JP2015153922A - 電力用半導体装置 - Google Patents

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辰則 柳本
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秀俊 石橋
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Abstract

【課題】電気的接合信頼性を高めることができる電力用半導体装置を提供する。【解決手段】電力用半導体素子８ｂが実装される回路基板は、絶縁板５Ａと、接合パターン４Ａと、回路パターン６Ａと、パッド板１Ｃとを有する。絶縁板５Ａは、窒化アルミニウムセラミックスから作られ、第１および第２の面Ｓ１、Ｓ２を有する。接合パターン４Ａは、絶縁板５Ａの第１の面Ｓ１上に接合され、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られる。回路パターン６Ａは、絶縁板５Ａの第２の面Ｓ２上に接合され、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られる。パッド板１Ｃは、回路パターン６Ａに接合され、回路パターン６Ａを部分的にのみ覆い、銅または銅合金から作られる。【選択図】図２

Description

本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、電力用半導体素子が実装された回路基板を有する電力用半導体装置に関するものである。
電力モジュール内に設けられた、たとえばＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)およびダイオードなどの電力用半導体素子は、使用中に多くの熱を発生する。このため電力用半導体素子が実装される回路基板は、ヒートサイクル下での温度変化に起因した応力に耐える必要がある。また電力用半導体素子から熱を効率的に除去するために、回路基板の母材としてのセラミックスには高い熱伝導性が求められる。代表的なセラミックス材料として窒化アルミニウムおよび窒化ケイ素がある。
窒化アルミニウムセラミックスは、高い熱伝導性を有するものの、材料としての機械的強度が必ずしも高くない。このため、上述した応力を緩和するための構造が必要となり得る。
窒化ケイ素セラミックスは、高い機械的強度を有するので、上記応力に耐えるのに適している。窒化ケイ素セラミックスの熱伝導性は、窒化アルミニウムセラミックスよりは劣るものの、近年、改善が進んできている。
回路基板に関する従来技術としては、たとえば、以下の２つのものがある。
特開２００３−７８０８６号公報（特許文献１）によれば、絶縁層であるセラミックス板のおもて面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金の層と、銅または銅合金の層とが、この順に積層形成されている。銅または銅合金に比して柔らかい材料であるアルミニウムまたはアルミニウム合金の層は、セラミックス板に加わる熱応力を緩和する。
特開２００８−１４７３０７号公報（特許文献２）によれば、窒化ケイ素セラミックス基板に銅または銅合金の回路板が設けられている。
特開２００３−７８０８６号公報 特開２００８−１４７３０７号公報
上記の従来技術によれば、電力用半導体装置の製造における回路基板上への部材の取り付けは、この部材を銅または銅合金に接合することにより行われることになる。しかしながら上記部材の種類によっては銅または銅合金への接合が適しないことがあり、その結果、電気的接合信頼性が不十分となり得る。特に、はんだ接合に比して高温下での使用により適した超音波接合などの直接接合が用いられる場合、上記のような不適合性が問題となりやすい。たとえば、アルミニウムワイヤが銅パターンへ超音波接合によって接合される場合、アルミニウムと銅との接合界面の酸化膜に起因して電気的接合信頼性が不十分となりやすい。この問題は、電力用半導体素子の使用温度が高い場合、より配慮が求められる。近年、電力用半導体素子の材料として炭化ケイ素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）などケイ素（Ｓｉ）に比して高温動作に適したものの適用が進められており、その利点を損なわないためには、上述した電気的接合信頼性を特に改善する必要がある。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電気的接合信頼性を高めることができる電力用半導体装置を提供することである。
