JP2020043154A - Semiconductor device and manufacturing method therefor, and power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置、及び、半導体装置の製造方法、並びに、電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a method for manufacturing a semiconductor device, and a power conversion device.
半導体装置のうちの電力用半導体装置は、産業用機器から家電及び情報端末まで幅広い機器の主電力(パワー)の制御に用いられており、特に、輸送機器等に用いられる電力用半導体装置には、高い信頼性が求められている。そこで、従来のシリコン(Si)を用いた半導体素子に代えて、炭化珪素(SiC)等のワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子を電力用半導体素子として備えた電力用半導体装置の開発が進められており、高パワー密度化及び高温動作化が進められている。 Power semiconductor devices among semiconductor devices are used for controlling main power (power) of a wide range of devices from industrial devices to home appliances and information terminals. , High reliability is required. Therefore, development of a power semiconductor device including a semiconductor element using a wide band gap semiconductor such as silicon carbide (SiC) as a power semiconductor element instead of a conventional semiconductor element using silicon (Si) has been advanced. Therefore, higher power density and higher temperature operation are being promoted.
従来の電力用半導体装置において、電力用半導体素子と、回路基板及び外部電極との接続には、一般的にアルミニウム(Al)を主材料とする金属ワイヤを、超音波圧着または超音波圧着により接合するウェッジボンディング法が用いられる。しかしながら、電力用半導体装置の動作時に電力用半導体素子が発熱すると、電力用半導体素子と金属ワイヤとの間の熱膨張係数の差異に起因して熱応力が発生する。この熱応力などにより、金属ワイヤが電力用半導体素子から剥離してしまうことがあり、電力用半導体装置の寿命が金属ワイヤ接合の疲労寿命により決定されてしまうことがあった。このような問題に対して、特許文献1には、電力用半導体素子のゲート電極及びエミッタ電極が、緩衝板を介して金属配線と接合する技術が開示されている。 In a conventional power semiconductor device, a metal wire mainly composed of aluminum (Al) is generally bonded by ultrasonic pressure bonding or ultrasonic pressure bonding to connect a power semiconductor element to a circuit board and external electrodes. A wedge bonding method is used. However, when the power semiconductor element generates heat during operation of the power semiconductor device, thermal stress is generated due to a difference in thermal expansion coefficient between the power semiconductor element and the metal wire. The metal wire may be separated from the power semiconductor element due to the thermal stress or the like, and the life of the power semiconductor device may be determined by the fatigue life of the metal wire bonding. To cope with such a problem, Patent Literature 1 discloses a technique in which a gate electrode and an emitter electrode of a power semiconductor element are bonded to metal wiring via a buffer plate.
特許文献1の技術によれば、緩衝板によって、金属ワイヤを超音波接合する際の荷重及び超音波エネルギーによる半導体素子へのダメージを低減できるので、Alワイヤよりも高強度で接合部の信頼性向上が期待できる銅(Cu)ワイヤを使用できる。しかしながら、緩衝板を備えるため、電気抵抗の増大により発熱が大きくなってしまうという新たな問題が生じる。 According to the technology of Patent Document 1, the buffer plate can reduce the damage to the semiconductor element due to the load and ultrasonic energy at the time of ultrasonic bonding of the metal wires. A copper (Cu) wire that can be expected to be improved can be used. However, the provision of the buffer plate causes a new problem that heat generation increases due to an increase in electric resistance.
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、半導体装置の信頼性を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a technology capable of improving the reliability of a semiconductor device.
本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子の主面上に配設された金属焼結材と、前記金属焼結材によって前記半導体素子と接合された配線部材とを備え、前記配線部材の一部分は、前記半導体素子の前記主面と離間された状態で前記金属焼結材に埋設されている。 A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor element, a metal sintered material disposed on a main surface of the semiconductor element, and a wiring member joined to the semiconductor element by the metal sintered material. A part of the wiring member is buried in the metal sintered material while being separated from the main surface of the semiconductor element.
