JP2010165968A - パワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】従来のセラミックス焼結板に比して製造が容易で、また耐絶縁破壊特性と放熱特性を満足しながら、基板厚さを薄くすることができる絶縁基板を備えたパワー半導体モジュールを提供する。
【解決手段】本発明のパワー半導体モジュール１は、上部電極層３および下部電極層４が形成された絶縁基板８と、前記上部電極層３に積層されたパワー半導体デバイス２と、前記下部電極層４に積層された放熱板７を備える。前記絶縁基板８は、シリコンで形成された基板本体６と、前記基板本体６の表面に積層された熱酸化シリコン膜５を備える。前記熱酸化シリコン膜５は、ヤング率が６０ＧＰａ以上の酸化シリコンで形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関し、特に半導体デバイスが載置される絶縁基板の改良に関するものである。

ハイブリット自動車や電気自動車などのモーター駆動の自動車では、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulating Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体デバイスを絶縁基板に搭載したパワー半導体モジュールが用いられている。

パワー半導体モジュール１は、図５に示すように、上部電極層３および下部電極層４が両面に積層された絶縁基板１０と、前記上部電極層３に積層されたパワー半導体デバイス（パワー半導体素子）２と、前記下部電極層４に積層された放熱板７を備える。前記絶縁基板１０は、窒化アルミ、窒化シリコンなどのセラミックス焼結板で形成され、前記上部、下部電極層は純アルミニウムなどの導電性に優れた金属材で形成される。電極表面の濡れ性を向上させるため、純アルミニウムの電極層の上にニッケル層が積層される場合がある。また、前記放熱板７は、銅、銅合金もしくは銅複合材などの熱伝導性に優れた金属材によって形成される。前記上部電極層３とパワー半導体デバイス２、また下部電極層４と放熱板７とは、通常、ろう付けやはんだ付けなどにより接合される。なお、酸化シリコンは熱伝導性が非常に悪いので、従来、絶縁基板材料としては用いられていない。

このようなパワー半導体モジュールは、必要に応じて、その放熱板７がグリースなどの熱伝導層を介して冷却器１１にネジなどにより固定される。前記冷却器１１としては、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた材料で形成されたフィン付き冷却板や冷却水流路が内部に形成された冷却器などが用いられる。このようなパワー半導体モジュールは、例えば特開２００７−２７３７０６号公報（特許文献１）に記載されている。

パワー半導体デバイスは、動作時に数百ボルトの高電圧が印加されるため、パワー半導体デバイスに電気的に接続される上部電極層３と下部電極層４とは前記絶縁基板１０によって電気的に絶縁される。また、パワー半導体デバイスの動作時には、数十アンペア〜数百アンペア程度の大電流が流れるが、パワー半導体デバイスには導通時の電気抵抗（「オン抵抗」と呼ばれる。）があるため、動作時には大きな発熱が生じる。発熱によりデバイスの接合温度が一定以上に上昇すると、デバイスに動作不良が生じ、さらに上昇するとデバイスは不可逆的な故障に至る。このため、絶縁基板１０に積層された放熱板１０やさらに冷却器１１によってデバイスを冷却することにより、デバイスの安定動作が確保されている。以上のように、絶縁基板には、耐絶縁破壊特性と放熱特性が求められる。

特開２００７−２７３７０６号公報

上記のとおり、従来、絶縁基板は酸化シリコンを除く、窒化アルミ、窒化シリコンなどのセラミックスの焼結板で形成されていた。しかし、セラミックス焼結板は、薄いものでは製造が困難で生産性に問題があり、またピンホールや部分的な導電パスによる絶縁劣化、絶縁破壊の懸念がある。

