(57)【要約】【課題】パワーチップ表面の局所的な温度上昇を抑制し、短絡耐量の高い高耐圧半導体装置を作成する。【解決手段】能動領域と上記能動領域の周りを囲んで設けられるガードリング部とを含むパワーチップで構成され、パワーチップの裏面は第１の半田を介して第１の電極と接合し、パワーチップの表面は金属層及び第２の半田を介して金属板電極と接合し、上記第１の電極の表面、上記パワーチップ及び上記金属板電極の周囲が封止材により封止されている半導体装置であって、上記能動領域の外周縁及び上記ガードリング部を覆って絶縁層が配置され、上記絶縁層と、上記絶縁層に覆われない上記能動領域とを覆って上記金属層が配置され、上記金属層と上記金属板電極とが上記半田により接合されることを特徴とする高耐圧半導体装置を提示する。【選択図】図１
2007201247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動領域と上記能動領域の周りを囲んで設けられるガードリング部とを含むパワーチップで構成され、
パワーチップの裏面は第１の半田を介して第１の電極と接合し、パワーチップの表面は金属層及び第２の半田を介して金属板電極と接合し、
上記第１の電極の表面、上記パワーチップ及び上記金属板電極の周囲が封止材により封止されている半導体装置であって、
上記能動領域の外周縁及び上記ガードリング部を覆って絶縁層が配置され、
上記絶縁層と、上記絶縁層に覆われない上記能動領域とを覆って上記金属層が配置され、
上記金属層と上記金属板電極とが上記半田により接合されることを特徴とする高耐圧半導体装置。
【請求項２】
能動領域と上記能動領域の周りを囲んで設けられるガードリング部とを含むパワーチップで構成され、
パワーチップの裏面は第１の半田を介して第１の電極と接合し、パワーチップの表面は金属層及び第２の半田を介して金属板電極と接合し、
上記第１の電極の表面、上記パワーチップ及び上記金属板電極の周囲が封止材により封止されている半導体装置であって、
上記能動領域の外周縁及び上記ガードリング部を覆って絶縁層が配置され、
上記絶縁層の少なくとも一部を覆って上記金属層が配置され、
上記金属層と上記金属板電極とが上記半田により接合されることを特徴とする高耐圧半導体装置。
【請求項３】
上記ガードリング部表面の上記絶縁層に第２の絶縁層が更に重ねて配置され、
上記金属層は、上記第２の絶縁層と、上記絶縁層と、上記絶縁層に覆われない上記能動領域とを覆って配置されることを特徴とする請求項１に記載の高耐圧半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い短絡耐量を有する高耐圧半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータのインバータ制御などに用いられる高耐圧半導体装置として、例えばＰＮ電極間の主耐圧が６００Ｖから１２００Ｖ程度であるものが一般に普及している。前記高耐圧半導体装置は、ＩＧＢＴやダイオードなどのパワーチップを搭載している。そして、前記高耐圧半導体装置は、パワーチップの表面の電極と裏面の電極との間で、数１００〜数１０００Ｖの電圧を遮断・通電してスイッチング動作を行い、モータの駆動電圧を作り出す。このようなパワーチップには、前記のパワーチップ表面・裏面間の数１００Ｖ以上の電圧を遮断し得る性能が必要である。
【０００３】
上記のようなパワーチップを搭載する高耐圧半導体装置では、パワーチップの平面部（表面部）と外周部とで異なる電界状態になるため、高耐圧半導体装置にはパワーチップの表面電極の外縁部にガードリングを作り込んで前記電界を緩和し、これにより耐電圧特性を確保しているものもある。
【０００４】
前記高耐圧半導体装置のパワーチップは、裏面全面を電極板や電極パターンに半田付けして用いられる。その表面電極では、太さ数１００μｍのアルミ線を超音波ワイヤボンディングで接合して配線を取る形態が多く用いられている。ところが、ワイヤボンディングを利用するとパワーチップ表面の局所部分に電流が集中してしまうということが、問題点としてあげられている。つまり、ワイヤボンディングの利用によって、ワイヤの直下部位に高温部が生じてその部位の熱ストレスが多くなったり、パワーチップの表面メタライズ層の抵抗の影響でパワーチップの全面に分配される電流に偏りが生じたりして、電流分布を生じてしまうということである。更に、上下アームが同時にオンになるいわゆる短絡時には速やかにパワーチップをオフ状態にしなければ熱破壊（即ち、短絡破壊）を発生してしまうが、ワイヤボンディングを利用するパワーチップの場合、上述の如く電流集中が大きいため短絡破壊しやすいという問題点もある。
