(57)【要約】この大電力プレスパック半導体モジュール（１）は、層（３，４）を有し、この層はＳｉ半導体チップ（２）の主電極の一方または双方に直接接触する。前記層は、その熱膨張率を、Ｓｉの熱膨張率に近似または一致する値に合わせることができる金属マトリックス型複合材料で作られている。
2006500774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性のベースプレート（４）と；
少なくとも一つの導電性のトッププレート（３）と；
半導体材料、ベースプレートと接触して平面状の境界面を形成する第一の主電極、及びトッププレートと接触する第二の主電極を有する、少なくとも一つの半導体チップ（２）と；
ベースプレート、トッププレート及び半導体チップを収容するハウジング（１１，１２，１３）と；を備え、
前記半導体材料と共に、共晶合金即ちその融点が前記半導体材料の融点よりも低い合金を形成する合金形成材料が、前記第一または第二の主電極の少なくとも一方の近傍に設けられた、大電力プレスパック半導体モジュール（１）において、
前記ベースプレート（４）またはトッププレート（３）少なくとも一方は、金属マトリックス型複合材料で作られ、この金属マトリックス型複合材料は、前記境界面内で、ＡｌまたはＡｇのマトリックス中に二次元的にランダムに分散された短尺グラファイト繊維を有し、その熱膨張率は、前記半導体材料の熱膨張率に近く、且つ、前記金属マトリックス型複合材料は、前記合金形成材料を含有していること、
を特徴とする大電力プレスパック半導体モジュール（１）。
【請求項２】
下記特徴を備えた請求項１に記載のモジュール：
前記ベースプレート（４）及びトッププレート（３）は、同一の金属マトリックス型複合材料で作られている。
【請求項３】
下記特徴を備えた請求項１に記載のモジュール：
前記金属マトリックス型複合材料は、少なくとも２５体積パーセントの金属組成を有している。
【請求項４】
下記特徴を備えた請求項３に記載のモジュール：
前記金属マトリックス型複合材料は、半導体材料とともに金属マトリックス合金を含有する。
【請求項５】
下記特徴を備えた請求項４に記載のモジュール：
前記金属マトリックス合金は、最大で共晶組成の半導体材料含有量までの、半導体材料を含有する。
【請求項６】
下記特徴を備えた請求項５に記載のモジュール：
前記マトリックスは、最大１３パーセントの含有量のＳｉとともに、Ａｇ，Ａｌ，ＡｕまたはＣｕを含有している。
【請求項７】
下記特徴を備えた請求項４に記載のモジュール：
前記金属マトリックス合金の半導体材料含有量は、ホットスポット合金がバルク析出を生じない共晶領域中にあるように、前記半導体材料の厚さに依存して、調整されている。
【請求項８】
下記特徴を備えた請求項１に記載のモジュール：
金属マトリックス型複合材料（３，４）からなる前記少なくとも一方のプレートの厚さは、前記半導体材料の厚さ以上である。
【請求項９】
下記特徴を備えた請求項１に記載のモジュール：
前記ベースプレート（４）及び前記トッププレート（３）は、ともに、金属マトリックス型複合材料で作られ、且つ、
前記プレート（３，４）の厚さの合計値は、前記半導体材料の厚さ以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー・エレクトロニクスの技術分野に係る。本発明は、大電力プレスパック半導体モジュールに、特に、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート式バイポーラ・トランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）またはサイリスタ・モジュールに関係する。
【背景技術】
【０００２】
サイリスタまたはＩＧＢＴ半導体デバイスを備えるプレスパックモジュールは、スイッチング向けの用途のパワー・エレクトロニクスの分野で、ＨＶＤＣコンバータ（高電圧直流変換器）などとして、使用されている。個々のデバイスを用いて得られるブロッキング電圧よりも高い電圧を実現するため、プレスパックモジュールは、互いに直列に積み重ねられる。そのスタックに圧力が加えられて、個々のプレスパックモジュールの間の適切な電気的及び熱的接触が確保される。
