(57)【要約】【課題】半導体装置の信頼性を高める。【解決手段】パワーモジュールは、半導体チップ１と、半導体チップ１を支持するとともに表裏両面に導体膜からなる配線３ｃが形成され、かつ半導体チップ１と電気的に接続されたセラミック基板３と、半導体チップ１とセラミック基板３との間に配置され、かつ半導体チップ１とセラミック基板３を接合する焼結接合材２と、を有している。さらに、上記パワーモジュールにおいて、半導体チップ１の焼結接合材２と接合する裏面１ｂおよびセラミック基板３の焼結接合材２と接合する上面３ａの配線３ｃに、複数の球面状の凸部９が形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップを支持し、前記半導体チップと電気的に接続された配線基板と、
前記半導体チップと前記配線基板との間に配置され、前記半導体チップと前記配線基板とを接合する焼結接合材と、
を有し、
前記半導体チップの前記焼結接合材と接合する第１接合面もしくは前記配線基板の前記焼結接合材と接合する第２接合面のうちの少なくとも何れか一方に、複数の球面状の凸部が形成されている、半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記焼結接合材は、その厚さ方向において、前記焼結接合材の前記半導体チップとの接合境界部を含む第１接合部、前記焼結接合材の前記配線基板との接合境界部を含む第２接合部、前記第１接合部と前記第２接合部の間に位置する中央部を有し、
前記厚さ方向に沿って切断した断面視において、前記第１および第２接合部のそれぞれの焼結密度は、前記中央部の焼結密度より大きい、半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置において、
前記複数の球面状の凸部それぞれの球面の曲率半径は、０．５μｍ〜５μｍである、半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置において、
前記半導体チップの前記第１接合面もしくは前記配線基板の前記第２接合面のうちの少なくとも何れか一方に、複数の球面状の凹部が形成されている、半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置において、
前記焼結接合材は、ＣｕもしくはＡｇを主成分とする材料からなる、半導体装置。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置において、
前記半導体チップは、ＳｉＣもしくはＧａＮからなる、半導体装置。
【請求項７】
請求項１記載の半導体装置において、
鉄道の車両に設けられたインバータに搭載されている、半導体装置。
【請求項８】
請求項１記載の半導体装置において、
自動車の車体に設けられたインバータに搭載されている、半導体装置。
【請求項９】
半導体チップと、
前記半導体チップを支持し、前記半導体チップと電気的に接続され、表裏両面に導体膜が形成された配線基板と、
前記半導体チップと前記配線基板との間に配置され、前記半導体チップと前記配線基板とを接合する焼結接合材と、
前記半導体チップおよび前記配線基板が搭載された金属板と、
前記配線基板と前記金属板との間に配置され、前記配線基板と前記金属板とを接合する他の接合材と、
を有し、
前記半導体チップの前記焼結接合材と接合する第１接合面および前記導体膜の前記焼結接合材と接合する第２接合面に、複数の球面状の凹凸部が形成されている、半導体装置。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体装置において、
前記焼結接合材は、その厚さ方向において、前記焼結接合材の前記半導体チップとの接合境界部を含む第１接合部、前記焼結接合材の前記配線基板との接合境界部を含む第２接合部、前記第１接合部と前記第２接合部の間に位置する中央部を有し、
前記厚さ方向に沿って切断した断面視において、前記第１および第２接合部のそれぞれの焼結密度は、前記中央部の焼結密度より大きい、半導体装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の半導体装置において、
前記複数の球面状の凹凸部それぞれの球面の曲率半径は、０．５μｍ〜５μｍである、半導体装置。
【請求項１２】
請求項９記載の半導体装置において、
前記他の接合材は、はんだ合金からなる、半導体装置。
【請求項１３】
請求項９記載の半導体装置において、
前記焼結接合材は、ＣｕもしくはＡｇを主成分とする材料からなる、半導体装置。
【請求項１４】
請求項９記載の半導体装置において、
鉄道の車両に設けられたインバータに搭載されている、半導体装置。
【請求項１５】
請求項９記載の半導体装置において、
自動車の車体に設けられたインバータに搭載されている、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特にインバータに使用されるパワー系の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー系の半導体装置（パワーモジュール）は、半導体素子（以下、半導体チップまたは単にチップとも言う）と絶縁基板、もしくは絶縁基板と放熱用金属板を接合材で接合した構造となっているものが多い。
