(57)【要約】【課題】  高温環境であっても接続信頼性に優れる半導体モジュールを提供することを目的とする。【解決手段】  本発明に係る半導体モジュールは、配線層を有する基板と、基板に搭載され、表面に電極を有する半導体素子と、半導体素子の電極と焼結金属層を介して接合された導電板と、を備え、半導体素子表面の電極は、非アクティブエリアであるゲート配線部によって複数の電極に分割されており、焼結金属層は、非アクティブエリア上の領域が他の領域よりも焼結密度が低いことを特徴とする。【選択図】図４
2016167527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線層を有する基板と、前記基板に搭載され、表面に電極を有する半導体素子と、前記半導体素子の電極と焼結金属層を介して接合された導電板と、を備える半導体モジュールであって、
前記電極は、ゲート配線部によって複数の電極に分割されており、
前記焼結金属層は、前記ゲート配線部上部の領域が前記電極上部の領域よりも焼結密度が低いことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体モジュールであって、
前記焼結金属層は、前記ゲート配線部上の領域に空洞部を有することを特徴とする半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体モジュールであって、
前記導電板は平板形状であることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体モジュールであって、
前記電極上部の焼結金属層の厚さは前記ゲート配線部の厚さよりも大きいことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体モジュールであって、
前記焼結金属層は未焼結金属を含むことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体モジュールであって、
前記焼結金属層は、銅を含むことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体モジュールであって、
前記基板と前記半導体素子は、金属粒子が金属結合した焼結層で接合されていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体モジュールであって、
前記基板と前記半導体素子を接合する焼結層は、前記電極と前記導電板を接合する焼結金属層よりも剛性が高いことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項９】
請求項１に記載の半導体モジュールであって、
前記導電板と前記配線層とを電気的に接続する銅製の配線部材を備え、
前記配線部材は、ワイヤまたはリボン状であることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１０】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法であって、
前記導電板と前記半導体素子表面の電極上にのみ接合材料を塗布した後、前記接合材料の上に前記導電板を載せ、加圧下で焼結することにより前記半導体素子と前記導電板とを接合する工程を含む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、焼結接合層を有する半導体モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴモジュール等の半導体モジュールは、半導体チップあたり数１０〜数１００Ａの大電流を扱うため、半導体チップの大きな発熱を伴う。近年、半導体モジュールの更なる小型化が求められており、発熱密度がますます上昇する傾向にある。半導体チップと配線層の接合には、従来、耐熱性を確保するために融点が３００℃程度、鉛含有率８５％以上のはんだが用いられてきた。
【０００３】
しかし、地球環境への負荷を低限の観点から半導体装置の鉛フリー化が必要とされるようになった。鉛フリーのはんだ材としては、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ等が知られているが、いずれも融点が２００℃程度であり、耐熱性を確保できない。
