JP2023101032A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
(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
(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
(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
(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
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
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
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
(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
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
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
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)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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