WO2019123931A1 - パワー半導体装置、モジュール及び製造方法 - Google Patents

パワー半導体装置、モジュール及び製造方法 Download PDF

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櫻井　直樹
靖 池田
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株式会社日立製作所
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the present invention relates to a power semiconductor device, a module and a manufacturing method.
  • inverterization for example, in the pump, a reduction of about 25% in power consumption can be expected compared to control by a valve.
  • energy of the motor can be returned to the overhead wire at the time of stop by regeneration, and power consumption can be reduced by about 50%.
  • the development of key power devices has played a major role. That is, as a thyristor, a gate turn-off thyristor, a bipolar transistor, and an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as "IGBT") are developed, the power device is capable of switching at high frequency while reducing loss.
  • IGBT the current control from the bipolar transistor to the voltage control is changed to improve the controllability by the CPU.
  • the inverter of several tens MW is now also realizable.
  • SiC silicon carbide
  • the dielectric breakdown voltage Ec is one digit higher, and the thickness of the chip for securing the withstand voltage can be reduced, and the impurity concentration can be increased. Therefore, a power MOSFET using SiC has been developed in the range of withstand voltage 600 V to 6500 V, which is not practical because silicon has a large on-resistance.
  • Cooling technology has also been developed to reduce the size and cost as power devices have advanced.
  • water cooling is widely used in electric vehicles and hybrid vehicles, which have high heat dissipation capability and must be miniaturized.
  • the cooling fins to be immersed in water and the modules mounted with the power devices were bonded with heat dissipation grease, and the cooling fins and the modules were fixed by bolting.
  • a direct cooling system was developed in which the bottom of the module was used as a cooling fin.
  • the direct cooling method has an advantage that the thermal resistance is reduced since the heat dissipation grease is eliminated.
  • This direct cooling system is applied to the top and bottom of the module in a double-sided cooling module.
  • the dual-sided cooling also reduces the thermal resistance by half compared to single-sided cooling.
  • Patent Document 1 there is known a mold type semiconductor device capable of preventing the semiconductor element from being broken by stress generated by thermal change (see, for example, Patent Document 1).
  • an emitter electrode is formed by forming a first metal layer made of an Al alloy, a second metal layer made of Ni, and a third metal layer made of Au on the surface of a semiconductor chip on which an IGBT is formed.
  • the yield stress of the solder is made smaller than the yield stress of at least the first metal layer.
  • solder By the way, recently, especially in automobiles, it is required that solder not contain lead (lead free). Lead-free solders in widespread use have higher yield stress than aluminum electrodes. Therefore, as the widely used lead-free solder, the technology disclosed in Patent Document 1 can not be applied, and it is necessary to develop a special lead-free solder.
  • An object of the present invention is to provide a power semiconductor device and the like capable of preventing destruction due to thermal stress regardless of the solder material.
  • the present invention comprises a power semiconductor device, a solder material, and a conductor electrically connected to the power semiconductor device through the solder material, the power semiconductor device comprising: A control electrode and a first aluminum electrode provided on one side, a second aluminum electrode provided on the other side, a Ni layer covering the first aluminum electrode, and a first protection covering the control electrode And the Ni layer and the first aluminum electrode are separated from the first protective film.
  • FIG. 1 is a block diagram of an IGBT according to a first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the manufacturing method of IGBT by 1st Embodiment of this invention. It is a block diagram of IGBT by a 2nd embodiment of the present invention. It is a figure which shows the manufacturing method of IGBT by 2nd Embodiment of this invention. It is a top view of the IGBT module to which the present invention is applied. It is sectional drawing of the IGBT module shown to FIG. 6A.
  • FIG. 1 shows a cross section of a double-sided cooling module of an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT) as a power semiconductor device. Specifically, the cross section shows the region between the gate electrode (gate wiring) and the aluminum electrode (emitter electrode).
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the IGBT is shown in a trench gate structure.
  • An aluminum electrode and a Ni electrode are provided on the back surface of the IGBT chip.
  • the copper collector electrode is soldered to the Ni electrode of the chip.
  • the surface emitter side is provided with an aluminum electrode and a Ni electrode similarly to the back surface, and is connected to the emitter electrode by soldering.
  • the gate electrode is formed on an oxide film and covered with polyimide as an insulating film.
  • the Ni electrode formed on the aluminum electrode (emitter electrode) in FIG. 1 is in contact with the polyimide.
  • the temperature of the IGBT chip rises and falls due to self-heating. Thermal stress occurs because each material has a different coefficient of thermal expansion.
  • a concentration point of thermal stress is generated where the Ni electrode is in contact with the polyimide. Due to this thermal stress, a crack (aluminum crack) enters the aluminum electrode (emitter electrode), from which the surface side solder penetrates.
  • the penetration distance of the solder increases and finally reaches the gate electrode.
