特開 2022-6839 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022006839

(43)【公開日】2022-01-13

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/29 20060101AFI20220105BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20220105BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20220105BHJP

【ＦＩ】

H01L23/30 B

H01L25/04 C

H01L21/60 301B

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020109350

(22)【出願日】2020-06-25

(71)【出願人】

【識別番号】000233273

【氏名又は名称】株式会社 日立パワーデバイス

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】紺野 哲豊

(72)【発明者】

【氏名】杉政 悠香

(72)【発明者】

【氏名】川瀬 大助

(72)【発明者】

【氏名】古川 智康

【テーマコード（参考）】

4M109

5F044

【Ｆターム（参考）】

4M109AA02

4M109EA07

4M109EA10

4M109EC05

5F044AA14

5F044AA18

5F044EE01

5F044EE04

5F044EE06

(57)【要約】

【課題】
表面電極とワイヤとの接合を補強する樹脂の塗りむらを無くし、耐熱化及び長寿命化を実現可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】
本発明の半導体装置（１００ａ）は、半導体チップ（６，７）と、半導体チップ（６，７）に接続された複数のワイヤ（９，１０）とを備えた半導体装置において、半導体チップ（６，７）の主電流が流れる第１の表面電極（２）の表面に第１の樹脂層によって形成された隔壁（５）が設けられ、隔壁（５）によって第１の表面電極（２）の表面が２以上に細分化された領域に分割され、細分化された領域毎に１つのワイヤ（９，１０）が接続され、かつ、細分化された領域に第２の樹脂層（１１）が充填されていることを特徴とする。
【選択図】図１Ｂ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体チップと、前記半導体チップに接続された複数のワイヤとを備えた半導体装置において、
前記半導体チップの主電流が流れる第１の表面電極の表面に第１の樹脂層によって形成された隔壁が設けられ、前記隔壁によって前記第１の表面電極の表面が２以上に細分化された領域に分割され、
前記細分化された領域毎に１つの前記ワイヤが接続され、かつ、
前記細分化された領域に第２の樹脂層が充填されていることを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記第１の表面電極の上に前記細分化された領域毎に分割して形成され前記隔壁よりも低い膜厚の第２の表面電極が形成され、
前記第２の表面電極に前記ワイヤが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第１の表面電極の上に、前記細分化された領域毎に分割して形成された第２の表面電極と、前記第２の表面電極の上に形成された第３の表面電極とが形成され、
前記第３の表面電極に前記ワイヤが接続され、前記第２の表面電極と前記第３の表面電極の厚さの和は前記隔壁よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記半導体チップと前記ワイヤとの接合部の端部から前記第２の表面電極の端部までの距離が２００μｍ以上４００μｍ以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第１の樹脂層はポリイミドであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記第２の樹脂層はポリアミドイミドであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記第２の表面電極はニッケルめっき膜であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記第３の表面電極は銅めっき膜であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置（半導体モジュール）は、一般的な構成として、放熱ベースの上に、配線パターンを形成した絶縁基板をはんだ等で接合し、その絶縁基板の配線パターンの上に、パワー半導体チップをはんだ等で搭載する。パワー半導体チップは、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が搭載される。このようなスイッチング機能を有するパワー半導体チップを備える半導体装置は、電力変換装置の部品として使用される。電力変換装置は、直流電源から供給された直流電力をモータなどの誘導性負荷に供給するための交流電力に変換する機能や、モータにより発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する機能を発揮する。

【0003】

パワー半導体チップは、裏面には主電流が流れる裏面電極としてドレイン電極（ユニポーラ型トランジスタの場合）、コレクタ電極（バイポーラトランジスタの場合）またはカソード電極（還流ダイオードの場合）を備え、表面には制御電流が流れるゲート電極、主電流が流れる表面電極としてソース電極（ユニポーラ型トランジスタの場合）、エミッタ電極（バイポーラ型トランジスタの場合）またはアノード電極（還流ダイオードの場合）を備える。

