特許 7555435 半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-12

(45)【発行日】2024-09-24

(54)【発明の名称】半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20240913BHJP

   H01L 21/285 20060101ALI20240913BHJP

   H01L 21/288 20060101ALI20240913BHJP

   H01L 21/3205 20060101ALI20240913BHJP

   H01L 21/768 20060101ALI20240913BHJP

   H01L 23/532 20060101ALI20240913BHJP

   H01L 23/522 20060101ALI20240913BHJP

【ＦＩ】

H01L21/60 301F

H01L21/60 301P

H01L21/285 P

H01L21/285 S

H01L21/288 E

H01L21/88 M

H01L21/88 T

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2022578443

(86)(22)【出願日】2022-01-26

(86)【国際出願番号】 JP2022002882

(87)【国際公開番号】W WO2022163695

(87)【国際公開日】2022-08-04

【審査請求日】2023-05-16

(31)【優先権主張番号】P 2021012040

(32)【優先日】2021-01-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000217332

【氏名又は名称】田中電子工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】浦地 剛史

(72)【発明者】

【氏名】柳本 辰則

(72)【発明者】

【氏名】中島 泰

(72)【発明者】

【氏名】三苫 修一

(72)【発明者】

【氏名】市川 司

【審査官】小池 英敏

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／１７５３４３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１４／１８１６８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－０５９８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１４３４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２８６２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／００４１５３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

Ｈ０１Ｌ ２１／２８５

Ｈ０１Ｌ ２１／２８８

Ｈ０１Ｌ ２１／３２０５

Ｈ０１Ｌ ２１／５２

Ｈ０１Ｌ ２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電極を含む半導体素子と、
前記半導体素子の前記電極を覆う金属膜と、
前記金属膜に接合されたワイヤとを備え、
前記金属膜は、前記ワイヤよりも高い硬度を有し、
前記ワイヤの内部は前記金属膜との接合部を有し、
前記ワイヤの全体において、前記ワイヤの円形断面における平均結晶粒径は、３μｍ以下であり、
前記ワイヤの線径は３００μｍ以上５００μｍ以下であり、
前記接合部の結晶粒径は、前記ワイヤの円形断面における前記平均結晶粒径より小さい、半導体装置。

【請求項2】

前記半導体素子を設置する絶縁部材と、
前記絶縁部材の下方に配置される放熱部材と、
前記絶縁部材と前記放熱部材を収容するケースと、
前記ケースの内側に配置され前記ワイヤが接続される端子と、
前記ケースの内部空間を封止する封止材と、
を備える、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記ワイヤは、鉄およびアルミニウムを含んでおり、
前記ワイヤの前記鉄の含有量は、０．０１質量％以上２．０質量％以下であり、
前記ワイヤから前記鉄を除いた残部の前記アルミニウムの含有量は、９９質量％以上である、請求項１または２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記ワイヤは、鉄、添加元素およびアルミニウムを含んでおり、
前記ワイヤの前記鉄および前記添加元素の含有量は、０．０１質量％以上２．０質量％以下であり、
前記ワイヤから前記鉄および前記添加元素を除いた前記アルミニウムの含有量は、９９質量％以上である、請求項１または２に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記金属膜は、ニッケル膜および銅膜のいずれかである、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記金属膜は、硫黄を含んでいない無電解ニッケル－リンめっき膜であり、
前記金属膜のリンの含有量は、５質量％以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記金属膜は、無電解ニッケル－ボロンめっき膜である、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記金属膜は、電気めっきによって成膜されたニッケル膜および銅膜のいずれかである、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項9】

前記金属膜は、蒸着法およびスパッタリング法のいずれかによって成膜されたニッケル膜、銅膜、チタン膜およびタングステン膜のいずれかである、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項10】

回路パターンと、
前記回路パターンと前記半導体素子との間に配置された接合材とをさらに備え、
前記接合材の液相温度は２７０℃以上である、請求項１～９のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項11】

請求項１～１０のいずれか１項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備えた電力変換装置。

【請求項12】

電極を有する半導体素子と、前記電極を覆う金属膜と、ワイヤとが準備される工程と、
前記ワイヤの内部に前記金属膜との接合部を形成する工程とを備え、
前記金属膜は、前記ワイヤよりも高い硬度を有し、
前記金属膜に前記ワイヤが接合された後において、前記ワイヤの全体において、前記ワイヤの円形断面における平均結晶粒径は、３μｍ以下である、半導体装置の製造方法。

【請求項13】

回路パターンと、接合材とがさらに準備され、
前記半導体素子が２７０℃以上に加熱された接合材を介して前記回路パターンに接合される、請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、パワー半導体素子などの半導体素子を搭載した半導体モジュールが知られている。パワー半導体素子は、電力用の半導体素子である。半導体素子上には、電極が配置されている。電極は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）製である。電極には、ワイヤ等の配線部材が接合されている。配線部材は、複数の半導体素子同士を電気的に接続している。また、配線部材は、半導体素子と回路パターンとを電気的に接続している。例えば、特許第６１３２０１４号公報（特許文献１）に記載の半導体装置は、半導体素子と、金属膜と、ワイヤとを含んでいる。金属膜は、半導体素子の電極を覆っている。金属膜は、ワイヤよりも高い硬度を有している。ワイヤは、金属膜に接合されている。ワイヤの接合界面は、１５μｍ以下の結晶粒径のみを含んでいる。ワイヤの接合界面から離れた部分は、粒径が１５μｍよりも大きい結晶を含んでいる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第６１３２０１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

半導体モジュールなどの半導体装置の小型化および高密度化に伴って、ワイヤに流れる電流の電流密度が増加している。このため、接合された半導体素子およびワイヤの保証可能な信頼性寿命が従来より制限されてしまう課題がある。接合された半導体素子およびワイヤの接合部の寿命は、例えば、パワーサイクル試験によって評価される。

【0005】

本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来より長い信頼性寿命を有する半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の半導体装置は、半導体素子と、金属膜と、ワイヤとを備えている。半導体素子は、電極を含んでいる。金属膜は、半導体素子の電極を覆っている。ワイヤは、金属膜に接合されている。金属膜は、ワイヤよりも高い硬度を有している。ワイヤの内部は金属膜との接合部を有している。ワイヤの全体において、ワイヤの円形断面における平均結晶粒径は、５μｍ以下である。ワイヤの線径は３００μｍ以上５００μｍ以下である。接合部の結晶粒径は、ワイヤの円形断面における平均結晶粒径より小さい。

