(57)【要約】【課題】半導体モジュールにおける半導体チップの割れを抑制する。【解決手段】半導体モジュール５０は、下面１ａおよび上面１ｂを備えた半導体チップ１と、半導体チップ１の下面１ａとＺｎ−Ａｌ系接合部４を介して接合された支持電極部５と、半導体チップ１の上面１ｂとＺｎ−Ａｌ系接合部４の主材料と異なる接合材料から成る導電性接合部３を介して接合されたリード２と、半導体チップ１およびその上下両面の接合部ならびにリード２の一部を封止するハードレジン（樹脂封止部）６と、を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）支持部材上にＺｎ層／Ａｌ層、もしくはＺｎ層／Ａｌ層／Ｚｎ層から成る第１接合材を配置する工程、
（ｂ）前記第１接合材上に半導体チップを配置する工程、
（ｃ）前記半導体チップ上に前記第１接合材とは異なり、かつ前記第１接合材の共晶温度より低い共晶温度または固相温度の導電性の第２接合材を配置する工程、
（ｄ）前記第２接合材上に導電性部材を配置する工程、
（ｅ）前記第１および第２接合材を前記第１接合材の共晶温度以上の温度で加熱する工程、
を有し、
前記（ｅ）工程の加熱により、前記第１接合材によって前記支持部材と前記半導体チップとを接合し、前記第２接合材によって前記半導体チップと前記導電性部材とを接合する、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において、
前記第２接合材は、はんだ材または焼結型ペースト材である、半導体モジュールの製造方法。
【請求項３】
第１面および前記第１面と反対側の第２面を備えた半導体チップと、
前記半導体チップの前記第１面とＺｎ−Ａｌ系接合部を介して接合された支持部材と、
前記半導体チップの前記第２面と、前記Ｚｎ−Ａｌ系接合部の主材料と異なる材料から成る導電性接合部を介して接合された導電性部材と、
を有する半導体パワーモジュール。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記支持部材の表面にＮｉ系めっきが形成され、
前記半導体チップと前記導電性部材との間に第１応力緩衝部材が配置され、前記第１応力緩衝部材は前記導電性接合部を介して前記半導体チップに接合されている、半導体パワーモジュール。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記支持部材は、第２応力緩衝部材である、半導体パワーモジュール。
【請求項６】
請求項３に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記支持部材は、表面にＮｉ系めっきが形成された第２応力緩衝部材であり、
前記導電性部材は、リードである、半導体パワーモジュール。
【請求項７】
請求項３に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記導電性接合部は、Ｂｉ系はんだ材から成る、半導体パワーモジュール。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記Ｂｉ系はんだ材は、Ｂｉ−Ａｇ系、Ｂｉ−Ｚｎ系またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｎ系のいずれかのはんだ材である、半導体パワーモジュール。
【請求項９】
請求項３に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記導電性接合部は、焼結金属材から成る、半導体パワーモジュール。
【請求項１０】
請求項３に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記導電性接合部は、Ｓｎ−３〜１０Ｃｕ−０〜４Ｂｉ（質量％）またはＳｎ−３〜１０Ｃｕ−０〜１５Ｓｂ（質量％）のはんだ材から成る、半導体パワーモジュール。
【請求項１１】
請求項４，５または６に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記第１および第２応力緩衝部材は、Ｃｕより熱膨張率の小さいＣｕ／インバー合金／／Ｃｕ複合材、Ｃｕ／Ｃｕ2Ｏ複合材、Ｃｕ／Ｍｏ複合材、Ｍｏ配線・Ｗ配線・Ｃｕ配線のうちの何れかの配線を有するセラミックス基板、またはＡｌ配線を有するセラミックス基板のうちの何れかである、半導体パワーモジュール。
【請求項１２】
車体と、
前記車体に搭載され、かつ第１面および前記第１面と反対側の第２面を備えた半導体チップと、前記半導体チップの前記第１面と接合された支持部材と、前記半導体チップの前記第２面と接合された導電性部材と、を備える半導体モジュールと、
前記半導体モジュールを支持する実装部材と、
を有し
前記半導体チップの前記第１面と前記支持部材とは、Ｚｎ−Ａｌ系接合部を介して接合され、
前記半導体チップの前記第２面と前記導電性部材とは、前記Ｚｎ−Ａｌ系接合部の主材料と異なる材料から成る導電性接合部を介して接合されている、半導体モジュールを有する自動車。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体モジュールを有する自動車において、
前記半導体チップと前記導電性部材との間に第１応力緩衝部材が配置され、前記第１応力緩衝部材は前記導電性接合部を介して前記半導体チップに接合され、
前記支持部材は、表面にＮｉ系めっきが形成された第２応力緩衝部材である、半導体モジュールを有する自動車。
【請求項１４】
車両本体と、
前記車両本体に搭載され、かつ第１面および前記第１面と反対側の第２面を備えた半導体チップと、前記半導体チップの前記第１面と接合された支持部材と、前記半導体チップの前記第２面と接合された導電性部材と、を備える半導体モジュールと、
前記半導体モジュールを支持する実装部材と、
を有し
前記半導体チップの前記第１面と前記支持部材とは、Ｚｎ−Ａｌ系接合部を介して接合され、
前記半導体チップの前記第２面と前記導電性部材とは、前記Ｚｎ−Ａｌ系接合部の主材料と異なる材料から成る導電性接合部を介して接合されている、半導体モジュールを有する鉄道車両。
【請求項１５】
請求項１４に記載の半導体モジュールを有する鉄道車両において、
前記半導体チップと前記導電性部材との間に第１応力緩衝部材が配置され、前記第１応力緩衝部材は前記導電性接合部を介して前記半導体チップに接合され、
前記支持部材は、表面にＮｉ系めっきが形成された第２応力緩衝部材である、半導体モジュールを有する鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、交流発電機の交流出力を直流出力に変換する車載用交流発電機やインバータに使用される半導体モジュールおよびその製造方法、半導体モジュールを有する自動車並びに半導体モジュールを有する鉄道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用交流発電機に用いられる半導体装置に関する公知例として、特開２００２−３５９３２８号公報（特許文献１）がある。この特許文献１には、「リードに連絡するリード電極と、周辺部に凸部を有するケース電極と、リード電極とケース電極の間に接続部材を介して電気的に連絡される整流機能を有する半導体チップと、を有し、半導体チップとリード電極との間に導電板を配置していることを特徴とする半導体装置（要約参照）」が開示されている。
【０００３】
さらに、上記半導体装置は、特許文献１に示されるように、厳しい温度サイクルに耐えるよう半導体素子と電極との熱膨張率の差に基づく熱応力を低減するような構造をしている。また、エンジン近傍に設置されることから半導体装置に対して２００℃の耐熱温度が要求される。そのため、半導体素子の接続には例えば固相線が３００℃付近の高融点Ｐｂはんだ（例えば９５重量％のＰｂと５重量％のＳｎを含む固相線３００℃液相線３１４℃のＰｂ−Ｓｎ合金）が接続に使用される。
【０００４】
