(57)【要約】【課題】ジャンクション温度が高くな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】表面電極及び裏面電極を備える半導体チップ１０１が回路基板に搭載された構成の半導体モジュールであって、半導体チップの裏面電極１０６’と回路基板の配線１０２を接続した第１の焼結接合層１０５と、半導体チップの表面電極１０６と導電板１５０とを接続した第２の焼結接合層１０５’を備え、第２の焼結接合層１０５’よりも第１の焼結接合層１０５の剛性が高いことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面電極及び裏面電極を備える半導体チップが回路基板に搭載された構成の半導体モジュールであって、
半導体チップの裏面電極と回路基板の配線を接続した第１の焼結接合層と、半導体チップの表面電極と導電板とを接続した第２の焼結接合層を備え、第１の焼結接合層よりも第２の焼結接合層の剛性が高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において、
第１の焼結接合層の空隙率よりも第２の焼結接合層の空隙率の方が低い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において、
第１の焼結接合層が銅であり、第２の焼結接合層が銀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において、
第１の焼結接合層の厚さよりも第２の焼結接合層の厚さが薄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に記載の半導体モジュールにおいて、
第１の焼結接合層及び第２の焼結接合層が銅であることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
前記導電板と、他の素子あるいは前記回路基板の配線とを電気的に接続するワイヤまたはリボン状の配線部材を備えることを特徴と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、焼結接合層を有する半導体モジュールに関する。
【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十〜数百Ａ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。特に耐熱性を確保するために、半導体チップと配線層の接合には従来は融点が３００℃程度、鉛含有率８５％以上の高鉛はんだが用いられてきた。しかし、半導体装置の鉛フリー化が必要とされるようになり、鉛フリーのはんだ材として、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、融点が２００℃程度であり、耐熱性を確保できない。
【０００３】
これに対して、金属ナノ粒子の低温焼成機能を利用した焼結接合が高温はんだに代わる材料として期待されている。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り粒子の体積に対する表面積比は急激に増大し、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。この低温焼成機能を利用して金属粒子同士を焼結させて接合することで、接合後の金属粒子はバルク金属へと変化すると同時に接合界面では金属結合により接合されているため、非常に高い耐熱性と高放熱性を有する。
【０００４】
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。
【０００５】
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、配線部材と半導体チップの中間の熱膨張係数の金属板を用いて、熱膨張係数差の大きな接続部を無くす、応力緩衝の観点からの解決方法が提案されている。また、引用文献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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２８６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、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。しかしながら、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）、および、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）を焼結接合層とした場合には、以下の課題を有する。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応力がチップ上接合部で最大となる。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ため、熱歪み量は小さい。一方、チップ上接合部は変形が拘束されず動きやすい構造であることから、チップ上接合部での熱歪みが大きくなり、接合界面での熱応力が高くなるためである。また、銀や銅で構成される焼結接合層は従来のはんだ材に比べて硬く、接合層で熱応力を吸収しにくいという問題がある。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り、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ことが懸念され、高温動作環境における所望の信頼性が得られない。
