JP7151278B2 - Power semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

Power semiconductor device and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP7151278B2
JP7151278B2 JP2018160187A JP2018160187A JP7151278B2 JP 7151278 B2 JP7151278 B2 JP 7151278B2 JP 2018160187 A JP2018160187 A JP 2018160187A JP 2018160187 A JP2018160187 A JP 2018160187A JP 7151278 B2 JP7151278 B2 JP 7151278B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
power semiconductor
type semiconductor
blocks
semiconductor device
type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018160187A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2020035850A (en
Inventor
貴文 種平
宣英 瀬尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mazda Motor Corp
Original Assignee
Mazda Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mazda Motor Corp filed Critical Mazda Motor Corp
Priority to JP2018160187A priority Critical patent/JP7151278B2/en
Publication of JP2020035850A publication Critical patent/JP2020035850A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7151278B2 publication Critical patent/JP7151278B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

本発明は、吸熱素子を備えたパワー半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device having a heat absorbing element and a manufacturing method thereof.

パワー半導体素子からの発熱を吸収するように、パワー半導体素子の発熱部と冷却用ペルチェ素子とを隣接して配置した構成が知られている。 A configuration is known in which a heat generating portion of a power semiconductor element and a cooling Peltier element are arranged adjacent to each other so as to absorb heat generated from the power semiconductor element.

以下に挙げる特許文献1には、半導体素子の炭化シリコンからなる発熱部の上に、絶縁体で且つ熱伝導体である真性炭化シリコン(i-SiC)が連続して形成された半導体装置が記載されている。この構成により、半導体素子の発熱部とペルチェ素子との接触部での熱抵抗を小さくし、外部への排熱の熱流速(W/m)を向上させている。 Patent Document 1 listed below describes a semiconductor device in which intrinsic silicon carbide (i-SiC), which is an insulator and a heat conductor, is continuously formed on a heat generating portion made of silicon carbide of a semiconductor element. It is With this configuration, the thermal resistance at the contact portion between the heat generating portion of the semiconductor element and the Peltier element is reduced, and the heat flow rate (W/m 2 ) of exhaust heat to the outside is improved.

特開2017-028118号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-028118

しかしながら、引用文献1に開示された構成をもってしても、自動車に搭載されたパワー半導体素子からの瞬間的な発熱に対して、ペルチェ素子による冷却(吸熱及び放熱)が間に合わず、結果的に、半導体素子の出力を制限せざるを得ないという問題がある。 However, even with the configuration disclosed in Document 1, cooling (heat absorption and heat dissipation) by the Peltier device cannot keep up with the instantaneous heat generation from the power semiconductor device mounted on the automobile, and as a result, There is a problem that the output of the semiconductor element must be limited.

本発明は、前記従来の問題を解決し、パワー半導体素子の出力を抑制することなく、当該半導体素子からの発熱を吸熱し且つ放熱できるようにすることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the conventional problems described above and to absorb and dissipate heat generated from a power semiconductor element without suppressing the output of the power semiconductor element.

前記の目的を達成するため、本発明は、ペルチェ素子を構成する構成体の体積をそれぞれ増大してその熱容量を大きくする構成とする。 In order to achieve the above object, the present invention is configured to increase the volume of each component constituting the Peltier element to increase its heat capacity.

具体的に、本発明は、パワー半導体装置及びその製造方法を対象とし、次のような解決手段を講じた。 Specifically, the present invention is directed to a power semiconductor device and a method of manufacturing the same, and has taken the following solutions.

すなわち、第1の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子の上面に接合されたペルチェ素子とを備えたパワー半導体装置であって、ペルチェ素子は、複数のp型半導体ブロックと複数のn型半導体ブロックとから構成され、各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックは、パワー半導体素子との接合面から上方に延びると共に、その高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体を構成し、各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックにおける高さ方向の互いに隣接する中間部分は、金属電極により電気的に接続されているThat is, a first invention is a power semiconductor device comprising a power semiconductor element and a Peltier element joined to the upper surface of the power semiconductor element, the Peltier element comprising a plurality of p-type semiconductor blocks and a plurality of n-type semiconductor blocks. Each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block extends upward from the joint surface with the power semiconductor element, and is formed as a cubic column whose height is greater than the diameter of the bottom portion to increase the heat capacity. Intermediate portions adjacent to each other in the height direction of each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block are electrically connected by metal electrodes .

これによれば、各半導体ブロックは、その高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体を構成する。このため、各半導体ブロックはパワー半導体素子に対して瞬間的に大きな負荷が生じた場合に、パワー半導体素子からの発熱を一時的に蓄えることができる。また、その後の軽負荷時には、各半導体ブロックに蓄えられていた熱を排熱することができる According to this, each semiconductor block is formed as a solid column whose height is greater than the diameter of its bottom portion, thereby forming a heat capacity body. Therefore, each semiconductor block can temporarily store heat generated from the power semiconductor element when a large load is momentarily applied to the power semiconductor element. Further, when the load is light after that, the heat stored in each semiconductor block can be exhausted .

また、これによれば、ペルチェ素子を構成する各半導体ブロックを十分な容量を持つ熱容量体として構成すると、内部抵抗による発熱が大きくなるので、各半導体ブロックの高さ方向の中間部分で電気的な接続をすれば、熱容量の増大と内部抵抗による発熱の抑制とを両立することができる。 Further , according to this, if each semiconductor block constituting the Peltier element is configured as a heat capacitor having a sufficient capacity, the heat generated by the internal resistance becomes large, so that an electrical current is generated at the intermediate portion in the height direction of each semiconductor block. By connecting, it is possible to achieve both an increase in heat capacity and suppression of heat generation due to internal resistance.

の発明は、上記第1の発明において、p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックは、半導体シリコンにより構成されていてもよい。 In a second invention according to the first invention, the p-type semiconductor block and the n-type semiconductor block may be made of semiconductor silicon.

これによれば、ペルチェ素子を安価で入手が容易な半導体材料によって形成することができる。 According to this, the Peltier element can be formed from a semiconductor material that is inexpensive and readily available.

第3の発明は、上記第1又は第2の発明において、p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックと熱的に接触する冷却部をさらに備えていてもよい。 According to a third invention, in the first or second invention, a cooling part may be further provided in thermal contact with the p-type semiconductor block and the n-type semiconductor block.

これによれば、各半導体ブロックが吸収した熱を冷却部を通して速やかに放熱することができる。 According to this, the heat absorbed by each semiconductor block can be quickly dissipated through the cooling portion.

また、第の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子の上面に接合されたペルチェ素子とを備えたパワー半導体装置の製造方法であって、パワー半導体素子の上に、絶縁膜を介在させ且つパターン化された下部電極を形成する工程と、下部電極の上に、それぞれ複数のp型半導体ブロック及びn型半導体ブロックを交互に配置する工程と、交互に配置されたp型半導体ブロック及びn型半導体ブロックを上部電極により接続する工程とを備え、各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックは、パワー半導体素子との接合面から上方に延びると共に、その高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体を構成し、各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックを配置する工程よりも前に、上部電極を各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックの側面上に形成する工程をさらに備え、各上部電極は、互いに隣接する半導体ブロックの高さ方向の中間部分で電気的に接続されているA fourth aspect of the invention is a method of manufacturing a power semiconductor device comprising a power semiconductor element and a Peltier element bonded to the upper surface of the power semiconductor element, wherein an insulating film is interposed on the power semiconductor element. and forming a patterned lower electrode; alternately arranging a plurality of p-type semiconductor blocks and n-type semiconductor blocks respectively on the lower electrode; each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block extending upward from the joint surface with the power semiconductor element and having a height greater than the diameter of the bottom portion; Prior to the step of forming a heat capacitor formed as a vertical column and arranging each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block, upper electrodes are formed on the side surfaces of each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block. The upper electrodes are electrically connected to each other at intermediate portions in the height direction of the adjacent semiconductor blocks .

