JP7410822B2 - 半導体パワーモジュールおよび半導体パワーモジュールの製造方法 - Google Patents

半導体パワーモジュールおよび半導体パワーモジュールの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体パワーモジュールの構成とその製造方法に係り、特に、Si半導体チップとSiC半導体チップを同一の絶縁基板上に搭載する複合型の半導体パワーモジュールに適用して有効な技術に関する。
インバータに代表される電力変換機器の中で、パワー半導体は整流機能やスイッチング機能をもつ主要な構成部品として使われている。パワー半導体の材料として現在はシリコン(Si)が主流であるが、物性に優れるシリコンカーバイド(SiC:炭化珪素)の適用が進んでいる。
SiCは、シリコンに対して絶縁破壊電界強度が一桁高く高電圧用途に適することや、熱伝導率もシリコンの3倍で、かつ高温でも半導体の性質を失いにくいことから原理的に温度上昇に強く、素子の抵抗を下げられるためパワー半導体の材料として適している。
SiCを採用した半導体パワーモジュールは、SiC-MOSFETを主要構成素子とするフルSiCモジュール、SiCダイオードのみから成るSiCモジュール、シリコン素子とSiC素子を組み合わせたSiCハイブリッドモジュールの3つに大別される。
これらの中でも、特に、インバータを構成する半導体パワーモジュールのスイッチング素子と整流素子の内、整流素子の還流ダイオード(フリーホイーリングダイオード)をシリコンからSiCに置き換えたSiCハイブリッドモジュールの製品化が先行している。整流素子はスイッチング素子に比べて構造と動作が単純で素子開発を進めやすい。また、SiCのダイオードとシリコンのIGBTを組み合わせた場合には、SiCダイオードの損失低減のみならず、IGBTのスイッチング損失も低減できる相乗効果がある。
次に、半導体パワーモジュールの構成を、従来のシリコン半導体素子のみからなるパワーモジュールと、SiCハイブリッドモジュールの比較を交えて説明する。
シリコン半導体素子のみから構成される一般的な高耐圧の半導体パワーモジュールは、スイッチング素子としてシリコンのIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用い、これと逆並列に接続する還流ダイオードとしてシリコンのPNダイオードを組み合わせていた。
図2に、半導体パワーモジュールの外観図を、図3に、回路構成をそれぞれ示す(G:ゲート、E:エミッタ、C:コレクタ)。ケース内には複数枚の絶縁基板10が格納され、各絶縁基板10内にスイッチング素子(シリコンIGBT21や図示しないMOS等)と還流ダイオード(SiC-SBD22)が複数チップ実装されている。各絶縁基板10は、モジュール主端子31により外部との電気的コンタクトをとる。なお、図2では、1つの半導体パワーモジュールに一組のIGBTと一組のダイオードを電気的に組み合わせた1in1構成を例として示している。
図2及び図3に示すように、SiCハイブリッドモジュールでは、シリコンのPNダイオードをSiCのショットキーバリアダイオード22(SBD = Schottky Barrier Diode)に置き換える。SBDはリカバリ電流が無いためスイッチング損失が1/10程度に減る。SiCを用いることで、耐圧600V~3.3kVといった従来シリコンのSBDを適用できなかった高耐圧領域までSBDを適用することが可能になる。
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には「第1の被接合部材と、第2の被接合部材とを金属配線を介して接合する金属配線の接合構造であって、前記第1の被接合部材と前記金属配線の一端との接合部は、導電性の焼結接合材で構成され、前記第2の被接合部材と前記金属配線の他端との接合部は、導電性の熱溶融接合材で構成されている金属配線の接合構造」が開示されている。
また、特許文献2には「ベース板と、上記ベース板の一方の面に接合され、且つ回路用導体パターンが設けられた絶縁基板と、上記絶縁基板に実装されたSiスイッチング素子と、上記絶縁基板に実装された、複数のワイドバンドギャップ半導体素子を素子用封止材で封止した素子パッケージと、上記ベース板に覆設されるとともに、少なくとも、上記Siスイッチング素子と上記素子パッケージと上記絶縁基板とを収納したケースと、上記ケースの内部に充填されたケース用封止材とを備えた電力用半導体装置であって、上記Siスイッチング素子と上記素子パッケージとが、同一の上記絶縁基板の回路用導体パターンに搭載され、上記Siスイッチング素子の電極と上記ワイドバンドギャップ半導体素子の電極とが、上記回路用導体パターンに電気的に導通され、上記素子用封止材に、モールド樹脂が用いられた電力用半導体装置」が開示されている。
特開2016-219681号公報 特開2012-43875号公報
ところで、SiC素子を採用することで損失低減や高速動作によるスイッチング周波数の増加、高温動作などの長所を得た一方で、SiC素子を実装した半導体パワーモジュールのパワーサイクル耐性はシリコンと比較して劣ることが報告されている。
パワーサイクル耐性とは、半導体素子に秒単位の時間で主電流のオンとオフを繰り返し、短時間の熱的なサイクル疲労を調べるパワーサイクル試験における耐久性を指し、半導体パワーモジュールの信頼性試験としては最も厳しいものの一つとして知られている。
SiCはヤング率がシリコンの3倍と硬いため、ダイアタッチ部(チップ下の接合層)のひずみエネルギーが大きく、また熱伝導率もシリコンの3倍と高く素子の発熱が応力の強いチップ端まで速やかに伝わるため、発熱と冷却を繰り返すパワーサイクルによる疲労でチップ下の接合層が破壊しやすく、その寿命はシリコン比でおよそ1/3に低下することが知られている。
