特許 6164110 半導体モジュールとその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6164110

(24)【登録日】2017年6月30日

(45)【発行日】2017年7月19日

(54)【発明の名称】半導体モジュールとその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/29 20060101AFI20170710BHJP

   H01L 23/31 20060101ALI20170710BHJP

   H01L 21/56 20060101ALI20170710BHJP

   H01L 21/52 20060101ALI20170710BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/30 D

   H01L21/56 T

   H01L21/52 D

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-25139(P2014-25139)

(22)【出願日】2014年2月13日

(65)【公開番号】特開2015-153845(P2015-153845A)

(43)【公開日】2015年8月24日

【審査請求日】2016年3月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】臼井 正則

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 敏一

(72)【発明者】

【氏名】淺井 林太郎

(72)【発明者】

【氏名】田中 徹

【審査官】 豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−３０３２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２８３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１８２８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１８２１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１６５７４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５８−０８９９４６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１６１６２６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２１／５２

２１／５６−２１／５８

２３／２８−２３／３１

２３／４８

２３／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体モジュールであって、
Ｃｕ又はＣｕ合金の金属板と、
前記金属板の一方の面に接合されている半導体素子と、
前記半導体素子を封止するモールド樹脂と、
前記金属板と前記モールド樹脂の間に設けられている拡散抑制膜と、を備えており、
前記拡散抑制膜は、ＳｎとＣｕの金属間化合物を有する半導体モジュール。

【請求項2】

半導体モジュールの製造方法であって、
Ｃｕ又はＣｕ合金の金属板の一方の面に半導体素子を接合する工程と、
前記金属板の一方の面に拡散抑制膜を形成する工程と、
前記半導体素子をモールド樹脂で封止する工程と、を備えており、
前記拡散抑制膜を形成する工程は、
前記金属板の一方の面にＳｎの被覆膜を形成することと、
前記被覆膜が形成された前記金属板を熱処理することと、を有しており、
前記熱処理により、前記被覆膜のＳｎと前記金属板のＣｕが金属間化合物を形成する半導体モジュールの製造方法。

【請求項3】

前記半導体素子を接合する工程は、前記半導体素子を前記金属板の一方の面にはんだ接合することを有しており、
前記被覆膜を形成することは、前記半導体素子をはんだ接合する前に実施され、
前記半導体素子をはんだ接合するときの熱処理により、前記被覆膜のＳｎと前記金属板のＣｕが金属間化合物を形成する請求項２に記載の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】

本明細書は、半導体モジュールとその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体モジュールは、金属板の一方の面に接合されている半導体素子がモールド樹脂で封止された構成を有する。モールド樹脂は、半導体素子を被覆するように金属板に接合されている。モールド樹脂が半導体素子を封止することで、半導体素子と金属板の熱膨張差に起因して両者の接合部に生じる熱歪みが抑えられ、半導体モジュールの信頼性が向上する。

【0003】

半導体素子と金属板の間の熱歪みを抑えるためには、モールド樹脂が金属板に強固に接合しなければならない。モールド樹脂と金属板の接合強度を向上させるために、モールド樹脂と金属板の間にプライマを挿入する技術が知られている。

【0004】

金属板の材料には、低い電気抵抗及び高い熱伝導度を有するＣｕ又はＣｕ合金が用いられることが多い。ところが、このような材料の金属板では、Ｃｕがプライマに拡散することが知られている。Ｃｕがプライマに拡散すると、拡散したＣｕがプライマの反応基に結合し、モールド樹脂と金属板の接合強度が低下することが指摘されている。

