JP2023101032A - Power semiconductor device - Google Patents

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直樹 櫻井
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Abstract

To attain increased quality of a solder and an increased yield of a power semiconductor module at the same time.SOLUTION: A power semiconductor device includes: a semiconductor layer; a first wire region and a second wire region formed in one surface side of the semiconductor layer; a gate finger wire formed between the first wire region and the second wire region; a passivation layer covering the gate finger wire; and a metal electrode layer covering the first wire region and the surface between the passivation layer and the second wire region, on a semiconductor substrate.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、パワー半導体素子に関する。 The present invention relates to power semiconductor devices.

電力変換装置に搭載されるパワー半導体素子(IGBTやSiC-MOSFETなど)は、HEV/EVモータ駆動の効率化のため、例えば、IGBTパッシベーション構造や材料などに改良が加えられており、日々技術発展が成されている。 Power semiconductor devices (IGBTs, SiC-MOSFETs, etc.) installed in power converters are being improved, for example, in IGBT passivation structures and materials, in order to improve the efficiency of HEV/EV motor driving, and the technology is developing day by day. is made.

本願発明の背景技術として、下記の特許文献1が知られている。特許文献1では、ベース電極106は層間絶縁膜である絶縁膜111によりエミッタ電極113と絶縁され、エミッタ電極113が形成されていない箇所で露出されている構成が開示されている。 The following patent document 1 is known as a background art of the present invention. Patent Document 1 discloses a configuration in which the base electrode 106 is insulated from the emitter electrode 113 by an insulating film 111, which is an interlayer insulating film, and is exposed where the emitter electrode 113 is not formed.

特開2013-041985号公報JP 2013-041985 A

特許文献1の構成では、絶縁膜111がポリイミドである場合に、半田付けするときに絶縁膜111は半田に濡れずに品質低下するため、半田の品質向上が課題であった。 In the configuration of Patent Document 1, when the insulating film 111 is made of polyimide, the quality of the insulating film 111 is degraded because the insulating film 111 does not get wet with the solder during soldering.

本発明におけるパワー半導体素子は、半導体層と、前記半導体層の一方の表面側にそれぞれ設けられる第1の配線領域および第2の配線領域と、前記第1の配線領域と前記第2の配線領域との間に形成されるゲートフィンガー配線と、前記ゲートフィンガー配線を覆うように設けられるパッシベーション層と、前記第1の配線領域と前記パッシベーション層と前記第2の配線領域との表面を覆って形成される金属電極層と、を半導体基板上に備えている。 A power semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor layer, a first wiring region and a second wiring region respectively provided on one surface side of the semiconductor layer, and the first wiring region and the second wiring region. a passivation layer provided to cover the gate finger wiring; and a surface of the first wiring region, the passivation layer, and the second wiring region. and a metal electrode layer formed on the semiconductor substrate.

本発明によれば、パワー半導体素子の半田濡れ性が向上するため、半田の品質向上とパワー半導体モジュールの歩留り向上との両立を実現させることができる。 According to the present invention, since the solder wettability of the power semiconductor element is improved, it is possible to achieve both the improvement of solder quality and the improvement of the yield of the power semiconductor module.

パワー半導体素子とリードフレームの実装部分を表す図である。It is a figure showing the mounting part of a power semiconductor element and a lead frame. 従来技術に代表されるパワー半導体素子の半田実装部分の構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of a solder-mounted portion of a power semiconductor device represented by conventional technology; 本発明の第1の実施形態に係るパワー半導体素子の半田実装部分の図である。It is a figure of the solder mounting part of the power semiconductor element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図3の平面図である。FIG. 4 is a plan view of FIG. 3; 本発明の第2の実施形態に係るパワー半導体素子の半田実装部分の図である。It is a figure of the solder mounting part of the power semiconductor element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

以下、図面を用いて本発明の第1の実施形態に係るパワー半導体素子の構成について図1~図4を用いて説明する。 1 to 4, the configuration of a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1の実施形態およびパワー半導体素子の構成)
図1は、パワー半導体素子とリードフレームの実装部分を表す図である。なお、以下本発明では、パワー半導体素子はIGBTを代表例にして説明する。
(Configuration of First Embodiment and Power Semiconductor Device)
FIG. 1 is a diagram showing a mounting portion of a power semiconductor element and a lead frame. In addition, in the present invention, an IGBT will be described as a typical example of the power semiconductor element.

