(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気および熱伝導性の基礎板（１４）と、
半導体チップ（１２）と、
前記半導体チップ（１２）と前記基礎板（１４）との間のグラフェンの第１の層（３２）であって、前記基礎板（１４）の第１の面と電気的および熱的に接触している、グラフェンの第１の層（３２）と、
前記半導体チップ（１２）と前記グラフェンの第１の層（３２）との間の前記半導体チップ（１２）の前記第１の面に、低融点を有する第１の金属層（３４）と、
前記半導体チップ（１２）の反対側の第２の面に、低融点を有する第２の金属層（３６）と
を備え、
前記第１および第２の金属層が、前記半導体チップ（１２）と導電性合金を生成することによって前記半導体チップ（１２）の短絡故障モードを成立させるために設けられ、
さらに、
上部電極（４０）と、
前記第２の金属層（３６）の上に、上側基礎板（３８）と
を備える半導体電力用モジュール（１０）。
【請求項２】
前記基礎板（１４）の反対側の第２の面にグラフェンの第２の層（２０）をさらに備える、請求項１に記載の半導体電力用モジュール（１０）。
【請求項３】
少なくとも前記グラフェンの第１の層（３２）の厚さが、範囲１〜１０ｎｍ、好ましくは範囲２〜４ｎｍである、請求項１または２に記載の半導体電力用モジュール（１０）。
【請求項４】
前記第１の金属層（３４）の融点が、範囲５００〜７００℃である、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体電力用モジュール（１０）。
【請求項５】
前記第１の金属層（３４）が、１．５Ｗ／ｃｍ−Ｋより高い熱伝導率を有する、請求項４に記載の半導体電力用モジュール（１０）。
【請求項６】
前記熱伝導率が１．５〜４．５Ｗ／ｃｍ−Ｋの範囲にある、請求項５に記載の半導体電力用モジュール（１０）。
【請求項７】
前記第１の金属層が、金属または金属合金層を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体電力用モジュール（１０）。
【請求項８】
前記金属または金属合金層が、アルミニウムおよび／または銀を含む、請求項７に記載の半導体電力用モジュール（１０）。
【請求項９】
前記合金が、アルミニウム銀合金またはアルミニウム炭化珪素合金である、請求項７または８に記載の半導体電力用モジュール（１０）。
【請求項１０】
前記半導体チップ（１２）が、炭化珪素チップである、請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体電力用モジュール（１０）。
【請求項１１】
前記基礎板（１４）がモリブデン製である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体電力用モジュール（１０）。
【請求項１２】
前記グラフェンの第１の層（３２）を介して前記基礎板（１４）にそれぞれが接続された複数の追加の半導体チップをさらに備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体電力用モジュール（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体電力用モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力輸送および配電システムなどでの大電力用途において、しばしば半導体チップまたはダイの形態での半導体構成要素が、直流と交流との間の変換やサーキットブレーカの形成など、様々な目的のために使用される。
【０００３】
使用される高い電圧および電流レベルのために、必要とされるチップの数が多くなる。したがって、そのような複数のチップを半導体電力用モジュール内に配置することが通例であり、モジュール内のチップは、並列および／または直列に接続され得る。
【０００４】
半導体電力用モジュールの例は、ＥＰ２５４４２２９、ＷＯ２０１２／１０７４８２、米国特許第６４２６，５６１号、および米国特許第９０９９５６７号に見出すことができる。
【０００５】
そのような用途での電流レベルは、すなわち高くなり得る。半導体構成要素は、場合によっては頻繁に切り変えられることもある。いずれにしても、これは、構成要素内での高い電力散逸を生じ得る。
