JP6610102B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

この発明は、半導体モジュールに関するものであり、特にパワー半導体素子とモジュール中の導体との接合材が金属ナノ粒子の焼結体であるパワー半導体モジュールに関する。

パワー半導体モジュールは、電力の制御および供給を行なうために用いられる半導体装置である。パワー半導体モジュールに用いられるパワー半導体素子としては、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）およびＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などが挙げられる。その際、例えばパワー半導体素子とモジュール中の導体とを接合するための接合材に由来する、パワー半導体素子の電極同士の近接または短絡を避ける工夫が必要となる。

この課題は、例えば発光ダイオードを半導体素子とする半導体モジュールなど、幾つかの種類の半導体モジュールにも共通して存在するものである。特開２０１２−１１９４８５号公報（特許文献１）には、上記の工夫の施された半導体モジュールの一例が提案されている。

図４は、特許文献１に記載されている半導体モジュール２００の説明図である。図４（Ａ）は、半導体モジュール２００の分解斜視図であり、図４（Ｂ）は、半導体モジュール２００の断面図である。

半導体モジュール２００は、例えば発光ダイオードのような半導体素子２０１と、サブマウント基板２０３と、半導体素子２０１とサブマウント基板２０３とを接合するはんだのような接合材Ｓとを備えている。半導体素子２０１は、第１の電極２０１Ｆと、第２の電極２０１Ｓとを備えている。サブマウント基板２０３は、第１の端子電極２０２と、第２の端子電極２０４と、環状凸状部２０３Ｔとを備えている。そして、第１の電極２０１Ｆと第１の端子電極２０２とは、金ワイヤ２０５とで接続され、第２の電極２０１Ｓと第２の端子電極２０４とは、金ワイヤ２０６とで接続されている。

半導体モジュール２００では、半導体素子２０１とサブマウント基板２０３とを接合材Ｓにより接合する際に、環状凸条部２０１Ｔが図２（Ｂ）に示すように接合材Ｓの広がりを抑制する。そのため、半導体素子２０１の側面部への接合材Ｓの付着が抑えられ、半導体素子の電極同士の近接または短絡が避けられると考えられる。

特開２０１２−１１９４８５号公報

半導体モジュール２００において、半導体素子２０１とサブマウント基板２０３とを接合する接合材Ｓとしては、上記のように形成過程において溶融し、液状となる鉛フリーはんだなどが用いられている。この場合、加熱して溶融させる前にはんだペーストの半導体素子２０１の側面への付着量が多くなっていても、半導体素子２０１の材質はケイ素などであるため、液状のはんだに対する濡れ性が低い。したがって、液状のはんだは、環状凸条部２０１Ｔの隙間に流れ込み、固化して接合材Ｓとなった状態では、半導体素子２０１の側面には残らない。

ところで、近年、パワー半導体モジュールにおけるパワー半導体素子の接合材として、銀ナノ粒子、銅ナノ粒子または金ナノ粒子などの金属ナノ粒子の焼結体が注目されている。

これら金属ナノ粒子の焼結体は、金属種を選択することで鉛フリーはんだに比べて比抵抗を低く、かつ熱伝導率を高くすることができる。そのため、接合材に金属ナノ粒子の焼結体を用いた場合、接合部での電力損失が低減され、かつ接合部での熱抵抗が低くなり、パワー半導体素子からの熱を効率よく放散させることができるなどの利点がある。そして、金属ナノ粒子の焼結体は、固相焼結型（非溶融型）の接合材であるため、接合熱処理時に接合材が周囲に広がることがない利点もある。

一方、例えば金属ナノ粒子ペーストの供給量が多く、パワー半導体素子の側面への付着量が多くなったときは、上記のように溶融して流れ落ちることがなく、付着したままの状態となる。したがって、パワー半導体素子の電極同士が電気的に近接することになり、甚だしくは接触して短絡した状態になり、絶縁性が確保できない虞がある。この状態は、特許文献１に記載されている構造を採用したとしても、接合材が環状凸条部の隙間に流れ込まないため解消されない。