IGBTおよびダイオード実装部は、半田1、パワー半導体素子であるIGBT2、ダイオード3、IGBT表面側リードフレーム4(以下、表面リードフレーム4)、IGBT裏面側リードフレーム5(以下、裏面リードフレーム5)、により構成されている。IGBTおよびダイオード実装部は、電力変換装置のパワー半導体モジュールの内部に備えられている。 The IGBT and diode mounting portion includes solder 1, IGBT 2 which is a power semiconductor element, diode 3, IGBT front side lead frame 4 (hereinafter referred to as front side lead frame 4), IGBT back side lead frame 5 (hereinafter referred to as back side lead frame 5), It is composed of The IGBT and diode mounting portion are provided inside the power semiconductor module of the power converter.

表面リードフレーム4と裏面リードフレーム5は、IGBT2とダイオード3に金属接合材である半田1が半田付けされる。なお、本発明で用いるIGBT2は、ゲート配線を持つ構成ならばSiC-MOSFETなど他のデバイスでもよい。 The front lead frame 4 and the back lead frame 5 are soldered to the IGBT 2 and the diode 3 with solder 1, which is a metal bonding material. The IGBT 2 used in the present invention may be another device such as SiC-MOSFET as long as it has a gate wiring.

また、本発明は半田1の上にリードフレーム4,5を覆うように形成され、IGBTチップを両面冷却のパワー半導体モジュールに実装することができる。つまり、IGBTチップの上下面は、リードフレームに半田付けされる。上下面のリードフレームは冷却器につながっており半導体基板の両面を放熱することができる。 Further, the present invention is formed so as to cover the lead frames 4 and 5 on the solder 1, and the IGBT chip can be mounted on the double-sided cooling power semiconductor module. That is, the upper and lower surfaces of the IGBT chip are soldered to the lead frame. The lead frames on the upper and lower surfaces are connected to a cooler and can dissipate heat from both sides of the semiconductor substrate.

図2は、従来技術に代表されるパワー半導体素子の半田実装部分を示す断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a solder-mounted portion of a power semiconductor device represented by the prior art.

IGBT2Aは、第1のエミッタ配線6、第2のエミッタ配線7、金属電極層8A(以下、電極層8A)、パッシベーション層9A、ゲート配線部10、シリコン層16で構成されている。 The IGBT 2A is composed of a first emitter wiring 6, a second emitter wiring 7, a metal electrode layer 8A (hereinafter referred to as electrode layer 8A), a passivation layer 9A, a gate wiring portion 10, and a silicon layer 16. FIG.

従来技術であるIGBT2Aのエミッタ側は、紙面上部に表されている。なお図2では、半田1は紙面上部のみに図示されているが、紙面下部の電極層8Aの下側からも半田1が塗布されている。つまり、IGBT2の電極層8Aと対向して導体板であるリードフレーム4および5が配置されてパワー半導体モジュールが構成されている。 The emitter side of the prior art IGBT 2A is shown at the top of the page. In FIG. 2, the solder 1 is shown only in the upper part of the paper, but the solder 1 is also applied from below the electrode layer 8A in the lower part of the paper. That is, the lead frames 4 and 5, which are conductor plates, are arranged to face the electrode layer 8A of the IGBT 2 to form a power semiconductor module.

第1のエミッタ配線6および第2のエミッタ配線7は、半導体層であるIGBT2Aの一方の表面側にエミッタとして設けられる第1の配線領域および第2の配線領域である。IGBT2Aの他方の表面側にはコレクタ電極が形成される。 A first emitter wiring 6 and a second emitter wiring 7 are a first wiring region and a second wiring region provided as emitters on one surface side of the IGBT 2A, which is a semiconductor layer. A collector electrode is formed on the other surface side of the IGBT 2A.

シリコン層16はトレンチゲート加工され、イオンが注入されている。ゲートトレンチ15は、シリコン層16の一方の表面側に複数設けられる。ゲートトレンチ15は、その中に絶縁層を介して設けられるトレンチゲート電極を有している。この複数のゲートトレンチ15により、シリコン層16が複数のトランジスタセル部に区画されている。なお、図2のトランジスタセル部に記載のp,p+,n+は他のトランジスタセル部も同様なので、記載は省略する。また、後述の図3や図5についてはシリコン層16の構成は同様のため、記載は省略する。 The silicon layer 16 is trench gated and implanted with ions. A plurality of gate trenches 15 are provided on one surface side of the silicon layer 16 . The gate trench 15 has a trench gate electrode provided therein via an insulating layer. The plurality of gate trenches 15 partition the silicon layer 16 into a plurality of transistor cell portions. Note that p, p+, and n+ described in the transistor cell portion of FIG. 2 are the same in other transistor cell portions, so their description is omitted. 3 and 5, which will be described later, are omitted because the structure of the silicon layer 16 is the same.