これによれば、パワー半導体素子の製造工程において、当該パワー半導体素子の上面にペルチェ素子を接合して形成することができる。その上、ペルチェ素子は、各半導体ブロックの高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体を構成するので、各半導体ブロックはパワー半導体素子に対して瞬間的に大きな負荷が生じた場合に、パワー半導体素子からの発熱を一時的に蓄えることができる。また、その後の軽負荷時には、各半導体ブロックに蓄えられていた熱を排熱することができる According to this, in the manufacturing process of the power semiconductor element, the Peltier element can be formed by bonding to the upper surface of the power semiconductor element. In addition, since the Peltier element is formed as a cubic column in which the height of each semiconductor block is larger than the diameter of the bottom portion to form a heat capacitor, each semiconductor block momentarily causes a large load on the power semiconductor element. In this case, heat generated from the power semiconductor element can be temporarily stored. Further, when the load is light after that, the heat stored in each semiconductor block can be exhausted .

また、これによれば、ペルチェ素子を構成する各半導体ブロックを十分な容量を持つ熱容量体として構成しており、内部抵抗による発熱が大きくなるので、各半導体ブロックの高さ方向の中間部分で電気的な接続をすれば、熱容量の増大と内部抵抗による発熱の抑制とを両立することができる。 In addition, according to this, each semiconductor block constituting the Peltier element is configured as a heat capacitor having a sufficient capacity, and heat generation due to internal resistance increases. With such a connection, it is possible to achieve both an increase in heat capacity and suppression of heat generation due to internal resistance.

の発明は、上記第4の発明において、p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックは、半導体シリコンにより構成されていてもよい。 In a fifth aspect based on the fourth aspect, the p-type semiconductor block and the n-type semiconductor block may be made of semiconductor silicon.

これによれば、ペルチェ素子を安価で入手が容易な半導体材料によって形成することができる。 According to this, the Peltier element can be formed from a semiconductor material that is inexpensive and readily available.

の発明は、上記第4又は第5の発明において、各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックを配置する工程は、各p型半導体ブロック又は各n型半導体ブロックの配置位置に開口部を有するマスクを用いて行ってもよい。 A sixth aspect of the invention is based on the fourth or fifth aspect, wherein the step of arranging each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block includes openings at positions where each p-type semiconductor block or each n-type semiconductor block is arranged. may be performed using a mask having

これによれば、下部電極の所定の位置に、微小な半導体ブロックを効率良く配置することができる。 According to this, it is possible to efficiently arrange a minute semiconductor block at a predetermined position of the lower electrode.

本発明によれば、パワー半導体素子の出力を抑制することなく、当該半導体素子からの発熱を吸熱し且つ放熱することができる。 According to the present invention, heat generated from a power semiconductor element can be absorbed and released without suppressing the output of the power semiconductor element.

図1は一実施形態に係るパワー半導体装置を示す模式的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a power semiconductor device according to one embodiment. 図2は一実施形態に係るパワー半導体素子の発熱温度と車両用モータにおける要求トルクとの時間依存性を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the time dependency of the heat generation temperature of the power semiconductor element and the required torque of the vehicle motor according to the embodiment. 図3は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、パワー半導体素子を形成する工程を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a step of forming a power semiconductor element in a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment. 図4は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、パワー半導体素子の上面にペルチェ素子の下部電極を形成する工程を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a process of forming a lower electrode of a Peltier element on the upper surface of a power semiconductor element in a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment. 図5は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、ペルチェ素子の上部電極の一部を形成する工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a step of forming part of an upper electrode of a Peltier element in a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment. 図6は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、ペルチェ素子の上部電極の一部を形成する工程を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a step of forming part of the upper electrode of the Peltier element in the method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment. 図7は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、ペルチェ素子のn型シリコン層及びp型シリコン層を絶縁する絶縁膜を形成する工程を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a step of forming an insulating film for insulating an n-type silicon layer and a p-type silicon layer of a Peltier element in a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment. 図8は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、ペルチェ素子の上部電極の一部並びにn型シリコン層及びp型シリコン層を絶縁する絶縁膜が形成された断面図である。FIG. 8 is a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment, and is a cross-sectional view showing a part of the upper electrode of the Peltier element and an insulating film that insulates the n-type silicon layer and the p-type silicon layer. 図9は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、ペルチェ素子用の単結晶シリコンインゴットをダイシングする工程を模式的に示す正面図及び平面図である。FIG. 9 is a front view and a plan view schematically showing a process of dicing a single-crystal silicon ingot for a Peltier element in a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment. 図10は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、ペルチェ素子用シリコンの表面に高濃度ドーピング層を形成する工程を模式的に示す断面図及び平面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view and a plan view schematically showing a process of forming a high-concentration doping layer on the surface of silicon for a Peltier device in a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment. 図11は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、下部電極の上にペルチェ素子のn型シリコン層を配置するためのマスクを設置する工程を示す断面図及び平面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view and a plan view showing a step of placing a mask for arranging an n-type silicon layer of a Peltier element on a lower electrode in a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment. 図12は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、下部電極の上にマスクを介してはんだ材を塗布し、n型シリコン層を配置する工程を示す断面図及び平面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view and a plan view showing a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment, in which a solder material is applied onto a lower electrode through a mask and an n-type silicon layer is arranged. . 図13は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、下部電極の上にp型シリコン層を配置するためのマスクを設置する工程を示す断面図及び平面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view and a plan view showing a step of placing a mask for arranging a p-type silicon layer on a lower electrode in a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment. 図14は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、下部電極の上にマスクを介してはんだ材を塗布し、p型シリコン層を配置する工程を示す断面図及び平面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view and a plan view showing a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment, in which a solder material is applied onto a lower electrode through a mask and a p-type silicon layer is arranged. . 図15は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、パワー半導体素子上の下部電極の上に、上部電極が接するようにn型シリコン層及びp型シリコン層を配置した状態を示す断面図である。FIG. 15 shows a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment, in which an n-type silicon layer and a p-type silicon layer are arranged on a lower electrode on a power semiconductor element so that the upper electrode is in contact with the lower electrode. It is a sectional view. 図16は図15の状態のパワー半導体装置に対してシンタリングを行う工程を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing a step of sintering the power semiconductor device in the state of FIG. 図17は一実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、複数のパワー半導体素子を筐体に配置する工程を示す平面図である。FIG. 17 is a plan view showing a process of arranging a plurality of power semiconductor elements in a housing in a method of manufacturing a power semiconductor device according to one embodiment.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物又はその用途を制限することを意図しない。また、各図面の構成部材における寸法比は、便宜上に過ぎず、必ずしも実際の構成部材における寸法比を表してはいない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings. The following description of preferred embodiments is merely exemplary in nature and is not intended to limit the invention, its applications or its uses. Also, the dimensional ratios of the constituent members in each drawing are for convenience only and do not necessarily represent the dimensional ratios of the actual constituent members.

(一実施形態)
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
(one embodiment)
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は一実施形態に係るパワー半導体装置の模式的な断面構成を表している。図1に示すように、パワー半導体装置1は、パワー半導体素子10と、該パワー半導体素子10の上に載置されて固着されたペルチェ素子20とを備えている。 FIG. 1 shows a schematic cross-sectional configuration of a power semiconductor device according to one embodiment. As shown in FIG. 1, the power semiconductor device 1 includes a power semiconductor element 10 and a Peltier element 20 mounted and fixed on the power semiconductor element 10 .

