(57)【要約】【課題】信頼性の向上を図れるパワーモジュールを提供する。【解決手段】本発明のパワーモジュールは、発熱源であるトランジスタ（１）と、トランジスタの第１電極（コレクタ電極）に第１接合層（４１）を介して接合される第１スプレッダ（３１）と、トランジスタの第２電極（エミッタ電極）に第２接合層（４２）を介して接合されると共にトランジスタの第３電極（ゲート電極）に接合されるボンディングワイヤーのスペースを確保するスペーサ（２）と、スペーサの他面側に第３接合層（４３）を介して接合される第２スプレッダ（３２）とを備える。ここでスペーサは、トランジスタを構成する半導体材料との熱膨張係数差が０．５〜７ｐｐｍ／Ｋである導電材料からなる。本発明によれば、ワイヤーボンディングの際に必要となるスペーサを利用して、両面冷却構造型のパワーモジュールの信頼性をより高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱源であるトランジスタと、
該トランジスタの第１電極に第１接合層を介して接合される第１スプレッダと、
該トランジスタの第２電極に第２接合層を介して接合されると共に該トランジスタの第３電極に接合されるボンディングワイヤーのスペースを確保するスペーサと、
該スペーサの他面側に第３接合層を介して接合される第２スプレッダとを備え、
前記スペーサは、前記トランジスタを構成する半導体材料との熱膨張係数差が０．５〜７ｐｐｍ／Ｋである導電材料からなるパワーモジュール。
【請求項２】
前記導電材料は、Ｃｕ合金、Ｃｕ化合物、ＣｕまたはＣｕ合金をマトリックスとする複合材料のいずれかである請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記第２接合層は、金属間化合物層または金属焼結層からなる請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記第１接合層または前記第３接合層は、
金属間化合物または金属焼結体からなり前記第１電極面に接合される耐高温層と、
純ＡｌまたはＡｌ合金からなり該耐高温層の他面に接合される緩和層と、
を有する複合接合層からなる請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記第３接合層は、ハンダ層からなる請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記第１スプレッダと前記第２スプレッダの少なくとも一方は、純ＣｕまたはＣｕ合金からなる請求項１〜５のいずれかに記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信頼性の向上を図れるパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ駆動用インバータ等には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワーデバイス（半導体素子）を実装したパワーモジュールが用いられる。
【０００３】
パワーモジュールの信頼性を確保するため、デバイスの作動中に生じる発熱を効率的に放熱させることが重要となる。このような事情の下、パワーデバイスを両面側から冷却する両面冷却型構造のパワーモジュールが提案されており、関連する記載が下記の特許文献にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０３６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、先ず、トランジスタ（ＩＧＢＴ）のコレクタ電極（第１電極）を第１リードフレーム（スプレッダ）の一面に接合すると共に第１リードフレームの他面に第１セラミックチューブ（冷却器）を接合している。次に、トランジスタ（ＩＧＢＴ）のエミッタ電極（第２電極）を銅ブロック（スペーサ）の一面に接合すると共に、銅ブロックの他面を第２リードフレーム（スプレッダ）の一面に接合し、第２リードフレームの他面に第２セラミックチューブを接合している。ちなみに、銅ブロックは、トランジスタのゲート電極（第３電極）に接合されるボンディングワイヤーと第２リードフレーム等との干渉を回避するためのスペースを確保するために設けられている。なお、各部材間の接合はＡｇ焼結体によりなされている。
