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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024055419
(43)【公開日】2024-04-18
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 23/36 20060101AFI20240411BHJP
H01L 25/07 20060101ALI20240411BHJP
【ＦＩ】
H01L23/36 D
H01L25/04 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022162341
(22)【出願日】2022-10-07
(71)【出願人】
【識別番号】000004455
【氏名又は名称】株式会社レゾナック
(74)【代理人】
【識別番号】100104880
【弁理士】
【氏名又は名称】古部 次郎
(74)【代理人】
【識別番号】100125346
【弁理士】
【氏名又は名称】尾形 文雄
(74)【代理人】
【識別番号】100173598
【弁理士】
【氏名又は名称】高梨 桜子
(72)【発明者】
【氏名】南 和彦
(72)【発明者】
【氏名】平野 智哉
(72)【発明者】
【氏名】中子 偉夫
(72)【発明者】
【氏名】石川 大
【テーマコード（参考）】
5F136
【Ｆターム（参考）】
5F136BA03
5F136BB04
5F136BC03
5F136BC06
5F136DA27
5F136FA02
5F136FA03
5F136FA33
5F136FA34
5F136FA52
5F136FA62
5F136FA74
5F136GA32
(57)【要約】 （修正有）
【課題】半導体素子が積載されている部位とこの部位の周囲とを含む領域以外にも焼結体が設けられている場合と比べて、半導体素子から発生した熱の放熱効率の低下を抑制しながら、焼結体の量を低減する半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１は、一方の面に半導体素子１３が積載された基板と、平板状のベース部２１を有し、ベース部２１が基板の他方の面に積層されたヒートシンク２０と、基板とヒートシンク２０との積層方向から見て基板に半導体素子１３が積載されている部位とこの部位の周囲とからなる素子領域において、基板の他方の面とヒートシンク２０のベース部２１とを接合する焼結体部３１と、を備える。基板の他方の面とヒートシンク２０のベース部２１との間における素子領域以外の領域には、焼結体部は設けられていない。
【選択図】図４
【解決手段】半導体装置１は、一方の面に半導体素子１３が積載された基板と、平板状のベース部２１を有し、ベース部２１が基板の他方の面に積層されたヒートシンク２０と、基板とヒートシンク２０との積層方向から見て基板に半導体素子１３が積載されている部位とこの部位の周囲とからなる素子領域において、基板の他方の面とヒートシンク２０のベース部２１とを接合する焼結体部３１と、を備える。基板の他方の面とヒートシンク２０のベース部２１との間における素子領域以外の領域には、焼結体部は設けられていない。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
一方の面に半導体素子が積載された基板と、
平板状のベース部を有し、当該ベース部が前記基板の他方の面に積層されたヒートシンクと、
前記基板と前記ヒートシンクとの積層方向から見て当該基板に前記半導体素子が積載されている部位と当該部位の周囲とからなる素子領域において、当該基板の前記他方の面と当該ヒートシンクの前記ベース部とを接合する焼結体とを備え、
前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域には、前記焼結体が設けられていない半導体装置。
平板状のベース部を有し、当該ベース部が前記基板の他方の面に積層されたヒートシンクと、
前記基板と前記ヒートシンクとの積層方向から見て当該基板に前記半導体素子が積載されている部位と当該部位の周囲とからなる素子領域において、当該基板の前記他方の面と当該ヒートシンクの前記ベース部とを接合する焼結体とを備え、
前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域には、前記焼結体が設けられていない半導体装置。
【請求項2】
前記積層方向から見た場合に、前記半導体素子の周縁から前記焼結体の周縁までの距離が、前記基板の厚さ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記積層方向から見た場合に、前記素子領域に重なる前記焼結体の面積が、前記半導体素子の面積の１．１倍以上５．０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域は、接合されていないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域が、はんだ合金により接合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域が、樹脂または樹脂を含む複合材料により接合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、金属ペーストの焼結体を用いて、ダイパッドに対して半導体チップを接合する技術が開示されている。
特許文献２には、第一の部材と第二の部材とを銅焼結体により接続する部材接続方法が開示されている。この部材接続方法では、各部材の接続領域に対して、銅ペーストの塗膜を、塗膜が形成される塗膜形成領域と塗膜が形成されない塗膜非形成領域とからなる印刷パターンを用いて形成する。
特許文献２には、第一の部材と第二の部材とを銅焼結体により接続する部材接続方法が開示されている。この部材接続方法では、各部材の接続領域に対して、銅ペーストの塗膜を、塗膜が形成される塗膜形成領域と塗膜が形成されない塗膜非形成領域とからなる印刷パターンを用いて形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２０－１７６７１号公報
【特許文献2】特開２０２０－４４４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
半導体装置では、半導体素子が積載された基板と、半導体素子から生じた熱を放熱するヒートシンクとを、金属粒子を焼結させた焼結体を用いて接合する場合がある。このような半導体装置では、基板とヒートシンクとの間の領域全体を焼結体により接合すると、接合に用いる焼結体が多くなり、半導体装置のコスト上昇につながる。その一方で、基板とヒートシンクとの間の領域のうち一部の領域のみを焼結体により接合すると、基板に積載された半導体素子と焼結体との位置関係等によっては、半導体素子から発生した熱がヒートシンクへ伝導されにくくなり、ヒートシンクによる放熱効率が低下するおそれがある。
【0005】
本発明は、半導体素子が積載されている部位とこの部位の周囲とを含む領域以外にも焼結体が設けられている場合と比べて、半導体素子から発生した熱の放熱効率の低下を抑制しながら、焼結体の量を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明によれば、下記（１）～（６）に係る発明が提供される。
（１）一方の面に半導体素子（半導体素子１３）が積載された基板（絶縁性基板１１）と、
平板状のベース部（ベース部２１）を有し、当該ベース部が前記基板の他方の面に積層されたヒートシンク（ヒートシンク２０）と、
前記基板と前記ヒートシンクとの積層方向から見て当該基板に前記半導体素子が積載されている部位（Ｓ１）と当該部位の周囲（Ｓ２）とからなる素子領域（素子領域Ｓ）において、当該基板の前記他方の面と当該ヒートシンクの前記ベース部とを接合する焼結体（焼結体部３１）とを備え、
前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域には、前記焼結体が設けられていない半導体装置。
（２）前記積層方向から見た場合に、前記半導体素子の周縁から前記焼結体の周縁までの距離が、前記基板の厚さ以上であることを特徴とする（１）に記載の半導体装置。
（３）前記積層方向から見た場合に、前記素子領域に重なる前記焼結体の面積が、前記半導体素子の面積の１．１倍以上５．０倍以下であることを特徴とする（１）に記載の半導体装置。
（４）前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域は、接合されていないことを特徴とする（１）～（３）のいずれかに記載の半導体装置。
（５）前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域が、はんだ合金（はんだ部３３）により接合されていることを特徴とする（１）～（３）のいずれかに記載の半導体装置。
（６）前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域が、樹脂または樹脂を含む複合材料（樹脂部３５）により接合されていることを特徴とする（１）～（３）のいずれかに記載の半導体装置。
（１）一方の面に半導体素子（半導体素子１３）が積載された基板（絶縁性基板１１）と、
平板状のベース部（ベース部２１）を有し、当該ベース部が前記基板の他方の面に積層されたヒートシンク（ヒートシンク２０）と、
前記基板と前記ヒートシンクとの積層方向から見て当該基板に前記半導体素子が積載されている部位（Ｓ１）と当該部位の周囲（Ｓ２）とからなる素子領域（素子領域Ｓ）において、当該基板の前記他方の面と当該ヒートシンクの前記ベース部とを接合する焼結体（焼結体部３１）とを備え、
前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域には、前記焼結体が設けられていない半導体装置。
（２）前記積層方向から見た場合に、前記半導体素子の周縁から前記焼結体の周縁までの距離が、前記基板の厚さ以上であることを特徴とする（１）に記載の半導体装置。
（３）前記積層方向から見た場合に、前記素子領域に重なる前記焼結体の面積が、前記半導体素子の面積の１．１倍以上５．０倍以下であることを特徴とする（１）に記載の半導体装置。
（４）前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域は、接合されていないことを特徴とする（１）～（３）のいずれかに記載の半導体装置。
（５）前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域が、はんだ合金（はんだ部３３）により接合されていることを特徴とする（１）～（３）のいずれかに記載の半導体装置。
（６）前記基板の前記他方の面と前記ヒートシンクの前記ベース部との間における前記素子領域以外の領域が、樹脂または樹脂を含む複合材料（樹脂部３５）により接合されていることを特徴とする（１）～（３）のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、半導体素子が積載されている部位とこの部位の周囲とを含む領域以外にも焼結体が設けられている場合と比べて、半導体素子から発生した熱の放熱効率の低下を抑制しながら、焼結体の量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施形態１が適用される半導体装置の構成の一例を示す図である。
