(57)【要約】      （修正有）【課題】熱膨張率が相違する一対の金属層の間を熱伝導率が高い状態で接続する際の信頼性が向上する構造体を提供する。【解決手段】各々の金属層の少なくとも表面はCuとする。その間を複数本の柱状物質１８で接続する。各柱状物質１８は一方の金属層から他方の金属層に向けて柱状に伸びており、複数本の柱状物質１８が金属層の形成範囲内に分布している。各柱状物質１８の少なくとも端面はCuで形成されている。金属層Cuと柱状物質１８のCuの間にSnの層を介在させておいて加熱すると、CuとSnが合金化し、金属層と各柱状物質１８の端面が両者の間に存在するSnCu合金で接続される。柱状物質１８を高密度に配置して熱伝導率を上げても、接続部の耐久性が高い。SnCu合金による接続強度ははんだに比して高い。【選択図】図１
2009224609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の金属層の間を複数本の柱状物質で接続したモジュールであり、
各柱状物質は一方の金属層から他方の金属層に向けて柱状に伸びており、
複数本の柱状物質が金属層の形成範囲内に分布しており、
金属層の少なくとも表面はCuで形成されており、
各柱状物質の少なくとも端面はCuで形成されており、
金属層と各柱状物質の端面が、両者の間に存在するSnCu合金で接続されていることを特徴するモジュール。
【請求項２】
各柱状物質が、端部において太く、残部において細いことを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
隣接する柱状物質間の間隙に気体が存在していることを特徴とする請求項１または２に記載のモジュール。
【請求項４】
各柱状物質の長手方向から観測すると、複数本の柱状物質が千鳥格子状に配列されていることを特徴とする請求項1から３のいずれか1項に記載のモジュール。
【請求項５】
少なくとも一方の金属層の中央部が周辺部よりも他方の金属層に向けて突出していることを特徴とする請求項1から４のいずれか1項に記載のモジュール。
【請求項６】
金属層の中央部では周辺部よりも柱状物質が密に配置されていることを特徴とする請求項1から５のいずれか1項に記載のモジュール。
【請求項７】
後工程で除去可能な材料層中に複数本の柱状物質が相互に間隔を隔てて配置されており、各柱状物質の少なくとも端面が前記材料層から露出しており、各柱状物質の少なくとも端面がCuで形成されているとともに、その端面がSnの膜で被覆されている複合層を形成する工程と、
前記材料層から露出している各柱状物質の端面に、少なくとも表面がCuで形成されている金属層が接触した状態で、Snの融点以上に加熱する工程と、
前記複合層から前記柱状物質以外の前記材料層を除去する工程と、
を備えているモジュールの製造方法。
【請求項８】
柱状物質よりも軟質な材料層中に複数本の柱状物質が相互に間隔を隔てて配置されており、各柱状物質の少なくとも端面が前記材料層から露出しており、各柱状物質の少なくとも端面がCuで形成されているとともに、その端面がSnの膜で被覆されている複合層を形成する工程と、
前記材料層から露出している各柱状物質の端面に、少なくとも表面がCuで形成されている金属層が接触した状態で、Snの融点以上に加熱する工程と、
を備えているモジュールの製造方法。
【請求項９】
前記加熱工程で、加熱温度をCuの融点以下に抑えることを特徴とする請求項７または８に記載のモジュールの製造方法。
【請求項１０】
前記加熱工程前に、前記材料層から突出している各柱状物質の端部近傍を大径化する工程を備えていることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載のモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
例えば、半導体素子の接続面に金属製電極が形成されており、基板の接続面にも金属製電極が形成されており、半導体素子の金属製電極と基板の金属製電極の間を接続することによって、半導体素子と基板の間に電気的導通路を確保したモジュールが知られている。半導体素子の接続面に金属製伝熱膜が形成されており、基板の接続面にも金属製伝熱膜が形成されており、半導体素子の金属製伝熱膜と基板の金属製伝熱膜の間を接続することによって、半導体素子と基板の間に伝熱経路を確保したモジュールも知られている。半導体素子と基板の間に電気的導通路を確保したモジュールの場合でも、半導体素子が発熱する場合には、電気的導通路が伝熱経路を兼用する。
