JP2005536050A - Ｓｃｆｍプレフォームの機能的な被覆 - Google Patents

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Abstract

本発明は、半導体材料からなる少なくとも１つの半導体チップ（１１）と、第一および第二の主電極（１２，１３）と、第一および第二の主接続（９１，９２）と、第一の主電極（１２）および第一の主接続（９２）と電気的に接続しているコンタクト・プレート（２）とを備える電力用半導体モジュールに関する。コンタクト・プレート（２）は、半導体材料と共に共融混合物を形成することができるアロイ・パートナーを含み、前記コンタクト・プレート（２）は、第一の主電極（１２）とコンタクト・プレート（２）との間のしっかりした材料結合の形成を妨げる導電性の保護層（３１，３２）で被覆されている。

Description

本発明は、パワーエレクトロニクスの分野に関する。本発明は、請求項１の前提部分に記載の電力用半導体モジュール、特に、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールまたはダイオード・モジュールに関する。
電力用半導体モジュールの場合に、特に、内部にＩＧＢＴ構造またはダイオード構造を有する少なくとも１つの第一の半導体チップを備える電力用半導体モジュールの場合に、しばしば、耐短絡強度が保証されていることが意図されている。この場合、耐短絡強度とは、第一の半導体チップの故障の場合に、電力用半導体モジュールの第一の主接続と、半導体モジュールの第二の主接続の間に、安定的な短絡が形成されるということを意味している。なお、前者の第一の主接続は、第一の半導体チップの第一の主電極と電気的に接続されており、後者の第二の主接続は、第一の半導体チップの第二の主電極に電気的に接続されている。
短絡から結果として生じる短絡モードでは、できる限り低い抵抗およびできる限り大きい電流容量との永続的な電気的接触が、２つの主接続の間に存することが意図される。これは、英語の専門用語で、“short circuit failure mode”、即ちＳＣＦＭと呼ばれている。
EP 989611 A2において公開された欧州特許出願には、各々の半導体チップの第一の主電極と接触している適切なコンタクト・エレメントによって、このような耐短絡強度が如何に達成されるかについて記載されている。コンタクト・エレメントは、導電性の層、例えば、コンタクト・プレート、ディスクまたはフォイルによって形成され、アロイ・パートナーを含まねばならない。ここで、「アロイ・パートナー」とは、半導体チップの半導体材料との間に共融混合物、すなわち、純粋の半導体材料の融点よりも低く、且つ純粋のアロイ・パートナーの融点よりも低い融点を有する化合物または合金を形成することができる元素を意味する。第一の半導体チップの故障の際に、この半導体チップはアロイ・パートナーと共に融けて共融混合物を形成する。第一の主電極と第二の主電極の間に、金属導電チャネルが形成される。
Ｓｉからなる半導体チップのためには、特に、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，ＣｕまたはＭｇあるいはこれらの元素の化合物も、アロイ・パートナーとして適切である。圧力接触型の電力用半導体モジュールの場合、フォイルまたはコンタクト・プレートを、コンタクト・エレメントとして、各々の半導体チップの第一の主電極に設置し、例えばコンタクト・プランジャによって伝達される圧力によって、固定することができることは好都合である。
しかし、このタイプの構成の場合、時間の経過中に第一の主電極とフォイルまたはコンタクト・プレートとの間にしっかりした材料結合が形成され、力の大消費によってのみ解除されることができることによって、問題が生じることがある。このことは、一般的には、第一の主電極の破壊、従ってまた半導体チップの破壊をもたらす。このことは、フォイルまたはコンタクト・プレートが、電力用半導体モジュールの操作中に、加えられた圧力と、温度変化および温度サイクルとに基づいて、第一の主電極と、いわば冷間溶接されることによって引き起こされる。
コンタクト・エレメントと半導体チップとの間の種々の熱膨張係数に基づき、電力用半導体モジュールの操作中に、第一の主電極の強い機械的負荷が生じる。この機械的負荷により、電極金属被覆が時間の経過中に外れることがある。これによって、半導体チップが破壊される。この現象は、不都合な場合には、コンタクト・エレメントの表面と第一の主電極との間の摩擦によってのみ、すなわち、しっかりした材料結合が形成されることなく、生じることさえある。
他の問題は、非気密に封止された電力用半導体モジュールの場合に、実質的にＡｌからなるコンタクト・エレメントと関連して生じる。Ａｌが室温で空気と接触するや否や、Ａｌが数秒以内で数ナノメータの厚さの酸化層を形成することは周知である。この層が絶縁してあり、更に、一般的に、第一の主電極の電極金属被覆よりも硬いので、この層によって、コンタクト・エレメントと第一の主電極の間の接触抵抗が、最悪の場合には、接触抵抗によって発生された熱が電力用半導体モジュールの作動中に電力用半導体モジュールを破壊するほどに酷く、増大される。
従って、本発明の課題は、前の段落で挙げた問題が生じないコンタクト・エレメントを有する少なくとも１つの半導体チップを備えた、耐短絡強度の電力用半導体モジュールを記載することである。
この課題および他の課題は、独立請求項の特徴を有する、明細書導入部に記載のタイプの電力用半導体モジュールによって解決される。本発明の他の好都合な実施の形態は、従属請求項に記載されている。
本発明に係わる電力用半導体モジュールは、コンタクト・エレメントとして、導電性のコンタクト・プレートを有し、このコンタクト・プレートは、半導体チップの第一の主電極および電力用半導体モジュールの第一の主接続に電気的に接続されており、導電性の保護層で被覆されている。
この場合、保護層が以下のように構成されていることは好ましい。すなわち、保護層は、外側の接触面に、
− できる限り不酸化性、好ましくは化学的に僅かな反応性を有し、あるいは、
− 第一の主電極の第一の電極金属被覆と化学的に反応せず、できる限り接触腐蝕も物質拡散も生ぜず、あるいは、
− できる限り低い摩擦係数を有し、あるいは、
− 接触層が損なわれないまたは変形されない温度で堆積されることができ、
あるいは、これらの特性の二つまたはそれより以上の特性の任意の組合せを有する材料を有する。