【０００３】
そのようなスタック状態の、圧力により接触している半導体デバイスの一つの欠陥がある場合、電流が流れたときに、半導体デバイスのＳｉ（シリコン）チップが先ず局地的に溶融し、その半導体デバイスの厚さの全体に渡る導電チャネル（ホットスポット）が形成される。この欠陥のある半導体デバイスは、理論的には、安定した短絡を形成し、そのスタックの定格電流の全てを引き受ける。そのスタック内に収容されている他の冗長な半導体デバイスは、欠陥のあるデバイスの故障に起因する更なる負荷を引き受ける。従って、一つの欠陥のあるデバイスは、スタック全体の故障に結び付かない。欠陥のあるデバイスは、通常のメインテナンス作業の中で交換されるまで、そのスタックの中に留まる。
【０００４】
ＳＣＦＭ（短絡故障モード：short circuit failure mode）が標準的なサイリスタ・プレスパックで起こる、そこでは、Ｍｏ（モリブデン）プレートの間にサンドイッチされた半導体チップの大きなＳｉ領域が、パッケージの気密封止とともに、短絡を形成する比較的安定な化合物を維持することを助ける。
【０００５】
しかしながら、気密封止されておらず、且つ、より小さな機械的コンタクトの領域を有するＩＧＢＴ用いるプレスパックの場合、形成される短絡は、例えば、酸化、エイジングによるホットスポット合金（従って、Ｓｉ半導体チップ）の消費、冶金学的不整合などの様々な要因によって、十分に安定的ではない。
【０００６】
より優れたＳＣＦＭ挙動を有する、新しいパワー半導体モジュールが、米国特許公報 US 6,426, 561 号に紹介されている。適切な材料からなる金属層が、Ｓｉ半導体チップの主電極の一方または双方に接触する。この金属層の上記材料は、Ｓｉとともに共晶混合物を形成する。
【０００７】
欠陥がある場合、サンドイッチ構造の全体が加熱され、一旦、共晶混合物の融点に到達すると、前記層とＳｉの間の接触面で、溶融部が拡大し始める。この溶融ゾーンは、それから、Ｓｉ半導体チップの厚さの全体に拡大し、金属的な導電チャネルを形成し、それがより安定なホットスポットを構成し、それによって、そのモジュールのＳＣＦＭ寿命を増大させる。
【０００８】
しかしながら、高電力定格の通常の運転条件下では、半導体デバイスの中により高い温度勾配を生じさせるので、チップと接触状態にある金属層が形成されることは、熱的−機械的疲労（断続的運転負荷“ＩＯＬ”と呼ばれている）の問題、及び、互いに接触するＳｉ半導体チップと金属層の間の熱サイクル及び熱膨張係数（ＣＴＥ）の差に起因するフレッティングを発生させる。これは、Ｓｉ半導体チップの早期の故障を引き起こす要因となる。
【０００９】
米国特許公報 US 4,196, 442 号には、半導体基板が少なくとも一つの電極表面で支持電極に接合された半導体デバイスが記載されている。この支持電極は、導電性マトリックス中に埋め込まれたグラファイト繊維を含む複合材料のボディである。この特許には、半導体基板と整合する熱膨張係数の要求値を実現するために、繊維の環状の配置を使用することから生ずる優位性について記載されており、３００℃まで加熱でのバルジングによる問題のため、短繊維の二次元的にランダムな配置の使用を推奨していない。このケースにおいて、金属マトリックスは、炭化物形成元素を含むＣｕで主として作られており、更に一方では、ＡｌやＡｇの合金、及びそれらの合金もまた適切であると指摘されている。
【特許文献１】米国特許 US 6,426, 561 号明細書
【特許文献２】米国特許 US 4,196, 442 号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、新しい大電力プレスパック半導体モジュールを提供することにあり、この半導体モジュールは、断続的な運転負荷、及び短絡・故障モードについての要求仕様を満たし、それと同時に、高温下でのクリープに耐えることができる優れた機械的性質を有している。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、本発明の独立クレームの特徴を備えたハイパワープレスパック半導体モジュールによって、実現される。
