JP6208164B2 - 半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールおよびその製造方法に関するものである。

従来、パワー半導体などの半導体素子を搭載した半導体モジュールが知られている。このような半導体モジュールにおいて、半導体素子上には、アルミニウム（Ａｌ）などからなる電極が形成されている。この電極上にワイヤなどの配線部材を接合し、半導体素子間、半導体素子と回路パターンなどとの接続を行っている。
ここで、半導体モジュールの動作時には、半導体素子の発熱と半導体モジュールを構成する部材間の線膨張係数差に起因する熱応力が生じる。特に、従来の半導体素子上の電極では、電極に生じる熱応力によって、電極が変形し亀裂が発生する場合があった。また、このような電極の変形や亀裂に起因して、半導体モジュールの機械的・電気的特性が劣化する場合があった。

そこで、半導体素子上のＡｌなどからなる電極の硬度を大きくし、電極の変形を抑制する構造が提案されている。例えば、特許文献１では、Ａｌなどからなる電極上に、Ａｌよりも線膨張係数が小さく、硬度の大きいニッケル（Ｎｉ）などからなるめっき膜を金属保護膜として形成することで、半導体モジュール動作時の電極の変形を抑制している。また、特許文献２では、Ａｌなどからなる電極にイオン注入法を用いて砒素を注入し、電極の硬度を高めることで電極の変形を抑制している。

特許第５２１４９３６号 特開平２−１５３５４４号公報

封止樹脂を熱により硬化させるトランスファーモールド工程などにより半導体素子や回路パターンなどを封止した半導体モジュールでは、半導体モジュールの動作時に生じる熱応力により、半導体素子と封止樹脂が剥離するという課題がある。半導体素子と封止樹脂の剥離は半導体モジュールの絶縁不良や、半導体素子の電極上に接合された配線部材の断線などを引き起こし、半導体モジュールの機械的・電気的特性を劣化させる。一方、特許文献１および特許文献２に開示された半導体モジュールでは、半導体素子と封止樹脂の密着力は従来の半導体モジュールとほぼ同じであり、半導体素子と封止樹脂との剥離という課題は未解決である。

また、特許文献１に開示された半導体モジュールにあっては、電極にめっき膜を形成するため、当該めっき膜の形成工程（めっき工程）に起因してめっき排水が発生する。めっき工程では環境負荷の高い材料を使用し、さらにめっき排水は各種金属イオンなどを含んでいるため、環境負荷低減のためにめっき排水処理を行う必要がある。また、めっき膜を形成するため、電極の洗浄や複数回のジンケート処理などが必要となり、半導体モジュールの製造工程が煩雑化する。

また、特許文献２のような半導体モジュールでは、電極にイオン注入法を用いてイオンを注入する場合、イオン注入を行うため真空中に半導体モジュールを配置したり、高エネルギーイオン加速装置を用いたりする必要があるため、製造工程が煩雑化する。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、半導体素子上の電極の変形や亀裂の発生を抑制可能であるとともに、半導体素子と封止樹脂の剥離を抑制可能な半導体モジュールを提供することを目的とする。

この発明に従った半導体モジュールは、回路パターンが形成された絶縁部材と、回路パターン上に配置され、表面に改質層が形成された電極を含む半導体素子と、電極の表面に接続された配線部材とを備え、改質層は、電極の表面が塑性変形した電極改質層であり、改質層の硬度は、電極における改質層以外の部分の硬度より高く、電極の改質層が形成された表面は凹凸部を含む。

この発明に従った半導体モジュールの製造方法は、電極を含む半導体素子を準備する工程と、電極の表面に改質層を形成する工程と、電極の表面に配線部材を接続する工程とを備え、改質層を形成する工程では、電極の表面に衝撃波を照射し当該表面を塑性変形することにより、電極における改質層以外の部分の硬度より高い硬度を有するとともに凹凸部を含む改質層が形成される。

上述した半導体モジュールによれば、電極に塑性変形を付与し電極の硬度を大きくすることにより、電極の変形や亀裂の発生を抑制することができる。さらに、電極が凹凸形状となることにより、電極と封止樹脂との密着性が向上し、パワー半導体素子と封止樹脂の剥離を抑制することができる。また、パワー半導体素子上の電極自体を改質する工程により、電極にめっき膜を形成する場合に比べて製造工程を簡略化できる。

