JP6960868B2 - 半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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    • H01L2224/49111—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain the connectors connecting two common bonding areas, e.g. Litz or braid wires
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    • H01L2224/85169—Aligning involving movement of a part of the bonding apparatus being the upper part of the bonding apparatus, i.e. bonding head, e.g. capillary or wedge
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Description

本発明の実施形態は、半導体モジュールおよびその製造方法に関する。
電力用の半導体モジュールでは、半導体チップに大電流が流せるように、半導体チップと外部端子とは複数の金属ワイヤーを介して電気的に接続されている。更に、半導体チップ内に電流が集中しないように、各金属ワイヤーは半導体チップの複数の領域にボンディングされている。
このため、金属ワイヤーには、できるだけ低い比抵抗を有する金属が望まれる。ボンディングワイヤー用の金属として一般的な金（Ａｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）より比抵抗の低い金属として銅（Ｃｕ）がある。
然しながら、銅ワイヤーは、同じサイズの金ワイヤーおよびアルミニウムワイヤーに比べて剛性が高いので、配線時にループ形成が困難になるため、信頼性の確保が難しいという問題がある。
すなわち、剛性が低いワイヤーの場合にはワイヤーを曲げる、いわゆるループの形成が容易であり、熱膨張と収縮の繰り返しによる疲労を緩和する効果が得られやすい。これに対し、銅ワイヤーのように剛性が高い材料の場合には、従来のループ形成方法では金やアルミニウムに較べてループの曲率を大きくせざるを得ないため、半導体チップの小型化が困難となる。
特開平６−１６３６２９号公報
本発明が解決しようとする課題は、半導体チップに大電流を通電可能で信頼性の高い半導体モジュールおよびその製造方法を提供することにある。
別の実施形態によれば、半導体モジュールの製造方法は、第１の面に第１の領域と第２の領域とを有する第１電極が設けられた第１半導体チップを用意する工程と、前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域に線状体を配置する工程と、金属ワイヤーを、前記第１の領域に接合し、前記金属ワイヤーが挿通されたボンディングツールを、前記金属ワイヤーが前記線状体に漸近するように斜め上方に移動させ、前記金属ワイヤーが前記線状体に当接し、更に前記第１電極に当接するまで下降させるにあたって、前記金属ワイヤーが前記第１電極に当接する前に、前記ボンディングツールを前記線状体に近づく方向に移動させ、前記線状体に当接した前記金属ワイヤーを前記線状体から離間させる、ことにより、前記線状体を支えとして前記第１の面より上方に湾曲させ、前記第２の領域に接合する工程と、を具備する。
実施形態１に係る半導体モジュールを示す図。 実施形態１ に係る半導体モジュールを示す斜視図。 実施形態１に係る半導体装置モジュールの回路図。 比較例に係る半導体モジュールを示す斜視図。 実施形態１に係る半導体モジュールの製造工程を示すフローチャート。 実施形態１に係る半導体モジュールの製造工程の要部を順に示す断面図。 実施形態１に係る半導体モジュールの製造工程の要部を順に示す断面図。 実施形態２に係る半導体モジュールを示す図。 実施形態２の変形例１に係る半導体モジュールを示す平面図。 実施形態２の変形例２に係る半導体モジュールを示す図。 実施形態３に係る半導体モジュールを示す断面図。 実施形態３の変形例に係る半導体モジュールを示す断面図。 実施形態４に係る半導体モジュールを示す平面図。 実施形態４に係る半導体モジュールの回路図。 実施形態４に係る別の半導体モジュールの回路図。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。
（実施形態１）
本実施形態に係る半導体モジュールは、第１の面に第１の領域と第２の領域とを有する第１電極が設けられた第１半導体チップと、第１の面より上方に湾曲する湾曲部を有し、湾曲部の両端が第１の領域と第２の領域とに接続された金属ワイヤーと、湾曲部と第１の面との間に配置された線状体と、を具備している。
図１は本実施形態の半導体モジュールを示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図である。図２は半導体モジュールを示す斜視図である。図３は半導体モジュールの回路図である。なお、図２の斜視図においては、後述する金属ワイヤーを図１（ａ）の平面図より間引きして描いている。
