(57)【要約】【課題】半導体モジュールの放熱性を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】半導体モジュールは、冷却器上にグリスを介して搭載される絶縁基板と、絶縁基板上に設けられている半導体素子と、を備えており、絶縁基板は、グリス上に設けられる金属材料層と、金属材料層上に設けられている複合材料層と、複合材料層上に設けられている絶縁層と、絶縁層上に設けられている配線層と、を有しており、金属材料層の中央部の厚みが周縁部の厚みよりも薄く、これにより、金属材料層の冷却器側の面が平坦である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールであって、
冷却器上にグリスを介して搭載される絶縁基板と、
前記絶縁基板上に設けられている半導体素子と、を備えており、
前記絶縁基板は、
グリス上に設けられる金属材料層と、
前記金属材料層上に設けられている複合材料層と、
前記複合材料層上に設けられている絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられている配線層と、を有しており、
前記金属材料層の中央部の厚みが周縁部の厚みよりも薄く、これにより、前記金属材料層の前記冷却器側の面が平坦である、半導体モジュール。
【請求項２】
前記複合材料層の複合材料は、金属−ダイヤモンド複合材である、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記金属材料層の金属材料は、銅又はアルミニウムである、請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記金属材料層の前記冷却器側の面の表面粗さが、２０μｍ以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
金属材料層と、前記金属材料層上に設けられている複合材料層と、前記複合材料層上に設けられている絶縁層と、前記絶縁層上に設けられている配線層と、を備える絶縁基板を用意し、前記配線層上に半導体素子を接合する工程と、
前記配線層上に前記半導体素子を接合した後に、前記金属材料層を平坦化する工程と、を備える半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体モジュールとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ヒートシンク材として複合材料層を備える半導体モジュールが開示されている。複合材料は、組成比に基づいて線膨張係数を調整することが可能な材料である。特許文献１は、複合材料層の線膨張係数を調整することで、半導体素子を接合するときの熱処理によって複合材料層に加わる熱応力を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−４３４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、複合材料層の線膨張係数を調整しても、半導体モジュールを構成する他の材料と線膨張係数を一致させることができないため、複合材料層に熱応力が生じないようにすることはできない。従って、半導体素子を接合するときの熱処理により、複合材料層は反った状態になる。この状態の半導体モジュールを、グリスを介して冷却器上に搭載すると、グリスの厚みが均一にならない。グリスは比較的に熱伝導率が低い。従って、グリスの厚みが厚い領域があると、半導体モジュールの放熱性が大幅に低下し得る。
【０００５】
本明細書は、半導体モジュールの放熱性を向上させることができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する半導体モジュールは、冷却器上にグリスを介して搭載される絶縁基板と、前記絶縁基板上に設けられている半導体素子と、を備えることができる。前記絶縁基板は、グリス上に設けられる金属材料層と、前記金属材料層上に設けられている複合材料層と、前記複合材料層上に設けられている絶縁層と、前記絶縁層上に設けられている配線層と、を有することができる。前記金属材料層の中央部の厚みが周縁部の厚みよりも薄く、これにより、前記金属材料層の前記冷却器側の面が平坦である。
【０００７】
