JP2009231685A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワー半導体装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device.
パワー半導体装置において、半導体素子と主電極等との間の電気配線のために、主にアルミワイヤによるワイヤボンド接合が用いられている。しかしながら、パワー半導体装置が扱う電流が大きい場合には、半導体素子による発熱に加えて、ワイヤ自身にジュール熱が発生する。パワー半導体装置の使用時には、上述の発熱と、パワー半導体装置に設けたヒートシンクによる冷却とが当該パワー半導体装置には繰返し作用する。この熱サイクルを一般的にパワーサイクルと呼ぶ。ここで、アルミワイヤの線膨張係数(α=24.5×10−6/K)と、半導体素子の線膨張係数(α=3.5×10−6/K)との差が大きいため、アルミワイヤと、半導体素子との接合部には、パワーサイクルにより熱応力が繰返し作用することになる。 In a power semiconductor device, wire bond bonding mainly using an aluminum wire is used for electrical wiring between a semiconductor element and a main electrode. However, when the current handled by the power semiconductor device is large, Joule heat is generated in the wire itself in addition to heat generated by the semiconductor element. When the power semiconductor device is used, the above-described heat generation and cooling by a heat sink provided in the power semiconductor device repeatedly act on the power semiconductor device. This thermal cycle is generally called a power cycle. Here, since the difference between the linear expansion coefficient of the aluminum wire (α = 24.5 × 10 −6 / K) and the linear expansion coefficient of the semiconductor element (α = 3.5 × 10 −6 / K) is large, Thermal stress repeatedly acts on the joint between the aluminum wire and the semiconductor element due to the power cycle.
このようなパワーサイクルに対するパワー半導体装置の信頼性を向上させるために、半導体素子の下に、はんだ層を介して高熱伝導性の金属板を設けた構成が提案されている。該構成によれば、半導体素子の横方向にも熱を拡散可能とし、パワー半導体装置の放熱性を高めて、温度上昇を低減することにより熱負荷が低減可能である(例えば特許文献1)。 In order to improve the reliability of the power semiconductor device against such a power cycle, a configuration in which a metal plate having high thermal conductivity is provided under the semiconductor element via a solder layer has been proposed. According to this configuration, heat can be diffused also in the lateral direction of the semiconductor element, and the heat load can be reduced by improving the heat dissipation of the power semiconductor device and reducing the temperature rise (for example, Patent Document 1).
上述したパワー半導体装置では、半導体素子の下方向に対する冷却性能を向上させることができ、半導体素子の冷却には効果的である。しかしながら、ジュール発熱によるアルミワイヤ自身の熱は、アルミワイヤが接続された半導体素子を介して除去されることになるので、アルミワイヤ自体に対する効率的な冷却は困難である。したがって、アルミワイヤと半導体素子との接合部には、アルミワイヤの発熱による余分な熱負荷が加わるという問題があった。 In the power semiconductor device described above, the cooling performance in the downward direction of the semiconductor element can be improved, which is effective for cooling the semiconductor element. However, since the heat of the aluminum wire itself due to Joule heat is removed through the semiconductor element to which the aluminum wire is connected, it is difficult to efficiently cool the aluminum wire itself. Therefore, there has been a problem that an extra thermal load is applied to the joint between the aluminum wire and the semiconductor element due to the heat generated by the aluminum wire.
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、パワーサイクルに対する信頼性を向上させることができるパワー半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a power semiconductor device capable of improving the reliability with respect to the power cycle.
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様におけるパワー半導体装置は、絶縁基板の配線パターン上に配置された半導体素子と、外部機器と接続するための外部接続用端子と、上記半導体素子間または上記半導体素子と上記配線パターンとの間を接続する配線用ワイヤとを備え、上記配線用ワイヤと上記外部接続用端子とを絶縁部材を介して接続することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
That is, a power semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a semiconductor element disposed on a wiring pattern of an insulating substrate, an external connection terminal for connecting to an external device, the semiconductor element, or the semiconductor element and the above. A wiring wire for connecting the wiring pattern to the wiring pattern, wherein the wiring wire and the external connection terminal are connected via an insulating member.
