JP2018006512A - 半導体装置及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部の信頼性が高い半導体装置を提供する。【解決手段】第２の基板３と、第２の基板３に第２の接合部材２を介して接続される半導体素子１と、を有する半導体装置２０であって、第２の基板３は、半導体素子１に向かって凸または凹となる形状の曲面部３ｄを有し、第２の接合部材２の半導体素子１と対向する第１の面２ａが、半導体素子１の第２の接合部材２と対向する底面１ｂに倣う形状であり、第２の接合部材２の第１の面２ａと反対側の第２の基板３と対向する第２の面２ｂが、曲面部３ｄに倣う形状である。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置及び移動体に関する。

近年、高温動作が可能な半導体装置（例えばパワー半導体モジュール）の需要が高まっている。そこで、高温動作が可能で、かつ機器の小型軽量化が可能なＳｉＣ（炭化シリコン）やＧａＮ（窒化ガリウム）等のワイドギャップ半導体の開発が推し進められている。一般的にＳｉ（シリコン）の半導体素子は動作温度の上限が１５０〜１７５℃であるのに対し、ＳｉＣの半導体素子は１７５℃以上での使用が可能である。

半導体装置の多くは、半導体素子と絶縁基板、もしくは絶縁基板と金属放熱板がはんだ等で接合された構造となっている。

例えば、特許文献１には、金属回路板側に凹状に反っているときのセラミックス回路基板の反り量を正（＋）の反り量とすると、セラミックス回路基板を３５０℃に加熱したときの反り量が−０．１〜＋０．３ｍｍであるセラミックス回路基板を用いたパワーモジュールが開示されている。そして、パワーモジュールのアセンブリ工程では、半田付けを行うことが記載されている。

また、特許文献２には、セラミックス基板をヒートシンクに半田リフローで接合する際に、セラミックス基板が金属放熱板側に凸形状に反っているパワーモジュールが開示されている。

特開２００３―２７３２８９号公報 特開２００６―２４５４３７号公報

しかし、使用温度が高温になると、半導体装置（パワー半導体モジュール）に使用される接合材についても１７５℃以上の耐熱性が要求される。このため、１７５℃以上の高温にも耐え得る高融点接合材の開発が進められている。

また、高耐熱な接合材として、微小金属粉末を利用した焼結接合が注目されている。焼結接合は、微小金属粉末を溶剤と混合して加熱することで微小金属粉末の融点以下の温度で接合するものである。そして、接合後は、接合温度では溶融しないため、高耐熱な接合部が低温で形成可能である。

しかし、焼結接合では微小金属粉末の融点以下の温度で接合を行うため、接合中に液相は生じない。このため、焼結接合中に加圧を行い接合材と被接合部材を密着させる必要があるがこの点について特許文献１，２では考慮されていない。また、加圧中に部材が破壊されることがあるがこの点も考慮されていない。また、接合中に加圧を行う場合、はんだなどを用いた接合プロセスと比較してプロセスコストが増加するがこの点も考慮されていない。そこで本発明の目的は、接合部の信頼性が高い半導体装置を提供することにある。

本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

本発明の代表的な実施の形態による半導体装置は、基板と、基板に接合部材を介して接続される半導体素子と、を有し、基板は、半導体素子に向かって凸または凹となる形状の曲面部を有し、接合部材の半導体素子と対向する第１の面が、半導体素子の接合部材と対向する主面に倣う形状であり、接合部材の第１の面と反対側の基板と対向する第２の面が、曲面部に倣う形状である。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、接合部の信頼性が高い半導体装置を提供することができる。

本実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す平面図である。 本実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 焼結接合による接合状態を説明する図であり、良好な接合状態を示す図である。 焼結接合による接合状態を説明する図であり、良好ではない接合状態を示す図である。 本実施の形態に係る半導体装置の製造方法に係るフローチャートを示す図である。 第２の基板の変形形状と焼結接合の接合状態との関係を示す図である。 本実施の形態に係る鉄道車両の一例を示す部分側面図である、 本実施の形態に係る鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。 本実施の形態に係る自動車の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。

また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、以下の実施の形態において、構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲等についても同様である。

（実施の形態１）
［半導体装置の構成］
図１は、本実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す平面図である。図２は、本実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す断面図である。

半導体装置２０は、例えばインバータ等の電源装置に用いられるパワー半導体モジュールである。半導体装置２０は、図１に示すように、例えば複数の半導体素子１を備えている。それぞれの半導体素子１は、図１、図２に示すように、後述する第２の基板（基板）３に形成された第２の金属層３２上に配置され、複数の半導体素子１は、第２の金属層３２の延在方向（図示でＸ軸方向）に配置されている。

半導体装置２０は、図２に示すように、第２の基板３と、基板に第２の接合部材２を介して接続される半導体素子１と、を備えている。また、半導体装置２０は、第２の基板３に第１の接合部材（他の接合部材）５を介して接続される第１の基板（他の基板）４を有している。半導体装置２０は、図２に示すように、第１の基板４、第２の基板３、半導体素子１等が積層されて構成されている。以下で、半導体装置２０の構造について説明する。

