JP2017092168A - Semiconductor module and power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体モジュール及び電力変換装置に関し、例えば、モータを使用する設備などに適用して好適なものである。 The present invention relates to a semiconductor module and a power conversion device, and is suitable for application to equipment using a motor, for example.
インバータ等の電力変換装置においては、用いられるスイッチング素子としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等を使用したパワー半導体モジュールが用いられている。このような半導体モジュールにおいて使用される半導体チップは、それぞれ数100Aの大電流を扱うものであるため、各々の半導体チップは大きな発熱を伴ってスイッチング動作を行うこととなる。 In power converters such as inverters, power semiconductor modules using IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors), etc. are used as switching elements. Since the semiconductor chips used in such a semiconductor module each handle a large current of several hundreds A, each semiconductor chip performs a switching operation with a large amount of heat generation.
特許文献1には、金属基板と半導体素子の接合部における接合材の厚みが半導体素子の中心から外周部にいくほど厚くなるようにした構成が開示されている。 Patent Document 1 discloses a configuration in which the thickness of the bonding material at the bonding portion between the metal substrate and the semiconductor element is increased from the center of the semiconductor element to the outer peripheral portion.
近年、半導体モジュールの更なる小型化が求められており、発熱密度が更に上昇する傾向にある。耐熱性を確保するために、半導体チップと配線層の接合には従来は融点が300℃程度、鉛含有率85%以上の高鉛はんだが用いられていた。しかし半導体装置の鉛フリー化が進み、鉛フリーのはんだ材として、Sn−Cu系はんだ、Sn−Ag系はんだ、Sn−Sb系はんだ等が知られているが、これらは融点が200℃程度であり、耐熱性に関しては不十分な材料であった。 In recent years, further miniaturization of semiconductor modules has been demanded, and the heat generation density tends to further increase. In order to ensure heat resistance, high lead solder having a melting point of about 300 ° C. and a lead content of 85% or more has been conventionally used for joining the semiconductor chip and the wiring layer. However, as lead-free soldering of semiconductor devices has progressed, Sn-Cu solder, Sn-Ag solder, Sn-Sb solder, and the like are known as lead-free solder materials, but these have a melting point of about 200 ° C. Yes, the material was insufficient in terms of heat resistance.
これに対して、銀や銅のナノ粒子の低温焼成機能を利用した焼結接合がこれらに代わる材料として知られている。粒径が100nm以下の銀ナノ粒子では、構成原子数が少なくなり粒子の体積に対する表面積比は急激に増大し、融点や焼結温度がバルクの状態に比較して大幅に低下する。この低温焼成機能を利用して銀粒子同士を焼結させて接合することで、接合後はバルク銀へと変化すると同時に接合界面では金属結合により接合されているため、非常に高い耐熱性と高放熱性を有する。 On the other hand, sintered joining using the low-temperature firing function of silver or copper nanoparticles is known as an alternative material. In silver nanoparticles having a particle size of 100 nm or less, the number of constituent atoms is decreased, the surface area ratio to the volume of the particles is rapidly increased, and the melting point and sintering temperature are greatly reduced as compared with the bulk state. By using this low-temperature firing function to sinter silver particles together, they change into bulk silver after bonding, and at the same time are bonded by metal bonds at the bonding interface, so they have extremely high heat resistance and high resistance. Has heat dissipation.
このような焼結接合法では、加圧プロセスを経て接合層の焼結密度を向上させるため、加圧の際、接合材が半導体チップ外にはみ出してしまうことがある。この接合材がはみ出した部位には圧力が加わらないため、焼結性は脆い状態となり、この脆い部分が剥がれ落ちると、例えばゲートとエミッタ間の短絡の原因となり、製造歩留りを低減させるおそれがあった。 In such a sintered joining method, the sintered density of the joining layer is improved through a pressurizing process, and thus the joining material sometimes protrudes outside the semiconductor chip during pressurization. Since no pressure is applied to the part where the bonding material protrudes, the sinterability becomes brittle, and if this brittle part peels off, it may cause a short circuit between the gate and the emitter, for example, which may reduce the manufacturing yield. It was.