しかしながら、環境保護の観点から、環境負荷が大きいＰｂを排除した接続材料を使用した半導体装置が要求されるようになってきている。Ｐｂを含まず高融点Ｐｂはんだに近い融点を有するＰｂフリーはんだ材料として、Ａｕ系はんだ材料が知られているが、極めて高コストであり、Ａｕの含有率が比較的少ないＡｕ−２０Ｓｎの場合、硬質はんだである。
【０００５】
そこで、Ｐｂはんだに変わる接合材料として融点が約３８０℃のＺｎ−Ａｌ系はんだが期待されている。なお、Ｚｎ−Ａｌ系合金を用いた半導体装置に関する公知例として、特開２０１０−７３９０８号公報（特許文献２）がある。この特許文献２には、「半導体素子４と、被接続部材５と、半導体素子と被接続部材とを接続する第一の接続層とを有して構成される半導体装置であって、第一の接続層は、Ａｌ層１の両面にＺｎ−Ａｌ合金層３１ａ、３１ｂが設けられた構成であることを特徴とする半導体装置（要約参照）」が開示されている。
【０００６】
上記Ｚｎ−Ａｌ系はんだは、濡れ性が悪いことが欠点であるが、近年、特許文献２に示されるように、合金系のはんだではなく、クラッド圧延を利用してＺｎとＡｌを積層した構造の接合材料が開発されており、接合性が改善されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３５９３２８号公報
【特許文献２】特開２０１０−７３９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本願発明者は、特許文献２に示されるＺｎとＡｌを積層したクラッドはんだの適用を検討している。
【０００９】
しかしながら、特許文献２に示される接合材を用いた場合、半導体素子の上側と下側とにおいて、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの熱膨張率（約３０ｐｐｍ／ｋ）が半導体チップ（約３ｐｐｍ／ｋ）に比べて大きいため、接合後の冷却時等に熱膨張率の差で発生する応力によって半導体チップが割れる恐れがあることを、本願発明者は見出した。
【００１０】
本発明の目的は、半導体チップの割れを抑制する技術を提供することにある。
【００１１】
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１３】
本発明に係る半導体モジュールの製造方法は、（ａ）支持部材上にＺｎ層／Ａｌ層、もしくはＺｎ層／Ａｌ層／Ｚｎ層から成る第１接合材を配置する工程、（ｂ）上記第１接合材上に半導体チップを配置する工程、を有する。さらに、上記半導体モジュールの製造方法は、（ｃ）上記半導体チップ上に上記第１接合材とは異なり、かつ上記第１接合材の共晶温度より低い共晶温度または固相温度の導電性の第２接合材を配置する工程、（ｄ）上記第２接合材上に導電性部材を配置する工程、（ｅ）上記第１および第２接合材を上記第１接合材の共晶温度以上の温度で加熱する工程、を有する。さらに、上記半導体モジュールの製造方法は、上記（ｅ）工程の加熱により、上記第１接合材によって上記支持部材と上記半導体チップとを接合し、上記第２接合材によって上記半導体チップと上記導電性部材とを接合するものである。
【００１４】
また、本発明に係る半導体パワーモジュールは、第１面および第２面を備えた半導体チップと、上記半導体チップの上記第１面とＺｎ−Ａｌ系接合部を介して接合された支持部材と、上記半導体チップの上記第2面と、上記Ｚｎ−Ａｌ系接合部の主材料と異なる材料から成る導電性接合部を介して接合された導電性部材と、を有するものである。
【００１５】
また、本発明に係る半導体モジュールを有する自動車は、車体と、上記車体に搭載され、かつ第１面および第２面を備えた半導体チップと、上記半導体チップの上記第１面と接合された支持部材と、上記半導体チップの上記第２面と接合された導電性部材と、を備える半導体モジュールと、上記半導体モジュールを支持する実装部材と、を有する。さらに、上記半導体モジュールを有する自動車は、上記半導体チップの上記第１面と上記支持部材とは、Ｚｎ−Ａｌ系接合部を介して接合され、上記半導体チップの上記第２面と上記導電性部材とは、上記Ｚｎ−Ａｌ系接合部の主材料と異なる材料から成る導電性接合部を介して接合されているものである。
【００１６】
また、本発明に係る半導体モジュールを有する鉄道車両は、車両本体と、上記車両本体に搭載され、かつ第１面および第２面を備えた半導体チップと、上記半導体チップの上記第１面と接合された支持部材と、上記半導体チップの上記第２面と接合された導電性部材と、を備える半導体モジュールと、上記半導体モジュールを支持する実装部材と、を有する。さらに、上記半導体モジュールを有する鉄道車両は、前記半導体チップの前記第１面と前記支持部材とは、Ｚｎ−Ａｌ系接合部を介して接合され、前記半導体チップの前記第２面と前記導電性部材とは、前記Ｚｎ−Ａｌ系接合部の主材料と異なる材料から成る導電性接合部を介して接合されているものである。
【発明の効果】
【００１７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１８】
半導体モジュールにおいて、半導体チップの割れを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態の車載用交流発電機（半導体モジュール）の構造の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の半導体パワーモジュールの構造の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態のＰｂはんだとＺｎ−Ａｌ系接合材料のパワーサイクル寿命の比較図である。
【図４】本発明の実施の形態の半導体モジュールの構造の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態の半導体モジュールの構造の一例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態の半導体モジュールの構造の一例を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態の半導体チップの接合部の構造の一例を示す断面図である。
【図８】図１に示す構造の評価結果の一例を示す評価結果図である。
【図９】図２に示す構造の評価結果の一例を示す評価結果図である。
【図１０】図４に示す構造の評価結果の一例を示す評価結果図である。
【図１１】図５に示す構造の評価結果の一例を示す評価結果図である。
【図１２】図６に示す構造の評価結果の一例を示す評価結果図である。
【図１３】図２に示す構造（変形例）の評価結果を示す評価結果図である。
【図１４】比較例の構造の評価結果を示す評価結果図である。
【図１５】比較例の構造の評価結果を示す評価結果図である。
【図１６】本発明の実施の形態の半導体モジュールが搭載された鉄道車両の一例を示す部分側面図である。
【図１７】図１６に示す鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。
【図１８】本発明の実施の形態の半導体モジュールが搭載された自動車の一例を示す斜視図である。
【図１９】本発明の実施の形態の第１変形例の半導体パワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態の第２変形例の半導体パワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図２１】本発明の実施の形態の第３変形例の半導体パワーモジュールの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００２１】
さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。
【００２２】
また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。
【００２３】
また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００２４】
