(57)【要約】【課題】半導体モジュールの冷却特性および低温から高温に至る冷熱サイクルに対する信頼性を向上する。【解決手段】ＩＧＢＴ素子１１とＣｕ配線板１２とＡｌＮ膜１４とベースプレート１５と冷却器１６とを備え、ＩＧＢＴ素子１１とＣｕ配線板１２との間に金属緩衝層１３が設けられている。                                                                【選択図】図１
2008205383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
少なくとも前記半導体素子を冷却する冷却器と、
前記半導体素子と前記冷却器との間に配され、前記半導体素子および前記冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材と、
前記絶縁部材の前記半導体素子が設けられた側に配され、前記半導体素子に電力供給する配線用金属板と、を備え、
前記半導体素子と前記配線用金属板との間、および前記絶縁部材と前記冷却器との間より選択される少なくとも１つに、多孔質の金属部材と該金属部材の内部に含有された液体金属および／または少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属とを含む金属緩衝層を有する半導体モジュール。
【請求項２】
前記絶縁部材と前記冷却器との間に、前記半導体素子の熱を放出する放熱用基材を更に備え、
前記「絶縁部材と冷却器との間」は、前記絶縁部材と前記放熱用基材との間および前記放熱用基材と前記冷却器との間を含み、
前記「半導体素子と配線用金属板との間」並びに前記絶縁部材と前記放熱用基材との間および前記放熱用基材と前記冷却器との間より選択される少なくとも１つに、多孔質の金属部材と該金属部材の内部に含有された液体金属および／または少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属とを含む金属緩衝層を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
回路パターンを有し、前記半導体素子と接続された回路側電極を更に備え、
前記「半導体素子と配線用金属板との間および絶縁部材と冷却器との間」または前記「半導体素子と配線用金属板との間、絶縁部材と放熱用基材との間、および放熱用基材と冷却器との間」、並びに前記半導体素子と前記回路側電極との間より選択される少なくとも１つに、多孔質の金属部材と該金属部材の内部に含有された液体金属および／または少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属とを含む金属緩衝層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記半導体素子は、前記配線用金属板が設けられる側に素子下側電極が配されており、
前記「半導体素子と配線用金属板との間」に金属緩衝層を有する場合、前記金属緩衝層は前記素子下側電極と前記配線用金属板との間に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記半導体素子は、前記回路側電極が設けられる側に素子上側電極が配されており、
前記「半導体素子と回路側電極との間」に金属緩衝層を有する場合、前記金属緩衝層は前記素子上側電極と前記回路側電極との間に設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記金属部材は、網目構造、綿状構造、または金属繊維束構造を有する層状部材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記金属部材は、発泡金属を用いて構成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記金属部材は、銅、ニッケル、鉄、クロム、アルミニウム、およびこれらの合金より選択される少なくとも一種を用いて形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記液体金属および少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属は、水銀、ガリウム、セシウム、ルビジウム、カリウム、ナトリウム、インジウム、およびこれらの少なくとも１種を含む混合物より選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
前記融点が１５０℃以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１１】
前記金属緩衝層は複数の層からなり、
前記複数の層は、多孔質の金属部材と該金属部材の内部に含有され、２５℃で固体状態であって融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属とを含む中間層と、多孔質の金属部材と該金属部材の内部に含有された２５℃で液体状態の金属とを含み、前記中間層を挟む２層の外層と、を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
多孔質の金属部材を準備する工程と、
前記金属部材の内部に、液体金属および／または少なくとも融点が半導体素子の最高発熱温度以下である金属を供給する工程と、
を有する半導体モジュールの製造方法。
【請求項１３】
前記液体金属および／または少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属が供給された前記金属部材の少なくとも一部を樹脂材料で覆う工程を更に有することを特徴とする請求項１２に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１４】
前記供給は、前記孔による毛細管現象を利用して行なうことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の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】
本発明は、発熱性の半導体素子を用いて構成する場合に好適な半導体モジュールおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子上に設けられた電極（素子側電極）とこの半導体素子が実装される回路側（例えば回路パターンを有する回路基板）に設けられた電極（回路側電極）とが、ワイヤボンディングにより電気的に接続された半導体素子実装回路が知られている。
【０００３】
このようなワイヤボンディングでは、素子側電極と回路側電極とが細径のボンディングワイヤを介して接続されている。このため、例えば電力用半導体素子のエミッタ電極やコレクタ電極と回路側電極との間の接続など大電流が流れる箇所では、ワイヤボンディングによって接続した場合に、素子側電極と回路側電極との充分な導通性を確保することは困難である。
【０００４】
一方、図６に示すように、半導体素子２００上に形成された半田層２１０を介して、半導体素子２００上に設けられた素子側電極（図示せず）と回路側電極２２０とを直接（ボンディングワイヤ等を介することなく）接続する実装構造も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
この実装構造では、ワイヤボンディング等に比べて、素子側電極と回路側電極とが広範囲にわたって接続（半田付）されており、素子側電極と回路側電極との接続面積が広いことから素子側電極と回路側電極との間の導通性を充分に確保しやすい。また、半田層が半導体素子および回路側電極と広範囲で接触（面接触）しているので、この半田層を介して半導体素子の作動により生じた熱を外部へと効率よく放出することが可能である。
【０００６】
特にパワーデバイスにおいては、素子が使用されているときの接合温度（素子が連続的に動作できる素子の最高温度：素子の置かれる周囲環境と素子自体からの発熱による温度上昇の相互作用によって決まる規格値）は、素子材料がＳｉのＩＧＢＴ等では、現在１５０℃であり、将来的には更に高い温度（例えば１７５℃〜２００℃）になる可能性がある。さらに、素子材料がＳｉＣやＧａＮといったバンドギャップの大きい素子では、高温動作が可能であるという優位性を利用するため、接合温度がより高温となる可能性もある。
【０００７】
