(57)【要約】【課題】モジュールを構成ふる部品相互間の接合にカーボンナノチューブを応用して高電流密度耐性，高熱伝導度の接合が達成できるにした実装構造，製造方法を提供する。【解決手段】放熱用金属ベース１に絶縁回路基板２，半導体チッ３プを搭載して各部材の間を導電，伝熱接合した半導体装置において、接合部材の一方の母材表面にカーボンナノチューブを垂直配向成長させてカーボンナノチューブ膜１０を形成した上で、該カーボンナノチューブ膜の表面および接合相手の母材表面にそれぞれＡｕメッキを施すなどして金属膜を成膜し、その金属膜同士を重ね合わせて超音波接合法などにより凝着させて各部材の間をカーボンナノチューブ膜１０と金属接合層１１とにより接合する。さらに、その周域をエポキシ樹脂などのモールド樹脂１２で封止する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱用金属ベースに絶縁回路基板，半導体チップを搭載して各部材の間を導電，伝熱接合した半導体装置において、
前記各部材の間の接合部が、一方部材の母材表面に形成したカーボンナノチューブ膜と、該カーボンナノチューブ膜の表面と他方部材との間を接合した金属接合層からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、半導体チップの上面電極に接続する配線部材がリードフレームであり、該リードフレームと半導体チップとの間を導電，伝熱接合する接合部が、一方部材の母材表面に形成したカーボンナノチューブ膜と、該カーボンナノチューブ膜の表面と他方部材との間を接合した金属接合層からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、カーボンナノチューブ膜が、母材表面にカーボンナノチューブを垂直配向成長させて形成したものであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の半導体装置において、半導体チップと絶縁回路基板，ないしリードフレームとの間の接合部に形成したカーボンナノチューブ膜を、カーボンナノチューブを束状に選択成長させた柱状の垂直配向構造体を母材の接合面に多数敷きつめて形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置において、カーボンナノチューブ膜の表面と他方の母材接合面との間の金属接合層を、カーボンナノチューブ膜の表面，および他方母材の表面にそれぞれ成膜した金属膜同士を凝着させて形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置において、金属膜をＡｕメッキで形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体装置において、金属ベース上に搭載して部品相互間を接合した絶縁回路基板，半導体チップ，および配線部材の周域をモールド樹脂で封止したことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であり、一方の母材表面にカーボンナノチューブを垂直配向成長させてカーボンナノチューブ膜を形成した上で、該カーボンナノチューブ膜の表面および接合相手部材の表面にそれぞれ金属膜を成膜し、次いで双方の金属膜同士を重ね合わせて超音波接合法などにより凝着させて各部材の間を接合したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールを実施対象とした半導体装置の実装構造，およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、ＩＧＢＴモジュールを例に、従来における半導体装置の組立構造例を図４，図５に示す。各図において、１は銅材で作られた放熱用金属ベース、２はセラミック基板２ａの両面に銅箔回路パターン２ｂ，裏面銅箔２ｃを形成した絶縁回路基板（ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板）、３は絶縁回路基板２の銅箔回路パターン２ｂにマウントした半導体チップ（ＩＧＢＴ (Insulated Gate Bipolar Transistor)，ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）など）、４は金属ベース１と絶縁回路基板２の裏面銅箔２ｃとの間，および絶縁回路基板２の銅箔回路パターン２ａと電極面にＮｉ／Ａｕメッキなどでメタライズした半導体チップ３との間を接合した半田接合層、５は外囲樹脂ケース６に設けた外部端子（主端子，制御端子）、７は外囲樹脂ケース６の内方に充填した封止樹脂（例えば、ゲル状のシリコーン樹脂）であり、半導体チップ３の上部電極（エミッタ電極，ゲート電極）と絶縁回路基板２の銅箔回路パターン２ｂ，外部端子５との間が次記のように配線部材で接続されている。