第1のエミッタ配線6と第2のエミッタ配線7とゲート配線部10とは、半導体層であるシリコン層16の上に設置されたAl素材の配線を、エッチング加工することで形成される。第1のエミッタ配線6と第2のエミッタ配線7は、その表面を金属であるTiとNiとAgとを複合含有したスパッタが散布され、覆われるように電極層8Aが形成されている。なお、この電極層8AはIGBT2Aのエミッタ側であり、それとは反対側のコレクタ側にも電極層8Aが形成されている。 The first emitter wiring 6, the second emitter wiring 7, and the gate wiring section 10 are formed by etching wiring of Al material placed on the silicon layer 16, which is a semiconductor layer. An electrode layer 8A is formed so as to cover the surfaces of the first emitter wiring 6 and the second emitter wiring 7 with a sputter containing a composite of metals Ti, Ni, and Ag. This electrode layer 8A is on the emitter side of the IGBT 2A, and another electrode layer 8A is also formed on the opposite collector side.

IGBT2Aは、エミッタ配線6および7内にチップ上で多数の微小なセルがレイアウトされている。IGBTチップの面積すべてを高抵抗のポリシリコンのトレンチゲート15のみでゲートを充放電して駆動すると、IGBT2のチップの端部と比べて中央部のIGBTセルはスイッチング時に遅れが生じる。そのため、IGBT2のオン/オフ時に各IGBTセルが遅れなく応答できるように、IGBTエミッタ領域内を上下に貫通するように低抵抗のAl素材の配線を中央に通し、これをゲート配線部10とする。詳細は図4で後述する。これにより、IGBTのセル全体を遅れなくオン/オフすることができる。 The IGBT 2A has a large number of minute cells laid out on the chip within the emitter wirings 6 and 7 . If the entire area of the IGBT chip is driven by charging/discharging the gate only with the high-resistance polysilicon trench gate 15, the IGBT cells in the central portion of the IGBT2 chip will have a delay in switching compared to the edge portions of the chip. Therefore, in order for each IGBT cell to respond without delay when the IGBT 2 is turned on and off, a low-resistance Al material wire is passed through the center of the IGBT emitter region so as to penetrate vertically, and this is used as the gate wiring portion 10 . . Details will be described later with reference to FIG. This allows the entire IGBT cell to be turned on/off without delay.

ゲート配線部10はAl素材の配線の上にポリイミドがのっており、前述した第1の配線領域と第2の配線領域との間に形成されるゲートフィンガー配線である。ゲート配線部(ゲートフィンガー配線)10は、後述の電極パッドと複数のトレンチゲート電極とを電気的に接続している。 The gate wiring portion 10 is a gate finger wiring formed between the first wiring region and the second wiring region, wherein polyimide is placed on a wiring made of Al material. A gate wiring portion (gate finger wiring) 10 electrically connects an electrode pad (to be described later) and a plurality of trench gate electrodes.

トレンチゲート15は、シリコンにポリシリコンを埋めている構成になっている。複数のトレンチゲート15の上の層にAl電極を形成し、エッチング加工することで、エミッタ電極部分とゲート電極部分に分離して、第1のエミッタ配線6と第2のエミッタ配線7とゲート配線部10とを形成している。パッシベーション層9Aは、ポリイミドが素材となっている絶縁膜であり、ゲート配線部10を覆うように設けられる。 The trench gate 15 has a structure in which polysilicon is embedded in silicon. An Al electrode is formed in a layer above the plurality of trench gates 15 and etched to separate the emitter electrode portion and the gate electrode portion into a first emitter wiring 6, a second emitter wiring 7 and a gate wiring. forming part 10 . The passivation layer 9A is an insulating film made of polyimide, and is provided so as to cover the gate wiring section 10 .