【０００３】
これまで、高信頼性が要求される半導体装置、特に自動車や建機、鉄道、情報機器分野等に用いられる半導体装置の接続部材としては鉛（Ｐｂ）入りはんだが使用されてきたが、環境負荷低減のため、鉛フリーの接続部材を使用した機器も広く使用されている。
【０００４】
近年、高温動作が可能で、かつ機器の小型軽量化が可能なＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体の開発が推し進められている。なお、一般的にＳｉ（シリコン）の半導体素子は動作温度の上限が１５０〜１７５℃であるのに対し、ＳｉＣの半導体素子は１７５℃以上での使用が可能である。
【０００５】
ただし、使用温度が高温になると、半導体装置（パワーモジュール）に使用される接合材についても１７５℃以上の耐熱性が要求されるため、高融点接合材や微小粒子を使用した焼結接合など高耐熱な接合部の開発が進んでいる。このように、焼結現象を利用した焼結性金属接合技術は、高耐熱性能が要求されるパワーモジュールに好適な性質を有するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２８６７４号公報
【特許文献２】特開２０１５−３５４５９号公報
【特許文献３】特開２０１６−１００４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
金属微粒子の低温焼成機能を利用した焼結接合が高耐熱かつ高信頼な接合材料として期待されている。一般に粒径が数１００ｎｍ以下の金属ナノ粒子では、構成原子数が少なくなり粒子の体積に対する表面積比は急激に増大し、焼結温度がバルクの状態に比較して大幅に低下する。金属微粒子は非常に反応性が高く、保管中の焼結進行を防止するため一般的には表面に有機物の被膜を形成したり、金属酸化層を設けた金属微粒子を使用する。また、サンプルに供給しやすくするため、金属微粒子を溶剤と混合してペースト化した焼結接合材ペーストが一般に使用される。
【０００８】
接合の際には、被接合材間に焼結接合ペーストを供給して加熱および加圧を加えることで焼結が進行して接合が達成される。接合後は金属微粒子はバルク金属へと変化すると同時に接合界面では金属結合により接合されるため、非常に高い耐熱性および信頼性を有する。
【０００９】
ここで、特許文献１（特開２０１２−２８６７４号公報）には、半導体素子の接合材（焼結性の銀微粒子）の部分に応力緩衝板を介在させて接合信頼性を高める技術が開示されている。なお、接合材と被接合部材との接合界面では剥離が発生し易いが、上記特許文献１ではこのような剥離については考慮されていない。
【００１０】
また、パワーモジュールなどの電子機器において被接合材はバルク金属であるため、特に接合界面の強度が低くなることが問題となっている。接合界面の焼結密度が低い場合、接合界面の強度が不足し、接合界面での剥離が発生するため所望の信頼性が得られなくなる。このような課題に対して、特許文献２（特開２０１５−３５４５９号公報）によれば、第１部材と第２部材の少なくとも一方の金属面は、表面粗さを有する粗面に形成されたため、第１部材と第２部材を大型化することなく、第１部材と第２部材の接合面積を増加させることができ、また、アンカー効果に基づいて、十分な接合強度を得ることができる。さらに、粗面は、０．５μｍ〜２．０μｍの表面粗さに形成されたため、クラック面積率（剥離面積の割合）を大幅に抑制することができ、第１部材と第２部材を接合する場合の接合信頼性の向上を図ることができる発明が開示されている。しかしながら、焼結接合は液相を介さず、また粗さによる表面の凹凸の大きさや形状については考慮されておらず、接合材の剥離は防ぐことができない。また、異なる粒子径の焼結性金属接合材料を用いて絶縁基板の導体層と半導体素子の電極とを接合することにより、接合強度を向上させ、剥離を防ぐことができる技術が特許文献３（特開２０１６−１００４２４号公報）に開示されている。しかしながら、前記技術では、少なくとも２回焼結性金属接合材料を供給する必要があるためプロセスタイムが増加するという課題がある。
【００１１】
本発明の目的は、焼結接合材によって半導体チップが接合された半導体装置の信頼性を高めることができる技術を提供することにある。
【００１２】
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１４】
本発明に係る半導体装置は、半導体チップと、上記半導体チップを支持し、上記半導体チップと電気的に接続された配線基板と、上記半導体チップと上記配線基板との間に配置され、上記半導体チップと上記配線基板とを接合する焼結接合材と、を有する。さらに、上記半導体チップの上記焼結接合材と接合する第１接合面もしくは上記配線基板の上記焼結接合材と接合する第２接合面のうちの少なくとも何れか一方に、複数の球面状の凸部が形成されている。
【００１５】
