(57)【要約】【課題】半導体素子と配線層が圧接固定される圧接型の半導体モジュールにおいて、半導体素子が動作したときの温度分布に起因して半導体素子に加わる応力を緩和する技術を提供すること。【解決手段】圧接型の半導体モジュールは、導電性の応力緩和部を備える。応力緩和部は、半導体素子と配線層の間に設けられており、自在に変形可能であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と配線層が圧接固定される圧接型の半導体モジュールであって、
前記半導体素子と前記配線層の間に設けられており、自在に変形可能な導電性の応力緩和部を備えている半導体モジュール。
【請求項２】
前記配線層には、前記半導体素子と対向する面に溝が形成されており、
前記応力緩和部は、前記溝内に充填された導電性の複数の粉体を有している請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記半導体素子と前記配線層に当接しており、前記配線層の前記溝を一巡して設けられているシール部材をさらに備えている請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記応力緩和部を付勢する弾性部材をさらに備えている請求項２又は３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記配線層に接する絶縁層をさらに備えており、
前記配線層には、前記絶縁層と接する面から前記溝まで貫通する貫通孔が形成されており、
前記弾性部材は、前記貫通孔内に配置されている請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記絶縁層に接する冷却器をさらに備えており、
前記半導体素子は、ゲート構造が設けられている素子部と、前記素子部の周囲に設けられている終端部と、を有しており、
前記半導体素子と前記配線層と前記絶縁層と前記冷却器の積層方向に観測したときに、前記貫通孔は、前記半導体素子の前記素子部と重複しない位置関係に配置されている請求項５に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記応力緩和部が、導電性の複数の粉体と、前記複数の粉体を収容する金属箔と、を有する請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記配線層には、前記半導体素子と対向する面に溝が形成されており、
前記応力緩和部は、前記溝内に設けられている請求項７に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記半導体素子は、前記配線層と対向する面の一部に設けられているパッシベーション膜を有しており、
前記応力緩和部は、前記パッシベーション膜で画定される溝内に設けられている請求項７に記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
前記応力緩和部を付勢する弾性部材をさらに備える請求項７〜９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】
本明細書で開示される技術は、半導体素子と配線層が圧接固定される圧接型の半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１〜３に開示されるように、半導体素子と配線層が圧接固定される圧接型の半導体モジュールが開発されている。このような圧接型の半導体モジュールでは、半導体素子と配線層がはんだ等によって固定されていないので、半導体素子と配線層は、両者の接触面に平行な方向に拘束されない。このため、半導体素子が動作したときに発生する熱の影響によって半導体素子と配線層の間に熱膨張差が生じても、半導体素子と配線層の接触面に平行な方向における滑りの効果によって、半導体素子と配線層に加わる応力が緩和される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−９９２８４号公報
【特許文献２】特開２００５−１０１４８９号公報
【特許文献３】特開２０１２−１１９６５１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、素子部と終端部を有している。素子部は、ゲート構造が設けられており、電流が流れる部分である。終端部は、その素子部の周囲に設けられており、横方向の耐圧を向上させるための部分である。
【０００５】
半導体素子が動作したときに発生する熱は、終端部よりも素子部で大きくなる。このため、半導体素子の温度は、素子部で高く、終端部で低い。このような温度分布が形成されると、素子部が終端部よりも大きく熱膨張するので、半導体素子が湾曲するように変形しようとする。しかしながら、圧接型の半導体モジュールでは、半導体素子は、配線層によって積層方向が拘束されているので、湾曲変形が阻害され、大きな応力が加わる。
【０００６】