このように、面的に半田付（べタ付）する実装構造では、半田層の一方の面は半導体素子（素子側電極）に、他方の面は回路側電極にそれぞれ接合されるので、自由な熱膨張あるいは収縮が抑制されており、両者の熱膨張係数の違いによって半田層に過剰な応力がかかる場合がある。一般に、回路側電極（リードフレーム等）は金属材料からなるもので熱膨張係数が大きいのに対し、半導体素子を構成する半導体基板（Ｓｉ等）の熱膨張係数は小さく、さらに半導体素子上に薄膜状に設けられる素子側電極も熱膨張は小さく抑えられている。したがって、面的に広がる半田層では昇温時に、半田層は中央部から離れるにつれて変位が蓄積されるために半田層の端部付近に特に大きな応力がかかり、その面積が大きくなるほど、半田層の端部における変位量は大きくなる。そのため、電気導通性や熱伝導性を向上させようと、半田層と電極（素子側電極及び／又は回路側電極）との接合面積を大きくすると、クラックの発生、ひいては接続信頼性の低下がさらに顕在化する。
【０００８】
上記に関連して、発熱源（半導体素子等）とこれを冷却するヒートシンクとを有するモジュールにおいて、発熱源の熱をヒートシンクに伝える方法として液体金属を用いる方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。すなわち、発熱源とヒートシンクを直接触させた場合は間に介在する空気層により接触抵抗が大きいのに対し、発熱源とヒートシンクの間に液体金属を充填することにより接触抵抗を低減しようとするものである。液体金属の封止については、繊維（綿）を用いることが記載されている。
また、液体金属の封止に可撓性シートを用いる方法に関する提案がある（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平８−８３９５号公報
【特許文献２】米国特許４９１５１６７号明細書
【特許文献３】特開２００４−１４６８１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように発熱源とヒートシンクを直接触させた場合、液体金属は素子およびヒートシンクの表面凹凸により形成された空隙を埋めるが、その間隙および適切な液体金属の量は表面凹凸の程度、すなわち表面粗度等に依存する。つまり、表面粗度がロット間でばらついた場合に供給される液体金属の量が同じであると、表面粗度が小さくて相対的に液体金属の供給量が多くなるときには液体金属は間隙から流出し、逆に表面粗度が大きくて液体金属の供給量が少なくなるときには間隙が埋まらずに空隙が残り、素子内の熱伝導、ひいては発熱時の素子内に温度分布が生じ、空隙が残った箇所は著しく昇温してしまう。
【００１０】
そして、発熱源とヒートシンクを中央が中空になった繊維（綿）を介して接続した場合、中央は液体金属で満たされるが繊維の存在する周辺部では液体金属が存在せず、熱伝導は著しく低下するばかりか、中央以外では繊維により断熱状態となってしまう。特に、ＩＧＢＴ素子のように、発熱量の大きくほぼ全面で発熱する素子においては、全面を冷却できる構造に構成することが不可欠である。なお、ＩＧＢＴ素子には、周辺部に発熱しない耐圧構造があるがその幅は０．５ｍｍ程度で小さく、素子サイズおよび熱の素子周辺への拡散を考慮すれば無視可能な程度であり、全面冷却が不可欠である。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、熱伝導性および電気導通性に優れ、低温〜高温間の冷熱サイクルで生じる熱応力が緩和された信頼性の高い半導体モジュール及びその製造方法を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、フレームとなる金属多孔体の孔に少なくとも素子の最大定格温度で液体状態にある金属を充填した構造は、接合部に生じる熱応力に対して柔軟性を与え、しかも異相ながら熱伝導および導電に大きく寄与し、−４５℃から３００℃程度に至る広い温度領域で必要とされる信頼性、モジュール特性の向上に有効であるとの知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。
【００１３】
上記目的を達成するために、第１の発明である半導体モジュールは、半導体素子と、少なくとも半導体素子を冷却する冷却器と、前記半導体素子と前記冷却器との間に配され、前記半導体素子および前記冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材と、前記絶縁部材の前記半導体素子が設けられた側に配され、前記半導体素子に電力供給する配線用金属板とを備え、前記半導体素子と前記配線用金属板との間、および前記絶縁部材と前記冷却器との間より選択される少なくとも１つに、多孔質の金属部材と該金属部材の内部に含有された液体金属および／または少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属とを含む金属緩衝層を設けて構成したものである。
以下、本発明における「少なくとも融点が半導体素子の最高発熱温度以下である金属」を「液状化金属」と略記することがある。
【００１４】
第１の発明である半導体モジュールは、昇温時に熱膨張係数の違い等に起因して過大な熱応力が生じて剥がれやクラック等を起こしやすい「半導体素子と配線用金属板との間」または「絶縁部材と冷却器との間」あるいはこれらの両方に、多孔質の金属部材と該金属部材の内部に含有された液体金属および／または液状化金属とを含む金属緩衝層を設けることで、層内は多孔質の金属部材で骨格形成されて柔軟性を有すると共に、その内部に含まれる液体金属や液状化金属は少なくとも熱応力による変形等で構造破壊（剥がれやクラック等）が起こり得る温度下で液相状態にあって金属部材の柔軟性を損なわないので、過大な熱応力が解消され、応力変形を受けた際の劣化を回避することができ、半導体モジュールの信頼性を効果的に向上させることができる。
【００１５】
つまり、接合される各部材間の熱膨張係数の違い等によってそれらの間に熱応力が生じた場合、生じた熱応力を金属緩衝層の変形により吸収して各部材間にかかる応力を緩和することができる。これより、各部材間の疲労が軽減され、各部材間の接続信頼性を長期にわたって維持できる。特に使用温度である半導体素子のＴｊ（素子の最大定格温度）付近において、液体金属および液状化金属の流動性を確保できるため、Ｔｊ付近で応力緩和効果が得られ、過酷な冷熱サイクルなど幅広い温度環境下に曝された場合でも構造破壊を来さない極めて高い信頼性を確保できる。
【００１６】
また、液体金属、液状化金属並びに多孔質の金属部材はいずれも、良好な電気導通性および熱伝導性を有する金属材料であるため、互いに接合される各部材間の電気的および熱的接続性を良好に保つことが可能である。しかも、金属緩衝層は隣接の各部材と面で接触するので、電気的および熱的接続性の点ではより優れる。
【００１７】
さらに、液状化金属を用いる場合、その融点がＴｊ以下の温度であるときには、半導体素子の温度が液状化金属の融点に達すると融解し、その潜熱（融解熱）により半導体素子の温度が上昇するのを防ぐことができる。また、短絡耐量等、半導体素子の発熱が短時間で起こる現象に対しても有効である。
【００１８】
第１の発明においては、更に、絶縁部材と冷却器との間に、半導体素子の熱を放出する放熱用基材を設けて構成することができる。この場合には、前記「絶縁部材と冷却器との間」には、絶縁部材と放熱用基材との間、および放熱用基材と冷却器との間が含まれ、「半導体素子と配線用金属板との間」並びに「絶縁部材と放熱用基材との間および放熱用基材と冷却器との間」より選択される少なくとも１つに、多孔質の金属部材と該金属部材の内部に含有された液体金属および／または少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属とを含む金属緩衝層を設けることができる。
【００１９】
すなわち、第１の発明は、半導体素子と、半導体素子の熱を放出する放熱用基材と、放熱用基材の前記半導体素子が設けられた側と反対側に配され、熱交換により少なくとも前記半導体素子を冷却する冷却器と、前記半導体素子と前記放熱用基材との間に配され、前記半導体素子および前記冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材と、前記絶縁部材の前記半導体素子が設けられた側に配され、前記半導体素子に電力供給する配線用金属板とを備え、前記半導体素子と前記配線用金属板との間、前記絶縁部材と前記放熱用基材との間、および前記放熱用基材と前記冷却器との間の少なくとも１つに、多孔質の金属部材と該金属部材の内部に含有された液体金属および／または少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属とを含む金属緩衝層を設けて構成することができる。
