(57)【要約】【課題】高い除熱性能が継続的に得られる半導体モジュールを製造する。【解決手段】実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、位置決め工程Ｓ２及び接合工程Ｓ３を有する。位置決め工程Ｓ２では、半導体素子とヒートシンクとを互いに位置決めする。接合工程Ｓ３では、位置決めされた半導体素子とヒートシンクとを、半導体素子の母材とヒートシンクの材料との共晶点以下の温度で拡散接合する。【選択図】図２
2018073906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子とヒートシンクとを互いに位置決めする位置決め工程と、
前記位置決めされた半導体素子とヒートシンクとを、前記半導体素子の母材と前記ヒートシンクの材料との共晶点以下の温度で拡散接合する接合工程と、
を有する半導体モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記接合工程では、放電プラズマ焼結法を用いて拡散接合を行う、
請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項３】
前記半導体素子の母材は、炭化ケイ素であり、前記ヒートシンクの材料は、アルミニウム又は銅である、
請求項１又は２に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項４】
前記接合工程は、前記半導体素子の母材の線膨張係数と前記ヒートシンクの材料の線膨張係数との間の値の線膨張係数を有しかつ前記半導体素子と前記ヒートシンクとの間に介在させる接合層を形成する接合層形成工程を含む、
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項５】
前記接合層形成工程では、マグネトロンスパッタ法を用いて前記接合層を形成する、
請求項４に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項６】
前記マグネトロンスパッタ法を用いる前記接合層形成工程では、前記半導体素子の母材と同種の材料で構成された第１のターゲットと、前記ヒートシンクの材料と同種の材料で構成された第２のターゲットと、にそれぞれ投入する投入電力の比率を連続的に変えながら前記接合層を形成する、
請求項５に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項７】
前記接合層形成工程では、イオンビームスパッタ法を用いて前記接合層を形成する、
請求項４に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項８】
前記イオンビームスパッタ法を用いる前記接合層形成工程では、前記半導体素子の母材と同種の材料で構成された第１のターゲットと、前記ヒートシンクの材料と同種の材料で構成された第２のターゲットと、にそれぞれ入射させるイオンの入射束の比率を連続的に変えながら前記接合層を形成する、
請求項７に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項９】
前記接合工程では、前記半導体素子と前記ヒートシンクとを拡散接合することによってＳｉＣパワーモジュールを得る、
請求項１〜８のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１０】
半導体素子と、
前記半導体素子と接合されたヒートシンクと、
前記半導体素子の母材の線膨張係数と前記ヒートシンクの材料の線膨張係数との間の値の線膨張係数を有しかつ前記半導体素子と前記ヒートシンクとの間に介在させた接合層と、を備え、
前記半導体素子の母材は、炭化ケイ素であり、前記ヒートシンクの材料は、アルミニウム又は銅である、半導体モジュール。
【請求項１１】
前記接合層は、前記半導体素子の母材の成分と前記ヒートシンクの材料の成分とを含有し、前記半導体素子側から前記ヒートシンク側へ近付くにつれて、前記半導体素子の母材の成分の含有率が減少すると共に前記ヒートシンクの材料の成分の含有率が増加する、
請求項１０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】
本発明の実施形態は、半導体モジュールの製造方法及び半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ（炭化ケイ素）は、２．２３〜３．２６ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するワイドバンドギャップ半導体である。また、ＳｉＣは、Ｓｉ（ケイ素）の約１０倍の絶縁破壊電界強度を持ち、最大で約６５０℃の高温動作可能な半導体素子を得ることができ、さらには、Ｃｕ（銅）と同等の熱伝導度を持つ、など多くの特徴を有する。これらのことから、ＳｉＣは、電力の送変電時のエネルギー損失が小さいパワーデバイス用の材料として実用化が進められている。