はじめに、半導体モジュールの概要を説明する。
図１乃至図３に示すように、本実施形態の半導体モジュール１０は、第１半導体チップ１１と、第２半導体チップ１２とを備えている。第１半導体チップ１１上には、線状体１３が配置されている。
本明細書において、「半導体チップ上に」という語句には、半導体チップに接して、保護膜または電極膜を介して、または半導体チップに非接触で上方に、などの概念が含まれている。
第１半導体チップ１１と第２半導体チップ１２とは、 金属ワイヤー１４を介して電気的に接続されている。金属ワイヤー１４の一側は、第２半導体チップ１２に接続されている。金属ワイヤー１４の他側は、線状体１３を跨ぐ湾曲部を有し、線状体１３の両側で第１半導体チップ１１に電気的に接続されている。
金属ワイヤー１４は、第１半導体チップ１１に大電流が流せるように、ワイヤー１本あたり５Ａ以上の電流を流せる断面積を有している。金属ワイヤー１４は、例えば線径が３００μｍφ以上のワイヤーである。金属ワイヤー１４は、第１半導体チップ１１に電流を流す際に電流が集中しないように、ダイオード１１の複数の領域に接続されている。
金属ワイヤー１４は、ボンディングワイヤー用の金属として一般的な金（Ａｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）より比抵抗の低い金属ワイヤーで、例えば銅（Ｃｕ）ワイヤーである。銅ワイヤーは、同じサイズ（径、長さ）の金ワイヤーおよびアルミニウムワイヤーより剛性が高いので、曲げ難くなる。
線状体１３は、剛性が高い金属ワイヤー１４を上凸状に湾曲させて、例えば接続点間の直線距離である長さが３ｍｍ以下、接続点からワイヤー最高部の高さが２ｍｍ以下の湾曲部を形成するための支えとして機能するものである。
金属ワイヤー１４は、第１半導体チップ１１および第２半導体チップ１２に電流を流した時には発熱により膨張し、電流を停止した時には冷却されることにより収縮する。金属ワイヤー１４に湾曲部を持たせることにより、膨張と収縮の繰り返しによる金属ワイヤー１４の疲労破断が防止される。なお、湾曲部はループとも称される。
これにより、大電流を通電可能で信頼性の高い半導体モジュール１０を得ることが可能である。
以下、半導体モジュールの詳細を説明する。
ここでは、第１半導体チップ１１がダイオード、第２半導体チップ１２が絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）である態様を例として説明する。ダイオード１１およびＩＧＢＴ１２は、半導体基板、例えばシリコン（Ｓｉ）基板に形成されている。
なお、第１半導体チップ１１はダイオードに、第２半導体チップ１２はＩＧＢＴに限定されるものではなく、大電流で動作する半導体素子であればよい。半導体素子としては、例えば、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ：Junction Field Effect Transistor）、バイポーラトランジスタ（Bipolar Transistor）、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ：Gate Turn-Off Thyristor）等があげられる。
第１、第２半導体チップ１１、１２は異種の半導体チップの組み合わせでも、同種の半導体チップの組み合わせでもかまわない。また、半導体基板は、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板等としてもよい。
ダイオード１１は、第１の面１１ａと、第１の面１１ａと反対側の第２の面１１ｂとを有している。第１の面１１ａ側がアノードであり、第２の面１１ｂ側がカソードである。第１の面１１ａにはアノード電極（第１電極）１５が設けられている。第２の面１１ｂにはカソード電極（図示せず）が設けられている。
アノード電極１５上には、Ｙ方向（第１の方向）に延在する線状体１３が配置されている。線状体１３はアノード電極１５の一端近傍から他端近傍まで延在している。ここでは、線状体１３として、第１線状体１３ａおよび第２線状体１３ｂがＹ方向と交差するＸ方向（第２の方向）に沿って離間して配置されている。線状体１３の断面は、例えば円形である。線状体１３は、単数の場合もありえる。
ＩＧＢＴ１２は、第１の面１２ａと、第１の面１２ａと反対側の第２の面１２ｂとを有している。第１の面１２ａ側がエミッタであり、第２の面１２ｂ側がコレクタである。第１の面１２ａにはエミッタ電極（第２電極）１６が設けられている。第２の面１２ｂにはコレクタ電極（図示せず）が設けられている。
ダイオード１１とＩＧＢＴ１２とは、絶縁性基板（図示せず）上でＹ方向と交差するＸ方向（第２の方向）に並置され、電気的に並列接続されている。Ｙ方向とＸ方向とは、直交していてよい。
ダイオード１１のアノードとＩＧＢＴ１２のエミッタとが、金属ワイヤー１４を介して電気的に接続されている。ダイオード１１のカソードとＩＧＢＴ１２のコレクタとが、絶縁性基板に設けられた導電層（図示せず）を介して電気的に接続されている。