パワー半導体素子10は、公知のパワーデバイスでよく、例えば、SiC-DMOSFET又はSi-IGBTを用いることができる。SiC-DMOSFETは、炭化シリコン(SiC)からなる二重拡散MOSFET(酸化金属半導体電界効果トランジスタ)であり、Si-IGBTは、シリコン(Si)からなる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである。ここで、パワー半導体素子10は、例えば、冷却部を兼ねる金属からなる基台40の上にパワー素子電極11及び高熱伝導性の接着材12を介して固着されている。基台40は、筐体の底部であってもよい。 The power semiconductor element 10 may be a known power device such as SiC-DMOSFET or Si-IGBT. A SiC-DMOSFET is a double diffusion MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) made of silicon carbide (SiC), and a Si-IGBT is an insulated gate bipolar transistor made of silicon (Si). Here, the power semiconductor element 10 is fixed, for example, via a power element electrode 11 and a highly thermally conductive adhesive 12 on a base 40 made of metal that also serves as a cooling portion. Base 40 may be the bottom of the housing.

ペルチェ素子20は、パワー半導体素子10の上に、それぞれ複数のドット(島)状に交互に配置された構成体であるn型シリコン層20n及びp型シリコン層20pと、これらシリコン層20n、20pに交互に電流が流れるように、その下部に配置された下部電極21、及びシリコン層20n、20pの高さ方向の中間部分に配置された上部電極22とから構成されている。ここで、各シリコン層20n、20pは、半導体ブロックの一例である。また、下部電極21及び上部電極25には、例えばニッケル(Ni)を用いることができる。これら電極21、22には、ニッケル(Ni)の他にも、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、錫(Sn)、モリブデン(Mo)、銅(Cu)又は金(Au)を用いることができる。 The Peltier element 20 includes an n-type silicon layer 20n and a p-type silicon layer 20p, which are structures arranged alternately in a plurality of dots (islands) on the power semiconductor element 10, and these silicon layers 20n and 20p. The silicon layers 20n and 20p are composed of a lower electrode 21 arranged thereunder and an upper electrode 22 arranged in the middle portion in the height direction of the silicon layers 20n and 20p so that currents flow alternately. Here, each silicon layer 20n, 20p is an example of a semiconductor block. Nickel (Ni), for example, can be used for the lower electrode 21 and the upper electrode 25 . Titanium (Ti), aluminum (Al), tin (Sn), molybdenum (Mo), copper (Cu), or gold (Au) can be used for these electrodes 21 and 22 in addition to nickel (Ni). can.

ペルチェ素子20は、パワー半導体素子10の上面に、該半導体素子10と接合されている。詳細には、ペルチェ素子20は、その複数の下部電極21が、パワー半導体素子10の上面に形成された絶縁層(図示せず)を介して熱的に接続されている。すなわち、ペルチェ素子20とパワー半導体素子10とは、下部電極21を介して互いに熱的に連結されている。また、下部電極21の両端部は、直流電源53と接続されている。 The Peltier element 20 is joined to the upper surface of the power semiconductor element 10 with the semiconductor element 10 . Specifically, the Peltier element 20 has its plurality of lower electrodes 21 thermally connected via an insulating layer (not shown) formed on the upper surface of the power semiconductor element 10 . That is, the Peltier element 20 and the power semiconductor element 10 are thermally connected to each other via the lower electrode 21 . Both ends of the lower electrode 21 are connected to a DC power supply 53 .

図1に示すように、本実施形態に係るペルチェ素子20は、これを構成するn型シリコン層20n及びp型シリコン層20pが、その下方に位置するパワー半導体素子10との接合面から上方に延びると共に、その高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されている。これら立柱体の上部がペルチェ素子20の熱容量部30を構成する。 As shown in FIG. 1, the Peltier element 20 according to the present embodiment has an n-type silicon layer 20n and a p-type silicon layer 20p that are arranged upward from the junction surface with the power semiconductor element 10 positioned below. It is formed as a solid column that extends and whose height is greater than the diameter of the bottom. The upper part of these cubic columns constitutes the heat capacity part 30 of the Peltier element 20 .

ここで、ペルチェ素子20を構成するシリコン層20n、20pにおけるシリコン(Si)自体を熱容量部30として用いる際の、該シリコンの必要とされる重量及び体積を概算する。 Here, when silicon (Si) itself in the silicon layers 20n and 20p constituting the Peltier element 20 is used as the heat capacity section 30, the weight and volume required for the silicon will be roughly calculated.

まず、本実施形態に係るパワー半導体装置1が、パワー半導体素子10を6個搭載しているとする。これら6素子分の熱損失を300Wとし、各半導体素子10の平面積を1cmとすると、1素子の1秒当たり放熱量は50W/sとなる。ペルチェ素子20の吸熱量による温度差を50℃とし、1素子分の50Wを1秒間で吸熱するには、シリコンの比熱が約0.713J/g・Kであるため、1素子分のペルチェ素子20に必要なシリコンの重量は約1.4gとなる。また、シリコンの密度は約2.3g/cmであるので、1素子分のペルチェ素子20に必要なシリコンの体積は約0.6cmとなる。 First, it is assumed that the power semiconductor device 1 according to this embodiment has six power semiconductor elements 10 mounted thereon. Assuming that the heat loss for these six elements is 300 W and the plane area of each semiconductor element 10 is 1 cm 2 , the amount of heat dissipation per second per element is 50 W/s. If the temperature difference due to the amount of heat absorbed by the Peltier element 20 is 50° C., and 50 W for one element is absorbed in one second, the specific heat of silicon is about 0.713 J/g·K. The weight of silicon required for 20 is about 1.4 g. Also, since the density of silicon is about 2.3 g/cm 3 , the volume of silicon required for one Peltier element 20 is about 0.6 cm 3 .

ここで、パワー半導体素子10の1素子分の平面積を1cm、ペルチェ素子20の平面積もほぼ1cmとし、シリコン層20n、20pをそれぞれ32ブロック、併せて64ブロック分を直列に配置するとする。このとき、半導体ブロックの1辺を1.2mm程度の正方形とすると、その高さは、約6.3mmとなる。本願発明者は、シリコンのゼーベック係数、電気抵抗及び熱コンダクタンス等の物性値、並びにペルチェ素子20の表裏面間の温度差等を勘案して、12Vの直流電圧で駆動する場合には、64ブロックの直列配列が好適であるとの知見を得ている。 Here, if the plane area of one power semiconductor element 10 is 1 cm 3 , the plane area of the Peltier element 20 is also approximately 1 cm 3 , and 32 blocks each of the silicon layers 20n and 20p, and 64 blocks in total are arranged in series, do. At this time, if one side of the semiconductor block is a square of about 1.2 mm, the height is about 6.3 mm. The inventors of the present application considered physical properties such as the Seebeck coefficient of silicon, electrical resistance and thermal conductance, and the temperature difference between the front and back surfaces of the Peltier element 20. In the case of driving with a DC voltage of 12 V, 64 blocks It has been found that a tandem arrangement of is suitable.