そこで、この発明の目的は、半導体素子（特に、パワー半導体素子）とモジュール中の導体との接合材が金属ナノ粒子の焼結体であって、半導体素子の電極同士の絶縁性が確保された半導体モジュールを提供することである。

この発明では、半導体素子（特に、パワー半導体素子）とモジュール中の導体との接合材が金属ナノ粒子の焼結体であっても、半導体素子の電極同士の絶縁性を確保するため、モジュール中の導体の形状の改良が図られる。

この発明に係る半導体モジュールは、一方主面に第１の電極および第２の電極を備え、他方主面に第３の電極を備えた半導体素子と、第１の導体と、第２の導体と、第３の導体と、第１の接続部材と、第２の接続部材とを備えている。

半導体素子の第１の電極と第１の導体とは、第１の接続部材を介して接続され、第２の電極と第３の導体とは、第２の接続部材を介して接続されている。また、第３の電極と第２の導体とは、金属ナノ粒子の焼結体である接合材により接合されている。

第２の導体は、半導体素子と接合される面に環状の凹部を備えている。そして、第２の導体が備えている環状の凹部と半導体素子とを、半導体素子の一方主面と直交する方向から見たときに、半導体素子の他方主面の外周縁は、第２の導体が備えている環状の凹部の内周縁と外周縁との間に位置している。ここで、環状とは、単純閉曲線、多角形、および多角形の角を曲線化したものなどの無端形状を指す。

接合材である金属ナノ粒子の焼結体は、第３の電極と第２の導体との間に金属ナノ粒子ペーストを介在させた状態で、焼結させることによって形成される。そのため、前述のように、金属ナノ粒子ペーストの供給量が多く、半導体素子の側面への付着量が多くなった場合、はんだのように溶融して流れ落ちることがなく、付着したままの状態となる。

一方、上記の半導体モジュールでは、金属ナノ粒子ペーストのうち、余分なものが第２の導体が備えている環状の凹部に移動するので、半導体素子の側面への付着量を少なくすることができる。したがって、半導体素子の第１の電極と第３の電極とが電気的に近接することが避けられ、高い絶縁性を維持することができる。

この発明に係る半導体モジュールは、以下の特徴を備えることが好ましい。すなわち、金属ナノ粒子は、銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子である。

上記の半導体モジュールでは、金属ナノ粒子が銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子であるため、その焼結体である接合材の比抵抗が鉛フリーはんだに比べて大幅に低く、かつ熱伝導率が大幅に高くなる。そのため、接合材を金属ナノ粒子の焼結体とすることで、接合部での電力損失が大幅に低減され、かつ接合部での熱抵抗が大幅に低くなり、パワー半導体素子からの熱を極めて効率よく放散させることができる。

この発明に係る半導体モジュールは、以下の特徴を備えることが好ましい。すなわち、第１の接続部材および第２の接続部材は、板状部材である。

上記の半導体モジュールでは、第１の接続部材および第２の接続部材が板状部材（いわゆるクリップ）であるため、衝撃が加わった際にも各接続部材の位置が変わることがない。また、第１の接続部材の第１の電極および第１の導体における接続位置、ならびに第２の接続部材の第２の電極および第３の導体における接続位置に段差がある場合にも、例えば金属板を屈曲させて形成することができるため、各接続部材としてワイヤを用いた場合に比べて、半導体モジュールを低背化することができる。

この発明に係る半導体モジュールは、以下の特徴を備えることも好ましい。すなわち、環状の凹部の深さは、０．０５ｍｍ以上である。そして、環状の凹部と半導体素子とを半導体素子の一方主面と直交する方向から見たときに、第３の電極と第２の導体とは、半導体素子の他方主面の外周縁が、環状の凹部の内周縁から０．０５ｍｍ以上外側にあり、かつ環状の凹部の外周縁から０．１０ｍｍ以上内側にあるように接合されている。

上記の半導体モジュールでは、金属ナノ粒子ペーストのうち、余分なものが環状の凹部Ｔに移動する際に、環状の凹部Ｔが余分なペーストを確実に溜めることができるので、半導体素子１の側面への付着量をさらに少なくすることができる。したがって、半導体素子の第１の電極と第３の電極とが電気的に近接することが確実に避けられ、高い絶縁性を確実に維持することができる。