【０００８】
本発明は、ジャンクション温度が高くな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】
【０００９】
本発明の半導体モジュールは、表面電極及び裏面電極を備える半導体チップが回路基板に搭載された構成の半導体モジュールであって、半導体チップの裏面電極と回路基板の配線を接続した第１の焼結接合層と、半導体チップの表面電極と導電板とを接続した第２の焼結接合層を備え、第２の焼結接合層よりも第１の焼結接合層の剛性が高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、ジャンクション温度が高くな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】
【００１１】
【図１】（ａ）は本発明の一実施例による絶縁型半導体装置の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図２】半導体チップ搭載部の詳細構造を示す図である。
【図３】本発明の実施例及び比較サンプルのパワーサイクル耐性を示す図である。
【図４】比較サンプルのパワーサイクル試験時の破壊状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の半導体モジュールは、表面電極及び裏面電極を備える半導体チップが回路基板に搭載された構成の半導体モジュールであって、半導体チップの裏面電極と回路基板の配線を接続した第１の焼結接合層と、半導体チップの表面電極と導電板とを接続した第２の焼結接合層を備え、第１の焼結接合層よりも第２の焼結接合層の剛性が高いことを特徴とする。このように、第１の焼結接合層（チップ下接合層）の剛性を相対的に低くすることで、第２の焼結接合層（チップ上接合層）で生じる熱歪みを第１の焼結接合層側で吸収させることができる。その結果、第２の焼結接合層（チップ上接合層）に集中する熱歪みが小さくなり、接合部に集中する熱応力を小さくすることができる。これにより、チップ上接合層の接続信頼性を向上することが可能となる。
【００１３】
第１の焼結接合層よりも第２の焼結接合層の剛性を高くするための方法は特に限定されないが、例えば、接合時の加圧力、加熱速度、接合材料の溶剤濃度等の条件を第１，２の焼結接合層で変更することで焼結接合層の空隙率を変える方法、焼結接合層を構成する材料を変える方法、焼結接合層の厚さを変える方法などが挙げられる。焼結密度の違いによって第１の焼結接合層よりも第２の焼結接合層の剛性を高く場合には、チップ下接合層の焼結密度より、チップ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り、１０％以上とすると熱応力耐性が約２倍向上し、この結果、パワーサイクル耐性が従来はんだの１０倍以上向上することを確認した。
【００１４】
半導体チップ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、半導体チップ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、半導体チップからの熱を放熱する役割が求められる。そこで、導電板としては、半導体チップ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、半導体チップ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れば、チップ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チップ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、チップ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。例えば、ある面で２０Ｗ／ｍＫ、その直交方向に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、さらに銅／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が好ましい。これは、一つにはインバー（鉄ニッケル合金）の熱伝導率が１３Ｗ/ｍＫと銅の４００ Ｗ/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。もう一つには、銅（約１６ｐｐｍ/Ｋ）とインバー（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み、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。
【００１５】