半導体素子１は、例えば、Ｓｉ（ケイ素）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、ＧａＮ（窒化ガリウム）等で構成される。特に、ＳｉＣ（炭化シリコン）、ＧａＮ（窒化ガリウム）は、１７５℃以上の高温で使用することができる。半導体素子１の表面１ａには、図示しない回路素子等が形成されている。半導体素子１の回路素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、Ｄｉｏｄｅ等であるが、これらに限定されるものではない。

半導体素子１は、第２の接合部材２を介して、第２の基板３と曲面部３ｄにおいて接続されている。半導体素子１の第２の接合部材２とは反対側の表面１ａには、例えばゲート用の電極１１、１２が設けられている。電極１１と、第２の基板３の第２の主面３ｂに形成された配線層３３とは、ワイヤ６を介して電気的に接続されている。電極１２と、第２の基板３の配線層３４とは、ワイヤ７を介して電気的に接続されている。ワイヤ６、７は、例えばアルミニウム（Ａｌ）線または銅（Ｃｕ）線等で構成される。

端子９の一方の端部は、配線層３４と接続されている。端子９の他方の端部は、例えば図２に示すように、後述するケース８の外部まで引き出されている。端子９は、例えば１つでもよいし、複数設けられてもよい。半導体素子１は、端子９を介して図示しない外部装置と電気的に接続されている。

ケース８は、図２に示すように、第１の基板４の周端部及び主面４ａの外縁部と接し、第１の基板４の周縁部を取り囲むように設けられている。ケース８は、第１の基板４の主面４ａから第２の基板３側に延在し、複数の半導体素子１、複数のワイヤ６、７、第２の基板３等を取り囲んでいる。第１の基板４の主面４ａ及びケース８で囲まれた領域には、例えば樹脂１０が充填されている。このように、複数の半導体素子１、複数のワイヤ６、７、第２の基板３等は、樹脂１０によって封止されている。樹脂１０には、例えばゲル状の樹脂材を用いてもよい。

第２の基板３は、第２の主面３ｂに、半導体素子１に向かって凸または凹となる形状の曲面部３ｄを有している。また、第２の基板３は、曲面部３ｄを有する面としての第２の主面３ｂと反対側の面である第１の主面３ａに、曲面部３ｄに対応する形状の曲面部（他の曲面部）３ｃを有している。なお、図２では、曲面部３ｄが、半導体素子１に向かって凹形状となっている場合が示されている。

第２の基板３は、半導体素子１を支持する支持基板である。また、第２の基板３は、半導体素子１で発生した熱を第１の基板４に熱伝導させることにより、半導体素子１の放熱を促進させる放熱基板としても機能する。第２の基板３は、例えば、窒化珪素、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アルミニウム等のセラミックスからなるセラミックス基板で構成されている。

第１の金属層３１は、第２の基板３の第１の主面３ａに形成されている。第２の金属層３２及び半導体素子１と電気的に接続される配線層３３、３４は、第２の基板３の第２の主面３ｂに形成されている。したがって、第２の基板３は、第２の金属層３２を介して第２の接合部材（接合部材）２と接続され、第１の金属層３１を介して第１の接合部材（他の接合部材）５と接続されている。第１の金属層３１が設けられていることにより、第２の基板３と第１の基板４とが容易に接続される。また、第２の金属層３２が設けられていることにより、半導体素子１と第２の基板３とが容易に接続される。

第１の金属層３１は、第２の基板３の第１の主面３ａの略全面に形成されている。例えば、第１の金属層３１は、第２の基板３の第１の主面３ａにおける周縁部を除いた領域に形成されている。第２の金属層３２は、例えば図１に示すようにＸ軸方向に延在し、第２の基板３の曲面部３ｄにおける、半導体素子１が接続される領域の略全面を覆うように形成されている。配線層３３は、例えば図１に示すように、第２の金属層３２のＹ軸の正側の領域で、第２の金属層３２に沿うように、Ｘ軸方向に延在して形成されている。配線３４は、例えば図１に示すように、第２の金属層３２に対して配線層３３と反対側のＹ軸の負側の領域で、第２の金属層３２に沿うように、Ｘ軸方向に延在して形成されている。

第１の金属層３１、第２の金属層３２、配線層３３、３４は、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする部材で構成されている。第１の金属層３１の厚みは、例えば、第２の金属層３２、配線層３３、３４の厚み以上であることが好ましい。例えば、第２の金属層３２、配線層３３、３４の厚さは、０．２ｍｍ〜０．３ｍｍである。また、第１の金属層３１の厚さは、例えば０．３ｍｍ又はそれ以上である。

第２の基板３は、図２に示すように、第２の主面３ｂが凹形状となっている。これに対応して、第２の基板３は、第１の主面３ａが凸形状となっている。すなわち、第２の基板３は、周縁部が第１の主面側から第２の主面側に向かって反った形状となっている。

第２の主面３ｂは一部が凹形状となってもよく、この場合は、少なくとも半導体素子１と第２の接合部材２が接続される部分が凹形状となるとよい。第２の接合部材２を接続する部分の接合面積を向上させるためである。