また、上述したように、ペルチェ素子20における複数の上部電極22は、互いに隣接するシリコン層20n、20pの高さ方向の中間部分で電気的に接続されている。このように、上部電極22を各シリコン層20n、20pの上端部ではなく、中間部分に設けると、ペルチェ素子20を構成する各シリコン層20n、20pを十分な容量を持つ熱容量部30として構成した場合に、各シリコン層20n、20pの内部抵抗による発熱が大きくなるおそれがある。そこで、各シリコン層20n、20pの中間部分において上部電極22で接続すると、ペルチェ素子20に対して、熱容量の増大と内部抵抗による発熱の抑制とを両立することができる。 In addition, as described above, the plurality of upper electrodes 22 in the Peltier element 20 are electrically connected at intermediate portions in the height direction of the adjacent silicon layers 20n and 20p. In this way, when the upper electrode 22 is provided not at the upper end of each silicon layer 20n, 20p but at the middle portion, each silicon layer 20n, 20p constituting the Peltier element 20 is configured as a heat capacity section 30 having a sufficient capacity. In this case, the heat generated by the internal resistance of each silicon layer 20n, 20p may increase. Therefore, if the silicon layers 20n and 20p are connected to each other by the upper electrode 22 at the middle portion, it is possible to both increase the heat capacity of the Peltier element 20 and suppress the heat generation due to the internal resistance.

また、それぞれペルチェ素子20が接合された複数個のパワー半導体素子10は、筐体の内部に封止されてもよい。図1に示すように、筐体の蓋体50が、熱容量部30の上面と接触してもよい。蓋体50に比較的に熱伝導率が高い、例えばアルミニウムのような金属を用いれば、筐体内及び熱容量部30からの熱を、蓋体50を通して外部に放熱することが可能となる。 Also, the plurality of power semiconductor elements 10 to which the Peltier elements 20 are respectively joined may be sealed inside the housing. As shown in FIG. 1 , the lid 50 of the housing may come into contact with the upper surface of the heat capacity section 30 . If a metal such as aluminum having a relatively high thermal conductivity is used for the lid 50 , heat from the inside of the housing and the heat capacity section 30 can be radiated to the outside through the lid 50 .

-効果-
このように、本実施形態に係るパワー半導体装置1によると、パワー半導体素子10と接合され、熱的に連結されたペルチェ素子20は、その構成体であるn型シリコン層20n及びp型シリコン層20pの上部が上方に延長されて構成された熱容量部30と熱的に接続される。これにより、この熱容量部30が、パワー半導体素子10からの放熱の熱流束を瞬間的に上回るピークを持つ熱量を一時的に貯留することができる。さらに、この熱量のピークが過ぎた後、車両の場合は数秒以内の後には、ペルチェ素子20における直流電源53の極性を反転することにより、熱容量部30に貯留された熱をパワー半導体素子10側から放熱することができる。従って、当該パワー半導体素子10に対してその出力(能力)を十分に引き出すことが可能となる。
-effect-
As described above, according to the power semiconductor device 1 according to the present embodiment, the Peltier element 20, which is joined and thermally connected to the power semiconductor element 10, has the n-type silicon layer 20n and the p-type silicon layer 20n, which are the components thereof. The upper portion of 20p is thermally connected to the heat capacity portion 30 configured by extending upward. As a result, the heat capacity portion 30 can temporarily store the amount of heat having a peak momentarily exceeding the heat flux of the heat radiation from the power semiconductor element 10 . Furthermore, within several seconds after the peak of the amount of heat has passed in the case of a vehicle, the polarity of the DC power supply 53 in the Peltier element 20 is reversed, so that the heat stored in the heat capacity section 30 is transferred to the power semiconductor element 10 side. heat can be dissipated from Therefore, it is possible to sufficiently draw out the output (ability) of the power semiconductor device 10 .

図2に、例えば、IGBTからなる複数のパワー半導体素子10を用いたパワーモジュールを車両に搭載した場合の、モータトルクの要求仕様値とパワー半導体素子10の発熱温度との関係を示す。ここで、破線のグラフはモータトルクの要求仕様値(右縦軸)であり、実線のグラフはパワー半導体素子10の温度(左縦軸)である。図2に示すように、モータへの3秒間程度のトルク要求に対して、パワー半導体素子10が60℃程度から90℃程度にまで上昇する。このときの温度の上昇率は約40℃/sである。インバータシステムの構成によっては、110℃程度まで上昇する場合もあり、本実施形態では、ペルチェ素子20に電気エネルギーを瞬間的(間欠的)に付与することにより、このピーク部分の熱を熱容量部30に放熱する(図1の矢印Tを参照。)。また、パワー半導体素子10の温度が60℃程度の定常状態の下では、熱容量部30に蓄熱された熱を上面の蓋体50を通して放熱すると共に、ペルチェ素子20の上部電極22から吸熱して、下部電極21、パワー半導体素子10、パワー素子電極11、及び接着材12等を通して、冷却部である基台40に放熱する(図1の矢印Tを参照。)。 FIG. 2 shows the relationship between the required specification value of motor torque and the heat generation temperature of the power semiconductor elements 10 when, for example, a power module using a plurality of power semiconductor elements 10 made of IGBTs is mounted on a vehicle. Here, the dashed line graph is the required specification value of the motor torque (right vertical axis), and the solid line graph is the temperature of the power semiconductor device 10 (left vertical axis). As shown in FIG. 2, the temperature of the power semiconductor element 10 rises from about 60.degree. C. to about 90.degree. The temperature rise rate at this time is about 40° C./s. Depending on the configuration of the inverter system, the temperature may rise to about 110°C. (see arrow T1 in Figure 1 ). In a steady state where the temperature of the power semiconductor element 10 is about 60° C., the heat accumulated in the heat capacity portion 30 is radiated through the lid 50 on the upper surface, and the heat is absorbed from the upper electrode 22 of the Peltier element 20, Heat is radiated to the base 40, which is a cooling part, through the lower electrode 21, the power semiconductor element 10, the power element electrode 11, the adhesive 12, and the like (see arrow T2 in FIG . 1).

(製造方法)
以下、本実施形態に係る製造方法について図面を参照しながら説明する。
(Production method)
The manufacturing method according to this embodiment will be described below with reference to the drawings.

製造方法においては、パワー半導体素子10としてDMOSFETを用い、このパワー半導体素子10の上にペルチェ素子20を接合して形成する。 In the manufacturing method, a DMOSFET is used as the power semiconductor element 10, and the Peltier element 20 is formed on the power semiconductor element 10 by bonding.

図3に本実施形態に係るパワー半導体素子10の要部の断面構成の一例を示す。図3に示すように、パワー半導体素子10は、n型SiCからなるバルク層(コンタクト層)320と、該バルク層320の上にエピタキシャル成長したn型SiCからなり、耐圧を規制するドリフト層330と、該ドリフト層330の上にエピタキシャル成長したi型SiCからなる絶縁性の熱伝導層370とを有している。ここでは、n型SiCの不純物濃度は、例えば、1.0×1018cm-3程度としてもよく、n型SiCは、1.0×1016cm-3程度としてもよい。また、ドリフト層330の厚さは、10μm程度としてもよい。 FIG. 3 shows an example of a cross-sectional configuration of a main part of the power semiconductor device 10 according to this embodiment. As shown in FIG. 3, the power semiconductor device 10 includes a bulk layer (contact layer) 320 made of n + -type SiC, and a drift layer 330 made of n-type SiC epitaxially grown on the bulk layer 320 to regulate the breakdown voltage. and an insulating thermally conductive layer 370 made of i-type SiC epitaxially grown on the drift layer 330 . Here, the impurity concentration of n + -type SiC may be, for example, approximately 1.0×10 18 cm −3 , and n-type SiC may be approximately 1.0×10 16 cm −3 . Also, the thickness of the drift layer 330 may be about 10 μm.

