JP6845758B2

JP6845758B2 - 半導体装置

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Publication number: JP6845758B2
Application number: JP2017134867A
Authority: JP
Inventors: 久里　裕二; 裕二久里; 真輝山成; 渡邉　尚威; 尚威渡邉; 伊東　弘晃; 弘晃伊東; 大部　利春; 利春大部; 和靖瀧本; 関谷　洋紀; 洋紀関谷; 優太市倉; 田多　伸光; 伸光田多; 大祐平塚; 尚隆飯尾; 仁嗣松村; 理映子水内
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2037-07-10
Also published as: JP2019016744A

Description

実施形態は、半導体装置に関する。

耐圧数kVを有するMW級の電力変換器は、大電流容量の半導体装置を用いて構成される。このような半導体装置は、並列実装された複数の半導体素子を含むが、そのうちの１つが短絡故障した場合、その素子に短絡電流が集中し、爆発的な破壊に至ることがある。半導体装置の短絡故障に適宜対応し、電力変換器を安定に動作させるためには、そのような破壊モードを抑制することが重要である。

特開平１０−１１６９３９号公報

実施形態は、短絡故障時における爆発的破壊を抑制できる半導体装置を提供する。

実施形態に係る半導体装置は、第１金属板と、前記第１金属板に向き合う第２金属板と、前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置された複数の半導体素子モジュールと、を備える。前記半導体素子モジュールは、前記第１金属板に接続された第１金属部材と、前記第２金属板に接続された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された半導体素子と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に前記半導体素子を封じた樹脂部材と、を有する。前記樹脂部材は、樹脂ベースと、前記樹脂ベース中に分散された前記樹脂ベースよりも熱伝導率が高いフィラーと、を含む。前記フィラーは、前記第１金属部材および前記第２金属部材の少なくともいずれか一方と同じ金属を含むか、前記一方に含まれる金属と固溶体を作る金属を含む。

実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。実施形態に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。比較例に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。実施形態に係る半導体素子モジュールを示す模式図である。実施形態に係る半導体素子モジュールを示す斜視図である。実施形態の変形例に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。実施形態の別の変形例に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。

図１は、実施形態に係る半導体装置１００を示す模式断面図である。半導体装置１００は、例えば、大電流型半導体装置であり、複数の半導体素子モジュール１を含む。

図２は、半導体素子モジュール１を示す模式断面図である。
図１に示すように、半導体装置１００は、金属板１０と、金属板２０と、２以上の半導体素子モジュール１と、を備える。金属板１０は、主面１０ａと、その反対側の主面１０ｂとを有する。金属板２０は、金属板１０の主面１０ａに向き合う主面２０ａと、その反対側の主面２０ｂと、を有する。半導体素子モジュール１は、金属板１０と、金属板２０との間に配置される。金属板１０および２０には、例えば、銅のような電気伝導性と熱伝導性に優れた材料を用いる。

金属板１０は、接合部材３０を介して半導体素子モジュール１に接続される。金属板２０は、接合部材４０を介して半導体素子モジュール１に接続される。接合部材３０および４０は、金属ハンダもしくは銀ペースト等の導電性接着剤である。

さらに、金属板１０および２０の側面にケース５０が付設され、金属板１０と金属板２０との間の空間が密閉される。金属板１０と金属板２０との間の空間には、例えば、ＳＦ_６等の絶縁ガスもしくはゲル状の絶縁部材が充填される。

半導体装置１００では、例えば、半導体素子１５（図２参照）をモジュール化した後に、金属板１０と金属板２０との間に配置する。このため、半導体素子モジュール１を特性試験した後に実装することが可能であり、製造過程における半導体素子１５の故障に起因する半導体装置１００の不良を大幅に低減することができる。また、金属板１０と金属板２０との間に半導体素子１５を直接実装する構造では、金属板１０および２０の半導体素子１５に接続される表面に高い平坦度が要求される。これに対して、半導体装置１００では、半導体素子１５をモジュール化した後に実装することから、加工精度を緩和することが可能であり、製造コストを低減することができる。

