JP2021128962A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】はんだの空洞に樹脂が侵入するのを抑制する技術を提供する。【解決手段】半導体モジュールは、半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面上に設けられている一対の表面電極と、前記一対の表面電極の間に設けられており、前記一対の表面電極の間に配設されているゲートライナーを被覆する絶縁保護膜と、前記絶縁保護膜上の一部に設けられているセンスダイオードと、前記一対の表面電極の各々に接するとともに、前記絶縁保護膜の一部を跨いで設けられているメタル膜と、前記絶縁保護膜を跨いて前記一対の表面電極を覆うように設けられており、はんだを介して前記メタル膜に接合されている金属ブロックと、を備えており、平面視したときに、前記メタル膜のうちの前記絶縁保護膜の一部を跨ぐ部分は、前記センスダイオードから２００μｍ以上離れた位置から前記一対の表面電極の周縁まで延びている。【選択図】図５

Description

本明細書が開示する技術は、半導体モジュールに関する。

特許文献１には、半導体基板と、半導体基板の一方の主面上に設けられている一対の表面電極と、一対の表面電極の間に設けられている絶縁保護膜と、絶縁保護膜を跨いて一対の表面電極を覆うように設けられている金属ブロックと、を備えた半導体モジュールが開示されている。絶縁保護膜は、一対の表面電極の間に配設されているゲートライナーを被覆して絶縁保護するために設けられている。一対の表面電極と金属ブロックは、はんだを介して接合されている。

特開２００７−４８８８９号公報

絶縁保護膜はポリイミド等の有機物で構成されており、はんだに対する濡れ性が低い。このため、本発明者らの検討によると、このような半導体モジュールでは、ゲートライナーを被覆する絶縁保護膜上にはんだの空洞が形成されることが分かってきた。この結果、半導体モジュールを樹脂で封止したときに、はんだの空洞に封止用の樹脂が侵入することが分かってきた。

樹脂は放熱性が悪い。このため、はんだの空洞に樹脂が侵入すると、その部分の熱ストレスが増加してしまう。本明細書は、はんだの空洞に樹脂が侵入するのを抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面上に設けられている一対の表面電極と、前記一対の表面電極の間に設けられており、前記一対の表面電極の間に配設されているゲートライナーを被覆する絶縁保護膜と、前記絶縁保護膜上の一部に設けられているセンスダイオードと、前記一対の表面電極の各々に接するとともに、前記絶縁保護膜の一部を跨いで設けられているメタル膜と、前記絶縁保護膜を跨いて前記一対の表面電極を覆うように設けられており、はんだを介して前記メタル膜に接合されている金属ブロックと、を備えることができる。平面視したときに、前記メタル膜のうちの前記絶縁保護膜の一部を跨ぐ部分は、前記センスダイオードから２００μｍ以上離れた位置から前記一対の表面電極の周縁まで延びている。

上記半導体モジュールによると、前記メタル膜が前記絶縁保護膜上に設けられているので、前記絶縁保護膜上にもはんだが濡れる。このため、前記絶縁保護膜上にはんだの空洞が形成されるのが抑制され、はんだの空洞に樹脂が侵入することが抑制される。さらに、上記半導体モジュールでは、平面視したときに、前記メタル膜のうちの前記絶縁保護膜の一部を跨ぐ部分は、前記センスダイオードから２００μｍ以上離れた位置から前記一対の表面電極の周縁まで延びている。例えば、前記センスダイオードが設けられている部分にも前記メタル膜が設けられていると、前記センスダイオードの構造に起因する平坦性の悪さから前記メタル膜が剥がれるといった不具合が生じ、信頼性が低下する虞がある。上記半導体モジュールでは、前記メタル膜が前記センスダイオードから十分に離れて設けられているので、そのような事態の発生が抑えられている。

本実施形態の半導体装置の平面図を模式的に示す。 本実施形態の半導体装置の平面図であり、メタル膜が成膜された状態を模式的に示す。 本実施形態の半導体モジュールの平面図を模式的に示す。 本実施形態の半導体モジュールの断面図であり、図３のIV-IV線に対応した断面図を示す。 本実施形態の半導体モジュールの断面図であり、図３のV-V線に対応した断面図を示す。 本実施形態の半導体モジュールの断面図であり、図３のVI-VI線に対応した断面図を示す。 比較例の半導体モジュールの断面図を示す。

図１に、本実施形態に係る半導体装置１の平面図を模式的に示す。半導体装置１は、各種の拡散領域及び／又はエピタキシャル層が形成された半導体基板１０を備えている。半導体基板１０には、各種の拡散領域及び／又はエピタキシャル層によって、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又は逆導通ＩＧＢＴと称される種類のパワーデバイス構造が構成されている。半導体基板１０の表面上には、一対の表面電極１２とゲートパッド１４と絶縁保護膜１６が設けられている。なお、表面電極１２は、さらに分割されていてもよい。

