JP2008300455A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】接合部の信頼性が高いパワーモジュールを提供する。
【解決手段】パワーモジュールは、第１の材料（Ｃｕ）からなる金属配線２３の上に、溶射法（コールドスプレー法）によって形成された下敷き導電部材２８と、半田層１４と、半導体チップ１１とを順次積層して構成されている。下敷き導電部材２８は、第１の材料の粒子群と、第１の材料よりも熱膨張係数が小さい第２の材料（Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ｗ，Ｍｏ，インバー合金など）の粒子群とを噴射して形成されている。金属配線２３と半田層１４との間に、金属配線２３よりも熱膨張係数の小さい下敷き導電部材２８が介在しているので、半田層１４に印加される上下部材間の熱膨張係数差に起因する熱応力が緩和され、半田層１４のクラックの発生が抑制される。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体チップの発熱に対する放熱機能を有するパワーモジュールに関する。

パワーデバイスとしての半導体素子の発熱に対する放熱機能を有するパワーモジュールとして、特許文献１に開示されているように、配線部材の上面にベアチップを半田により実装し、全体を樹脂によってモールディングすることにより、配線部材とベアチップとの熱膨張係数差に起因する熱応力によるベアチップの剥がれを抑制しようとするものが知られている。

また、特許文献２には、ＤＢＡ基板の配線部材部分（上層のＡｌ層）の上面に、導電性を有する母材に低熱膨張かつ高熱伝導の硬質粒子を添加した電気伝導層を設けることにより、配線部材と半導体チップとの熱膨張係数差に起因する熱応力の低減を図ることが記載されている。
特許３５１６７８９号公報 特開２００６−１７３５９１号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、樹脂モールドによっては、配線部材とベアチップとの熱膨張係数差に起因する熱応力に抗することは困難であり、クラックが発生するおそれがあった。一方、特許文献２の技術では、ＡｌＮ基板の上下にＡｌ層を設けることにより、熱膨張係数差に起因する熱応力を緩和することは可能であるが、高価なＡｌＮ基板を必要とする上に、多くの層を積層した構造の複雑さによって製造コストが多大になるという不具合があった。

本発明の目的は、ＤＢＡ基板を用いずに半田層に加わる熱応力を低減する手段を講ずることにより、接合部の信頼性が高い、安価なパワーモジュールを提供することにある。

本発明のパワーモジュールは、Ａｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ，Ｃｕ合金などの第１の材料を主成分として含む配線部材と、半導体チップとの間、かつ、半田層の下地となる下敷き導電部材として、第１の材料と、第１の材料よりも熱膨張係数が小さい第２の材料とを含む部材を設けたものである。

これにより、配線部材と半田層との間に介在する下敷き導電部材が、配線部材の構成材料である第１の材料と、第１の材料よりも熱膨張係数の小さい第２の材料とを含んでいるので、半田層の下地は、配線部材よりも熱膨張係数の小さい下敷き導電部材となる。したがって、上下層の熱膨張係数差に起因する熱応力によって生じる半田層のクラックを抑制することができる。しかも、この構造では、高価なＤＢＡ基板を必要としない。よって、接合部の信頼性が高い、安価なパワーモジュールの提供を図ることができる。

下敷き導電部材における第２の材料の組成率は、２０〜７０％であることにより、下敷き導電部材の導電性を損なわない範囲で、熱膨張係数を調整することができる。

下敷き導電部材における第１の材料の組成率が、配線部材に近いほど大きく、第２の材料の組成率が半田層に近いほど大きいことにより、配線部材と半田層との熱膨張係数差に起因する熱応力をほとんどなくすことが可能になるので、半田層のクラックの発生をより確実に抑制することができ、接合部の信頼性が高くなる。

下敷き導電部材の熱膨張係数が、１０ｐｐｍ／Ｋ以下であることにより、熱膨張係数が３〜６ｐｐｍ／Ｋの範囲にある半導体チップとの熱膨張係数差をより小さくすることができるので、半田層のクラックをさらに確実に抑制することができる。