本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの構成を示す断面模式図である。 図１に示した半導体モジュールの製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１に示した半導体モジュールの製造方法を説明するための模式図である。 図１に示した半導体モジュールの製造方法を説明するための模式図である。 図１に示した半導体モジュールの製造方法を説明するための模式図である。 図１に示した半導体モジュールの製造方法を説明するための模式図である。 図１に示した半導体モジュールの変形例の構成を示す断面模式図である。 本実施形態１に係る半導体モジュールの電極に生じるひずみの解析結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの構成を示す断面模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
＜半導体モジュールの構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの構成を概略的に示す断面模式図である。図１を参照しながら、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの一例であるパワー半導体モジュールの構成を説明する。なお、ここでパワー半導体モジュールとは、電力の制御や供給などを行う半導体素子（パワー半導体素子とも言う）を搭載した半導体モジュールを意味する。

図１に示すパワー半導体モジュール１００は、放熱板９と、放熱板９上に設けられた絶縁部材７と、絶縁部材７上に形成された回路パターン６と、回路パターン６上に配置され、図示しない電極改質層が表面に形成された電極２を含む半導体素子としてのパワー半導体素子３と、電極２上に配置された配線部材としてのワイヤ１とを主に備えている。絶縁部材７では、回路パターン６が形成される面と反対側の面に金属パターン８が形成されている。金属パターン８と放熱板９は絶縁基板接合材５１を介して接合されている。パワー半導体素子３は素子接合材５を介して回路パターン６に接合されている。

パワー半導体モジュール１００は、絶縁部材７と、回路パターン６と、金属パターン８と、パワー半導体素子３と、ワイヤ１とを収納するケース１０をさらに備える。ケース１０は、放熱板９において絶縁部材７と対向する面（上部表面）の外周部に接続されている。つまり、ケース１０は放熱板９の上部表面の外周部に接続された環状の側壁部となっている。

ケース１０には主端子４が配置されている。主端子４は、一方の端部がケース１０の内周面側に露出する。また、主端子４において上記一方の端部と反対側に位置する他方の端部は、ケース１０の外側に突出するように延びる。電極２に一方の端部が接続されたワイヤ１において、他方の端部は絶縁部材７の表面に形成された回路パターン６の一部に接続されている。また、他のワイヤ１は、当該回路パターン６と主端子４とを接続するように配置される。

このケース１０と放熱板９の上部表面とにより囲まれた領域(ケース１０の内周領域）に第１の封止樹脂１１が充填されている。当該内周領域には、絶縁部材７とパワー半導体素子３とワイヤ１とが配置されている。異なる観点から言えば、回路パターン６が形成された絶縁部材７と、金属パターン８と、パワー半導体素子３と、ワイヤ１とが第１の封止樹脂１１により封止されている。

ワイヤ１が接続された電極２の表面には、電極２における電極改質層以外の部分より高い硬度を有するとともに、表面に凹凸部を有する電極改質層２２（図６参照）が形成されている。なお、電極改質層２２については後述する。

＜半導体モジュールの製造方法＞
次に、図２を参照しながら、本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００の製造方法について説明する。

まず、図２に示す準備工程（Ｓ１）を実施する。具体的には、絶縁部材７の一方の面上に回路パターン６形成され、他方の面上に金属パターン８が形成された絶縁基板と、表面に電極２が形成されたパワー半導体素子３と、放熱板９とを準備する。そして、放熱板９上に絶縁基板接合材５１を介して金属パターン８が放熱板９側となるように絶縁基板を置く。また、絶縁基板の回路パターン６上に素子接合材５を介してパワー半導体素子３を配置する。

このように放熱板９、絶縁基板およびパワー半導体素子３を積層した積層体をリフロー炉に入れ、加熱処理する。このような加熱処理により、絶縁基板接合材５１および素子接合材５が融解する。その後、リフロー炉から当該積層体を取り出して絶縁基板接合材５１および素子接合材５を冷却して凝固させることにより、放熱板９と絶縁基板とパワー半導体素子３とが接合される。

次に、電極２に改質層を形成する工程（Ｓ２）を実施する。具体的には、電極２の表面に塑性変形を付与することにより電極改質層２２を形成する。以下、図３〜図６を用いて工程（Ｓ２）の詳細を説明する。なお、図３〜図６は、電極２に改質層（電極改質層２２）を形成する工程（Ｓ２）を説明するための図であり、図３は工程（Ｓ２）の開始直前、図４は工程（Ｓ２）の開始直後、図５は工程（Ｓ２）の終了直前、図６は工程（Ｓ２）の終了直後を示す、電極２の拡大断面模式図である。

図３に示すように、電極２はパワー半導体素子３上に形成されている。この工程（Ｓ２）の実施前においては、電極２は電極未改質層２１で構成されている。具体的には、電極２はリフロースパッタや高温スパッタなどの従来周知の成膜方法により形成された金属膜などの導電体膜であって、表面に改質処理などが施されていないものであってもよい。なお、パワー半導体素子３には、図示しないトレンチ型のＩＧＢＴ構造などが形成されていてもよい。