金属ワイヤー１４は、Ｘ方向に延在している。金属ワイヤー１４の一端側は、ＩＧＢＴ１２のエミッタ電極１６にワイヤーボンディングされている。エミッタ電極１６のワイヤーボンディングは、ボールボンディングである。エミッタ電極１６のワイヤーボンディングは、ステッチボンディング（ウェッジボンディング）であってもよい。
金属ワイヤー１４の他端側は、線状体１３を跨ぐ湾曲部を有し、湾曲部の両端は線状体１３の両側でアノード電極１５にワイヤーボンディングされている。アノード電極１５のワイヤーボンディングは、ステッチボンディングである。
より具体的には、金属ワイヤー１４の一端側は、ボールボンディング部１７を介してエミッタ電極１６に接続されている。
金属ワイヤー１４の他端側は、（１）第１湾曲部１４ａを有して第１線状体１３ａより＋Ｘ方向側の第１の領域１５ａに第１ステッチボンディング部１８ａを介して接続され、（２）第１線状体１３ａを跨ぐ第２湾曲部１４ｂを有して第１線状体１３ａと第２線状体１３ｂとの間の第２の領域１５ｂに第２ステッチボンディング部１８ｂを介して接続され、（３）第２線状体１３ｂを跨ぐ第３湾曲部１４ｃを有して第２線状体１３ｂより−Ｘ方向側の第３の領域１５ｃに第３ステッチボンディング部１８ｃを介して接続されている。
金属ワイヤー１４の径は、ワイヤー１本あたり５Ａ以上の電流を流せる３００μｍφ以上である。
第２湾曲部１４ｂの長さＬ１ａ、即ち第１の領域１５ａにおける金属ワイヤー１４の接続点と第２の領域１５ｂにおける金属ワイヤー１４の接続点との直線距離は３ｍｍ以下である。同様に、第３湾曲部１４ｃの長さＬ１ｂ、即ち第２の領域１５ｂにおける金属ワイヤー１４の接続点と第３の領域１５ｃにおける金属ワイヤー１４の接続点との直線距離も３ｍｍ以下である。第２湾曲部１４ｂおよび第３湾曲部１４ｃの長さＬ１ａ、Ｌ１ｂは、第１湾曲部１４ａの長さＬ２より小さくすることができる（Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ＜Ｌ２）。
第２湾曲部１４ｂの高さＨ１ａ、即ちアノード電極１５から金属ワイヤー１４の最高部の高さは２ｍｍ以下である。同様に、第３湾曲部１４ｃの高さＨ１ｂ、即ちアノード電極１５から金属ワイヤー１４の最高部の高さも２ｍｍ以下である。第２湾曲部１４ｂおよび第３湾曲部１４ｃの高さＨ１ａ、Ｈ１ｂは、第１湾曲部１４ａの高さＨ２より小さくすることができる（Ｈ１ａ、Ｈ１ｂ＜Ｈ２）。
即ち、第１、第２湾曲部１４ｂ、１４ｃは、第１湾曲部１４ａに比べて短・低湾曲部である。
金属ワイヤー１４となる銅ワイヤーには、純銅ワイヤーだけでなく、銅合金ワイヤーおよび銅を主材とし銅と異なる金属で被覆されたワイヤーも含まれる。
銅合金ワイヤーとは、純銅（例えば純度４Ｎ、９９．９９％以上）に所定の元素が微量（パーセントオーダ以下の割合）添加された銅ワイヤーである。添加できる元素の例としては、カルシウム（Ｃａ）、ホウ素（Ｂ）、燐（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、セレン（Ｓｅ）等が挙げられる。これらの元素を添加すると、高い伸び特性が得られ、ボンディングワイヤーの強度がより向上することが期待される。
また、その他の元素の例として、ベリリウム（Ｂｅ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）、水素（Ｈ）などが挙げられる。銅以外の元素が０．００１重量％以上含まれることにより、高い伸び特性が期待される。
銅を主材とし銅と異なる金属で被覆されたワイヤーとは、例えばパラジウム（Ｐｄ）メッキおよび金（Ａｕ）メッキが施された銅ワイヤーである。これらのメッキ層は銅の酸化を抑制するために設けられている。
銅の比抵抗（略１．６８×１０−８Ωｍ）は、金の比抵抗（略２．４４×１０−８Ωｍ）およびアルミニウムの比抵抗（略２．８２×１０−８Ωｍ）より小さい。銅ワイヤーは、同じサイズ（径、長さ）を有する金ワイヤー及びアルミニウムワイヤーより抵抗が低くなるので、大電流を流すワイヤーとして適している。
一方、銅のヤング率（略１３０ＧＰａ）は、金のヤング率（略８０ＧＰａ）およびアルミニウムのヤング率（略７０ＧＰａ）より大きい。銅ワイヤーは、同じサイズ（径、長さ）を有する金ワイヤー及びアルミニウムワイヤーより剛性が高くなるので、曲がり難くなる。即ち、長さおよび高さが小さい湾曲部（短・低湾曲部）ほど形成するのが困難である。
本実施形態では、アノード電極１５上に線状体１３が配置されているので、線状体１３を支えとして金属ワイヤー１４を強制的に上凸状に曲げることができる。その結果、同じサイズを有する金ワイヤー及びアルミニウムワイヤーより剛性の高い金属ワイヤー１４でも、線状体１３を跨ぐ湾曲部を有してアノード電極１５にステッチボンディングすることが可能となる。
尚、金属ワイヤー１４が疲労破断するモードとしては、第１乃至第３ステッチボンディング部１８ａ、１８ｂ、１８ｃの剥離、金属ワイヤー１４の断線等がある。
線状体１３は、導電性でも絶縁性でもよい。金属ワイヤー１４と線状体１３とは接触していても、接触していなくてもよい。
線状体１３が導電性で、金属ワイヤー１４と接触している場合、金属ワイヤー１４とアノード電極１５との接触面積の拡大につながる。これにより、ダイオード１１に流れる電流分布をより均一化することが可能である。
線状体１３が導電性である場合、線状体１３は金属ワイヤー１４と同じ種類（材質、線径）の金属ワイヤーとすることができる。線状体１３は、金属ワイヤー１４と同様にアノード電極１５にステッチボンディングすることができる。