本発明によれば、配線部材が金属焼結材によって半導体素子と接合され、配線部材の一部分が、半導体素子の主面と離間された状態で金属焼結材に埋設されるので、半導体装置の信頼性を高めることができる。 According to the present invention, the wiring member is joined to the semiconductor element by the metal sintered material, and a part of the wiring member is embedded in the metal sintered material while being separated from the main surface of the semiconductor element. Reliability can be improved.
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置である電力用半導体装置12の主要部の構成を示す上面図であり、図2は、図1のA−A線に沿った断面図である。図1及び図2に示すように、電力用半導体装置12は、基板2と、接合部材3と、半導体素子である電力用半導体素子4と、それぞれが配線部材である複数の金属ワイヤ6と、金属焼結材である金属焼結体7e,7gとを備える。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a top view showing a configuration of a main part of a
基板2は、セラミックからなる絶縁基板2aと、絶縁基板2aに配設された回路パターン2b,2c,2d,2eとを備える。回路パターン2b,2c,2dは、絶縁基板2aの上面に配設され、回路パターン2eは、絶縁基板2aの下面に配設される。
The substrate 2 includes an
電力用半導体素子4の下面は、回路パターン2bと接合部材3によって接合されている。電力用半導体素子4は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、FWD(Free Wheeling Diode)、及び、SBD(Schottky Barrier Diode)の少なくともいずれか1つを含み、かつ珪素(Si)を含む。
The lower surface of the power semiconductor element 4 is joined to the
電力用半導体素子4の上面には、エミッタ電極4eとゲート電極4gとが離間して配設されている。エミッタ電極4e及びゲート電極4gは、例えばスパッタ法により成膜された厚さ5μmのアルミニウム(Al)を主材料とする膜と、その上に無電解めっき法により成膜された厚さ10μmのニッケル(Ni)を主材料とする膜と、その上にフラッシュめっき法により成膜された厚さ0.05μmの金(Au)を主材料とする膜とからなる3層構造を有する。このようなエミッタ電極4e及びゲート電極4gによれば、金属焼結体7e,7gと良好な接合を得ることができる。
On the upper surface of the power semiconductor element 4, an
金属焼結体7e,7gは、電力用半導体素子4の主面である上面に配設されたエミッタ電極4e及びゲート電極4g上にそれぞれ配設されている。金属焼結体7e,7gの厚さは例えば50μmである。
The metal
複数の金属ワイヤ6の一部分である一端は、金属焼結体7e,7gによってエミッタ電極4e及びゲート電極4gと接合されている。また、複数の金属ワイヤ6の別部分である他端は、超音波接合処理、または、荷重のみによる圧着によって、回路パターン2c,2dと接合されている。本実施の形態1では、金属ワイヤ6は、Auワイヤ、銀(Ag)ワイヤ、または、銅(Cu)ワイヤを含むが、これに限ったものではない。
One end which is a part of the plurality of
図3及び図4は、それぞれ図2の点線枠L及び点線枠R内の拡大断面図である。なお、図3、図4に示される破線は、複数の金属ワイヤ6の一端の下端の位置を示す。図3及び図4に示すように、複数の金属ワイヤ6の一端は、エミッタ電極4e及びゲート電極4gと離間された状態で金属焼結体7e,7gに埋設されている。なお、金属焼結体7e,7g内には、複数の空隙10が含まれている。
FIG. 3 and FIG. 4 are enlarged cross-sectional views in the dotted frame L and the dotted frame R of FIG. 2 respectively. Note that the broken lines shown in FIGS. 3 and 4 indicate the positions of the lower ends of the one ends of the plurality of
次に、本実施の形態1に係る電力用半導体装置12の製造方法について説明する。まず、回路パターン2b〜2eを有する基板2を準備する。そして、焼結性金属粒子と分散材とを混錬した金属ペーストを、スクリーン印刷またはディスペンスによって回路パターン2b上に供給する。その後、金属ペースト上の所定の位置に電力用半導体素子4を加圧搭載し、電力用半導体素子4の裏面全面に当該金属ペーストを広げる。それから上記金属ペーストと同様に、焼結前の金属焼結体7e,7gである金属ペーストを、エミッタ電極4e及びゲート電極4g上に供給する。
Next, a method for manufacturing the
次に、金属ワイヤ6の一端を、エミッタ電極4e及びゲート電極4gと離間された状態でエミッタ電極4e及びゲート電極4g上の金属ペーストに埋める。その後、金属ワイヤ6の他端を超音波接合処理などによって回路パターン2c,2dに接合する。それから、これまでに構成された一体品を200℃以上の温度で加熱して、各金属ペースト中の焼結性金属粒子を焼結させることによって、接合部材3及び金属焼結体7e,7gを形成する。この際、焼結性金属粒子のネッキングの形成と、分散材の揮発とが起こることによって、接合部材3及び金属焼結体7e,7g内に空隙10が形成される。
Next, one end of the
接合部材3によって電力用半導体素子4と回路パターン2bとが接合され、金属焼結体7e,7gによってエミッタ電極4e及びゲート電極4gと複数の金属ワイヤ6とが接合される。以上によって、本実施の形態1に係る電力用半導体装置12が完成する。
The power semiconductor element 4 and the
