JP2007201247A - High withstand voltage semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高い短絡耐量を有する高耐圧半導体装置に関する。 The present invention relates to a high voltage semiconductor device having a high short-circuit tolerance.
モータのインバータ制御などに用いられる高耐圧半導体装置として、例えばPN電極間の主耐圧が600Vから1200V程度であるものが一般に普及している。前記高耐圧半導体装置は、IGBTやダイオードなどのパワーチップを搭載している。そして、前記高耐圧半導体装置は、パワーチップの表面の電極と裏面の電極との間で、数100〜数1000Vの電圧を遮断・通電してスイッチング動作を行い、モータの駆動電圧を作り出す。このようなパワーチップには、前記のパワーチップ表面・裏面間の数100V以上の電圧を遮断し得る性能が必要である。 As a high breakdown voltage semiconductor device used for motor inverter control or the like, for example, a device having a main breakdown voltage between PN electrodes of about 600V to 1200V is widely used. The high breakdown voltage semiconductor device includes a power chip such as an IGBT or a diode. The high withstand voltage semiconductor device performs a switching operation by cutting off and energizing a voltage of several hundreds to several thousand volts between the electrode on the front surface and the electrode on the rear surface of the power chip, thereby generating a driving voltage for the motor. Such a power chip needs to be capable of blocking a voltage of several hundred volts or more between the front and back surfaces of the power chip.
上記のようなパワーチップを搭載する高耐圧半導体装置では、パワーチップの平面部(表面部)と外周部とで異なる電界状態になるため、高耐圧半導体装置にはパワーチップの表面電極の外縁部にガードリングを作り込んで前記電界を緩和し、これにより耐電圧特性を確保しているものもある。 In a high voltage semiconductor device mounted with a power chip as described above, since the electric field state is different between the planar portion (surface portion) and the outer peripheral portion of the power chip, the high voltage semiconductor device has an outer edge portion of the surface electrode of the power chip. In some cases, a guard ring is built in to relax the electric field, thereby ensuring a withstand voltage characteristic.
前記高耐圧半導体装置のパワーチップは、裏面全面を電極板や電極パターンに半田付けして用いられる。その表面電極では、太さ数100μmのアルミ線を超音波ワイヤボンディングで接合して配線を取る形態が多く用いられている。ところが、ワイヤボンディングを利用するとパワーチップ表面の局所部分に電流が集中してしまうということが、問題点としてあげられている。つまり、ワイヤボンディングの利用によって、ワイヤの直下部位に高温部が生じてその部位の熱ストレスが多くなったり、パワーチップの表面メタライズ層の抵抗の影響でパワーチップの全面に分配される電流に偏りが生じたりして、電流分布を生じてしまうということである。更に、上下アームが同時にオンになるいわゆる短絡時には速やかにパワーチップをオフ状態にしなければ熱破壊(即ち、短絡破壊)を発生してしまうが、ワイヤボンディングを利用するパワーチップの場合、上述の如く電流集中が大きいため短絡破壊しやすいという問題点もある。 The power chip of the high voltage semiconductor device is used by soldering the entire back surface to an electrode plate or an electrode pattern. As the surface electrode, a form in which an aluminum wire having a thickness of several hundreds μm is joined by ultrasonic wire bonding and wiring is often used. However, when wire bonding is used, current is concentrated on a local portion of the power chip surface. In other words, the use of wire bonding creates a high-temperature part directly under the wire, which increases the thermal stress at that part, or biases the current distributed over the entire surface of the power chip due to the resistance of the surface metallization layer of the power chip. Or the like, resulting in a current distribution. Further, if the power chip is not quickly turned off during the so-called short circuit in which the upper and lower arms are simultaneously turned on, thermal destruction (that is, short circuit destruction) occurs. However, in the case of a power chip using wire bonding, as described above. There is also a problem that short circuit breakdown is likely due to large current concentration.