【0005】

特許文献１は、モールド樹脂を射出成形するときの温度を低い温度に設定することで、金属板のＣｕがプライマに拡散することを抑制する技術を開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１３−１３５０６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記したように、モールド樹脂と金属板の接合強度を向上させるために、金属板のＣｕの拡散を抑制する技術が必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本明細書で開示される半導体モジュールは、Ｃｕ又はＣｕ合金の金属板、金属板の一方の面に接合されている半導体素子、半導体素子を封止するモールド樹脂及び金属板とモールド樹脂の間に設けられている拡散抑制膜を備える。拡散抑制膜は、Ｃｕを含む金属間化合物を有する。金属板とモールド樹脂の間に拡散抑制膜が設けられているので、金属板のＣｕが拡散抑制膜を超えて拡散することが抑制される。これにより、モールド樹脂と金属板の接合強度が向上した半導体モジュールが提供される。

【0009】

本明細書で開示される半導体モジュールの製造方法は、Ｃｕ又はＣｕ合金の金属板の一方の面に半導体素子を接合する工程、金属板の一方の面に拡散抑制膜を形成する工程及び半導体素子をモールド樹脂で封止する工程を備える。拡散抑制膜は、Ｃｕを含む金属間化合物を有する。金属板の一方の面に拡散抑制膜を形成することにより、金属板のＣｕが拡散抑制膜を超えて拡散することが抑制される。これにより、モールド樹脂と金属板の接合強度が向上した半導体モジュールの製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。

【図2】図２は、半導体モジュールの製造過程の一工程を示す。

【図3】図３は、半導体モジュールの製造過程の一工程を示す。

【図4A】図４Ａは、比較例１の試料の断面図を模式的に示す。

【図4B】図４Ｂは、比較例２の試料の断面図を模式的に示す。

【図4C】図４Ｃは、実施例の試料の断面図を模式的に示す。

【図5】図５は、比較例１のＳＩＭＳ分析の結果を示す。

【図6】図６は、比較例２のＳＩＭＳ分析の結果を示す。

【図7A】図７Ａは、実施例の１つの試料のＳＩＭＳ分析の結果を示す。

【図7B】図７Ｂは、実施例の他の１つの試料のＳＩＭＳ分析の結果を示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

【0012】

本明細書で開示される半導体モジュールは、Ｃｕ又はＣｕ合金の金属板、金属板の一方の面に接合されている半導体素子、半導体素子を封止するモールド樹脂及び金属板とモールド樹脂の間に設けられている拡散抑制膜を備えていてもよい。拡散抑制膜は、Ｃｕを含む金属間化合物を有していてもよい。

【0013】

金属板の用途は、特に制限されるものではない。一例では、金属板は、回路配線又はヒートスプレッダとして用いられてもよい。

【0014】

半導体素子の種類は、特に制限されるものではない。一例では、半導体素子は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード、ＨＥＭＴ等のパワー半導体素子であってもよい。また、半導体素子と金属板を接合する技術は、特に制限されるものではない。半導体素子と金属板は、他の層を介して接合されてもよい。一例では、半導体素子と金属板は、はんだ接合していてもよい。

【0015】

モールド樹脂は、半導体素子を外部から物理的に保護するものである。モールド樹脂の材料は特に制限されるものではない。一例では、モールド樹脂の材料は、エポキシ樹脂、シアネート樹脂又はＰＥＥＫ樹脂であってもよい。モールド樹脂は、プライマを介して金属板に接合してもよい。プライマの種類は、モールド樹脂の材料に応じて適宜に選択されるものであり、特に制限されるものではない。一例では、プライマの材料は、ポリアミドイミド、ポリイミド又はポリアミドであってもよい。プライマと金属板は、他の層を介して接合されてもよい。

【0016】

拡散抑制膜は、金属板のＣｕの拡散を抑制するものである。拡散抑制膜は、Ｃｕと金属間化合物を形成する材料を含んでいるので、Ｃｕと強く結合することができる。このため拡散抑制膜は、Ｃｕの拡散を抑制することができる。一例では、Ｃｕと金属間化合物を形成する材料は、Ｓｎ又はＩｎであってもよい。