【０００４】
そこで、はんだによる接合に代わるものとして、金属ナノ粒子の低温焼成機能を利用した焼結接合が期待されている。粒径が１００ｎｍ以下の金属ナノ粒子では、構成原子数が少なくなると粒子の体積に対する表面積は急激に増大するため、粒子の融点や焼結温度がバルクの状態に比較して大幅に低下する。この現象を利用して金属粒子同士を低温で焼結させて接合することにより、接合後の金属粒子はバルク金属へと変化する。これと同時に被接合材同士は金属結合により接合さるため、非常に高い耐熱性と高放熱性を有する。
【０００５】
一方、ＳｉやＳｉＣで構成される半導体チップの主電極は、銅やアルミニウムなどで構成されるワイヤ、リボン等の配線材料で他のチップや電極と接続される。半導体チップの動作温度が高くなると半導体チップと配線材料の熱膨張率に差があるために、スイッチング動作（通電のＯＮとＯＦＦの動作）を繰り返すうちに、熱疲労で接合部が破壊されるという問題があった。
【０００６】
そこで、配線接続の信頼性を向上させる技術として、特許文献１には、応力緩衝の観点から配線部材と半導体チップの中間の熱膨張係数を有する金属板を用いて、熱膨張係数差の大きな接続部を無くす方法が提案されている。さらに特許文献１には半導体チップと金属板とを接合する接合材として、焼結性の銀微粒子を含有する材料を用いることが記載されている。
【０００７】
また特許文献２には、ゲート配線部上が凸状となるような構造を有する金属板を用い、半導体チップ上のゲート配線部には接着剤を塗布せずに、導電性接着剤で半導体チップと金属板を接着させた半導体モジュールが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−２８６７４号公報
【特許文献２】特開２００８−１０８７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のように、半導体チップ上に接合材を用いて接続された金属板（導電板）を介して配線材料と接続すれば、配線接合部の熱応力を低減でき、接続信頼性向上に有効である。しかし、絶縁基板の回路面と半導体チップとの接合部（以下、チップ下接合部という）、及び半導体チップ上面の主電極と導電板との接合部（以下、チップ上接合部という）を焼結金属層とした場合には、半導体チップの動作時または半導体装置周囲の温度変化に伴う熱ひずみがチップ上接合部に集中するという課題がある。これは、チップ下接合部では絶縁基板によって変形が拘束されるのに対して、チップ上接合部は変形が拘束されず動きやすい構造となるためである。特に、銅で構成される焼結金属層は従来のはんだ材に比べて硬く、接合部で熱ひずみを吸収しにくいという問題がある。さらに、半導体チップの動作温度が高くなり、特にジャンクション温度（Ｔｊ）が１５０℃を超えると、チップ上接合部に集中する熱応力が大きくなる。熱ひずみや熱応力がチップ上接合部に集中すると、チップ上接合部の接合層端部を起点する接合界面での破壊や半導体チップ端部の破損を招くおそれがあり、高温動作環境における所望の信頼性が得られない。
【００１０】
また、焼結金属層の形成には加圧プロセスを要するため、加圧時にゲート配線部にダメージが加わり、初期不良としてゲート配線部とエミッタ配線部間の短絡を生じることがあり、製造歩留りを低減させる主要因となっていた。
【００１１】
特許文献２のように金属板に曲部を設けると、ばね作用により曲部端部に応力集中が生じ、金属板が導電性接着剤による接着部から剥れる不良が生じやすくなる。
【００１２】
そこで本発明は、高温環境であっても接続信頼性に優れる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】
【００１３】
本発明の半導体モジュールは、配線層を有する基板と、基板に搭載され、表面に電極を有する半導体素子と、半導体素子の電極と焼結金属層を介して接合された導電板と、を備え、電極は、ゲート配線部によって複数の電極に分割されており、焼結金属層は、ゲート配線部の上部の領域が電極の上部の領域よりも焼結密度が低いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、高温環境であっても接続信頼性に優れる半導体モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１（ａ）】本発明の一実施形態に係る絶縁型半導体装置の平面図である。
