(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、冷却器を備える。冷却器の上面に配置されている板状部材を備える。板状部材の上面に配置されている半導体素子を備える。冷却器の上面と板状部材の下面との界面には、多孔質金属層が配置されている。多孔質金属層の孔部にグリスが含浸している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却器と、
前記冷却器の上面に配置されている板状部材と、
前記板状部材の上面に配置されている半導体素子と、
を備えた半導体モジュールであって、
前記冷却器の上面と前記板状部材の下面との界面には、多孔質金属層が配置されており、
前記多孔質金属層の孔部にグリスが含浸している、半導体モジュール。
【請求項２】
前記多孔質金属層は金属ナノ粒子の焼結体を含んでいる、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
多孔質金属層は、
前記半導体モジュールを上方からみたときに、前記半導体素子の投影領域を含んでいる第１多孔質金属層と、
前記第１多孔質金属層の周囲を取り囲んでいる第２多孔質金属層であって、前記半導体モジュールを上方からみたときに、前記板状部材の投影領域に少なくとも一部が重複している前記第２多孔質金属層と、
を備える、請求項１または２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記第２多孔質金属層は、前記第１多孔質金属層よりも変形しにくい材料で構成されている、請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記第１多孔質金属層はＡｇナノ粒子の焼結体を含んでおり、
前記第２多孔質金属層は、Ｃｕナノ粒子の焼結体を含んでいる、請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記グリスは、前記第１多孔質金属層と前記第２多孔質金属層との間に形成されているスペースに配置されている、請求項３〜５の何れか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
冷却器と、
前記冷却器の上面に配置されている板状部材と、
前記板状部材の上面に配置されている半導体素子と、
前記冷却器の上面と前記板状部材の下面との界面に配置されている第１多孔質金属層、第２多孔質金属層およびグリスと、
を備えた半導体モジュールの製造方法であって、
前記半導体モジュールを上方からみたときに前記半導体素子の投影領域を含んでいる前記第１多孔質金属層を、前記板状部材の下面に形成する工程と、
前記第１多孔質金属層の周囲を取り囲んでいる前記第２多孔質金属層であって、前記半導体モジュールを上方からみたときに前記板状部材の投影領域に少なくとも一部が重複している前記第２多孔質金属層を、前記冷却器の上面に形成する工程と、
前記第２多孔質金属層が形成されている領域および前記第２多孔質金属層によって囲まれている領域の少なくとも一部に、前記グリスを塗布する工程と、
前記冷却器の上面と前記板状部材の下面とを接触させる工程と、
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、半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子から発生した熱を、効率よく冷却する半導体モジュールが知られている。非特許文献１には、冷却器上に、グリスを介して実装基板および半導体素子が配置されている半導体モジュールが開示されている。グリスによって、実装基板から冷却器への熱伝導を高めている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】只野博「自動車に必要とされるパワーデバイス」、２００９年１月２３日、第４回窒化物半導体応用研究会、インターネット（http://www.astf.or.jp/cluster/event/semicon/20090123/090123_4th_semicon_tadano.pdf）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パワーモジュールのような高温状態になる半導体素子では、グリスを用いる場合よりも、さらに効率よく熱を冷却器に逃がす必要がある場合がある。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】
【０００５】
本明細書で開示する半導体モジュールの一実施形態は、冷却器を備える。冷却器の上面に配置されている板状部材を備える。板状部材の上面に配置されている半導体素子を備える。冷却器の上面と板状部材の下面との界面には、多孔質金属層が配置されている。多孔質金属層の孔部にグリスが含浸している。
【０００６】
上記の半導体モジュールでは、冷却器の上面が多孔質金属層に接触しているとともに、板状部材の下面が多孔質金属層に接触している。よって、多孔質金属層を介して、板状部材の熱を冷却器に伝熱することができる。多孔質金属の熱伝導率はグリスの熱伝導率よりも高いため、グリスを用いる場合に比して、半導体モジュールの放熱性を向上させることができる。