【０００６】
したがって、冷却が、半導体電力用モジュールの重要な態様になる。
【発明の概要】
【０００７】
したがって、本発明の１つの目的は、半導体電力用モジュールの半導体チップの冷却を向上させることである。
【０００８】
この目的は、電気および熱伝導性の基礎板と、半導体チップとを備え、グラフェンの第１の層が、基礎板の第１の面と電気的および熱的に接触するように半導体チップと基礎板との間に存在する、半導体電力用モジュールによって達成される。
【０００９】
グラフェンは、優れた熱伝導性を有するので、半導体チップの冷却が向上する。
【００１０】
第１の変化形態によれば、半導体電力用モジュールは、第２の、基礎板の反対側の面に、グラフェンの第２の層をさらに備え、その層が、冷却の向上を補助する。
【００１１】
少なくともグラフェンの第１の層の厚さは、範囲１〜１０ｎｍ、好ましくは範囲２〜４ｎｍであり得る。
【００１２】
別の変化形態によれば、チップとグラフェンの第１の層との間に、低融点を有する第１の金属層が存在し得、その金属層が、短絡故障モードに入る信頼性を向上させる利点を有する。
【００１３】
さらに、第１の金属層は、金属または金属合金層を備え得、それらはアルミニウムおよび／または銀であり得る。合金は、より詳細には、アルミニウム銀合金またはアルミニウム炭化珪素合金であり得る。
【００１４】
別の変化形態によれば、第１の金属層が、チップの第１の面に設けられ得、低融点を有する第２の金属層が、第２の、チップの反対側の面に、さらに設けられ得、それによって、短絡故障モードに入る信頼性をさらに強化する。
【００１５】
第１および第２の金属層の融点は、範囲５００〜７００℃であり得る。
【００１６】
さらに別の変化形態によれば、半導体電力用モジュールは、第２の金属層の上に、上部電極および上側基礎板を備え得る。この場合、基礎板は、下部電極を形成し得る。
【００１７】
半導体チップは、有利には、炭化珪素チップであり得る。基礎板は、モリブデンであり得る。
【００１８】
別の変化形態によれば、半導体電力用モジュールは、グラフェンの第１の層を介して基礎板にそれぞれが接続された複数の追加の半導体チップを備え得る。
【００１９】
本発明が、添付図面を参照して、以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】複数のサブモジュールを備える半導体電力用モジュールの概略図である。
【図２】基礎板および複数の半導体チップを備えるサブモジュールの概略図である。
【図３】１つのチップに関して示す、サブモジュールの一部分の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、たとえば、電力輸送または配電システムなど、高電圧用途に使用するための半導体チップまたはダイに適した半導体電力用モジュールに関する。
【００２２】
そのようなモジュールでは、多数の半導体チップが、それらチップを並列または直列どちらにも接続する機構内に設けられる。
【００２３】
半導体電力用モジュールの分野では、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体などのワイドバンドギャップ半導体が、今や、エネルギー伝送および配分システムにおける様々な電力用エレクトロニクス用途に関する有力な候補であると考えられている。今後、ワイドバンドギャップ半導体は、主として、電界強度がより高く（すなわちＳｉの電界強度の１０倍）、バンドギャップがより広く（Ｓｉのバンドギャップの３倍）熱伝導率がより高く（Ｓｉの熱伝導率の３倍）、キャリヤ速度がより速い（Ｓｉのキャリヤ速度の２倍）ので、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴｓ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴｓ）、集積化ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴｓ）などのような様々な半導体素子に使用されている先行する珪素（Ｓｉ）材料製の対等品に置き換わる可能性をもたらす。