本発明に係わる電力用半導体モジュールの好ましい実施の形態では、保護層は、積層された構造を有し、外側の接触層を形成する表面層と、ベース層とを備える。この場合、表面層は、前の段落に記載された複数の特性のうちの一つの特性またはこれらの特性の二つまたはそれより以上の特性の任意の組合せを有する材料から形成されている。
本発明の、このおよび他の課題、利点および特徴は、本発明の好ましい実施の形態の、図面に関連した以下の詳細な記述から明らかである。
図面で用いられた参照符号およびその意味は、参照符号リストにまとめられている。基本的には、同一の参照符号は同一の部材を示す。
図１は、本発明に係わる電力用半導体モジュールの横断面を略示する。
第一および第二の主電極を有する半導体チップ１１は、電力用半導体モジュールの第二の主接続を形成する導電性のベースプレート９１と、電力用半導体モジュールの第一の主接続を形成する導電性のカバープレート９２との間に設けられている。第一および第二の主電極は、夫々、第一および第二の電極金属被覆１１および１２を有する。第一の主電極とカバープレート９２との間には、コンタクト・プレート２が設けられており、このコンタクト・プレートは、ベース層３１および表面層３２からなる保護層で被覆されている。モジュールは側壁９３によって封止されているが、この封止は必ずしも気密でなければならないことはない。
この場合、コンタクト・プレート２の第一の厚さが、少なくとも、半導体チップ１１の第二の厚さの半分であることは好ましい。この場合、コンタクト・プレート２を、フォイルから切り出しまたは打ち抜くことによって、得ることができることは好都合である。しかし、数１０分の１ミリから数ミリまでの範囲の第一の厚さを有し、好ましくはほぼ１ミリの第一の厚さを有するもっと厚いコンタクト・プレート２を用いることが、好ましい。この場合、コンタクト・プレート２を、薄板から切り出しまたは打ち抜くことによって、製造することができることは好都合である。
コンタクト・プレート２が実質的にＡｌまたはＡｇからなることは好ましい。これらの材料は、一方では、比較的安価である。更に、半導体材料としてのＳｉの使用の場合には、共融混合物の形成が、ＡｇおよびＡｌからなるコンタクト・プレート２の使用の際に、特に確実になされ、半導体チップ１１の厚さ全体に及ぶことが明らかになった。このことの原因は、特に、ＡｇおよびＡｌがＳｉと中間相を形成しないことに帰せられる。これらの中間相は、或る帯域幅より下の量比、または所定の物理的特性を特徴とする厳密に理論的な量比を有する混合物である。このような中間相は比較的安定であり、拡散プロセスを妨げる。それ故に、半導体チップ１１の中を通って形成される合金化はもはや保証されないことになる。しかし、コンタクト・プレート２を、好都合にも、実質的にＣｕ，ＡｕまたはＭｇから、あるいはＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，ＣｕまたはＭｇのうちの二またはそれ以上の金属の合金から、構成することも可能である。
好ましくは、表面層３２は実質的に貴金属からなり、好ましくは、Ａｇ，Ａｕ，Ｐｄ，ＲｈまたはＲｕからなる。表面層３２は、好ましくは０．１μｍないし５μｍの、好ましくはほぼ０．２μｍの第三の厚さを有する。好ましくは、表面層３２は、実質的に、導電性のナイトライドからなることが可能であり、好ましくは、ＴｉＮ，ＣｒＮまたはＺｒＮあるいはグラファイトからなることが可能である。この場合、第三の厚さは、好ましくは、０．１μｍないし５μｍであり、好ましくは、ほぼ１μｍである。「Ａは実質的にＸからなる」という文言は、ここでは且つ以下において、「Ｘが、物Ａが含むすべての物質Ｘ，Ｙ，Ｚ，．．．のうちの、重量で最大の割合を有する物質である」ことを意味する。この場合、好ましくは、Ｘは少なくとも９０％の重量部を有する。しかし、好ましくは、Ａは純粋なＸからなることもできる。
本発明の好ましい実施の形態では、コンタクト・プレート２は、実質的に、ＡｌまたはＭｇからなり、保護層は、良い被覆材料から、好ましくは、化学的にまたは電気的に析出されたＮｉからなるベース層３１を有する。この場合、ベース層３１の第４の厚さは、好ましくは数μｍであり、好ましくはほぼ１と１５μｍの間、好ましくはほぼ２と３μｍの間である。この場合、ベース層３１によって、コンタクト・プレート２と表面層３２との間のコンタクトの腐蝕が防止される。
本発明の好ましい実施の形態では、表面層３２は、実質的に、Ｒｈ，Ｒｕからまたは導電性のナイトライドから、好ましくはＴｉＮ，ＣｒＮまたはＺｒＮからなる。Ｒｈは、通常の運転温度では、Ａｇからなる第一の電極金属被覆１１との接触において、非常に弱い拡散のみを有し、Ｒｕおよびナイトライドは全然拡散を有しない。第一の電極金属被覆１１とコンタクト・プレート２との間のしっかりした材料結合の形成は、かくして、特に有効に防止される。
コンタクト・プレート２が実質的にＡｌまたはＭｇからなり、表面層３２が実質的にＲｕからなるとき、ベース層３２が幾らか厚いことは好都合であり、ほぼ６μｍと１５μｍの間にあることは好ましい。このことは、ＲｕがＲｕ浴で堆積されるとき、特に重要である。この浴では、典型的には、ほぼ１のｐＨ値が支配的であり、この浴は、従って、化学的に非常に攻撃的である。
更に、Ｎｉからなるベース層３１と表面層３２との間の薄い金の層が設けられていることは好都合である。その目的は、ＮｉとＲｕの間の粘着を改善するためである。この場合、Ａｕの層の第５の厚さが数１０分の１μｍの範囲にあることは好ましく、ほぼ０．２μｍであることは好ましい。
本発明の好ましい実施の形態では、保護層は、好ましくは貴金属から、好ましくは、実質的にはＡｇ，Ａｕ，Ｐｄ，ＲｈまたはＲｕからなる個別の層のみにより構成されている。この場合、好ましくは、保護層の第６の厚さは０．１μｍと５μｍの間である、好ましくは、ほぼ０．２μｍである。表面層３２が、実質的に、導電性のナイトライドからなってもよく、好ましくは、ＴｉＮ，ＣｒＮまたはＺｒＮからあるいはグラファイトからなってもよい。保護層の第６の厚さは、この場合、好ましくは、０．１μｍと５μｍの間であり、好ましくは、ほぼ１μｍである。
本発明に係わる電力用半導体モジュールの横断面を略示する。
符号の説明
１１・・・半導体チップ、
１２・・・第一の主電極の第一の電極金属被覆、
１３・・・第二の主電極の第二の電極金属被覆、
２・・・コンタクト・プレート、
３１・・・ベース層、
３２・・・表面層、
９１・・・ベースプレート、
９２・・・カバープレート、
９３・・・側壁。