ここでの短絡破壊は、局所的な温度が或る閾値を超え半導体の当該部位が高温により導体になってしまう状態を指す。パワーチップを搭載する高耐圧半導体装置における上記の温度の閾値は、一般的に380℃であると言われている。 The short-circuit breakdown here refers to a state in which the local temperature exceeds a certain threshold value and the part of the semiconductor becomes a conductor due to a high temperature. It is said that the above-mentioned temperature threshold in a high voltage semiconductor device with a power chip mounted is generally 380 ° C.
上記のワイヤボンディング利用技術の問題点の解決策の一つとして、パワーチップ表面にAuなどの金属層を例えば蒸着によりコーティングし電極板を半田付けする構造の半導体装置が特許文献1に開示されている。しかしながら、特許文献1に開示される半導体装置では、ガードリング部分を避けて金属板を半田接合しているため、能動領域の外縁部に半田接合されない部分が生じており、当該部分で短絡破壊が発生する可能性が高い。 As one of the solutions to the problems of the above-described wire bonding utilization technique, Patent Document 1 discloses a semiconductor device having a structure in which a metal layer such as Au is coated on the surface of a power chip by, for example, vapor deposition and an electrode plate is soldered. Yes. However, in the semiconductor device disclosed in Patent Document 1, since the metal plate is soldered to avoid the guard ring portion, a portion that is not soldered to the outer edge portion of the active region occurs, and short-circuit breakdown occurs in the portion. It is likely to occur.
なお、特許文献2は、ソルダー流れによるチップ表面のクラック発生を防止し、製品の熱ストレス等に対する信頼性を向上させる半導体装置に関する発明を開示する。また、特許文献3は、ガードリングにより半導体能動領域を囲むプレーナーターミネーション構造を有する半導体装置に関する発明を開示する。更に、特許文献4は、主電極をポスト電極によって圧接する際に、このポスト電極が制御電極に関連する回路部分に短絡接続されないように構成した圧接型高耐圧半導体装置に関する発明を開示し、該圧接型高耐圧半導体装置は、半導体能動領域を囲む1本以上のガードリングを含むものである。
本発明は、パワーチップ表面の局所的な温度上昇を抑制し、短絡耐量の高い高耐圧半導体装置を作成することを目的とする。 It is an object of the present invention to produce a high voltage semiconductor device having a high short circuit resistance by suppressing a local temperature rise on the surface of a power chip.
本発明は、上記の目的を達成するために為されたものである。本発明に係る高耐圧半導体装置は、
能動領域と上記能動領域の周りを囲んで設けられるガードリング部とを含むパワーチップで構成され、
パワーチップの裏面は第1の半田を介して第1の電極と接合し、パワーチップの表面は金属層及び第2の半田を介して金属板電極と接合し、
上記第1の電極の表面、上記パワーチップ及び上記金属板電極の周囲が封止材により封止されている半導体装置であって、
上記能動領域の外周縁及び上記ガードリング部を覆って絶縁層が配置され、
上記絶縁層と、上記絶縁層に覆われない上記能動領域とを覆って上記金属層が配置され、
上記金属層と上記金属板電極とが上記半田により接合されることを特徴とする。
The present invention has been made to achieve the above object. The high voltage semiconductor device according to the present invention is
It is composed of a power chip including an active region and a guard ring portion provided around the active region,
The back surface of the power chip is bonded to the first electrode via the first solder, the front surface of the power chip is bonded to the metal plate electrode via the metal layer and the second solder,
A semiconductor device in which the surface of the first electrode, the power chip, and the periphery of the metal plate electrode are sealed with a sealing material,
An insulating layer is disposed to cover the outer periphery of the active region and the guard ring part,
The metal layer is disposed to cover the insulating layer and the active region not covered by the insulating layer;
The metal layer and the metal plate electrode are joined by the solder.
本発明を利用することにより、高耐圧半導体装置において、まず、半田が短絡時の熱バッファとなり、半導体装置の短絡耐量が向上する。また、金属板電極の下の半田厚みの確保が容易となる。 By utilizing the present invention, in a high breakdown voltage semiconductor device, first, solder becomes a thermal buffer at the time of short circuit, and the short circuit tolerance of the semiconductor device is improved. Moreover, it becomes easy to ensure the solder thickness under the metal plate electrode.