SiCのパワーサイクル耐性を向上するためには、寿命のボトルネックとなっているチップ下の接合層を従来のはんだから、より強固な新接合に変更する方法がある。新接合としては、銀や銅のナノ粒子を焼結する焼結銀接合および焼結銅接合や、強度の高いAu-Geはんだを用いる方法、液相拡散接合(TLP)などが知られている。
中でも、焼結接合を用いる方法は信頼性に優れており、開発と製品化が最も進んでいる。焼結銀接合並びに焼結銅接合を適用したSiCモジュールが既に報告されているが、そのパワーサイクル耐性は従来のはんだ接合を用いたSiCモジュールの数倍から10倍以上との検証結果がある。
一方で、焼結接合を用いる方法にも幾つかの短所がある。強固な焼結接合を形成するためには、はんだと異なり接合時にチップの加圧が必要で、シリコンIGBTなどの大型かつ場合により薄膜化されているチップで全面を均等に加圧するためのプロセス難易度が高く、歩留まりが低下しやすい。また、シリコンは不純物としての銅が拡散しやすく特性劣化を招くため、IGBTのように裏面側近傍にPN接合を形成する素子では接合に銅が隣接した状態で加圧することはキズ等から銅拡散による不良や信頼性低下につながるリスクがある。
これらの懸念に加え、焼結接合で接合できる被接合金属膜は一般にはんだ接合を用いた場合とは異なるため、接合方法に応じて予め半導体素子の裏面仕様を作り分ける必要がある。ウエハ形態で大量生産することが基本の半導体素子では、仕様統一ができないことは顕著なコスト増を意味する。
このため、小面積チップでも大電流を流すことが可能であり、ウエハも厚いため加圧が容易で、かつ裏面にデバイス構造が無く焼結接合からの銀や銅の拡散の懸念も少ないSiC素子から焼結接合の適用が進んでいる。現在の主流であるシリコン素子に対する適用はより難易度が高い。これらの要因からシリコン素子とSiC素子が共存するSiCハイブリッドモジュールにおいては、焼結接合を採用するとシリコン素子への適用に技術課題があり、逆に、はんだ接合を用いるとSiC素子の寿命が短くなる問題点があった。
上記特許文献1では、半導体チップ7と基板上回路層9とをビームリード11を介して接合する際、半導体チップ7とビームリード11を焼結接合で接合し、基板上回路層9とビームリード11をはんだ接合で接合しているが、半導体チップ7と半導体チップ7が搭載される第1の基板上回路層5との間はハンダ層20により接合されており、上述したようなSiCハイブリッドモジュールにおける課題、すなわちSi半導体チップと絶縁基板との接合信頼性及びSiC半導体チップと絶縁基板との接合信頼性を両立させる必要があることについては言及されていない。
また、上記特許文献2では、例えば図1にSiスイッチング素子5とSiCのダイオードパッケージ6の両方をはんだ3により同一の絶縁基板2上に接合することが記載されており、さらにダイオードパッケージ6内部では、図3及び段落[0029]等に記載があるように、SiCダイオード素子7を高耐熱接合材22によりリード端子24aに接合し、高耐熱接合材22の一例として金属焼結型接着剤を用い、Siスイッチング素子5及びSiCのダイオードパッケージ6の両方をはんだ3により絶縁基板2上に接合することが例示されている。
しかしながら、SiCダイオード素子7を素子用封止材23により封止してダイオードパッケージ6としているので、放熱性が問題になる可能性があるとともに、SiCダイオード素子7を絶縁基板2に直接搭載するのに比べてダイオードパッケージ6としている分だけコストが上がるという問題がある。
そこで、本発明の目的は、Si半導体チップとSiC半導体チップを同一の絶縁基板上に搭載する複合型の半導体パワーモジュールにおいて、Si半導体チップと基板との接合信頼性向上、及びSiC半導体チップと基板との接合信頼性向上の両立が可能な半導体パワーモジュール及びその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、Si半導体チップとSiC半導体チップを同一の絶縁基板上に搭載する複合型の半導体パワーモジュールにおいて、前記Si半導体チップは、はんだ接合により前記絶縁基板上の第1の配線領域に接合され、前記SiC半導体チップは、焼結接合により前記絶縁基板上の第2の配線領域に接合され、前記第1の配線領域上にニッケルめっきが施されており、前記Si半導体チップは、前記ニッケルめっきを介して、はんだ接合により前記第1の配線領域に接合され、前記SiC半導体チップは、焼結接合により前記第2の配線領域に直接接合されることを特徴とする。
また、本発明は、(a)絶縁基板上の第1の配線領域に、はんだ接合によりSi半導体チップを接合する工程と、(b)前記絶縁基板上の第2の配線領域に、焼結接合によりSiC半導体チップを接合する工程と、を含む半導体パワーモジュールの製造方法において、前記(a)工程と前記(b)工程が同時に処理されることを特徴とする。
本発明によれば、Si半導体チップとSiC半導体チップを同一の絶縁基板上に搭載する複合型の半導体パワーモジュールにおいて、Si半導体チップと基板との接合信頼性向上、及びSiC半導体チップと基板との接合信頼性向上の両立が可能な半導体パワーモジュール及びその製造方法を提供することができる。
これにより、Si半導体チップとSiC半導体チップを備える半導体パワーモジュールの信頼性向上、及び歩留まり向上、コスト低減が図れる。
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。