第２の材料は、Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ｗ，ＭｏおよびＦｅ_３２Ｎｉ_５Ｃｏ（インバー合金）の中から選ばれる少なくとも１つの物質であることが好ましい。

下敷き導電部材は、溶射法によって形成されていることにより、複合材料の形成が困難な材料同士であっても、比較的低温での処理によって、容易に複合化されて下敷き導電部材が実現する。したがって、熱応力の低減による接合部の信頼性の高いパワーモジュールが得られる。

配線部材の下方に設けられたヒートシンクと、配線部材とヒートシンクとを接続する絶縁樹脂層とをさらに備えることにより、パワーモジュールの構造が簡素化され、製造コストが大きく低減される。

本発明のパワーモジュールによると、接合の信頼性の高い、安価なパワーモジュールの提供を図ることができる。

（実施の形態）
図１は、実施の形態に係るパワーモジュールセットの断面図である。図２は、実施の形態に係るパワーモジュールの主要部を拡大して示す断面図である。以下、図１および図２を参照しつつ、パワーモジュールおよびパワーモジュールセットの構造を説明する。

本実施の形態のパワーモジュールセットにおいて、放熱器の天板５０ａと容器５０ｂとの間の空間５１には、熱交換媒体としての冷却水が紙面に直交する方向に流れている。パワーモジュール１０は、Ｏリング２５により気密を保持しつつボルト５４により天板５０ａにネジ止めされている。

パワーモジュール１０は、平板部２１ａおよびフィン部２１ｂを有するヒートシンク２１と、平板部２１ａの上に形成された絶縁樹脂層２６と、絶縁樹脂層２６の上に形成された金属配線２３と、金属配線２３の上に形成された下敷き導電部材２８と、下敷き導電部材２８の上方に設置され、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、下敷き導電部材２８と半導体チップ１１との間に形成された，Ｐｂフリー半田を含む半田層１４とを備えている。

金属配線２３は、半導体チップ１１内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続している。半導体チップ１１の上面および下面には、それぞれ、ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極１２および裏面電極１３が設けられている。そして、半導体チップ１１の裏面電極１３が、半田層１４によって、下敷き導電部材２８に導通状態で接合されている。このように、下敷き導電部材２８を介して、半導体チップ１１の裏面電極１３と金属配線２３とが電気的に接続されている。

また、放熱器の天板５０ａ上に、半導体チップ１１等を囲むモジュール樹脂枠５３が設けられていて、モジュール樹脂枠５３がボルト５４によって天板５０ａに固定されている。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には、一体成形により、電極端子層５６（バスバー）が設けられている。この電極端子層５６と金属配線２３とは、大電力用配線１８によって接続されており、電極端子層５６と半導体チップ１１の上面電極１２の一部とは、信号配線１７によって接続されている。これによって、パワーモジュール１０と外部機器との電気的な接続が可能になっている。また、モジュール樹脂枠５３の内方には、シリコンゲルからなるゲル層４０が設けられていて、ヒートシンク２１の上面側で半導体チップ１１，信号配線１７，大電力用配線１８，金属配線２３，半田層１４，絶縁樹脂層２６などの部材がゲル層４０内に埋設されている。

本実施の形態では、ヒートシンク２１は、ＡｌまたはＡｌ合金を用いたダイキャスト成形によって形成されている。ただし、押し出し成形品もしくは押し出し成型品に機械加工を加えたヒートシンクを利用してもよい。ヒートシンク２１のフィン部２１ｂは、熱交換媒体である冷却水にさらされて、熱交換効率を高めるように構成されているが、フィン部２１ｂは必ずしも必要ではなく、また、フィン部２１ｂに代えて、他のパワーモジュールを備えていてもよい。