以下、図面を参照して本発明に係る好適な実施の形態を説明する。なお、以下の説明では、特定の方向を示す用語「上」、「下」、「右」、「左」、「表」、「裏」及びそれらの用語を含む別の用語(例えば「上面」、「下面」、「右側」、「左側」、「表主面」、「裏主面」)を適宜使用するが、それらの使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであり、それらの用語によって発明の技術的範囲が限定されるものではない。したがって、以下に説明する具体的な発明の実施形態を上下反転して、または任意の方向(例えば、時計回り方向又は反時計回り方向)に90°回転した形態も当然本発明の技術的範囲に含まれるものである。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, the terms “upper”, “lower”, “right”, “left”, “front”, “back” and other terms including those terms (for example, “upper surface”) indicating a specific direction. , “Bottom surface”, “right side”, “left side”, “front main surface”, “back main surface”), are used as appropriate to facilitate the understanding of the invention with reference to the drawings, The technical scope of the invention is not limited by these terms. Accordingly, embodiments of the specific invention described below are upside down or rotated 90 ° in any direction (for example, clockwise direction or counterclockwise direction) as a matter of course. It is included.
まず図8に、従来技術による(例えば、特許文献1に開示される)高耐圧半導体装置の縦断面図を示す。当該半導体装置では、パワーチップ2が電極4上に半田6で接合されている。パワーチップ2の表面の能動領域8上に、半田濡れ性を有する金属層が配置され、この金属層上には半田16を介して金属板18が設定されている。パワーチップ2の能動領域8の周囲にはガードリング部10が形成されている。このような半導体装置において、電極4の表面、パワーチップ2及び金属板18の周囲は、モールド樹脂などの絶縁性の封止材20により封止されている。なお、図8の左右端の縦波線は、その外側の図示を省略していることを示す(以下、他の図においても同じ)。
First, FIG. 8 shows a longitudinal sectional view of a high voltage semiconductor device according to the prior art (for example, disclosed in Patent Document 1). In the semiconductor device, the
上記高耐圧半導体装置において、パワーチップ2の表面電極の大半の領域に、半田接合し得るメタライズ層が蒸着などにより形成されている。このメタライズ層の上部に金属板18が半田付けされる。従って、能動領域8がメタライズ層にしか接合しないように形成されているに過ぎない半導体装置の場合と比べて、メタライズ層の配線抵抗が無視できる程小さくなり、このことによって電流集中が緩和され、パワーチップの抵抗によるエネルギ損失も低減される。また、パワーチップ2表面に接合された半田及び電極板18の熱容量により、短絡時の温度上昇も緩和されると言える。
In the high breakdown voltage semiconductor device, a metallized layer that can be soldered is formed by vapor deposition or the like in most regions of the surface electrode of the
ところで、パワーチップ表面に金属板18を半田付けする上記の高耐圧半導体装置では、短絡破壊は半田が接合されていない領域に集中する傾向がある。これは、半田が接合されていない領域での温度上昇が他の部位より大きいからである。つまり、半田は金属として高い熱伝導率を有するため温度上昇を抑制する作用があり、その反面、半田が接合されていない領域での温度上昇が大きくなるからである。図8の従来技術による高耐圧半導体装置では、ガードリング部10及びその近傍に半田は存在しない。従って、能動領域8の外周の、金属板18と接合しない領域で、短絡破壊が生じる蓋然性が高いと言える。
By the way, in the high breakdown voltage semiconductor device in which the
図3は、図8に示すような高耐圧半導体装置において、金属板18が能動領域8の表面に、ガードリング部10の内周縁から距離を置くようにして配置されている場合の、前記能動領域8上部の金属板18が存在しない領域の幅と、パワーチップの短絡耐量との関係を示すグラフである。短絡耐量は「電流×電圧×時間」で計算され、値が大きい程半導体装置が破壊しにくいことを示す。
FIG. 3 shows the active voltage when the