本発明の実施例1に係る半導体パワーモジュールの概略構成を示す図である。 半導体パワーモジュールの外観図(組立図)である。 半導体パワーモジュールの回路構成を示す図である。 焼結銅接合のプロセスフローを示す図である。 本発明の実施例1に係る半導体パワーモジュールの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例1に係る半導体パワーモジュールの組立段階の絶縁基板を示す図である。 本発明の実施例1に係る半導体パワーモジュールの組立に用いる治具を示す図である。 本発明の実施例1に係る半導体パワーモジュールの組立段階の絶縁基板を示す図である。 本発明の実施例1に係るシリコンIGBTの断面図である 本発明の実施例2に係る半導体パワーモジュールの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例3に係る半導体パワーモジュールの概略構成を示す図である。 本発明の実施例4に係る半導体チップの断面図である。 焼結銀接合のプロセスフローを示す図である。 本発明の実施例6に係る半導体チップの断面図である。 本発明の実施例9に係る半導体パワーモジュールの概略構成を示す図である。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
図1から図9を参照して、本発明の実施例1の半導体パワーモジュールとその製造方法について説明する。
図1に、本実施例の半導体パワーモジュールの概略構成を示す。本実施例の半導体パワーモジュールは、図1に示すように、セラミック板11上に金属配線12,13,14が設けられた絶縁基板10を備えており、絶縁基板10上には、半導体チップとして複数の(ここでは4個の)シリコンIGBT21と複数の(ここでは10個の)SiC-SBD22が搭載されている。
各半導体チップ上の電極間は、ボンドワイヤ17によって接続されている。なお、図1では煩雑さを避けるため対称的な位置にあるボンドワイヤの記載を省略している。半導体パワーモジュールの出力電流は、主端子接合領域15に超音波接合で接合された主端子により外部に取り出される。
ここで、シリコンIGBT21を配置する領域とSiC-SBD22を配置する領域の間隔18は、1.5mm以上の距離を確保している。つまり、シリコンIGBT21とSiC-SBD22は、絶縁基板10(金属配線13)上に互いに1.5mm以上離間して配置されている。
金属配線12,13,14は銅(Cu)で形成されているが、シリコンIGBT21を配置する領域19のみ銅の配線上にニッケル(Ni)めっきが施されている。
シリコンIGBT21は、金属配線13のNiめっきが施された領域19上にはんだ接合で接合されている。具体的には、鉛(Pb)を主成分とする高融点はんだを用いている。一方、SiC-SBD22は、金属配線13上に焼結銅接合で接合されている。焼結銅接合については後述する。
図2に、上記の絶縁基板10を組み入れた半導体パワーモジュール30の外観図(組立図)を示す。パッケージケース33内に、モジュール主端子31と補助端子(図示せず)、シリコンIGBT21並びにSiC-SBD22を搭載した絶縁基板10が実装される。そして、図示しないシリコーンゲル等の封止材で内部を充填した状態で、ケースフタ32で密封される。
図2に示す半導体パワーモジュール30のモジュール組立プロセスの内、本発明の特徴的な半導体チップの接合工程について説明する。
絶縁基板10上に、先ず、SiC-SBD22を焼結銅接合を用いて接合する。焼結銅接合の基本工程を図4に示す。
先ず、図4の焼結ペーストの印刷段階40に示すように、銅(Cu)の微細粒子を有機溶媒2に分散させた焼結銅ペーストを印刷技術を用いてCu電極1(絶縁基板10上の金属配線13)の半導体チップ搭載位置に印刷する。
次いで、図4の半導体チップをマウントして熱処理を開始した段階41に示すように、ダイ3(半導体チップ)を焼結銅ペースト上にマウントした後に、圧力4で示すように加圧しながら炉内で還元性雰囲気中の熱処理6を行う。
その過程で、図4の焼結が進行した段階42に示すように、有機溶媒2が除去され、その後に銅の微細粒子同士の焼結が進む。
最後に、図4の焼結接合の熱処理が完了した段階43に示すように、熱処理が完了した段階で強固な焼結銅(Cu)層5が形成される。
この焼結プロセスのポイントは、バルク状態での融点は1000℃以上となる銅や銀を、溶媒や熱処理雰囲気にも依存するが250℃から380℃といったはんだ接合と変わらない低温で反応、形成できることにある。
一般に、金属の熱サイクルでの疲労破壊に対する耐性は、使用温度Tと融点Tmの比T/Tm(いずれも絶対温度)に依存して、融点Tmが高いほど同じ使用温度なら安定となる。はんだの融点がおよそ200℃から300℃程度であるのに対して、銅や銀の融点は1085℃乃至962℃のため、焼結銅や焼結銀の接合は大幅に安定となることがわかる。低温で接合可能となる理由は、材料に直径数十nmから数μmという微細粒子を用いることで、比表面積を増大し反応性を高めているためである。
次に、本実施例の半導体パワーモジュール30の組立プロセスについて説明する。図5に、本実施例の半導体パワーモジュールの組立プロセス(製造方法)を示す。
先ず、ステップS1において、絶縁基板10の金属配線13上に、ダイ(SiC-SBD22)を焼結銅接合で接合する。図6に、SiC-SBD22を焼結銅接合で接合した段階の絶縁基板10を示す。
続いて、ステップS2において、絶縁基板10の金属配線13上のNiめっきが施された領域19上にシリコンIGBT21をはんだ接合で接合する。このとき、絶縁基板10上には既にSiC-SBD22が搭載されているため、シリコンIGBT21のはんだ接合に用いる図7に示すシリコンIGBTのマウント用治具35は、SiC-SBD22への接触を避ける目的で、SiC-SBD部36をくり抜いた構造の治具を用いる。図7に示すように、シリコンIGBTのマウント用治具35を絶縁基板10上に載置した後、シリコンIGBTチップとはんだを搭載するための穴38を介して絶縁基板10上のシリコンIGBTの搭載領域37にシリコンIGBT21をはんだ接合する。