【図１（ｂ）】本発明の一実施形態に係る絶縁型半導体装置の断面図である。
【図２】図１（ｂ）に係る半導体装置の拡大図である。
【図３】本発明の実施例１に係る半導体チップ搭載部の詳細構造を示す図である。
【図４】実施例１に係る接合材料の塗布パターンを示す図である。
【図５】比較例１に係る半導体素子搭載部の詳細構造を示す図である。
【図６】比較例１に係る接合材料の塗布パターンを示す図である。
【図７】実施例１および比較例１のパワーサイクル耐性を示す図である。
【図８】パワーサイクル試験後の比較例１の半導体モジュールの断面状態を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施するための形態を、図１（ａ）（ｂ）を用いて説明する。図１（ａ）は本発明を適用した絶縁型半導体モジュールの平面図を示したものであり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ’の断面図を示したものである。
【００１７】
図１に係るパワー半導体モジュールは、基板１０３と、基板に搭載され、表面に電極１０６´を有する半導体素子１０１と、焼結金属層１０５を介して電極１０６´と接合された導電板１５０と、を備える。なお、図１における他の符号は、それぞれ、ケース１１１、外部端子１１２、ボンディングワイヤ１１３、封止材１１４を示している。
【００１８】
半導体素子の表面電極と接続される導電板にはワイヤやリボンなどの配線部材が接続され、配線部材によって他のチップや電極と接続される。導電板には、半導体素子と配線部材の熱膨張率差による熱応力を緩和する役割と、半導体素子からの熱を放熱する役割が求められる。
【００１９】
導電板としては、半導体素子と配線部材の中間の熱膨張率を有し、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の材料を用いることが好ましい。さらに導電部材として、半導体素子の電極面に水平な方向が垂直な方向より熱伝導率が高い材料を用いることが好ましい。半導体素子の発熱が上部のワイヤやリボンなどの配線に伝わる前に導電板の素子面に沿った面内で熱が拡散し、良好な均熱効果が得られるため、素子の特定部分だけが高温になってワイヤもしくはリボンが剥がれることが無くなり、チップ全体として配線接続信頼性が向上するためである。例えば、ある面の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ、その直交方向の熱伝導率が２０００Ｗ／ｍＫといった熱伝導異方性を有するグラファイト繊維と金属（銅、アルミニウムなど）を複合化した材料を用いることができる。また、銅／インバー／銅のクラッド材料など、異なる熱伝導率を有する層を積層した材料を用いることもできる。これはインバー（鉄ニッケル合金）の熱伝導率（１３Ｗ／ｍＫ）が銅の熱伝導率（４００Ｗ／ｍＫ）よりも小さいため半導体チップの発熱を上部に伝えにくく、チップ面に沿って銅内部を熱が伝播し均熱化されるためである。さらに、銅（熱膨張率約１６ｐｐｍ／Ｋ）とインバー（熱膨張率約１ｐｐｍ／Ｋ）の比率によって熱膨張率をＳｉやＳｉＣ（３〜５ｐｐｍ／Ｋ）と配線部材（Ａｌ約２３ｐｐｍ／Ｋ、Ｃｕ約１６ｐｐｍ／Ｋ）の中間の好ましい値に調整することが可能であり、熱応力を低減できるためである。例えば銅／インバー／銅比を１／１／１にすることで約１１ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率が得られ、熱膨張差の大きい材料の接続部を作らずに済む。その結果、配線接続信頼性も、導電部材のチップへの接続信頼性も向上させることができる。
【００２０】
なお、応力緩和、加工コスト等の観点から、導電板は平板形状であることが好ましい。
【００２１】