一方で半導体チップの動作温度が高くなると、半導体チップの熱膨張率と配線材料の熱膨張率とに差があるために、これらの間の半導体チップの接合部には応力が加わり、更に、スイッチング動作(通電のONとOFFの動作)を繰り返すうちに熱疲労が生じるため、使用により接合部が破壊してしまうおそれもあった。 On the other hand, when the operating temperature of the semiconductor chip is increased, there is a difference between the coefficient of thermal expansion of the semiconductor chip and the coefficient of thermal expansion of the wiring material. Thermal fatigue occurs while repeating the operation (ON / OFF operation), and there is a possibility that the joint may be destroyed by use.
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、半導体チップと配線層とをより高い耐熱性、及びより高い耐久性で接合する半導体モジュール及び電力変換装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a semiconductor module and a power conversion device that join a semiconductor chip and a wiring layer with higher heat resistance and higher durability.
かかる課題を解決するため本発明の半導体モジュールは、絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された配線層と、前記配線層に重ねて配置され、前記配線層と電気的に接続される一端子を有する半導体チップと、前記配線層と前記半導体チップとの間を固定すると共に、電気的に接続する金属の焼結接合層と、を備え、前記配線層は、平面視において、重畳する前記半導体チップの外縁より内側に溝部を有していることを特徴とする半導体モジュールである。 In order to solve such a problem, a semiconductor module according to the present invention includes an insulating substrate, a wiring layer formed on the insulating substrate, and a terminal that is disposed on the wiring layer and is electrically connected to the wiring layer. And a metal sintered bonding layer that fixes and electrically connects between the wiring layer and the semiconductor chip, and the wiring layer overlaps in plan view A semiconductor module having a groove inside an outer edge of a chip.
また、本発明の電力変換装置は、本発明の半導体モジュールを複数備え、前記複数の半導体モジュールのうち、いずれか2つのゲートに異なるタイミングの波形信号が入力されることを特徴とする電力変換装置である。 Moreover, the power converter device of this invention is equipped with two or more semiconductor modules of this invention, The waveform signal of a different timing is input into any two gates among these semiconductor modules, The power converter device characterized by the above-mentioned. It is.
本発明によれば、半導体モジュール及び電力変換装置において、半導体チップと配線層とをより高い耐熱性、及びより高い耐久性で接合することができる。 According to the present invention, in a semiconductor module and a power conversion device, a semiconductor chip and a wiring layer can be bonded with higher heat resistance and higher durability.
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。以下の説明において、同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, similar elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(1)本実施の形態における半導体モジュール200の構成
図1及び2は、本発明の一実施の形態に係る半導体モジュール200を示す図であり、図1は平面図、図2は図1のA−A断面を示す図である。これらの図に示されるように半導体モジュール200は、セラミックスからなる絶縁基板210上に形成された配線層212にCuの焼結金属からなる焼結接合層214を介して半導体チップ100が取り付けられ、半導体チップ100上の端子に取り付けられたボンディングワイヤ207は、絶縁基板210上に形成された別の配線層212に接続されている。また、絶縁基板210に形成された配線層205は、はんだ層204を介して支持部材201に接合される。支持部材201上には、絶縁基板210を囲むようにケース202が取り付けられ、そのケース202に取り付けられた外部端子216には、半導体チップ100上の別の端子と電気的に接続するワイヤ208が接続されている。絶縁基板210は、半導体チップ100等を含めて、ケース202内で封止材206により封止されている。
(1) Configuration of
ここで絶縁基板210はセラミックスに限らず、樹脂等その他の絶縁材料からなる基板を用いることができる。また、配線層212及び205は銅配線であることとするが、他の導電材料を用いることとしてもよい。図1では、半導体モジュール200に8つの半導体チップ100が描かれているが、半導体モジュール200に用いられる半導体チップ100の数は1つであっても、複数であってもよい。また、焼結接合層214の焼結金属をCuとしたが、Ag等の他の金属であってもよい。
Here, the