このため、セラミックス焼結板を絶縁基板として用いる場合、ある程度の厚さが必要であり、従来、少なくとも５００μm 程度の厚さのものが用いられていた。しかし、このような分厚い基板を用いると、コンパクト化に劣り、また必要特性に対して特性が過剰になるという問題がある。現在のところ、絶縁基板の絶縁破壊電界が動作電界の２倍程度、また熱伝導性として熱抵抗値（絶縁基板の厚さ（ｃｍ）／熱伝導率（Ｗ／ｃｍＫ））が５０×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗ程度以下であれば実用上問題がないとされている。絶縁基板として窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）のセラミックス焼結板（厚さ：５００μm ）を用いた場合の動作電界、熱抵抗値は表１のとおりであるが、ＡｌＮ基板では、絶縁破壊電界が動作電界の２倍で適度であるが、熱抵抗値が２５×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗで放熱特性が余裕がある。一方、ＳｉＮ基板では熱抵抗値は適度であるが、絶縁破壊電界は動作電界に比して余裕がある。なお、現在のところ、パワー半導体デバイスの動作電圧としては１ｋＶ程度を想定すれば十分であるので、表１中の動作電界（動作電圧（ｋＶ）／材料厚さ（ｃｍ））は動作電圧を１ｋＶとして計算した値である。表１には、各材料によって決まっている熱伝導率、絶縁破壊電界も併せて示した。

本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、従来のセラミックス焼結板に比して製造が容易で、また耐絶縁破壊特性と放熱特性を満足しながら、基板厚さを薄くすることができる絶縁基板を備えたパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成するために、絶縁基板として種々の材料を検討した。その結果、絶縁基板を熱酸化シリコン膜を備えたシリコン板で形成することにより、従来のセラミックス焼結板に比して製造が容易となり、また所期の耐絶縁破壊特性と放熱特性を満足しながら、基板厚さを薄くすることができることを知見し、かかる知見を基に本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係るパワー半導体モジュールは、両面に電極層が形成された絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の電極層に積層されたパワー半導体デバイスと、前記絶縁基板の他方の電極層に積層された放熱板を備え、前記絶縁基板をシリコンで形成された基板本体と、その表面に積層した熱酸化シリコン膜とで構成したものである。

前記パワー半導体モジュールによると、絶縁基板をシリコンで形成された基板本体とその表面に積層された熱酸化シリコン膜とで構成するので、絶縁基板の製造が容易であり、しかも数μm 程度のごく薄い膜厚の熱酸化シリコン膜を数十ないし数百μm 程度の基板本体の表面に容易に形成することができる。このため、絶縁基板を薄くすることができ、また良好な耐絶縁破壊特性と放熱特性とを兼備させることができる。すなわち、熱酸化シリコンは非常に高い絶縁破壊特性を有するため、熱酸化シリコン膜が非常に薄くても動作電界に対して問題のない絶縁破壊電界を備えさせることができ、また熱酸化シリコン膜を非常に薄く形成することにより、熱抵抗値も問題のないレベルまで容易に低減することができる。

前記絶縁基板の熱酸化シリコン膜は、ヤング率が６０ＧＰａ以上のものが好ましい。通常、シリコン板を酸化雰囲気で加熱して形成した熱酸化シリコン膜は、ヤング率が７０ＧＰａ程度であるが、ＣＶＤなど塗布系酸化シリコン膜はヤング率が２５ＧＰａ以下であるため、本発明に係る基板の熱酸化シリコン膜の代用として塗布系酸化シリコン膜を適用することはできない。

また、前記絶縁基板において、熱酸化シリコン膜は前記基板本体の両面に積層することができる。前記基板本体の両面に熱酸化シリコン膜を形成させることで、基板本体と熱酸化シリコン膜との熱膨張差に起因する熱応力が発生し難くなり、熱酸化シリコン膜に割れや歪が生じ難くなり、耐久性が向上する。

また、前記絶縁基板は、基板本体に熱酸化シリコン膜が積層された絶縁ユニット層を複数積層したものとすることができる。絶縁基板をこのように構成することにより、複数の絶縁ユニット層を準備し、これを適宜積層することで、要求特性に応じて絶縁基板の絶縁破壊電界や熱抵抗値を容易に調整することができる。

