JP6895307B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体チップを備えた半導体装置に関する。
半導体装置は、直流電源から供給された直流電力をモーターなどの誘導性負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいはモーターにより発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する機能を備えている。この交流電力を直流電量に変換する機能を果すために、半導体装置は、スイッチング機能を有するパワー半導体チップを備えている。そして、半導体装置は、導通動作と遮断動作を繰り返すことにより、直流電力から交流電力へ、あるいは、交流電力から直流電力へ、電力を変換する制御を行っている。
パワー半導体チップを備えた半導体装置は、放熱ベースの上に、配線パターンを形成した絶縁基板がはんだ等で接合され、その絶縁基板の配線パターンの上に、パワー半導体チップがはんだ等で搭載されている。パワー半導体チップには、表裏に電極が備えられ、裏面の電極は絶縁基板上の配線パターンと接続され、表面の電極はワイヤーを介して絶縁基板上の配線パターンと接続される。鉄道用途などの大電力用の半導体装置では、絶縁基板を複数搭載することで、大電流に対応できるようにしている。
半導体装置の絶縁基板上に搭載されるパワー半導体チップには、スイッチング素子として、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と、還流ダイオードが搭載される。
パワー半導体チップを備えた半導体装置において、配線部材とパワー半導体チップとの熱膨張差に基づく、配線部材とパワー半導体チップとの接合面の剥離を防止する、という課題がある。
この課題に対して、特許文献1には、絶縁基板上に装着されたパワー半導体チップ及び平板金属によって形成された半導体装置が開示されている。この特許文献1に開示された半導体装置は、パワー半導体チップの電極部と対向する電極対向部と、この電極対向部から折曲されて延在する立ち上げ部と、この立ち上げ部に連なる導出部とを有する配線部材を備えて、パワー半導体モジュールが構成されている。そして、このパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体チップの電極部と配線部材の電極対向部とが、導電性樹脂によって接続されている。
特開2000−124398号公報
近年、パワー半導体装置の電流密度が上昇している。特に、炭化ケイ素(SiC)を用いたパワー半導体チップは、シリコン(Si)を用いたパワー半導体チップと比較して、最大動作温度がより高く、より大電流を流すことが可能となってきた。
パワー半導体装置の電流密度が上昇すると、一つのパワー半導体チップに流れる電流量が増加するため、発熱量が増大し、これに伴う熱伸縮が発生する。そして、この熱伸縮により、パワー半導体チップの裏面の電極と絶縁基板の配線パターンを接続する接合層が劣化する、パワー半導体チップの表面の電極とワイヤーの接合の信頼性が低下する、という問題が生じる。
また、特許文献1では、パワー半導体チップと配線部材との接続を、導電性樹脂(エポキシ樹脂等の樹脂をマトリクス材料として、銀等の導電性の充填剤を充填したもの)で行っている。そのため、パワー半導体チップの動作温度が高くなった場合に、導電性樹脂の耐熱性が十分ではなく、接続の信頼性が十分に得られない。
本発明の目的は、パワー半導体チップの表面電極に接続される配線の接合信頼性を向上させることを目的とする。
また、本発明の上記の目的及びその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
上記課題を解決するため、本発明の半導体装置は、パワー半導体チップと、回路配線パターンを有する絶縁基板と、パワー半導体チップの表面電極と接合された積層金属板と、積層金属板に接合されたワイヤーと、絶縁基板が接合された放熱ベースと、パワー半導体チップを絶縁基板に接合する第1の接合層と、積層金属板を前記パワー半導体チップの前記表面電極に接合する第2の接合層を備える。
そして、積層金属板は、第1金属層、第3金属層、及び、第1金属層と第3金属層に挟まれた第2金属層が積層されて形成される。さらに、第2金属層は、第1金属層及び第3金属層よりも厚く、かつ第1金属層及び第3金属層よりも熱膨張係数が小さい。
さらに、積層金属板の第1金属層に対する第2金属層の厚さは、5倍以上18倍以下であり、積層金属板の厚さは、0.3mm以上1.0mm以下であり、積層金属板の第1金属層は銅、第2金属層は36Ni−Fe、第3金属層は銅である。
