JPH11284180A - 半導体素子およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

半導体素子およびそれを用いた半導体装置

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JPH11284180A
JPH11284180A JP10083651A JP8365198A JPH11284180A JP H11284180 A JPH11284180 A JP H11284180A JP 10083651 A JP10083651 A JP 10083651A JP 8365198 A JP8365198 A JP 8365198A JP H11284180 A JPH11284180 A JP H11284180A
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semiconductor
electrode
semiconductor device
lead
gate
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Yuichi Oshino
雄一 押野
Masashi Kuwabara
正志 桑原
Tetsujiro Tsunoda
哲次郎 角田
Kenichi Ogata
健一 緒方
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、IGBT素子を樹脂ケース内に収納
してなるIGBTモジュールにおいて、パワーサイクル
試験での接続不良の発生を防いで、パワーサイクル耐量
を改善できるようにすることを最も主要な特徴とする。 【解決手段】たとえば、IGBT素子20の表面の凹凸
を平坦化させるように、電力端子用電極としてのエミッ
タ電極を厚く形成する。このエミッタ電極上の、Cuリ
ード13が接続される部位に半田接合用の金属層を形成
する。そして、この金属層を介して、エミッタ電極と実
装基板12上のCuパターン12bとの間を、Cuリー
ド13を用いて半田付けにより接続する。こうして、パ
ワーサイクル試験での、IGBT素子20の温度の上昇
および下降の繰り返しによる応力が加わったとしても、
Cuリード13がエミッタ電極から剥がれるといった接
続不良を生じにくくする構成となっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体素子およ
びそれを用いた半導体装置に関するもので、特に、縦型
MOSゲート構造を有する大電力用素子およびこの素子
を樹脂ケース内に収納してなるパワー半導体モジュール
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、パワー半導体モジュールの一
つである、IGBTモジュールのパワーサイクル耐量を
あげる方法としては、IGBT素子の電極と基板上の配
線パターンとの間を、ワイヤを用いてボンディング接続
するよりも、リード端子の半田付けによる接続の方が有
効であることが知られている。
【0003】図5は、従来のIGBTモジュールの概略
構成を示すものである。たとえば、金属ベース101上
には、半田を介して、IGBT素子102が実装された
実装基板103が接合されている。この実装基板103
の下面には、そのほぼ全面に単一のCuパターン103
aが設けられている。
【0004】上記実装基板103の上面には、複数のC
uパターン103bが設けられている。そして、そのC
uパターン103bの1つに、上記IGBT素子102
のコレクタ電極が半田付けにより接合されている。その
他のCuパターン103bには、それぞれ、上記IGB
T素子102上のゲート電極およびエミッタ電極がAl
ワイヤ104を介して電気的に接続されている。
【0005】また、上記Cuパターン103bのそれぞ
れには、金属端子105が半田付けにより接続されてい
る。各金属端子105は、樹脂ホルダ106によって保
持されている。
【0006】一方、上記金属ベース101には、その外
周を囲むようにして樹脂ケース107が接着されてい
る。樹脂ケース107内には、たとえば、シリコーンゲ
ルからなるポッティング樹脂108が注入されて、上記
IGBT素子102の周辺部が埋め込まれている。そし
て、上記ポッティング樹脂108の上部には、上記樹脂
ホルダ106を上記樹脂ケース107に固定するための
エポキシ樹脂層109が設けられている。
【0007】このような構造を有してIGBTモジュー
ルは構成され、この構造が、パワー半導体モジュールで
は一般的となっている。しかしながら、従来のパワー半
導体モジュールは、上記したIGBTモジュールに代表
されるように、実装基板103上のCuパターン103
bとIGBT素子102上の電極とを、Alワイヤ10
4を介して電気的に接続するようにしているため、パワ
ーサイクル耐量が低いという問題があった。
【0008】すなわち、パワーサイクル試験の際に、素
子の温度の上昇および下降の繰り返しによる応力が加わ
ることで、Alワイヤが素子の表面の電極より剥がれ、