本発明の一態様におけるパワー半導体装置によれば、配線用ワイヤに比べて十分に大きな熱容量を有する外部接続用端子に絶縁部材を介して上記配線用ワイヤを接続させたことにより、上記配線用ワイヤに発生するジュール熱を外部接続用端子へ逃がすことができる。その結果、配線用ワイヤの温度が低下し、配線用ワイヤの発熱による熱負荷が半導体素子及びワイヤ接合部へ伝わりにくくなる。したがって、パワーサイクルによる熱応力を低減することが可能となり、パワー半導体装置の信頼性を向上させる効果を得ることができる。 According to the power semiconductor device of one aspect of the present invention, the wiring wire is connected to the external connection terminal having a sufficiently larger heat capacity than the wiring wire through the insulating member. Joule heat generated in the can be released to the external connection terminal. As a result, the temperature of the wiring wire is lowered, and the thermal load due to the heat generated by the wiring wire is not easily transmitted to the semiconductor element and the wire bonding portion. Therefore, it is possible to reduce the thermal stress due to the power cycle, and the effect of improving the reliability of the power semiconductor device can be obtained.
本発明の実施形態であるパワー半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。当該パワー半導体装置は、半導体素子に接続されるアルミワイヤと、アルミワイヤに比べて十分に大きな熱容量を有する外部接続用端子とを、樹脂やセラミック等の絶縁物質を介して接続させたものである。 A power semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals. The power semiconductor device is formed by connecting an aluminum wire connected to a semiconductor element and an external connection terminal having a sufficiently large heat capacity as compared with the aluminum wire through an insulating material such as resin or ceramic. .
実施の形態1.
図1Aは、本発明の実施の形態1におけるパワー半導体装置20の一例を示す断面図である。
図1Aに示すように、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素などのセラミックから成り表面及び裏面に銅配線パターン4を形成した絶縁基板5が、半田などに代表されるダイボンド材3にて、放熱用で金属材にてなるベース板6上に取り付けられている。絶縁基板5の表面における銅配線パターン4上には、ダイボンド材3にて半導体素子2が接続されている。又、絶縁基板5とは分離したベース板6上の位置には、ベース板6と電気的に絶縁された状態で、外部接続用端子8が配置されている。
FIG. 1A is a cross-sectional view showing an example of a
As shown in FIG. 1A, an
さらに、ベース板6上には、半導体素子2を接続した絶縁基板5及び外部接続用端子8を覆って樹脂材等にてなるケース7が被せられている。ケース7の外面7aには、外部接続用端子8の露出部8aが配置され、露出部8aは、当該パワー半導体装置20以外の外部機器と電気的に接続される。ケース7内では、外部接続用端子8は、半導体素子2の上方を通過して引き回されて露出部8aに至っている。このようなケース7内には、シリコンゲル10が充填されている。
Further, a
配線用ワイヤの一例に相当するアルミワイヤ1の一端1aは、半導体素子2の電極と接続され、他端1bは、別の半導体素子2、外部接続用端子8、銅配線パターン4等に接続されている。即ち、アルミワイヤ1の一端1aは、半導体素子2がアルミワイヤ1により電気的接続を行うための一方の箇所に相当する。又、半導体素子2が別の半導体素子2、外部接続用端子8、銅配線パターン4等と電気的接続を行うための他方の箇所を、アルミワイヤ1の他端1bとする。尚、図示するように、外部接続用端子8は、アルミワイヤ1に比べて太く体積も大きいことから、アルミワイヤ1に比して大きな熱容量を有する。又、この大きな熱容量は、アルミワイヤ1に発生するジュール熱を放熱するに十分な熱容量である。
One
パワー半導体装置の多くのタイプにて、半導体素子2間の配線として、例えばワイヤ径が約300〜500μm程度の線形状のアルミ製のワイヤによるワイヤボンディングが用いられていることから、本実施形態でも、配線用ワイヤとしてアルミワイヤ1を例に採った。しかしながら、配線用ワイヤの材質は、アルミニウムに限定するものではなく、電気抵抗の小さい金属なら配線に適している。アルミニウム以外の材料例とし、銅などが挙げられる。また、配線用ワイヤの形状として、線形状の代わりにワイヤ幅が太い板状のワイヤ(リボンワイヤ:幅1.0〜2.5mm程度、板厚0.1〜0.3mm程度)を使用してもよい。リボンワイヤの材質についても、アルミニウムや銅などが使用可能である。また、図1Aでは、図示を簡略化しているが、アルミワイヤ1は、1つの半導体素子2に対して1本ではなく、実際には数本〜数十本のアルミワイヤがボンディングされている。また、半導体素子2と銅配線パターン4などにも配線されている。