図２に示すように、半導体素子モジュール１は、金属部材１１と、金属部材１３と、半導体素子１５と、樹脂部材１７と、を含む。半導体素子１５は、金属部材１１と金属部材１３との間に配置される。

金属部材１１および１３は、例えば、電極プレートであり、銅もしくはアルミニウムなどの電気伝導性と熱伝導性に優れた材料を用いる。例えば、金属部材１１および１３は同じ材料で構成される。また、金属部材１１と金属部材１３の形状の違いによる熱歪みの差を低減するために、線膨張係数の異なる材料を用いることも可能である。

金属部材１１および１３には、所謂、加工硬化（もしくは歪硬化）された金属板を用いても良い。金属部材１１および１３には、例えば、プレス加工により硬化されたアルミニウム板を用いることができる。金属材料を加工硬化させることにより、例えば、その融点を下げることができる。

半導体素子１５は、樹脂部材１７を用いて金属部材１１および１３の間に封止される。例えば、真空状態の樹脂成型用金型内に樹脂を注入し、固化させる。これにより、金属部材１１、１３および半導体素子１５の近傍に気泡を残さずに樹脂部材１７を形成することができる。

樹脂部材１７は、例えば、メラミン系樹脂等の熱硬化性樹脂である。また、樹脂部材１７は、樹脂ベース２１と、フィラー２３および２５と、を含む。フィラー２３および２５には、樹脂ベース２１よりも熱伝導率の高い材料を用いる。また、フィラー２５の粒径は、フィラー２３の粒径よりも大きい。すなわち、粒径の異なるフィラーを用いることにより、粒径の揃ったフィラーを分散する場合に比べて充填率を高くすることができる。これにより、樹脂部材１７の熱伝導率をより大きくすることができる。

フィラー２３および２５には、例えば、窒化アルミニウム、窒化シリコンなどのセラミックスを用いる。表１に示すように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、フィラーとして多用されるガラスもしくは窒化ボロンよりも大きな熱伝導率を有する。また、フィラー２３および２５として金属粒子を用いても良い。

半導体素子１５は、電力スイッチング用半導体チップであり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。また、半導体装置１００に用いられる複数の半導体素子１５の一部は、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等のダイオードであっても良い。

半導体素子１５は、コレクタ電極とエミッタ電極（もしくは、ドレイン電極とソース電極、またはアノード電極とカソード電極）を有する。金属部材１１は、例えば、半導体素子１５のコレクタ電極に接合部材１８を介して接続される。金属部材１３は、例えば、半導体素子１５のエミッタ電極に接合部材１９を介して接続される。接合部材１８および１９は、金属ハンダもしくは銀ペースト等の導電性接着剤である。

金属部材１３は、例えば、第１部分１３ａと、第２部分１３ｂと、を含む。第２部分１３ｂは、第１部分１３ａと半導体素子１５との間に位置する。半導体素子１５は、接合部材１９を介して第２部分１３ｂに接続される。第２部分１３ｂは、例えば、半導体素子１５のエミッタ電極にフィットする形状を有する。

接合部材１８および１９には、接合部材３０および４０よりも高い融点を有する材料を用いることが好ましい。接合部材１８および１９には、例えば、錫と銀を含む融点２２０℃程度のハンダを使用し、接合部材３０および４０には、例えば、錫と銀と銅を含む融点２００℃程度のハンダを使用する。

例えば、半導体素子モジュール１を金属板１０および金属板２０にハンダ付けする際に、半導体素子モジュール１の内部において接合部材１８、１９が再溶融すると、樹脂部材１７にクラックが発生し、接合部材１８、１９の流出などによる故障が懸念される。本実施形態によれば、半導体素子モジュール１をハンダ付けするために接合部材３０および４０を加熱する際に、接合部材１８、１９の温度を融点以下に抑えることができる。これにより、接合部材１８、１９の再溶融を防ぎつつ、接合部材３０および４０を溶融させてハンダ付けすることが可能であり、半導体素子モジュール１の信頼性を向上させることができる。

