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1. WO2020230349 - SEMICONDUCTOR MODULE

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明 細 書

発明の名称 半導体モジュール

技術分野

0001  

背景技術

0002  

発明の概要

0003   0004   0005  

図面の簡単な説明

0006  

発明を実施するための形態

0007   0008   0009   0010   0011   0012  

実施例

0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030  

符号の説明

0031  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

明 細 書

発明の名称 : 半導体モジュール

技術分野

[0001]
 本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに関する。

背景技術

[0002]
 特開2017-152655号公報に、半導体素子が開示されている。この半導体素子では、半導体基板上に複数の金属膜や、それを覆う保護膜といった表面構造が設けられている。複数の金属膜には、例えば主電極や信号配線が含まれており、それらは互いに隣接して設けられている。

発明の概要

[0003]
 半導体素子は、半導体モジュールに組み込まれ、封止体の内部に封止される。半導体モジュールでは、温度に応じて各々の構成要素に熱変形が生じる。このとき、半導体基板と表面構造との間には、大きなせん断応力が生じ易く、電極及び信号配線といった金属膜には、弾性域を超える大きな変形(即ち、塑性変形)が生じ得る。このような変形が繰り返されると、半導体基板と表面構造との間で剥離が生じたり、複数の金属膜の間で短絡又は絶縁不良が生じたりするおそれがある。このような問題は、ヤング率が比較的に高い炭化シリコン(SiC)を採用した半導体モジュールにおいて顕著であり、その対策が求められている。
[0004]
 本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子を封止する封止体とを備える。半導体素子は、半導体基板と、半導体基板の表面上に設けられているとともに、半導体基板の外周縁に沿って枠状に延びる保護膜と、半導体基板の表面上に設けられているとともに、少なくとも一部が半導体基板と保護膜との間に位置する金属膜と、半導体基板の表面上に設けられているとともに、金属膜と保護膜の外周縁との間に位置するダミー金属膜とを備える。半導体基板の表面には、ダミー金属膜の一部を収容する凹部が設けられている。保護膜には、半導体基板の凹部に対向するとともに、ダミー金属膜の一部を収容する凹部又は穴が設けられている。即ち、ダミー金属膜は、半導体基板の凹部と保護膜の凹部又は穴との両者に亘って設けられている。
[0005]
 通常、半導体基板と表面構造(保護膜や金属膜)との間の剥離は、半導体素子の外周部分で発生した剥離が起点となる。即ち、半導体素子の外周部分で発生した剥離が、半導体基板の表面に沿って内側へ進行していく。そして、その剥離が半導体基板と表面構造との間へ進行し、例えば金属膜に達することによって、金属膜の変形やそれに伴う短絡等が引き起こされる。この知見に基づいて、上記した半導体モジュールでは、金属膜と保護膜の外周縁との間に、ダミー金属膜が設けられている。このダミー金属膜は、半導体基板と保護膜との両者に亘って位置しており、上記した剥離の進行を妨げる壁として機能する。これにより、半導体素子の外周部分で発生した剥離が、仮に半導体基板と表面構造との間へ剥離が進行したとしても、その剥離が金属膜まで達することを避けることができる。

図面の簡単な説明

[0006]
[図1] 実施例の半導体モジュール10の外観を示す平面図。
[図2] 図1中のII-II線における断面図。
[図3] 図2中のIII部の拡大図。
[図4] 半導体素子30の平面図。
[図5] 半導体モジュール10に生じる剥離Sの一例を示す図。
[図6] 一変形例の半導体モジュール10Xの要部(図3に対応)を示す断面図。
[図7] 一変形例の半導体モジュール10Yの要部(図3に対応)を示す断面図。
[図8] 一変形例の半導体モジュール10Zの要部(図3に対応)を示す断面図。
[図9] 一変形例の半導体素子30Xの平面図。

