(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１の配線層上に第１の接合層を介して半導体素子を接合する工程、
（ｂ）前記半導体素子上に第２の接合層を介して第１の電極を接合する工程、
（ｃ）前記第１の電極上に第２の電極およびスペーサーを配置する工程、
（ｄ）前記第２の電極および前記スペーサー上に第２の配線層を形成する工程、
（ｅ）前記第２の配線層上から加圧する工程、
を含む半導体モジュールの製造方法であって、
前記第２の電極の短手方向の幅は、前記第１の電極の厚さよりも広く、
前記第２の電極は前記半導体素子の中心位置から外れた位置に配置されることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
前記（ｅ）工程の後、（ｆ）前記スペーサーを除去する工程、をさらに有することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
前記第２の電極および前記スペーサーは同じ材料であることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
前記スペーサーは、前記第１の配線層と前記第２の配線層間の空隙を封止する封止部材と同じ材料であることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項５】
請求項１から４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、
前記第１の接合層および前記第２の接合層のうち、少なくともいずれか一方は金属粒子を焼結させた焼結金属であることを特徴とす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】
本発明は、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し、特に、SiCパワーモジュールに適用して有効な技術に関する。
【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デバイス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、パワーデバイスにはさらなる高効率化が求められている。しかし、従来のシリコン（Si）を用いたパワーデバイスの性能は限界に近づいており、より高効率な炭化ケイ素（SiC）を用いた次世代パワーデバイスの開発が進められている。SiCパワーデバイスでは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。【０００３】
しかし、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。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。【０００４】
パワーデバイスは、温度サイクル試験によって、熱的ストレスに対する耐久性が評価される。温度サイクル試験では、主にパワーデバイスの接合部に、部材間の線膨脹係数の差に起因する熱ひずみが集中し破壊する。【０００５】
パワーデバイスを効率的に冷却するために、例えば特許文献１に示すような両面冷却構造が検討されている。また、パワーデバイスの接合部における熱ひずみを低減するために、例えば特許文献２では、ヒートシンク部に段差を設けて薄肉部を形成している。また、特許文献３では、半導体チップの上部面に検査用の板状導体部材が設けられた構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−２３０９１３号公報
【特許文献２】特開２００２−１１０８９３号公報
【特許文献３】特開２０１２−２３８７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
200℃以上の高温動作においては、接合部材に発生する熱ひずみが大きくなり、接合部材の破壊がこれまで以上に問題になると考えられる。特許文献１は、水冷方式の半導体モジュールにおいて、防水効果を高めたモジュール構造に関するものであるが、半導体モジュール全体の冷却効率は向上するものの、上記のようなパワーデバイスの接合部に発生する局所的な熱ひずみについては考慮されていない。【０００８】
また、特許文献２では、ヒートシンクの外周に薄肉部を設けることでひずみを低減する手法が記載されているが、最も温度の高くなるチップ中心位置の直上に剛性の高いヒートシンクを設けていることから、200℃以上の高温状態を想定した場合には十分なひずみ低減効果は得られない。【０００９】
また、特許文献３に示されるような板状の導体部材をヒートシンクとの接続に用いることも考えられるが、この場合、放熱パスが細いため放熱性が低く、冷却性能は不十分となる。【００１０】
そこで、本発明の目的は、比較的簡単な構造で、半導体チップと他の導体部材との接合部に生じる熱ひずみを効果的に低減することが可能な半導体モジュールを提供することにある。【００１１】
また、本発明の別の目的は、複雑なプロセスを用いることなく、半導体チップと他の導体部材との接合部に生じる熱ひずみを効果的に低減することが可能な半導体モジュールの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
また、本発明は、（ａ）第１の配線層上に第１の接合層を介して半導体素子を接合する工程、（ｂ）前記半導体素子上に第２の接合層を介して第１の電極を接合する工程、（ｃ）前記第１の電極上に第２の電極およびスペーサーを配置する工程、（ｄ）前記第２の電極および前記スペーサー上に第２の配線層を形成する工程、（ｅ）前記第２の配線層上から加圧する工程、を含む半導体モジュールの製造方法であって、前記第２の電極の短手方向の幅は、前記第１の電極の厚さよりも広く、前記第２の電極は前記半導体素子の中心位置から外れた位置に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、比較的簡単な構造で、半導体チップと他の導体部材との接合部に生じる熱ひずみを効果的に低減することが可能な半導体モジュールを実現できる。【００１５】