【0004】

裏面電極は絶縁基板上の配線パターンと接続され、表面電極はワイヤ等を介して絶縁基板上の配線パターンに接続される。鉄道用などの大電力用の半導体装置では、絶縁基板上に複数のパワー半導体チップが搭載され、さらにその絶縁基板を複数搭載することで、大電流に対応できるようにしている。

【0005】

例えば、電気自動車のモータ駆動に用いる半導体装置は、耐圧６００Ｖ以上、電流容量３００Ａ以上となる。電気鉄道の場合は耐圧３．３ｋＶ以上、電流容量１２００Ａ以上となる。これらの大電流を扱うため、パワー半導体チップあたり数百アンペアの電流を流す必要があり、このため通常、直径３００μｍから５５０μｍ程度の太線ワイヤを１チップあたり複数本接合することが必要になっている。

【0006】

従来の半導体装置の例として、特許文献１には、ワイヤが接続される表面電極を形成した半導体チップと、ワイヤと表面電極との接合部を被覆する第１の樹脂膜と、表面電極の形成面の周縁部を被覆し、第１の樹脂膜に接するとともに第１の樹脂膜よりも膜厚の厚い第２の樹脂膜と、半導体チップ、第１の樹脂膜および第２の樹脂膜を覆うゲル状封止材と、を有することを特徴とする半導体装置が記載されている。表面電極とワイヤとの接合部を被覆する第１の樹脂膜（ワイヤ補強樹脂）にはポリアミドイミドが用いられている。図８には、１つの表面電極に２本のワイヤがボンディングされ、ワイヤ補強樹脂によって被覆されている構成が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】国際公開第２０１６／０１６９７０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

近年、半導体装置の電流容量向上の要求が高まり、１チップあたりに流れる電流が増加しているため、発熱が増加し、チップ周辺の接合部がより大きな温度変動に晒されるようになっている。このため、熱応力の繰り返しによる破壊寿命をより長寿命化することが課題となっている。また、大電流を扱うため、１つの電極に対してワイヤを複数本接合する必要が生じている。

【0009】

従来の半導体装置における表面電極とワイヤとの接合の補強は、アルミニウム系の材料の表面電極に、アルミニウム系のワイヤをポリアミドイミド（ＰＡＩ）等の樹脂を接着剤として塗布して乾燥し、固化することによって行っていた。この際、樹脂を均一に塗布していない場合、樹脂の塗りむらによってワイヤと表面電極との接合強度が低下し、近年要求されている高いレベルの熱応力に対する寿命を実現できないという課題があった。特に、例えば特許文献１のように、広い１つの電極に対してワイヤを複数本接合する場合には、表面電極とワイヤとの接合を補強する樹脂の塗りむらが生じやすい。

【0010】

本発明は、上記事情に鑑み、表面電極とワイヤとの接合を補強する樹脂の塗りむらを無くし、耐熱化及び長寿命化を実現可能な半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するための本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップに接続された複数のワイヤとを備えた半導体装置において、半導体チップの主電流が流れる第１の表面電極の表面に第１の樹脂層によって形成された隔壁が設けられ、隔壁によって第１の表面電極の表面が２以上に細分化された領域に分割され、細分化された領域毎に１つのワイヤが接続され、かつ、細分化された領域に第２の樹脂層が充填されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、表面電極とワイヤとの接合を補強する樹脂の塗りむらを無くし、高耐熱化及び長寿命化を実現可能な半導体装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1A】実施例１の半導体装置の構成を示す上面図

