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JP2019102535A - 半導体モジュール、その製造方法及び電力変換装置 - Google Patents

半導体モジュール、その製造方法及び電力変換装置 Download PDF

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Abstract

【課題】信頼性の低下を防ぐことができる半導体モジュール、その製造方法及び電力変換装置を得る。
【解決手段】下面電極３よりも薄い導電薄膜７がセラミック基板２の下面において下面電極３よりも外側に設けられ、下面電極３に接続されている。下面電極３の外周からセラミック基板２の外周までの長さは、上面電極４，５の外周からセラミック基板２の外周までの長さと同じである。導電薄膜７の厚みはセラミック基板２の厚みの半分以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュール、その製造方法及び電力変換装置に関する。
産業用機器及び電鉄車両のモーター制御などに半導体モジュールが用いられている。半導体モジュールでは、絶縁封止材としてシリコーンゲルが用いられている（例えば、特許文献１の図２０参照）。
国際公開第２０１６／０９８４３１号
半導体モジュールを適用した機器を高地で運転する場合には雰囲気の圧力が低くなりやすい。このため、シリコーンゲルの中に気泡が生じ、発生部位によってはモジュール内部で部分放電を生じて寿命が短くなる。特に、セラミック基板の下側のひさし部分でシリコーンゲルに気泡が発生すると、低電圧でも部分放電が生じやすくなる。高地使用ではない場合にも組み立て時にセラミック基板のろう材又ははんだからの脱ガスでひさし部分に気泡が溜まりやすい。そして、セラミック基板の下側の気泡は上方からの目視検査では発見できず、市場での使用中に絶縁性が低下してしまうことがあった。
部分放電の抑制のために基板下面の下面電極を上面電極に比べて外側に延長することが考えられる。しかし、上面電極と下面電極のアンバランスにより、温度サイクルが加わるとセラミック板に応力がかかる。この応力がセラミック基板の坑折強度を越えると、セラミック基板が割れ、絶縁性が損なわれる。この結果、信頼性が低下するという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は信頼性の低下を防ぐことができる半導体モジュール、その製造方法及び電力変換装置を得るものである。
本発明に係る半導体モジュールは、ベース板と、前記ベース板の上に設けられたセラミック基板と、前記セラミック基板の下面に設けられ、前記ベース板に接合された下面電極と、前記セラミック基板の上面に設けられた上面電極と、前記上面電極に接合された半導体チップと、前記セラミック基板の下面において前記下面電極よりも外側に設けられ、前記下面電極に接続され、前記下面電極よりも薄い導電薄膜と、前記セラミック基板、前記下面電極、前記上面電極、前記半導体チップ及び前記導電薄膜を封止する絶縁樹脂とを備え、前記下面電極の外周から前記セラミック基板の外周までの長さは、前記上面電極の外周から前記セラミック基板の外周までの長さと同じであり、前記導電薄膜の厚みは前記セラミック基板の厚みの半分以下である。
本発明では、下面電極の外周からセラミック基板の外周までの長さを、上面電極の外周からセラミック基板の外周までの長さと同じにする。これにより、セラミック基板に対する応力を低減させる。また、導電薄膜がセラミック基板の下面において下面電極よりも外側に設けられ、下面電極に接続されている。ベース板と導電薄膜が同電位となるため、絶縁樹脂中に発生した気泡が電位を分担しなくなることから、この部位では部分放電を発生しない。従って、気泡が発生しても、部分放電の発生開始電圧を高く保つことができる。また、導電薄膜の厚みはセラミック基板の厚みの半分以下である。このような薄い導電薄膜を設けてもセラミック基板に対する応力に影響しないため、温度サイクル時のセラミック基板の割れを防ぐことができる。この結果、信頼性の低下を防ぐことができる。
実施の形態１に係る半導体モジュールを示す断面図である。 比較例に係る半導体モジュールを示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体モジュールを示す断面図である。 実施の形態３に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
実施の形態に係る半導体モジュール、その製造方法及び電力変換装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体モジュールを示す断面図である。冷却用のベース板１の上にセラミック基板２が設けられている。セラミック基板２は例えば窒化ケイ素又は窒化アルミ等からなり、その厚みは２００μｍ〜１．２ｍｍである。
セラミック基板２の下面に下面電極３、上面に上面電極４，５がそれぞれＡｇ等のろう材等により接合されている。所望のパターンを写真製版で形成し、酸等のエッチング液を用いた選択エッチングにより上面電極４，５をパターニングする。下面電極３及び上面電極４，５は銅等の金属からなる。下面電極３がベース板１にはんだ６により接合されている。基板上面の上面電極４，５は大電流を流すために２００〜５００μｍ程度の厚みが必要である。セラミック基板２の応力緩和及び反り低減のために、基板下面の下面電極３にも同等の厚みが必要となる。
下面電極３よりも薄い導電薄膜７がセラミック基板２の下面において下面電極３よりも外側に設けられ、下面電極３に接続されている。導電薄膜７はセラミック基板２に対し十分低応力となるように例えば４〜６μｍの薄い厚みで、無電解ニッケルメッキなどで形成される。なお、セラミック基板２の上面において上面電極４，５の外側には導電薄膜７等の他の導電膜は設けられていない。
下面電極３の外周からセラミック基板２の外周までの長さは、上面電極４，５の外周からセラミック基板２の外周までの長さと同じである。従って、下面電極３の外周部の形状と上面電極４，５の外周部の形状はほぼ同じである。下面電極３の外周から導電薄膜７の外周までの長さＢは、下面電極３の外周からセラミック基板２の外周までの長さＡの１／３以上である（Ｂ≧１／３×Ａ）。
上面電極４に半導体チップ８，９がはんだ１０により接合されている。半導体チップ８はＩＧＢＴ、半導体チップ９はフリーホイールダイオードである。半導体チップ８，９の上面はアルミワイヤ１１により上面電極５に超音波接合されている。
電極１２が一体成型された樹脂ケース１３がベース板１にシリコーン接着剤１４により接合されている。電極１２が上面電極５にはんだ１５により接合されている。樹脂ケース１３内にシリコーンゲル等の絶縁樹脂１６が減圧雰囲気中で注入され、熱処理により硬化されている。これにより、絶縁樹脂１６がセラミック基板２、下面電極３、上面電極４，５、半導体チップ８，９及び導電薄膜７を封止する。
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図２は、比較例に係る半導体モジュールを示す断面図である。比較例には導電薄膜７が存在しない。組立工程中にセラミック基板２とベース板１の間で絶縁樹脂１６中に気泡１７が発生した場合、低い印加電圧でも部分放電が発生する。
部分放電の抑制のために基板下面の下面電極３を上面電極４，５に比べて外側に延長することも考えられる。しかし、上面電極と下面電極のアンバランスにより、温度サイクルが加わるとセラミック基板２に応力がかかる。この応力がセラミック基板２の坑折強度を越えると、セラミック基板２が割れ、絶縁性が損なわれる。例えば、セラミック基板２が厚み６００μｍの窒化アルミ基板、下面電極３及び上面電極４，５が厚み５００μｍ程度の銅板の場合、下面電極３の外周を上面電極４，５の外周に対して１〜２ｍｍオフセットすると、オフセット無しの場合に比べてセラミック基板２に対する応力が３０〜４０％も増加してしまう。