なお、半導体モジュール１０は、単一のスイッチング素子である。ＩＧＢＴ１２がオン状態からオフ状態に切り替わると、回路のインダクタンス成分により、ＩＧＢＴ１２のエミッタ電極に誘導起電力が加わる。これにより、ダイオード１１が動作し、誘導起電力を吸収する。ダイオード１１はＦＷＤ（Free Wheel Diode）として機能する。
次に、比較例の半導体モジュールについて説明する。
図４は比較例の半導体モジュールを示す斜視図である。比較例の半導体モジュールとは、線状体を有しない半導体モジュールのことである。
図４に示すように、比較例の半導体モジュール３０は、ダイオード１１のアノード電極１５上に線状体が配置されていない点を除いて、本実施形態の半導体モジュール１０と同様である。
比較例の半導体モジュール３０では、アノード電極１５上に線状体が配置されていないので、金属ワイヤー１４は線状体を支えとして強制的に上凸状に曲げられた湾曲部を有していない。
金属ワイヤー１４の他側は、（１）第１湾曲部１４ａを有して第１の領域１５ａに第１ステッチボンディング部１８ａを介して接続され、（２）第１直線部１４ｄを有して第２の領域１５ｂに第２ステッチボンディング部１８ｂを介して接続され、（３）第２直線部１４ｅを有して第３の領域１５ｃに第３ステッチボンディング部１８ｃを介して接続されている。
比較例の半導体モジュール３０においても、金属ワイヤー１４はダイオード１１およびＩＧＢＴ１２の通電による発熱に応じて膨張と収縮を繰り返すことは、本実施形態の金属ワイヤー１４と同様である。然しながら、金属ワイヤー１４の第１直線部１４ｄおよび第２直線部１４ｅは、両端が第１乃至第３ステッチボンディング部１８ａ、１８ｂ、１８ｃで固定されている。
即ち、金属ワイヤー１４は、自由に伸縮できる湾曲部を有していないので、膨張と収縮の繰り返しにより、疲労破断する恐れがある。従って、大電流を通電可能で信頼性の高い半導体モジュールが得られない。
次に、半導体モジュールの製造方法について説明する。
図５は半導体モジュールの製造工程を示すフローチャート、図６および図７は半導体モジュールのワイヤーボンディング工程を順に示す断面図である。
図５に示すように、絶縁性基板にダイオード１１およびＩＧＢＴ１２をＸ方向に並置する（ステップＳ１０）。
ダイオード１１のアノード電極１５上にＹ方向に延在する線状体１３を配置する。ここでは、線状体１３は金属ワイヤー１４と同じ種類の金属ワイヤーとし、２本配置する。線状体１３の一側をアノード電極１５のＹ方向の一端近傍にステッチボンディングし、他側をＹ方向の他端近傍にステッチボンディングする。なお、同じ種類とは、材料および線径が同じであることを意味している（ステップＳ１１）。
ＩＧＢＴ１２のエミッタ電極１６上に、金属ワイヤー１４の一側をボールボンディングする（ステップＳ１２）。
第１湾曲部１４ａを形成して、金属ワイヤー１４の他側をアノード電極１５の第１の領域１５ａにステッチボンディングする（ステップＳ１３）。
線状体１６ａを跨ぐ第２湾曲部１４ｂを形成して、金属ワイヤー１４の他側をアノード電極１５の第２の領域１５ｂにステッチボンディングする（ステップＳ１４）。
線状体１６ｂを跨ぐ第３湾曲部１４ｃを形成して、金属ワイヤー１４の他側をアノード電極１５の第３の領域１５ｃにステッチボンディングする（ステップＳ１５）。
全ての金属ワイヤー１４のボンディングが完了したか否かを判定する（ステップＳ１６）。完了していなければ（ステップＳ１６のＮＯ）、ステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２乃至ステップＳ１６を完了するまで繰り返し実行する。完了していれば（ステップＳ１６のＹＥＳ）ワイヤーボンディングを終了する。
図６はステップＳ１４におけるボンディング工程を順に示す断面図である。ボンディングツール４０は、金属ワイヤー１４が挿通されるキャピラリー４１と、金属ワイヤー１４をクランプするためのクランパー４２と、金属ワイヤー１４を超音波接合するための超音波接合冶具４３と、金属ワイヤー１４を切断するためのカッター４４とを備えている。矢印Ａ乃至Ｅは、ボンディングツール４０の軌跡を示している。
図６（ａ）に示すように、アノード電極１５の第１の領域１５ａに第１ステッチボンディング部１８ａを形成した後、ボンディングツール４０を矢印Ａに示すように上昇（＋Ｚ方向）させ、矢印Ｂに示すように左斜め上（＋Ｚ方向および−Ｘ方向）に移動させる。
この移動は、キャピラリー４１が線状体１３ａより−Ｘ方向側の第２の領域１５ｂの上方に至るまでおこなう。これにより、金属ワイヤー１４はキャピラリー４１から略直線状に引き出され、線状体１３ａに漸近する。
図６（ｂ）に示すように、ボンディングツール４０を矢印Ｃに示すように左斜め下（−Ｚ方向および−Ｘ方向）に移動させる。この移動は、キャピラリー４１がアノード電極１５の第２の領域１５ｂに近接するところまで行う。これにより、金属ワイヤー１４は線状体１３ａに当接し、線状体１３ａを支えとして強制的に曲げられるので、湾曲部が形成される。
仮に、アノード電極１５上に線状体１３ａが配置されていないとすると、金属ワイヤー１４は同じサイズの金ワイヤー及びアルミニウムワイヤーより剛性が高いので、自然に上凸状に曲がることはない。その結果、破線で示す第１直線部１４ｄが形成されることになる。