【図1B】図１ＡのＡ－Ａ´断面図

【図1C】図１Ｂの半導体層１より上部を拡大する図

【図2A】実施例２の半導体装置の構成を示す図

【図2B】図２ＡのＡ－Ａ´断面図

【図3】半導体装置の上面図に主電流用ワイヤ９のボンディング部の端部から第１の樹脂層までの最低距離Ｌを示す図

【図4】第１の表面電極２の熱応力に対する寿命とＬとの関係を示すグラフ

【図5A】実施例３の半導体装置の構成を示す図

【図5B】図５ＡのＡ－Ａ´断面図

【発明を実施するための形態】

【実施例0014】

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１Ａは実施例１の半導体装置の構成を示す上面図であり、図１ＢはＡ－Ａ´断面図であり、図１Ｃは図１Ｂの半導体層１より上部を拡大する図である。図１Ａ～図１Ｃに示すように、本実施例の半導体装置１００ａは、放熱ベース１７と、絶縁基板１５と、第１の半導体チップ（スイッチング素子）６および第２の半導体チップ（ダイオード素子）７とがこの順で積層された構造を備える。放熱ベース１７と絶縁基板１５との間には基板接合層１６が設けられ、絶縁基板１５と第１の半導体チップ６および第２の半導体チップ７との間には、チップ接合層８が設けられている。放熱ベース１７の表面と放熱ベース１７以外の構成は、封止樹脂１８によって封止されている。

【0015】

なお、半導体装置１００ａは、上記構成の他に、上記構成を覆う樹脂ケース等を必要とするが、本実施例で開示する技術内容と直接関係しないため省略した。また、図１Ａ（上面図）上の主電流用ワイヤ９及びゲートワイヤ１０は、第１の表面電極２またはゲート電極３または配線層１３との接合部のみを表示し、それ以外は省略した。また、封止樹脂１８も省略した。以下、各構成について詳述する。

【0016】

半導体チップ（スイッチング素子）６は、半導体層１と、半導体層１の表面側（半導体チップの表面）に形成され、主電流が流れる第１の表面電極２と、半導体層１の表面に設けられ、ゲート電流が流れるゲート電極３と、半導体層１の裏面に形成され、主電流が流れる裏面電極４と、第１の樹脂層（隔壁）５を有する。ユニポーラ型のトランジスタの場合、第１の表面電極２をソース電極、裏面電極４をドレイン電極と称し、また、バイポーラ型のトランジスタの場合、第１の表面電極２をエミッタ電極、裏面電極４をコレクタ電極と称することがあるが、それぞれ同じ機能を有するものである。

【0017】

半導体チップ（ダイオード素子）７は、半導体層１と、半導体層１の表面側（半導体チップの表面）に形成され、主電流が流れる第１の表面電極２と、半導体チップの裏面に形成され、主電流が流れる裏面電極４と、第１の樹脂層５を有する。第１の表面電極２をアノード電極と称し、裏面電極４をカソード電極と称することがある。絶縁基板１５は、絶縁層１２の半導体チップ側に配線層１３を、半導体チップと反対側に裏面金属層１４を備える。

【0018】

半導体チップ（スイッチング素子）６と、半導体チップ（ダイオード素子）７の裏面電極４は、チップ接合層８によって、絶縁基板１５の配線層１３に接合されている。絶縁基板１５の裏面金属層１４は、基板接合層１６によって、放熱ベース１７に接合されている。

【0019】

半導体チップ（スイッチング素子）６と、半導体チップ（ダイオード素子）７の第１の表面電極２の表面には、主電流用ワイヤ（配線）９が接合（ボンディング）され、外部機器と電気的に接続されている。また半導体チップ（スイッチング素子）６のゲート電極３の表面には、ゲートワイヤ１０が接合されている。

【0020】

第１の表面電極２と主電流用ワイヤ９との接合部およびゲート電極３とゲートワイヤ１０の接合部には、接合を補強する第２の樹脂層１１が設けられている。

【0021】

放熱ベース１７に積層された半導体チップ（スイッチング素子）６と、半導体チップ（ダイオード素子）７、チップ接合層８、主電流用ワイヤ９、ゲートワイヤ１０、第２の樹脂層１１、絶縁基板１５、基板接合層１６は、封止樹脂１８によって封止されている。