はんだ接合の接合条件は、ここで用いた高融点はんだの場合には温度が約350℃の水素雰囲気とする。焼結銅接合は、ひとたび形成されると銅の融点が1085℃と高いため、続くはんだ接合の熱処理温度では全く影響を受けない利点がある。
シリコンIGBT21のはんだ接合を完了した段階を図8に示す。続いて、ステップS3において、金属配線12、シリコンIGBT21及びSiC-SBD22上の電極、金属配線14をワイヤボンディングにより接続することで、図1に示す半導体パワーモジュールの構成となる。
この後は、ステップS4~S7において、従来の半導体パワーモジュールと同様に、図2に示すように複数の絶縁基板10をベースプレート34にはんだで接合し、複数の絶縁基板10間のワイヤボンディングを行い、モジュール主端子31及び補助端子(図示せず)をパッケージケース33内に取り付けた後に、シリコーンゲルで封止し、ケースフタ32を接着して半導体パワーモジュールの組立が完了する。
ここで、絶縁基板10の金属配線13上にNiめっきが施された領域19を設ける理由について説明する。図9にシリコンIGBTの断面図を示す。シリコンIGBTはSiC-SBDと異なり、半導体チップ裏面近傍にpn接合50が存在する。
例えば、ウエハのダイシングやダイシングされたチップのハンドリング時に裏面にキズ60等が生じた場合に、絶縁基板10上の金属配線13の銅が直接シリコンに接触すると、はんだ接合の熱処理中に銅とシリコンの反応生成物が生じてpn接合に欠陥61を生じる。
また、銅はシリコン中で容易に拡散して特性を劣化させる汚染源となるため、特に避けなければならない金属でもある。そこで、対策として、図1の絶縁基板10においてシリコンIGBT21を配置する領域19には拡散バリアとなるNiめっきを形成する。シリコンIGBT21をはんだ接合でNiめっき面に接合することで、使用するシリコンIGBTチップは、従来のはんだ品と共通化できるためコストが低減できる。
さらに、銅の金属配線13-Niめっき-シリコンIGBT21のように、接合の組み合わせを従来と同等とすることで、すでに量産品としてフィールドでの実績がある技術を用いることからコストと時間を要する長期の信頼性試験を省略できるメリットがある。
上述したように、シリコンIGBTはパワーサイクル耐性に優れるために、SiC-SBDのみを焼結銅接合としても両者の寿命は同程度となり、シリコンIGBTのみに従来のはんだ接合を用いることは寿命上のデメリットにはならない。
この他に、はんだ接合と焼結銅接合を使い分けることには以下の長所がある。先ず、焼結接合は、図4に示すように、熱処理中に半導体チップを加圧する必要がある。均一で不良を生じない加圧は大面積なシリコン半導体ほど難しくなるため、大面積チップに対しては、従来のはんだ接合を適用することで歩留まり向上や、高価な加圧焼結炉への要求仕様を緩和して設備投資を低減できる。
また、耐圧1200V以下といった比較的低耐圧のシリコンIGBTでは、損失低減のため薄膜化したウエハが用いられる。シリコンはSiCに比べてヤング率が1/3程度と低く、すなわち柔らかいため、加圧条件がデリケートになることから、ほぼ無加圧の従来のはんだを用いる接合プロセスの方が容易である。
以上の理由から、焼結接合とはんだ接合を、接合する半導体チップの面積を基準に使い分けても良い。加圧焼結の難易度が高くなる半導体チップの寸法は素子面積で10mm角相当である。10mm角以下であれば、焼結ペーストによっては強度は若干犠牲になるものの無加圧で焼結することさえ可能になる。
一方、10mm角相当以上では加圧が必要となる。このため、半導体チップサイズ10mm角相当を基準に、これより大面積(チップ面積が100mm以上)の半導体チップははんだ接合、小面積(チップ面積が100mm未満)のチップは焼結銅接合を用いると良い。
また、上述したように、焼結銅接合を行う半導体チップの配置領域と、はんだ接合を行う半導体チップの配置領域の間には、最小で1.5mmの間隔を設ける必要がある。これは、はんだ接合では接合時に液体の状態に溶融したはんだが半導体チップ下から流れ出て拡がるため、焼結銅接合と干渉しないマージンとして必要になるためである。
はんだは気孔のある焼結接合層に容易に侵入し、銅と反応するため両者の接触を避ける必要がある。実測で半導体チップ下からのはんだ流れ量は最大約1mmであったことから、マージンを含めて最小で1.5mmの間隔を設けることが適切である。
図10を参照して、本発明の実施例2の半導体パワーモジュールの製造方法について説明する。図10は、本実施例の半導体パワーモジュールの製造方法を示すフローチャートであり、実施例1の図5に相当する。
本実施例では、半導体チップの接合工程を合理化する方法を示す。図5に示した実施例1での組立プロセスの流れに対して、本実施例では図10に示すように、ステップS1’において、焼結銅接合とはんだ接合を同時に実施する。なお、絶縁基板10上のレイアウト等は実施例1と同様である。また、ステップS3~S7に示すように、ワイヤボンディング工程からパッケージカバーの実装工程までは実施例1(図5)と同様である。
実施例1に対する本実施例のプロセスの変更点について説明する。焼結銅接合では、微粒子の調整及び溶媒の調合に依存して必要な焼結温度と雰囲気を制御可能なため、はんだ接合の温度及び雰囲気と共通の条件で焼結可能な焼結銅ペーストを作成することができる。例えば、高温鉛はんだの条件である、350℃加熱、100%水素雰囲気、20分にて焼結可能な焼結銅ペーストを用いる。
絶縁基板10上で、焼結銅接合を行うSiC-SBD22の接合領域には焼結銅ペーストを予め印刷塗布する。その後、接合補助用のカーボン治具(図示せず)にセットした後、マウンタによって、シリコンIGBT21の接合領域にはシートはんだとシリコンIGBTチップを順にマウントし、SiC-SBD22の接合領域には、焼結銅ペースト上に、SiC-SBDチップのマウントを行った後に、ステップS1’において、加圧可能な炉内に投入して熱処理を行う。