本明細書では、半導体素子が動作したときの温度分布に起因する応力を緩和する技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示される技術は、半導体素子と配線層が圧接固定される圧接型の半導体モジュールに具現化される。半導体モジュールは、半導体素子と配線層の間に設けられており、自在に変形可能な導電性の応力緩和部を備える。
【０００８】
半導体素子が動作して温度分布が形成されると、半導体素子は湾曲するように変形しようとする。応力緩和部は自在に変形可能に構成されているので、半導体素子の湾曲変形を許容することができる。このため、半導体素子に加わる応力が緩和される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施例の半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。
【図２】図２は、下側シール部材近傍の断面図を模式的に示す。
【図３】図３は、上側シール部材近傍の断面図を模式的に示す。
【図４】図４は、半導体素子が湾曲変形したときの半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。
【図５】図５は、第２実施例の半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。
【図６】図６は、第２実施例の半導体モジュールの変形例の要部断面図を模式的に示す。
【図７】図７は、第３実施例の半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（特徴１）本明細書で開示される半導体モジュールは、半導体素子と配線層が圧接固定される圧接型である。半導体モジュールは、半導体素子と配線層の間に設けられており、自在に変形可能な導電性の応力緩和部を備えている。ここで、半導体素子は、一対の主電極が下面と上面の各々に設けられている縦型のデバイスであってもよく、一対の主電極が一方の面に設けられている横型のデバイスであってもよい。また、半導体素子の材料は特に限定されるものではない。しかし、炭化珪素系又は窒化ガリウム系の化合物半導体を材料とする半導体素子は、電流密度が大きいので、動作したときの温度分布に起因する応力が問題となり易い。このため、本明細書で開示される技術は、このような化合物半導体を材料とする半導体素子を搭載するための圧接型の半導体モジュールに適用するのが特に有用である。応力緩和部は、自在に変形可能に構成されていればよく、一例では、複数の導電性の粉体で構成されていてもよく、導電性の流体で構成されていてもよい。
（特徴２）特徴１において、配線層には、半導体素子と対向する面に溝が形成されていてもよい。応力緩和部は、溝内に充填された導電性の複数の粉体を有していてもよい。応力緩和部が複数の粉体で構成されていると、個々の粉体が配線層の溝内で移動することができるので、応力緩和部が自在に変形可能となる。
（特徴３）特徴２において、半導体モジュールはさらに、シール部材を有していてもよい。シール部材は、半導体素子と配線層に当接しており、配線層の溝を一巡して設けられていてもよい。シール部材が設けられていると、応力緩和部を構成する粉体が配線層の溝から漏出することが抑えられる。
（特徴４）特徴２又は３において、半導体モジュールは、応力緩和部を付勢する弾性部材をさらに備えていてもよい。弾性部材の形態、材料は特に限定されるものではない。このような弾性部材が設けられていると、応力緩和部は、半導体素子の変形に良好に追従することができる。
（特徴５）特徴４において、半導体モジュールは、配線層に接する絶縁層をさらに備えていてもよい。この場合、配線層には、絶縁層と接する面から溝まで貫通する貫通孔が形成されていてもよい。さらに、弾性部材は、貫通孔内に配置されていてもよい。この態様によると、貫通孔内に配置されている弾性部材は、一端が絶縁層に接触することができるので、圧縮した状態で貫通孔内に配置されることができる。
（特徴６）特徴５において、半導体モジュールは、絶縁層に接する冷却器をさらに備えていてもよい。また、半導体素子は、ゲート構造が設けられている素子部、及び素子部の周囲に設けられている終端部を有していてもよい。ここで、終端部とは、横方向の耐圧を向上させるための部分であり、一例では、ガードリング構造又はリサーフ構造が設けられている。半導体素子と配線層と絶縁層と冷却器の積層方向に観測したときに、貫通孔は、半導体素子の素子部と重複しない位置関係に配置されていてもよい。半導体素子の素子部で発生した熱を効率的に冷却器まで伝熱させることができる。
（特徴７）特徴１において、応力緩和部は、導電性の複数の粉体、及び複数の粉体を収容する金属箔を有していてもよい。金属箔内に複数の粉体を収容することにより、複数の粉体が漏出することを抑えることができる。
（特徴８）特徴７において、配線層には、半導体素子と対向する面に溝が形成されていてもよい。応力緩和部は、溝内に設けられていてもよい。
