：３：１に設定すると、３層構造部分１６ＦＢにおける板材としての線膨張係数はおよそ７ｐｐｍ／Ｋとなる。
また、ワイヤとの接合面となる第２の接合面は半導体素子との接合面となる第１の接合面に対して垂直にする、例えば電極部材をＬ字形状のような折り曲げ形状にすれば電極部材として機能させることは不可能ではないが、ワイヤが絶縁基板１に設けられた回路パターンの面延在方向にある接合部に接続することを考慮すると、電極面と平行な面となることが好ましい。ただし、完全に平行である必要はなく、垂直よりは平行に近い、いわゆるＵ字形状に形成すればよい。この場合、ワイヤボンダ、リボンボンダは一般的な装置をベースに改良を加えればよいため、コスト上昇を抑制することが出来る。また、Ｕ字形状において、半導体素子３との接合面である第１の接合面６ｔ１の裏側の面６ｔ１Ｒと、配線部材４との接合面である第２の接合面６ｔ２の裏側の面６ｔ２Ｒとの間には、所定間隔の隙間があることがワイヤボンディング時の半導体素子への影響を防止する点で望ましい。しかし、隙間がない場合でも、接合後のパワーサイクル寿命延長効果はあるので、隙間がない程度に折り曲げてもよい。
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電極部材６（１６、２６、３６、４６）によれば、半導体素子３と配線部材４とを電気接続するための電極部材であって、帯状の第１の金属板６ＭＣの長さ方向における一端６Ｅ１側から所定長さの領域に第２の金属板６ＭＢが張り合わされた帯状材６Ｂを、第２の金属板６ＭＢが張り合わされた領域６ＦＢよりも他端６Ｅ２側の部分を折り曲げて第１の金属板６ＭＣが第２の金属板６ＭＢの外側に位置するＵ字形状となし、Ｕ字形状の外側となった面において、一端６Ｅ１側から折り曲げ部分６Ｃまでの所定長さの領域に半導体素子３との接合面６ｔ１が、他端６Ｅ２側から折り曲げ部分６Ｃまでの所定長さの領域に配線部材４との接合面６ｔ２が設けられ、第１の金属板６ＭＣの線膨張係数は、半導体素子３の線膨張係数よりも配線部材４の線膨張係数に近く、第２の金属板６ＭＢが張り合わされた領域６ＦＢにおける帯状材６Ｂの線膨張係数は、配線部材４の線膨張係数よりも半導体素子３の線膨張係数に近い、ように構成したので、半導体素子３との接合面６ｔ１は半導体素子３の線膨張係数に近く、配線部材４との接合面６ｔ２は配線部材４の線膨張係数に近くなるので最高到達温度が高く、温度変化量が大きくなっても、パワーサイクル寿命が飛躍的に伸び、しかも、第１の金属板６ＭＣが全長にわたって接合面６ｔ１と接合面６ｔ２が形成された外側に露出しているので、帯状材中の異種金属の接合界面である積層構造の接合面を通ることなく、両接合面間に電流が流れるようにしたので、接合界面での熱応力による導電性が変化しても影響を受けることがなく、高効率で信頼性の高い半導体装置を得ることができる。また、第２の金属板６ＭＢが張り合わされた領域は、折り曲げられていないので、第１の金属板６ＭＣと第２の金属板６ＭＢとの界面に曲げ加工時の応力がかかることがなく、接合強度を保つことができる。
とくに、帯状材１６Ｂの第２の金属板１６ＭＢが張り合わされた領域１６ＦＢでは、第１の金属板１６ＭＣ１と同じ線膨張係数の第３の金属板１６ＭＣ２が、第２の金属板１６ＭＢの上に張り合わされているようにしたので、温度変化の際にバイメタルのように反りかえることがなく、安定した接合を維持できる。
さらに、帯状材６Ｂにおける半導体素子３との接合面６ｔ１の裏側の面６ｔ１Ｒと、配線部材４との接合面６ｔ２の裏側の面６ｔ２Ｒとの間に所定間隔の隙間があるようにしたので、第２の接合面６ｔ２が半導体素子３の接合面と同じ方向を向くことになり、電極部材６の有無にかかわらず同じワイヤボンダで、または特別な接合方法を用いなくても同様の接合方法で配線部材を接合することができる。また、ワイヤボンディング時の超音波振動が半導体素子３に直接伝わることがなく、半導体素子への影響を最小限にして強力なボンディングが可能となる。
さらに、帯状材３６Ｂの他端３６Ｅ２側の幅ＷＥ２が、一端３６Ｅ１側の幅ＷＥ１よりも広いようにしたので、半導体素子の電極面の大きさの制約を受けずにワイヤ等の配線部材の本数を増やしたり、リード材の大きさを大きくしたりして、配線部材での電流密度を減少させ、発熱を抑制し、より寿命を向上させることができる。
第１の金属板６ＭＣを、ワイヤボンドやリード材といった配線部材の主構成材と同じ、例えば、アルミニウムや銅で構成すると、第２の接合面６ｔ２と配線部材４とは同じ材料で接合されることになり、熱応力の影響を極力減らすことができる強固な接合が得られる。