次に、図４に示すように、衝撃波１３を電極２の表面（電極未改質層２１の表面）に照射する。衝撃波１３を受けた電極未改質層２１は、衝撃波１３によって表面層が塑性変形することにより局所的に改質される。この結果、電極２の表面に改質された部分である電極改質層２２が形成される。また、電極未改質層２１の表面に入射した衝撃波１３は、電極未改質層２１中を球面状に広がるように伝播するため、衝撃波１３が照射されて塑性変形した領域である電極改質層２２の表面形状は、当該衝撃は１３の伝搬状態を反映した球面状の凹形状となる。

次に、図５に示すように、衝撃波１３を図４で照射した箇所から所定の距離だけ離れた箇所に照射する。このように衝撃波の照射箇所を所定のピッチで移動させる（衝撃波の照射箇所を走査する）ことにより、電極２の表面の電極改質層２２が形成された領域を広げる。

電極２の表面において衝撃波１３が照射・走査された領域には、図６に示すように、電極改質層２２が形成される。さらに、衝撃波１３が照射・走査された電極改質層２２の表面形状は、球面状の凹形状である表面形状を有する塑性変形領域が連続的に形成されることにより、凹凸形状となる。この結果、図６に示すように電極２の表面に電極改質層２２が形成される。

なお、このような凹凸形状を形成するために、上述のように照射領域をずらしながら衝撃波１３を間欠的に照射するようにしてもよいが、照射領域をずらしながら衝撃波１３の照射強度を変動させてもよい。このようにしても、電極改質層２２の表面に、複数の凹形状部が連なったような凹凸部を形成できる。

ここで、工程（Ｓ２）において形成された電極改質層２２は、電極未改質層２１よりも硬度が大きくなる。すなわち、電極改質層２２の降伏応力（０．２％耐力）は、電極未改質層２１の降伏応力（０．２％耐力）よりも大きい。

なお、電極改質層２２は、必ずしも電極２の表面全域に形成される必要はなく、電極２の表面の一部に形成されてもよい。また、ここでは、電極２は一層の膜で構成される例を説明しているが、電極２の構成はこれに限定されない。たとえば、図３に示す電極２を複数の層からなる膜で構成し、当該複数の膜からなる電極２の表面（最上層に位置する膜の表面）に電極改質層２２を形成してもよい。

また、図６では、工程（Ｓ２）の終了後、電極２が電極改質層２２と電極未改質層２１とで構成されているが、工程（Ｓ２）終了後の電極２の構成はこれに限定されない。たとえば、ステップＳ１の終了後、電極２が電極改質層２２のみで構成されてもよい。

衝撃波１３を電極２に照射する方法としては、好ましくは、レーザピーニング法またはショットピーニング法を用いる。レーザピーニング法とは、たとえば短パルスレーザを材料表面に照射することによって材料表面をアブレーションし、アブレーションの際に発生する衝撃波を材料内部へ伝播させる方法である。ここで、アブレーションとは、材料を構成する元素が、原子、ラジカルなどの形態で爆発的に放出されることである。また、ショットピーニング法とは、材料表面に鋼球などの硬質の媒体（紛体）を高速で打ち込み、当該材料の表面を塑性変形させる方法である。また、このように塑性変形した部分である電極改質層２２は、圧縮応力が付与された状態とすることができる。そして、当該圧縮応力が付与されることにより、電極改質層２２に多少の引張応力が印加された場合であっても、当該引張応力を上述した圧縮応力により相殺することで、電極２での亀裂などの発生を抑制することができる。

次に、図２に示すように配線部材の接合工程（Ｓ３）を実施する。具体的には、電極改質層２２が形成された電極２上に配線部材としてのワイヤ１を接合する。接合部材を電極２に接合する方法としては、任意の方法を利用できるが、本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体モジュール１００では、ワイヤ１などの配線部材をワイヤボンディング法などにより電極２に接合する。ワイヤボンディング法とは、ワイヤなどの配線部材に荷重と超音波振動を印加して配線部材を被接合部（電極２の電極改質層２２）に接合する方法である。

なお、ワイヤ１は、必ずしも電極２の電極改質層２２上に接合される必要はなく、電極２のうち電極改質層２２が形成されていない領域（電極２の表面において電極未改質層２１が露出した部分）へ接合されてもよい。

次に、図２に示す仕上げ工程（Ｓ４）を実施する。具体的には、図１に示すケース１０を放熱板９に接合する工程、ケース１０の主端子４にワイヤ１を介して回路パターン６などを接続する工程、ケース１０の内周側に第１の封止樹脂１１を配置し固化する工程などを実施することにより、図１に示すパワー半導体モジュール１００を得ることができる。