接続不良を生じやすい。
【0009】上述したように、パワーサイクル耐量をあ
げるにはリード端子の半田付けによる接続の方が有効で
はあるものの、IGBT素子などは複数のセルパターン
が並列に接続された構成となっているため、その表面は
凸凹しており、これがリード端子の半田付けによる接続
の妨げとなっていた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
においては、IGBT素子の電極と実装基板上のCuパ
ターンとの間をリード端子の半田付けによる接続とする
ことで、パワーサイクル耐量をあげることができるもの
の、現実にはIGBT素子の表面の凸凹がリード端子の
半田付けによる接続の妨となっており、モジュールのパ
ワーサイクル耐量をあげることができないという問題が
あった。
【0011】そこで、この発明は、半導体素子上の電極
と半導体装置の導電体との間をリード端子の半田付けに
よる接続が可能で、装置のパワーサイクル耐量をあげる
ことができる半導体素子およびそれを用いた半導体装置
を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明の半導体素子にあっては、半導体基板
と、この半導体基板の一主面上に設けられた第一導電型
の半導体層と、この半導体層の表面上に第一の絶縁膜を
介して設けられたゲート電極と、このゲート電極の形成
部を除く、前記半導体層の表面部に形成された第二導電
型の第一の半導体領域と、この第一の半導体領域内に形
成された第一導電型の第二の半導体領域と、前記ゲート
電極の上部に選択的に設けられた第一の電極と、この第
一の電極の形成部を除く、前記ゲート電極の上部に第二
の絶縁膜を介して設けられた、前記第一,第二の半導体
領域にそれぞれつながる第二の電極と、少なくとも、前
記第二の電極の上部に選択的に設けられた金属層とから
構成されている。
【0013】また、この発明の半導体装置にあっては、
金属ベース部と、この金属ベース部上に接合された、上
面に配線パターンが形成されてなる実装基板と、この実
装基板の上面に形成された、前記配線パターン上に実装
された半導体素子と、この半導体素子上の電極に半田を
介して一端が接続され、かつ、他端が半田を介して導電
体に接続されたリード端子とから構成されている。
【0014】この発明の半導体素子およびそれを用いた
半導体装置によれば、半導体素子上の電極と半導体装置
の導電体との接続に、ワイヤボンディングに代えて半田
接合を採用できるようになる。これにより、パワーサイ
クル試験の際の応力による接続不良を防いで、半導体装
置のパワーサイクル耐量を改善することが可能となるも
のである。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。 (実施の第一の形態)図1は、本発明の実施の第一の形
態にかかるパワー半導体モジュールの概略構成を、IG
BTモジュールを例に示すものである。
【0016】すなわち、このIGBTモジュールは、金
属ベース11上に、半田を介して、IGBT素子(半導
体素子)20が実装された、窒化アルミニウムなどから
なるセラミック製の実装基板12が接合されている。こ
の実装基板12の下面には、ほぼ全面に単一のCuパタ
ーン(導電パターン)12aが設けられている。
【0017】上記実装基板12の上面には、導電体とし
ての複数のCuパターン(配線パターン)12bが設け
られている。そして、そのCuパターン12bの1つ
に、上記IGBT素子20の裏面に設けられたコレクタ
電極(第三の電極)が半田付けにより接続されている。
【0018】その他のCuパターン12bには、たとえ
ば、上記IGBT素子20の表面に設けられた電力端子
用電極としてのエミッタ電極(第二の電極)がCuリー
ド(リード端子)13を介して、また、上記IGBT素
子20の表面に設けられたゲート電極がAlワイヤ14
を介して、それぞれ電気的に接続されている。
【0019】なお、上記IGBT素子20の構成につい
ては、追って詳細に説明する。また、上記Cuパターン
12bのそれぞれには、金属端子(外部導出端子)15
が半田付けにより接続されている。各金属端子15は、
樹脂ホルダ16によって保持されている。
【0020】一方、上記金属ベース11には、その外周
を囲むようにして樹脂ケース17が接着されている。樹
脂ケース17内には、たとえば、シリコーンゲルからな
るポッティング樹脂18が注入されて、上記IGBT素
子20の周辺部が埋め込まれている。そして、上記ポッ
ティング樹脂18の上面部には、上記樹脂ホルダ16を
上記樹脂ケース17に固定するためのエポキシ樹脂層1
9が設けられている。
【0021】このような構成によれば、少なくともIG
BT素子20の表面に設けられたエミッタ電極と実装基
板12上のCuパターン12bとが、Cuリード13を
介して電気的に接続されているため、パワーサイクル試
験を行った際に、Cuリード13の接続部に、IGBT
素子20の温度の上昇および下降の繰り返しによる応力
が加わったとしても、Cuリード13がエミッタ電極か
ら剥がれるといった接続不良を生じにくくできる。
