接合材および半導体モジュールの製造方法
【課題】高電気伝導性、高熱伝導性を維持したまま高温で動作させても、熱衝撃による接合部のクラックの進展が生じにくい接合材、および該接合材を用いた半導体モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】接合材４は、放熱板６と放熱板６上に積層される半導体チップ１との接合部に設けられる接合材であって、半導体チップ１に対向する第１の主表面（上面）と、放熱板６に対向する第２の主表面（下面）とを備える。そして、上面および下面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、上面から下面に向かう方向（上下方向）に延びる孔部が形成されている。
【解決手段】接合材４は、放熱板６と放熱板６上に積層される半導体チップ１との接合部に設けられる接合材であって、半導体チップ１に対向する第１の主表面（上面）と、放熱板６に対向する第２の主表面（下面）とを備える。そして、上面および下面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、上面から下面に向かう方向（上下方向）に延びる孔部が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合材および半導体モジュールの製造方法に関し、特に、回路形成材などの基材と該基材上に積層される半導体部品との接合部に設けられる接合材、および、該接合材を用いた半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワー半導体モジュールでは、半導体部品と放熱板とを高温はんだで接合した後、それらを、中温または低温はんだにて回路付き基板、リードフレームあるいは放熱用ベース板に接合している。上記の高温はんだとしては、Ｐｂ−Ｓｎ系，Ａｕ−Ｓｎ系などのはんだが多用されている。しかし、Ｐｂ−Ｓｎ系のはんだを用いる場合、鉛成分が含まれていることに留意する必要がある。また、Ａｕ−Ｓｎ系のはんだは、高価な金を含むため汎用性が低い。
【０００３】
パワー半導体モジュール用の半導体部品の小型化、高機能化に伴い、電流密度も高くなり、製品に過負荷が加わった場合には接合部の温度が急上昇し高温にさらされやすい傾向にある。この結果、接合部に生じる応力が大きくなる。この大きな応力を緩和し、接合部（はんだ、半導体部品、回路、および基板）に生じるクラックの進展を抑制できる接合材、接合構造の開発が望まれている。
【０００４】
これに対し、半導体部品と放熱板、または、半導体部品とリードもしくは基板等を接合する際に、応力緩和層を導入する場合がある（たとえば、特開２００４−２９８９６２号公報（特許文献１）の３頁４４行〜５頁４０行および図１等参照）。特許文献１では、はんだよりも融点が高い金属（銅、ニッケル、銀、鉄）のいずれかで三次元網状多孔質を形成した発泡金属にはんだを含浸し、発泡金属材表面を被覆している。このとき、発泡金属の気孔の平均直径は１０〜１０００μｍとされており、その気孔率は２０〜９５パーセントとされている。
【０００５】
また、特開２００３−１６３４３５号公報（特許文献２）には、柱状のはんだグリッドアレイを支持フレームで受けることにより圧縮応力や振動を緩和することが示されている。
【０００６】
また、特開２００６−３５２０８０号公報（特許文献３）によれば、パワー半導体モジュールを製造するにあたり、半導体チップとヒートシンク、回路を形成したセラミック基板を全て銀（Ａｇ）ナノペーストにて一括接合することが示されている。
【特許文献１】特開２００４−２９８９６２号公報
【特許文献２】特開２００３−１６３４３５号公報
【特許文献３】特開２００６−３５２０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のように、発泡金属をはんだで接合する接合構造にあっては、各接合部材（はんだ、半導体部品、基板、回路材）の熱膨張係数の差により生じた応力により、はんだにクラックが生じる場合がある。その結果、製品の回路が断線して、動作不良の原因になるという問題があった。さらに、発泡金属の応力緩和効果を高めるためには、空孔率を大きくする必要があるが、その場合、接合材の本来の目的である電気伝導性が損なわれるという問題があった。同時に、半導体部品から発生する熱を放熱板に伝導し難くなり、接合部と半導体部品の温度が益々上昇し、動作不良の原因となる問題もあった。さらに、発泡金属の孔径、配列を制御することは難しいため、接合端部での接合面積が小さくなる可能性もあり、この場合、熱衝撃により大きな応力が集中するため、却ってクラックが進展するという問題もあった。
【０００８】