図６（ｃ）に示すように、ボンディングツール４０を矢印Ｄのように水平（＋Ｘ方向）に移動させて、金属ワイヤー１４と線状体１３ａとの間に若干のゆとりを与えてから、矢印Ｅに示すように下降（−Ｚ方向）させる。この移動は、金属ワイヤー１４がアノード電極１５の第２の領域１５ｂに当接するまで行う。
超音波接合冶具４３にて金属ワイヤー１４を押圧しながら超音波を印加し、金属ワイヤー１４をアノード電極１５の第２の領域１５ｂに接合する。これにより、第２ステッチボンディング部１８ｂが形成される。
これにより、長さＬ１ａおよび高さＨ１ａを有する第２湾曲部１４ｂが形成される。なお、ボンディングツール４０を矢印Ｄのように水平に移動させる量に応じて、線状体１３と金属ワイヤー１４の位置関係、即ち線状体１３と金属ワイヤー１４とが接触しているかまたは離間しているか、を調節することができる。
ステップＳ１５におけるボンディング工程も、ステップ１４におけるボンディング工程と同様である。線状体１３ｂを支えとして金属ワイヤー１４を強制的に曲げることにより、長さＬ１ｂおよび高さＨ１ｂを有する第３湾曲部１４ｃを形成し、第３ステッチボンディング部１８ｃを形成する。
更に、カッター４４を下降させて金属ワイヤー１４をハーフカットし、クランパー４２で金属ワイヤー１４をクランプし、ボンディングツール４０を上昇（＋Ｚ方向）することにより、金属ワイヤー１４を引きちぎるようにして切断する。
一方、ステップＳ１３におけるボンディング工程では、第１湾曲部１４ａは線状体が無くても形成することができる。第１湾曲部１４ａの長さＬ２および高さＨ２が、金属ワイヤー１４の剛性に応じて定まる湾曲可能な範囲にあるためである。
図７（ａ）に示すように、エミッタ電極１６にボールボンディング部１７を形成した後、ボンディングツール４０を矢印Ａに示すように上昇（＋Ｚ方向）させ、矢印Ｂ乃至Ｄに示すようコ字状（＋Ｘ→＋Ｚ→−Ｘ方向）に移動させる。
この移動は、キャピラリー４１が線状体１３ａより＋Ｘ方向側の第１の領域１５ａの上方に至るまでおこなう。これにより、金属ワイヤー１４はキャピラリー４１から自然と上凸状に曲がるくせが付けられて引き出される。
図７（ｂ）に示すように、ボンディングツール４０を矢印Ｅに示すように左斜め下（−Ｚ方向および−Ｘ方向）に移動させる。この移動は、キャピラリー４１がアノード電極１５の第１の領域１５ａに当接するまで行う。これにより、第１湾曲部１４ａが形成される。
超音波接合冶具４３にて金属ワイヤー１４を押圧しながら超音波を印加し、金属ワイヤー１４をアノード電極１５の第１の領域１５ａに接合する。これにより、第１ステッチボンディング部１８ａが形成される。
上述した製造工程により、図１に示す半導体モジュール１０が得られる。
以上説明したように、本実施形態の半導体モジュール１０では、ダイオード１１のアノード電極１５上に線状体１３が配置されている。金属ワイヤー１４は、線状体１３を支えとして強制的に上凸状に曲げられることにより、線状体１３を跨ぐ湾曲部を有し、湾曲部の両端は線状体１３の両側でアノード電極１５に接続されている。
その結果、ダイオード１１およびＩＧＢＴ１２の通電発熱に応じて金属ワイヤー１４が膨張と収縮を繰り返すことによる疲労破断が防止される。従って、大電流を通電可能で信頼性の高い半導体モジュールが得られる。
ここでは、アノード電極１５上に線状体１３を２本配置する場合について説明したが、配置する線状体の数には特に制限はなく、１本でも、３本以上でもかまわない。ダイオード１１のサイズ等に応じて適宜定めることができる。
線状体１３は、断面が円形である場合について説明したが、円形に限られず金属ワイヤーと線状体が滑らかに当接できるような上凸形状であればよい。
線状体１３が導電体である場合について説明したが、絶縁体でも構わない。線状体が、例えば樹脂の場合、ディスペンサーにより樹脂をアノード電極１５に塗布し、熱硬化させることにより、線状体を形成することもできる。
第１半導体チップ１１は、第１の面１１ａと第２の面１１ｂとの間に電流が流れる縦型半導体素子である場合について説明したが、第１の面と平行な方向に電流が流れる横型半導体素子とすることもできる。第２半導体チップ１２も、同様に横型半導体チップとすることができる。
（実施形態２）
本実施形態に係る半導体モジュールについて、図８を用いて説明する。図８は本実施形態の半導体モジュールを示す図で、図８（ａ）はその平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。
本実施形態が実施形態１と同様の部分の説明は省略し、異なる点について説明する。本実施形態が実施形態１と異なる点は、線状体が第１電極とは異なる部材上に配置されている点にある。その他に関しては実施形態１と同様である。
即ち、図８に示すように、本実施形態の半導体モジュール１００は、アノード電極１５と線状体１３との間に配置された中間部材１０１を有している。中間部材１０１とは、例えば線状体１３をアノード電極１５上に固定するための接着剤として機能するものである。
中間部材１０１は、例えばＹ方向に延在し、Ｘ方向に離間して配置されたストライプ状の第１中間部材１０１ａおよび第２中間部材１０１ｂを有している。第１中間部材１０１ａは、アノード電極１５と線状体１３ａとの間に配置されている。第２中間部材１０１ｂは、アノード電極１５と線状体１３ｂとの間に配置されている。