絶縁基板の下面に複合材料層が露出している場合、絶縁基板の下面を加工して、平坦化することは困難である。複合材料層の場合、同一面上において、母材が露出している領域と、母材に支持されている材料が露出している領域が混在する。そして、それぞれの領域で硬度が異なるため、絶縁基板の下面の平坦化が困難である。上記の構成によると、絶縁基板の下面に金属材料層が露出している。この場合、絶縁基板の下面の硬度は、略一定である。このため、絶縁基板の下面を容易に平坦化することができる。このような半導体モジュールを、グリスを介して冷却器上に搭載すると、半導体モジュールと冷却器の間のグリスの厚みが均一になり、薄くすることができる。この結果、半導体モジュールの放熱性が向上する。
【０００８】
複合材料層の複合材料は、金属−ダイヤモンド複合材であってもよい。
【０００９】
金属−ダイヤモンド複合材は、高い熱伝導率を有するダイヤモンドを含有する。このため、複合材料層も、高い熱伝導率を有する。一方、金属−ダイヤモンド複合材は、高硬度のダイヤモンドを含むことから、平坦化が困難な材料である。上記したように、本明細書が開示する半導体モジュールでは、複合材料層の下に金属材料層が設けられており、その金属材料層が平坦化されることで絶縁基板の下面が容易に平坦化される。このように、本明細書が開示する半導体モジュールでは、複合材料層の複合材料に金属−ダイヤモンド複合材を採用しても、絶縁基板の下面が平坦な形態を有することができる。これにより、上記半導体モジュールの放熱性が向上する。
【００１０】
金属材料層の金属材料は、銅又はアルミニウムであってもよい。
【００１１】
銅又はアルミニウムは、高い熱伝導率を有するとともに、平坦化が容易な材料である。このため、上記半導体モジュールの放熱性が向上する。
【００１２】
金属材料層の前記冷却器側の面の表面粗さが、２０μｍ以下であってもよい。
【００１３】
金属材料層の冷却器側の面の表面粗さを、２０μｍ以下にすることで、半導体モジュールと冷却器の間のグリスの厚みの均一性を高めることができる。
【００１４】
本明細書が開示する半導体モジュールの製造方法は、金属材料層と、前記金属材料層上に設けられている複合材料層と、前記複合材料層上に設けられている絶縁層と、前記絶縁層上に設けられている配線層と、を備える絶縁基板を用意し、前記配線層上に半導体素子を接合する工程と、前記配線層上に前記半導体素子を接合した後に、前記金属材料層を平坦化する工程と、を備えることができる。
【００１５】
上記の半導体モジュールの製造方法では、配線層上に半導体素子を接合した後に、金属材料層を平坦化している。金属材料層は、複合材料層と比較して、容易に平坦化することができる。これにより、半導体モジュールを、グリスを介して冷却器上に搭載すると、グリスの厚みが均一になる。従って、放熱性の高い半導体モジュールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。
【図２】半導体モジュールの製造工程を示す図である（１）。
【図３】半導体モジュールの製造工程を示す図である（２）。
【図４】半導体モジュールの製造工程を示す図である（３）。
【図５】比較例に係る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】
【００１７】
図１に示されるように、半導体モジュール１は、冷却器２上に設けられており、半導体素子４と絶縁基板１０を備える。冷却器２は、水冷式であり、冷却水が流動する複数の貫通孔を備える。半導体素子４は、炭化珪素基板を有するパワーデバイスである。半導体素子４は、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴである。なお、半導体素子４は、炭化珪素基板に代えて、窒化ガリウム、シリコン、ガリウムヒ素、ダイヤモンド、酸化ガリウムを用いて形成されてもよい。
【００１８】
絶縁基板１０は、冷却器２と半導体素子４の間に設けられており、放熱層１２と絶縁層１８と第１接合材２０と配線層２２を備える。
【００１９】