（特徴９）特徴７において、半導体素子は、配線層と対向する面の一部に設けられているパッシベーション膜を有していてもよい。応力緩和部は、パッシベーション膜で確定される溝内に設けられていてもよい。
（特徴１０）特徴７〜９のいずれか１つにおいて、半導体モジュールは、応力緩和部を付勢する弾性部材をさらに備えていてもよい。弾性部材の形態、材料は特に限定されるものではない。このような弾性部材が設けられていると、応力緩和部は、半導体素子の変形に良好に追従することができる。
【実施例１】
【００１１】
図１に示されるように、圧接型の半導体モジュール１は、半導体素子４０の両面から半導体素子４０を冷却可能に構成されており、下側基部１６、下側応力緩和部１７、下側シール部材１９、上側シール部材２９、上側応力緩和部２７、上側基部２６、複数の貫通ボルト３１，３３及び複数の固定ナット３２，３４を備えている。下側基部１６、下側応力緩和部１７及び下側シール部材１９は、半導体素子４０の下面側に配置されている。上側基部２６、上側応力緩和部２７及び上側シール部材２９は、半導体素子４０の上面側に配置されている。
【００１２】
下側基部１６は、下側冷却器１１、下側絶縁層１３及び下側配線層１５を有している。下側冷却器１１と下側絶縁層１３は、一例ではろう付け等を利用して接合されている。下側絶縁層１３と下側配線層１５も、一例ではろう付け等を利用して接合されている。下側冷却器１１には冷媒を流通させる流路が形成されており、半導体素子４０で発生した熱はその冷媒を介して外部に放熱される。下側絶縁層１３は、下側冷却器１１と下側配線層１５を電気的に絶縁する。下側配線層１５は、導電体であり、下側応力緩和部１７を介して半導体素子４０の裏面電極に電気的に接続されている。下側冷却器１１の材料は、一例ではアルミニウムである。下側絶縁層１３の材料は、一例では窒化アルミニウム等のセラミック板、又はポリイミド等の有機膜である。下側配線層１５の材料は、一例では銅、アルミニウム等の金属材である。
【００１３】
下側配線層１５には、下側溝１５ａが形成されている。下側溝１５ａは、下側配線層１５の半導体素子４０に対向する面に形成されている。下側シール部材１９は、Ｏ−リングであり、下側溝１５ａの周囲を一巡するように配置されている。下側シール部材１９の材料には、一例ではフッ素ゴムが用いられている。下側シール部材１９は、半導体素子４０と下側配線層１５の双方に当接している。図２に、下側シール部材１９の周囲の様子を拡大して示す。ここで、半導体素子４０としては、縦型のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)が例示されている。半導体素子４０の裏面電極であるコレクタ電極４２は、下側応力緩和部１７を介して下側配線層１５に電気的に接続されている。半導体素子４０は、終端部に対応する下面の一部を被覆する下側パッシベーション膜４１を有する。下側シール部材１９は、下側配線層１５の表面に形成されている溝と下側パッシベーション膜４１に形成されている溝の双方に嵌め込まれ、所定位置に位置決めされている。
【００１４】
図１に示されるように、下側応力緩和部１７は、下側配線層１５の下側溝１５ａ内に設けられており、下側シール部材１９で封止されている。下側応力緩和部１７は、複数の金属粉体で構成されている。金属粉体の材料は、導電性と伝熱性に優れた材料であれば特に限定されるものではなく、一例では、Ａｕ，Ａｇ、Ｃｕ又はＡｌであるのが望ましい。また、金属粉体の粒径は、数百ｎｍと数μｍの間であるのが望ましい。下側応力緩和部１７は、複数の金属粉体とグリースの混合物であってもよい。
【００１５】
上側基部２６は、上側冷却器２１、上側絶縁層２３、及び上側配線層２５を有している。上側冷却器２１と上側絶縁層２３は、一例では熱伝導グリースを介して押圧接触している。上側絶縁層２３と上側配線層２５も、一例では熱伝導グリースを介して押圧接触している。上側冷却器２１には冷媒を流通させる流路が形成されており、半導体素子４０で発生した熱はその冷媒を介して外部に放熱される。上側絶縁層２３は、上側冷却器２１と上側配線層２５を電気的に絶縁する。上側配線層２５は、導電体であり、上側応力緩和部２７を介して半導体素子４０に電気的に接続されている。上側冷却器２１の材料は、一例ではアルミニウムである。上側絶縁層２３の材料は、一例では窒化アルミニウム等のセラミック板、又はポリイミド等の有機膜である。上側配線層２５の材料は、一例では銅、アルミニウム等の金属材である。
【００１６】
上側配線層２５には、上側溝２５ａが形成されている。上側溝２５ａは、上側配線層２５の半導体素子４０に対向する面に形成されている。上側シール部材２９は、Ｏ−リングであり、上側溝２５ａの周囲を一巡するように配置されている。上側シール部材２９の材料には、一例ではフッ素ゴムが用いられている。上側シール部材２９は、半導体素子４０と下側配線層１５の双方に当接している。図３に、上側シール部材２９の周囲の様子を拡大して示す。ここで、半導体素子４０としては、縦型のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)が例示されている。半導体素子４０の表面電極であるエミッタ電極４４は、上側応力緩和部２７を介して上側配線層２５に電気的に接続されている。半導体素子４０は、終端部に対応する上面の一部を被覆する上側パッシベーション膜４３を有する。上側シール部材２９は、上側配線層２５の表面に形成されている溝と上側パッシベーション膜４３に形成されている溝の双方に嵌め込まれ、所定位置に位置決めされている。
