CN109155305B - 功率用半导体装置 - Google Patents

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Abstract

在功率用半导体装置中，将半导体元件(3)的保护膜(33)的厚度尺寸设为小于上侧电极(34)的厚度尺寸，因此，不会因利用金属烧结体(2)进行接合时来自上方的加压而导致按压保护膜(33)，将骑上保护膜(33)的倾斜面(33a)的上侧电极(34)剥离的力不起作用，因此，上侧电极(34)不会产生开裂，保持了半导体元件(3)的稳固性。此外，将利用焊料(6)与半导体元件(3)的上侧电极(34)接合的引线(7)设为对线膨胀系数优化后的铜与殷瓦合金的覆层材料，由此可实现优于现有的引线接合中的铝布线的耐久性。

Description

功率用半导体装置
技术领域
本发明涉及功率用半导体装置，特别涉及用于实现耐久性的提高和低成本化的结构。
背景技术
功率用半导体装置被用于从工业用设备到家电、信息终端的范围较广的设备的主电力的控制，特别在车载用等的输送设备中要求较高的可靠性。作为现有的功率用半导体装置，专利文献1中揭示了如下功率用半导体装置：在绝缘基板的上表面经由焊料接合有功率半导体元件，并且，在绝缘基板的背面经由焊料接合有铝制的散热构件，且功率半导体元件的上侧电极经由接合线与外部端子相连接。
如该专利文献1那样，通过在散热构件与绝缘基板的接合中使用焊料来力图实现接合部的热阻的降低，并通过使用铝制的散热构件，从而得到轻量的功率用半导体装置。另外，在专利文献1中，通过利用铁制的框架材料来嵌合散热构件与绝缘基板的接合部，从而约束铝制的散热构件因热膨胀的延伸。
此外，专利文献2中公开了在半导体元件的背面电极与布线构件的接合中使用了金属烧结体的功率用半导体装置。在该现有示例中，将糊状的接合材料涂布于布线构件的电路面侧，在其上使功率用半导体元件的背面相对配置的状态下通过从上下方进行加压及加热，从而形成由金属烧结体构成的接合层。如该专利文献2那样，通过在半导体元件与布线构件的接合中使用金属烧结体，从而在接合部处不会产生裂纹，高温动作下的接合可靠性得以提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2015-220382号公报
专利文献2：日本专利特开2014-239170号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在线膨胀系数较大的铝制的散热构件与绝缘基板的接合中使用了焊料的情况下，铝与绝缘基板之间的线膨胀系数之差较大，会在早期产生焊料裂纹，妨碍热传导，因此将导致冷却不足。为了防止焊料裂纹，考虑增大绝缘基板的接合面的铜(Cu)图案层的厚度尺寸，来使绝缘基板的线膨胀系数接近铝的线膨胀系数。
另一方面，在增大绝缘基板的铜图案层的厚度尺寸的情况下，将产生如下问题：半导体元件与绝缘基板之间的线膨胀系数之差变大，对半导体元件与绝缘基板进行接合的焊料会在早期产生裂纹。近年来，在使用了作为代替硅(Si)的半导体材料而不断被开发的碳化硅(SiC)的半导体元件的情况下，可进行150℃以上的高温动作，但存在如下问题：为了防止产生焊料裂纹而对高温动作进行限制，无法充分利用碳化硅的优点。
此外，在专利文献1中，为了约束铝制的散热构件因热膨胀的延伸，利用铁制的框架材料来嵌合散热构件与绝缘基板的接合部，但散热构件的接合部分割为多个模块，需要在各模块的外周固定框架材料，存在因部件数量的增加导致材料费上升、制造工序变得复杂化的问题。