【発明の効果】

【0007】

本開示の半導体装置によれば、ワイヤの全体において、ワイヤの円形断面における平均結晶粒径は、５μｍ以下である。このため、半導体装置のパワーサイクル耐量を向上させることができ、従来より長い信頼性寿命を有するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係る半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。

【図2】実施の形態１の第１の変型例に係る半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。

【図3】実施の形態１の第２の変形例に係る半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。

【図4】図１のＩＶ領域の拡大図である。

【図5】実施の形態１に係る半導体装置のワイヤの結晶を概略的に示し、図１のＩＶ領域に対応する拡大図である。

【図6】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を概略的に示すフローチャートである。

【図7】実施の形態１に係る半導体装置に生じた亀裂を概略的に示し、図４に対応する断面図である。

【図8】実施の形態１に係る半導体装置に生じた亀裂を概略的に示し、図５に対応する断面図である。

【図9】第１の比較例に係る半導体装置および亀裂を概略的に示す断面図である。

【図10】平均結晶粒径とパワーサイクル寿命との関係を示すグラフである。

【図11】第２の比較例に係る半導体装置および亀裂を概略的に示す断面図である。

【図12】第３の比較例に係る半導体装置および亀裂を概略的に示す断面図である。

【図13】第４の比較例に係る半導体装置および亀裂を概略的に示す断面図である。

【図14】実施の形態２に係る半導体装置のワイヤの結晶を概略的に示す断面図である。

【図15】パワーサイクル試験前における実施の形態に係る半導体装置の第１の構造のワイヤの結晶を概略的に示す結晶方位マップである。

【図16】パワーサイクル試験前における実施の形態に係る半導体装置の第２の構造のワイヤの結晶を概略的に示す結晶方位マップである。

【図17】パワーサイクル試験前における第１の比較例に係る半導体装置のワイヤの結晶を概略的に示す結晶方位マップである。

【図18】パワーサイクル試験後における実施の形態に係る半導体装置の第１の構造のワイヤの結晶を概略的に示す結晶方位マップである。

【図19】パワーサイクル試験後における実施の形態に係る半導体装置の第１の構造のワイヤの結晶および亀裂を概略的に示す第１の断面写真である。

【図20】パワーサイクル試験後における実施の形態に係る半導体装置の第１の構造のワイヤの結晶および亀裂を概略的に示す第２の断面写真である。

【図21】パワーサイクル試験後における実施の形態に係る半導体装置の第１の構造のワイヤの結晶および亀裂を概略的に示す第３の断面写真である。

【図22】パワーサイクル試験後における実施の形態に係る半導体装置の第２の構造のワイヤの結晶を概略的に示す結晶方位マップである。

【図23】パワーサイクル試験後における第１の比較例に係る半導体装置のワイヤの結晶を概略的に示す結晶方位マップである。

【図24】パワーサイクル試験後における第１の比較例に係る半導体装置のワイヤの結晶および亀裂を概略的に示す断面写真である。

【図25】図２４のＸＸＶ領域の拡大図である。

【図26】実施の形態３に係る電力変換装置の構成を概略的に示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。

【0010】

実施の形態１．
図１および図２を用いて、実施の形態１に係る半導体装置１００の構成を説明する。

【0011】

図１に示されるように、半導体装置１００は、半導体素子１と、金属膜２と、ワイヤ３とを含んでいる。半導体装置１００は、回路パターン４１、金属パターン４２、絶縁部材４３、放熱部材５、第１接合材６１、第２接合材６２、ケース７、端子８、封止材９をさらに含んでいてもよい。

【0012】

本実施の形態において、半導体素子１は、電力用の半導体素子である。電力用の半導体素子は、パワー半導体素子と呼ばれることがある。半導体素子１は、例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）等である。

【0013】

半導体素子１は、電極１１を含んでいる。電極１１は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）－珪素（Ｓｉ）電極である。本実施の形態において、電極１１は、ワイヤ３および金属膜２よりも低い硬度を有している。本実施の形態において、硬度とは、例えば、ＪＩＳ Ｂ ７７２５に規定されるビッカース硬さであってもよいし、ＪＩＳ Ｇ ０２０２に規定されるロックウェル硬さであってもよい。本実施の形態に係る半導体素子１は、裏面電極１２と、基板部１３とをさらに含んでいる。裏面電極１２は、電極１１とで基板部１３を挟み込んでいる。基板部１３は、例えば、珪素（Ｓｉ）基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板等である。

【0014】

本実施の形態において、半導体素子１は、第１素子部１ａおよび第２素子部１ｂを含んでいる。第１素子部１ａおよび第２素子部１ｂは、間隔を空けて配置されている。本実施の形態において、第１素子部１ａおよび第２素子部１ｂが並べられた方向は、第１方向ＤＲ１である。電極１１が基板部１３に重ねられた方向が第２方向ＤＲ２である。第１方向ＤＲ１と第２方向ＤＲ２とは、交差している。実施の形態において、第１方向ＤＲ１と第２方向ＤＲ２とは、直交している。

【0015】

金属膜２は、半導体素子１の電極１１を覆っている。金属膜２は、電極１１に対して基板部１３とは反対側に配置されている。金属膜２は、ワイヤ３よりも高い硬度を有している。金属膜２の材料等の詳細な構成は、後述される。

【0016】

本実施の形態において、金属膜２は、第１金属膜部２ａおよび第２金属膜部２ｂを含んでいる。第１金属膜部２ａは、第１素子部１ａの電極１１を覆っている。第２金属膜部２ｂは、第２素子部１ｂの電極１１を覆っている。

【0017】

ワイヤ３は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）製のワイヤである。ワイヤ３は、金属膜２に接合されている。ワイヤ３は、端子８および回路パターン４１に接合されている。ワイヤ３には、第１端部Ｅ１、第２端部Ｅ２および屈曲部Ｂが設けられている。ワイヤ３の第１端部Ｅ１は、金属膜２に接合されている。ワイヤ３の第２端部Ｅ２は、端子８に接合されている。屈曲部Ｂは、第１端部Ｅ１および第２端部Ｅ２の間に設けられている。屈曲部Ｂは、屈曲している。屈曲部Ｂは、金属膜２および回路パターン４１のいずれかに接合されている。

【0018】

本実施の形態において、ワイヤ３は、第１ワイヤ部３ａおよび第２ワイヤ部３ｂを含んでいる。第１ワイヤ部３ａの第１端部Ｅ１、第２端部Ｅ２、第１の屈曲部Ｂ１および第２の屈曲部Ｂ２の各々は、端子８、第２金属膜部２ｂ、回路パターン４１および第１金属膜部２ａの各々にそれぞれ接合されている。第２ワイヤ部３ｂの第１端部Ｅ１、第２端部Ｅ２および屈曲部Ｂ３の各々は、第２金属膜部２ｂ、端子８および回路パターン４１の各々にそれぞれ接合されている。