＜半導体モジュールの変形例の構成＞
次に、本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００の変形例について、図７を参照しながら説明する。図７は、図１に示したパワー半導体モジュール１００の変形例を説明するための断面模式図である。

図７に示したパワー半導体モジュール１０１は、基本的には図１に示したパワー半導体モジュール１００と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、以下の構成が図１に示したパワー半導体モジュール１００と異なっている。すなわち、図７に示したパワー半導体モジュール１０１では、放熱板９の表面に直接絶縁部材７１が接続されており、図１に示した金属パターン８と絶縁基板接合材５１が配置されていない。つまり、図７に示したパワー半導体モジュール１０１は、放熱板９と、放熱板９上に設けられた絶縁部材７１と、絶縁部材７１上に形成された回路パターン６と、回路パターン６上に配置され、図示しない電極改質層２２が表面に形成された電極２を備えたパワー半導体素子３と、電極２上に配置されたワイヤ１と、ケース１０とを主に備えている。絶縁部材７１は、回路パターン６が形成される面と反対側の面が、放熱板９に接合されている。パワー半導体素子３は素子接合材５を介して回路パターン６に接合されている。ケース１０は、絶縁部材７１の上部表面（回路パターン６が形成された側の表面）の外周部に接続されている。ケース１０と絶縁部材７１とにより囲まれた領域（ケース１０の内周側の領域）には、回路パターン６と、パワー半導体素子３と、ワイヤ１とを封止する第１の封止樹脂１１が充填されている。

＜半導体モジュールの変形例の製造方法＞
図７に示したパワー半導体モジュール１０１の製造方法は、基本的には図１に示したパワー半導体モジュール１００の製造方法と同様であるが、図２に示した準備工程（Ｓ１）の内容が一部異なる。すなわち、図７に示したパワー半導体モジュール１０１の製造方法では、まず準備工程（Ｓ１）において、放熱板９の一方の面上に絶縁部材７１が接合され、さらに絶縁部材７１上に回路パターン６が接合された金属基板と、表面に電極２が形成されたパワー半導体素子３とを準備する。そして、金属基板の回路パターン６上に素子接合材５を介してパワー半導体素子３を配置する。このように金属基板とパワー半導体素子３とを積層した積層体をリフロー炉に入れ、加熱処理する。この加熱処理により、素子接合材５が融解する。その後、リフロー炉から当該積層体を取り出して素子接合材５を冷却して凝固させることにより、金属基板とパワー半導体素子３とが接合される。

その後、図２に示した工程（Ｓ２）〜（Ｓ４）を実施することにより、図７に示したパワー半導体モジュール１０１を得ることができる。

なお、上述したパワー半導体モジュール１００、１０１の製造方法では、放熱板９と絶縁基板とパワー半導体素子３、あるいは金属基板とパワー半導体素子３を接合した後、電極２の表面に電極改質層２２を形成したが、電極改質層２２を形成する工程順序はこれに限定されない。たとえば、予め電極２において電極改質層２２が形成されているパワー半導体素子３を準備してから、放熱板９と絶縁基板とパワー半導体素子３、あるいは金属基板とパワー半導体素子３を接合してもよい。また、電極２が形成されたパワー半導体素子３がチップ状に切断される前、すなわちウエハの状態で、電極２の表面に電極改質層２２を形成してもよい。

＜半導体モジュールの各構成要素について＞
ここで、図１および図７に示したパワー半導体モジュール１００、１０１を構成するパワー半導体素子３は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、フリーホイール・ダイオード（ＦＷＤ：Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌ Ｄｉｏｄｅ）などであってもよい。また、当該パワー半導体素子３は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であってもよい。上述したパワー半導体モジュール１００、１０１では、パワー半導体素子３の数が一つの場合を示しているが、パワー半導体モジュール１００、１０１に含まれるパワー半導体素子３の数は一つに限定されるものではなく、２以上の複数であってもよい。パワー半導体モジュール１００、１０１が適用される回路設計に対応して、複数個のパワー半導体素子３を適宜選択して用いることができる。

また、ワイヤ１の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などを主成分とした合金が用いられているが、これに限定されるものではなく、他の金属材料を用いてもよい。また、パワー半導体モジュール１００、１０１では、電極２上の配線部材としてワイヤ１が用いられているが、これに限定されるものではない。例えば、Ｃｕなどを主体とした合金からなる板状の配線部材を、電極２上にはんだなどを用いて接合してもよい。板状の配線部材を電極２上に接合する場合、板状の配線は主端子４と一体となっていてもよい。