高温動作可能な半導体部品を利用する場合、融点が高いはんだを用いる必要がある。この場合、接合温度が高温になる傾向にあり、上記のようなクラックが発生しやすくなる。
【０００９】
また、特許文献２に示されるような柱状はんだアレイは、対流リフローはんだプロセスなど公知の製造方法によって製造されるが、柱間隔を密にできないため電気伝導性、熱伝導性が十分には得られないという問題があった。
【００１０】
なお、特許文献３においても、上記のような問題を解消可能な構成は示されていない。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高電気伝導性、高熱伝導性を維持したまま高温で動作させても、熱衝撃による接合部のクラックの進展が生じにくい接合材、および該接合材を用いた半導体モジュールの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る接合材は、１つの局面では、基材と該基材上に積層される半導体部品との接合部に設けられる接合材である。この局面では、接合材は、半導体部品に対向する第１の主表面と、基材に対向する第２の主表面とを備える。そして、第１の主表面および第２の主表面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、第１の主表面から第２の主表面に向かう方向に延びる孔部が形成されている。
【００１２】
本発明に係る接合材は、他の局面では、基板および半導体部品に介装される放熱板と基板との接合部に設けられる接合材である。この局面では、接合材は、放熱板に対向する第１の主表面と、基板に対向する第２の主表面とを備える。そして、第１の主表面および第２の主表面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、第１の主表面から第２の主表面に向かう方向に延びる孔部が形成されている。
【００１３】
本発明に係る半導体モジュールの製造方法は、上述の接合材を用いた半導体モジュールの製造方法である。
【００１４】
１つの局面では、半導体モジュールの製造方法において、基材と該基材上に積層される半導体部品との接合部に設けられる接合材を用いる。この場合、半導体モジュールの製造方法は、接合材および導電性接着剤を基材と半導体部品との間に介装するステップと、接合材を介装した基材および半導体部品を加熱するステップとを備える場合と、基材上または半導体部品上に接合材を形成するステップと、接合材が介装されるように基材上に半導体部品を載置するステップと、接合材を介装した基材および半導体部品を加熱するステップとを備える場合とがある。
【００１５】
他の局面では、半導体モジュールの製造方法は、基板および半導体部品に介装される放熱板と基板との接合部に設けられる接合材を用いる。この場合、半導体モジュールの製造方法は、接合材および導電性接着剤を基板と放熱板との間に介装するステップと、接合材を介装した基板および放熱板を加熱するステップとを備える場合と、基板上または放熱部材上に接合材を形成するステップと、接合材が介装されるように基板上に放熱板を載置するステップと、接合材を介装した基板および放熱板を加熱するステップとを備える場合とがある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高温で動作させても、高電気伝導性、高熱伝導性を維持したまま熱衝撃から生じる応力集中による接合部クラック進展が生じ難く信頼性の高い接合材、および該接合材を用いた半導体モジュールの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
【００１８】
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
【００１９】
図１は、後述する実施の形態１〜５に係る接合構造を模式的に示すモデル図である。図１を参照して、実施の形態１〜５に係る接合構造は、基材１００と、基材１００上に積層される半導体部品２００との接合構造である。基材１００と半導体部品２００との間には、接合材３００および導電性接着剤４００が介装されている。導電性接着剤４００は、金属微粒子を含み、接合材３００と基材１００および半導体部品２００とを接着する。
【００２０】
接合材３００は、パワーモジュールの各接合部の接合界面に設けられ、二次元網目構造（レティキュレーション）を形成する。この網目構造の形成には、金属微粒子を含む導電性接着剤が用いられる。金属微粒子を含む導電性接着剤は、金属ナノペーストとして知られており、有機保護膜にて被覆された粒径１ｎｍ〜５０ｎｍの微細な金属粒子を含み、その表面が活性なため本来の金属融点よりも低温で焼結して金属結合が得られ、焼結後は金属融点まで耐熱性が向上する。
【００２１】