【0019】

ワイヤ３の線径は、例えば、１００μｍ以上５００μｍ以下である。電流がワイヤ３に流れた際に、ワイヤ３の線径が大きいほどワイヤ３の発熱が低減される。このため、ワイヤ３の線径は、例えば、４００μｍ以上５００μｍ以下であることが望ましい。また、ワイヤ３の線径が太い場合には、ワイヤ３の発熱が低減されるため、ワイヤ３の高集積化が可能になる。また、ワイヤ３の線径が太い場合には、ワイヤ３の本数が低減されるため、ワイヤ３の配線に要する時間を短くすることができる。

【0020】

ワイヤ３の全体において、ワイヤ３の円形断面における平均結晶粒径は、５μｍ以下である。本実施の形態では、ワイヤ３の結晶粒径は、電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ：Electron BackScatter Diffraction）によって評価される。ワイヤ３の結晶粒径は、隣接する結晶同士の粒界に基づいて評価される。隣接する結晶同士の粒界は、隣接する結晶同士の結晶方位が５°以上ずれた境界によって定義されている。ワイヤ３の全体の平均結晶粒径は、ワイヤの線径と等しい直径を持つワイヤ３の円形断面における結晶方位マップに基づいて評価される。なお、厳密な平均結晶粒径は、断面ＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）観察等の結晶粒を観察可能な解析手法によって測定された複数の結晶の結晶粒径が平均化されることによって算出される。なお、ワイヤ３の結晶の詳細な構成は、後述される。

【0021】

結晶粒径が小さくなるほど金属の降伏強さが大きくなるというホール・ペッチの関係が知られている。このため、ワイヤ３の平均結晶粒径が小さいほど、ワイヤ３の強度および硬度が大きい。ここでもし、ワイヤ３の硬度が金属膜２よりも大きい場合、ワイヤ３に亀裂が発生した場合には、亀裂は金属膜２の内部に進展し短寿命にて後述するリフトオフを迎えるという課題がある。金属膜２の内部に進展した亀裂は、電極１１の内部にさらに進展し、予定外の短寿命になる場合が発生し得る。これに対して、本開示では、ワイヤ３の硬度を金属膜２よりも小さくしたため、ワイヤ３に亀裂が発生した場合には、亀裂はワイヤ３の内部にのみ進展するという効果がある。ワイヤ３は前述のように結晶粒径を小さくしており、亀裂進展の速度が抑制されパワーサイクル寿命が向上するという効果を奏する。この作用に関しては段落００９４～００９７で詳細に説明する。

【0022】

半導体素子１は、回路パターン４１に接合されている。具体的には、半導体素子１の裏面電極１２は、第１接合材６１によって回路パターン４１に接合されている。第１接合材６１は、例えば、はんだ、銀（Ａｇ）等である。回路パターン４１と金属パターン４２とは、絶縁部材４３を挟み込んでいる。回路パターン４１および金属パターン４２の各々は、絶縁部材４３上に設けられている。金属パターン４２は、第２接合材６２によって放熱部材５に接合されている。絶縁部材４３は、絶縁基板として構成されている。

【0023】

ケース７は、半導体素子１、金属膜２、ワイヤ３、回路パターン４１、金属パターン４２、絶縁部材４３、第１接合材６１、第２接合材６２および封止材９を囲んでいる。ケース７には、内部空間が設けられている。内部空間には、半導体素子１、金属膜２、ワイヤ３、回路パターン４１、金属パターン４２、絶縁部材４３、第１接合材６１、第２接合材６２および封止材９が収納されている。ケース７は、放熱部材５の側面および上面に接合されている。放熱部材５の下面は、ケース７から露出している。図示されないが、下面視において、ケース７は、放熱部材５を囲む環形状を有している。

【0024】

ケース７には、端子８が配置されている。端子８の第１端は、ケース７の内部空間に配置されている。端子８の第１端は、ケース７の内部空間においてケース７から露出している。端子８の第２端は、ケース７の外の領域に配置されている。端子８の第２端は、ケース７から突出している。

【0025】

端子８は、第１端部子８１および第２端部子８２を含んでいる。第１端部子８１は、第１ワイヤ部３ａと接続されている。第２端部子８２は、第２ワイヤ部３ｂと接続されている。第１端部子８１および第２端部子８２の各々は、主端子として構成されていてもよいし、電源端子として構成されていてもよい。

【0026】

ケース７の内部空間には、封止材９が充填されている。封止材９は、内部空間には、半導体素子１、金属膜２、ワイヤ３、回路パターン４１、金属パターン４２、絶縁部材４３、第１接合材６１、第２接合材６２を封止している。封止材９は、ゲル状の封止樹脂であってもよいし、モールド樹脂であってもよい。

【0027】

なお、図２に示されるように、半導体装置１００は、リードフレームＬＦをさらに含んでいてもよい。半導体装置１００がリードフレームＬＦを含んでいる場合、半導体装置１００はケース７を含んでいなくてもよい。リードフレームＬＦは、絶縁部材４３に接合されている。なお、図２ではリードフレームＬＦと絶縁部材４３とが接触しているが、リードフレームＬＦと絶縁部材４３との間には図示されない金属板が配置されていてもよい。

【0028】

リードフレームＬＦは、封止材９によって部分的に封止されている。リードフレームＬＦの端部は、封止材９の外に突出している。リードフレームＬＦの端部は、半導体装置１００の外部の機器に接続されるための端子８として構成されている。

【0029】

リードフレームＬＦは、電気回路を構成している。ワイヤ３の第１端部Ｅ１は、半導体素子１に接合されている。ワイヤ３の第２端部Ｅ２は、リードフレームＬＦに接合されている。ワイヤ３と接合された半導体素子１は、ワイヤ３およびリードフレームＬＦを介して半導体装置１００の外部の機器に接続可能である。

【0030】

半導体装置１００がリードフレームＬＦを含んでいる場合、放熱部材５が金属層であってもよく、絶縁部材４３が絶縁シートであってもよい。絶縁シートは、金属層に積層されている。絶縁シートは、金属層に固着している。絶縁シートは、未硬化の絶縁樹脂層を有していてもよい。

【0031】

なお、図３に示されるように、電極１１上に配置されている金属膜２は、ワイヤ３が金属膜２と接続される部分のみに形成されていてもよい。すなわち、金属膜２は、電極１１を部分的に覆っていてもよい。