另一方面，如专利文献2那样，在利用金属烧结体对半导体元件与绝缘基板进行接合的情况下，可避免接合部的焊料裂纹，但有时会因利用金属烧结体进行接合时的加压导致半导体元件的上侧电极开裂。产生开裂的上侧电极的面内电流分布变得不均匀，电流有可能集中在特定部位，从而导致破坏半导体元件。
此外，专利文献1中，利用引线接合将半导体元件的上侧电极与外部端子相连接，但在流过大电流的半导体元件的情况下，需要连接相当数量的接合线。因此，在搭载多个绝缘基板的大型功率用半导体装置中，存在引线接合工时变多、加工费增大的问题。此外，在即使有1根引线接合失败的情况下，也会导致作为散热构件的冷却器和多个绝缘基板废弃，因此，存在坏品成品增加的问题。
本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于提供一种即使在车载用等的严苛环境下使用也能实现足够耐用的高可靠性、且廉价的功率用半导体装置。
解决技术问题的技术方案
本发明所涉及的功率用半导体装置包括：经由金属烧结体与绝缘基板的一个主面相接合的半导体元件；经由焊料与绝缘基板的另一主面相接合的铝制的冷却器；设置于半导体元件的与绝缘基板的接合面相反侧的面的上侧电极和保护膜；以及经由焊料与上侧电极相接合的引线，保护膜配置成与上侧电极的周缘端部相接，厚度尺寸小于上侧电极，且与上侧电极相接的端部具有相对于半导体元件的面不足90度的倾斜面，上侧电极的周缘端部骑上包含倾斜面的保护膜的端部。
发明效果
根据本发明所涉及的功率用半导体装置，将半导体元件的保护膜的厚度尺寸设为小于上侧电极的厚度尺寸，因此，不会因利用金属烧结体进行接合时来自上方的加压而导致按压保护膜，将骑上保护膜的倾斜面的上侧电极剥离的力不起作用，因此，上侧电极不会产生开裂，保持了半导体元件的稳固性。此外，经由焊料将绝缘基板与铝制的冷却器接合，对绝缘基板的线膨胀系数进行优化以使得与铝之间的线膨胀系数之差变小，由此，可抑制焊料在早期产生裂纹。此外，通过利用金属烧结体来对绝缘基板和半导体元件进行接合，因此，在绝缘基板与半导体元件的接合部不会产生裂纹。综上所述，根据本发明，可得到一种即使在车载用等的严苛环境下使用也能实现足够耐用的高可靠性、且不伴随有部件数量及材料费的增加或制造工序的复杂化的廉价的功率用半导体装置。
关于本发明的上述以外的目的、特征、观点及效果，通过参照附图来进行的以下本发明的详细说明将进一步明确。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1所涉及的功率用半导体装置的结构的剖视图。
图2是表示本发明实施方式1所涉及的功率用半导体装置的绝缘基板的结构的剖视图。
图3是表示本发明实施方式1所涉及的半导体元件的上侧电极的结构的局部剖视图。
图4是表示本发明实施方式1所涉及的功率用半导体装置的安装工序的图。
图5是表示现有的功率用半导体装置中的半导体元件的上侧电极的结构的局部剖视图。
图6是表示现有的功率用半导体装置的安装工序的图。
图7是将对本发明实施方式1所涉及的半导体元件施加了应力时的故障率进行威布尔制图(Weibull plot)得到的图。
图8是表示对本发明实施方式1所涉及的功率用半导体装置中的绝缘基板的层结构和对半导体元件的应力进行仿真后的示例的图。
图9是表示利用仿真对本发明实施方式1所涉及的功率用半导体装置中的绝缘基板的层结构和对半导体元件的应力进行计算得到的结果的图。
图10是表示本发明实施方式1所涉及的功率用半导体装置的引线的结构的剖视图。
图11是表示本发明实施方式1所涉及的半导体元件的动力循环评价的结果的图。
具体实施方式
实施方式1
以下，基于附图说明本发明实施方式1所涉及的功率用半导体装置。图1是表示本实施方式1所涉及的功率用半导体装置即功率转换装置的结构的剖视图，图2是表示本实施方式1所涉及的功率用半导体装置的绝缘基板的结构的剖视图，图3是表示本实施方式1所涉及的半导体元件的上侧电极的结构的局部剖视图。另外，在各图中，对图中相同、相应的部分标注相同标号。