【００２０】
また、第１の発明である半導体モジュールは、更に、回路パターンを有し、前記半導体素子と接続された回路側電極を設けることができる。この場合には、「（1）半導体素子と配線用金属板との間および絶縁部材と冷却器との間」並びに「半導体素子と前記回路側電極との間」より選択される少なくとも１つに、あるいは「（2）半導体素子と配線用金属板との間、絶縁部材と放熱用基材との間、および放熱用基材と冷却器との間」並びに「半導体素子と前記回路側電極との間」より選択される少なくとも１つに、多孔質の金属部材と該金属部材の内部に含有された液体金属および／または少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属とを含む金属緩衝層を設けることができる。
【００２１】
半導体素子には、該半導体素子の配線用金属板が設けられる（配線用金属板と向き合う）側に素子下側電極を配設することができる。この場合、半導体素子と配線用金属板との間に金属緩衝層を設けるときには、半導体モジュールの信頼性向上の点で、素子下側電極と配線用金属板との間に金属緩衝層を設けることが望ましい。
【００２２】
また、回路側電極を設けて半導体モジュールを構成する場合、半導体素子には回路側電極が設けられる側に素子上側電極を設けることができる。この場合、半導体素子と回路側電極との間に金属緩衝層を設けるときには、半導体モジュールの信頼性向上の点で、素子上側電極と回路側電極との間に金属緩衝層を設けることが望ましい。
【００２３】
上記のように、半導体モジュールを構成する半導体素子や絶縁部材等の各部材間において、熱応力が生じてクラック等の構造破壊が起きやすい部位の１箇所または２箇所以上に選択的に金属緩衝層を設けることにより、所望の信頼性向上効果を得ることができる。
【００２４】
金属部材は、網目構造、綿状構造、または金属繊維束構造を有する層状部材を用いて構成することが好ましい。網目構造、綿状構造、または金属繊維束構造が形成されることで、柔軟性を付与できるのみならず、金属部材内の空隙に充填されるとその表面張力により内部に留まり、外部への流出が抑えられ、外部からの衝撃に対して安定に保持できる。
また、液体に対して毛細管現象が生じるので、液体金属等の供給に毛細管現象を利用でき、多孔質の金属部材中に熱抵抗や電気抵抗の障害となる空気が混入（ボイドの形成）しないように液体金属等を供給することができる。
【００２５】
網目構造、綿状構造、または金属繊維束構造を有する金属部材の中では、発泡金属が好適である。発泡金属は、液体金属等を含められると同時に、ある程度の強度を持ち、外力を受けた場合に構造を保持できる点で有効である。
【００２６】
金属緩衝層を構成する金属部材としては、熱伝導性および電気伝導性を保持する点で、銅、ニッケル、鉄、クロム、アルミニウム、およびこれらの合金より選択される少なくとも一種を用いて形成することができる。
また、金属緩衝層を構成する液体金属および液状化金属（少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属）には、熱伝導性および電気伝導性を保持する点で、水銀、ガリウム、セシウム、ルビジウム、カリウム、ナトリウム、インジウム、およびこれらの少なくとも１種を含む混合物より選択される少なくとも１種を用いることができる。
【００２７】
液状化金属（少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属）の融点については、広く用いられる半導体素子（例えばＩＧＢＴ素子）のうち比較的低温の発熱温度が約１５０℃程度であることを考慮すると、１５０℃以下であることが望ましい。
【００２８】
第１の発明である半導体モジュールを構成する金属緩衝層は複数の層で構成することができる。金属緩衝層が複数の層で構成される場合、多孔質の金属部材と該金属部材の内部に含有され、２５℃で固体状態であって融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属とを含む中間層と、多孔質の金属部材と該金属部材の内部に含有された２５℃で液体状態の金属とを含み、前記中間層を挟む２層の外層と、を設けて構成されることが好ましい。複数の層からなる金属緩衝層の最少構造は外層／中間層／外層の３層構造であり、この構造を基本構造として外層と中間層との間にさらに他の層を設けることにより、４層構造以上に構成することもできる。
【００２９】
第２の発明である半導体モジュールの製造方法は、前記第１の発明である半導体モジュールを作製する製造方法であって、多孔質の金属部材を準備する工程と、準備された金属部材の内部に、液体金属および／または少なくとも融点が半導体素子の最高発熱温度以下である金属を供給する工程とを設けて構成したものである。
【００３０】
第２の発明においては、あらかじめ金属緩衝層を構成する多孔質の金属部材を準備し、この金属部材に液体金属や液状化金属を供給することで、熱抵抗や電気抵抗の障害となる空気の混入（ボイドの形成）を回避できるので、熱伝導性および電気伝導性を良好に維持しながら、熱応力緩和効果に優れ、信頼性の高い半導体モジュールを作製できる。特に金属部材の孔において毛細管現象を利用できるときには、空気の混入回避により優れる。
【００３１】
第２の発明においては、液体金属および／または液状化金属が供給された金属部材の少なくとも一部を樹脂材料で覆う工程を更に設けることができる。
【００３２】
金属部材中に含まれた液体金属等は、その表面張力により内部に安定的に保持されるが、外力が加えられたり、環境変化や他の理由で金属部材外に染み出すことが想定される場合にも、含ませた液体金属等をより安定に金属部材内に留めておくことができる。
【００３３】
液体金属や液状化金属の供給は、孔による毛細管現象を利用して行なうことができる。液体金属等の供給に毛細管現象を利用することで、多孔質の金属部材の孔中に熱抵抗や電気抵抗の障害となる空気の混入（ボイドの形成）を回避でき、より優れた熱伝導性および電気伝導性が得られる。更に、大掛かりな設備等の必要もなく、製造コストも安価に抑えられる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、熱伝導性および電気導通性に優れ、低温〜高温間の冷熱サイクルで生じる熱応力が緩和された信頼性の高い半導体モジュール及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図面を参照して、本発明の半導体モジュールの実施形態について詳細に説明し、該説明を通じて、本発明の半導体モジュールの製造方法の詳細についても述べる。但し、本発明においては、これら実施形態に制限されるものではない。
【００３６】
（第１実施形態）
本発明の半導体モジュールの第１実施形態を図１〜図２を参照して説明する。本実施形態の半導体モジュールは、半導体素子と絶縁基板の半導体素子側に設けられた配線用金属板との間に金属緩衝層を設けたものである。
【００３７】
本実施形態の半導体モジュールは、図１に示すように、半導体素子１１と、半導体素子に電力供給する配線用金属板であるＣｕ配線板１２と、半導体素子およびＣｕ配線板間に設けられた金属緩衝層１３と、Ｃｕ配線板が形成された絶縁膜（絶縁部材）であるＡｌＮ膜１４と、放熱用基材であるベースプレート１５と、ベースプレートを介して半導体素子を冷却する冷却器１６と、を備えている。
【００３８】
半導体素子１１は、縦約９ｍｍ、横約１２ｍｍ、厚さ約０．６ｍｍのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。ＩＧＢＴ以外にも他のバイポーラトランジスタ、ＭＯＳ等の電界効果トランジスタ、ＧａＮ素子、およびダイオードなど各種の半導体素子から目的等に応じて適宜選択することができる。半導体素子は市販のものを適宜選択することができ、その中では本発明の効果をより発揮し得る点で、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳ等）が好ましい。
また、例えばハイブリッド車などに用いられる三相インバータの場合には、ＩＧＢＴ１個とダイオード１個とを設けてインバータの形成に必要な最小単位であるユニットを構成し、このユニット２個を直列したもの（アーム）例えば３組（またはその倍数）を並列に組んで構成することができる。