絶縁部材７を構成する材料としては、無機材料であるセラミックス、例えばアルミナ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、窒化アルミニウム（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、窒化珪素（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）等を用いることができる。また、絶縁部材７１の材料としては、有機材料、例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シアネート系樹脂等に、セラミックスフィラーを充填したものを用いてもよい。また、セラミックスフィラーの材料としては、例えばアルミナ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、窒化アルミニウム（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、窒化ホウ素（Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）等を用いてもよい。

回路パターン６を構成する材料には、たとえば銅を用いることができるが、他の導電性材料を用いてもよい。たとえば、回路パターン６を構成する材料として、絶縁部材７、７１と直接接合法又は活性金属接合法で接合でき、かつ電気伝導性を有する材料を用いることができる。なお、直接接合法は、回路パターン６を構成する材料（たとえば銅）と、絶縁部材７、７１の材料（たとえば無機材料）との直接反応により回路パターン６と絶縁部材７、７１とを接合する方法である。また、活性金属接合法は、チタンやジルコニウム等の活性金属を添加したろう材を介して、絶縁部材７、７１と回路パターン６とを接合する方法である。回路パターン６は、パワー半導体モジュール１００、１０１が構成する回路の設計に応じて、選択的に形成されていてもよい。

図１に示した金属パターン８の材料としては、たとえば銅を用いることができるが、これに限定されるものではない。金属パターン８の材料としては、絶縁部材７と直接接合法又は活性金属接合法で接合でき、絶縁基板接合材５１を介して放熱板９に接合できる材料を用いることができる。金属パターン８の材料としてより好ましくは、熱伝導性の良い材料を用いることができる。ここでの金属パターン８は、絶縁部材７と放熱板９とを絶縁基板接合材５１を介して接合するために設けられている。さらに、金属パターン８は、パワー半導体モジュール１００稼働時に、モジュール内部で発生する熱を放熱板９に伝えるという機能を有する。絶縁部材７と放熱板９とを、絶縁基板接合材５１を介さずに接合する場合は、図７に示す絶縁部材７１が用いられる。上述のようにフィラーを添加した樹脂材料からなる絶縁部材７１は、放熱板９に塗布して硬化させることで放熱板９に接合できるからである。

放熱板９の材料としては、たとえば銅を用いることができるが、これに限定されるものではなく、熱伝導性が良い任意の材料を用いることができる。たとえば、放熱板９の材料として、炭化珪素とアルミニウムとの複合材（Ａｌ−ＳｉＣ）を用いてもよい。放熱板９は、パワー半導体モジュール１００、１０１稼働時に、モジュール内部に発生する熱を外部へ放熱する機能と、モジュールの筐体の一部としての機能とを有する。図１においては、ケース１０の下に放熱板９が設けられているが、放熱板９の一部をケース１０が覆っている構成としてもよい。たとえば、放熱板９の外周部分（外周端面）をケース１０が囲むように、ケース１０が配置されていてもよい。上述した放熱板９の放熱機能を確保する観点から、放熱板９において絶縁部材７と対向する面と反対側の面（又は放熱板９において絶縁部材７１が接合された面と反対側の面）、すなわち図１または図７における放熱板９の下面が、モジュール外部に露出し、パワー半導体モジュール１００、１０１の内部で発生する熱を放熱できるようになっていればよい。

素子接合材５および絶縁基板接合材５１の材料としては、たとえばはんだを用いることができるが、これに限定されるものではない。素子接合材５および絶縁基板接合材５１の材料としては、たとえば銀ナノ粒子ペースト、又はいわゆる導電性接着剤であるエポキシ樹脂を含む銀ペーストを用いてもよい。

ケース１０の材料としては、耐熱性の高い絶縁性の材料を用いることができる。たとえば、ケース１０の材料として、ポリフェニレンサルファイド（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎ Ｓｕｌｆｉｄｅ）やポリブチレンテレフタレート（Ｐｏｌｙ Ｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）等の耐熱性の高い熱可塑性樹脂を用いることができる。

第１の封止樹脂１１としては、たとえばシリコン樹脂を用いることができるが、これに限定されるものではない。第１の封止樹脂１１としては、たとえばウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ゴム材等を用いてもよい。また、第１の封止樹脂１１の構成として、ゲル状のシリコン樹脂の上に、エポキシ樹脂を重ねるといった樹脂を積層した積層構造を採用してもよい。

電極２の材料としては、電気的特性、およびパワー半導体モジュールの製造方法における好ましい機械的特性を考慮し、Ａｌ、Ｃｕ、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）からなる群から選択されるいずれかを用いることができる。また、電極２の材料として、上述した金属の群から選択されるいずれかを主体とした合金を用いてもよい。