焼結接合層を形成するための接合材料、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。本実施形態で用いた接合材料、接合方法を一例として説明する。本発明の実施形態においては、接合材料として、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。この接合材料を用いて水素雰囲気下で接合を行うことで部材間を接合することができる。特に、Ｃｕ、Ｎｉ電極に対しても優れた接合強度が得ることができる。本接合では、酸化銅粒子前駆体が還元され、その際に平均粒径が１００ｎｍ以下の銅粒子が生成され、銅粒子同士が相互に融合することで接合が行なわれるという現象を利用している。平均粒径が１００ｎｍ以下の銅粒子が生成され、銅粒子同士が相互に融合し、接合に至る機構は、（１）生成した１００ｎｍ以下の銅粒子が相手電極表面に薄膜層を形成、（２）この層は相手の金属電極板（Ｃｕ、Ｎｉ等）の結晶成長方向と同一方向に結晶成長しており、（３）さらに薄膜層形成に寄与しなかった銅粒子同士の融合によって焼結層、すなわち接合層を形成し、接合が達成される。前駆体の酸化銅粒子は酸化第一銅、酸化第二銅のどちらでも良い。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。ここで用いる酸化銅粒子の粒径を平均粒径が１ｎｍ以上５μｍ以下としたのは、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以下の酸化第二銅粒子前駆体を実際に作製することが困難なためである。
【００１６】
接合プロセスは（１）６０℃の熱を約１０分間加え、同時に圧力を水素雰囲気中で加える、（２）加圧は加えたまま温度を２５０℃に上昇させ、５分間保持するプロセスとした。
【００１７】
接合材料は、塗布部分を開口したメタルマスクやメッシュ状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したり、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がある。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。
【００１８】
本接合材料を用いた接合では、接合時に金属粒子前駆体から粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を生成し、接合層における有機物を排出しながら粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子の融着による金属結合を行うために熱と０．０１〜５ＭＰａの圧力を加えることが好ましい。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。
【００１９】
本接合では、接合時の加熱還元によって純金属超微粒子を生成させ、この純金属超粒子同士は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。これは、純金属超微粒子を用いた場合に低い温度で接合を行うことができ、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。
【００２０】
以上で説明した接合材、接合方法を半導体チップの電極の接合に用いることにより、優れた接合信頼性を得ることが可能となる。
【００２１】
以下、図面を用いて、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】
【００２２】
図１は本発明を適用した絶縁型半導体モジュールを示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’の断面図を示したものである。図２は半導体チップ周辺部の断面詳細図である。
【００２３】
本実施例において、半導体チップ１０１は１２ｍｍ×１２ｍｍのＩＧＢＴチップである。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。
【００２４】
セラミックス絶縁基板１０３上の配線層１０２と半導体チップ１０１のコレクタ電極１０６’とが焼結接合層１０５（第１の焼結接合層）で接合されている。半導体チップのエミッタ電極１０６と導体板１５０が焼結接合層１０５’（第２の焼結接合層）で接合されている。また、導体板１５０は銅リボン２０１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。セラミックス絶縁基板１０３と配線層１０２をもって配線基板と称する。配線層１０２，１０４はＣｕ配線である。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。
【００２５】
本実施例では、焼結接合層１０５と焼結接合層１０５’は、８８ｗｔ％の酸化第二銅粒子（接合後は純銅化）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接合材料を用いて形成した。焼結接合層１０５と焼結接合層１０５’の厚さは８０μｍであり、焼結接合層１０５よりも焼結接合層１０５’の剛性が高くなるように構成されている。
【００２６】
本実施例の焼結接合層１０５と焼結接合層１０５’の形成方法を説明する。
【００２７】
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を配置する。その状態で大気中６０℃の熱を約１０分間加える。これは予備加熱であり、不要な有機溶剤成分を除去し、ガス発生を抑えるためのプロセスである。次に、０．５ＭＰａで加圧状態にし、水素中で温度を２５０℃に上昇させて５分間保持する。なお、本実施例では圧力を加えたままとしたが、２５０℃保持時の加圧は必須ではない。以上のプロセスにより、半導体チップ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。
【００２８】
次に、半導体チップ１０１のエミッタ電極１０６の接合箇所にメタルマスクによって接合材料を印刷し、その上に導体板１５０を配置する。この後、１．０ＭＰａで加圧状態にする。この後の工程は焼結接合層１０５と同様の条件で、半導体チップ１０１のエミッタ電極１０６とを焼結接合層１０５’で接合した。