ドリフト層330の表面上で、且つ熱伝導層370から部分的に露出した領域(電極形成領域)の上には、ゲート絶縁膜380aを介したゲート電極390が選択的に形成されている。該ゲート電極390及びゲート絶縁膜380aは、絶縁膜380bにより覆われている。ゲート電極390は、多結晶シリコン(Poly-Si)でもよく、多結晶炭化シリコン(Poly-SiC)、アルミニウム(Al)又は銅(Cu)であってもよい。また、ゲート絶縁膜380aは、酸化シリコン(SiO)でもよく、酸化アルミニウム(Al)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化シリコン(Si)、窒化ボロン(BN)又はダイヤモンド(C)であってもよい。 A gate electrode 390 is selectively formed on the surface of the drift layer 330 and on a region (electrode formation region) partially exposed from the heat conduction layer 370 with a gate insulating film 380a interposed therebetween. The gate electrode 390 and gate insulating film 380a are covered with an insulating film 380b. Gate electrode 390 may be polycrystalline silicon (Poly-Si), polycrystalline silicon carbide (Poly-SiC), aluminum (Al), or copper (Cu). Also, the gate insulating film 380a may be silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), boron nitride (BN) or diamond (C ).

さらに、ドリフト層330の上で、且つ熱伝導層370同士の間の電極形成領域には、例えばニッケル(Ni)からなるソース電極400が絶縁膜380bを覆うように形成されている。 Furthermore, a source electrode 400 made of nickel (Ni), for example, is formed on the drift layer 330 and in the electrode formation region between the heat conduction layers 370 so as to cover the insulating film 380b.

ドリフト層330の上部には、各熱伝導層370とこれと対向するゲート絶縁膜380aの端部との間に、それぞれp型のボディ層340が形成されている。各ボディ層340の上部には、ゲート絶縁膜380a側にn型のソース層350がそれぞれ形成され、該ソース層350と隣接して熱伝導層370側に、耐圧向上のためのp領域360がそれぞれ形成されている。各ソース層350は、その上に形成されているソース電極400とオーミック接触する。また、バルク層320の裏面上には、例えばニッケル(Ni)からなるドレイン電極310が形成されている。これらボディ層340、ソース層350及びp領域360は、それぞれ、公知のリソグラフィ法及びイオン注入法等によって形成することができる。ここで、ボディ層340のp型の不純物濃度は、例えば、1.0×1016cm-3程度としてもよく、また、ソース層350のn型の不純物濃度は、例えば、1.0×1020cm-3程度としてもよい。 A p-type body layer 340 is formed on the drift layer 330 between each thermally conductive layer 370 and the edge of the gate insulating film 380a facing thereto. On the upper portion of each body layer 340, an n + -type source layer 350 is formed on the side of the gate insulating film 380a, and adjacent to the source layer 350, on the side of the thermal conduction layer 370 is a p + region for improving breakdown voltage. 360 are formed respectively. Each source layer 350 makes ohmic contact with the source electrode 400 formed thereon. A drain electrode 310 made of nickel (Ni), for example, is formed on the rear surface of the bulk layer 320 . These body layer 340, source layer 350, and p + region 360 can be formed by known lithographic methods, ion implantation methods, and the like. Here, the p-type impurity concentration of the body layer 340 may be, for example, approximately 1.0×10 16 cm −3 , and the n-type impurity concentration of the source layer 350 may be, for example, 1.0×10 cm −3 . It may be about 20 cm −3 .

DMOSFETにおいては、ゲート電極390に所定の電圧が引加されて、p型のボディ層340におけるゲート絶縁膜380aとの境界部分に反転層であるn型のチャネル領域340aが形成される。その結果、動作電流は、ドレイン電極310、バルク層320、ドリフト層330、チャネル領域340a、ソース層350及びソース電極400の順に流れる。この電流経路においては、チャネル領域340aにおけるチャネル抵抗とドリフト層330におけるドリフト抵抗とが大きい。従って、該チャネル抵抗及び該ドリフト抵抗によるジュール熱が、パワー半導体素子10の全体の発熱量に高い割合で占める。 In the DMOSFET, a predetermined voltage is applied to the gate electrode 390 to form an n-type channel region 340a as an inversion layer at the boundary between the p-type body layer 340 and the gate insulating film 380a. As a result, the operating current flows through the drain electrode 310, bulk layer 320, drift layer 330, channel region 340a, source layer 350 and source electrode 400 in this order. In this current path, the channel resistance in channel region 340a and the drift resistance in drift layer 330 are large. Therefore, the Joule heat due to the channel resistance and the drift resistance accounts for a large proportion of the total amount of heat generated by the power semiconductor device 10 .

次に、図4に示すように、ウエハ状態にあって、例えば酸化シリコン(SiO)からなる絶縁膜170が最表面に形成されたパワー半導体素子10に対して、下部電極21を形成して所定のパターニングを行う。 Next, as shown in FIG. 4, a lower electrode 21 is formed on the power semiconductor element 10 which is in a wafer state and has an insulating film 170 made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ) formed on the outermost surface thereof. Predetermined patterning is performed.

まず、下部電極21には、例えば、銅(Cu)をターゲット材とするスパッタリング法を用いて、厚さが70μm程度の銅膜を形成する。 First, a copper film having a thickness of about 70 μm is formed on the lower electrode 21 by using, for example, a sputtering method using copper (Cu) as a target material.

続いて、形成した銅膜の上にレジストを塗布して第1レジスト膜101を形成し、リソグラフィ法により、第1レジスト膜101に所定の下部電極パターンを形成する。その後、パターン化された第1レジスト膜101をマスクとして、塩化第二鉄(塩化鉄(III):FeCl)溶液や酸性溶液を用いてエッチングを行って、図4に示す所定のパターンを有する下部電極21を得る。 Subsequently, a resist is applied on the formed copper film to form a first resist film 101, and a predetermined lower electrode pattern is formed on the first resist film 101 by lithography. Thereafter, using the patterned first resist film 101 as a mask, etching is performed using a ferric chloride (iron (III) chloride: FeCl 3 ) solution or an acid solution to form a predetermined pattern shown in FIG. A lower electrode 21 is obtained.

次に、図5に示すように、第1レジスト膜101を除去し、その後、下部電極21が形成されたパワー半導体素子10の上に、例えば、化学気層堆積(MOCVD)法を用いて、酸化シリコン(SiO)又は窒化シリコン(SiN)からなる絶縁膜23Aを成膜する。絶縁膜23Aの膜厚は、上部電極22の下端部の位置を決定する。ここでは、絶縁膜23Aの膜厚は、13μm程度としてもよい。 Next, as shown in FIG. 5, the first resist film 101 is removed, and then, a chemical vapor deposition (MOCVD) method is used, for example, on the power semiconductor element 10 on which the lower electrode 21 is formed. An insulating film 23A made of silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN) is formed. The thickness of the insulating film 23A determines the position of the lower end of the upper electrode 22. As shown in FIG. Here, the film thickness of the insulating film 23A may be about 13 μm.

続いて、成膜した絶縁膜23Aの上に、銅スパッタリング法を用いて、厚さが100μm程度の銅からなる上部電極形成膜22Aを形成する。 Subsequently, an upper electrode forming film 22A made of copper and having a thickness of about 100 μm is formed on the formed insulating film 23A using a copper sputtering method.

続いて、上部電極形成膜22Aの上にレジストを塗布して第2レジスト膜102を形成し、リソグラフィ法により、第2レジスト膜102に所定の上部電極パターンを形成する。 Subsequently, a resist is applied on the upper electrode forming film 22A to form a second resist film 102, and a predetermined upper electrode pattern is formed on the second resist film 102 by lithography.

