(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体基板と表面構造との間の剥離を抑制する。【解決手段】半導体素子は、半導体基板３２と、半導体基板３２の表面上に設けられているとともに、半導体基板３２の外周縁に沿って枠状に延びる保護膜４０と、半導体基板３２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３２と保護膜４０との間に位置する金属膜４２と、半導体基板３２の表面上に設けられているとともに、金属膜４２と保護膜４０の外周縁との間に位置するダミー金属膜４４とを備える。半導体基板３２の表面には、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。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の一部を収容する凹部３２ｃ又は穴４０ｃが設けられている。即ち、ダミー金属膜４４は、半導体基板３２の凹部３２ｃと保護膜４０のの凹部３２ｃ又は穴４０ｃとの両者に亘って設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【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。
【発明の詳細な説明】
【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】
特許文献１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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１５２６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
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】
【０００７】
【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】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
上述した実施例の半導体モジュール１０では、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。
【００３１】
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、特許請求の範囲を限定するものではない。特許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】
【００３２】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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