【０００５】
ここでの短絡破壊は、局所的な温度が或る閾値を超え半導体の当該部位が高温により導体になってしまう状態を指す。パワーチップを搭載する高耐圧半導体装置における上記の温度の閾値は、一般的に３８０℃であると言われている。
【０００６】
上記のワイヤボンディング利用技術の問題点の解決策の一つとして、パワーチップ表面にＡｕなどの金属層を例えば蒸着によりコーティングし電極板を半田付けする構造の半導体装置が特許文献１に開示されている。しかしながら、特許文献１に開示される半導体装置では、ガードリング部分を避けて金属板を半田接合しているため、能動領域の外縁部に半田接合されない部分が生じており、当該部分で短絡破壊が発生する可能性が高い。
【０００７】
なお、特許文献２は、ソルダー流れによるチップ表面のクラック発生を防止し、製品の熱ストレス等に対する信頼性を向上させる半導体装置に関する発明を開示する。また、特許文献３は、ガードリングにより半導体能動領域を囲むプレーナーターミネーション構造を有する半導体装置に関する発明を開示する。更に、特許文献４は、主電極をポスト電極によって圧接する際に、このポスト電極が制御電極に関連する回路部分に短絡接続されないように構成した圧接型高耐圧半導体装置に関する発明を開示し、該圧接型高耐圧半導体装置は、半導体能動領域を囲む１本以上のガードリングを含むものである。
【特許文献１】特許第３５２５８３２号公報
【特許文献２】特開平５−２１８４５４号公報
【特許文献３】特開２００１−４４４１４公報
【特許文献４】特開平８−２３０９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、パワーチップ表面の局所的な温度上昇を抑制し、短絡耐量の高い高耐圧半導体装置を作成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の目的を達成するために為されたものである。本発明に係る高耐圧半導体装置は、
能動領域と上記能動領域の周りを囲んで設けられるガードリング部とを含むパワーチップで構成され、
パワーチップの裏面は第１の半田を介して第１の電極と接合し、パワーチップの表面は金属層及び第２の半田を介して金属板電極と接合し、
上記第１の電極の表面、上記パワーチップ及び上記金属板電極の周囲が封止材により封止されている半導体装置であって、
上記能動領域の外周縁及び上記ガードリング部を覆って絶縁層が配置され、
上記絶縁層と、上記絶縁層に覆われない上記能動領域とを覆って上記金属層が配置され、
上記金属層と上記金属板電極とが上記半田により接合されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明を利用することにより、高耐圧半導体装置において、まず、半田が短絡時の熱バッファとなり、半導体装置の短絡耐量が向上する。また、金属板電極の下の半田厚みの確保が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明に係る好適な実施の形態を説明する。なお、以下の説明では、特定の方向を示す用語「上」、「下」、「右」、「左」、「表」、「裏」及びそれらの用語を含む別の用語（例えば「上面」、「下面」、「右側」、「左側」、「表主面」、「裏主面」）を適宜使用するが、それらの使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであり、それらの用語によって発明の技術的範囲が限定されるものではない。したがって、以下に説明する具体的な発明の実施形態を上下反転して、または任意の方向（例えば、時計回り方向又は反時計回り方向）に９０°回転した形態も当然本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００１２】