【0017】

本明細書で開示される半導体モジュールの製造方法は、Ｃｕ又はＣｕ合金の金属板の一方の面に半導体素子を接合する工程、金属板の一方の面に拡散抑制膜を形成する工程及び半導体素子をモールド樹脂で封止する工程を備えていてもよい。拡散抑制膜は、Ｃｕを含む金属間化合物を有する。ここで、各工程を実施する順序は特に制限されるものではない。また、特定の工程の一部又は全部が、他の工程と同時に実施されてもよい。

【0018】

本明細書で開示される半導体モジュールの製造方法では、拡散抑制膜を形成する工程が、金属板の一方の面にＳｎの被覆膜を形成すること及び被覆膜が形成された金属板を熱処理することを有していてもよい。この場合、熱処理により、被覆膜のＳｎと金属板のＣｕが金属間化合物を形成してもよい。この製造方法では、被覆膜のＳｎと金属板のＣｕを反応させることで、ＳｎとＣｕの金属間化合物を有する拡散抑制膜が形成される。

【0019】

本明細書で開示される半導体モジュールの製造方法では、半導体素子を接合する工程が、半導体素子を金属板の一方の面にはんだ接合することを有していてもよい。この場合、被覆膜を形成することは、半導体素子をはんだ接合する前に実施されてもよい。さらに、半導体素子をはんだ接合するときの熱処理により、被覆膜のＳｎと金属板のＣｕが金属間化合物を形成してもよい。この製造方法によると、はんだ接合するときの熱処理を利用して、ＳｎとＣｕの金属間化合物を有する拡散抑制膜が形成される。

【実施例1】

【0020】

図１に示されるように、半導体モジュール１は、金属板２、拡散抑制膜４、プライマ６、モールド樹脂８、はんだ１２及び半導体素子１４を備える。

【0021】

金属板２は、回路配線を構成するものであり、図示省略した絶縁基板（例えば、ＤＢＡ）上に設けられている。金属板２の材料は、Ｃｕ又はＣｕ合金である。

【0022】

拡散抑制膜４は、金属板２の一方の面の全体を被覆している。一例では、拡散抑制膜４の材料は、Ｃｕ−Ｓｎ合金であり、ＣｕとＳｎの金属間化合物を有する。

【0023】

プライマ６は、拡散抑制膜４の表面及び半導体素子１４の表面を被覆している。一例では、プライマ６の材料は、ポリイミド（ＰＩ）を含む。プライマ６は、モールド樹脂８と拡散抑制膜４の密着力を向上させる。

【0024】

モールド樹脂８は、プライマ６及び拡散抑制膜４を介して金属板２の一方の面に接合されており、半導体素子１４を封止する。一例では、モールド樹脂８の材料は、エポキシ樹脂である。

【0025】

半導体素子１４は、はんだ１２及び拡散抑制膜４を介して金属板２の一方の面に接合されている。一例では、半導体素子１４は、ＩＧＢＴである。

【0026】

次に、半導体モジュール１の製造方法を説明する。まず、図２に示されるように、金属板２の表面にＳｎの被覆膜５を被覆する。一例では、被覆膜５の厚みは、１〜５μｍである。被覆膜５は、メッキ技術、印刷技術又はスパッタ技術を利用して被覆される。次に、被覆膜５の表面の一部にはんだ１２を介して半導体素子１４を配置する。次に、熱処理により、半導体素子１４を被覆膜５の表面の一部にはんだ接合する。一例では、熱処理の条件は、３００〜４００℃、５〜３０分である。この熱処理により、被覆膜５のＳｎと金属板２のＣｕが反応し、ＣｕとＳｎの金属間化合物が形成される。この結果、被覆膜５は、ＣｕとＳｎの金属間化合物を有する拡散抑制膜４となる（図１参照）。

【0027】

次に、図３に示されるように、拡散抑制膜４及び半導体素子１４の表面にプライマ６を塗布する。塗布されたプライマ６は、２５０℃、６０分の乾燥処理により、硬化される。最後に、トランスファーモールド法を利用して、半導体素子１４をモールド樹脂８で封止し、半導体モジュール１が完成する。

