(57)【要約】【課題】電気伝導特性と熱伝導特性を改善し、デザイン変更を簡単に実行可能であり、製造時間も短縮化可能であり、製造歩留りの向上可能なパワーモジュール半導体装置を提供する。【解決手段】金属基板２１と、金属基板２１の表面上に配置された第１接合層２１ｂと、金属基板２１上に第１接合層２１ｂを介して配置された半導体デバイスＱ１とを有する金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｑ１）と、金属基板２１の側面に配置された第２接合層２３とを備え、金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｑ１）は、第２接合層２３を介して同一平面上に複数個隣接して配置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板と、前記金属基板の表面上に配置された第１接合層と、前記金属基板上に前記第１接合層を介して配置された半導体デバイスとを有する金属ブロック構成単位と、
前記金属基板の側面に配置された第２接合層と
を備え、
前記金属ブロック構成単位は、前記第２接合層を介して同一平面上に複数個隣接して配置されることを特徴とするパワーモジュール半導体装置。
【請求項２】
前記半導体デバイス上に配置された柱状電極を備えることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項３】
前記柱状電極上に配置された上面板電極を備えることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項４】
前記金属基板上に配置された端子電極を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項５】
前記金属基板は、前記第２接合層を介して正側電源入力端子に接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項６】
前記上面板電極は、負側電源入力端子に接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項７】
前記金属基板は、前記第２接合層を介して出力端子に接続されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項８】
前記半導体デバイスは、前記金属基板上に複数配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項９】
前記第１接合層および前記第２接合層は、金属粒子接合層であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１０】
前記第１接合層および前記第２接合層は、固相拡散層であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１１】
前記金属粒子接合層は、導電性粒子を含むペースト層を焼成して形成されたことを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１２】
前記導電性粒子は、金属微粒子であることを特徴とする請求項１１に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１３】
前記金属微粒子は、銀ナノ粒子、金ナノ粒子、ニッケルナノ粒子または銅ナノ粒子のいずれかであることを特徴とする請求項１２に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１４】
前記金属基板は、ＣｕＭｏ若しくはＣｕで形成されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１５】
前記柱状電極は、ＣｕＭｏ若しくはＣｕであることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１６】
前記上面板電極は、ＣｕＭｏ若しくはＣｕであることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１７】
前記パワーモジュール半導体装置は、トランスファモールド樹脂により被覆されることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１８】
前記半導体デバイスは、ＳｉＣ系、ＧａＮ系、若しくはＡｌＮ系のいずれかのパワーデバイスであることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【請求項１９】
前記半導体デバイスは、ワンインワン、ツーインワン、フォーインワン、シックスインワンのいずれかのモジュールに適用されることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載のパワーモジュール半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール半導体装置に関し、特に、金属ブロック構成単位を用いて、半導体デバイスを実装するパワーモジュール半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在多くの研究機関において、シリコンカーバイド（ＳｉＣ：Silicon Carbide）デバイスの研究開発が行われている。ＳｉＣパワーデバイスは、Ｓｉパワーデバイスよりも優れた低オン抵抗、高速スイッチングおよび高温動作特性を有する。
【０００３】
ＳｉＣパワーモジュールでは、ＳｉＣデバイスのロスが相対的に小さいため、大電流を導通可能であり、かつ高温動作が容易となったが、それを許容するためのパワーモジュールの設計は必須である。
【０００４】
ＳｉＣパワーデバイスのパッケージには、ケース型が採用されている。
【０００５】
一方、トランスファモールドによって樹脂封止された半導体装置についても開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
これまでのパワーモジュールでは、小型化の点で薄型パワーモジュールが求められ、実装プロセスにおいて、ＤＢＣ（Direct Bonding Copper）基板、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）若しくはＡＭＢ（Active Metal Brazed, Active Metal Bond）基板が使われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１８３４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、電気伝導特性と熱伝導特性を改善し、デザイン変更を簡単に実行可能であり、製造時間も短縮化可能であり、製造歩留りの向上可能なパワーモジュール半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、金属基板と、前記金属基板の表面上に配置された第１接合層と、前記金属基板上に前記第１接合層を介して配置された半導体デバイスとを有する金属ブロック構成単位と、前記金属基板の側面に配置された第２接合層とを備え、前記金属ブロック構成単位は、前記第２接合層を介して同一平面上に複数個隣接して配置されるパワーモジュール半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電気伝導特性と熱伝導特性を改善し、デザイン変更を簡単に実行可能であり、製造時間も短縮化可能であり、製造歩留りの向上可能なパワーモジュール半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用可能な基本ブロック構成単位の模式的平面パターン構成図、（ｂ）図１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図。