本实施方式1所涉及的功率用半导体装置如图1所示，由绝缘基板1、半导体元件3a、3b(总称为半导体元件3)、铝制的冷却器5、引线7、壳体9及硅凝胶12等构成。绝缘基板1的一个主面1a经由金属烧结体2接合有半导体元件3，另一主面1b经由焊料4接合有冷却器5。如图2所示，绝缘基板1具有与绝缘层13的两面相接合的铜板14，在铜板14的表面形成有铜(Cu)图案层。
在绝缘基板1的主面1a的规定部位经由金属烧结体2接合有半导体元件3的背面电极(省略图示)。作为金属烧结体2，例如使用银(Ag)的烧结体。如图3所示，在半导体元件3的与绝缘基板1的接合面相反侧的面，设置有保护膜33及上侧电极34。上侧电极34经由焊料6接合有作为铜和殷瓦合金(invar)的覆层材料的引线7。引线7通过焊接与固定于壳体9的母线8相接合。
另外，半导体元件3例如为IGBT，通过作为铝布线的电线10连接到与驱动基板(省略图示)相连接的信号引脚11，并输入有信号。壳体9的内部通过硅凝胶12密封至引线7的上侧为止。
使用图3对本实施方式1所涉及的半导体元件3的上侧电极34的结构进行说明。半导体元件3在硅基板31上形成有铝－硅合金层32(以下为AlSi层32)，在该AlSi层32上设置有保护膜33及上侧电极34。关于其制造方法，首先，在形成有AlSi层32的硅基板31上形成保护膜33，并将该保护膜33作为掩模来实施镀镍(Ni)，从而形成上侧电极34。
保护膜33配置成与上侧电极34的周缘端部相接，厚度尺寸比上侧电极34要小。保护模33与上侧电极34相接的端部具有相对于半导体元件3的面不足90度的倾斜面33a，上侧电极34的周缘端部骑上包含倾斜面33a的保护膜33的端部。
使用图4说明通过金属烧结体2将这样构成的具有上侧电极34的半导体元件3与绝缘基板1进行接合的安装工序。此外，作为比较例，在图5中示出了现有的功率用半导体装置中的半导体元件的上侧电极构造，在图6中示出了现有的功率用半导体装置的通过金属烧结体将半导体元件与绝缘基板进行接合的安装工序。在功率用半导体装置的安装工序中，将糊状的接合材料涂布于绝缘基板1的规定部位，在其上使半导体元件3的背面相对配置的状态下进行加压及加热，从而形成金属烧结体2。
在现有的半导体元件30中，如图5所示，也将之前形成的保护膜33作为掩模，通过镀镍来形成上侧电极34，但保护膜33的厚度尺寸形成得比上侧电极34要大。此外，保护膜33与上侧电极34相接的端部成为倾斜面33a，上侧电极34的周缘端部骑上保护膜33的倾斜面33a。
在通过金属烧结体2将这样构成的现有的半导体元件30与绝缘基板1进行接合的安装工序中，如图6中箭头A所示，从半导体元件30的上侧电极34一侧进行加压，因此，厚度尺寸较大的保护膜33按压于加压夹具40，力在将骑上保护膜33的倾斜面33a的上侧电极34从半导体元件30的AlSi层32剥离的方向上起作用(图中箭头B)。由此，有时半导体元件30的上侧电极34会产生裂缝34a。
与此相对，在本实施方式1所涉及的半导体元件3的情况下，如图4中箭头A所示，若从半导体元件3的上侧电极34一侧进行加压，则厚度尺寸大于保护膜33的上侧电极34按压于加压夹具40，不会产生将上侧电极34剥离的力。因此，上侧电极34不会开裂，保持了半导体元件3的稳固性。即，本实施方式1所涉及的半导体元件3的上侧电极构造为适合利用金属烧结体2来进行的接合的结构，其中，利用金属烧结体2来进行接合是为了避免与绝缘基板1之间的接合部中的焊料裂纹。