金属配線２３は、第１の材料であるＣｕによって構成されており、下敷き導電部材２８の下地となる配線部材である。そして、下敷き導電部材２８は、上記第１の材料（Ｃｕ）と、第１の材料よりも熱膨張係数の小さい第２の材料（Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ｗ，Ｍｏ，Ｆｅ_３２Ｎｉ_５Ｃｏ（インバー合金）など）を含んでおり、コールドスプレー法を用いて形成されている。後述するように、コールドスプレー法を用いて形成された下敷き導電部材２８は、比較的低温（数百℃）で形成される。また、コールドスプレー法を用いて形成された膜は、緻密であることが確認されている。そして、コールドスプレー法では、膜の堆積能率が大きく、製造コストも安価である。半導体チップ１１の厚みは、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであり、下敷き導電部材の厚みは、約０．５ｍｍであり、半田層１４の厚みは約０．１ｍｍであり、金属配線２３の厚みは、約０．４ｍｍであり、絶縁樹脂層２６の厚みは約０．２ｍｍであり、ヒートシンク２１の平板部２１ａの厚みは約５ｍｍであり、フィン部２１ｂの縦方向の長さは約１５ｍｍであり、フィン部２１ｂのピッチは約１．５ｍｍであり、フィン部２１ｂの横方向の厚みは約１．５ｍｍである。

図３は、コールドスプレー法の概略を説明する断面図である。コールドスプレー装置６０Ａは、２つの原料供給管６８Ａ，６８Ｂから投入される２種類の材料（粒子）を混合するミキサー（ホッパー）６７と、圧縮空気を加熱するヒータ６２と、粒子を吹き付けるためのガン６３と、圧縮空気を供給する配管６４，６５とを備えている。そして、ガン６３から約５〜３０ｍｍ程度離れた位置に、基板が設置されている。なお、圧縮空気に代えて、ヘリウム，窒素などの圧縮ガスを用いてもよい。

ミキサー６７に、２つの原料供給管６８Ａ，６８Ｂから、それぞれ第１の材料（Ｃｕ）と第２の材料（Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ｗ，ＭｏおよびＦｅ_３２Ｎｉ_５Ｃｏ（インバー合金）など）の各粒子群（粒径１０〜４０μｍ）が投入されると、ミキサー６７内で混合された後、配管６４から送り込まれる圧縮空気によってガン６３に送られる。一方、配管６５から送り込まれた圧縮空気はヒータ６２で３００〜５００℃に熱されて、ガン６３に送られる。そして、ガン６３で加熱圧縮空気と各粒子群とが混ざり合った状態で、超音速流で噴射される。各粒子は、５００ｍ／ｓ以上の高速で、基板に衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形し、からみ合った状態で結合されて、下敷き導電部材２８が形成される。ガン６３は、基板に沿って、繰り返しスイープされる。各粒子の径は、０．１μｍ〜５０μｍ、好ましくは１０μｍ〜５０μｍである。
下敷き導電部材２８を堆積するための基板としては、金属配線２３となるＣｕ板を用い、その後、下敷き導電部材２８をＣｕ板と共にパターニングした後、絶縁樹脂層２６となる接着剤により、ヒートシンク２１に貼り付けて、下敷き導電部材２８および金属配線２３を形成する。なお、図１に示す構造においては、下敷き導電部材２８のうち、半田層を形成する必要のない領域は選択的エッチングなどによって削除されているが、この領域の下敷き導電部材２８をそのまま残しておいてもよい。また、メタルマスクを用いて下地軌道で部材２８をＣｕ板上に形成し、エッチング工程を省略してもよい。

なお、ヒートシンク２１上に絶縁樹脂層２６を介して金属配線２３を予め形成しておいて、金属配線２３の上に、直接溶射によって下敷き導電部材２８を形成してもよい。
また、ヒートシンク２１上に絶縁樹脂層２６を介して金属配線２３を予め形成しておく一方、適当な基板上に溶射法によって下敷き導電部材２８を形成し、その後、基板から下敷き導電部材２８を剥がして、金属配線２３に半田，ろう材を用いた接合を行なってもよい。