【００３９】
また、半導体素子（ＩＧＢＴ素子）１１のＣｕ配線板１２が設けられている側（図１に示す半導体素子の下側）には、図示しない素子下側電極（縦約９ｍｍ、横約１２ｍｍ；コレクタ電極）が配設されており、この素子下側電極において、Ｃｕ配線板１２からの電力供給を受けることができるようになっている。
【００４０】
Ｃｕ配線板１２は、長さ３０ｍｍ×幅１５ｍｍ×厚み０．３ｍｍの銅板からなる配線用金属板であり、この銅板の表面に半導体素子１１が金属緩衝層１３を介して接合されると共に、外部電源と導通されて、半導体素子１１に電流を供給し、作動させ得る構成になっている。
【００４１】
なお、絶縁基板上に搭載されたＩＧＢＴやダイオードなどの素子はＣｕ配線板を介して素子同士の電気的接続を行なうと共に、ワイヤボンドなどによりモジュールのハウジングに設けられたバスバー等へ電気的に接続され、外部の電源からの電力摂取あるいはモーター等への電力供給等を行なう。
【００４２】
配線用金属板は、電気的に良導性の金属材料から目的等に応じて適宜選択して構成することができ、銅板以外に、例えば、アルミニウム、タングステン、モリブデン、インバー（Ｆｅ−Ｎｉ合金）、およびこれらの積層材などを用いることができる。
【００４３】
好ましくは、熱伝導率が１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属材料であり、伝熱効率を確保し、半導体素子の冷却効率を高め、熱応力による反りを回避する点で、銅やアルミニウム、タングステン、及びモリブデンなどが好ましい。また、比抵抗が１×１０−５Ω・ｃｍ以下の金属材料が好ましく、熱伝導率と電気伝導性を確保し、素子の動作性能を良好に保つ点でも、銅、アルミニウム、タングステン、及びモリブデンがより好ましく、特に好ましくは銅、アルミニウムである。
【００４４】
Ｃｕ配線板の板厚としては、特に制限はないが、通常０．１〜０．５ｍｍ程度であり、配線抵抗および熱応力の点で０．２〜０．４ｍｍが好ましい範囲である。なお、Ｃｕ配線板の厚み以外のサイズについては、目的等に応じて適宜選択すればよい。
【００４５】
Ｃｕ配線板１２は、半導体素子が配される配線用金属板であり、本実施形態ではその表面に半導体素子１１が金属緩衝層１３を介して設けられると共に、外部電源と導通されて、半導体素子１１に電流を供給し作動させることができるようになっている。
【００４６】
金属緩衝層１３は、金属部材である発泡金属と液体金属とで構成され、半導体素子１１とＣｕ配線板１２との間に半導体素子１１の１面全体が接触するように設けられ、昇温時に半導体素子およびＣｕ配線板間に生ずる熱応力を緩和できる構成になっている。
【００４７】
この金属緩衝層１３は、図２に示すように、銅（Ｃｕ）製の発泡金属（Ｃｕ発泡金属）３１の空隙部に、ガリウム６８．５％、インジウム２１．５％、および錫１０．０％からなる合金（融点−１９℃；以下；液体金属）３２が注入された単層構造に構成されている。
【００４８】
本実施形態の金属緩衝層は、液体金属（融点−１９℃）３２を注射器で採取し、その針先をＣｕ発泡金属３１の一辺に接触させて液体金属３２を供給し、孔の毛細管現象を利用して液体金属が空隙部全体に注入されてなるものである。この際、気泡の残存を防ぐため、グローブボックスなどを用いて、減圧下で封入を行なうことが望ましい。この中間層を構成する液体もしくは液状化金属は、熱および電気を遠やかに伝える。
【００４９】
金属緩衝層は、半導体素子のＣｕ配線板１２が設けられている側（図１の半導体素子の下側）の素子下側電極が形成されている領域（電極形成領域）の少なくとも一部または全面に配置される。素子下側電極とＣｕ配線板１２との電気導通性の観点からは、少なくとも電極形成領域の全面上に金属緩衝層が形成されていることが好ましい。また、半導体素子から外部への熱伝導性（熱放出性）の観点からは、半導体素子の実質的に１面全体に金属緩衝層が形成されていることが好ましい。
なお、半導体素子の両面に電極（例えばエミッタ電極およびコレクタ電極）が形成されている場合、金属緩衝層は半導体素子の片側の面上のみに形成されてもよく、両面上に形成されていてもよい。この形態については、後述の第２実施形態で述べる。半導体素子の一面上に形成される金属緩衝層は一構造で構成されていることが好ましいが、複数に分割されていてもよい。
【００５０】
金属緩衝層のうち、Ｃｕ発泡金属３１を構成する材質としては、導電性および熱伝導性の高い金属が好ましい。例えば、銅、ニッケル、鉄、クロム、アルミニウム等の純金属、およびこれらを含む合金が好ましく使用できる。また、Ｃｕ発泡金属などの金属部材は、変形しやすい性質と液体状態の金属（半導体素子の最高発熱温度以下において液体状態にある金属）を保持できる性質を併せ持つことが好ましい。かかる観点から、本発明における金属部材は、発泡金属をはじめ、網目構造、綿状構造、または金属繊維束構造（例えば、ステンレス線やアルミニウム線などの金属繊維を絡めて束状にしたもの（金属タワシなど）やスポンジ(海綿)状の構造等）を有する層状部材を好適に用いることができる。中でも、発泡金属は、強度、熱伝導および導電の点でより好適である。また、金属部材を構成する材料の表面には、内部に含有される液状化金属または液体金属と濡れ性のよい金属がメッキされてもよい。
本発明における金属部材の製造方法については後述する。
【００５１】
本実施形態の金属緩衝層は液体金属を用いて構成されたものであるが、液体金属以外に所定温度以上で液状化する液状化金属も使用できる。すなわち、使用可能な材料としては、導電性および熱伝導性の高い金属のうち、常温（２５℃；以下同様）で液状の液体金属、および融点が半導体素子の最高発熱温度以下である金属の中から選択することができる。具体的には、常温（２５℃）以上で液体状態の金属のほか、半導体素子のジャンクション温度（素子の最大定格温度；以下、「Ｔｊ」と略記する）以下（例えば、Ｔｊ＝１５０℃以下）の温度領域で液体状態の金属が含まれる。
【００５２】
ここで、半導体素子のＴｊは、電力の使用状況により変化するものであるが、Ｓｉにおいては約１５０℃（将来的には２００℃）であり、ＳｉＣにおいては約２００℃〜４００℃の範囲、ＧａＮにおいては約１５０℃〜３００℃の範囲が想定される。
【００５３】
半導体素子の加熱温度がＴｊに近づくと、各素材間における線膨張係数の差による熱応力も最大に近づく。したがって、広い温度範囲で液体状態を示す金属が望ましいが、Ｔｊにおいて液体状態である金属であれば有効である。半導体素子で発生した熱を液状化金属の溶解熱により吸収し、温度制御する場合にあっては、その融点がＴｊに近いと有効である。例えば、液状化金属の融点は、半導体素子がＳｉのときは、Ｔｊである１５０℃以下が望ましい。すなわち、本発明における液状化金属または液体金属は、上記範囲で最も低温である約１５０℃以下において液体状態（すなわち１５０℃以上では液体状態が保たれている。融点約１５０℃以下）であるものが好ましい。
【００５４】
液体金属および液状化金属の例としては、水銀、ガリウム、セシウム、ルビジウム、カリウム、ナトリウム、インジウム等の単体、またはこれらの少なくとも１種を含む混合物、並びにこれら単体またはこれらの混合物とリチウム、セレン、錫、タリウム、カドミニウム、鉛、亜鉛、ビスマス等との混合物を挙げることができる。リチウム、セレン、錫、タリウム、カドミニウム、鉛、亜鉛、ビスマス等の混合は、液体金属および液状化金属の融点を所望の温度領域に下げる等の調整に有効である。
【００５５】
上記のうち、常温下で液体である水銀は、−３９℃〜＋３５７℃の範囲で液体であり、物性的には最も好ましいものの一つである。また、ガリウム、セシウム、ルニジウム、カリウム、ナトリウム、インジウムは、融点がそれぞれ＋３０℃〜＋１５６℃にあり、沸点は最も低いルビジウムで＋６８８℃である。これらの金属は、各々の融点と沸点との間で液体状態を示す。これらの中には、常温下で液体状態を示さない金属も含まれるが、これら単体をそれぞれ混合、溶融した組成物を形成することにより、単体の金属より融点を下げることが可能である。
【００５６】
また、市販の液体金属としては、ガリウムやインジウム等を用いた合金材料、例えば、ガリウム６８．５％、インジウム２１．５％、錫１０．０％からなる合金（融点−１９℃）、またはガリウム６１％、インジウム２５％、錫１３％、亜鉛１％からなる合金（融点＋７℃）、等を使用できる。
【００５７】