【０００３】
一方、パワーデバイスは、回路に発生するジュール熱を効率良く除熱するために例えばヒートシンクを備えている。パワーデバイスは、特に大きな電力を制御する場合、発生するジュール熱の量が増大して、回路の性能の低下や誤動作、回路の破壊などが懸念されるため、ヒートシンクには高い除熱性能が要求される。
【０００４】
このため、ヒートシンクの材料には、熱伝導率の高い銅やアルミニウムが適用される。また、このようなヒートシンクと半導体素子との接合には、一般に、はんだ付けやろう付けなどの接合助剤を用いた接合方法が採られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２７０６１３号公報
【特許文献２】特開２００８−５０６４７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】四戸「SiCパワーデバイス」東芝レビューVol.59,No.2,pp49-53(2004)
【非特許文献２】福井ら「Al-SiC傾斜機能材料肉厚リングにおける残留応力解析」機械学会論文集（A編）60巻574号pp70-75(1994)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したような接合助剤を用いた接合方法は、接合界面における耐熱性や接合強度が十分とはいえずこの点が課題となっている。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、高い除熱性能が継続的に得られる半導体モジュールの製造方法及び半導体モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、位置決め工程及び接合工程を有する。位置決め工程では、半導体素子とヒートシンクとを互いに位置決めする。接合工程では、位置決めされた半導体素子とヒートシンクとを、半導体素子の母材とヒートシンクの材料との共晶点以下の温度で拡散接合する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高い除熱性能が継続的に得られる半導体モジュールの製造方法及び半導体モジュールを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法により得られた半導体モジュールの構造を概略的に示す断面図。
【図２】図１の半導体モジュールの製造方法を示すフローチャート。
【図３】第２の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法により得られた半導体モジュールの構造を概略的に示す断面図。
【図４】図３の半導体モジュールの接合層（傾斜機能層）の構成を模式的に示す図。
【図５】図３の半導体モジュールの製造方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本実施形態の半導体モジュール１０は、半導体素子１２とヒートシンク１４とを備えた電力変換用のＳｉＣパワーモジュール（ＳｉＣパワーデバイス）である。
【００１３】
また、上述した半導体素子１２（回路が形成されている半導体素子本体）の母材は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）である。一方、ヒートシンク１４の材料は、アルミニウム（Ａｌ）である。このヒートシンク１４の材料には、銅（Ｃｕ）を適用してもよい。
【００１４】
ここで、上記したようなＳｉＣ製の部材とアルミニウム製の部材、又は、ＳｉＣ製の部材と銅製の部材、を接合する場合、ろう材や水ガラス系バインダなどの接合助材を介して互いを接合する方法が主流である。
【００１５】
この理由は、ＳｉＣ製の部材とアルミニウム製の部材（又は、ＳｉＣ製の部材と銅製の部材）を拡散接合などによって直接接合しようとすると、ＳｉＣ（シリコンの成分）とアルミニウムが５７７℃（又は、ＳｉＣ［シリコンの成分］と銅が５４８℃）で共晶して、析出物が接合界面に生成され、これによって接合強度が著しく低下することが想定されるからである。
【００１６】
つまり、半導体素子１２とヒートシンク１４との接合強度を向上させるためには、析出物の生成を抑制する必要がある。
【００１７】