【図4】実施形態１が適用される半導体装置における接合層を、半導体モジュールが積載される側から見た図である。
【図5】半導体素子とそれぞれの焼結体部との関係を説明する半導体装置の断面図である。
【図6】（ａ）～（ｃ）は、半導体装置の製造方法の一例を説明する図である。
【図7】実施形態２が適用される半導体装置の構成の一例を示す図であって、半導体装置を積層方向に沿って切断した断面の一例を示す図である。
【図8】実施形態２が適用される半導体装置における接合層を、半導体モジュールが積載される側から見た図である。
【図9】実施形態３が適用される半導体装置の構成の一例を示す図であって、半導体装置を積層方向に沿って切断した断面の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
［実施形態１］
（半導体装置１）
図１は、実施形態１が適用される半導体装置１の構成の一例を示す図である。
図２は、半導体装置１の構成の一例を示す図であって、半導体装置１を図１のII部で切断した断面の一例を示す図である。
図３は、半導体装置１の構成の一例を示す図であって、半導体装置１を図２のIII方向から見た図である。
［実施形態１］
（半導体装置１）
図１は、実施形態１が適用される半導体装置１の構成の一例を示す図である。
図２は、半導体装置１の構成の一例を示す図であって、半導体装置１を図１のII部で切断した断面の一例を示す図である。
図３は、半導体装置１の構成の一例を示す図であって、半導体装置１を図２のIII方向から見た図である。
【0010】
本実施形態に係る半導体装置１は、半導体モジュール１０と、半導体モジュール１０から伝導された熱を放熱するヒートシンク２０と、半導体モジュール１０とヒートシンク２０とを接合する接合層３０とを備えている。付言すると、半導体装置１では、半導体モジュール１０とヒートシンク２０とが、接合層３０を介して積層されている。以下では、半導体装置１において接合層３０を介して半導体モジュール１０とヒートシンク２０とが積層される方向（図２における上下方向）を、単に積層方向と表記する場合がある。
図示は省略するが、本実施形態の半導体装置１は、例えば冷却液が流通する内部空間を有するケースに対し、ヒートシンク２０の後述するフィン２２が冷却液に接触するように取り付けられて使用される。これにより、半導体モジュール１０で発生し、接合層３０を介してヒートシンク２０へ伝導した熱が、冷却液によって放熱される。
図示は省略するが、本実施形態の半導体装置１は、例えば冷却液が流通する内部空間を有するケースに対し、ヒートシンク２０の後述するフィン２２が冷却液に接触するように取り付けられて使用される。これにより、半導体モジュール１０で発生し、接合層３０を介してヒートシンク２０へ伝導した熱が、冷却液によって放熱される。
【0011】
半導体モジュール１０は、基板の一例としての絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１の一方の面（図２における上側の面）に積載された複数（この例では４個）の半導体素子１３と、絶縁性基板１１の一方の面とそれぞれの半導体素子１３とを接合する素子接合層１５と、を備えている。
【0012】
絶縁性基板１１は、半導体素子１３とヒートシンク２０とを絶縁する絶縁層１１１と、絶縁層１１１の一方の面（図２における上側の面）に形成され、それぞれの半導体素子１３に電力を供給するための配線を含む配線層１１２と、絶縁層１１１の他方の面（図２における下側の面）に形成され、半導体素子１３から発生した熱をヒートシンク２０へ伝導する伝熱層１１３とを備えている。
【0013】
絶縁層１１１としては、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなるセラミック基板を用いることができる。絶縁層１１１の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲を例示することができる。
【0014】
配線層１１２は、絶縁層１１１の一方の面における予め定められた領域に形成され、半導体素子１３に電力を供給するための配線を構成する。
伝熱層１１３は、絶縁層１１１の他方の面における略全面を覆うように形成される。
配線層１１２および伝熱層１１３は、金属層からなる。配線層１１２および伝熱層１１３に用いられる金属としては、銅、ニッケル、銀、パラジウム、金、白金、鉛、コバルト、錫、アルミニウム、あるいはこれらから選ばれた２種以上の金属の合金が挙げられ、好ましくは、銅、ニッケル、銀、パラジウム、金、あるいはこれらから選ばれた２種以上の金属の合金であり、より好ましくは、銅、ニッケル、銀である。また、配線層１１２と伝熱層１１３とは、同種の金属から構成されていてもよく、異なる種類の金属から構成されていてもよい。
配線層１１２および伝熱層１１３の厚さは、例えば、０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲を例示することができる。
伝熱層１１３は、絶縁層１１１の他方の面における略全面を覆うように形成される。
配線層１１２および伝熱層１１３は、金属層からなる。配線層１１２および伝熱層１１３に用いられる金属としては、銅、ニッケル、銀、パラジウム、金、白金、鉛、コバルト、錫、アルミニウム、あるいはこれらから選ばれた２種以上の金属の合金が挙げられ、好ましくは、銅、ニッケル、銀、パラジウム、金、あるいはこれらから選ばれた２種以上の金属の合金であり、より好ましくは、銅、ニッケル、銀である。また、配線層１１２と伝熱層１１３とは、同種の金属から構成されていてもよく、異なる種類の金属から構成されていてもよい。
配線層１１２および伝熱層１１３の厚さは、例えば、０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲を例示することができる。
【0015】
このような絶縁性基板１１としては、セラミックからなる絶縁層１１１の一方の面および他方の面に、銅からなる配線層１１２および伝熱層１１３を接合したＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄ）基板や、セラミック基板からなる絶縁層１１１の両面にアルミニウムからなる配線層１１２および伝熱層１１３を接合したＤＡＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｂｏｎｄ）基板を例示することができる。
なお、絶縁性基板１１は、全体として半導体素子１３とヒートシンク２０とを絶縁することが可能であれば、配線層１１２および伝熱層１１３のように導電性を有する層を含んでいてもよい。
なお、絶縁性基板１１は、全体として半導体素子１３とヒートシンク２０とを絶縁することが可能であれば、配線層１１２および伝熱層１１３のように導電性を有する層を含んでいてもよい。
【0016】
半導体素子１３は、絶縁性基板１１の一方の面に形成された配線層１１２上に設けられている。本実施形態では、絶縁性基板１１の配線層１１２上に、直交する第１の方向（図２、図３における左右方向）と第２の方向（図３における上下方向）とに２個ずつ、合計４個の半導体素子１３が、間隙をあけて並んで設けられている。
半導体素子１３は、例えば、電力制御に用いられるトランジスタ、サイリスタ、ダイオード等のパワー半導体である。半導体素子１３の材質は、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）を例示することができる。
本実施形態では、それぞれの半導体素子１３は、全体として直方体状の形状を有している。なお、図示は省略するが、半導体素子１３には、モータやコンピュータ装置等の他の装置に電力を供給するための端子等が設けられていてもよい。
半導体素子１３は、例えば、電力制御に用いられるトランジスタ、サイリスタ、ダイオード等のパワー半導体である。半導体素子１３の材質は、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）を例示することができる。
本実施形態では、それぞれの半導体素子１３は、全体として直方体状の形状を有している。なお、図示は省略するが、半導体素子１３には、モータやコンピュータ装置等の他の装置に電力を供給するための端子等が設けられていてもよい。
【0017】
素子接合層１５は、絶縁性基板１１の表面に形成された配線層１１２とそれぞれの半導体素子１３とを接合する。素子接合層１５としては、配線層１１２と半導体素子１３とを電気的に接続可能なものであれば特に限定されない。素子接合層１５を介して絶縁性基板１１（配線層１１２）と半導体素子１３とを接合する手法としては、はんだ付け、ろう付け、焼結等を例示することができる。なお、この例では、それぞれの半導体素子１３は、個別の素子接合層１５を介して絶縁性基板１１に接合されているが、複数（４個）の半導体素子１３が、共通する１つの素子接合層１５を介して絶縁性基板１１に接合されていてもよい。
【0018】
ヒートシンク２０は、平板状のベース部２１と、ベース部２１から突出する複数のフィン２２とを備えている。
ベース部２１は、直交する第１の方向（図２、図３における左右方向）と第２の方向（図３における上下方向）とを有する矩形状の部材である。ベース部２１は、複数のフィン２２が突出する表面２１１と、接合層３０を介して半導体モジュール１０と対向する裏面２１２とを有している。この例では、ベース部２１の面積は、半導体モジュール１０における絶縁性基板１１の面積と比べて大きい。
なお、以下の説明では、ヒートシンク２０のベース部２１における第１の方向および第２の方向を、単に第１の方向および第２の方向と表記する場合がある。
ベース部２１は、直交する第１の方向（図２、図３における左右方向）と第２の方向（図３における上下方向）とを有する矩形状の部材である。ベース部２１は、複数のフィン２２が突出する表面２１１と、接合層３０を介して半導体モジュール１０と対向する裏面２１２とを有している。この例では、ベース部２１の面積は、半導体モジュール１０における絶縁性基板１１の面積と比べて大きい。
なお、以下の説明では、ヒートシンク２０のベース部２１における第１の方向および第２の方向を、単に第１の方向および第２の方向と表記する場合がある。
【0019】
ヒートシンク２０のそれぞれのフィン２２は、ベース部２１の表面２１１からベース部２１の板面に直交する方向に突出する。それぞれのフィン２２は、ベース部２１の板面に直交する方向およびベース部２１の第２の方向に延びる平板状の部材である。それぞれのフィン２２は、ベース部２１の表面２１１に対し第１の方向に間隙を挟んで並んで配置されている。
また、ヒートシンク２０は、ベース部２１の裏面２１２に対して、接合層３０により半導体モジュール１０の絶縁性基板１１が接合されている。
また、ヒートシンク２０は、ベース部２１の裏面２１２に対して、接合層３０により半導体モジュール１０の絶縁性基板１１が接合されている。
【0020】