次に、上記の接合構造の作製方法について説明する。接合材３００の両接合面にディッピングなどにより金属微粒子を含む導電性接着剤４００の層を形成する。そして、導電性接着剤を介して被接合物の接合面どうしを積層する。また、後述の実施の形態３で説明するように、被接合材（半導体部品、リードフレーム、放熱板、基板表面の銅箔など）にスクリーン印刷等の手法を用いて、所定の網目構造となるように導電性接着剤を塗布することによって接合構造を形成してもよい。
【００２２】
次に、５０℃から３００℃程度の温度で１時間程度加熱保持する。このとき、接合材の緻密性を向上させ、積層部の位置ずれを防止するため、被接合物を押圧することが好ましい。また、雰囲気については、表面の酸化防止のため、減圧しかつ酸素濃度は１パーセント以下に抑制するのが好ましいが、大気中でも製造可能である。所定の加熱が終了すると、冷却時に接合材と被接合材間で金属結合が生じ、これにより、強固な結合が得られる。この接合部は、上記金属の融点まで溶融しないため、同様の工程を繰り返しても、あるいは、別のはんだ接合工程を経ても、当該接合部は影響を受けない。さらに、この接合構造を用いて作製したパワーモジュールに繰り返し熱衝撃が加わることによる応力を軽減できるので、接合部のクラック進展を抑制し、製品の長寿命化ができる。
【００２３】
（実施の形態１）
図２は、実施の形態１に係る半導体モジュールの断面図である。図２を参照して、半導体チップ１と、半導体チップ１の裏面に形成されたメタライズ層２と、導電性接着剤３および接合材４と、メタライズ層５Ａ，５Ｂおよび放熱板６と、メタライズ層７および配線層８と、基板９とを含む。
【００２４】
ＳｉＣ半導体チップである半導体チップ１およびメタライズ層２は、導電性接着剤３および接合材４を介して、メタライズ層５Ａ，５Ｂ（ニッケル膜）が形成された放熱板６（銅板）と接合されている。なお、メタライズ層５Ａ，５Ｂは、放熱板６の両面にそれぞれ形成されている。さらに、メタライズ層５Ａ，５Ｂが形成された放熱板６は、導電性接着剤３および接合材４を介して、メタライズ層７（ニッケル膜）および配線層８（Ｃｕ配線層）が形成された基板９（アルミナ基板）と接合されている。なお、メタライズ層７は、配線層８上に形成されている。配線層８は、基板９上に形成されている。
【００２５】
導電性接着剤３は、銀（Ａｇ）ナノ粒子を含むペースト状の導電性接着剤である。接合材４は、銀箔（Ａｇ箔）に銀（Ａｇ）ナノ粒子を含む導電性接着剤をインクジェットにより印刷して作製したハニカム構造の接合材である。上記の銀箔としては、ハンドリングが比較的容易な５０μｍの厚さのものを用いた。なお、銀箔の厚さは、１０μｍ以上５００μｍ以下程度であることが好ましい。接合材４全体の厚さは、５０μｍ以上２０００μｍ以下程度であることが好ましい。
【００２６】
次に、図２に示す半導体モジュールの作製工程について説明する。まず、ニッケルめっき付銅板からなる放熱板６の面積に合わせて、ハニカム構造の接合材４を切断する。そして、切断された接合材４の両面を、順に銀（Ａｇ）ナノ粒子入り導電性接着剤に浸漬する。さらに、ニッケルめっき付銅配線（配線層８）が直接形成されたアルミナ基板（基板９）を準備し、基板９上に、導電性接着剤が付着した接合材４を載置する。さらに、接合材４上に前述の放熱板６を積層する。次に、複数の半導体チップ１の面積に各々合わせて切断したハニカム構造の接合材４の両接合面を、上記と同様の手法で順次銀（Ａｇ）ナノ粒子を含む導電性接着剤に浸漬した後、放熱板６上に積層する。さらに、接合材４上に半導体チップ１を積層する。そして、熱処理工程を経て、各部品が接合される。各部品を接合した後、半導体チップ１と外部回路を接続するワイヤボンドを行なう。
【００２７】
なお、本実施の形態では、導電性接着剤３の粘度と、導電性接着剤３に浸漬された接合材４を引き上げる速さとを調整することで、図３に示すように、接合材４に形成された貫通孔を導電性接着剤３で完全に埋めることがないようにしている。なお、図３においては、図示および説明の便宜上、メタライズ層２，５Ａの図示を省略している。
【００２８】
導電性接着剤３は有機成分を含有するため、熱処理中に酸素と反応して分解ガスを発生する。そこで、接着部の緻密性を向上させるため、大気よりも減圧した後、酸素濃度を１パーセント以下に制御し、ここでは図示しない治具を用いて、各部品を固定し、且つ、加圧した状態で、１５０℃の温度で６０分程度加熱することにより接合した。ただし、この接合に適した温度および時間は、導電性接着剤の種類により異なる。
【００２９】
本実施の形態では、各部品とハニカム構造の接合材４とは、金属結合により強固に接合されている。本願発明者らは、本実施の形態に係る接合構造を含むパワー半導体モジュールについて、−５０℃から２００℃の冷熱サイクル試験（１０００サイクル）を行ない、断線箇所や損傷がないことを確認している。さらに、本願発明者らは、下記の比較例１および比較例２に係る接合構造を含む半導体モジュールについても冷熱サイクル試験を行なうことで、本実施の形態に係る接合構造の優位性を確認している。