2種の異なる接合を同時に行うことで各々からのアウトガスによる相互作用の悪影響が懸念されたが、発明者らの検討の結果、特に問題は発生しないことを確認した。焼結銅接合に用いる溶媒は加熱の早い段階で揮発してしまい、はんだ接合の仕上がりに影響する高温雰囲気でのはんだ溶融状態には影響しないためと考えられる。
本実施例の製造方法によれば、焼結接合とはんだ接合を同時に実施可能なため、製造時間短縮と設備投資削減の効果がある。
図11を参照して、本発明の実施例3の半導体パワーモジュールについて説明する。図11は、本実施例の半導体パワーモジュールの概略構成を示す図である。
本実施例では、絶縁基板10上のはんだ接合領域と焼結接合領域を区切るためにソルダーレジストを設ける構成を説明する。
はんだ接合は、接合時に液状に溶融したはんだが半導体チップ下から流れ出る場合があるが、流れたはんだが焼結接合領域に干渉することを防ぐために流れ止めのソルダーレジスト23を区切り位置に設ける。実施例1で説明したように、絶縁基板10上ではシリコンIGBT21を配置する領域とSiC-SBD22を配置する領域の干渉を防ぐために予め一定距離(1.5mm以上)の間隔を設けるが、ソルダーレジスト23を設けることで、より確実にはんだの流出を防止することができる。
はんだ接合時の治具が炉内でわずかに傾いてセットされた場合などに、はんだの流れる距離が増加する場合があるが、そのような場合でも不良を防止できる。
図12を参照して、本発明の実施例4の半導体パワーモジュールについて説明する。図12は、本実施例の半導体パワーモジュールに搭載される半導体チップの断面図である。
本実施例では、ワイヤボンドの接合を強化するワイヤ補強樹脂を設ける構成を説明する。焼結接合によって強化されたダイアタッチはもはやパワーサイクル耐性の律速箇所にはならず、寿命は主にボンドワイヤ17と半導体チップの表面電極62の接合の強度に依存する。そこで、ワイヤ部の接合を強化するワイヤ補強樹脂63を設けることで半導体パワーモジュールの信頼性をさらに向上することができる。
図12に示すように、例えば、半導体チップ67の表面電極62には直径400μmのボンドワイヤ17を接合して、接合部にはワイヤ補強樹脂63をコートする。ワイヤ補強樹脂63の膜厚は平坦部で10μmほどであるが、ワイヤの接合部近傍64では塗布時の表面張力により数十μm~百μm程度が吸い上げられて接合部を局所的に補強できる形状に被覆される。
半導体チップ67表面の外周部には、ワイヤ補強樹脂63の拡散防止と耐電界保護が目的の樹脂コート65が土手状に配置され、塗布時のワイヤ補強樹脂63の不要な拡散を防止している。外周の樹脂コート65の膜厚は最も厚い部分で50μmから500μm程度あり、ワイヤ補強樹脂63の流動防止には十分な高さがある。
なお、図12において、半導体チップ67がSiC半導体チップである場合、セラミック板11と半導体チップ67の間のチップ接合部66は焼結接合部となり、半導体チップ67がSi半導体チップである場合、セラミック板11と半導体チップ67の間のチップ接合部66ははんだ接合部となる。
この後、上述したように、パッケージケース33内で半導体チップとワイヤの上部の空間には、封止材としてのシリコーンゲルを充填する。
ワイヤ補強樹脂63としては、パッケージケース33内に充填されるシリコーンゲルよりもヤング率の高い材料を用いるのが望ましく、例えば、ポリアミドイミド樹脂を含むポリアミドイミド系樹脂を用いる。ポリアミドイミド系樹脂は耐熱性や密着性、塗膜硬度に優れ、はんだ付け等の熱処理工程を経る中でワイヤ接合部の補強を行う樹脂として適した特性を有する。また、絶縁破壊電界強度も典型的には150kv/mm程度と良好で、高耐圧のパワー半導体モジュール用途に適する。ポリアミドイミド系樹脂には、半導体用として、金属イオン等の不純物含有量が1ppm以下の高純度品を用いるのが望ましい。
なお、ポリアミドイミド系樹脂は、ヤング率が2500MPa程度と比較的硬い膜であるため、厚膜を形成すると逆に応力が強くなりパワーサイクル耐性を劣化させる場合があり、平坦部で10μm以下の塗布量とした。塗布時には1Pa・sと粘度の低い液体の状態で半導体チップ上に滴下することで、ワイヤ接合部近傍で樹脂が厚くコートされ、平坦部は薄い状態を実現できる。
また、SiC半導体チップは、Si半導体チップに比べてヤング率が約3倍高く、パワーサイクル耐性がSi半導体チップに比べて低いため、SiC半導体チップの表面電極62とボンドワイヤ17の接合部をシリコーンゲルよりもヤング率の高いワイヤ補強樹脂63で被覆し、Si半導体チップの表面電極62とボンドワイヤ17の接合部はワイヤ補強樹脂63で被覆せずに、封止材であるシリコーンゲルで被覆してもよい。Si半導体チップの表面電極62とボンドワイヤ17の接合部をワイヤ補強樹脂63で被覆しない場合は、Si半導体チップ上に樹脂コート65を設ける必要はない。
もちろん、SiC半導体チップの表面電極62とボンドワイヤ17の接合部及びSi半導体チップの表面電極62とボンドワイヤ17の接合部の両方をワイヤ補強樹脂63で被覆してもよいのは言うまでもない。
ワイヤ補強樹脂63のパワーサイクル耐性効果は、樹脂とワイヤの硬度や電極膜材料にも依存するが、ワイヤ補強樹脂無しの場合と比較しておよそ2倍から10倍程度の寿命改善効果が得られる。
図13を参照して、本発明の実施例5の半導体パワーモジュールとその製造方法について説明する。図13は、焼結銀接合のプロセスフローを示す図である。
本実施例では、焼結接合として焼結銀接合を用いる場合を説明する。焼結銀接合は、先に説明した焼結銅接合と比較して焼結接合が可能な熱処理条件範囲が広く、研究開発が先行している。
