(57)【要約】【課題】  半導体モジュール稼働時に発生する焼結金属層の緻密化によって生じる、半導体素子と接合層との界面における剥離を抑制することが可能な半導体モジュールを提供する。【解決手段】  半導体素子と、配線層と、半導体素子と配線層との間に設けられ、焼結金属を含む接合層と、を有し、接合層は、接合層の厚さと同程度の厚さの金属塊を有する、半導体モジュールの構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
配線層と、
前記半導体素子と前記配線層との間に設けられ、焼結金属を含む接合層と、を有し、
前記接合層は、前記接合層の厚さと同程度の厚さの金属塊を有する、ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の半導体モジュールであって、
前記金属塊の厚さT1と、前記接合層の厚さT2の関係が、0.7 T2 ＜T1 ＜T2を満たす半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１記載の半導体モジュールであって、
前記金属塊の構成元素と前記接合層内の焼結金属の構成元素とは同種である、半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１記載の半導体モジュールであって、
前記金属塊の線膨張係数と前記接合層内の焼結金属の線膨張係数とは、ほぼ同じである、半導体モジュール。
【請求項５】
請求項３記載の半導体モジュールであって、
前記金属塊は銅からなり、前記焼結金属は焼結銅からなる、半導体モジュール。
【請求項６】
請求項３記載の半導体モジュールであって、
前記金属塊は銀からなり、前記焼結金属は焼結銀からなる、半導体モジュール。
【請求項７】
請求項３記載の半導体モジュールであって、
前記金属塊は金からなり、前記焼結金属は焼結金からなる、半導体モジュール。
【請求項８】
請求項１記載の半導体モジュールであって、
前記金属塊の形状は、球形である、半導体モジュール。
【請求項９】
請求項１記載の半導体モジュールであって、
前記配線層は、前記半導体素子を挟持する第１の配線層及び第２の配線層とを有し、
前記接合層は、前記半導体素子と前記第１の配線層との間に設けられ、焼結金属を含む第１の接合層と、前記半導体素子と前記第２の配線層との間に設けられ、焼結金属を含む第２の接合層と、を有し、
前記第１の接合層及び前記第２の接合層は、前記第１の接合層及び前記第２の接合層のそれぞれの接合層の厚さと同程度の厚さの金属塊を有する、半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，高効率な半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド自動車や鉄道用途を中心として、インバータなどの電力制御機器に用いられるパワーモジュールの市場拡大が続いている。環境保護や省エネに対する意識の高まりを背景として、パワーモジュールには、さらなる高効率化が求められている。
【０００３】
しかし、従来のSiを用いたパワーモジュールの性能は限界に近づいており、より高効率なSiCを用いた次世代パワーモジュールの開発が進められている。SiCパワーモジュールでは200℃以上の高温動作が可能となり、大幅な小型・軽量化が実現できるメリットがある。
【０００４】
200℃以上の高温環境下では、従来チップ接合材として使用されてきた鉛フリーはんだは、再溶融の問題から使用できない。また，現在はRoHS（Restriction of Hazardous Substances）指令から除外されている鉛含有率85%以上の高融点はんだは、将来的にRoHSの対象項目となることが予想され、代替材料の開発が急務である。
【０００５】
これらの代替材料として、ナノやマイクロメートルオーダーの金属粒子を焼結させた焼結金属材料が期待されており、焼結銀や焼結銅による接合に関して開発が進められている。
【０００６】
焼結金属による接合層は、例えば特許文献１に示すように、金属が溶解された極性溶媒中に、その極性溶媒中に溶解された金属とは異なる金属粒子が分散させた金属粒子ペーストを用いることが開示されている。
【０００７】
パワーモジュールは、例えば特許文献２に示すように、モールド樹脂が充てんされるパワーモジュールの定寸管理を実現するために、半導体素子の上下位置に弾性変形し得るバネ部材を設けた構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2017-162824号公報
【特許文献２】特開2013-62483号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２のように、周辺をモールド樹脂で封止した構造において焼結金属による接合を行い、パワーモジュールを稼働させると、半導体素子の発熱によって半導体素子周辺の部材が熱膨張することで圧縮応力が発生する。
【００１０】