発明を実施するための形態

[0007]
 本技術の一実施形態において、ダミー金属膜は、硬度の異なる二以上の金属材料で構成されていてもよい。二以上の金属材料を用いることによって、様々な特性を兼備するダミー金属膜を実現することができる。
[0008]
 上記した実施形態において、ダミー金属膜は、第1金属層と、第1金属層上に設けられた第2金属層とを有してもよい。この場合、第2金属層を構成する金属材料の硬度は、前記第1金属層を構成する金属材料の硬度よりも高くてもよい。さらに、第1金属層及び第2金属層の両者が、半導体基板の凹部と保護膜の凹部又は穴との両者に亘って設けられていてもよい。
[0009]
 本技術の一実施形態において、半導体素子は、半導体基板の表面上に設けられているとともに、半導体基板と金属膜との間に位置する絶縁膜をさらに備えてもよい。この場合、ダミー金属膜は、絶縁膜の外周縁に沿って設けられていてもよい。このような構成によると、このような構成によると、半導体素子の外周部分で発生した剥離が、絶縁膜に沿って半導体基板と金属膜との間へ進行することを、効果的に抑制することができる。
[0010]
 本技術の一実施形態において、ダミー金属膜は、少なくとも半導体基板の四つの角部に沿って設けられていてもよい。半導体基板の四つの角部では、熱変形に伴う応力が局所的に高まりやすく、剥離の発生や進行が顕著に現れる。従って、そのような角部へダミー金属膜を設けることにより、剥離の進行を効果的に抑制することができる。
[0011]
 本技術の一実施形態において、ダミー金属膜は、半導体基板の外周縁に沿って一巡していてもよい。このような構成によると、半導体素子の外周部分で発生した剥離が、金属膜の位置まで進行することを、より確実に抑制することができる。
[0012]
 本技術の一実施形態において、ダミー金属膜は、信号を伝送する信号配線としても機能するものであってもよい。換言すると、既存の信号配線に、上記したダミー金属膜の構成を与えることによって、当該信号配線をダミー金属膜としても兼用することができる。
実施例
[0013]
 図1-図4を参照して、実施例の半導体モジュール10について説明する。本実施例の半導体モジュール10は、例えば電気自動車の電力制御装置に採用され、コンバータやインバータといった電力変換回路の一部を構成することができる。なお、本明細書における電気自動車は、車輪を駆動するモータを有する自動車を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、モータに加えてエンジンを有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等を含む。
[0014]
 図1、図2に示すように、半導体モジュール10は、半導体素子30と、半導体素子30を封止する封止体14とを備える。封止体14は、絶縁性の材料で構成されている。特に限定されないが、本実施例における封止体14は、例えばエポキシ樹脂といった封止用材料で構成されており、その中にはシリカといった添加物が含有されている。封止体14は、概して板形状を有しており、上面14a、下面14b、第1端面14c、第2端面14d、第1側面14e及び第2側面14fを有する。
[0015]
 半導体素子30は、パワー半導体素子であって、半導体基板32と上面電極34と下面電極36とを有する。上面電極34は、半導体基板32の上面に位置しており、下面電極36は、半導体基板32の下面に位置している。上面電極34と下面電極36は、半導体基板32を介して互いに電気的に接続される。特に限定されないが、本実施例における半導体素子30は、スイッチング素子であり、上面電極34と下面電極36との間を、選択的に導通及び遮断することができる。半導体基板32の種類については特に限定されない。半導体基板32は、例えばシリコン基板、炭化シリコン基板又は窒化物半導体基板であってもよい。上面電極34及び下面電極36については、例えばアルミニウム、ニッケル又は金といった、一又は複数種類の金属を用いて構成されることができる。一例ではあるが、本実施例における上面電極34及び下面電極36は、アルミニウム合金(例えばアルミニウム-シリコン系合金)層の上にニッケル層が設けられた積層構造を有する。
[0016]
 一例ではあるが、本実施例における半導体素子30は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)であり、その半導体基板32には炭化シリコン(SiC)の基板が採用されている。上面電極34は、半導体基板32内に構成されたMOSFET構造のソースに接続されており、下面電極36は、MOSFET構造のドレインに接続されている。なお、半導体素子30は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はRC(Reverse Conducting)-IGBTであってもよい。この場合、上面電極34は、半導体基板32内に構成されるIGBTのエミッタに接続され、下面電極36は、IGBT構造のコレクタに接続される。半導体素子30の種類や具体的な構造については、ここで例示したものに限られず、様々なに変更することができる。また、半導体モジュール10は、例えばMOSFET(又はIGBT)とダイオードとの組み合わせといった、二以上の半導体素子を有してもよい。