本実施の形態によると、第１の材料（Ｃｕ）および第２の材料を含む下敷き導電部材２８の熱膨張係数は、第１の材料からなる金属配線２３と、半導体チップ１１との熱膨張係数の中間的な値になる。したがって、半導体チップ１１と金属配線２３との熱膨張係数差に起因する熱応力によって半田層１４のクラックの発生を抑制することができる。そして、部材間（金属配線２３−下敷き導電部材２８間、および、下敷き導電部材２８−半導体チップ１１間）の接合部の信頼性を高く維持することができる。

特に、下敷き導電部材２８の形成工程で、コールドスプレー法を採用することにより、比較的低温で下敷き導電部材を形成することができる。コールドスプレー法では、ヒータ６２で３００〜４００℃に加熱された圧縮空気を用いるものの、空気の膨張によって急激に冷却されるので、ヒートシンク２１に衝突する際には、室温〜１００℃の低温になっているからである。したがって、加工後に金属配線２３と下敷き導電部材２８との熱膨張係数差に起因する反りを小さく抑制することができる。そして、コールドスプレー法などの溶射法を用いて形成された膜は、緻密であることが確認されており、特に、コールドスプレー法では、膜の堆積能率が高く、製造コストも安価である。
また、複数の材料を複合化する場合、比重の差、融点の差、などが障害となって、不可能であったり、複合化できる範囲が限られる場合がほとんどである。それに対し、本実施の形態のごとく、溶射法を利用することにより、第１の材料および第２の材料を含む下敷き導電部材２８を、ほぼ任意の組成範囲で容易に形成することができる。

また、本実施の形態では、図３に示すコールドスプレーを行う際に、初回のスイープの際には、原料供給管６８Ｂからの第２の材料の供給は少なく、下敷き導電部材２８の下端部における第２の材料の組成率は２０Vol％程度である。そして、２回目，３回目，…と、スイープ回数が進むにつれて、原料供給管６８Ｂから供給される第２の材料の割合が増加し、最終のスイープ時には、原料供給管６８Ａからの第２の材料の供給量が増えて、下敷き導電部材２８の上端部における第２の材料の組成率を６０Vol％程度にしている。

このような溶射方法により、金属配線２３に近いほど第１の材料の組成率が大きく、上方部材である半導体チップ１１に近いほど第２の材料の組成率が大きい下敷き導電部材２８の組成分布が実現する。このように、下敷き導電部材２８が、金属配線２３に近いほど第１の材料の組成率が大きく、上方部材である半導体チップ１１に近いほど第２の材料の組成率が大きい組成分布を有していることにより、下敷き導電部材２８と金属配線２３との界面における熱膨張係数差と、下敷き導電部材２８と半導体チップ１１との熱膨張係数差とを共に小さくできるので、より効果的に半田層１４に加わる熱応力を低減することができ、半田層１４のクラックの発生を確実に抑制することができる。また、金属配線２３から半導体チップ１１に至る部材間の接合の信頼性を高めることができる。

本実施の形態では、下敷き導電部材２８における第２の材料の平均組成率は、２０〜７０％である。８０％以上の添加の場合、Ｃｕ粉末同士のネットワークが弱くなり、結合力が低下し、下敷き導電部材２８の強度が確保できなくなるおそれがある。電気的な導通を確保するためには、第２の材料の局部的な最大組成率が７０％以下であることが好ましい。なお、初回のスイープの際には、原料供給管６８Ｂからの第２の材料の供給をせずに、下敷き導電部材２８の下端部における第２の材料の組成率が０％であってもよい。ただし、下敷き導電部材２８全体における第２の材料の平均組成率を２０〜７０％の範囲に収めるようにすることが好ましい。