本発明によれば、パワー半導体チップを備えた半導体装置の信頼性を向上することができる。これにより、半導体装置の寿命の向上を図ることができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の一実施の形態の半導体装置の概略構成図(断面図)である。 従来の半導体装置の概略構成図(断面図)である。 積層金属板の厚さが1mmの場合の、金属層の厚さの比と熱応力繰り返し回数比との関係を示したグラフである。 積層金属板の厚さが0.6mmの場合の、金属層の厚さの比と熱応力繰り返し回数比との関係を示したグラフである。 積層金属板の厚さが0.3mmの場合の、金属層の厚さの比と熱応力繰り返し回数比との関係を示したグラフである。
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。
本発明の一実施形態の半導体装置の概略構成図(断面図)を、図1に示す。
本実施形態の半導体装置は、パワー半導体チップであるMOSFET101、ワイヤー102、絶縁基板103、放熱ベース104、積層金属板105、ドレイン端子106C、ソース端子106E、MOSFET101の下の接合層107、積層金属板105の下の接合層108、絶縁基板103の下の接合層109を備える。
MOSFET101は、半導体層101S、ドレイン電極101C及びソース電極101Eで構成されている。半導体層101Sの裏面(絶縁基板103側)には、ドレイン電極101Cが設けられ、半導体層101Sの表面(ワイヤー102側)には、ソース電極101Eが設けられている。
本実施形態では、半導体層101SにSiC(シリコンカーバイド)を用いている。半導体層101SにSiCを用いることにより、Siを用いた場合よりも、MOSFET101の最大動作温度を高くすることができる。
ワイヤー102は、直径300μm程度の銅ワイヤーである。より多くの電流を流すため、ワイヤーは通常複数本配置されている。
絶縁基板103は、絶縁層103Iと、裏面金属層103M、ドレイン配線パターン103C、ソース配線パターン103Eで構成されている。絶縁層103Iには、厚さ0.63mm程度の窒化アルミニウム(AlN)が用いられている。その他、耐圧や用途によっては、絶縁層に窒化珪素(Si)、酸化アルミニウム(Al)等のセラミック材料が用いられることもある。
絶縁層103Iの裏側(放熱ベース104側)には、裏面金属層103Mが接合されている。裏面金属層103Mは、厚さ0.2mm程度のCu(銅)の層である。
絶縁基板103の表面側、すなわち、MOSFET101側には、ドレイン配線パターン103C及びソース配線パターン103Eが接合されている。ドレイン配線パターン103C及びソース配線パターン103Eは、厚さ0.3mm程度のCuの層である。
放熱ベース104は、パワー半導体チップから発せられた熱を、効率良く外部の冷却器に伝える役目をしている。放熱ベース104の材質としては、アルミニウム(Al)とシリコンカーバイド(SiC)の複合材料(AlSiC)が用いられる。放熱ベース104の厚さは、5mm程度である。
積層金属板105は、上層(ワイヤー102側)から順に、第1金属層105A、第2金属層105B、第3金属層105Cの3層の金属層で構成されている。第1金属層105Aには銅を、第2金属層105Bにはインバー(36Ni−Fe)を、第3金属層105Cには銅を、それぞれ用いている。インバーは、熱膨張係数が1.8±0.2(10−6/K)であり、銅の熱膨張係数16.9(10−6/K)に比べて小さい。したがって、第2金属層105Bは、第1金属層105A及び第3金属層105Cよりも、熱膨張係数が小さい。
ドレイン端子106C及びソース端子106Eは、厚さ1.5mm程度の銅板を折り曲げ加工したものであり、それぞれドレイン配線パターン103C、ソース配線パターン103Eに接合され、外部機器との電流の流入流出に用いる端子である。
MOSFET101のドレイン電極101Cは、絶縁基板103上のドレイン配線パターン103Cに、接合層107を介して接続されている。
MOSFET101のソース電極101E上には、積層金属板105が、接合層108を介して接合されている。
積層金属板105上及び絶縁基板103のソース配線パターン103E上には、ワイヤー102が接合されている。
絶縁基板103は、接合層109を介して、放熱ベース104と接続されている。
接合層107及び接合層108には、銅の焼結体が用いられる。
ワイヤー102は、積層金属板105の第1金属層105Aに接合されている。すなわち、ワイヤー102は、接合層を介さず直接、積層金属板105に接合されている。