また、前記熱酸化シリコン膜は膜厚の合計を２〜４μm とすることが好ましい。このような膜厚にすることにより、現在要求される動作電界に対して十分な絶縁破壊電界を備えることができ、また熱抵抗値を必要レベル内に容易に納めることができる。このため、実用的な絶縁基板を備えたパワー半導体デバイスを提供することができる。

前記絶縁基板は、熱抵抗値を５０×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗ以下とすることが好ましい。熱抵抗値が５０×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗを越えると、従来の要求レベルよりも放熱特性が低下するようになり、好ましくない。

本発明のパワー半導体モジュールによると、その絶縁基板をシリコンで形成された基板本体とその表面に積層された熱酸化シリコン膜とで構成するので、従来のセラミックス焼結板に比して容易に製造することができ、しかも数μm 程度の非常に薄い熱酸化シリコン膜を数十ないし数百μm の基板本体の表面に容易に形成することができる。このため耐絶縁破壊特性と放熱特性を満足しながら、絶縁基板の厚さを薄くすることができ、モジュールのコンパクト化に資することができる。

第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの横断面を示す模式図である。 第１実施形態の変形例に係るパワー半導体モジュールの横断面を示す模式図である。 第２実施形態に係るパワー半導体モジュールの横断面を示す模式図である。 第３実施形態に係るパワー半導体モジュールの横断面を示す模式図である。 従来のパワー半導体モジュールの横断面を示す模式図である。

以下、本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールを図１を参照して説明する。なお、図５に示した従来のパワー半導体モジュールと同部材は同符号を付して説明を省略あるいは簡略することとし、相違点を中心に説明する。

このパワー半導体モジュール１は、絶縁基板８と、前記絶縁基板８の両面に積層された上部電極層３および下部電極層４と、前記上部電極層３に積層されたパワー半導体デバイス２と、前記下部電極層４に積層された放熱板７を備える。前記上部電極層３、下部電極層４は、通常、前記絶縁基板８の表面に電極金属を溶射することにより、まためっき、蒸着、ろう付けなどの方法によって積層される。

前記絶縁基板８は、シリコンで形成された基板本体６と、前記基板本体６の一方の表面に積層された熱酸化シリコン膜５とによって構成されている。前記熱酸化シリコン膜５は、その膜厚が通常２〜４μm 程度に設定される。前記熱酸化シリコン膜５はヤング率が６０ＧＰａ程度以上であり、通常７０ＧＰａ程度である。前記熱酸化シリコン膜５は緻密であり、耐絶縁破壊特性にも優れる。一方、ＣＶＤなどの蒸着法により形成した酸化シリコン膜は熱酸化シリコン膜に比して緻密性に劣り、ピンホールや導電パスによる絶縁特性が不十分である。なお、ヤング率の測定は、膜に均一に応力を加え、その歪量を計測することによって測定することができる。

前記基板本体６は、シリコン基板を酸化雰囲気中で加熱し、その表面に熱酸化シリコン膜５を形成した後の基板部分であり、熱酸化シリコン膜５の支持部材としての役目を果たす。これらの役目を果たすため、前記基板本体６は、その厚さが少なくとも１０μm 程度は必要であり、好ましくは５０μm 、より好ましくは１００μm 程度の厚さが望ましい。なお、図１では、熱酸化シリコン膜５は基板本体６の上側（上部電極３側）に積層されているが、図２に示しように、基板本体６の下側（下部電極４側）に設けてもよい。また、前記上部、下部電極層は、従来と同様、アルミニウム、銅やその合金などの導電性と熱伝導性に優れた金属で形成される。