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる電極部材においては、実施の形態１にかかる電極部材のＵ字形状の内側に形成される空間を樹脂で充填したものである。半導体装置１０内への適用といった他の構成部分については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
図６は本実施の形態２にかかる電極部材２１６の断面を示すもので、電極部材のＵ字形状をなす部分は、実施の形態１の変形例１にかかる電極部材１６と同じである。そして、電極部材２１６のＵ字形状の内側の空間である第１の接合面２１６ｔ１の裏面２１６ｔ１Ｒと第２の接合面２１６ｔ２の裏面２１６ｔ２Ｒ間の空隙にフィラー９Ｆを充填した樹脂ペレット９を挿入することを特徴としている。樹脂ペレット９は、金属粒子ないしは樹脂製粒子やシリカなどのセラミックス粒子をフィラー９Ｆとして含有する。樹脂９Ｒは耐熱性エポキシ樹脂等の熱硬化樹脂を用いればよく、ワイヤ接合面２１６ｔ２下の空間に挿入可能な形状のペレットとして成型する。樹脂はあらかじめ半硬化状態として、ワイヤ接合面下に挿入後、加圧、加温して裏面２１６ｔ１Ｒと裏面２１６ｔ２Ｒに対して接着（完全硬化）をおこなう。このとき、フィラー９Ｆの存在と、加圧前に半硬化させておいた効果により、ペレット９自体の変形が抑制され、ほぼ接着前の形状を維持することが出来る。接着の際の加圧力はペレット９が押しつぶされない範囲に適宜調整されることは言うまでもない。また、図では電極部材２１６のＵ字形状内の空間のうち、コーナー部２１６Ｃに接する半円形部分に樹脂９が充填されていないが、この半円形部分の空間が充填されていても良い。
このようにして図６に示すような電極部材２１６の構成が完成するが、この工程は半導体素子３に対して電極部材２１６を接合する工程の前であっても後であってもよい。後になる場合は、樹脂９が半導体素子３と電極部材２１６とのはんだ接合の際の高温プロセス（はんだ溶融のための加熱）を経ても接着を維持する材料であることが必要となる。
この実施の形態２にかかる電極部材２１６を用いれば、ワイヤボンド時にはワイヤ接合面２１６ｔ２が設置された他端部２１６Ｅ２が樹脂９によって固定されることから、電極部材２１６の板材が薄い場合でも、バキュームチャックテーブルや押さえ爪を用いる必要がない。ワイヤボンドに必要なワイヤ接合面２１６ｔ２の平坦性と水平性は、樹脂ペレット９を挿入した後の接着工程において加圧機構の調整により必要な公差を確保すればよい。
なお、本実施の形態２にかかる電極部材２１６の構成では、動作による高温での保持と、パワーサイクル負荷とによって樹脂９が劣化し、樹脂９と電極部材２１６の内側の面（２１６ｔ１Ｒ、２１６ｔ２Ｒ）との接着面で剥離が進行することがある。しかしながら、この樹脂９はワイヤボンド時の固定を目的としており、半導体装置１０全体は、モールド樹脂によって固定されて移動することがないため、それ以降に剥離が生じても、半導体装置１０内の電気接続の信頼性には影響を及ぼさない。したがって、実施の形態１と同様にワイヤ接合部のパワーサイクル寿命を延ばす効果を得ることが出来る。
以上のように、本発明の実施の形態２にかかる電極部材２１６によれば、半導体素子３との接合面２１６ｔ１の裏側の面２１６ｔ１Ｒと、配線部材４との接合面２１６ｔ２の裏側の面２１６ｔ２Ｒとの隙間に樹脂ペレット９が充填されているように構成したので、ワイヤボンド時に、他端部２１６Ｅ２が樹脂９によって固定されるので、電極部材２１６の板材が薄い場合でも、バキュームチャックテーブルや押さえ爪を用いる必要がなく、特別な接合法を用いずに容易に接合できる。
実施の形態３．
本実施の形態３にかかる電極部材においては、実施の形態２にかかる電極部材においてＵ字形状の内側に形成される空間へ充填していた樹脂に代えて、はんだ材料を充填したものである。半導体装置１０内への適用といった他の構成部分については、実施の形態１や２と同様であるので説明を省略する。
図７は本実施の形態３にかかる電極部材３１６の断面を示すもので、電極部材のＵ字形状をなす部分も、実施の形態２と同様に、実施の形態１の変形例１にかかる電極部材１６と同じ部材である。そして、電極部材３１６のＵ字形状の内側の空間である第１の接合面３１６ｔ１の裏面３１６ｔ１Ｒと第２の接合面３１６ｔ２の裏面３１６ｔ２Ｒ間の空隙にはんだ材料１５を充填したことを特徴としている。はんだ材料１５は図１で説明した回路パターン２ａと半導体素子３との接合、および半導体素子３と電極部材６との接合に用いたはんだ５と同じ材料であっても違うものであってもよいが、半導体装置１０の使用時に溶融しないことが必要である。ワイヤ４を接合する前にあらかじめ、ワイヤ接合面下に供給されて加熱、溶融し、裏面３１６ｔ１Ｒと裏面３１６ｔ２Ｒに対して接合する。このとき、はんだ１５との接合面となる裏面３１６ｔ１Ｒと裏面３１６ｔ２Ｒ、または、Ｕ字形状の内側全体に適宜図示しないニッケルメッキなどを施すことは言うまでもない。