図3は半導体チップ100とその周辺について示す断面図である。本実施の形態において、半導体チップ100は12mm×12mmのIGBTチップとするが、他のサイズの半導体チップであっても、MOSFET等他の構成の半導体チップであってもよい。半導体チップ100のコレクタ電極102は、絶縁基板210上の配線層212と焼結接合層214で接合されている。半導体チップ100のエミッタ電極101は、ボンディングワイヤ207でセラミックス絶縁基板210上の別の配線層212と結線されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the
図4及び5は、それぞれ半導体チップ100に重畳する配線層212及び焼結接合層214について説明するための断面概略図及び平面概略図である。これらの図に示されるように、配線層212は、平面視における半導体チップ100の外縁より内側に溝部217を有しており(図5)、溝部217には焼結接合層214が配置される(図6)。このような構成とすることにより、半導体チップ100を加圧するプロセスで配線上に半導体チップ100を焼結接合した際に起こる、焼結接合層214のはみ出しを抑止することができる。このため、焼結接合層214のはみ出しにより、はみ出し部分が剥がれ落ち、例えばゲートとエミッタ間が短絡する等の不良を防止することができる。また、溝部217に形成された焼結接合層214は、他の部分より密度が低くなるため、スイッチング動作の繰り返しによる熱ひずみを吸収することができると共に、より厚い焼結接合層214となるため、クラックが発生しにくくなると共に、クラックが発生したとしても進展を抑えることができる。
FIGS. 4 and 5 are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining the
ここで更に溝部217は、半導体チップ100のアクティブエリア109よりも外側に形成されているとしてもよい。このようにアクティブエリア109の外側に形成することにより、アクティブエリア109内の焼結接合層214はより密度の高い、つまり導電性の高いエリアとなるため、半導体チップ100を流れる電流の抵抗を抑えることができると共に、アクティブエリア109の外側では、より密度が低い焼結接合層214となるため、スイッチング動作の繰り返しによる熱ひずみを吸収することができると共に、より厚い焼結接合層214となるため、クラックが発生しにくくなると共に、クラックが発生したとしても進展を抑えることができる。
Here, the
しかしながら、溝部217は、アクティブエリア109の内側に形成されていてもよく、特に、溝部217における焼結接合層214の密度が十分である場合や、半導体チップ100のコレクタ電極102と配線層212との接合が全体として十分な密度である場合等により半導体チップ100のコレクタ電極102と配線層212との導電性に与える影響が小さい場合等には、図6に示されるように、アクティブエリア109の内側に形成されていてもよい。図6の溝部217は、アクティブエリア109の外側を囲う溝部の他、アクティブエリア109を縦横に横切る溝部を有している。ここで、配線層212に設ける溝部217の形成方法には、例えばプレス加工、エッチング加工、切削などを用いることができる。
However, the
半導体チップ100に重畳する焼結接合層214において、アクティブエリア109に重畳する焼結接合層214の焼結密度は、アクティブエリア109でない領域に重畳する焼結接合層214の焼結密度より高くすることが望ましく、10パーセント以上高くすることが更に望ましい。シミュレーション解析により、10%以上とすると熱応力耐性が約2倍向上し、この結果、パワーサイクル耐性が従来はんだの10倍以上向上することを確認した。
In the
(2)焼結接合層の形成に用いる接合材料及び接合方法
焼結接合層を形成するための接合材料、接合方法としては公知の材料及び方法を適用することが可能である。例えば、接合材料として、平均粒径が1nm〜5μmの酸化銅粒子と有機溶剤とを含む材料を用いることができる。この接合材料を用いて水素雰囲気下で接合を行うことで部材間を接合することができる。特に、Cu、Ni電極に対しても優れた接合強度が得ることができる。この接合では、酸化銅粒子前駆体が還元され、その際に平均粒径が100nm以下の銅粒子が生成され、銅粒子同士が相互に融合することで接合が行なわれるという現象を利用している。平均粒径が100nm以下の銅粒子が生成され、銅粒子同士が相互に融合し、接合に至る機構は、(1)生成した100nm以下の銅粒子が相手電極表面に薄膜層を形成、(2)この層は相手の金属電極板(Cu、Ni等)の結晶成長方向と同一方向に結晶成長しており、(3)さらに薄膜層形成に寄与しなかった銅粒子同士の融合によって焼結層、すなわち接合層を形成し、接合が達成される。前駆体の酸化銅粒子は酸化第一銅、酸化第二銅のどちらでも良い。酸化銅からなる金属酸化物粒子は還元時に酸素のみを発生するために、接合後における残渣も残りにくく、体積減少率も非常に小さい。ここで用いる酸化銅粒子の粒径を平均粒径が1nm以上5μm以下としたのは、平均粒径が5μmより大きくなると、接合中に粒径が100nm以下の金属銅粒子が生成されにくくなり、これにより粒子間の隙間が多くなり、緻密な接合層を得ることが困難になるためである。また、1nm以上としたのは、平均粒子が1nm以下の酸化第二銅粒子前駆体を実際に作製することが困難なためである。後述する第1の形成例における接合プロセスは(1)60℃の熱を約10分間加え、同時に圧力を水素雰囲気中で加える、(2)加圧は加えたまま温度を300℃に上昇させ、15分間保持するプロセスとしたが、これ以外の接合プロセスを用いることもできる。
(2) Joining material and joining method used for forming sintered joining layer Known materials and methods can be applied as joining materials and joining methods for forming the sintered joining layer. For example, as the bonding material, a material containing copper oxide particles having an average particle diameter of 1 nm to 5 μm and an organic solvent can be used. By using this bonding material and bonding in a hydrogen atmosphere, the members can be bonded. In particular, excellent bonding strength can be obtained for Cu and Ni electrodes. In this joining, the copper oxide particle precursor is reduced, copper particles having an average particle size of 100 nm or less