CN111448668A - 功率半导体装置、模块及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够与焊料无关地防止由热应力引起的损坏的功率半导体装置等。栅极布线AL电极(26)(控制电极)以及发射极AL电极(24)(第一铝电极)设置在IGBT(功率半导体元件)的一个面上，AL电极层(20)(第二铝电极)设置在另一个面上。Ni镀层(25)(Ni层)覆盖发射极AL电极(24)。保护膜(28)(第一保护膜)覆盖栅极布线AL电极(26)(控制电极)。Ni镀层(25)(Ni层)以及发射极AL电极(24)(第一铝电极)与保护膜(28)(第一保护膜)分离。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率半导体装置、模块及制造方法。
背景技术
在电力电子的领域中，为了节能，在产业、铁道、汽车、家电、电梯、家电、医疗等广泛的领域中，引入了逆变器作为电力转换器。通过反相化，例如，在泵中，相对于基于阀的控制，预计消耗电力减少了约25％。另外，在铁道中，能够通过再生在停止时使马达的能量返回架线，能够削减约50％的消耗电力。
在逆变器的普及中，作为关键的功率器件的发展起到了很大的作用。即，随着晶闸管、栅极可关断晶闸管、双极晶体管、绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，以下称为IGBT)这样的发展，功率器件在低损耗化的同时，能够进行高频下的开关，并且，在IGBT中，从到双极晶体管为止的电流控制变为电压控制，提高了CPU的控制性。变得更加难以损坏，初始的逆变器为数kW左右，与此相对，现在已经能够实现数10MW的逆变器。
作为功率器件，有功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)。但是，由于硅的电阻高，特别是在600V以上时，已经使用通过电导率调制而降低导通时的电阻的晶闸管、栅极可关断晶闸管、双极晶体管以及IGBT。对此，近年来，使用了碳化硅(Silicon Carbide，以下称为SiC)的功率器件已经被产品化。SiC的绝缘击穿电压Ec高出1位数，能够使用于确保耐压的芯片的厚度变薄，并且能够提高杂质浓度。因此，开发了在硅的导通电阻大且不实用的耐压600V～6500V的范围内使用SiC的功率MOSFET。
随着功率器件的进步，为了小型化、低成本化，冷却技术也在进步。特别是水冷在散热能力高、必须小型化的电动汽车、混合动力汽车中广泛使用。最初，是用散热润滑脂将浸入水中的冷却片和安装有功率器件的模块之间粘接，并通过螺栓紧固来固定冷却片与模块。接着，开发出将模块的底面作为冷却片的直接冷却方式。在直接冷却方式中，由于没有散热润滑脂，所以具有热阻降低的优点。在模块的上下实施该直接冷却方式的是双面冷却模块。双面冷却的模块与单面冷却相比，能够将热阻减半。
在此，已知有一种能够防止因热变化而产生的应力损坏半导体元件的模制型半导体装置(例如，参照专利文献1)。在专利文献1中，记载有“通过在形成有IGBT的半导体芯片的表面上形成由Al合金构成的第一金属层、由Ni构成的第二金属层、以及由Au构成的第三金属层，来形成发射极，并且在发射极上形成焊料而成的模制型功率器件中，使得焊料的屈服应力至少变得比第一金属层的屈服应力小。”
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2005-19447号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，最近，特别是在汽车中，要求焊料中不含铅(无铅)。广泛使用的无铅焊料的屈服应力大于铝电极的屈服应力。因此，普及的无铅焊料不能直接应用专利文献1所公开的技术，需要开发特殊的无铅焊料。
本发明的目的在于提供一种功率半导体装置等，其能够与焊料无关地防止由热应力引起的损坏。
用于解决问题的技术手段
为了实现上述目的，本发明具备：功率半导体元件；焊料；以及导体，其经由所述焊料与所述功率半导体元件电连接，所述功率半导体元件具有：控制电极及第一铝电极，它们设置在一个面上；第二铝电极，其设置在另一个面上；Ni层，其覆盖所述第一铝电极；以及第一保护膜，其覆盖所述控制电极，所述Ni层及第一铝电极与所述第一保护膜分离。