上記加熱、溶融時にはんだ１５が接合すべき領域に留まって両接合面２１６ｔ１Ｒと２１６ｔ２Ｒに接触するには、はんだ１５の表面張力によって上下の接合面の間に滞留する効果を用いる必要があり、効果を確実に得るために、ワイヤ接合面下の空間の高さＨＳを１．０ｍｍ以下にすることが望ましい。また、はんだ１５の冷却時の収縮により、ワイヤ接合面３１６ｔ２が変形するのを防ぐため、良導電部材３１６ＭＣに銅を使用する場合、他端部３１６Ｅ２における厚みとして０．３ｍｍ以上を確保する必要があり、好ましくは０．５ｍｍ以上を用いる。また、図では電極部材３１６のＵ字形状内の空間のうち、コーナー部３１６Ｃに接する半円形部分にはんだ１５が充填されていないが、この半円形部分の空間が充填されていても良い。
この構成を用いることにより、ワイヤボンド時にはワイヤ接合面３１６ｔ２が設置された他端部３１６Ｅ２がはんだ１５によって固定されることから、バキュームチャックテーブルや押さえ爪を用いる必要がない。なお、パワーサイクル負荷によりはんだ１５内部に亀裂が進展したり、接合界面で剥離が生じたりするが、電極部材３１６に求められる電流経路は良導電部材３１６ＭＣ部分であるので、電気特性に及ぼす影響は少ない。また、はんだ材料は亀裂進展の他、クリープ現象を生じることもあるが、半導体素子接合部への影響は小さい。また、はんだ１５の線膨張係数はアルミニウムに近いため、実施の形態１と同様にワイヤ接合部のパワーサイクル寿命を延ばす効果を得ることが出来る。
以上のように、本発明の実施の形態３にかかる電極部材によれば、半導体素子３との接合面３１６ｔ１の裏側の面３１６ｔ１Ｒと、配線部材４との接合面３１６ｔ２の裏側の面３１６ｔ２Ｒとの隙間にはんだ１５が充填されているように構成したので、ワイヤボンド時に、他端部３１６Ｅ２がはんだ１５によって固定されるので、電極部材３１６の板材が薄い場合でも、バキュームチャックテーブルや押さえ爪を用いる必要がなく、特別な接合法を用いずに容易に接合できる。
なお、上記各実施の形態においては、スイッチング素子（トランジスタ）や整流素子（ダイオード）として機能する半導体素子３には、炭化ケイ素によって形成されたものを示したが、これに限られることはなく、一般的に用いられているケイ素（Ｓｉ）で形成されたものであってもよい。しかし、ケイ素よりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、以下に述べるように本発明による効果をより一層発揮することができる。
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子や整流素子（各実施の形態における半導体素子３）は、ケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子や整流素子における高効率化が可能であり、ひいては、電力用半導体装置１０の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子や整流素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子や整流素子を用いることにより、電力用半導体装置１０も小型化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置１０の一層の小型化が可能になる。
一方、上記のように高温動作する場合は停止・駆動時の温度差が大きくなり、さらに、高効率・小型化によって、単位体積当たりに扱う電流量が大きくなる。そのため経時的な温度変化や空間的な温度勾配が大きくなり、半導体素子と配線部材との熱応力も大きくなる可能性がある。しかし、本発明のように電極部材の半導体素子との接合面が配置された一端側は半導体素子の方に線膨張係数が近く、ワイヤのような配線部材との接合面が配置された他端側は配線部材の方に線膨張係数が近いので、各接合部での熱応力が緩和されるので、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かして、小型化や高効率化を進めてもパワーサイクル寿命が長く、信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることが容易となる。つまり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。