are generated at that time, and the phenomenon that joining is performed by the fusion of the copper particles to each other is utilized. . The copper particles having an average particle size of 100 nm or less are generated, the copper particles are fused with each other, and the mechanism of joining is as follows: (1) The generated copper particles of 100 nm or less form a thin film layer on the surface of the counterpart electrode; ) This layer is grown in the same direction as the crystal growth direction of the counterpart metal electrode plate (Cu, Ni, etc.). (3) Further, the sintered layer is formed by the fusion of copper particles that did not contribute to the formation of the thin film layer. That is, a bonding layer is formed and bonding is achieved. The precursor copper oxide particles may be cuprous oxide or cupric oxide. Since metal oxide particles made of copper oxide generate only oxygen during reduction, the residue after joining hardly remains, and the volume reduction rate is very small. The average particle size of the copper oxide particles used here is 1 nm or more and 5 μm or less. When the average particle size is larger than 5 μm, metal copper particles having a particle size of 100 nm or less are less likely to be generated during bonding. This is because the gaps between the particles increase, and it becomes difficult to obtain a dense bonding layer. The reason why the thickness is 1 nm or more is that it is difficult to actually produce a cupric oxide particle precursor having an average particle size of 1 nm or less. In the bonding process in the first formation example described later, (1) heat at 60 ° C. is applied for about 10 minutes, and pressure is simultaneously applied in a hydrogen atmosphere. (2) The temperature is increased to 300 ° C. while applying pressure, Although the process is held for 15 minutes, other bonding processes can be used.
接合材料は、塗布部分を開口したメタルマスクを用いて必要部分にのみ塗布を行う方法、ディスペンサを用いて必要部分に塗布する方法、シリコーンやフッ素等を含む撥水性の樹脂を必要な部分のみ開口したメタルマスクやメッシュ状マスクで塗布したり、感光性のある撥水性樹脂を基板あるいは電子部品上に塗布し、露光および現像することにより接合材料を塗布する部分を除去し、接合用ペーストをその開口部に塗布する方法や、さらには撥水性樹脂を基板あるいは電子部品に塗布後、接合材料を塗布する部分をレーザーにより除去した後、接合用ペーストをその開口部に塗布する方法などにより塗布することができる。これらの塗布方法は、接合する電極の面積、形状に応じて組み合わせて用いることができる。 The bonding material is a method of applying only to the required part using a metal mask with an opening of the application part, a method of applying to the required part using a dispenser, and opening only a required part of a water-repellent resin containing silicone or fluorine. By applying a coated metal mask or mesh mask, or by applying a photosensitive water-repellent resin on a substrate or electronic component, and then exposing and developing to remove the portion where the bonding material is to be applied. After applying the water-repellent resin to the substrate or the electronic component after removing the water-repellent resin on the substrate or the electronic component, the portion to which the bonding material is applied is removed by a laser, and then the bonding paste is applied to the opening. be able to. These coating methods can be used in combination according to the area and shape of the electrodes to be joined.