ヒートシンク２０の材質は、特に限定されないが、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金であることを例示することができる。また、ヒートシンク２０、特にヒートシンク２０におけるベース部２１の裏面２１２には、銀めっきや金めっき等のめっき層が形成されていてもよい。ベース部２１の裏面２１２にこれらのめっき層が形成されることで、接合層３０を介した半導体モジュール１０の絶縁性基板１１との接合強度を高めることができる。
なお、ヒートシンク２０の形状は、接合層３０を介して絶縁性基板１１に接合される面を有し、この接合される面が金属からなり、半導体モジュール１０から伝導された熱を放熱する機能を備えていれば、平板状のベース部２１と、ベース部２１から突出する平板状のフィン２２とを有する上述した形態に限定されない。ヒートシンク２０は、例えば、内部に冷却液を流通させることが可能な空間を有する、全体として箱状の形状であってもよい。また、ヒートシンク２０において、絶縁性基板１１が接合される面に用いられる金属としては、銅、ニッケル、銀、パラジウム、金、白金、鉛、コバルト、錫、アルミニウム、あるいはこれらから選ばれた２種以上の金属の合金が挙げられ、好ましくは、銅、ニッケル、銀、パラジウム、金、あるいはこれらから選ばれた２種以上の金属の合金であり、より好ましくは、銅、ニッケル、銀である。
なお、ヒートシンク２０の形状は、接合層３０を介して絶縁性基板１１に接合される面を有し、この接合される面が金属からなり、半導体モジュール１０から伝導された熱を放熱する機能を備えていれば、平板状のベース部２１と、ベース部２１から突出する平板状のフィン２２とを有する上述した形態に限定されない。ヒートシンク２０は、例えば、内部に冷却液を流通させることが可能な空間を有する、全体として箱状の形状であってもよい。また、ヒートシンク２０において、絶縁性基板１１が接合される面に用いられる金属としては、銅、ニッケル、銀、パラジウム、金、白金、鉛、コバルト、錫、アルミニウム、あるいはこれらから選ばれた２種以上の金属の合金が挙げられ、好ましくは、銅、ニッケル、銀、パラジウム、金、あるいはこれらから選ばれた２種以上の金属の合金であり、より好ましくは、銅、ニッケル、銀である。
【0021】
接合層３０は、金属粒子を焼結させた焼結体からなる複数（この例では４個）の焼結体部３１を有する。それぞれの焼結体部３１は、積層方向から見た場合に、絶縁性基板１１の一方の面に積載された半導体素子１３と重なるように設けられている。なお、接合層３０の焼結体部３１と半導体素子１３との位置関係等については、後段にて詳細に説明する。
【0022】
焼結体部３１を構成する焼結体は、例えば、絶縁性基板１１とヒートシンク２０との間に、金属粒子を分散させた金属ペーストを塗布し、焼結することで得られる。また、焼結体部３１を構成する焼結体は、例えば、絶縁性基板１１とヒートシンク２０との間に、金属粒子を含むシート状の接合用シートを積層し、焼結することで得られる。金属ペーストや接合用シートを焼結して焼結体を得る焼結方法としては、無加圧焼結、加圧焼結、通電焼結等を例示することができる。なお、接合層３０を形成する手順、および焼結体部３１の形成に用いる金属ペーストや接合用シートについては、後段にて詳細に説明する。
【0023】
焼結体部３１を構成する焼結体に用いる金属粒子としては、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、銅と銀との合金（Ｃｕ－Ａｇ）から選択された金属の粒子を用いることができる。また、金属粒子としては、例えば、表面を銀で被覆した銅からなる粒子を用いてもよい。これらの金属粒子の中でも、銅粒子を用いることが好ましい。焼結体を形成する金属粒子として銅粒子を用いることで、焼結体部３１を介した半導体モジュール１０とヒートシンク２０との間の伝熱性を向上させることができる。
また、焼結体部３１を構成する焼結体は、金属間化合物、無機化合物、樹脂等の金属以外の成分を含んでいてもよい。
また、焼結体部３１を構成する焼結体は、金属間化合物、無機化合物、樹脂等の金属以外の成分を含んでいてもよい。
【0024】
接合層３０の厚さ、言い換えると、それぞれの焼結体部３１の厚さは、１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲を例示することができる。焼結体部３１の厚さが１０μｍ未満である場合、焼結体部３１による半導体モジュール１０とヒートシンク２０との接合強度が不十分となる場合がある。また、焼結体部３１の厚さが５００μｍを超える場合、焼結体部３１を介した半導体モジュール１０からヒートシンク２０への伝熱性が低下しやすい。この場合、半導体モジュール１０の半導体素子１３で発生した熱の放熱効率が低下するおそれがある。
なお、焼結体部３１の厚さは、５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲が好ましく、６０μｍ以上１８０μｍ以下の範囲がより好ましい。
なお、焼結体部３１の厚さは、５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲が好ましく、６０μｍ以上１８０μｍ以下の範囲がより好ましい。
【0025】
焼結体部３１を構成する焼結体は、焼結により溶融した金属粒子同士が連結した構造を有している。また、焼結体部３１を構成する焼結体は、金属粒子間に微細な間隙が形成されていることが好ましい。焼結体の金属粒子間に間隙が形成されることで、焼結体部３１に生じた内部応力が緩和されやすくなる。
焼結体部３１を構成する焼結体における金属の緻密度は、４０体積％以上９５体積％以下の範囲を例示することができ、５０体積％以上９５体積％以下の範囲であることが好ましく、６０体積％以上９５体積％以下の範囲であることがより好ましい。焼結体部３１を構成する焼結体における金属の緻密度が上記範囲を満たすことで、焼結体部３１を介した半導体モジュール１０がとヒートシンク２０との伝熱性と、焼結体部３１による内部応力の緩和とを両立しやすくなる。
焼結体部３１を構成する焼結体における金属の緻密度は、４０体積％以上９５体積％以下の範囲を例示することができ、５０体積％以上９５体積％以下の範囲であることが好ましく、６０体積％以上９５体積％以下の範囲であることがより好ましい。焼結体部３１を構成する焼結体における金属の緻密度が上記範囲を満たすことで、焼結体部３１を介した半導体モジュール１０がとヒートシンク２０との伝熱性と、焼結体部３１による内部応力の緩和とを両立しやすくなる。
【0026】
焼結体における金属の緻密度は、焼結体の体積と、精密天秤で測定した焼結体の質量とを測定し、この体積と質量から、焼結体の見かけの密度Ｍ１（ｇ／ｃｍ３）を求める。続いて、求めた見かけの密度Ｍ１と、焼結体に用いた金属の理論密度Ｍｘ（例えば銅粒子の場合は、銅の理論密度８．９６ｇ／ｃｍ３）とを用いて、下記式（１）から焼結体における金属の緻密度（体積％）が求められる。
焼結体における金属の緻密度（体積％）＝［（Ｍ１）／（Ｍｘ）］×１００・・・（１）
焼結体における金属の緻密度（体積％）＝［（Ｍ１）／（Ｍｘ）］×１００・・・（１）
【0027】
図４は、実施形態１が適用される半導体装置１（図１等参照）における接合層３０を、半導体モジュール１０（図１等参照）が積載される側（図２における上側）から見た図である。付言すると、図４は、図３に示した半導体装置１から半導体モジュール１０を省略した図に対応する。図４では、半導体モジュール１０において、絶縁性基板１１（図３等参照）に半導体素子１３が積載されている位置を、破線で示している。
また、図５は、半導体素子１３とそれぞれの焼結体部３１との関係を説明する半導体装置１の断面図であって、図２に示した断面図の拡大図である。
また、図５は、半導体素子１３とそれぞれの焼結体部３１との関係を説明する半導体装置１の断面図であって、図２に示した断面図の拡大図である。
【0028】
図４および図５に示すように、接合層３０のそれぞれの焼結体部３１は、絶縁性基板１１の他方の面とヒートシンク２０のベース部２１との間において、積層方向から見て、絶縁性基板１１の一方の面に積載されている半導体素子１３に重なるように設けられている。
より具体的には、それぞれの焼結体部３１は、積層方向から見て、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１と、半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１の周囲Ｓ２とからなる領域（以下、素子領域Ｓと表記する。）に重なるように設けられている。また、絶縁性基板１１の他方の面とヒートシンク２０のベース部２１との間において、素子領域Ｓ以外の領域には、焼結体部３１が設けられていない。
より具体的には、それぞれの焼結体部３１は、積層方向から見て、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１と、半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１の周囲Ｓ２とからなる領域（以下、素子領域Ｓと表記する。）に重なるように設けられている。また、絶縁性基板１１の他方の面とヒートシンク２０のベース部２１との間において、素子領域Ｓ以外の領域には、焼結体部３１が設けられていない。
【0029】
本実施形態では、素子領域Ｓに焼結体部３１が設けられていることで、半導体素子１３で発生した熱が、焼結体部３１を介してヒートシンク２０へ伝導されやすくなる。これにより、素子領域Ｓに焼結体部３１が設けられていない場合と比べて、半導体装置１において、半導体素子１３で発生した熱のヒートシンク２０による放熱効率が向上する。
【0030】
本実施形態では、焼結体部３１が、積層方向から見て、半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１に加えて、半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１の周囲Ｓ２にも設けられている。これにより、焼結体部３１が、積層方向から見て、半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１のみに設けられている場合と比べて、半導体素子１３で発生した熱が、焼結体部３１を介してヒートシンク２０へ伝導されやすくなる。
【0031】
具体的に説明すると、半導体素子１３で発生した熱は、まず半導体素子１３が積載される一方の面から絶縁性基板１１に伝導される。そして、絶縁性基板１１では、半導体素子１３で発生した熱は、半導体素子１３が積載される一方の面からヒートシンク２０が接合される他方の面に向けて積層方向（図５において上から下に向かう方向）に伝導されるとともに、絶縁性基板１１の面方向（図５における左右方向）にも伝導される。
これにより、絶縁性基板１１では、半導体素子１３で発生した熱が伝導される範囲が、絶縁性基板１１の一方の面から他方の面に向かうに従い広くなる。付言すると、絶縁性基板１１のうちヒートシンク２０が接合される他方の面では、半導体素子１３で発生した熱が、積層方向から見て絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１よりも広い範囲に伝導される。