図13に示すように、先ず、焼結ペーストの印刷段階40で、銀(Ag)の微細粒子を有機溶媒2に分散させた焼結銀ペーストを印刷技術を用いてAg/Cu電極7(絶縁基板10上の金属配線13)の半導体チップ搭載位置に印刷する。
次いで、半導体チップをマウントして熱処理を開始した段階41に示すように、ダイ3(半導体チップ)を焼結銀ペースト上にマウントした後に、圧力4で示すように加圧しながら炉内でN雰囲気中の熱処理9を行う。
その過程で、焼結が進行した段階42に示すように、有機溶媒2が除去され、その後に銀の微細粒子同士の焼結が進む。
最後に、焼結接合の熱処理が完了した段階43に示すように、熱処理が完了した段階で強固な焼結銀(Ag)層8が形成される。
以上のように、基本的な流れは実施例1の図4の焼結銅接合と同様であるが、焼結銀接合の場合には還元雰囲気では無く、窒素(N)ガスなどの不活性雰囲気中で熱処理を行うことができる。また、焼結温度も200℃から280℃程度と焼結銅よりも低い温度でも焼結接合を形成しやすい。
但し、形成された焼結層の接合強度は焼結銅より低くなりやすく、強固な接合を得るためには一般に、より大きな加圧力を必要とする。また、被接合金属膜も、焼結銅やはんだと異なり銀(Ag)やパラジウム(Pd)など焼結銀に対応した貴金属が必要となる場合が多い。
焼結銀接合では、不活性雰囲気でより低温接合が可能なため、取り扱いが容易となることや、焼結可能な条件範囲が広い長所がある。
図14を参照して、本発明の実施例6の半導体パワーモジュールについて説明する。図14は、本実施例の半導体パワーモジュールに搭載される半導体チップの断面図であり、SiC-SBDの例を示している。
本実施例では、半導体チップの電極に高強度金属膜を設ける場合について説明する。先に記したように、焼結接合を適用した場合には、パワーサイクル耐性はボンドワイヤとチップ上電極膜の接合強度に依存するため、一般的なアルミ電極膜を、より高強度な金属電極膜で置換または被覆することで寿命を向上できる。特に有効な電極膜として、Niめっきを用いる方法がある。
SiC基板75の最表面にはショットキー接合77を形成するために100nm程度のチタン電極(ショットキー電極)78が形成され、その上に低抵抗に厚膜を形成できるアルミ電極(アノード電極)76が典型的には2.0μmから6.5μmほどの厚さで設けられている。本実施例においては、その上にさらにNiめっき電極膜71が形成されている。Niめっき電極膜71は、半導体前工程ラインでのウエハプロセスを完了した後に、ウエハ単位で無電解Niめっき処理を行い形成する。
無電解Niめっきは一般的な処理で、Niめっき膜自体にP(リン)を含有するが、熱サイクルでのクラック発生を防止するためにリン濃度の低い低リンNiめっきプロセスを採用する。本実施例では3.3kV耐圧のSiC-SBD向けに、例えば、アルミ電極76を3.5μm、Niめっき電極膜71を3μm形成する。Niめっき電極膜71の形成後には、ボンドワイヤ17をボンディングして、さらにワイヤ補強樹脂63でワイヤボンド部を被覆した。
本実施例においても、実施例4(図12)と同様に、半導体チップ表面の外周部には、ワイヤ補強樹脂63の拡散防止と耐電界保護が目的の樹脂コート65が土手状に配置され、塗布時のワイヤ補強樹脂63の不要な拡散を防止している。
なお、図14に示すSiC-SBDでは、ドリフト層(エピ層)80の表面側に複数のp型不純物領域72が形成されており、チタン電極(ショットキー電極)78に電気的に接続されると共に、n型のドリフト層(エピ層)80とpn接合74を形成している。複数のp型不純物領域72の両側には周縁構造(ターミネーション)79が形成されている。また、ドリフト層(エピ層)80の裏面側にはSiC基板75を介してカソード電極73が形成されている。
本実施例によれば、Niめっき電極膜71による被覆を用いることで、パワーサイクル耐性が3倍向上する効果を得た。
なお、ここではSiC-SBDにNiめっきを適用する例を示したが、同様にシリコンIGBTに対してもNiめっきを適用してパワーサイクル耐性向上の効果を得ることができる。
本発明の実施例7の半導体パワーモジュールについて説明する。本実施例では、半導体チップ電極の高強度金属膜としてCuめっきを設ける場合について説明する。
実施例6で説明したNiめっき膜に対して、Cuめっき膜を用いる場合にはボンドワイヤ17としてCuワイヤを接続するために好適である。Cuワイヤは一般的なアルミワイヤと比較して硬くパワーサイクル耐性に大きく優れており、抵抗率も低く融点も高いため、許容する電流量も大きい。
一方で、その硬さからワイヤボンディング時に下地となる半導体チップに与えるダメージも大きく、下地の電極膜を強化する必要がある。実施例6で説明したNiめっき膜も硬度が高いが、Cuワイヤとの接続性が優れるのは同じ材料同士のCuであり、Cu電極膜を下地とすることが好適である。
Cuめっき膜の形成には、電解めっきを用いる。電解めっきは無電解めっきと異なり電極形成が必要なため、デバイス形成後の完成ウエハに対して一般的な電界めっきのプロセスを用いてパターン形成を伴うめっき処理を施す。デバイス形成後のウエハから、シード層(Ti/Cu)スパッタ、レジスト塗布、電極パターンのホトリソグラフィ、電解めっきによる厚膜Cuめっき、レジスト除去、シード層エッチング、という手順で所望のCuめっき膜パターンをアルミ電極76上に形成した。
Cuめっき膜の厚みは10μmとした。Cuめっき電極による被覆を用いることで、パワーサイクル耐性は5倍以上向上する効果を得た。
なお、本実施例の銅膜または表面が銅膜で被覆された高強度の金属電極膜は、Si半導体チップに比べてパワーサイクル耐性が低いSiC半導体チップのみに用いてもよく、Si半導体チップとSiC半導体チップの両方に用いてもよい。もちろん、Si半導体チップのみに用いてもよいのは言うまでもない。