【0022】

本実施例の特徴は、主電流が流れる第１の表面電極２の表面に設けられた第１の樹脂層５によって形成された隔壁により、第１の表面電極２の表面が複数の領域に分割され、細分化された領域毎に主電流用ワイヤ９が１本接続され、かつ、細分化された領域に第２の樹脂層が充填されていることである。尚、図１Ｂに示すように、１本のワイヤの端部だけでなく途中部分でも接合するようにしてもよく、この場合も細分化された領域毎に主電流用ワイヤ９を接合しているのは１か所であり、細分化された領域毎に主電流用ワイヤ９が１本接続されている状態に含まれる。

【0023】

上述した構成とすることにより、半導体チップ（スイッチング素子）６と、半導体チップ（ダイオード素子）７の主電流が流れる第１の表面電極２を底面とし、第１の樹脂層５を側壁とした箱型部が形成され、この箱型部が第２の樹脂層１１が充填される際の受け皿となって、第１の表面電極２と主電流用ワイヤ９の接合部に第２の樹脂層１１をむらなく、隙間なく充填できる。この結果、半導体装置の熱応力に対する寿命が向上するといった効果を奏する。

【0024】

従来の半導体装置は、第１の樹脂層が半導体チップの外周部のみであり、細分化されていない第１の表面電極の表面に複数の主電流用ワイヤ９の接続部があった。第２の樹脂層は主電流用ワイヤを接続した後に、半導体チップ上に液状の状態で塗布されるが、第２の樹脂層の粘度が高いと半導体チップ上にまんべんなく広がらず塗布斑ができたり、細かな隙間に浸透せず第１の表面電極と主電流用ワイヤの接合部に空隙ができてしまい、熱応力に対する寿命が低下するといった問題があった。一方、第２の樹脂層の粘度が低いと半導体チップからはみ出しこぼれてしまうことがあった。

【0025】

本発明の特徴によれば、上述したように、主電流用ワイヤ９の接合部毎に、第２の樹脂層を充填する箱型部があるので、第１の表面電極２と主電流用ワイヤ９の接合部に第２の樹脂層１１を安定して供給できるため、寿命のばらつきも少なくすることができる。

【0026】

第１の表面電極２の第１の樹脂層５の側壁による分割の態様は、図１Ａおよび図１Ｂに示した態様に限られるものではない。本実施例では、上面から見た時に、第１の表面電極２の表面を縦３つ横４つに分割した領域としているが、領域の数や配列はこれに限定されるものではない。

【0027】

第１の樹脂層５の材料および第２の樹脂層１１に特に限定は無いが、第１の樹脂層５にはＰＡＩ（ポリアミドイミド）が好適であり、第２の樹脂層１１にはＰＩ（ポリイミド）が好適である。

【0028】

半導体層１には、Ｓｉ（シリコン）や高温で動作させることが可能なＳｉＣ（シリコンカーバイド）を用いることができる。表面電極や裏面電極には、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とした金属または合金が用いられることが好ましい。

【0029】

チップ接合層８は焼結金属を使用することが好ましい。焼結金属としては、Ｃｕの微粒子を焼結させた焼結銅を用いることが好ましい。焼結銅は、従来のはんだに比べ耐熱性が高く、高温で動作しても長寿命な半導体装置を提供できる。チップ接合層８には、焼結銅に代えて焼結銀を用いることも可能である。

【0030】

絶縁基板１５は、絶縁層１２として厚さ０．６３ｍｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることが好ましい。その他、耐圧や用途によっては窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミック材料を用いてもよい。裏面金属層１４は厚さ０．２ｍｍ程度のＣｕの層で構成することが好ましい。配線層１３は、厚さ０．３ｍｍ程度のＣｕの層で構成されていることが好ましい。

【0031】

放熱ベース１７は、半導体チップ（スイッチング素子）６及び半導体チップ（ダイオード素子）７から発せられた熱を外部の冷却器に伝える役目と、半導体装置１００ａ全体の剛性を担う役割を有している。放熱ベース１７には、例えばＡｌ－ＳｉＣが好適である。ただし、これに限らず、必要な熱伝導性および剛性を有していれば、ＣｕやＡｌを用いることも可能である。