また、第２の主面３ｂが半導体素子１に対して凹形状であり、第２の主面３ｂに対向する第１の主面３ａは、凸形状であり、これを凹形状に対応する形状とも呼ぶ。

第２の基板３がこのような形状となっているのは、以下の理由による。第１の金属層３１は、第２の基板３の第１の主面３ａの略全面に形成されている。これに対して、第２の基板３の第２の主面３ｂには、第２の金属層３２、配線層３３、３４が形成されており、第１の金属層３１が第２の基板３と接する面積が、第２の金属層３２、配線層３３、３４が第２の基板３と接するそれぞれの面積の合計よりも大きい。

また、第１の金属層３１の厚さは、第２の金属層３２、配線層３３、３４の厚さ以上である。このため、第１の金属層３１の熱膨張は、第２の金属層３２、配線層３３、３４の熱膨張よりも大きい。そうすると、第２の基板３は、周縁部が第１の主面３ａ側から第２の主面３ｂ側に向かって反り、第２の主面３ｂが凹形状となる。

第２の接合部材（接合部材）２は、第２の基板３と半導体素子１とを接続する部材である。詳しくは、第２の接合部材２は、第２の主面３ｂの凹んだ領域である曲面部３ｄにおいて、第２の金属層３２を介して第２の基板３と半導体素子１とを接続する。第２の接合部材２は、第２の基板３と半導体素子１とを焼結接合により接続する際に形成された部材である。

第２の接合部材２は、金属粉末を焼結接合することにより形成された層である。焼結接合とは、金属粉末を溶剤と混合して加熱することで微小金属粉末の融点以下の温度で接合する接合方法である。金属粉末は、微小金属粉末ともいう。また、第２の接合部材２の金属粉末は、金属粒子やラグビーボールのような楕円形状、フレーク状の形状を含む概念である。このように、焼結接合により形成された第２の接合部材２は多孔質の金属で接合された多孔質構造体を有するため、多孔質接合層２とも呼ぶ。また、第２の接合部材２を単に第２の接合層２とも呼ぶ。

第２の接合部材２は、半導体素子１と対向する第１の面２ａが、半導体素子１の第２の接合部材２と対向する底面（主面）１ｂに倣う形状であり、第１の面２ａと反対側の第２の基板３と対向する第２の面２ｂが、曲面部３ｄに倣う形状である。すなわち、第２の接合部材２は、第１の面２ａの形状が、半導体素子１の底面１ｂの形状（例えば平面）と略同様であり、第２の面２ｂの形状が、第２の基板３の第２の主面３ｂの曲面部３ｄの形状に合わせた凸形状となっている。

第２の接合部材２は、例えば、Ａｇ（銀）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を主成分とするものや、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を主成分とするものである。第２の接合部材２は、例えば、１００℃〜４００℃で焼結接合される際に形成される。したがって、焼結接合は、第２の接合部材２を構成する金属の融点以下の温度で実施される。そして、焼結接合がなされた後の第２の接合部材２は、焼結接合を実施した温度（例えば、１００℃〜４００℃）では溶融しない。本願明細書においては、第２の接合部材２の主成分とは、その部材が有する元素のうち、その多くを示す元素であることを意味する。例えば、主成分がＡｇ（銀）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）である場合には、第２の接合部材２は、おおよそこれらの元素により構成される。また、例えば、主成分がＣｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）である場合には、第２の接合部材２は、おおよそこれらの元素により構成される。

また、第２の接合部材２は、無加圧で形成される。これは、上述したように、第２の接合部材２は、焼結接合時に第２の基板３の第２の主面３ｂにおいて凹んだ領域である曲面部３ｄに形成されるからである。詳しくは、微小金属粉末を溶剤と混合して作製された焼結接合用ペーストを曲面部３ｄ付近の第２の金属層３２に塗布し、ペーストを塗布した領域に半導体素子１を搭載しても、曲面部３ｄが凹形状であり、焼結接合時における第２の基板３の変形にペーストが追従できるからである。

焼結接合により形成された第２の接合部材２は、多孔質（ポーラス）な構造を有している。例えば、微小金属粉末の融点以上の温度で接合を実施すると、接合中に液相が生じるので形成された接合部材は均一な層となる。しかし、金属の融点以下の温度で接合を行う焼結接合では液相が生じないので、形成された第２の接合部材２は多孔質となる。つまり、第２の接合部材２では、金属粉末または金属粒子間に空隙を有するということである。加圧により空隙を有していない場合であっても、本願明細書においては、このような多孔質金属を用いた接合層を、多孔質構造体と呼ぶ。このように、焼結接合により形成された第２の接合部材２は多孔質の金属で接合された多孔質構造体を有するため、多孔質接合層２とも呼ぶ。また、第２の接合部材２を単に第２の接合層２とも呼ぶ。

図３は、焼結接合による接合状態を説明する図であり、良好な接合状態を示す図である。図４は、焼結接合による接合状態を説明する図であり、良好ではない接合状態を示す図である。焼結接合では、形成される半導体素子１と第２の金属層３２との接合面積が、半導体素子１の底面１ｂの面積の９５％以上である状態を良好な接合状態であると定義する。このように定義したのは、未接合部が２０％以下（接合面積が８０％以上）であれば実施可能であるが、接合面積が９５％以上であるとより密着性が高く放熱性が高いからである。