本実施形態で用いる基板１０３は、絶縁基板と配線層とから構成される。絶縁基板は半導体装置で必要とされる耐電圧性と強度を保持していればよく、セラミックス板が適当である。セラミックス板としては、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物材料、または熱伝導率および強度の高いＡｌＮやＳｉＮの窒化物系材料が好ましい。以下では、絶縁基板としてセラミックス絶縁基板を用いた半導体モジュールについて説明する。
【００２２】
図２は、図１に係る半導体モジュールの素子周辺部の断面詳細図である。図２において、セラミックス絶縁基板１０３上の配線層１０２と半導体素子１０１のコレクタ電極１０６’とは焼結金属層１０５（第１の焼結金属層）で接合されている。半導体素子のエミッタ電極１０６と導電板１５０とは焼結金属層１０５’（第２の焼結金属層）で接合されている。また、導電板１５０は銅リボン１１３によってセラミックス絶縁基板１０３上の配線層１０４と接続されている。セラミックス絶縁基板１０３の裏面に設けられた配線層１０２は支持部材１１０にはんだ層１０９を介して接合されている。配線層１０２、ゲート配線部１０４は、例えば銅配線である。
【００２３】
半導体素子としては、ＩＧＢＴチップ、ＭＯＳ・ＦＥＴ、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ、トライアック等を用いることができる。半導体素子は、表面及び裏面に電極を有し、表面に備える電極はゲート配線部により複数の電極に分割されている。なお、ゲート電極の位置は、半導体素子の端部であっても真ん中であってもよい。
【００２４】
半導体素子１０１と導電板１５０とを接合する焼結金属層１０５´について、図３を用いて説明する。半導体素子表面の電極は、非アクティブエリアであるゲート配線部１０４によって複数の電極（アクティブエリア１０６）に分割されており、焼結金属層１０５´は、ゲート配線部上の領域が電極上の領域よりも焼結密度が低い。このように、半導体素子１０１と導電板１５０とを接合する焼結金属層（第２の焼結接合層）１０５´に、半導体素子の非アクティブエリアであるゲート配線上に位置する領域の焼結密度をアクティブエリア上の部位より低くすることにより、ゲート配線部に集中する熱ひずみを抑えることができる。これにより、チップ上の接合層の接続信頼性を向上することが可能となる。
【００２５】
さらに半導体素子の主電極が、非アクティブエリアであるゲート配線部によって複数の電極に分割されている構造のとき、チップ上接合部の焼結層によりこのゲート配線部位にダメージが加えられ、例えばゲートと主電極であるエミッタ間の短絡不良、エミッタとコレクタ間の主耐圧低下不良などを生じてしまうことがあった。半導体素子と導電板とを接合する焼結金属層の焼結密度を制御することにより、ゲート配線部位へのダメージを抑制することが可能となる。
【００２６】
ここで、焼結金属層とは、金属粒子同士が金属結合した焼結層をいい、未焼結金属を含んでいてもよい。未焼結部位が含まれることにより、焼結層の耐熱疲労寿命の向上が見込める。
【００２７】
半導体素子表面の主電極上の焼結金属層の厚さは、ゲート配線部の高さ（厚さ）よりも大きいことが好ましい。このような構成とすることで、焼結金属層を形成する際の加圧プロセスにおいて、ゲート配線部を無加圧もしくは低加圧とすることができる。その結果、ゲート配線部へのダメージを抑制し、ゲート配線部とエミッタ配線部間の短絡を抑制することができる。
【００２８】
本発明において、基板と半導体素子とを焼結金属層により接合する場合、半導体素子の電極と導電板を接合する焼結金属層（第２の焼結金属層）よりも、基板と半導体素子とを接合する焼結金属層（第１の焼結金属層）の剛性が高いことが放熱性向上の観点から好ましい。
【００２９】
熱抵抗低減、接着性向上の観点から、焼結金属層は、ゲート配線部上の領域の焼結密度が３０〜    ６０％（空隙率４０〜７０％）、電極上の領域の焼結密度が６０〜９０％（空隙率１０〜４０％）であることが好ましい。ゲート配線部上に空洞部を有していてもよい。また、非アクティブエリア上の焼結密度より、アクティブエリア上接合層の焼結密度を１０％以上高くすることが望ましい。シミュレーション解析によると、アクティブエリア上接合層の焼結密度を１０％以上高くすることにより熱応力耐性が約２倍向上するためである。その結果、パワーサイクル耐性を従来はんだの１０倍以上向上することが可能となる。なお、焼結密度は、接合部断面写真から、金属部と空隙部を二値化処理により分離し、観察した接合層に対する空隙部の割合を算出処理することにより測定することができる。