本実施形態では、上述したように、焼結体部３１が、積層方向から見て、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１の周囲Ｓ２にも設けられている。これにより、絶縁性基板１１において、半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１の周囲Ｓ２に伝導した熱が、焼結体部３１を介してヒートシンク２０へより伝導されやすくなる。
これにより、絶縁性基板１１では、半導体素子１３で発生した熱が伝導される範囲が、絶縁性基板１１の一方の面から他方の面に向かうに従い広くなる。付言すると、絶縁性基板１１のうちヒートシンク２０が接合される他方の面では、半導体素子１３で発生した熱が、積層方向から見て絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１よりも広い範囲に伝導される。
本実施形態では、上述したように、焼結体部３１が、積層方向から見て、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１の周囲Ｓ２にも設けられている。これにより、絶縁性基板１１において、半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１の周囲Ｓ２に伝導した熱が、焼結体部３１を介してヒートシンク２０へより伝導されやすくなる。
【0032】
さらに、本実施形態の接合層３０では、積層方向から見た場合に、それぞれの半導体素子１３の周縁から、この半導体素子１３に重なるように設けられた焼結体部３１の周縁までの距離Ｄ１が、絶縁性基板１１の厚さＤ２以上であることが好ましい。この場合、半導体装置１の断面において、素子結合層１５の周縁下端と焼結体部３１の周縁上端とを結んだ方向と、積層方向と直交する方向（第１の方向および第２方向）とがなす角度θが４５度以下となる。
上述したように、半導体素子１３で発生した熱は、絶縁性基板１１の面方向にも伝導される一方で、半導体素子１３から面方向に離れるほど、伝導される熱の量が少なくなる。そして、絶縁性基板１１において、半導体素子１３で発生した熱の多くは、図５にて斜線で示すように、素子結合層１５の周縁下端と焼結体部３１の周縁上端とを結んだ方向と、積層方向と直交する方向（第１の方向および第２方向）とがなす角度θが４５度となる範囲の内側に伝導される。
本実施形態では、それぞれの半導体素子１３の周縁から焼結体部３１の周縁までの距離Ｄ１が、絶縁性基板１１の厚さＤ２以上であることで、半導体素子１３で発生した熱が、絶縁性基板１１において、焼結体部３１が設けられていない領域に伝導されることが抑制される。これにより、半導体素子１３で発生した熱が、焼結体部３１を介してヒートシンク２０へより伝導されやすくなる。
上述したように、半導体素子１３で発生した熱は、絶縁性基板１１の面方向にも伝導される一方で、半導体素子１３から面方向に離れるほど、伝導される熱の量が少なくなる。そして、絶縁性基板１１において、半導体素子１３で発生した熱の多くは、図５にて斜線で示すように、素子結合層１５の周縁下端と焼結体部３１の周縁上端とを結んだ方向と、積層方向と直交する方向（第１の方向および第２方向）とがなす角度θが４５度となる範囲の内側に伝導される。
本実施形態では、それぞれの半導体素子１３の周縁から焼結体部３１の周縁までの距離Ｄ１が、絶縁性基板１１の厚さＤ２以上であることで、半導体素子１３で発生した熱が、絶縁性基板１１において、焼結体部３１が設けられていない領域に伝導されることが抑制される。これにより、半導体素子１３で発生した熱が、焼結体部３１を介してヒートシンク２０へより伝導されやすくなる。
【0033】
さらにまた、それぞれの焼結体部３１は、積層方向から見た面積が、半導体素子１３を積層方向から見た面積の１．１倍以上５．０倍以下であることが好ましい。
それぞれの焼結体部３１の面積が上述した範囲を満たすことで、それぞれの焼結体部３１の面積が半導体素子１３の面積の１．１倍未満である場合と比べて、半導体素子１３で発生した熱が焼結体部３１を介してヒートシンク２０へ伝導されやすくなり、半導体装置１において、半導体素子１３で発生した熱の放熱効率が向上する。また、それぞれの焼結体部３１の面積が上述した範囲を満たすことで、それぞれの焼結体部３１の面積が半導体素子１３の面積の５．０倍を超える場合と比べて、半導体素子１３から生じた熱による内部応力によって、それぞれの焼結体部３１を構成する焼結体が破損しにくくなる。また、それぞれの焼結体部３１の面積が上述した範囲を満たすことで、それぞれの焼結体部３１の面積が半導体素子１３の面積の５．０倍を超える場合と比べて、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０とを接合するために使用する焼結体の量が少なくなる。
それぞれの焼結体部３１を積層方向から見た面積は、半導体素子１３を積層方向から見た面積の１．３倍以上４．０倍以下であることがより好ましい。
それぞれの焼結体部３１の面積が上述した範囲を満たすことで、それぞれの焼結体部３１の面積が半導体素子１３の面積の１．１倍未満である場合と比べて、半導体素子１３で発生した熱が焼結体部３１を介してヒートシンク２０へ伝導されやすくなり、半導体装置１において、半導体素子１３で発生した熱の放熱効率が向上する。また、それぞれの焼結体部３１の面積が上述した範囲を満たすことで、それぞれの焼結体部３１の面積が半導体素子１３の面積の５．０倍を超える場合と比べて、半導体素子１３から生じた熱による内部応力によって、それぞれの焼結体部３１を構成する焼結体が破損しにくくなる。また、それぞれの焼結体部３１の面積が上述した範囲を満たすことで、それぞれの焼結体部３１の面積が半導体素子１３の面積の５．０倍を超える場合と比べて、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０とを接合するために使用する焼結体の量が少なくなる。
それぞれの焼結体部３１を積層方向から見た面積は、半導体素子１３を積層方向から見た面積の１．３倍以上４．０倍以下であることがより好ましい。
【0034】
また、本実施形態の接合層３０では、絶縁性基板１１の他方の面とヒートシンク２０のベース部２１との間において、素子領域Ｓ以外の領域には、焼結体部３１が設けられていない。付言すると、本実施形態の接合層３０では、素子領域Ｓに設けられた焼結体部３１以外の領域が、空隙となっており、絶縁性基板１１の他方の面とヒートシンク２０のベース部２１とが接合されていない。
これにより、素子領域Ｓ以外の領域にも焼結体部３１が設けられている場合、例えば、絶縁性基板１１の他方の面とヒートシンク２０のベース部２１との間の全域に亘って焼結体部３１が設けられている場合と比べて、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０とを接合するために使用する焼結体の量が少なくなる。この結果、半導体装置１のコストを低減することができる。
これにより、素子領域Ｓ以外の領域にも焼結体部３１が設けられている場合、例えば、絶縁性基板１１の他方の面とヒートシンク２０のベース部２１との間の全域に亘って焼結体部３１が設けられている場合と比べて、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０とを接合するために使用する焼結体の量が少なくなる。この結果、半導体装置１のコストを低減することができる。
【0035】
（半導体装置１の製造方法）
続いて、半導体装置１の製造方法について説明する。ここでは、接合層３０の焼結体部３１を構成する焼結体を、金属ペーストを用いて形成する場合を例に挙げて説明する。
図６（ａ）～（ｃ）は、半導体装置１の製造方法の一例を説明する図である。図６（ａ）～（ｃ）は、半導体装置１の製造方法における工程を示し、図６（ａ）～（ｃ）の順に進む。図６（ａ）～（ｃ）は、半導体装置１の製造方法における代表的な工程であって、他の工程を含んでもよい。図６（ａ）～（ｃ）は、図２に示した断面図に対応する。
続いて、半導体装置１の製造方法について説明する。ここでは、接合層３０の焼結体部３１を構成する焼結体を、金属ペーストを用いて形成する場合を例に挙げて説明する。
図６（ａ）～（ｃ）は、半導体装置１の製造方法の一例を説明する図である。図６（ａ）～（ｃ）は、半導体装置１の製造方法における工程を示し、図６（ａ）～（ｃ）の順に進む。図６（ａ）～（ｃ）は、半導体装置１の製造方法における代表的な工程であって、他の工程を含んでもよい。図６（ａ）～（ｃ）は、図２に示した断面図に対応する。
【0036】
実施形態１の半導体装置１の製造方法は、金属ペーストを半導体モジュール１０とヒートシンク２０との間に塗布して金属ペーストの塗膜層４０を形成する塗布工程と、金属ペーストの塗膜層４０を介して半導体モジュール１０とヒートシンク２０とを積層する積層工程と、金属ペーストの塗膜層４０を焼結して焼結体部３１を形成し、接合層３０を形成する焼結工程とを含む。
【0037】
＜塗布工程＞
塗布工程では、一方の面（配線層１１２上）に半導体素子１３が積載される絶縁性基板１１における他方の面（伝熱層１１３上）と、ヒートシンク２０のベース部２１における裏面２１２とのいずれかである塗布面に、金属ペーストを塗布して塗膜層４０を形成する。
この例では、図５（ａ）に示すように、塗布面の一例としてヒートシンク２０におけるベース部２１の裏面２１２に、金属ペーストを塗布して塗膜層４０を形成する。
塗布面に金属ペーストを塗布する手法としては、特に限定されず、スクリーン印刷、転写印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷、各種のディスペンサやコータを用いた印刷法等を例示することができる。
塗布工程では、一方の面（配線層１１２上）に半導体素子１３が積載される絶縁性基板１１における他方の面（伝熱層１１３上）と、ヒートシンク２０のベース部２１における裏面２１２とのいずれかである塗布面に、金属ペーストを塗布して塗膜層４０を形成する。
この例では、図５（ａ）に示すように、塗布面の一例としてヒートシンク２０におけるベース部２１の裏面２１２に、金属ペーストを塗布して塗膜層４０を形成する。
塗布面に金属ペーストを塗布する手法としては、特に限定されず、スクリーン印刷、転写印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷、各種のディスペンサやコータを用いた印刷法等を例示することができる。
【0038】
塗布工程では、塗布面（この例では、ベース部２１の裏面２１２）に対して、積層方向から見て、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域に金属ペーストを塗布する。金属ペーストが塗布された複数の塗布部４１を有する塗膜層４０を形成する。
また、本実施形態では、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域以外の領域には、金属ペーストは塗布しない。これにより、塗膜層４０では、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域以外の領域が、金属ペーストが塗布されていない非塗布部４２となっている。