本発明は、上記に例示したように、一対の金属層の間を接続したモジュールであって、一対の金属層の間に伝熱経路が形成されているモジュールとその製造方法に関する。ここでいう金属層は、面的に広がっているものをいい、厚さに関しては格別の制約がない。半導体素子の表面に形成されている薄い金属製の膜であることもあれば、それ自体で形状を維持することができる厚みを備えた板であってもよい。
【背景技術】
【０００２】
一対の金属層の間を接続して伝熱経路を確保したモジュールの場合、一対の金属層の熱膨張率が相違していることがある。例えば、シリコンブロックの表面に薄く形成されている金属層の熱膨張率は、シリコンの影響を受けて小さく抑えられるのに対し、放熱板を形成する金属層の熱膨張率は大きい。熱膨張率が相違している一対の金属層の間を、例えばはんだ等で接続すると、加熱して冷却するヒートサイクルに曝されることによってはんだに大きな熱応力が作用し、ヒートサイクルが繰返されると短期間で接続部が損傷してしまう。熱膨張率が相違している一対の金属層の間を単純にはんだで接続すると、接続部の耐久性が低いという問題が生じる。
【０００３】
そこで、特許文献１の技術が開発されている。この技術では、一対の金属層の間を複数本の柱状物質を用いて接続する。各柱状物質は、一方の金属層から他方の金属層に向けて柱状に伸びており、複数本の柱状物質が金属層の形成範囲内に分布している。この技術では、金属層と各柱状物質の端面の間をはんだで接続する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５-１８３６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術によると、各柱状物質がしなやかに変形することから、一対の金属層の熱膨張率が相違していても、はんだに大きな熱応力が作用することがなく、接続部の耐久性が格段に向上する。
本発明は、特許文献１の技術の伝熱能力をさらに向上させるために開発された。あるいは、接続強度をさらに向上させるために開発された。
【０００６】
一対の金属層の間を柱状物質群で接続した構造の伝熱効率を向上させるためには、柱状物質を高密度に配置する必要があり、隣接する柱状物質同士の間隔が狭くなる。隣接する柱状物質同士の間隔が狭くなると、はんだを加熱して接続する際に、毛細管現象によって溶融したはんだが柱状物質同士の間隔に侵入してしまう現象が生じる。はんだは接続する相手部材の表面に沿って広がる性質を持っているために、毛細管現象が生じやすい。従来のはんだ接続技術を採用する限り、柱状物質の配置密度が毛細管現象によって制約されてしまう。
本発明では、はんだで接続する方式では実現できないほどに高密度に柱状物質群を配置することを可能とする技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一対の金属層の間を複数本の柱状物質で接続したモジュールに関する。各柱状物質は、一方の金属層から他方の金属層に向けて柱状に伸びている。複数本の柱状物質が、金属層の形成範囲内に分布している。
金属層の少なくとも表面はCuで形成されており、各柱状物質の少なくとも端面もCuで形成されている。本発明のモジュールでは、金属層と各柱状物質の端面が、両者の間に存在するSnCu合金で接続されている。
【０００８】
ここでいう金属層は少なくとも伝熱機能を備えている。電気的導通性能を兼用していてもよいが、電気的導通に利用しない金属層であってもよい。基板と半導体素子の間に電気的接続と熱的接続を必要とするモジュールもあれば、電気的接続を必要としないモジュールもある。例えば放熱板あるいは伝熱板に半導体素子を接続したモジュールであっても、ワイヤボンディング等を利用するために、半導体素子と放熱板等の間に電気的接続を必要としないモジュールが存在する。
上記では半導体素子を利用するモジュールを例示したが、本発明が適用されるモジュールはそれに限られない。金属層と金属層の間を柱状物質群で接続して伝熱経路を確保するモジュールに広く適用することができる。