MOSFET101がオン状態の場合、ドレイン端子106Cから流入した電流は、ドレイン配線パターン103C、接合層107、MOSFET101、接合層108、積層金属板105、ワイヤー102、ソース配線パターン103Eを通ってソース端子106Eから流出する。
なお、半導体装置には、この他にも、上述した構成の全体を覆う樹脂ケース、放電防止のための内部充填剤等を必要とするが、本実施形態で開示する技術内容と直接関係しないため、図示及び説明を省略した。
ここで、本実施形態と従来技術の違いについて説明する。従来の半導体装置の概略構成図(断面図)を、図2に示す。
図2に示す従来の半導体装置は、本実施形態で用いている積層金属板105とその接合材である接合層108がなく、ワイヤー102がソース電極101Eに直接接合されている。
また、従来の半導体装置は、MOSFET101の下の接合層107として、はんだが用いられている。
さらにまた、従来の半導体装置は、ワイヤー102として、直径400μmのAl(アルミニウム)ワイヤーが用いられている。
これに対して、本実施形態の半導体装置では、MOSFET101とCuのワイヤー102の間に積層金属板105を介在させている。積層金属板105は、MOSFET101の半導体層101Sより熱膨張係数が大きく、Cu(銅)のワイヤー102より熱膨張係数が小さい。このため、Cuのワイヤー102やソース電極101Eにかかる熱応力が低減され、半導体装置の信頼性を高めることができる。
積層金属板105は、第1金属層105A、第2金属層105B、第3金属層105Cの厚さの比率により、熱膨張係数を調整することが可能である。そして、積層金属板105の第2金属層105Bを、第1金属層105A及び第3金属層105Cよりも厚く、かつ第1金属層105A及び第3金属層105Cよりも線膨張係数を小さくすることにより、信頼性の高い接合となる。
さらに、各金属層をより好適な厚さの比率にすることにより、破壊に至る熱応力の繰り返し回数をより増大させることが可能である。
また、従来の半導体装置のように、Alワイヤーを用いた場合、AlワイヤーとMOSFET101の熱膨張係数差に起因した熱応力がAlワイヤーに繰り返しかかることにより、Alワイヤーにクラックが入り破壊に至ることが問題になっていた。
これに対して、本実施形態の半導体装置において、ワイヤー102として用いているCuワイヤーは、従来のAlワイヤーに比べ、降伏応力が高く、熱応力がかかってもクラックが入りにくい、という特性がある。したがって、本実施形態では、Cuワイヤーを用いることにより、信頼性の高い接合が得られる。
また、従来の半導体装置のように、MOSFET101の下の接合層107として、はんだが用いられている場合、MOSFET101と絶縁基板103の熱膨張係数差に起因した熱応力がパワー半導体チップの下の接合層107に繰り返しかかることにより、はんだにクラックが入り破壊に至ることが問題になっていた。
これに対して、本実施形態の半導体装置において、MOSFET101の下の接合層107として用いている、銅の焼結体は、従来のはんだに比べて、降伏応力が高く、熱応力がかかってもクラックが入りにくい、という特性がある。したがって、銅の焼結体を用いることにより、信頼性の高い接合が得られる。
ただし、銅の焼結体に限定する必要はなく、例えば銀の焼結体を用いても、信頼性の高い接合が得られる。
本実施形態では、さらに、積層金属板105の下の接合材である接合層108にも、銅の焼結体を用いているため、同様に信頼性の高い接合が得られる。
なお、絶縁基板103と放熱ベース104の間の接合層109にかかる熱応力はあまり大きくない。そのため、接合層109には、接合層107や接合層108と同様に、銅の焼結体を用いてもよいし、他の材料、例えば銀の焼結体やはんだを用いてもよい。
ここで、図1に示した本実施の形態の半導体装置において、積層金属板105全体の厚さを同じとして、金属板105A,105B,105Cの厚さの比率を変えて、熱応力に対する特性を調べた。
積層金属板105の全体の厚さが1mmの場合について、第1金属層105Aと第3金属層105Cは同じ厚さとして、第2金属層105Bの厚さ/第1金属層105Aの厚さの比率を1〜20の間で変えて、半導体装置の試料を作製した。
同様にして、積層金属板105の全体の厚さが0.6mmの場合、0.3mmの場合についても、第2金属層105Bの厚さ/第1金属層105Aの厚さの比率を1〜20の間で変えて、半導体装置の試料を作製した。
作製した半導体装置の各試料に対して、熱応力を繰り返し加えて、破壊に至るまでの熱応力の繰り返し回数を測定した。熱応力の繰り返しの条件は、MOSFET101に間欠的な電流を流すことにより、MOSFET101の温度が50℃から175℃に上昇し再び50℃に降下することを繰り返す温度負荷とした。