【００１２】
本発明によれば、大電力プレスパック半導体モジュールは、Ｓｉ半導体チップの主電極の一方または双方と接触する層を有している。前記層は、ＭＭＣ（金属マトリックス複合材料）で作られ、このＭＭＣは、接触界面の平面内で二次元的にランダムな方向に向いた短いグラファイト繊維を使用し、その熱膨張率（ＣＴＥ）をＳｉの熱膨張率に近似または一致する値に合わせることができる。
【００１３】
本発明のモジュールは、半導体と整合性がある熱膨張率のために、大きなＩＯＬ（断続的運転負荷）容量を有し、より高い熱伝導性を備えたＭＭＣを使用することによって、通常運転の電力損失を減らすことができる。このモジュールは、ホットスポット内での電力損失が少ないため、改善されたＳＣＦＭ性能を有している。例え、製造中または組み立てプロセス中（例えばハンダ付けなどの接合プロセスを容易にするための加熱を含む）に、上記プレート内に反りが生じた場合でも、そのような反りは、ＡｌまたはＡｇ、及びそれらの合金を含有するマトリックスの採用により、使用中にスタックに加えられる圧力によって平らにされ、それにより、その複合材料が関与する界面の間の良好な接触を実現する。
【００１４】
上記の金属マトリックス型複合材料によって、プレスパック半導体モジュールはまた、マトリックスを構成している純金属と比べて、大きな機械的強度及びクリープ抵抗を有しており、それにより、使用中のモジュールの信頼性を改善する。
【００１５】
スタックの定格電流の全てがホットスポット合金によって形成された短絡によって引き受けられるＳＣＦＭ要求仕様を更に改善するため、また、半導体モジュールのより安定で且つより長い運転時間を実現するため、好ましくは、チップからのＳｉとの間で容易に合金となって共晶を形成する金属の組成が高い金属マトリックス複合材料が使用される。
【００１６】
同一の複合材料（例えば、Ａｌ−グラファイト）をＳｉ半導体チップの両方のサイドに使用することが可能であり、それによって、ＳＣＦＭ条件下での材料の接続／結合に起因する連続的な電流通過経路が形成される。同一の材料が、両方のサイドで使用されるので、有害な金属相、例えば、低い熱伝導性及び電気伝導性の金属間化合物、が形成される可能性が小さくなる。
【００１７】
しかしながら、電力損失が小さく、従って、金属間化合物の形成の速度が低い条件下では、熱膨張係数が整合する二つの異なる複合材料または金属の組み合わせ、を使用することもできる。
【００１８】
Ｓｉ半導体チップの主電極と金属接触面の間の適切な電気的接触を実現するため、Ｓｉ半導体チップの両サイドの接触面は、自由にフローティングしていても、あるいは、様々な技術（ハンダ付け、金属粉末を使用する焼結、拡散接合、または導電性接着剤によってＳｉ半導体チップに接合されていても良い。
【００１９】
金属マトリックスの複合材料ベース、及びＡｌ−グラファイトからなるトッププレートは、従来の基板及び接触プレートに使用される材料と比べて、製造が容易で且つ製造コストが低い。
【００２０】
接触性能及びフリクションを改善する目的で、Ｓｉ半導体チップと金属マトリックス複合材料層の接触表面を、従来の材料及びコーティングによって被覆しても良い。
【００２１】
更なる優位性は、従属クレームによって得られる。
【００２２】
本発明の更なる特徴及び優位性は、添付図面を参照しつつ行われる以下の詳細な説明によってより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明を図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に基づく大電力プレスパック半導体モジュールの好ましい実施形態の一例の断面図を示す。
【００２４】