この発明に係る半導体モジュールでは、金属ナノ粒子ペーストのうち、余分なものが第２の導体が備えている環状の凹部に移動するので、半導体素子の側面への付着量を少なくすることができる。したがって、半導体素子の第１の電極と第３の電極とが電気的に近接することが避けられ、高い絶縁性を維持することができる。

この発明に係る半導体モジュールの第１の実施形態であるパワー半導体モジュール１００の断面図と、パワー半導体素子１の外周縁と第２の導体３が備えている環状の凹部Ｔとの位置関係を説明するための模式図である。 パワー半導体モジュールにおいて、接合材Ｓがパワー半導体素子１の側面に付着し、パワー半導体素子１の第１の電極１Ｆと第３の電極１Ｔとが近接した状態を示す断面図である。 この発明に係る半導体モジュールの第２の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ａの断面図である。 背景技術の半導体モジュール２００の分解斜視図および断面である。

以下にこの発明の実施形態を示して、この発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。

−半導体モジュールの第１の実施形態−
この発明に係る半導体モジュールの第１の実施形態であるパワー半導体モジュール１００について、図１を用いて説明する。この発明が適用される半導体モジュールとしては、例えば自動車のパワーステアリング機構などの電装機器を駆動するためのインバータに用いられるパワー半導体モジュール、または電気自動車およびハイブリッド自動車用のモータを駆動するためのインバータに用いられるパワー半導体モジュールなどが挙げられるが、これらに限られるものではない。

図１は、パワー半導体モジュール１００の説明図である。図１（Ａ）は、パワー半導体モジュール１００の、図１（Ｂ）に示したＡ１−Ａ１線を含む切断面における矢視断面図である。図１（Ｂ）は、パワー半導体素子１の外周縁と第２の導体３が備えている環状の凹部Ｔとの位置関係を説明するための模式図である。

パワー半導体モジュール１００は、パワー半導体素子１と、第１の導体２と、第２の導体３と、第３の導体４と、第１の接続部材５と、第２の接続部材６とを備えている。

パワー半導体素子１は、一方主面に第１の電極１Ｆおよび第２の電極１Ｓを備え、他方主面に第３の電極１Ｔを備えている。パワー半導体素子１としては、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）およびＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などを用いることができる。第１の電極１Ｆ、第２の電極１Ｓおよび第３の電極１Ｔは、パワー半導体素子１がパワーＭＯＳＦＥＴである場合、それぞれエミッタ電極、ベース電極およびコレクタ電極となる。一方、パワー半導体素子１がパワーＭＯＳＦＥＴである場合、それぞれソース電極、ゲート電極およびドレイン電極となる。

第１の導体２、第２の導体３、および第３の導体４は、この実施例においては、絶縁層７の一方主面上に形成されている。第１の導体２、第２の導体３、および第３の導体４は、銅または銅合金を用いることが好ましい。

なお、絶縁層７の他方主面上には、放熱効率を向上させるための放熱板８が備えられている。ただし、絶縁層７および放熱板８は、パワー半導体モジュールの設計により不要となることもあるため、この発明における必須の構成要素ではない。

絶縁層７は、例えばエポキシ系樹脂にガラスまたはセラミックのフィラーを分散させた樹脂材料を用いたものや、ガラスセラミック、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよび窒化ケイ素などのセラミック材料を用いたものから、パワー半導体モジュールの設計に合わせて適宜選択することができる。また、放熱板８は、熱伝導率の大きな金属である、アルミニウムまたはその合金、銅およびその合金、ならびに銀およびその合金を用いることが好ましい。

第１の電極１Ｆと第１の導体２とは、第１の接続部材５を介して接続され、第２の電極１Ｓと第３の導体４とは、第２の接続部材６を介して接続されている。また、第３の電極１Ｔと第２の導体３とは、金属ナノ粒子の焼結体である接合材Ｓにより接合されており、両者は電気的および熱的に接続されている。