図3には、能動領域8の金属板18がない領域の幅が小さいほど短絡耐量が増大することが示されている。金属板18及び金属板に接合する半田16は、充分な熱容量により、金属板18及び半田16が覆う能動領域8の温度上昇を抑制するのだから、図3により、やはり、能動領域8の外周の金属板18と接合しない領域で短絡破壊が生じやすい、ということがわかる。実験によって短絡を発生し得る程度の電流をパワーチップ2に与えた場合、破壊する箇所は前記能動領域8の外周の金属板18がない領域に集中していたことからも、上記の効果が確認できた。
FIG. 3 shows that the short-circuit resistance increases as the width of the region of the
以下の発明の実施の形態では、高耐圧半導体装置を図8に示すものよりも更に高い短絡耐量を有するものとするため、ガードリング部10及びその近傍に適切な処置を施す。従って、以下の発明の実施の形態において、ガードリング部10及びその近傍以外は、図8に示す従来技術による半導体装置と略同様の構造が備わる。
In the following embodiments of the present invention, the high-voltage semiconductor device has a higher short-circuit resistance than that shown in FIG. Therefore, in the following embodiments of the present invention, except for the
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1に係る高耐圧半導体装置の縦断面図である。図に示すようにパワーチップ2が、電極4に半田6で接合されている。パワーチップ2には裏面電極(図示せず)が形成され、その裏面電極に上記の半田付けがなされている。パワーチップ2は、縦横(平面方向)の大きさが数mm×数mmであり、50μm〜500μm程度の厚みを有する。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a high voltage semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in the figure, the
パワーチップ2の表面には、能動領域8と、その外周囲にガードリング部10とが形成されている。このガードリング部10により、能動領域8とパワーチップ2の裏面との間の耐電圧が確保されている。ガードリング部10は、パワーチップ2の外周縁から約100μm〜数mm程度の幅の中に配置される。
An
更に本発明の実施の形態1に係る高耐圧半導体装置では、ガードリング部10を覆って絶縁層12が配置される。この絶縁層12は、能動領域8の外周縁からパワーチップ2の外周縁まで間を覆う。図1に示すような高耐圧半導体装置では、絶縁層12は厚みが数10μm〜数mmの間となるのが好ましい。絶縁層12は、耐熱温度300℃のポリイミドなどの高耐熱の樹脂やガラスなどのセラミック系材料から構成されるのが好ましい。更に、この絶縁層12の表面および能動領域8の表面には、半田濡れ性を有する金属層14が配置されている。
Furthermore, in the high voltage semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the insulating
図2は、本発明の実施の形態1に係る高耐圧半導体装置のガードリング部10、絶縁層12及びその近傍の拡大縦断面図である。図2に示すように、能動領域8及びガードリング部10の表面には、メタライズ層22が配置されている。このメタライズ層22として通常数μmの厚みのアルミニウムが用いられる。アルミニウムは半田濡れ性が相対的に悪い金属であり、そのままでは金属板18を半田付けすることが困難である。そこで金属層14が、能動領域8の外周部とガードリング部10とを覆う絶縁層12と、能動領域8表面とに接して配置されている。そして、金属板18が半田16により前記金属層14を介して固着されている。
FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view of the
電極4の表面、パワーチップ2及び金属板18の周囲は、モールド樹脂などの絶縁性の封止材20により封止されている。図1の左右端の縦波線は、その外側の図示を省略していることを示す。
The surface of the electrode 4, the periphery of the
上記のように、図1及び図2に示す高耐圧半導体装置では、金属板18が能動領域8上部だけでなく絶縁層14の表面上部にも配置されている。このため、能動領域8の全面に対する熱容量が増加することになり、従って温度上昇が、ワイヤボンディングを利用する従来技術の半導体装置の数10%までに抑制され得る。これにより、短絡破壊の原因となる局所温度(例えば、380℃)程度に達するまでの時間が大幅に長くなり、例えば従来5μsで短絡破壊を生じていた電流であっても、7μsでも短絡破壊を生じないというようになる。即ち、短絡破壊までのエネルギの許容範囲の拡大が可能となる。
As described above, in the high voltage semiconductor device shown in FIGS. 1 and 2, the
なお、実施の形態1に係る高耐圧半導体装置では、金属板18は能動領域8と略同電位であり、能動領域8とパワーチップ2裏面との間の電圧は、絶縁層12の厚み分の沿面距離における絶縁により確保されている。従って、絶縁層12の厚みを薄くするには、絶縁性の高い封止樹脂を絶縁層12に利用する必要がある。
In the high voltage semiconductor device according to the first embodiment, the
更に、実施の形態1に係る高耐圧半導体装置では、金属層14の表面側全面に半田16が接合しているが、必ずしも全面で接合する必要はなく、例えば端部で、絶縁層12の数10%程度覆うのみでも、短絡耐量は改善され得る。