そして、第2金属層105Bと第1金属層105Aが同じ厚さの場合、つまり第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が1の場合を基準として、この基準の場合の繰り返し回数に対する各試料の繰り返し回数の比を求めた。この繰り返し回数の比を、以下、「熱応力繰り返し回数比」と呼ぶ。
図3は、積層金属板105の厚さが1mmの場合の、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率と、破壊に至るまでの熱応力繰り返し回数比との関係を表したグラフである。
図3に示すように、破壊に至るまでの熱応力繰り返し回数比は、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が1の場合よりも、1より大きい場合の方が増大することがわかる。特に、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が5以上18以下の場合、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が1の場合に比べ、破壊に至るまでの熱応力繰り返し回数が4倍以上増大する。さらに好ましくは、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が9以上16以下の場合、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が1の場合に比べ、破壊に至るまでの熱応力繰り返し回数が4.5倍以上増大する。
図4は、積層金属板105の厚さが0.6mmの場合の、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率と、破壊に至るまでの熱応力繰り返し回数比の関係を表したグラフである。
図4に示すように、破壊に至るまでの熱応力繰り返し回数比は、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が1の場合よりも、1より大きい場合の方が増大することがわかる。特に、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が5以上18以下の場合、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が1の場合に比べ、破壊に至るまでの熱応力繰り返し回数が4.5倍以上増大する。さらに好ましくは、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が9以上16以下の場合、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が1の場合に比べ、破壊に至るまでの熱応力繰り返し回数が5.9倍以上増大する。
図5は、積層金属板105の厚さが0.3mmの場合の、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率と、破壊に至るまでの熱応力繰り返し回数比の関係を表したグラフである。
図5に示すように、破壊に至るまでの熱応力繰り返し回数比は、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が1の場合よりも、1より大きい場合の方が増大することがわかる。特に、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が5以上18以下の場合、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が1の場合に比べ、破壊に至るまでの熱応力繰り返し回数が3.5倍以上増大する。さらに好ましくは、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が9以上16以下の場合、第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率が1の場合に比べ、破壊に至るまでに熱応力繰り返し回数が4倍以上増大する。
図3〜図5に示した結果から、積層金属板105の厚さが0.3mm以上1.0mm以下の範囲において、第1金属層105Aよりも第2金属層105Bを厚くして、第2金属層105Bの厚さ/第1金属層105Aの厚さの比を大きくしていくことにより、破壊に至るまでの熱応力繰り返し回数を大きくして、半導体装置の寿命を向上できることが確かめられた。そして、好ましくは第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率を5以上18以下、さらに好ましくは第2金属層105Bの第1金属層105Aに対する厚さの比率を9以上16以下とすることにより、熱応力繰り返し回数を十分に大きくすることができる。