なお、金属ナノ粒子は、金属の性質として低い比抵抗および高い熱伝導率を有する銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子が用いられることが好ましい。接合材を金属ナノ粒子の焼結体とすることで、接合部での電力損失が低減され、かつ接合部での熱抵抗が低くなり、パワー半導体素子からの熱を効率よく放散させることができる。

第１の接続部材５および第２の接続部材６は、この実施例においては、金などを材料とするワイヤが用いられている。なお、第１の接続部材５および第２の接続部材６は、後述する第２の実施形態（図３）に示すように、クリップと呼ばれる板状部材を用いてもよい。

第２の導体３は、パワー半導体素子１と接合される面に環状の凹部Ｔを備えている。そして、第２の導体３が備えている環状の凹部Ｔとパワー半導体素子１とを、パワー半導体素子１の一方主面と直交する方向から見たときに、図１（Ｂ）に示すように、パワー半導体素子１の他方主面の外周縁（図１（Ｂ）において二点鎖線で図示）は、第２の導体３が備えている環状の凹部Ｔの内周縁ＴＩと外周縁ＴＯとの間に位置している。

ここで、第２の導体３が、環状の凹部Ｔを備えていない場合を考える。その場合、例えば金属ナノ粒子ペーストの供給量が多く、パワー半導体素子１の側面への付着量が多くなった場合、はんだのように溶融して流れ落ちることがなく、付着したままの状態となる。したがって、図２に示すように、パワー半導体素子１の第１の電極１Ｆと第３の電極１Ｔとが電気的に近接することになり、絶縁性が確保できない虞がある。

一方、パワー半導体モジュール１００では、金属ナノ粒子ペーストのうち、余分なものが第２の導体３が備えている環状の凹部Ｔに移動するので、パワー半導体素子１の側面への付着量を少なくすることができる。その結果、パワー半導体素子１の第１の電極１Ｆと第３の電極１Ｔとが電気的に近接または短絡することが避けられ、高い絶縁性を維持することができる。

また、特許文献１に記載された半導体モジュール２００において、接合材Ｓとして金属ナノ粒子ペーストを用いた場合を考える。半導体モジュール２００では、半導体素子２０１の平面形状が矩形であるのに対して、環状凸状部２０３Ｔの平面形状は円であるため、半導体素子２０１の外周縁と環状凸状部２０３Ｒの頂部が交差する領域が存在する。そのため、接合材Ｓとして金属ナノ粒子ペーストを用いた場合、金属ナノ粒子ペーストが上記の交差領域でせき止められ、パワー半導体素子１の側面に付着したままとなるおそれがある。

それに対して、この発明では、パワー半導体素子１の外周縁全周が、第２の導体３が備えている環状の凹部Ｔの内周縁ＴＩと外周縁ＴＯとの間に位置している。そのため、パワー半導体素子１と環状の凹部Ｔとが交差せず、金属ナノ粒子ペーストが環状の凹部Ｔ内に収まり、金属ナノ粒子ペーストのパワー半導体素子１の側面への付着量を少なくすることができる。

さらに、この発明によれば、パワー半導体素子１の外周縁の形状に合わせた環状の凹部Ｔを１箇所設けていればよく、特許文献１に記載された半導体モジュール２００のように、環状凸状部２０３Ｔを複数設ける必要はない。

なお、環状の凹部Ｔの深さは、０．０５ｍｍ以上であることが好ましい。そして、環状の凹部Ｔとパワー半導体素子１とをパワー半導体素子１の一方主面と直交する方向から見たときに、第３の電極１Ｔと第２の導体３とは、パワー半導体素子１の他方主面の外周縁が、環状の凹部Ｔの内周縁ＴＩから０．０５ｍｍ以上外側にあり、かつ環状の凹部Ｔの外周縁ＴＯから０．１０ｍｍ以上内側にあるように接合されていることが好ましい。

このようにすることで、金属ナノ粒子ペーストのうち、余分なものが環状の凹部Ｔに移動する際に、環状の凹部Ｔが余分なペーストを確実に溜めることができるので、パワー半導体素子１の側面への付着量をさらに少なくすることができる。したがって、パワー半導体素子の第１の電極と第３の電極とが電気的に近接することが確実に避けられ、高い絶縁性を確実に維持することができる。