本発明の一の局面に従う電力用半導体装置は、電力用半導体素子と、電力用半導体素子が実装された回路基板とを有する。回路基板は、絶縁板と、接合パターンと、回路パターンと、パッド板とを有する。絶縁板は、窒化アルミニウムセラミックスから作られ、第１の面と第１の面と反対の第２の面とを有する。接合パターンは、絶縁板の第１の面上に接合され、アルミニウムおよびアルミニウム合金のいずれかから作られる。回路パターンは、絶縁板の第２の面上に接合され、アルミニウムおよびアルミニウム合金のいずれかから作られる。パッド板は、回路パターンに接合され、回路パターンを部分的にのみ覆い、銅および銅合金のいずれかから作られる。
本発明の他の局面に従う電力用半導体装置は、電力用半導体素子と、電力用半導体素子が実装された回路基板とを有する。回路基板は、絶縁板と、接合パターンと、回路パターンと、パッド板とを有する。絶縁板は、窒化ケイ素セラミックスから作られ、第１の面と第１の面と反対の第２の面とを有する。接合パターンは、絶縁板の第１の面上に接合され、銅および銅合金のいずれかから作られる。回路パターンは、絶縁板の第２の面上に接合され、銅および銅合金のいずれかから作られる。パッド板は、回路パターンに接合され、回路パターンを部分的にのみ覆い、アルミニウムおよびアルミニウム合金のいずれかから作られる。
本発明によれば電力用半導体装置における電気的接合信頼性を高めることができる。
本発明の実施の形態１における電力用半導体装置としてのパワーモジュールの構成を概略的に示す図であり、図２の線Ｉ−Ｉに沿う断面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う概略断面図である。 比較例のパワーモジュールの構成を示す図であり、図４の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面図である。 図３の線ＩＶ−ＩＶに沿う断面図である。 本発明の実施の形態２における電力用半導体装置としてのパワーモジュールの構成を概略的に示す図であり、図６の線Ｖ−Ｖに沿う断面図である。 図５の線ＶＩ−ＶＩに沿う概略断面図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
（実施の形態１）
図１および図２を参照して、電力モジュール９１（電力用半導体装置）は、回路基板と、これに実装された電力用半導体素子８とを有する。
電力用半導体素子８は、具体的には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のようなスイッチング半導体素子８ａ、および電力用ダイオードのような整流半導体素子８ｂを有する。回路基板は、絶縁板５Ａと、接合パターン４Ａと、回路パターン６Ａと、パッド板１Ｃとを有する。
絶縁板５Ａは、窒化アルミニウムセラミックスから作られている。絶縁板５Ａは下面Ｓ１（第１の面）と上面Ｓ２（第１の面と反対の第２の面）とを有する。
接合パターン４Ａは絶縁板５Ａの下面Ｓ１上に接合されている。接合パターン４Ａはアルミニウムまたはアルミニウム合金から作られている。回路パターン６Ａは、絶縁板５Ａの上面Ｓ２上に接合されている。回路パターン６Ａはアルミニウムまたはアルミニウム合金から作られている。接合パターン４Ａおよび回路パターン６Ａの絶縁板５Ａへの接合は、アルミニウム直接接合（ＤＢＡ: Direct Bonded Aluminum）または活性金属ろう付け（ＡＭＢ: Active Metal Brazing）により行われ得る。
パッド板１Ｃは銅または銅合金から作られている。パッド板１Ｃは回路パターン６Ａに接合されている。この接合は、絶縁板５Ａおよびパッド板１Ｃを真空中で高温加圧することによる固相拡散接合により行い得る。パッド板１Ｃは回路パターン６Ａを部分的にのみ覆っている。パッド板１Ｃは、後述する電極とは異なり、ケース１４の外には突出しておらずケース１４内に収まっている。パッド板１Ｃは、好ましくは、平坦な板状の形状を有する。
パッド板１Ｃには、電力用半導体素子８が接合されており、本実施の形態においては１つのパッド板１Ｃに複数の電力用半導体素子８が接合されている。電力用半導体素子８の各々の接合は、銀を含有する接合材７を用いた接合により行われることが好ましい。