【０００７】
多孔質金属層は金属ナノ粒子の焼結体を含んでいてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【０００８】
多孔質金属層は、半導体モジュールを上方からみたときに、半導体素子の投影領域を含んでいる第１多孔質金属層と、第１多孔質金属層の周囲を取り囲んでいる第２多孔質金属層であって、半導体モジュールを上方からみたときに、板状部材の投影領域に少なくとも一部が重複している第２多孔質金属層と、を備えていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【０００９】
第２多孔質金属層は、第１多孔質金属層よりも変形しにくい材料で構成されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【００１０】
第１多孔質金属層はＡｇナノ粒子の焼結体を含んでおり、第２多孔質金属層は、Ｃｕナノ粒子の焼結体を含んでいてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【００１１】
グリスは、第１多孔質金属層と第２多孔質金属層との間に形成されているスペースに配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【００１２】
本明細書で開示する半導体モジュールの製造方法の一実施形態は、冷却器と、冷却器の上面に配置されている板状部材と、板状部材の上面に配置されている半導体素子と、冷却器の上面と板状部材の下面との界面に配置されている第１多孔質金属層、第２多孔質金属層およびグリスと、を備えた半導体モジュールの製造方法である。半導体モジュールを上方からみたときに半導体素子の投影領域を含んでいる第１多孔質金属層を、板状部材の下面に形成する工程を備える。第１多孔質金属層の周囲を取り囲んでいる第２多孔質金属層であって、半導体モジュールを上方からみたときに板状部材の投影領域に少なくとも一部が重複している第２多孔質金属層を、冷却器の上面に形成する工程を備える。第２多孔質金属層が形成されている領域および第２多孔質金属層によって囲まれている領域の少なくとも一部に、グリスを塗布する工程を備える。冷却器の上面と板状部材の下面とを接触させる工程を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す図である。
【図２】半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す図である。
【図３】半導体モジュールの製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に、半導体モジュール１の要部断面図を示す。半導体モジュール１は、冷却器２、第１多孔質金属層３、第２多孔質金属層４、グリス５、板状部材３０、接合層１１、半導体素子１２、を備えている。板状部材３０は、ベースプレート６、接合層７、実装基板２０、がこの順に積層された構造を備えている。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。なお、冷却器２は空冷式であってもよい。
【００１５】
冷却器２の上面とベースプレート６の下面との界面には、第１多孔質金属層３、第２多孔質金属層４、グリス５、が配置されている。第１多孔質金属層３の上面、第２多孔質金属層４の上面の一部、グリス５の上面は、それぞれベースプレート６の下面に接している。第１多孔質金属層３および第２多孔質金属層４は、同一の厚さｔ１を有している。厚さｔ１は、例えば、１μｍ〜１００μｍの範囲内である。
【００１６】
図２に、図１におけるII−II線における断面図を示す。図２において、投影領域Ｒ１は、半導体モジュール１を上方（図１のｚ方向）からみたときの半導体素子１２の投影領域である。投影領域Ｒ２は、半導体モジュール１を上方からみたときのベースプレート６の投影領域である。第１多孔質金属層３は、投影領域Ｒ１を含んでいる。また第２多孔質金属層４は、第１多孔質金属層３の周囲を取り囲んでいる。第２多孔質金属層４は、ベースプレート６の投影領域Ｒ２に一部が重複している。これにより、第１多孔質金属層３と第２多孔質金属層４の間に、第１多孔質金属層３を取り囲むスペースが形成されている。当該スペースには、グリス５が充填されている。換言すると、第２多孔質金属層４は、グリス５を封止するためのシールとしての機能を有している。またグリス５は、第１多孔質金属層３および第２多孔質金属層４が備える多数の孔部内に含浸している。
【００１７】
第１多孔質金属層３および第２多孔質金属層４は、金属ナノ粒子の焼結体である。第２多孔質金属層４は、第１多孔質金属層３よりも変形しにくい材料で構成されている。これにより、半導体モジュール１に外力が加わった場合においても、第２多孔質金属層４の剛性が高いことによって、ベースプレート６の下面と冷却器２の上面との平行度を保つことができる。また、第２多孔質金属層４の厚さによって、ベースプレート６と冷却器２との距離を決定することができる。すなわち、第２多孔質金属層４を、ベースプレート６と冷却器２との平行度および距離を決定するためのスペーサとして機能させることができる。