【００１７】
図１に示されるように、上側応力緩和部２７は、この上側溝２５ａ内に設けられており、上側シール部材２９で封止されている。上側応力緩和部２７は、複数の金属粉体で構成されている。金属粉体の材料は、導電性と伝熱性に優れた材料であれば特に限定されるものではなく、一例では、Ａｕ，Ａｇ、Ｃｕ又はＡｌであるのが望ましい。また、金属粉体の粒径は、数百ｎｍと数μｍの間であるのが望ましい。上側応力緩和部２７は、複数の金属粉体とグリースの混合物であってもよい。
【００１８】
図１に示されるように、下側基部１６と上側基部２６の各々には、複数の貫通孔が形成されている。１つの貫通ボルト３１は、上側基部２６の貫通孔と下側基部１６の貫通孔と貫通しており、その端部に結合する固定ナット３２を利用して上側基部２６及び下側基部１６に螺着されている。他の１つの貫通ボルト３３も、上側基部２６の貫通孔と下側基部１６の貫通孔と貫通しており、その端部に結合する固定ナット３４を利用して上側基部２６及び下側基部１６に螺着されている。これらの構成により、下側基部１６は下側応力緩和部１７を介して半導体素子４０を紙面上方向に押圧し、上側基部２６は上側応力緩和部２７を介して半導体素子４０を紙面下方向に押圧する。これにより、半導体素子４０は、下側基部１６と上側基部２６の間で挟持される。
【００１９】
半導体モジュール１はさらに、複数の下側弾性機構５０、及び複数の上側弾性機構６０を備えている。
【００２０】
下側弾性機構５０は、下側貫通孔５１、下側弾性部材５３、及び下側ストッパ５５を有している。下側貫通孔５１は、下側配線層１５に形成されており、下側配線層１５の下側絶縁層１３と接する面（半導体素子４０に対向する面とは反対側の面）から下側溝１５ａまで伸びている。下側貫通孔５１は、積層方向（紙面上下方向）に観測したときに、半導体素子４０の素子部と重複しない位置関係に配置されている。下側貫通孔５１がこのような位置関係に配置されていると、半導体素子４０で発生した熱の熱伝導、及び半導体素子４０と下側配線層１５の間の電気伝導の悪化が抑制される。また、下側貫通孔５１は、半導体モジュール１を組み立てるときに、下側応力緩和部１７を構成する複数の金属粉体を投入する投入口として用いられてもよい。下側弾性部材５３は、一例では樹脂ばねであり、下側貫通孔５１内に配置されている。下側弾性部材５３は、この例に代えて、ウレタン又はゴム系のばねでもよい。下側弾性部材５３は、一端が下側絶縁層１３に接しており、他端が下側ストッパ５５に接している。下側弾性部材５３は、平衡状態において、圧縮荷重が加わった状態で配置されており、下側ストッパ５５を介して下側応力緩和部１７を付勢している。
【００２１】
上側弾性機構６０は、上側貫通孔６１、上側弾性部材６３、及び上側ストッパ６５を有している。上側貫通孔６１は、上側配線層２５に形成されており、上側配線層２５の上側絶縁層２３と接する面（半導体素子４０に対向する面とは反対側の面）から上側溝２５ａまで伸びている。上側貫通孔６１は、積層方向（紙面上下方向）に観測したときに、半導体素子４０の素子部と重複しない位置関係に配置されている。上側貫通孔６１がこのような位置関係に配置されていると、半導体素子４０で発生した熱の熱伝導、及び半導体素子４０と上側配線層２５の間の電気伝導の悪化が抑制される。また、上側貫通孔６１は、半導体モジュール１を組み立てるときに、上側応力緩和部２７を構成する複数の金属粉体を投入する投入口として用いられてもよい。上側弾性部材６３は、一例では樹脂ばねであり、上側貫通孔６１内に配置されている。上側弾性部材６３は、この例に代えて、ウレタン又はゴム系のばねでもよい。上側弾性部材６３は、一端が上側絶縁層２３に接しており、他端が上側ストッパ６５に接している。上側弾性部材６３は、平衡状態において、圧縮荷重が加わった状態で配置されており、上側ストッパ６５を介して上側応力緩和部２７を付勢している。
【００２２】
次に、半導体素子４０が動作したときに半導体素子４０に加わる応力が緩和される作用を説明する。半導体素子４０は、素子部と終端部を有している。素子部は、ゲート構造が設けられており、電流が流れる部分である。終端部は、その素子部の周囲に設けられており、横方向の耐圧を向上させるための部分である。
【００２３】
半導体素子４０が動作したときに発生する熱は、終端部よりも素子部で大きい。特に、半導体素子４０の素子部の上面側で多くの熱が発生する。このため、半導体素子４０の温度は、素子部の上面側で高くなる分布を有する。図４に示されるように、このような温度分布が形成されると、素子部の上面側が残部よりも大きく熱膨張するので、上に凸となるように湾曲変形する。
【００２４】