【０００３】
すなわち、図４の構成では半導体チップ３の上面電極と絶縁回路基板２の銅箔回路パターン２ｂ，外部端子５との間にアルミワイヤ８をワイヤボンディングしている。一方、図５の構成では半導体チップ３の放熱性を高めるために、半導体チップ３のエミッタ電極と銅箔回路パターン２ｂとの間を接続する配線部材として銅系の導体片で作られたリードフレーム９を採用し、その両端脚部を相手側部材に半田接合している。このリードフレーム９は、前記のアルミワイヤ８（図４参照）に比べ通電断面積，伝熱容量が大きくて半導体チップ３の通電容量，放熱性の向上とピーク温度の低減化が図れる。
【０００４】
一方、昨今ではカーボンナノチューブの研究が盛んに行われており、その高電流密度耐性，バリスティック伝導，高熱伝導度の特性を利用した電子デバイスへの応用技術の研究，開発が進められている。また、その応用技術の一例として、カーボンナノチューブを半導体素子の配線ビアに適用して素子に発生する熱を効果的に放熱するようにした半導体装置、および前記の配線ビアとして半導体素子内部に多層カーボンナノチューブを束状にして垂直配向成長させる製造法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１０９１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、頭記したパワー半導体モジュールは通電に伴う半導体チップの発熱量が多く、図４，図５で述べたようにモジュールを構成する各部品の相互間を層厚１００〜２００μｍの半田（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系などの鉛フリー半田）により接合した従来の実装構造は信頼性確保の面で次記のような問題がある。
すなわち、従来の実装構造では半導体チップと他の部品との間の通電，伝熱が半田接合層を通じて行われる。このために、半導体装置のヒートサイクルに伴う熱履歴により半田接合界面に生成した金属間化合物が成長するほか、銅材の金属ベース，絶縁回路基板の銅箔，リードフレームと半導体チップ（単結晶シリコン）との熱膨張係数差に起因する熱応力が半田接合部に集中して繰り返し加わり、これが原因で半田接合部にクラックが発生したり剥離したりして半導体装置の接合信頼性を低下させる。このことから、通電耐性，伝熱性の面で半田接合に代わる高信頼性の接合技術の開発が望まれている。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、モジュールを構成する部品相互間の接合に先記したカーボンナノチューブを応用して高電流密度耐性，高熱伝導度の接合が達成できるにした半導体装置の実装構造，およびその製造方法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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明によれば、放熱用金属ベースに絶縁回路基板，半導体チップを搭載して各部材の間を導電，伝熱接合した半導体装置において、
前記各部材の相互間を、一方の母材表面に形成したカーボンナノチューブ膜と、該カーボンナノチューブ膜の表面と他方の母材との間に形成した金属接合層とで導電，伝熱接合する（請求項１）。
【０００８】
また、前記の実装構造を基本として、次記のような具体的態様で構成する。
（１）半導体チップの上面電極に接続する配線部材をリードフレームとして、該リードフレームと半導体チップとの間を、一方の母材表面に積層形成したカーボンナノチューブ膜と、該カーボンナノチューブ膜の表面と他方の母材との間を形成した金属接合層とで導電，伝熱接合する（請求項２）。
（２）前記カーボンナノチューブ膜は、母材表面にカーボンナノチューブを垂直配向成長させて形成する（請求項３）。
（３）半導体チップと絶縁回路基板との間、ないし半導体チップとリードフレームとの間の接合部に形成したカーボンナノチューブ膜については、カーボンナノチューブを束状に選択成長させた柱状の垂直配向構造体を母材の接合面に多数敷きつめてパターン形成する（請求項４）。
（４）カーボンナノチューブ膜の表面と他方の母材接合面との間の金属接合層を、カーボンナノチューブ膜の表面，および他方母材の表面にそれぞれ成膜した金属膜同士を凝着させて形成する（請求項５）。
（５）前項（４）の金属膜をＡｕメッキで形成する（請求項６）。
（６）金属ベース上に搭載して部品相互間をカーボンナノチューブ膜と金属接合層で接合した絶縁回路基板，半導体チップ，および配線部材の部品周域をモールド樹脂で封止する（請求項７）。
【０００９】
