JP2005183568A - 電力用半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 熱応力が負荷される環境で使用しても、短絡が発生しない、信頼性の高い電力用半導体装置を提供する。
【解決手段】 電力用半導体装置が、制御配線と制御配線を挟んで対向配置された外部電極とを表面に備えた半導体素子と、制御配線を覆う絶縁層と、外部電極上に設けられた接続材料と、接続材料に接続された引き出し電極とを含む。引き出し電極5Aは、空隙部11を挟んで絶縁層9Bを覆う。絶縁層と外部電極とを覆う金属膜10Aを含むものであっても良い。
【選択図】図4

Description

本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、半導体素子に接続された引き出し電極を含む電力用半導体装置に関する。
電力用半導体装置を構成するパワー半導体素子の引き出し電極は、半導体素子から電気信号を外部に取り出すために必要不可欠である。例えば、引き出し電極として板状部材を準備し、かかる板状部材を半導体素子の表面の電極に接合して、電気信号を外部に取り出す構造が提案されている。
板状部材を半導体素子の電極に接合するためには、板状部材と電極とをはんだで接合するとともに、電極以外の絶縁層で覆われた部分にも、はんだに対する濡れ性の良い金属を設け、その上に板状部材をはんだで接合する(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−114445号公報
しかしながら、パワー半導体素子からの放熱等の温度サイクルにより接合部に熱応力が発生し、絶縁層に破壊を生じ、電気的な短絡が発生するという問題があった。
そこでかかる短絡について研究を重ねた結果、絶縁層の破壊により、絶縁層に覆われた制御配線と、絶縁層上の板状部材とが電気的に短絡することが問題であることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明は、熱応力が負荷される環境で使用しても、短絡が発生しない、信頼性の高い電力用半導体装置の提供を目的とする。
本発明は、制御配線と制御配線を挟んで対向配置された外部電極とを表面に備えた半導体素子と、制御配線を覆う絶縁層と、外部電極上に設けられた接続材料と、接続材料に接続された引き出し電極とを含み、引き出し電極が、空隙部を挟んで絶縁層を覆うことを特徴とする電力用半導体装置である。また、絶縁層と外部電極とを覆う金属膜を含むものであっても良い。
以上のように、本発明にかかる電力用半導体装置では、温度サイクルが負荷された場合の熱応力による破壊が防止でき、信頼線の高い電力用半導体装置が提供できる。
実施の形態1.
図1は、全体が100で表される、本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置の断面図であり、図2は、電力用半導体装置100のIGBT2近傍の斜視図である。
電力用半導体装置100はブロック1を含む。ブロック1は、例えば、厚さ3mmの銅からなる。ブロック1の上には、IGBT2とダイオード3とが、はんだ4Aにより固定されている。IGBT2は、例えば、厚さ0.4mm、縦横がそれぞれ15mmであり、ダイオード3は、例えば、厚さ0.3mm、縦11mm×横17mmである。また、はんだ4Aには、例えば、厚さ0.15mmのSn−Ag−Cu系はんだが用いられる。
ブロック1は、IGBT2およびダイオード3からの放熱手段と、両素子の裏面側配線の双方を兼ねる。
IGBT2とダイオード3には、例えば厚さ0.2mmの銅からなるリードが、接続材料であるはんだ4Bで接続されている。具体的には、リード5が、引き出し電極部5Aを含み、引き出し電極部5Aと、IGBT2の電極およびダイオード3の電極が、それぞれ電気的に接続されている。はんだ4Bには、例えば、厚さ0.2mmのSn−Ag−Cu系はんだが用いられる。
ブロック1は電極端子6Bに、リード5は電極端子6Aに、それぞれ固着されており、装置の外部と電流の入出力を行う。IGBT2のゲート電極(図示せず)と電極端子6Cとは、例えばアルミニウムのボンディングワイヤ7を用いて接続されている。更に、IGBT2等はトランスファーモールドにより、樹脂筐体8中に封止されている。
図3は、IGBT2の表面の電極形状を示したものである。IGBT2の表面には、制御電極であるゲート電極9と、内部にトランジスタ構造を有した外部電極であるエミッタ電極10とが設けられている。ゲート電極9には、エミッタ電極10を分割するように配置された、複数の制御配線であるゲート配線9Aが接続されている。
図3では、エミッタ電極10がゲート配線9Aを挟んで対向配置されているが、対向配置された2つのエミッタ電極10は連結されていても良い。即ち、本願発明は、2つのエミッタ電極10が互いに連結しているか否かに関わらず、ゲート配線9Aが2つのエミッタ電極10間を分割するように配置された構造に適用される。
図4は、図2の電力用半導体装置100のIGBT2近傍を、II−II方向に見た場合の部分断面図である。シリコン等の半導体基板2Aの上には、エミッタ電極10が、ゲート配線9Aを挟んで対向配置されている。ゲート配線9Aは厚さが4μmであり、ガラス系材料等からなる厚さ1μmの絶縁層9Bで覆われ、また周囲にある厚さ4μmのエミッタ電極10等とは絶縁されている。ゲート配線9Aとエミッタ電極10とは間隔は、約5μmである。