【０００６】
特許文献１の場合、熱膨張係数（ＣＴＥ：coefficient of thermal expansion）の小さいトランジスタが、ＣＴＥの大きい銅製のブロックやリードフレームに、低靱性なＡｇ焼結体を介して接合されている。このため、接合部材間のＣＴＥ不整合に起因して、トランジスタや接合部に大きな熱応力が集中し得る。
【０００７】
このため、そのようなパワーモジュールを模した積層構造体に温度サイクル試験（低温状態と高温状態を一定間隔で繰り返す試験）を施すと、図２に示すように、デバイス（ＳｉＣ）、ブロック（Ｃｕ）、接合層（ＩＭＣ：intermetallic compound／金属間化合物）等にクラックを生じ得る。従って、特許文献１のような半導体装置（パワーモジュール）では、熱応力に対する耐久性（耐熱疲労性）が十分とはいえない。
【０００８】
特に、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｇａ２Ｏ３等からなる次世代のデバイスを用いる場合、従来よりも高温域（例えば１５０℃以上）で使用されることが予想される。また、パワーモジュールは、搭載自由度の向上や軽量化を図るため、さらなる小型化が進められており、デバイスの動作温度は一層上昇傾向にある。従って、高温下で使用されても高い信頼性を確保できるパワーモジュールが求められている。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、信頼性の向上を図れるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、ワイヤーボンディングの際に必要となるスペーサを利用して、両面冷却型構造のパワーモジュールの信頼性を高めることを着想した。これを具現化すると共に、それを発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【００１１】
《パワーモジュール》
（１）本発明は、発熱源であるトランジスタと、該トランジスタの第１電極に第１接合層を介して接合される第１スプレッダと、該トランジスタの第２電極に第２接合層を介して接合されると共に該トランジスタの第３電極に接合されるボンディングワイヤーのスペースを確保するスペーサと、該スペーサの他面側に第３接合層を介して接合される第２スプレッダとを備え、前記スペーサは、前記トランジスタを構成する半導体材料との熱膨張係数差が０．５〜７ｐｐｍ／Ｋである導電材料からなるパワーモジュールである。
【００１２】
（２）本発明に係るスペーサを構成する導電材料は、トランジスタを構成する半導体材料と熱膨張係数（ＣＴＥ）が近く、それらのＣＴＥ差は小さい。このため、スペーサとトランジスタの間で生じるＣＴＥ不整合に起因した熱応力も小さい。この結果、本発明のパワーモジュールでは、スペーサとトランジスタの接合部（第２接合層）やトランジスタに、熱応力に起因したクラック等が発生することが抑止される。
【００１３】
次に、スペーサとトランジスタの間のＣＴＥ差が小さくなる反面、スペーサと第２スプレッダの間のＣＴＥ差は従来よりも大きくなる。このため、スペーサと第２スプレッダの間でＣＴＥ不整合に起因した熱応力が生じ得る。しかし、この部分は、スペーサとトランジスタの間よりも低温側である。このため、スペーサと第２スプレッダの間で生じる熱応力は、相対的に小さくなり、クラックの発生も抑制される。
【００１４】
仮にクラックが発生するとしても、スペーサや第３接合層で優先的にクラックが生じ、トランジスタや第２接合層におけるクラックの発生は抑制される。換言すると、本発明のパワーモジュールでは、クラックの起点が、トランジスタがある第２接合層の近傍から、第２スプレッダがある第３接合層の近傍へ移動（シフト）している。
【００１５】
これらのことが相乗的に作用して、トランジスタの破損防止やパワーモジュールの機能維持が図られる。こうして本発明のパワーモジュールは、長寿命化し、高い信頼性を発揮する。
【００１６】
《その他》
特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例であるパワーモジュールの要部を示す模式断面図である。