なお、下敷き導電部材２８における組成分布が、必ずしも本実施の形態のようになっている必要はない。たとえば、Ｃｕと第２の材料との組成比が１：１の均一組成であっても、第２の材料の熱膨張係数がＣｕの熱膨張係数（１７ｐｐｍ／Ｋ）よりも小さければ、Ｃｕの熱膨張係数と、Ｓｉ，ＳｉＣ等の半導体チップ１１を構成する各材料の熱膨張係数（３〜６ｐｐｍ／Ｋ）の間の値になって、半田層１４に加わる熱膨張係数差に起因する熱応力を緩和することができる。

第１の材料がＣｕまたはＣｕ合金で、第２の材料がＳｉ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ｗ，Ｍｏ，Ｆｅ_３２Ｎｉ_５Ｃｏ（インバー合金）などであることにより、以下のような顕著な効果を発揮することができる。

図７は、Ｃｕに第２の材料（Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ｗ，Ｍｏ，Ｆｅ_３２Ｎｉ_５Ｃｏ（インバー合金））を添加したときの、添加量(Vol％）に対する熱膨張係数の変化を示すグラフである。図７に示すように、第２の材料の添加量が増すほど、下敷き導電部材２８の熱膨張係数は小さくなる。そして、第２の材料の添加量が２０％以上である場合には、下敷き導電部材２８の熱膨張係数は、１５ｐｐｍ／Ｋ以下である。

図８は、Ｃｕに第２の材料（Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ｗ，Ｍｏ，Ｆｅ_３２Ｎｉ_５Ｃｏ（インバー合金））を添加したときの、添加量(Vol％）に対する熱伝導率の変化を示すグラフである。図８に示すように、第２の材料の添加量が増すほど、熱伝導率は小さくなるが、第２の材料の添加量が７０％以下であれば、熱伝導率は１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と、十分大きな値が得られる。
なお、図９は、第１および第２の材料の各種特性を表にして示す図である。

特に、下敷き導電部材２８の熱膨張係数が、１０ｐｐｍ／Ｋ以下であることにより、半導体チップ１１との熱膨張係数差をより小さくできる点で、好ましい。

一方、金属配線２３（上方部材）をＣｕ，Ｃｕ合金，ＡｌまたはＡｌ合金によって構成することにより、電気抵抗および熱伝導率を特に小さくできるので、配線部材としての導電機能と放熱機能とが特に高くなる。したがって、本実施の形態により、パワーモジュール１０の総合的な性能を特に高めつつ、熱応力の低減により、部材間の接合の信頼性を高く維持することができる。ただし、本発明の金属配線２３の構成材料は、必ずしもＣｕ，Ｃｕ合金，ＡｌまたはＡｌ合金に限定されるものではない。

また、下敷き導電部材２８は、半導体チップ１１の直下方に位置する領域を含んでいればよく、金属配線２３上に広く形成されている必要はない。

本実施の形態のパワーモジュール１０においては、上述のＰｂフリー半田からなる半田層１４を備えている。一般に、Ｐｂフリー半田には、以下のものがある。たとえば、Ｓｎ（液相点２３２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ（液相点２２１℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ（液相点２２２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.55%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−1.5%Ａｇ−0.85%Ｃｕ−2.0Ｂｉ（液相点２２３℃），Ｓｎ−2.5%Ａｇ−0.5%Ｃｕ−1.0Ｂｉ（液相点２１９℃），Ｓｎ−5.8Ｂｉ（液相点１３８℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−その他（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点２２６℃），Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−3.0Ｉｎ（液相点２１６℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−4.0Ｉｎ（液相点２１１℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−8.0Ｉｎ（液相点２０８℃），Ｓｎ−8.0%Ｚｎ−3.0%Ｂｉ（液相点１９７℃）等がある。本実施の形態では、液相点が２５０℃以下の低融点のＰｂフリー半田、たとえば、Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃）を用いているが、これに限定されるものではない。