次に、図6に示すように、第2レジスト膜102をマスクとして、上部電極形成膜22Aに対してエッチングを行って、第1上部電極22aを形成する。ここでは、銅からなる上部電極形成膜22Aのエッチングにはドライエッチングを用いる。このドライエッチングは、エッチングガスに、塩素(Cl)又は四塩化炭素(CCl)等を含むガスを用いた減圧プラズマエッチングであってもよい。 Next, as shown in FIG. 6, using the second resist film 102 as a mask, the upper electrode forming film 22A is etched to form the first upper electrode 22a. Here, dry etching is used to etch the upper electrode forming film 22A made of copper. This dry etching may be low-pressure plasma etching using an etching gas containing chlorine (Cl 2 ), carbon tetrachloride (CCl 4 ), or the like.

次に、図7に示すように、第3レジスト膜103を、絶縁膜23Aの上における第1上部電極22a同士の間の領域に形成する。第3レジスト膜103の幅は、絶縁膜23Aに対して、パターン化された下部電極21を共有するシリコン層20n、20pの下部領域同士を絶縁する絶縁幅を規制する。 Next, as shown in FIG. 7, a third resist film 103 is formed on the insulating film 23A in the region between the first upper electrodes 22a. The width of the third resist film 103 regulates the insulating width for insulating the lower regions of the silicon layers 20n and 20p sharing the patterned lower electrode 21 with respect to the insulating film 23A.

続いて、第2レジスト膜102及び第3レジスト膜103をマスクとして、絶縁膜23Aに対してドライエッチングを行う。絶縁膜23Aが酸化シリコンの場合は、例えば、フッ化炭素(CF)をエッチングガスとするプラズマエッチング法、また、絶縁膜23Aが窒化シリコンの場合は、例えば、フッ化炭素(CF)と酸素(O)との混合ガス、又はフッ化硫黄(SF)等をエッチングガスとするプラズマエッチング法によりエッチングを行う。その後、各レジスト膜102、103を除去して、図8に示す絶縁支持部23a及び下部絶縁膜23bを得る。 Subsequently, using the second resist film 102 and the third resist film 103 as masks, dry etching is performed on the insulating film 23A. When the insulating film 23A is silicon oxide, for example, a plasma etching method using carbon fluoride ( CF 4 ) as an etching gas is used. Etching is performed by a plasma etching method using a mixed gas with oxygen (O 2 ), sulfur fluoride (SF 6 ), or the like as an etching gas. After that, the resist films 102 and 103 are removed to obtain the insulating supporting portion 23a and the lower insulating film 23b shown in FIG.

一方、図9に示すように、径が8cm程度で、厚さが6.2mm程度の単結晶シリコンからなるインゴット20Aから、底辺が最大で0.98mm程度の立柱体状にダイシングすることにより、複数のn型シリコン層20nを切り出す。ここでは、予めインゴット20Aを所定の不純物濃度を有するn型としておく。図示はしないが、p型の単結晶シリコンからなるインゴット(図示せず)から、同様にして、複数のp型シリコン層20pを切り出す。 On the other hand, as shown in FIG. 9, an ingot 20A made of single crystal silicon having a diameter of about 8 cm and a thickness of about 6.2 mm is diced into a three-dimensional column having a maximum base of about 0.98 mm. A plurality of n-type silicon layers 20n are cut out. Here, the ingot 20A is made n-type with a predetermined impurity concentration in advance. Although not shown, a plurality of p-type silicon layers 20p are similarly cut out from an ingot (not shown) made of p-type single crystal silicon.

次に、図10に示すように、各シリコン層20n、20pの少なくとも側面及び底面に対して、例えばイオン注入を行って、下部電極21及び上部電極22とのコンタクト用の高濃度ドーピング層20hを形成する。n型シリコン層20nのドーパントには、例えば燐(P)を用いることができ、p型シリコン層20pのドーパントには、例えばホウ素(B)を用いることができる。 Next, as shown in FIG. 10, at least side surfaces and bottom surfaces of the silicon layers 20n and 20p are subjected to ion implantation, for example, to form high-concentration doping layers 20h for contact with the lower electrode 21 and the upper electrode 22. Form. Phosphorus (P), for example, can be used as a dopant for the n-type silicon layer 20n, and boron (B), for example, can be used as a dopant for the p-type silicon layer 20p.

続いて、スパッタリング法により、銅からなる第2上部電極22bをp型シリコン層20pの一方の側面の第1上部電極22a(図8を参照。)と対向する領域に形成する。また、n型シリコン層20nの第上部電極22は、p型シリコン層20pの第上部電極22と対向して接続できるように、p型シリコン層20pとは反対側の側面(図10では左側)に形成する。なお、第2上部電極22bには、めっき法(電界めっき又は無電界めっき)を用いることができる。 Subsequently, a second upper electrode 22b made of copper is formed by sputtering in a region facing the first upper electrode 22a (see FIG. 8) on one side surface of the p-type silicon layer 20p. Further, the second upper electrode 22b of the n -type silicon layer 20n is connected to the second upper electrode 22b of the p-type silicon layer 20p so as to face the second upper electrode 22b of the p-type silicon layer 20p. 10 on the left side). A plating method (electroplating or electroless plating) can be used for the second upper electrode 22b.

次に、複数の下部電極21の上に、n型シリコン層20nとp型シリコン層20pとをそれぞれ所定の位置に配置する。 Next, an n-type silicon layer 20n and a p-type silicon layer 20p are arranged at predetermined positions on the plurality of lower electrodes 21, respectively.

ここでは、図11~図14に示すように、例えば、下部電極21の上にそれぞれ配置されるn型シリコン層20n又はp型シリコン20pの各配置位置と対応する複数の開口部60aを有するマスク60を用いる。マスク60における開口パターンは、1種類であってもよい。この場合、例えばp型シリコン20pを配置する際には、n型シリコン層20nの配置位置に対して、平面視で1列分だけ左方向又は右方向にずらして使用すればよい。また、当該マスク60の構成材料には金属膜を用いてもよい。この場合、複数の開口部60aはエッチングにより形成してもよい。 Here, as shown in FIGS. 11 to 14, for example, a mask having a plurality of openings 60a corresponding to the arrangement positions of the n-type silicon layer 20n or the p-type silicon layer 20p arranged on the lower electrode 21 respectively. 60 is used. The number of opening patterns in the mask 60 may be one. In this case, for example, when arranging the p-type silicon layer 20p, it may be used by shifting the arrangement position of the n-type silicon layer 20n by one row leftward or rightward in plan view. Also, a metal film may be used as a constituent material of the mask 60 . In this case, the plurality of openings 60a may be formed by etching.

まず、図11に示すように、マスク60を、その各開口部60aが下部電極21におけるn型シリコン層20nの各配置位置と一致するように、下部電極21の上方に保持する。続いて、マスク60の各開口部60aを通して、その下方の下部電極21の上に、クリームはんだ等の流動性(粘性)を持つはんだ材24の必要量を塗布又は滴下する。 First, as shown in FIG. 11, the mask 60 is held above the lower electrode 21 so that the openings 60a of the mask 60 are aligned with the arrangement positions of the n-type silicon layer 20n in the lower electrode 21. Then, as shown in FIG. Subsequently, a necessary amount of solder material 24 having fluidity (viscosity) such as cream solder is applied or dropped onto the lower electrode 21 through each opening 60 a of the mask 60 .