また、以下の実施の形態において、構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲等についても同様である。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００２６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態の車載用交流発電機（半導体モジュール）の構造の一例を示す断面図である。
【００２７】
図１に示す半導体モジュール５０は、車載用交流発電機（オルタネータ）の一例であり、その構成は、半導体素子である半導体チップ（以降、単にチップとも言う）１と、半導体チップ１の下側とＺｎ−Ａｌ系接合部４を介して接合されるＮｉ系めっきを施した支持電極部（支持部材）５とを備えている。さらに、半導体モジュール５０は、支持電極部５によって支持された半導体チップ１の上側とＺｎ−Ａｌ系接合材ではない材料を介して接合されるリード（導電性部材）２を備えている。
【００２８】
詳細には、下面（第１面）１ａおよび下面１ａと反対側の上面（第２面）１ｂを備えた半導体チップ１と、半導体チップ１の下面１ａとＺｎ−Ａｌ系接合部４を介して接合された支持部材である支持電極部５と、半導体チップ１の上面１ｂとＺｎ−Ａｌ系接合部４の主材料と異なる材料から成る導電性接合部３を介して接合された導電性部材であるリード２と、を備えている。
【００２９】
すなわち、半導体モジュール（半導体パワーモジュール）５０では、半導体チップ１の下面１ａ側の接合にＺｎ−Ａｌ系はんだから成るＺｎ−Ａｌ系接合部４を適用し、上面１ｂ側にはＺｎ−Ａｌ系はんだ（熱膨張率：約３０ｐｐｍ／Ｋ）より熱膨張率の小さいＺｎ−Ａｌ系接合材ではない材料から成る導電性接合部３を適用している。
【００３０】
これにより、半導体チップ１は、その上面１ｂ側は、下面１ａ側に比べて熱膨張率が近い材料から成る接合部が接触しているため、半導体チップ１に熱が印加された際に、半導体チップ１が熱応力に追従することができ、半導体チップ１に付与される応力を低減することができる。その結果、半導体チップ１の割れを抑制することができる。
【００３１】
この時、Ｚｎ−Ａｌ系接合材ではない（Ｚｎ−Ａｌ系接合材とは異なる）材料の熱膨張率は、２５ｐｐｍ／Ｋ以下であることが望ましい。
【００３２】
なお、半導体チップ１の接合において、半導体チップ１の下面１ａ側からは放熱を行うため、下面１ａ側の接合には、一般的に使用されるＰｂはんだ（熱伝導率：約３０Ｗ／ｍｋ）に比べて熱伝導率の高いＺｎ−Ａｌ系接合材（熱伝導率：約１００Ｗ／ｍｋ）を使用することが重要である。
【００３３】
特に、半導体パワーモジュールでは半導体チップ１に大電量が印加されて半導体チップ１が発熱するため、半導体チップ１の下面１ａ側にＺｎ−Ａｌ系接合材を配置することで、半導体チップ１の放熱効果をより高めることができる。
【００３４】
また、半導体チップ１への通電のＯＮ／ＯＦＦにより、素子の発熱冷却を繰り返すパワーサイクルにおいても、図３に示すようにＰｂはんだより融点の高いＺｎ−Ａｌ系はんだの方が信頼性に優れている。
【００３５】
そして、はんだ接合部の厚さは、３０〜３００μｍにすることが望ましい。３０μｍ未満の厚さの場合、はんだの濡れ性の確保が難しくなる。また、３００μｍよりはんだ厚さが厚くなると、接合部の熱抵抗がＰｂ系はんだと同等になり、Ｚｎ−Ａｌ系はんだを用いる利点が損なわれる。半導体チップ１の上面１ｂ側の接合部は、半導体チップ１に通電する端子の接合が主な目的であり、放熱およびパワーサイクル耐量への影響が小さい。また、接合材の厚さが３０μｍ以上であれば接合信頼性を確保することができる。
【００３６】
また、半導体モジュール５０では、半導体チップ１とその下面１ａおよび上面１ｂの接合部、さらにはリード２の一部が樹脂によって形成された樹脂封止部であるハードレジン６によって樹脂封止されている。
【００３７】
次に、図４および図５に示す半導体モジュール（半導体パワーモジュール）について説明する。図４または図５に示す半導体モジュールは、半導体チップ１の上面１ｂ側に応力緩衝部材である応力緩衝板８が設けられた構造のものである。
【００３８】
つまり、図４に示す半導体モジュール７０や図５に示す半導体モジュール８０では、半導体チップ１の上面１ｂに、Ｚｎ−Ａｌ系接合材ではない材料から成る導電性接合部３を介して応力緩衝板８が設けられている。
【００３９】
これにより、図１に示す半導体モジュール５０に比べて、さらに半導体チップ１に付与される応力の低減化を図ることができる。詳細には、図４に示す半導体モジュール７０や図５に示す半導体モジュール８０では、半導体チップ１の下面１ａ側にＺｎ−Ａｌ系接合材（Ｚｎ−Ａｌ系接合部４）を適用し、半導体チップ１の上面１ｂ側にＺｎ−Ａｌ系はんだより熱膨張率の小さいＺｎ−Ａｌ系接合材ではない材料を適用することで、半導体チップ１への応力を低減することができる。さらに加えて、半導体チップ１の上面１ｂ側にＺｎ−Ａｌ系接合部４を介して応力緩衝板８を配置することで、半導体チップ１に印加される応力をさらに低減することができる。
【００４０】
なお、応力緩衝板８の上面側は、図４に示すように、導電性を有するＺｎ−Ａｌ系材料を含むどのような接合材料（例えば、はんだ１３）で接合してもかまわない。また、図５に示すように、ＡｌやＣｕのワイヤやリボン等の端子１４を超音波接合、あるいはレーザ接合しても構わない。半導体チップ１の上面１ｂ側に応力緩衝部材（応力緩衝板８）を配置することで、半導体チップ１の上面１ｂの接合部の破壊耐量を向上する効果も得ることができる。
【００４１】
次に、図６に示す半導体モジュール（半導体パワーモジュール）９０について説明する。半導体モジュール９０は、半導体チップ１と、半導体チップ１の下面１ａとＺｎ−Ａｌ系接合部４を介して接合されるＮｉ系めっきを施した第２応力緩衝板８ｂと、この第２応力緩衝板８ｂによって支持された半導体チップ１の上面１ｂとＺｎ−Ａｌ系接合材ではない材料（導電性接合部３）を介して接続された接続部であるリード２とを備えている。
【００４２】
半導体モジュール９０においても、半導体チップ１の下面１ａ側に第２応力緩衝板８ｂが設けられたことで、図１に示す半導体モジュール５０に比べて半導体チップ１に印加される応力の更なる低減化を図ることができる。また、半導体チップ１の下面１ａにＺｎ−Ａｌ系接合材を適用するだけでなく、被接合部材を半導体チップ１との熱膨張率差が小さな、Ｎｉ系めっきが施された第２応力緩衝板８ｂとすることで、半導体チップ１に付与される応力を低減することができる。さらに、第２応力緩衝板８ｂを適用することで、半導体チップ１の下面１ａの接合部の破壊耐量を向上する効果も得ることができる。
【００４３】
また、第１応力緩衝板８ａや第２応力緩衝板８ｂのそれぞれの表面にＮｉ系めっきが施されていることで、これらの応力緩衝板８に接合する金属材（Ｚｎ−Ａｌ系接合部４、導電性接合部３およびはんだ１３等）との接合力を高めることができる。特に、濡れ性が良くないＺｎ−Ａｌ系接合部４に対しても接合力を確保することができる。
【００４４】
次に、図２に示す半導体モジュール（半導体パワーモジュール）６０について説明する。
【００４５】
半導体モジュール６０は、半導体チップ１と、半導体チップ１８とがセラミック基板１１上に搭載されたモジュールである。それぞれのチップの下面１ａ，１８ａとＺｎ−Ａｌ系接合部４を介して接続されるＮｉ系めっきを施した応力緩衝部材と、この応力緩衝部材によって支持された各チップの上面１ｂ，１８ｂとＺｎ−Ａｌ系接合材ではない（Ｚｎ−Ａｌ系接合材とは異なる）接合材から成る導電性接合部３を介して接続される応力緩衝板（応力緩衝部材、接合部）８とを備えている。
【００４６】
なお、半導体チップ１は、一例として、シリコン（Ｓｉ）から成るＩＧＢＴ（Insulated Gate BipolarTransistor）であり、一方、半導体チップ１８は、一例として、シリコン（Ｓｉ）から成るダイオードである。
【００４７】
また、半導体モジュール６０では、各チップの下面側に配置された応力緩衝部材が、セラミック基板１１である。セラミック基板１１は、絶縁性のセラミックベース１１ａの表裏両面にＮｉメタライズ（Ｎｉ系めっき）１１ｂが形成された基板である。