中間部材１０１は、例えばディスペンサーを用いて液状の接着剤をアノード電極１５上に塗布することにより形成される。接着剤を第１の領域１５ａと第２の領域１５ｂとの間にストライプ状に塗布することにより、第１中間部材１０１ａが得られる。液状の接着剤を、第２の領域１５ｂと第３の領域１５ｃとの間にストライプ状に塗布することにより、第２中間部材１０１ｂが得られる。
第１線状体１３ａを第１中間部材１０１ａ上に載置することにより、第１線状体１３ａは接着性を有する第１中間部材１０１ａ上に固定される。同様に、第２線状体１３ｂを第２中間部材１０１ｂ上に載置することにより、第２線状体１３ｂは、第２中間部材１０１ｂ上に固定される。
アノード電極１５にステッチボンディングできない線状体、例えば絶縁性線状体、ボンディングツールの処理範囲を超える太さを有する線状体等でも、中間部材１０１により、線状体１３をアノード電極１５上に固定することができる利点が得られる。これにより、第１半導体チップ１１上に、線状体１３が配置される。
以上説明したように、本実施形態の半導体モジュール１００では、アノード電極１５と線状体１３との間に配置された中間部材１０１を有している。その結果、中間部材１０１を接着剤として、線状体１３をアノード電極１５上に固定することができる。本実施形態においても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
中間部材１０１が液状の接着剤を塗布したものである場合について説明したが、両面に接着性を有するテープ、所謂両面テープを貼り付けたものであってもよい。
さらに、中間部材１０１の厚さに応じて、線状体１３のアノード電極１５からの高さを自由に調節することができる。線状体１３の高さが嵩上げされるので、第２、第３湾曲部１４ｂ、１４ｃの高さＬ１ａ、Ｌ１ｂを高くしたい場合、線状体１３自体の径を大きくしなくてもすむ利点がある。
この場合、中間部材１０１はリジットなものが好ましく、接着性を有していても、有していなくてもよく、導電体でも絶縁体でも構わない。
（変形例１）
本実施形態の変形例１に係る半導体モジュールについて説明する。図９は本変形例の半導体モジュールを示す平面図である。その断面図は、図８（ｂ）に示す断面図と同様のため省略する。
図９に示すように、本変形例の半導体モジュール２００では、第１中間部材２０１ａおよび第２中間部材２０１ｂがそれぞれＹ方向に複数に分割されている点において半導体モジュール２００と異なっている。その他の点に関しては、半導体モジュール２００と同様である。
分割された第１中間部材２０１ａの各部分を第１部分、分割された第２中間部材２０１ｂの各部分を第２部分と称する。第１部分は、平面視で第１線状体１３ａと金属ワイヤー１４の交点近傍に配置されている。第２部分は、平面視で第２線状体１３ｂと金属ワイヤー１４の交点近傍に配置されている。
中間部材２０１により嵩上げされた線状体１３を支えとして金属ワイヤー１４を上凸状に曲げるとき、中間部材２０１は平面視で線状体１３と金属ワイヤー１４の交点近傍に配置されていれば十分であり、Ｙ方向にストライプ状に配置されていなくてもよい。
隣り合う第１部分同士の間に位置する第１線状体１３ａは、アノード電極１５より中間部材２０１ａの厚さ分だけ離間していても、垂れてアノード電極１５に接していてもよい。隣り合う第２部分の同士の間に位置する第２線状体１３ｂは、アノード電極１５より中間部材２０１ｂの厚さ分だけ離間していても、垂れてアノード電極１５に接していてもよい。
第１部分および第２部分は、例えばディスペンサーを用いて液状の接着剤をアノード電極１５上に離散的に塗布（ポッテイング）することにより形成することができる。
中間部材２０１をＹ方向に複数に分割したことにより、中間部材２０１の形成が容易になるとともに、中間部材２０１の材料を削減できる利点がある。
（変形例２）
本実施形態の変形例２に係る半導体モジュールについて説明する。図１０は本変形例の半導体モジュールを示す平面図、図１０（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。
図１０に示すように、本変形例の半導体モジュール３００では、金属ワイヤー１４の第１電極１５への接続が完了した後に、線状体１３が除去されている点において、半導体モジュール１００、２００と異なっている。その他の点については同様である。
第１および第２線状体１３ａ、１３ｂは、半導体モジュールの特性に影響を与えないので、金属ワイヤー１４のボンディングが完了した後に、除去されても構わない。金属ワイヤー１４の第２、第３湾曲部１４ｂ、１４ｃは、両端が既に第１乃至第３ステッチボンディング部１８ａ、１８ｂ、１８ｃにより固定されているので、第１および第２線状体１３ａ、１３ｂが無くても自立することができる。
第１および第２線状体１３ａ、１３ｂの除去は、例えば以下のように行うことができる。金属ワイヤー１４のボンディングが完了した後に、溶剤を用いて中間部材１０１、２０１を溶解し、第１および第２線状体１３ａ、１３ｂを浮き上がらせて剥離する。中間部材２０１は複数の部分に分割されているので、溶剤との接触面積が大きい。中間部材２０１は、ストライプ状の中間部材１０１より除去が容易である。
また、第１および第２線状体１３ａ、１３ｂ自体を、溶剤に可溶な材質のワイヤーとすることもできる。