本発明に係る他の半導体装置は、半導体チップと、上記半導体チップを支持し、上記半導体チップと電気的に接続され、表裏両面に導体膜が形成された配線基板と、上記半導体チップと上記配線基板との間に配置され、上記半導体チップと上記配線基板とを接合する焼結接合材と、を有する。さらに、上記半導体チップおよび上記配線基板が搭載された金属板と、上記配線基板と上記金属板との間に配置され、上記配線基板と上記金属板とを接合する他の接合材と、を有し、上記半導体チップの上記焼結接合材と接合する第１接合面および上記導体膜の上記焼結接合材と接合する第２接合面に、複数の球面状の凹凸部が形成されている。
【発明の効果】
【００１６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１７】
半導体装置の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１の半導体装置（パワーモジュール）の構造の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１の半導体装置に用いられる配線基板の構造の一例を示す平面図である。
【図３】図１に示す半導体装置の焼結接合材によるチップ接合部の構造の一例を示す拡大部分断面図である。
【図４】図３のＡ部に示す凸部の曲率半径を示す模式図である。
【図５】比較例の焼結接合材によるチップ接合部の構造を示す拡大部分断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２の半導体装置（パワーモジュール）の焼結接合材によるチップ接合部の構造の一例を示す拡大部分断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３の半導体装置（パワーモジュール）の焼結接合材によるチップ接合部の構造の一例を示す拡大部分断面図である。
【図８】図１に示す半導体装置が搭載された鉄道車両の一例を示す部分側面図である。
【図９】図８に示す鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。
【図１０】図１に示す半導体装置が搭載された自動車の一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の半導体装置（パワーモジュール）の構造の一例を示す断面図、図２は本発明の実施の形態１の半導体装置に用いられる配線基板の構造の一例を示す平面図、図３は図１に示す半導体装置の焼結接合材によるチップ接合部の構造の一例を示す拡大部分断面図、図４は図３のＡ部に示す凸部の曲率半径を示す模式図である。
【００２０】
本実施の形態１の半導体装置は、例えば、鉄道の車両や自動車の車体等に搭載される半導体モジュール（パワーモジュール）である。したがって、複数のパワー系の半導体チップ（半導体素子）１を備えている半導体装置である。なお、半導体チップ１は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）やＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor) 、Ｄｉｏｄｅ等であるが、ただしこれらに限定されるものではない。
【００２１】
図１に示すパワーモジュール（半導体装置）２０の構成について説明する。パワーモジュール２０は、半導体チップ１を有しており、上記半導体チップ１は、上面１ａとその反対側の面である裏面（第１接合面）１ｂとを備えている。そして、半導体チップ１は、焼結接合材２を介してセラミック基板（配線基板）３と接合されている。すなわち、半導体チップ１の裏面１ｂは、焼結接合材２と接合している。
【００２２】
なお、半導体チップ１は、１７５℃以上の高温で動作可能なＳｉＣもしくはＧａＮからなることが好ましいが、例えばシリコンからなるものであってもよい。
【００２３】
また、パワーモジュール２０は、半導体チップ１の上面１ａに設けられた電極１ｄと、セラミック基板３の上面（第２接合面）３ａの配線３ｃｃ（３ｃ）とを電気的に接続する導電性のワイヤ６と、セラミック基板３の配線３ｃｃと電気的に接続し、かつ外部に引き出される端子７とを有している。
【００２４】
本実施の形態１のパワーモジュール２０では、図２に示すように、１枚のセラミック基板３上に、複数（例えば、３つ）の半導体チップ１が搭載されている。具体的には、セラミック基板３の上面３ａに設けられた配線３ｃｂ上に複数の半導体チップ１が搭載されている。
【００２５】
また、図１に示すように、セラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｃには、パワーモジュール２０の外部端子である複数の端子７が接続されている。
【００２６】
そして、複数の半導体チップ１および複数の端子７が搭載されたセラミック基板３は、接合材（他の接合材であり、例えば、はんだ合金など）５を介してベース板（金属板）４に搭載されている。すなわち、ベース板４は、接合材５を介してセラミック基板３を支持している。
【００２７】