【００４８】
したがって、半導体モジュール６０では、半導体チップ１と半導体チップ１８のそれぞれの上面側に応力緩衝部材である応力緩衝板８が設けられ、さらに下面側にも応力緩衝部材であるセラミック基板１１が設けられている。
【００４９】
また、セラミック基板１１の表面にＮｉメタライズ１１ｂが形成されていることで、セラミック基板１１に接合する金属材（Ｚｎ−Ａｌ系接合部４およびはんだ１２等）との接合力を高めることができる。
【００５０】
なお、半導体チップ１と半導体チップ１８は、上面１ｂ，１８ｂの電極において、金属細線であるワイヤ９が電気的に接続され、両チップが電気的に接続されている。そして、ワイヤ９は、セラミック基板１１に電気的に接続されている。さらに、セラミック基板１１には、外部接続用の端子１０が電気的に続されている。
【００５１】
また、半導体チップ１と半導体チップ１８が搭載されたセラミック基板１１は、はんだ１２を介して支持部材であるベース部材７に接合されている。
【００５２】
次に、図６に示す半導体モジュール９０について説明すると、半導体チップ１の上面１ｂには、Ｚｎ−Ａｌ系接合材ではない（Ｚｎ−Ａｌ系接合材とは異なる）接合材から成る導電性接合部３を介して第１応力緩衝板８ａが接合され、一方、下面１ａには、Ｚｎ−Ａｌ系接合材から成るＺｎ−Ａｌ系接合部４を介して第２応力緩衝板（支持部材）８ｂが接合されている。そして、第２応力緩衝板８ｂは、その表面にＮｉ系めっきが形成されている。
【００５３】
また、第２応力緩衝板８ｂは、Ｚｎ−Ａｌ系接合材から成るＺｎ−Ａｌ系接合部１７を介して支持部材である支持電極部５に接合されている。さらに、半導体チップ１の上面１ｂ側の第１応力緩衝板８ａの上部には、はんだ１３を介してリード２が接合されている。そして、半導体チップ１とその下面１ａおよび上面１ｂの接合部、さらに第１応力緩衝板８ａおよび第２応力緩衝板８ｂ、並びにリード２の一部が樹脂によって形成された樹脂封止部であるハードレジン６によって樹脂封止されている。
【００５４】
図２に示す半導体モジュール６０や図６に示す半導体モジュール９０においては、図１に示す半導体モジュール５０に比べて、さらに半導体チップ１（半導体チップ１８も含む）に付与される応力を低減することができる。すなわち、半導体チップ１（半導体チップ１８）の下面１ａ側にＺｎ−Ａｌ系接合材を適用するだけでなく、上下の被接合部材を半導体チップ１との熱膨張率差が小さな応力緩衝部材とすることで、半導体チップ１（半導体チップ１８）に付与される応力を低減することができる。
【００５５】
また、半導体チップ１の上下に応力緩衝部材を適用することで、半導体チップ１の上下面の接合部の破壊耐量を向上する効果も得ることができる。
【００５６】
また、応力緩衝部材の上面は導電性を有するＺｎ−Ａｌ系材料を含むどのような接合材料で接合してもかまわない。さらに、ＡｌやＣｕのワイヤ９やリボンを超音波接合、あるいはレーザ接合しても構わない。そして、半導体チップ１の上側にも応力緩衝部材を適用することにより、半導体チップ１の上面の接合部の破壊耐量を向上する効果も得ることができる。
【００５７】
次に、図１、図２、図４、図５および図６に示すモジュール構造のＺｎ−Ａｌ系接合部４，１７について詳細に説明する。Ｚｎ−Ａｌ系接合部４，１７は、例えば、Ｚｎ−４〜９Ａｌ−０〜５Ｃｕ（ｍａｓｓ％（以降、質量％とも言う））、あるいは下側からＺｎ−４〜９Ａｌ−０〜５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）、その上にＡｌ、その上にＺｎ−４〜９Ａｌ−０〜５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）を積層した接合部である。Ｚｎ−４〜９Ａｌ−０〜５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）は、Ａｌが４〜９（ｍａｓｓ％）、Ｃｕが０〜５（ｍａｓｓ％）、残りＺｎの構成を意味する。
【００５８】
これは、図７に示す接合部の構造であり、Ａｌ層１６の上下にＺｎ−Ａｌ系合金層１５を配置して成る接合部であり、３層構造の接合材を用いるものである。図７に示す例では、半導体チップ１がこの３層構造の接合材を介して端子１４上に接合されている。
【００５９】
上述のＺｎ−４〜９Ａｌ−０〜５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）系接合部の熱伝導率は、約１００Ｗ／ｍｋであり、鉛はんだの熱伝導率約３０Ｗ／ｍｋや、Ｓｎ系はんだの熱伝導率約６０Ｗ／ｍｋより高い。そのため、半導体チップ１の下面１ａ側をＺｎ−４〜９Ａｌ−０〜５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）系接合部とすることで、鉛はんだやＳｎを母相としたはんだに比べて良好な放熱性を得ることができる。
【００６０】
また、Ｚｎ−４〜９Ａｌ−０〜５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）系接合部は、ＰｂはんだおよびＳｎ系はんだに比べて、温度サイクルおよび通電のＯｎ／Ｏｆｆによるパワーサイクルに対する耐性が高いという利点が得られる。Ｚｎ−４〜９Ａｌ−０〜５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）系接合部のＡｌ含有率が４％より少なくなると、高温下における被接合材と反応性が高くなるため、高温での信頼性確保が難しくなる。
【００６１】
また、Ａｌ含有率が９％より多くなると、接合部に平行相として存在するＡｌ−ｒｉｃｈ相が多くなり信頼性が低下する恐れがある。Ａｌ−ｒｉｃｈ相は熱衝撃によりクラック進展しやすいという特徴がある。そして、Ｃｕ含有率が５％より多くなると、平衡相であるＣｕ−Ｚｎ析出物が多くなり接合部が硬くなるため、信頼性確保が難しくなる。
【００６２】
接合部を、図７に示すように、下側からＺｎ−４〜９Ａｌ−０〜５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）（Ｚｎ−Ａｌ系合金層１５）、その上にＡｌ、その上にＺｎ−４〜９Ａｌ−０〜５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）（Ｚｎ−Ａｌ系合金層１５）を積層した接合部とすることで、Ａｌの軟らかさを利用して接合部に応力緩衝能を付与し、信頼性を向上することができる。このとき、Ａｌ厚さが２００μｍより厚いとＡｌの熱膨張率の影響が大きくなり信頼性を損なう場合があるため、Ａｌ層厚さはを２００μｍ以下にすることが望ましい。
【００６３】
また、図１、図２、図４、図５および図６に示すモジュール構造の導電性接合部３（Ｚｎ−Ａｌ系接合材とは異なる接合材から成る接合部）の材料として、Ｂｉを母材とするはんだ材を用いることが望ましい。
【００６４】
半導体チップ１の上面１ｂ側に用いるＺｎ−Ａｌ系接合材以外（Ｚｎ−Ａｌ系接合材とは異なる接合材）の接合材として、Ｂｉを母材とするはんだ材を用いることにより、チップ割れを抑制することができる。Ｂｉはんだは、熱伝導率が９Ｗ／ｍｋと低いが、放熱性を必要としない半導体チップ１の上面１ｂの接合であれば、半導体装置（半導体モジュール）の特性への影響を小さくすることができる。Ｂｉはんだは、融点が約２７０℃とＺｎ−４〜９Ａｌ−０〜５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）（融点：約３８０℃）に比べて低く、熱膨張率が約１３ｐｐｍ／ＫとＺｎ−４〜９Ａｌ−０〜５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）（熱膨張率：約３０ｐｐｍ／Ｋ）に比べて小さいため、接合時に半導体チップ１に付与される応力を低減し、半導体チップ１の割れを抑制することができる。
【００６５】
また、上記Ｂｉ系はんだ材として、Ｂｉ−Ａｇ系、Ｂｉ−Ｚｎ系、Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ材のいずれかのはんだ材を用いることが望ましい。