また、本発明による前記実装構造の製造方法は、導電，伝熱接合する部材に対し、一方の母材表面にカーボンナノチューブを垂直配向成長させてカーボンナノチューブ膜を形成した上で、該カーボンナノチューブ膜の表面および接合相手の母材表面にそれぞれ金属膜を成膜し、その金属膜同士を重ね合わせて超音波接合法などにより凝着させて各部材の相互間を接合する（請求項８）。
【発明の効果】
【００１０】
半導体装置の構成部品である金属ベース，絶縁回路基板，半導体チップ，およびリードフレームの部品相互間を電気導電性，伝熱性に優れたカーボンナノチューブ膜（カーボンナノチューブの熱伝導率は１０００〜１５００Ｗ／ｍ・ｋで、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田の２０倍以上，Ｃｕ材の２〜３倍）と金属接合層を組合せて接合した本発明の実装構造によれば、部品相互間を半田接合した従来構造と比べて電流密度耐性，放熱性の大幅な向上化が図れる。また、半導体チップの動作温度も低減するので、半導体チップの小形化と併せてモジュールのダウンサイジングも可能となる。しかも、部品相互間の接合部には、半田接合のように熱履歴に起因する接合強度の劣化のおそれがなくて高信頼性を確保できる。
【００１１】
また、半導体チップとの接合部に形成したカーボンナノチューブ膜については、カーボンナノチューブを束状に選択成長させた柱状の垂直配向構造体を母材の接合面に多数敷きつめてパターン形成することにより、単結晶シリコンの半導体チップと銅材の接合相手部材との熱膨張係数差に起因して接合部の面方向に作用する熱応力を柱状のカーボンナノチューブで効果的に吸収緩和できる。さらに、金属ベースの上に搭載した絶縁回路基板，半導体チップ，リードフレームの各部品周域をモールド樹脂で封止することにより、このモールド樹脂により部品間の接合強度をサポートして高い接合信頼性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、図１は配線部材にリードフレームを採用したモジュール全体の組立構造図、図２（ａ）〜（ｃ）はその製造工程の説明図、図３は図１の半導体チップ上面に形成したカーボンナノチューブ膜の模式図であり、図５に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
図示実施例のモジュール組立構造は基本的に図５と同様であるが、金属ベース１／絶縁回路基板２，絶縁回路基板２／半導体チップ３，半導体チップ３／リードフレーム９，およびリードフレーム９／絶縁回路基板２の間が、半田接合の代わりにカーボンナノチューブ膜１０と金属接合層１１を介して導電，伝熱接合されており、さらに外囲樹脂ケース６の内方にはエポキシ樹脂などのモールド樹脂１２を充填して組立部品の周域を封止している。
【００１３】
次に、前記モジュールの組立，部品間の接合方法を図２により説明する。まず、銅材の金属ベース１の上面をレジストなどによりパターンニングしてその接合面域に母材（Ｃｕ）を露出させる。さらに、必要により母材露出面に金属触媒としてＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏなどの遷移金属を蒸着した上で、プラズマＣＶＤ法などにより母材の接合面に多層カーボンナノチューを１〜５０μｍの厚さに垂直配向成長させてカーボンナノチューブ膜１０を形成する。また、カーボンナノチューブ膜１０の表面をポリッシングして平坦面に揃えておく。次に、カーボンナノチューブ膜１１の表面、および接合相手部材である絶縁回路基板２の裏面銅箔２の表面にＡｕメッキを施してＡｕメタライズ膜１１ａを成膜する（図２（ａ）参照）。その後に、金属ベース１の上に絶縁回路基板２を重ね合わせ、超音波接合，表面活性化接合法などにより前記したＡｕメタライズ膜１１ａ同士を凝着させてカーボンナノチューブ膜１０と絶縁回路基板２の裏面銅箔２ｃとの間を接合する。なお、このＡｕメタライズ膜同士を凝着する接合工程では、必要に応じて１００〜２００℃に加熱することで接合信頼性を高めることができる。
【００１４】
次に、図２（ｂ）で示すように絶縁回路基板２の上面側に形成した銅箔回路パターン２ｂとここにマウントする半導体チップ３に対して、前記と同様な手法によりカーボンナノチューブ膜１０，およびＡｕメタライズ膜１１ａを形成した上で、絶縁回路基板２に半導体チップ３を重ね合わせ、超音波接合などによりＡｕメタライズ膜１１ａ同士を凝着させて絶縁回路基板２／半導体チップ３の間を導電，伝熱接合する。
【００１５】
続いて、図２（ｃ）で示すように半導体チップ３の上面電極（エミッタ電極）とリードフレーム９の脚部，およびリードフレーム９の他方側の脚部と絶縁回路基板２の銅箔回路パターン２ｃとの間の接合部に対して、前記した接合方法と同様な手法でカーボンナノチューブ膜１０，およびＡｕメタライズ膜１１ａを形成し、リードフレーム９を接合相手部材の上に重ね合わせて超音波接合などによりＡｕメタライズ膜１１ａ同士を凝着させて絶縁回路基板２／半導体チップ３の間を導電，伝熱接合する。