エミッタ電極10の表面には、はんだ4Bが濡れるように、下から順にAl/Mo/Ni/Auの積層構造からなる金属層10Aが真空蒸着により形成されている。金属膜10Aは、はんだ接合時に最表面のAuがはんだ中に溶解し、NiとはんだのSnが合金化する。
一方、絶縁層9Bははんだ4Bと濡れを生じないため、絶縁層9Bに上には空隙11が形成される。
なお、ここでは図示しないが、ダイオード3の表面にも同様に、はんだ4Bが濡れるように金属層が形成されている。
ここで、はんだ4Bについては、はんだ付けにはフラックスを使わないことが望ましい。即ち、フラックスを用いてはんだ付けを行なうと、空隙11となるべき部分にフラックスが残る。通常、これらのフラックスは、溶剤などを用いて洗浄工程で除去されるが、本実施の形態のように、0.1mm以下の厚さの空隙11には溶剤が浸透せず、フラックスが残る。この結果、絶縁層9Bやエミッタ電極10がフラックスにより腐食され、素子不良等の原因となるからである。
なお、はんだ4Bの膜厚を薄くした場合や、引き出し電極5Aの空隙に対応する部分に高分子材料等のはんだに対してぬれを生じない材料でコーティングした場合には、空隙11の上部にははんだ4Bが存在せず、空隙11が直接引き出し電極部5Aに接するようになる。
このように、本実施の形態にかかる電力用半導体装置100では、ゲート配線9Aを覆う絶縁層9B上に空隙11が設けられている。このため、エミッタ電極10と接合されたはんだ4Bは、絶縁層9Bとは接続されない。従って、IGBT2からの放熱等による温度サイクルに晒された場合でも、IGBT2の主材料であるシリコンとリード5の成分である銅との熱膨張率差に起因する熱応力が絶縁層9Bに付加されることがなく、絶縁層9Bの破損が防止できる。特に、シリコンとの熱膨張率差の大きい銅やアルミニウムをリード材料に使用した場合でも同様である。この結果、従来の電力用半導体装置で発生していた、熱応力による破損が防止でき、信頼性の高い電力用半導体装置とすることができる。
図5は、空隙あり、空隙なしのサンプルに対して温度サイクル試験(−40℃から125℃まで)を行なった場合の、破壊に至るまでのサイクル数である。
試験に用いたサンプルの断面形状は、図4とほぼ同様であり、半導体チップに対して、リード5として厚さ0.2mmの銅板をはんだで接合したものを用いる。空隙11を有するサンプル(空隙あり)は、図4の構造と同様にゲート配線9Aを覆うように絶縁層9Bを形成することにより作製する。一方、空隙を有しないサンプルは、絶縁層9Bの上にもはんだの濡れる金属膜を形成することにより作製する。
図5に示すように、絶縁層9Bにはんだ材が接触した場合(空隙なし)、約1000サイクルで破壊が発生するのに対して、絶縁層9Bにはんだ材が接触しない場合(空隙あり)、5000サイクルまで試験したが破損は生じなかった。
図5の結果から、空隙11を設けた本実施の形態にかかる構造では、温度サイクルによる破損が発生せず、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができることがわかる。
また、絶縁層の剛性を下げても充分な絶縁を得ることが可能となるので、絶縁層の厚さを1μm以下に薄くでき、電力用半導体装置の製造コストを低減できる。
図6は、全体が110で表される、本実施の形態にかかる他の電力用半導体装置の断面図である。図6中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。電力用半導体装置110では、トランスファモールド型ではなく、ゲル封止タイプのケース型となっている。即ち、IGBT2を搭載した絶縁基板16は樹脂ケース14により囲まれ、その中にシリコンゲル15が充填されている。
かかる電力用半導体装置110においても、図4の構造を用いて、ゲート配線9Aの上部に空隙11を設けることができる。これにより、熱応力による破壊を防止でき、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
なお、リード5の材料として、電気伝導率の高い銅を用いる場合について説明したが、アルミニウム、コバールや42Alloyなど鉄系の配線材料にはんだの濡れる処理を施した材料等を使用しても構わない。
また、IGBT2に代えて、MOSFETなどの素子を用いても構わない。
また、はんだ材として、Sn−Ag系のはんだを用いる場合について説明したが、Au−Si系、Sn−Pb系など、他のはんだ材料を用いても構わない。
はんだの濡れる金属膜として、Al/Mo/Ni/Auの積層構造を用いたが、かかる積層構造の作製には、マスクパターンを用いた蒸着や、レジストマスクを用いた無電解メッキ等の方法を用いることができる。また、金属膜には、Al/Ti/Ni/AuやAl/Ni/Auなどの他の積層構造や、Ni、Ag、Au、Pd、Cu等、はんだが濡れを生じる他の金属を用いても構わない。
絶縁層9Bには、ガラス系材料のほか、ポリイミドなど高分子材料や酸化シリコン、窒化シリコン等を用いることもできる。
なお、これらの材料は、以下で述べる他の実施の形態にかかる電力用半導体装置にも適用できる。
実施の形態2.