ここで、半導体素子１と第２の金属層３２との接合面積とは、半導体素子１が第２の接合部材２と接合する面積、第２の金属層３２が第２の接合部材２と接合する面積のいずれか小さい方の面積をいう。例えば、半導体素子１が第２の接合部材２と接合する面積が、第２の金属層３２が第２の接合部材２と接合する面積よりも小さい場合には、半導体素子１が第２の接合部材２と接合する面積が、半導体素子１と第２の金属層３２との接合面積である。これに対して、第２の金属層３２が第２の接合部材２と接合する面積が、半導体素子１が第２の接合部材２と接合する面積よりも小さい場合には、第２の金属層３２が第２の接合部材２と接合する面積が、半導体素子１と第２の金属層３２との接合面積である。

例えば、図３に示すように、半導体素子１が、焼結接合時に第２の基板３の第２の主面３ｂの凹んだ領域である曲面部３ｄで第２の金属層３２と接合される場合には、半導体素子１の端部が第２の金属層３２（第２の基板３）側に接近することとなる。そうすると、焼結接合用ペーストは、第２の基板３の変形に追従できるので、半導体素子１は、端部まで第２の金属層３２と接合が達成され、第２の金属層３２と良好な接合状態となる。すなわち、焼結接合用ペーストは第２の基板３と半導体素子１との形状に倣う層構造となる。接合後の第２の接合部材２は、第１の面２ａは半導体素子１に倣う面となり、第２の面２ｂは第２の金属層３２に倣った形状となる。

これに対して、図４に示すように、半導体素子１が、焼結接合時に第２の基板３の第２の主面３ｂが凸形状となった領域で、すなわち、第２の基板３の第１の主面３ａが凹んだ領域で第２の金属層３２と接合される場合には、第２の基板３（第２の金属層３２）は半導体素子１の端部から離れる方向に変形する。そうすると、焼結接合用ペーストが第２の基板３の変形に追従できず、半導体素子１の端部に未接合部が発生してしまい良好な接合状態が得られない。

第２の基板３の半導体素子１が配置される領域の反り変形は、第１の金属層３１、第２の金属層３２、配線層３３、３４の形状や厚みを変更することにより自由に調整させることが可能である。例えば、第１の金属層３１、第２の金属層３２、配線層３３、３４にＣｕ（銅）を使用してそれぞれの厚みを０．３ｍｍとすることで、１００〜４００℃において半導体素子１が配置される、第２の基板３の曲面部３ｄを凹形状とすることができる。

ところで、半導体素子１が焼結接合される領域における、一の半導体素子（半導体素子１）当りの第２の基板３の反り量は５０μｍ以下であることが望ましい。また、焼結接合により形成される第２の接合部材２の厚みが、例えば５０μｍ〜１００μｍ程度であるとよい。第２の基板３の反り量がこれ以下の値であると、第２の基板３の変形に追従しやすくなるため、半導体素子１を第２の基板３に焼結接合した場合の信頼性を向上させることができるからである。

一の半導体素子１当たりの第２の基板３の反り量とは、半導体素子１と第２の基板３とが接合される領域において、半導体素子１の底面１ａと第２の基板３の第２の主面３ｂとの間隔の最大値と、半導体素子１の底面１ａと第２の基板３の第２の主面３ｂとの間隔の最小値との差をいう。図２、図３では、半導体素子１の中央付近において、半導体素子１の底面１ａと第２の基板３の第２の主面３ｂとの間隔が最大となり、半導体素子１の端部において、半導体素子１の底面１ａと第２の基板３の第２の主面３ｂとの間隔が最小となっている。したがって、本実施の形態では、半導体素子１の中央付近における、半導体素子１の底面１ａと第２の基板３の第２の主面３ｂとの間隔と、半導体素子１の端部における半導体素子１の底面１ａと第２の基板３の第２の主面３ｂとの間隔との差が、一の半導体素子１当たりの第２の基板３の反り量となる。

第１の基板４は、第２の基板３を支持する支持基板である。また、第１の基板４は、半導体素子１で発生した熱を半導体装置２０の外部へ放熱させることにより、半導体素子１の放熱を促進させる放熱基板としても機能する。第１の基板４は、放熱性に優れた材質により構成されていることが好ましい。例えば、第１の基板４は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属を主成分（ベース）とする金属板等で構成されてもよいし、例えば、ＡｌＳｉＣ等のような金属とセラミックスとを主成分とする複合材料（ＭＭＣ：Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）等で構成されてもよい。

第１の接合部材（他の接合部材）５は、第１の基板（他の基板）４と第２の基板３とを接合させる。詳しくは、第１の接合部材５は、第１の基板４と、第２の基板３に形成された第１の金属層３１とを接合することにより、第２の基板３と第１の基板４とを接合させる。このように、第２の基板３は、第１の金属層３１と第１の接続部材５とを介して第１の基板４と接合されている。また、第１の接合部材５を単に第１の接合層５とも呼ぶ。