放熱層１２は、冷却器２上に設けられており、グリス３２を介して冷却器２に接する。放熱層１２は、冷却器２上に設けられている金属材料層１４と、金属材料層１４上に設けられている複合材料層１６と、を備える。金属材料層１４の金属材料は、銅又はアルミニウムなどの単一の金属である。なお、金属材料層１４は、合金からなっていてもよい。金属材料層１４の下面１４ｂは平坦であり、金属材料層１４の上面１４ａは凹形状を有している。このため、金属材料層１４の中央部の厚みｔ１は、金属材料層１４の周縁部の厚みｔ２よりも薄い。なお、金属材料層１４の中央部とは、上方に半導体素子４が存在している部分を示し、金属材料層１４の周縁部とは、上方に半導体素子４が存在していない部分を示す。また、金属材料層１４の厚みは、金属材料層１４の中心から外側に向かって徐々に大きくなっている。なお、グリス３２の厚みｔ４は、均一である。
【００２０】
複合材料層１６の材料は、金属−ダイヤモンド複合材である。複合材料層１６の材料は、例えば、銅の母材がダイヤモンド粒子を支持する銅−ダイヤモンド複合材である。あるいは、複合材料層１６の材料は、銀の母材がダイヤモンド粒子を支持する銀−ダイヤモンド複合材である。このような複合材料層１６は、ダイヤモンドを含んでいることから、高い熱伝導率を有することができる。複合材料層１６の熱伝導率は、２００Ｗ/ｍＫ以上であり、好ましくは５００Ｗ/ｍＫ以上である。また、複合材料層１６は、その線膨張係数が半導体素子４及び絶縁層１８の線膨張係数に近くなるように、ダイヤモンド粒子の含有率が調整されている。これにより、複合材料層１６の線膨張係数は、１０ｐｐｍ/Ｋ以下に調整されており、半導体素子４及び絶縁層１８の線膨張係数との差が５ｐｐｍ/Ｋ以下である。複合材料層１６の厚みｔ３は、金属材料層１４の周縁部の厚みｔ２よりも厚い。
【００２１】
絶縁層１８は、放熱層１２と配線層２２の間に設けられており、放熱層１２に直接的に接合するとともに第１接合材２０を介して配線層２２に接合する。絶縁層１８の材料は、窒化シリコンである。このため、絶縁層１８は、高い靱性を有しており、冷熱サイクル時の放熱層１２の破損を抑えることができる。なお、絶縁層１８の材料は、窒化シリコンに代えて、ＺｒＯ2、３ＺｒＯ2、２Ｙ2Ｏ3であってもよい。絶縁層１８の厚みは、耐圧を確保するのに必要な厚みに調整される。第１接合材２０の材料は、例えば、銅合金の金属ろう材である。なお、絶縁層１８は、第１接合材２０を介さずに配線層２２に直接的に接合するようにしてもよい。
【００２２】
配線層２２は、絶縁層１８と半導体素子４の間に設けられている。配線層２２の材料は、金属であり、例えば、銅又はアルミニウムである。配線層２２の表面には、半導体素子４が第２接合材３４を介して接合する。配線層２２は、半導体モジュール１を構成する他の構成要素（半導体素子４、絶縁層１８及び複合材料層１６）に対して線膨張係数が高い。第２接合材３４の材料は、例えば、銅ナノ粒子又は銀ナノ粒子を含むペーストである。なお、配線層２２の材料は、銅又はアルミニウムに代えて、金、銀、ニッケルメッキであってもよい。また、配線層２２と半導体素子４が直接的に接合するように構成されてもよい。
【００２３】
（半導体モジュール１の製造方法）
次いで、図２〜図４を参照して、半導体モジュール１の製造方法について説明する。
【００２４】
まず、図２に示すように、絶縁基板１０を用意する（用意工程）。絶縁基板１０の製造法について説明する。まず、複合材料層１６の下面に、例えば、スパッタリング法、蒸着法、又は、めっき法を用いて、金属材料層１４を形成し、放熱層１２を形成する。なお、金属材料層１４の厚みは、複合材料層１６の厚みよりも比較的に薄くするように形成する。次いで、複合材料層１６の上面に、例えば、スパッタリング法、又は、ＣＶＤ法を用いて絶縁層１８を成膜する。次いで、絶縁層１８の上面に、第１接合材２０を介して配線層２２を接合する。これにより、絶縁基板１０が完成する。
【００２５】
次いで、図３に示すように、絶縁基板１０上に、第２接合材３４を介して半導体素子４を接合する。具体的には、銀ナノ粒子を含むペーストを絶縁基板１０上に形成し、ペースト上に半導体素子４を搭載した後に、ペーストを加熱（焼結）する。これにより、ペーストが硬化して、第２接合材３４が形成されるとともに、絶縁基板１０上に半導体素子４が接合される。ペーストを加熱する際に、半導体素子４、配線層２２、絶縁層１８、複合材料層１６、及び、金属材料層１４の線膨張係数の差によって、半導体モジュール１に熱応力が加わる。この結果、半導体モジュール１が反った状態になる。なお、ペーストは、銅、銅＋Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉなどのナノ粒子を含んでいてもよい。