絶縁樹脂層２６には、本実施の形態では、金属やセラミクスの充填剤を含むエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の使用可能温度は、種類によって異なるが、２５０℃を超えるものを選択することは容易であり、本実施の形態では、Ｐｂフリー半田の液相点よりも高いものを用いている。したがって、後述するパワーモジュールの組み立て工程において、絶縁樹脂層２６を形成した後で、Ｐｂフリー半田のリフロー工程を行うことが可能になる。たとえば、エポキシ樹脂に、アルミナ，シリカ，アルミニウム，窒化アルミニウムなどを充填したものを用いることができ、熱伝導率が１．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、５．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。

絶縁樹脂層２６の厚みは、０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。絶縁樹脂層２６の熱抵抗は、熱伝導率と厚みに依存して定まるが、厚みが薄いほど熱抵抗が小さくなる。したがって、厚みが０．４ｍｍ以下であることにより、放熱機能が高くなることになる。

本実施の形態においては、１つの半田層１４と、樹脂接着剤からなる絶縁樹脂層２６とを用いているので、２つの半田層を設ける場合のごとく、工程の先後に応じて低融点のＰｂフリー半田と高融点のＰｂフリー半田とを用いる必要はなく、低融点のＰｂフリー半田だけで済むことになる。現在、Ｐｂフリー半田として、比較的Ｃｕ組成率の大きいＰｂフリー半田（たとえば積層点が３００℃以上のＳｎ−5.0%Ｃｕ，Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ）も開発されているが、銅喰われ問題，酸化物問題はじめ多くの問題が重なって、確実な接続信頼性を有する高融点のＰｂフリー半田を得ることは困難である。一方、低融点のＰｂフリー半田としては、たとえば液相点が２２０℃のＳｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（ＪＥＩＴＡ推奨合金）などの接続信頼性の高いものが得られている。また、樹脂接着剤としては、使用可能温度が２５０℃を超えるエポキシ樹脂など、低融点のＰｂフリー半田の液相点よりも高温に耐えうるものは容易に得られる。したがって、本実施の形態により、半田層１４をＰｂフリー化して、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。

すなわち、２つの半田層を用いる場合には、先に半田付けする半田層には、液相点が３００℃〜３３０℃の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）を用い、後に半田付けする半田層には、液相点が２１６℃程度の低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を用いている。すなわち、先の半田付け工程では高融点半田を用い、後の半田付け工程では、先の工程で形成された半田層がリフロー炉内で融解しないように、低融点半田を用いるのである。

一方、環境問題から各種製品として、Ｐｂ（鉛）を使わない、いわゆるＰｂフリー（鉛フリー）部品を用いることが義務づけられつつあるが、低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を、たとえば（Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ）などの低融点のＰｂフリー半田に置き換えることは現在の技術で可能であるが、従来の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）に代わる，接続信頼性の高い高融点のＰｂフリー半田を用いることは困難である。

それに対し、本実施の形態のごとく、下敷き導電部材２８と金属配線２３（配線部材）との接続には絶縁樹脂層２６を用いることにより、半導体チップ１１と金属配線２３との接合のみに半田層１４を用いることができる。よって、半田層１４を低融点のＰｂフリー半田を用いて、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。

−他の溶射法の例−
図４は、ＨＶＡＦ（High Velocity Aero Fuel）法の概略を説明する断面図である。ＨＶＡＦ装置６０Ｂは、２つの原料供給管６８Ａ，６８Ｂから投入される２種類の材料（粒子）を混合するミキサー（ホッパー）６７と、圧縮空気および可燃性ガスを加熱するヒータ６２と、粒子を吹き付けるためのガン６３と、圧縮空気を供給する配管６４，６５と、可燃性ガス（プロパンガスなど）を供給するガス管６６とを備えている。そして、ガン６３から約５〜３０ｍｍ程度離れた位置に、基板が設置されている。