エネルギー伝送および配分システムにおける様々な電力変換器トポロジに使用された以前の電力用エレクトロニックビルディングブロックは、（ＩＧＢＴｓ）や（ＩＧＣＴｓ）などのＳｉベースの電力用スイッチに殆ど限られていた。電力システムの設計の観点から、電力損失を減少させることができ、より高い電力密度を可能にし、コンパクトな変換器の設計を容易にし、環境への影響を小さくし、同時により低いシステム全体コストをもたらす半導体チップが、極めて高電力の用途向けの重要な技術的推進力と考えられる。これら重要な性能指標に留意して、特定のトポロジによって与えられる要件により良く合致する半導体技術を選択することに関して良好な解を見つけ出すこと、および変換器のビルディングブロック設計の標準化が、製品の発展に１つの前進をもたらす。
【００２４】
高電力用エレクトロニクスにおける最近の趨勢は、一方で電力変換器の効率向上についての要求、同時に、他方で、電力用エレクトロニックビルディングブロックの占有面積の減少についての要求が増加してきている。その結果、この目的を達成するために、特に、高電流能力を達成するために高阻止電圧を有する複数のチップが並列に設置されているときに、より良好な熱管理が必須条件になる。この並列チップ形態は、さらに、ダイ自体の実装密度がより高いために、ＩＧＢＴダイならびに電力用モジュールに関する電力散逸密度をより高くする結果になる。他方、ＩＧＢＴのスイッチング頻度および定格電圧の増加もまた、ダイ段階での電力散逸をより大きくする結果になる。したがって、連続作動下での緩慢な冷却要件は、極めて好ましくない。不充分な冷却能力は、素子の性能を制約し得る。
【００２５】
作動中、そのような半導体チップは、このように、大電流が流れ得、ときどき高頻度のスイッチングが行われ得、したがって、大量の熱を発生する。これが、冷却を重要にする。
【００２６】
さらに、たとえば高電圧直流（ＨＶＤＣ）用途のモジュラマルチレベル変換器（ＭＭＣ）に使用される電力用モジュールに関し、スイッチング素子（すなわちＳｉ−ＩＧＢＴｓ）は、短絡故障モード（ＳＣＦＭ）状態下で、次のメンテナンスまでのある期間、負荷電流を流さなければならない。したがって、故障モジュールを通る極めて安定した短絡状態が、形成され、システムが点検修理されるまで確保されなければならない。このＳＣＦＭモードは、単一の故障チップおよびその接触システムが少なくとも１５００Ａ（相ｒｍｓ）までのモジュール電流全体を引き受けなければならないので、電力用モジュールの設計に重要な影響を及ぼす。ここで、ｒｍｓは、２乗平均平方根を示す。
【００２７】
電力用モジュールでは、確実な短絡は、通常、チップ上に配置されたアルミニウム銀（Ａｌ−Ｓｉ）合金などの低融点を有する金属層を使用することによって得られる。短絡が起きると、この金属層が、高い誘起エネルギーによって短時間で融解し、チップのシリコンと合金を形成する。これにより、その層が、Ｓｉダイと低抵抗で安定な合金を形成する。銀およびアルミニウムのような金属は、下側の珪素ダイと低温融解共晶合金を形成するので、一般に、好ましいことに留意されたい。
【００２８】
しかし、ＳｉＣ半導体チップが半導体電力用モジュールに使用される場合、ＳｉＣ材の融点がＳｉ対等品の融点より高く、したがってコレクタ−エミッタを短絡する安定な合金の形成が不確かになり得るので、ＭＭＣのＳＣＦＭ状態下でのスイッチング素子の作動が、予測不能になり得る。
【００２９】
すなわち、確実な短絡がやはり重要である。
【００３０】
本発明の態様は、特にＳｉＣチップに関して、上記の２つの領域、すなわち、冷却の向上、およびＳＦＣＭモードの信頼性向上の領域に向けられる。
【００３１】
半導体電力用モジュールは、１つまたは複数のサブモジュールを備える電力用モジュールを備え得、それらサブモジュールは、互いに直列および／または並列に電気的に接続され得る。６つのサブモジュール１１を備える半導体電力用モジュール１０が図１に示される。電力用モジュールは、図示のサブモジュールより多くのサブモジュールまたは少ないサブモジュールを備え得ることを理解されたい。
【００３２】
半導体電力用モジュール１０の例示的サブモジュール１１が、図２に概略的に示される。
【００３３】