【００１６】
その後、図１で示すように金属ベース１に外部端子付きの外囲樹脂ケース６を組み付け、半導体チップ３のゲート電極と外部端子５の間にアルミワイヤ８を接続した上で、外囲樹脂ケース６の内方にエポキシ樹脂などのモールド樹脂１２を充填して封止し、金属ベース１に搭載，接合した絶縁回路基板２，半導体チップ３，リードフレーム９などの各部品の周域を固めて製品が完成する。
【００１７】
上記のように各部品の相互間を電流密度耐性，伝熱性に優れたカーボンナノチューブ膜１０と金属接合層１１を組合せて接合することにより、部品相互間を半田接合した従来の実装構造（図４，図５参照）と比べてモジュールの放熱性が大幅に向上する。また、これにより半導体チップの動作温度も低減するので、チップサイズの小形化と併せてモジュールのダウンサイジング化も可能となる。しかも、部品間の接合には半田を用いないので、ヒートサイクル，パワーサイクルの熱履歴による接合強度の劣化もなくて接合信頼性が大幅に向上する。さらに、図１に示した実装構造のように、金属ベース１の上に搭載した絶縁回路基板２，半導体チップ，リードフレーム９の部品周域をモールド樹脂１２で封止することにより、部品間の接合強度、特にＡｕメタライズ膜同士の凝着により接合強度の不足をモールド樹脂１２がサポートして高接合信頼性を確保できる。
【００１８】
次に、図示実施例の実装構造に対する応用実施例について述べる。まず、図示実施例では半導体チップ３に接続する主回路の配線部材にリードフレーム９を採用しているが、リードフレームの代わりに図４のようにアルミワイヤ８で接続してもよい。
また、各部材相互間の接続部において、カーボンナノチューブ膜１０を金属ベース１，絶縁回路基板２の銅箔回路パターン２ｂ，半導体チップ３の上面電極に形成して接合相手部材と接合しているが、これとは逆にカーボンナノチューブ膜１０を絶縁回路基板２の裏面銅箔２ｃ，半導体チップ３の下面（コレクタ），リードフレーム９の脚部側に形成して接合してもよい。
【００１９】
一方、半導体チップ３の接合面に形成するカーボンナノチューブ膜１０については、個々のチップごとに形成せずにウエーハの状態でその全面域にカーボンナノチューブ膜を一括して形成し、その後にウエーハをダイシングしてチップ化することによりカーボンナノチューブ膜を形成する工数を低減できる。
なお、単結晶シリコンの半導体チップ３と絶縁回路基板２の銅箔回路パターン２ｂ，あるいは銅材のリードフレーム９との間の接合部には、熱膨張係数差に起因して接合面方向に熱応力が作用する。そこで、半導体チップ３との間の接合部に形成したカーボンナノチューブ膜１０については、図３で示すように垂直に配向するカーボンナノチューブを束状に選択成長させた柱状のカーボンナノチューブ１０ａを母材（半導体チップ３）の表面に多数敷きつめて形成しておく。これにより、半導体チップ３と銅材の接合相手部材との熱膨張係数差による熱応力を柱状のカーボンナノチューブ１０ａ（柱状のカーボンナノチューブは曲げに対して柔軟性がある）により効果的に吸収緩和できる。なお、図３のように柱状のカーボンナノチューブ１０ａを母材表面に分散してパターン形成すると接合部の見かけ上の導電，伝熱面積が減少するが、カーボンナノチューブはキャリアの散乱がないバリスティク伝導で導電性が高く、かつ熱伝導率は半田の約２０倍以上，Ｃｕの２〜３倍であることから、モジュールとして高い通電，放熱性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例による半導体装置の組立構造図
【図２】図１に示した半導体装置の製造方法の説明図で、（ａ）〜（ｃ）はその組立順序を表す製造工程図
【図３】図１の半導体チップ上に形成した柱状カーボンナノチューブの模式図
【図４】半導体チップの配線部材にボンディングワイヤを用いた従来の半導体装置の組立構造図
【図５】半導体チップの主回路配線部材にリードフレームを採用した従来の半導体装置の組立構造図
【符号の説明】
【００２１】
１    放熱用金属ベース
２    絶縁回路基板
２ｂ  銅箔回路パターン
２ｃ  裏面銅箔
３    半導体チップ
５    外部端子
６    外囲樹脂ケース
９    リードフレーム
１０    カーボンナノチューブ膜
１０ａ  柱状のカーボンナノチューブ
１１    金属接合層
１１ａ  Ａｕメタライズ膜
１２    モールド樹脂
【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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