電極改質層２２は、電極２における電極未改質層２１より硬度が高くなっている層である。また、電極改質層２２の表面形状は凹凸形状を含む。また、電極改質層２２は圧縮応力が付与された領域である。電極改質層２２の形成方法としては、電極２の表面を塑性変形させて凹凸形状を形成するとともに、形成された電極改質層２２の硬度を加工前に比べて高めることが可能であれば任意の方法を用いることができる。

＜本実施の形態に係るパワー半導体モジュールによる効果＞
本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００、１０１は、以上のような構成及び製造方法としたことにより、パワー半導体素子３表面の電極２に塑性変形を付与し、電極２の表面に形成された電極改質層２２の硬度を電極未改質層２１よりも大きくしている。そのため、パワー半導体モジュール１００、１０１の動作時に発生する熱による熱応力に起因した、電極２における変形や亀裂の発生を抑制できる。

すなわち、本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００、１０１では、電極２の表面に衝撃波１３を照射し、衝撃波１３によって電極２に塑性変形を付与することで、電極２の表面に硬度が電極未改質層２１よりも大きい電極改質層２２を形成する。そして、このような電極改質層２２を形成することにより、電極２の疲労寿命が向上する。

ここで、発明者らが実施した、本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの電極に生じるひずみに関する解析結果の一例を図８に示す。図８に示すグラフにおいて、縦軸はアルミニウム電極（Ａｌ電極）を基準とした場合のひずみの倍率を示し、横軸は電極の種類を示している。

ここでは、パワー半導体モジュール動作時のパワー半導体素子発熱による温度履歴および電極２とパワー半導体素子３の線膨張係数差に起因して、電極２に生じるひずみの大きさを評価した。評価対象の電極２の構成は、試料１として厚さ５μｍのＡｌ電極、試料２として厚さ５μｍのＡｌ電極上に厚さ５μｍのＮｉめっき膜を形成した構成、試料３として厚さ５μｍのＡｌ電極の電極表面から２．５μｍの深さまで電極改質層２２を形成した構成を採用した。そして、これら試料１〜試料３について、上記歪の大きさを評価した。このとき、電極改質層の０．２％耐力はＡｌ電極の２．５倍とした。

図８に示す解析結果から、電極表面に生じるひずみの大きさは、Ａｌ電極上に電極改質層を形成した構成（試料３）を採用することで、Ａｌ電極上にＮｉめっき膜を形成した場合（試料２）と同等まで低下することがわかる。したがって、Ａｌ電極上に電極改質層を形成することで、パワー半導体素子の発熱とパワー半導体モジュールを構成する部材間の線膨張係数差に起因する熱応力による電極の変形や亀裂の発生を抑制することができると考えられる。

また、電極２の表面に電極改質層２２を形成することにより電極２の変形や亀裂の発生を抑制するためには、発明者らが実施した解析結果によると、電極改質層２２は降伏応力（０．２％耐力）が７０Ｎ／ｍｍ^２以上であるように形成することが好ましい。このとき、電極改質層２２の厚さは、好ましくは、１μｍ以上である。

また、本実施の形態１に係るパワー半導体モジュールでは、パワー半導体素子３と第１の封止樹脂１１との剥離を抑制できる。なぜなら、本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００、１０１では、電極２の表面に、凹凸形状となるよう塑性変形が付与された電極改質層２２が形成されている。このため、電極２の表面の凹凸に第１の封止樹脂１１が接触して（凹凸の凹部に第１の封止樹脂１１が入り込んで）硬化することで、パワー半導体素子３と第１の封止樹脂１１との接着力が向上するからである。

また、パワー半導体素子３表面の電極２にめっき膜を形成する場合に比べて、本実施の形態に係るパワー半導体モジュール１００、１０１ではその製造工程を簡略化できる。

すなわち、本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００、１０１の製造方法では、レーザピーニング法などにより電極２の表面に電極改質層２２を形成するため、電極２の表面にめっき膜を形成する工程で必要となるような複数回の洗浄処理などが不要となるからである。また、本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００、１０１の製造方法では、めっき工程を実施するために必要となる排水処理技術も不要となる。

（実施の形態２）
＜半導体モジュールの構成＞
図９を参照しながら、本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１０２の構成を説明する。本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１０２は、基本的には図７に示したパワー半導体モジュール１０１と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、以下の構成が図７に示したパワー半導体モジュール１０１と異なっている。すなわち、本発明の実施の形態２では、パワー半導体モジュール１０２の構成を、本発明の実施の形態１で示したような、いわゆるケース型パワー半導体モジュールではなく、モールド型パワー半導体モジュールとした。

図９は、本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１０２の構成を概略的に示す断面模式図である。本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１０２は、放熱板９と、放熱板９上に設けられた絶縁部材７１と、絶縁部材７１上に形成された回路パターン６と、回路パターン６上に配置され、図示しない電極改質層２２が表面に形成された電極２を備えたパワー半導体素子３と、電極２上に配置されたワイヤ１とを主に備えている。絶縁部材７１は、回路パターン６が形成される面と反対側の面が、放熱板９に接合されている。パワー半導体素子３は素子接合材５を介して回路パターン６に接合されている。