  • FIG. 1 An IGBT according to a first embodiment of the invention is shown in FIG.
  • An AL (aluminum) electrode layer 20 is formed on the back surface (the lower side in FIG. 2) of the n ⁇ layer 1, and a Ni layer 21 is formed on the back surface.
  • Solder 22 is formed on the back surface of the Ni layer 21 and connected to the collector electrode 100.
  • an n layer 2 and ap + layer 3 are provided on the back surface side to form a collector layer of the IGBT.
  • a trench-like trench gate is formed on the surface side of the n ⁇ layer 1.
  • the trench gate is composed of a gate oxide film 10 formed on the surface of the trench gate and polysilicon 11 which is a gate electrode material filling the trench.
  • a plurality of trench gates are provided, and ap layer 4 is provided therebetween.
  • an n + layer 6 is provided in the p layer 4, an n + layer 6 is provided in the p layer 4, an n + layer 6 is provided.
  • the p layer 4 is a channel layer, and the n + layer 6 is an emitter layer and a trench gate to form a MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure.
  • An IGBT is formed by the MOS structure on the front side, the collector n layer 2 on the back side, and the p + layer 3.
  • the p + layer 5 is provided in order to prevent the parasitic thyristor operation of the IGBT by raising the impurity concentration of the p layer 4 in which the inversion layer is not formed and reducing the resistivity.
  • Oxide films 30 a and 30 b are provided on the surface of the n ⁇ layer 1.
  • a contact 31 is provided on the oxide film 30a.
  • Emitter AL (aluminum) electrode 24 is in contact with p + layer 5 and n + layer 6 through contact 31.
  • Ni plating 25 is formed on the emitter AL electrode 24.
  • a solder 27 is provided on the Ni plating layer 25 and is connected to a back electrode 101 formed thereon.
  • the power semiconductor device includes the IGBT (power semiconductor element) and the back electrode 101 (conductor) electrically connected to the IGBT through the solder 27 (solder material).
  • a gate wiring AL electrode 26 for applying a voltage to the gate is formed on the chip.
  • the gate wiring AL electrode 26 is formed on the p-WELL layer 7 formed in the n ⁇ layer 1 substrate and further on the oxide film 30 b thereon.
  • the p-WELL layer 7 is connected to the emitter electrode 24 through a contact hole of the gate oxide film 30b not shown.
  • the gate wiring AL electrode 26 is covered with a protective film 28 such as polyimide.
  • the protective film 28 prevents the aluminum used for the gate wiring AL electrode 26 from being corroded by the moisture which has invaded from the outside. Also, since the solder 27 covers the entire surface, it also serves to insulate the emitter from the gate.
  • the gate wiring AL electrode 26 (control electrode) and the emitter AL electrode 24 (first aluminum electrode) are provided on one surface (upper surface in FIG. 2) of the IGBT (power semiconductor element).
  • the layer 20 (second aluminum electrode) is provided on the other side (the lower side of FIG. 2).
  • the Ni plating layer 25 (Ni layer) covers the emitter AL electrode 24.
  • the protective film 28 (first protective film) covers the gate line AL electrode 26 (control electrode).
  • the AL electrode layer 20 is connected to a higher potential than the AL electrode 24. That is, the AL electrode layer 20 has a relatively high potential, and the AL electrode 24 has a relatively low potential. Thereby, a current flows from the AL electrode layer 20 to the AL electrode 24 in accordance with the control signal supplied to the gate wiring AL electrode 26 (control electrode).
  • the solder 27 is also formed between the protective film 28 and the Ni plating layer 25.
  • contact between the Ni layer and the protective film can be avoided, so that the thermal stress concentration point generated at the interface between the Ni layer and the protective film can be eliminated, and cracking of the aluminum electrode can be prevented.
  • a highly reliable double-sided cooling module can be realized without using
  • the Ni plating layer 25 (Ni layer) and the emitter AL electrode 24 (first aluminum electrode) are separated from the protective film 28 (first protective film). Specifically, between the Ni plating layer 25 (Ni layer) and the gate wiring AL electrode 26 (control electrode), the Ni plating layer 25 has a protective film 28 (first protection) with a solder 27 (solder material) interposed therebetween. Face the membrane). Thereby, the thermal stress concentration point due to the Ni plating layer 25 and the protective film 28 is eliminated.
  • FIG. 3 shows a method of manufacturing the IGBT according to the first embodiment of the present invention.
  • a surface AL electrode is formed.
  • the photoresist 60 is applied to the surface AL electrode, and the emitter AL electrode 24 and the gate wiring AL electrode 26 in the surface AL electrode are formed by photolithography using a photomask and an exposure device not shown in FIG. Only resist 60 is left in the area.
  • the surface AL electrode is etched to form an emitter AL electrode 24 and a gate wiring AL electrode 26.