ここで、セラミック基板３は、その上面３ａに複数の配線（導体膜）３ｃが形成されている。図２に示すセラミック基板３では、上面３ａの中央部に導体膜である配線３ｃｂが配置され、また、配線３ｃｂの両側に、図１に示すワイヤ６が接続される配線（導体膜）３ｃａおよび配線（導体膜）３ｃｃが形成されており、一方、下面３ｂにも配線３ｃｄが形成されている。これらの配線３ｃａ、３ｃｂ、３ｃｃ、３ｃｄは、例えば、Ｃｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）などからなり、セラミック基板３は、窒化珪素やアルミナ、窒化アルミニウムなどからなる。そして、セラミック基板３の下面３ｂに形成された配線３ｃｄは、接合材５によってベース板４に接合されている。
【００２８】
また、図１に示すように、半導体チップ１の上面１ａには、例えばゲート用の電極１ｃが形成されており、セラミック基板３の配線３ｃａとワイヤ６を介して電気的に接続されている。さらに、半導体チップ１の上面１ａに形成された別の電極１ｄは、セラミック基板３の配線３ｃｃとワイヤ６を介して電気的に接続されている。
【００２９】
また、外部端子である端子７は、その一端が、セラミック基板３の配線３ｃｃに接合されており、さらに他端がケース８の外部に引き出されている。また、ベース板４は、放熱用の金属板である。また、放熱板でもあるベース板４には、複数の半導体チップ１、複数のワイヤ６およびセラミック基板３を覆うケース８が設けられており、そのケース８内には封止用の樹脂１１が充填されている。つまり、複数の半導体チップ１、複数のワイヤ６およびセラミック基板３は、上記封止用の樹脂１１によって封止されている。樹脂１１としては、例えばゲル状の樹脂材を用いることが好ましい。
【００３０】
また、複数のワイヤ６のそれぞれは、例えばＡｌ線またはＣｕ線などの金属線である。
【００３１】
そして、本実施の形態１のパワーモジュール２０では、セラミック基板３の上面３ａに形成された配線３ｃａ、３ｃｂ、３ｃｃは、それぞれ電極として用いられる。また、焼結接合材２は、半導体チップ１とセラミック基板３との間に配置されて、半導体チップ１とセラミック基板３とを接合する部材であり、焼結接合を基本とする接合材料であることが望ましい。一方、接合材５は、セラミック基板３とベース板４との間に配置されて、セラミック基板３とベース板４とを接合する部材である。接合材５は、好ましくは、Ｓｎを主成分とするはんだ合金もしくはＰｂを主成分とするはんだ合金であり、例えば、Ｐｂ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕなどのはんだ合金である。ただし、Ｚｎ−Ａｌ、Ａｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｓｉ、焼結Ａｇ、焼結Ｃｕなどの接合材であってもよい。ベース板４は、Ｃｕ、Ａｌ、あるいはＡｌ合金、Ｃｕ合金、ＡｌとＳｉＣの複合材、もしくはＭｇ（マグネシウム）とＳｉＣの複合材などであってもよい。
【００３２】
次に、本実施の形態１のパワーモジュール２０の特徴部分について説明する。
【００３３】
本実施の形態１のパワーモジュール２０に搭載された半導体チップ１は、高耐熱性のＳｉＣやＧａＮなどの材料からなるものであることが好ましく、半導体チップ１がＳｉＣやＧａＮなどの材料からなることにより、更なる動作温度の高温化にも対応することができる。
【００３４】
また、本実施の形態１のパワーモジュール２０では、図３に示すように、半導体チップ１の焼結接合材２と接合する裏面（第１接合面）１ｂに、それぞれが球面状を成す複数の凸部９ａ（９）が形成されている。さらに、セラミック基板３の焼結接合材２と接合する上面（第２接合面）３ａの配線３ｃｂの表面に、同じくそれぞれ球面状の複数の凸部９ｂ（９）が形成されている。
【００３５】
なお、複数の球面状の凸部９は、半導体チップ１の裏面１ｂもしくはセラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂのうちの少なくとも何れか一方に形成されていればよい。ただし、半導体チップ１の裏面１ｂとセラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂとの両者に設けられている方が効果が大きいため、本実施の形態１では、半導体チップ１の裏面１ｂとセラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂのそれぞれに、球面状の複数の凸部９が形成されている場合を説明する。
【００３６】
また、複数の球面状の凸部９のそれぞれは、図３および図４に示すように、略半球状に形成されている。
【００３７】
これにより、焼結接合材２における半導体チップ１やセラミック基板３との接合界面付近の焼結密度を高めて焼結接合材２による接合信頼性を高めることができる。
【００３８】
なお、図３に示すような複数の球面状の凸部９が形成された構造を表現する場合、複数の凹凸部が形成されていると言う表現を用いてもよいことは言うまでもない。すなわち、それぞれ球面状の複数の凸部９が設けられている場合には、隣接する凸部９間に隙間が形成されるため、この隙間を凹部と見立てることで、複数の凸部９を複数の凹凸部と表現することも可能である。
【００３９】