【００６６】
上記Ｂｉ系はんだ材としてＢｉ−Ａｇ系を選択することで、接合時に良好な濡れ性を得ることができる。一方、Ｂｉ−Ｚｎ系、Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ材は、Ｎｉメタライズ１１ｂ（図２参照）を有する被接合材に接合する場合、はんだと反応してＮｉ電極が消失することを抑制できるため、良好な接合を維持することができる。
【００６７】
また、Ｚｎ−Ａｌ系接合材以外の接合材料から成る導電性接合部３の材料として、焼結Ａｇ、焼結Ｃｕ等の焼結金属材を用いてもよい。
【００６８】
焼結Ａｇもしくは焼結Ｃｕを用いることにより、チップ割れを抑制することができる。焼結Ａｇや焼結Ｃｕは、いずれもＺｎ−Ａｌ系接合材の融点約３８０℃以下で接合することが可能である。さらに、熱膨張率もＡｇが約２０ｐｐｍ／Ｋ、Ｃｕが約１７ｐｐｍ／Ｋであり、Ｚｎ−Ａｌ系接合材の約３０ｐｐｍ／Ｋと比べて小さいため、接合時に発生する半導体チップ１への応力を低減し、半導体チップ１の割れを抑制することができる。
【００６９】
また、Ｚｎ−Ａｌ系接合材以外の接合材料から成る導電性接合部３の材料として、Ｓｎ−３〜１０Ｃｕ−０〜４Ｂｉ（ｍａｓｓ％）、Ｓｎ−３〜１０Ｃｕ−０〜１５Ｓｂ（ｍａｓｓ％）のいずれかを用いてもよい。Ｓｎ−３〜１０Ｃｕ−０〜４Ｂｉ（ｍａｓｓ％）は、Ｃｕが３〜１０（ｍａｓｓ％）、Ｂｉが０〜４（ｍａｓｓ％）、残りＳｎの構成を意味し、Ｓｎ−３〜１０Ｃｕ−０〜１５Ｓｂ（ｍａｓｓ％）は、Ｃｕが３〜１０（ｍａｓｓ％）、Ｓｂが０〜１５（ｍａｓｓ％）、残りＳｎの構成を意味する。
【００７０】
半導体チップ１の上面１ｂ側に用いる導電性接合部３の材料として、Ｓｎ−３〜１０Ｃｕ−０〜４Ｂｉ（ｍａｓｓ％）、Ｓｎ−３〜１０Ｃｕ−０〜１５Ｓｂ（ｍａｓｓ％）を用いることにより、チップ割れを抑制することができる。何れの材料もＺｎ−Ａｌ系接合材の融点約３８０℃以下で接合することが可能であり、熱膨張率も約２０ｐｐｍ／Ｋであり、Ｚｎ−Ａｌ系接合材の約３０ｐｐｍ／Ｋと比較して小さいため、接合時に発生する半導体チップ１への応力を低減し、半導体チップ１の割れを抑制することができる。また、何れのはんだ材も熱疲労耐性が高く、２００℃の高温環境下においてもはんだ材と被接合材との反応が進みにくいため、高温環境下においても信頼性を得ることができる。
【００７１】
また、図１、図２、図４、図５および図６に示すモジュール構造の支持部材（支持電極部５，ベース部材７）として、Ｃｕ、ＡｌもしくはＡｌ／ＳｉＣ複合材のうちのいずれかを用いることが望ましい。
【００７２】
上記支持部材としてＣｕやＡｌを用いることにより、ＣｕやＡｌは、熱伝導率が高い材料であるため、半導体モジュールの放熱性を高めることができる。また、Ａｌ／ＳｉＣ複合材を用いた場合には、半導体チップ１や応力緩衝部材との熱膨張率の差を低減することができるため、信頼性を高めることができる。
【００７３】
また、図２、図４、図５および図６に示すモジュール構造の応力緩衝部材（応力緩衝板８、第１応力緩衝板８ａ、第２応力緩衝板８ｂ）として、Ｃｕより熱膨張率の小さいＣｕ／インバー合金／Ｃｕ複合材、Ｃｕ／Ｃｕ2Ｏ複合材、Ｃｕ／Ｍｏ複合材、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ配線を有するセラミック基板、またはＡｌ配線を有するセラミック基板のうちのいずれかを用いることが望ましい。
【００７４】
上記Ｃｕ／インバー合金／Ｃｕ複合材、Ｃｕ／Ｃｕ2Ｏ複合材、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ配線を有するセラミック基板（セラミック基板１１）、またはＡｌ配線を有するセラミック基板（セラミック基板１１）は、半導体チップ１とＣｕ電極の間の大きさの熱膨張率を有することによって、温度サイクル時および接続後の冷却時の接続部に発生する応力を緩衝することができる。このとき、上記セラミック基板の厚さは、３０μｍ以上にすることが望ましい。厚さが３０μｍより薄い場合、応力を充分に緩衝できず、半導体素子および金属間化合物にクラックが発生する場合がある。
【００７５】
また、図１、図２、図４、図５および図６に示すモジュール構造の半導体チップ１として、ＳｉＣ、ＧａＮの何れかを用いることが望ましい。
【００７６】
半導体チップ１にＳｉＣやＧａＮを用いることにより、半導体モジュールの損失を低減することができる。また、ＳｉＣ、ＧａＮを適用することにより、２００℃以上の温度で半導体モジュールを動作させることができる。
【００７７】
次に、本実施の形態の半導体モジュールの主要部の製造方法について説明する。
【００７８】
まず、支持部材の上に、ＺｎとＡｌあるいはＺｎとＡｌとＣｕのクラッド接合材（第１接合材）を積層し、その上に半導体チップ１、Ｚｎ−Ａｌ系接合材ではない材料（第２接合材）、導電性部材の順で積層し、この状態で、還元雰囲気中において３８５〜４１５℃で加熱する。そして、第１接合材によって上記支持部材と半導体チップ１とを接合し、第２接合材によって半導体チップ１と上記導電性部材とを接合する。
【００７９】
この製造方法によれば、ＺｎとＡｌあるいはＺｎとＡｌとＣｕのクラッド接合材を用いることにより、接合時の濡れ性の確保を容易にできる。また、還元雰囲気中において３８５〜４１５℃で接合することにより、被接合材を還元することができ、フラックスを使用しないで、良好な接続を行うことができる。
【００８０】
次に、上記製造方法を用いて、図１に示す半導体モジュール５０の製造方法について説明する。
【００８１】
まず、支持部材である支持電極部５の上に、Ｚｎ層／Ａｌ層、もしくはＺｎ層／Ａｌ層／Ｚｎ層から成る第１接合材（クラッド接合材）を配置（積層）する。次に、上記第１接合材上に半導体チップ１を配置する。さらに、半導体チップ１上に、第２接合材を配置する。
【００８２】
なお、上記第２接合材は、上記第１接合材とは異なり、上記第１接合材の共晶温度より低い共晶温度または固相温度の導電性の接合材である。例えば、はんだ材、もしくは焼結型ペースト材である。上記焼結型ペースト材は、加熱処理によって焼結Ａｇもしくは焼結Ｃｕとなるペースト状の接合材である。
【００８３】
次に、上記第２接合材上に、導電性部材であるリード２を配置する。
【００８４】
次に、この状態で還元雰囲気中において３８５〜４１５℃で加熱する。この時の加熱温度は、上記第１接合材の共晶温度以上の温度である。そして、この加熱により、上記第１接合材によって支持電極部５と半導体チップ１とを接合し、上記第２接合材によって半導体チップ１とリード２とを接合する。これにより、半導体モジュール５０が組み立てられる。なお、組み立てられた半導体モジュール５０は、ケース内に収めてもよいし、もしくはヒートシンク（支持電極部５）が剥き出しとなった状態で使用してもよい。
【００８５】
また、半導体チップ１を接合した構造体（半導体モジュール５０）は、例えば、図２に示すように、はんだ１２を用いてベース部材７に２００〜４００℃で接合してもよい。
【００８６】
上記のように、ＺｎとＡｌあるいはＺｎとＡｌとＣｕのクラッド接合材を用いることで接合時の濡れ性の確保を容易にすることができる。また、還元雰囲気中において３８５〜４１５℃で接合することで被接合材を還元することができ、フラックスを使用しないで、良好な接続を行うことができる。そして、半導体チップ１を接合した上記構造体（半導体モジュール５０）を、図２に示すはんだ１２を用いて、２００〜４００℃で加熱してベース部材７に接合する場合においても、フラックスを使用しないで良好な接合を行なうことができる。
【００８７】
次に、各実施例のチップ割れに関する評価について説明する。
【００８８】
＜実施例１〜５４＞
以下、本発明を半導体モジュールに適用した図８の各実施例について、図１を用いて説明する。Ｎｉメタライズを有するＣｕ製支持部材（支持電極部）５に各種半導体素子下側接合材（Ｚｎ−Ａｌ系接合部）４を積層し、その上に半導体チップ１、半導体素子上側接合材（導電性接合部）３、Ｎｉメタライズを有するＣｕ製のリード２を積層し、Ｎ2＋Ｈ2の還元雰囲気中において３９０℃で加熱して接合した。