【0022】図2は、上記IGBT素子20の概略構成
を示すものである。たとえば、ボロンなどの不純物がド
ーピングされたP型Siウェーハ(第二導電型の半導体
基板)21の一主面上に、リンなどの不純物がドーピン
グされたN- 型ドレイン層(第一導電型の半導体層)2
2a,22bが気相成長法により形成されている。
【0023】上記N- 型ドレイン層22bの表面上に
は、酸化膜およびポリシリコン層をパターニングするこ
とにより、ゲート酸化膜(第一の絶縁膜)23を介し
て、ゲート電極24が形成されている。
【0024】また、上記N- 型ドレイン層22bの表面
部には、上記ゲート電極24をマスクに、ボロンなどの
P型不純物をイオン注入し、さらに拡散させることによ
って、P型ベース領域(第二導電型の第一の半導体領
域)25が選択的に形成されている。
【0025】そして、上記P型ベース領域25内には、
上記ゲート電極24および絶縁膜(図示していない)を
マスクに、砒素やリンなどのN型不純物をイオン注入
し、さらに拡散させることによって、N+ 型ソース領域
(第一導電型の第二の半導体領域)26が選択的に形成
されている。
【0026】上記ゲート電極24は、その一部を除い
て、上面および側面が絶縁膜(第二の絶縁膜)27によ
って覆われている。この絶縁膜27より露出する、上記
ゲート電極24の上部には、第一の電極としてのゲート
ボンディングパッド用電極28aが形成されている。
【0027】また、上記ゲートボンディングパッド用電
極28aの形成位置を除く、上記ゲート電極24の上部
には、上記絶縁膜27を介して、上記P型ベース領域2
5および上記N+ 型ソース領域26が短絡するように、
エミッタ電極(第二の電極)28bが形成されている。
【0028】上記ゲートボンディングパッド用電極28
aおよび上記エミッタ電極28bは、表面の凸凹を埋め
込んで略平坦化するように、たとえば、1μm以上の厚
さを有するAlなどの金属膜によって形成されている。
【0029】さらに、上記Alワイヤ14がボンディン
グ接続される、上記ゲートボンディングパッド用電極2
8aの上部、および、上記エミッタ電極28b上の、少
なくとも上記Cuリード13が接続される部位には、そ
れぞれ、半田接合用の金属層29が設けられている。
【0030】上記金属層29は、上記Cuリード13を
半田付けにより接続するのに好適な金属を含む、たとえ
ば、Ni−Au層またはV−Ni−Au層から構成され
ている。または、NiやAu以外に、Sn、Pb、Ag
などの金属を用いることも可能である。
【0031】一方、上記P型Siウェーハ21の他主面
には、全面に、Auなどの金属膜からなる第三の電極と
してのコレクタ電極30が設けられている。そして、こ
のコレクタ電極30を介して、IGBT素子20は、上
記Cuパターン12bの1つに半田付けにより接続され
るようになっている。
【0032】このように、上記IGBT素子20は、表
面部に複数のセルパターンが並列に接続されて設けられ
た、大電力による駆動が可能な、縦型のMOSゲート素
子として構成されている。
【0033】そして、エミッタ電極28bとして十分な
厚さを有するAl膜を形成するようにしているため、た
とえ、複数のセルパターンが並列に接続された構成のI
GBT素子20においても、その表面の凹凸をカバレッ
ジよく埋め込むことが可能となる。その結果、エミッタ
電極28bと実装基板12上のCuパターン12bとの
間を、Cuリード13を用いて電気的に接続できるよう
になる。
【0034】しかも、Al膜の厚さに対応して、IGB
T素子20の横方向(図示水平方向)にも電流を流すこ
とが可能となるため、Cuリード13を接続する部位
は、エミッタ電極28bの一部分でよい。したがって、
半田接合の面積が小さくて済む分、応力的にも有利であ
る。
【0035】上記したように、IGBT素子上のエミッ
タ電極と実装基板上のCuパターンとの接続に、ワイヤ
ボンディングに代えて半田接合を採用できるようにして
いる。
【0036】すなわち、表面の凹凸を埋め込むように、
エミッタ電極を形成するようにしている。これにより、
複数のセルパターンが並列に接続されて、表面に凹凸が
あるようなIGBT素子であっても、IGBT素子の表
面に設けられたエミッタ電極と実装基板上のCuパター
ンとを、Cuリードの半田付けにより電気的に接続でき
るようになる。したがって、パワーサイクル試験の際の
応力による接続不良を防いで、IGBTモジュールのパ
ワーサイクル耐量を改善することが可能となり、信頼性
を向上できるようになるものである。 (実施の第二の形態)図3は、本発明の実施の第二の形
態にかかるパワー半導体モジュールの概略構成を、IG
BTモジュールを例に示すものである。
【0037】このIGBTモジュールは、たとえば、少
なくとも上記IGBT素子20の表面に設けられた電力
端子用電極としてのエミッタ電極(第二の電極)28b
が、Cuリード(リード端子)13を介して、上記樹脂
ケース17の内部に配設されて、これに保持された導電
体としての金属端子(外部導出端子)15に、半田付け
により直に接続されてなる構成とされている。