第１の接合部材５は、第２の基板（基板）３と対向する第１の面５ａが、第２の基板３の曲面部３ｃ（他の曲面部）を有する第１の主面３ａに倣う形状であり、第１の面５ａと反対側の第１の基板（他の基板）４と対向する第２の面５ｂが、第１の基板４の第１の接合部材５と対向する主面４ａに倣う形状である。

半導体装置２０は、例えば、自動車、鉄道、建機、情報機器等の分野において高耐熱性が要求される場合がある。このため、第１の接合層５は、例えば、１７５℃以上の温度にも耐え得るものが用いられることが好ましい。

第１の接合部材５は、例えば、Ｓｎ（スズ）を主成分とするはんだ合金、もしくはＰｂ（鉛）を主成分とするはんだ合金を用いることができる。また、環境負荷低減のため、鉛フリーのはんだ合金を用いてもよい。本願明細書においては、主成分とはその部材が有する元素のうち最も多い元素であることを意味する。例えば、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕであれば、Ｓｎ成分が主成分である。

はんだ合金として、例えば、Ｐｂ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｓｂ（アンチモン）、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ等が用いられる。また、はんだ合金以外にも、Ｚｎ（亜鉛）−Ａｌ、Ａｕ（金）−Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ａｕ−Ｓｉ（ケイ素）等の合金、焼結銀（Ａｇ）、焼結銅（Ｃｕ）等が用いられてもよい。

［半導体装置の製造方法］
次に、本実施の形態に係る半導体装置２０の製造方法について説明する。図５は、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法に係るフローチャートを示す図である。半導体装置２０の製造方法は、図５に示すように、半導体素子焼結接合工程Ｓ１０と、第２の基板接合工程Ｓ２０と、を有する。

まず、半導体素子焼結接合工程Ｓ１０について説明する。微小金属粉末と溶剤とを混合した焼結接合用のペーストを、第２の基板３の第２の主面３ｂが凹んだ領域における第２の金属層３２に塗布する。焼結接合用ペーストを構成する溶剤は１００℃以上の高沸点のものを使用する。これは、沸点以下であれば溶剤が揮発しないため被接合材（第２の基板３）の変形に追従できるからである。

そして、ペーストを塗布した領域に半導体素子１を搭載して、例えば１００〜４００℃に加熱する。これにより、ペースト内の溶剤を揮発させ、その後焼結が進み第２の接合部材２を形成させる。これにより、半導体素子１と第２の金属層３２とを接合させ、半導体素子１と第２の基板３とを接合させる。

次に、第２の基板接合工程Ｓ２０について説明する。まず、第１の基板４の主面４ａに、はんだ等の接合材を配置する。そして、第１の金属層３１と接合材とが接するように、半導体素子１が接合された第２の基板３を接合材上に配置する。

次に、接合材及び第２の基板３が配置された第１の基板４をリフロー炉に設置する。この時、リフロー炉の内部を、例えば３００℃以上とすることで接合材を溶融させ、第２の基板３と第１の基板４とを接合させる。これにより、図２に示すモジュール構造における第２の基板３と第１の基板４とのはんだ接合を完了する。これらの工程Ｓ１０、Ｓ２０により、半導体装置２０が組み立てられる。

ここでは、第２の基板３と第１の基板４とをはんだにより接合する場合について説明したが、例えば、上述の半導体素子焼結接合工程Ｓ１０で説明したような、焼結接合により第２の基板３と第１の基板４とを接合してもよい。また、めっき工程により第２の基板３と第１の基板４とを接合するようにしてもよい。

本実施の形態によれば、第２の基板３は、半導体素子１に向かって凸または凹となる形状の曲面部３ｄを有し、第２の接合部材２の半導体素子１と対向する第１の面２ａが、半導体素子１の第２の接合部材２と対向する底面１ｂに倣う形状であり、第２の接合部材２の第１の面２ａと反対側の第２の基板３と対向する第２の面２ｂが、曲面部３ｄに倣う形状である。

この構成によれば、第２の接合部材２が、半導体素子１の底面１ｂの形状、第２の基板３の第２の主面３ｂの形状に合わせて形成されているので、接合面積を向上させ、半導体素子１で発生する熱を効率的に第１の基板４側へ熱伝導させることができ、接合部の信頼性が高い半導体装置が提供される。

また、本実施の形態によれば、第２の基板３は、曲面部３ｄを有する第２の主面３ｂと反対側の第１の主面３ａに曲面部３ｄに対応する形状の曲面部３ｃを有し、第１の接合部材５の第２の基板３と対向する第１の面５ａが、第２の基板３の曲面部３ｃを有する第１の主面３ａに倣う形状であり、第１の接合部材５の第１の面５ａと反対側の第１の基板４と対向する第２の面５ｂが、第１の基板４の第１の接合部材５と対向する主面４ａに倣う形状である。

この構成によれば、第１の接合部材５が、第２の基板３の第１の主面３ａの形状、第１の基板４の主面４ａに合わせて形成されているので、接合面積を向上させ、半導体素子１で発生する熱を効率的に外部へ排出することができ、接合部の信頼性が高い半導体装置が提供される。