図7は、全体が200で表された、本実施の形態2にかかる電力用半導体装置の部分断面図である。図7中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
電力用半導体装置200では、絶縁層9B、エミッタ電極10を覆うように、例えば、厚さ4μmのアルミニウムからなる金属層12が形成されている。金属層12は、例えば蒸着法により形成され、エミッタ電極10と電気的に接続されている。
更に、エミッタ電極10の上方の金属層12の表面には、はんだの濡れる金属膜12Aが形成されている。
金属膜12Aの上には、フラックスを用いない方法により、例えばSn−Ag−Cu系のはんだ4Bを用いて引き出し電極部5Aが接合されている。これにより、はんだの濡れる金属膜12Aの無い金属膜12上には、空隙11が形成される。
かかる構造では、分割されたエミッタ電極10を金属層12で連結することにより、例えば空隙11が大きい場合でも、それぞれのエミッタ電極10間の電流経路が金属層12により確保される。このため、IGBT2からの電流引き出し効率を向上させることができる。
電力用半導体装置200では、IGBT2と引き出し電極5Aとの熱膨張率差に起因した熱応力が、エミッタ電極10上にある金属層12とはんだ4Bに対して負荷される。ここで、金属層12では、ゲート配線9Aとエミッタ電極10との間に存在する段差によって応力が緩和されるため、ゲート配線9A上の金属層12はせん断変形を受けない。従って、ゲート配線9Aおよびその周囲の絶縁層9も変形を受けず、破壊されることも無い。この結果、ゲート配線9Aとエミッタ電極10の短絡による不良発生を抑制でき、信頼性の高い電力用半導体装置200を提供できる。
また、例え、温度サイクルによる熱応力によりはんだ4Bにクラックが進展し、金属膜12Aとの接合面積が減少しても、金属層12が連続していることにより、接合面積の減少に対して金属層12が電流のバイパスとなり、電気抵抗の増加を防止できる。
同様に、金属膜12Aを形成する領域を減少させても、その抵抗増加に与える影響が小さいことから、引き出し電極5Aの搭載位置精度、金属膜12Aの成膜位置精度を下げても、電力用半導体装置の特性は低下しない。このため、電力用半導体装置の製造工程が簡略化でき、製造コストの低減が可能となる。
実施の形態3.
図8は、全体が300で表される、本発明の実施の形態3にかかる電力用半導体装置のIGBT2近傍の斜視図である。また、図9は、図8の電力用半導体装置300の、VIII−VIII方向の断面図である。図8、9において、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
図8に示すように、電力用半導体装置300では、リード5の引き出し電極部5Aが、短冊状に分割された形状となっている。短冊形状の引き出し電極部5Aは、例えば、リード5のプレス打ち抜き、エッチング等により作製される。また、引き出し電極5Aの間に空隙13が形成される。
短冊の幅、短冊間の間隔は、特に限定しないが、成形性の観点からリード5の板厚と同程度以上であることが好ましい。
また、短冊状の引き出し電極部5Aを配置する位置は特に特定しないが、引き出し電極部5Aがゲート配線9Aの上方に位置する場合、エミッタ電極10の上方に位置する場合について、それぞれ以下の実施の形態4、5で説明する。
本実施の形態にかかる電力用半導体装置300では、引き出し電極5Aが短冊状に分割されているため、引き出し電極5Aが膨張した場合の熱応力を、一体型の引き出し電極5Aに比べて小さくできる。また、ゲート配線9A、絶縁層9Bに対する熱応力だけでなく、エミッタ電極10に対する熱応力も低減できる。また、はんだ4Bへの熱応力も低減されるため、はんだ4Bに発生するクラックも抑制できる。この結果、信頼性の高い電力用半導体装置300を得ることができる。
なお、ダイオード2に接続される引き出し電極部5Aは、ゲート配線9Aを有しないため、短冊状に分割しなくても良いが、熱応力の低減のためには、短冊状に分割された形状とすることが好ましい。
実施の形態4.
