JP7120150B2 - semiconductor module - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor module.
特許文献1に、半導体素子が開示されている。この半導体素子では、半導体基板上に複数の金属膜や、それを覆う保護膜といった表面構造が設けられている。複数の金属膜には、例えば主電極や信号配線が含まれており、それらは互いに隣接して設けられている。 A semiconductor device is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-200013. In this semiconductor element, a surface structure such as a plurality of metal films and a protective film covering them is provided on a semiconductor substrate. The plurality of metal films include, for example, main electrodes and signal wirings, which are provided adjacent to each other.
半導体素子は、半導体モジュールに組み込まれ、封止体の内部に封止される。半導体モジュールでは、温度に応じて各々の構成要素に熱変形が生じる。このとき、半導体基板と表面構造との間には、大きなせん断応力が生じ易く、電極及び信号配線といった金属膜には、弾性域を超える大きな変形(即ち、塑性変形)が生じ得る。このような変形が繰り返されると、半導体基板と表面構造との間で剥離が生じたり、複数の金属膜の間で短絡又は絶縁不良が生じたりするおそれがある。このような問題は、ヤング率が比較的に高い炭化シリコン(SiC)を採用した半導体モジュールにおいて顕著であり、その対策が求められている。 A semiconductor element is incorporated into a semiconductor module and sealed inside a sealing body. In a semiconductor module, thermal deformation occurs in each component according to temperature. At this time, a large shear stress is likely to occur between the semiconductor substrate and the surface structure, and large deformation (that is, plastic deformation) exceeding the elastic region may occur in the metal films such as the electrodes and signal wiring. If such deformation is repeated, peeling may occur between the semiconductor substrate and the surface structure, or a short circuit or insulation failure may occur between a plurality of metal films. Such problems are conspicuous in semiconductor modules employing silicon carbide (SiC), which has a relatively high Young's modulus, and countermeasures are required.
本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子を封止する封止体とを備える。半導体素子は、半導体基板と、半導体基板の表面上に半導体基板の外周縁に沿って枠状に設けられた保護膜と、半導体基板と保護膜との間に設けられた金属膜とを有する。この半導体モジュールでは、保護膜と封止体との間の密着力が、保護膜の外周縁を含む範囲において、その他の範囲よりも小さい。 A semiconductor module disclosed in this specification includes a semiconductor element and a sealing body that seals the semiconductor element. A semiconductor element has a semiconductor substrate, a protective film provided in a frame shape along the outer periphery of the semiconductor substrate on the surface of the semiconductor substrate, and a metal film provided between the semiconductor substrate and the protective film. In this semiconductor module, the adhesion between the protective film and the sealing body is smaller in the range including the outer edge of the protective film than in the other range.
通常、半導体基板と表面構造(保護膜や金属膜)との間の剥離は、半導体素子の外周縁で発生した剥離が起点となる。即ち、半導体素子の外周縁で発生した剥離は、半導体基板の表面に沿って内側へ進行していく。そして、その剥離が半導体基板と表面構造との間へ進行することで、半導体基板と表面構造(金属膜や保護膜)との間に剥離が生じてしまう。この知見に基づいて、上記した半導体モジュールでは、保護膜と封止体との間の密着力が、保護膜の外周縁を含む一部の範囲において、意図的に低められている。このような構成によると、半導体素子の外周縁で発生し、半導体基板の表面に沿って進行してきた剥離を、保護膜と封止体との間(即ち、保護膜の外側)へ誘導することができる。これにより、半導体基板と表面構造(金属膜や保護膜)との間の剥離が有意に抑制される。 Usually, peeling between a semiconductor substrate and a surface structure (a protective film or a metal film) starts from peeling occurring at the outer edge of a semiconductor element. That is, the delamination that occurs at the outer peripheral edge of the semiconductor element progresses inward along the surface of the semiconductor substrate. As the peeling progresses between the semiconductor substrate and the surface structure, peeling occurs between the semiconductor substrate and the surface structure (metal film or protective film). Based on this finding, in the semiconductor module described above, the adhesion between the protective film and the sealing body is intentionally lowered in a part of the range including the outer peripheral edge of the protective film. According to such a configuration, peeling that occurs at the outer peripheral edge of the semiconductor element and progresses along the surface of the semiconductor substrate can be guided between the protective film and the sealing body (that is, outside the protective film). can be done. This significantly suppresses peeling between the semiconductor substrate and the surface structure (metal film or protective film).