なお、接合時において、金属粒子前駆体から粒径が100nm以下の金属粒子を生成し、接合層における有機物を排出しながら粒径が100nm以下の金属粒子の融着による金属結合を行うために、熱と0.01〜5MPaの圧力を加えることが好ましい。接合時の雰囲気は水素、ギ酸を含んだ還元雰囲気、非酸化雰囲気でもよい。接合時の加熱還元によって純金属超微粒子を生成させ、この純金属超粒子同士は相互に融合してバルクになる。バルクになった後の溶融温度は通常のバルクの状態での金属の溶融温度と同じであり、純金属超微粒子は低温の加熱で溶融し、溶融後はバルクの状態での溶融温度に加熱されるまで再溶融しないという特徴を有する。これは、純金属超微粒子を用いた場合に低い温度で接合を行うことができ、接合後は溶融温度が向上することから、その後、他の電子部品を接合している際に接合部が再溶融しないというメリットをもたらす。なお、焼結接合層としては、焼結銅の他にも焼結銀も適用が可能であるが、焼結銅を用いることがより好ましい。これは、焼結銀よりも焼結銅の方が空孔拡散が少なく温度上昇に起因するボイド発生が抑制されるためである。上述の接合材、接合方法を半導体チップの電極の接合に用いることにより、優れた接合信頼性を得ることが可能となる。 At the time of bonding, in order to generate metal particles having a particle size of 100 nm or less from the metal particle precursor, and to perform metal bonding by fusion of metal particles having a particle size of 100 nm or less while discharging organic substances in the bonding layer, It is preferable to apply heat and a pressure of 0.01 to 5 MPa. The atmosphere during bonding may be a reducing atmosphere containing hydrogen or formic acid, or a non-oxidizing atmosphere. Pure metal ultrafine particles are generated by heat reduction at the time of joining, and these pure metal ultraparticles are fused together to become a bulk. The melting temperature after becoming bulk is the same as the melting temperature of metals in the normal bulk state, and the ultrafine metal particles are melted by low-temperature heating, and after melting, they are heated to the melting temperature in the bulk state. It does not re-melt until This is because when pure metal ultrafine particles are used, bonding can be performed at a low temperature, and the melting temperature is improved after bonding. The advantage of not melting. As the sintered bonding layer, sintered silver can be applied in addition to sintered copper, but it is more preferable to use sintered copper. This is because sintered copper has less vacancy diffusion than sintered silver, and void generation due to temperature rise is suppressed. By using the bonding material and the bonding method described above for bonding the electrodes of the semiconductor chip, it is possible to obtain excellent bonding reliability.
(3)焼結接合層の第1の形成例
本実施の形態における焼結接合層214の第1の形成例では、焼結接合層214は、88wt%の酸化第二銅粒子(接合後は純銅化)と12wt%のジエチレングリコールモノブチルエーテルを混合した接合材料を用いて形成した。焼結接合層214の厚さは80μmである。溝部217は20マイクロメートルの深さで形成しており、焼結接合層214で埋められている。
(3) First Formation Example of Sintered Joining Layer In the first formation example of the sintered joining
第1の形成例の焼結接合層214の形成方法を説明する。絶縁基板210の配線層212上の接合箇所にメタルマスクによって接合材料を印刷し、その上に半導体チップ100を配置する。次に、0.01MPaで加圧状態にし、水素中で温度を300℃に上昇させて15分間保持する。なお、本形成例では圧力を加えたままとしたが、300℃保持時では加圧は必須ではない。以上のプロセスにより、半導体チップ100のコレクタ電極102と、溝部217を形成した配線層212とを焼結接合層214で接合した。この形成方法では、焼結接合層214の平坦部焼結密度は約80%(空隙率20%)、溝部217の焼結密度は約50%(空隙率50%)であった。
A method for forming the
本形成例で作製した半導体モジュール200に対してパワーサイクル試験を実施した。パワーサイクル試験とは、半導体チップ100に所定の電流を所定時間流し、半導体チップ100自体を発熱させ、所定の温度Tjmax(本試験では175℃)に上昇させた後、電流をオフし、所定の温度に冷却(本試験では室温)後、再び通電するという半導体チップ100自体の発熱、冷却を繰り返す試験であり、半導体モジュール200における重要な信頼性試験の一つである。
A power cycle test was performed on the
図7はパワーサイクル試験結果を示すグラフである。符号502は第1の形成例についての試験結果を示している。グラフの横軸は発熱、冷却のサイクル数、縦軸はTjmax値の推移を示している。Tjmax値は175℃と設定としているが、半導体チップ100のチップ下接合部、チップ上接合部に損傷が生じ、さらに損傷が進展するとその値が上昇する。本試験では設定されたTjmax値からの上昇割合が設定値の15%上昇時を寿命と判断した。比較のために、溝部217を設けない構造で同一条件で形成した比較サンプルを作製し、同様にパワーサイクル試験を実施した結果を符号501に併せて示す。Tjmaxは150℃である。
FIG. 7 is a graph showing the power cycle test results.