次に、図12に示すように、n型シリコン層20nの配置位置と一致するように保持されたマスク60の各開口部60aを通して、それぞれn型シリコン層20nを下部電極21上のはんだ材24の上に載置する。 Next, as shown in FIG. 12, the n-type silicon layer 20n is applied to the solder material 24 on the lower electrode 21 through each opening 60a of the mask 60 held so as to match the arrangement position of the n-type silicon layer 20n. be placed on top of the

次に、図13に示すように、マスク60を、その各開口部60aが下部電極21におけるp型シリコン層20pの各配置位置と一致するように、絶縁性基板23上の上方に保持する。ここでは、マスク60の保持位置をn型シリコン層20nの場合と比べて、1列分だけ左方向にずらしている。続いて、マスク60の各開口部60aを通して、その下方の下部電極21の上に、はんだ材24を塗布又は滴下する。 Next, as shown in FIG. 13, the mask 60 is held above the insulating substrate 23 so that each opening 60a of the mask 60 is aligned with each arrangement position of the p-type silicon layer 20p in the lower electrode 21. Next, as shown in FIG. Here, the holding position of the mask 60 is shifted leftward by one column compared to the case of the n-type silicon layer 20n. Subsequently, the solder material 24 is applied or dropped onto the lower electrode 21 through each opening 60 a of the mask 60 .

次に、図14に示すように、p型シリコン層20pの配置位置と一致するように保持されたマスク60の各開口部60aを通して、それぞれp型シリコン層20pを下部電極21上のはんだ材24の上に載置する。 Next, as shown in FIG. 14, the p-type silicon layer 20p is applied to the solder material 24 on the lower electrode 21 through each opening 60a of the mask 60 held so as to match the arrangement position of the p-type silicon layer 20p. be placed on top of the

その後、マスク60を除去し、上方から各シリコン層20n、20pを押圧しながら所定の温度に加熱して、はんだ材24を硬化する。これにより、各シリコン層20n、20pが下部電極21と固着する。これにより、図15に示す状態のペルチェ素子20の複数の半導体ブロックを得る。 Thereafter, the mask 60 is removed, and the solder material 24 is cured by heating to a predetermined temperature while pressing the silicon layers 20n and 20p from above. Thereby, each silicon layer 20n, 20p is fixed to the lower electrode 21. Next, as shown in FIG. Thereby, a plurality of semiconductor blocks of the Peltier element 20 in the state shown in FIG. 15 are obtained.

なお、図14及び図15に示すように、行方向(図中のx方向)に互いに隣接する各シリコン層20n、20pにおける下部絶縁膜23bとそれぞれ反対側の側面に設けられて対向する第2上部電極22b同士が、第1上部電極22aを挟んで電気的に接続される構成を採る。従って、図12に示すn型シリコン層20n及び図14に示すp型シリコン層20pのマスク60を用いた各配置工程においては、それぞれ側面上の第2上部電極22bが対向するように配置する必要がある。 As shown in FIGS. 14 and 15, the second silicon layers 20n and 20p adjacent to each other in the row direction (the x direction in the drawings) are provided on side surfaces opposite to the lower insulating films 23b and face each other. A configuration is adopted in which the upper electrodes 22b are electrically connected to each other with the first upper electrode 22a interposed therebetween. Therefore, in each placement step using the mask 60 for the n-type silicon layer 20n shown in FIG. 12 and the p-type silicon layer 20p shown in FIG. There is

また、図14において、例えば、下から1行目の右端に位置するn型シリコン層20nと下から2行目の右端に位置するp型シリコン層20pとにおいても、列方向(図中のy方向)に互いに対向する側面に第1上部電極22a及び第2上部電極22bを設けておき、直列に接続できるようにする。下から2行目の左端に位置するn型シリコン層20nと下から3行目の左端に位置するp型シリコン層20pとにおいても同様であり、全8行分を直列に接続する。 In FIG. 14, for example, in the n-type silicon layer 20n located on the right end of the first row from the bottom and the p-type silicon layer 20p located on the right end of the second row from the bottom, the column direction (y A first upper electrode 22a and a second upper electrode 22b are provided on the side faces facing each other in the direction ) so that they can be connected in series. The same applies to the n-type silicon layer 20n located at the left end of the second row from the bottom and the p-type silicon layer 20p located at the left end of the third row from the bottom, and all eight rows are connected in series.

次に、図16に示すように、各シリコン層20n、20p、下部電極21、第1上部電極22a及び第2上部電極22bに対して、温度が約220℃で、180秒間程度のシンタリングを行う。これにより、第1上部電極22aと第2上部電極22bとが接合された上部電極22を得る。 Next, as shown in FIG. 16, the silicon layers 20n and 20p, the lower electrode 21, the first upper electrode 22a and the second upper electrode 22b are sintered at a temperature of about 220° C. for about 180 seconds. conduct. As a result, the upper electrode 22 in which the first upper electrode 22a and the second upper electrode 22b are joined is obtained.

次に、図17に示すように、本実施形態に係るパワー半導体装置1は、一例として、2組の3アーム構成のインバータ装置を搭載するモジュールとしている。すなわち、それぞれペルチェ素子20が接合された6個のパワー半導体素子10を含むインバータ装置を、外部端子52を有する筐体51内に配設する。なお、図17においては、配線の図示を省略している。 Next, as shown in FIG. 17, the power semiconductor device 1 according to the present embodiment is, as an example, a module on which two sets of 3-armed inverter devices are mounted. That is, an inverter device including six power semiconductor elements 10 each having a Peltier element 20 joined thereto is arranged in a housing 51 having external terminals 52 . In addition, in FIG. 17, illustration of wiring is omitted.

-効果(製造方法)-
上述したように、本実施形態に係るパワー半導体装置1の製造方法によると、パワー半導体素子10の製造プロセスにおいて、パワー半導体素子10の上面に、熱容量体30を構成する各シリコン層20n、20pを有するペルチェ素子20を接合して形成することができる。その上、ペルチェ素子20は、各シリコン層20n、20pの高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体30を構成するので、各シリコン層20n、20pはパワー半導体素子10に対して瞬間的に大きな負荷が生じた場合に、パワー半導体素子10からの発熱を一時的に蓄えることができる。また、その後の軽負荷時には、各半導体ブロックに蓄えられていた熱を排熱することができる。
- Effect (manufacturing method) -
As described above, according to the method of manufacturing the power semiconductor device 1 according to the present embodiment, in the manufacturing process of the power semiconductor element 10, the silicon layers 20n and 20p forming the heat capacitor 30 are formed on the upper surface of the power semiconductor element 10. The Peltier element 20 having such a structure can be formed by bonding. In addition, since the Peltier element 20 is formed as a solid column in which the height of each of the silicon layers 20n and 20p is greater than the diameter of the bottom portion to constitute the heat capacitor 30, each of the silicon layers 20n and 20p is formed in the power semiconductor element 10. On the other hand, heat generated from the power semiconductor element 10 can be temporarily stored when a large load occurs momentarily. Further, when the load is light after that, the heat stored in each semiconductor block can be exhausted.

本発明は、パワー半導体素子の出力を抑制することなく、当該半導体素子からの発熱を吸熱し且つ放熱でき、車両用のパワー半導体装置として特に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can absorb and dissipate heat generated from a power semiconductor element without suppressing the output of the power semiconductor element, and is particularly useful as a power semiconductor device for vehicles.