金属ワイヤー１４のボンディングが完了した後に、線状体１３を除去しておくと、第１および第２半導体チップ１１、１２の通電発熱により、線状体および中間部材が劣化する恐れがなくなる利点がある。
（実施形態３）
本実施形態に係る半導体モジュールについて、図１１を用いて説明する。図１１は本実施形態の半導体モジュールを示す断面図である。
本実施形態が実施形態１と同様の部分の説明は省略し、異なる点について説明する。本実施形態が実施形態１と異なる点は、隣接する半導体チップ同士が線状体を跨ぐ湾曲部を有する金属ワイヤーにより電気的に接続されている点にある。その他に関しては実施形態１と同様である。
即ち、図１１に示すように、本実施形態の半導体モジュール４００では、第１半導体チップ４１１および第２半導体チップ４１２は、絶縁性基板（図示せず）上でＸ方向に近接して並置されている。
第１半導体チップ４１１と第２半導体チップ４１２とは、同種または異種の半導体チップで、電気的に並列接続または直列接続されている。
第１半導体チップ４１１上に第１線状体４１３ａが配置されている。第２半導体チップ４１２上に第２線状体４１３ｂが配置されている。第２線状体４１３ｂより第１半導体チップ４１１寄りの第２半導体チップ４１２上に第３線状体４１３ｃが配置されている。
第１半導体チップ４１１には第１電極４１５が設けられ、第１線状体４１３ａは第１電極４１５上に配置されている。同様に、第２半導体チップ４１２には第２電極４１６が設けられ、第２線状体４１３ｂは第２電極４１６上に配置されている。第３線状体４１３ｃは、第２線状体４１３ｂより第１半導体チップ４１１寄りの第２電極４１６上に配置されている。
金属ワイヤー４１４は、一側が第２半導体チップ４１２に接続され、他側が第１半導体チップ４１１に接続されている。
より具体的には、金属ワイヤー４１４の一側は、（１）第２電極４１６上であって第２線状体４１３ｂより＋Ｘ方向の第１の領域４１６ａにステッチボンディングされ、（２）第２線状体４１３ｂを跨ぐ湾曲部４１４ａを有し、第２電極４１６上であって第２線状体４１３ｂと第３線状体４１３ｃとの間の第２領域４１６ｂにステッチボンディングされている。
金属ワイヤー４１４の他側は、（３）第３線状体４１３ｃを跨ぐ湾曲部４１４ｂを有し、第１電極４１５上であって第１線状体４１３ａより＋Ｘ方向の第３の領域４１５ａにステッチボンディングされ、（４）第１線状体４１３ａを跨ぐ湾曲部４１４ｃを有し、第１電極４１５上であって第１線状体４１３ａより−Ｘ方向の第４の領域４１５ｂにステッチボンディングされている。
第３線状体４１３ｃを第２半導体チップ４１２上に配置することにより、金属ワイヤー４１４において隣接する第１半導体チップ４１１上の接続点と第２半導体チップ４１２上の接続点との距離を、金属ワイヤー４１４の剛性に応じて定まる接続可能な最短距離より短くすることができる。即ち、第１半導体チップ４１１および第２半導体チップ４１２を、より近接して並置することができるので、半導体モジュール４００をより小型化することが可能である。
以上説明したように、本実施形態の半導体モジュール４００では、第１半導体チップ４１１寄りの第２半導体チップ４１２上に第３線状体４１３ｃが配置されている。その結果、第１半導体チップ４１１および第２半導体チップ４１２を、より近接して並置することができる。従って、半導体モジュール４００をより小型化することができる。
なお、第３線状体４１３ｃは、第２半導体チップ４１２寄りの第１半導体チップ４１１上に配置することもできる。
（変形例）
図１２は本実施形態の変形例に係る半導体モジュールを示す断面図である。変形例の半導体モジュール５００では、第１半導体チップと第２半導体チップとの間に線状体が配置されている点で、半導体モジュール４００とは異なっている。その他の点については同様である。
即ち、図１２に示すように、半導体モジュール５００では、金属ワイヤー５１４は大電流、例えば１０Ａ／本、を通電できるように、図１１に示す金属ワイヤー４１４より線径が太い金属ワイヤーである。金属ワイヤー５１４の剛性は、金属ワイヤー４１４の剛性より大きい。
剛性が大きくなるほど、線状体を支点として金属ワイヤーを上凸状に湾曲させることにより接続可能な２点間の距離は、大きくなる。即ち、第１半導体チップ４１１と第２半導体チップ４１２との間に隙間が生じるので、第３線状体５１３ｃを第１半導体チップ４１１と第２半導体チップ４１２との間に配置することが可能になる。
第３線状体５１３ｃを第１半導体チップ４１１と第２半導体チップ４１２との間に配置することにより、より剛性の高い金属ワイヤー５１４を用いても、第１半導体チップ４１１および第２半導体チップ４１２をより近接して並置することができる。従って、半導体モジュール５００をより小型化することが可能である。
（実施形態４）
本実施形態に係る半導体モジュールについて、図１３および図１４を用いて説明する。図１３は本実施形態の半導体モジュールを示す平面図である。図１４は半導体モジュールの回路図である。
本実施形態が実施形態１と同様の部分の説明は省略し、異なる点について説明する。本実施形態が実施形態１と異なる点は、実施形態１の半導体モジュールを複数組み合わせた半導体モジュールとしたことにある。