ここでいう金属層は、厚さに関しては格別の制約がない。半導体素子の表面に形成されている薄い金属製の膜であることもあれば、それ自体で形状を維持することができる厚みを備えた板であることもある。金属層の全体がCuで形成されていてもよいが、表面が薄いCuの膜で被覆されていてもよい。例えばAl層の表面がCuの薄膜で被覆されていてもよい。同様に、柱状物質の全体がCuで形成されていてもよいが、柱状物質の端面がCuの薄膜で被覆されていてもよい。例えば柱状に伸びているAlの端面がCuの薄膜で被覆されていてもよい。
【０００９】
金属層の少なくとも表面をCuで形成し、各柱状物質の少なくとも端面をCuで形成し、その端面をSnの膜で被覆し、各柱状物質の端面に金属層が接触した状態で柱状物質群と金属層をSnの融点以上に加熱すると、SnとCuが合金化して金属層と各柱状物質が強固に接続される。その接続強度ははんだに比して格段に強固である。Snの使用量は微量ですみ、合金化する前のSnが溶融して周囲に流れ出すことはない。Snの使用量が多くても、溶融したSnは固体のCuと急速に反応して合金化する。合金化する前のSnが溶融して周囲に流れ出すことはない。SnとCuの合金の融点はSnよりも高く、合金が流れ出すこともない。
このために、本発明のモジュールでは、高密度に柱状物質群を配置することを可能とする。はんだで接続する方式では、隣接する柱状物質間の間隔が100μｍ以下になると、毛細管現象によってはんだが間隔に侵入する現象が顕著となることから、柱状物質間の間隔が100μｍ以下となるほどには柱状物質群を高密度に配置することができない。本モジュールによると、柱状物質間の間隔が100μｍ以下となるほど高密度に柱状物質群を配置しても、柱状物質の間隔が充填されてしまうことがない。
【００１０】
本発明のモジュールの場合、隣接する柱状物質同士の間に空気が存在する状態で金属層に接続しても、柱状物質同士の間隔が固体で充填されてしまうことはないが、予め樹脂等の軟質材料を充填しておく技術を併用することもできる。この技術と併用すると、個々には細い柱状物質の多数本を独立に処理する場合に比して、接続作業が容易化される。多数本の柱状物質の処理作業の容易化のために柱状物質同士の間隔に樹脂等を充填しておく場合、金属層に柱状物質群を接続する工程の前あるいは後に樹脂等を除去してもよい。ここで用いる樹脂は、柱状物質同士の間隔に接続作業に用いる材料が侵入して固化することを防止するためのものではないからである。柱状物質同士の間隔に充填しておく固体が、柱状物質の変形を阻害しない軟質材料であれば、あえて除去する必要はない。柱状物質同士の間隔に固体を充填しておけば、隣接する柱状物質間の間隔にはんだが侵入することを防止できるが、だからとって本発明の有利性が得られないわけではない。柱状物質同士の間隔に固体を充填されているか否かに無関係に、隣接する柱状物質間の間隔に接続作業に用いる材料が侵入しない利点が得られるので、本発明をさまざまに適用することができる。
【００１１】
本発明のモジュールの場合、柱状物質同士の間隔をゼロとすることもできる。はんだで接続する場合、柱状物質群を隙間なく敷き詰めて板状に配置しておくと、溶融したはんだが微小な隙間に侵入するために、加熱工程後は１枚の連続した板になってしまう。本発明のモジュールの場合、柱状物質群を隙間なく配置して板状に配置しておいて加熱しても、隣接する柱状集物質の側面同士が接続されることがなく、隣接する柱状物質同士が相対的にスライドすることができる。スライドできるという点で複数本の柱状物質に分割されている性質が維持される。柱状物質群に分割することによって接続部の耐久性を高める作用効果を得ることができる。
【００１２】
柱状物質に分割する本数を増やし、各柱状物質の断面積を小さくするほど、各柱状物質がしなやかに変形しやすい。反面、金属層との接触面積が減少し、接続強度が低下する可能性がある。
そこで、本発明のモジュールに用いる各柱状物質が、端部において太く、残部において細いことが好ましいことがある。
端部において太ければ、金属層との接触面積が大きく、必要な接続強度を確保することができる。残部において細ければ、細い柱状物質がしなやかに変形し、一対の金属層の間の熱膨張差に無理なく対応することが可能となる。
【００１３】
柱状物質間の間隙に気体が存在しているのが好ましい。前記したように、柱状物質間の間隙を樹脂等の軟質物質が充填していてもよい。軟質物質であれば、柱状物質が変形することを許容するからである。しかしながら柱状物質間の間隙に気体が存在していると、柱状物質が自由に変形できることから、接続部の熱応力を緩和する効果が高い。
【００１４】