また、本実施形態では、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域以外の領域には、金属ペーストは塗布しない。これにより、塗膜層４０では、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域以外の領域が、金属ペーストが塗布されていない非塗布部４２となっている。
【0039】
なお、塗布工程で形成する塗膜層４０では、それぞれの塗布部４１の面積等は、後述する積層工程および焼結工程を経て得られる接合層３０の焼結体部３１の形状が目的の形状となるように設定する。付言すると、塗膜層４０のそれぞれの塗布部４１の面積等は、塗膜層４０の形成に用いる金属ペーストの粘度や、積層工程において塗膜層４０を介してヒートシンク２０と半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とを積層する際の押圧力、焼結工程における焼結条件等を考慮して、得られる焼結体部３１の形状が目的の形状となるように設定する。
【0040】
＜積層工程＞
積層工程では、図６（ｂ）に示すように、塗布工程により形成された塗膜層４０の金属ペーストを介して、ヒートシンク２０と半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とを積層する。この例では、ヒートシンク２０におけるベース部２１の裏面２１２上に形成された塗膜層４０上に、半導体モジュール１０における絶縁性基板１１の伝熱層１１３を重ねる。
積層工程では、塗膜層４０がヒートシンク２０と半導体モジュール１０とに挟まれることで、塗膜層４０における塗布部４１の金属ペーストがベース部２１および絶縁性基板１１の面方向に拡がり、積層方向から見たそれぞれの塗布部４１の面積が大きくなる。
積層工程では、図６（ｂ）に示すように、塗布工程により形成された塗膜層４０の金属ペーストを介して、ヒートシンク２０と半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とを積層する。この例では、ヒートシンク２０におけるベース部２１の裏面２１２上に形成された塗膜層４０上に、半導体モジュール１０における絶縁性基板１１の伝熱層１１３を重ねる。
積層工程では、塗膜層４０がヒートシンク２０と半導体モジュール１０とに挟まれることで、塗膜層４０における塗布部４１の金属ペーストがベース部２１および絶縁性基板１１の面方向に拡がり、積層方向から見たそれぞれの塗布部４１の面積が大きくなる。
【0041】
塗膜層４０を介してヒートシンク２０と半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とを積層する際には、ヒートシンク２０および半導体モジュール１０に対して押圧力を付与してもよく、無加圧であってもよい。ヒートシンク２０および半導体モジュール１０に付与する押圧力としては、塗膜層４０の形成に用いる金属ペーストの粘度等によっても異なるが、０．０１ＭＰａ以下、好ましくは０．００５ＭＰａ以下の範囲を例示することができる。また、押圧力を付与する方法としては、特に限定されないが、半導体モジュール１０上に重りを載せる方法等を例示することができる。
【0042】
＜焼結工程＞
焼結工程は、図６（ｃ）に示すように、塗膜層４０（図６（ｂ）参照）を加熱して塗膜層４０の塗布部４１を構成する金属ペーストを焼結し、ヒートシンク２０と半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とを接合する焼結体からなる焼結体部３１を形成する。
焼結工程では、塗膜層４０の塗布部４１を構成する金属ペーストが焼結されることで、接合層３０の焼結体部３１が形成される。
ここで、焼結工程において塗膜層４０の塗布部４１を構成する金属ペーストを焼結する際には、金属ペーストに含まれる溶媒が揮発したアウトガス等の気体が発生する。そして、発生した気体が塗布部４１内に留まった状態で塗布部４１を構成する金属ペーストが焼結されると、塗布部４１から形成される焼結体部３１に、金属ペーストから発生した気体に由来する空隙が発生するおそれがある。この場合、焼結体部３１からなる接合層３０を介した半導体モジュール１０とヒートシンク２０との接合強度が低下するおそれがある。
焼結工程は、図６（ｃ）に示すように、塗膜層４０（図６（ｂ）参照）を加熱して塗膜層４０の塗布部４１を構成する金属ペーストを焼結し、ヒートシンク２０と半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とを接合する焼結体からなる焼結体部３１を形成する。
焼結工程では、塗膜層４０の塗布部４１を構成する金属ペーストが焼結されることで、接合層３０の焼結体部３１が形成される。
ここで、焼結工程において塗膜層４０の塗布部４１を構成する金属ペーストを焼結する際には、金属ペーストに含まれる溶媒が揮発したアウトガス等の気体が発生する。そして、発生した気体が塗布部４１内に留まった状態で塗布部４１を構成する金属ペーストが焼結されると、塗布部４１から形成される焼結体部３１に、金属ペーストから発生した気体に由来する空隙が発生するおそれがある。この場合、焼結体部３１からなる接合層３０を介した半導体モジュール１０とヒートシンク２０との接合強度が低下するおそれがある。
【0043】
これに対し、本実施形態では、上述した塗布工程において、塗膜層４０の塗布部４１以外の領域に、金属ペーストを塗布しない非塗布部４２を設けている。これにより、焼結工程において塗布部４１の金属ペーストから気体が発生した場合であっても、気体が非塗布部４２を介して塗布部４１の外部に排出されやすくなる。この結果、金属ペーストから発生した気体が塗布部４１内に留まった状態で塗布部４１を構成する金属ペーストが焼結されることが抑制され、焼結体部３１からなる接合層３０を介した半導体モジュール１０とヒートシンク２０との接合強度の低下が抑制される。
【0044】
焼結工程において塗膜層４０を加熱する際の温度は、金属ペーストに含まれる金属粒子の種類等によっても異なるが、１５０℃以上５００℃以下の範囲を例示することができる。
また、焼結工程では、半導体モジュール１０とヒートシンク２０とを塗膜層４０を介して積層方向に押圧しながら焼結を行ってもよく、半導体モジュール１０とヒートシンク２０とを押圧せずに無加圧で焼結を行ってもよい。焼結工程において半導体モジュール１０とヒートシンク２０とを押圧する場合、押圧力は、２５ＭＰａ以下であることが好ましく、１０ＭＰａ以下であることがより好ましい。焼結工程において半導体モジュール１０とヒートシンク２０とを押圧する押圧力が１０ＭＰａを超える場合、隣接する塗布部４１同士が広がって繋がりやすくなり、金属ペーストから発生した気体が塗布部４１同士の間に形成された非塗布部４２を介して排出されにくくなる。また、焼結工程において半導体モジュール１０とヒートシンク２０とを押圧する押圧力が２５ＭＰａを超える場合、絶縁性基板１１等の構造物が破損する可能性がある。
また、焼結工程では、半導体モジュール１０とヒートシンク２０とを塗膜層４０を介して積層方向に押圧しながら焼結を行ってもよく、半導体モジュール１０とヒートシンク２０とを押圧せずに無加圧で焼結を行ってもよい。焼結工程において半導体モジュール１０とヒートシンク２０とを押圧する場合、押圧力は、２５ＭＰａ以下であることが好ましく、１０ＭＰａ以下であることがより好ましい。焼結工程において半導体モジュール１０とヒートシンク２０とを押圧する押圧力が１０ＭＰａを超える場合、隣接する塗布部４１同士が広がって繋がりやすくなり、金属ペーストから発生した気体が塗布部４１同士の間に形成された非塗布部４２を介して排出されにくくなる。また、焼結工程において半導体モジュール１０とヒートシンク２０とを押圧する押圧力が２５ＭＰａを超える場合、絶縁性基板１１等の構造物が破損する可能性がある。
【0045】
以上説明したように、本実施形態では、塗布工程、積層工程および焼結工程により、半導体モジュール１０と、ヒートシンク２０と、半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１と部位Ｓ１の周囲Ｓ２とからなる素子領域Ｓに形成された複数の焼結体部３１を有する接合層３０とを備えた、図１～図４の半導体装置１が得られる。
【0046】
なお、上述した半導体装置１の製造方法では、絶縁性基板１１上に半導体素子１３が接合された半導体モジュール１０と、ヒートシンク２０との間に金属ペーストを塗布して、塗膜層４０を形成したが、これに限られるものではない。
例えば、半導体素子１３が接合される前の絶縁性基板１１とヒートシンク２０との間に塗膜層４０を形成し、焼結して複数の焼結体部３１を有する接合層３０を形成した後に、絶縁性基板１１上に半導体素子１３を接合して半導体モジュール１０としてもよい。この場合、塗布面に金属ペーストを塗布して塗膜層４０を形成する塗布工程において、複数の塗布部４１を形成し、積層工程および焼結工程において、塗布部４１を構成する金属ペーストを焼結して複数の焼結体部３１を有する接合層３０を形成する。その後、絶縁性基板１１に半導体素子１３を接合する接合工程において、積層方向から見て、接合層３０のそれぞれの焼結体部３１と重なる絶縁性基板１１の領域に、半導体素子１３を接合すればよい。
例えば、半導体素子１３が接合される前の絶縁性基板１１とヒートシンク２０との間に塗膜層４０を形成し、焼結して複数の焼結体部３１を有する接合層３０を形成した後に、絶縁性基板１１上に半導体素子１３を接合して半導体モジュール１０としてもよい。この場合、塗布面に金属ペーストを塗布して塗膜層４０を形成する塗布工程において、複数の塗布部４１を形成し、積層工程および焼結工程において、塗布部４１を構成する金属ペーストを焼結して複数の焼結体部３１を有する接合層３０を形成する。その後、絶縁性基板１１に半導体素子１３を接合する接合工程において、積層方向から見て、接合層３０のそれぞれの焼結体部３１と重なる絶縁性基板１１の領域に、半導体素子１３を接合すればよい。
【0047】
（金属ペースト）
続いて、本実施形態の半導体装置１において、接合層３０の焼結体部３１の形成に用いる金属ペーストの一例について、詳細に説明する。
金属ペーストは、金属粒子と、金属粒子を分散する溶媒とを含む。また、金属ペーストは、金属粒子および溶媒以外の添加剤を含んでいてもよい。このような添加剤としては、界面活性剤、消泡剤、イオントラップ剤等が挙げられる。
続いて、本実施形態の半導体装置１において、接合層３０の焼結体部３１の形成に用いる金属ペーストの一例について、詳細に説明する。
金属ペーストは、金属粒子と、金属粒子を分散する溶媒とを含む。また、金属ペーストは、金属粒子および溶媒以外の添加剤を含んでいてもよい。このような添加剤としては、界面活性剤、消泡剤、イオントラップ剤等が挙げられる。
【0048】
＜金属粒子＞
金属粒子としては、上述したように銅、銀、銅と銀との合金から選択された金属の粒子を例示することができる。また、金属粒子としては、表面を銀で被覆した銅からなる粒子を用いてもよい。
これらの中でも、接合層３０の焼結体部３１を介した半導体モジュール１０とヒートシンク２０との熱の伝導性の観点から、金属粒子として銅粒子を用いることが好ましい。
金属粒子としては、上述したように銅、銀、銅と銀との合金から選択された金属の粒子を例示することができる。また、金属粒子としては、表面を銀で被覆した銅からなる粒子を用いてもよい。