[0017]
 半導体モジュール10は、第1導体板16と第2導体板18とをさらに備える。第1導体板16と第2導体板18は、半導体素子30を挟んで互いに対向している。第1導体板16と第2導体板18は、例えば金属といった導体で構成されている。第1導体板16と第2導体板18は、封止体14によって一体に保持されている。第1導体板16の上面16aは、封止体14の内部に位置しており、半導体素子30の下面電極36にはんだ層13を介して接合されている。一方、第1導体板16の下面16bは、封止体14の下面14bに露出している。これにより、第1導体板16は、半導体素子30と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体素子30の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。
[0018]
 第2導体板18の下面18bは、封止体14の内部に位置しており、導体スペーサ20を介して、半導体素子30の上面電極34に接続されている。なお、第2導体板18の下面18bは、はんだ層17を介して導体スペーサ20に接合されており、導体スペーサ20は、はんだ層15を介して半導体素子30の上面電極34に接合されている。一方、第2導体板18の上面18aは、封止体14の上面14aに露出している。第1導体板16と同様に、第2導体板18は、半導体素子30と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体素子30の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。
[0019]
 半導体モジュール10は、第1電力端子22と、第2電力端子24と、複数の信号端子26とを備える。第1電力端子22及び第2電力端子24は、封止体14の第1端面14cから突出している。第1電力端子22は、封止体14の内部において第1導体板16と電気的に接続されており、第2電力端子24は、封止体14の内部において第2導体板18と電気的に接続されている。これにより、第1電力端子22と第2電力端子24との間は、半導体素子30を介して電気的に接続されている。複数の信号端子26は、封止体14の第2端面14dから突出している。各々の信号端子26は、例えばワイヤボンディングによって、半導体素子30の信号パッド38(図4参照)と電気的に接続されている。
[0020]
 次に、図3、図4を参照して、半導体素子30の細部について説明する。図3、図4に示すように、半導体素子30は、半導体基板32の表面32f上に設けられた保護膜40と、半導体基板32と保護膜40との間に設けられた複数の金属膜42とを備える。保護膜40は、絶縁体で構成されており、一例ではあるが、本実施例ではポリイミド樹脂が採用されている。保護膜40は、半導体基板32の外周縁32eに沿って、枠状に設けられており、上面電極34を露出させる開口40wを画定している。
[0021]
 複数の金属膜42には、前述の上面電極34の他、ゲート配線42gなどが含まれる。ゲート配線42gは、外部から入力されるゲート信号の伝送線であり、半導体基板32に設けられたMOSFET構造のゲートに接続されている。ゲート配線42gは、上面電極34の周縁に沿って設けられており、平面視において上面電極34を取り囲んでいる。ゲート配線42gは、アルミニウム系合金で構成されている。但し、ゲート配線42g及びその他の金属膜42を構成する材料は、アルミニウム系合金に限定されない。半導体基板32と金属膜42との間には、絶縁膜46(例えば、酸化シリコン膜)が形成されており、金属膜42(上面電極34を除く)は、半導体基板32から電気的に絶縁されている。
[0022]
 半導体素子30は、ダミー金属膜44をさらに備える。ダミー金属膜44は、金属材料で構成されている。ダミー金属膜44は、半導体基板32の表面32f上に設けられており、金属膜42(ここでは、ゲート配線42g)と保護膜40の外周縁40eとの間に位置している。特に限定されないが、本実施例におけるダミー金属膜44は、絶縁膜46の外周縁46eに沿って設けられており、半導体基板32の外周縁32eに沿って一巡している。
[0023]