従来技術では、IGBT2Aの中央部にあるゲート配線部10が、パッシベーション層9Aにより覆われて、その上に半田1がある構成になっている。しかし、この構成では、リードフレーム4および5とIGBT2Aとの半田付け後に、パッシベーション層9Aの周囲で半田1が剥離してしまうおそれがある。これは、パッシベーション層9Aを構成しているポリイミドと半田1とは接合性が非常に悪く、互いにくっつきにくいことに起因している。これにより、ゲート配線部10を覆っているパッシベーション層9Aと半田1との間に剥離12が起こる。つまり、パッシベーション層9Aのポリイミドが半田1に濡れず、IGBT2Aの半田濡れ性を悪化させている。 In the prior art, the gate wiring portion 10 in the central portion of the IGBT 2A is covered with the passivation layer 9A, and the solder 1 is placed thereon. However, in this configuration, after soldering the lead frames 4 and 5 and the IGBT 2A, the solder 1 may peel off around the passivation layer 9A. This is because the polyimide constituting the passivation layer 9A and the solder 1 have very poor bonding properties and are difficult to stick to each other. As a result, peeling 12 occurs between the passivation layer 9A covering the gate wiring portion 10 and the solder 1. Next, as shown in FIG. In other words, the polyimide of the passivation layer 9A does not get wet with the solder 1, degrading the solder wettability of the IGBT 2A.

これにより、パワー半導体モジュールを実装し稼働した際に、IGBT2A内に発生した剥離12を起点にして、剥離部分がエミッタ電極層8Aと半田1との間にまで広がり悪影響がでてしまう。つまり、剥離12によって連鎖的に起こる不十分な半田濡れ性が、半田1の品質悪化とパワー半導体モジュールの歩留りの悪化との要因となっている。 As a result, when the power semiconductor module is mounted and operated, the delamination 12 generated in the IGBT 2A will spread to between the emitter electrode layer 8A and the solder 1, causing an adverse effect. In other words, the insufficient solder wettability that occurs in a chain reaction due to the peeling 12 is a factor in the deterioration of the quality of the solder 1 and the deterioration of the yield of the power semiconductor module.

図3は、本発明の第1の実施形態に係るパワー半導体素子の半田実装部を示す断面図である。なお、シリコン層16の構成は図2と同じである。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing a solder-mounted portion of the power semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The structure of the silicon layer 16 is the same as that shown in FIG.

本実施形態の半導体素子2では、図2の従来技術においてエミッタ配線6および7の表面に形成されている電極層8を、図3のようにさらにパッシベーション層9の表面にも形成している。またパッシベーション層9の素材はポリイミドではなく窒化シリコン(SiN)で構成されている。そのうえで、IGBT2の基板の両面から表面リードフレーム4と裏面リードフレーム5とを、半田1により接着させている。なお、パッシベーション層9の素材に使われるSiNは、絶縁できるのであれば他の素材を用いてもよい。 In the semiconductor element 2 of this embodiment, the electrode layer 8 formed on the surfaces of the emitter wirings 6 and 7 in the prior art of FIG. 2 is further formed on the surface of the passivation layer 9 as shown in FIG. The material of the passivation layer 9 is silicon nitride (SiN) instead of polyimide. In addition, the front lead frame 4 and the back lead frame 5 are bonded by solder 1 from both sides of the substrate of the IGBT 2 . It should be noted that SiN used as the material for the passivation layer 9 may be replaced by other materials as long as they can be insulated.

つまり、IGBT2はゲート配線部10をパッシベーション層9で絶縁し、SiN素材のパッシベーション層9上に金属であるTiとNiとAgとを複合含有した電極層8をスパッタによって形成している。そうすることで、従来技術で示したように、ゲート配線部10の上の半田1とパッシベーション層9であるポリイミドとの剥離部分で生まれる半田未濡れによる不良が無くなり、半田濡れ性を向上させている。 That is, the IGBT 2 insulates the gate wiring portion 10 with the passivation layer 9, and forms the electrode layer 8 containing Ti, Ni, and Ag in combination on the passivation layer 9 made of SiN material by sputtering. By doing so, as shown in the prior art, defects due to non-wetting of the solder generated at the peeled portion between the solder 1 on the gate wiring portion 10 and the polyimide that is the passivation layer 9 are eliminated, and the solder wettability is improved. there is