これらの中でも、接合層３０の焼結体部３１を介した半導体モジュール１０とヒートシンク２０との熱の伝導性の観点から、金属粒子として銅粒子を用いることが好ましい。
【0049】
金属粒子の平均粒径（５０％堆積平均粒径）は、０．１μｍ以上５００μｍ以下の範囲を例示することができ、１μｍ以上２００μｍ以下の範囲が好ましく、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲がより好ましい。
なお、金属粒子の平均粒子径は、金属ペーストから溶媒を除去し乾燥させた金属粒子を、公知の分散剤を用いて分散させたものを光散乱法粒度分布測定装置で測定する方法により求めることができる。
なお、金属粒子の平均粒子径は、金属ペーストから溶媒を除去し乾燥させた金属粒子を、公知の分散剤を用いて分散させたものを光散乱法粒度分布測定装置で測定する方法により求めることができる。
【0050】
金属粒子の形状は、特に限定されず、球状、回転楕円体等の略球状、塊状、針状、フレーク状、これらの凝集体等を例示することができる。金属粒子のこれらの形状は、単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。金属ペーストにおける金属粒子の分散性や焼結体部３１を構成する焼結体における金属粒子の充填性等の観点からは、金属粒子の形状は、球状、略球状またはフレーク状であることが好ましい。
また、金属粒子は、公知の表面処理剤により表面処理が施されていてもよい。
また、金属粒子は、公知の表面処理剤により表面処理が施されていてもよい。
【0051】
＜溶媒＞
溶媒としては、金属ペーストの溶媒として公知の揮発性の溶媒を用いることができる。このような溶媒としては、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、デカノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、テルピネオール、ジヒドロタピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール（ＭＴＰＨ）等の一価及び多価アルコール類；エチレングリコールブチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールブチルエーテル、ジエチレングリコールイソブチルエーテル、ジエチレングリコールヘキシルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジプロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類；エチレングリコールエチルエーテルアセテート、エチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート（ＤＰＭＡ）、乳酸エチル、乳酸ブチル、トリブチリン、ステアリン酸ブチル、スクアラン、セバシン酸ジプチル、アジピン酸ビス（２―エチルヘキシル）、γ－ブチロラクトン、炭酸プロピレン等のエステル類；Ｎ－メチル－２－ピロリドン、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド等の酸アミド；シクロヘキサン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン等の脂肪族炭化水素；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素；炭素数１～１８のアルキル基を有するメルカプタン類；炭素数５～７のシクロアルキル基を有するメルカプタン類が挙げられる。
溶媒としては、金属ペーストの溶媒として公知の揮発性の溶媒を用いることができる。このような溶媒としては、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、デカノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、テルピネオール、ジヒドロタピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール（ＭＴＰＨ）等の一価及び多価アルコール類；エチレングリコールブチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールブチルエーテル、ジエチレングリコールイソブチルエーテル、ジエチレングリコールヘキシルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジプロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類；エチレングリコールエチルエーテルアセテート、エチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート（ＤＰＭＡ）、乳酸エチル、乳酸ブチル、トリブチリン、ステアリン酸ブチル、スクアラン、セバシン酸ジプチル、アジピン酸ビス（２―エチルヘキシル）、γ－ブチロラクトン、炭酸プロピレン等のエステル類；Ｎ－メチル－２－ピロリドン、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド等の酸アミド；シクロヘキサン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン等の脂肪族炭化水素；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素；炭素数１～１８のアルキル基を有するメルカプタン類；炭素数５～７のシクロアルキル基を有するメルカプタン類が挙げられる。
【0052】
また、金属ペーストにおける溶媒の含有量は、金属粒子の全質量を１００質量部とした場合に、５質量部以上５０質量部以下の範囲を例示することができる。
【0053】
（接合用シートを用いた焼結体の形成）
上述したように、本実施形態の接合層３０における焼結体部３１を構成する焼結体は、金属粒子を含む接合用シートを用いて形成してもよい。具体的には、上述した金属ペーストを用いた場合の半導体装置１の製造方法における塗布工程に代えて、以下の成形工程および貼り付け工程を行えばよい。そして、貼り付け工程後、上述した例と同様に、積層工程および焼結工程を行えばよい。
上述したように、本実施形態の接合層３０における焼結体部３１を構成する焼結体は、金属粒子を含む接合用シートを用いて形成してもよい。具体的には、上述した金属ペーストを用いた場合の半導体装置１の製造方法における塗布工程に代えて、以下の成形工程および貼り付け工程を行えばよい。そして、貼り付け工程後、上述した例と同様に、積層工程および焼結工程を行えばよい。
【0054】
＜成形工程＞
成形工程では、金属粒子を含む接合用シートを、焼結体部３１が形成される領域の形状に合わせて、成形する。付言すると、成形工程では、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域の形状に合わせて、接合用シートを成形する。
なお、貼り付け工程の後に行われる積層工程や焼結工程では、接合用シートがヒートシンク２０と半導体モジュール１０とに挟まれることで、接合用シートの面積が大きくなる場合がある。したがって、成形工程では、積層工程および焼結工程を経て得られる接合層３０の焼結体部３１の形状が目的の形状となるように、接合用シートを成形する。
成形工程では、金属粒子を含む接合用シートを、焼結体部３１が形成される領域の形状に合わせて、成形する。付言すると、成形工程では、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域の形状に合わせて、接合用シートを成形する。
なお、貼り付け工程の後に行われる積層工程や焼結工程では、接合用シートがヒートシンク２０と半導体モジュール１０とに挟まれることで、接合用シートの面積が大きくなる場合がある。したがって、成形工程では、積層工程および焼結工程を経て得られる接合層３０の焼結体部３１の形状が目的の形状となるように、接合用シートを成形する。
【0055】
＜貼り付け工程＞
貼り付け工程では、成形工程にて成形した接合用シートを、一方の面（配線層１１２上）に半導体素子１３が積載される絶縁性基板１１における他方の面（伝熱層１１３上）と、ヒートシンク２０のベース部２１における裏面２１２とのいずれかに、貼り付ける。この例では、一例としてヒートシンク２０におけるベース部２１の裏面２１２に、接合用シートを貼り付ける。
貼り付け工程では、ベース部２１の裏面２１２に対して、積層方向から見て、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域に、接合用シートを貼り付ける。この例では、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域に合わせて、複数の接合用シートを、間隙をあけて貼り付ける。なお、貼り付け工程では、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域以外の領域には、接合用シートを貼り付けない。
貼り付け工程では、成形工程にて成形した接合用シートを、一方の面（配線層１１２上）に半導体素子１３が積載される絶縁性基板１１における他方の面（伝熱層１１３上）と、ヒートシンク２０のベース部２１における裏面２１２とのいずれかに、貼り付ける。この例では、一例としてヒートシンク２０におけるベース部２１の裏面２１２に、接合用シートを貼り付ける。
貼り付け工程では、ベース部２１の裏面２１２に対して、積層方向から見て、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域に、接合用シートを貼り付ける。この例では、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域に合わせて、複数の接合用シートを、間隙をあけて貼り付ける。なお、貼り付け工程では、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載される部位と、半導体素子１３が積載される部位の周囲とからなる領域以外の領域には、接合用シートを貼り付けない。
【0056】
＜積層工程＞
積層工程では、上述した例と同様に、貼り付け工程で貼り付けた接合用シートを介して、ヒートシンク２０と半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とを積層する。この例では、ヒートシンク２０におけるベース部２１の裏面２１２上に貼り付けられた接合用シート上に、半導体モジュール１０における絶縁性基板１１の伝熱層１１３を重ねる。
積層工程では、上述した例と同様に、貼り付け工程で貼り付けた接合用シートを介して、ヒートシンク２０と半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とを積層する。この例では、ヒートシンク２０におけるベース部２１の裏面２１２上に貼り付けられた接合用シート上に、半導体モジュール１０における絶縁性基板１１の伝熱層１１３を重ねる。
【0057】
＜焼結工程＞