また、本発明によれば、複雑なプロセスを用いることなく、半導体チップと他の導体部材との接合部に生じる熱ひずみを効果的に低減することが可能な半導体モジュールの製造方法を実現することができる。【００１６】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの平面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの変形例である。
【図３】半導体モジュールのひずみ低減効果を示す図である。
【図４】半導体モジュールのチップ温度を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの製造過程の一部を示す図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの平面図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの平面図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。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２Ｂ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、上下の冷却部材１０ａ，１０ｂの間に実装された半導体素子３の配線構造を示している。図２Ａは図１の半導体モジュールを上面から見た平面図であり、半導体素子３、第１の電極５、第２の電極６の位置関係を示している。また、図２Ｂは図２Ａの変形例であり、図２Ａの第２の電極６がスリット状であるのに対し、図２Ｂでは第２の電極６が複数のビア（ここでは、３本のビア）で構成される例を示している。【００２０】
本実施例の半導体モジュールは、図１に示すように、下層から順に、少なくとも第１の配線層１、第１の接合層２、半導体素子３、第２の接合層４、第1の電極５、第２の電極６、第２の配線層７を備える積層構造となっている。第1の電極５および第２の電極６により電極５０が構成されている。第１の配線層１と第２の配線層７の間の空隙には封止部材８が充填されて封止されている。第１の配線層１の下層（外側）には絶縁部材９ａを介して冷却部材１０ａが設けられており、第２の配線層７の上層（外側）には絶縁部材９ｂを介して冷却部材１０ｂが設けられている。【００２１】
第１の配線層１や第２の配線層７、第1の電極５、第２の電極６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。また、第1の接合層２、第２の接合層４は、はんだや焼結銀、焼結銅、焼結金などの接合材料により構成されている。半導体素子３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。封止部材８には、封止樹脂、セラミック、ガラス、気体などの封止用の絶縁材料が用いられる。絶縁部材９ａ，９ｂは、窒化アルミニウム（AlN）や窒化シリコン（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。冷却部材１０a，１０ｂは、Al、Cuなどの熱伝導率の高い材料によって構成される。【００２２】
半導体モジュールを高温で動作させる場合、半導体素子３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。また、第２の接合層４を焼結銅、第１の電極５および第２の電極６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。また、第１の電極５は、第２の接合層４と同等程度の膜厚であることが好ましい。【００２３】
図１および図２Ａに示すように、第２の電極６は、半導体素子３の半導体素子中心位置から外れた形で設けられる。このように、半導体素子の温度が最も高くなる中心位置を避ける形で第２の電極６を設けることで、第２の電極６の熱膨張によって発生する熱ひずみの影響を抑えることが可能となる。【００２４】
特許文献２のように周辺部に薄肉部を設けた構造と、本実施例の構造（図２Ａ）の評価位置Ｂにおける相当塑性ひずみの分布を有限要素解析によって計算した比較結果を図３に示す。図３の横軸は半導体素子３の左端からの位置を示し、縦軸は相当塑性ひずみの強度を示している。従来構造１（特許文献２の構造）では半導体素子全体に渡って、ひずみが生じている。一方、本実施例（本発明）の構造では、全体的にひずみが緩和されており、特に半導体素子の中心位置付近ではひずみがほとんど無いことが分かる。このように、本発明によれば接合層に発生するひずみを効果的に低減することができる。【００２５】
また、第２の電極６の幅ｂ（図２Ａ）は、少なくとも第１の電極５の厚さｔ（図１）よりも広く設ける必要がある。第２の電極６の幅ｂを第１の電極５の厚さｔより広くすることで、放熱パスが広がり、放熱性を向上させるメリットがある。【００２６】
特許文献３のように第１導体部材の変形部の幅ｂと接合部の厚さｔの関係をｂ＝ｔとした場合と、本実施例の構造のように第２の電極６の幅ｂと第１の電極５の厚さｔの関係をｂ＞tとした場合において、半導体素子３の評価位置Ａ（図２Ａ）における温度を比較した結果を図４に示す。図４の横軸は半導体素子３の左端からの位置を示し、縦軸は半導体素子３の温度を示している。本実施例（本発明）の構造は、従来構造２（特許文献３の構造）に比べて、温度が低いことが分かる。このように、本発明によれば、半導体モジュールの冷却性能を保ちながら、半導体素子と他の導体部材との接合部のひずみを低減することが可能となる。これにより、半導体モジュールの信頼性を向上することができる。【００２７】
なお、第２の電極６を図２Ａのようにスリット状に設けるのではなく、図２Ｂのように複数のビアで形成してもよい。この場合においても、第２の電極６の幅ｂ、すなわちビア径ｂを第１の電極５の厚さｔ（図１）よりも広く設ける必要がある。また、設けるビアの数は、シミュレーションなどにより半導体素子の温度やひずみを予め算出したうえで決定するのが望ましい。
【実施例２】
【００２８】