【００８９】
この時、実施例６〜１４、１６〜２４、２６〜３４、３６〜４４、４６〜５４については、被接合部材のＮｉメタライズ上にＡｕめっきを施す。また、実施例１５については、リード２のＮｉメタライズ上にＡｕめっきを施す。
【００９０】
そして、接合した実施例１〜５４の接合部に、モールドとの密着性を向上する樹脂を塗り硬化させた後、トランスファーモールドにより接合部を封止した（ハードレジン６の形成）。なお、各種接合は、上記のように積層して一括で接合する方式以外に、各部材をマウンタで供給する方式の加熱炉で接合してもよい。
【００９１】
このようにして形成した半導体モジュール５０について、電気特性を測定し、半導体チップ１への割れの有無を評価した。評価は各実施例について５個ずつ半導体モジュール５０を評価し、半導体チップ１に割れが無かった場合を○、１つでも割れがあった場合を×とした。
【００９２】
評価の結果、図８に示すように実施例１〜５４の何れにおいても半導体チップ１に割れは発生しなかった。一方、図１４の比較例１〜１１に示すように、半導体チップ１の上下に対して、何れもＺｎ−Ａｌ系接合材を用いた場合、５個の半導体モジュールのうち、少なくとも１つ以上で半導体チップ１の割れが発生した。
【００９３】
＜実施例５５〜６４＞
以下、本発明を半導体モジュールに適用した図９の各実施例について、図２を用いて説明する。Ｎｉメタライズ１１ｂを施したＣｕ製配線を有するＡｌＮ基板（セラミック基板）１１に、図９に示す各種半導体素子下側接合材（Ｚｎ−Ａｌ系接合部）４を積層し、その上に半導体チップ１，１８、半導体素子上側接合材（導電性接合部）３、ＣｕとＩｎｖａｒから成る応力緩衝板８を積層し、Ｎ2＋Ｈ2の還元雰囲気中において３９０℃で加熱して接合する。
【００９４】
この時、実施例５７、５８については、応力緩衝板８のＮｉメタライズ上にＡｕめっきを施す。その後、それぞれの応力緩衝板８上にＣｕ製のワイヤ９をボンディングする。そして、半導体チップ１，１８が接合されワイヤボンディングが行われたＡｌＮ基板（セラミック基板１１）を、Ｎ2＋Ｈ2の還元雰囲気中において２８０℃で加熱して、はんだ１２によってベース部材７に接合した。
【００９５】
その後、超音波ボンディングによりＡｌＮ基板（セラミック基板１１）に端子１０を接合し、端子１０の接合後、周辺部をゲルで封止した。各種接合は、上記のように積層して一括で接合する方式以外に、各部材をマウンタで供給する方式の加熱炉において接合してもよい。
【００９６】
このようにして形成した半導体モジュール６０について、電気特性を測定し、半導体チップ１，１８への割れの有無を評価した。評価は各実施例について５個ずつ半導体モジュールを評価し、半導体チップ１に割れが無かった場合を○、１つでも割れがあった場合を×とした。
【００９７】
評価の結果、図９に示すように実施例５５〜６４の何れにおいても半導体チップ１，１８に割れは発生しなかった。一方、図１５に示す比較例１２のように、半導体チップ１の上下に対して何れもＺｎ−Ａｌ系接合材を用いた場合、５個の半導体モジュールのうち、少なくとも1つ以上で半導体チップ１の割れが発生した。
【００９８】
＜実施例６５〜７４＞
以下、本発明を半導体モジュールに適用した図１０に示す各実施例について、図４を用いて説明する。Ｎｉメタライズを有するＣｕ製支持部材（支持電極部）５に各種半導体素子下側接合材（Ｚｎ−Ａｌ系接合部）４を積層し、その上に半導体チップ１、半導体素子上側接合材（導電性接合部）３、Ｎｉメタライズを有するＣｕとＩｎｖａｒから成る応力緩衝板８、はんだ１３、Ｎｉメタライズを有するＣｕ製のリード２を積層し、Ｎ2＋Ｈ2の還元雰囲気中において３９０℃で加熱して接合した。
【００９９】
この時、実施例６７、６８については、リード２のＮｉメタライズ上にＡｕめっきを施した。そして、接合した実施例６５〜７４の接合部に、モールドとの密着性を向上する樹脂を塗り硬化させた後、トランスファーモールドによりハードレジン６を形成して接合部を封止した。各種接合は、上記のように積層して一括で接合する方式以外に、各部材をマウンタで供給する方式の加熱炉において接合してもよい。
【０１００】
このようにして形成した半導体モジュール７０について、電気特性を測定し、半導体チップ１への割れの有無を評価した。評価は各実施例について５個ずつ半導体モジュールを評価し、半導体チップ１に割れが無かった場合を○、１つでも割れがあった場合を×とした。
【０１０１】
評価の結果、図１０に示すように実施例６５〜７４の何れにおいても半導体チップ１に割れは発生しなかった。一方、図１５に示す比較例１３のように、半導体チップ１の上下の何れに対してもＺｎ−Ａｌ系接合材を用いた場合、５個の半導体装置のうち、少なくとも１つ以上で半導体チップ１の割れが発生した。
【０１０２】
＜実施例７５〜８４＞
以下、本発明を半導体モジュールに適用した図１１に示す各実施例について、図５を用いて説明する。Ｎｉメタライズを有するＣｕ製支持部材（支持電極部）５に各種半導体素子下側接合材（Ｚｎ−Ａｌ系接合部）４を積層し、その上に半導体チップ１、半導体素子上側接合材（導電性接合部）３、Ｎｉメタライズを有するＣｕとＩｎｖａｒから成る応力緩衝板８を積層し、Ｎ2＋Ｈ2の還元雰囲気中において３９０℃で加熱して接合した。
【０１０３】
この時、実施例７７、７８については、支持電極部５のＮｉメタライズ上にＡｕめっきを施した。その後、応力緩衝板８上に超音波ボンディングによりＣｕ製の端子（例えばワイヤ）１４を接合した。
【０１０４】
次に、実施例７５〜８４の接合部に、モールドとの密着性を向上する樹脂を塗り硬化させた後、トランスファーモールドによりハードレジン６を形成して接合部を封止した。各種接合は、上記のように積層して一括で接合する方式以外に、各部材をマウンタで供給する方式の加熱炉において接合してもよい。
【０１０５】
このようにして作製した半導体モジュール８０について、電気特性を測定し、半導体チップ１への割れの有無を評価した。評価は各実施例について５個ずつ半導体モジュールを評価し、半導体チップに割れが無かった場合を○、１つでも割れがあった場合を×とした。
【０１０６】
評価の結果、図１１に示すように実施例７５〜８４の何れにおいても半導体チップ１に割れは発生しなかった。一方、図１５に示す比較例１４のように、半導体チップ１の上下に対して何れもＺｎ−Ａｌ系接合材を用いた場合、５個の半導体モジュールのうち、少なくとも１つ以上で半導体チップ１の割れが発生した。
【０１０７】
＜実施例８５〜９４＞
以下、本発明を半導体モジュールに適用した図１２に示す各実施例について、図６を用いて説明する。Ｎｉメタライズを有するＣｕ製支持部材（支持電極部）５の上に、Ｚｎ−Ａｌ系接合材（Ｚｎ−Ａｌ系接合部１７）、ＣｕとＩｎｖａｒから成る応力緩衝板８、各種半導体素子下側接合材（Ｚｎ−Ａｌ系接合部４）、半導体チップ１、半導体素子上側接合材（導電性接合部）３、Ｎｉメタライズを有するＣｕとＩｎｖａｒから成る応力緩衝板８を積層する。さらに、はんだ１３、Ｎｉメタライズを有するＣｕ製のリード２を積層し、Ｎ2＋Ｈ2の還元雰囲気中において３９０℃で加熱して接合する。
【０１０８】
この時、実施例８７、８８については、リード２のＮｉメタライズ上にＡｕめっきを施した。そして、接合した実施例８５〜９４の接合部に、モールドとの密着性を向上する樹脂を塗り硬化させた後、トランスファーモールドによりハードレジン６を形成して接合部を封止した。各種接合は、上記のように積層して一括で接合する方式以外に、各部材をマウンタで供給する方式の加熱炉において接合してもよい。
【０１０９】
このようにして形成した半導体モジュール９０について、電気特性を測定し、半導体チップ１への割れの有無を評価した。評価は各実施例について５個ずつ半導体チップ１を評価し、半導体チップ１に割れが無かった場合を○、１つでも割れがあった場合を×とした。
【０１１０】
評価の結果、図１２に示すように実施例８５〜９４の何れにおいても半導体チップ１に割れは発生しなかった。一方、図１５に示す比較例１５のように、半導体チップ１の上下の何れに対してもＺｎ−Ａｌ系接合材を用いた場合、５個の半導体モジュールのうち、少なくとも1つ以上で半導体チップ１の割れが発生した。