  • a protective film is formed, and in (S5), the resist 61 is left only by the protective film photo, by the photomask and the exposure device only in the region to be the protective film 28 of the gate wiring AL electrode 26.
  • the protective film is etched to form a protective film 28.
  • Ni plating is performed. At this time, by using the electroless plating, the Ni plating layer 25 is formed only in a portion in contact with the plating solution, that is, formed only on the emitter AL electrode 24.
  • a solder layer is formed by applying or reflowing a sheet-like solder.
  • the opening of the photoresist for forming the emitter AL electrode 24 shown by AA 'in FIG. 3 is a resist 61 for forming the protective film 28 shown by BB'. It is more widely formed. Thereby, a gap is created between the protective film 28 and the Ni plating layer 25. Thereafter, when the solder is formed (S8), the solder gets into the gap between the protective film 28 and the Ni plating layer 25, and the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 can be formed.
  • FIG. 4 shows an IGBT according to a second embodiment of the present invention.
  • the gate wiring AL electrode 26 is covered with a second protective film 50 such as a resin having a hardness lower than that of the protective film 28 and the solder 27 and higher than that of the protective film 28.
  • the protective film 50 is also formed between the protective film 28 and the Ni plating layer 25.
  • the IGBT power semiconductor element
  • the protective film 50 second protective film covering the protective film 28 (first protective film).
  • the Ni plating layer 25 Ni layer opposes the protective film 28 with the protective film 50 interposed therebetween. From this, the thermal stress concentration point due to the Ni plating layer 25 and the protective film 28 is eliminated.
  • the second protective film 50 having a hardness lower than that of the solder 27 and the protective film 28 are in contact with each other, the stress at the protective film end can be reduced. Thereby, it is possible to prevent the aluminum electrode from being cracked even in a use environment where a temperature difference larger than that of the first embodiment occurs.
  • the hardness of the second protective film 50 is lower than that of the solder 27 (solder material) and higher than that of the protective film 28 (first protective film).
  • the second protective film 50 functions as a cushion against thermal stress.
  • FIG. 5 shows a method of manufacturing the IGBT according to the second embodiment of the present invention. From the formation of the surface AL electrode of (S1) to the etching of the protective film of (S6), FIG. 3 is the same as the manufacturing method of the first embodiment of the present invention.
  • a second protective film is formed, and in (S80), the second protective film is photo processed using a photo mask and an exposure device only in the region to be the second protective film 50 covering the protective film 28.
  • the resist 62 is left by lithography.
  • the second protective film is etched to form a second protective film 50 covering the protective film.
  • the second protective film 50 can be formed with high accuracy by photolithography (S80) and etching (S90).
  • the subsequent steps after Ni plating are the same as the manufacturing method of the first embodiment of the present invention shown in FIG.
  • the opening of the photoresist for forming the emitter AL electrode 24 shown by AA 'in FIG. 5 is a resist 61 for forming the protective film 28 shown by BB'. It is more widely formed.
  • the resist 62 for forming the second protective film 50 shown by CC ' is more than the resist 61 for forming the protective film 28 shown by BB'. It is widely formed. Thereby, the protective film 28 is covered with the second protective film 50. Thereafter, when the solder is formed, the solder enters the gap between the second protective film 50 and the Ni plating layer 25, and the second embodiment of the present invention shown in FIG. 4 can be formed.
  • FIG. 6A and 6B show an embodiment of an IGBT module to which the first or second embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 6A is a plan view. The upper and lower arms are shown in 2in1 mounted in one package.
  • a plurality of columnar fins 111 for cooling are provided in the metal case 110. That is, the IGBT module (module) includes the metal case 110 (case) for housing the power semiconductor device. Heat dissipating fins are provided on the front and back surfaces of the metal case 110. This improves the cooling performance.
  • the IGBT module has an output terminal 120, a high voltage side terminal 121, a low voltage side terminal 122, an upper arm emitter auxiliary terminal 123a, a lower arm emitter auxiliary terminal 123b, an upper arm gate terminal 124a, and a lower arm gate terminal 124b as terminals.
  • a reinforcing material 105 such as resin is provided at the lead-out portion of each terminal from the metal case 110.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line AA of the plan view shown in FIG. 6A.
  • the surface sides of the IGBT chip 200 and the diode chip 201 are connected to the low voltage side terminal 122 by the solder 28 a and the solder 28 b.
  • the low voltage side terminal 122 is connected to the metal case 110 by the adhesive 150 through the insulating sheet 130 a.
  • the back side of the IGBT chip 200 and the diode chip 201 is connected to the output terminal 120 by the solder 22 a and the solder 22 b.
  • the output terminal 120 is connected to the metal case 110 by the adhesive 150 through the insulating sheet 130 b.