焼結工程では、上述した例と同様に、接合用シートを加熱して接合用シートに含まれる金属粒子を焼結し、ヒートシンク２０と半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とを接合する焼結体からなる焼結体部３１を形成する。なお、焼結工程では、接合用シートに含まれる溶媒が揮発したアウトガス等の気体が発生する。本実施形態では、上述した貼り付け工程において、間隙をあけて複数の接合用シートを貼り付けている。これにより、焼結工程において接合用シートから気体が発生した場合であっても、気体が接合用シートの間隙を介して外部に排出されやすくなる。
焼結工程では、上述した例と同様に、接合用シートを加熱して接合用シートに含まれる金属粒子を焼結し、ヒートシンク２０と半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とを接合する焼結体からなる焼結体部３１を形成する。なお、焼結工程では、接合用シートに含まれる溶媒が揮発したアウトガス等の気体が発生する。本実施形態では、上述した貼り付け工程において、間隙をあけて複数の接合用シートを貼り付けている。これにより、焼結工程において接合用シートから気体が発生した場合であっても、気体が接合用シートの間隙を介して外部に排出されやすくなる。
【0058】
以上のように、金属粒子を含む接合用シートを用いた場合も金属ペーストを用いた場合と同様に、半導体モジュール１０と、ヒートシンク２０と、半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１と部位Ｓ１の周囲Ｓ２とからなる素子領域Ｓに形成された複数の焼結体部３１を有する接合層３０とを備えた半導体装置１が得られる。
【0059】
（接合用シート）
接合用シートは、金属粒子を含む。金属粒子としては、上述した金属ペーストに用いられる金属粒子と同様のものを用いることができる。接合用シートとしては、以下の３つの態様を例示することができる。
接合用シートは、金属粒子を含む。金属粒子としては、上述した金属ペーストに用いられる金属粒子と同様のものを用いることができる。接合用シートとしては、以下の３つの態様を例示することができる。
【0060】
＜第１の態様＞
第１の態様の接合用シートは、金属粒子と、熱分解性樹脂からなるバインダとを含む。第１の態様の接合用シートは、熱分解性樹脂からなるバインダにより金属粒子が保持されることで、シート状の形状をなしている。
熱分解樹脂とは、上述した焼結工程において加熱することにより熱分解が可能な樹脂である。熱分解性樹脂は、熱分解することで、焼結工程により形成される焼結体部３１にはほとんど残存しないことが好ましい。熱分解性樹脂としては、例えば、ポリカーボネート、アクリル樹脂、エチルセルロース、ポリビニルアルコール等を用いることができる。これらは１種を単独で用いてもよく、複数を組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、熱分解性が高いポリカーボネートを用いることが好ましい。
第１の態様の接合用シートは、金属粒子と、熱分解性樹脂からなるバインダとを含む。第１の態様の接合用シートは、熱分解性樹脂からなるバインダにより金属粒子が保持されることで、シート状の形状をなしている。
熱分解樹脂とは、上述した焼結工程において加熱することにより熱分解が可能な樹脂である。熱分解性樹脂は、熱分解することで、焼結工程により形成される焼結体部３１にはほとんど残存しないことが好ましい。熱分解性樹脂としては、例えば、ポリカーボネート、アクリル樹脂、エチルセルロース、ポリビニルアルコール等を用いることができる。これらは１種を単独で用いてもよく、複数を組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、熱分解性が高いポリカーボネートを用いることが好ましい。
【0061】
第１の態様の接合用シートにおける熱分解性樹脂の含有量は、接合用シート全体に対して３０体積％以上７０体積％以下であることが好ましく、３５体積％以上６５体積％以下であることがより好ましく、４０体積％以上６０体積％以下であることがさらに好ましい。
また、第１の態様の接合用シートは、金属粒子および熱分解性樹脂に加えて、他の添加剤を含んでいてもよい。
また、第１の態様の接合用シートは、金属粒子および熱分解性樹脂に加えて、他の添加剤を含んでいてもよい。
【0062】
＜第２の態様＞
第２の態様の接合用シートは、金属粒子と、室温でロウ状または液体状の溶媒からなるバインダとを含む。第２の態様の接合用シートは、溶媒からなるバインダにより金属粒子が保持されることで、シート状の形状をなしている。
溶媒としては、例えば、エチレングリコール、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、ブタントリオール、ポリオキシプロピレントリオール等を用いることができる。これらは１種を単独で用いてもよく、複数を組み合わせて用いてもよい。
第２の態様の接合用シートは、金属粒子と、室温でロウ状または液体状の溶媒からなるバインダとを含む。第２の態様の接合用シートは、溶媒からなるバインダにより金属粒子が保持されることで、シート状の形状をなしている。
溶媒としては、例えば、エチレングリコール、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、ブタントリオール、ポリオキシプロピレントリオール等を用いることができる。これらは１種を単独で用いてもよく、複数を組み合わせて用いてもよい。
【0063】
第２の態様の接合用シートにおける溶媒の含有量は、接合用シート全体に対して１質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。
また、第２の形態の接合用シートは、金属粒子および溶媒に加えて、他の添加剤を含んでいてもよい。
また、第２の形態の接合用シートは、金属粒子および溶媒に加えて、他の添加剤を含んでいてもよい。
【0064】
＜第３の態様＞
第３の態様の接合用シートは、隣接する金属粒子同士が連続し、且つ金属粒子間に空孔が形成された多孔質体からなる。第３の態様の接合用シートは、例えば、金属粒子を焼結することにより形成される。なお、第３の態様の接合用シートは、金属粒子が完全には焼結されておらず、上述した焼結工程により金属粒子をさらに焼結して、ヒートシンク２０と半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とを接合することが可能な状態となっている。
第３の態様の接合用シートは、空孔率が１５体積％以上５０体積％以下であることが好ましく、１５体積％以上３０体積％以下であることがより好ましい。
また、第３の形態の接合用シートは、金属粒子に加えて、接着助剤、還元剤等の他の添加剤を含んでいてもよい。
第３の態様の接合用シートは、隣接する金属粒子同士が連続し、且つ金属粒子間に空孔が形成された多孔質体からなる。第３の態様の接合用シートは、例えば、金属粒子を焼結することにより形成される。なお、第３の態様の接合用シートは、金属粒子が完全には焼結されておらず、上述した焼結工程により金属粒子をさらに焼結して、ヒートシンク２０と半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とを接合することが可能な状態となっている。
第３の態様の接合用シートは、空孔率が１５体積％以上５０体積％以下であることが好ましく、１５体積％以上３０体積％以下であることがより好ましい。
また、第３の形態の接合用シートは、金属粒子に加えて、接着助剤、還元剤等の他の添加剤を含んでいてもよい。
【0065】
［実施形態２］
続いて、本発明の実施形態２について説明する。なお、実施形態１と同様の構成については同様の符号を用い、ここでは、詳細な説明は省略する。
図７は、実施形態２が適用される半導体装置１の構成の一例を示す図であって、半導体装置１を積層方向に沿って切断した断面の一例を示す図である。
図８は、実施形態２が適用される半導体装置１（図７参照）における接合層３０を、半導体モジュール１０（図７参照）が積載される側（図７における上側）から見た図である。図８では、半導体モジュール１０において、絶縁性基板１１（図７参照）に半導体素子１３が積載されている位置を、破線で示している。
続いて、本発明の実施形態２について説明する。なお、実施形態１と同様の構成については同様の符号を用い、ここでは、詳細な説明は省略する。
図７は、実施形態２が適用される半導体装置１の構成の一例を示す図であって、半導体装置１を積層方向に沿って切断した断面の一例を示す図である。
図８は、実施形態２が適用される半導体装置１（図７参照）における接合層３０を、半導体モジュール１０（図７参照）が積載される側（図７における上側）から見た図である。図８では、半導体モジュール１０において、絶縁性基板１１（図７参照）に半導体素子１３が積載されている位置を、破線で示している。
【0066】
実施形態２の半導体装置１は、接合層３０の構成が実施形態１とは異なっている。
上述した実施形態１の接合層３０では、素子領域Ｓに設けられた焼結体部３１以外の領域では、焼結体が設けられておらず、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０のベース部２１とが接合されていない。これに対し、実施形態２の接合層３０では、素子領域Ｓに設けられた焼結体部３１以外の領域に、はんだ合金からなるはんだ部３３が設けられている。そして、実施形態２の接合層３０では、焼結体部３１に加えて、はんだ部３３を介して、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０のベース部２１とが接合されている。
上述した実施形態１の接合層３０では、素子領域Ｓに設けられた焼結体部３１以外の領域では、焼結体が設けられておらず、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０のベース部２１とが接合されていない。これに対し、実施形態２の接合層３０では、素子領域Ｓに設けられた焼結体部３１以外の領域に、はんだ合金からなるはんだ部３３が設けられている。そして、実施形態２の接合層３０では、焼結体部３１に加えて、はんだ部３３を介して、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０のベース部２１とが接合されている。
【0067】
具体的に説明すると、本実施形態の接合層３０は、焼結体からなる４個の焼結体部３１を有する。それぞれの焼結体部３１は、実施形態１と同様に、積層方向から見て、絶縁性基板１１の一方の面に半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１と、半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１の周囲Ｓ２とからなる素子領域Ｓに重なるように設けられている。
また、本実施形態の接合層３０は、積層方向から見て、素子領域Ｓ以外の領域に、はんだ合金からなるはんだ部３３が設けられている。付言すると、本実施形態の接合層３０は、複数の焼結体部３１同士の間、および複数の焼結体部３１の周囲に、はんだ部３３が設けられている。