−半導体モジュールの第２の実施形態−
この発明に係る半導体モジュールの第２の実施形態であるパワー半導体モジュール１００Ａについて、図３を用いて説明する。図３は、パワー半導体モジュール１００Ａの、図１（Ａ）の矢視断面図に相当する断面図である。

パワー半導体モジュール１００Ａは、第１の接続部材５および第２の接続部材６の形態が第１の実施形態であるパワー半導体モジュール１００と異なる。それ以外はパワー半導体モジュール１００と共通であるため、共通する箇所の説明については省略する。

上記のパワー半導体モジュールでは、第１の接続部材５および第２の接続部材６を板状部材とした場合、衝撃が加わった際にも各接続部材の位置が変わることがない。また、第１の接続部材５の第１の電極１Ｆおよび第１の導体２における接続位置、ならびに第２の接続部材６の第２の電極１Ｓおよび第３の導体４における接続位置に段差がある場合にも、例えば金属板を屈曲させて形成することができるため、各接続部材としてワイヤを用いた場合に比べて、パワー半導体モジュール１００Ａを低背化することができる。

以上で説明した各実施形態では、第１の電極１Ｆは、ワイヤまたは板状部材により第１の導体２に接続されているが、第１の導体２が第１の電極１Ｆの上方に配置されている場合には、はんだまたは金属ナノ粒子の焼結体を接合材として、第１の電極１Ｆと第１の導体２とをブロック導体（第１の接続部材５に相当）を介して接続するようにしてもよい。

ブロック導体と第１の電極１Ｆとを接合する接合材を金属ナノ粒子の焼結体とした場合には、ブロック導体にも余分な金属ナノ粒子ペーストを収容できる空間を設けることが好ましい。そのようにすることで、パワー半導体素子１の第１の電極１Ｆと第３の電極１Ｔとが電気的に近接することが確実に避けられ、高い絶縁性を確実に維持することができる。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることができる。また、この明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

１００、１００Ａ パワー半導体モジュール
１ パワー半導体素子
１Ｆ 第１の電極
１Ｓ 第２の電極
１Ｔ 第３の電極
２ 第１の導体
３ 第２の導体
４ 第３の導体
５ 第１の接続部材
６ 第２の接続部材
Ｓ 接合材
Ｔ 環状の凹部
ＴＩ 環状の凹部の内周縁
ＴＯ 環状の凹部の外周縁

Claims (4)

1. 一方主面に第１の電極および第２の電極を備え、他方主面に第３の電極を備えた半導体素子と、第１の導体と、第２の導体と、第３の導体と、第１の接続部材と、第２の接続部材とを備えた半導体モジュールであって、
   前記第１の電極と前記第１の導体とが、前記第１の接続部材を介して接続され、前記第２の電極と前記第３の導体とが、前記第２の接続部材を介して接続されており、
   前記第３の電極と前記第２の導体とが、金属ナノ粒子の焼結体である接合材により接合されており、
   前記第２の導体は、前記半導体素子と接合される面に環状の凹部を備えており、
   前記第２の導体が備えている環状の凹部と前記半導体素子とを、前記半導体素子の一方主面と直交する方向から見たときに、前記半導体素子の他方主面の外周縁は、前記第２の導体が備えている環状の凹部の内周縁と外周縁との間に位置していることを特徴とする、半導体モジュール。
2. 前記金属ナノ粒子は、銀、銅、金、またはそれらの中から選ばれる少なくとも２種類の金属の合金のナノ粒子であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記第１の接続部材および前記第２の接続部材は、板状部材であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 前記環状の凹部の深さが０．０５ｍｍ以上であり、
   前記環状の凹部と前記半導体素子とを前記半導体素子の一方主面と直交する方向から見たときに、前記第３の電極と前記第２の導体とは、前記半導体素子の他方主面の外周縁が、前記環状の凹部の内周縁から０．０５ｍｍ以上外側にあり、かつ前記環状の凹部の外周縁から０．１０ｍｍ以上内側にあるように接合されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。