  • the IGBT chip 200 and the diode chip 201, the output terminal 120, the high voltage side terminal 121, the low voltage side terminal 122, the upper arm emitter auxiliary terminal 123a, the lower arm emitter auxiliary terminal 123b, the upper arm gate terminal 124a, the lower arm gate terminal 124 b is molded with a resin 140.
  • the molded resin 140 is connected to the metal case 110 via the adhesive 150.
  • the cooling fins are provided at the upper and lower sides, the cooling capacity is higher than in the IGBT module in which the cooling fins are provided only on the back surface, and a larger current, ie, a large output can be obtained. Further, by applying the present invention, it is possible to provide an IGBT module that can guarantee the reliability even against a larger temperature change.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes various modifications.
  • the embodiments described above are described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • the present invention is applied to an N channel IGBT as an example in the above embodiment, it may be applied to a P channel IGBT. That is, the polarity may be reversed.
  • n ⁇ layer 2 n layer 3: p + layer 4: p layer 5: p + layer 6: n + layer 7: p-WELL layer 10: gate oxide film 11: polysilicon 20: AL (aluminum) electrode layer 20 21: Ni layer 21 22: solder 24: emitter AL (aluminum) electrode 25: Ni plating layer 26: gate wiring AL electrode 27: solder 28: protective film 30: oxide film 31: contact 50: second protective film 100: collector electrode 101: back surface Electrode 105: Reinforcement material 120: Output terminal 121: High voltage side terminal 122: Low voltage side terminal 123: Emitter auxiliary terminal 124: Gate terminal 130: Insulating sheet 140: Resin mold 150: Adhesive

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Abstract

はんだ材料にかかわらず熱応力による破壊を防止することができるパワー半導体装置等を提供する。　ゲート配線ＡＬ電極２６（制御電極）及びエミッタＡＬ電極２４（第１のアルミ電極）は、ＩＧＢＴ（パワー半導体素子）の一方の面に設けられ、ＡＬ電極層２０（第２のアルミ電極）は、他方の面に設けられる。Ｎｉめっき層２５（Ｎｉ層）は、エミッタＡＬ電極２４を覆う。保護膜２８（第１の保護膜）は、ゲート配線ＡＬ電極２６（制御電極）を覆う。Ｎｉめっき層２５（Ｎｉ層）及びエミッタＡＬ電極２４（第１のアルミ電極）は、保護膜２８（第１の保護膜）から離れている。

Description

パワー半導体装置、モジュール及び製造方法
　本発明は、パワー半導体装置、モジュール及び製造方法に関する。
　パワーエレクトロニクスの分野では、省エネルギーのため、産業、鉄道、自動車、家電、エレベータ、家電、医療等広い分野で電力変換器としてインバータの導入が進んでいる。インバータ化により、例えば、ポンプではバルブによる制御に対して、約２５％の消費電力の削減が見込まれる。また、鉄道では回生により停止時、モータのエネルギーを架線に戻すことができ、約５０％消費電力を削減できる。