これにより、半田1が電極層8と金属結合することで、半田1が均一に濡れるようになり、半導体素子2とリードフレーム4および5との良好な接合が得られる。さらに、第1のエミッタ配線6と第2のエミッタ配線7とパッシベーション層9に、切れ目なく半田1に濡れる金属材料8が形成されているため、分離されたエミッタ配線6,7の間をつなぐ導電性材料となるだけでなく、IGBT2の半田濡れ性が向上する。IGBT2の半田濡れ性の向上により、半田1の実装性を向上させており、半田品質も向上しパワー半導体モジュールの歩留り向上を実現できる。 As a result, the solder 1 is metallically bonded to the electrode layer 8, so that the solder 1 is evenly wetted, and good bonding between the semiconductor element 2 and the lead frames 4 and 5 is obtained. Furthermore, since the metal material 8 that is seamlessly wetted by the solder 1 is formed on the first emitter wiring 6, the second emitter wiring 7, and the passivation layer 9, the conductive connection between the separated emitter wirings 6 and 7 is formed. In addition to being a flexible material, the solder wettability of the IGBT 2 is improved. By improving the solder wettability of the IGBT 2, the mountability of the solder 1 is improved, the quality of the solder is also improved, and the yield of the power semiconductor module can be improved.

図4は、図3のパワー半導体素子の半田実装部の平面図である。 4 is a plan view of a solder-mounted portion of the power semiconductor device of FIG. 3. FIG.

紙面手前側の面がIGBT2のエミッタ側であり、IGBT2のコレクタチップの裏側にあたる。IGBT2のエミッタ側は、カソード17、ミラーエミッタ18、ゲート19、アノード20、ケルビンエミッタ21と、前述したエミッタ電極層6および7によって構成されている。 The surface on the front side of the paper is the emitter side of the IGBT 2 and corresponds to the back side of the collector chip of the IGBT 2 . The emitter side of the IGBT 2 is composed of a cathode 17, a mirror emitter 18, a gate 19, an anode 20, a Kelvin emitter 21, and the emitter electrode layers 6 and 7 described above.

エミッタ電極層6および7は、IGBT2の複数のチップが敷き詰められて構成されており、シリコン層16の一方の表面に設けられ、一面のパッド状になっている。アノード20とカソード17は、間に温度センスダイオードを挟んでいる。前述したように、ゲート配線部10は、IGBT2のオン/オフ時に各IGBTセルが遅れなく応答できるように、IGBTのパッド内を上下に貫通している。 The emitter electrode layers 6 and 7 are constructed by laying a plurality of chips of the IGBT 2, are provided on one surface of the silicon layer 16, and form a pad-like surface. Anode 20 and cathode 17 sandwich a temperature sensing diode therebetween. As described above, the gate wiring portion 10 penetrates vertically through the pad of the IGBT so that each IGBT cell can respond without delay when the IGBT 2 is turned on/off.

従来技術とは異なり、IGBT2のゲート配線部10にあたる部分は、金属スパッタ散布が施されている。そのため、従来技術であったパッシベーション層9のポリイミドによりパッドが分断されるということはなく、一面全体に電極があるパッドになる。これにより、半田濡れ性向上させている。なお、IGBT2のパッド周辺に構成されているAl素材のガードリング配線14は、絶縁のためにポリイミドによって覆われている。 Unlike the prior art, the portion corresponding to the gate wiring portion 10 of the IGBT 2 is sputtered with metal. Therefore, the pad is not divided by the polyimide of the passivation layer 9, which is conventional technology, and the pad has electrodes over the entire surface. This improves solder wettability. The guard ring wiring 14 made of Al material and formed around the pad of the IGBT 2 is covered with polyimide for insulation.

以上、第1の実施形態を説明したが、金属電極層8および8Aは、半田濡れ性があればAuなどの材料を含有させてもよい。また、リードフレーム4,5とIGBT2および2Aとの接合において、接合材料は半田1ではなくAgシンター材やCuシンター材でもよい。 Although the first embodiment has been described above, the metal electrode layers 8 and 8A may contain a material such as Au as long as it has solder wettability. Also, in the bonding between the lead frames 4 and 5 and the IGBTs 2 and 2A, the bonding material may be an Ag sinter material or a Cu sinter material instead of the solder 1. FIG.

また、図4のように本実施形態ではゲート配線は1本だけであるが、2本引く構成としてもよい。つまり、IGBTセルが敷き詰められているパッド部分がゲート配線部10によって2分割される構成でもよいし、ゲート配線部10を2本通して3分割される構成でもよい。さらに、3本以上のゲート配線部10を設けるようにしてもよい。 Also, as shown in FIG. 4, only one gate line is provided in this embodiment, but two lines may be drawn. In other words, the pad portion where the IGBT cells are spread may be divided into two parts by the gate wiring part 10, or may be divided into three parts by passing two gate wiring parts 10 through them. Furthermore, three or more gate wiring portions 10 may be provided.