図1-図4を参照して、実施例の半導体モジュール10について説明する。本実施例の半導体モジュール10は、例えば電気自動車の電力制御装置に採用され、コンバータやインバータといった電力変換回路の一部を構成することができる。なお、本明細書における電気自動車は、車輪を駆動するモータを有する自動車を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、モータに加えてエンジンを有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等を含む。
A
図1、図2に示すように、半導体モジュール10は、半導体素子12と、半導体素子12を封止する封止体14とを備える。封止体14は、絶縁性の材料で構成されている。特に限定されないが、本実施例における封止体14は、例えばエポキシ樹脂といった封止用材料で構成されており、その中にはシリカといった添加物が含有されている。封止体14は、概して板形状を有しており、上面14a、下面14b、第1端面14c、第2端面14d、第1側面14e及び第2側面14fを有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
半導体素子12は、パワー半導体素子であって、半導体基板12aと上面電極12bと下面電極12cとを有する。上面電極12bは、半導体基板12aの上面に位置しており、下面電極12cは、半導体基板12aの下面に位置している。上面電極12bと下面電極12cは、半導体基板12aを介して互いに電気的に接続される。特に限定されないが、本実施例における半導体素子12は、スイッチング素子であり、上面電極12bと下面電極12cとの間を、選択的に導通及び遮断することができる。半導体基板12aの種類については特に限定されない。半導体基板12aは、例えばシリコン基板、炭化シリコン基板又は窒化物半導体基板であってもよい。上面電極12b及び下面電極12cについては、例えばアルミニウム、ニッケル又は金といった、一又は複数種類の金属を用いて構成されることができる。
The
一例ではあるが、本実施例における半導体素子12は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)であり、その半導体基板12aには炭化シリコン(SiC)の基板が採用されている。上面電極12bは、半導体基板12a内に構成されたMOSFET構造のソースに接続されており、下面電極12cは、MOSFET構造のドレインに接続されている。なお、半導体素子12は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はRC(Reverse Conducting)-IGBTであってもよい。この場合、上面電極12bは、半導体基板12a内に構成されるIGBTのエミッタに接続され、下面電極12cは、IGBT構造のコレクタに接続される。半導体素子12の種類や具体的な構造については、ここで例示したものに限られず、様々なに変更することができる。また、半導体モジュール10は、例えばMOSFETとダイオードとの組み合わせといった、二以上の半導体素子を有してもよい。
As an example, the
半導体モジュール10は、第1導体板16と第2導体板18とをさらに備える。第1導体板16と第2導体板18は、半導体素子12を挟んで互いに対向している。第1導体板16と第2導体板18は、例えば金属といった導体で構成されている。第1導体板16と第2導体板18は、封止体14によって保持されており、半導体素子12を挟んで互いに対向している。第1導体板16の上面16aは、封止体14の内部に位置しており、半導体素子12の下面電極12cにはんだ層13を介して接合されている。第1導体板16の下面16bは、封止体14の下面14bに露出している。これにより、第1導体板16は、半導体素子12と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体素子12の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。
The
第2導体板18の下面18bは、封止体14の内部に位置しており、導体スペーサ20を介して、半導体素子12の上面電極12bに接続されている。なお、第2導体板18の下面18bは、はんだ層17を介して導体スペーサ20に接合されており、導体スペーサ20は、はんだ層15を介して半導体素子12の上面電極12bに接合されている。第2導体板18の上面18aは、封止体14の上面14aに露出している。第1導体板16と同様に、第2導体板18は、半導体素子12と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体素子12の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。
A