一対の金属層の間を接続する際に、熱応力の発達を抑制するためには、柱状に分割した材料で接続するのが有利であり、熱伝達能力を向上させるには、接続部材の断面積を増大させるのが有利である。両者を両立させるためには、柱状物質群を高密度に配置するのが有利である。そのためには、各柱状物質を長手方向から観測したときに、複数本の柱状物質群が千鳥格子状に配列されていることが好ましい。
柱状物質群が格子状でなく千鳥格子状に配列させていると、柱状物質間の間隔を確保しながら、単位面積当たりの柱状物質の断面積の合計を増大させることができる。熱応力を抑制し、熱伝達能力を向上させることができる。
【００１５】
一対の金属層の間の熱伝達性能を確保したい場合の典型例に、一方の金属層が形成されている側の部材が発熱し、その熱を他方の金属層が形成されている側の部材に伝熱する場合がある。この場合、金属層の中央部では周辺部よりも高い伝熱能力が要求される場合がある。
金属層の中央部で周辺部よりも高い伝熱能力が要求される場合は、少なくとも一方の金属層の中央部が周辺部よりも他方の金属層に向けて突出していることが有効である。少なくとも一方の金属層の中央部が周辺部よりも突出していれば、中央部では短い柱状物質で接続することができ、高い伝熱能力を得ることができる。周辺部では一対の金属層の熱膨張差が大きくなるが、周辺部では長い柱状物質がしなやかに変形することから、熱応力の発達を抑制することができる。
金属層の中央部では周辺部よりも柱状物質を密に配置することも有効である。中央部では柱状物質が密に配置されていることから、高い伝熱能力を得ることができる。一対の金属層の熱膨張差が大きい周辺部では、疎に配置されている柱状物質がしなやかに変形し、熱応力の発達を抑制することができる。
【００１６】
本発明のモジュールでは、複数本の柱状物質を利用することから、下記の方法で製造することが便利である。
この製造方法は、複合層を形成する工程を利用する。この工程では、後工程で除去可能な材料層中に複数本の柱状物質が相互に間隔を隔てて配置されており、各柱状物質の少なくとも端面が材料層から露出しており、各柱状物質の少なくとも端面がCuで形成されているとともに、その端面がSnの膜で被覆されている複合層を形成する。この製造方法は、さらに、材料層から露出している各柱状物質の端面に、少なくとも表面がCuで形成されている金属層が接触した状態で、Snの融点以上に加熱する工程と、複合層から柱状物質以外の材料層を除去する工程を備えている。
複合層の形成順序は限定されない。柱状物質を格子状あるいは千鳥格子状に配列しておいてから間隔に液状樹脂を充填して固化してもよいし、格子状あるいは千鳥格子状に配列されている貫通孔群が形成されている材料層を先に形成し、その貫通孔群に柱状物質を充填してもよい。
この製造方法によると、複数本の柱状物質を簡単に処理することが可能となる。
【００１７】
材料層が柱状物質よりも軟質な材料で形成されていれば、その材料を除去する必要はない。そのために製造方法を簡単化できる。その製造方法では、複合層形成工程で、柱状物質よりも軟質な材料層中に複数本の柱状物質が相互に間隔を隔てて配置されており、各柱状物質の少なくとも端面が材料層から露出しており、各柱状物質の少なくとも端面がCuで形成されているとともに、その端面がSnの膜で被覆されている複合層を形成する。その後に、材料層から露出している各柱状物質の端面に、少なくとも表面がCuで形成されている金属層が接触した状態で、Snの融点以上に加熱する工程を実施する。
【００１８】
加熱工程では、Snの融点以上に加熱することが必要であるが、Cuの融点以下に抑えることが好ましい。柱状物質が間隔を隔てて配置されている関係を維持しながら、接続することができる。
【００１９】
加熱工程前に、材料層から突出している各柱状物質の端部近傍を大径化する工程を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、柱状物質群を高密度に配置することが可能となる。柱状物質群を利用して接続することから、一対の金属層の熱膨張差が大きくなっても、接続部に生じる熱応力が過大な値に発達することを抑制することができる。また、柱状物質群を高密度に配置できることから、必要な熱伝達能力を確保しやすい。接続部の耐久性を確保しながら、高いで熱伝達能力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に説明する実施例の主要な特徴を整理しておく。