そして、パワー半導体モジュール１０２は、絶縁部材７１と、回路パターン６と、パワー半導体素子３と、ワイヤ１とをモールド封止する第２の封止樹脂１２を備えている。第２の封止樹脂１２は、たとえばエポキシ樹脂が用いられたモールド樹脂であって、熱を加えることによって硬化し、その後は軟化することなく元に戻らない樹脂である。

また、パワー半導体モジュール１０２は、一方端部が回路パターン６に接続されるとともに、他方端部が第２の封止樹脂１２の外側に延びる主端子４、および第２の封止樹脂１２の内部から外部にまで延在するもう一つの主端子４であって、第２の封止樹脂１２の内部においてワイヤ１を介して電極２と接続された主端子４を含む。

＜半導体モジュールの製造方法＞
図９に示したパワー半導体モジュール１０２の製造方法は、基本的には図７に示したパワー半導体モジュール１００の製造方法と同様であるが、図２に示した仕上げ工程（Ｓ４）の内容が異なる。すなわち、本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１０２は、仕上げ工程（Ｓ４）において、金型に第２の封止樹脂１２以外を備えたパワー半導体モジュール１０２を置き、そこにモールド樹脂である第２の封止樹脂１２を流し込み、熱を加えることによって硬化させるトランスファーモールド工程によって製造される。

このように、本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１０２は、トランスファーモールド工程を用いて製造することができるため、製造コストを低減することができる。また、本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュールのように、ケース型構造で、ワイヤ１およびパワー半導体素子３などのパワー半導体モジュールを構成する部材をシリコン樹脂などが用いられる第１の封止樹脂１１で封止する場合よりも、第２の封止樹脂１２で封止するモールド型構造の方が、パワー半導体素子３などを強固に封止できる。このため、ワイヤ１とパワー半導体素子３との間の接合信頼性を向上させたパワー半導体モジュールを得ることができる。

ここで、本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１０２も、本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００のように、回路パターン６と放熱板９との間の構成を絶縁部材７と金属パターン８としてもよい。

また、本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１０２において、パワー半導体素子３を複数個備えるような構成としてもよい。

＜本実施の形態に係るパワー半導体モジュールによる効果＞
本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１０２は、以上のような構成及び製造方法としたことにより、パワー半導体素子３と第２の封止樹脂１２との剥離を抑制したパワー半導体モジュールを得ることができる。

なぜなら、本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１０２は、電極２の表面に衝撃波１３を照射・走査し、電極２の表面に凹凸形状の塑性変形が付与された、高硬度な電極改質層２２が形成されるため、電極２の凹凸に、トランスファーモールド工程により第２の封止樹脂１２が入り込んで硬化することでパワー半導体素子３と第２の封止樹脂１２との接着力が向上するからである。

なお、本実施形態においては、上述した開示の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態の構成を適宜、変形、省略することが可能である。

上述した説明と一部重複する部分もあるが、本発明の実施形態の特徴的な構成を列挙する。

この発明に従った半導体モジュール（パワー半導体モジュール１００、１０１、１０２）は、回路パターン６が形成された絶縁部材７、７１と、回路パターン６上に配置され、表面に改質層（電極改質層２２）が形成された電極２を含む半導体素子（パワー半導体素子３）と、電極２の表面に接続された配線部材（ワイヤ１）とを備え、電極改質層２２の硬度は、電極２における改質層以外の部分（電極未改質層２１）の硬度より高く、電極改質層２２の表面は凹凸部（図６の電極改質層２２の表面に形成された凹凸を含む部分）を含む。

このようにすれば、電極２の表面には電極改質層２２が形成されることにより、当該電極２の変形や亀裂の発生を抑制できる。また、電極改質層２２が形成された電極２の表面は凹凸部を含むため、電極２を含むパワー半導体素子３を封止樹脂（第１または第２の封止樹脂１１、１２）により封止した場合、封止樹脂と電極２の凹凸部との接合界面の面積を凹凸部が無い場合より大きくできるので、第１または第２の封止樹脂１１、１２と電極２との接続強度を高めることができる。このため、パワー半導体モジュール１００、１０１、１０２の動作時の熱などに起因して電極２に熱応力が発生した場合であっても、封止樹脂と電極２との剥離を抑制できる。

