特許 6797760 半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法

(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】6797760

(24)【登録日】2020年11月20日

(45)【発行日】2020年12月9日

(54)【発明の名称】半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/29 20060101AFI20201130BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20201130BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20201130BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 A

   H01L25/04 C

【請求項の数】11

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-135137(P2017-135137)

(22)【出願日】2017年7月11日

(65)【公開番号】特開2019-16755(P2019-16755A)

(43)【公開日】2019年1月31日

【審査請求日】2019年12月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】特許業務法人筒井国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 智久

(72)【発明者】

【氏名】保田 雄亮

【審査官】 庄司 一隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１２２４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０５０９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１９２５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１２４４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／０３７８３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１５／１０４９５４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第1の冷却部材と、
前記第１の冷却部材の上方に第１の接合層を介して設けられた半導体素子と、
前記半導体素子の上方に第２の接合層を介して設けられた加圧部材と、
前記第１の冷却部材の上方であって、前記半導体素子及び前記加圧部材の側面方向に位置する領域を封止する第１の封止材を有し、
前記加圧部材は、
第１のブロック部材と、
前記第１のブロック部材の上方に設けられた第２のブロック部材と、
前記第１のブロック部材と前記第２のブロック部材の間の領域に設けられたバネ部材及び第２の封止材で構成され、
前記第1のブロック部材は、受け皿状となっている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、
前記加圧部材の上方に第３の接合層を介して設けられた第２の冷却部材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または２に記載の半導体モジュールであって、
前記第１の封止材は、前記バネ部材の上部領域を封止し、
前記第２の封止材は、前記バネ部材の下部領域を封止す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乃至３のいずれか１項に記載の半導体モジュールであって、
前記加圧部材と前記第１の封止材の間に、前記第１の封止材よりも剛性の低いコーティング層を有する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１項に記載の半導体モジュールであって、
前記第２の封止材は前記第１の封止材よりも弾性率が低い材料で構成す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乃至５のいずれか１項に記載の半導体モジュールであって、
前記第２の封止材は、ゲル封止材からなる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６のいずれか１項に記載の半導体モジュールであって、
前記第２の封止材は、導電性を有する微粒子を含む材料であることを特徴とする半導体モジュール。

【請求項8】

請求項２に記載の半導体モジュールであって、
前記第１の接合層、前記第２の接合層及び前記第３の接合層のうちの１つは金属粒子を焼結させた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9】

第１の冷却部材の上方に第１の接合層を介して半導体素子を配置する工程と、
前記半導体素子の上方に第２の接合層を介して加圧部材を配置する工程と、
モールド金型によって前記加圧部材に圧力を加える工程と、
加熱により、前記第１の接合層及び前記第２の接合層に含まれる金属を焼結する工程と、
モールド金型内に第１の封止材を充填する工程と、を有し、
前記加圧部材は、
第１のブロック部材と、
前記第１のブロック部材の上方に設けられた第２のブロック部材と、
前記第１のブロック部材と前記第２のブロック部材の間の領域に設けられたバネ部材及び封止材で構成され、
前記第１のブロック部材は、受け皿状となっていることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。

【請求項10】

請求項９に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
前記加圧部材を配置する工程の後であって、前記加圧部材に圧力を加える工程の前に、 前記加圧部材の上方に第３の接合層を介して第２の冷却部材を配置する工程を有することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。

【請求項11】

請求項９または１０に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
前記金属を焼結する工程の後であって、前記第１の封止材を充填する工程の前に、
前記加圧部材の表面に、前記第１の封止材よりも剛性の低いコーティング層を設ける工程を有する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、半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ハイブリッド自動車や鉄道用途を中心として、インバータなどの電力制御機器に用いられるパワーモジュールの市場拡大が続いている。環境保護や省エネに対する意識の高まりを背景として、パワーモジュールには、さらなる高効率化が求められている。しかし、従来のSiを用いたパワーモジュールの性能は限界に近づいており、より高効率なSiCを用いた次世代パワーモジュールの開発が進められている。SiCパワーモジュールでは２００℃以上の高温動作が可能となり、大幅な小型・軽量化が実現できるメリットがある。

【0003】

２００℃以上の高温環境下では、従来チップ接合材として使用されてきた鉛フリーはんだは、再溶融の問題から使用できない。また、現在はRoHS（Restriction of Hazardous Substances）指令から除外されている鉛含有率８５%以上の高融点はんだは、将来的にRoHSの対象項目となることが予想され、代替材料の開発が急務である。これらの代替材料として、ナノやマイクロメートルオーダーの金属粒子を焼結させた焼結金属材料が期待されており、焼結銀や焼結銅による接合に関して開発が進められている。焼結金属による接合層は、例えば特許文献１に示すように内部に空孔を含んだ多孔質構造となる。

【0004】

パワーモジュールは例えば特許文献２に示すように、Siチップに電極を接合材で接続し、周辺をモールド樹脂で封止した構造が一般的である。また、特許文献３では、モールド樹脂が充てんされるパワーモジュールの定寸管理を実現するために、半導体素子の上下位置に弾性変形し得るバネ部材を設けた構造が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１６−１６９４１１号公報