したがって、図３に示す構造に対しては、半導体チップ１の裏面１ｂおよびセラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂに、それぞれ複数の球面状の凹凸部（凸部９のこと）が形成されていると言うように表現してもよい。
【００４０】
ここで、本発明の課題を図５を用いて説明する。図５は比較例の焼結接合材によるチップ接合部の構造を示す拡大部分断面図である。
【００４１】
焼結接合では、一般的にナノメートルオーダーの金属微粒子を使用するが、接合時にはナノメートルオーダーの微粒子がそのまま焼結するのではなく、まず微粒子同士で焼結が進むため、接合後には様々なサイズの粒子で接合部および接合界面は構成されている。その中で本発明者が図５に示すような焼結接合材２によるチップ接合構造を検討した結果、接合後の焼結接合材２には、直径１μｍ〜１０μｍの粒子が多数を占めることを見出した。
【００４２】
なお、接合後の形状は粒子の表面積が小さくなるほうがエネルギー的に安定なため、球体が結合したような形状となる。
【００４３】
図５の比較例に示すように、焼結接合材２による半導体チップ１とセラミック基板３との接合において、セラミック基板３の上面３ａの全面が平坦なモジュール構造の場合、半導体チップ１の接合時に、直径１μｍ〜１０μｍの粒子が形成されるため半導体チップ１やセラミック基板３との接合界面では粒子の焼結密度が低くなる。すると、焼結密度が低い接合界面部分は他の部分と比較して強度が低くなるため脆性的に破壊されてしまい、焼結接合材２と半導体チップ１との間の接合界面や焼結接合材２とセラミック基板３との間の接合界面で剥離が発生し、この剥離によって半導体装置の信頼性が低下するという課題が発生する。
【００４４】
そこで、本発明者は、半導体装置の組立てプロセスを増加させることなく、焼結接合材２の接合界面の高信頼化を実現可能なパワーモジュールの構造について検討した。その結果、図３に示すように、半導体チップ１の裏面１ｂやセラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂに、それぞれ球面状を成す複数の凸部９を設けることで、焼結接合材２の接合界面近傍の焼結密度を高められることを見出した。すなわち、焼結接合材２の接合界面近傍の焼結密度を高めることで、焼結接合材２の接合界面での剥離の発生を低減して、接合界面における接合信頼性を向上できることを見出した。
【００４５】
詳細には、図３に示すように、半導体チップ１の裏面１ｂやセラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂに、それぞれ球面状を成す複数の凸部９を設けることにより、隣接する球面状の凸部９間の隙間に焼結接合材２の一部（粒子）を入り込ませることができる。これにより、焼結接合材２の半導体チップ１との接合境界部２ａを含む第１接合部２ｂ、および焼結接合材２のセラミック基板３との接合境界部２ｃを含む第２接合部２ｄのそれぞれの焼結密度を、焼結接合材２における第１接合部２ｂおよび第２接合部２ｄを除く部分、すなわち焼結接合材２の厚さ方向における中央部２ｅ付近の焼結密度より大きく（高く）することができる。つまり、焼結接合材２の厚さ方向（半導体チップ１の厚さ方向と同方向）に沿って切断した断面視において、第１接合部２ｂおよび第２接合部２ｄのそれぞれの焼結密度を、第１接合部２ｂと第２接合部２ｄの間に位置する中央部２ｅの焼結密度より大きく（高く）することができる。
【００４６】
このように焼結接合材２における半導体チップ１やセラミック基板３との接合界面近傍の焼結密度を大きくする（高める）ことができるため、接合界面で破壊することなく高い信頼性を得ることができる。言い換えれば、焼結接合材２における半導体チップ１やセラミック基板３との接合界面で発生する剥離を抑制または防止することができる。
【００４７】
また、応力が集中し易い箇所となる焼結接合材２の接合界面近傍に複数の球面形状の凸部９を設けたことにより、低高温の温度変化などによって接合界面近傍に付与される応力を分散させることができ、焼結接合材２による接合部の接合信頼性をさらに高めることができる。
【００４８】
これにより、焼結接合材２によって半導体チップ１やセラミック基板３が接合されたパワーモジュール（半導体装置）２０の信頼性を高めることができる。また、高耐熱性を有するパワーモジュール（半導体装置）２０の構造を実現することができる。
【００４９】
また、焼結接合材２を用いた接合部の接合信頼性が高められることで、低温と高温の環境が繰り返される温度サイクルなどの温度負荷に対しても大きな耐性を有することができる。
【００５０】
なお、複数の球面状の凸部９それぞれの球面の大きさは、図４に示すように、その曲率半径Ｒが０．５μｍ〜５μｍであり、好ましくは３μｍ程度である。すなわち、形成される焼結接合材２の粒子の直径は、約６μｍ程度であるため、この接合後の粒子の大きさと同程度の曲率半径Ｒが３μｍ程度の球面が好ましく、種々のばらつきを考慮すると、曲率半径Ｒが０．５μｍ〜５μｍ程度の球面の凸部９が複数設けられていることが好適である。複数の凸部９それぞれの球面の曲率半径Ｒを０．５μｍ〜５μｍにすることで、接合後の焼結接合材２の一部（粒子）を、隣接する凸部９間の隙間に入り込ませることができ、焼結接合材２の接合界面近傍の密度を高めることができる。