【００２９】
この結果、焼結接合層１０５の焼結密度は約７０％（空隙率３０％）、焼結接合層１０５’の焼結密度は約８０％（空隙率２０％）であった。また、焼結接合層１０５の剛性（ヤング率）は８４ＧＰａ、焼結接合層１０５’の剛性（ヤング率）は９６ＧＰａであり、焼結密度とヤング率は比例関係にあった。
【００３０】
本実施例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、半導体チップ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、所定の温度（本試験では１５０℃；Ｔｊｍａｘ１５０℃と記す）に上昇した後電流をオフし、所定の温度に冷却（本試験では室温）後、再び通電するという半導体チップ自体の発熱、冷却を繰り返す試験であり、半導体モジュールにおける重要な信頼性試験の一つである。図３ にパワーサイクル試験結果を示す。図３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。Ｔｊｍａｘ値は１５０℃設定としているが、半導体チップのチップ下接合部、チップ上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％上昇時を寿命と判断した。比較のために、焼結接合層１０５と焼結接合層１０５’を同一条件で形成した比較サンプルを作製し、同様にパワーサイクル試験を実施した結果を図３に併せて示す。図３に示したように、比較サンプルでは、Ｔｊｍａｘ値が約３万回で１５％以上上昇した。目標は１０万回以上であり、１／３程度であった。一方、本実施例の半導体モジュールでは、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。
【００３１】
図４は、比較サンプルの損傷個所、及び損傷状態を調べた結果であり、断面状態を示したものである。これによると、主に半導体チップ上の導体板と焼結接合層の間にクラックが進展し、ほぼ破断状態になっていることが確認できた。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体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、チップ下接合部よりもチップ上接合部に大きな熱ひずみが生じていることが確認でき、この部位の補強が必要であることが確認された。一方、本実施例の半導体モジュールでは、チップ上接合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。
【００３２】
また、パワーサイクル試験のほか、周囲環境温度の変化に対応した信頼性評価方法である温度サイクル試験を比較サンプルと本実施例の半導体モジュールについて行った。この結果、パワーサイクル試験と同様の傾向が確認された。
【００３３】
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／℃の導体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。導体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。
【実施例２】
【００３４】
本実施例では、接合時の加熱速度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、焼結接合層１０５’を形成した例を説明する。焼結接合層１０５、焼結接合層１０５’の形成方法以外は実施例１と同じである。
【００３５】
本実施例の焼結接合層１０５と焼結接合層１０５’の形成方法を説明する。
【００３６】
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を配置する。その状態で大気中６０℃の熱を約１０分間加える。次に、０．３ＭＰａで加圧状態にし、水素中で温度を昇温速度１０℃／ｍｉｎで２５０℃に上昇させて５分間保持する。以上のプロセスにより、半導体チップ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。
【００３７】
次に、半導体チップ１０１のエミッタ電極１０６の接合箇所にメタルマスクによって接合材料を印刷し、その上に導体板１５０を配置する。その状態で大気中６０℃の熱を約１０分間加える。次に、０．３ＭＰａで加圧状態にし、水素中で温度を昇温速度５℃／ｍｉｎで２５０℃に上昇させて５分間保持する。以上のプロセスにより、半導体チップ１０１のエミッタ電極１０６とを焼結接合層１０５’で接合した。
【００３８】
この結果、焼結接合層１０５の焼結密度は約７０％（空隙率３０％）、焼結接合層１０５’の焼結密度は約８５％（空隙率１５％）であった。また、焼結接合層１０５の剛性（ヤング率）は約８０ＧＰａ、焼結接合層１０５’の剛性（ヤング率）は約９０ＧＰａであり、焼結密度とヤング率はほぼ比例関係にあった。
【００３９】
本実施例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結果、サイクル寿命は約７０万回と、大幅な信頼性向上を図ることができた。実施例１に比べて寿命が向上したが、加圧力を下げたため、半導体素子へのダメージ低減の効果があったものと考えられる。
【００４０】
焼結接合層１０５よりも焼結接合層１０５’の接合時における加熱速度を遅くすることにより、焼結接合層１０５よりも焼結接合層１０５’の空隙率を少なくすることができる。この結果、焼結接合層１０５よりも焼結接合層１０５’を高剛性にすることができる。
【実施例３】
【００４１】