【００３０】
焼結密度は、焼結金属層を形成する際の加熱時の昇温条件や加圧条件、接合材料の塗布量を変更することにより調整することができる。また、接合材料の塗布量は、ペースト塗布に用いるマスクパターンの粗密を変えたり、ディスペンス時の滴下量を変えることで、調整できる。
【００３１】
半導体素子と導電板とを接合する焼結金属層（第２の焼結金属層）の焼結密度を調整する方法は特に限定されないが、例えば、アクティブエリアに対応するようにディスペンサを用いてペースト状の接合材を塗布した後、導電板を所定位置に設置し、導電板と半導体チップとを回路基板上に加圧し、加熱する方法、半導体チ素子上のアクティブエリアに接合材を印刷して加圧加熱接合する方法、導電板に半導体チップのアクティブエリアパターンに対応するように接合材を印刷形成して加圧加熱接合する方法などが挙げられる。例えば、ゲート配線部上に空洞部を有する構造とする場合には、半導体素子表面の電極上にのみ接合材料を塗布した後、接合材料の上から導電板を載せ、加圧下で焼結することにより半導体素子と導電板とを接合する工程により、半導体素子と導電板とを接合する焼結金属層において、ゲート配線部上の焼結密度より、電極上接合層の焼結密度を高くすることができる。
【００３２】
焼結接合層を形成するための接合材料は、少なくとも平均粒径１ｎｍ以上５μｍ以下の金属粒子、金属酸化物粒子、金属塩粒子のいずれかと、溶剤とを含む。金属粒子として、例えば、銀、銅、金、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、珪素、アルミニウム等の中から１種類の金属あるいは２種類以上の金属からなる合金を用いることが可能である。酸化物粒子としては酸化金、酸化第一銀、酸化第二銀、酸化第二銅を用いることが可能である。金属塩粒子としてはカルボン酸金属塩として酢酸銀、ネオデカン酸銀塩などをもちいることが可能である。平均粒径が５μｍより大きくなると、接合中に粒径が１００ｎｍ以下の金属銅粒子が生成されにくくなり、これにより粒子間の隙間が多くなり、緻密な接合層を得ることが困難になるためである。また、１ｎｍ以上としたのは、平均粒子が１ｎｍ未満とすると粒子前駆体を実際に作製することが困難なためである。
【００３３】
接合材料としては、酸化銅粒子を含む材料を用いることが好ましい。酸化銅粒子を用いて水素雰囲気下で部材間を接合することにより、特にＣｕ電極、Ｎｉ電極に対して優れた接合強度を得ることができるためである。また、酸化銅からなる金属酸化物粒子は還元時に酸素のみを発生するために、接合後における残渣も残りにくく、体積減少率も非常に小さい。
【００３４】
有機溶媒中での分散性を向上させるためには、金属粒子に有機物で被覆するのが良い。例えば、窒素原子を含むアミノ基、酸素原子を含むアルコール基、カルボキシル基、硫黄基を含むスルフォン基等の有機物が適している。この中でもカルボキシル基が金属粒子との結合性が高いことから分散材としては好ましい。例えば、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナデカン酸、イコサン酸、オレイン酸があげられる。この中でも特に炭素数の多い方が分散性に優れていることから、炭素数が１０以上の上記アルキルカルボン酸を選択することが好ましい。
【００３５】
溶剤は、金属粒子を有機溶媒に分散させ、かつ接合後に接合層中に残存しない有機物が好ましい。例えば、トルエン、メタノール、エタノール等のアルコール類、また、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロオクタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、水等を用いることができる。この中でもアルコール類に関しては特にグリコール系の融点が低く、またアルコール系であることから環境への負荷も小さいことから好ましい。