Furthermore, in the high breakdown voltage semiconductor device according to the first embodiment, the
本実施の形態に係る高耐圧半導体装置は、ガードリング部10に金属層14が接しないように、即ち、絶縁層12が能動領域8の外周縁を覆うように設計されることが必要である。なぜなら、ガードリング部10と金属層14が接すると両者が同電位になってしまい、電界強度が所定のものより大きくなってしまうからである。このことを回避するために、例えば次の手順のように能動領域8、ガードリング部10及び金属層14が配置されればよい。
The high breakdown voltage semiconductor device according to the present embodiment needs to be designed so that the
まず、パワーチップ2の表面全面に製膜する。次に、エッチングで開口部を設ける。この開口部の設置は、絶縁層12の領域を画定するために行う。つまり、開口部を除く部分に絶縁層12を形成することになる。従って、この開口部の寸法を適宜調整すれば、開口部の設置時に多少の位置ずれが生じるとしても、絶縁層12がガードリング部10及び能動領域8の外周縁を完全に覆うようにすることができる。このように開口部を設置することは、製造方法として比較的容易であり、且つ半導体装置における電界設計の容易性を増すことに繋がるため、望ましいものであると言える。
First, a film is formed on the entire surface of the
更に、能動領域8、能動領域上の金属層14、若しくは金属板18に、半田16の厚みを保持するための突起を備えるようにしてもよい。この突起により、半田の厚み、即ち金属板18と金属層14との間の最低限の距離を規定でき、金属板18の傾き等による半田16のはみ出しなどの不具合の発生を防止できる。
Further, the
[実施の形態2]
図4は、本発明の実施の形態2に係る高耐圧半導体装置の縦断面図である。実施の形態2に係る高耐圧半導体装置は、先述の実施の形態1に係る高耐圧半導体装置と略同様のものである。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。
[Embodiment 2]
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a high voltage semiconductor device according to
図4に示すように、実施の形態1と同様、能動領域8及び絶縁層12に接して金属層14が配置されている。但し、金属層14は絶縁層12の外縁部には延在していない。それに合わせて、絶縁層12の外縁部の上方には半田16や金属板18も存在していない。図4のように金属層14、半田16及び金属板18を配置することによっても、能動領域8に付随する熱容量を大きくでき、短絡耐量を大きくすることができる。
As shown in FIG. 4, the
図5は、本発明の実施の形態2に係る高耐圧半導体装置のガードリング部10、絶縁層12及びその近傍の拡大縦断面図である。図5に示すように、パワーチップ2の能動領域8と接する金属層14とパワーチップ2の裏面電極との距離は、金属層14から絶縁層12の外周縁までの距離(L1)とパワーチップ2の厚み(L2)との和(L1+L2)となる。このパワーチップ2の能動領域8と接する金属層14とパワーチップ2の裏面電極との距離が、絶縁距離である。つまり、本実施の形態では、絶縁層12が薄いものであっても絶縁距離を大きくすることができる。
FIG. 5 is an enlarged longitudinal sectional view of the
[実施の形態3]
図6は、本発明の実施の形態3に係る高耐圧半導体装置の縦断面図である。更に、図7は、本発明の実施の形態3に係る高耐圧半導体装置のガードリング部10、絶縁層12及びその近傍の拡大縦断面図である。実施の形態3に係る高耐圧半導体装置も、先述の実施の形態1に係る高耐圧半導体装置と略同様のものである。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。
[Embodiment 3]
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a high voltage semiconductor device according to Embodiment 3 of the present invention. Further, FIG. 7 is an enlarged longitudinal sectional view of the
図6及び図7に示すように、絶縁層12の上部には外縁に近づくに従って厚みが増す第2の絶縁層24が固着されている。このとき、金属層14がパワーチップ2の外周縁にまで配置されるとしても、第2の絶縁層24により、金属層14とパワーチップ2の裏面電極との距離が一定値以上に確保される。このようにすることで、ガードリング部10の幅を大きくする必要もなくなる。更に、第2の絶縁層24の設置により、金属板18と金属層14との間の半田16の厚みも容易に確保し得る。
As shown in FIGS. 6 and 7, a second insulating
2 パワーチップ、 4 電極、 6 半田、 8 能動領域、 10 ガードリング、 12 絶縁層、 14 金属層、 16 半田、 18 金属板、 20 封止材、 22 メタライズ層、 24 第2の絶縁層。
2 power chip, 4 electrode, 6 solder, 8 active region, 10 guard ring, 12 insulating layer, 14 metal layer, 16 solder, 18 metal plate, 20 sealing material, 22 metallized layer, 24 second insulating layer.