Claims (5)

  1. 半導体材料からなり、且つ第一および第二の主電極を有する少なくとも１つの半導体チップ（１１）と、
    第一および第二の主接続（９１，９２）と、
    前記第一の主電極および前記第一の主接続（９２）と電気的に接続しているコンタクト・プレート（２）と、を備え、
    前記コンタクト・プレート（２）は、アロイ・パートナーを含み、このアロイ・パートナーと前記半導体材料との間では共融混合物を形成することが可能であり、
    前記コンタクト・プレート（２）は、導電性の保護層（３１，３２）で被覆されており、
    前記保護層（３１，３２）の外側の接触面は、実質的に、貴金属、導電性のナイトライド、またはグラファイトからなる、電力用半導体モジュールにおいて、
    前記保護層（３１，３２）は、前記コンタクト・プレート（２）に付着されている少なくとも１つの導電性のベース層（３１）と、外側の接触面を形成する導電性の表面層（３２）とを有することを特徴とする電力用半導体モジュール。
  2. 前記保護層（３１）は、実質的にＮｉからなり、好ましくはほぼ１μｍと１５μｍとの間の、好ましくは２μｍと８μｍとの間の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
  3. 前記表面層（３２）は、ほぼ０．１μｍと５μｍの間の厚さを有す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モジュール。
  4. 前記表面層（３２）は実質的にＲｕからなり、
    前記表面層（３２）と前記ベース層（３１）の間には、導電性の中間層が設けられており、この中間層は実質的にＡｕからなり、好ましくは、ほぼ０．２μｍの厚さを有し、
    前記ベース層（３１）は、好ましくは、５μｍと１２μｍの間の厚さを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
  5. 前記半導体チップ（１１）は、その内部にＩＧＢＴ構造またはダイオード構造を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
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