【００１８】
金属ナノ粒子の焼結体の変形しにくさは、例えば、ヤング率によって表すことができる。金属ナノ粒子の焼結体のヤング率は、試料断面にダイヤモンド性の圧子を押し込むことで測定することができる。各種の金属ナノ粒子の焼結体は、焼結条件により特性が大きく変わるが、典型的なものについてヤング率が低いものから高いものへ順番に並べると、以下の関係がある。Ａｇナノ粒子（２８〜３９ＧＰａ）、Ｃｕナノ粒子（１０８〜１１６ＧＰａ）、Ｐｄナノ粒子（１１７〜１２９ＧＰａ）、Ｃｕ−Ｎｉ合金ナノ粒子（１４０〜２２０ＧＰａ）、Ｎｉナノ粒子（２２１ＧＰａ）。
【００１９】
本実施形態では、第２多孔質金属層４はＣｕナノ粒子の焼結体であり、第１多孔質金属層３はＡｇナノ粒子の焼結体である。これにより、第２多孔質金属層４の剛性を第１多孔質金属層３の剛性よりも３倍ほど高くすることができる。
【００２０】
ベースプレート６は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、炭素系材料、炭素系複合材料、炭素系材料を含んだ金属系複合材料、炭素系材料とセラミックスとの複合材料、炭素系材料と有機物との複合材料、などである。ここで、炭素系材料の一例としては、ダイヤモンド、グラファイト、グラフェン、炭素繊維、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤ、などが挙げられる。炭素系材料を含んだ金属系複合材料の一例としては、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や、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などが挙げられる。
【００２１】
ベースプレート６の上面には、接合層７を介して実装基板２０が配置されている。接合層７は、はんだ、金属ナノ粒子接合法、または、ＳＬＩＤ（solid-liquid inter- diffusion）接合法により形成された層である。これらの接合法の内容は周知であるため、具体的な説明は省略する。接合層７に金属ナノ粒子接合法やＳＬＩＤ接合法を用いる場合には、はんだなどを用いる場合に比して、接合層７の熱伝導率を高くすることができるとともに、接合層７を薄くすることができる。よって、半導体素子１２で発生した熱をより効率的に取り除くことが可能となる。
【００２２】
実装基板２０は、第１金属層８、絶縁層９、第２金属層１０が積層された構造を備えている。第１金属層８および第２金属層１０は、例えば、銅やアルミニウムである。第２金属層１０は、配線の一部として使用することができる。絶縁層９の材料は、例えば、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、Ａｌ２Ｏ３などである。絶縁層９の厚みは、耐圧を確保するのに必要な厚みに調整される。
【００２３】
接合層１１は、第２金属層１０と半導体素子１２との間に配置されている。接合層１１の内容は、前述した接合層７の内容と同様であるため、説明を省略する。半導体素子１２は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、酸化ガリウムなどの材料を用いて形成されている。半導体素子１２は、ショットキーバリアダイオード、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴまたはＨＥＭＴなどである。
【００２４】
（半導体モジュール１の製造方法）
次いで、図３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。図３のフローチャートのステップＳ１では、銅ナノ粒子を含むペーストを実装基板２０上に形成し、ペースト上に半導体素子１２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、接合層１１が形成されるとともに、実装基板２０上に半導体素子１２が接合される。
【００２５】
ステップＳ２では、ベースプレート６の下面にＡｇナノ粒子の膜を印刷し、焼成する。これにより、ベースプレート６の下面に、第１多孔質金属層３が形成される。ステップＳ３では、ベースプレート６の上面に、接合層７を介して実装基板２０を接合する。接合層７の形成方法は、前述した接合層１１の形成方法と同様である。
【００２６】
ステップＳ４では、冷却器２の上面にＣｕナノ粒子の膜を印刷し、焼成する。これにより、冷却器２の上面に、第２多孔質金属層４が形成される。
【００２７】
ステップＳ５では、冷却器２の上面にグリス５を塗布する。グリス５は、第２多孔質金属層４によって囲まれている領域に、塗布される。ステップＳ６では、冷却器２の上面とベースプレート６の下面とを接触させる。そして、不図示のネジで固定することで、圧着する。これにより、第１多孔質金属層３と第２多孔質金属層４との間に形成されているスペースに、グリス５が充填される。また、第１多孔質金属層３が備える多数の孔部内に、グリスが含浸する。