なお電力用半導体素子８の実装は、予め準備された回路基板に対して行われる。すなわち、回路基板製造のための接合工程が完了した後に、電力用半導体素子８が実装される。よって、上述した、高温加圧による固相拡散接合などの接合工程の条件は、電力用半導体素子８およびそれに付随し得るワイヤなどへの影響を考慮することなく、広い自由度で選択し得る。また、この接合において互いに接合される部材は、通常、接合が容易な板状のものである。また個々の接合面積は比較的大きい。よってこの接合は、アルミニウムまたはアルミニウム合金と、銅または銅合金との間の異種接合ではあるものの、接合信頼性を確保することは比較的容易である。
電力モジュール９１は、パッド板１Ｃ上に直接に接合され銅または銅合金のいずれかから作られた電極を有する。これら電極はパッド板１Ｃ上へ超音波接合によって接合されていることが好ましい。具体的には電力モジュール９１は、陽極Ｃｕ電極１１と、陰極Ｃｕ電極１２と、制御Ｃｕ電極１３とを有する。これらの電極は、ケース１４の内部から外部へと延びるもの、すなわち外部電極である。
電力モジュール９１は、アルミニウムおよびアルミニウム合金から作られたワイヤとして、ゲートＡｌワイヤ９および主Ａｌワイヤ１０を有する。ゲートＡｌワイヤ９および主Ａｌワイヤ１０の各々の一方端は電力用半導体素子８に接合されている。またゲートＡｌワイヤ９および主Ａｌワイヤ１０の各々の他方端は回路パターン６Ａに直接に接合されており、好ましくは固相拡散接合によって接合されており、たとえば超音波接合によって接合されている。
電力モジュール９１は、回路パターン６Ａに接続された、ゲート抵抗１６などの受動部品を有してもよい。ゲート抵抗１６は、たとえば、はんだ層３によって接合されてもよい。
電力モジュール９１は、金属ベース板２と、ケース１４と、充填部１５とを有する。なお図を見やすくするために、図中、充填部１５の形状は略されている。金属ベース板２は、接合パターン４Ａに接合されることによって、回路基板に取り付けられている。この接合は、たとえば、はんだ層３によって行われてもよい。ケース１４は金属ベース板２上において、電力用半導体素子８が実装された回路基板を収めている。ケース１４の取り付けは、ねじまたはシリコンゴムを用いて行い得る。充填部１５は、ケース１４内に充填された絶縁体からなり、回路基板上において電力用半導体素子８を封止している。充填部１５の材料は、たとえばシリコンゲルである。
図３および図４を参照して、比較例の電力モジュール９９は、上述した接合パターン４Ａと絶縁板５Ａと回路パターン６Ａとのそれぞれに代わり、接合パターン４Ｃと絶縁板５Ｓと回路パターン６Ｃとを有する。接合パターン４Ｃおよび回路パターン６Ｃは銅または銅合金から作られている。絶縁板５Ｓは窒化ケイ素セラミックスから作られている。
本比較例においては、回路パターン６Ｃに電気的に接続される部材、すなわち、電力用半導体素子８、ゲートＡｌワイヤ９、主Ａｌワイヤ１０、陽極Ｃｕ電極１１、陰極Ｃｕ電極１２および制御Ｃｕ電極１３の各々は、銅または銅合金からなる回路パターン６Ｃに接続されている。つまり回路パターン６Ｃへの電気的接続として、銅または銅合金への接続のみが用いられている。たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られたワイヤは、銅または銅合金から作られた回路パターン６Ｃに超音波接合によって接合されている。つまりワイヤの接続は、異種の材料間の接合、すなわちＡｌ／Ｃｕ接合として行われている。この接合界面には酸化膜が形成されやすく、その結果、電気的接合信頼性が不十分となりやすい。
これに対して本実施の形態（図１および図２）によれば、回路パターン６Ａがアルミニウムまたはアルミニウム合金から作られており、かつパッド板１Ｃが銅または銅合金から作られている。これにより、回路パターン６Ａへの電気的接続として、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られた回路パターン６Ａへの接合と、銅または銅合金から作られたパッド板１Ｃへの接合とを選択し得る。これにより、回路基板へ電気的に接続される部材の種類に応じて、より信頼性の高い接合方法を選択し得る。よって電気的接合信頼性を高めることができる。この結果、電力モジュール９１の耐久性が向上する。すなわち電力モジュール９１はより長期間に渡って使用可能である。
上記のように、アルミニウムまたはアルミニウム合金への接合と、銅または銅合金への接合とを選択し得ることは、直接接合において特に重要であり、たとえば超音波接合において有利である。
陽極Ｃｕ電極１１と、陰極Ｃｕ電極１２と、制御Ｃｕ電極１３とは、銅または銅合金から作られたパッド板１Ｃ上に直接に接合されている。このように電極の接続を同種の材料間の接合として行うことによって、電気的接合信頼性が高められる。
アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られたゲートＡｌワイヤ９および主Ａｌワイヤ１０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られた回路パターン６Ａに直接に接合されている。これによりワイヤの接続を同種の材料間の接合として行うことができる。よって電気的接合信頼性が高められる。またアルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられることで、金などの効果な材料が用いられる場合に比して、材料コストを低減することができる。
電力用半導体素子８をパッド板１Ｃに接合するための接合材７は銀を含有する。これにより熱伝導性が高められるので、電力用半導体素子からの熱をより効率的に除去することができる。よってヒートサイクルに対する電力モジュール９１の耐性がより高められる。
また、銀を含有する接合材７が適用されるのが銅または銅合金から作られたパッド板１Ｃに対してであることにより、接合が容易に行われ得る。なお銀を含有する接合材７をアルミニウムまたはアルミニウム合金から作られた回路パターン６Ａに対して直接に適用して接合を行うことは困難であり、この困難性は、回路パターン６Ａにニッケルめっきが施されていたとしても大きくは変わらない。
絶縁板５Ａの材料として熱伝導率が高い窒化アルミニウムセラミックスが用いられることにより、放熱効率が高められる。よって、電力モジュール９１に設けられる金属ベース板２または外部放熱器（図示せず）などの放熱系を小さくすることができる。
（実施の形態２）
図５および図６を参照して、本実施の形態の電力モジュール９２（電力用半導体装置）は、回路基板と、これに実装された電力用半導体素子８とを有する。回路基板は、絶縁板５Ｓと、接合パターン４Ｃと、回路パターン６Ｃと、パッド板１Ａとを有する。
絶縁板５Ｓは窒化ケイ素セラミックスから作られている。絶縁板５Ｓは下面Ｓ１（第１の面）と上面Ｓ２（第１の面と反対の第２の面）とを有する。
接合パターン４Ｃは絶縁板５Ｓの下面Ｓ１上に接合されている。接合パターン４Ｃは銅または銅合金から作られている。回路パターン６Ｃは絶縁板５Ｓの上面Ｓ２上に接合されている。回路パターン６Ｃは銅または銅合金から作られている。接合パターン４Ｃおよび回路パターン６Ｃの絶縁板５Ｓへの接合は、銅直接接合（ＤＢＣ： Direct Bonded Copper）またはＡＭＢにより行われ得る。
パッド板１Ａは回路パターン６Ｃに接合されている。この接合は、回路パターン６Ｃおよびパッド板１Ａを真空中で高温加圧することによる固相拡散接合により行い得る。パッド板１Ａは、回路パターン６Ｃを部分的にのみ覆っている。パッド板１Ａはアルミニウムまたはアルミニウム合金から作られている。
電力モジュール９２は、回路パターン６Ｃ上に直接に接合され銅または銅合金のいずれかから作られた電極を有する。これら電極は回路パターン６Ｃ上へ超音波接合によって接合されていることが好ましい。具体的には電力モジュール９２は、陽極Ｃｕ電極１１と、陰極Ｃｕ電極と、制御Ｃｕ電極１３とを有する。これらの電極は、ケース１４の内部から外部へと延びるもの、すなわち外部電極である。
電力モジュール９２は、アルミニウムおよびアルミニウム合金から作られたワイヤとして、ゲートＡｌワイヤ９および主Ａｌワイヤ１０を有する。ゲートＡｌワイヤ９および主Ａｌワイヤ１０の各々の一方端は電力用半導体素子８に接合されている。またゲートＡｌワイヤ９および主Ａｌワイヤ１０の各々の他方端はパッド板１Ａに直接に接合されており、好ましくは固相拡散接合によって接合されており、たとえば超音波接合によって接合されている。
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、回路パターン６Ｃが銅または銅合金から作られており、かつパッド板１Ａがアルミニウムまたはアルミニウム合金から作られている。これにより、回路パターン６Ｃへの電気的接続として、銅または銅合金から作られた回路パターン６Ｃへの接合と、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られたパッド板１Ａへの接合とを選択し得る。これにより、実施の形態１と同様、回路基板へ電気的に接続される部材の種類に応じて、より信頼性の高い接合方法を選択し得る。よって電気的接合信頼性を高めることができる。この結果、電力モジュール９２の耐久性が向上する。すなわち電力モジュール９２はより長期間に渡って使用可能である。