In many types of power semiconductor devices, as the wiring between the
ケース7内にて引き回されている外部接続用端子8は、アルミワイヤ1の他端1bと、アルミワイヤ1の一端1aとの間に位置するアルミワイヤ1の放熱部分1cにて、絶縁部材9を介してアルミワイヤ1と接続している。又、絶縁部材9を介してのアルミワイヤ1との接続が容易に行えるように、外部接続用端子8は、絶縁基板5の厚み方向において半導体素子2の上方を通るように配置され、図示するように、ベース板6とは反対側に位置するケース7の上部に外部接続用端子8の露出部8aを配置している。アルミワイヤ1は、半導体素子2の上方を通る外部接続用端子8に接続容易なように、絶縁基板5の厚み方向において凸状に配線される。又、外部接続用端子8は、アルミワイヤ1に比して線径又は線幅がより大きい導電性線材にてなり、絶縁部材9及びアルミワイヤ1との接続部分では、他の部分に比して上記厚み方向に直交する方向に幅広の形状としてもよい。
The
絶縁部材9と、アルミワイヤ1及び外部接続用端子8との接続方法としては、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、及びポリイミド樹脂などの接着剤を硬化させることで、絶縁部材9を形成して接続する方法が考えられる。
As a method for connecting the insulating
図1Aでは、1本の外部接続用端子8に対して複数本のアルミワイヤ1を接続させた構成を図示している。しかしながら、アルミワイヤ1及び外部接続用端子8は、1つのパワー半導体装置に何本か存在するため、アルミワイヤ1は、特定の外部接続用端子8にのみ接続させるものではない。図1Bに他の接続構造を示すように、アルミワイヤ1と外部接続用端子8との構造に応じて、複数の外部接続用端子8に対してアルミワイヤ1を接続することができる。このとき、一つの半導体素子2に接続されている複数のアルミワイヤ1のそれぞれを絶縁部材9を介して、一つの同じ外部接続用端子8に接続させてもよいし、互いに異なる複数の外部接続用端子8に接続させてもよい。
FIG. 1A shows a configuration in which a plurality of
このように、アルミワイヤ1の一端1aと他端1bとの間の放熱部分1cを、絶縁部材9を介して外部接続用端子8に接続させることで、アルミワイヤ1よりも熱容量の大きい外部接続用端子8は、アルミワイヤ1自身に発生したジュール熱を吸収、放散することが可能となる。
又、図1A及び図1Bに示すように、半導体素子2と外部接続用端子8とを接続するアルミワイヤ1を、このアルミワイヤ8と接続されている外部接続用端子8とは異なる外部接続用端子に絶縁部材9を介して接続することによって、放熱経路を2倍にすることができ、アルミワイヤ1自身に発生したジュール熱をより多く吸収、放散することが可能となる。
In this way, by connecting the
Further, as shown in FIGS. 1A and 1B, the
尚、絶縁性能を高めるために、本実施形態では、ケース7内に、シリコンゲル10を注入して封止する構造を採る。その他のパワー半導体装置の構造としては、装置全体をモールド樹脂で封止するタイプなどもある。よって、本発明は、アルミワイヤ1と半導体素子2がワイヤボンドにより接続されている場合のパワー半導体装置全てを対象としている。
In order to enhance the insulation performance, the present embodiment adopts a structure in which the
以上のように構成されるパワー半導体装置20でも、アルミワイヤ1に電流が流れることで、アルミワイヤ1にはジュール熱が発生する。しかしながら、本実施形態に示す構成を採ることで、ワイヤ1に発生したジュール熱は、アルミワイヤ1の電気的接続箇所に相当する上述の一端1a及び他端1bにおいて半導体素子2等を介して放熱されるが、さらに、一端1a及び他端1b以外の部分であるアルミワイヤ1の放熱部分1cからも直接に外部接続用端子8へ放熱することができる。
Even in the
ここで外部接続用端子8は、アルミワイヤ1よりも大きな電流を扱うために、アルミワイヤ1に比べ大きな熱容量を有しており、さらに、パワー半導体装置20の外部に延在していることから、パワー半導体装置20の他の内部構造部材よりも冷却され易い状態にある。よって、外部接続用端子8は、アルミワイヤ1よりも温度が低い状態になり、アルミワイヤ1の熱を常に吸収、放熱できる状態になっている。
Here, the
従来では上述したように、アルミワイヤ1で発生したジュール熱は、アルミワイヤ1を通じて半導体素子2とアルミワイヤ1との接合部に伝わり、該接合部で発生する熱応力を増加させていた。しかしながら、本実施形態では、上述の冷却効果により、上記接合部へ伝わる熱負荷を減少させ、熱応力を低下させることが可能となる。そのため、パワーサイクルに起因するパワー半導体装置の寿命短縮を防止することができ、パワー半導体装置の長寿命化を図ることができる。
Conventionally, as described above, the Joule heat generated in the
尚、放熱部分1cにおけるアルミワイヤ1と外部接続用端子8との接続は、本実施形態では樹脂製の接着剤によることから、アルミワイヤ1と外部接続用端子8との間は絶縁されており、接続によるショートは防止されている。
In addition, since the connection between the
実施の形態2.