以上説明した本発明の第1の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。 According to the first embodiment of the present invention described above, the following effects are obtained.

(1)パワー半導体素子2は、半導体層16と、前記半導体層16の一方の表面側にそれぞれ設けられる第1の配線領域6および第2の配線領域7と、前記第1の配線領域6と前記第2の配線領域7との間に形成されるゲートフィンガー配線10と、前記ゲートフィンガー配線10を覆うように設けられるパッシベーション層9と、前記第1の配線領域6と前記パッシベーション層9と前記第2の配線領域7との表面を覆って形成される金属電極層8と、を半導体基板上に備えている。このようにしたので、パワー半導体素子の半田濡れ性が向上するため、半田の品質向上とパワー半導体モジュールの歩留り向上との両立を実現させることができる。 (1) The power semiconductor element 2 includes a semiconductor layer 16, a first wiring region 6 and a second wiring region 7 provided on one surface side of the semiconductor layer 16, and the first wiring region 6. A gate finger wiring 10 formed between the second wiring region 7, a passivation layer 9 provided so as to cover the gate finger wiring 10, the first wiring region 6, the passivation layer 9 and the and a metal electrode layer 8 formed to cover the surface of the second wiring region 7 on the semiconductor substrate. Since the power semiconductor element has improved solder wettability, it is possible to achieve both improved solder quality and increased yield of the power semiconductor module.

(2)パワー半導体素子2の半導体層16の一方の表面側に設けられた複数のゲートトレンチ15と、複数のゲートトレンチ15中に絶縁層を介してそれぞれ設けられる複数のトレンチゲート電極と、複数のゲートトレンチ15によって区画される複数のトランジスタセル部と、半導体層16の一方の表面に設けられたゲート電極パッドと、を備え、ゲートフィンガー配線10は、ゲート電極パッドと複数のトレンチゲート電極とを電気的に接続する。このようにしたので、絶縁素材の配置に関係なく、パワー半導体素子の構成を実現できる。 (2) a plurality of gate trenches 15 provided on one surface side of the semiconductor layer 16 of the power semiconductor element 2; a plurality of trench gate electrodes provided in the plurality of gate trenches 15 via an insulating layer; and a gate electrode pad provided on one surface of the semiconductor layer 16. The gate finger wiring 10 includes the gate electrode pad and the plurality of trench gate electrodes. electrically connected. With this configuration, the configuration of the power semiconductor element can be realized regardless of the arrangement of the insulating material.

(3)パワー半導体素子2のパッシベーション層9は、窒化シリコンで構成されている。このようにしたので、半田1の半田実装性が高まり、パワー半導体モジュールの信頼性が向上する。 (3) The passivation layer 9 of the power semiconductor element 2 is made of silicon nitride. As a result, the solder mountability of the solder 1 is improved, and the reliability of the power semiconductor module is improved.

(4)パワー半導体素子2の他方の表面側にはドレイン電極またはコレクタ電極が形成される。このようにしたので、エミッタ電極とは反対側の電極の特性に限定されずに、パワー半導体モジュールの信頼性が向上する。 (4) A drain electrode or a collector electrode is formed on the other surface side of the power semiconductor element 2 . Since this is done, the reliability of the power semiconductor module is improved without being limited by the characteristics of the electrode on the side opposite to the emitter electrode.

(5)パワー半導体モジュールは、パワー半導体素子2と、パワー半導体素子2の金属電極層8と対向して配置される導体板4と、パワー半導体素子2の金属電極層8と導体板4とを接合する金属接合材1とを備える。このようにしたので、半田実装性が高まり、パワー半導体モジュールの信頼性が向上する。 (5) The power semiconductor module includes the power semiconductor element 2, the conductor plate 4 arranged to face the metal electrode layer 8 of the power semiconductor element 2, and the metal electrode layer 8 of the power semiconductor element 2 and the conductor plate 4. and a metal bonding material 1 to be bonded. As a result, solder mountability is improved, and the reliability of the power semiconductor module is improved.

(第2の実施形態)
図5は、本発明の第2の実施形態に係るパワー半導体素子2Bの半田実装部の構成図である。基本構成は図3で説明した第1の実施形態と同様である。
(Second embodiment)
FIG. 5 is a configuration diagram of a solder-mounted portion of a power semiconductor device 2B according to the second embodiment of the present invention. The basic configuration is the same as that of the first embodiment described with reference to FIG.