【００２８】
（効果）
第１多孔質金属層３および第２多孔質金属層４が、冷却器２の上面およびベースプレート６の下面に接触している。第１多孔質金属層３および第２多孔質金属層４を介して、板状部材３０の熱を冷却器２に伝熱することができる。第１多孔質金属層３および第２多孔質金属層４の熱伝導率はグリス５の熱伝導率よりも高いため、グリスのみを用いる場合に比して、半導体モジュール１の放熱性を向上させることができる。
【００２９】
半導体モジュール１に外力が加わった場合や半導体モジュール１が熱変形した場合などに、第１多孔質金属層３の下面の一部または全部が、冷却器２の上面と接触しなくなる場合がある。この場合には、冷却器２と第１多孔質金属層３との界面に隙間が形成されてしまう。しかし本実施形態の半導体モジュール１では、第１多孔質金属層３に含浸しているグリス５や、第１多孔質金属層３と第２多孔質金属層４の間のスペースに充填されているグリス５が、この隙間に入り込む。すなわち、隙間を自動的にグリス５で充填することができる。これにより、第１多孔質金属層３と冷却器２との非接触領域では、グリス５を介して伝熱することができる。非接触領域に空気が存在している場合に比して、熱伝導性能を向上させることができる。また、第１多孔質金属層３と冷却器２との接触領域では第１多孔質金属層３を用いて伝熱し、非接触領域ではグリス５を用いて伝熱することができるため、グリスのみを用いて伝熱する場合に比して、熱伝導性能を向上させることができる。
【００３０】
冷却器２とベースプレート６との線膨張係数差によって、冷却器２とベースプレート６との界面には熱応力が発生する。本実施形態の半導体モジュール１では、冷却器２とベースプレート６とを、第１多孔質金属層３および第２多孔質金属層４を介して接触させている。多孔質金属は、孔部を有さない同元素材料と比べて、変形しやすい特性を有している。よって、第１多孔質金属層３および第２多孔質金属層４を、応力緩和層として機能させることが可能である。高い熱伝導特性と高い応力緩和性を両立することができる。
【００３１】
発熱部は半導体素子１２である。そして本実施形態の半導体モジュール１では、図２に示すように、第１多孔質金属層３は、半導体素子１２の投影領域Ｒ１を含んでいる。これにより、第１多孔質金属層３を用いて、半導体素子１２から発生した熱を効率よく冷却することが可能となる。
【００３２】
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。
【００３３】
（変形例）
第２多孔質金属層４はなくてもよい。第１多孔質金属層３のみが冷却器２とベースプレート６の界面に配置されていてもよい。この場合、第１多孔質金属層３の少なくとも一部が、図２に示すベースプレート６の投影領域Ｒ２の外側まで伸びている形状であってもよい。これにより、冷却器２の上面に安定してベースプレート６を接触させることができる。
【００３４】
第１多孔質金属層３および第２多孔質金属層４の組み合わせは、様々な組み合わせであってよい。例えば、第１多孔質金属層３および第２多孔質金属層４を同一材料で形成してもよい。
【００３５】
第２多孔質金属層４の形状は、第１多孔質金属層３の周囲を取り囲む環状に限られない。例えば、第２多孔質金属層４は複数に分かれており、第１多孔質金属層３の周囲に点在していてもよい。
【００３６】
第１多孔質金属層３の線膨張係数が、第２多孔質金属層４の線膨張係数以上となるように、材料の組み合わせを選択してもよい。これにより高温時には、第１多孔質金属層３の方が第２多孔質金属層４よりも幅が厚くなるため、第１多孔質金属層３と冷却器２との密着性を向上させることができる。伝熱性を高めることができる。
【００３７】
第１多孔質金属層３の厚さが、第２多孔質金属層４の厚さよりも大きくてもよい。第１多孔質金属層３の表面を、確実に冷却器２の上面に接触させることが可能になる。
【００３８】
ステップＳ１で第１多孔質金属層３を形成した後に、第１多孔質金属層３の表面を研磨することで平坦化してもよい。第１多孔質金属層３は多孔質金属であるため、孔部を有さない同元素材料と比べて研磨が容易であり、研磨により平坦性が得られやすい材料である。これにより、第１多孔質金属層３と冷却器２との密着性を向上させることができる。
【００３９】
第１多孔質金属層３および第２多孔質金属層４は、金属ナノ粒子の焼結体に限らない。鋳造法、化学蒸着法、発泡熱処理法などの様々な方法で製造された多孔質金属を用いることが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１：半導体モジュール、２：冷却器、３：第１多孔質金属層、４：第２多孔質金属層、５：グリス、６：ベースプレート、７：接合層、８：第１金属層、９：絶縁層、１０：第２金属層、１１：接合層、１２：半導体素子、２０：実装基板、３０：板状部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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