【図２】第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置であって、図１の基本ブロック構成単位を３個並列配置した模式的平面パターン構成図。
【図３】図２のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図４】比較例に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図。
【図５】（ａ）第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置であって、ツーインワンモジュールに適用可能な金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｄ１）を別々に形成したブロック構造の模式的平面パターン構成図、（ｂ）図５（ａ）の金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｄ１）を並列接続したブロック構造の模式的平面パターン構成図。
【図６】（ａ）第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置であって、ツーインワンモジュールに適用可能な金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｄ４）・（２１・２１ｂ・Ｑ４）・（２１・２１ｂ・Ｑ４）を別々に形成したブロック構造の模式的平面パターン構成図、（ｂ）図６（ａ）の金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｄ４）・（２１・２１ｂ・Ｑ４）・（２１・２１ｂ・Ｑ４）を並列接続したブロック構造の模式的平面パターン構成図。
【図７】第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置であって、ツーインワンモジュールの模式的平面パターン構成図。
【図８】図７のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図９】図７のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造図。
【図１０】（ａ）第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の製造方法の一工程において、塗布された金属粒子接合層として銀ナノペーストを加圧する前の状態を示す模式的断面図、（ｂ）加圧後の銀ナノペーストの状態を示す模式的断面図。
【図１１】第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の製造方法に適用する固相拡散接合工程の説明であって、（ａ）２つの金属材料が互いに対向した様子を示す模式的断面構造図、（ｂ）２つの金属材料が互いに対向して接触し、高圧下で、接触界面が変形した様子を示す模式的断面構造図、（ｃ）接触界面が完全に消失し、１つの境界面のみが形成された様子を示す模式的断面構造図、（ｄ）原子拡散によって、境界面が除去されてシームレスな固相拡散接合が形成された様子を示す模式的断面構造図。
【図１２】第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用する半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図１３】第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用する半導体デバイスの例であって、ソースパッド電極ＳＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図１４】第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置であって、ツーインワンモジュールの模式的回路表現図。
【図１５】第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を用いて構成した３相交流インバータの模式的回路構成図。
【図１６】第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置であって、ワンインワンモジュールに適用可能な金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｄ１）・（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｄ１）・（２１・２１ｂ・Ｑ１）を別々に形成したブロック構造の模式的平面パターン構成図。
【図１７】第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置であって、ワンインワンモジュールの模式的平面パターン構成図。
【図１８】図１７のＶ−Ｖ線に沿う模式的断面構造図。
【図１９】図１７のＶＩ−ＶＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図２０】第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置であって、ワンインワンモジュールの模式的回路表現図。
【図２１】第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置であって、ワンインワンモジュールの詳細回路表現図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１３】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１４】
[第１の実施の形態]
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用可能な基本ブロック構成単位は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、金属基板２１と、金属基板２１の表面上に配置された第１接合層２１ｂと、金属基板２１上に第１接合層２１ｂを介して配置された半導体デバイスＱ１とを備える。
【００１５】
（並列化接続）
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１であって、図１の基本ブロック構成単位を３個並列配置した模式的平面パターン構成は、図２に示すように表され、図２のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図３に示すように表される。
【００１６】
図２および図３に示す例では、複数の金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｑ１）を並列化接続する例が示されている。
【００１７】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１においては、汎用性と共通性の高い金属ブロック構成単位を適用している。金属ブロック構成単位の金属基板２１は、例えば、約０．５ｍｍ以上の厚みを有するＣｕ、ＣｕＭｏなどで形成可能である。半導体チップＱ１は、金属基板２１の表面に実装する。
【００１８】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１は、図２および図３に示すように、金属基板２１と、金属基板２１の表面上に配置された第１接合層２１ｂと、金属基板２１上に第１接合層２１ｂを介して配置された半導体デバイスＱ１とを有する金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｑ１）と、金属基板２１の側面に配置された第２接合層２３を備える。ここで、金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｑ１）は、第２接合層２３を介して同一平面上に複数個隣接して配置される。