（特徴１）一方の金属層は、動作すると発熱する半導体素子の表面に形成されている。他方の金属層は厚く、それ自体が放熱板あるいは伝熱板である。
（特徴２）一方の金属層は、動作すると発熱する半導体素子の表面に形成されている電極である。他方の金属層は、電極板である。
（特徴３）一方の金属層は、動作すると発熱する半導体素子の表面に形成されている電極である。他方の金属層は、絶縁性基板の表面に形成されている電極である。
（特徴４）一方の金属層は、基板に形成されており、他方の金属層は、放熱板である。
（特徴５）少なくとも一方の金属層は、複数種類の金属層が積層されて形成されており、Cuの膜が最表面に形成されている。
（特徴６）柱状物質はCuのワイヤで形成されており、その端面にSnがコーティングされている。
（特徴７）柱状物質はAlのワイヤで形成されており、その端面にCu とSnが順にコーティングされている。
（特徴８）半導体素子の表面に形成されている金属層から成長した金属によって柱状物質が形成されている。
【実施例】
【００２２】
（第１実施例）
図１は、第１実施例のモジュール２を示している。第１実施例のモジュール２は、電極板２２に半導体素子８を接続したものであり、電極板２２と半導体素子８の間を、機械的に固定し、電気的に接続し、しかも、高い伝熱効率が得られように接続したものである。
半導体素子８は、半導体材料で形成されているブロック４と、その裏面に形成されている裏面電極６と、図示を省略している表面電極を備えている。ブロック４の内部には、半導体構造が作り込まれており、オン信号が印加されると裏面電極６と表面電極の間を電流が流れ、ブロック４が発熱する。図示しない表面電極には導電性のワイヤがボンディグされている。裏面電極６は、複数種類の金属層が積層されて形成されており、Cuの膜が最表面に形成されている。
電極板２２はCuの板であり、裏面電極６に給電するととともに、ブロック４から伝熱した熱量を周囲に放熱する。電極板２２は、配線板でもあり放熱板でもある。電極板２２の表面にはCuが露出している。
電極板２２と半導体素子８の間は、複数本の柱状物質１８で接続されている。各々の柱状物質１８の端部１２，１６は、中間部１４よりも太く形成されている。各々の柱状物質１８は、Cuで形成されている。
裏面電極６と各々の柱状物質１８は、SnCu合金層１０で接続されている。電極板２２と各々の柱状物質１８は、SnCu合金層２０で接続されている。
このモジュール２は、大気中で用いられる。隣接する柱状物質１８の間の間隙は空気で満たされており、各々の柱状物質１８はその間隙内で自由に変形することができる。
柱状物質１８の端部１２は大径化されているものの、隣接する端部１２同士の間には間隔が確保されている。この結果、SnCu合金層１０は各々の柱状物質１８に対応して分断されている。同様に、隣接する端部１６同士の間には間隔が確保されている。従って、SnCu合金層２０は各々の柱状物質１８に対応して分断されている。
【００２３】
このモジュール２は、動作するとブロック４が発熱する。ブロック４の温度が上昇すると、熱量が各SnCu合金層１０と各柱状物質１８と各SnCu合金層２０から電極板２２に伝熱され、電極板２２から周囲に放出される。各柱状物質１８と電極板２２は、半導体素子８の冷却機構を形成している。
半導体素子８が発熱すると、裏面電極６と電極板２２は膨張する。そのときに熱膨張率に差があることから、裏面電極６と電極板２２の間に熱膨張差が生じる。裏面電極６は、ブロック４の裏面に形成されており、そのブロック４の熱膨張率は小さいことから、裏面電極６の熱膨張率も小さい。これに比して、電極板２２の熱膨張率は大きい。この結果、裏面電極６は小さく膨張し、電極板２２は大きく膨張する。
【００２４】
このモジュール２では、裏面電極６と電極板２２の間が、個々には細くてしなやかに変形する柱状物質１８で接続されていることから、接続部（この場合には、SnCu合金層１０，２０）にかかる応力が小さくおさえられる。
また、SnCu合金層１０，２０が各々の柱状物質１８に対応して分断されていることから、分断されているSnCu合金層１０，２０の個々に発達する応力は小さな値に抑えられる。このモジュール２は、接続部（SnCu合金層１０，２０）にかかる応力が小さくおさえられ、モジュール２がヒートサイクルに繰り返し晒されても、長期に亘って安定した接続を得ることができる。このモジュール２の接続信頼性は高い。