複数のＳｉ半導体チップ２、例えば、ＩＧＢＴまたはダイオードが、一つの共通のハウジングの中に、互いに間隔を開けて並べられて配置されている。これらのチップは、並列の状態で電気的に接続されており、高い電流のために必要となるアクティブな半導体領域は、このように、多数の個々の表面から構成されている。なお、図１には、半導体コンポーネントを駆動するため通常の方法で結合されたゲート接続は描かれていない。
【００２５】
これらのＳｉ半導体チップ２は、トップフェイス及びボトムフェイスの両方に金属被覆された主電極を有しており、それらは、金属接触面に電気的に接触する。これらのチップは、導電性ベースプレート４の上に取り付けられ、且つ、各チップの上には、導電性トッププレート３が、直接配置されている。コンタクトピストン５が、トッププレート及びＳｉ半導体チップをベースプレートに対して押し付けている。コンタクトピストン、トッププレート、Ｓｉ半導体チップ、及びベースプレートの配列は、電気的に絶縁されたハウジング要素１３によって互いに結合された二つのモジュール・パワー接続１１及び１２の間で、圧力が加えられている。これらの二つのモジュール・パワー接続の間に作用する圧力は、製造または加工条件から生ずる反りが平らに均されるように、十分に大きい値に設定されている。
【００２６】
ベースプレート４及びトッププレート３は、その熱膨張係数をＳｉ半導体チップの熱膨張係数に近似または一致する値に調整することが可能な金属マトリックス型複合材料で作られている。
【００２７】
多くの複合材料を、熱膨張係数の要求値に合わせるように、従って、適切なＩＯＬ整合性が得られるようにデザインすることができる。しかしながら、電流経路に起因する電力損失を小さく抑えることができるように、要求される電気伝導率を確保するため、マトリックスは、金属（例えば、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）またはＡｕ（金））とすべきである。一方、強化材は、他の種類の各種の材料（非金属、例えばグラファイト、セラミック、例えばＳｉＣ；または、金属マトリックスの中に埋め込まれたＭｏ繊維または小片のような、他の金属を使用することができる。そのような金属マトリックス複合材料の例を挙げると、Ａｌ−グラファイト、Ｃｕ−グラファイト、Ｃｕ−Ｍｏ、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｂｅ−Ｂｅｏなどである。導電性ポリマー、ポリマー複合材料、及びセラミックスもまた、オプションとなり得る。
【００２８】
しかしながら、スタックの全定格電流をホットスポット合金によって形成された短絡によって引き受ける場合の、ＳＣＦＭの要求仕様を前提とすると、金属マトリックス複合材料が、より高いパワーの定格で、より長い運転期間をもたらす。チップからのＳｉとの間で容易に合金を作って共晶を形成する金属の組成が高い複合材料は、より安定且つより長い運転時間をもたらす。
【００２９】
特定のケース、即ち、ＭＭＣ材料の選択としてＡｌ−グラファイトが使用され、Ｓｉ組成が共晶組成の範囲内にあるＡｌマトリックス合金からなる二枚のＡｌ−グラファイトのプレートの間にＳｉ半導体チップがサンドイッチされるケースにおいて、良好なＳＣＦＭ性能が実現される。鋳造の際にＳｉが添加されたＡｌ−グラファイトのＭＭＣ材料は、市販されている。Ｓｉは、共晶反応により溶融金属の流動性を向上させるために添加される。また、Ａｌ−グラファイト鋳造のケースでは、Ｓｉは、有害なアルミニウム・カーバイドの形成を防止し、且つ、グラファイト繊維の濡れ性を高めるために添加される。
【００３０】