図10は、全体が400で表される、本発明の実施の形態4にかかる電力用半導体装置の部分断面図である。図10中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
本実施の形態にかかる電力用半導体装置400では、実施の形態3と同様に、引き出し電極5Aが短冊状に分割されるとともに、引き出し電極5Aが、ゲート配線9Aの上方に位置するように配置されている。ゲート配線9Aの上方には、金属層12とはんだ4Bとが接触しないように、空隙11が設けられている。
かかる電力用半導体装置400では、金属層12上に空隙11を設けることにより、後述するようなポリイミドなどの高分子材料をコーティングすることなく、熱応力による絶縁層9Bの破損を防止できる。かかる空隙11の形成は製造工程の増加を伴わず、製造コストを増加させることなく信頼性の高い電力用半導体装置400を得ることができる。
実施の形態5.
図11は、全体が500で表される、本発明の実施の形態5にかかる電力用半導体装置の部分断面図である。図11中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
図11に示すように、本実施の形態にかかる電力用半導体装置500では、ゲート配線9Aの上方にははんだ4Bおよび引き出し電極5Aが無く、空隙13が形成されている。
例えば、図6に示すようなゲル封止タイプの半導体装置とした場合、空隙13にはシリコンゲルが充填され、緩和層(図示せず)が形成される。しかしながら、シリコンゲルは弾性係数が小さく、また、金属層12との密着力も、はんだ4Bが濡れた場合の密着力と比べると小さい。このため、絶縁層9Bを破壊するほど大きな熱応力は発生せず、絶縁層9Bの破壊は発生しない。なお、シリコンゲルは、液状のシリコン材料を空隙13に流し込んだ後、150℃で約1時間加熱してゲル化し形成する。
一方、図1に示すような樹脂封止型の半導体装置とした場合、空隙13にはエポキシ樹脂等の樹脂が充填され、緩和層(図示せず)が形成される。空隙13にエポキシ樹脂を充填するには、例えば、各部材を組み合わせた状態で金型内に配置し、金型内にゲル状のエポキシ樹脂を120kg/cmの圧力で注入し、180℃程度で加熱硬化すればよい。
絶縁層9Bとシリコンゲルやエポキシ樹脂等の樹脂との間に、例えば4〜10μm程度のポリイミド膜等の緩衝層(図示せず)を介在させることにより、空隙13に充填される樹脂等の弾性率を上げることができる。緩衝層は、例えば、絶縁層9Bを形成した状態で、ポリアミック酸をスピンコートし、加熱して形成したポリイミド膜とする。かかる構造では、熱応力による変形はポリイミド層により緩和され、絶縁層9Bの破損を防止できる。
このように、電力用半導体装置500では、上述の電力用半導体装置300、400と同様に、熱応力による絶縁層9Bの破壊を防止し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
また、引き出し電極5Aが一面に配置された場合(図2)と同様に、それぞれのエミッタ電極10から、短冊状の引き出し電極5Aの幅に向って、均等な電流を引き出すことが可能となる。このため、電力用半導体装置を効率的に動作させることが可能となる。
更に、空隙13を形成する構造では、フラックスを用いたはんだ付けを行なっても、フラックスを容易に洗浄できる。このため、フラックスを用いたはんだ付けによる大量処理が可能となる。
実施の形態6.