【００１９】
また、複数個隣接して配置された金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｑ１）は、図３に示すように、ヒートスプレッダ３００上に、例えば、有機絶縁シート３００ｃを介して配置される。ヒートスプレッダ３００の表面・裏面には、金属層３００ａ・３００ｂを備えていても良い。
【００２０】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１は、図３に示すように、半導体デバイスＱ１・Ｑ１・Ｑ１上に配置された柱状電極２０1・２０1・２０1を備えていても良い。
【００２１】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１は、図３に示すように、柱状電極２０1・２０1・２０1上に面一に配置された上面板電極２２を備えていても良い。
【００２２】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、接合層２１ｂ・２３は、例えば、金属粒子接合層で形成可能である。ここで、金属粒子接合層は、導電性粒子を含むペースト層を焼成して形成可能である。また、導電性粒子は、金属微粒子であっても良い。更に詳細には、金属微粒子は、銀ナノ粒子、金ナノ粒子、ニッケルナノ粒子または銅ナノ粒子のいずれかで形成可能である。
【００２３】
また、接合層２１ｂ・２３は、例えば、固相拡散層で形成可能である。金属粒子接合層および固相拡散層については、後述する（図１０および図１１）。
【００２４】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、金属基板２１は、ＣｕＭｏ若しくはＣｕで形成可能である。
【００２５】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、柱状電極２０は、ＣｕＭｏ若しくはＣｕで形成されていても良い。
【００２６】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、上面板電極２２は、ＣｕＭｏ若しくはＣｕで形成されていても良い。
【００２７】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１においては、金属ブロック構成単位を一つの基本単位としてみなし、複雑なモジュールは金属ブロック構成単位に基づいて組み立て可能である。
【００２８】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１においては、必要となる数の金属ブロック構成単位を作製し、接合層２３を介して複数の金属ブロック構成単位を接続することで、顧客のニーズに合わせて、組み立て可能である。
【００２９】
（比較例）
比較例に係るパワーモジュール半導体装置１ａは、図４に示すように、ＤＢＣ基板上に組み立てられる。すなわち、セラミック基板１０と、セラミック基板１０の表面上に配置された第１銅プレート層１０ａと、第１銅プレート層１０ａ上に配置され、半田層（図示省略）を介して第１銅プレート層１０ａと接続された半導体デバイスＱ１・Ｑ１・Ｑ１とを備える。さらに、比較例に係るパワーモジュール半導体装置１ａは、図４に示すように、半導体デバイスＱ１・Ｑ１・Ｑ１上に配置された柱状電極２０1・２０1・２０1と、柱状電極２０1・２０1・２０1上に面一に配置された上面板電極２２を備える。
【００３０】
ＤＢＣ基板は、銅／セラミック／銅のようなヘテロ構造を有するため、熱伝導率がわるい。ＤＢＣ基板の熱伝導率は、例えば、約５０Ｗ／ｍＫかそれ以下である。一方、Ｃｕの熱伝導率は、４０２Ｗ／ｍＫ、ＣｕＭｏの熱伝導率は、２１０Ｗ／ｍＫである。
【００３１】
また、ＤＢＣ基板の表面の銅プレート層と中間層のセラミック基板は、線形膨張係数が大きく異なるため、温度変化の激しい条件下では、銅プレート層とセラミック基板の剥離が生じやすい。このため、剥離を防ぐために銅プレート層を、薄く形成する必要がある。しかし、そのような薄銅プレート層のＤＢＣ基板、ＤＢＡ基板、ＡＭＢ基板を用いる場合、電気的抵抗が高く、大電流密度に対する許容度を確保することができない。また、ＤＢＣ基板を使用するパワーモジュールでは、パターンの変更が難しいため、ユーザーのニーズに合わせて、突然のデザイン変更に対応することが難しい。
【００３２】
（ツーインワンモジュール）
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１であって、ツーインワンモジュール（2 in 1 module）に適用可能な金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｄ１）を別々に形成したブロック構造の模式的平面パターン構成は、図５（ａ）に示すように表され、図５（ａ）の金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｄ１）を、接合層２３を介して、並列接続したブロック構造の模式的平面パターン構成は、図５（ｂ）に示すように表される。図５（ａ）および図５（ｂ）において、ＳＰ１は、半導体デバイスＱ１のソースパッド電極、Ａ１は、ダイオードＤ１のアノード電極を示す。
【００３３】
一方、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１であって、ツーインワンモジュールに適用可能な金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｄ４）・（２１・２１ｂ・Ｑ４）・（２１・２１ｂ・Ｑ４）を別々に形成したブロック構造の模式的平面パターン構成は、図６（ａ）に示すように表され、図６（ａ）の金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｄ４）・（２１・２１ｂ・Ｑ４）・（２１・２１ｂ・Ｑ４）を、接合層２３を介して、並列接続したブロック構造の模式的平面パターン構成は、図６（ｂ）に示すように表される。図６（ａ）および図６（ｂ）において、ＳＰ４は、半導体デバイスＱ４のソースパッド電極、Ａ４は、ダイオードＤ４のアノード電極を示す。
【００３４】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１であって、図５（ｂ）および図６（ｂ）のブロック構造を並列配置し、ツーインワンモジュールを構成した模式的平面パターン構成は、図７に示すように表され、図７のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図８に示すように表され、ＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造は、図９に示すように表される。
【００３５】
第１の実施の形態に係るツーインワン構成のパワーモジュール半導体装置１は、図７〜図９に示すように、金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｄ１）を、接合層２３を介して、同一平面上に並列接続した第１ブロック構造と、金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｄ４）・（２１・２１ｂ・Ｑ４）・（２１・２１ｂ・Ｑ４）を、接合層２３を介して、同一平面上に並列接続した第２ブロック構造とを備える。
【００３６】
また、第１ブロック構造と第２ブロック構造は、図８〜図９に示すように、ヒートスプレッダ３００上に、例えば、有機絶縁シート３００ｃを介して配置される。ヒートスプレッダ３００の表面・裏面には、金属層３００ａ・３００ｂを備えていても良い。
