JP7203222B2 - パワー半導体装置のためのハイブリッド短絡故障モード用のプリフォーム - Google Patents
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Description
本発明は、ベースプレートと、当該ベースプレート上に配置されたワイドバンドギャップ半導体チップと、当該ワイドバンドギャップ半導体チップ上に配置されたプリフォームと、当該プリフォームに圧力を加えるように構成された押圧要素とを備えるパワー半導体モジュールの分野に関する。より特定的には、本発明は、このようなパワー半導体モジュールにおいて短絡故障モード(short-circuit failure mode:SCFM)機能を提供するハイブリッドプリフォームに関する。
高電力の用途では、通常、高電圧要件を満たすために、複数のパワー半導体モジュールを直列に接続する必要がある。このような直列接続により、1つのモジュールが故障した場合に装置全体が故障する可能性がある。したがって、その半導体チップが故障した場合でも常時導通しているパワー半導体モジュールは、このような直列接続において優れた利点を有する。この機能は短絡故障モード(SCFM)として公知である。
したがって、本発明の実施形態の目的は、改善された短絡故障モード(SCFM)を有するとともに当技術分野で公知の欠点のうち少なくとも1つを排除する、ワイドバンドギャップ半導体チップをベースにしたパワー半導体モジュールを提供することである。
本発明の実施形態の主題について、添付の図面に示される例示的な実施形態を参照しつつ以下の記載において詳細に説明する。
図1Aは、導電性ベースプレート1′と、SiCチップ2′と、広い面積のMo-プレフォーム3′と、押圧要素4′とがこの順序でサンドイッチ構造に積層されたパワー半導体モジュールの断面を示す。図1Bはこのパワー半導体モジュールの限定事項を示す。短絡故障モードでは、ベースプレート1′と押圧要素4′との間には電気的接続が確立されるはずである。しかしながら、SiCチップが故障アークプラズマによって完全に除去されない場合、残留するSiC粒子、すなわち破片8′がプリフォーム3′とベースプレート1′との間の直接的な接触を妨げてしまう可能性がある。したがって、ベースプレート1′とプリフォーム3′との間に導電性経路(短絡)が設けられない。プリフォーム3′とベースプレート1′との間の接触を妨げる破片は、大型のプリフォーム3′および大型のチップにとって特に問題となる。
1,1′ ベースプレート、2,2′ 半導体チップ、3,3′ プリフォーム、4,4′ 押圧要素、5 第2の導電層、6 第1の導電層、7,7′ 突起、8,8′ 破片、9,9′ 窪み、10 端縁。
Claims (15)
- パワー半導体モジュールであって、
上面および底面を有するベースプレート(1)と、
底面および上面を有する半導体チップ(2)とを備え、前記半導体チップ(2)は、前記ベースプレート(1)の前記上面上に配置されており、前記半導体チップ(2)の前記底面は前記ベースプレート(1)の前記上面と接触し、前記半導体チップ(2)はワイドバンドギャップ半導体材料を含み、前記パワー半導体モジュールはさらに、
底面および上面を有するプリフォーム(3)を備え、前記プリフォーム(3)は、前記半導体チップ(2)の前記上面上に配置されており、前記プリフォーム(3)の前記底面は前記半導体チップ(2)の前記上面に接触しており、前記パワー半導体モジュールはさらに、
前記プリフォーム(3)の前記上面と接触するとともに、前記プリフォーム(3)の前記上面に対して圧力を加えるように構成された押圧要素(4)を備え、
前記プリフォーム(3)は、第1の導電層(6)および第2の導電層(5)を含み、
前記第1の導電層(6)は少なくとも1つの突起(7)を有し、前記少なくとも1つの突起(7)は、前記半導体チップ(2)の前記上面に向かって突出するとともに前記プリフォーム(3)の前記第1の導電層(6)に少なくとも1つの窪み(9)を規定し、
前記少なくとも1つの突起(7)および前記第1の導電層(6)は、同じ材料または異なる材料から作製されており、
前記第2の導電層(5)の少なくとも一部は、前記窪み(9)内において前記半導体チップ(2)の前記上面上に位置決めされており、
前記少なくとも1つの突起(7)の材料は、前記第2の導電層(5)の材料よりも高い融点を有しており、
前記パワー半導体モジュールは、放熱による半導体チップの故障時に、前記押圧要素(4)によって前記ベースプレート(1)に向かって圧力が加えられると、前記第1の導電層(6)の前記少なくとも1つの突起(7)が前記半導体チップ(2)の残留材料(8)内を貫通することで、前記第1の導電層(6)の前記少なくとも1つの突起(7)と前記ベースプレート(1)とを接触させるとともに、短絡故障モードで不良な半導体チップ(2)をブリッジする短絡を形成するように構成される、パワー半導体モジュール。 - 前記押圧要素(4)は前記プリフォーム(3)の前記上面と面接触しており、前記プリフォーム(3)の前記底面は、前記半導体チップ(2)の前記上面と面接触しており、前記半導体チップ(2)の前記底面は、前記ベースプレート(1)の前記上面に面接触して前記ベースプレート(1)に取付けられている、請求項1に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記少なくとも1つの突起(3)は、前記第2の導電層(5)によって横方向から囲まれている、請求項1または2に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記プリフォーム(3)の前記底面は前記第2の導電層(5)の底面によって形成される、請求項1~3のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記プリフォーム(3)の前記底面は、前記第2の導電層(5)の底面と前記突起(7)の底面とによって形成される、請求項1~4のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記半導体チップ(2)は、前記半導体チップ(2)の前記上面に、半導体層と、前記半導体層上にメタライゼーション層とを含み、前記メタライゼーション層は前記プリフォーム(3)および前記半導体層と直接接触しており、前記メタライゼーション層と前記半導体層との間の接触区域は前記半導体チップ(2)の活性区域を規定している、請求項1~5のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記プリフォーム(3)の前記底面と前記半導体チップ(2)の前記上面との間の接触区域のサイズは、前記半導体チップ(2)の活性区域のサイズの少なくとも50%であるとともに、前記半導体チップ(2)の前記活性区域のサイズの100%未満である、請求項6に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記少なくとも1つの突起(7)の前記底面のサイズは、前記半導体チップ(2)の前記活性区域のサイズの60%未満である、請求項6または7に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記第1の導電層(6)の材料は、1500°Cよりも高い融点を有し、前記第2の導電層(5)の材料は、1500°Cよりも低い融点を有する、請求項1~8のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記少なくとも1つの突起(7)は、垂直な端縁(10)、丸みを帯びた端縁(10)、または傾斜した端縁(10)のうち少なくとも1つを有する、請求項1~9のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記少なくとも1つの突起(7)は、円柱形状、球状キャップ形状、または円錐形状のうちの1つを有する、請求項1~10のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記第1の導電層(6)は、モリブデン(Mo)、タングステン(W)またはそれらの合金のうちの1つを含む、請求項1~11のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記第2の導電層(5)の材料は、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、錫(Sn)、鉛(Pb)、マグネシウム(Mg)、またはそれらの合金のうちの1つを含む、請求項1~12のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記半導体チップ(2)に含まれる前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化珪素(SiC)および/または窒化ガリウム(GaN)を含む、請求項1~13のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記プリフォーム(3)は、前記半導体チップ(2)の熱膨張係数とは、250%未満の範囲で異なる熱膨張係数を有する、請求項1~14のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
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