【００３６】
焼結接合層を形成するための接合方法としては公知の方法を適用することが可能である。接合材料の塗布方法は、例えば、塗布部分を開口したメタルマスクを用いて必要部分にのみ塗布を行う方法、ディスペンサを用いて必要部分に塗布する方法、シリコーンやフッ素等を含む撥水性の樹脂を必要な部分のみ開口したメタルマスクやメッシュ状マスクで塗布する方法、感光性のある撥水性樹脂を基板あるいは電子部品上に塗布し、露光および現像することにより接合材料を塗布する部分を除去し、接合用ペーストをその開口部に塗布する方法や、さらには撥水性樹脂を基板あるいは電子部品に塗布後、接合材料を塗布する部分をレーザーにより除去した後、接合用ペーストをその開口部に塗布する方法などが挙げられる。これらの塗布方法は、接合する電極の面積、形状に応じて組み合わせ可能である。
【００３７】
焼結金属層を形成させるためには、加圧下で焼結するプロセスを経ることが好ましい。熱と０．０１〜５ＭＰａの圧力を加えることにより、金属粒子前駆体から粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が生成する。金属粒子同士は有機物を排出しながら融着することにより、金属結合が形成される。接合時の雰囲気は水素、ギ酸を含んだ還元雰囲気、非酸化雰囲気でもよい。接合材料に含まれる金属粒子は、接合時の加熱還元によって純金属超微粒子となった後、相互に融合してバルクになる。バルクになった後の溶融温度は通常のバルクの状態での金属の溶融温度と同じであり、純金属超微粒子は低温の加熱で溶融し、溶融後はバルクの状態での溶融温度に加熱されるまで再溶融しないという特徴を有する。したがって、低い温度で接合することができるが、接合後は溶融温度が向上することから、その後、他の電子部品を接合している際に接合部が再溶融しないというメリットをもたらす。なお、焼結接合層としては、焼結銅の他にも焼結銀も適用が可能であるが、焼結銅を用いることがより好ましい。これは、焼結銀よりも焼結銅の方が空孔拡散が少なく温度上昇に起因するボイド発生が抑制されるためである。
【００３８】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３９】
実施例１では、図３に係るパワー半導体モジュールを作製した。半導体素子１０１は１２ｍｍ×１２ｍｍのＩＧＢＴチップを用いた。このＩＧＢＴのコレクタ側の電極構造はＡｌ／Ｔｉ／Ｎｉで最表面はＮｉである。ＩＧＢＴのエミッタ側はＡｌ／Ｎｉで最表面はＮｉである。
【００４０】
実施例１の焼結接合層１０５と焼結接合層１０５’の形成方法を説明する。接合材料は、平均粒径が１ｎｍ〜５μｍの酸化銅粒子と有機溶剤とを含む材料を用いた。焼結金属層１０５、１０５´を形成するための接合材料は、８８ｗｔ％の酸化第二銅粒子（接合後は純銅化している）と１２ｗｔ％のジエチレングリコールモノブチルエーテルを混合したものを用いた。
【００４１】
セラミックス絶縁基板１０３の配線層１０２上の接合箇所にメタルマスクによって接合材料を印刷した。印刷した接合材料の上に半導体チップ１０１を配置し、大気中で６０℃の熱を約１０分間加える予備加熱を行った。予備加熱により、不要な有機溶剤成分を除去し、ガス発生を抑制することが可能である。予備加熱後の構造物について、加圧状態（０．５ＭＰａ）、水素中で、温度を３００℃に上昇させた後１５分間保持した。なお、本実施例では圧力を加えたままとしたが、３００℃保持時での加圧は必須ではない。以上のプロセスにより、半導体素子１０１のコレクタ電極１０６’と配線層１０２とを焼結接合層１０５で接合した。
【００４２】
次に、半導体チップ１０１のエミッタ電極１０６の接合箇所（アクティブエリア）にディスペンサによって接合材料を塗布した。図４に半導体素子上の接合材料の塗布状態を示す。図４に示すように接合材料はエミッタ電極部上にのみ塗布した。この半導体チップ１０１上に導電板１５０を配置し、０．８ＭＰａで加圧状態に置く。この後の工程は焼結金属層１０５と同様の条件で、半導体チップ１０１のエミッタ電極１０６とを焼結金属層１０５’で接合した。
【００４３】