1 パワー半導体装置
10 パワー半導体素子
11 パワー素子電極
13 ペルチェ素子接続用ソース電極
20 ペルチェ素子
20h 高濃度ドーピング層
20n n型シリコン層(立柱体/半導体ブロック)
20p p型シリコン層(立柱体/半導体ブロック)
21 下部電極
22 上部電極
22a 第1上部電極
22b 第2上部電極
23A 絶縁膜
23a 絶縁支持部
23b 絶縁壁
24 はんだ材
30 熱容量部(熱容量体)
40 基台(冷却部)
50 蓋体
51 筐体
60 マスク
60a 開口部
1 power semiconductor device 10 power semiconductor element 11 power element electrode 13 Peltier element connection source electrode 20 Peltier element 20h high-concentration doping layer 20n n-type silicon layer (cubic column/semiconductor block)
20p p-type silicon layer (cylinder/semiconductor block)
21 Lower electrode 22 Upper electrode 22a First upper electrode 22b Second upper electrode 23A Insulating film 23a Insulating support 23b Insulating wall 24 Solder material 30 Heat capacity (heat capacity)
40 base (cooling part)
50 Lid 51 Housing 60 Mask 60a Opening

Claims (6)

パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の上面に接合されたペルチェ素子とを備えたパワー半導体装置であって、
前記ペルチェ素子は、複数のp型半導体ブロックと複数のn型半導体ブロックとから構成され、
前記各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックは、前記パワー半導体素子との接合面から上方に延びると共に、その高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体を構成し、
前記各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックにおける高さ方向の互いに隣接する中間部分は、金属電極により電気的に接続されているパワー半導体装置。
A power semiconductor device comprising a power semiconductor element and a Peltier element bonded to the upper surface of the power semiconductor element,
The Peltier element is composed of a plurality of p-type semiconductor blocks and a plurality of n-type semiconductor blocks,
Each of the p-type semiconductor blocks and each of the n-type semiconductor blocks extends upward from the joint surface with the power semiconductor element and is formed as a cubic column whose height is greater than the diameter of its bottom portion to form a heat capacitor. ,
A power semiconductor device , wherein middle portions of the p-type semiconductor blocks and the n-type semiconductor blocks adjacent to each other in the height direction are electrically connected by metal electrodes .
請求項1に記載のパワー半導体装置において、
前記p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックは、半導体シリコンにより構成されているパワー半導体装置。
In the power semiconductor device according to claim 1 ,
The power semiconductor device, wherein the p-type semiconductor block and the n-type semiconductor block are made of semiconductor silicon.
請求項1又は2に記載のパワー半導体装置において、
前記p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックと熱的に接触する冷却部をさらに備えているパワー半導体装置。
In the power semiconductor device according to claim 1 or 2 ,
A power semiconductor device further comprising a cooling part in thermal contact with the p-type semiconductor block and the n-type semiconductor block.
パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の上面に接合されたペルチェ素子とを備えたパワー半導体装置の製造方法であって、
前記パワー半導体素子の上に、絶縁膜を介在させ且つパターン化された下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に、それぞれ複数のp型半導体ブロック及びn型半導体ブロックを交互に配置する工程と、
交互に配置された前記p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックを上部電極により接続する工程とを備え、
前記各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックは、前記パワー半導体素子との接合面から上方に延びると共に、その高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体を構成し、
前記各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックを配置する工程よりも前に、前記上部電極を前記各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックの側面上に形成する工程をさらに備え、
前記各上部電極は、互いに隣接する半導体ブロックの高さ方向の中間部分で電気的に接続されているパワー半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a power semiconductor device comprising a power semiconductor element and a Peltier element bonded to the upper surface of the power semiconductor element,
forming a patterned lower electrode with an insulating film interposed on the power semiconductor element;
alternating a plurality of p-type semiconductor blocks and n-type semiconductor blocks on the lower electrode;
connecting the alternately arranged p-type semiconductor blocks and n-type semiconductor blocks with upper electrodes;
Each of the p-type semiconductor blocks and each of the n-type semiconductor blocks extends upward from the joint surface with the power semiconductor element and is formed as a cubic column whose height is greater than the diameter of its bottom portion to form a heat capacitor. ,
forming the upper electrodes on side surfaces of the p-type semiconductor blocks and the n-type semiconductor blocks before the step of arranging the p-type semiconductor blocks and the n-type semiconductor blocks;
The method of manufacturing a power semiconductor device, wherein the upper electrodes are electrically connected to each other at intermediate portions in the height direction of adjacent semiconductor blocks .
請求項に記載のパワー半導体装置の製造方法において、
前記p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックは、半導体シリコンにより構成されているパワー半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a power semiconductor device according to claim 4 ,
A method of manufacturing a power semiconductor device, wherein the p-type semiconductor block and the n-type semiconductor block are made of semiconductor silicon.
請求項4又は5に記載のパワー半導体装置の製造方法において、
前記各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックを配置する工程は、
前記各p型半導体ブロック又は各n型半導体ブロックの配置位置に開口部を有するマスクを用いて行うパワー半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a power semiconductor device according to claim 4 or 5 ,
The step of arranging each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block includes:
A method of manufacturing a power semiconductor device using a mask having openings at positions where the p-type semiconductor blocks or the n-type semiconductor blocks are arranged.
JP2018160187A 2018-08-29 2018-08-29 Power semiconductor device and its manufacturing method Active JP7151278B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018160187A JP7151278B2 (en) 2018-08-29 2018-08-29 Power semiconductor device and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018160187A JP7151278B2 (en) 2018-08-29 2018-08-29 Power semiconductor device and its manufacturing method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020035850A JP2020035850A (en) 2020-03-05
JP7151278B2 true JP7151278B2 (en) 2022-10-12

Family

ID=69668610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018160187A Active JP7151278B2 (en) 2018-08-29 2018-08-29 Power semiconductor device and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7151278B2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007073890A (en) 2005-09-09 2007-03-22 Chugoku Electric Power Co Inc:The Thermoelectric conversion device
JP2009016812A (en) 2007-06-08 2009-01-22 Sumitomo Metal Mining Co Ltd Thermoelectric conversion module and power generation device using the same
JP2014049713A (en) 2012-09-04 2014-03-17 Hitachi Chemical Co Ltd Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof
JP2017028118A (en) 2015-07-23 2017-02-02 国立大学法人広島大学 Endothermic element, semiconductor device including the same, and manufacturing method of endothermic element

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3234178B2 (en) * 1997-08-04 2001-12-04 株式会社エスアイアイ・アールディセンター Cooling system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007073890A (en) 2005-09-09 2007-03-22 Chugoku Electric Power Co Inc:The Thermoelectric conversion device
JP2009016812A (en) 2007-06-08 2009-01-22 Sumitomo Metal Mining Co Ltd Thermoelectric conversion module and power generation device using the same
JP2014049713A (en) 2012-09-04 2014-03-17 Hitachi Chemical Co Ltd Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof
JP2017028118A (en) 2015-07-23 2017-02-02 国立大学法人広島大学 Endothermic element, semiconductor device including the same, and manufacturing method of endothermic element

Also Published As

Publication number Publication date
JP2020035850A (en) 2020-03-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6835241B2 (en) Semiconductor device
JP7029710B2 (en) Semiconductor device
WO2013103051A1 (en) Semiconductor device
JP2017092368A (en) Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method
WO2017064887A1 (en) Semiconductor device
JP2011066184A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2016058466A (en) Silicon carbide semiconductor device
JP2023001343A (en) Semiconductor device
JP2006303145A (en) Semiconductor device
JP6795032B2 (en) Semiconductor device
JP6295797B2 (en) Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2017112193A (en) Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method
JP2020129624A (en) Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method
JP6811118B2 (en) MOSFET
JP5904276B2 (en) Semiconductor device
JP7151278B2 (en) Power semiconductor device and its manufacturing method
JP7243173B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
JP6540563B2 (en) Semiconductor device
JP6771433B2 (en) Semiconductor device
JP2020150137A (en) Semiconductor device
JP2009212458A (en) Semiconductor device, electronic apparatus and method of manufacturing the same
JP7119776B2 (en) Power semiconductor device and its manufacturing method
WO2019077878A1 (en) Silicon carbide semiconductor device, and manufacturing method of silicon carbide semiconductor device
JP7103435B2 (en) Semiconductor devices and manufacturing methods for semiconductor devices
JP7513553B2 (en) Semiconductor Device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210622

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220630

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220712

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220808

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220830

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220912

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7151278

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150