そこで、本実施の形態では、下面電極３の外周からセラミック基板２の外周までの長さを、上面電極４，５の外周からセラミック基板２の外周までの長さと同じにする。これにより、セラミック基板２に対する応力を低減させる。
また、導電薄膜７がセラミック基板２の下面において下面電極３よりも外側に設けられ、下面電極３に接続されている。ベース板１と導電薄膜７が同電位となるため、絶縁樹脂１６中に発生した気泡１７が電位を分担しなくなることから、この部位では部分放電を発生しない。従って、気泡１７が発生しても、部分放電の発生開始電圧を高く保つことができる。
また、導電薄膜７の厚みが薄いほどセラミック基板２に対する応力が低下する。そこで、本実施の形態では、導電薄膜７の厚みをセラミック基板２の厚みの半分以下にする。このような薄い導電薄膜７を設けてもセラミック基板２に対する応力に影響しないため、温度サイクル時のセラミック基板２の割れを防ぐことができる。この結果、信頼性の低下を防ぐことができる。
また、セラミック基板２の下側の気泡１７は、下面電極３とベース板１を接合するはんだ６、下面電極３とセラミック基板２を接合するろう材から発生する場合が多い。この気泡１７が絶縁樹脂１６内をセラミック基板２の外周に向かって移動する。そこで、下面電極３の外周から導電薄膜７の外周までの長さＢを、下面電極３の外周からセラミック基板２の外周までの長さＡの１／３以上にする。これにより、セラミック基板２の下側で気泡１７が残存しやすい領域を導電薄膜７が網羅することができるため、部分放電を抑制することができる。
実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る半導体モジュールを示す断面図である。後工程で必要なはんだ付け性を確保するために、下面電極３と上面電極４，５の表面に無電解ニッケルメッキ層１８を選択的に形成する。その際にセラミック基板２の下面にも無電解ニッケルメッキ層１８を形成し、それをパターニングすることで導電薄膜７を形成することができる。その他、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
なお、導電薄膜７は、無電解ニッケルメッキに限らず、ニッケル、錫又ははんだ等の金属を電子ビーム蒸着又はスパッタリング装置を用いて形成してもよい。この場合、電子ビーム蒸着装置にワークをセットする場合に予め金属製等のパターンニングされたマスクを用いて選択的に導電薄膜７を形成する。このため、写真製版等の工程を用いずに安価に導電薄膜７を形成することができる。
また、セラミック基板２の下面に下面電極３を接合するためのろう材を延長し、所望の形状にパターニングすることで導電薄膜７を形成してもよい。これにより、新たな工程を追加せずに、選択的に導電薄膜７を形成することができる。また、薄いろう材であればセラミック基板２への過大な応力も抑制できるため、通常のメタライズ基板の製造工程をそのまま利用でき、追加の工程を用いずに安価に半導体モジュールを製造することができる。
また、コールドスプレー技術を用いてニッケル、アルミニウム又は銅等の金属を所望の形状に形成することで導電薄膜７を形成してもよい。コールドスプレー技術を用いることで大気中で加工でき、予め用意した金属又はセラミック等のマスク等を用いることで選択的に導電薄膜７を形成できるため、比較的安価に半導体モジュールを製造することができる。
また、プラズマＣＶＤ装置を用いてシリコン窒化層等の半導電膜を成膜することで導電薄膜７を形成してもよい。シリコン窒化膜のアンモニア流量を制御することで、高電圧が印加された場合の導電薄膜７の導電率を制御することができる。また、デポ膜厚でも導電薄膜７の導電率を制御することができる。従って、下面電極３からベース板１までの間の電位分担を制御できるため、上面電極４，５と下面電極３との間の電界強度も制御でき、部分放電開始電圧を調整することができる。また、予め用意した金属又はセラミック等のマスク等を用いることで選択的に導電薄膜７を形成できるため、比較的安価に半導体モジュールを製造することができる。
また、ＣＶＤ装置等を用いて不純物をドープしたポリシリコン膜等を成膜することで導電薄膜７を形成してもよい。不純物濃度とデポ膜厚により導電薄膜７の抵抗値を制御することができる。従って、下面電極３からベース板１までの間の電位分担を制御できるため、上面電極４，５と下面電極３との間の電界強度も制御でき、部分放電開始電圧を調整することができる。また、予め用意した金属又はセラミック等のマスク等を用いることで選択的に導電薄膜７を形成できるため、比較的安価に半導体モジュールを製造することができる。
なお、半導体チップ８，９は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップは、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップを用いることで、この半導体チップを組み込んだ半導体モジュールも小型化・高集積化できる。また、半導体チップの耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体モジュールを更に小型化できる。また、半導体チップの電力損失が低く高効率であるため、半導体モジュールを高効率化できる。なお、半導体チップ８，９の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、何れか一方がワイドバンドギャップ半導体よって形成されていてもよく、実施の形態１，２に記載の効果を得ることができる。
実施の形態３．
本実施の形態は、上述した実施の形態１又２に係る半導体モジュールを電力変換装置に適用したものである。電力変換装置は、例えば、インバータ装置、コンバータ装置、サーボアンプ、電源ユニットなどである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
図４は、実施の形態３に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。この電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００を備える。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができ、交流系統に接続された整流回路又はＡＣ／ＤＣコンバータで構成してもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベータ、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００を詳細に説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子と各還流ダイオードは、上述した実施の形態１〜４のいずれかに相当する半導体装置２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、半導体装置２０２として実施の形態１又は２に係る半導体モジュールを適用するため、信頼性の低下を防ぐことができる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベル又はマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、又は誘導加熱調理器もしくは非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システム又は蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
１ ベース板、２ セラミック基板、３ 下面電極、４，５ 上面電極、７ 導電薄膜、８，９ 半導体チップ、１６ 絶縁樹脂、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体装置、２０３ 制御回路