<実施の形態1のまとめ>
本実施の形態1に係る電力用半導体装置12では、緩衝板を用いずに、金属焼結体7e,7gを介して金属ワイヤ6を電力用半導体素子4に接合する。これにより、緩衝板と緩衝板を搭載する工程とを省略できるため、従来の電力用半導体装置よりも材料コスト及び製造コストの低減が期待できる。
<Summary of Embodiment 1>
In the
また本実施の形態1では、金属ワイヤ6の一部分が金属焼結体7e,7gに埋設されている。これにより、金属ワイヤ6と金属焼結体7e,7gとの接合面積が拡大して強固な接合を実現することができるので、接合部の信頼性を高めることができる。なお、金属ワイヤ6のうちワイヤ径の半分以上の部分が金属焼結体7e,7gに埋まり、かつ、金属ワイヤ6の一部が金属焼結体7e,7gから露出されていることが望ましい。金属焼結体7e,7gの厚さは、金属ワイヤ6の直径の半分以上であることが望ましい。
Further, in the first embodiment, a part of the
また本実施の形態1では、金属ワイヤ6のうち、金属焼結体7e,7gに埋設された一部分は、電力用半導体素子4の主面から離間されている。これにより、超音波接合処理などによる衝撃が金属ワイヤ6から電力用半導体素子4に伝わることによる電力用半導体素子4へのダメージを抑制することができる。この結果、一般的なワイヤボンディングを用いて電力用半導体装置12を形成することができる。以上により、信頼性に優れた電力用半導体素子4を実現することができる。
In the first embodiment, a part of the
また本実施の形態1では、金属ワイヤ6は、Auワイヤ、Agワイヤ、または、Cuワイヤを含む。これらのワイヤは、Alワイヤよりも再結晶温度が高く、電力用半導体素子4の高温動作に耐えることが可能である。このため、より信頼性に優れた電力用半導体素子4を実現することができる。
In the first embodiment, the
<変形例>
実施の形態1では、電力用半導体素子4がSiによって構成されていたが、これに限ったものではない。例えば、電力用半導体素子4は、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって構成されてもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。このようなワイドバンドギャップ半導体によって構成されたスイッチング素子やダイオード素子等の半導体素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。このため、スイッチング素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。また耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。さらに電力損失が低いため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。なお、スイッチング素子及びダイオード素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって構成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体よって構成されていても、上記の効果をある程度得ることができる。
<Modification>
In the first embodiment, the power semiconductor element 4 is made of Si, but is not limited to this. For example, the power semiconductor element 4 may be formed of a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon. Examples of the wide band gap semiconductor include silicon carbide, a gallium nitride-based material, and diamond. Semiconductor elements such as switching elements and diode elements formed of such a wide band gap semiconductor have high withstand voltage and high allowable current density. Therefore, it is possible to reduce the size of the switching element and the diode element, and by using the reduced switching element and the diode element, it is possible to reduce the size of a semiconductor module incorporating these elements. In addition, since the heat resistance is high, the size of the heat radiation fins of the heat sink can be reduced, and the air cooling of the water cooling section can be achieved. Further, since the power loss is low, the efficiency of the switching element and the diode element can be increased, and thus the efficiency of the semiconductor module can be increased. It is desirable that both the switching element and the diode element are made of a wide band gap semiconductor. However, even if one of the elements is made of a wide band gap semiconductor, the above effects can be obtained to some extent. .