一対の表面電極１２の各々は、平面視したときに（半導体基板１０の主面に直交する方向（ｚ方向）から見たときに）、概ね矩形状の形態を有している。表面電極１２の長辺がｙ方向に平行であり、短辺がｘ方向に平行である。一対の表面電極１２は、ｘ方向に対向するように配置されている。表面電極１２は、一例ではあるが、アルミニウムシリコンのＡｌＳｉ層である。

ゲートパッド１４は、後述するように、半導体基板１０上に配設されているゲートライナーが接続されるパッドである。ゲートパッド１４が配置される半導体基板１０上の位置は特に限定されるものではない。また、図示省略しているが、半導体基板１０上にはゲートパッド１４以外にも複数のパッドが設けられている。

絶縁保護膜１６は、一対の表面電極１２とゲートパッド１４が露出するように半導体基板１０の表面上を被覆している。絶縁保護膜１６は、一例ではあるが、ポリイミド膜である。本明細書では、一対の表面電極１２の間に設けられている絶縁保護膜１６を特にライナー用絶縁保護膜１６ａという。

ライナー用絶縁保護膜１６ａの表面上の一部にセンスダイオード１７が設けられている。センスダイオード１７は、ライナー用絶縁保護膜１６ａの長手方向（この例ではｙ方向）の中央近傍に配置されている。換言すると、センスダイオード１７は、一対の表面電極１２を１つの電極板と見なしたときに、その電極板の周縁から離れた位置に配置されている。センスダイオード１７は、ポリシリコン膜にｐ型領域とｎ型領域を形成することで構成されたｐｎダイオードである。センスダイオード１７のポリシリコン膜は、絶縁膜で被覆されており、その絶縁膜に形成された一対のコンタクトホールの各々からｐ型配線（図示省略）とｎ型配線（図示省略）が引き出されている。ｐ型配線とｎ型配線の各々は、ライナー用絶縁保護膜１６ａに沿って配設され、対応するセンスダイオード用パッド（図示省略）に接続されている。

図２に、メタル膜２２が成膜された状態の半導体装置１の平面図を模式的に示す。なお、図２では、一対の表面電極１２及びセンスダイオード１７の位置を破線で示す。メタル膜２２は、後述するはんだと合金化することにより、表面電極１２とはんだを強固に接合させるための膜である。メタル膜２２は、一例ではあるが、ニッケル膜である。

図２に示されるように、メタル膜２２は、一対の表面電極１２の各々の表面全体を被覆するように、一対の表面電極１２の各々の表面に接している。メタル膜２２はさらに、ライナー用絶縁保護膜１６ａの一部を跨ぐように一方の表面電極１２と他方の表面電極１２の間を延びており、ライナー用絶縁保護膜１６ａの表面上にも配置されている。本明細書では、ライナー用絶縁保護膜１６ａの表面上に設けられているメタル膜２２を特に架橋メタル膜２２ａという。架橋メタル膜２２ａは、センスダイオード１７が設けられている部分には成膜されていない。架橋メタル膜２２ａは、ライナー用絶縁保護膜１６ａの長手方向（この例ではｙ方向）に沿ってセンスダイオード１７から長さＬ１離れた位置から一対の表面電極１２の周縁まで延びている。また、ライナー用絶縁保護膜１６ａの長手方向において、一対の表面電極１２の周縁から測定した架橋メタル膜２２ａの長さがＬ２である。長さＬ１，Ｌ２はいずれも、２００μｍ以上である。

図３に、半導体モジュール１００の平面図を模式的に示す。なお、図３では、一対の表面電極１２及びセンスダイオード１７の位置を破線で示す。半導体モジュール１００は、図２に示す半導体装置１のメタル膜２２にはんだ２４を介して金属ブロック２６を接合することで構成されている。金属ブロック２６は、ライナー用絶縁保護膜１６ａ（図１参照）を跨いで一対の表面電極１２を覆うように設けられている。金属ブロック２６の材料は、一例ではあるが銅（Ｃｕ）である。

図３のIV-IV線に対応した断面図を図４に示し、図３のV-V線に対応した断面図を図５に示し、図３のVI-VI線に対応した断面図を図６に示す。なお、半導体基板１０の表面上には、層間絶縁膜等の構造も設けられているが、図示明瞭化を目的として省略して示されていることに留意されたい。

図４，５，６に示されるように、一対の表面電極１２の間をｙ方向に沿ってゲートライナー１８が配設されている。ゲートライナー１８は、ライナー用絶縁保護膜１６ａによって被覆されている。ゲートライナー１８の材料は、一例ではあるが、ポリシリコンである。