【００３７】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１であって、ツーインワンモジュールの模式的回路表現は、図１４に示すように表される。ツーインワンモジュールにおいては、図１４に示すように、２個の半導体デバイスＱ１・Ｑ４が１つのモジュールに内蔵されている。半導体デバイスＱ１・Ｑ４には、ダイオードＤ１・Ｄ４が逆並列に接続される。
【００３８】
半導体デバイスＱ１・Ｑ４は、ＳｉＣ系、ＧａＮ系、若しくはＡｌＮ系のいずれかのパワーデバイスで形成可能である。具体的に、半導体デバイスＱ１・Ｑ４は、例えば、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）で構成可能である。また、ダイオードＤ１・Ｄ４は、例えば、ＳｉＣショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：Schottky Barrier Diode）で構成可能である。
【００３９】
第１ブロック構造には、図７に示すように、一例として３チップ（ＭＯＳトランジスタ×２、ダイオード×１）搭載されており、それぞれのＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１・Ｑ１とＳｉＣ  ＳＢＤＤ１が並列配置される。
【００４０】
第２ブロック構造には、図７に示すように、一例として３チップ（ＭＯＳトランジスタ×２、ダイオード×１）搭載されており、それぞれのＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ４・Ｑ４とＳｉＣ  ＳＢＤＤ４が並列配置される。ここで、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１・Ｑ４、ＳｉＣ  ＳＢＤＤ１・Ｄ４は、例えば、約５ｍｍ×約５ｍｍのチップサイズを有する。
【００４１】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１は、図７および図８に示すように、半導体デバイスＱ４・Ｑ４・Ｄ４上に配置された柱状電極２０4・２０4・２０4を備えていても良い。
【００４２】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１は、図７および図８に示すように、柱状電極２０4・２０4・２０4上に面一に配置された上面板電極２２ｎを備えていても良い。
【００４３】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１は、図７および図９に示すように、半導体デバイスＱ１・Ｑ１・Ｄ１上に配置された柱状電極２０1・２０1・２０1を備えていても良い。
【００４４】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１は、図７および図９に示すように、柱状電極２０1・２０1・２０1上に面一に配置された上面板電極２２を備えていても良い。さらに、上面板電極２２は、図７および図９に示すように、第２ブロック構造の金属基板２１上に配置された柱状電極１８1を介して第２ブロック構造の金属基板２１に接続されていても良い。
【００４５】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１は、図９に示すように、第１ブロック構造の金属基板２１上に絶縁層２５を介して配置された端子電極（Ｔ１・Ｇ１・Ｓ１）と、第２ブロック構造の金属基板２１上に絶縁層２５を介して配置された端子電極（Ｔ４・Ｇ４・Ｓ４）を備えていても良い。なお、端子電極（Ｔ１・Ｇ１・Ｓ１）・（Ｔ４・Ｇ４・Ｓ４）は、それぞれの金属基板２１上に絶縁層２５を介して配置された電極パターン（図示省略）上に接続されていても良い。また、絶縁層２５は、例えば、ＤＢＣ基板、ＤＢＡ若しくはＡＭＢ基板などを適用しても良い。
【００４６】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、第１ブロック構造の金属基板２１は、図７に示すように、接合層２３を介して正側電源入力端子Ｐに接続され、上面板電極２２ｎは、図７および図８に示すように、負側電源入力端子Ｎに接続される。図８では、上面板電極２２ｎは、負側電源入力端子Ｎと一体的に形成される。
【００４７】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、第２ブロック構造の金属基板２１は、接合層２３を介して出力端子Ｏに接続される。
【００４８】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、接合層２１ｂ・２３は、例えば、金属粒子接合層で形成可能である。ここで、金属粒子接合層は、導電性粒子を含むペースト層を焼成して形成可能である。また、導電性粒子は、金属微粒子であっても良い。更に詳細には、金属微粒子は、銀ナノ粒子、金ナノ粒子、ニッケルナノ粒子または銅ナノ粒子のいずれかで形成可能である。
【００４９】
また、接合層２１ｂ・２３は、例えば、固相拡散層で形成可能である。金属粒子接合層および固相拡散層については、後述する（図１０および図１１）。
【００５０】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、金属基板２１は、ＣｕＭｏ若しくはＣｕで形成可能である。
【００５１】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、柱状電極２０は、ＣｕＭｏ若しくはＣｕで形成されていても良い。
【００５２】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、上面板電極２２は、ＣｕＭｏ若しくはＣｕで形成されていても良い。
【００５３】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１においては、金属ブロック構成単位を一つの基本単位としてみなし、複雑なモジュールは金属ブロック構成単位に基づいて組み立て可能である。
【００５４】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１においては、必要となる数の金属ブロック構成単位を作製し、接合層２３を介して複数の金属ブロック構成単位を接続することで、顧客のニーズに合わせて、組み立て可能である。
【００５５】
（銀ナノペーストおよびその焼結体）
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、接合層２１ｂは、導電性粒子を含むペースト材料を焼成して形成可能である。ペースト材料の焼成温度は、例えば、約２００〜４００℃である。
【００５６】
導電性粒子は、金属微粒子であり、例えば、銀粒子、金粒子またはニッケルや銅粒子などである。
【００５７】
例えば、金属微粒子として銀粒子を適用する場合、銀粒子の濃度は、例えば、約８０重量％〜約９５重量％である。また、銀ナノ粒子の場合の平均粒径は、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍ程度である。
【００５８】
銀ナノペーストは、例えば、粒径約３０ｎｍ〜約１００ｎｍの銀ナノ粒子を所定の溶媒に拡散させたものである。溶媒としては、例えばテルピネオール等の極性溶媒、テトラデカン等の炭化水素系溶媒、水系溶媒、ケトン系溶媒等が適用される。
【００５９】
また、所定の溶媒は、テルピネオール、テトラデカンの他に、ターピネオール、ケロシンのいずれか若しくはこれらの組成混合物を適用可能である。また、組成混合物としては、テルピネオール、テトラデカン、ターピネオール、ケロシンの内の少なくともいずれかの組み合わせを適用可能である。
【００６０】
銀ナノ粒子は、核としての銀の微粒子の表面を、有機化合物等で構成されるシェル（有機殻）で覆った構成となっている。これにより、溶媒における分散性を向上させると共に、銀の微粒子の酸化を防ぐことができる。また、焼成処理を行う前工程において、銀ナノペーストから成るペースト層を加圧して、シェルを破砕することにより、銀の微粒子の密度を高めることができ、焼結体としての金属粒子接合層の緻密性を向上させることができる。具体的な加圧の仕方については、図１０を参照して後述する。