Ａｌマトリックス合金の組成は、鋳造性、グラファイト繊維の濡れ性に影響を与えず、且つ、有害なアルミニウム・カーバイドの形成を防止することができる条件内で、可能な限りＳｉ組成が低くなるようにデザインされる。そのようなマトリックス合金で、市販されている一つの例は、Ａ３５６（適切な組成は、７％Ｓｉ、０．３％Ｍｇ、及び残余のＡｌ）であり、この合金は、グラファイト繊維との間で複合材料を作るために使用することができる。この複合材料は、US 6,426, 561 の中で挙げられているようなＭｏのベースプレート及びＡｌまたはＡｇのトッププレートを使用するデザインと比較して、優れたＳＣＦＭ性能を備えている。Ｓｉ組成をマトリックス合金の共晶点よりも下に変えることによって、ＳＣＦＭ性能を更に改善することになり、最低のＳｉ組成とすることが、最善の選択となる。同様の結果が、例えば、Ａｇ−グラファイトのような、マトリックス金属がＳｉとともに合金を作ることができる他の複合材料を用いても実現することができる。
【００３１】
マトリックス合金の中でのＳｉ組成の選択は、Ｓｉ半導体チップのサイズ及び厚さ、及びモジュールを構成した場合に要求される複合材料の電気伝導性及び熱伝導性に依存する。それについて、以下で簡単に説明する。
【００３２】
短絡・故障モードを引き起こす第一のダメージ事象は、個別の半導体チップの短絡であり、それに続いて、全定格電流がこのチップの中を流れる。半導体チップ、電極、トッププレート及びベースプレートから構成されるサンドイッチ構造は、マトリックス合金の構成元素がチップからのＳｉとともに導電性の合金を形成するまで、加熱される。この合金の大半は、複合材料マトリックスからのＡｌ及びＳｉ、及び半導体チップからのＳｉによって作られる。その結果、ホットスポット中のＳｉ組成が共晶組成を下回ったとき、Ｓｉが微細な形状で分散され、それが、ホットスポット合金のＳｉ組成が高い場合と比較して、電流経路に対して比較的低い抵抗をもたらす。ホットスポットの中のＳｉ組成が共晶組成よりも高い場合には、運転中の電力損失のため、ホットスポット中の支配的温度のシナリオに依存して、Ｓｉがバルク小片として析出することになる。ホットスポット合金の中のＳｉ組成が高くなるにつれて、電流経路に対する抵抗が高くなり、パワー損失が大きくなり、その結果、支配的な高温度のために、合金のエイジング及び酸化が早くなる。
【００３３】
それ故、複合材料のマトリックス中のより高いＳｉ組成、特に共晶組成を超える約１０〜１５パーセントの組成、更には２０パーセント以上の組成は、より低いＳＣＦＭ（短絡故障モード）寿命に帰着し、これに対して、より低いＳｉ組成は、より高い寿命をもたらす。ＩＯＬ（断続的運転負荷）性能もまた、マトリックス合金のＳｉ組成を下げることにより改善され、マトリックス中のＳｉ組成が高いものと比べて、より低い電圧低下に帰着し、従って、ＳＣＦＭに先立つ通常運転の間におけるより低い電力損失に帰着する。
【００３４】
上記の説明は、半導体チップ自体の性質及び内部構造については触れていない。もし、全体として、モジュールがＩＧＢＴモジュールを表す場合には、その内部構造はＩＧＢＴまたはダイオードの内部構造に対応するものである。しかしながら、本発明は、例えばサイリスタのような、他の半導体コンポーネントに対しても適用することも可能である。
【００３５】
本発明の多くの変更及び変形が、上記の教えに照らして可能であることは、明らかである。従って、本発明は、ここで説明した具体的態様以外の態様により、添付クレームの範囲の内で実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に基づく、トッププレートとベースプレートの間に半導体デバイスが配置された大電力プレスパック半導体モジュールを概略的に示す図である。
【図２】図２は、図１の構造の半導体デバイスの拡大図である。
【符号の説明】
【００３７】
１・・・プレスパックモジュール、
２・・・半導体デバイス、チップ、
３・・・複合材料のトッププレート、
４・・・複合材料のベースプレート、
５・・・コンタクトピストン、
６・・・結合媒体、ハンダ、
１１，１２・・・モジュール・ハウジング・パワー接続、
１３・・・ハウジング要素。
【図１】
2006500774.tif 000003
【図２】
2006500774.tif 000004
【国際調査報告】
2006500774.tif 000005
2006500774.tif 000006
2006500774.tif 000007