上述の実施形態の半導体装置によれば、MOSFET101とCuのワイヤー102の間に、積層金属板105を介在させている。そして、積層金属板105は、MOSFET101の半導体層101Sより熱膨張係数が大きく、Cuのワイヤー102より熱膨張係数が小さいので、Cuのワイヤー102やソース電極101Eにかかる熱応力が低減される。これにより、MOSFET101の表面電極であるソース電極101のクラックの進展を低減することができるので、半導体装置の信頼性を向上することができる。
また、積層金属板105を配置したことにより、熱容量が増加するため、瞬時の温度上昇が抑えられ、短絡への耐性を向上することができる。
そして、接続部分のクラックの進展を抑制することができ、半導体装置の信頼性を向上することができるので、MOSFET101等パワー半導体チップの高温(例えば、175℃程度)での動作が可能になる。高温での動作が可能になることにより、冷却器を簡素化し、半導体装置の小型化を図ることも可能になる。
また、半導体装置の信頼性を向上することができるので、半導体装置を備えた機器の寿命を向上することができる。
さらに、ワイヤーを銅製のワイヤーとすることにより、ワイヤーのクラック進展を低減することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
さらにまた、第1の接合層107及び第2の接合層108に、銅または銀の焼結体を用いることにより、従来のはんだに比べて降伏応力が高くなり、熱応力がかかってもクラックが入りにくくなる。これにより、信頼性の高い接合が得られる。
なお、本実施形態では、スイッチング素子にMOSFET101を用いたが、これに限らず、電流のオン・オフを切り替え可能な素子なら使用することが可能である。例えば、スイッチング素子にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いることも可能である。
また、本実施形態では、還流ダイオードとしてMOSFET101の内蔵ボディーダイオードを用いているが、還流ダイオードを別途搭載した形態も可能である。
101 MOSFET、101C ドレイン電極、101E ソース電極、102 ワイヤー、103 絶縁基板、103I 絶縁層、103C ドレイン配線パターン、103E ソース配線パターン、103M 裏面金属層、104 放熱ベース、105 積層金属板、105A 第1金属層、105B 第2金属層、105C 第3金属層、106C ドレイン端子、106E ソース端子、107,108,109 接合層

Claims (4)

  1. パワー半導体チップと、
    回路配線パターンを有する絶縁基板と、
    前記パワー半導体チップの表面電極と接合された積層金属板と、
    前記積層金属板に接合されたワイヤーと、
    前記絶縁基板が接合された放熱ベースと、
    前記パワー半導体チップを前記絶縁基板に接合する第1の接合層と、
    前記積層金属板を前記パワー半導体チップの前記表面電極に接合する第2の接合層を備え、
    前記積層金属板は、第1金属層、第3金属層、及び、前記第1金属層と前記第3金属層に挟まれた第2金属層が積層されて成り、
    前記第2金属層は、前記第1金属層及び前記第3金属層よりも厚く、かつ前記第1金属層及び前記第3金属層よりも熱膨張係数が小さく、
    前記積層金属板の前記第1金属層に対する前記第2金属層の厚さは、5倍以上18倍以下であり、
    前記積層金属板の厚さは、0.3mm以上1.0mm以下であり、
    前記積層金属板の前記第1金属層は銅、前記第2金属層は36Ni−Fe、前記第3金属層は銅である、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ワイヤーは銅製のワイヤーである、
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1の接合層と前記第2の接合層が、銅または銀の焼結体である
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記パワー半導体チップの半導体はシリコンカーバイドである、
    ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置。
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