第1の実施形態において、パワーサイクルなどの熱ストレスが印加されたときに、半田1とパッシベーション層9との線膨張係数差により、半田1と直に接触している場合は熱ストレスでパッシベーション層9にクラックなどのダメージが発生することが懸念される。これは、SiN素材でできたパッシベーション層9が比較的固く形成されていることに起因する。 In the first embodiment, when thermal stress such as a power cycle is applied, due to the difference in the coefficient of linear expansion between the solder 1 and the passivation layer 9, if the solder 1 is in direct contact with the passivation layer due to the thermal stress. There is concern that damage such as cracks may occur in 9 . This is because the passivation layer 9 made of SiN material is relatively hard.

それを防ぐために、半田1と接合する金属エミッタ層8Bと第1のパッシベーション層9Bとの間に、第1のパッシベーション層9Bとは異なる素材であるポリイミドで形成された第2のパッシベーション層13を入れる。これにより、熱ストレスから第1のパッシベーション層9Bを保護してダメージを緩和させ、パワー半導体モジュールの信頼性を向上させる。これは、ポリイミド13が樹脂材で比較的やわらかいことに起因しており、温度サイクルやパワーサイクルで発生する熱ストレス・応力をIGBT2の基板上で緩和できる。 In order to prevent this, a second passivation layer 13 made of polyimide, which is a material different from that of the first passivation layer 9B, is provided between the metal emitter layer 8B and the first passivation layer 9B, which are bonded to the solder 1. put in. This protects the first passivation layer 9B from thermal stress, mitigates damage, and improves the reliability of the power semiconductor module. This is because the polyimide 13 is a resin material and is relatively soft, so that thermal stress and stress generated by temperature cycles and power cycles can be relieved on the substrate of the IGBT 2 .

以上説明した本発明の第2の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。 According to the second embodiment of the present invention described above, the following effects are obtained.

(6)パワー半導体素子2のパッシベーション層9と金属電極層8との間には、パッシベーション層9とは異なる第2のパッシベーション層13が形成される。このようにしたので、熱ストレスと応力をIGBT2の基板上で緩和できる。 (6) A second passivation layer 13 different from the passivation layer 9 is formed between the passivation layer 9 and the metal electrode layer 8 of the power semiconductor element 2 . By doing so, the thermal stress and stress can be relieved on the substrate of the IGBT2.

(7)パワー半導体素子2の第2のパッシベーション層13は、ポリイミドで構成されている。このようにしたので、熱ストレスから第1のパッシベーション層9を保護してダメージを緩和させ、パワー半導体モジュールの信頼性を向上させる。 (7) The second passivation layer 13 of the power semiconductor element 2 is made of polyimide. By doing so, the first passivation layer 9 is protected from thermal stress, the damage is alleviated, and the reliability of the power semiconductor module is improved.

なお、上記の各実施形態では、パワー半導体素子としてIGBTを用いた場合の例を説明したが、他のパワー半導体素子を用いた場合にも本発明を適用可能である。例えばIGBTに替えてMOSFETを用いた場合、図3,5のエミッタ配線6,7をMOSFETのソース配線に置き換えることで、各実施形態で説明したのと同様の構造を実現できる。これ以外にも、半導体層の一方の表面側にそれぞれ設けられる複数の配線領域を有し、各配線領域の間にゲートフィンガー配線とパッシベーション層が設けられるパワー半導体素子であれば、本発明を適用することができる。 In each of the above-described embodiments, an example in which an IGBT is used as a power semiconductor element has been described, but the present invention can also be applied when other power semiconductor elements are used. For example, when MOSFETs are used instead of IGBTs, the same structure as described in each embodiment can be realized by replacing the emitter wirings 6 and 7 in FIGS. 3 and 5 with the source wirings of the MOSFETs. In addition to this, the present invention can be applied to any power semiconductor device having a plurality of wiring regions provided on one surface side of a semiconductor layer and having gate finger wirings and a passivation layer provided between the wiring regions. can do.

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。また、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能であり、その態様も本発明の範囲内に含まれる。 The above description is merely an example, and when interpreting the invention, there is no limitation or restriction on the corresponding relationship between the descriptions of the above embodiments and the descriptions of the claims. In addition, it is possible to delete, replace with another configuration, or add another configuration without departing from the technical idea of the invention, and such aspects are also included in the scope of the present invention.