【0028】

上記の製造方法によると、金属板２の一方の面にＣｕとＳｎの金属間化合物を有する拡散抑制膜４が被覆されていることにより、金属板２のＣｕが拡散抑制膜４を超えてプライマ６に拡散することが抑制される。このため、プライマ６は、モールド樹脂８と拡散抑制膜４の密着力を向上させることができる。これにより、半導体素子１４がモールド樹脂８によって良好に封止されるので、モールド樹脂８の内部における半導体素子１４の機械的挙動はモールド樹脂８によって拘束される。この結果、半導体素子１４と金属板２の熱膨張差に起因して両者の接合部に生じる熱歪みが抑えられ、半導体モジュール１の信頼性が向上する。

【0029】

（拡散抑制膜の実証試験）
拡散抑制膜がＣｕの拡散を抑制する効果について、以下の実験で検討した。図４Ａに示される比較例１の試料は、Ｃｕの金属板２２の表面をメッキ処理してＮｉのメッキ層２４を形成し、金属板２２の一方の面にポリイミドのプライマ２６を塗布した後に、２５０℃、６０分の乾燥処理でプライマ２６を硬化させることで用意した。図４Ｂに示される比較例２の試料は、Ｃｕの金属板２２の一方の面にポリイミドのプライマ２６を塗布した後に、２５０℃、６０分の乾燥処理でプライマ２６を硬化させることで用意した。図４Ｃに示される実施例の試料は、Ｃｕの金属板２２の一方の面をスパッタコーティングしてＳｎの被覆膜２５を形成し、３５０℃、３０分の加熱処理で被覆膜２５のＳｎと金属板２２のＣｕを反応させてＣｕとＳｎの金属間化合物を有する拡散抑制膜３４を形成させ、さらに、金属板２２の一方の面にポリイミドのプライマ２６を塗布した後に、２５０℃、６０分の乾燥処理でプライマ２６を硬化させることで用意した。なお、実施例については、２つの試料を用意した。

【0030】

図５は、図４Ａの比較例１のＳＩＭＳ分析の結果である。ＮｉはＣｕの拡散を抑制する効果があることが知られた物質であり、比較例１はポジティブコントロールとなる。図５に示されるように、プライマ２６を由来とする１２Ｃと比較して、金属板２２を由来とする６３Ｃｕは約３桁低い。

【0031】

図６は、図４Ｂの比較例２のＳＩＭＳ分析の結果である。図６に示されるように、プライマ２６を由来とする１２Ｃと比較して、金属板２２を由来とする６３Ｃｕは約１桁低い。図５のポジティブコントロールと対比すると、この比較例２では、金属板２２を由来とする６３Ｃｕがプライマ２６の表面に拡散していることが分かる。

【0032】

図７Ａ及び図７Ｂは、図４Ｃの実施例のＳＩＭＳ分析の結果である。図７Ａの試料では、プライマ２６を由来とする１２Ｃと比較して、金属板２２を由来とする６３Ｃｕは約３桁低い。図７Ｂの試料では、プライマ２６を由来とする１２Ｃと比較して、金属板２２を由来とする６３Ｃｕは約２．５桁低い。図５のポジティブコントロールと同様の結果である。このことから、ＣｕとＳｎの金属間化合物を有する拡散抑制膜は、金属板のＣｕの拡散を抑制する効果があることが確認できた。また、ＣｕとＳｎの金属間化合物を有する拡散抑制膜は、Ｎｉのメッキ層に比してクラックが発生し難いという特徴を有する。このため、半導体モジュールに適用した場合、クラックを起点としてはんだ層を劣化させることが抑えられ、半導体モジュールの信頼性が向上する。

【0033】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。また、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、出願時請求項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し得るものであり、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。

【符号の説明】

【0034】

１：半導体モジュール
２：金属板
４：拡散抑制膜
６：プライマ
８：モールド樹脂
１２：はんだ
１４：半導体素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】