【0032】

次に、図４および図５を用いて、実施の形態１に係る半導体装置１００の半導体素子１、金属膜２およびワイヤ３の構成を詳細に説明する。図４は、図１のＩＶ領域の拡大図である。なお、説明の便宜のため、図４および図５の拡大図において、封止材９（図１参照）は図示されていない。また、後述される図７～図９、図１１～図１４においても、図４および図５と同様に、封止材（図１参照）は図示されていない。

【0033】

図４および図５に示されるように、ワイヤ３は、金属膜２に直接接合によって接合されている。ワイヤ３は、例えば、超音波接合によって金属膜２に接合されている。このため、ワイヤ３には、金属膜２との接合部３１が設けられている。なお、本実施の形態において、ワイヤ３の接合部３１とは、ワイヤ３の金属膜２との接合界面ＢＩからワイヤ３の内部にワイヤ３の平均結晶粒径だけ進んだ位置までの範囲のことである。接合部３１は、第１方向ＤＲ１に沿って設けられている。本実施の形態では、平均結晶粒径は５μｍ以下であるため、ワイヤ３の接合部３１とは、ワイヤ３の金属膜２との接合界面ＢＩからワイヤ３の内部に例えば５μｍ以下まで進んだ位置までの範囲のことである。また、例えば、ワイヤ３の平均結晶粒径が１０μｍである場合には、ワイヤ３の接合部３１とは、ワイヤ３の金属膜２との接合界面ＢＩからワイヤ３の内部に例えば１０μｍまで進んだ位置までの範囲のことである。図示されないが、金属膜２は、複数の膜部および複数の下地膜を含んでいてもよい。複数の膜部および複数の下地膜は、交互に積層されている。これにより、金属膜２の密着性が向上する。この場合、膜部は、ワイヤ３と接合されている。

【0034】

図５に示されるように、ワイヤ３は、複数の結晶３０を含んでいる。本実施の形態において、ワイヤ３の結晶３０は、微細化されている。

【0035】

望ましくは、金属膜２は、ニッケル（Ｎｉ）膜および銅（Ｃｕ）膜のいずれかであってもよい。金属膜２がニッケル（Ｎｉ）膜であるニッケル（Ｎｉ）めっき膜である場合、金属膜２の厚みが３μｍ以上５μｍ以下であることが望ましい。ニッケル（Ｎｉ）めっき膜の厚みが３μｍよりも小さい場合、ニッケル（Ｎｉ）めっき膜にワイヤ３が接合される際にニッケル（Ｎｉ）めっき膜が破損する可能性がある。ニッケル（Ｎｉ）めっき膜の厚みが５μｍよりも大きい場合、ニッケル（Ｎｉ）めっき膜の形成に時間が掛かるため、経済的に不利である。

【0036】

また、望ましくは、金属膜２は、硫黄（Ｓ）を含んでいない無電解ニッケル（Ｎｉ）－リン（Ｐ）めっき膜であってもよい。この場合、金属膜２のリン（Ｐ）の含有量は、８質量％以下である。

【0037】

また、望ましくは、金属膜２は、無電解ニッケル（Ｎｉ）－ボロン（Ｂ）めっき膜であってもよい。

【0038】

また、望ましくは、金属膜２は、電気めっきによって成膜されたニッケル（Ｎｉ）膜および銅（Ｃｕ）膜のいずれかであってもよい。

【0039】

また、望ましくは、金属膜２は、蒸着法およびスパッタリング法のいずれかによって成膜されたニッケル（Ｎｉ）膜、銅（Ｃｕ）膜、チタン（Ｔｉ）膜およびタングステン（Ｗ）膜のいずれかであってもよい。

【0040】

図１に示されるように、半導体素子１が第１素子部１ａおよび第２素子部１ｂ等の複数の素子部を有している場合、複数の素子部の各々の上に分割された金属膜部が形成される。この場合、金属膜２は、無電解めっきおよび電気めっき等のめっきによって形成されることが望ましい。

【0041】

次に、図１、図２および図６を用いて、実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法を説明する。

【0042】

図６に示されるように、半導体装置１００の製造方法は、準備される工程Ｓ１０１と、接合される工程Ｓ１０２とを含んでいる。

【0043】

図１に示されるように、準備される工程Ｓ１０１（図６参照）では、半導体素子１と、金属膜２と、ワイヤ３とが準備される。本実施の形態では、回路パターン４１と、金属パターン４２と、絶縁部材４３と、放熱部材５と、接合材（第１接合材６１）と、第２接合材６２と、ケース７と、端子８と、封止材９とがさらに準備される。

【0044】

電極１１が金属膜２に覆われる。電極１１は、電気めっきによってめっきされることによって金属膜２に覆われてもよい。また、電極１１は、無電解めっきによってめっきされることで金属膜２に覆われてもよい。

【0045】

続いて、接合される工程Ｓ１０２（図６参照）では、電極１１を覆っている金属膜２にワイヤ３が接合される。本実施の形態では、ワイヤ３は、超音波接合によって金属膜２に接合される。ワイヤ３と金属膜２とを接合する方法は、適宜に決められてもよい。

【0046】

また、第１接合材６１が加熱されることで、半導体素子１と回路パターン４１とが第１接合材６１によって接合される。本実施の形態において、半導体素子１が２７０℃以上に加熱された接合材（第１接合材６１）を介して回路パターン４１に接合される。第２接合材６２が加熱されることで、金属パターン４２と放熱部材５とが接合される。また、半導体素子１、金属膜２およびワイヤ３等を取り囲んだ状態のケース７と放熱部材５の上面とによって形成された内部空間を封止材９が封止する。

【0047】

また、図２に示されるように、半導体装置１００がリードフレームＬＦを含んでいる場合、接合される工程Ｓ１０２（図６参照）において、未硬化の状態の絶縁シートである絶縁部材４３が図示されないモールド金型に配置される。また、金属層である金属パターン４２の下面がモールド金型のキャビティ底面に面接触するように配置される。続いて、未硬化の状態の絶縁シートにリードフレームＬＦが面接触するように配置される。続いて、リードフレームＬＦを介して絶縁シートに圧力が印加される。また、圧力が印加された状態でモールド金型のキャビティ内にモールド樹脂である封止材９が注入される。続いて、モールド樹脂がキャビティ内の全体に充填された後に、圧力の印加が止められる。続いて、モールド樹脂および未硬化の状態の絶縁シートが硬化する。

【0048】

次に、図７および図８を用いて、実施の形態１に係る半導体装置１００の寿命を評価するためのパワーサイクル試験を説明する。本実施の形態において、半導体装置１００の寿命とは、パワーサイクル試験によって評価されるパワーサイクル寿命のことである。