下側応力緩和部１７及び上側応力緩和部２７はいずれも、金属粉体で構成されており、自在に変形可能に構成されている。このため、半導体素子４０の湾曲変形に追従して変形することができる。これにより、半導体素子４０に加わる応力が緩和される。
【００２５】
上側応力緩和部２７は、上側弾性部材６３が圧縮変形することによって、半導体素子４０の湾曲変形に良好に追従することができる。これにより、上側応力緩和部２７は、半導体素子４０に加わる応力を大幅に軽減させることができる。
【００２６】
下側応力緩和部１７は、下側弾性部材５３が伸張変形することによって、半導体素子４０の湾曲変形に良好に追従することができる。特に、半導体素子４０が上に凸となるように湾曲変形するような場合でも、下側応力緩和部１７と半導体素子４０の下面との接触状態が維持されるので、下側応力緩和部１７は、半導体素子４０で発生した熱を下側冷却器１１に伝導させる能力、及び半導体素子４０と下側配線層１５の電気的な接続を維持することができる。
【実施例２】
【００２７】
図５に示されるように、半導体モジュール２は、半導体素子４０の下面に接する下側応力緩和部１１７、及び半導体素子４０の上面に接する上側応力緩和部１２７を備えている。下側応力緩和部１１７及び上側応力緩和部１２７はいずれも、複数の金属粉体を袋状の金属箔に収容した構成であることを特徴としている。金属箔の材料は、導電性、伝熱性、屈曲性に優れた材料であれば特に限定されるものではなく、一例では、銅、アルミニウム等の金属材であるのが望ましい。下側応力緩和部１１７は、下側配線層１５に形成された下側溝１１５ａに嵌め込まれている。上側応力緩和部１２７は、上側配線層２５に形成された下側溝１２５ａに嵌め込まれている。下側応力緩和部１１７及び上側応力緩和部１２７のように、複数の金属粉体を袋状の金属箔に収容した構成を採用すると、第１実施例のシール部材１９，２９が不要となり、構成が簡単化される。なお、半導体素子４０の終端部の電界分布が金属箔により影響されないように、半導体素子４０側に絶縁対策が施されているのが望ましい。
【００２８】
また、図６に示されるように、半導体モジュール２は、複数の弾性機構１５０をさらに備えていてもよい。弾性機構１５０は、下側板部材１５１、弾性部材１５３、及び上側板部材１５５を有している。弾性部材１５３は、一例では樹脂ばねであり、下側応力緩和部１１７と上側応力緩和部１２７の間に配置されている。この例に代えて、ウレタン又はゴム系のばねでもよい。弾性部材１５３は、下側板部材１５１を介して下側応力緩和部１１７を付勢しており、上側板部材１５５を介して上側応力緩和部１２７を付勢している。このような弾性機構１５０が設けられていると、下側応力緩和部１１７及び上側応力緩和部１２７は、半導体素子４０の湾曲変形に良好に追従して変形することができる。
【実施例３】
【００２９】
図７に示されるように、半導体モジュール３は、半導体素子４０の下面に接する下側応力緩和部２１７、及び半導体素子４０の上面に接する上側応力緩和部２２７を備えている。下側応力緩和部２１７及び上側応力緩和部２２７はいずれも、複数の金属粉体を金属箔に収容した構成であることを特徴としている。さらに、下側応力緩和部２１７は、半導体素子４０の下面に形成されている下側パッシベーション膜２４１によって位置決めされている。下側パッシベーション膜２４１は、下側応力緩和部２１７を収容可能な形態の溝を確定するように加工されている。上側応力緩和部２２７も、半導体素子４０の上面に形成されている上側パッシベーション膜２４３によって位置決めされている。上側パッシベーション膜２４３も、上側応力緩和部２２７を収容可能な形態の溝を確定するように加工されている。このように、パッシベーション膜２４１，２４３によって下側応力緩和部１１７及び上側応力緩和部１２７の位置決めさせるように構成されていると、配線層１５，２５に溝を形成する必要がなくなり、構成が簡単化される。
【００３０】
以上、本発明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。また、本明細書また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、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数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】
【００３１】
１：半導体モジュール
１１，２１：冷却器
１３，２３：絶縁層
１５，２５：配線層
１５ａ，２５ａ：溝
１７，２７：応力緩和部
４０：半導体素子
５０，６０：弾性機構
５１，６１：貫通孔
５３，６３：弾性部材
５５，６５：ストッパ
【図１】
2014183283.tif 000003
【図２】
2014183283.tif 000004
【図３】
2014183283.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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