此外，本实施方式1所涉及的功率用半导体装置包括轻量且线膨胀系数较大的铝制的冷却器5，在绝缘基板1与冷却器5的接合中使用焊料4。在这种情况下，若铝与绝缘基板1之间的线膨胀系数之差较大，则有时焊料4会在早期产生裂纹，因此，需要使绝缘基板1的线膨胀系数接近铝的线膨胀系数。
另外，在绝缘基板1与半导体元件3的接合中使用了焊料的情况下，需要缩小绝缘基板1与半导体元件3之间的线膨胀系数之差来防止焊料裂纹，但若使绝缘基板1的线膨胀系数接近半导体元件3的线膨胀系数，则会产生与铝之间的线膨胀系数之差变大这一矛盾。本实施方式1中，在绝缘基板1与半导体元件3的接合中使用了金属烧结体2，因而不会产生裂纹。因此，优化绝缘基板1的线膨胀系数，以使得与铝之间的线膨胀系数之差变小即可。
如图2所示，本实施方式1所涉及的功率用半导体装置的绝缘基板1具有与作为绝缘层13的氮化硅(SiN)的两面相接合的铜板14，设绝缘层13的厚度尺寸为0.3mm～0.34mm，铜板14的厚度尺寸为0.75mm～0.85mm。
图7是将对本发明实施方式1所涉及的功率用半导体装置的半导体元件施加了应力时的故障率进行威布尔制图(Weibull plot)得到的图。作为半导体元件3，对10个样品测定厚度为120μm的硅基板的抗弯强度，并对各样品达到破坏时产生的应力值进行绘制。例如，在设装载有20个半导体元件3的功率用半导体装置的目标故障率为1ppm的情况下，1ppm÷20个的破坏应力可估计为117Mpa。
另外，在上述绝缘基板1的层结构中、即绝缘层13的厚度尺寸为0.3mm～0.34mm、铜板14的厚度尺寸为0.75mm～0.85mm时，线膨胀系数最接近铝的结构为绝缘层13的厚度尺寸为最小的0.3mm、铜板14的厚度尺寸为最大的0.85mm的组合(图9所示的样品4)。该组合时，绝缘基板1的线膨胀系数最大，因此，施加于半导体元件3的应力为最大。即，若样品4中满足目标应力，则上述绝缘基板1的层结构满足目标应力。
本实施方式1中，利用仿真计算了对半导体元件3施加的应力为117Mpa以下的绝缘基板1的层结构。图8示出了对功率用半导体装置中的绝缘基板的层结构和对半导体元件施加的应力进行仿真的示例，图9示出了由仿真得出的计算结果。在仿真中，在反复-40℃至150℃的温度变化的热冲击试验中，计算施加于冷却器5、绝缘基板1及半导体元件3的应力，作为施加于半导体元件3的应力，以半导体元件3的端部的若干内侧的值为参考。另外，在图8中，方便起见，示出了大致的应力分布，但实际上求出了更详细的应力分布。
将图9所示的样品1、即作为绝缘层13的氮化硅的厚度尺寸0.32mm、铜板14的厚度尺寸0.8mm设为绝缘基板1的标准的层结构。在该标准的层结构中，施加于半导体元件3的应力为90Mpa，足以满足目标应力117Mpa。另外，在氮化硅的厚度尺寸为大于样品1的0.34mm、且铜板14的厚度尺寸为小于样品1的0.75mm的情况下，绝缘基板1的线膨胀系数小于样品1，对半导体元件3的应力变小，因此，很明显满足了目标破坏应力。
在将铜板14的厚度尺寸从样品1的0.8mm增大到1.0mm的样品2中，绝缘基板1的线膨胀系数变得大于样品1，因此，对半导体元件3的应力增大至115Mpa。在该样品2中勉强满足目标应力117Mpa，但从可靠性的观点来看，判断为将铜板的厚度设为1.0mm并非优选。
此外，在将绝缘层13的厚度尺寸从样品1的0.32mm减小到0.25mm的样品3中，绝缘基板1的线膨胀系数变得大于样品1，因此，对半导体元件3的应力增大至110Mpa。在该样品3中也勉强满足目标应力117Mpa，但从可靠性的观点来看，判断为将绝缘层13的厚度设为0.25mm并非优选。
由此，在样品2及样品3中，通过相对于标准的层结构增大铜板14的厚度尺寸或减小绝缘层13的厚度尺寸，从而使绝缘基板1的线膨胀系数变大并接近铝，但对半导体元件3的应力将增加，半导体元件3开裂的概率将增加。