1…半田、2…IGBT、3…ダイオード、4…IGBT表面側リードフレーム、
5…IGBT裏面側リードフレーム、6…第1のエミッタ配線、
7…第2のエミッタ配線、8,8A…金属電極層、
9,9A…第1のパッシベーション層、10…ゲート配線部、12…剥離部分、
13…第2のパッシベーション層、14…ガードリング配線、15…ゲートトレンチ、
16…シリコン層、17…カソード、18…ミラーエミッタ、19…ゲート、
20…アノード、21…ケルビンエミッタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Solder 2... IGBT 3... Diode 4... IGBT surface side lead frame,
5... IGBT backside lead frame, 6... first emitter wiring,
7... second emitter wiring, 8, 8A... metal electrode layer,
9, 9A... First passivation layer, 10... Gate wiring portion, 12... Stripped portion,
13... Second passivation layer, 14... Guard ring wiring, 15... Gate trench,
16... Silicon layer, 17... Cathode, 18... Mirror emitter, 19... Gate,
20... Anode, 21... Kelvin emitter

Claims (7)

半導体層と、
前記半導体層の一方の表面側にそれぞれ設けられる第1の配線領域および第2の配線領域と、
前記第1の配線領域と前記第2の配線領域との間に形成されるゲートフィンガー配線と、
前記ゲートフィンガー配線を覆うように設けられるパッシベーション層と、
前記第1の配線領域と前記パッシベーション層と前記第2の配線領域との表面を覆って形成される金属電極層と、
を半導体基板上に備えた
パワー半導体素子。
a semiconductor layer;
a first wiring region and a second wiring region respectively provided on one surface side of the semiconductor layer;
a gate finger wire formed between the first wiring region and the second wiring region;
a passivation layer provided to cover the gate finger wiring;
a metal electrode layer formed to cover surfaces of the first wiring region, the passivation layer, and the second wiring region;
on a semiconductor substrate.
請求項1に記載のパワー半導体素子であって、
前記半導体層の前記一方の表面側に設けられた複数のゲートトレンチと、
前記複数のゲートトレンチ中に絶縁層を介してそれぞれ設けられる複数のトレンチゲート電極と、
前記複数のゲートトレンチによって区画される複数のトランジスタセル部と、
前記半導体層の前記一方の表面に設けられたゲート電極パッドと、を備え、
前記ゲートフィンガー配線は、前記ゲート電極パッドと前記複数のトレンチゲート電極とを電気的に接続するパワー半導体素子。
The power semiconductor device according to claim 1,
a plurality of gate trenches provided on the one surface side of the semiconductor layer;
a plurality of trench gate electrodes respectively provided in the plurality of gate trenches via an insulating layer;
a plurality of transistor cell portions partitioned by the plurality of gate trenches;
a gate electrode pad provided on the one surface of the semiconductor layer;
The power semiconductor element, wherein the gate finger wiring electrically connects the gate electrode pad and the plurality of trench gate electrodes.
請求項1に記載のパワー半導体素子であって、
前記パッシベーション層は、窒化シリコンで構成されているパワー半導体素子。
The power semiconductor device according to claim 1,
The power semiconductor device, wherein the passivation layer is made of silicon nitride.
請求項1に記載のパワー半導体素子であって、
前記パワー半導体素子の他方の表面側には電極が形成されるパワー半導体素子。
The power semiconductor device according to claim 1,
A power semiconductor element having an electrode formed on the other surface side of the power semiconductor element.
請求項1に記載のパワー半導体素子であって、
前記パッシベーション層と前記金属電極層との間には、前記パッシベーション層とは異なる第2のパッシベーション層が形成されるパワー半導体素子。
The power semiconductor device according to claim 1,
A power semiconductor device, wherein a second passivation layer different from the passivation layer is formed between the passivation layer and the metal electrode layer.
請求項5に記載のパワー半導体素子であって、
前記第2のパッシベーション層は、ポリイミドで構成されているパワー半導体素子。
A power semiconductor device according to claim 5,
The power semiconductor device, wherein the second passivation layer is made of polyimide.
請求項1乃至6のいずれかに記載のパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の前記金属電極層と対向して配置される導体板と、
前記パワー半導体素子の前記金属電極層と前記導体板とを接合する金属接合材と、を備えたパワー半導体モジュール。
A power semiconductor device according to any one of claims 1 to 6;
a conductor plate disposed facing the metal electrode layer of the power semiconductor element;
A power semiconductor module comprising a metal bonding material for bonding the metal electrode layer of the power semiconductor element and the conductor plate.
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