【特許文献2】特開２０１１―７７４６４号公報

【特許文献3】特開２０１３―６２４８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献２、３のように、周辺をモールド樹脂で封止した構造において焼結金属による接合を行い、パワーモジュールを稼働させると、半導体素子の発熱によって半導体素子周辺の部材が熱膨張することで圧縮応力が発生する。この際の圧縮応力や熱により、焼結金属層内部の空孔のつぶれや焼結の進行が起こり、焼結金属層が緻密化し、焼結金属層の厚さが初期状態よりも減少する。この状態からパワーモジュールが冷却されると、焼結金属層が初期状態よりも縮もうとするが、周辺をモールド樹脂で封止している場合、厚さ方向の変形が拘束された状態であるため、焼結金属層と半導体素子との界面で引張応力が発生する。この引張応力によって、半導体素子と焼結金属層の界面で剥離する従来のはんだ材にはなかった新たな問題が生じる。この問題を解決するためには、焼結金属層の厚さ変化に半導体素子を追従させる必要がある。
特許文献３では、チップの上下位置に弾性変形し得るバネ部材が設けられているが、バネ部材の周辺を比較的高弾性なモールド樹脂で封止しているため、稼働中の焼結金属層の厚さ変化に対して十分に追従することができない可能性がある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、代表的な本発明の半導体モジュールの一つは、第１の冷却部材と、前記第１の冷却部材の上方に第１の接合層を介して設けられた半導体素子と、前記半導体素子の上方に第２の接合層を介して設けられた加圧部材と、前記第１の冷却部材の上方であって、前記半導体素子及び前記加圧部材の側面方向に位置する領域を封止する第１の封止材を有し、前記加圧部材は、第１のブロック部材と、前記第１のブロック部材の上方に設けられた第２のブロック部材と、前記第１のブロック部材と前記第２のブロック部材の間の領域に設けられた弾性部材及び第２の封止材で構成することで達成される。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、半導体モジュール稼働時に発生する焼結金属層の緻密化によって生じる半導体素子と接合層との界面における剥離を抑制することが可能な半導体モジュールを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。

【図6】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能ある。

【実施例1】

【0011】

図１を参照して、本実施例の半導体モジュールについて説明する。図１は両面冷却型の半導体モジュールの要部断面図であり、上下の冷却層７ａ、７ｂの間に実装された半導体素子１の配線構造を示している。

【0012】

本実施例で示す半導体モジュール１００は、第１の配線層５a、第１の接合層２a、半導体素子１、第２の接合層２ｂ、第１のブロック部材８a、バネ部材１０、第２のブロック部材８ｂ、第２の配線層５ｂを備える積層構造となっている。第１のブロック部材８ａと第２のブロック部材８ｂの間には第２の封止材９が封止されている。第１のブロック部材８ａ、第２の封止材９、バネ部材１０、第２のブロック部材８ｂにより加圧部材３０が構成されている。第１の配線層５ａの下層（外側）には絶縁部材５ａを介して冷却層７ａが設けられている。第２の配線層５ｂの上層（外側）には絶縁部材６ｂを介して冷却層７ｂが設けられている。第１の配線層５ａ、第１の絶縁層６ａ、第１の冷却層７ａにより第１の冷却部材２０ａが構成され、第２の配線層５ｂ、第２の絶縁層６ｂ、第２の冷却層７ｂにより第２の冷却部材２０ｂが構成されている。

【0013】

なお、積層構造はこれに限定されるものではなく、例えば図２に示すように、第３の接合層２ｃと第２の冷却部材２０ｂを含まない、片面冷却型の半導体モジュールの構成でもよい。

【0014】

第１の配線層５ａ、第２の配線層５ｂ、第１のブロック部材８ａ、第２のブロック部材８ｂは、銅（Cu）やアルミニウム（Al）等の導電材料により構成されている。また、第１の接合層２a、第２の接合層２ｂ、第３の接合層２cは、はんだや焼結銀、焼結銅、焼結金などの接合材料により構成され、そのうち少なくとも一つの接合層は焼結銀、焼結銅、焼結金などの焼結金属接合材料によって構成される。半導体素子１は、SiやSiC、窒化ガリウム（GaN）などの半導体材料により構成されている。第１の封止材４には、一般的に、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂とシリカフィラーからなる、絶縁材料が用いられる。絶縁部材６ａ、６ｂは、窒化アルミニウム（AlN）や窒化シリコン（SiN）、酸化アルミニウム（Al_２O_３）、樹脂シートなどの絶縁材料によって構成される。冷却層７ａ、７ｂは、Al、Cuなどの熱伝導率の高い材料によって構成される。
半導体モジュールを高温で動作させる場合、半導体素子１は、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体が好ましく、接合層は融点が高く高耐熱な焼結銀や焼結銅によって構成されることが好ましい。また、接合層を焼結銅、配線層およびブロック部材をCuによって構成することで、部材間の線膨脹係数差が無くなりひずみが低減されるため、より好適である。