本発明の実施例8の半導体パワーモジュールについて説明する。本実施例では、半導体チップ上のアルミ電極76を強化する方法を示す。実施例6及び実施例7では、SiC-SBDとシリコンIGBTのアルミ電極76はそれぞれ、純アルミ膜(Al膜)と、アルミニウムに1%程度のシリコンを含有させたアルミシリコン膜(AlSi膜)を用いている。
この場合、アルミ電極76をめっき膜などで被覆強化すると、パワーサイクル耐性は次に弱い場所であるアルミ電極膜自体で決まるようになる。アルミ電極膜を強化する方法として、純アルミ膜(Al膜)またはアルミシリコン膜(AlSi膜)に高融点金属を添加する。
例えば、Ta,Nb,Re,Zr,W,Mo,V,Hf,Ti,Cr,Ptの何れかの金属を用いる。この内、特に、Taを含むアルミ金属膜AlSiTa合金の電極膜は、ドライエッチングおよびウェットエッチングが通常のアルミ膜同様に可能で扱いやすく、金属汚染の悪影響も無く、パワーサイクル耐性の強化ができるため好適である。AlSiTaはスパッタリング法により形成するが、結晶が微細かつ柱状に成長するため熱的なサイクル負荷のせん断応力に対して高い強度が保たれる特徴がある。
ここで、AlSiTaのSi,Taの添加量は各々、1%,0.6%と少量で良い。
なお、アルミ系膜にめっき膜積層による上述した強化手段を施さない単体使用の場合でも、アルミ電極膜をここで示した方法で強化する方法にパワーサイクル耐性の向上効果があることは言うまでもない。
また、本実施例においても、半導体チップの表面電極として、Al膜またはAlSi膜にTa,Nb,Re,Zr,W,Mo,V,Hf,Ti,Cr,Ptの内、少なくとも一種の金属を添加した合金膜、或いは、AlSiTa合金膜を、Si半導体チップに比べてパワーサイクル耐性が低いSiC半導体チップのみに用いてもよく、Si半導体チップとSiC半導体チップの両方に用いてもよい。もちろん、Si半導体チップのみに用いてもよいのは言うまでもない。
図15を参照して、本発明の実施例9の半導体パワーモジュールについて説明する。図15は、本実施例の半導体パワーモジュールの概略構成を示す図である。
本実施例では、上記の各実施例とは異なる形状の絶縁基板パターンを用いる場合について説明する。なお、図15では煩雑さを避けるため対称的な位置にあるボンドワイヤの記載を省略している。
本実施例の半導体パワーモジュールは、ほぼ正方形の絶縁基板10上に、シリコンIGBT21とSiC-SBD22を搭載するが、実施例1とは異なり、シリコンIGBTとSiC-SBDの半導体チップはいずれも半数ずつを固まりとして互いに離れた領域に配置している。
このように、チップの密集を避けるレイアウトを用いることで半導体チップ間の熱干渉による温度上昇を緩和する効果がある。また、シリコンIGBT21を配置する領域19のみ銅の配線上にNiめっきを設けている。はんだ接合を行うシリコンIGBT21の配置領域と、焼結銅接合を行うSiC-SBD22の配置領域の間には、最小で1.5mmの間隔18を設ける。その他の構成は実施例1と同様である。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の実施例は本発明に対する理解を助けるために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
1…Cu電極
2…有機溶媒
3…ダイ
4…圧力
5…焼結銅(Cu)層
6…還元性雰囲気中の熱処理
7…Ag/Cu電極
8…焼結銀(Ag)層
9…N雰囲気中の熱処理
10…絶縁基板
11…セラミック板
12…金属配線(エミッタ側)
13…金属配線(コレクタ側)
14…金属配線(センスまたはゲート用)
15…主端子接合領域
17…ボンドワイヤ
18…シリコンIGBT配置領域とSiC-SBD配置領域の間隔
19…シリコンIGBTを配置する領域
21…シリコンIGBT
22…SiC-SBD
23…ソルダーレジスト
30…半導体パワーモジュール
31…モジュール主端子
32…ケースフタ
33…パッケージケース
34…ベースプレート
35…シリコンIGBTのマウント用治具
36…治具のSiC-SBD部
37…シリコンIGBTの搭載領域
38…シリコンIGBTチップとはんだを搭載するための穴
40…焼結ペーストの印刷段階
41…半導体チップをマウントして熱処理を開始した段階
42…焼結が進行した段階
43…焼結接合の熱処理が完了した段階
50…pn接合
51…pウェル
52…ゲート
53…pチャネル領域
54…p+領域
55…n+領域
56…n領域
57…nバッファ領域
58…p領域
59…コレクタ
60…キズ
61…欠陥
62…半導体チップの表面電極
63…ワイヤ補強樹脂
64…ワイヤ接合部近傍
65…樹脂コート
66…チップ接合部
67…半導体チップ
71…Niめっき電極膜
72…p型不純物領域
73…カソード電極
74…pn接合
75…SiC基板
76…アルミ電極(アノード電極)
77…ショットキー接合
78…チタン電極(ショットキー電極)
79…周縁構造(ターミネーション)
80…ドリフト層(エピ層)

Claims (13)

  1. Si半導体チップとSiC半導体チップを同一の絶縁基板上に搭載する複合型の半導体パワーモジュールにおいて、
    前記Si半導体チップは、はんだ接合により前記絶縁基板上の第1の配線領域に接合され、
    前記SiC半導体チップは、焼結接合により前記絶縁基板上の第2の配線領域に接合され
    前記第1の配線領域上にニッケルめっきが施されており、
    前記Si半導体チップは、前記ニッケルめっきを介して、はんだ接合により前記第1の配線領域に接合され、
    前記SiC半導体チップは、焼結接合により前記第2の配線領域に直接接合されることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  2. 少なくとも2種類のチップ面積を有する複数の半導体チップを同一の絶縁基板上に搭載する半導体パワーモジュールにおいて、