図7において、比較サンプル501では約1万回でゲートとエミッタ間で短絡不良を生じ、試験継続不能となった。目標サイクル試験回数は10万回以上であり、目標の1/10程度の結果となった。この原因は、比較サンプル501では焼結層のはみ出しが多く、これが剥がれ落ちたため、配線間の短絡の要因となったと考えられる。一方、第1の形成例502の半導体モジュール200では、サイクル寿命は約50万回と、大幅な信頼性向上を示すことができた。第1の形成例502の半導体モジュール200では、焼結接合層214端部に集中する熱ひずみが小さくなっており、接合部の長寿命化を図ることができる。
In FIG. 7, in the
(4)焼結接合層の第2の形成例
第2の形成例では、接合時の予備乾燥条件を調整することによって焼結接合層214を形成した例を説明する。絶縁基板210の配線層212上の接合箇所にメタルマスクによって接合材料を印刷し、その上に半導体チップ100を配置する。この状態で大気中60℃の熱を約20分間加える。次に、0.1MPaで加圧状態にし、水素中で温度を昇温速度5℃/minで300℃に上昇させて15分間保持する。以上のプロセスにより、半導体チップ100と配線層212を焼結接合層214を介して接合した。
(4) Second Formation Example of Sintered Joining Layer In the second formation example, an example will be described in which the sintered joining
この結果、焼結接合層214の平坦部焼結密度は約90%(空隙率10%)、焼結接合層214の溝部217の焼結密度は約80%(空隙率20%)であった。接合材を塗布後、長時間予備乾燥したため、加圧が小さい溝部217でも高い密度で焼結が進行した。
As a result, the flat portion sintered density of the sintered
第2の形成例で作製した半導体モジュール200に対してパワーサイクル試験を実施した結果、サイクル寿命は約70万回と、大幅な信頼性向上を図ることができた。第1の形成例に比べて寿命が向上した。溝部217の焼結密度を上昇させたため、半導体素子へのダメージ低減の効果があったものと考えられる。
As a result of conducting a power cycle test on the
(5)本実施の形態の効果
本実施の形態の半導体モジュール200は、絶縁基板210と、絶縁基板210上に形成された配線層212と、配線層212に重ねて配置され、配線層212と電気的に接続される一端子102を有する半導体チップ100と、配線層212と半導体チップ100との間を固定すると共に電気的に接続する金属の焼結接合層214と、を備え、配線層212は、平面視において重畳する半導体チップ100の外縁より内側に溝部217を有していることとしたため、半導体チップ100をはみ出して形成される焼結接合層214を発生させることなく、焼結接合層214を形成することができ、このため、焼結接合層214のはみ出しにより、はみ出し部分が剥がれ落ちることによる、例えばゲートとエミッタ間が短絡する等の不良を抑制することができる。また、溝部217の凹んだ部分には、他の部分より密度が低い焼結接合層214となるため、スイッチング動作の繰り返しによる熱ひずみを吸収することができると共に、より厚い焼結接合層214となるため、クラックが発生しにくくなると共に、クラックが発生したとしても進展を抑えることができる。したがって、焼結性が十分であると共に、耐久性のある半導体チップ100の接合部とすることができる。
(5) Effects of the present embodiment The
また、溝部217は、平面視で半導体チップ100のアクティブエリアの外側を囲う形状とすることができ、この場合には、このようにすることにより、アクティブエリア109内の焼結接合層214はより密度の高い、つまり導電性の高いエリアとし、半導体チップ100を流れる電流の抵抗を抑えることができると共に、アクティブエリア109の外側では、より密度が低い焼結接合層214となるため、スイッチング動作の繰り返しによる熱ひずみを吸収することができる。また、より厚い焼結接合層214となるため、クラックが発生しにくくなり、例えクラックが発生したとしても進展を抑えることができる。
Further, the
また、溝部217は、アクティブエリア109の外側を囲う形状の内側にも形成されることとしてもよい。また、この場合には、アクティブエリア内においても、焼結接合層214のクラックの発生を抑えると共に、クラックが発生したとしてもその進展を抑えることができる。
Moreover, the
また、アクティブエリア109に重畳する焼結接合層214の密度は、溝部217に重畳する焼結接合層214の密度より高くすることができる。このようにすることにより、アクティブエリア109内の焼結接合層214はより密度の高い、つまり導電性の高いエリアとし、半導体チップ100を流れる電流の抵抗を抑えることができると共に、アクティブエリア109の外側では、より密度が低い焼結接合層214となるため、スイッチング動作の繰り返しによる熱ひずみを吸収することができると共に、より厚い焼結接合層214となるため、クラックが発生しにくくなると共に、クラックが発生したとしても進展を抑えることができる。
Further, the density of the sintered
(6)他の実施の形態
図8は、上述の半導体モジュール200を使用した電力変換装置300の実施の形態について示す回路図である。電力変換装置300は、複数の半導体モジュール200を備えており、これらのうち少なくとも2つのゲートに異なるタイミングの波形信号が入力される。この例の回路ではインバータ装置が示されているが、インバータ装置の他、電動機その他の電力変換装置300に適用することができる。電力変換装置300に上述の実施形態の半導体モジュール200を適用することによって、高温環境の場所に搭載でき、かつ専用の冷却器を持たなくても長期的な信頼性を確保することが可能になる。