【００２６】
次いで、図４に示すように、金属材料層１４の下面１４ｂを研磨することによって、金属材料層１４の下面１４ｂを平坦化する。なお、平坦化とは、金属材料層１４の下面１４ｂの表面粗さを２０μｍ以下である状態を意味する。これにより、金属材料層１４の中央部の厚みｔ１は、金属材料層１４の周縁部の厚みｔ２よりも薄くなる。
【００２７】
その後、冷却器２上に、グリス３２を介して半導体モジュール１を搭載する（図１参照）。絶縁基板１０（詳細には、金属材料層１４）の下面が平坦化されているため、グリス３２の厚みｔ４が均一となる。
【００２８】
次いで、図５に比較例の半導体モジュール１０１を示す。なお、図１の半導体モジュール１と共通する構成については、同じ符号を付して説明を省略する。比較例の半導体モジュール１０１において、放熱層１１２は、銅の母材がダイヤモンド粒子を支持する銅−ダイヤモンド複合材からなる複合材料層のみから構成される。半導体モジュール１と同様に、配線層２２上に半導体素子４を接合する際に、半導体モジュール１０１に熱応力が加わり、絶縁基板１１０は反った状態になる。この状態の半導体モジュール１０１を冷却器２上に搭載すると、グリス３２の中央部の厚みｔ５が、グリス３２の周縁部の厚みｔ６よりも厚くなる。なお、グリス３２の中央部の厚みｔ５は、図１のグリス３２の厚みｔ４と略同じであり、最低限必要なクリアランスである。この場合、グリス３２の周縁部は、グリス３２の中央部の熱伝導率と比較して、大幅に低下する。
【００２９】
また、放熱層１１２の下面を、例えば、研磨によって加工することで、放熱層１１２の下面を平坦化する方法が考えられる。放熱層１１２の下面は、複合材料層であり、母材となる銅が露出している領域（以下では、「銅領域」と呼ぶ）と、ダイヤモンド粒子が露出している領域（以下では、「ダイヤモンド領域」と呼ぶ）と、が混在する。銅領域とダイヤモンド領域では、硬度が異なる。この場合、研磨によって、放熱層１１２の下面を平坦になるように加工しても、放熱層１１２の下面の表面粗さは比較的に大きくなる。このため、放熱層１１２の下面を研磨した後の半導体モジュールを冷却器２上に搭載すると、グリス３２の厚みが比較的に厚い領域が形成される。グリス３２の厚みが比較的に厚い領域によって、半導体モジュールの放熱性が大幅に低下する。
【００３０】
上述のように、半導体モジュール１の絶縁基板１０の下面は、単一の金属からなる金属材料層１４である。この場合、研磨によって、絶縁基板１０（詳細には、金属材料層１４）の下面１４ｂを容易に平坦化することができる。従って、下面１４ｂが平坦である絶縁基板１０を、冷却器２上に搭載することができる。これにより、冷却器２と半導体モジュール１の間のグリス３２の厚みを均一にすることができる。従って、比較例１と比較して、グリス３２の周縁部の厚みを薄くすることができる。グリス３２の熱伝導率は比較的に低い。このため、グリス３２の厚みが厚いと半導体モジュールの放熱性が低下する。上記の構成によると、半導体モジュール１の放熱性を、半導体モジュール１０１の放熱性よりも向上させることができる。
【００３１】
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】
【００３２】
１      ：半導体モジュール
２      ：冷却器
４      ：半導体素子
１０    ：絶縁基板
１２    ：放熱層
１４    ：金属材料層
１４ａ  ：上面
１４ｂ  ：下面
１６    ：複合材料層
１８    ：絶縁層
２０    ：第１接合材
２２    ：配線層
３２    ：グリス
３４    ：第２接合材
１０１  ：半導体モジュール
１１０  ：絶縁基板
１１２  ：放熱層
【図１】
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【図２】
2018129325.tif 000004
【図３】
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【図４】
2018129325.tif 000006
【図５】
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