【００５１】
また、焼結接合材２は、ＣｕもしくはＡｇを主成分とする材料からなることが好ましい。そして、セラミック基板３の表裏面に形成された導体膜である配線３ｃは、銅箔から形成されていることが好適である。
【００５２】
なお、半導体チップ１の裏面１ｂに形成された複数の凸部９ａ（９）は、例えば無電解めっきによって形成することが可能である。一方、セラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂに形成された複数の凸部９ｂ（９）は、同じく無電解めっきによって形成することが可能であり、あるいは図示しない金型を用いてこの金型を押し付けてセラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂに転写する方法でも形成することが可能である。
【００５３】
また、複数の凸部９は、焼結接合材２がＣｕからなる場合には、ＣｕもしくはＮｉによって形成されることが好ましい。一方、焼結接合材２がＡｇからなる場合には、複数の凸部９は、Ａｇ、ＡｕもしくはＰｄによって形成されることが好ましい。
【００５４】
次に、本実施の形態１のパワーモジュール２０の組立てについて説明する。
【００５５】
まず、図３に示すように、裏面１ｂに複数の球面状の凸部９ａ（９）が形成された半導体チップ１を準備し、さらに、上面３ａの配線３ｃｂに複数の球面状の凸部９ｂ（９）が形成されたセラミック基板３を準備する。
【００５６】
次に、セラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂに、微小な金属粉末を溶剤でペースト化した焼結接合用のペースト材を塗布する。塗布後、上記ペースト材を介して半導体チップ１を搭載して、２００〜４００℃に加熱することで上記溶剤を揮発させ、同時に加圧することにより、焼結が進行して接合が達成される。すなわち、半導体チップ１とセラミック基板３とが焼結接合材２によって接合される。接合後は、金属粒子は、バルク金属へと変化すると同時に、接合界面では金属結合により接合が行われるため、焼結接合材２の接合部は非常に高い耐熱性と信頼性を有する。
【００５７】
次に、ベース板４上に、はんだ合金からなる接合材（他の接合材）５を介してセラミック基板３を配置し、接合材５を加熱溶融してセラミック基板３とベース板（金属板）４とを接合する。ベース板４は放熱用の板材である。
【００５８】
この時、例えば、リフロー炉などで加圧を行うとともに３００℃以上の加熱を加えることで、接合材５を溶融してセラミック基板３とベース板４とを接合する。これにより、図１に示すモジュール構造におけるセラミック基板３とベース板４とのはんだ接合を完了する。このように接合材５として、はんだ合金を採用することにより、リフロー炉を用いて容易にセラミック基板３とベース板４の接合を行うことができる。
【００５９】
次に、図１に示すように、半導体チップ１の電極１ｃとセラミック基板３の配線３ｃａとをワイヤ６によって電気的に接続する。さらに、半導体チップ１の電極１ｄとセラミック基板３の配線３ｃｃとをワイヤ６によって電気的に接続する。また、外部端子となる端子７をセラミック基板３の配線３ｃｃに接続する。
【００６０】
次に、端子７の一部が露出するように、かつセラミック基板３や半導体チップ１および複数のワイヤ６を覆うように、ベース板４にケース８を取り付ける。
【００６１】
次に、ケース８内の空間に封止用の樹脂１１を充填し、この樹脂１１を硬化させてパワーモジュール２０の組立てを完了する。
【００６２】
以上のように、本実施の形態１のパワーモジュール２０によれば、パワーモジュール２０の組立てプロセスを増加させることなく、焼結接合材２の接合界面の信頼性を向上させることができる。
【００６３】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２の半導体装置（パワーモジュール）の焼結接合材によるチップ接合部の構造の一例を示す拡大部分断面図である。本実施の形態２は、半導体チップ１の裏面（第１接合面）１ｂもしくはセラミック基板３の上面（第２接合面）３ａの配線３ｃｂのうちの少なくとも何れか一方に、複数の球面状の凸部９に加えて、さらに複数の球面状の凹部１０が形成されている構造を説明するものである。本実施の形態２ではその一例として、半導体チップ１の裏面１ｂとセラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂの両方に複数の球面状の凸部９と凹部１０が形成されている場合を説明する。
【００６４】
すなわち、半導体チップ１の裏面１ｂに、複数の球面状の凸部９ａと複数の球面状の凹部１０ａとが、それぞれ隣り合う配列で形成されている。一方、セラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂにも複数の球面状の凸部９ｂと複数の球面状の凹部１０ｂとが、それぞれ隣り合う配列で形成されている。
【００６５】