　インバータの普及に当たっては、キーとなるパワーデバイスの発展が大きな役割を果たしてきた。すなわち、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下ＩＧＢＴと呼ぶ）と発展するに従い、パワーデバイスは、低損失化とともに、高周波でのスイッチングが可能になるとともに、ＩＧＢＴではバイポーラトランジスタまでの電流制御から電圧制御になりＣＰＵによる制御性が向上した。さらに破壊しにくくなり、初期のインバータが数ｋＷ程度であったのに対して、現在では数１０ＭＷのインバータも実現可能になっている。
　パワーデバイスとしては、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がある。しかしながら、シリコンは抵抗が高いため、特に６００Ｖ以上では、伝導度変調によりオン時の抵抗を下げられるサイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴが用いられてきた。これに対して、近年シリコンカーバイト　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ、以下ＳｉＣと呼ぶ）を用いたパワーデバイスが製品化されてきた。ＳｉＣは絶縁破壊電圧Ｅｃが１ケタ高く、耐圧を確保するためのチップの厚さを薄くできるとともに、不純物濃度を高くすることができる。このため、シリコンではオン抵抗が大きく実用的ではない耐圧６００Ｖから６５００Ｖまでの範囲で、ＳｉＣを使ったパワーＭＯＳＦＥＴが開発されている。
　パワーデバイスの進歩に合わせて小型化、低コスト化のために冷却技術も進歩して来ている。特に水冷は放熱能力が高く、小型化が必須な電気自動車やハイブリッド自動車に広く使われている。当初は、水に浸かる冷却フィンとパワーデバイスを実装したモジュール間を放熱グリスで接着し、冷却フィンとモジュールをボルト締めにより固定していた。次に、モジュールの底面を冷却フィンとする直接冷却方式が開発された。直接冷却方式では、放熱グリスがなくなるため熱抵抗が下がるという利点がある。この直接冷却方式をモジュールの上下に施したのが両面冷却モジュールである。両面冷却もモジュールは、片面冷却に比べ熱抵抗を半減できる。
　ここで、熱変化によって生じる応力により半導体素子が破壊されることを防止できるモールド型半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、「ＩＧＢＴが形成された半導体チップの表面に、Ａｌ合金からなる第１金属層、Ｎｉからなる第２金属層、Ａｕからなる第３金属層を形成することでエミッタ電極を形成し、エミッタ電極の上にはんだを形成してなるモールド型パワーデバイスにおいて、はんだの降伏応力が少なくとも第１金属層の降伏応力よりも小さくなるようにする。」と記載されている。
特開２００５－１９４４７号公報
　ところで、最近、特に自動車では、はんだに鉛を含まないこと（鉛フリー）が求められている。普及している鉛フリーはんだはアルミ電極より降伏応力が大きい。そのため、普及している鉛フリーはんだのままでは、特許文献１に開示された技術を適用できず、特殊な鉛フリーはんだを開発する必要がある。
　本発明の目的は、はんだ材料にかかわらず熱応力による破壊を防止することができるパワー半導体装置等を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明は、パワー半導体素子と、はんだ材と、前記はんだ材を介して前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体と、を備え、前記パワー半導体素子は、一方の面に設けられる制御電極及び第１のアルミ電極と、他方の面に設けられる第２のアルミ電極と、前記第１のアルミ電極を覆うＮｉ層と、前記制御電極を覆う第１の保護膜と、を有し、前記Ｎｉ層及び第１のアルミ電極は、前記第１の保護膜から離れている。
　本発明によれば、はんだ材料にかかわらず熱応力による破壊を防止することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
比較例によるＩＧＢＴの構成図である。 本発明の第１の実施形態によるＩＧＢＴの構成図である。 本発明の第１実施形態によるＩＧＢＴの製造方法を示す図である。 本発明の第２の実施形態によるＩＧＢＴの構成図である。 本発明の第２実施形態によるＩＧＢＴの製造方法を示す図である。 本発明を適用したＩＧＢＴモジュールの平面図である。 図６Ａに示すＩＧＢＴモジュールの断面図である。
　以下、図面を用いて、本発明の第１～第２の実施形態によるパワー半導体装置の構成を説明する。なお、各図において、同一符号は同一部分を示す。
　（比較例）
　初めに、図１を用いて、比較例に係るパワー半導体装置（パワーデバイス）の構成を説明する。図１は、パワー半導体装置としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下ＩＧＢＴを称す）の両面冷却モジュールの断面を示す。詳細には、断面は、ゲート電極（ゲート配線）とアルミ電極（エミッタ電極）間の領域を示す。