【0038】そして、上記樹脂ケース17内に注入され
た上記ポッティング樹脂18の上面部に樹脂製の蓋体3
1が設けられて、その内部が密閉されるようになってい
る。このように、IGBT素子20の表面に設けられた
エミッタ電極28bとモジュールの金属端子15とを、
Cuリード13を用いて半田接合するように構成した場
合にも、Cuリード13がエミッタ電極28bから剥が
れるといった接続不良を生じにくくできるため、上記し
た第一の形態に示したIGBTモジュールとほぼ同様の
効果が期待できる。
【0039】なお、上記した第一,第二の形態において
は、少なくともIGBT素子20の表面に設けられた電
力端子用電極としてのエミッタ電極(第二の電極)28
bが、Cuリード(リード端子)13を介して接続され
るように構成した場合について説明したが、これに限ら
ず、たとえば図4に示すように、ゲート電極24をもC
uリード(リード端子)13を介して接続されるように
構成することが可能である。 (実施の第三の形態)図4は、本発明の実施の第三の形
態にかかるパワー半導体モジュールの概略構成を、IG
BTモジュールを例に示すものである。
【0040】このIGBTモジュールは、たとえば、上
記IGBT素子20の表面に設けられたゲート電極24
上のゲートボンディングパッド用電極28aおよび電力
端子用電極としてのエミッタ電極(第二の電極)28b
が、Cuリード(リード端子)13をそれぞれ介して、
上記実装基板12上の導電体としてのCuパターン12
bに、半田付けにより接続されてなる構成とされてい
る。
【0041】この場合も、上記Cuリード13は、ゲー
トボンディングパッド用電極28a上およびエミッタ電
極28b上に設けられた金属層29,29をそれぞれに
介して、半田接合されることになる。
【0042】同様に、金属ベース11の外周を囲むよう
にして樹脂ケースが接着され、その樹脂ケース内に、た
とえば、シリコーンゲルからなるポッティング樹脂が注
入され、さらに、このポッティング樹脂の上面部に、樹
脂ホルダを樹脂ケースに固定するためのエポキシ樹脂層
が設けられて、金属端子15を樹脂ホルダにより保持す
るタイプ(図1参照)のIGBTモジュールが完成され
る。
【0043】このように、エミッタ電極28bだけでな
く、ゲート電極24上のゲートボンディングパッド用電
極28aに対しても、Cuリード13を接続するように
IGBTモジュールを構成した場合にも、上記した第
一,第二の形態の場合と同様に、パワーサイクル耐量の
改善が可能である。
【0044】また、実施のいずれの形態においても、I
GBTモジュールに適用した場合を例に説明したが、縦
型のMOSゲート素子を収納してなる各種のパワー半導
体モジュールに適用できる。その他、この発明の要旨を
変えない範囲において、種々変形実施可能なことは勿論
である。
【0045】
【発明の効果】以上、詳述したようにこの発明によれ
ば、半導体素子上の電極と半導体装置の導電体との間を
リード端子の半田付けによる接続が可能で、装置のパワ
ーサイクル耐量をあげることができる半導体素子および
それを用いた半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の第一の形態にかかる、IGB
Tモジュールの構成を概略的に示す断面図。
【図2】同じく、モジュール内に収納されるIGBT素
子の概略構成を示す断面図。
【図3】この発明の実施の第二の形態にかかる、IGB
Tモジュールの構成を概略的に示す断面図。
【図4】この発明の実施の第三の形態にかかる、IGB
Tモジュールの構成を概略的に示す斜視図。
【図5】従来技術とその問題点を説明するために示す、
IGBTモジュールの概略断面図。
【符号の説明】
11…金属ベース 12…実装基板 12a,12b…Cuパターン 13…Cuリード 14…Alワイヤ 15…金属端子 16…樹脂ホルダ 17…樹脂ケース 18…ポッティング樹脂 19…エポキシ樹脂層 20…IGBT素子 21…P型Siウェーハ 22a,22b…N- 型ドレイン層 23…ゲート酸化膜 24…ゲート電極 25…P型ベース領域 26…N+ 型ソース領域 27…絶縁膜 28a…ゲートボンディングパッド用電極 28b…エミッタ電極 29…金属層 30…コレクタ電極 31…蓋体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 緒方 健一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝多摩川工場内

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、 この半導体基板の一主面上に設けられた第一導電型の半
    導体層と、 この半導体層の表面上に第一の絶縁膜を介して設けられ
    たゲート電極と、 このゲート電極の形成部を除く、前記半導体層の表面部
    に形成された第二導電型の第一の半導体領域と、 この第一の半導体領域内に形成された第一導電型の第二
    の半導体領域と、 前記ゲート電極の上部に選択的に設けられた第一の電極