ここで、熱酸化シリコン膜５、基板本体６の厚さ設定指針について説明する。表２は、熱酸化シリコン膜を形成するＳｉＯ₂ 、基板本体を形成するＳｉの熱伝導率、絶縁破壊電界のほか、種々の厚さにおける動作電界（但し、動作電圧を１ｋＶとする。）、熱抵抗値を示したものである。この表から明らかなように、ＳｉＯ₂ 膜については、絶縁破壊電界が１００００ｋＶ／ｃｍで、熱伝導率が０．０１Ｗ／ｃｍＫであり、動作電界が絶縁破壊電界の１／２になるのは２μm のときである。このときの熱抵抗値は２０×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗである。一方、Ｓｉ板は半導体であるので電圧は掛からず、１００μm 当たりの熱抵抗値は１０×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗである。これより、熱酸化シリコン膜を２μm とすると、その熱抵抗値は２０×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗであるから、絶縁基板全体の熱抵抗値を許容レベル（５０×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗ）内にするには、基板本体の厚さを３００μm 以下にする必要があることがわかる。通常、基板本体の厚さは５０〜２００μm 程度で十分である。例えば、熱酸化シリコン膜の厚さを２μm とし、絶縁基板の厚さを１００μm とすると、絶縁基板全体の熱抵抗値は３０×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗであり、かなり放熱性が改善され、しかも絶縁基板の全厚は従来基板の１／５程度で済む。

一方、絶縁基板の耐絶縁破壊特性を重視する場合、熱酸化シリコン膜（ＳｉＯ₂ 膜）の膜厚を２μm より大きく設定すればよいが、４μm 以下に止めることが好ましい。熱酸化シリコン膜を４μm に設定した場合、表２より絶縁破壊電界は動作電界の４倍となる。この場合、熱抵抗値は４０×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗとなるから、絶縁基板の熱抵抗値を許容レベル（５０×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗ）内にするには、基板本体の厚さを１００μm 以下にする必要があることがわかる。

前記熱酸化シリコン膜５は、前記基板本体６の元になるシリコン基板を酸化雰囲気中で加熱することによって容易に形成される。雰囲気中の酸素濃度、加熱温度、加熱時間を制御することによって膜厚を調整することができる。通常、加熱温度は ９００〜１０００℃程度、加熱時間は５〜１０ｈｒ程度とされる。また、熱酸化シリコン膜５を基板本体６の片側に形成するには、シリコン基板を載置台の上に置いて酸化雰囲気中で加熱すればよい。また、シリコン基板の端部を支持し、基板を空中に保持して加熱し、シリコン基板の両面に酸化シリコン膜を形成した後、片面の熱酸化シリコン膜を除去してもよい。この場合、一方の熱酸化シリコン膜をレジスト等で保護して、他方の熱酸化シリコン膜を薬液により除去すればよい。また、熱酸化シリコン膜を除去した後、シリコン基板を研削等によって削り取ることで、基板の厚さを調整することができる。

なお、前記基板本体６の元になるシリコン基板は所望の厚さのものを容易に入手することができる。また、熱酸化シリコン膜５の膜厚はエリプソメトリなどの光学的手法により非破壊的に測定することができる。

次に、第２実施形態に係るパワー半導体モジュールを図３を参照して説明する。図１に示した第１実施形態に係るパワー半導体モジュールと同部材は同符号を付して説明を省略する。

第２実施形態に係るパワー半導体モジュール１は、第１実施形態に対して絶縁基板８の構造が異なる。この実施形態では、基板本体５の両面に熱酸化シリコン膜５が被覆形成されている。両面に形成された熱酸化シリコン膜５は同じ膜厚とすることが好ましい。この絶縁基板８によれば、基板本体６と熱酸化シリコン膜５との熱膨張差に起因する熱応力が発生し難くなり、熱酸化シリコン膜５に反り、割れや歪が生じ難くなる。