【００２５】
このモジュール２では、各柱状物質１８の中間部１４での径を20〜100μｍの範囲とすることが好ましい。20μｍ以上あれば、必要な接続強度と伝熱性能を確保することができる。100μｍ以下であれば、各柱状物質１８が充分にしなやかに変形し、高い接続耐久性を実現することができる。
個々には細い柱状物質１８を利用する場合、必要な伝熱特性を得るために、多数本の柱状物質１８を高密度に配置することが必要とされることがある。すなわち、隣接する柱状物質１８の間隔をつめる必要がある場合がある。本モジュール２では、隣接する柱状物質１８の間隔を100μｍ以下におさえることができる。
柱状物質１８と金属層（裏面電極６、電極板２２）間をはんだで接続すると、溶融したはんだが隣接する柱状物質１８の間隔に入り込んでしまうことがある。すると、各柱状物質１８がしなやかに変形するという特性が阻害されてしまう。それを避ける必要があることから、はんだを利用して接続する技術では、柱状物質の配置密度に限界があった。はんだによる場合は、隣接する柱状物質１８の間隔が100μｍ以下となるほどの高密度配置を実現できなかった。これに比して、SnCu合金層１０，２０を利用して接続すると、後記するように、隣接する柱状物質１８の間隔にSnCu合金層１０，２０が形成されることがない。柱状物質１８を充分に高密度に配置することができる。必要なら、柱状物質１８を隙間なく並べることもできる。柱状物質１８を隙間なく並べても、隣接する柱状物質１８同士は接続されないことから、自由にスライドすることができ、それによってSnCu合金層１０，２０に発達する応力を小さく抑えることができる。
【００２６】
図２から図７は、モジュール２の製造方法を段階的に示している。図２は、複合層２５を製造する段階を示している。最初に、複数本の柱状物質１８が相互に間隔を隔てて配置された状態を作っておき、その間隔に液状樹脂を充填して固化する。ここで使用する樹脂は、後記する図７を参照して説明する加熱温度に耐えられ、後記する処理で除去できる樹脂を用いる。またここで使用する柱状物質１８は、中間部１４の径を備えている。これによって、樹脂層２４によって複数本の柱状物質１８が相互に間隔を隔てて配置された状態で固定されている複合層２５が形成される。柱状物質１８を高密度に配置する必要がある場合は、複合層２５を平面視した時に、柱状物質１８が千鳥格子状に配置されるようにする。
図３は、複合層２５の表面を研磨して必要な厚みに調整した段階を示している。
図４は、樹脂層２４の表面と裏面のそれぞれを所定の厚みだけエッチングした段階を示している。この段階で、樹脂層２４の表面から柱状物質１８の端部２６が所定の長さに亘って突出し、樹脂層２４の裏面から柱状物質１８の端部２８が所定の長さに亘って突出する。
図５は、樹脂層２４の表面から突出している柱状物質１８の端部２６をつぶして大径端部１２を形成し、樹脂層２４の裏面から突出している柱状物質１８の端部２８をつぶして大径端部１６を形成した段階を示す。中間部１４の径を20〜100μｍの範囲とした場合、
大径端部１６の径を30〜180μｍの範囲とすることが好ましい。
【００２７】
図６は、大径端部１２の端面にSnをコーティングしてSn層３０を形成し、大径端部１６の端面にSnをコーティングしてSn層３２を形成した段階を示す。Sn層３０，３２は充分に薄くてよく、2〜10μmあれば充分なことが確認されている。コーティング方法は特に限定されず、蒸着、スパッタ、めっき等の既存の方法が利用できる。
図７は、各柱状物質１８のCu製の端面に、Sn層３０，３２を介して、表面がCuで形成されている裏面電極６と表面がCuで形成されている電極板２２が接触した状態で、Snの融点以上に加熱する段階を示している。Snの融点は231℃であり、加熱温度は231〜450℃とする。Cuの融点は1000℃以上であり、ここでの加熱温度は、Snの融点以上であり、Cuの融点以下とする。加熱温度を450℃に抑えると、半導体素子８が損傷することもない。