Claims (3)
パワーチップの裏面は第1の半田を介して第1の電極と接合し、パワーチップの表面は金属層及び第2の半田を介して金属板電極と接合し、
上記第1の電極の表面、上記パワーチップ及び上記金属板電極の周囲が封止材により封止されている半導体装置であって、
上記能動領域の外周縁及び上記ガードリング部を覆って絶縁層が配置され、
上記絶縁層と、上記絶縁層に覆われない上記能動領域とを覆って上記金属層が配置され、
上記金属層と上記金属板電極とが上記半田により接合されることを特徴とする高耐圧半導体装置。 It is composed of a power chip including an active region and a guard ring portion provided around the active region,
The back surface of the power chip is bonded to the first electrode via the first solder, the front surface of the power chip is bonded to the metal plate electrode via the metal layer and the second solder,
A semiconductor device in which the surface of the first electrode, the power chip, and the periphery of the metal plate electrode are sealed with a sealing material,
An insulating layer is disposed to cover the outer periphery of the active region and the guard ring part,
The metal layer is disposed to cover the insulating layer and the active region not covered by the insulating layer;
A high breakdown voltage semiconductor device, wherein the metal layer and the metal plate electrode are joined by the solder.
パワーチップの裏面は第1の半田を介して第1の電極と接合し、パワーチップの表面は金属層及び第2の半田を介して金属板電極と接合し、
上記第1の電極の表面、上記パワーチップ及び上記金属板電極の周囲が封止材により封止されている半導体装置であって、
上記能動領域の外周縁及び上記ガードリング部を覆って絶縁層が配置され、
上記絶縁層の少なくとも一部を覆って上記金属層が配置され、
上記金属層と上記金属板電極とが上記半田により接合されることを特徴とする高耐圧半導体装置。 It is composed of a power chip including an active region and a guard ring portion provided around the active region,
The back surface of the power chip is bonded to the first electrode via the first solder, the front surface of the power chip is bonded to the metal plate electrode via the metal layer and the second solder,
A semiconductor device in which the surface of the first electrode, the power chip, and the periphery of the metal plate electrode are sealed with a sealing material,
An insulating layer is disposed to cover the outer periphery of the active region and the guard ring part,
The metal layer is disposed to cover at least part of the insulating layer;
A high breakdown voltage semiconductor device, wherein the metal layer and the metal plate electrode are joined by the solder.
上記金属層は、上記第2の絶縁層と、上記絶縁層と、上記絶縁層に覆われない上記能動領域とを覆って配置されることを特徴とする請求項1に記載の高耐圧半導体装置。
A second insulating layer is further stacked on the insulating layer on the surface of the guard ring portion;
2. The high breakdown voltage semiconductor device according to claim 1, wherein the metal layer is disposed so as to cover the second insulating layer, the insulating layer, and the active region not covered with the insulating layer. .
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