別の表現で言えば、半導体チップ１の裏面１ｂとセラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂのそれぞれに、球面状を成す複数の凹凸部（凹部１０と凸部９）が形成されている。そして、上記複数の球面状の凹凸部の球面の大きさは、実施の形態１と同様に、球面の曲率半径Ｒが０．５μｍ〜５μｍであり、好ましくは３μｍ程度である。
【００６６】
さらに、上記凹凸部は、実施の形態１と同様の材料によって形成されることが好ましい。すなわち、複数の上記凹凸部は、焼結接合材２がＣｕからなる場合には、ＣｕもしくはＮｉによって形成されることが好ましい。一方、焼結接合材２がＡｇからなる場合には、上記複数の凹凸部は、Ａｇ、ＡｕもしくはＰｄによって形成されることが好ましい。なお、上記複数の凹凸部についての形成方法は、半導体チップ１の裏面１ｂに形成する場合、裏面１ｂにＣｕなどの導体膜を形成した後、エッチングによって凹凸部を形成することが好ましい。一方、セラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂに上記複数の凹凸部を形成する場合には、セラミック基板３の上面３ａにＣｕなどの導体膜を形成した後、エッチングによって凹凸部を形成してもよいし、上面３ａにＣｕなどの導体膜を形成した後、図示しない金型を押し付けて表面に転写して上記複数の凹凸部を形成してもよい。
【００６７】
以上のように、半導体チップ１の裏面１ｂとセラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂのそれぞれに、球面状を成す複数の凹凸部（凹部１０と凸部９）が形成されていることにより、焼結接合材２の接合界面近傍の焼結密度をさらに高めることができる。
【００６８】
その際、凹部１０による凹曲面と凸部９による凸曲面があることにより、接合時に加圧を行っても、焼結用のペースト材の保持力を向上させることができ、ペースト材の流れ出しを防止することができる。その結果、実施の形態１の構造と比べてさらに加圧の値を大きくすることができ、焼結接合材２の全体的な焼結密度を大きくする（高める）ことができる。したがって、実施の形態１の構造に比べてさらに信頼性が高いパワーモジュール２０（図１参照）の構造を実現することができる。
【００６９】
（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３の半導体装置（パワーモジュール）の焼結接合材によるチップ接合部の構造の一例を示す拡大部分断面図である。
【００７０】
本実施の形態３は、半導体チップ１の裏面（第１接合面）１ｂに複数の球面状の凸部９ａ（９）が形成され、かつセラミック基板３の上面（第２接合面）３ａの配線３ｃｂには、複数の球面状の凸部９と複数の球面状の凹部１０が形成されている構造を説明するものである。
【００７１】
すなわち、半導体チップ１の裏面１ｂに、複数の球面状の凸部９ａが形成され、一方、セラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂには、複数の球面状の凸部９ｂと複数の球面状の凹部１０ｂとが、それぞれ隣り合う配列で形成されている。つまり、セラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂには、球面状を成す複数の凹凸部（凹部１０と凸部９）が形成されている。
【００７２】
このように半導体チップ１の裏面１ｂに凸部９による凸曲面があり、セラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂに凹部１０による凹曲面と凸部９による凸曲面とがある構造においても、実施の形態１および２と同様の効果を得ることができる。なお、実施の形態３の凸部９や凹部１０における材料や形成方法についても、実施の形態２と同様であり、金型を押し付けて表面に転写する、もしくはめっきで形成するなどの任意の方法で形成することが可能である。
【００７３】
＜適用例＞
図８は図１に示す半導体装置が搭載された鉄道車両の一例を示す部分側面図、図９は図８に示す鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。
【００７４】
本適用例では、上記実施の形態１〜３のパワーモジュール２０を搭載した鉄道車両について説明する。図８に示す鉄道車両２１は、例えば、図１に示すパワーモジュール２０が搭載されたものであり、車両本体２６と、パワーモジュール２０と、パワーモジュール２０を支持する実装部材と、集電装置であるパンタグラフ２２と、インバータ２３とを備えている。そして、パワーモジュール２０は、車両本体２６の下部に設置されたインバータ２３に搭載されている。
【００７５】
図９に示すように、インバータ２３の内部では、プリント基板（実装部材）２５上に複数のパワーモジュール２０が搭載され、さらにこれらのパワーモジュール２０を冷却する冷却装置２４が搭載されている。図１に示す本実施の形態のパワーモジュール２０では、半導体チップ１からの発熱量が多い。したがって、複数のパワーモジュール２０を冷却してインバータ２３の内部を冷却可能なように冷却装置２４が取り付けられている。
【００７６】