【0049】

パワーサイクル試験では、半導体素子１に電流が流れるオン状態と半導体素子１に電流が流れないオフ状態とが交互に繰り返し切り替えられる。これにより、半導体素子１は、電流によって加熱されている状態と自然冷却されている状態とに交互に繰り返し切り替えられる。このため、半導体装置１００の部品同士の接合部３１には、部品同士の線膨張係数の差に応じた応力が繰り返し生じる。つまり、パワーサイクル試験は、評価対象に応力による小さい変形を繰り返し加える疲労試験である。これにより、評価対象である半導体装置１００には、図７および図８に示されるように、亀裂ＣＲが生じることがある。

【0050】

封止材９（図１参照）がゲル状の封止樹脂である場合、パワーサイクル試験の実施による亀裂ＣＲは、ワイヤ３の金属膜２との接合部３１に沿って進展する。すなわち、亀裂ＣＲは、主に第１方向ＤＲ１に沿って進展する。なお、進展した亀裂ＣＲによってワイヤ３が電極１１から離れる（リフトオフする）ことで、半導体装置１００が故障する。亀裂ＣＲは、小さい強度および硬度を有する部分を進展しやすい。また、亀裂ＣＲは、接合部３１において進展しやすい。具体的には、亀裂ＣＲは、大きい粒径を有する結晶に向かって進展しやすい。

【0051】

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態１に係る半導体装置１００によれば、図５に示されるように、ワイヤ３の全体において、ワイヤ３の円形断面における平均結晶粒径は、５μｍ以下である。このため、ワイヤ３の寿命が長くなる。したがって、半導体装置１００は、長い寿命を有している。

【0052】

本実施の形態に係る半導体装置１００を第１の比較例に係る半導体装置１０１（図９参照）と比較して、本実施の形態に係る半導体装置１００の作用効果を詳細に説明する。

【0053】

図５に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置１００のワイヤ３の平均結晶粒径は、５μｍ以下である。これに対して、図９に示されるように、第１の比較例に係る半導体装置１０１のワイヤ３の平均結晶粒径は、７μｍよりも大きい。

【0054】

本実施の形態に係る半導体装置１００および第１の比較例に係る半導体装置１０１の寿命は、パワーサイクル試験によって評価された。本実施の形態に係るパワーサイクル試験の試験条件は、次の通りである。半導体素子１のジャンクション温度が、オン状態においてオフ状態よりも１００℃高くなるように、電流の電流値および電流が流れる時間が定められた。半導体素子１のエミッタとコレクタとの間の電圧が試験前の値よりも５％大きくなったときに、半導体装置１００が故障したと判定された。

【0055】

図８は、パワーサイクル試験によって生じた亀裂ＣＲが本実施の形態に係る半導体装置１００のワイヤ３の内部を進展した様子を示している。ワイヤ３が半導体素子１に超音波接合によって接合される際に、ワイヤ３が塑性変形する。これにより、ワイヤ３の接合部３１の結晶が微細化する。

【0056】

亀裂ＣＲは、ワイヤ３の内部を進展する。本実施の形態では、接合部３１の結晶および接合部３１から離れた位置の結晶は、微細化されている。このため、亀裂ＣＲが接合部３１の結晶から接合部３１から離れた位置の結晶に向かって進展することが抑制されている。よって、亀裂ＣＲはワイヤ３と金属膜２との接合部３１に沿って進展する。また、接合部３１から離れた位置の結晶が微細化されているため、接合部３１から離れた位置の結晶に向かって亀裂ＣＲが進展したとしても、亀裂ＣＲの進展速度が小さい。したがって、パワーサイクル寿命が長くなる。すなわち、半導体装置１００の寿命が長くなる。

【0057】

図９は、パワーサイクル試験によって生じた亀裂ＣＲが本実施の形態に係る半導体装置１０１のワイヤ３の内部を進展した様子を示している。亀裂ＣＲは、ワイヤ３内を進展する。接合部３１から離れた位置の結晶は、接合部３１の微細化された結晶よりも低い強度および硬度を有している。このため、生じた亀裂ＣＲは、ワイヤ３の内部において、接合部３１の結晶から接合部３１から離れた位置の結晶に向かって進展する。このため、第１の比較例では、接合部３１の結晶が微細化したとしても、パワーサイクル寿命が十分に向上しない。また、第１の比較例において塑性変形したワイヤ３の変形量は、実施の形態１において塑性変形したワイヤ３の変形量よりも大きい。これは、本実施の形態に係るワイヤ３の結晶が微細化された状態でワイヤ３が金属膜２に接合されるのに対し、第１の比較例に係るワイヤ３の結晶が微細化されていない状態でワイヤ３が金属膜２に接合されるためである。

【0058】

図１０は、本実施の形態に係る半導体装置１００および第１の比較例に係る半導体装置１０１にパワーサイクル試験が実施された場合のワイヤ３の平均結晶粒径とパワーサイクル寿命との関係を示すグラフである。縦軸は、パワーサイクル寿命を示している。横軸は、ワイヤ３の平均結晶粒径を示している。

【0059】

本実施の形態に係る半導体装置１００のワイヤ３の平均結晶粒径が２．７μｍである場合、パワーサイクル寿命は２７８４００回だった。本実施の形態に係る半導体装置１００のワイヤ３の平均結晶粒径が５μｍである場合、パワーサイクル寿命は１０４９００回だった。

【0060】

第１の比較例に係る半導体装置１０１のワイヤ３の平均結晶粒径が７．１μｍである場合、パワーサイクル寿命は４０１００回だった。第１の比較例に係る半導体装置１０１のワイヤ３の平均結晶粒径が９．３μｍである場合、パワーサイクル寿命は６０５００回だった。第１の比較例に係る半導体装置１０１のワイヤ３の平均結晶粒径が１０．６μｍである場合、パワーサイクル寿命は５９６００回だった。第１の比較例に係る半導体装置１０１のワイヤ３の平均結晶粒径が１３．９μｍである場合、パワーサイクル寿命は７７３００回だった。第１の比較例に係る半導体装置１０１のワイヤ３の平均結晶粒径が１４．９μｍである場合、パワーサイクル寿命は７７６００回だった。第１の比較例に係る半導体装置１０１のワイヤ３の平均結晶粒径が３５．８μｍである場合、パワーサイクル寿命は３３９００回だった。