Snは溶融するとCuと高速度で反応してSnCu合金を作る。Sn3Cu合金の融点は640℃であり、図７の加熱温度で固化する。231〜450℃で加熱すると、溶融したSnが各柱状物質１８の側面に流れることがない。Sn6Cu5合金の融点は415℃であり、231〜410℃で加熱すると、溶融したSnが各柱状物質１８の側面に流れることがない。Sn層３０，３２は、2〜10μmと極めて薄いことから、溶融するSnの量が微量であることもあって、溶融したSnが各柱状物質１８の側面に流れることがない。柱状物質１８の間隔を狭めて高密度に配置しても、隣接する柱状物質１８同士が接続されることはない。前記したように、Snは溶融するとCuと高速度で反応する。加熱工程後に、Cuと未反応なSnが残存することはない。加熱工程後に樹脂層２４を除去すると、図１に示したモジュール２が得られる。
なお図４と図５の工程は、各柱状物質１８の端部を大径化するための工程であり、大径化する必要がなければ省略することができる。
上記のモジュール２は、SnCu合金層１０，２０を利用して接続している。はんだの接続強度が20MPａ以下であるのに対し、SnCu合金層１０，２０の接続強度は100MPａ以上である。モジュール２の接続信頼性は極めて高い。
【００２８】
（第２実施例）
図８は、第２実施例のモジュール４２を示している。第２実施例のモジュール２は、半導体素子４８の表面電極４６に表面電極板６２を接続したものである。４４は半導体ブロック、５８は柱状物質、５２，５６は大径化された端部、５４は大径化されていない中間部、５０，６０は、SnCu合金層を示している。第１実施例と共通な特徴の重複説明は省略する。
【００２９】
（第３実施例）
図９は、第３実施例のモジュール７２を示している。第３実施例のモジュール７２は、第２実施例のモジュール４２と同一の配置関係を備えているが、柱状物質８８が、半導体素子７８の表面電極７６から成長した金属で形成されている。柱状物質８８と表面電極７６は連続して一体に形成されており、接続部が存在しない。
【００３０】
図１０から図１３は、モジュール７２の製造方法を段階的に示している。図１０では、半導体ブロックの７４の表面に表面電極７６となるCu膜を形成して半導体素子７８を完成する。
図１１では、表面電極７６の表面にレジスト膜９４を形成する。レジスト膜９４には、多数の貫通孔９６を形成しておく。貫通孔９６は、レジスト膜９４を貫通し、表面電極７６に達している。貫通孔９６の径は柱状物質８８の径に一致させておき、配置パターンも柱状物質８８の配置パターンに一致させておく。
図１２では、レジスト膜９４の表面にCuメッキを施す。Cuメッキを施すと、貫通孔９６の底面に露出しているCu製の表面電極７６からCuが付着し始め、Cuが貫通孔９６を充填する。さらにメッキを続けると、レジスト膜９４の表面では、貫通孔９６の上端を中心にして等方的にメッキが進行し、大径化された端部８６が得られる。次に、大径化された端部８６の表面にSnをコーティングする。
図１３では、表面がSnでコーティングされている柱状物質群８８の端面にCu板９２を被せて加熱する。その後に、レジスト膜９４を除去すれば、図９のモジュール７２が得られる。
【００３１】
レジスト膜９４を除去してから加熱して柱状物質群８８の端面にCu板９２を接続してもよい。この場合、溶融したSnが柱状物質の側面に流れない現象が特に重要となる。SnCu合金層９０で接続する技術によると、柱状物質８８の間隔に気体が存在する状態で加熱しても、隣接する柱状物質８８同士が接続されてしまうことがない。
【００３２】
（第４実施例）
図１４は、第４実施例のモジュール１００を示す。モジュール１００は、裏面電極が形成されている半導体素子１０２と、DBC基板１１２と、放熱板１２６と、冷却器１３０等を備えている。DBC基板１１２と放熱板１２６の間が、柱状物質群１２２で接続されている。
DBC基板１１２は、Al2O3の絶縁層１０８の表面にCuの配線パターン１０６が形成されており、Al2O3層１０８の裏面にCuの膜１１０が形成されている。DBC基板１１２は、表面側の配線パターン１０６と裏面側のCu膜１１０の間を絶縁しているが、熱伝導率は高い。半導体素子１０２の裏面電極は、はんだ層１０４でDBC基板１１２の配線パターン１０６に接続されている。半導体素子１０２とDBC基板１１２の熱膨張率は接近しており、両者をはんだ層１０４で接続しても高い接続信頼性を得ることができる。
【００３３】
DBC基板１１２の熱膨張率に比して放熱板１２６の熱膨張率を大きく、両者をはんだ層で直接に接続すると、接続部の耐久性が低い。そこで、モジュール１００では柱状物質群１２２を利用して接続している。柱状物質群１２２を利用して接続した部分の構成と効果は、すでに説明した実施例と同様であり、重複説明を省略する。