サブモジュール１１には、モリブデンなどの金属から製作され、内側フレーム３０および外側フレーム３１に囲まれた基礎板１４があり、それらフレームは、プラスチック材から製作することができる。この基礎板１４上に、複数の半導体チップ１２が配置されている。本例では、６つのチップが２列に設けられている。図には、３つのチップによる１列のみが示されている。さらに、チップ１２に面している基礎板１４の第１の面は、第１の材質部分１８によって覆われ、基礎板１４の第２の反対側の面は、第２の材質部分２０によって覆われている。さらに、各チップ１２は、対応する第３の材質部分２２、通常は銅製の電流バイパス要素２４、およびスプリング２６を介して上部板１６に接続されている。ここで、やはり銅製であり得る上部板１６が、電流バイパス要素２４の下側部分に対してスプリング２６によって付勢されている同電流バイパス要素の上側部分を押し下げ、それによって、第３の材質部分２２を介するチップ１２と上部板１６との間、ならびに第１の材質部分１８を介するチップ１２と基礎板１４との間にガルバニック接触を確保する。
【００３４】
ここで、図２に示された構造は、サブモジュールを実現する単なる一方式であり、また、チップは、互いに直列または並列に電気的に接続することができることを指摘することができる。
【００３５】
図３は、より詳細に半導体チップ１２の１つについて図２のサブモジュール１１の構造の関連部品を示す。
【００３６】
この場合のチップ１２の下側の第１の材質部分１８は、基礎板１４の第１の面に電気的および熱的に接触しているグラフェンの第１の層３２を備え、そのグラフェン層３２は、有利には１〜１０ｎｍ、好ましくは２〜４ｎｍの厚さである。第１の材質部分１８は、第１のグラフェン層３２の上かつチップ１２の下に、低融点を有する第１の金属層３４をさらに備え、その融点は、範囲５００〜７００℃であり得る。グラフェン層３２の上に配置されたこの層３４は、アルミニウムまたは銀をベースにした層でもよく、あるいはその層は、アルミニウム銀合金などのアルミニウムもしくは銀をベースにした合金またはアルミニウム炭化珪素合金でもよい。すなわち、この層は、高い熱および電気伝導性、ならびに低融点（たとえば、＜７００または６５０）を有するＡｌもしくはＡｌ−Ａｇ合金またはＡｌＳｉＣあるいは他のあらゆる適切な金属合金でよい。第１の金属層３４の熱伝導率は、１．５Ｗ／ｃｍ−Ｋより高く、有利には１．５〜４．５Ｗ／ｃｍ−Ｋの範囲であり得、Ａｌが使用される場合、熱伝導率は２．０Ｗ／ｃｍ−Ｋであり得、Ａｇが使用される場合、熱伝導率は４．２Ｗ／ｃｍ−Ｋであり得、ＡｌＳｉＣが使用される場合、熱伝導率は範囲１．８〜２．１であり得る。
【００３７】
第２の材質部分２０は、基礎板１４の第２の面に電気的および熱的に接触している第２のグラフェンの層を備え、その層は、有利にはやはり１〜１０ｎｍ、好ましくは２〜４ｎｍの厚さである。
【００３８】
さらに、第３の材質部分２２は、チップ１２の上に、アルミニウムまたはアルミニウム銀合金などの低融点を有する第２の金属層３６と、層３６の上に、高融点および良好な導電率の層３８の形態の上側基礎板、たとえばモリブデンと、層３６の上にチップ端子接点材４０とを備え、チップ端子接点４０は、たとえば銅製のエミッタ側接点であり得る。それによって、基礎板１４も、コレクタ側接点を形成し得る。ここで、第３の材質部分２２を実現することができる他の方式があることを理解されたい。第２の金属層３６の熱伝導率は、１．５Ｗ／ｃｍ−Ｋより高く、有利には１．５〜４．５Ｗ／ｃｍ−Ｋの範囲であり得、Ａｌが使用される場合、熱伝導率は２．０Ｗ／ｃｍ−Ｋであり得、Ａｇが使用される場合、熱伝導率は４．２Ｗ／ｃｍ−Ｋであり得、ＡｌＳｉＣが使用される場合、熱伝導率は範囲１．８〜２．１であり得る。
【００３９】
最終的に、半導体チップは、この実施形態では炭化珪素チップであり、同チップは、２４００Ｋに及ぶ高融点を有する。
【００４０】
ＳｉＣチップの電力散逸は、大きくなり得る。優れた熱伝導特性を有するグラフェンの２つの層２０および３２は、そのような熱を流出させ、それによってチップ１２の正常な連続作動での熱管理を向上させるために、設けられる。
【００４１】