 ダミー金属膜44は、半導体基板32と保護膜40との両者に亘って、くさび状に形成されている。即ち、半導体基板32の表面32fには、ダミー金属膜44の一部を収容する凹部32cが設けられている。また、保護膜40には、半導体基板32の凹部32cに対向するとともに、ダミー金属膜44の一部を収容する穴40cが設けられている。そして、ダミー金属膜44は、半導体基板32の凹部32cと保護膜40の穴40cとの両者に亘って位置している。
[0024]
 半導体モジュール10では、温度に応じて各々の構成要素に熱変形が生じる。このとき、半導体基板32と表面構造(保護膜40や金属膜42)との間には、大きなせん断応力が生じ易く、上面電極34及びゲート配線42gといった金属膜42には、弾性域を超える大きな変形(即ち、塑性変形)が生じ得る。このような変形が繰り返されると、半導体基板32と表面構造との間で剥離が生じたり、複数の金属膜42の間で短絡又は絶縁不良が生じたりするおそれがある。このような問題は、ヤング率が比較的に高い炭化シリコン(SiC)を採用した本実施例の半導体モジュール10において顕著に現れる。
[0025]
 図5に示すように、通常、半導体基板32と表面構造(保護膜40や金属膜42)との間の剥離は、半導体素子30の外周部分で発生した剥離Sが起点となる。即ち、半導体素子30の外周部分で発生した剥離Sが、半導体基板32の表面32fに沿って内側へ進行していく。そして、その剥離Sが半導体基板32と表面構造との間へ進行し、ゲート配線42gや上面電極34といった金属膜42に達することによって、金属膜42の変形やそれに伴う短絡等が引き起こされる。この知見に基づいて、本実施例の半導体モジュール10では、金属膜42と保護膜40の外周縁40eとの間に、ダミー金属膜44が設けられている。このダミー金属膜44は、半導体基板32と保護膜40との両者に亘って位置しており、上記した剥離Sの進行を妨げる壁として機能する。これにより、半導体素子30の外周部分で発生した剥離Sが、仮に半導体基板32と表面構造との間へ剥離Sが進行したとしても、その剥離Sが金属膜42まで達することを避けることができる。
[0026]
 一例ではあるが、本実施例におけるダミー金属膜44は、第1金属層44aと、第1金属層44a上に設けられた第2金属層44bとを有する。第1金属層44aは、アルミニウム系合金(例えば、アルミニウム-シリコン系合金)で構成されており、第2金属層44bは、ニッケルで構成されている。ここで、第2金属層44bを構成するニッケルの硬度は、第1金属層44aを構成するアルミニウム系合金の硬度よりも高い。このように、本実施例におけるダミー金属膜44は、二層構造を有しており、硬度の異なる二以上の金属材料で構成されている。そして、第1金属層44a及び第2金属層44bの両者が、半導体基板32の凹部32cと保護膜40の穴40cとの両者に亘って設けられている。
[0027]
 但し、ダミー金属膜44を構成する金属材料は、アルミニウム系合金やニッケルなどに限定されない。また、ダミー金属膜44は、単一の金属材料で構成されてもよいし、三以上の金属材料を用いて構成されてもよい。例えば、図6に示すように、一変形例の半導体モジュール10Xでは、ダミー金属膜44が、単一の金属材料で構成されている。なお、この変形例では、ダミー金属膜44が、保護膜40によって覆われており、保護膜40には、ダミー金属膜44の一部を収容する有底の穴40c(即ち、凹部)が設けられている。また、ダミー金属膜44を設ける位置についても、絶縁膜46の外周縁46eの位置に限られず、適宜変更することができる。例えば、図7に示すように、他の一変形例の半導体モジュール10Yでは、ダミー金属膜44が、絶縁膜46の外周縁46eから離れた位置に設けられている。
[0028]
 図8に示すように、他の一変形例の半導体モジュール10Zでは、上記したダミー金属膜44の構成が、ゲート配線42gに適用されてもよい。これにより、ゲート配線42gを、ダミー金属膜44として機能させることができる。このような構成によると、ダミー金属膜44を別に設ける必要がないので、半導体素子30の小型化を図ることができる。
[0029]
 上述した実施例の半導体モジュール10、10X、10Y、10Zでは、半導体素子30のダミー金属膜44が、半導体基板32の外周縁32eに沿って一巡するように設けられている。これに対して、図9に示す半導体素子30Xのように、ダミー金属膜44は、半導体基板32の四つの角部に沿う範囲のみに設けられてもよい。半導体基板32の四つの角部では、熱変形に伴う応力が局所的に高まりやすく、剥離Sの発生や進行が顕著に現れる。従って、そのような角部へダミー金属膜44を設けることにより、剥離Sの進行を効果的に抑制することができる。なお、このようなダミー金属膜44に加えて、又は代えて、ゲート配線42gの四つの角部に、ダミー金属膜44の構造を適用してもよい。
[0030]
 以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