これにより、鉄道車両２１において、図１に示すモジュールの接合構造が用いられた複数のパワーモジュール２０を搭載したインバータ２３が設けられていることにより、インバータ２３内が高温環境となった場合であっても、インバータ２３およびそれが設けられた鉄道車両２１の信頼性を高めることができる。すなわち、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐え得るパワーモジュール２０およびこれを用いたインバータシステムを実現することができる。
【００７７】
本適用例（パワーモジュール２０を鉄道車両２１に適用した例）によれば、パワーモジュール２０においてチップ接合に焼結接合材２を用い、かつ半導体チップ１の裏面１ｂやセラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂに、複数の球面状の凸部９または凹凸部が形成されたことにより、焼結接合材２による接合部の接合信頼性を高めることができる。
【００７８】
これにより、高温環境に対する耐性が高くなるため、インバータ２３に対する冷却機能を弱めることができる。したがって、図９に示す冷却装置２４の小型化を図ることが可能になり、インバータ２３の小型化を図ることも可能になる。
【００７９】
さらに、鉄道車両２１に適用されたパワーモジュール２０において、高温、低温の環境に対する耐性が高められ、温度サイクルなどの温度負荷に対するパワーモジュール２０の耐性を高めることができる。
【００８０】
次に、上記実施の形態のパワーモジュール２０を搭載した自動車について説明する。図１０は図１に示す半導体装置が搭載された自動車の一例を示す斜視図である。
【００８１】
図１０に示す自動車２７は、例えば、図１に示すパワーモジュール２０が搭載されたものであり、車体２８と、タイヤ２９と、パワーモジュール２０と、パワーモジュール２０を支持する実装部材である実装ユニット３０と、を備えている。
【００８２】
自動車２７では、パワーモジュール２０は、実装ユニット３０に含まれるインバータに搭載されているが、実装ユニット３０は、例えば、エンジン制御ユニット等であり、その場合、実装ユニット３０はエンジンの近傍に配置されている。この場合には、実装ユニット３０は、高温環境下での使用となり、これにより、パワーモジュール２０も高温状態となる。
【００８３】
しかしながら、自動車２７において、図１に示すモジュールの接合構造が用いられた複数のパワーモジュール２０を搭載したインバータが設けられていることにより、実装ユニット３０が高温環境となった場合であっても、自動車２７の信頼性を高めることができる。つまり自動車２７においても、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐え得るパワーモジュール２０およびこれを用いたインバータシステムを実現することができる。
【００８４】
また、本適用例（パワーモジュール２０を自動車２７に適用した例）によれば、鉄道車両２１への適用例と同様に、パワーモジュール２０においてチップ接合に焼結接合材２を用い、かつ半導体チップ１の裏面１ｂやセラミック基板３の上面３ａに、複数の球面状の凸部９または凹凸部が形成されたことにより、焼結接合材２による接合部の接合信頼性を高めることができる。
【００８５】
また、自動車２７に適用されたパワーモジュール２０においても、高温、低温の環境に対する耐性が高められ、温度サイクルなどの温度負荷に対するパワーモジュール２０の耐性を高めることができる。
【００８６】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【００８７】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【００８８】
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。
【符号の説明】
【００８９】
１  半導体チップ
１ａ  上面
１ｂ  裏面（第１接合面）
１ｃ、１ｄ  電極
２  焼結接合材
２ａ  接合境界部
２ｂ  第１接合部
２ｃ  接合境界部
２ｄ  第２接合部
２ｅ  中央部
３  セラミック基板（配線基板）
３ａ  上面（第２接合面）
３ｂ  下面
３ｃ、３ｃａ、３ｃｂ、３ｃｃ、 ３ｃｄ  配線（導体膜）
４  ベース板（金属板）
５  接合材（他の接合材）
６  ワイヤ
７  端子
８  ケース
９、９ａ、９ｂ  凸部
１０、１０ａ、１０ｂ  凹部
１１  樹脂
２０  パワーモジュール（半導体装置）
２１  鉄道車両
２２  パンタグラフ
２３  インバータ
２４  冷却装置
２５  プリント基板
２６  車両本体
２７  自動車
２８  車体
２９  タイヤ
３０  実装ユニット
【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】
2018156988.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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