<実施の形態2>
本発明の実施の形態2に係る電力変換装置は、実施の形態1に係る電力用半導体装置を有する主変換回路を備えた電力変換装置である。以上で説明した電力用半導体装置は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、本実施の形態2として、三相のインバータに、実施の形態1に係る電力用半導体装置を適用した場合について説明する。
<Embodiment 2>
A power converter according to a second embodiment of the present invention is a power converter including a main conversion circuit having the power semiconductor device according to the first embodiment. Although the power semiconductor device described above is not limited to a specific power converter, hereinafter, a power semiconductor device according to the first embodiment is applied to a three-phase inverter as a second embodiment. A description will be given of the case in which this is done.
図5は、本実施の形態2に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。 FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of a power conversion system to which the power conversion device according to the second embodiment is applied.
図5に示す電力変換システムは、電源100、電力変換装置200、負荷300から構成される。電源100は、直流電源であり、電力変換装置200に直流電力を供給する。電源100は種々の電源で構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成されてもよいし、交流系統に接続された整流回路やAC/DCコンバータで構成されてもよい。また、電源100は、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するDC/DCコンバータによって構成されてもよい。
The power conversion system illustrated in FIG. 5 includes a
電力変換装置200は、電源100と負荷300との間に接続された三相のインバータであり、電源100から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷300に交流電力を供給する。電力変換装置200は、図5に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路201と、主変換回路201を制御する制御信号を主変換回路201に出力する制御回路203とを備えている。
The
負荷300は、電力変換装置200から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷300は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置200の詳細を説明する。主変換回路201は、スイッチング素子と還流ダイオードとを備えており(図示せず)、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源100から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷300に供給する。主変換回路201の具体的な回路構成には種々の構成があるが、本実施の形態2に係る主変換回路201は2レベルの三相フルブリッジ回路であり、6つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された6つの還流ダイオードとから構成することができる。主変換回路201の各スイッチング素子及び各還流ダイオードの少なくともいずれか1つは、上述した実施の形態1に係る電力用半導体装置が適用された半導体モジュール202によって構成される。6つのスイッチング素子は2つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相(U相、V相、W相)を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路201の3つの出力端子は、負荷300に接続される。
Hereinafter, the details of the
駆動回路202は、主変換回路201のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路201のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、駆動回路202は、後述する制御回路203からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号(オン信号)であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号(オフ信号)となる。
The
制御回路203は、負荷300に所望の電力が供給されるよう主変換回路201のスイッチング素子を制御する。具体的には、制御回路203は、負荷300に供給すべき電力に基づいて主変換回路201の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間(オン時間)を算出する。例えば、制御回路203は、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するPWM(Pulse Width Modulation)制御によって主変換回路201を制御することができる。そして、制御回路203は、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路201が備える駆動回路に制御指令(制御信号)を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
The
以上のような本実施の形態2に係る電力変換装置では、主変換回路201のスイッチング素子及び還流ダイオードの少なくともいずれか1つとして、実施の形態1に係る電力用半導体装置を適用するため、信頼性を高めることができる。
In the power converter according to the second embodiment as described above, since the power semiconductor device according to the first embodiment is applied as at least one of the switching element and the free wheel diode of the