    前記複数の半導体チップの内、チップ面積が100mm以上の半導体チップは、はんだ接合により前記絶縁基板上の第1の配線領域に接合され、
    チップ面積が100mm未満の半導体チップは、焼結接合により前記絶縁基板上の第2の配線領域に接合され
    前記第1の配線領域上にニッケルめっきが施されており、
    前記チップ面積が100mm 以上の半導体チップは、前記ニッケルめっきを介して、はんだ接合により前記第1の配線領域に接合され、
    前記チップ面積が100mm 未満の半導体チップは、焼結接合により前記第2の配線領域に直接接合されることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  3. 請求項1に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
    前記Si半導体チップは、IGBTであり、
    前記SiC半導体チップは、ショットキーバリアダイオードであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  4. 請求項1に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
    前記Si半導体チップと前記SiC半導体チップは、互いに1.5mm以上離間して前記絶縁基板上に配置されていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  5. 請求項1に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
    前記Si半導体チップと前記SiC半導体チップと前記絶縁基板を内包するパッケージケースと、
    前記パッケージケース内に充填されたシリコーンゲルと、を備え、
    前記SiC半導体チップの表面電極とボンドワイヤの接合部は前記シリコーンゲルよりもヤング率の高いワイヤ補強樹脂で被覆され、
    前記Si半導体チップの表面電極とボンドワイヤの接合部は前記シリコーンゲルで被覆されることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  6. 請求項5に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
    前記ワイヤ補強樹脂は、ポリアミドイミド樹脂を含むことを特徴とする半導体パワーモジュール。
  7. 請求項1に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
    前記第1の配線領域と前記第2の配線領域の間に、ソルダーレジストが前記第1の配線領域および前記第2の配線領域の境界に沿って延在して配置されていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  8. 請求項1に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
    前記焼結接合は、銅を用いる焼結銅接合または銀を用いる焼結銀接合のいずれかであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  9. 請求項1に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
    前記Si半導体チップおよび前記SiC半導体チップの少なくともいずれか一方の表面電極は、ニッケル膜または表面がニッケル膜で被覆された金属電極膜であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  10. 請求項1に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
    前記Si半導体チップおよび前記SiC半導体チップの少なくともいずれか一方の表面電極は、銅膜または表面が銅膜で被覆された金属電極膜であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  11. 請求項1に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
    前記Si半導体チップおよび前記SiC半導体チップの少なくともいずれか一方の表面電極は、Al膜またはAlSi膜にTa,Nb,Re,Zr,W,Mo,V,Hf,Ti,Cr,Ptの内、少なくとも一種の金属を添加した合金膜であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  12. 請求項1に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
    前記Si半導体チップおよび前記SiC半導体チップの少なくともいずれか一方の表面電極は、スパッタリング法により形成されたAlSiTa合金膜であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  13. (a)絶縁基板上の第1の配線領域に、はんだ接合によりSi半導体チップを接合する工程と、
    (b)前記絶縁基板上の第2の配線領域に、焼結接合によりSiC半導体チップを接合する工程と、を含む半導体パワーモジュールの製造方法において、
    前記(a)工程と前記(b)工程が同時に処理されることを特徴とする半導体パワーモジュールの製造方法。
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