また、本実施の形態によれば、第２の基板３がセラミックス基板で構成されている。この構成によれば、セラミックスは熱伝導性に優れているので、半導体素子１で発生した熱を、より効率的に第１の基板４側へ熱伝導させることができ、放熱性に優れた半導体装置が提供される。

本実施の形態によれば、半導体素子１は、焼結接合時に第２の基板３の第２の主面３ｂの凹形状の曲面部３ｄにおいて、第２の接合部材２と第２の金属層３２とを介して第２の基板３と接合されている。

この構成によれば、焼結接合時において、焼結接合用ペーストが第２の基板３の変形に追従できるので、無加圧で第２の接合部材２が形成される。これにより、第２の接合部材２を形成する際に加圧しないため、信頼性の高い半導体モジュールが提供される。なお、加圧する場合でも、従来の加圧量よりも小さな加圧量で焼結接合が実施できるようになる。また、加圧することによる半導体素子１等の部材の負荷が低減されるので、信頼性を向上させた半導体モジュールが提供される。

また、本実施の形態によれば、１００℃〜４００℃で第２の接合部材２が形成される。これにより、高耐熱な第２の接合部材２を低温で形成することが可能である。すなわち、第２の接合部材２を構成する金属の融点以下の低温で第２の接合部材２を形成することができる。

また、焼結接合中に液相が生じないので、多孔質な構造を有する第２の接合部材２を形成することができる。これにより、半導体装置２０が高温状態となった場合でも、温度変化幅の増加に伴う疲労破壊に対しても、第２の接合部材２が変形しやすくなるため応力を緩和することができ、信頼性を向上させた半導体装置２０が提供される。

また、本実施の形態によれば、第２の接合部材２が多孔質構造体を有する。この構成によれば、第２の接合層２の表面積を増大させることができる。これにより、第１の基板４側への熱伝導に加え、第２の接合部材２からの放熱を促進させることができるので、放熱性を向上させた信頼性の高い半導体装置２０が提供される。

また、本実施の形態によれば、第２の接合部材２はＡｇ、Ｎｉ、Ａｕを主成分とする部材で構成されている。この構成によれば、焼結接合中に液相が生じないので、多孔質な構造を有する第２の接合部材２が形成される。これにより、放熱性を向上させた信頼性の高い半導体装置２０が提供される。

また、本実施の形態によれば、第２の接合部材２は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕを主成分とする部材で構成されている。この構成においても、焼結接合中に液相が生じないので、多孔質な構造を有する第２の接合部材２が形成される。これにより、放熱性を向上させた信頼性の高い半導体装置２０が提供される。

また、本実施の形態によれば、第２の基板３の曲面部３ｃを有する第１の主面３ａに形成された第１の金属層３１と、第２の基板３の曲面部３ｄを有する第２の主面３ｂに形成された、第２の金属層３２及び半導体素子１と電気的に接続される配線層３３、３４と、を有し、第２の基板３は、第２の金属層３２を介して第２の接合部材２と接続され、第１の金属層３１を介して第１の接合部材５と接続され、第１の金属層３１、第２の金属層３２及び配線層３３、３４はＣｕを主成分とする部材で構成されている。

この構成によれば、第２の接合部材２を介した第２の基板３と半導体素子１との接合、及び第１の接合部材５を介した第２の基板３と第１の基板４との接合が、容易に実施されるので、それぞれの接合部分の信頼性を向上させた半導体装置２０が提供される。また、Ｃｕは熱伝導性に優れているので、放熱性に優れた半導体装置２０が提供される。また、第１の金属層３１、第２の金属層３２及び配線層３３、３４により、半導体装置２０が高温となった場合における、第２の基板３の反り量が調節されるので、第２の基板３の第２の主面３ｂに凹形状の曲面部３ｄを形成し、半導体素子１との接合面積を向上させることができる。これにより、熱伝導性を向上させ、接合部の信頼性が高い半導体装置が提供される。

また、本実施の形態によれば、第１の金属層３１、第２の金属層３２、配線層３３、３４にＣｕ（銅）を用いている。Ｃｕは安価で容易に入手可能であることから、半導体装置２０の製造コストの上昇を抑えることができる。

また、本実施の形態によれば、第１の金属層３１が第２の基板３の第１の主面３ａの略全面に形成され、第１の金属層３１の厚みが、第２の金属層３２及び配線層３３、３４の厚み以上である。

この構成によれば、第１の金属層３１の熱膨張が、第２の金属層３２及び配線層３３、３４の熱膨張よりも大きいので、第２の基板３の第２の主面３ｂが凹形状にされる。これにより、焼結接合時において、焼結接合用ペーストが第２の基板３の変形に追従できるので、第２の基板３と半導体素子１との接合面積が向上する。また、これにより、半導体素子１は、端部まで第２の金属層３２と接合が達成され、第２の金属層３２と良好な接合状態となるので、放熱性に優れ、高耐熱性を有する高品質な半導体装置２０が提供される。