以上の製造工程により、焼結密度が約７０％（空隙率３０％）の焼結金属層１０５と、アクティブエリア上の焼結密度が約７０％（空隙率３０％）、非アクティブエリア上の焼結密度が約５０％（空隙率５０％）の焼結金属層１０５´を備えるパワー半導体モジュールを作製した。エミッタ電極の接合箇所にのみ接合材料を塗布しても、加圧により接合材料がはみ出し、非アクティブエリアにも焼結金属層が形成された。なお、実施例１において焼結接合層１０５、１０５´の厚さは８０μｍであった。
【実施例２】
【００４４】
実施例２では、接合時の予備乾燥条件を調整することによって焼結密度の異なる焼結接合層１０５’を形成した例を説明する。なお、焼結金属層の形成方法が異なるだけで、パワー半導体モジュールの構造は実施例１と同様である。
【００４５】
セラミックス絶縁基板１０３の配線層１０２上の接合箇所にメタルマスクによって接合材料を印刷し、その上に半導体チップ１０１を配置した。次に、半導体チップ１０１のエミッタ電極１０６の接合箇所であるアクティブエリアにディスペンサによって接合材料を塗布し、その上に導電板１５０を配置する。その状態で大気中６０℃の熱を約２０分間加える。次に、０．１ＭＰａで加圧状態にし、水素中で温度を昇温速度５℃／ｍｉｎで３００℃に上昇させて１５分間保持する。以上のプロセスにより、半導体チップ１０１と配線層１０２、及び半導体チップ１０１のエミッタ電極１０６と導電板１５０を焼結接合層１０５’を介して接合した。
【００４６】
焼結接合層１０５の焼結密度は約７０％（空隙率３０％）、焼結接合層１０５’の焼結密度は、アクティブエリア上が約８０％（空隙率２０％）、非アクティブエリア上が未塗布状態であった。半導体チップと導電板を同時加圧接合したため接合層１０５よりも接合層１０５‘の焼結密度が高くなった。さらに、接合材を塗布後、長時間予備乾燥したため、導電板を配置して加圧しても接合材が非アクティブエリア上を覆うことなく焼結が進行した。
【００４７】
（比較例１）
比較例１では、図５に係るパワー半導体モジュールを作製した。比較例１に係るパワー半導体モジュールと、実施例１に係るパワー半導体モジュールの違いは、半導体素子の電極と導電板とを接合する焼結金属層１０５´のみである。比較例１に係るパワー半導体モジュールでは、焼結金属層１０５´において、ゲート配線上の領域と、電極上の領域で焼結密度が一定である。
【００４８】
半導体素子１０１のエミッタ電極に接合材料を塗布する際に、図６のように半導体素子上全面に接合材料をメタルマスクを用いて印刷塗布したこと以外は、実施例１と同様の条件で焼結金属層１０５´を形成させ、パワー半導体モジュールを作製した。アクティブエリア上、非アクティブエリア上とも焼結密度は約７０％（空隙率３０％）であった。
【００４９】
＜パワーサイクル試験＞
実施例１、２および比較例１で作製した半導体モジュールに対してパワーサイクル試験を実施した。パワーサイクル試験とは、半導体モジュールの信頼性試験の一つである。
【００５０】
半導体素子に所定の電流を所定時間流し、半導体チップ自体を発熱させ、１５０℃（以下、Ｔｊｍａｘ１５０℃と記す。）に上昇した後電流をオフし、室温に冷却後、再び通電することにより半導体素子自体の発熱、冷却を繰り返した。
【００５１】
実施例１と比較例１のパワーサイクル試験の結果を図５に示す。図５の横軸は発熱、冷却のサイクル数、縦軸はＴｊｍａｘ値の推移を示している。今後、半導体チップや半導体モジュールの小型化に伴う高発熱化が考えられる。このためより高温に対応でき得るためにＴｊｍａｘ値は１５０℃設定としているが、半導体素子と絶縁基板との接合部、半導体素子と導電板との接合部に損傷が生じ、さらにそれが進展するとその値が上昇する。本試験では上昇割合が初期値の１５％を超えたときを寿命と判断した。
【００５２】
図５において、比較例１では約１万回でゲート配線とエミッタ配線間で短絡不良を生じ、試験継続不能となった。一方、実施例１では、サイクル寿命は約５０万回と、大幅な信頼性向上を図ることができた。また、実施例２のサイクル寿命であった。実施例１に比べて実施例２の寿命が向上したのは、焼結金属層を形成する際の焼成プロセスにおける加圧力を小さくしたため、半導体素子へのダメージが低減したためであると考えられる。
【００５３】