本実施例では、接合材料の溶剤濃度を変更することによって焼結密度の異なる焼結接合層１０５、焼結接合層１０５’を形成した例を説明する。焼結接合層１０５、焼結接合層１０５’の形成方法以外は実施例１と同じである。
【００４２】
本実施例の焼結接合層１０５と焼結接合層１０５’の形成方法を説明する。焼結接合層１０５を形成する接合材料として、８０ｗｔ％の酸化第二銅粒子（接合後は純銅化）と２０ｗｔ％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材料を用いた。
【００４３】
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を配置する。次に、半導体チップ１０１のエミッタ電極１０６の接合箇所にメタルマスクによって接合材料を印刷し、その上に導体板１５０を配置する。その状態で大気中６０℃の熱を約１０分間加える。次に、０．３ＭＰａで加圧状態にし、水素中で温度を２５０℃に上昇させて５分間保持する。以上のプロセスにより、半導体チップ１０１のコレクタ電極１０６’と配線層１０２、及び、半導体チップ１０１のエミッタ電極１０６と導体板１５０とを一括で接合した。
【００４４】
次に、半導体チップ１０１のエミッタ電極１０６の接合箇所にメタルマスクによって接合材料を印刷し、その上に導体板１５０を配置する。焼結接合層１０５‘を形成する接合材料として、９０ｗｔ％の酸化第二銅粒子（接合後は純銅化）と１０ｗｔ％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材料を用いた。その状態で大気中６０℃の熱を約１０分間加える。次に、０．３ＭＰａで加圧状態にし、水素中で温度を昇温速度５℃／ｍｉｎで２５０℃に上昇させて５分間保持する。以上のプロセスにより、半導体チップ１０１のエミッタ電極１０６とを焼結接合層１０５’で接合した。
【００４５】
この結果、焼結接合層１０５の焼結密度は約７５％（空隙率２５％）、焼結接合層１０５’の焼結密度は約９１％（空隙率９％）であった。また、焼結接合層１０５の剛性（ヤング率）は約８０ＧＰａ、焼結接合層１０５’の剛性（ヤング率）は約９５ＧＰａであり、焼結密度とヤング率は比例関係にあった。
【００４６】
本実施例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結果、サイクル寿命は約７０万回と、実施例２と同等の高信頼性を示した。
【００４７】
なお、実施例１，２では焼結接合部１０５、１０５’を個別に接合したが、本実施例のように焼結接合層１０５より焼結接合層１０５’に溶剤濃度が低いペーストを塗布して同時に接合することでも焼結接合層１０５よりも焼結接合層１０５’の空隙率を少なくすることができる。この結果、焼結接合層１０５よりも焼結接合層１０５’を高剛性にすることができる。
【実施例４】
【００４８】
本実施例では、焼結接合層１０５を構成する材料と、焼結接合層１０５’を構成する材料を変えることによって、焼結接合層１０５よりも焼結接合層１０５’の剛性を高くした例を説明する。焼結接合層１０５、焼結接合層１０５’の構成以外は実施例１と同じである。
【００４９】
本実施例では、焼結接合層１０５を形成する接合材料として、焼結銀ペーストを用い、焼結接合層１０５’を形成する接合材料として、９０ｗｔ％の酸化第二銅粒子（接合後は純銅化）と１０ｗｔ％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材料を用いて、焼結接合層１０５の形成条件として加圧力を０．１ＭＰａとした以外は、実施例１と同じ方法で焼結接合層１０５、焼結接合層１０５’を形成した。
【００５０】
この結果、焼結接合層１０５の焼結密度は約９０％（空隙率１０％）、焼結接合層１０５’の焼結密度は約９０％（空隙率１０％）であった。また、焼結接合層１０５の剛性（ヤング率）は約６０ＧＰａ、焼結接合層１０５’の剛性（ヤング率）は約８８ＧＰａであった。
【００５１】
本実施例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結果、サイクル寿命は約５０万回であった。
【実施例５】
【００５２】
本実施例では、焼結接合層１０５と焼結接合層１０５’の厚さを変えることによって、焼結接合層１０５よりも焼結接合層１０５’の剛性を見かけ高くした例を説明する。焼結接合層１０５、焼結接合層１０５’の構成以外は実施例１と同じである。厚さは焼結接合層１０５が約８０μｍ、焼結接合層１０５’が約５０μｍとした。焼結接合層１０５、１０５’とも焼結密度は約８０％（空隙率２０％）、剛性（ヤング率）は双方とも約９０ＧＰａであった。
【００５３】
本実施例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結果、サイクル寿命は約３０万回と、従来のはんだよりも１０倍の信頼性向上を図ることができた。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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】
【００５８】
１０１…半導体チップ、１０２…配線層、１０３…セラミックス絶縁基板、１０５、１０５’…焼結接合層、１０６…エミッタ電極、１０６’…コレクタ電極、１１０…支持部材、１５０…導体板、２０１…銅リボン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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