【0061】

すなわち、本実施の形態に係る半導体装置１００のパワーサイクル寿命は、第１の比較例に係る半導体装置１０１よりも約８倍長かった。

【0062】

以上より、平均結晶粒径が７μｍよりも大きいワイヤ３を有する第１の比較例に係る半導体装置１０１と比べて、平均結晶粒径が５μｍ以下であるワイヤ３を有する本実施の形態に係る半導体装置１００は明らかに傾向が異なり著しいパワーサイクル寿命の増大が認められた。

【0063】

なお、今回は半導体素子１のジャンクション温度が、オン状態においてオフ状態よりも１００℃高くなるように条件設定した場合の実験結果を示したが、半導体素子１のジャンクション温度の差がオン状態とオフ状態で１００℃よりも小さい場合、例えば半導体素子１のジャンクション温度がオン状態においてオフ状態よりも８０℃高くなるように条件設定した場合で評価した場合でも同様に、平均結晶粒径が５μｍ以下の領域で顕著にパワーサイクル寿命が増大することが確認された。

【0064】

次に、本実施の形態に係る半導体装置１００を第２の比較例に係る半導体装置１０２（図１１参照）および第３の比較例に係る半導体装置１０３（図１２参照）と比較して、本実施の形態に係る半導体装置１００の作用効果を詳細に説明する。

【0065】

図５に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置１００は、金属膜２を含んでいる。また、ワイヤ３の全体において、ワイヤ３の平均結晶粒径は、５μｍ以下である。

【0066】

これに対して、図１１に示されるように、第２の比較例に係る半導体装置１０２は、金属膜２を含んでいない。また、第２の比較例に係る半導体装置１０２のワイヤ３の平均結晶粒径は、７μｍよりも大きい。第２の比較例に係るワイヤ３は、例えば、高純度のアルミニウム（Ａｌ）を含んでいる。第２の比較例に係るワイヤ３のアルミニウム（Ａｌ）の含有量は、例えば、９９．９９質量％以上である。第２の比較例に係る半導体装置１０２のワイヤ３は、電極１１よりも低い硬度を有している。このため、第２の比較例に係る半導体装置１０２に生じた亀裂ＣＲは、ワイヤ３の内部を進展する。具体的には、亀裂ＣＲは、ワイヤ３の内部において接合部３１に沿って進展する。さらに、ワイヤ３の平均結晶粒径が大きいため、亀裂ＣＲの進展速度が大きい。したがって、第２の比較例に係る半導体装置１０２のパワーサイクル寿命は、短い。

【0067】

また、本実施の形態に係る半導体装置１００に対して、図１２に示されるように、第３の比較例に係る半導体装置１０３は、金属膜２を含んでいない。また、第３の比較例に係る半導体装置１０３のワイヤ３の平均結晶粒径は、５μｍ以下である。第３の比較例に係る半導体装置１０３のワイヤ３は、電極１１よりも高い硬度を有している。このため、第３の比較例に係る半導体装置１０３に生じた亀裂ＣＲは、電極１１の内部を進展する。亀裂ＣＲが電極１１内を進展した場合、半導体素子１のチップ構造が亀裂ＣＲによって破壊されることがある。したがって、第３の比較例に係る半導体装置１０３のパワーサイクル寿命は、短い。

【0068】

以上より、金属膜２を含みかつ平均結晶粒径が５μｍ以下であるワイヤ３を含む本実施の形態に係る半導体装置１００のパワーサイクル寿命は、金属膜２を含まない第２の比較例に係る半導体装置１０２および第３の比較例に係る半導体装置１０３よりも長い。

【0069】

続いて、金属膜２による効果を説明する。
図４および図５に示されるように、ワイヤ３の金属膜２との接合部３１の寿命が長い場合、半導体装置１００の他の部品の寿命が長いことが望ましい。具体的には、図１に示されるように、第１接合材６１の寿命が長いことが望ましい。第１接合材６１の寿命は、第１接合材６１の耐熱性が向上することで向上する。第１接合材６１の耐熱性が向上することで、半導体素子１と回路パターン４１との接合部３１（図５参照）の耐熱性が向上する。具体的には、第１接合材６１は、高温はんだであることが好ましい。高温はんだは、例えば、鉛（Ｐｂ）系はんだ、スズ（Ｓｎ）－アンチモン（Ｓｂ）系はんだ、金（Ａｕ）系はんだ、ビスマス（Ｂｉ）系はんだ、銅（Ｃｕ）系はんだ、亜鉛（Ｚｎ）系はんだである。高温はんだが溶融した場合、高温はんだの液相温度が高い。高温はんだの液相温度は例えば、２７０℃である。このため、図１３に示される第４の比較例に係る半導体装置１０４のように、金属膜２が無電解めっきによって成膜されたニッケル（Ｎｉ）膜でありかつアモルファスを含んでいる場合、金属膜２が結晶化することで金属膜２の体積が小さくなる。これにより、金属膜２が割れることがある。図１３に示されるように、金属膜２が割れた場合、金属膜２の割れを伝って亀裂ＣＲが電極１１内に進展することがある。例えば、金属膜２がリン（Ｐ）を含んでいる場合、金属膜２はアモルファスを含んでいる。リン（Ｐ）の含有量が大きい場合、金属膜２はアモルファスの単一相を有している。また、リン（Ｐ）の含有量が小さい場合、金属相は微結晶を含む結晶構造を有している。

【0070】

本実施の形態に係る半導体装置１００によれば、金属膜２は、硫黄（Ｓ）を含んでいない無電解ニッケル（Ｎｉ）－リン（Ｐ）めっき膜であってもよい。この場合、金属膜２のリン（Ｐ）の含有量は、５質量％以下である。リン（Ｐ）の含有量が５質量％以下である場合、金属相は結晶構造を有している。このため、アモルファスに起因する金属の割れを抑制することができる。また、硫黄（Ｓ）を含んでいないため、熱処理時に硫黄（Ｓ）が粒界に偏析することを抑制することができる。これにより、粒界が脆化することを抑制することができるため、熱処理時における金属膜２の割れを抑制することができる。以上より、金属膜２の耐熱性が向上する。このため、例えば、半導体装置１００の製造時に２７０℃を超えた場合であっても金属膜２の割れを抑制することができる。

【0071】

金属膜２は、無電解ニッケル（Ｎｉ）－ボロン（Ｂ）めっき膜であってもよい。この場合、金属膜２は、結晶構造を有している。また、金属膜２に含まれるニッケル（Ｎｉ）の純度が高い。このため、熱処理時における金属膜２の割れを抑制することができる。

【0072】

金属膜２は、電気めっきによって成膜されたニッケル（Ｎｉ）膜および銅（Ｃｕ）膜のいずれかであってもよい。この場合、金属膜２は、結晶構造を有している。また、金属膜２に含まれるニッケル（Ｎｉ）の純度が高い。このため、熱処理時における金属膜２の割れを抑制することができる。