そこで、本実施形態に係る半導体モジュール１０は、放電プラズマ焼結（SPS:Spark Plasma Sintering）法を用いて、半導体素子１２とヒートシンク１４とが、半導体素子１２の母材（ＳｉＣ）とヒートシンク１４の材料（例えばアルミニウム）との共晶点（例えば５７７℃）以下の温度（例えば５００℃の温度条件）で互いに拡散接合されている。
【００１８】
上記した半導体モジュール１０の製造方法を実施する場合には、図２に示すように、まず、拡散接合時の条件を例えば放電プラズマ焼結装置に対して設定する（Ｓ１）。この場合の条件としては、加熱温度を５００℃、圧力（加圧力）を５５ＭＰａ、加熱及び加圧の時間を例えば６００秒間に設定する。このような加熱加圧プレス時の加熱温度は、３５０℃以上、５００℃以下であることが好ましく、また、圧力は、５ＭＰａ以上、５５ＭＰａ以下であることが望ましい。
【００１９】
次に、半導体素子１２とヒートシンク１４とを互いに位置決めする（Ｓ２）。つまり、半導体素子１２上の所定位置にヒートシンク１４を載置したものを放電プラズマ焼結装置にセットする。次いで、上記のように設定された拡散接合時の条件を適用し、放電プラズマ焼結法による拡散接合（接合工程）を実行する（Ｓ３）。これにより、図１に示したように、半導体モジュール（ＳｉＣパワーモジュール）１０が製造される（Ｓ４）。
【００２０】
ここで、放電プラズマ焼結は、熱拡散効果の他、電界拡散効果によっても、接合界面における元素拡散が促進されるため、ホットプレス法やＨＩＰ（hot isostatic press，熱間静水圧［等方圧］プレス）などの他の拡散接合プロセスと比較して、低温及び短時間での接合が可能となる。
【００２１】
このようにして製造された半導体モジュール１０は、ＳｉＣ（シリコンの成分）とアルミニウムとの共晶点以下の温度で半導体素子１２とヒートシンク１４とが拡散接合されているため、接合界面近傍における析出物の生成が抑えられている。
【００２２】
したがって、本実施形態の半導体モジュール１０及びその製造方法によれば、半導体素子１２とヒートシンク１４との互いの接合強度が向上するので、当該半導体モジュール１０における高い除熱性能を継続的に得ることができる。これにより、半導体モジュール１０の長寿命化を図ることができる。
【００２３】
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施形態を図３〜図５に基づき説明する。図３に示すように、本実施形態に係る半導体モジュール３０は、第１の実施形態に係る半導体モジュール１０の構成に加え、半導体素子１２とヒートシンク１４との間に介在させた接合層（傾斜機能層）３１をさらに備えている。この接合層３１とヒートシンク１４とは、放電プラズマ焼結法を用いて、半導体素子１２の母材とヒートシンク１４の材料との共晶点以下の温度で互いに拡散接合されている。
【００２４】
接合層３１は、半導体素子１２の母材（ＳｉＣ）の線膨張係数（約３．７×１０-6／℃）とヒートシンク１４の材料の線膨張係数（アルミニウムは約２３×１０-6／℃、銅は約１６．６×１０-6／℃）との間の値の線膨張係数を有する。この接合層３１は、ヒートシンク１４との接合の前に、後述するマグネトロンスパッタ法やイオンビームスパッタ法を用いて半導体素子１２上に形成される。
【００２５】
詳述すると、接合層３１は、半導体素子１２の母材の成分とヒートシンク１４の材料の成分とを含有する。また、接合層３１は、図４に示すように、半導体素子１２側からヒートシンク１４側へ近付くにつれて、半導体素子１２の母材の成分の含有率が減少（ＳｉＣの含有率が例えば９０％から１０％へと徐々に減少）すると共に、ヒートシンク１４の材料の成分の含有率が増加（アルミニウム［又は銅］の含有率が例えば１０％から９０％へと徐々に増加）する構造の傾斜機能層である。
【００２６】
このように傾斜機能化させた接合層３１は、半導体モジュール３０の動作時のジュール熱によって、半導体素子１２とヒートシンク１４との間に生じ得る熱応力を好適に緩和することが可能となる。
【００２７】
次に、本実施形態の半導体モジュール３０の製造方法を図５に示すフローチャートに基づいて説明する。この実施形態の製造方法では、半導体素子１２とヒートシンク１４との接合工程に、接合層３１を形成するための接合層形成工程が含まれる。
【００２８】
図５に示すように、例えば、上記したマグネトロンスパッタ法を用いる接合層形成工程では、半導体素子１２の母材と同種の材料で構成された第１（ＳｉＣ製）のターゲットと、ヒートシンク１４の材料と同種の材料で構成された第２（アルミニウム製又は銅製）のターゲットと、にそれぞれ投入する投入電力の比率を、時間の経過に伴って連続的に変えながら接合層３１を形成する（Ｓ１１）。
【００２９】