【０１１１】
＜実施例９５〜１０４＞
以下、本発明を半導体モジュールに適用した図１３に示す各実施例について、図２（図２に示すセラミック基板１１を応力緩衝板と見立てた構造）を用いて説明する。Ｎｉメタライズ１１ｂを施したＣｕ製配線を有するＡｌＮ製のセラミック基板（応力緩衝板）１１に、図９に示す各種半導体素子下側接合材（Ｚｎ−Ａｌ系接合部）４を積層し、その上に半導体チップ１，１８を配置し、さらに各チップ上にＺｎ−Ａｌ系接合材とは異なる導電性接合部３を介して応力緩衝板８を積層する。その後、Ｎ2＋Ｈ2の還元雰囲気中において３９０℃で加熱して接合部を接合した。
【０１１２】
この時、実施例９７、９８については、応力緩衝部材（セラミック基板１１）のＮｉメタライズ１１ｂ上にＡｕめっきを施した。その後、応力緩衝板８上にＣｕ製のワイヤ９をボンディングした。さらに、半導体チップ１，１８を接合しワイヤボンディングが行われたセラミック基板１１を、Ｎ2＋Ｈ2の還元雰囲気中で２８０℃に加熱して、はんだ１２によりベース部材７に接合した。
【０１１３】
その後、超音波ボンディングによりセラミック基板（応力緩衝部材）１１に端子１０を接合し、さらに、周辺部をゲルで封止した。各種接合は、上記のように積層して一括で接合する方式以外に、各部材をマウンタで供給する方式の加熱炉で接合してもよい。
【０１１４】
このようにして形成した半導体モジュールについて、電気特性を測定し、半導体チップ１への割れの有無を評価した。評価は、各実施例について５個ずつ半導体モジュールを評価し、半導体チップに割れが無かった場合を○、１つでも割れがあった場合を×とした。
【０１１５】
評価の結果、図１３に示すように実施例９５〜１０４の何れにおいても半導体チップ１，１８に割れは発生しなかった。一方、図１５に示す比較例１６のように、半導体チップ１の上下の何れに対してもＺｎ−Ａｌ系接合材を用いた場合、５個の半導体モジュールのうち、少なくとも1つ以上で半導体チップ１の割れが発生した。
【０１１６】
＜応用例＞
図１６は本発明の実施の形態の半導体モジュールが搭載された鉄道車両の一例を示す部分側面図、図１７は図１６に示す鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。
【０１１７】
ここでは、上記実施の形態（実施例）の半導体モジュールを搭載した鉄道車両について説明する。図１６に示す鉄道車両２１は、例えば、図２に示す半導体モジュール６０が搭載されたものであり、車両本体２６と、半導体モジュール６０と、半導体モジュール６０を支持する実装部材と、集電装置であるパンタグラフ２２と、インバータ２３とを備えている。そして、半導体モジュール６０は、車両本体２６の下部に設置されたインバータ２３に搭載されている。
【０１１８】
図１７に示すように、インバータ２３の内部では、プリント基板（実装部材）２５上に複数の半導体モジュール６０が搭載され、さらにこれらの半導体モジュール６０を冷却する冷却装置２４が搭載されている。
【０１１９】
図２に示す半導体モジュール６０は、パワーモジュールであるため、半導体チップ１や半導体チップ１８からの発熱量が多い。したがって、複数の半導体モジュール６０を冷却してインバータ２３の内部を冷却可能なように冷却装置２４が取り付けられている。
【０１２０】
上記実施の形態（実施例）で説明したように、半導体モジュール６０では、ベース部材７上にはんだ１２を介してセラミック基板（支持部材）１１が実装され、さらにセラミック基板（支持部材）１１上にそれぞれＺｎ−Ａｌ系接合部４を介して半導体チップ１，１８が搭載されている。セラミック基板１１は、その表面にＮｉ系めっき（Ｎｉメタライズ１１ｂ）が形成された応力緩衝板８（第２応力緩衝板８ｂ）でもある。
【０１２１】
また、半導体チップ１，１８のそれぞれの上層には、Ｚｎ−Ａｌ系接合材とは異なる接合材料から成る導電性接合部３を介して応力緩衝板８（第１応力緩衝板８ａ）が積層されている。
【０１２２】
これにより、鉄道車両２１において、インバータ２３内が高温環境となった場合であっても、半導体モジュール６０では、半導体チップ１，１８に熱が印加された際に、半導体チップ１，１８が熱応力に追従することができ、半導体チップ１，１８に付与される応力を低減することができる。
【０１２３】
その結果、半導体チップ１，１８の割れを抑制することができる。
【０１２４】
さらに、半導体チップ１や半導体チップ１８に大電量が印加されて半導体チップ１，１８が発熱しても、半導体チップ１，１８の下面１ａ，１８ａ側にはＺｎ−Ａｌ系接合部４が配置されているため、下面１ａ，１８ａおよびＺｎ−Ａｌ系接合部４を介して半導体チップ１，１８の放熱効果をより高めることができる。
【０１２５】
これにより、インバータ２３およびそれが設けられた鉄道車両２１の信頼性を高めることができる。
【０１２６】
次に、上記実施の形態（実施例）の半導体モジュールを搭載した自動車について説明する。図１８は本発明の実施の形態（実施例）の半導体モジュールが搭載された自動車の一例を示す斜視図である。
【０１２７】
図１８に示す自動車２７は、例えば、図１に示す半導体モジュール５０が搭載されたものであり、車体２８と、タイヤ２９と、半導体モジュール５０と、半導体モジュール５０を支持する実装部材である実装ユニット３０と、を備えている。
【０１２８】
上記実施の形態（実施例）で説明したように、半導体モジュール５０は、半導体パワーモジュールであり、例えば、車載用交流発電機（オルタネータ）である。半導体モジュール５０では、支持電極部（支持部材）５上にＺｎ−Ａｌ系接合部４を介して半導体チップ１が搭載され、さらに、半導体チップ１の上層には、Ｚｎ−Ａｌ系接合材とは異なる接合材料から成る導電性接合部３を介してリード（導電性部材）２が設けられている。
【０１２９】
半導体モジュール５０は、実装ユニット３０に搭載されているが、実装ユニット３０は、例えば、エンジン制御ユニット等であり、その場合、実装ユニット３０はエンジンの近傍に配置されている。この場合には、実装ユニット３０は、高温環境下での使用となり、これにより、半導体モジュール５０も高温状態となる。
【０１３０】
しかしながら、自動車２７において、実装ユニット３０が高温環境となった場合であっても、半導体モジュール５０では、半導体チップ１に熱が印加された際に、半導体チップ１が熱応力に追従することができ、半導体チップ１に付与される応力を低減することができる。
【０１３１】
その結果、半導体チップ１の割れを抑制することができる。
【０１３２】
さらに、半導体チップ１に大電量が印加されて半導体チップ１が発熱しても、半導体チップ１の下面１ａ側にはＺｎ−Ａｌ系接合部４が配置されているため、下面１ａおよびＺｎ−Ａｌ系接合部４を介して半導体チップ１の放熱効果をより高めることができる。
【０１３３】
これにより、自動車２７の信頼性を高めることができる。
【０１３４】
また、自動車２７に搭載される半導体モジュール（半導体パワーモジュール）は、図４に示す半導体モジュール７０や図６に示す半導体モジュール９０のような構造であってもよい。すなわち、半導体チップ１の上下の少なくとも何れかの面側に応力緩衝板８（第１応力緩衝板８ａまたは第２応力緩衝板８ｂ）が配置されているものである。
【０１３５】
半導体チップ１の上下何れかの面もしくは両面に接合材を介して応力緩衝板８が設けられていることで、高温環境において、さらに半導体チップ１に付与される応力を低減することができる。
【０１３６】
その結果、半導体チップ１の割れをさらに抑制することができ、自動車２７の信頼性もさらに高めることができる。
【０１３７】
また、応力緩衝板８の表面には、Ｎｉ系めっきが形成されていることが好ましく、これにより、応力緩衝板８に接合する金属材（Ｚｎ−Ａｌ系接合部４、導電性接合部３およびはんだ等）との接合力を高めることができる。
【０１３８】
＜変形例＞