この際の圧縮応力や熱により、焼結金属層内部の空孔のつぶれや焼結の進行が起こり、焼結金属層が緻密化し、焼結金属層の厚さが初期状態よりも減少する。
【００１１】
この状態からパワーモジュールが冷却されると、焼結金属層が初期状態よりも縮もうとするが、周辺をモールド樹脂で封止している場合、厚さ方向の変形が拘束された状態であるため、焼結金属層と半導体素子との界面で引張応力が発生する。
【００１２】
この引張応力によって、半導体素子と焼結金属層の界面で剥離する従来のはんだ材にはなかった新たな問題が生じる。
【００１３】
以上から本発明は、半導体モジュール稼働時に発生する焼結金属層の緻密化によって生じる、半導体素子と接合層との界面における剥離を抑制することが可能な半導体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】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、配線層と、その半導体素子と配線層との間に設けられ、焼結金属を含む接合層と、を有し、接合層は、接合層の厚さと同程度の厚さの金属塊を有する、構成とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、半導体モジュール稼働時に発生する焼結金属層の緻密化によって生じる、半導体素子と接合層との界面における剥離を抑制することが可能な半導体モジュールを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る半導体モジュールの断面図である。
【図２】本発明に係る半導体モジュールの他の断面図である。
【図３】本発明に係る半導体モジュールの他の断面図である。
【図４】本発明に係る半導体モジュールの他の断面図である。
【図５】本発明に係る半導体モジュールの製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下，本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
ただし、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能ある。
【実施例１】
【００１９】
図１から図４を参照して、本実施例の半導体モジュールについて説明する。図１から図４は便宜上，半導体素子が一つの場合を示しているが、複数個であっても良い。
【００２０】
図１は両面冷却型の半導体モジュールの要部断面図であり、上下の冷却層5a、5bの間に実装された半導体素子1の配線構造を示している。
【００２１】
本実施例で示す半導体モジュールは、第１の配線層3a、第１の接合層2a、半導体素子1、第２の接合層2b、第２の配線層3bを備える積層構造となっており、第１の接合層2a中には複数の金属塊6aを、第２の接合層2b中には、複数の金属塊6bを有している。ここで複数とは、半導体素子が斜めになってしまうことを抑制するため、３つ以上が望ましい。
【００２２】
第１の配線層3aの下層（外側）には絶縁部材4aを介して冷却層5aが設けられている。つまり、半導体素子1、第１接合層2a、第１の配線層3a、絶縁部材4a、冷却層5aの順に設けられている。
【００２３】
第２の配線層3bの上層（外側）には絶縁部材4bを介して冷却層5bが設けられている。つまり、半導体素子1、第２接合層2b、第２の配線層3b、絶縁部材4b、冷却層5bの順に設けられている。
【００２４】
第１の配線層3a、第１の絶縁層4a、冷却層5a、により第１の冷却部材20aが構成され、第２の配線層3b、第２の絶縁層4b、第２の冷却層5bにより第２の冷却部材20bが構成されている。
【００２５】
また、第１の冷却部材20aと第２の冷却部材20bの間には、封止材7が充填されている。
【００２６】
なお、積層構造はこれに限定されるものではなく、例えば図２に示すように、第２の接合層2bと第２の冷却部材20bを含まない、片面冷却型の半導体モジュールの構成でもよい。
【００２７】
第１の配線層3a、第２の配線層3bは、銅（Cu）やアルミニウム（Al）等の導電材料により構成されている。
【００２８】
また、第１の接合層2a、第２の接合層2bは、焼結銀、焼結銅、焼結金などの焼結金属接合材料によって構成される。
【００２９】
半導体素子1は、SiやSiC、窒化ガリウム（GaN）などの半導体材料により構成されている。
【００３０】
封止材7には、一般的に、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂とシリカフィラーからなる、絶縁材料が用いられる。
【００３１】
絶縁部材4a、4bは、窒化アルミニウム（AlN）、窒化シリコン（SiN）、酸化アルミニウム（Al2O3）、樹脂シートなどの絶縁材料によって構成される。
【００３２】
冷却層5a、5bは、Al、Cuなどの熱伝導率の高い材料によって構成される。 
半導体モジュールを高温で動作させる場合、半導体素子1は、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体が好ましく、接合層は融点が高く高耐熱な焼結銀や焼結銅によって構成されることが好ましい。