また、本実施の形態によれば、半導体素子１が接続される領域における、一の半導体素子１当りの第２の基板３の反り量が５０μｍ以下である。

この構成によれば、第２の基板３に反りが生じた場合でも、半導体素子１の底面１ｂの略全域に渡って焼結接合用ペーストが追従できるので、接合面積を低下させることなく第２の基板３と半導体素子１とが接合される。これにより、放熱性に優れ、高耐熱性を有する高品質な半導体装置２０が提供される。また、これにより、加圧による焼結接合だけでなく低加圧、無加圧焼結接合も実現可能となるので、半導体素子１等の部材への負荷が抑えられ、それぞれの部品の信頼性が向上し、信頼性を向上させた半導体モジュールが提供される。また、これにより、製造プロセスからは、部品に与える負荷を小さくすることで部品自体の信頼性の向上を実現することができる。

［焼結接合の評価結果］
図６は、第２の基板の変形形状と焼結接合の接合状態との関係を示す図である。図６は、第２の基板３、第１の金属層３１、第２の金属層３２、配線層３３、３４の厚み、接合温度等の条件を変更した場合の第２の基板３の変形状態、接合状態を示している。

実施例１〜５は、図６に示すように、第１の金属層３１の厚みが第２の金属層３２、配線層３３、３４の厚みよりも大きい場合を示している。実施例１〜３は、第２の基板３、第１の金属層３１、第２の金属層３２、配線層３３、３４の厚みは同じであり、接合温度をそれぞれ異ならせている。焼結接合時における第２の基板３の変形状態はいずれも下に凸、すなわち第２の主面３ｂが凹んだ状態となっている。また、焼結接合は無加圧で実施している。このとき、いずれの場合も良好な接合状態が得られた。

また実施例４は、第２の基板３、第１の金属層３１、第２の金属層３２、配線層３３、３４の厚みは、実施例１〜３と同じであるが、焼結接合時に加圧を行っている場合を示している。焼結接合時における第２の基板３の変形状態は下に凸、すなわち第２の主面３ｂが凹んだ状態となっている。この場合にも、良好な接合状態が得られた。したがって、焼結接合時に加圧した場合にも、高耐熱性を有する高品質な半導体装置２０を提供することができる。

実施例５は、第２の基板３、第１の金属層３１、第２の金属層３２、配線層３３、３４の厚みを、実施例１〜４の場合と異ならせた場合を示している。また、焼結接合は無加圧で実施している。焼結接合時における第２の基板３の変形状態は下に凸、すなわち第２の主面３ｂが凹んだ状態となっている。この場合にも、良好な接合状態が得られた。このように、焼結接合時における第２の基板３の変形状態は下に凸、すなわち第２の主面３ｂが凹んだ状態となっていれば、良好な接合状態が得られることがわかる。

比較例１〜２は、第１の金属層３１の厚みを、第２の金属層３２、配線層３３、３４の厚み以下とした場合を示している。焼結接合時における第２の基板３の変形状態は上に凸、すなわち第１の主面３ａが凹んだ状態となっている。この場合には、良好な接合状態が得られなかった。すなわち、焼結接合時に、ペーストが半導体素子１と第２の基板３との密着を維持することができず、良好な接合状態は得られなかった。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した半導体装置２０が搭載された、移動体としての鉄道車両について説明する。

図７は、本実施の形態に係る鉄道車両の一例を示す部分側面図である。図８は、本実施の形態に係る鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。

鉄道車両１２１は、図７に示すように、車両本体１２６、集電装置であるパンタグラフ１２２、インバータ１２３等を備えている。パンタグラフ１２２は、例えば車両本体１２６の上部に設置されている。パンタグラフ１２２は、図示しない架線から鉄道車両１２１の運行に必要な電力を取り込む。

インバータ１２３は、車両本体１２６の下部に設置されている。インバータ１２３やヒートシンク１２５が外気に触れるよう配置するとよい。車両本体１２６の走行に合わせて、空冷が可能となる。インバータ１２３は、パンタグラフ１２２が取り込んだ電力を所定の電力に変換し鉄道車両１２１に供給する。インバータ１２３は、図８に示すように、複数の半導体装置２０、ヒートシンク１２５、制御部１２４等を備えている。すなわち、半導体装置２０は、鉄道車両１２１に設けられたインバータ１２３に搭載されている。半導体装置２０は、例えば、パンタグラフ１２２が取り込んだ電力を所定の電力に変換する。ヒートシンク１２５は、複数の半導体装置２０（パワーモジュール）を支持する支持部材である。また、ヒートシンク１２５は、半導体装置２０を冷却する冷却部材としても機能する。制御部１２４は、インバータ１２３を構成する各部の制御を実施する。例えば、制御部１２４は、半導体装置２０に対して、例えば鉄道車両１２１へ供給する電力供給量の制御等を実施する。

本実施の形態によれば、鉄道車両１２１において、図１に示すモジュールの接合構造が用いられた複数の半導体装置２０（パワーモジュール）を搭載したインバータ１２３が設けられていることにより、インバータ１２３内が高温環境となった場合であっても、インバータ１２３およびそれが設けられた鉄道車両１２１の信頼性を高めることができる。すなわち、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐え得る半導体装置２０およびこれを用いたインバータシステムを実現することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した半導体装置２０が搭載された、移動体としての自動車について説明する。