図12は、本発明の実施の形態6にかかる電力用半導体装置の、IGBT2近傍の斜視図である。図12から明らかなように、本実施の形態では、上述のように引き出し電極部5Aが短冊状に分割されているとともに、その先端部分に、それぞれの短冊状の部分を接続する連結部5Bが設けられている。
引き出し電極5Aからの電流の引き出しは1方向であるが、それぞれの短冊部分に流れる電流がばらつく場合がある。かかる場合、IGBT2からの電流の引き出しが均一にならず、局所的に温度が上昇することがある。これは金属層12によって軽減されるものの、金属層12の厚さが小さいため、電流のばらつきが大きい場合には均一化の効果が小さくなる。
そこで、図12のように、短冊状の引き出し電極部5Aの先端を連結部5Bで連結することにより、短冊部分の電流ばらつきを均一化し、IGBT2の局所的な温度上昇を抑制することができる。
また、かかる構造とすることで、引き出し電極部5Aが変形しにくくなり、引き出し電極部5Aのはんだ付け精度を向上させ、信頼性の高い電力用半導体装置を容易に作製できる。
本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態1にかかるIGBTの斜視図である。 本発明の実施の形態1にかかるIGBTの表面図である。 本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置の部分断面図である。 半導体チップの破壊に至るまでのサイクル数である。 本発明の実施の形態1にかかる他の電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態3にかかるIGBTの斜視図である。 本発明の実施の形態3にかかる電力用半導体装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態4にかかる電力用半導体装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態5にかかる電力用半導体装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態6にかかるIGBTの斜視図である。
符号の説明
1 ブロック、2 IGBT、2A 半導体基体、3 ダイオード、4A、4B はんだ、5 リード、5A 引き出し電極部、5B 連結部、6A、6B、6C 電極端子、7 ボンディングワイヤ、8 樹脂筐体、9 ゲート電極、9A ゲート配線、9B 絶縁層、10 エミッタ電極、11 空隙、12 金属層、10A、12A 金属膜、13 空隙、14 樹脂ケース、15 シリコンゲル、16 絶縁基板。

Claims (10)

  1. 制御配線と該制御配線を挟んで対向配置された外部電極とを表面に備えた半導体素子と、
    該制御配線を覆う絶縁層と、
    該外部電極上に設けられた接続材料と、
    該接続材料に接続された引き出し電極とを含み、
    該引き出し電極が、空隙部を挟んで該絶縁層を覆うことを特徴とする電力用半導体装置。
  2. 制御配線と該制御配線を挟んで対向配置された外部電極とを表面に備えた半導体素子と、
    該制御配線を覆う絶縁層と、
    該絶縁層と該外部電極とを覆う金属膜と、
    該金属膜上に設けられた接続材料と、
    該接続材料に接続された引き出し電極とを含み、
    該引き出し電極が、空隙部を挟んで該絶縁層上の該金属膜を覆うことを特徴とする電力用半導体装置。
  3. 上記引き出し電極が、短冊状に分割され略平行に配置された櫛歯状電極からなることを特徴とする請求項1または2に記載の電力用半導体装置。
  4. 制御配線と該制御配線を挟んで対向配置された外部電極とを表面に備えた半導体素子と、
    該制御配線を覆う絶縁層と、
    該外部電極上に設けられた接続材料と、
    該接続材料に接続され、短冊状に分割され略平行に配置された櫛歯状の引き出し電極とを含み、
    該引き出し電極が該外部電極の上方に設けられ、該制御配線の上方には空隙部が残されたことを特徴とする電力用半導体装置。
  5. 制御配線と該制御配線を挟んで対向配置された外部電極とを表面に備えた半導体素子と、
    該制御配線を覆う絶縁層と、
    該絶縁層と該外部電極とを覆う金属膜と、
    該金属膜上に設けられた接続材料と、
    該接続材料に接続され、短冊状に分割され略平行に配置された櫛歯状の引き出し電極とを含み、
    該引き出し電極が該外部電極の上方に設けられ、該制御配線の上方には空隙部が残されたことを特徴とする電力用半導体装置。
  6. 制御配線と該制御配線を挟んで対向配置された外部電極とを表面に備えた半導体素子と、
    該制御配線を覆う絶縁層と、
    該外部電極上に設けられた接続材料と、
    該接続材料に接続され、短冊状に分割され略平行に配置された櫛歯状の引き出し電極とを含み、
    該引き出し電極が該外部電極の上方に設けられ、該制御配線の上方には緩和層が充填されたことを特徴とする電力用半導体装置。
  7. 制御配線と該制御配線を挟んで対向配置された外部電極とを表面に備えた半導体素子と、
    該制御配線を覆う絶縁層と、
    該絶縁層と該外部電極とを覆う金属膜と、
    該金属膜上に設けられた接続材料と、
    該接続材料に接続され、短冊状に分割され略平行に配置された櫛歯状の引き出し電極とを含み、
    該引き出し電極が該外部電極の上方に設けられ、該制御配線の上方には緩和層が充填されたことを特徴とする電力用半導体装置。
  8. 上記緩和層が、シリコンゲルおよびエポキシ樹脂から選択される材料からなることを特徴とする請求項6または7に記載の電力用半導体装置。
  9. 上記接続材料が、Sn−Ag系はんだ、Au−Si系はんだ、及びSn−Pb系はんだから選択される一のはんだからなることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の電力用半導体装置。
  10. 更に、上記櫛歯状の引き出し電極の端部に、該引き出し電極を連結する連結部が設けられたことを特徴とする請求項3〜8のいずれかに記載の電力用半導体装置。
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