【0015】

バネ部材１０は、導電性の金属材料により形成されており、積層方向に伸縮し大きく弾性変形することが可能な構造（ジグザグ状、板バネ状、皿バネ状、スプリング状、ポーラス状、スポンジ状、ハニカム構造など）の構造を有している。これらの構造は単体であっても複数存在していても良い。スプリングはマイクロスプリング、ナノスプリングであっても良い。第２の封止材９は、少なくとも第１の封止材４とは異なる材料で構成される。この際に、第２の封止材９は、第１の封止材４よりも弾性率が低い材質で構成されることが好ましい。また、第２の封止材９は、バネ部材１０の変形を妨げないように、第２の封止材９が部材８ａ、８ｂ間に充填された際のバネ部材１０の寄与を除いた厚さ方向の剛性
が、バネ部材１０よりも低い材質で構成されることが好ましい。第２の封止材９としては、例えばシリコーンゲルなどのゲル封止材が好適である。また、熱伝導性、導電性を向上させるために、銀（Ag）、ニッケル（Ni）、カーボン等の導電性を有する微粒子を第２の封止材９の中に分散させると、圧縮時に微粒子が接触することで導電性、熱伝導性が向上し好適である。また、シリコーンゲルのような流動性の高い材料を封止材として用いる場合は、流出を防ぐために図３に示すように第１のブロック部材８ａが受け皿状の構造とすることで流出を防ぐことが可能である。

【0016】

また、図４に示すように、バネ部材１０の下部領域のみを第２の封止材９で充填することで、第２の封止材９によりバネ部材全体を封止することが難しい場合も、相応の効果が得られる。このとき、バネ部材１０の上部領域は第１の封止材４で充填する。

【0017】

また、図５に示すように、周辺に第１の封止材４やバネ部材１０よりも剛性の低いコーティング層１１を設けることで、半導体素子１が焼結金属層の厚さ変化に追従しやすくなるため、より好適である。コーティング層１１としては、半導体用のコーティング剤として一般的に用いられる熱可塑性の樹脂材を用いることができる。

【0018】

このような構成とすることで、焼結金属層が半導体モジュールの稼働中に緻密化し、焼結金属層の厚さが減少した場合においても周辺を低弾性材料で囲まれたバネ部材がこれに追従することができるため、半導体素子１と接合層の界面の剥離を抑制することが可能となる。また、半導体素子１の上部構造の剛性が低下することにより、第２の接合層２ｂに発生するひずみを低減する効果がある。また、常に接合層に圧縮応力がかかった状態となるため接合層のき裂の進展を防ぐ効果が得られる。

【実施例2】

【0019】

図１および図６を参照して、本実施例の半導体モジュールの製造方法について説明する。
なお図１及び図６は便宜上、半導体素子が一つの場合を示しているが、複数個であっても良い。また、便宜上、詳細な構造については省略している。

【0020】

まず、図６(ａ)に示すように、第１の冷却部材２０ａ上に半導体素子１が第１の接合層２ａを介して配置される。次に、図６(b)に示すように、半導体素子１上に既に成形ずみの加圧部材３０が第２の接合層２ｂを介して配置される。第１の接合層２ａ及び第２の接合層２ｂは焼結銀、焼結銅、焼結金などの焼結金属によって構成される。次に、加圧部材３０上に、第３の接合層２ｃを介して第２の冷却部材２０ｂが配置される。第３の接合層２ｃは、はんだ材もしくは焼結銀、焼結銅、焼結金などの焼結金属によって構成される。

【0021】

次に、図６(c)に示すように、モールド金型５０が半導体モジュール１００の上下に配置される。このとき、半導体モジュールの高さ方向寸法は金型の内部高さ寸法より大きく設定されており、金型を型締する際の圧力によって加圧部材が圧縮される。この状態で温度を焼結金属が焼結するために必要な温度まで上げることで焼結接合が実施される。焼結接合が完了した後に、図６(d)に示すように、従来のトランスファーモールド工程を実施することで、第１の封止材を金型内に充填し、熱硬化を行う。上記のような工程とすることで、焼結金属による接合の際に、専用の加圧装置を用いることなく加圧接合を実現することが可能となり、焼結金属の接合強度を向上できる。

【0022】

ここで、成形ずみの加圧部材３０は、第１のブロック部材と、第１のブロック部材の上方に設けられた第２のブロック部材と、第１のブロック部材と第２のブロック部材の間の領域に設けられたバネ部材及び封止材で構成する。

【0023】

なお、焼結接合工程の後であって、第１の封止材の充填工程の前に、加圧部材の外側に、第１の封止材よりも剛性の低いコーティング層を設ける工程を入れても良い。

【0024】

なお、上記した実施例は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

【符号の説明】

【0025】

１…半導体素子、２a…第１の接合層、２b…第２の接合層、２c…第３の接合層、
４…第１の封止材、５a…第１の配線層、５b…第２の配線層、
６a…第１の絶縁層、６b…第２の絶縁層、７a…第１の冷却層、７b…第２の冷却層、
８a…第１のブロック部材、８b…第２のブロック部材、９…第２の封止材、
１０…バネ部材、１１…コーティング層、２０a、２０ｂ…冷却部材、
３０…加圧部材、５０…モールド金型、１００…半導体モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】