以上で説明した本実施の形態2では、2レベルの三相インバータに、実施の形態1に係る電力用半導体装置を適用する例を説明したが、本実施の形態2は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態2では、実施の形態1に係る電力用半導体装置は、2レベルの電力変換装置であるとしたが、3レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに上記電力用半導体装置を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはDC/DCコンバータやAC/DCコンバータに上記電力用半導体装置を適用することも可能である。 In the second embodiment described above, an example is described in which the power semiconductor device according to the first embodiment is applied to a two-level three-phase inverter. However, the second embodiment is limited to this. Instead, it can be applied to various power converters. In the second embodiment, the power semiconductor device according to the first embodiment is a two-level power converter, but may be a three-level or multi-level power converter, or may be a single-phase load. When power is supplied to the power semiconductor device, the power semiconductor device may be applied to a single-phase inverter. When supplying power to a DC load or the like, the power semiconductor device can be applied to a DC / DC converter or an AC / DC converter.
また、本実施の形態2に係る電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。 Further, the power conversion device according to the second embodiment is not limited to the case where the load is an electric motor, for example, an electric discharge machine, a laser machine, or an induction heating cooker or a non-contact power supply system. It can be used as a power supply device, and can also be used as a power conditioner for a solar power generation system, a power storage system, or the like.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 In the present invention, each embodiment and each modified example can be freely combined, and each embodiment and each modified example can be appropriately modified or omitted within the scope of the invention.
4 電力用半導体素子、6 金属ワイヤ、7e,7g 金属焼結体、12 電力用半導体装置、200 電力変換装置、201 主変換回路、203 制御回路。 Reference Signs List 4 power semiconductor element, 6 metal wire, 7e, 7g metal sintered body, 12 power semiconductor device, 200 power conversion device, 201 main conversion circuit, 203 control circuit.
Claims (5)
前記半導体素子の主面上に配設された金属焼結材と、
前記金属焼結材によって前記半導体素子と接合された配線部材と
を備え、
前記配線部材の一部分は、前記半導体素子の前記主面と離間された状態で前記金属焼結材に埋設されている、半導体装置。 A semiconductor element;
A metal sintered material disposed on a main surface of the semiconductor element,
A wiring member joined to the semiconductor element by the metal sintered material,
A semiconductor device, wherein a part of the wiring member is buried in the metal sintered material while being separated from the main surface of the semiconductor element.
前記配線部材は、Auワイヤ、Agワイヤ、または、Cuワイヤを含む、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein:
The semiconductor device, wherein the wiring member includes an Au wire, an Ag wire, or a Cu wire.
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体を含む、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein:
The semiconductor device, wherein the semiconductor element includes a wide band gap semiconductor.
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と
を備える、電力変換装置。 A main conversion circuit, comprising: the semiconductor device according to claim 1, wherein the main conversion circuit converts input power and outputs the converted power.
And a control circuit for outputting a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit.
(b)配線部材の一部分を、前記半導体素子の前記主面と離間された状態で前記金属焼結材に埋める工程と、
(c)前記工程(b)の後に、前記配線部材の別部分に超音波接合処理を行う工程と、
(d)前記工程(c)の後に、前記金属焼結材を加熱して焼結することによって、前記配線部材を前記半導体素子に接合する工程と
を備える、半導体装置の製造方法。 (A) applying a metal sintered material before sintering on the main surface of the semiconductor element;
(B) a step of burying a part of the wiring member in the metal sintered material while being separated from the main surface of the semiconductor element;
(C) performing an ultrasonic bonding process on another portion of the wiring member after the step (b);
(D) bonding the wiring member to the semiconductor element by heating and sintering the metal sintered material after the step (c).
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