【図２】従来のパワーモジュールを模した積層構造体に生じたクラックの顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明のパワーモジュールのみならず、その製造方法にも該当し得る。「方法」に関する構成要素は「物」に関する構成要素ともなり得る。
【００１９】
《トランジスタ》
本発明のパワーモジュールが備えるデバイスの少なくとも一つは、ワイヤーボンディングされる第３電極を備えたトランジスタである。このようなトランジスタとして、サイリスタ、バイポーラ・トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスがある。代表格であるＩＧＢＴでいえば、本発明でいう第３電極はゲート電極（Ｇ）、第１電極はコレクタ電極（Ｃ）、第２電極はエミッタ電極にそれぞれ対応する。なお、本発明のパワーモジュールは、上述したトランジスタ以外に、各種のデバイス（ダイオード等）や制御回路を含み得る。
【００２０】
ちなみに、トランジスタに用いられる半導体材料は、ＣＴＥが２〜５さらには３〜６ｐｐｍ／Ｋ程度である。例えば、Ｓｉ（ＣＴＥ：３ｐｐｍ／Ｋ）、ＳｉＣ（ＣＴＥ：３．７ｐｐｍ／Ｋ）、ＧａＮ（ＣＴＥ：５．５ｐｐｍ／Ｋ）等が半導体材料として用いられる。
【００２１】
《スペーサ》
本発明に係るスペーサは、上述したトランジスタを構成する半導体材料とのＣＴＥ差が０．５〜７ｐｐｍ／Ｋ、１〜６ｐｐｍ／Ｋさらには２〜５ｐｐｍ／Ｋの導電材料からなると好ましい。ＣＴＥ差が過大では、第２接合層の近傍における熱応力の抑制が不十分となる。スペーサのＣＴＥは、トランジスタのＣＴＥと第２スプレッダのＣＴＥとの中間値であると、第２接合層の近傍における熱応力を抑制できて好ましい。そこで導電材料のＣＴＥは、例えば、４．４〜１０ｐｐｍ／Ｋさらには５〜８ｐｐｍ／Ｋであると好ましい。
【００２２】
導電材料の電気伝導率（導電率）は、少なくとも半導体材料よりも大きく、Ｃｕ系材料（純Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ化合物等）やＡｌ系材料（純Ａｌ、Ａｌ合金、Ａｌ化合物等）等の電極材に近いほど好ましい。
【００２３】
ＣＴＥが比較的小さい導電材料は種々あるが、例えば、Ｃｕ合金、ＣｕまたはＣｕ合金（単に「Ｃｕ系金属」という。）をマトリックスとする複合材料を用いると好ましい。Ｃｕ合金として、Ｃｕ―Ｗ合金、Ｃｕ―Ｍｏ合金等がある。また、複合材料として、Ｃｕ―ダイヤ、Ｃｕ―Ｓｉ、Ｃｕ―Ｃ等がある。
【００２４】
スペーサの厚みは、トランジスタ、スプレッダ、各接合層の諸元（材質、厚さ等）に応じて設定されるが、例えば、０．１ｍｍ〜２ｍｍさらには０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度であると好ましい。その厚みが過大ではパワーモジュールの薄型化を図れず、その厚みが過小では第２接合層近傍に作用する熱応力の低減が不十分となる。
【００２５】
《第１接合層／第２接合層》
発熱源であるトランジスタ（単に「デバイス」ともいう。）に接する第１接合層や第２接合層は、稼働中にデバイスが到達し得る最高温度でも溶融等しない高融点材からなることが求められる。一方、そのような接合層が形成されるときの温度（接合温度）は、少なくともデバイスの耐熱温度よりも小さいことが求められる。このような接合層として、例えば、金属間化合物層または金属焼結層がある。
【００２６】
（１）金属間化合物層は、例えば、少なくとも一方の被接合面上にメタライズ処理等した低融点金属と高融点金属を反応させて、その低融点金属よりも高融点な金属間化合物（ＩＭＣ）が生成されることにより得られる。このようなＩＭＣによる接合を、固液相互拡散接合または単に「ＳＬＩＤ（Solid Liquid Interdiffusion ）接合」という。
【００２７】
ＳＬＩＤ接合に係る低融点金属と高融点金属の組合わせ（ひいては金属間化合物の組成）は、パワーモジュールの耐熱温度、接合工程中の加熱温度、熱膨張係数等を考慮して選択される。低融点金属として、例えば、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ等やそれらの合金がある。高融点金属として、Ｎｉ、Ｃｕ，Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、等やそれらの合金がある。