前記Ｔｊを考慮した場合、Ｔｊが２００℃が想定されるときには、錫９１％および亜鉛９％からなる合金（固相線および液相線ともに１９９℃：共晶）等を用いることができる。また、ＩＧＢＴ等を用いたパワーデバイス以外の素子、例えばＣＰＵ等の家電用半導体であって、Ｔｊ（最大定格温度）が１００℃に設定されているときには、ビスマス５０％、鉛２８％、および錫２２％からなる合金（融点１００℃）等を用いることができる。
【００５８】
但し、一般的な用途（家電、自動車など）においては、環境負荷物質として使用が制限されたり、水と反応して発熱しやすいという観点からは、カドミニウム、水銀や、ナトリウム、カリウム以外の金属で構成されるのが好ましい。
【００５９】
本発明における金属部材は多孔質の金属体であるため、毛細管現象によりその孔内に液体もしくは液状化金属（ここでは液体金属）を保持させることができる。ここで、シート状の金属部材の孔の開口部がある面に外カにより圧力をかけることにより、一体化することが可能である。
また、落下衝撃等の大きな加速度がかかった場合に液体金属が飛散すること等を想定して、あるいは大気との接触による酸化や汚染を防止するため、金属緩衝層の周辺を、樹脂等により密封することが可能である。その場合は、相変化による体積変化による応カを極力低減するため、柔らかい（ヤング率の小さい）樹脂（例えば、ポリシリコンのゲル、ポリイミドなど）等で密封することが望ましい。また、ＩＧＢＴ素子と金属部材とをロウ付けする代わりに、ゲルで密封することにより、ＩＧＢＴ素子、金属緩衝層、および配線用金属板を固定することも可能である。
【００６０】
ここで、金属緩衝層の接続は、例えば、絶縁基板上に絶縁基板側から順に、半田（またはロウ材）、第１の金属部材（下側）、半田（またはロウ材）、第２の金属部材（上側）、半導体素子の素子下側電極を重ね、加熱することにより、絶縁基板と半導体素子とを同時に接続することも可能である。あるいは、同様に、半導体素子の素子上側電極と回路側電極とを同時に接続することも可能である。
【００６１】
尚、ガリウム（融点２９．８℃）はアルミニウムを溶解するため、液状化金属または液体金属がガリウムを含む場合は、アルミニウム表面（例えば、ＩＧＢＴ素子等の半導体素子の電極表面、アルミニウムを用いた金属部材の表面、金属緩衝層と接する電極の表面など）をニッケル、タングステン、鉄、コバルト等の金属で覆っておくことが望ましい。これは、例えば無電解メッキまたは電気メッキによってアルミニウム表面に保護膜として形成することができる。
また、水銀も銅や銀を溶解してアマルガムを生成するので、液状化金属または液体金属が水銀を含む場合は、上記同様にメッキ等により、銅や銀の表面をニッケル、タングステン、鉄、コバルト等の金属（保護膜）で覆っておくことが望ましい。また、銀はガリウムおよび水銀によって腐食するので、接合に用いるロウ材が銀を含む場合には接合後、ロウ材も含めて無電解メッキまたは電気メッキ等により、ニッケル、タングステン、鉄、コバルト等の金属で覆い、金属部材および／またはロウ材の表面を保護膜で保護することが望ましい。
例えば、金属部材と半導体素子とをロウ付けした後、硝酸ニッケル、乳酸および次亜リン酸ナトリウムを含有するメッキ浴に浸漬し、無電解ニッケルメッキを行なうことができる。
【００６２】
ＡｌＮ膜１４は、長さ５０ｍｍ×幅３０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍの、電気抵抗率が１０１４Ωｃｍ以上（焼成後）の絶縁性を有する窒化アルミニウムの絶縁膜であり、半導体素子１１とベースプレート１５との間に配されて、半導体素子１１（具体的には半導体素子が接合されている図１中のＣｕ配線板１２）と冷却器１６とが電気的に絶縁されるようになっている。
【００６３】
ＡｌＮ膜１４の厚みは、材質や絶縁性能、強度などを考慮して、０．２〜３ｍｍの範囲で選択することができる。
【００６４】
ＡｌＮ膜１４は、窒化アルミニウムの粉末、ポリビニルブチラール等の有機結合剤、ジブチルフタレート等の可塑剤、およびトルエン等の有機溶剤等を混合して混錬し、得られた泥漿をドクターブレードによって均一な厚さになるように板状に延ばし、焼成後の厚みが０．６ｍｍ程度となる厚みに形成されたシートを作製した後、このシートを裁断し、プレス等の型抜きを行なうことにより成形し、さらに乾燥、脱脂、焼成を行なうことにより作製できる。
なお、ＡｌＮ膜１４は、乾燥・脱脂・焼成により、１０〜２０％寸法が収縮するため、予め所望の厚さより厚く形成しておくことが望ましい。
【００６５】
ＡｌＮ膜以外には、絶縁部材として熱伝導性が高く線膨張係数の小さいセラミックス材の中から選択して好適に用いることができる。前記セラミックス材としては、窒化アルミニウムのほか、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（Ｓｉ２Ｎ４）、酸化シリコン、酸化ベリリウム、シリコンカーバイドなどが挙げられ、目的等に応じて一種もしくは二種以上を選択して用いることができる。
【００６６】
また、ＡｌＮ膜のＣｕ配線板が設けられた側と反対側の表面には、０．３ｍｍ厚のＣｕ膜１８が貼り合わされている。
【００６７】
ベースプレート１５は、厚み３ｍｍの放熱板である。ベースプレート１５は、一方の面でＡｌＮ膜に貼り合わせられたＣｕ膜１８と半田で接合されており、金属緩衝層、Ｃｕ配線板、およびＡｌＮ膜等を介して半導体素子１１を保持すると共に、半導体素子の熱を効率良く冷却器側に熱伝達して放出可能なようになっている。
【００６８】
ベースプレートは、ＣｕとＭｏ（またはＷまたはＣ）との複合材を用いて構成することができる。
【００６９】
また、ベースプレート１５は、他方の面でグリース１９を介して冷却器１６と接続されている。
【００７０】
冷却器１６は、図１に示すように、広幅なアルミニウム製の平面部材２１とアルミニウム製の凹状部材２２とで断面矩形の直方体に構成されており、冷媒を流通する中空部２３を有し、中空部２３内には熱伝導フィン２４が配設されている。熱伝導フィン２４は、中空部を流通する冷媒と熱交換することができる。
【００７１】
凹状部材２２の４つの側壁のうち、互いに対向する２壁には、それぞれ図示しないテーパねじ継ぎ手が装着されており、冷却水を内部に供給するための流入口２５と、熱交換して暖まった冷却水を外部に排出するための流出口２６とが形成されている。流入口２５から供給された冷却水が中空部２３内を流れて流出口２６から外部に排出されることで、冷却水と熱交換して半導体素子１１の冷却が行なえるようになっている。
【００７２】
冷却器１６を構成する凹状部材２２に用いる材料は、ＦｅＮｉ合金などの熱膨張係数７ｐｐｍ／Ｋ以下（より好ましくは、パワー半導体素子の熱膨張係数との差が±５ｐｐｍ／Ｋ以内）の材料が半導体素子との間の熱膨張係数差が小さくできる点で好ましく、ＦｅＮｉ合金以外には、例えば、モリブデン、あるいはモリブデンまたはＦｅＮｉ合金のいずれか一方もしくは両方と他の金属（例えばＣｕ）との混合材料からなる材料などを用いることができる。
【００７３】
熱伝導フィン２４は、厚さ１．０ｍｍの銅板をワイヤーカットでカットして２０ｍｍ×３ｍｍのサイズに成形されたものであり、平面部材２１の表面に所定のピッチで配置されている。
【００７４】
この熱伝導フィン２４は、複数のフィンをタングステン製のスリットに狭持させた状態にして、平面部材２１に垂直に配置した後、１０６０℃〜１０７０℃の温度領域にて加熱することにより、銅−銅酸化物の共晶点にて直接接合することによって形成することができる。
【００７５】
本発明の半導体モジュールを構成する金属緩衝層は、従来公知の方法を任意に選択して形成することが可能であり、例えば上記のように半導体素子にＣｕ発泡金属を接合し、接合されたＣｕ発泡金属の一部に例えば針先から吐出された液体もしくは液状化金属を注入等して供給することにより形成できる。
本発明の半導体モジュールは、好ましくは、多孔質の金属部材を準備する工程（以下、「金属部材準備工程」ということがある。）と、金属部材の内部に、液体金属および／または少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属を供給する工程（以下、「金属供給工程」ということがある。）と、を設けた方法により金属緩衝層を形成することによって好適に作製できる。
【００７６】
前記金属部材準備工程では、多孔質の金属部材を作製または入手して準備する。