【００３３】
また、接合層を焼結銅、配線層をCuによって構成することで、部材間の線膨脹係数差が無くなり、ひずみが低減されるため、より好適である。
【００３４】
図１、２に示すように、第１の接合層2a、第２の接合層2b中に、それぞれ複数の金属塊6a、6bを含有している。これにより、焼結金属層（接合層）が半導体モジュールの稼働中に緻密化しても、接合層中に、空隙（孔）がなく、多孔質な材料に比べて硬い金属塊6a、6bがあるために、焼結金属層の厚さは金属塊の厚さ以下までは減少しない。
【００３５】
これにより、焼結金属層の厚さ変化が少なく、焼結金属層の厚さ方向の引張応力が発生し難く、半導体素子1と第１の接合層2a、第２の接合層2bのそれぞれの界面の剥離を抑制することが可能となる。
【００３６】
また、金属塊の厚さT1と、接合層の厚さT2の関係は同程度であり、例えば、0.7 T2 ＜T1 ＜T2が望ましい。これは、厚さ方向に金属塊が２つ以上連ならない厚さを表現したものである。これにより、焼結金属層が半導体モジュールの稼働中に緻密化するとしても、緻密後の焼結金属層の厚さ変化は、緻密化前の焼結金属層の厚さT2と緻密化後の焼結金属層の厚さ0.7 T2の差である、0.3 T2程度に抑えられる。これにより、焼結金属層の厚さ方向の引張応力が発生し難く、半導体素子1と第１の接合層2a、第２の接合層2bのそれぞれの界面の剥離を抑制することが可能となる。
【００３７】
また、金属塊6a、6bの構成元素は、接合層（第１の接合層2a、第２の接合層2b）の焼結金属の構成元素とは同種であるのが良い。例えば、第１の接合層2aが焼結銅であれば、金属塊6aは銅であり、第２の接合層2aが焼結銀であれば、金属塊6aは銀、第２の接合層2aが焼結金であれば、金属塊6aは金であるのが良い。
【００３８】
第２の接合層2bと金属塊6bの関係も同様である。金属塊の構成元素と、接合層の構成元素とが同種であることにより、金属塊と接合層の線膨張係数が同じとなるため、熱負荷が生じても、金属塊と接合層の膨張量が同じとなるため、金属塊と接合層の界面での応力発生を防止でき、より高信頼な接合が得られる。
【００３９】
また、図３、４に示すとおり、金属塊6c、6dの形状は球である方がより望ましい。接合層に含有される金属塊が球であることで、接合層の高さばらつきが少なくなり、工程管理が容易になる。例えば、回転楕円体の場合、厚さ方向に、楕円体の長軸が並ぶものと、短軸が並ぶものが存在する可能性があり、高さのばらつきが生じるためである。
【実施例２】
【００４０】
図５を参照して、本実施例の半導体モジュールの製造方法について説明する。
【００４１】
なお、図５は便宜上、半導体素子が一つの場合を示しているが、複数個であっても良い。また、便宜上、詳細な構造については省略している。
【００４２】
まず、図５（ａ）に示すように、第１の冷却部材20a上に半導体素子1が第１の接合層2aを介して配置され、半導体素子1上に第２の冷却部材20bが第２の接合層2bを介して配置される。第１の接合層2a及び第２の接合層2bは焼結銀、焼結銅、焼結金などの焼結金属によって構成される。また、第１の接合層2a及び第２の接合層2bには、金属塊6a、6bが含まれている。
【００４３】
次に、図５（ｂ）に示すように、モールド金型50が半導体モジュール100の上下に配置される。この際、半導体モジュール100の高さ方向寸法は、モールド金型50の内部高さ寸法より大きく設定されており、モールド金型を型締する際の圧力によって半導体モジュール100が圧縮される。この状態で温度を焼結金属が焼結するために必要な温度まで上げることで焼結接合が実施される。焼結接合が完了した後に、図５（ｃ）に示すように、従来のトランスファーモールド工程を実施することで、封止材7を金型内に充填し、熱硬化を行う。
【００４４】
上記のような工程とすることで、焼結金属による接合の際に、専用の加圧装置を用いることなく加圧接合を実現することが可能となり、焼結金属の接合強度を向上できる。
【００４５】
なお、上記した実施例は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。
【００４６】
例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
1  半導体素子
2a  第１の接合層
2b  第２の接合層
3a  第１の配線層
3b  第２の配線層
4a  絶縁部材
4b  絶縁部材
5a  冷却層
5b  冷却層
6a  金属塊
6b  金属塊
6c  金属塊
6d  金属塊
7  封止材
20a  第１の冷却部材
20b  第２の冷却部材
50  モールド金型
100  半導体モジュール
【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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