図４に示されるように、一対の表面電極１２の表面上にメタル膜２２が設けられている。さらに、図５及び図６に示されるように、ライナー用絶縁保護膜１６ａの表面上の一部にも、架橋メタル膜２２ａが設けられている。メタル膜２２及び架橋メタル膜２２ａがはんだ２４と合金化することにより、一対の表面電極１２とはんだを強固に接合している。これにより、一対の表面電極１２と金属ブロック２６が接合されている。

ここで、図７に、比較例の半導体モジュール１０１を示す。この比較例の半導体モジュール１０１は、架橋メタル膜２２ａが成膜されていない例である。なお、図７は、半導体モジュール１０１の図５に対応する断面である。また、半導体モジュール１００と共通する構成要素には共通の符号を付す。図７に示されるように、半導体モジュール１０１では、ライナー用絶縁保護膜１６ａの上方にはんだ２４の空洞２４ａが形成されている。ライナー用絶縁保護膜１６ａは有機物であるポリイミド膜であることから、はんだ２４に対する濡れ性が低い。このため、半導体モジュール１０１では、架橋メタル膜２２ａが成膜されていないことから、ライナー用絶縁保護膜１６ａの上方にはんだ２４の空洞２４ａが形成されてしまう。このような空洞２４ａが形成されると、半導体モジュール１０１を樹脂で封止したときに、空洞２４ａに封止用の樹脂が侵入する。樹脂は放熱性が悪いので、空洞２４ａに樹脂が侵入すると、その部分の熱ストレスが増加してしまう。特に、表面電極１２とメタル膜２２とライナー用絶縁保護膜１６ａの３重点において、熱応力が増大してしまう。

一方、本実施形態の半導体モジュール１００は、上記したように、ライナー用絶縁保護膜１６ａの表面上の一部に架橋メタル膜２２ａが設けられているので、ライナー用絶縁保護膜１６ａの上方にもはんだ２４が存在しており、はんだ２４の空洞が形成されていない。このように、半導体モジュール１００では、ライナー用絶縁保護膜１６ａの上方にはんだ２４の空洞が形成されるのが抑制されるので、樹脂の侵入が防止できる。これにより、半導体モジュール１００では、熱ストレスの増加が抑えられ、高い信頼性が得られる。

さらに、図２及び図６に示されるように、ライナー用絶縁保護膜１６ａの長手方向（この例ではｙ方向）において、センスダイオード１７と架橋メタル膜２２ａの間の長さＬ１が２００μｍ以上である。例えば、センスダイオード１７が設けられている部分にも架橋メタル膜２２ａが設けられていると、センスダイオード１７の構造に起因する平坦性の悪さから架橋メタル膜２２ａが剥がれるといった不具合が生じ、信頼性が低下する虞がある。半導体モジュール１００では、架橋メタル膜２２ａがセンスダイオード１７から十分に離れて設けられているので、そのような事態の発生が抑えられている。

さらに、図２及び図６に示されるように、ライナー用絶縁保護膜１６ａの長手方向（この例ではｙ方向）において、一対の表面電極１２の周縁から測定した架橋メタル膜２２ａの長さＬ２が２００μｍ以上である。架橋メタル膜２２ａの長さＬ２が２００μｍ以上確保されていると、はんだ２４に空洞が形成されることを良好に抑えることができる。このため、半導体モジュール１００では、樹脂の侵入を防止することができ、熱ストレスの増加が抑えられ、高い信頼性が得られる。

以上、本発明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。本明細書また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、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、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。

１ ：半導体装置
１０ ：半導体基板
１２ ：表面電極
１４ ：ゲートパッド
１６ ：絶縁保護膜
１６ａ ：ライナー用ポリイミド膜
１８ ：ゲートライナー
２２ ：メタル膜
２２ａ ：架橋メタル膜
２４ ：はんだ
２６ ：金属ブロック
１００ ：半導体モジュール

Claims (1)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の一方の主面上に設けられている一対の表面電極と、
   前記一対の表面電極の間に設けられており、前記一対の表面電極の間に配設されているゲートライナーを被覆する絶縁保護膜と、
   前記絶縁保護膜上の一部に設けられているセンスダイオードと、
   前記一対の表面電極の各々に接するとともに、前記絶縁保護膜の一部を跨いで設けられているメタル膜と、
   前記絶縁保護膜を跨いて前記一対の表面電極を覆うように設けられており、はんだを介して前記メタル膜に接合されている金属ブロックと、を備えており、
   平面視したときに、前記メタル膜のうちの前記絶縁保護膜の一部を跨ぐ部分は、前記センスダイオードから２００μｍ以上離れた位置から前記一対の表面電極の周縁まで延びている、半導体モジュール。

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