より詳細には、マグネトロンスパッタ装置の真空チャンバ内に半導体素子１２を設置すると共に、この真空チャンバ内に設けられた２つの電極に上記した第１及び第２のターゲットをセットする。次いで、チャンバ内の真空度を例えば８×１０-4Ｐａ以下にした後、第１（ＳｉＣ製）のターゲット側の電極に高周波電源を適用し、第２（例えばアルミニウム製）のターゲット側の電極に直流電源を適用して、各電極にそれぞれ電力を投入すると、２源同時放電のスパッタリング現象が生じ、半導体素子１２上にＳｉＣの成分とアルミニウムの成分とが混合した層が形成される。
【００３０】
この際、時間の経過に伴って、第１（ＳｉＣ製）のターゲット側の電極に対する投入電力を徐々に減少させる一方で、第２（例えばアルミニウム製）のターゲット側の電極に対する投入電力を徐々に増加させることで、ＳｉＣの成分とアルミニウムの成分との含有率が、層厚方向に沿って変化する図４に示した構造の接合層（傾斜機能層）３１を得ることができる。
【００３１】
これに代えて、イオンビームスパッタ法を用いる接合層形成工程では、半導体素子１２の母材と同種の材料で構成された第１のターゲットと、ヒートシンク１４の材料と同種の材料で構成された第２のターゲットと、にそれぞれ入射させるイオンの入射束の比率を連続的に変えながら接合層３１を形成する。ここで、本実施形態の説明で用いている同種の材料とは、同一の材料及び同じ種類の材料を含む概念である。
【００３２】
具体的には、２つのイオン銃を備えたイオンビームスパッタ装置内に半導体素子１２、並びに第１及び第２のターゲットをセットする。次に、２つのイオン銃を用いて第１及び第２のターゲットを同時にスパッタリングする。この際、時間の経過に伴って、第１（ＳｉＣ製）のターゲット側へのイオンの入射束が徐々に減少するように一方のイオン銃を制御すると共に、第２（例えばアルミニウム製）のターゲット側へのイオンの入射束が徐々に増加するように他方のイオン銃を制御することで、図４に示した構造の接合層（傾斜機能層）３１を得ることが可能となる。
【００３３】
このようにして半導体素子１２上に接合層３１を形成した後、図５に示すように、拡散接合時の条件を第１の実施形態と同様に放電プラズマ焼結装置に対して設定する（Ｓ１２）。次に、接合層（傾斜機能層）３１の形成された半導体素子１２とヒートシンク１４とを互いに位置決めする（Ｓ１３）。つまり、半導体素子１２の接合層３１上の所定位置にヒートシンク１４を載置したものを放電プラズマ焼結装置にセットする。
【００３４】
次いで、上記のように設定された拡散接合時の条件を適用し（半導体素子１２の母材とヒートシンク１４の材料との共晶点以下の温度で）、放電プラズマ焼結法を用いて半導体素子１２の接合層３１とヒートシンク１４との拡散接合を実行する（Ｓ１４）。これにより、図３に示したように、半導体モジュール（ＳｉＣパワーモジュール）３０が製造される（Ｓ１５）。
【００３５】
このようにして製造された本実施形態の半導体モジュール３０は、半導体素子１２の母材の線膨張係数とヒートシンク１４の材料の線膨張係数との間の値の線膨張係数を有する接合層３１を、半導体素子１２とヒートシンク１４との間に介在させている。しかも、この接合層３１は、半導体素子１２側からヒートシンク１４側へ近付くにつれて、半導体素子１２の母材の成分の含有率が減少すると共にヒートシンク１４の材料の成分の含有率が増加する構造となる。
【００３６】
したがって、半導体モジュール３０によれば、半導体モジュール３０の動作時に、半導体素子１２とヒートシンク１４との間に生じ得る熱応力（歪み）を、傾斜機能化させたこの接合層３１が、効果的に吸収し、半導体素子１２とヒートシンク１４との間に亀裂などが発生することを抑制できる。
【００３７】
さらに、本実施形態の半導体モジュール３０は、ＳｉＣ（シリコンの成分）とアルミニウム（又は銅）との共晶点以下の温度で半導体素子１２の上記接合層３１とヒートシンク１４とが拡散接合されているので、接合界面における析出物（シリコンと例えばアルミニウムとの析出物）の生成が抑えられている。
【００３８】
したがって、半導体モジュール３０によれば、接合層３１の形成された半導体素子１２とヒートシンク１４との接合強度が向上するので、優れた除熱性能を継続的に得ることができ、これにより、半導体モジュール３０自体の長寿命化を図ることができる。
【００３９】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１０，３０…半導体モジュール（ＳｉＣパワーモジュール）、１２…半導体素子、１４…ヒートシンク、３１…接合層（傾斜機能層）。
【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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