ミキサー６７に、２つの原料供給管６８Ａ，６８Ｂから、それぞれ第１の材料（Ｃｕ）と第２の材料（Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ｗ，Ｍｏ，Ｆｅ_３２Ｎｉ_５Ｃｏ（インバー合金））の各粒子群（粒径１０〜４０μｍ）が投入されると、ミキサー６７内で混合された後、配管６４から送り込まれる圧縮空気によってガン６３に送られる。一方、配管６５，ガス管６６から送り込まれた圧縮空気および可燃性ガスは、点火プラグ６９で燃焼が促進され、ガン６３に送られる。そして、ガン６３で燃焼ガス，圧縮空気および各粒子群が混ざり合った状態で、フレームとともに、超音速流で噴射される。各粒子は、コールドスプレー法とほぼ同じ温度（３００〜５００℃）かつ、より高速（６００〜８００ｍ／ｓ）で、基板に衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形して、からみ合った状態で結合されて、下敷き導電部材２８が形成される。粒子の粒径は、１０〜４０μｍである。

また、ＨＶＯＦ（High Velocity Oxigen Fuel）法を用いた場合は、供給管６４，６５から酸素が供給される点を除いては、図４に示す通りの装置を用いる。その場合、フレーム速度で２０００ｍ／ｓ以上、粒子速度で７５０ｍ／ｓが達成される。

図５は、ＡＤ（Aerosol Deposition）法の概略を説明する断面図である。真空ポンプＶＰが付設された成膜室７１内に、ワークホルダー７２と、基板７２と、メタルマスク７３と、ノズル７６とが配置されている。また、エアロゾル化室７８には、原料供給管７９Ａから第１の材料（Ｃｕ）の粒子群が供給され、原料供給管７９Ｂから第２の材料（Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ｗ，Ｍｏ，Ｆｅ_３２Ｎｉ_５Ｃｏ（インバー合金））の粒子群が供給され、エアロゾル化室７８内で各粒子が混合される。各粒子は、空気，Ｈｅ，Ａｒ，窒素などの圧縮ガスボンベから供給されるガス流に乗って、連絡配管７７からノズル７６に運ばれ、高速で噴射される。そして、基板７３上に、第１の材料と第２の材料とを含む下敷き導電部材７４が堆積される。成膜が終了すると、下敷き導電部材７４を基板７３から剥がして、金属配線２３に接合させることにより、図１に示す構造が形成される。

この方法では、コールドスプレー法と同様に、室温程度の低温で成膜が行われる。粒子の速度は２００〜４００ｍ／ｓ、粒子の粒径は０．０３μｍ〜０．１μｍであり、より緻密な粒子を用いることができる。

形成される複合材料膜の厚みを比較すると、コールドスプレー法，ＨＶＡＦ法，ＨＶＯＦ法では、数十μｍ〜数ｍｍであるが、ＡＤ法では、数μｍ〜数十μｍである。本発明のパワーモジュールにおいては、応力緩和できる数十μｍ程度かそれ以上の厚みを有することが重要であり、コールドスプレー法，ＨＶＡＦ法，またはＨＶＯＦ法を用いることが好ましい。

（変形例）
図６は、上記実施の形態１の製造方法の変形例を説明する図である。上記実施の形態１では、第１の材料の粒子群と、第２の材料の粒子群とを混合してから、１つのノズルから各粒子を噴射したが、本変形例では、個別に各材料の粒子群を噴射する。すなわち、図６に示すように、ノズルＡから第１の材料（Ｃｕ）の粒子群を噴射し、ノズルＢから第２の材料（Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ｗ，Ｍｏ，Ｆｅ_３２Ｎｉ_５Ｃｏ（インバー合金）など）の粒子群を噴射して、基板上に、第１の材料および第２の材料を含む下敷き導電部材を堆積していく。ノズルＡ，Ｂは、コールドスプレー法，ＨＶＡＦ法，ＨＶＯＦ法またはＡＤ法で使用されるノズルである。