図３は、比較例に係る半導体素子モジュール２を示す模式断面図である。半導体素子モジュール２は、金属部材１１と、金属部材１３と、半導体素子１５と、樹脂部材２７と、を含む。半導体素子モジュール２において、樹脂部材２７は、例えば、樹脂ベース２１と同じ材料を含み、フィラー２３および２５を含まない点で、樹脂部材１７とは異なる。すなわち、樹脂部材２７の熱伝導率は、樹脂部材１７の熱伝導率よりも低い。

例えば、半導体素子１５が短絡故障し、半導体素子モジュール２に短絡電流が流れると、樹脂部材２７により封止された半導体素子１５の温度がジュール熱により上昇し、接合部材１８、１９および他の金属部分が溶融する。さらに、樹脂部材２７にクラックＣＤが発生し、内部の溶融物が外部へ飛散する。この結果、半導体素子１５と金属部材１１もしくは１３との間に隙間が生じ、アーク放電等に起因する爆発的破壊に進展する可能性がある。

これに対し、本実施形態に係る半導体素子モジュール１では、樹脂部材１７にフィラー２３および２５を分散させることにより、その熱伝導率を大きくし、半導体素子１５から外部への熱放散を促進することができる。これにより、半導体素子１５の短絡故障時における温度上昇を抑制することが可能となり、クラックＣＤを抑制し、爆発的破壊を回避することができる。

フィラー２３および２５の材料としては、セラミックス、例えば、窒化アルミニウムを用いることが望ましい。また、ベリリウム酸化物もしくは炭化シリコン（ＳｉＣ）を用いることも可能であるが、ベリリウム酸化物は毒性を有するために用途が限定される。また、炭化シリコンは、半導体であり、樹脂部材１７の絶縁耐圧を低下させる恐れがある。

また、フィラー２３および２５の材料として金属を用いることも可能である。金属の熱伝導率は、窒化アルミニウムよりも大きい。したがって、樹脂部材１７への充填量を、セラミックスよりも少なくすることが可能であり、熱伝導率の低減と絶縁耐圧の維持を両立させることができる。

さらに、フィラー２３および２５の材料として、金属部材１１、１３もしくは接合部材１８、１９と同じ金属材料、または、それらと固溶体を形成する金属材料を用いることが好ましい。例えば、錫（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）を用いることができる。このような材料を用いたフィラー２３および２５は、短絡故障時の発熱により溶融した金属を覆い、凝固させる。これにより、低抵抗の電流経路が形成され、発熱を抑制することができる。その結果、半導体素子モジュール１の爆発的破壊を回避し、短絡状態を維持することができる。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、半導体素子モジュール１を示す別の模式図である。

図４（ａ）は、半導体素子モジュール１の断面図であり、図４（ｂ）は、半導体素子モジュール１の外観を示す斜視図である。なお、図４（ａ）は、図２とは別の断面であり、樹脂部材１７に分散されたフィラー２３および２５の図示を省略している。

図４（ａ）に示すように、半導体素子モジュール１は、樹脂部材１７に付設されたゲート端子３１を有する。半導体素子１５は、例えば、金属ワイヤを介してゲート端子３１に接続されるゲート電極（図５（ａ）参照）を含む。金属部材１１の底面１１Ｂおよび金属部材１３の上面１３Ｔは、樹脂部材１７から露出される。

図４（ｂ）に示すように、樹脂部材１７は、半導体素子モジュール１の側面を囲むように設けられる。ゲート端子３１は、樹脂部材１７から横方向に突出するように付設される。また、半導体素子モジュール１の上面には、金属部材１３の上面１３Ｔが露出される。一方、図示しない下面には、金属部材１１の底面１１Ｂが露出される。