另一方面，在将绝缘层13的厚度尺寸从样品1的0.32mm减小到0.3mm、将铜板14的厚度尺寸从样品1的0.8mm增大到0.85mm的样品4中，对半导体元件3的应力为102Mpa，满足了目标应力117Mpa。
另外，图9中示出了4个样品的计算结果，但对更多的样品进行详细仿真后得到结果很明显，即：作为绝缘基板1的绝缘层13，使用厚度尺寸为0.3mm～0.34mm的氮化硅，作为两侧的铜板14，使用厚度尺寸为0.75mm～0.85mm的铜板，由此可得到满足对半导体元件3的目标应力117Mpa、且与铝之间的线膨胀系数之差较小的绝缘基板1。
接着，使用图10对经由焊料6与半导体元件3的上侧电极34接合的引线7的结构进行说明。在本实施方式1所涉及的功率用半导体装置中，与半导体元件3的上侧电极34接合的引线7是在殷瓦合金72的两侧重叠有铜71且施加压力而接合得到的3层构造的覆层材料，铜、殷瓦合金、铜的厚度尺寸的比率为1：1：1。此外，引线7的线膨胀系数为8ppm/℃～12ppm/℃，进一步优选为9ppm/℃～11ppm/℃。
本实施方式1中，说明将经由焊料6与上侧电极34接合的引线7设为铜71和殷瓦合金72的覆层材料的理由。假设本实施方式1所涉及的功率用半导体装置使用硅凝胶12来作为密封材料。在使用环氧树脂作为密封材料的情况下，可抑制将上侧电极34和仅由铜构成的引线进行接合的焊料6的裂纹。
然而，在使用了铝制的冷却器的功率用半导体装置中，由于铝与绝缘基板1的线膨胀系数存在差异，因此，若在热冲击试验等情况下变成低温，则朝上方弯曲成凸状，力在将环氧树脂从绝缘基板1剥离的方向上起作用。由于该弯曲导致环氧树脂从半导体元件3被剥离，有时会破坏半导体元件3。
因此，在本实施方式1所涉及的功率用半导体装置中，使用即使在低温下也不容易从半导体元件3剥离的硅凝胶12，来防止破坏半导体元件3。然而，在使用硅凝胶12作为密封材料的情况下，将半导体元件3的上侧电极34和引线7相接合的焊料6容易产生裂纹，因此，需要抑制这一情况。
在本实施方式1所涉及的功率用半导体装置中，将引线7设为铜71和殷瓦合金72的覆层材料，并且为了防止破坏半导体元件3而对线膨胀系数进行优化。若减小引线7的线膨胀系数，则与半导体元件3之间的线膨胀系数之差变小，因此，对半导体元件3施加的应力变小，可防止破坏半导体元件3。另一方面，若减小引线7的线膨胀系数，则与焊料6之间的线膨胀系数之差变大，若该差过大，则焊料6会在早期产生裂纹。
在本实施方式1所涉及的半导体元件3中，进行一般情况下实施的动力循环评价以作为焊料的耐久评价，并在图11中示出其结果。图11中，样品A(△)是将本实施方式1所涉及的功率用半导体装置中所采用的引线7、即铜、殷瓦合金、铜的厚度尺寸的比率为1：1：1、线膨胀系数为10ppm/℃的覆层材料通过焊料进行接合而得到的半导体元件。
此外，样品B(□)是本实施方式1的比较例，是将铜、殷瓦合金、铜的厚度尺寸的比率为1：3：1、线膨胀系数为7ppm/℃的覆层材料通过焊料进行接合而得到的半导体元件。此外，样品C(◇)是具有现有的引线接合中的铝布线的半导体元件。
如图11所示，具有现有的铝布线的样品C进行动力循环评价(条件ΔTj＝90℃)的结果是，在80,000cyc下发生了断线。此外，使用了本实施方式1的比较例的覆层材料的样品B进行动力循环评价的结果是，在45,000cyc下焊料6有裂纹产生，得到不如现有的铝布线的结果。
与此相对，使用了本实施方式1所涉及的功率用半导体装置中所采用的覆层材料的样品A得到了寿命延长至300,000cyc的良好的评价结果。此外，对于样品A，作为半导体元件3的有无破坏确认，实施了相当次数的反复-40℃至150℃的温度变化的热冲击试验，但并未确认到半导体元件3的破坏。另外，样品A的线膨胀系数为10ppm/℃，但确认了即使是线膨胀系数为10ppm±2ppm、且铜、殷瓦合金、铜的厚度尺寸的比率为1：1：1的覆层材料，也可得到优于现有例的足够的寿命。