多孔質の金属部材を作製する場合、その製造方法としては、（1）発泡樹脂に導電処理を施し、電気メッキによりニッケルまたはクロムまたは銅または銀等を成膜した後、焼成を行ない、発泡樹脂を気化、除去し、更に表面を還元する電気メッキ法、（2）発泡樹脂に石膏を充填し、固化後、発泡柑脂を気化、除去し、真空下でアルミニウムまたは亜鉛または鉛等を鋳造し、石膏を洗浄・除去する鋳造法、（3）溶融金属中に水素化チタニウム等の発泡剤を添加し、発泡剤から生じた水素により発泡を行なった後、冷却して発泡金属を得る方法、（4）鉄やニッケルなどの金属粉末と、これらの金属粉末を固定するための錫など、低融点でその酸化物が容易に水素還元し得る金属の粉末とを混合し、還元可能でなおかつ還元された金属の融点以上の温度にして焼結を行ない、錫と鉄あるいはニッケルとを反応させることにより、高融点の金属間化合物により金属粉末を固定し、通気性のある多孔質金属を製造する方法、（5）発泡ウレタンの表面に、金属粉末を含むスラリーを塗着した後、還元性雰囲気中で焼成することにより、金属多孔体を得るスラリー塗布法、等がある。
また、金属部材は、市販の多孔質の金属製のものを適宜選択して入手し用いてもよい。
【００７７】
金属部材は、上記のような方法で作製もしくは入手した板状または連続シート状の発泡金属を用い、この発砲金属をレーザーカット等により所望の大きさに切断することにより得ることができる。本実施形態のように半導体素子としてＩＧＢＴ素子を用いた場合、電極面の大きさに合わせて、例えば縦約９ｍｍ×横約１２ｍｍ×厚さ１００μｍの大きさに切り出してシート状の金属部材とする。また、半導体素子としてダイオードを用いる場合は、例えば縦約６ｍｍ×横約１１ｍｍ×厚さ１００μｍの大きさに切り出すことにより作製できる。
【００７８】
そして、作製もしくは入手した多孔質の金属部材は、最終的に半導体モジュールとしたときに、半導体素子と配線用金属板との間、絶縁部材と放熱用基材との間、および放熱用基材と冷却器との間の少なくとも１つに位置するように、設けられることが望ましい。
【００７９】
前記金属供給工程では、前記金属部材準備工程で作製された金属部材３１の内部に、液体金属および／または少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属を供給する。
【００８０】
供給は、金属部材の孔に液体金属および／または少なくとも融点が前記半導体素子の最高発熱温度以下である金属を、注射器や液体吐出用ヘッド、インジェクタ等を用いた吐出、塗布などにより付与し、孔の毛細管現象を利用して孔内に含ませることができる。
融点が半導体素子の最高発熱温度以下である金属であって例えば常温下で固体の金属を用いる場合は、予め加熱溶融させた状態にして上記同様の方法により孔内に含ませることができる。
また、供給が容易に進行するように加圧してもよい。
【００８１】
例えば、半導体素子の素子下側電極と配線用金属板との間に金属緩衝層を設ける場合、本実施形態の金属緩衝層１３は、まず金属部材であるＣｕ発泡金属３１と半導体素子１１の素子下側電極とを接合し、接合されたＣｕ発泡金属３１に液体金属３２を注入して作製できる。
【００８２】
また、半導体素子がＳｉＣなどの高温に耐える材料である場合や、絶縁基板と放熱用基材であるベースプレート（ヒートスプレッダー）の間、および／または、ベースプレートと冷却器の間に金属緩衝層を設ける場合、例えば絶縁基板のベースプレート側に形成した電極、ベースプレート、および金属部材が銅製のときには、電極およびベースプレートの少なくとも一方、および／または、ベースプレートおよび金属部材の少なくとも一方を表面酸化させてＣｕＯ層を形成し、後にＣｕＯ・Ｃｕの共晶点において直接接合するようにしてもよい。
【００８３】
以下、本実施形態の半導体モジュールを作製した場合を一例として示す。
まず、ＩＧＢＴ素子１１の素子下側電極の上に、電極の大きさに合わせて切断した板状（厚み１００μｍ）の半田（電極材料がアルミニウムの場合はアルミニウム用半田（亜鉛にアルミニウム等を添加した半田材料））を載せ、この上に更に、所望の大きさに切り出した０．３ｍｍ厚のシート状のＣｕ発泡金属（金属部材）３１を載せた。これを炉に入れ、真空中または還元雰囲気中で３８０℃以上に１０分間程度加熱して半田を溶解し、シート状のＣｕ発泡金属３１と素子下側電極とを接合した。ここでは、Ｃｕ発泡金属の空孔を半田で完全に埋めてしまわないように、半田の厚さはＣｕ発泡金属の厚み以下とすることが望ましい。
そして、融点−１９℃の液体金属（ガリウム６８．５％、インジウム２１．５％、および錫１０．０％からなる合金）３２を注射器で採取し、その針先を上記のように作製されたＣｕ発泡金属３１の一辺に接触させて液体金属３２を供給し、毛細管現象を利用して液体金属を空隙部全体に注入した。
【００８４】
次に、ＡｌＮ膜（一方に０．３ｍｍ厚のＣｕ膜を、他方に０．３ｍｍ厚のＣｕ膜を貼り合わせたもの）、および３ｍｍ厚のベースプレート１５を用意した。ここで、ＡｌＮ膜には、Ｃｕ配線板とする０．３ｍｍ厚のＣｕ膜に対して、フォトリソグラフィー法によりマスクを形成し、Ｃｕ配線板の表面のみがエッチング溶液に浸漬されるように配置してエッチングすることによりＣｕ配線板に配線パターン（回路）を形成した。
また、樹脂の板材を用いて、熱伝導フィン２４が接合された平面部材２１と、４つの側壁および平面部材２１と同サイズの底壁とからなる外形を有した凹型箱材（底壁と対向した面が開口している）２２とを組み合わせて中空部２３を有する冷却器１６を作製した。凹型箱材２２の互いに向き合う２つの側壁には、それぞれ貫通孔を設け、設けられた２ヶ所の貫通孔にテーパねじ継ぎ手を装着して冷却水の流入口２５と流出口２６とを形成した。続いて、冷却器１６の平面部材２１のフィン非形成面とベースプレート１５とをグリースを介して重ね合わせ、ベースプレート１５の該接続面と反対側の表面にＡｌＮ膜１４を０．３ｍｍ厚のＣｕ膜の膜面で半田接合した。その後、ＡｌＮ膜の配線パターンが形成されているＣｕ配線板（０．３ｍｍ厚のＣｕ膜）の表面に、ＩＧＢＴ素子１１が接合された金属緩衝層１３を半田接合し、図１に示す半導体モジュールを作製した。
【００８５】
次に、本実施形態の半導体モジュールの性能について述べる。
（1）熱抵抗の測定
本発明の半導体モジュールを構成する冷却器１６に設けられた流入口２５および流出口２６と冷却水・温水循環装置の循環ノズルとをホースにより連通して、温度６５℃（以下、水温を「Ｔｗ」と略記する）の温水を一定の流量で循環させる。この冷却水・温水循環装置は、例えば自動車に搭載されているラジエーターとポンプの役割を担うものである。
【００８６】
次に、ゲート電極とエミッタ電極との間に電圧（以下、「Ｖｇｅ」と略記する）を印加する。このとき、しきい値（Ｖｇｅ（th）；通常、４Ｖ〜８Ｖ）を越えるＶｇｅが印加されると、半導体素子はＯＮ状態になる。本実施形態では、Ｖｇｅとして１５Ｖを印加するものとする。
また、コレクター電極とエミッタ電極との間に電圧（以下、「Ｖｃｅ」と略記する）を印加すると、コレクター電極とエミッタ電極との間に電流（以下、「Ｉｃｅ」と略記する）が流れ始める。飽和状態においては、Ｖｃｅが約２Ｖまでは電流が流れにくい（ＩＧＢＴがＰＮ接合を有しているため）が、約１〜２Ｖを超えるとＶｃｅの上昇と共にＩｃｅも増大する。このとき、半導体素子において、ＶｃｅとＩｃｅとの積で表される電力損失に相当する熱Ｑが発生する。絶縁型のシース熱電対をエミッタ電極（ＩＧＢＴ素子の上面）に接触させ、半導体素子の表面温度を測定し、測定された値を半導体素子のジャンクション温度（以下、「Ｔｊ」と略記する）とする。ＩＧＢＴ素子と冷却水との温度差ΔＴは、ΔＴ＝Ｔｊ−Ｔｗである。
以上から、ＩＧＢＴ素子から冷却水に至る熱抵抗（以下、「Ｒｔｈ」と略記する）は、Ｒｔｈ＝ΔＴ／Ｑで計算される。なお、Ｒｔｈは、素子、ケース、および冷却器の熱抵抗が加算される
【００８７】
上記に基づいて、冷却水の流量を５Ｌ／ｍｉｎとし、ＩＧＢＴ素子１１に電流を流し、Ｒｔｈを測定したところ、約０．３８Ｋ／Ｗが得られた。この値は、同じ厚さの液体金属３２のみで構成した場合の熱抵抗が約０．４０Ｋ／Ｗであるのに比較し、水冷式に構成された本実施形態の半導体モジュールの熱抵抗は小さくなり、良好な値を示した。
ここで、液体金属のみでの熱伝導率はそれ程高くなく、１７Ｗ／ｍ・Ｋである。しかし、本実施形態において良好な熱伝導性を示したのは、液体金属をＣｕ発泡金属の内部に含ませて液体金属が発泡金属と密に接しているため液体金属の熱がムラなく取り込まれると共に、Ｃｕ発泡金属が高い熱伝導率を持つことにより、ＩＧＢＴ素子の熱を金属緩衝層１３を通してベースプレート１５へ伝達できるためと考えられる。
【００８８】
（2）信頼性試験
下記方法により冷熱サイクル試験を行ない、信頼性を評価した。