モジュール１００では、放熱板１２６に対して放熱グリス１２８を介して冷却器１３０を取り付けている。モジュール１０２では、半導体素子１０８の発熱を冷却器１３０で効率的に冷却する。
【００３４】
（第５実施例）
図１５は、第５実施例を示しており、図１に示した第１実施例の変形例に相当する。以下では、第１実施例と相違する部分のみを説明する。
この実施例の半導体素子８は、周辺に耐圧領域が形成されており、素子領域（有効領域あるいは活性領域）は、中央部に形成されている。すなわち、半導体素子８は中央部で発熱量が大きく、周辺部で発熱量が小さい。
このモジュール１４２では、発熱量が大きい中央部では、電極板２２が裏面電極６側に向けて突出している。この結果、発熱量が大きい中央部では柱状物質１８の長さが短い。
このモジュール１４２では、発熱量の大きい中央部では短い柱状物質１８で裏面電極６と電極板２２が接続されており、半導体素子８の発熱を高能率に電極板２２に伝熱する。また、周辺部では一対の金属層６，２２（裏面電極６と電極板２２）の熱による膨張差が大きくなるところ、周辺部では長い柱状物質がしなやかに変形し、熱応力の発達を抑制する。この実施例は、図３に示した研磨工程において、複合層２５の裏面を電極板２２の形状に合わせて研磨することで得られる。
【００３５】
（第６実施例）
図１６は、第６実施例を示しており、図９に示した第３実施例の変形例に相当する。以下では、第３実施例と相違する部分のみを説明する。
この実施例の半導体素子７８は、周辺に耐圧領域が形成されており、素子領域（有効領域あるいは活性領域）は、中央部に形成されている。すなわち、半導体素子７８は中央部で発熱量が大きく、周辺部で発熱量が小さい。
このモジュール１５２では、発熱量が大きい中央部では、柱状物質８８ａが高密度に配置されており、発熱量が小さい周辺部では、柱状物質８８ａが低密度に配置されている。
発熱量の大きい中央部では柱状物質８８ａが高密度に配置されているために、半導体素子７８の発熱を高能率に表面電極９２に伝熱する。また、周辺部では一対の金属層７６，９２の熱膨張差が大きくなるところ、周辺部では疎に配置されている柱状物質８８ａがしなやかに変形し、熱応力の発達を抑制する。
【００３６】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１実施例のモジュールの断面図を示す。
【図２】第１実施例のモジュールの製造工程の第１段階の断面図を示す。
【図３】第１実施例のモジュールの製造工程の第２段階の断面図を示す。
【図４】第１実施例のモジュールの製造工程の第３段階の断面図を示す。
【図５】第１実施例のモジュールの製造工程の第４段階の断面図を示す。
【図６】第１実施例のモジュールの製造工程の第５段階の断面図を示す。
【図７】第１実施例のモジュールの製造工程の第６段階の断面図を示す。
【図８】第２実施例のモジュールの断面図を示す。
【図９】第３実施例のモジュールの断面図を示す。
【図１０】第３実施例のモジュールの製造工程の第１段階の断面図を示す。
【図１１】第３実施例のモジュールの製造工程の第２段階の断面図を示す。
【図１２】第３実施例のモジュールの製造工程の第３段階の断面図を示す。
【図１３】第３実施例のモジュールの製造工程の第４段階の断面図を示す。
【図１４】第４実施例のモジュールの断面図を示す。
【図１５】第５実施例のモジュールの断面図を示す。
【図１６】第６実施例のモジュールの断面図を示す。
【符号の説明】
【００３８】
２，４２，７２，１００，１４２，１５２：モジュール
４，４４，７４：半導体ブロック
６，４６，７６：電極（表面がCuの金属層）
８，４８，７８，１０２：半導体素子
１０，２０，５０，６０，９０、１１４、１２４：SnCu合金層
１２，１６，５２，５６，８６，１１６，１２０：大径化された端部
１４，５４，８４，１１８：残部
１８，５８，８８，１２２：柱状物質
２２，６２，９２：電極板（表面がCuの金属層）
１１２：DBC基板
１１０：Cu膜（表面がCuの金属層）
１２６：放熱板（表面がCuの金属層）
【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】
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【図１６】
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