図１９は本発明の実施の形態の第１変形例の半導体パワーモジュールの構造を示す断面図である。図１９に示す半導体パワーモジュール１００は、複数の半導体チップ１と複数の半導体チップ１０１が、セラミック基板１１上に搭載されたモジュールである。半導体チップ１は、例えば、シリコン（Ｓｉ）から成るＩＧＢＴであり、半導体チップ１０１は、例えば、ＳｉＣから成るダイオードである。この場合、半導体パワーモジュール１００は、ハイブリッドＳｉＣモジュール等とも呼ばれる。
【０１３９】
半導体パワーモジュール１００の構成は、Ｎｉメタライズ１１ｂを施したＣｕ製配線を有するＡｌＮ製のセラミック基板１１上に、Ｚｎ−Ａｌ系接合部４が設けられ、その上に半導体チップ１，１０１が積層され、さらに各チップ上にＺｎ−Ａｌ系接合材とは異なる接合材料から成る導電性接合部３を介して応力緩衝板８が積層されている。
【０１４０】
そして、各チップ上の応力緩衝板８同士、さらに応力緩衝板８とセラミック基板１１のＮｉメタライズ１１ｂとがワイヤ９によって電気的に接続されている。また、セラミック基板１１のＮｉメタライズ１１ｂには、外部接続用の端子１０が接合されている。
【０１４１】
また、半導体チップ１および半導体チップ１０１を搭載したセラミック基板１１は、はんだ１２を介してベース部材７に接合されている。
【０１４２】
半導体パワーモジュール１００においても、半導体チップ１や半導体チップ１０１の下面側にＺｎ−Ａｌ系接合部４が適用され、上面側にはＺｎ−Ａｌ系はんだより熱膨張率が小さい、Ｚｎ−Ａｌ系接合材とは異なる接合材料から成る導電性接合部３が適用されている。
【０１４３】
したがって、半導体チップ１，１０１は、各上面には、下面側に比べて熱膨張率が近い材料から成る接合部が接触しているため、各チップに熱が印加された際に、各チップは熱応力に追従することができ、各チップに付与される応力を低減することができる。その結果、半導体チップ１，１０１の割れを抑制することができる。
【０１４４】
さらに、各チップに大電量が印加されて各チップが発熱しても、各チップの下面側にはＺｎ−Ａｌ系接合部４が配置されているため、半導体チップ１，１０１の放熱効果をより高めることができる。
【０１４５】
これにより、半導体パワーモジュール１００の信頼性を高めることができる。
【０１４６】
次に、図２０は本発明の実施の形態の第２変形例の半導体パワーモジュールの構造を示す断面図である。図２０に示す半導体パワーモジュール２００は、複数の半導体チップ２０１と複数の半導体チップ２０２が、セラミック基板１１上に搭載されたモジュールである。半導体チップ２０１は、例えば、ＳｉＣから成るＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)であり、半導体チップ２０２は、例えば、ＳｉＣから成るダイオードである。この場合、半導体パワーモジュール２００は、フルＳｉＣモジュール等とも呼ばれ、搭載されている各半導体チップがＳｉＣから成る。
【０１４７】
半導体パワーモジュール２００においても、半導体パワーモジュール１００と同様に、半導体チップ２０１や半導体チップ２０２の各下面側にＺｎ−Ａｌ系接合部４が適用され、上面側にはＺｎ−Ａｌ系はんだより熱膨張率が小さい、Ｚｎ−Ａｌ系接合材とは異なる接合材料から成る導電性接合部３が適用されている。
【０１４８】
したがって、半導体チップ２０１，２０２は、それらの各上面には、下面側に比べて熱膨張率が近い材料から成る接合部が接触しているため、各チップに熱が印加された際に、各チップは熱応力に追従することができ、各チップに付与される応力を低減することができる。その結果、半導体チップ２０１，２０２の割れを抑制することができる。
【０１４９】
さらに、各チップに大電量が印加されて各チップが発熱しても、各チップの下面側にはＺｎ−Ａｌ系接合部４が配置されているため、半導体チップ２０１，２０２の放熱効果をより高めることができる。
【０１５０】
これにより、半導体パワーモジュール２００の信頼性を高めることができる。
【０１５１】
次に、図２１は本発明の実施の形態の第３変形例の半導体パワーモジュールの構造を示す断面図である。図２１に示す半導体パワーモジュール３００は、複数の半導体チップ３０１が、セラミック基板１１上に搭載されたモジュールである。半導体チップ３０１は、例えば、ＳｉＣから成るＭＯＳであり、さらにダイオードを内蔵している。
【０１５２】
つまり、ダイオードが半導体チップ３０１内に組み込まれており、この場合の半導体パワーモジュール３００も、フルＳｉＣモジュール等とも呼ばれる。
【０１５３】
半導体パワーモジュール３００においても、半導体パワーモジュール１００と同様に、半導体チップ３０１の下面側にＺｎ−Ａｌ系接合部４が適用され、上面側にはＺｎ−Ａｌ系はんだより熱膨張率が小さい、Ｚｎ−Ａｌ系接合材とは異なる接合材料から成る導電性接合部３が適用されている。
【０１５４】
したがって、半導体チップ３０１は、その上面には、下面側に比べて熱膨張率が近い材料から成る接合部が接触しているため、半導体チップ３０１に熱が印加された際に、半導体チップ３０１は熱応力に追従することができ、半導体チップ３０１に付与される応力を低減することができる。その結果、半導体チップ３０１の割れを抑制することができる。
【０１５５】
さらに、半導体チップ３０１に大電量が印加されてチップが発熱しても、半導体チップ３０１の下面側にはＺｎ−Ａｌ系接合部４が配置されているため、半導体チップ３０１の放熱効果をより高めることができる。
【０１５６】
これにより、半導体パワーモジュール３００の信頼性を高めることができる。
【０１５７】
さらに、チップ内にダイオードを組み込むことにより、搭載するチップの数を少なくすることができる。その結果、半導体パワーモジュール１００，２００に比べて半導体パワーモジュール３００のコストの低減化を図ることができる。
【０１５８】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【０１５９】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【０１６０】
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。
【０１６１】
また、上記実施の形態では、各半導体チップの下面を第１面、上面を第２面としているが、上面を第１面、下面を第２面としてもよい。
【０１６２】
また、応力緩衝板８において、チップの上面側に設けられるものを第１応力緩衝板８ａとし、下面側に設けられるものを第２応力緩衝板８ｂとしているが、チップの下面側に設けられるものを第１応力緩衝板８ａとし、上面側に設けられるものを第２応力緩衝板８ｂとしてもよい。
【符号の説明】
【０１６３】
１  半導体チップ（半導体素子）
１ａ  下面（第１面）
１ｂ  上面（第２面）
２  リード（導電性部材）
３  導電性接合部
４  Ｚｎ−Ａｌ系接合部
５  支持電極部（支持部材）
７  ベース部材（支持部材）
８  応力緩衝板（応力緩衝部材）
８ａ  第１応力緩衝板（第１応力緩衝部材）
８ｂ  第２応力緩衝板（第２応力緩衝部材）
９  ワイヤ
１０  端子
１１  セラミック基板
１４  端子（導電性部材）
１８  半導体チップ（半導体素子）
１８ａ  下面（第１面）
１８ｂ  上面（第２面）
２１  鉄道車両
２５  プリント基板（実装部材）
２６  車両本体
２７  自動車
２８  車体
３０  実装ユニット（実装部材）
５０，６０，７０，８０，９０  半導体モジュール
１００，２００，３００  半導体パワーモジュール
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2016025194.tif 000017
【図１６】
2016025194.tif 000018
【図１７】
2016025194.tif 000019
【図１８】
2016025194.tif 000020
【図１９】
2016025194.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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