図１および図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。第１の電極５および第２の電極６からなる電極５０の製造方法としては、第１の電極５、第２の電極６、第２の配線層７がそれぞれ別々に形成され、各部材間を接合部材で接続する構成としている。つまり、第１の電極５と第２の電極６は第３の接合層で接続され、第２の電極６と第２の配線層７は第４の接合層で接続される。【００２９】
この際に第１の電極５、第２の電極６、第２の配線層７はCuで形成し、各部材間の接合部材は焼結銅であることが好ましい。第２の配線層７にCuを用いることができない場合でも、少なくとも、温度の高くなる第1の電極５と第２の電極６はCuで形成し、その間の接合部材は焼結銅とするのが熱ひずみ低減のために好ましい。【００３０】
また、第２の配線層７や第２の電極６は溶湯や削りだしなどによって一体物として形成してもよい。この際に第１の電極５も一体で形成可能であれば接合部がなくなるためより好ましい。【００３１】
なお、焼結金属によって部材同士を接合する場合、一般的に加圧プロセスが必要となる。この際に、均一に圧力を加えるために図５に示すように非接合のスペーサー１１を第１の電極５と第２の配線層７の間に挟んでもよい。この場合、スペーサー１１は第２の電極６と同じ部材であることが好ましく、接合後に除去される。例えば第２の電極６をCuで形成する場合は、スペーサー１１にもCuを用いるのが望ましい。同じ材料を用いることで、均一に圧力を加えることができ、各部材間により信頼性の高い接合を形成することができる。【００３２】
なお、スペーサー１１を封止部材８と同じ部材で構成しておきそのままモールドしてもよい。また、第1の配線層１から第１の電極５までを一度加圧接合しておき、その後第２の電極６と第２の配線層７を加圧接合してもよい。【００３３】
図６Ａ，図６Ｂは、図１，図２Ａに示す半導体モジュールの変形例である。図６Ａは第１の配線層１から第２の配線層７までの積層構造を示しており、図１では第１の電極５と第２の配線層７を１つの第２の電極６で接続しているのに対し、図６Ａではチップ中心位置を挟んで第１の電極５の両端に２つの第２の電極６を設けて第１の電極５と第２の配線層７を接続している。図６Ｂは図６Ａを上面から見た平面図である。【００３４】
図６Ａ，図６Ｂに示すように、チップ中心位置を挟んで第１の電極５の両端に２つの第２の電極６を設けて第１の電極５と第２の配線層７を接続する構造とすることで、焼結金属によって部材同士を接合する場合に、より均一に加圧することが可能になる。また、この場合、第１の電極５からの放熱パスが２倍になるため、より効果的に熱ひずみを低減することができる。【００３５】
本実施例によれば、SiCなどを利用したパワーデバイスが高温動作した場合においても、焼結金属接合部に発生する熱ひずみを低減することが可能となり、接合の信頼性を向上することができる。
【実施例３】
【００３６】
図７Ａから図８Ｂ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７Ａは、第１の配線層１と第２の配線層７の間に複数の半導体装置３を配置した半導体モジュールの断面図である。図７Ｂは図７Ａを上面から見た平面図である。また、図８Ａ，図８Ｂは図７Ａ，図７Ｂの変形例であり、各半導体装置３に対する各々の第２の電極６の位置が異なる例を示している。【００３７】
図７Ａ，図７Ｂの半導体モジュールでは、モジュールの中心位置の左右の領域に配置される半導体装置３上の第２の電極６が、モジュールの中心位置に対して対称になるように配置されている。また、図８Ａ，図８Ｂの半導体モジュールでは、モジュールの中心位置の左右の領域に各々配置される半導体装置３上の第２の電極６を同じ領域内で対称になるように配置している。【００３８】
半導体素子としてSiCを用いる場合、素子の欠陥の問題からチップ（半導体装置）を大型化できないため、一般に図７Ａから図８Ｂのように、複数のチップを並列接続して使用する場合が多い。この際に、第１の電極５と第２の電極６を実施例１や実施例２で説明した構造として放熱性を高め、さらに、図７Ａから図８Ｂのように、第２の電極６を半導体モジュールの中心位置に対して対称に配置して半導体モジュール内の熱ひずみの偏在を低減することで、半導体モジュール全体の反り変形の偏りを抑制することが可能となる。これにより、半導体モジュールの信頼性が向上する。【００３９】
また、図８Ａ，図８Ｂのように、モジュールの中心位置の左右各々の領域内において第２の電極６を対称に配置することで、半導体モジュール内の熱ひずみの偏在がさらに低減される。【００４０】
また、第２の電極６と第２の配線層７の間に第３の電極を設け、第３の電極に複数の第２の電極が接続される構造としても良い。この場合、第２の電極６と第３の電極を第５の接合層を介して接続しても良く、第３の電極と第２の配線層７を第６の接合層を介して接続する構造としても良い。【００４１】
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。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】
【００４２】
１…第１の配線層、２…第1の接合層、３…半導体素子、４…第２の接合層、５…第1の電極、６…第２の電極、７…第２の配線層、８…封止部材、９ａ，９ｂ…絶縁部材、１０ａ，１０ｂ…冷却部材、１１…スペーサー、５０…電極。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
0006643481.tif 000004
【図３】
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【図４】
0006643481.tif 000006
【図５】
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【図６Ａ】
0006643481.tif 000008
【図６Ｂ】
0006643481.tif 000009
【図７Ａ】
0006643481.tif 000010
【図７Ｂ】
0006643481.tif 000011
【図８Ａ】
0006643481.tif 000012
【図８Ｂ】
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