发明的效果
根据本发明，能够与焊料无关地防止由热应力引起的损坏。上述以外的问题、构成及效果通过以下的实施方式的说明而得以明确。
附图说明
图1是比较例的IGBT的构成图。
图2是本发明的第一实施方式的IGBT的构成图。
图3是表示本发明的第一实施方式的IGBT的制造方法的图。
图4是本发明的第二实施方式的IGBT的构成图。
图5是表示本发明的第二实施方式的IGBT的制造方法的图。
图6A是应用了本发明的IGBT模块的俯视图。
图6B是图6A所示的IGBT模块的剖面图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的第一～第二实施方式的功率半导体装置的构成。另外，在各图中，同一符号表示同一部分。
(比较例)
首先，使用图1说明比较例的功率半导体装置(功率器件)的构成。图1表示作为功率半导体装置的绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，以下称为IGBT)的双面冷却模块的剖面。详细地说，剖面表示栅极(栅极布线)和铝电极(发射极)之间的区域。
IGBT用沟槽栅极结构表示。在IGBT芯片背面设有铝电极以及Ni电极。铜的集电极通过焊料与芯片的Ni电极连接。表面发射极侧与背面同样，设有铝电极以及Ni电极，通过焊料与发射极连接。栅极形成在氧化膜上，作为绝缘膜，被聚酰亚胺覆盖。
在图1中，在铝电极(发射极)上形成的Ni电极与聚酰亚胺接触。但是，当使IGBT动作时，IGBT芯片的温度因自身发热而上下浮动。由于各材料的热膨胀系数不同，因此产生热应力。若反复进行该温度变化(温度循环)，则Ni电极在与聚酰亚胺接触的地方产生热应力的集中点。由于该热应力，在铝电极(发射极)上产生龟裂(铝裂纹)，表面侧焊料从此处进入。随着温度变化次数的增加，焊料的进入距离也变长，最后到达栅极。当焊料到达栅极时,栅极和发射极短路,IGBT能够导通,导致故障。
(第一实施方式)
图2表示本发明的第一实施方式的IGBT。在n-层1的背面(图2的下侧)形成有AL(铝)电极层20，并且在其背面形成有Ni层21。在Ni层21的背面形成焊料22,与集电极100连接。
在基板中，在背面侧设置n层2、p+层3，形成IGBT的集电极层。在n-层1的表面侧形成有槽状的沟槽栅。沟槽栅由形成于沟槽栅表面的栅极氧化膜10和作为填充沟槽的栅极材料的多晶硅11构成。设置有多个沟槽栅，在其间设置有p层4。在p层4中设有n+层6。p层4是沟道层，n+层6是发射极层，其与沟槽栅形成MOS(Metal Oxide Semiconductor)结构。通过该表面侧的MOS结构和背面侧集电极n层2、p+层3形成IGBT。
p+层5是为了通过提高未形成反转层的p层4的杂质浓度，降低电阻率，来防止IGBT的寄生晶闸管动作而设置的。在n-层1表面设置有氧化膜30a、30b。在氧化膜30a上设置有触点31。发射极AL(铝)电极24通过触点31与p+层5以及n+层6接触。在发射极AL电极24上形成有Ni镀层25。在Ni镀层25上设置焊料27,并且与形成在其上的背面电极101连接。
即，功率半导体装置具备IGBT(功率半导体元件)和通过焊料27(焊料)与IGBT电连接的背面电极101(导体)。
在芯片上除了IGBT之外还形成有对栅极施加电压的栅极布线AL电极26。栅极布线AL电极26形成在n-层1基板中形成的p-WELL层7之上的氧化膜30b上。p-WELL层7通过未图示的栅极氧化膜30b的接触孔与发射极24连接。通过将p-WELL层7作为发射极电位，来稳定施加在栅极上的电位。
栅极布线AL电极26被聚酰亚胺等保护膜28覆盖。保护膜28防止用于栅极布线AL电极26的铝被从外部侵入的水分腐蚀。另外，由于焊料27覆盖整个表面，所以也起到使发射极和栅极绝缘的作用。
这样，栅极布线AL电极26(控制电极)以及发射极AL电极24(第一铝电极)设置在IGBT(功率半导体元件)的一个面(图2的上侧面)上，AL电极层20(第二铝电极)设置在另一个面(图2的下侧面)上。Ni镀层25(Ni层)覆盖发射极AL电极24。保护膜28(第一保护膜)覆盖栅极布线AL电极26(控制电极)。
另外，在本实施方式中，AL电极层20与AL电极24相比连接至高电位。即，AL电极层20是相对较高的电位，AL电极24是相对较低的电位。由此，根据供给到栅极布线AL电极26(控制电极)的控制信号，电流从AL电极层20流向AL电极24。