Claims (10)

  1. ベース板と、
    前記ベース板の上に設けられたセラミック基板と、
    前記セラミック基板の下面に設けられ、前記ベース板に接合された下面電極と、
    前記セラミック基板の上面に設けられた上面電極と、
    前記上面電極に接合された半導体チップと、
    前記セラミック基板の下面において前記下面電極よりも外側に設けられ、前記下面電極に接続され、前記下面電極よりも薄い導電薄膜と、
    前記セラミック基板、前記下面電極、前記上面電極、前記半導体チップ及び前記導電薄膜を封止する絶縁樹脂とを備え、
    前記下面電極の外周から前記セラミック基板の外周までの長さは、前記上面電極の外周から前記セラミック基板の外周までの長さと同じであり、
    前記導電薄膜の厚みは前記セラミック基板の厚みの半分以下であることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記下面電極の外周から前記導電薄膜の外周までの長さは、前記下面電極の外周から前記セラミック基板の外周までの長さの１／３以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記導電薄膜は半導電膜であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記導電薄膜は不純物をドープしたポリシリコン膜であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  6. 請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
    前記セラミック基板の下面及び前記下面電極の表面にメッキ層を形成し、前記メッキ層をパターニングすることで前記導電薄膜を形成することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  7. 請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
    電子ビーム蒸着又はスパッタリング装置を用いて前記導電薄膜を形成することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  8. 請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
    前記セラミック基板の下面に前記下面電極を接合するためのろう材をパターニングすることで前記導電薄膜を形成することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  9. 請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
    コールドスプレーを用いて前記導電薄膜を形成することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  10. 請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備えることを特徴とする電力変換装置。
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