【００６１】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１においては、例えば、銀ナノ粒子の濃度が約８１重量％以下のものを用いても良い。焼成によって析出される金属銀を緻密にし、かつ接合層界面におけるボイドの発生を抑制して良好な導電性および接合性を確保するためである。
【００６２】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１においては、銀ナノペーストから成るペースト層の焼成温度は、例えば、約２００〜４００℃程度である。
【００６３】
この焼成処理により、高融点の金属銀（融点約９６０℃）が析出して、接合層２１ｂを形成する。この結果、接合層２１ｂを介して、金属基板２１と半導体デバイスＱ１との間が強固に接合される。
【００６４】
しかも、この接合層２１ｂは、金属銀（Ａｇ）と同等の特性を発揮することから、電気的に低抵抗（１００℃で、約２．０８×１０−８［Ωｍ］）で、優れた熱伝導率（１００℃で、約１５０Ｗ／ｍＫ）を有し、融点約９６０℃という高い耐熱性を備えている。この熱伝導率の数値は、半田層の熱伝導率約３０Ｗ／ｍＫ〜約６０Ｗ／ｍＫに比べて十分に高い値である。
【００６５】
したがって、ＳｉＣデバイスを例えば約４００℃近くの高温で駆動した場合であっても、接合部が溶融することが無く、デバイス特性の信頼性、実装時の信頼性を向上することができる。
【００６６】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１の製造方法の一工程において、塗布された金属粒子接合層として銀ナノペーストを加圧する前の状態は、図１０（ａ）に示すように模式的に表され、加圧後の銀ナノペーストの状態は、図１０（ｂ）に示すように模式的に表される。
【００６７】
図１０（ａ）において、各銀ナノ粒子２２０は、有機化合物等で構成されるシェル（有機殻）２００ａで被覆された形態で、例えば、テルピネオール等の溶媒２００中において拡散した状態となっている。
【００６８】
この状態からペースト層１８０を上下方向から圧力Ｐを加えて圧縮すると、図１０（ｂ）に示す状態に変化する。即ち、有機化合物等で構成されるシェル２００ａが加圧によって破砕され、各銀ナノ粒子２２０が密着した状態となる。これにより、ペースト層１８０の厚さは、Ｌ１からＬ２に縮まった状態となる。
【００６９】
金属粒子による接合層２１ｂを形成するペースト層１８０の塗布には、マスクおよびスキージ（ヘラ部材）を用いたスクリーン印刷の手法が適用される。
【００７０】
また、ペースト層１８０の厚さは、例えば約１０μｍ〜約５０μｍとされる。なお、金属粒子による接合層２１ｂの厚さは、焼成時の収縮によりペースト層１８０の厚さの半分程度となる。即ち、例えばペースト層１８０の厚さが約５０μｍの場合に、焼成後の金属粒子による接合層２１ｂの厚さは約２０μｍ〜約３０μｍ程度となることが実験により確認されている。
【００７１】
―加圧および加熱工程―
第１の実施の形態において、金属粒子接合層２１ｂ（加熱・加圧前は、ペースト層１８０）を挟んで、金属基板２１上に半導体チップＱ１を載置し、その状態で、プレス加工機にセットして圧力を加える。
【００７２】
この際の圧力は、例えば、約２ＭＰａ〜約３０ＭＰａとされる。これにより、ペースト層１８０は、図１０（ａ）の状態から図１０（ｂ）のように、各銀ナノ粒子２２０が密着した状態となる。
【００７３】
尚、上記の加圧工程では、加圧と加熱を同時に行うために、所定のベーキング装置などによってパワーモジュール半導体装置１全体を約２００℃〜約４００℃で所定時間にわたって加熱する。
【００７４】
これにより、ペースト層１８０が焼成され、金属銀が析出して金属粒子接合層２１ｂが形成される。
【００７５】
この金属銀から成る金属粒子接合層２１ｂは、金属基板２１と半導体チップＱ１間を強固に接合し、金属基板２１の上に半導体チップＱ１が電気的に接合される。
【００７６】
第１の実施の形態によれば、銀ナノペーストを塗布して焼成するという簡易な工程により高い耐熱性を備えた接合を形成することができる。
【００７７】
また、第１の実施の形態によれば、銀ナノペーストの焼結体である金属銀によって金属粒子接合層を形成することにより、金属粒子接合層２１ｂの耐熱性、熱伝導性等を高めることができ、ＳｉＣ系ＦＥＴ、ＧａＮ系ＦＥＴなどの半導体デバイス等に適したパワーモジュール半導体装置１を提供することができる。
【００７８】
また、第１の実施の形態によれば、金属粒子接合層は金属銀で形成され、鉛（Ｐｂ）を用いることが無いので、鉛フリーとなり公害対策に資することができる。
【００７９】
第１の実施の形態によれば、低コストで高い耐熱性を有するパワーモジュール半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
【００８０】
尚、上記の説明においては、金属粒子接合層２１ｂを介して、金属基板２１と半導体チップＱ１間を接合する例を説明したが、金属粒子接合層２３を介して、複数の金属基板２１間をその側面において接合する場合においても同様に適用可能である。
【００８１】
（固相拡散接合工程）
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、接合層２１ｂ・２３は、金属粒子接合の代わりに固相拡散接合技術を用いて形成することもできる。
【００８２】
また、半導体チップＱ１を金属基板２１上に形成するには、材料同士を固相拡散接合技術を用いて接合すれば、接合剤による特性悪化を除くことができる。この場合、固相拡散接合技術に適した表面処理（表面メッキ）などをしていることも必要である。
【００８３】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１において、半導体デバイスは、マルチチップ構成を採用していても良い。すなわち、例えば、約５ｍｍ角の半導体デバイスチップを電流容量に応じて、複数個、同一の金属基板２１上に配置しても良い。
【００８４】
半導体チップＱ１の裏面上および金属基板２１の表面上には、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）などを形成しても良い。すなわち、半導体チップＱ１の裏面には、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉなどからなる金属層を、めっき技術、スパッタリング技術若しくは真空蒸着技術などを用いて形成し、同様に、金属基板２１の表面上にＡｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉなどからなる金属層を、めっき技術、スパッタリング技術若しくは真空蒸着技術などを用いて形成し、両者の間で、固相拡散により接合層２１ｂを形成しても良い。
【００８５】
例えば、金属基板２１は、例えば、低ＣＴＥの電極材料ＣｕＭｏ、若しくは高熱伝導率で高電気伝導率の電極材料Ｃｕで形成可能である。なお、固相拡散接合層を形成する際には、加熱工程と同時に加圧する。接合部に加圧する圧力は、約１ＭＰａ以上約１００ＭＰａ以下であり、加熱温度は、約２００℃以上約３５０℃以下であることが望ましい。
【００８６】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１の製造方法に適用する固相拡散接合工程の説明であって、２つの金属材料Ｍ１・Ｍ２が互いに対向した様子を示す模式的断面構造は、図１１（ａ）に示すように表され、２つの金属材料Ｍ１・Ｍ２が互いに対向して接触し、高圧下で、接触界面ＢＦが塑性変形した様子を示す模式的断面構造は、図１１（ｂ）に示すように表され、接触界面ＢＦが完全に消失し、１つの境界面ＢＳのみが形成された様子を示す模式的断面構造は、図１１（ｃ）に示すように表され、原子拡散によって、境界面ＢＳが除去されてシームレスな固相拡散接合が形成された様子を示す模式的断面構造は、図１１（ｄ）に示すように表される。