第２実施形態に係る熱酸化シリコン膜５の厚さの設定については、第１実施形態で説明した熱酸化シリコン膜の膜厚を、基板本体６の両面の積層した熱酸化シリコン膜５の合計膜厚に置き換えて考えればよい。すなわち、熱酸化シリコン膜の合計厚さは２〜４μm 程度とすることが好ましく、基板本体６は３００〜１００μm 程度とすることが好ましい。熱酸化シリコン膜の合計厚さを２μm 以上にすると耐絶縁特性は向上するが、４μm 以下に止めることが好ましい。この場合、絶縁基板の熱抵抗値が許容レベル（５０×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗ）を越えないようにするには、基板本体６の厚さを１００μm 以下にする必要がある。

前記熱酸化シリコン膜５を基板本体６の両面に同一厚さに形成するには、基板本体６の元になるシリコン基板の端部を支持して、シリコン基板を空中に保持し、酸化雰囲気中で加熱すればよい。

次に、第３実施形態に係るパワー半導体モジュールを図４を参照して説明する。図１に示した第１実施形態に係るパワー半導体モジュールと同部材は同符号を付して説明を省略する。

第３実施形態に係るパワー半導体モジュール１は、第１実施形態に対して絶縁基板８の構造が異なる。この実施形態では、絶縁基板８は、基板本体６Ａの片面（図例は片面であるが、両面でもよい。）に熱酸化シリコン膜５Ａが被覆形成された絶縁ユニット層８Ａを複数準備し、これをろう付け、はんだ付け等により接合し、複数層（図例では２層）としたものである。かかる構造の絶縁基板８によれば、複数の絶縁ユニット層８Ａを事前に準備しておき、これを適宜積層することによって要求特性を容易に満足させることができる。

前記絶縁ユニット層８Ａを構成する基板本体６Ａ、熱酸化シリコン膜５Ａは適宜の厚さ、例えば基板本体６を５０〜１００μm 程度、熱酸化シリコン膜５を０．５〜２μm 程度にすることができるが、全ての絶縁ユニット層８Ａを構成する熱酸化シリコン膜５Ａの合計厚さ、あるいは基板本体６Ａの合計厚さは、第１実施形態で説明した熱酸化シリコン膜５、基板本体６の厚さに即して考えればよい。すなわち、熱酸化シリコン膜５Ａの合計厚さは２〜４μm 程度とすることが好ましく、基板本体６Ａの合計厚さは３００〜１００μm 程度とすることが好ましい。

１ パワー半導体モジュール、２ パワー半導体デバイス、３ 上部電極層、
４ 下部電極層、５，５Ａ 熱酸化シリコン膜、６，６Ａ 基板本体、
７ 放熱板、８ 絶縁基板、８Ａ 絶縁ユニット層

Claims (6)

1. 両面に電極層が形成された絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の電極層に積層されたパワー半導体デバイスと、前記絶縁基板の他方の電極層に積層された放熱板を備え、
   前記絶縁基板は、シリコンで形成された基板本体と、前記基板本体の表面に積層された熱酸化シリコン膜を有する、パワー半導体モジュール。
2. 前記熱酸化シリコン膜は、ヤング率が６０ＧＰａ以上である、請求項１に記載したパワー半導体モジュール。
3. 前記熱酸化シリコン膜は、前記基板本体の両面に積層された、請求項１または２に記載したパワー半導体モジュール。
4. 前記絶縁基板は、前記基板本体および熱酸化シリコン膜からなる絶縁ユニット層が複数積層された、請求項１から３のいずれか１項に記載したパワー半導体モジュール。
5. 前記熱酸化シリコン膜は、膜厚の合計が２〜４μm である、請求項１から４のいずれか１項に記載したパワー半導体モジュール。
6. 前記絶縁基板は、熱抵抗値が５０×１０^-3ｃｍ² Ｋ／Ｗ以下とされた、請求項１から５のいずれか１項に記載したパワー半導体モジュール。

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