具体的には、半導体モジュールを冷却水を抜いた状態にして気相冷熱サイクル試験装置に設置し、大気下、低温雰囲気（−４０℃）と高温雰囲気（＋１０５℃）との間で冷熱サイクルを３０００回繰り返して行なった。また、より過酷な試験として、大気下、低温雰囲気（−４０℃）と高温雰囲気（＋１５０℃）との間での冷熱サイクルをも３０００回繰り返して行なった。
【００８９】
本実施形態の半導体モジュールでは、上記のいずれの冷熱サイクルでの試験によっても不具合は発生せず、良好な状態を保つことができた。これに対し、ＩＧＢＴ素子の素子下側電極をＣｕ配線板に直接半田付けした従来の半導体モジュールについて、同様の試験を行なった場合、特に−４０℃〜＋１５０℃間の冷熱サイクル試験により、ＡｌＮ膜に貼り合わされたＡｌ膜および半田層に変形やクラックが発生してしまった。
【００９０】
（第２実施形態）
本発明の半導体モジュールの第２実施形態を図３を参照して説明する。本実施形態は、半導体素子の金属緩衝層と接合されていない側に設けられた素子上側電極と回路パターンと繋がるリードフレームとを金属緩衝層を介して接合して構成したものである。
【００９１】
本実施形態において、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００９２】
本実施形態の半導体モジュールにおいては、半導体素子１１の素子下側電極が設けられている側と反対側（図１に示す半導体素子の上側）に図示しない素子上側電極が設けられており、この素子上側電極には図３に示すように、金属緩衝層２３を挟んでリードフレーム１７が一方の側で接続されている。
【００９３】
リードフレーム１７は、ＡｌＮ膜１４上に形成された回路パターン（不図示）と他方の端部で接続する回路側電極であり、このリードフレーム１７によって半導体素子１１と回路パターンとは電気的に接続されている。
【００９４】
本実施形態では、半導体素子１１は、金属緩衝層１３と金属緩衝層２３との間に挟まれたサンドイッチ構造となっており、半導体素子に近い接合部に加わる熱応力を効果的に緩和できるようになっている。
なお、金属緩衝層２３は、金属緩衝層１３と同様に構成することができ、詳細については第１実施形態で詳述した通りである。
【００９５】
回路側電極の代表例としては、リードフレームのほか、二以上の半導体素子を連結する導電バー、半導体素子が実装される回路基板上に形成された導体膜（膜状電極）、この回路基板上に配置された板状電極、等が挙げられる。上記の回路側電極の中でも、大きく熱変形しやすく、本発明の効果がより奏される観点から、リードフレームまたは導電バーを選択することが好ましい。
また、回路基板には、例えば、窒化アルミニウム基板、窒化ケイ素基板、酸化アルミニウム基板、炭化珪素基板、アルミニウム炭化ケイ素基板などを使用できる。
【００９６】
本実施形態の半導体モジュールは、金属部材準備工程において作製もしくは入手した多孔質の金属部材（すなわち金属緩衝層）は、半導体素子と配線用金属板との間、絶縁部材と放熱用基材との間、放熱用基材と冷却器との間、および半導体素子と回路側電極との間の少なくとも１つに位置するように設けられることが望ましい。
【００９７】
（第３実施形態）
本発明の半導体モジュールの第３実施形態を図１および図４を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態における金属緩衝層を３層構造にして構成したものである。
【００９８】
本実施形態において、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００９９】
本実施形態の半導体モジュールにおいては、図１に示すように、半導体素子（ＩＧＢＴ素子）１１の素子下側電極とＣｕ配線板１２との間に、３層構造からなる金属緩衝層４３が設けられている。この金属緩衝層４３は、図４に示すように、中間緩衝層４１と、これを挟む２つの外側緩衝層４２とからなる。
【０１００】
中間緩衝層４１は、Ｃｕ発泡金属３１と、Ｃｕ発泡金属３１の空隙部に含有された液状化金属４５とで構成された厚み０．１ｍｍの層であり、Ｃｕ発泡金属は熱伝導率が高く、液状化金属４５は短絡などの異常通電により素子温度がＴｊ近くまで上昇した際に液相に変化し、変化時の融解熱により半導体素子１１の熱を速やかに吸収する。これより、素子温度が上昇するのを抑制できると共に、熱応力を緩和することができる。
【０１０１】
液状化金属４５は、インジウム（融点１５６℃）にインジウムの１０質量％に相当する錫（融点２３２℃）を加えた常温固体の混合金属（融点≦１５０℃）であり、半導体素子１１のジャンクション温度（Ｔｊ）付近に融点を有し、短絡耐量等の過渡現象により半導体素子が発熱したときに、発生した熱を吸収、融解し、素子の温度が上昇するのを防ぐ。
なお、短絡耐量とは、故障を起こさない範囲でゲートをオンできる最長の時間をいう。
【０１０２】
このように、金属緩衝層を構成する中間層には、素子の温度上昇と熱応力を緩和する観点から、素子のＴｊ（Ｔｊよりもやや低いことが望ましい。）付近の温度領域に融点を持ち、Ｔｊ近くに昇温したときに融解して液状化する金属が好ましい。素子のＴｊについては、例えば、Ｓｉでは約１５０℃（将来的には２００℃）、ＳｉＣでは約２００℃〜４００℃、ＧａＮでは約１５０℃〜３００℃の範囲であり、用いる素子のＴｊに合わせて液状化金属を選択することができる。なお、ＩＧＢＴ素子のＴｊは１５０℃である。
液状化金属の詳細については、前記混合金属のほか、第１実施形態で記載した通りである。
【０１０３】
但し、融点については、例えばＩＧＢＴの場合では、リーク電流が増加する２００℃以下の範囲であれば、液体もしくは液状化金属を用いない場合に比べると効果が得られる。
【０１０４】
外側緩衝層４２はそれぞれ、Ｃｕ発泡金属３１と、Ｃｕ発泡金属３１の空隙部に含有された液体金属４４とで構成された厚み０．１ｍｍの層であり、Ｃｕ発泡金属は熱伝導率が高く、液体金属４４は液体状態で存在するので、半導体素子１１の下側電極またはＡｌＮ膜１４と密着して熱および電気を速やかに伝えると共に、熱応力を緩和できるようになっている。
【０１０５】
液体金属４４は、ガリウム６８．５％、インジウム２１．５％、および錫１０．０％からなる常温液体の合金（融点−１９℃；以下）であり、半導体素子１１の素子下側電極とＣｕ配線板１２との間の接触抵抗を下げる機能がある。
【０１０６】
このように、金属緩衝層を構成する外層には、導電性および熱伝導性の高い液体金属を用いることが好ましく、液体金属の詳細については第１実施形態で記載した通りである。
【０１０７】
本実施形態の金属緩衝層４３は、下記のようにして作製されたものである。
銅（Ｃｕ）製の板状または連続シート状の発泡金属をレーザーカット等により、ＩＧＢＴ素子の電極の大きさに合わせ、縦約９ｍｍ×横約１２ｍｍ×厚さ１００μｍの大きさに切断し、Ｃｕ発泡金属３１となる発泡金属シートを１素子あたり３枚ずつ用意した。また、３層を構成する中間緩衝層と外側緩衝層との間をそれぞれ区切るための仕切り板を得るため、市販の銅箔（プリント基板用に市販されているもの）から縦約９ｍｍ×横約１２ｍｍ×厚さ９μｍの銅箔片を切り出し、１素子あたり２枚ずつ用意した。
【０１０８】
続いて、得られた発泡金属シートおよび銅箔片を酸素雰囲気中で加熱し、表面を酸化した。発泡金属シート、銅箔片、発泡金属シート、銅箔片、発泡金属シートの順に重ね、不活性（Ａｒ）雰囲気または還元雰囲気中で、酸化銅の融点である１０６４℃付近まで加熱し、接合して積層体とした。更に、還元雰囲気で加熱を続け、酸素を拡散により放出させて金属結合を形成することにより接合を強固なものにした。但し、銅の融点である１３５７℃を超えてはならない。このとき、各層の位置関係の固定および密着性の確保のため、冶具または重りを用いて加圧してもよい。
以上のようにして三層重ねて形成された積層体の表面に、電気メッキまたは無電解メッキにより鉄またはタングステン等を成膜し、ガリウム系および水銀並びにインジウム等の液体金属に対する反応や溶解から保護する保護膜を形成した。
【０１０９】
次に、半導体素子１１の素子下側電極とＣｕ配線板１２（一方の側に０．３ｍｍ厚のＣｕ膜、他方の側に０．３ｍｍ厚のＣｕ膜が貼り合わされたＡｌＮ膜のＣｕ膜）との間に、保護膜が成膜された積層体を挟持し、仮止め用の冶具を用いて位置決めを行なった。冶具により位置決めされた積層体をホットプレート上に載せ、１５０℃以上に加熱した。そして、まずインジウムに錫を加えた常温固体の混合金属のインゴット（または線材）を用意し、積層体の中間の層に接触させて、該インゴットをその融点以上に加熱した。接触箇所より徐々に溶解させて液体状態とし、毛細管現象により中間の層内に浸透させた。その後、室温にして冷却、固化し、中間緩衝層を形成した。