【００８７】
（ａ）まず、図１１（ａ）に示すように、２つの金属材料Ｍ１・Ｍ２を互いに対向して近接させる。
【００８８】
（ｂ）次に、２つの金属材料Ｍ１・Ｍ２を互いに対向して接触させ、例えば、約１ＭＰａ以上約１００ＭＰａ以下の高い圧力を印加すると、図１１（ｂ）に示すように、接触界面ＢＦが塑性変形する。
【００８９】
（ｃ）次に、上記の高圧下において、加熱工程を実施すると、図１１（ｃ）に示すように、接触界面ＢＦが完全に消失し、１つの境界面ＢＳのみが形成される。このときの加熱温度は、例えば、約２００℃以上約３５０℃以下である。
【００９０】
（ｄ）さらに上記の高圧下において、加熱工程を実施し続けると、図１１（ｄ）に示すように、原子拡散によって、２つの金属材料Ｍ１・Ｍ２の境界面ＢＳが除去されてシームレスな固相拡散接合が形成される。
【００９１】
（半導体デバイスの構成例）
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１に適用する半導体デバイス１００の例として、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造は、図１２に示すように、ｎ-高抵抗層からなる半導体基板２６と、半導体基板２６の表面側に形成されたｐベース領域２８と、ｐベース領域２８の表面に形成されたソース領域３０と、ｐベース領域２８間の半導体基板２６の表面上に配置されたゲート絶縁膜３２と、ゲート絶縁膜３２上に配置されたゲート電極３８と、ソース領域３０およびｐベース領域２８に接続されたソース電極３４と、半導体基板２６の表面と反対側の裏面に配置されたｎ+ドレイン領域２４と、ｎ+ドレイン領域２４に接続されたドレインパッド電極３６とを備える。
【００９２】
図１２では、半導体デバイス１００は、プレーナゲート型ｎチャネル縦型ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴで構成されているが、トレンチゲート型ｎチャネル縦型ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴなどで構成されていても良い。
【００９３】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１に適用する半導体デバイス１００には、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの代わりに、ＧａＮ系ＦＥＴなどを適用することもできる。
【００９４】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１に適用する半導体デバイス１００には、ＳｉＣ系に限定されず、Ｓｉ系、ＧａＮ系、若しくはＡｌＮ系のいずれかのパワーデバイスを適用可能である。
【００９５】
更には、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１に適用する半導体デバイス１００には、バンドギャップエネルギーが、例えば、１．１ｅＶ〜８ｅＶの半導体を用いることができる。
【００９６】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１に適用する半導体デバイス１００の例であって、ソースパッド電極ＳＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造は、図１３に示すように表される。ゲートパッド電極ＧＰは、ゲート絶縁膜３２上に配置されたゲート電極３８に接続され、ソースパッド電極ＳＰは、ソース領域３０およびｐベース領域２８に接続されたソース電極３４に接続される。
【００９７】
また、ゲートパッド電極ＧＰおよびソースパッド電極ＳＰは、図１３に示すように、半導体デバイス１００の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜４４上に配置される。尚、ゲートパッド電極ＧＰおよびソースパッド電極ＳＰの下方の半導体基板２６内には、図１３の構成例では、図示を省略しているが、図１２或いは、図１３の中央部と同様に、微細構造のトランジスタ構造が形成されていても良い。
【００９８】
さらに、図１３に示すように、中央部のトランジスタ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜４４上にソースパッド電極ＳＰが延在して配置されていても良い。
【００９９】
（半導体装置を適用した応用例）
次に、図１５を参照して、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１を用いて構成した３相交流インバータについて説明する。
【０１００】
図１５に示すように、３相交流インバータは、ゲートドライブ部５０と、ゲートドライブ部５０に接続されたパワーモジュール部５２と、３相交流モータ部５４とを備える。パワーモジュール部５２は、３相交流モータ部５４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のインバータが接続されている。ここで、ゲートドライブ部５０は、図１５では、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１・Ｑ４に接続されているが、図示は省略するが、同様に、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ２・Ｑ５、およびＱ３・Ｑ６にも接続されている。
【０１０１】
パワーモジュール部５２は、蓄電池（Ｅ）４６の接続されたコンバータ４８が接続されたプラス端子（＋）とマイナス端子（−）間に、インバータ構成のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１・Ｑ４、Ｑ２・Ｑ５、およびＱ３・Ｑ６が接続されている。さらに、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６のソース・ドレイン間には、ダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ逆並列に接続されている。
【０１０２】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１では、図１５のＵ相部分に対応する単相インバータの構造について説明されていたが、Ｖ相、Ｗ相に対応しても同様に形成して、３相パワーモジュール部５２を形成することもできる。
【０１０３】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１では、第１信号端子群（Ｇ４・Ｓ４・Ｔ４）および第２信号端子群（Ｇ１・Ｓ１・Ｔ１）は、セラミック基板１０の厚み方向に折り曲げた構成を備えていても良い。
【０１０４】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１では、パワーモジュール半導体装置は、複数個並列に配置されていても良い。
【０１０５】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置では、Ｃｕ無垢またはＣｕＭｏなどで形成された金属基板の上にＳｉＣなどのパワー半導体素子を実装するため電気的抵抗をＤＢＣ基板などに比べて低減することができ、相対的に大電流が導通可能であるため、高パワー密度のモジュール半導体装置を実現可能である。
【０１０６】