まず図８に、従来技術による（例えば、特許文献１に開示される）高耐圧半導体装置の縦断面図を示す。当該半導体装置では、パワーチップ２が電極４上に半田６で接合されている。パワーチップ２の表面の能動領域８上に、半田濡れ性を有する金属層が配置され、この金属層上には半田１６を介して金属板１８が設定されている。パワーチップ２の能動領域８の周囲にはガードリング部１０が形成されている。このような半導体装置において、電極４の表面、パワーチップ２及び金属板１８の周囲は、モールド樹脂などの絶縁性の封止材２０により封止されている。なお、図８の左右端の縦波線は、その外側の図示を省略していることを示す（以下、他の図においても同じ）。
【００１３】
上記高耐圧半導体装置において、パワーチップ２の表面電極の大半の領域に、半田接合し得るメタライズ層が蒸着などにより形成されている。このメタライズ層の上部に金属板１８が半田付けされる。従って、能動領域８がメタライズ層にしか接合しないように形成されているに過ぎない半導体装置の場合と比べて、メタライズ層の配線抵抗が無視できる程小さくなり、このことによって電流集中が緩和され、パワーチップの抵抗によるエネルギ損失も低減される。また、パワーチップ２表面に接合された半田及び電極板１８の熱容量により、短絡時の温度上昇も緩和されると言える。
【００１４】
ところで、パワーチップ表面に金属板１８を半田付けする上記の高耐圧半導体装置では、短絡破壊は半田が接合されていない領域に集中する傾向がある。これは、半田が接合されていない領域での温度上昇が他の部位より大きいからである。つまり、半田は金属として高い熱伝導率を有するため温度上昇を抑制する作用があり、その反面、半田が接合されていない領域での温度上昇が大きくなるからである。図８の従来技術による高耐圧半導体装置では、ガードリング部１０及びその近傍に半田は存在しない。従って、能動領域８の外周の、金属板１８と接合しない領域で、短絡破壊が生じる蓋然性が高いと言える。
【００１５】
図３は、図８に示すような高耐圧半導体装置において、金属板１８が能動領域８の表面に、ガードリング部１０の内周縁から距離を置くようにして配置されている場合の、前記能動領域８上部の金属板１８が存在しない領域の幅と、パワーチップの短絡耐量との関係を示すグラフである。短絡耐量は「電流×電圧×時間」で計算され、値が大きい程半導体装置が破壊しにくいことを示す。
【００１６】
図３には、能動領域８の金属板１８がない領域の幅が小さいほど短絡耐量が増大することが示されている。金属板１８及び金属板に接合する半田１６は、充分な熱容量により、金属板１８及び半田１６が覆う能動領域８の温度上昇を抑制するのだから、図３により、やはり、能動領域８の外周の金属板１８と接合しない領域で短絡破壊が生じやすい、ということがわかる。実験によって短絡を発生し得る程度の電流をパワーチップ２に与えた場合、破壊する箇所は前記能動領域８の外周の金属板１８がない領域に集中していたことからも、上記の効果が確認できた。
【００１７】
以下の発明の実施の形態では、高耐圧半導体装置を図８に示すものよりも更に高い短絡耐量を有するものとするため、ガードリング部１０及びその近傍に適切な処置を施す。従って、以下の発明の実施の形態において、ガードリング部１０及びその近傍以外は、図８に示す従来技術による半導体装置と略同様の構造が備わる。
【００１８】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る高耐圧半導体装置の縦断面図である。図に示すようにパワーチップ２が、電極４に半田６で接合されている。パワーチップ２には裏面電極（図示せず）が形成され、その裏面電極に上記の半田付けがなされている。パワーチップ２は、縦横（平面方向）の大きさが数ｍｍ×数ｍｍであり、５０μｍ〜５００μｍ程度の厚みを有する。
【００１９】
パワーチップ２の表面には、能動領域８と、その外周囲にガードリング部１０とが形成されている。このガードリング部１０により、能動領域８とパワーチップ２の裏面との間の耐電圧が確保されている。ガードリング部１０は、パワーチップ２の外周縁から約１００μｍ〜数ｍｍ程度の幅の中に配置される。
【００２０】
更に本発明の実施の形態１に係る高耐圧半導体装置では、ガードリング部１０を覆って絶縁層１２が配置される。この絶縁層１２は、能動領域８の外周縁からパワーチップ２の外周縁まで間を覆う。図１に示すような高耐圧半導体装置では、絶縁層１２は厚みが数１０μｍ〜数ｍｍの間となるのが好ましい。絶縁層１２は、耐熱温度３００℃のポリイミドなどの高耐熱の樹脂やガラスなどのセラミック系材料から構成されるのが好ましい。更に、この絶縁層１２の表面および能動領域８の表面には、半田濡れ性を有する金属層１４が配置されている。