続いて、ガリウム６８．５％、インジウム２１．５％、および錫１０．０％からなる常温液体の合金を注射器で採取し、積層体の両端の層（最上層および最下層）の一辺に針先を接触させて供給し、毛細管現象を利用して両層内に浸透させ、外側緩衝層を形成した。
以上のようにして、本実施形態の金属緩衝層４３を形成した。
【０１１０】
そして、形成した金属緩衝層４３およびその周辺、並びに素子下側電極およびＣｕ配線板１２に接する箇所をゲルで密封し、ＩＧＢＴ素子１１、金属緩衝層４３、およびＣｕ基板を固定した。その後、仮止めしていた冶具を外した。このとき、図１に示すように、半導体素子１１、金属緩衝層４３、Ｃｕ配線板１２、およびＡｌＮ膜１４が積層された積層構造になっている。なお、第１実施形態と同様、ＡｌＮ膜上のＣｕ配線板には配線パターン（回路）が形成されている。さらに、第１実施形態と同様の操作を行なって、図１に示す半導体モジュールを作製した。
【０１１１】
次に、本実施形態の半導体モジュールの性能について述べる。
（1）熱抵抗の測定
第１実施形態と同様の方法によりＲｔｈを測定したところ、約０．３５Ｋ／Ｗが得られた。この値は、同じ厚さの液体金属３２のみで構成した場合の熱抵抗が約０．４０Ｋ／Ｗであるのに比較し、水冷式に構成された本実施形態の半導体モジュールの熱抵抗は小さくなり、良好な値を示した。
本実施形態において良好な熱伝導性を示したのは、第１実施形態と同様に、液体金属および液状化金属がＣｕ発泡金属とその内部で密に接しているため液体金属の熱がムラなく取り込まれると共に、Ｃｕ発泡金属が高い熱伝導率を持つことにより、ＩＧＢＴ素子の熱を金属緩衝層１３を通してベースプレート１５へ伝達でき、さらに液状化金属４５のインジウムの熱伝導率が液体金属４４（１７Ｗ／ｍ・Ｋ）に比べて高い（約８２Ｗ／ｍ・Ｋ）ためと考えられる。
【０１１２】
（2）短絡耐量の測定
前記熱抵抗の測定と同様に、冷却水の流量５Ｌ／ｍｉｎ、水温６５℃とし、下記のようにして短絡耐量の測定を行なった。なお、短絡耐量とは、故障を起こさない範囲でゲートをオンできる最長の時間をいい、短絡耐量が大きいほど負荷短絡に対して対処する時間の余裕があり、故障に対するマージンが大きいことを示す。
ＩＧＢＴ素子のエミッタ−コレクタ間に６００Ｖを印加した状態で、ゲート電圧に１５Ｖを印加し、ＩＧＢＴ素子をオン（短絡）させ、発熱により破壊するまでの時間を測定した。このとき、一つのＩＧＢＴ素子に流れる電流は最大約１０００Ａ以上に達した。この結果、本実施形態の半導体モジュールでは、短絡耐量は２４μ秒であった。これは、同じ厚さ（０．３ｍｍ）で液体金属３２のみを用いたときの短絡耐量が約２０μ秒であるのに比較し、良好な値であった。すなわち、本実施形態の半導体モジュールは、熱抵抗が小さく、短絡によってＩＧＢＴに発生した熱が素子からヒートシンク（金属緩衝層、ベースプレートおよび冷却器を含む）に速やかに伝わる効果に加え、液状化金属４５の融点である１５０℃以下の温度領域で溶融することで、その融解熱によりＩＧＢＴに発生した熱を液状化金属４５に吸収したためと考えられる。
【０１１３】
（3）信頼性試験
第１実施形態と同様の方法により、−４０℃〜＋１０５℃、−４０℃〜＋１５０℃での冷熱サイクルをそれぞれ３０００回繰り返し行なった結果、上記のいずれの冷熱サイクル試験でも不具合は発生せず、良好な状態を保つことができた。これに対し、ＩＧＢＴ素子の素子下側電極をＣｕ配線板に直接半田付けした従来の半導体モジュールについて、同様の試験を行なった場合、ＡｌＮ膜に貼り合わされたＡｌ膜および半田層に変形やクラックが発生してしまった。
【０１１４】
（第４実施形態）
本発明の半導体モジュールの第４実施形態を図５を参照して説明する。本実施形態は、金属緩衝層をベースプレートと冷却器との間に設けて構成したものである。
【０１１５】
本実施形態において、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【０１１６】
本実施形態の半導体モジュールにおいては、図５に示すように、放熱用基材であるベースプレート１５と、ベースプレートを介して半導体素子（ＩＧＢＴ素子）１１を冷却する冷却器１６との間に、厚み１ｍｍの単層構造からなる金属緩衝層５１が設けられている。金属緩衝層５１は、第１実施形態の金属緩衝層１３と同様の構成および形成方法により設けることが可能であり、詳細については既述の通りである。
【０１１７】
本実施形態では、以下のようにしてベースプレート１５と冷却器（水冷ジャケット）１６との間に金属緩衝層５１を形成した。
冷却器１６上に、アルミニウム用半田〔亜鉛にアルミニウム等を添加した半田材料；またはアルミニウム接合用ロウ材（アルミニウムにシリコン等を添加したロウ付け用の材料）または銅錫ロウ〕を冷却器の大きさに合わせて切断して得た半田片を載せ、この上に更に、所望の大きさに切り出した０．３ｍｍ厚のシート状のＣｕ発泡金属（金属部材）を載せた。このとき、冷却器の構成材料が銅等である場合は、銀ロウ（銀に銅、亜鉛、錫等を添加したロウ付け用の材料）を用いることが好ましい。さらに、Ｃｕ発泡金属上に上記と同じ半田片とベースプレートとを順に載せ、炉に入れた。炉内で真空中または還元雰囲気中で３８０℃以上（好ましくは５８０℃以上、より好ましくは５００℃以上、更に好ましくは６００℃以上）に１０分間程度加熱して半田（またはロウ材）を溶解し、冷却器とＣｕ発泡金属、およびＣｕ発泡金属とベースプレートをそれぞれ接合した。ここでは、Ｃｕ発泡金属の空孔を半田で完全に埋めてしまわないように、半田の厚さはＣｕ発泡金属の厚み以下とすることが望ましい。
【０１１８】
そして、融点−１９℃の液体金属（ガリウム６８．５％、インジウム２１．５％、および錫１０．０％からなる合金）を注射器で採取し、その針先をＣｕ発泡金属の一辺に接触させて供給し、毛細管現象を利用して液体金属を空隙部全体に注入した。その後、第１実施形態と同様の方法により、ベースプレート１５上にＡｌＮ膜１４を０．３ｍｍ厚のＣｕ膜１８の膜面で半田接合した後、ＡｌＮ膜の配線パターンが形成されているＣｕ配線板（０．３ｍｍ厚のＣｕ膜）１２の表面に、ＩＧＢＴ素子１１を半田層５２を設けて接合し、図５に示す半導体モジュールを作製した。
【０１１９】
本実施形態では、Ｃｕ配線板１２にＩＧＢＴ素子１１を直接半田で接合した場合を説明したが、ベースプレートおよび冷却器間に金属緩衝層を設けると共に、第１実施形態と同様に、さらにＩＧＢＴ素子１１およびＣｕ配線板１２間に金属緩衝層が設けられてもよいし、加えて素子上側電極およびリードフレームを設け、第２実施形態と同様に素子上側電極とリードフレームとの間に金属緩衝層が設けられていてもよい。
複数箇所に金属緩衝層を設けることにより、熱応力をより緩和することができる。
【０１２０】
本実施形態では、ベースプレート１５を取り去り、ＡｌＮ膜１４と冷却器１６との間に金属緩衝層を設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。
【図２】第１実施形態に係る半導体モジュールの金属緩衝層を拡大して示す概略断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールの一部構成を拡大して示す概略断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る半導体モジュールの金属緩衝層を拡大して示す概略断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。
【図６】従来の半導体モジュールの概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１１…ＩＧＢＴ素子
１２…Ｃｕ配線板
１３、２３，４３，５１…金属緩衝層
１４…ＡｌＮ膜（絶縁部材）
１５…ベースプレート（放熱用基材）
１６…冷却器
３１…Ｃｕ発泡金属（金属部材）
３２，４４…液体金属（ガリウム６８．５％、インジウム２１．５％、および錫１０．０％からなる合金；融点−１９℃）
４１…中間緩衝層
４２…外側緩衝層
４５…液状化金属（インジウムに錫を加えた常温固体の混合金属；融点≦１５０℃）
【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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【図６】
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