即ち、図１３および図１４に示すように、本実施形態の半導体モジュール５０は、実施形態１に示す半導体モジュール１０を６つ用いて３相フルブリッジ回路を構成したものである。絶縁性基板５１に、６つの半導体モジュール１０ａ〜１０ｆが配置されている。絶縁性基板５１は、パッケージ５２に収納されている。
絶縁性基板５１には、ダイオード１１のカソードとＩＧＢＴ１２のコレクタとを電気的に接続する導電層（図示せず）が設けられ、半導体モジュール１０ａ〜１０ｆ間を接続する配線（図示せず）、ＩＧＢＴ１２のゲート電極にＰＷＭ信号を入力するための配線（図示せず）等が設けられている。
半導体モジュール５０は、例えば入力された直流電圧Ｖｉｎを３相交流に変換するＤＣ／ＡＣコンバータに用いられる。半導体モジュール１０ａ〜１０ｆを適切なタイミングでスイッチングさせることで、３相モータ５３への通電が行われる。
複数の半導体モジュール１０によって、ブリッジ回路が構成されている場合、１つの半導体モジュール１０がオン状態からオフ状態に切り替わると、ブリッジ回路のインダクタンス成分により、半導体モジュール１０のエミッタ電極に誘導起電力が加わる。これにより、この半導体モジュール１０において、ダイオード１１が動作し、誘導起電力を吸収する。ダイオード１１はＦＷＤ（Free Wheel Diode）として機能する。
以上説明したように、本実施形態の半導体モジュール５０は、半導体モジュール１０ａ〜１０ｆを用いて３相フルブリッジ回路を構成している。３相モータが組み込まれる電気機器に大電流を信頼性よく供給することができる。
図１５は、本実施形態に係る別の半導体モジュールを示す回路図である。
図１５に示すように、半導体モジュール６０は、実施形態１に示す半導体モジュール１０を４つ用いて単相フルブリッジ回路を構成したものである。半導体モジュール６０は、例えば、入力された直流電圧Ｖｉｎを、異なる直流電圧Ｖｏｕｔに変換するフルブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータに用いられる。
半導体モジュール１０ａ〜１０ｄを適切なタイミングでスイッチングさせることで、トランス６１への通電が行われる。トランス６１の１次巻き線には、キャパシタ６２が接続されていてもよい。
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
なお、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
（付記１） 前記線状体は、前記第１電極上に配置されている請求項１記載の半導体モジュール。
（付記２） 前記線状体は、前記第１電極上に設けられた中間部材上に配置されている請求項１記載の半導体モジュール。
（付記３） 前記線状体は、前記湾曲部と前記第１半導体チップの前記第１の面との間、または前記湾曲部と前記第２半導体チップの前記第１の面との間に配置されている請求項３記載の半導体モジュール。
（付記４） 前記線状体は、前記第１半導体チップと前記第２半導体チップとの間に配置されている請求項３記載の半導体モジュール。
１０、３０、５０、６０、１００、２００、３００、４００、５００ 半導体モジュール
１１、４１１ 第１半導体チップ
１２、４１２ 第２半導体チップ
１１ａ、１２ａ 第１の面
１１ｂ、１２ｂ 第２の面
１３、４１３ 線状体
１４、４１４、５１４ 金属ワイヤー
１４ａ〜１４ｃ、４１４ａ〜４１４ｃ、５１４ａ〜５１４ｃ 第１〜第３湾曲部
１４ｄ、１４ｅ 第１、第２直線部
１５、４１５ 第１電極
１５ａ〜１５ｃ 第１〜第３の領域
１６、４１６ 第２電極
１７ ボールボンディング部
１８ａ〜１８ｃ 第１〜第３ステッチボンディング部
４０ ボンディングツール
４１ キャピラリー
４２ クランパー
４３ 超音波接合冶具
４４ カッター
５１ 絶縁性基板
５２ パッケージ
５３ 三相モータ
６１ トランス
６２ キャパシタ
１０１、２０１ 中間部材

Claims (3)

  1. 第１の面に第１の領域と第２の領域とを有する第１電極が設けられた第１半導体チップを用意する工程と、
    前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域に線状体を配置する工程と、
    金属ワイヤーを、前記第１の領域に接合し、前記金属ワイヤーが挿通されたボンディングツールを、前記金属ワイヤーが前記線状体に漸近するように斜め上方に移動させ、前記金属ワイヤーが前記線状体に当接し、更に前記第１電極に当接するまで下降させるにあたって、前記金属ワイヤーが前記第１電極に当接する前に、前記ボンディングツールを前記線状体に近づく方向に移動させ、前記線状体に当接した前記金属ワイヤーを前記線状体から離間させる、ことにより、前記線状体を支えとして前記第１の面より上方に湾曲させ、前記第２の領域に接合する工程と、
    を具備する半導体モジュールの製造方法。
  2. 第１の面に第２電極が設けられた第２半導体チップを、前記第１半導体チップと並置する工程と、
    前記金属ワイヤーの一側を前記第２電極に接続し、前記金属ワイヤーの他側を前記第１電極に接続する工程と、
    を具備する請求項１記載の半導体モジュールの製造方法。
  3. 更に前記線状体を除去する工程を有する請求項１または２記載の半導体モジュールの製造方法。
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