在本发明的实施方式中，在保护膜28和Ni镀层25之间也形成有焊料27。由此，能够避免Ni层与保护膜接触，因此能够排除在Ni层与保护膜的界面产生的热应力集中点，防止铝电极产生龟裂，因此不使用特殊的焊料就能够实现高可靠性的双面冷却模块。
换言之，Ni镀层25(Ni层)以及发射极AL电极24(第一铝电极)与保护膜28(第一保护膜)分离。具体而言，在Ni镀层25(Ni层)和栅极布线AL电极26(控制电极)之间，Ni镀层25隔着焊料27(焊料)与保护膜28(第一保护膜)相对。由此，Ni镀层25和保护膜28的热应力集中点被排除。
图3表示本发明的第一实施方式的IGBT的制造方法。在(S1)中，形成表面AL电极。在(S2)中，在表面AL电极上涂敷光刻胶60，通过使用了图2中未示出的光掩模以及曝光装置的光刻，仅在表面AL电极中成为发射极AL电极24和栅极布线AL电极26的区域残留光刻胶60。在(S3)中，蚀刻表面AL电极，形成发射极AL电极24和栅极布线AL电极26。
在(S4)中，形成保护膜，在(S5)中，通过光刻保护膜，仅在成为栅极布线AL电极26的保护膜28的区域，通过光掩模及曝光装置残留光刻胶61。在(S6)中，蚀刻保护膜，形成保护膜28。在(S7)中，进行镀Ni。此时，通过使用化学镀，Ni镀层25只形成于与电镀液接触的部分，即只形成于发射极AL电极24上。在(S8)中，通过涂敷焊料层或者放置片状的焊料进行回流而形成。
在(S2)及(S5)的光刻工序中，图3中A-A’所示的发射极AL电极24形成用光刻胶的开口部形成得比B-B’所示的保护膜28形成用光刻胶61宽。由此，在保护膜28和Ni镀层25之间形成间隙。然后，在(S8)的形成焊料时，焊料进入该保护膜28和Ni镀层25之间的间隙，能够形成图1所示的本发明的第一实施方式。
如以上说明的那样，根据本实施方式，能够与焊料无关地防止由热应力引起的损坏。
(第二实施方式)
图4表示本发明的第二实施方式的IGBT。栅极布线AL电极26被保护膜28以及树脂等的第二保护膜50覆盖，该第二保护膜50的硬度低于焊料27且高于保护膜28。保护膜50也形成在保护膜28和Ni镀层25之间。
换言之，IGBT(功率半导体元件)具有覆盖保护膜28(第一保护膜)的保护膜50(第二保护膜)。Ni镀层25(Ni层)隔着保护膜50与保护膜28相对。由此，由Ni镀层25和保护膜28引起的热应力集中点被排除。
进而，在本实施方式中，由于硬度比焊料27低的第二保护膜50与保护膜28接触，所以能够降低保护膜端部的应力。由此，即使在产生比第一实施方式大的温度差那样的使用环境下，也能够防止铝电极产生龟裂。
更具体地，第二保护膜50的硬度低于焊料27(焊料)且高于保护膜28(第一保护膜)。由此，第二保护膜50作为对热应力的缓冲层发挥作用。
图5表示本发明的第二实施方式的IGBT的制造方法。从(S1)的形成表面AL电极到(S6)的蚀刻保护膜，与图3中本发明的第一实施方式的制造方法相同。在(S70)中，形成第二保护膜，在(S80)中，通过光刻第二保护膜，仅在成为覆盖保护膜28的第二保护膜50的区域，通过使用了光掩模及曝光装置的光刻残留光刻胶62。在(S90)中，蚀刻第二保护膜，形成覆盖保护膜28的第二保护膜50。通过光刻(S80)以及蚀刻(S90)，能够高精度地形成第二保护膜50。之后，形成Ni镀以后与图3所示的本发明的第一实施方式的制造方法相同。
在(S2)及(S5)的光刻工序中，图5中A-A’所示的发射极AL电极24形成用光刻胶的开口部形成得比B-B’所示的保护膜28形成用光刻胶61宽。进而，在(S80)的第二保护膜光刻中，C-C'所示的第二保护膜50形成用的光刻胶62形成得比B-B'所示的保护膜28形成用的光刻胶61宽。由此，保护膜28被第二保护膜50覆盖。然后，在形成焊料时，焊料进入该第二保护膜50和Ni镀层25之间的间隙，能够形成图4所示的本发明的第二实施方式。
图6A、6B表示应用了本发明的第一或第二实施方式的IGBT模块的实施方式。图6A是俯视图。上下臂由安装在一个封装上的2in1表示。在金属壳体110上设置有多个冷却用的柱状的散热片111。即，IGBT模块(模块)具备收纳功率半导体装置的金属壳体110(壳体)。在金属壳体110的表面及背面设有散热用的散热片。由此,冷却性能提高。