上述の実施の形態1では、放熱部分1cにてアルミワイヤ1を外部接続用端子8に接続させるに当たり、絶縁部材9として作用する接着剤を使用した。しかしながら、絶縁部材9の設け方は、これに限定されない。例えば、アルミワイヤ1及び外部接続用端子8のどちらか一方、もしくは両方に、絶縁性を有する樹脂を予めコーティングしておいてもよい。コーティングする樹脂としては、エポキシ樹脂やポリアミド樹脂及びポリイミド樹脂などがある。
In the above-described first embodiment, the adhesive acting as the insulating
このような構成によれば、アルミワイヤ1と外部接続用端子8とを絶縁した状態にて、アルミワイヤ1に電流が流れたときにアルミワイヤ1に発生するジュール熱を外部接続用端子8へ放熱することができる。これにより、実施の形態1と同様に、アルミワイヤ1と半導体素子2との間に生じる熱応力を低下させ、パワーサイクルに起因するパワー半導体装置の寿命短縮を防止することができ、パワー半導体装置の長寿命化を図ることができる。
According to such a configuration, Joule heat generated in the
実施の形態3.
図2は、本発明の実施の形態3によるパワー半導体装置21における、アルミワイヤ1と外部接続用端子8との接続部分を拡大して図示している。本実施形態のパワー半導体装置21では、上記放熱部分1cに対応して、外部接続用端子8にアルミワイヤ1を押圧する絶縁性を有する弾性部材11を絶縁基板5に立設した構造を有する。絶縁性を有する弾性部材11の材料としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂や耐熱シリコーンゴムなどを用いることが好ましい。その他の構成は、上述した実施の形態1及び実施の形態2の構成に同じである。尚、弾性部材11は、絶縁基板5に形成されている銅配線パターン4上に立設してもよい。
FIG. 2 is an enlarged view of a connection portion between the
実施の形態1では、絶縁部材9と、アルミワイヤ1及び外部接続用端子8とは、化学的な結合により接続する方法を採っているが、本実施形態の構成によれば、弾性部材11を挿入することで発生する圧力により、絶縁部材9を間に挟んだ絶縁状態で、アルミワイヤ1を外部接続用端子8に圧接することができる。即ち、絶縁部材9と、アルミワイヤ1及び外部接続用端子8とは、物理的、機械的に接続される。そのため、絶縁部材9には、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミック材を用いることができる。また、フィラーなどを加えて熱伝導率を高め、成型された樹脂板を予め絶縁部材9として用いることも可能である。
In the first embodiment, the insulating
本実施形態の構成により、上述の実施の形態1、2の場合と同様に、アルミワイヤ1に発生するジュール熱を外部接続用端子8へ放熱することができる。さらに、弾性部材11による押圧作用を増すことで、アルミワイヤ1と外部接続用端子8との間の熱抵抗の減少効果を増すことができるため、更なる放熱効果の向上も期待できる。したがって、本実施形態によっても、実施の形態1、2と同様に、アルミワイヤ1と半導体素子2との間に生じる熱応力を低下させ、パワーサイクルに起因するパワー半導体装置の寿命短縮を防止することができ、パワー半導体装置の長寿命化を図ることができる。
With the configuration of the present embodiment, Joule heat generated in the
但し、弾性部材11の押圧作用により、アルミワイヤ1全体にテンションがかかる状態になると、アルミワイヤ1と半導体素子2の接合部とは別にアルミワイヤ1自体にも負荷がかかることになる。よって、アルミワイヤ1は、適度な余裕を持たせた状態で配線することが望ましい。
However, when the tension is applied to the
実施の形態4.