【0032】

封止樹脂１８は、例えばシリコーンゲルを用いることが好ましい。シリコーンゲルで封止することにより、半導体装置１００ａ内部の放電を防止することができる。ただしこれに限らず、エポキシ樹脂で封止してもよい。封止樹脂１８として比較的硬いエポキシ樹脂を用いる場合には、上述したチップ接合層８をはんだに代えてもよい。ただし、封止樹脂１８が比較的柔らかいシリコーンゲルである場合は、はんだでは歪を抑制できないため、接合層に焼結金属を用いることが好ましい。

【0033】

各層の形成方法は、従来の方法を適用できる。第１の樹脂層５は、フォトリソグラフィーによるパターニングによって形成することができる。

【実施例0034】

図２Ａは実施例２の半導体装置の構成を示す上面図であり、図２Ｂは図２ＡのＡ－Ａ´断面図である。図２に示すように、本実施例の半導体装置１００ｂは、実施例１の半導体装置１００ａの構成に第２の表面電極１９を追加したものである。第２の表面電極１９は、第１の表面電極２またはゲート電極３の表面に形成され、第１の表面電極２の細分化された領域毎に分割して形成され、第１の樹脂層５により形成される隔壁よりも小さい膜厚となっている。主電流用ワイヤ９は、第２の表面電極１９上に接続されている。

【0035】

第２の表面電極１９が第１の樹脂層５により形成される隔壁よりも低い膜厚となっているため、第２の表面電極１９を底面、第１の樹脂層を側壁とした箱型部が受け皿となって第２の表面電極１９と主電流用ワイヤ９の接合部に第２の樹脂層１１をむらなく隙間なく充填できるので、熱応力に対する寿命が向上する効果を奏する。また、第２の表面電極１９で第１の表面電極２にかかる熱応力を緩和できるので、熱応力に対する寿命が向上する。さらに、第２の表面電極１９が細分化されているので、ワイヤ接続時の圧力による割れがなくなる。

【0036】

第２の表面電極１９は第１の樹脂層５を形成した後に、ニッケル（Ｎｉ）をめっきすることによって形成できる。このため、第２の表面電極１９は、第１の表面電極２が第１の樹脂層５により覆われていない部分のみに形成されるため細分化されている。従来の半導体装置は第２の表面電極は、主電流用ワイヤの接合部毎に細分化されておらず、広い面に複数の主電流ワイヤの接合部を設けていた。広い面に主電流ワイヤをワイヤボンディングすると、硬いＮｉに圧力がかかるとともに、Ｎｉの下のアルミニウムを主成分とする柔らかい第１の表面電極がその圧力でへこむためＮｉに割れが生じることがあった。Ｎｉの割れる箇所が主電流用ワイヤの接合部に近いと熱応力に対する寿命が低下するという課題があった。本実施例では、第２の表面電極１９が形成される領域が細分化されているため、熱応力を緩和できる。

【0037】

図３は半導体装置の上面図に主電流用ワイヤ９のボンディング部の端部から第１の樹脂層までの最低距離Ｌを示す図である。図３に示すように、１つの領域において、主電流用ワイヤ９の接合部（ボンディング部）の端部から第２の表面電極１９の端部（第１の樹脂層５の隔壁）までの最短距離をＬとする。上述した本実施例の半導体装置において、Ｌを変えて熱応力に対する寿命を評価した。図４は第１の表面電極２の熱応力に対する寿命とＬとの関係を示すグラフである。図４に示すように、Ｌが２００μｍ未満の場合はＬの減少とともに寿命が低下することがわかる。一方、Ｌが２００μｍ以上の場合は寿命は最大値のまま変化していない。つまり、主電流用ワイヤ９の接合部の端部から第２の表面電極１９の端部までの距離を２００μｍ以上にすることによって最大の寿命向上効果を得ることができる。

【0038】

また、第２の表面電極１９の割れを防ぐためには、分割後の１つの領域が広すぎない方がよいので、主電流用ワイヤ９の接合部の端部から第２の表面電極１９の端部までの距離を４００μｍ以下とすることが好ましい。尚、図３、図４で説明したＬの範囲については後述する実施例３でも同様である。