このように、半導体素子モジュール１からゲート端子３１が突出した構造とすることにより、試験装置のプローブをゲート端子３１に接続し、半導体素子１５のゲート電極に電圧を印加することができる。さらに、半導体素子モジュール１の下面および上面に露出した金属部材１１および１３に電圧を印加することにより半導体素子モジュール１の電気試験を実施することができる。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、半導体素子モジュール１の構成を模式的に示す斜視図である。図５（ａ）は、金属部材１１上にマウントされた半導体素子１５を示す斜視図である。図５（ｂ）は、金属部材１３を示す斜視図である。

図５（ａ）に示すように、金属部材１１の上に、例えば、２つの半導体素子１５がマウントされる。金属部材１１の上に配置される半導体素子１５の数は任意であり、１つでも良いし、３つ以上でも良い。

半導体素子１５は、その表面に、エミッタ電極１５ｅと、ゲート電極１５ｇと、を有する。ゲート電極１５ｇは、例えば、金属ワイヤを介してゲート端子３１に接続される。また、半導体素子１５は、図示しない裏面にコレクタ電極を有し、金属部材１１は、接合部材１８（図４（ａ）参照）を介してコレクタ電極に接続される。

図５（ｂ）に示すように、金属部材１３は、第１部分１３ａと、第２部分１３ｂと、を含む。さらに、金属部材１３は、リセス部１３ｒを有する。第２部分１３ｂは、接合部材１９（図４（ａ）参照）を介してエミッタ電極１５ｅに電気的に接続される。リセス部１３ｒは、ゲート電極１５ｇに接続される金属ワイヤおよびゲート端子３１に干渉する部分を除去するために設けられる。リセス部１３ｒは、半導体素子１５の上に金属部材１３を重ねた時、ゲート電極１５ｇが露出されるように設けられる。

第２部分１３ｂは、Ｚ方向に見て第１部分１３ａの内側に位置するように設けられ、エミッタ電極１５ｅにフィットする形状を有する。第２部分１３ｂの表面は、例えば、エミッタ電極１５ｅと略同じ形状、もしくは、相似形である。第１部分１３ａの上に設けられる第２部分１３ｂの数は、半導体素子１５と同数である。

金属部材１１の厚さは、例えば、４ｍｍ以上である。また、金属部材１３の第１部分の厚さと第２部分の厚さの和も４ｍｍ以上である。

図６は、実施形態の変形例に係る半導体素子モジュール３を示す模式断面図である。半導体素子モジュール３は、金属部材４１と、金属部材４３と、半導体素子１５と、樹脂部材４７と、を含む。半導体素子１５は、金属部材４１と金属部材４３との間に配置される。半導体素子１５は、接合部材１８を介して金属部材４１に接続され、接合部材１９を介して金属部材４３に接続される。樹脂部材４７は、金属部材４１と金属部材４３との間に半導体素子１５を封じるように設けられる。樹脂部材４７は、図示しないフィラー２３および２５を含んでも良いし、また、フィラー２３および２５を含まない構成でもよい。

金属部材４１は、コア４１ａと、金属膜４１ｂと、を含む。金属膜４１ｂは、コア４１ａを覆うように設けられる。コア４１ａは、銅もしくはアルミニウムのような電気伝導性と熱伝導性に優れた金属である。金属膜４１ｂは、例えば、ニッケル膜もしくはコバルト膜であり、メッキ法を用いて形成される。

金属部材４３は、コア４３ａと、金属膜４３ｂと、を含む。金属膜４３ｂは、コア４３ａを覆うように設けられる。コア４３ａは、銅もしくはアルミニウムのような電気伝導性と熱伝導性に優れた金属である。金属膜４３ｂは、例えば、ニッケル膜もしくはコバルト膜であり、メッキ法を用いて形成される。