半導体モジュール10は、第1電力端子22と、第2電力端子24と、複数の信号端子26とを備える。第1電力端子22及び第2電力端子24は、封止体14の第1端面14cから突出している。第1電力端子22は、封止体14の内部において第1導体板16と電気的に接続されており、第2電力端子24は、封止体14の内部において第2導体板18と電気的に接続されている。これにより、第1電力端子22と第2電力端子24との間は、半導体素子12を介して電気的に接続されている。複数の信号端子26は、封止体14の第2端面14dから突出している。各々の信号端子26は、例えばワイヤボンディングによって、半導体素子12の信号パッド12d(図4参照)と電気的に接続されている。
次に、図3、図4を参照して、半導体素子12の細部について説明する。図3、図4に示すように、半導体素子12は、半導体基板12a上に設けられた保護膜30と、半導体基板12aと保護膜30との間に設けられた複数の金属膜32とを備える。保護膜30は、絶縁体で構成されており、一例ではあるが、本実施例にはポリイミド樹脂が採用されている。保護膜30は、半導体基板12aの外周縁に沿って、枠状に設けられており、上面電極12bを露出させる開口30wを画定している。
Next, details of the
複数の金属膜32には、前述の上面電極12bの他、ゲート配線12gなどが含まれる。ゲート配線12gは、外部から入力されるゲート信号の伝送線であり、半導体基板12aに設けられたMOSFET構造のゲートに接続されている。ゲート配線12gは、上面電極12bの周縁に沿って設けられており、平面視において上面電極12bを取り囲んでいる。各々の金属膜32は、少なくとも部分的に、半導体基板12aと保護膜30との間に位置している。これらの金属膜32は、アルミニウムで構成されている。但し、金属膜32を構成する材料は、アルミニウムに限定されない。金属膜32は、アルミニウムに代えて、又は加えて、その他の金属で構成されてもよい。また、半導体基板12aと金属膜32との間には、絶縁膜34(例えば、酸化シリコン膜)が形成されており、金属膜32(上面電極12bを除く)は、半導体基板12aから電気的に絶縁されている。
The plurality of
半導体素子12と封止体14との間には、プライマ層36が設けられている。プライマ層36は、例えば樹脂材料で構成されており、半導体素子12と封止体14との間の密着力を増大させる。このプライマ層36は、半導体モジュール10の製造工程において、封止体14をモールド成形するときに、半導体素子12や導体板16、18の表面に設けられる。但し、本実施例の半導体モジュール10では、半導体基板12aの外周縁12eから、保護膜30の一部に亘る範囲Aにおいて、プライマ層36の形成が省略されている。これにより、保護膜30と封止体14との間の密着力は、保護膜30の外周縁30eを含む一部の範囲Aにおいて、その他の範囲よりも小さくなっている。
A
半導体モジュール10では、温度に応じて各々の構成要素に熱変形が生じる。このとき、半導体基板12aと表面構造(保護膜30や金属膜32)との間には、大きなせん断応力が生じ易く、上面電極12b及びゲート配線12gといった金属膜32には、弾性域を超える大きな変形(即ち、塑性変形)が生じ得る。このような変形が繰り返されると、半導体基板12aと表面構造との間で剥離が生じたり、複数の金属膜32の間で短絡又は絶縁不良が生じたりするおそれがある。このような問題は、ヤング率が比較的に高い炭化シリコン(SiC)を採用した本実施例の半導体モジュール10において顕著に現れる。
In the
通常、半導体基板12aと表面構造(保護膜30や金属膜32)との間の剥離は、半導体素子12の外周縁12eで発生した剥離が起点となる。即ち、図5に示すように、半導体素子12の外周縁12eで発生した剥離Sは、半導体基板12aの表面12fに沿って内側へ進行していく。そして、その剥離Sが仮に半導体基板12aと表面構造との間(即ち、半導体基板12aと保護膜30との間)へ進行すれば、半導体基板12aと表面構造との間に剥離が生じることになる。
Normally, peeling between the
上記の知見に基づいて、本実施例の半導体モジュール10では、保護膜30と封止体14との間の密着力が、保護膜30の外周縁30eを含む一部の範囲Aにおいて、意図的に低められている。このような構成によると、半導体素子12の外周縁12eで発生し、半導体基板12aの表面12fに沿って進行してきた剥離Sを、図5に示すように、保護膜30と封止体14との間(即ち、保護膜30の外側)へ誘導することができる。これにより、剥離Sが表面構造の内部へ進行し難くなって、半導体基板12aと表面構造との間の剥離が有意に抑制される。
Based on the above knowledge, in the
本実施例の半導体モジュール10では、上述した範囲Aにおける密着力を低下させるために、当該範囲Aにおいてプライマ層36の形成を省略している。しかしながら、図6に示すように、一変形例の半導体モジュール10Xでは、当該範囲Aにもプライマ層36aが設けられてもよい。この場合、当該範囲Aのプライマ層36aには、他の範囲のプライマ層36よりも、密着力の低いプライマ材料を採用するとよい。このような構成によっても、保護膜30と封止体14との間の密着力を、保護膜30の外周縁30eを含む一部の範囲Aにおいて、その他の範囲よりも小さくすることができる。
In the