上記のように、アルミニウムまたはアルミニウム合金への接合と、銅または銅合金への接合とを選択し得ることは、直接接合において特に重要であり、たとえば超音波接合において有利である。
アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られたワイヤは、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られたパッド板１Ａに直接に接合されている。これによりワイヤの接続を同種の材料間の接合として行うことができる。よって電気的接合信頼性が高められる。なお本実施の形態においてはゲートＡｌワイヤ９の接合にもパッド板１Ａが用いられるが、パッド板は必ずしもすべてのワイヤに適用される必要はない。たとえば、電力モジュール９２の主電流の経路である主Ａｌワイヤ１０についてはパッド板１Ａが設けられる一方で、制御信号の経路であるゲートＡｌワイヤ９についてはパッド板１Ａが省略されてもよい。
絶縁板５Ｓが窒化ケイ素セラミックスから作られていることにより、必要な機械的強度をより小さい厚さで確保することができる。よって電力モジュール９２を小さくすることができる。
上記各実施の形態において電力用半導体素子８の半導体材料としては、たとえば、Ｓｉが用いられてもよく、ＳｉＣまたはＧａＮのようなワイドバンドギャップ半導体が用いられてもよい。ワイドバンドギャップ半導体は高温下での使用に適しており、この長所を利用するに際して、上述したような、電力用半導体素子８の電気的接続信頼性の確保は特に重要である。
なお本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１Ａ，１Ｃ パッド板、２ 金属ベース板、３ はんだ層、４Ａ，４Ｃ 接合パターン、５Ａ，５Ｓ 絶縁板、６Ａ，６Ｃ 回路パターン、７ 接合材、８ 電力用半導体素子、８ａ スイッチング半導体素子、８ｂ 整流半導体素子、９ ゲートＡｌワイヤ（ワイヤ）、１０ 主Ａｌワイヤ（ワイヤ）、１１ 陽極Ｃｕ電極（電極）、１２ 陰極Ｃｕ電極（電極）、１３ 制御Ｃｕ電極（電極）、１４ ケース、１５ 充填部、１６ ゲート抵抗、９１，９２ 電力モジュール（電力用半導体装置）、Ｓ１ 下面（第１の面）、Ｓ２ 上面（第２の面）。

Claims (6)

  1. 電力用半導体素子と、
    前記電力用半導体素子が実装された回路基板とを備え、前記回路基板は、
    窒化アルミニウムセラミックスから作られ、第１の面と前記第１の面と反対の第２の面とを有する絶縁板と、
    前記絶縁板の前記第１の面上に接合され、アルミニウムおよびアルミニウム合金のいずれかから作られた接合パターンと、
    前記絶縁板の前記第２の面上に接合され、アルミニウムおよびアルミニウム合金のいずれかから作られた回路パターンと、
    前記回路パターンに接合され、前記回路パターンを部分的にのみ覆い、銅および銅合金のいずれかから作られたパッド板と、を含む、
    電力用半導体装置。
  2. 前記パッド板上に直接に接合され、銅および銅合金のいずれかから作られた電極をさらに備える、請求項１に記載の電力用半導体装置。
  3. 前記電力用半導体素子は前記パッド板に、銀を含有する接合材を用いて接合されている、請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
  4. 前記回路パターンに直接に接合され、アルミニウムおよびアルミニウム合金のいずれかから作られたワイヤをさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  5. 電力用半導体素子と、
    前記電力用半導体素子が実装された回路基板とを備え、前記回路基板は、
    窒化ケイ素セラミックスから作られ、第１の面と前記第１の面と反対の第２の面とを有する絶縁板と、
    前記絶縁板の前記第１の面上に接合され、銅および銅合金のいずれかから作られた接合パターンと、
    前記絶縁板の前記第２の面上に接合され、銅および銅合金のいずれかから作られた回路パターンと、
    前記回路パターンに接合され、前記回路パターンを部分的にのみ覆い、アルミニウムおよびアルミニウム合金のいずれかから作られたパッド板と、を含む、
    電力用半導体装置。
  6. 前記パッド板に直接に接合され、アルミニウムおよびアルミニウム合金のいずれかから作られたワイヤをさらに備える、請求項５に記載の電力用半導体装置。
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