例えば、半導体素子１５が短絡故障した場合、半導体素子１５を流れる短絡電流により接合部材１８および１９が溶融される。半導体素子モジュール３では、金属膜４１ｂおよび４３ｂが接合部材１８および１９とそれぞれ固溶体を形成し、低抵抗の電流路を形成する。これにより、発熱が抑制され、爆発的な破壊を回避することができる。結果として、半導体素子モジュール３の短絡状態を維持することができる。さらに、樹脂部材４７にフィラー２３および２５を分散することにより放熱を促進し、爆発的破壊をより確実に防ぐ構成としても良い。

図７は、実施形態の別の変形例に係る半導体素子モジュール４を示す模式断面図である。半導体素子モジュール４は、金属部材５１と、金属部材５３と、半導体素子１５と、樹脂部材１７と、を含む。半導体素子１５は、金属部材５１と金属部材５３との間に配置される。半導体素子１５は、接合部材１８を介して金属部材５１に接続され、接合部材１９を介して金属部材５３に接続される。樹脂部材１７は、樹脂ベース２１、フィラー２３および２５を含む。金属部材５１は、その内部に空洞５１ａを有する。また、金属部材５３は、その内部に空洞５３ａを含む。

半導体素子モジュール４は、熱伝導率を向上させた樹脂部材１７を含む。これにより、半導体素子１５の熱を効率良く外部に放散させることができる。金属部材５１および５３に空洞５１ａおよび５３ａを設けると、熱伝導率の低下を招くが、例えば、樹脂部材１７を介した熱の放散により、これを相殺することができる。半導体素子モジュール４では、金属部材５１および５３に空洞５１ａおよび５３ａを設けることにより、その軽量化を図ることができる。これにより、半導体装置１００を軽量化することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、２、３、４…半導体素子モジュール、１０、２０…金属板、１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂ…主面、１１、１３、４１、４３、５１、５３…金属部材、１１Ｂ…底面、１３Ｔ…上面、１３ａ…第１部分、１３ｂ…第２部分、１３ｒ…リセス部、１５…半導体素子、１５ｅ…エミッタ電極、１５ｇ…ゲート電極、１７、２７、４７…樹脂部材、１８、１９、３０、４０…接合部材、２１…樹脂ベース、２３、２５…フィラー、３１…ゲート端子、４１ａ、４３ａ…コア、４１ｂ、４３ｂ…金属膜、５０…ケース、５１ａ、５３ａ…空洞、１００…半導体装置、ＣＤ…クラック

Claims

第１金属板と、
前記第１金属板に向き合う第２金属板と、
前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置された複数の半導体素子モジュールと、
を備え、
前記半導体素子モジュールは、前記第１金属板に接続された第１金属部材と、前記第２金属板に接続された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された半導体素子と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に前記半導体素子を封じた樹脂部材と、を有し、
前記樹脂部材は、樹脂ベースと、前記樹脂ベース中に分散された前記樹脂ベースよりも熱伝導率が高いフィラーと、を含み、
前記フィラーは、前記第１金属部材および前記第２金属部材の少なくともいずれか一方と同じ金属を含むか、前記一方に含まれる金属と固溶体を作る金属を含む半導体装置。
前記フィラーは、窒化アルミニウムを含む請求項１記載の半導体装置。
前記フィラーは、錫、銅、ニッケル、コバルトおよび銀のうちの少なくとも１つを含む請求項１記載の半導体装置。
第１金属板と、
前記第１金属板に向き合う第２金属板と、
前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置された複数の半導体素子モジュールと、
を備え、
前記半導体素子モジュールは、前記第１金属板に接続された第１金属部材と、前記第２金属板に接続された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に接合部材を介して配置された半導体素子と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に前記半導体素子を封じた樹脂部材と、を有し、
前記第１金属部材および前記第２金属部材は、前記接合部材と固溶体を形成する金属膜と、前記金属膜に覆われた金属コアと、を含む半導体装置。
前記樹脂部材は、樹脂ベースと、前記樹脂ベース中に分散された前記樹脂ベースよりも熱伝導率が高いフィラーと、を含む請求項４記載の半導体装置。
前記金属膜は、ニッケルもしくはコバルトを含む請求項４または５に記載の半導体装置。