JP7045180B2 - パワー半導体装置、モジュール及び製造方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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 (7)
- 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。 - 請求項１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。 - 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。 - 請求項１に記載のパワー半導体装置を含むモジュール。
- 請求項４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。 - 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。 - 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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