　ＩＧＢＴはトレンチゲート構造で示している。ＩＧＢＴチップ裏面には、アルミ電極さらにＮｉ電極が設けられている。銅のコレクタ電極はチップのＮｉ電極とはんだで接続されている。表面エミッタ側は裏面と同様に、アルミ電極さらにＮｉ電極が設けられ、エミッタ電極とはんだで接続されている。ゲート電極は酸化膜上に形成され絶縁膜として、ポリイミドで覆われている。
　図１でアルミ電極（エミッタ電極）上に形成されたＮｉ電極はポリイミドと接している。ところで、ＩＧＢＴを動作させると自己発熱によりＩＧＢＴチップの温度が上下する。各材料は熱膨張係数が違うため、熱応力が発生する。この温度変化が繰り返される（温度サイクル）とＮｉ電極はポリイミドが接触しているところに熱応力の集中点が発生する。この熱応力によりアルミ電極（エミッタ電極）に亀裂（アルミクラック）が入りそこから表面側はんだが進入する。温度変化の回数の増加とともに、半田の進入距離も長くなり、最後にはゲート電極に達する。はんだがゲート電極に達するとゲートとエミッタが短絡しＩＧＢＴはオンできなり故障にいたる。
　（第１の実施形態）
　本発明の第１の実施形態によるＩＧＢＴを図２に示す。ｎ－層１の裏面（図２の下側）にはＡＬ（アルミ）電極層２０が形成されさらにその裏面にはＮｉ層２１が形成されている。Ｎｉ層２１裏面には半田２２が形成されコレクタ電極１００と接続されている。
　基板中、裏面側にはｎ層２、ｐ＋層３が設けられＩＧＢＴのコレクタ層を形成している。ｎ－層１の表面側には溝状のトレンチゲートが形成されている。トレンチゲートは、トレンチゲート表面に形成されたゲート酸化膜１０と、トレンチを充填しているゲート電極材料であるポリシリコン１１で構成されている。トレンチゲートは複数設けられ、その間にはｐ層４が設けられている。ｐ層４中にはｎ＋層６が設けられている。ｐ層４がチャネル層、ｎ＋層６がエミッタ層それとトレンチゲートによりＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を形成している。この表面側のＭＯＳ構造と裏面側コレクタｎ層２、ｐ＋層３によりＩＧＢＴが形成されている。
　ｐ＋層５が、反転層が形成されないｐ層４の不純物濃度をあげ、抵抗率を下げることで、ＩＧＢＴの寄生サイリスタ動作を防止するため設けられている。ｎ－層１表面には酸化膜３０ａ、３０ｂが設けられている。酸化膜３０ａにはコンタクト３１が設けられている。コンタクト３１を通じてエミッタＡＬ（アルミ）電極２４とｐ＋層５及びｎ＋層６が接触している。エミッタＡＬ電極２４上には、Ｎｉめっき２５が形成されている。Ｎｉめっき層２５上には半田２７が設けられさらにその上に形成された裏面電極１０１と接続している。
　すなわち、パワー半導体装置は、ＩＧＢＴ（パワー半導体素子）と、半田２７（はんだ材）を介してＩＧＢＴと電気的に接続される裏面電極１０１（導体）と、を備える。
　チップにはＩＧＢＴの他にゲートに電圧を与えるゲート配線ＡＬ電極２６が形成されている。ゲート配線ＡＬ電極２６は、ｎ－層１基板中に形成されたｐ－ＷＥＬＬ層７、さらにその上の酸化膜３０ｂ上に形成されている。ｐ－ＷＥＬＬ層７は図には示されていないゲート酸化膜３０ｂのコンタクト穴を通じてエミッタ電極２４と接続されている。ｐ－ＷＥＬＬ層７をエミッタ電位とすることで、ゲートに加わる電位を安定させている。
　ゲート配線ＡＬ電極２６はポリイミドなどの保護膜２８で覆われている。保護膜２８は、ゲート配線ＡＬ電極２６に使われているアルミが、外部から侵入した水分により腐食するのを防止する。また、半田２７が表面全面を覆うため、エミッタとゲートを絶縁するという役割も果している。
　このように、ゲート配線ＡＬ電極２６（制御電極）及びエミッタＡＬ電極２４（第１のアルミ電極）は、ＩＧＢＴ（パワー半導体素子）の一方の面（図２の上側面）に設けられ、ＡＬ電極層２０（第２のアルミ電極）は、他方の面（図２の下側面）に設けられる。Ｎｉめっき層２５（Ｎｉ層）は、エミッタＡＬ電極２４を覆う。保護膜２８（第１の保護膜）は、ゲート配線ＡＬ電極２６（制御電極）を覆う。
　なお、本実施形態では、ＡＬ電極層２０は、ＡＬ電極２４より高電位に接続される。つまり、ＡＬ電極層２０は、相対的に高電位であり、ＡＬ電極２４は相対的に低電位である。これにより、ゲート配線ＡＬ電極２６（制御電極）に供給される制御信号に応じて、ＡＬ電極層２０からＡＬ電極２４へ電流が流れる。
　本発明の実施形態では、保護膜２８とＮｉめっき層２５の間にも半田２７が形成されている。これにより、Ｎｉ層と保護膜が接触することを回避できるため、Ｎｉ層と保護膜の界面に発生する熱応力集中点を排除し、アルミ電極に亀裂が入るのを防止できるため、特殊な半田を使うことなく高信頼な両面冷却モジュールが実現できる。
　換言すれば、Ｎｉめっき層２５（Ｎｉ層）及びエミッタＡＬ電極２４（第１のアルミ電極）は、保護膜２８（第１の保護膜）から離れている。詳細には、Ｎｉめっき層２５（Ｎｉ層）とゲート配線ＡＬ電極２６（制御電極）との間において、Ｎｉめっき層２５は、半田２７（はんだ材）を挟んで保護膜２８（第１の保護膜）と対向する。これにより、Ｎｉめっき層２５と保護膜２８による熱応力集中点が排除される。