【００２８】
一例として、Ｓｎ（融点：約２３０℃）と、Ｎｉ（融点：約１４５０℃）またはＣｕ（融点：約１０８５℃）とを組み合わせるとよい。例えば、Ｓｎ層とＮｉ層を接触させて約３５０℃で５分間程度加熱すると、ニッケルスズ（ＮｉＳｎ／融点：約７９５℃）からなる金属間化合物層が得られる。これにより接合温度を抑制しつつも、高融点な接合層が得られる。勿論、高融点金属／低融点金属の組合わせは、Ｃｕ／Ｓｎ、Ａｇ／Ｓｎ、Ｐｔ／Ｓｎ／、Ａｕ／Ｓｎ等でもよい。
【００２９】
（２）金属焼結層は、例えば、被接合面間に介在させた金属ナノ粒子を焼結させることにより得られる。金属ナノ粒子は表面活性が非常に高いため低温で焼結されるが、焼結体自体はその金属本来の高融点を発揮する。従って、金属ナノ粒子を用いた場合も、接合温度を抑制しつつも、高融点な接合層を形成し得る。金属ナノ粒子は、例えば、Ａｇ、Ｃｕからなる。なお、金属ナノ粒子は、通常、その凝集を防止するため、接合時の加熱温度で分解、消失する有機物、酸化物等からなる保護層で被覆されている。
【００３０】
（３）ところで、金属間化合物や金属焼結体は、耐高温性に優れるものの、必ずしも延性や靱性が十分ではない。そこでパワーモジュールの信頼性を確保するために、金属間化合物や金属焼結体からなる接合層は、応力緩和性や耐熱疲労性に優れた層または部材と接していると好ましい。
【００３１】
そこで第１接合層は、例えば、金属間化合物または金属焼結体からなり第１電極面に接合される耐高温層と、この耐高温層の他面に接合されるＡｌ系金属（純ＡｌまたはＡｌ合金）からなる緩和層と、を有する複合接合層からなると好ましい。なお、緩和層の他面側（第１スプレッダ側）は、緩和層の厚さ、第１スプレッダからの放熱性等を考慮して、ハンダ層等とすることも可能であるが、緩和層の一面側（トランジスタ側）と同様に、金属間化合物または金属焼結体からなる耐高温層であると好ましい。
【００３２】
純Ａｌは、Ａｌ以外の不純物元素の合計量が１質量％未満（純度９９％（２Ｎ）のＡｌ）、０．１質量％未満（純度９９．９％（３Ｎ）のＡｌ）さらに０．０１質量％未満（純度９９．９９％（４Ｎ）のＡｌ）等である。
【００３３】
本明細書では、Ａｌ以外の元素（不純物元素も含めて「合金元素」という。）の合計量が１質量％以上のものを「Ａｌ合金」という。緩和層は、十分な延性や靱性が確保される限り、高強度である必要はない。このため合金元素の合計量は５質量％以下さらには３質量％以下であると好ましい。このため純Ａｌ以外であれば、例えば、合金元素量が比較的少ない３０００番系Ａｌ合金等を緩和層に用いることも可能である。
【００３４】
緩和層の厚みは、トランジスタ、スプレッダ等の諸元（材質、厚さ等）に応じて設定されるが、例えば、５〜２００μｍさらには１０〜５００μｍ程度であると好ましい。その厚みが過大ではパワーモジュールの薄型化を図れず、その厚みが過小では緩和層による応力緩和性や耐熱疲労性の確保が不十分となる。
【００３５】
第２接合層は、第１接合層の耐高温層と同様に、金属間化合物層または金属焼結層からなると好ましい。第２接合層は、ＣＴＥ差が小さいトランジスタとスペーサを接合しているため、緩和層のない耐高温層（単層）のみでもよい。
【００３６】
《第３接合層》
第３接合層は、比較的厚いスペーサと、放熱側にある第２スプレッダとの間にあり、通常、第１接合層（さらには第２接合層）よりも低温側となる。このため第３接合層は、第２接合層と同様な耐高温層（例えば、金属間化合物層、金属焼結層）、第１接合層と同様な複合接合層の他、ハンダ層等でもよい。
【００３７】
但し、本発明のパワーモジュールでは、クラックの起点が、第２接合層近傍から第３接合層近傍へ移動している。そこで第３接合層は、応力緩和性や耐熱疲労性に優れた複合接合層、または金属間化合物層等よりも軟質なハンダ層からなると好ましい。
【００３８】
《スプレッダ》
スプレッダは、トランジスタの発熱を受熱し、外部へ熱伝導する部材である。本発明でいうスプレッダは、熱を拡散させるための専用部材（放熱器）である必要はない。換言すれば、他機能を有するリードフレーム、電極、冷却器等も、本発明でいうスプレッダに含まれる。