温度変化ΔＴ＞＝２００℃以上の熱サイクルでは、ＤＢＣ基板またはＤＢＡ基板の表面の金属パターンは、セラミック基板との間で剥離が生じやすいのに対して、第１の実施の形態に係るモジュール半導体装置では、Ｃｕ若しくはＣｕＭｏなどの金属基板上に半導体素子を金属粒子接合若しくは固相拡散接合などを介して配置するため、温度変化ΔＴ＞＝２００℃以上の熱サイクルに対しても、このような剥離という問題は発生しない。
【０１０７】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置では、Ｃｕ無垢またはＣｕＭｏなどで形成された金属基板の上にＳｉＣなどのパワー半導体素子を実装するため、製造歩留まりが向上する。
【０１０８】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置１では、金属微粒子のような高耐熱接着剤を用いて、多数枚のチップ実装で、一つの不良チップによって、実装したすべてのチップを破棄せざるを得ないことを回避することができる。したがって、モジュール全体の製造歩留りの向上に貢献できる。
【０１０９】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置では、Ｃｕ無垢またはＣｕＭｏなどで形成された金属基板の上にＳｉＣなどのパワー半導体素子を実装するため、設計変更などに対するデザインの柔軟性を向上させることができる。
【０１１０】
また、第１の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置では、すべての半導体モジュールはいくつの金属ブロック構成単位を組立てて作られるため、半導体モジュールのデザイン変更はより簡単に実行可能である。製造時間も短縮化可能である。
【０１１１】
第１の実施の形態によれば、電気伝導特性と熱伝導特性を改善し、デザイン変更を簡単に実行可能であり、製造時間も短縮化可能であり、製造歩留りの向上可能なパワーモジュール半導体装置を提供することができる。
【０１１２】
[第２の実施の形態]
（ワンインワンモジュール）
第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２であって、ワンインワンモジュール（1 in 1 Module）に適用可能な金属ブロック構成単位（２１・２１ｂ・Ｄ１）・（２１・２１ｂ・Ｑ１）・（２１・２１ｂ・Ｄ１）・（２１・２１ｂ・Ｑ１）を別々に形成したブロック構造の模式的平面パターン構成は、図１６に示すように表される。
【０１１３】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２であって、図１６のブロック構造を並列配置し、接合層２３を介して同一平面上に並列接続したワンインワンモジュールの模式的平面パターン構成は、図１７に示すように表され、図１７のＶ−Ｖ線に沿う模式的断面構造は、図１８に示すように表され、図１７のＶＩ−ＶＩ線に沿う模式的断面構造は、図１９に示すように表される。
【０１１４】
また、隣接して配置されたブロック構造は、図１８〜図１９に示すように、ヒートスプレッダ３００上に、例えば、有機絶縁シート３００ｃを介して配置される。ヒートスプレッダ３００の表面・裏面には、金属層３００ａ・３００ｂを備えていても良い。
【０１１５】
第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２であって、ワンインワンモジュールの模式的回路表現は、図２０に示すように表される。また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２であって、ワンインワンモジュールの詳細回路表現は、図２１に示すように表される。
【０１１６】
ワンインワンモジュールの構成は、１個の半導体デバイスＱが１つのモジュールに内蔵されている。一例として４チップ（ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ×２＋ＳｉＣ  ＳＢＤ×２）搭載可能である。
【０１１７】
図２０には、ＭＯＳＦＥＴＱと、ＭＯＳＦＥＴＱに逆並列接続されるダイオードＤＩが示されている。ＭＯＳＦＥＴＱの主電極は、ドレイン端子ＤＴおよびソース端子ＳＴで表される。
【０１１８】
さらに詳細には、図２１に示すように、ＭＯＳＦＥＴＱに並列にセンス用ＭＯＳＦＥＴＱｓが接続される。センス用ＭＯＳＦＥＴＱｓは、ＭＯＳＦＥＴＱと同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。なお、第１の実施の形態においても半導体デバイスＱ１・Ｑ４には、センス用ＭＯＳＦＥＴＱｓが同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。
【０１１９】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２は、図１７および図１８に示すように、半導体デバイスＤ１・Ｑ１上に配置された柱状電極２０1・２０1を備えていても良い。
【０１２０】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２は、図１７および図１８に示すように、柱状電極２０1・２０1上に面一に配置された上面板電極２２を備えていても良い。
【０１２１】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２は、図１７および図１９に示すように、半導体デバイスＱ１・Ｑ１上に配置された柱状電極２０1・２０1を備えていても良い。
【０１２２】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２は、図１７および図１９に示すように、柱状電極２０1・２０1上に面一に配置された上面板電極２２を備えていても良い。
【０１２３】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２は、図１９に示すように、ブロック構造の金属基板２１上に絶縁層２５を介して配置された端子電極（ＳＳ・Ｇ・ＣＳ）を備えていても良い。なお、端子電極（ＳＳ・Ｇ・ＣＳ）は、金属基板２１上に絶縁層２５を介して配置された電極パターン（図示省略）上に接続されていても良い。また、絶縁層２５は、例えば、ＤＢＣ基板、ＤＢＡ若しくはＡＭＢ基板などを適用しても良い。
【０１２４】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２において、ブロック構造の金属基板２１は、図１７および図１８に示すように、接合層２３を介してドレイン端子ＤＴに接続される。
【０１２５】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２において、上面板電極２２は、図１７および図１８に示すように、接合層２３を介してソース端子ＳＴに接続される。なお、ソース端子ＳＴは、上面板電極２２と一体的に形成されていても良い。
【０１２６】
第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２に適用する半導体デバイス１００（Ｑ）の例として、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造は、図１２と同様に表される。
【０１２７】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２において、接合層２１ｂ・２３は、例えば、金属粒子接合層で形成可能である。ここで、金属粒子接合層は、導電性粒子を含むペースト層を焼成して形成可能である。また、導電性粒子は、金属微粒子であっても良い。更に詳細には、金属微粒子は、銀ナノ粒子、金ナノ粒子、ニッケルナノ粒子または銅ナノ粒子のいずれかで形成可能である。
【０１２８】
また、接合層２１ｂ・２３は、例えば、固相拡散層で形成可能である。
【０１２９】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２において、金属基板２１は、ＣｕＭｏ若しくはＣｕで形成可能である。