図6に示す変形例の半導体モジュール10Xでは、二種類のプライマ層36、36aを、それぞれマスクなどを用いて選択的に形成する必要がある。この点に関して、図7に示すように、他の一変形例の半導体モジュール10Yでは、一方のプライマ層36が、半導体素子12に対して全体的に設けられてもよい。そして、他方のプライマ層36aが、上述した範囲Aにおいて重畳的に設けられてもよい。このような構成によると、一方のプライマ層36を形成するときに、マスクなどを設ける必要がなくなるので、当該プライマ層36の形成を容易に行うことができる。
In the
あるいは、図8に示すように、他の一変形例の半導体モジュール10Zでは、プライマ層36を半導体素子12に対して全体的に設けるとともに、上述した範囲Aに対しては、例えばシロキサンといった異物38を付着させることで、封止体14との密着力を低下させてもよい。このような構成によっても、保護膜30と封止体14との間の密着力を、保護膜30の外周縁30eを含む一部の範囲Aにおいて、その他の範囲よりも小さくすることができる。なお、上述したいくつかの半導体モジュール10、10X、10Y、10Zの態様に限られず、保護膜30と封止体14との間の密着力を部分的に調整するために、他の様々な手法を採用することができる。
Alternatively, as shown in FIG. 8, in another modification of the
以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the technology disclosed in this specification have been described above in detail, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The technical elements described in this specification or in the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims as filed. The techniques exemplified in this specification or drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of them has technical utility in itself.
10、10X、10Y、10Z:半導体モジュール
12:半導体素子
14:封止体
16:第1導体板
18:第2導体板
22:第1電力端子
24:第2電力端子
26:信号端子
30:保護膜
32:金属膜
36、36a:プライマ層
38:密着力を低下させる異物
10, 10X, 10Y, 10Z: semiconductor module 12: semiconductor element 14: sealing body 16: first conductor plate 18: second conductor plate 22: first power terminal 24: second power terminal 26: signal terminal 30: protection Film 32:
Claims (1)
前記半導体素子を封止する封止体と、
を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面上に、前記半導体基板の外周縁に沿って枠状に設けられた保護膜と、
前記半導体基板と前記保護膜との間に設けられた金属膜と、
を有し、
前記保護膜と前記封止体との間の密着力は、前記保護膜の外周縁を含む一部の範囲において、その他の範囲よりも小さくなっている、
半導体モジュール。 a semiconductor element;
a sealing body that seals the semiconductor element;
with
The semiconductor element is
a semiconductor substrate;
a protective film provided in a frame shape along the outer peripheral edge of the semiconductor substrate on the surface of the semiconductor substrate;
a metal film provided between the semiconductor substrate and the protective film;
has
The adhesion force between the protective film and the sealing body is smaller in a part of the range including the outer peripheral edge of the protective film than in the other range.
semiconductor module.
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