【００２１】
図２は、本発明の実施の形態１に係る高耐圧半導体装置のガードリング部１０、絶縁層１２及びその近傍の拡大縦断面図である。図２に示すように、能動領域８及びガードリング部１０の表面には、メタライズ層２２が配置されている。このメタライズ層２２として通常数μｍの厚みのアルミニウムが用いられる。アルミニウムは半田濡れ性が相対的に悪い金属であり、そのままでは金属板１８を半田付けすることが困難である。そこで金属層１４が、能動領域８の外周部とガードリング部１０とを覆う絶縁層１２と、能動領域８表面とに接して配置されている。そして、金属板１８が半田１６により前記金属層１４を介して固着されている。
【００２２】
電極４の表面、パワーチップ２及び金属板１８の周囲は、モールド樹脂などの絶縁性の封止材２０により封止されている。図１の左右端の縦波線は、その外側の図示を省略していることを示す。
【００２３】
上記のように、図１及び図２に示す高耐圧半導体装置では、金属板１８が能動領域８上部だけでなく絶縁層１４の表面上部にも配置されている。このため、能動領域８の全面に対する熱容量が増加することになり、従って温度上昇が、ワイヤボンディングを利用する従来技術の半導体装置の数１０％までに抑制され得る。これにより、短絡破壊の原因となる局所温度（例えば、３８０℃）程度に達するまでの時間が大幅に長くなり、例えば従来５μｓで短絡破壊を生じていた電流であっても、７μｓでも短絡破壊を生じないというようになる。即ち、短絡破壊までのエネルギの許容範囲の拡大が可能となる。
【００２４】
なお、実施の形態１に係る高耐圧半導体装置では、金属板１８は能動領域８と略同電位であり、能動領域８とパワーチップ２裏面との間の電圧は、絶縁層１２の厚み分の沿面距離における絶縁により確保されている。従って、絶縁層１２の厚みを薄くするには、絶縁性の高い封止樹脂を絶縁層１２に利用する必要がある。
【００２５】
更に、実施の形態１に係る高耐圧半導体装置では、金属層１４の表面側全面に半田１６が接合しているが、必ずしも全面で接合する必要はなく、例えば端部で、絶縁層１２の数１０％程度覆うのみでも、短絡耐量は改善され得る。
【００２６】
本実施の形態に係る高耐圧半導体装置は、ガードリング部１０に金属層１４が接しないように、即ち、絶縁層１２が能動領域８の外周縁を覆うように設計されることが必要である。なぜなら、ガードリング部１０と金属層１４が接すると両者が同電位になってしまい、電界強度が所定のものより大きくなってしまうからである。このことを回避するために、例えば次の手順のように能動領域８、ガードリング部１０及び金属層１４が配置されればよい。
【００２７】
まず、パワーチップ２の表面全面に製膜する。次に、エッチングで開口部を設ける。この開口部の設置は、絶縁層１２の領域を画定するために行う。つまり、開口部を除く部分に絶縁層１２を形成することになる。従って、この開口部の寸法を適宜調整すれば、開口部の設置時に多少の位置ずれが生じるとしても、絶縁層１２がガードリング部１０及び能動領域８の外周縁を完全に覆うようにすることができる。このように開口部を設置することは、製造方法として比較的容易であり、且つ半導体装置における電界設計の容易性を増すことに繋がるため、望ましいものであると言える。
【００２８】
更に、能動領域８、能動領域上の金属層１４、若しくは金属板１８に、半田１６の厚みを保持するための突起を備えるようにしてもよい。この突起により、半田の厚み、即ち金属板１８と金属層１４との間の最低限の距離を規定でき、金属板１８の傾き等による半田１６のはみ出しなどの不具合の発生を防止できる。
【００２９】
［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の形態２に係る高耐圧半導体装置の縦断面図である。実施の形態２に係る高耐圧半導体装置は、先述の実施の形態１に係る高耐圧半導体装置と略同様のものである。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。
【００３０】