（他の実施の形態）
上記各実施の形態では、ヒートシンク２１の材料として、ＡｌまたはＡｌ合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ｃｕ，Ｃｕ合金，ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮ，ＳｉＣ，ＷＣなどのセラミックス、或いは、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。

本実施の形態では、金属配線２３の材料として、Ｃｕを用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ｃｕ合金，Ａｌ，Ａｌ合金、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。

本発明のパワーモジュールに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ，ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスでもよいし、Ｓｉを用いたパワーデバイスでもよい。

上記実施の形態では、半導体チップ１１に、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，ダイオード，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。

上記各実施の形態では、天板５０ａに多数のパワーモジュール１０を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク部材２４上に多数の半導体チップを搭載してもよい。

ヒートシンク部材２４との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。

上記各実施の形態では、絶縁樹脂層２６を熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂によって構成したが、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂によって構成してもよい。

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明のパワーモジュールは、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載した各種機器に利用することができる。

実施の形態に係るパワーモジュールの断面図である。 実施の形態に係るパワーモジュールセットの断面図である。 コールドスプレー法の概略を説明する断面図である。 ＨＶＡＦ法（ＨＶＯＦ法）の概略を説明する断面図である。 ＡＤ法の概略を説明する断面図である。 実施の形態の変形例を示す図である。 Ｃｕに第２の材料を添加したときの、添加量(Vol％）に対する熱膨張係数の変化を示すグラフである。 Ｃｕに第２の材料を添加したときの、添加量(Vol％）に対する熱伝導率の変化を示すグラフである。 第１および第２の材料の各種特性を表にして示す図である。

符号の説明

１０ パワーモジュール
１１ 半導体チップ
１２ 上面電極
１３ 裏面電極
１４ 半田層
１７ 信号配線
１８ 大電力用配線
２１ ヒートシンク
２１ａ 平板部
２１ｂ フィン部
２３ 金属配線
２５ Ｏリング
２６ 絶縁樹脂層
２８ 下敷き導電部材
４０ ゲル層
５０ａ 天板
５０ｂ 容器
５１ 空間
５３ モジュール樹脂枠
５６ 電極端子層

Claims (7)

1. 半導体チップと、
   前記半導体チップの一部に電気的に接続され、Ａｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ，およびＣｕ合金の中から選ばれる第１の材料を主成分として含む配線部材と、
   前記配線部材と前記半導体チップの間で、少なくとも半導体チップの直下方に位置する領域に介設される下敷き導電部材と、
   前記下敷き導電部材と前記半導体チップの間に介設された半田層とを備え、
   前記下敷き導電部材は、前記第１の材料と、前記第１の材料よりも熱膨張係数が小さい第２の材料とを含む、パワーモジュール。
2. 請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
   前記下敷き導電部材における前記第２の材料の組成率は、２０〜７０％である、パワーモジュール。
3. 請求項１または２記載のパワーモジュールにおいて、
   前記下敷き導電部材における前記第１の材料の組成率は、前記配線部材に近いほど大きく、前記第２の材料の組成率が前記半田層に近いほど大きいい、パワーモジュール。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
   前記下敷き導電部材の熱膨張係数は、１０ｐｐｍ／Ｋ以下である、パワーモジュール。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
   前記第２の材料は、Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ｗ，ＭｏおよびＦｅ_３２Ｎｉ_５Ｃｏ（インバー合金）の中から選ばれる少なくとも１つの物質である、パワーモジュール。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
   前記下敷き導電部材は、溶射法によって形成されている、パワーモジュール。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
   前記配線部材の下方に設けられたヒートシンクと、
   前記配線部材と前記ヒートシンクとを接続する絶縁樹脂層と、
   をさらに備えている、パワーモジュール。

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