    と、 この第一の電極の形成部を除く、前記ゲート電極の上部
    に第二の絶縁膜を介して設けられた、前記第一,第二の
    半導体領域にそれぞれつながる第二の電極と、 少なくとも、前記第二の電極の上部に選択的に設けられ
    た金属層とを具備したことを特徴とする半導体素子。
  2. 【請求項2】 前記半導体基板の他主面には、全面に第
    三の電極が設けられていることを特徴とする請求項1に
    記載の半導体素子。
  3. 【請求項3】 前記第二の電極は、素子の表面を略平坦
    化するように厚く形成されることを特徴とする請求項1
    に記載の半導体素子。
  4. 【請求項4】 前記金属層は、リード端子を半田付けに
    より接続するのに好適な金属を含むことを特徴とする請
    求項1に記載の半導体素子。
  5. 【請求項5】 縦型のMOS(Metal Oxide Semiconduc
    tor )ゲート素子を構成することを特徴とする請求項1
    に記載の半導体素子。
  6. 【請求項6】 前記縦型のMOSゲート素子は、前記半
    導体基板が第二導電型を有してなるIGBT(Insulate
    d Gate Bipolar Transistor )であることを特徴とする
    請求項5に記載の半導体素子。
  7. 【請求項7】 金属ベース部と、 この金属ベース部上に接合された、上面に配線パターン
    が形成されてなる実装基板と、 この実装基板の上面に形成された、前記配線パターン上
    に実装された半導体素子と、 この半導体素子上の電極に半田を介して一端が接続さ
    れ、かつ、他端が半田を介して導電体に接続されたリー
    ド端子とを具備したことを特徴とする半導体装置。
  8. 【請求項8】 前記金属ベース部の外周部には、前記半
    導体素子を囲むようにして樹脂ケースが設けられること
    を特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
  9. 【請求項9】 前記樹脂ケース内には、前記半導体素子
    を埋め込むようにしてポッティング樹脂が注入されてい
    ることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
  10. 【請求項10】 前記ポッティング樹脂の上部には樹脂
    層が設けられていることを特徴とする請求項9に記載の
    半導体装置。
  11. 【請求項11】 前記導電体は、前記半導体素子が実装
    された前記配線パターンとは別の、配線パターンである
    ことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
  12. 【請求項12】 前記半導体素子が実装される前記配線
    パターン、および、前記リード端子が接続される前記配
    線パターンには、それぞれ外部導出端子が接続されるこ
    とを特徴とする請求項7または請求項11のいずれかに
    記載の半導体装置。
  13. 【請求項13】 前記外部導出端子はホルダによって支
    持され、前記ホルダは前記樹脂層によって前記樹脂ケー
    スに固定されていることを特徴とする請求項8、請求項
    10または請求項12のいずれかに記載の半導体装置。
  14. 【請求項14】 前記導電体は、前記樹脂ケースの内部
    に配設された外部導出端子であることを特徴とする請求
    項7または請求項8のいずれかに記載の半導体装置。
  15. 【請求項15】 前記実装基板の下面には、前記金属ベ
    ース部上に半田を介して接合される導電パターンが形成
    されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体装
    置。
  16. 【請求項16】 前記半導体素子は縦型のMOSゲート
    素子であり、その電極上には、前記リード端子を半田付
    けにより接続するのに好適な金属を含む金属層が設けら
    れていることを特徴とする請求項7に記載の半導体装
    置。
  17. 【請求項17】 前記リード端子は、少なくとも前記縦
    型のMOSゲート素子の電力端子用の電極に接続される
    ことを特徴とする請求項7または請求項16のいずれか
    に記載の半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2014037996A1 (ja) * 2012-09-04 2014-03-13 三菱電機株式会社 半導体装置、半導体装置の製造方法

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US9911705B2 (en) 2012-09-04 2018-03-06 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method

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