図９は、本実施の形態に係る自動車の一例を示す斜視図である。自動車２２７は、図９に示すように、車両本体２２８、実装ユニット２３０、タイヤ等を備えている。実装ユニット２３０は、図示しないインバータを備えており、インバータは、図１、図２に示す半導体装置２０を複数備えている。すなわち、半導体装置２０は、自動車２２７に設けられたインバータに搭載されている。実装ユニット２３０は、例えば、エンジン制御ユニット等であり、例えばエンジンの近傍に配置されている。この場合には、実装ユニット２３０は、図１、図２に示す半導体素子１が発する熱及びエンジンが発する熱により高温環境下での使用となる。このため、半導体装置２０は高温状態となる。

自動車２２７において、図２に示すモジュールの接合構造が用いられた複数の半導体装置２０（パワーモジュール）を搭載したインバータが設けられていることにより、実装ユニット２３０が高温環境となった場合であっても、自動車２２７の信頼性を高めることができる。つまり自動車２２７においても、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐え得る半導体装置２０およびこれを用いたインバータシステムを実現することができる。

また、実装ユニット２３０は、外気を取り込む構造であるとなおよい。この場合は、自動車２２７が移動する際に、外気を取り込むことができ、効果的に冷却ができる。さらに、実装ユニット２３０またはインバータに冷却器を設けた場合に、冷却器が外気と直接触れる構成とすることで、冷却効率はさらに向上する。

図２に示された半導体装置２０（パワーモジュール）や半導体装置２０を備えた交流発電機等は、上記適用例に記載した鉄道車両や自動車を代表とする移動体のみならず、移動体の一種としての建設機械やエレベータにも適用可能である。本願明細書においては、上記したように車輪等を動作させ自走する手段またはワイヤやモータ等を用いることで駆動する手段を有することで装置自体が移動するものを移動体という。

さらに、本願発明の半導体装置は、太陽光発電装置、太陽光発電モジュールや風力発電機、風力発電モジュール等の発電装置の分野にも適用することが可能である。また、ホイストやアクチュエータ、圧縮機等を代表とする産業機械の分野にも適用可能である。

また、無停電電源装置、メインフレームや汎用計算機等の計算機の分野にも適用可能である。その他、空調設備等においても、適用可能である。

上記した半導体装置を用いる分野の装置を総称してエレクトロニクス装置と呼ぶ。これらの例においても、本願発明の接合構造を用いることで、移動体やエレクトロニクス装置の信頼性が向上する。

以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる場合がある。

１…半導体素子、２…第２の接合部材、３…第２の基板、４…第１の基板、
５…第１の接合部材、２０…半導体装置、３１…第１の金属層、３２…第２の金属層、
３３…配線層、３４…配線層

Claims (12)

1. 基板と、前記基板に接合部材を介して接続される半導体素子と、を有する半導体装置であって、
   前記基板は、前記半導体素子に向かって凸または凹となる形状の曲面部を有し、
   前記接合部材の前記半導体素子と対向する第１の面が、前記半導体素子の前記接合部材と対向する主面に倣う形状であり、
   前記接合部材の前記第１の面と反対側の前記基板と対向する第２の面が、前記曲面部に倣う形状である、
   半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記基板に他の接合部材を介して接続される他の基板を有し、
   前記基板は、前記曲面部を有する面と反対側の面に該曲面部に対応する形状の他の曲面部を有し、
   前記他の接合部材の前記基板と対向する第１の面が、前記基板の前記他の曲面部を有する面に倣う形状であり、
   前記他の接合部材の第１の面と反対側の前記他の基板と対向する第２の面が、前記他の基板の前記他の接合部材と対向する主面に倣う形状である、
   半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記基板がセラミックス基板で構成されている、
   半導体装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記接合部材が多孔質構造体を有する、
   半導体装置。
5. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記接合部材がＡｇ、Ｎｉ、Ａｕを主成分とする部材で構成されている、
   半導体装置。
6. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記接合部材が、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕを主成分とする部材で構成されている、
   半導体装置。
7. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記基板の前記他の曲面部を有する面に形成された第１の金属層と、
   前記基板の前記曲面部を有する面に形成された、第２の金属層及び前記半導体素子と電気的に接続される配線層と、を有し、
   前記基板は、前記第２の金属層を介して前記接合部材と接続され、前記第１の金属層を介して前記他の接合部材と接続され、
   前記第１の金属層、前記第２の金属層及び前記配線層はＣｕを主成分とする部材で構成されている、
   半導体装置。
8. 請求項７に記載の半導体装置において、
   前記第１の金属層が、前記基板の前記他の曲面部を有する面の略全面に形成され、
   前記第１の金属層の厚みが、前記第２の金属層及び前記配線層の厚み以上である、
   半導体装置。
9. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記半導体素子が接続される領域における、一の前記半導体素子当りの前記基板の反り量が５０μｍ以下である、
   半導体装置。
10. 請求項１に記載の半導体装置において、
    鉄道車両に設けられたインバータに搭載されている、
    半導体装置。
11. 請求項１に記載の半導体装置において、
    自動車に設けられたインバータに搭載されている、
    半導体装置。
12. 請求項１に記載の半導体装置を備えた、
    移動体。

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