【0073】

金属膜２は、蒸着法およびスパッタリング法のいずれかによって成膜されたニッケル（Ｎｉ）膜、銅（Ｃｕ）膜およびタングステン（Ｗ）膜のいずれかであってもよい。この場合、金属膜２は、結晶構造を有している。また、金属膜２に含まれるニッケル（Ｎｉ）の純度が高い。このため、熱処理時における金属膜２の割れを抑制することができる。

【0074】

実施の形態１に係る半導体装置の製造方法によれば、図５に示されるように、接合される工程Ｓ１０２（図６参照）では、金属膜２にワイヤ３が接合される。ワイヤ３の全体において、ワイヤ３の円形断面における平均結晶粒径は、５μｍ以下である。このため、半導体装置１００の寿命が長くなる。

【0075】

半導体素子１が２７０℃以上に加熱された接合材（第１接合材６１）を介して回路パターン４１に接合される。このため、半導体素子１と回路パターン４１とを接合する接合材として高い耐熱性を有する接合材（第１接合材６１）を用いることができる。具体的には、２７０℃以上の融点を有する接合材（第１接合材６１）によって、半導体素子１および回路パターン４１を接合することができる。例えば、第１接合材６１の鉛（Ｐｂ）の含有率が大きい場合には、第１接合材６１の融点は２７０℃以上である。よって、半導体装置１００の耐熱性が向上する。例えば、半導体素子１の高集積化によって動作温度が高温である半導体装置１００では、高い耐熱性が求められている。

【0076】

実施の形態２．
次に、図１４を用いて、実施の形態２に係る半導体装置１００の構成を説明する。実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

【0077】

図１４に示されるように、本実施の形態に係るワイヤ３は、鉄（Ｆｅ）およびアルミニウム（Ａｌ）を含んでいる。ワイヤ３の鉄の含有量は、０．２質量％以上２．０質量％以下である。ワイヤ３から鉄を除いた残部のアルミニウムの含有量は、９９．９９質量％以上である。

【0078】

ワイヤ３に含まれるアルミニウム（Ａｌ）以外の元素は、アルミニウム（Ａｌ）に固溶した状態および析出した状態のいずれかの状態で存在する。このため、本実施の形態では、鉄（Ｆｅ）は、アルミニウム（Ａｌ）に固溶した状態および析出した状態のいずれかの状態で存在する。アルミニウム（Ａｌ）以外の元素がアルミニウム（Ａｌ）に固溶した状態では、ワイヤ３の導電率が大きく低下する。アルミニウム（Ａｌ）以外の元素がアルミニウム（Ａｌ）から析出した状態では、ワイヤ３の導電率が低下することは抑制されている。なお、アルミニウム（Ａｌ）への最大固溶限は、元素によって異なっている。また、元素の固溶量あたりのワイヤ３の導電率の低下率は、元素によって異なっている。

【0079】

鉄（Ｆｅ）のアルミニウム（Ａｌ）への最大固溶限は、例えば、０．０５質量％である。このため、ワイヤ３の鉄（Ｆｅ）の含有量が０．２質量％以上２．０質量％以下だったとしても、鉄（Ｆｅ）の多くは析出している。このため、鉄（Ｆｅ）によってワイヤ３の導電率が低下することが抑制されている。

【0080】

望ましくは、本実施の形態に係るワイヤ３の導電率は、２９×１０^５Ｓ／ｍ（５０％ＩＡＣＳ）以上である。さらに望ましくは、ワイヤ３の導電率は、３２×１０^５Ｓ／ｍ（５５％ＩＡＣＳ）以上である。

【0081】

実施の形態２の変形例に係るワイヤ３は、鉄（Ｆｅ）、添加元素およびアルミニウムを含んでいる。ワイヤ３の鉄および添加元素の含有量は、０．２質量％以上２．０質量％以下である。ワイヤ３から鉄および添加元素を除いたアルミニウムの含有量は、９９．９９質量％以上である。

【0082】

添加元素は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、珪素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）等である。添加元素は、鉄（Ｆｅ）とは異なる元素である。

【0083】

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態２に係る半導体装置１００によれば、図１４に示されるように、ワイヤ３は、鉄（Ｆｅ）およびアルミニウム（Ａｌ）を含んでいる。このため、鉄（Ｆｅ）によってアルミニウム（Ａｌ）の平均結晶粒径を小さくすることができる。すなわち、ワイヤ３の平均結晶粒径を小さくすることができる。また、ワイヤ３の再結晶温度を高くすることができる。具体的には、ワイヤ３の再結晶温度が１７５℃以上になる。これにより、パワーサイクル試験の際にワイヤ３に電流が流れることでワイヤ３が発熱したとしても、微細化した結晶が再結晶することを抑制することができる。よって、微細化した結晶が粗大化することを抑制することができる。したがって、結晶の微細化の促進と微細化した結晶の粗大化の抑制とを両立することができる。

【0084】

ワイヤ３の鉄の含有量は、０．２質量％以上２．０質量％以下である。ワイヤ３から鉄を除いた残部のアルミニウムの含有量は、９９．９９質量％以上である。このため、鉄（Ｆｅ）のアルミニウム（Ａｌ）への固溶限が小さい。よって、ワイヤ３の導電率の低下を抑制することができる。したがって、半導体装置１００に大電流が流れる場合にも本実施の形態に係るワイヤ３を用いることができる。

【0085】

続いて、図１５～図２５を用いて、本実施の形態に係る半導体装置１００の効果をより詳細に説明する。図１５は、パワーサイクル試験の前後における電子線後方散乱解析法（ＥＢＳＤ：Electron Backscatter Diffraction）によるワイヤ３の評価を示す結晶方位マップである。なお、図１５等の結晶方位マップは、半導体装置１００の一部の結晶方位マップであるが、説明の便宜のため、四方は省略線ではなく直線によって図示されている。

【0086】

本実施の形態に係る半導体装置１００の第１の構成のワイヤ３（図１５参照）、本実施の形態に係る半導体装置１００の第２の構成のワイヤ３（図１６参照）および第１の比較例に係るワイヤ３（図１７参照）を比較することで、本実施の形態に係る半導体装置１００の効果を説明する。

【0087】

図１５に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置１００の第１の構造のワイヤ３の平均結晶粒径は、２．７μｍである。第１の構造のワイヤ３のアルミニウム（Ａｌ）以外の元素の含有量は、０．４質量％である。図１６に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置１００の第２の構造のワイヤ３の平均結晶粒径は、５μｍである。第２の構造のワイヤ３のアルミニウム（Ａｌ）以外の元素の含有量は、１．５質量％である。図１７に示されるように、第１の比較例に係る半導体装置１０１の平均結晶粒径は、３５μｍである。