図４に示すように、実施の形態１と同様、能動領域８及び絶縁層１２に接して金属層１４が配置されている。但し、金属層１４は絶縁層１２の外縁部には延在していない。それに合わせて、絶縁層１２の外縁部の上方には半田１６や金属板１８も存在していない。図４のように金属層１４、半田１６及び金属板１８を配置することによっても、能動領域８に付随する熱容量を大きくでき、短絡耐量を大きくすることができる。
【００３１】
図５は、本発明の実施の形態２に係る高耐圧半導体装置のガードリング部１０、絶縁層１２及びその近傍の拡大縦断面図である。図５に示すように、パワーチップ２の能動領域８と接する金属層１４とパワーチップ２の裏面電極との距離は、金属層１４から絶縁層１２の外周縁までの距離（Ｌ１）とパワーチップ２の厚み（Ｌ２）との和（Ｌ１＋Ｌ２）となる。このパワーチップ２の能動領域８と接する金属層１４とパワーチップ２の裏面電極との距離が、絶縁距離である。つまり、本実施の形態では、絶縁層１２が薄いものであっても絶縁距離を大きくすることができる。
【００３２】
［実施の形態３］
図６は、本発明の実施の形態３に係る高耐圧半導体装置の縦断面図である。更に、図７は、本発明の実施の形態３に係る高耐圧半導体装置のガードリング部１０、絶縁層１２及びその近傍の拡大縦断面図である。実施の形態３に係る高耐圧半導体装置も、先述の実施の形態１に係る高耐圧半導体装置と略同様のものである。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。
【００３３】
図６及び図７に示すように、絶縁層１２の上部には外縁に近づくに従って厚みが増す第２の絶縁層２４が固着されている。このとき、金属層１４がパワーチップ２の外周縁にまで配置されるとしても、第２の絶縁層２４により、金属層１４とパワーチップ２の裏面電極との距離が一定値以上に確保される。このようにすることで、ガードリング部１０の幅を大きくする必要もなくなる。更に、第２の絶縁層２４の設置により、金属板１８と金属層１４との間の半田１６の厚みも容易に確保し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る高耐圧半導体装置の縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る高耐圧半導体装置のガードリング部、絶縁層及びその近傍の拡大縦断面図である。
【図３】図８に示すような高耐圧半導体装置において、金属板が能動領域の表面に、ガードリング部の内周縁から距離を置くようにして配置されている場合の、能動領域上部の金属板が存在しない領域の幅と、パワーチップの短絡耐量との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態２に係る高耐圧半導体装置の縦断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る高耐圧半導体装置のガードリング部、絶縁層及びその近傍の拡大縦断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る高耐圧半導体装置の縦断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る高耐圧半導体装置のガードリング部、絶縁層及びその近傍の拡大断面図である。
【図８】従来技術による高耐圧半導体装置の縦断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
２  パワーチップ、  ４  電極、  ６  半田、  ８  能動領域、  １０  ガードリング、  １２  絶縁層、  １４  金属層、  １６  半田、  １８  金属板、  ２０  封止材、  ２２  メタライズ層、  ２４  第２の絶縁層。
【図１】
2007201247.tif 000003
【図２】
2007201247.tif 000004
【図３】
2007201247.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007201247.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007201247.tif 000009
【図８】
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