【００３９】
このようなスプレッダ（第１スプレッダと第２スプレッダの少なくとも一方）は、純Ｃｕ（無酸素銅）またはＣｕ合金（単に「Ｃｕ系金属」ともいう。）からなることが多い。Ｃｕ系金属からなるスプレッダは半導体からなるデバイスよりもＣＴＥがかなり大きいため、両者間にはＣＴＥ差に応じた大きな熱応力が作用し得る。しかし、本発明のパワーモジュールでは、Ａｌ系金属からなるスペーサや第１接合層中の緩和層等により、その熱応力は大きく緩和され、またその熱応力による疲労も大幅に抑制される。
【実施例】
【００４０】
《構成》
本発明の一実施例である両面冷却構造型のパワーモジュールＭを模式的に示した断面図を図１に示した。パワーモジュールＭは、ＩＧＢＴであるトランジスタ１と、スペーサ２と、リードフレームであるスプレッダ３１（第１スプレッダ）およびスプレッダ３２（第１スプレッダ）と、トランジスタ１のコレクタ電極（第１電極）とスプレッダ３１を接合する接合層４１（第１接合層）と、トランジスタ１のエミッタ電極（第２電極）とスペーサ２を接合する接合層４２（第２接合層）と、スペーサ２とスプレッダ３２を接合する接合層４３（第３接合層）と、を有する。なお、トランジスタ１のゲート電極は、ボンディングワイヤー５１により信号端子５２と接合される。
【００４１】
トランジスタ１はＳｉＣ（ＣＴＥ：３．７ｐｐｍ／Ｋ）からなり、スペーサ２はＣｕ−Ｗ合金（ＣＴＥ：６〜７．１ｐｐｍ／Ｋ）からなり、スプレッダ３１、３２は無酸素銅（純度３Ｎの高純度銅）からなる。
【００４２】
接合層４１は、純Ａｌ（純度：２Ｎ）からなる緩和層４１３と、その各面側に接合されているＮｉＳｎからなる金属間化合物層４１１、４１２（耐高温層）とを有する３層（複合接合層）からなる。接合層４２、４３は金属間化合物（ＮｉＳｎ）からなる。なお、接合層４３はＳｎ―Ａｇ―Ｃｕ系等からなるハンダ層とすることもできる。
【００４３】
ちなみに、本実施例では、トランジスタ１の厚さ：１００μｍ、スペーサ２の厚さ：１．１５μｍ、スプレッダ３１、３２の厚さ：２ｍｍ、接合層４１の厚さ：１１０μｍ（そのうち緩和層４１３の厚さ：１００μｍ）、接合層４２の厚さ：５μｍ、接合層４３の厚さ：１００μｍとした。
【００４４】
《接合》
接合層４１は次のようにして形成される。先ず、緩和層４１３となる純Ａｌ薄板（箔）の両面に、ＮｉおよびＳｎが順にメタライズされた接合シートを用意する。この接合シートを、Ｎｉが各表面にメタライズされたトランジスタ１のコレクタ電極面とスプレッダ３１の被接合面との間に介装する。この状態で加熱保持することにより、各被接合面間のＮｉとＳｎがＳＬＩＤ反応を生じて、金属間化合物層４１１、４１２が形成される。こうして純Ａｌからなる緩和層４１３の両面側に金属間化合物層４１１、４１２を備えた複合接合層からなる接合層４１が形成される。
【００４５】
接合層４２は次のようにして形成される。先ず、スペーサ２の片面（図１中の下面）に、ＮｉおよびＳｎを順にメタライズしておく。トランジスタ１のエミッタ電極面にも、Ｎｉをメタライズしておく。次に、そのスペーサ２の片面をトランジスタ１のエミッタ電極面上に積層する。この状態で加熱保持することにより、被接合面間にあるＮｉとＳｎがＳＬＩＤ反応を生じて、金属間化合物からなる接合層４２が形成される。なお、接合層４１、４２は、各部材を積層した積層体を、一度に加熱して同時に形成されると好ましい。
【００４６】
接合層４３は、ＳＬＩＤ接合により接合層４１、４２を形成した後、スペーサ２の他面（図１中の上面）とスプレッダ３２の被接合面との間に、Ｓｎ―Ａｇ―Ｃｕハンダペーストを介在させた状態で、リフロー炉等で加熱することにより形成される。なお、接合層４３は、接合層４１と同様な複合接合層としてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
Ｍ          パワーモジュール
１          トランジスタ
２          スペーサ
３１        （第１）スプレッダ
３２        （第２）スプレッダ
４１        （第１）接合層
４２        （第２）接合層
４３        （第３）接合層
【図１】
2019079958.tif 000003
【図２】
2019079958.tif 000004