そして、本実施形態の接合層３０では、複数の焼結体部３１と、はんだ部３３とにより、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０のベース部２１とが接合されている。
また、本実施形態の接合層３０は、積層方向から見て、素子領域Ｓ以外の領域に、はんだ合金からなるはんだ部３３が設けられている。付言すると、本実施形態の接合層３０は、複数の焼結体部３１同士の間、および複数の焼結体部３１の周囲に、はんだ部３３が設けられている。
そして、本実施形態の接合層３０では、複数の焼結体部３１と、はんだ部３３とにより、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０のベース部２１とが接合されている。
【0068】
はんだ部３３を構成するはんだ合金としては、特に限定されず、鉛を含む共晶はんだ、鉛フリーはんだを用いることができる。共晶はんだとしては、Ｓｎ－Ｐｂ系、Ｓｎ－Ｐｂ－Ｂｉ系、Ｓｎ－Ｐｂ－Ａｇ系のはんだが挙げられる。また、鉛フリーはんだとしては、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｚｎ－Ｂｉ系のはんだが挙げられる。鉛フリーはんだとしては、これらのはんだに、さらにニッケル、ゲルマニウム、コバルト、シリコン等が添加されたものを用いてもよい。
【0069】
はんだ部３３は、例えば、実施形態１に記載した半導体装置１の製造方法において、焼結工程により焼結体部３１を形成した後、絶縁性基板１１とヒートシンク２０のベース部２１との間に形成された空隙に、溶融したはんだ合金を流し込むことで形成することができる。
【0070】
実施形態１でも説明したように、半導体素子１３で発生した熱は、絶縁性基板１１において、絶縁性基板１１の面方向にも伝導される。そして、半導体素子１３で発生した熱は、絶縁性基板１１において、素子領域Ｓ１よりも広い範囲に伝導される場合がある。
本実施形態の半導体装置１では、接合層３０が素子領域Ｓ以外の領域にはんだ部３３を有することで、半導体素子１３で発生した熱が、焼結体部３１に加えてはんだ部３３を介して絶縁性基板１１からヒートシンク２０へ伝導される。これにより、接合層３０がはんだ部３３を備えない場合と比べて、半導体装置１において、半導体素子１３で発生した熱のヒートシンク２０による放熱効率が向上する。
本実施形態の半導体装置１では、接合層３０が素子領域Ｓ以外の領域にはんだ部３３を有することで、半導体素子１３で発生した熱が、焼結体部３１に加えてはんだ部３３を介して絶縁性基板１１からヒートシンク２０へ伝導される。これにより、接合層３０がはんだ部３３を備えない場合と比べて、半導体装置１において、半導体素子１３で発生した熱のヒートシンク２０による放熱効率が向上する。
【0071】
また、接合層３０が、焼結体部３１に加えてはんだ部３３を有することで、接合層３０がはんだ部３３を備えない場合と比べて、接合層３０の機械的強度が向上する。
【0072】
さらに、実施形態２の接合層３０は、素子領域Ｓ以外の領域にはんだ部３３を有することで、素子領域Ｓ以外の領域には、焼結体部３１が設けられていない。
これにより、実施形態２の半導体装置１は、実施形態１と同様に、素子領域Ｓ以外の領域にも焼結体部３１が設けられている場合と比べて、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０とを接合するために使用する焼結体の量が少なくなる。一般に、はんだ部３３に用いられるはんだ合金は、焼結体部３１に用いられる焼結体と比べて安価である。したがって、本実施形態では、素子領域Ｓ以外の領域にも焼結体部３１が設けられている場合と比べて、半導体装置１のコストを低減することができる。
これにより、実施形態２の半導体装置１は、実施形態１と同様に、素子領域Ｓ以外の領域にも焼結体部３１が設けられている場合と比べて、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０とを接合するために使用する焼結体の量が少なくなる。一般に、はんだ部３３に用いられるはんだ合金は、焼結体部３１に用いられる焼結体と比べて安価である。したがって、本実施形態では、素子領域Ｓ以外の領域にも焼結体部３１が設けられている場合と比べて、半導体装置１のコストを低減することができる。
【0073】
なお、図７および図８に示した例では、素子領域Ｓ以外の領域全体にはんだ部３３が設けられているが、これに限られるものではない。素子領域Ｓ以外の領域の少なくとも一部にはんだ合金からなるはんだ部３３が設けられていれば、接合層３０において焼結体部３１およびはんだ部３３が設けられていない領域が存在しても構わない。
【0074】
［実施形態３］
続いて、本発明の実施形態３について説明する。なお、実施形態１、２と同様の構成については同様の符号を用い、ここでは、詳細な説明は省略する。
図９は、実施形態３が適用される半導体装置１の構成の一例を示す図であって、半導体装置１を積層方向に沿って切断した断面の一例を示す図である。
続いて、本発明の実施形態３について説明する。なお、実施形態１、２と同様の構成については同様の符号を用い、ここでは、詳細な説明は省略する。
図９は、実施形態３が適用される半導体装置１の構成の一例を示す図であって、半導体装置１を積層方向に沿って切断した断面の一例を示す図である。
【0075】
実施形態３の半導体装置１は、接合層３０の構成が実施形態１および実施形態２とは異なっている。
実施形態３の接合層３０は、実施形態２の接合層３０におけるはんだ部３３（図７参照）に替えて、樹脂または樹脂を含む複合材料からなる樹脂部３５を有する。付言すると、実施形態３の接合層３０では、素子領域Ｓ（図８参照）に設けられた焼結体部３１以外の領域に、樹脂または樹脂を含む複合材料からなる樹脂部３５が設けられている。そして、実施形態３の接合層３０では、焼結体部３１に加えて、樹脂部３５を介して、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０のベース部２１とが接合されている。
実施形態３の接合層３０は、実施形態２の接合層３０におけるはんだ部３３（図７参照）に替えて、樹脂または樹脂を含む複合材料からなる樹脂部３５を有する。付言すると、実施形態３の接合層３０では、素子領域Ｓ（図８参照）に設けられた焼結体部３１以外の領域に、樹脂または樹脂を含む複合材料からなる樹脂部３５が設けられている。そして、実施形態３の接合層３０では、焼結体部３１に加えて、樹脂部３５を介して、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０のベース部２１とが接合されている。
【0076】
樹脂部３５を構成する樹脂または樹脂を含む複合材料としては、例えば、半導体装置１においてアンダーフィルとして一般に使用される材料を用いることができる。具体的には、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に酸化ケイ素や炭素繊維等のフィラーを含有させたもの等を用いることができる。
【0077】
樹脂部３５は、例えば、実施形態１に記載した半導体装置１の製造方法において、焼結工程により焼結体部３１を形成した後、絶縁性基板１１とヒートシンク２０のベース部２１との間に形成された空隙に、上述した樹脂や樹脂を含む複合材料を充填し、硬化させることにより形成することができる。
【0078】
実施形態３では、接合層３０が焼結体部３１と樹脂部３５とを備えることで、外部からの応力を樹脂部３５により緩和することが可能となる。これにより、接合層３０が樹脂部３５を備えない場合と比べて、焼結体部３１を構成する焼結体が破損しにくくなる。
【0079】
また、実施形態３の接合層３０は、素子領域Ｓ以外の領域に樹脂部３５を有することで、素子領域Ｓ以外の領域には、焼結体部３１が設けられていない。
これにより、実施形態３の半導体装置１は、実施形態１、２と同様に、素子領域Ｓ以外の領域にも焼結体部３１が設けられている場合と比べて、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０とを接合するために使用する焼結体の量が少なくなる。一般に、樹脂部３５に用いられる樹脂または樹脂を含む複合材料は、焼結体部３１に用いられる焼結体と比べて安価である。したがって、本実施形態では、素子領域Ｓ以外の領域にも焼結体部３１が設けられている場合と比べて、半導体装置１のコストを低減することができる。
これにより、実施形態３の半導体装置１は、実施形態１、２と同様に、素子領域Ｓ以外の領域にも焼結体部３１が設けられている場合と比べて、半導体モジュール１０の絶縁性基板１１とヒートシンク２０とを接合するために使用する焼結体の量が少なくなる。一般に、樹脂部３５に用いられる樹脂または樹脂を含む複合材料は、焼結体部３１に用いられる焼結体と比べて安価である。したがって、本実施形態では、素子領域Ｓ以外の領域にも焼結体部３１が設けられている場合と比べて、半導体装置１のコストを低減することができる。
【0080】
なお、図９に示した例では、素子領域Ｓ以外の領域全体に樹脂部３５が設けられているが、これに限られるものではない。素子領域Ｓ以外の領域の少なくとも一部に樹脂または樹脂を含む複合材料からなる樹脂部３５が設けられていれば、接合層３０において焼結体部３１および樹脂部３５が設けられていない領域が存在しても構わない。
【0081】
また、実施形態２と実施形態３とを併用してもよい。具体的には、接合層３０が、積層方向から見て、素子領域Ｓに形成された焼結体部３１に加えて、素子領域Ｓ以外の領域に、はんだ合金からなるはんだ部３３と、樹脂または樹脂を含む複合材料からなる樹脂部３５との双方を有していてもよい。
【0082】
さらに、実施形態１～実施形態３の接合層３０は、複数（４個）の半導体素子１３のそれぞれに対応する複数（４個）の焼結体部３１を備えているが、これに限られない。接合層３０は、半導体素子１３が積載されている部位Ｓ１と部位Ｓ１の周囲Ｓ２とからなる素子領域Ｓに焼結体部３１が設けられ、且つ素子領域Ｓ以外の領域には焼結体が設けられていなければ、それぞれの半導体素子１３に対応する焼結体部３１同士の一部が繋がっていてもよい。
さらにまた、実施形態１～実施形態３では、半導体モジュール１０が４個の半導体素子１３を備える半導体装置１について説明したが、半導体モジュール１０が有する半導体素子１３の個数は、４以外の複数であってもよく、単数であってもよい。
さらにまた、実施形態１～実施形態３では、半導体モジュール１０が４個の半導体素子１３を備える半導体装置１について説明したが、半導体モジュール１０が有する半導体素子１３の個数は、４以外の複数であってもよく、単数であってもよい。
【0083】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に反しない限りにおいては様々な変形や組み合わせを行っても構わない。
【符号の説明】
【0084】
１…半導体装置、１０…半導体モジュール、１１…絶縁性基板、１３…半導体素子、１５…素子接合層、２０…ヒートシンク、２１…ベース部、２２…フィン、３０…接合層、３１…焼結体部、３３…はんだ部、３５…樹脂部、４０…塗膜層、４１…塗布部、４２…非塗布部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