図3は、本発明の実施の形態4によるパワー半導体装置22における、アルミワイヤ1と外部接続用端子8との接続部分を拡大して図示している。本実施形態では、アルミワイヤ1と外部接続用端子8との接続箇所において、絶縁部材9とアルミワイヤ1との間に、アルミワイヤ1以上の熱伝導率を有する金属材12を、ヒートスプレッダーとしてさらに設けた。その他の構成は、上述した実施の形態1及び実施の形態2の構成に同じである。
尚、本実施形態では、金属材12は、絶縁部材9により接着されている。ここでの絶縁部材9は、外部接続用端子8及び金属材12を接着するため、エポキシ樹脂やポリアミド樹脂及びポリイミド樹脂などの接着剤が好ましい。また、金属材12としては。アルミニウムや銅などによる。さらに金属材12とアルミワイヤ1との接続には、ワイヤボンディングなどが好ましい。
FIG. 3 is an enlarged view of a connection portion between the
In the present embodiment, the
このような構成によれば、ヒートスプレッダーである金属材12による熱の拡散により、アルミワイヤ1の放熱性がさらに高められる。よって、アルミワイヤ1と半導体素子2との間に生じる熱応力を低下させ、パワーサイクルに起因するパワー半導体装置の寿命短縮を防止することができ、パワー半導体装置の長寿命化を図ることができる。
According to such a structure, the heat dissipation of the
実施の形態5.
図4は、本発明の実施の形態5によるパワー半導体装置23における、ケース7の外面7aに配置された外部接続用端子8の露出部8aを拡大して図示している。本実施形態では、露出部8aにヒートシンク13を取り付けた構造を有している。その他の構成は、上述した実施の形態1及び実施の形態2の構成に同じである。
FIG. 4 is an enlarged view of the exposed
このような構成によれば、外部接続用端子8の冷却能力が向上する。よって、ヒートシンク13を設けない構成に比べて、外部接続用端子8をより低い温度にすることができる。その結果、ケース7内で外部接続用端子8と接続されているアルミワイヤ1も冷却され易くなるため、アルミワイヤ1と半導体素子2との間に生じる熱応力を低下させ、パワーサイクルに起因するパワー半導体装置の寿命短縮を防止することができ、パワー半導体装置の長寿命化を図ることができる。
According to such a configuration, the cooling capacity of the
尚、上述した各実施形態を適宜組み合わせた構成を採ることも可能である。 It is also possible to adopt a configuration in which the above-described embodiments are appropriately combined.
1 アルミワイヤ、2 半導体素子、4 銅配線パターン、5 絶縁基板、
6 ベース板、7 ケース、8 外部接続用端子、9 絶縁部材、11 弾性部材、
12 金属材、13 ヒートシンク、20〜23 パワー半導体装置。
1 aluminum wire, 2 semiconductor element, 4 copper wiring pattern, 5 insulating substrate,
6 Base plate, 7 Case, 8 External connection terminal, 9 Insulating member, 11 Elastic member,
12 metal material, 13 heat sink, 20-23 power semiconductor device.
Claims (6)
上記配線用ワイヤと上記外部接続用端子とを絶縁部材を介して接続することを特徴とするパワー半導体装置。 A semiconductor element disposed on the wiring pattern of the insulating substrate; an external connection terminal for connecting to an external device; and a wiring wire for connecting between the semiconductor elements or between the semiconductor element and the wiring pattern. Prepared,
A power semiconductor device, wherein the wiring wire and the external connection terminal are connected via an insulating member.
上記配線用ワイヤと、当該配線用ワイヤが接続される外部接続用端子以外の外部接続用端子とを絶縁部材を介して接続することを特徴とするパワー半導体装置。 A semiconductor element disposed on the wiring pattern of the insulating substrate; an external connection terminal for connecting to an external device; and a wiring wire for connecting between the semiconductor elements or between the semiconductor element and the wiring pattern. Prepared,
A power semiconductor device, wherein the wiring wire and an external connection terminal other than the external connection terminal to which the wiring wire is connected are connected via an insulating member.
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