なお、スイッチング素子及び整流素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。また、ワイヤやリードといった配線部材も異なる材料を使ってもよい。その場合、素子や配線部材の種類や材料に応じて、つまり、半導体素子と配線部材の線膨張係数に応じて一端側と他端側の線膨張係数を変えるようにすれば、よりパワーサイクル寿命を向上させることができる。
１ 絶縁基板（１ｆ 回路面）、 ２ 回路パターン（２ａ，２ｂ）、 ３ 半導体素子、 ４ ワイヤ（配線部材）、 ５，１５ はんだ（５ａ，５ｂ）、
６ 電極部材（６Ｂ 帯状材）、 ７ バキュームチャックテーブル、 ８ 押さえ爪、 ９ 充填樹脂、 １０ 電力用半導体装置 。
添え字 ＦＢ：第２の金属板が張り合わされた領域（緩衝領域）、ＭＣ：良導電部材（第１の金属板）、ＭＢ：低膨張部材（第２の金属板）、 ｔ１：第１の接合面、ｔ２：第２の接合面、Ｅ１：一端部、Ｅ２：他端部
十位の数字の違いは実施の形態１における変形例、百位の数字は実施の形態による構成の相違を示す。

Claims (11)

  1. 半導体素子と配線部材とを電気接続するための電極部材であって、
    帯状の第１の金属板の長さ方向における一端側から所定長さの領域に第２の金属板が張り合わされた帯状材を、前記第２の金属板が張り合わされた領域よりも他端側の部分を折り曲げて前記第１の金属板が前記第２の金属板の外側に位置するＵ字形状となし、
    前記Ｕ字形状の外側となった面において、前記一端側から折り曲げ部分までの所定長さの領域に前記半導体素子との接合面が、前記他端側から前記折り曲げ部分までの所定長さの領域に前記配線部材との接合面が設けられ、
    前記第１の金属板の線膨張係数は、前記半導体素子の線膨張係数よりも前記配線部材の線膨張係数に近く、
    前記第２の金属板が張り合わされた領域における前記帯状材の線膨張係数は、前記配線部材の線膨張係数よりも前記半導体素子の線膨張係数に近い、
    ことを特徴とする電極部材。
  2. 前記第２の金属板の前記第１の金属板に張り合わされた面の反対側には、前記第１の金属板と同じ線膨張係数の第３の金属板が張り合わされていることを特徴とする請求項１に記載の電極部材。
  3. 前記帯状材における前記半導体素子との接合面の裏側の面と、前記配線部材との接合面の裏側の面との間には、所定間隔の隙間があることを特徴とする請求項１または２に記載の電極部材。
  4. 前記帯状材の前記他端側の幅が、前記一端側の幅よりも広いことを特徴とする請求項３記載の電極部材。
  5. 前記所定間隔の隙間に、樹脂ペレットが充填されていることを特徴とする請求項３または４に記載の電極部材。
  6. 前記所定間隔の隙間に、はんだ材料が充填されていることを特徴とする請求項３または４に記載の電極部材。
  7. 絶縁基板に形成された回路パターン上に取り付けられた半導体素子と、
    前記半導体素子の前記回路パターンとの取り付け面の反対側の面に前記半導体素子との接合面を接合させた請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電極部材と、
    前記電極部材の配線部材との接合面に接合された配線部材と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  8. 前記帯状材の前記第２の金属板が張り合わされた領域の線膨張係数と前記半導体素子の線膨張係数との差と、
    前記第１の金属板の線膨張係数と前記配線部材の線膨張係数との差が、
    いずれも当該半導体装置の使用温度範囲内で８ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
  9. 前記第１の金属板は、前記配線部材の主構成材料と同じ金属材料からなることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体装置。
  10. 前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の半導体装置。
  11. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
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