【0088】

本実施の形態に係る半導体装置１００の第１の構成のワイヤ３、第２の構成のワイヤ３および第１の比較例に係るワイヤ３に対して上述のパワーサイクル試験が実施された。

【0089】

本実施の形態に係る半導体装置１００の第１の構造のワイヤ３のパワーサイクル寿命は、２７７０００回だった。図１５に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置１００の第１の構造のワイヤ３は、パワーサイクル試験の前において接合界面ＢＩにおける結晶粒径と接合部３１において接合界面ＢＩよりも内側の結晶粒径との差は小さかった。具体的には、実施の形態２に係る半導体装置１００の第１の構造のワイヤ３のパワーサイクル試験の前における接合界面ＢＩにおける結晶粒径と接合部３１において接合界面ＢＩよりも内側の結晶粒径の各々は、１μｍ程度だった。また、図１８に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置１００の第１の構造のワイヤ３のパワーサイクル試験の後における接合界面ＢＩにおける結晶粒径と接合部３１において接合界面ＢＩよりも内側の結晶粒径の各々は、３μｍ程度だった。図１９～図２１に示されるように、亀裂ＣＲは、ワイヤ３の金属膜２との接合部３１に沿うようにワイヤ３の内部に進展していた。

【0090】

本実施の形態に係る半導体装置１００の第２の構造のパワーサイクル寿命は、３５３０００回だった。図１６に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置１００の第２の構造のワイヤ３は、パワーサイクル試験の前において接合界面ＢＩにおける結晶粒径と接合部３１において接合界面ＢＩよりも内側の結晶粒径の差は小さかった。具体的には、実施の形態２に係る半導体装置１００の第２の構造のワイヤ３のパワーサイクル試験の前における接合界面ＢＩにおける結晶粒径と接合部３１において接合界面ＢＩよりも内側の結晶粒径の各々は、１μｍ以上２μｍ以下程度だった。また、図２２に示されるように、実施の形態２に係る半導体装置１００の第２の構造のワイヤ３のパワーサイクル試験の後における接合界面ＢＩにおける結晶粒径と接合部３１において接合界面ＢＩよりも内側の結晶粒径の各々は、３μｍ程度だった。

【0091】

第１の比較例に係る半導体装置１０１のワイヤ３は、図１７に示されるように、パワーサイクル試験の前において、１μｍ程度の平均結晶粒径を有する接合部３１と、接合部３１よりもワイヤ３の内側である内部領域とを含んでいる。内部領域は、２μｍ以上５μｍ以下の結晶粒径を有していた。図２０に示されるように、パワーサイクル試験の後における接合部３１の面積は、パワーサイクル試験の後における接合部３１の面積よりも小さかった。内部領域の多くの結晶の粒径は、５μｍよりも大きかった。このため、第１の比較例に係る半導体装置１０１のワイヤ３は、粗大化していた。図２３に示されるように、亀裂ＣＲが生じていた。また、図２４および図２５に示されるように、亀裂ＣＲは、金属膜２から離れるようにワイヤの内部を進展していた。

【0092】

以上より、本開示では合金元素添加により結晶粒径５μｍ以下としたワイヤ３を前記ワイヤ３よりも硬質な金属膜２上にボンディングしたため、パワーサイクル試験時の亀裂が前記ワイヤ３内のみを選択的に進展し、かつ試験の期間中にワイヤ３の結晶粒径の粗大化が抑制されていたため、特徴的な長寿命が得られた。

【0093】

ワイヤ３は、鉄（Ｆｅ）を含んでいる。このため、ワイヤ３の耐熱性が向上する。よって、半導体装置１００の耐熱性が向上する。

【0094】

ワイヤ３は、添加元素を含んでいる。添加元素によって、ワイヤ３の強度、再結晶温度、耐腐食性等が向上する。例えば、添加元素がマグネシウム（Ｍｇ）または珪素（Ｓｉ）である場合、ワイヤ３の引張強度が向上する。また、添加元素がジルコニウム（Ｚｒ）である場合、ワイヤ３の再結晶温度が向上する。また、添加元素がマンガン（Ｍｎ）である場合、ワイヤ３の耐食性が向上する。よって、半導体装置１００の強度、再結晶温度、耐腐食性等が向上する。

【0095】

なお、上記では、ワイヤ３の鉄または鉄および添加元素の含有量は０．２質量％以上２．０質量％以下で、ワイヤ３から鉄または鉄および添加元素を除いた残部のアルミニウムの含有量は９９．９９質量％以上の場合を説明した。しかし、ワイヤ３の鉄または鉄および添加元素の含有量は０．０１質量％以上２．０質量％以下で、ワイヤ３から鉄または鉄および添加元素を除いた残部のアルミニウムの含有量は９９質量％以上であっても同様の効果を有する。

【0096】

実施の形態３．
本実施の形態は、上述した実施の形態１～２に係る半導体装置１００を電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態３として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。

【0097】

図２６は、本実施の形態に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

【0098】

図２６に示す電力変換システムは、電源ＰＷ、電力変換装置２００、負荷Ｌから構成される。電源ＰＷは、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源ＰＷは種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源ＰＷを、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。

【0099】

電力変換装置２００は、電源ＰＷと負荷Ｌの間に接続された三相のインバータであり、電源ＰＷから供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷Ｌに交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図２６に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０２とを備えている。

【0100】

負荷Ｌは、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷Ｌは特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。

【0101】

以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源ＰＷから供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷Ｌに供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれかは、上述した実施の形態１および２のいずれかの半導体装置１００に相当する半導体装置１００が有するスイッチング素子又は還流ダイオードである。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷Ｌに接続される。

【0102】

また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体装置１００に内蔵されていてもよいし、半導体装置１００とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０２からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の電極１１に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。

【0103】

制御回路２０２は、負荷Ｌに所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷Ｌに供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の電極１１にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。

【0104】

本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１を構成する半導体装置１００として実施の形態１～２に係る半導体装置１００を適用するため、長い寿命を有する電力変換装置２００を実現することができる。

【0105】

本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本開示を適用する例を説明したが、本開示は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本開示を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本開示を適用することも可能である。

【0106】

また、本開示を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。

【0107】

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。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、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。

【符号の説明】

【0108】

１ 半導体素子、２ 金属膜、３ ワイヤ、１００ 半導体装置、２０ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 制御回路、Ｌ 負荷、ＰＷ 電源。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】