IGBT模块具有输出端子120、高电压侧端子121、低电压侧端子122、上臂发射极辅助端子123a、下臂发射极辅助端子123b、上臂栅极端子124a以及下臂栅极端子124b作为端子。在从金属壳体110取出各端子的取出部设置有树脂等增强材料105。
图6B是图6A所示的俯视图的A-A’剖面图。IGBT芯片200及二极管芯片201的表面侧通过焊料28a及焊料28b与低电压侧端子122连接。低电压侧端子122经由绝缘片130a通过粘接剂150与金属壳体110连接。IGBT芯片200及二极管芯片201的背面侧通过焊料22a及焊料22b与输出端子120连接。输出端子120经由绝缘片130b通过粘接剂150与金属壳体110连接。
另外，IGBT芯片200及二极管芯片201及输出端子120、高电压侧端子121、低电压侧端子122、上臂发射极辅助端子123a、下臂发射极辅助端子123b、上臂栅极端子124a、下臂栅极端子124b由树脂140模制成型。模制后的树脂140通过粘接剂150与金属壳体110连接。在本实施方式中，由于冷却片上下设置，所以与冷却片仅设置在背面的IGBT模块相比，冷却能力高，能够得到更大的电流即大的输出。另外，通过应用本发明，能够提供即使对于更大的温度变化也能够保障可靠性的IGBT模块。
另外，本发明不限于上述实施方式，包括各种变形例。例如，上述实施方式是为了易于理解地说明本发明而进行的详细说明，并不一定限定于具备说明的全部构成。另外，可以将某实施方式的构成的一部分置换为其他实施方式的构成，另外，也可以在某实施方式的构成上增加其他实施方式的构成。另外，对于各实施方式的构成的一部分，可以进行其他构成的追加、删除、置换。
在上述实施方式中，以IGBT进行了说明，但即使是源极及漏极通过焊料接合的功率MOSFET，也能够得到相同的效果。
在上述实施方式中，作为一例将本发明应用于N沟道IGBT，但也可以应用于P沟道IGBT。即，也可以使极性相反。
符号说明
1：n-层
2：n层
3：p+层
4：p层
5：p+层
6：n+层
7：p-WELL层
10：栅极氧化膜
11：多晶硅
20：AL(铝)电极层20
21：Ni层21
22：焊料
24：发射极AL(铝)电极
25：Ni镀层
26：栅极布线AL电极
27：焊料
28：保护膜
30：氧化膜
31：触头
50：第二保护膜
100：集电极
101：背面电极
105：增强材料
120：输出端子
121：高电压侧端子
122：低电压侧端子
123：发射极辅助端子
124：栅极端子
130：绝缘片
140：树脂模制
150：粘接剂。
Claims (9)
1.一种功率半导体装置，其特征在于，具备：
功率半导体元件；
焊料；以及
导体，其经由所述焊料与所述功率半导体元件电连接，
所述功率半导体元件具有：
控制电极以及第一铝电极，它们设置在一个面上；
第二铝电极，其设置在另一个面上；
Ni层，其覆盖所述第一铝电极；以及
第一保护膜，其覆盖所述控制电极，
所述Ni层以及第一铝电极与所述第一保护膜分离。
2.根据权利要求1所述的功率半导体装置，其特征在于，
在所述Ni层和所述控制电极之间，所述Ni层隔着所述焊料与所述第一保护膜相对。
3.根据权利要求1所述的功率半导体装置，其特征在于，
所述功率半导体元件具有覆盖所述第一保护膜的第二保护膜，
所述Ni层隔着所述第二保护膜与所述第一保护膜相对。
4.根据权利要求3所述的功率半导体装置，其特征在于，
所述第二保护膜的硬度比所述焊料低且比所述第一保护膜高。
5.根据权利要求1所述的功率半导体装置，其特征在于，
第二铝电极与第一铝电极相比连接至高电位。
6.一种模块，其特征在于，
包含权利要求1所述的功率半导体装置。
7.根据权利要求6所述的模块，其特征在于，
具备收纳所述功率半导体装置的壳体，
在所述壳体的表面及背面设置有散热用的散热片。
8.一种制造方法，其是权利要求1所述的功率半导体装置的制造方法，所述制造方法的特征在于，
所述Ni层通过化学镀法形成。
9.一种制造方法，其是权利要求3所述的功率半导体装置的制造方法，所述制造方法的特征在于，
所述第二保护膜通过光刻及蚀刻形成。
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