　図３に本発明の第１実施形態によるＩＧＢＴの製造方法を示す。（Ｓ１）では、表面ＡＬ電極を形成する。（Ｓ２）では、表面ＡＬ電極にホトレジスト６０を塗布し、図２には示していないホトマスク及び露光装置を用いたフォトリソグラフィにより、表面ＡＬ電極のうちエミッタＡＬ電極２４とゲート配線ＡＬ電極２６となる領域のみレジスト６０を残す。（Ｓ３）では、表面ＡＬ電極をエッチングし、エミッタＡＬ電極２４とゲート配線ＡＬ電極２６を形成する。
　（Ｓ４）では、保護膜を形成し、（Ｓ５）では、保護膜ホトにより、ゲート配線ＡＬ電極２６の保護膜２８となる領域のみホトマスク及び露光装置によりレジスト６１を残す。（Ｓ６）では、保護膜をエッチングし保護膜２８を形成する。（Ｓ７）では、Ｎｉめっきを行う。このとき、無電解めっきを使うことで、Ｎｉめっき層２５はめっき液と触れる部分しか形成されない、すなわちエミッタＡＬ電極２４上にしか形成されない。（Ｓ８）では、半田層を塗布あるいはシート状の半田を置きリフローすることで形成する。
　（Ｓ２）及び（Ｓ５）のホト工程において、図３でＡ－Ａ‘で示したエミッタＡＬ電極２４形成用のホトレジストの開口部は、Ｂ－Ｂ‘で示した保護膜２８形成用のレジスト６１よりも広く形成されている。これにより、保護膜２８とＮｉめっき層２５に隙間ができる。その後、（Ｓ８）の半田形成時に、この保護膜２８とＮｉめっき層２５間のすきまに半田が入り込み、図１で示した本発明の第１の実施形態を形成することができる。
　以上説明したように、本実施形態によれば、はんだ材料にかかわらず熱応力による破壊を防止することができる。
　（第２の実施形態）
　図４は本発明の第２の実施形態によるＩＧＢＴを示す。ゲート配線ＡＬ電極２６は、保護膜２８さらに半田２７より硬度が低く保護膜２８より硬度が高いレジンなどの第２の保護膜５０で覆われている。保護膜５０は、保護膜２８とＮｉめっき層２５間にも形成されている。
　換言すれば、ＩＧＢＴ（パワー半導体素子）は、保護膜２８（第１の保護膜）を覆う保護膜５０（第２の保護膜）を有する。Ｎｉめっき層２５（Ｎｉ層）は、保護膜５０を挟んで保護膜２８と対向する。これより、Ｎｉめっき層２５と保護膜２８による熱応力集中点が排除される。
　さらに、本実施形態では、半田２７より硬度が低い第２の保護膜５０と保護膜２８が接触するため、保護膜端部の応力を下げることができる。これにより、第１の実施形態よりも大きい温度差が発生するような使用環境でもアルミ電極に亀裂が入るのを防止できる。
　詳細には、第２の保護膜５０は、半田２７（はんだ材）より硬度が低くかつ保護膜２８（第１の保護膜）より硬度が高い。これにより、第２の保護膜５０が熱応力に対するクッションとして機能する。
　図５に本発明の第２の実施形態によるＩＧＢＴの製造方法を示す。（Ｓ１）の表面ＡＬ電極形成から（Ｓ６）の保護膜エッチングまでは、図３に本発明の第１実施形態の製造方法と同じである。（Ｓ７０）では、第２の保護膜を形成し、（Ｓ８０）では、第２の保護膜ホトにより、保護膜２８を覆う第２の保護膜５０となる領域のみホトマスク及び露光装置を用いたフォトリソグラフィによりレジスト６２を残す。（Ｓ９０）では、第２の保護膜をエッチングし保護膜２８を覆う第２の保護膜５０を形成する。フォトリソグラフィ（Ｓ８０）及びエッチング（Ｓ９０）により第２の保護膜５０を高精度に形成できる。以降Ｎｉめっき形成以降は、図３で示した本発明の第１実施形態の製造方法と同じである。
　（Ｓ２）及び（Ｓ５）のホト工程において、図５でＡ－Ａ‘で示したエミッタＡＬ電極２４形成用のホトレジストの開口部は、Ｂ－Ｂ‘で示した保護膜２８形成用のレジスト６１よりも広く形成されている。さらに、（Ｓ８０）の第２の保護膜ホトでは、Ｃ－Ｃ‘で示した第２の保護膜５０形成用のレジスト６２はＢ－Ｂ‘で示した保護膜２８形成用のレジスト６１よりも広く形成されている。これにより、保護膜２８は第２の保護膜５０で覆われる。その後、半田形成時に、この第２の保護膜５０とＮｉめっき層２５間のすきまに半田が入り込み図４で示した本発明の第２の実施形態を形成することができる。
　図６Ａ、６Ｂは本発明の第１あるいは第２の実施形態を適用したＩＧＢＴモジュールの実施形態を示す。図６Ａは平面図である。上下アームが１つのパッケージに実装された２ｉｎ１で示している。金属ケース１１０には、冷却用の柱状のフィン１１１が複数設けられている。すなわち、ＩＧＢＴモジュール（モジュール）は、パワー半導体装置を収納する金属ケース１１０（ケース）を備える。金属ケース１１０の表面及び裏面には、放熱用のフィンが設けられている。これより冷却性能が向上する。
　ＩＧＢＴモジュールは端子として、出力端子１２０、高電圧側端子１２１、低電圧側端子１２２、上アームエミッタ補助端子１２３ａ、下アームエミッタ補助端子１２３ｂ、上アームゲート端子１２４ａ、下アームゲート端子１２４ｂを有する。金属ケース１１０からの各端子の取り出し部には、樹脂などの補強材１０５が設けられている。
　図６Ｂは、図６Ａに示す平面図のＡ－Ａ‘断面図である。ＩＧＢＴチップ２００及びダイオードチップ２０１の表面側は半田２８ａ及び半田２８ｂにより低電圧側端子１２２と接続されている。低電圧側端子１２２は絶縁シート１３０ａを介して接着剤１５０により金属ケース１１０と接続している。ＩＧＢＴチップ２００及びダイオードチップ２０１の裏面側は半田２２ａ及び半田２２ｂにより出力端子１２０と接続されている。出力端子１２０は絶縁シート１３０ｂを介して接着剤１５０により金属ケース１１０と接続している。