符号の説明

[0031]
10、10X、10Y、10Z:半導体モジュール
14:封止体
16:第1導体板
18:第2導体板
22:第1電力端子
24:第2電力端子
26:信号端子
30、30X:半導体素子
32:半導体基板
34:上面電極
36:下面電極
38:信号パッド
40:保護膜
42:金属膜
44:ダミー金属膜
44a:ダミー金属膜の第1金属層
44b:ダミー金属膜の第2金属層
46:絶縁膜

請求の範囲

[請求項1]
 半導体素子と、
 前記半導体素子を封止する封止体と、
 を備え、
 前記半導体素子は、
 半導体基板と、
 前記半導体基板の表面上に設けられているとともに、前記半導体基板の外周縁に沿って枠状に延びる保護膜と、
 前記半導体基板の前記表面上に設けられているとともに、少なくとも一部が前記半導体基板と前記保護膜との間に位置する金属膜と、
 前記半導体基板の前記表面上に設けられているとともに、前記金属膜と前記保護膜の外周縁との間に位置するダミー金属膜と、
 を備え、
 前記半導体基板の前記表面には、前記ダミー金属膜の一部を収容する凹部が設けられており、
 前記保護膜には、前記半導体基板の前記凹部に対向するとともに、前記ダミー金属膜の一部を収容する凹部又は穴が設けられており、
 前記ダミー金属膜は、前記半導体基板の前記凹部と前記保護膜の前記凹部又は穴との両者に亘って設けられている、
 半導体モジュール。
[請求項2]
 前記ダミー金属膜は、硬度の異なる二以上の金属材料で構成されている、請求項1に記載の半導体モジュール。
[請求項3]
 前記ダミー金属膜は、第1金属層と、前記第1金属層上に設けられた第2金属層とを有し、
 前記第2金属層を構成する金属材料の硬度は、前記第1金属層を構成する金属材料の硬度よりも高く、
 前記第1金属層及び前記第2金属層の両者が、前記半導体基板の前記凹部と前記保護膜の前記凹部又は穴との両者に亘って設けられている、請求項2に記載の半導体モジュール。
[請求項4]
 前記半導体基板の前記表面上に設けられているとともに、前記半導体基板と前記金属膜との間に位置する絶縁膜をさらに備え、
 前記ダミー金属膜は、前記絶縁膜の外周縁に沿って設けられている、請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
[請求項5]
 前記ダミー金属膜は、少なくとも前記半導体基板の四つの角部に沿って設けられている、請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
[請求項6]
 前記ダミー金属膜は、前記半導体基板の前記外周縁に沿って一巡している、請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
[請求項7]
 前記ダミー金属膜は、信号を伝送する信号配線としても機能する、請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体モジュール。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]