グラフェンの薄い層２０および３２は、このようにＭｏ底板１４の周りに挿入され、その結果、底板１４は、グラフェン層２０と３２との間に挟まれる。従来の他の半導体材との２Ｄ（２次元）グラフェンの比較評価が、下記の表Ｉに示される。表から分かるように、グラフェンは、珪素（Ｓｉ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、燐化インジウム（ＩｎＰ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの他の半導体と比較して、優れた電気的および熱的特性を有する。
0006686236.tif 000002
【００４２】
グラフェンのこれら特性は以下のように要約される。
□極めて薄い材質シートであり、それでも極めて強く（鋼より５倍強く、大幅に軽い）、
□グラフェンは、半金属または零バンドギャップ半導体であり、
□優れた熱伝導体（ＳｉＣ、銅、ダイヤモンドなどより極めて遥かに良好）であり、
□大幅に広いスペクトルバンドに亘ってＩＴＯ（すなわち、光電装置、タッチスクリーンディスプレイに使用される酸化インジウム錫）より透明であり、
□金属または半導体上に容易に成長させ／製造できる。様々な技法による生成機構が十分に確立されている。
【００４３】
低融点を有する第１および第２の金属層３４および３６の目的は、短絡故障モードを成立させることである。その場合、低融点を有する第１および第２の金属層３４および３６が共に、短絡に際し融解し、半導体チップ１２と導電性合金を生成する。
【００４４】
２つのその種金属層がチップの両側に存在するので、１つのみの場合より短絡が確実になる。
【００４５】
ＳｉＣチップは、通常、従来のＳｉ−ＩＧＢＴダイより薄い。同様に、熱膨張係数（ＣＴＥ）における上側／下側金属３６および３４（たとえばＡｌ、Ａｇ、およびＡｌＳｉＣのＣＴＥはそれぞれ１９、２３、７．５である）とＳｉＣチップ（すなわち２．７のＣＴＥ）との大きな差が、高電流密度の結果として発生する熱量および高温と組み合わさって、チップ表面を損傷し、それによって短絡状態を誘発する。ＡｌＳｉＣ（６３％体積のＳｉＣを有する）の融点が、５５７〜６１３℃であり、熱伝導が約１．７〜２．１Ｗ／ｃｍ−Ｋに留まることに留意されたい。
【００４６】
すなわち、２つの新たな特徴が導入された。
１：ＳｉＣチップ下側の、低い融点ならびに高い熱および電気伝導率を有する適切な金属および／または金属合金の新たな層３４。これは、ＳｉＣチップが故障すると、安定な短絡形態（ＳＣＦＭ）を成立させるのに役立つ。
２：電力用モジュールの冷却の向上およびより良好な熱管理のための、Ｍｏ底板１４の周りのグラフェン材の１つまたは複数の薄い層２０および３２。
【００４７】
グラフェンの第１の層が高い電気伝導率および高い熱伝導率を有するので、ＳＣＦＭモードに入る信頼性が危うくならないことが明らかである。したがって、短絡時にＳＣＦＭモードに入る信頼性を同時に維持しながら、冷却の向上が達成される。
【００４８】
同様に、第１の金属層は、安全にＳＣＦＭモードに入る能力に影響を受けることなく、チップの冷却でグラフェン層を助けるのに十分な高さの熱伝導率を有する。
【００４９】
上記のように、チップは、有利にはＳｉＣチップである。ただし、チップは、たとえばＳｉチップなど、上記の半導体材のいずれとも別のタイプであっても全く構わないことを理解されたい。
【００５０】
さらに、その半導体チップは、有利には、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴトランジスタのようなトランジスタなどのスイッチ、あるいはＩＧＣＴなどのサイリスタとして実現される。
【００５１】
上記の説明から、本発明は、多様に変化させることができることが明らかである。
【００５２】
したがって、本発明は、添付特許請求の範囲のみによって限定されることを理解されたい。
【要約】
本発明は、電気および熱伝導性の基礎板（１４）と、半導体チップ（１２）とを備え、グラフェンの第１の層（３２）が、基礎板（１４）の第１の面に電気的および熱的に接触するように、半導体チップ（１２）と基礎板（１４）との間に配置されている、半導体電力用モジュールに関する。それによって、半導体電力用モジュールの冷却が向上する。
【選択図】図３【図１】
0006686236.tif 000003
【図２】
0006686236.tif 000004
【図３】
0006686236.tif 000005