上記パワー半導体モジュール１００、１０１、１０２において、電極改質層２２には、圧縮応力が付与されていてもよい。

この場合、電極２における亀裂の発生原因となる応力（たとえば引張応力）が加えられた場合であっても、電極２の電極改質層２２に予め圧縮応力が付与されているために当該引張応力をある程度相殺することができる。このため、電極２での亀裂の発生を抑制することができる。

上記パワー半導体モジュール１００、１０１は、絶縁部材７、７１と、パワー半導体素子３と、配線部材（ワイヤ１）とを内部に収容するケース１０と、ケース１０の内部に充填され、絶縁部材７、７１と、パワー半導体素子３と、配線部材とを封止する第１の封止樹脂１１とをさらに備えてもよい。

この場合、ケース１０内に配置された第１の封止樹脂１１と電極２との剥離を抑制できるので、電気的特性の劣化が抑制されたパワー半導体モジュール１００、１０１を得ることができる。

上記パワー半導体モジュール１０２は、絶縁部材７、７１と、パワー半導体素子３と、配線部材（ワイヤ１）とを封止する第２の封止樹脂１２をさらに備えてもよい。

この場合、パワー半導体素子３を封止する第２の封止樹脂１２と電極２との剥離を抑制できるので、電気的特性の劣化が抑制されたパワー半導体モジュール１０２を得ることができる。

この発明に従った半導体モジュールの製造方法は、上述したパワー半導体モジュール１００、１０１、１０２の製造方法であって、電極２を含む半導体素子（パワー半導体素子３）を準備する工程（準備工程（Ｓ１））と、電極２の表面に改質層（電極改質層２２）を形成する工程（Ｓ２）と、電極２の表面に配線部材（ワイヤ１）を接続する工程（配線部材の接合工程（Ｓ３））とを備え、改質層を形成する工程（Ｓ２）では、電極２における改質層以外の部分（電極未改質層２１）の硬度より高い硬度を有するとともに凹凸部を含む改質層（電極改質層２２）が形成される。

このようにすれば、電極２の変形や亀裂の発生を抑制できるとともに、電極２を含むパワー半導体素子３を封止する封止樹脂（第１の封止樹脂１１、第２の封止樹脂１２）と電極２との剥離の発生が抑制されたパワー半導体モジュール１００、１０１、１０２を得ることができる。

上記半導体モジュールの製造方法において、改質層を形成する工程（Ｓ２）では、レーザピーニング法およびショットピーニング法のいずれか一方を用いて電極改質層２２が形成されてもよい。

この場合、電極２の表面にめっき層を形成する場合や電極２にイオン注入する場合より、電極２の表面を塑性変形させることで電極改質層２２を容易に形成できる。このため、パワー半導体モジュール１００、１０１、１０２の製造工程を簡略化できる。したがって、パワー半導体モジュールの製造コストの増大を抑制できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、特にパワー半導体モジュールに有利に適用される。

１ ワイヤ、２ 電極、３ パワー半導体素子、４ 主端子、５ 素子接合材、６ 回路パターン、７，７１ 絶縁部材、８ 金属パターン、９ 放熱板、１０ ケース、１１ 第１の封止樹脂、１２ 第２の封止樹脂、１３ 衝撃波、２１ 電極未改質層、２２ 電極改質層、５１ 絶縁基板接合材、１００，１０１，１０２ パワー半導体モジュール。

Claims (6)

1. 回路パターンが形成された絶縁部材と、
   前記回路パターン上に配置され、表面に改質層が形成された電極を含む半導体素子と、
   前記電極の表面に接続された配線部材とを備え、
   前記改質層は、前記電極の前記表面が塑性変形した電極改質層であり、
   前記改質層の硬度は、前記電極における前記改質層以外の部分の硬度より高く、
   前記改質層の表面は凹凸部を含む、半導体モジュール。
2. 前記改質層には、圧縮応力が付与されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記絶縁部材と、前記半導体素子と、前記配線部材とを内部に収容するケースと、
   前記ケースの内部に充填され、前記絶縁部材と、前記半導体素子と、前記配線部材とを封止する第１の封止樹脂とをさらに備える、請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記絶縁部材と、前記半導体素子と、前記配線部材とを封止する第２の封止樹脂をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
5. 電極を含む半導体素子を準備する工程と、
   前記電極の表面に改質層を形成する工程と、
   前記電極の表面に配線部材を接続する工程とを備え、
   前記改質層を形成する工程では、前記電極の前記表面に衝撃波を照射し前記表面を塑性変形することにより、前記電極における前記改質層以外の部分の硬度より高い硬度を有するとともに凹凸部を含む前記改質層が形成される、半導体モジュールの製造方法。
6. 前記改質層を形成する工程では、レーザピーニング法およびショットピーニング法のいずれか一方を用いて前記改質層が形成される、請求項５に記載の半導体モジュールの製造方法。

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