(6) Other Embodiments FIG. 8 is a circuit diagram showing an embodiment of a
また、インバータ装置及び電動機を含む電力変換装置300は、高速車両や電気自動車にその動力源として組み込むことができる。この自動車においては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化できたため、ギヤーの噛込み比率の違いにより変速していた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され、スムーズな走行が可能で、振動や騒音の面でも従来よりも軽減することができる。
The
更に、上述の実施の形態の半導体モジュール200を組み込んだ電力変換装置300は、冷暖房機に組み込むことも可能である。この際、従来の交流電動機を用いた場合よりも高い効率を得ることができる。これにより、冷暖房機使用時の電力消費を低減することができる。また、室内の温度が運転開始から設定温度に到達するまでの時間を、従来の交流電動機を用いた場合よりも短縮できる。当該電力変換装置300は、他の流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗濯機、流体循環装置等にも組み込むことができ、同様の効果を得ることができる。本実施の形態の電力変換装置300は、複数の半導体モジュール200のうち、いずれか2つはゲートに異なるタイミングの波形信号が入力されることとしているため、上述の半導体モジュール200の同様の有利な効果を有している。
Furthermore, the
本発明は、例えばモータを使用する設備などに適用することができる。 The present invention can be applied to equipment using a motor, for example.
100 半導体チップ
101 エミッタ電極
102 コレクタ電極
109 アクティブエリア
200 半導体モジュール
201 支持部材
202 ケース
204 はんだ層
205 配線層
206 封止材
207 ボンディングワイヤ
208 ワイヤ
210 絶縁基板
212 配線層
214 焼結接合層
216 外部端子
217 溝部
300 電力変換装置
501 比較サンプル
502 第1の形成例
100
Claims (5)
前記絶縁基板上に形成された配線層と、
前記配線層に重ねて配置され、前記配線層と電気的に接続される一端子を有する半導体チップと、
前記配線層と前記半導体チップとの間を固定すると共に、電気的に接続する金属の焼結接合層と、を備え、
前記配線層は、平面視において、重畳する前記半導体チップの外縁より内側に溝部を有している
ことを特徴とする半導体モジュール。 An insulating substrate;
A wiring layer formed on the insulating substrate;
A semiconductor chip disposed on the wiring layer and having one terminal electrically connected to the wiring layer;
While fixing between the wiring layer and the semiconductor chip, and comprising a sintered joining layer of metal that is electrically connected,
The wiring layer has a groove on the inner side of the outer edge of the semiconductor chip that overlaps in a plan view.
前記溝部は、平面視で前記半導体チップのアクティブエリアの外側を囲う形状である
ことを特徴とする半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 1,
The groove part has a shape surrounding the outside of the active area of the semiconductor chip in plan view.
前記溝部は、前記アクティブエリアの内側にも形成されている
ことを特徴とする半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 2,
The groove is also formed inside the active area. A semiconductor module, wherein:
前記アクティブエリアに重畳する前記焼結接合層の密度は、前記溝部に重畳する前記焼結接合層の密度より高い
ことを特徴とする半導体モジュール。 The semiconductor module according to any one of claims 1 to 3,
The semiconductor module according to claim 1, wherein a density of the sintered bonding layer superimposed on the active area is higher than a density of the sintered bonding layer superimposed on the groove.
前記複数の半導体モジュールのうち、いずれか2つのゲートに異なるタイミングの波形信号が入力される
ことを特徴とする電力変換装置。 A plurality of semiconductor modules according to any one of claims 1 to 3,
Waveform signals having different timings are input to any two gates of the plurality of semiconductor modules.
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