パワーサイクル試験後の比較例１の半導体モジュールの損傷個所、及び損傷状態を調べたところ、半導体チップ上の導電板と焼結接合層、及び半導体チップ下焼結接合層にはクラック進展は確認できなかった。しかし半導体チップ上のゲート配線部には小さなクラックが確認でき、損傷を受けていることが確認できた。図８に、パワーサイクル試験後の比較例１の半導体モジュールの断面状態を示した模式図を示す。ゲート配線部のクラックが生じると、ゲート配線の高抵抗化のおそれがある。また、クラックがさらに進展し、アクティブエリア電極を形成するエミッタ電極下部にまで達するとゲートとエミッタ間で短絡することがある。これが低寿命の原因であったことが判った。本原因を調査するため、半導体チップ上に導電板を設置した構造において、有限要素法による熱ひずみ分布解析を行った。この結果、ゲート電極部に大きな熱ひずみが生じていることが確認でき、この部位の熱ひずみ低減が必要であることが確認された。また、加圧時の影響も大きい。すなわち焼結層によりゲート配線部に必要以上の圧力が加わり、ダメージが生じた。このダメージ部がクラック発生の基点となっていることが考えられる。
【００５４】
一方、本実施例の半導体モジュールでは、チップ上接合部のゲート電極部に集中する熱ひずみが小さくなっており、接合部の長寿命化を図ることができる。
【００５５】
本構造の半導体モジュールは、半導体チップ１０１と熱膨張係数が約９ｐｐｍ／℃の絶縁配線基板、半導体チップと熱膨張係数が約９ｐｐｍ／℃の導電板とが接合材を介して接合されているため、高温環境で顕著になる各部材の熱膨張差に起因する熱応力を小さくすることができる。理想的には接合材の熱膨張係数を配線基板のそれに一致させることで、接合材に生じる熱応力が最小になり、長期信頼性が向上する。導電板には銅製のリボンで結線しているため、従来のアルミ製ワイヤボンディングよりも高信頼性を確保できている。
【００５６】
本発明の半導体装置は各種の電力変換装置に適用することができる。電力変換装置に本発明の半導体装置を適用することによって、高温環境の場所に搭載でき、かつ専用の冷却器を持たなくても長期的な信頼性を確保することが可能になる。
【００５７】
また、インバータ装置及び電動機は、高速車両や電気自動車にその動力源として組み込むことができる。この自動車においては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化できたため、ギヤーの噛込み比率の違いにより変速していた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され、スムーズな走行が可能で、振動や騒音の面でも従来よりも軽減することができる。
【００５８】
更に、本実施例の半導体装置を組み込んだインバータ装置は冷暖房機に組み込むことも可能である。この際、従来の交流電動機を用いた場合よりも高い効率を得ることができる。これにより、冷暖房機使用時の電力消費を低減することができる。また、室内の温度が運転開始から設定温度に到達するまでの時間を、従来の交流電動機を用いた場合よりも短縮できる。
【００５９】
本実施例と同様の効果は、半導体装置が他の流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗濯機、流体循環装置等に組み込まれた場合でも享受できる。
【符号の説明】
【００６０】
１０１…半導体素子、１０２…配線層、１０３…絶縁基板、１０４…ゲート配線部（非アクティブエリア）、１０４´…ゲート電極部、１０５、１０５´…焼結接合層、１０６…エミッタ電極（アクティブエリア）、１０６´…コレクタ電極、１０７…保護膜、１０８…接合材、１１０…支持部材、１５０…導電板、１１３…ボンディングワイヤ
【図１（ａ）】
2016167527.tif 000003
【図１（ｂ）】
2016167527.tif 000004
【図２】
2016167527.tif 000005
【図３】
2016167527.tif 000006
【図４】
2016167527.tif 000007
【図５】
2016167527.tif 000008
【図６】
2016167527.tif 000009
【図７】
2016167527.tif 000010
【図８】
2016167527.tif 000011