根据上述评价结果可知，通过将与半导体元件3的上侧电极34进行焊接的引线7设为铜71和殷瓦合金72的覆层材料，且铜、殷瓦合金、铜的厚度尺寸的比率为1：1：1、线膨胀系数为8ppm/℃～12ppm/℃，从而半导体元件3不会发生破坏，相比于现有的引线接合中的铝布线，焊料6的耐久性显著提高。
如上所述，根据本实施方式1所涉及的功率用半导体装置，将配置成与半导体元件3的上侧电极34的周缘端部相接的保护膜33的厚度尺寸设为小于上侧电极34的厚度尺寸，因此，不会因利用金属烧结体2进行接合时来自上方的加压而导致按压保护膜33，将骑上保护膜33的倾斜面33a的上侧电极34剥离的力不起作用，因此，上侧电极34不会产生开裂，保持了半导体元件3的稳固性。
此外，经由焊料4将绝缘基板1与铝制的冷却器5接合，对绝缘基板1的线膨胀系数进行优化以使得与铝之间的线膨胀系数之差变小，因此，可抑制焊料4在早期产生裂纹。此外，通过在冷却器5与绝缘基板1的接合中使用焊料4，从而力图实现热阻的降低，通过使用铝制的冷却器5，可得到轻量的功率用半导体装置。此外，利用金属烧结体2将绝缘基板1与半导体元件3相接合，因此，即使绝缘基板1与半导体元件3之间的线膨胀系数之差较大，也不会在接合部产生裂纹。
此外，通过将利用焊料6与半导体元件3的上侧电极34进行接合的引线7设为优化线膨胀系数后的铜71与殷瓦合金72的覆层材料，从而可实现优于现有的引线接合中的铝布线的耐久性，并且，即使在对冷却器5搭载多个绝缘基板1的情况下，也能将引线7与半导体元件3的上侧电极34一并进行焊接，因此，与现有的引线接合工序相比，可力图实现加工费的降低，并抑制坏品成本。
因此，根据本实施方式1，可获得在冷却器5与绝缘基板1的接合部、半导体元件3与绝缘基板1的接合部、以及半导体元件3与引线7的接合部中可得到较高的耐久性，即使在车载用等的严苛环境下使用也能实现足够耐用的高可靠性，并且不伴随有材料费及加工费等的增加的廉价的功率用半导体装置。另外，本发明在其发明范围内可对实施方式进行适当变形、省略。

Claims (6)

1.一种功率用半导体装置，其特征在于，
包括：经由金属烧结体与绝缘基板的一个主面相接合的半导体元件；经由焊料与所述绝缘基板的另一主面相接合的铝制的冷却器；设置于所述半导体元件的与所述绝缘基板的接合面相反侧的面的上侧电极和保护膜；以及经由焊料与所述上侧电极相接合的引线，
所述保护膜配置成与所述上侧电极的周缘端部相接，厚度尺寸小于所述上侧电极，且与所述上侧电极相接的端部具有相对于所述半导体元件的面不足90度的倾斜面，所述上侧电极的所述周缘端部骑上包含所述倾斜面的所述保护膜的所述端部。
2.如权利要求1所述的功率用半导体装置，其特征在于，
所述引线为铜和殷瓦合金的覆层材料。
3.如权利要求2所述的功率用半导体装置，其特征在于，
所述引线的线膨胀系数为8ppm/℃～12ppm/℃。
4.如权利要求2或3所述的功率用半导体装置，其特征在于，
所述引线为铜、殷瓦合金、铜的3层构造，铜、殷瓦合金、铜的厚度尺寸的比率为1：1：1。
5.如权利要求1至4中任一项所述的功率用半导体装置，其特征在于，
所述金属烧结体为银的烧结体。
6.如权利要求1至5中任一项所述的功率用半导体装置，其特征在于，
所述绝缘基板具有与作为绝缘层的氮化硅的两面相接合的铜板，所述绝缘层的厚度尺寸为0.3mm～0.34mm，所述铜板的厚度尺寸为0.75mm～0.85mm。
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