【０１３０】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２において、柱状電極２０1は、ＣｕＭｏ若しくはＣｕで形成されていても良い。
【０１３１】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２において、上面板電極２２は、ＣｕＭｏ若しくはＣｕで形成されていても良い。
【０１３２】
第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２においては、金属ブロック構成単位を一つの基本単位としてみなし、複雑なモジュールは金属ブロック構成単位に基づいて組み立て可能である。
【０１３３】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２においては、必要となる数の金属ブロック構成単位を作製し、接合層２３を介して複数の金属ブロック構成単位を接続することで、顧客のニーズに合わせて、組み立て可能である。
【０１３４】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２に適用する半導体デバイス１００（Ｑ）には、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの代わりに、ＧａＮ系ＦＥＴなどを適用することもできる。
【０１３５】
第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２に適用する半導体デバイス１００には、ＳｉＣ系、ＧａＮ系、若しくはＡｌＮ系のいずれかのパワーデバイスを適用可能である。
【０１３６】
第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置２に適用する半導体デバイス１００の例であって、ソースパッド電極ＳＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造は、図１３と同様に表される。
【０１３７】
第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置では、Ｃｕ無垢またはＣｕＭｏなどで形成された金属基板の上にＳｉＣなどのパワー半導体素子を実装するため電気的抵抗をＤＢＣ基板などに比べて低減することができ、相対的に大電流が導通可能であるため、高パワー密度のモジュール半導体装置を実現可能である。
【０１３８】
第２の実施の形態に係るモジュール半導体装置では、Ｃｕ若しくはＣｕＭｏなどの金属基板上に半導体素子を金属粒子接合若しくは固相拡散接合などを介して配置するため、温度変化ΔＴ＞＝２００℃以上の熱サイクルに対しても、剥離という問題は発生しない。
【０１３９】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置では、Ｃｕ無垢またはＣｕＭｏなどで形成された金属基板の上にＳｉＣなどのパワー半導体素子を実装するため、製造歩留まりが向上する。
【０１４０】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置では、Ｃｕ無垢またはＣｕＭｏなどで形成された金属基板の上にＳｉＣなどのパワー半導体素子を実装するため、設計変更などに対するデザインの柔軟性を向上させることができる。
【０１４１】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置では、すべての半導体モジュールはいくつの金属ブロック構成単位を組立てて作られるため、半導体モジュールのデザイン変更はより簡単に実行可能である。製造時間も短縮化可能である。
【０１４２】
第２の実施によれば、電気伝導特性と熱伝導特性を改善し、デザイン変更を簡単に実行可能であり、製造時間も短縮化可能であり、製造歩留りの向上可能なパワーモジュール半導体装置を提供することができる。
【０１４３】
本実施の形態に係るモジュール半導体装置では、ツーインワンモジュール、ワンインワンモジュールについて説明したが、フォーインワン（Four in One）構成、シックスインワン（Six in One）構成などに形成することも可能である。さらにＤＣ−ＤＣコンバータと組み合わせた構成も可能である。
【０１４４】
本実施の形態に係るモジュール半導体装置では、実装する半導体素子は、ＳＢＤ若しくはＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの例について主として説明したが、これらに限定されず、他のパワー半導体素子であっても良い。例えば、Ｓｉ系のＩＧＢＴ、ＧａＮ系のＨＥＭＴ、若しくはＡｌＮ系のいずれかのパワーデバイスを適用可能である。
【０１４５】
本実施の形態に係るモジュール半導体装置では、１つの金属ブロック上に実装する半導体素子の個数は、１個の例を主として説明したが、これらに限定されず、複数のＳＢＤ、ＭＯＳＦＥＴなどが１つの金属ブロック上に実装されていても良い。
【０１４６】
本実施の形態に係るモジュール半導体装置では、金属ブロック単位同士の接続を金属粒子接合若しくは固相拡散接合で形成しているが、入出力端子部分においても金属粒子接合若しくは固相拡散接合で形成可能である。
【０１４７】
尚、本実施の形態に係るモジュール半導体装置は、最終的にはモジュール半導体装置全体を、例えばトランスファモールド樹脂などを使用して樹脂封止される。
【０１４８】
以上説明したように、本発明によれば、電気伝導特性と熱伝導特性を改善し、デザイン変更を簡単に実行可能であり、製造時間も短縮化可能であり、製造歩留りの向上可能なパワーモジュール半導体装置を提供することができる。
【０１４９】
[その他の実施の形態]
上記のように、第１〜第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０１５０】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
本発明のパワーモジュール半導体装置は、ＳｉＣパワー半導体モジュール、インテリジェントパワーモジュールなどパワーデバイス全般に利用可能であり、特に、小型・軽量化が求められている分野、車載・太陽電池・産業機器向けのインバータ、コンバータ、特に、大電流高パワー密度、温度変化の激しい環境が要求される分野に適用可能である。
【符号の説明】
【０１５２】
１、１ａ、２…パワーモジュール半導体装置
１８1、２０1、２０4…柱状電極
２１、２１1、２１4…金属基板
２１ｂ、２３…金属接合層
２２、２２ｎ…上面板電極
２４…ｎ+ドレイン領域
２５…絶縁層
２６…半導体基板
２８…ｐベース領域
３０…ソース領域
３２…ゲート絶縁膜
３４…ソース電極
３６…ドレイン電極
３８…ゲート電極
４４…層間絶縁膜
４６…蓄電池（Ｅ）
４８…コンバータ
５０…ゲートドライブ部
５２…パワーモジュール部
５４…三相モータ部
１００、Ｑ、Ｑ１〜Ｑ６…半導体デバイス（ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ、半導体チップ）
１８０…ペースト層
２００…溶媒
２００ａ…シェル
２２０…銀ナノ粒子
３００…ヒートスプレッダ
３００ａ、３００ｂ…金属層
３００ｃ…有機絶縁シート
Ｄ１〜Ｄ６、ＤＩ…ダイオード
ＧＰ…ゲートパッド電極
ＳＰ、ＳＰ１、ＳＰ４…ソースパッド電極
Ｐ…正側電源入力端子
Ｎ…負側電源入力端子
ＤＴ…ドレイン端子
ＳＴ…ソース端子
Ｏ、Ｕ、Ｖ、Ｗ…出力端子
Ｇ、Ｇ１、Ｇ４…ゲート信号端子
Ｓ１、Ｓ４、ＳＳ…ソースセンス端子
ＣＳ、Ｔ１、Ｔ４…電流センス端子
Ａ１、Ａ４…アノード電極
ＥＰ…接地パターン
ＧＳＰ、ＣＳＰ、ＳＳＰ…信号端子群
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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