　また、ＩＧＢＴチップ２００及びダイオードチップ２０１及び出力端子１２０、高電圧側端子１２１、低電圧側端子１２２、上アームエミッタ補助端子１２３ａ、下アームエミッタ補助端子１２３ｂ、上アームゲート端子１２４ａ、下アームゲート端子１２４ｂはレジン１４０でモールドされている。モールドされたレジン１４０は接着剤１５０を介して金属ケース１１０と接続している。本実施形態では、冷却フィンが上下に設けられているため、冷却フィンが裏面のみに設けられているＩＧＢＴモジュールに比べて冷却能力が高く、より大きな電流すなわち大きな出力を得ることができる。また、本発明を適用することで、より大きな温度変化に対しても信頼性が保障できるＩＧＢＴモジュールを提供することができる。
　なお、本発明は上記した実施形態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、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明す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、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態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。
　上記実施形態ではＩＧＢＴで説明したが、ソース及びドレイン電極がはんだで接合されるパワーＭＯＳＦＥＴでも同じ効果が得られる。
　上記実施形態では、一例としてＮチャネルＩＧＢＴに本発明を適用したが、ＰチャネルＩＧＢＴに適用してもよい。つまり、極性を逆にしてもよい。
１：ｎ－層
２：ｎ層
３：ｐ＋層
４：ｐ層
５：ｐ＋層
６：ｎ＋層
７：ｐ－ＷＥＬＬ層
１０：ゲート酸化膜
１１：ポリシリコン
２０：ＡＬ（アルミ）電極層２０
２１：Ｎｉ層２１
２２：半田
２４：エミッタＡＬ（アルミ）電極
２５：Ｎｉめっき層
２６：ゲート配線ＡＬ電極
２７：半田
２８：保護膜
３０：酸化膜
３１：コンタクト
５０：第２の保護膜
１００：コレクタ電極
１０１：裏面電極
１０５：補強材
１２０：出力端子
１２１：高電圧側端子
１２２：低電圧側端子
１２３：エミッタ補助端子
１２４：ゲート端子
１３０：絶縁シート
１４０：レジンモールド
１５０：接着剤

Claims (9)

  1. 　パワー半導体素子と、はんだ材と、前記はんだ材を介して前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体と、を備え、
    　前記パワー半導体素子は、
    　　一方の面に設けられる制御電極及び第１のアルミ電極と、
    　　他方の面に設けられる第２のアルミ電極と、
    　　前記第１のアルミ電極を覆うＮｉ層と、
    　　前記制御電極を覆う第１の保護膜と、を有し、
    　前記Ｎｉ層及び第１のアルミ電極は、
    　　前記第１の保護膜から離れている
    　ことを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 　請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
    　前記Ｎｉ層と前記制御電極との間において、前記Ｎｉ層は、
    　前記はんだ材を挟んで前記第１の保護膜と対向する
    　ことを特徴とするパワー半導体装置。
  3. 　請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
    　前記パワー半導体素子は、
    　前記第１の保護膜を覆う第２の保護膜を有し、
    　前記Ｎｉ層は、
    　前記第２の保護膜を挟んで前記第１の保護膜と対向する
    　ことを特徴とするパワー半導体装置。
  4. 　請求項３に記載のパワー半導体装置であって、
    　前記第２の保護膜は、
    　前記はんだ材より硬度が低くかつ前記第１の保護膜より硬度が高い
    　ことを特徴とするパワー半導体装置。
  5. 　請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
    　第２のアルミ電極は、
    　第１のアルミ電極より高電位に接続される
    　ことを特徴とするパワー半導体装置。
  6. 　請求項１に記載のパワー半導体装置を含むモジュール。
  7. 　請求項６に記載のモジュールであって、
    　前記パワー半導体装置を収納するケースを備え、
    　前記ケースの表面及び裏面に放熱用のフィンが設けられている
    　ことを特徴とするモジュール。
  8. 　請求項１に記載のパワー半導体装置の製造方法であって、
    　前記Ｎｉ層は、
    　無電解めっき法により形成される
    　ことを特徴とする製造方法。
  9. 　請求項３に記載のパワー半導体装置の製造方法であって、
    　前記第２の保護膜は、
    　フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成される
    　ことを特徴とする製造方法。
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