【００３０】
比較例１
Ｓｉ半導体部品と金めっき付の銅（Ｃｕ）製リードフレームを接合するにあたり、リードフレームに銀（Ａｇ）微粒子を含む導電性接着剤をスクリーン印刷により塗布する。１５０℃程度の温度で９０分程度の熱処理を行なった後、−５０℃から２００℃の冷熱サイクル試験（３００サイクル）を行なうと、Ｓｉ半導体部品にクラックが生じた。
【００３１】
比較例２
ＳｉＣ半導体部品と放熱板を接合するにあたり、平均孔径５０μｍ、気孔率２０パーセントのニッケル（Ｎｉ）からなる発泡金属を、融点が２２０℃程度のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだにより接合する。−５０℃から２００℃の冷熱サイクル試験（３００サイクル）を行なうと、はんだ接合部にクラックが生じた。
【００３２】
このように、本実施の形態によれば、比較例１，２に対して、信頼性の高いパワーモジュールが得られる。
【００３３】
図４は、本実施の形態における接合材４を接合面側から見た状態を示す模式図である。本実施の形態では、接合材４における二次元網目構造の形状を図４（ａ）に示すような六角形状のハニカムとしたが、これに代えて、図４（ｂ）に示すようなコルゲート形、図４（ｃ）のようなフレックス形のものを用いてもよい。さらに、上記に代えて、図示はしないが、シェープグリッド形、トラスグリッド形、スパイラルグリッド形、チューブコア形、ゼータコア形、ノアコア形、またはパラビーム形のものを用いてもよい。
【００３４】
二次元網目構造は、上記の例で挙げたもののように、互いに斜めに交差する部分を有しているか、曲線部分を有していることが好ましい。このようにすることで、応力緩和度の高い網目構造を得ることができる。
【００３５】
本実施の形態では、接合材４および導電性接着剤３の主成分として、銀（Ａｇ）を用いているが、これに代えて、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）を主成分するものを用いてもよい。これらの素材を主成分とすることで、電気伝導性および熱伝導性に優れた接合構造を得ることができる。なお、導電性接着剤３に含まれる金属微粒子のサイズは、接着後に金属結合で結合された状態が得られる限り、特に限定されるものではない。
【００３６】
また、半導体チップ１は、ＳｉＣ半導体を用いたパワーモジュールに限定されず、Ｓｉ半導体などを用いたパワーモジュールであってもよい。
【００３７】
本実施の形態によれば、半導体部品１と接合材４が接する接合界面には規則的な未接合部があるため、半導体部品１と接合材４の熱膨張係数の相違による応力を分散することができ、接合材４及び被接合材のクラック進展を抑制することができる。さらに、接合材４には規則的な貫通孔があるので上記熱膨張係数の相違による応力が生じても機械的強度が高く、半導体チップ１等の被接合材のクラック進展を抑制して高信頼な接合構造を得ることができる。しかも、空孔率が小さくても上記の効果が得られるので、電気伝導性、熱伝導性が高い接合材４を得ることができる。また、接合材４を構成する素材として、金属微粒子入りの導電性接着剤を用いているため、接合界面において接合材４の固相線温度よりも低温で金属結合の接合を得ることができる。さらに、被接合部材に介装される接合材４および導電性接着剤３が、金属結合の単一層となるため、金属の融点まで耐熱性が向上する。パワー半導体モジュールにこのような接合構造を用いると、信頼性の高いモジュールを得ることができる。
【００３８】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る接合材４は、「基材」としての放熱板６と放熱板６上に積層される「半導体部品」としての半導体チップ１との接合部に設けられる接合材であって、半導体チップ１に対向する第１の主表面（図２中の上面）と、放熱板６に対向する第２の主表面（図２中の下面）とを備える。そして、上面および下面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、上面から下面に向かう方向（図２中の上下方向）に延びる孔部が形成されている。
【００３９】
なお、接合材４は、放熱板６と基板９との接合部にも設けられている。ここでは、接合材は、放熱板６に対向する第１の主表面（図２中の上面）と、基板９に対向する第２の主表面（図２中の下面）とを備える。そして、上面および下面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、上面からから下面に向かう方向（図２中の上下方向）に延びる孔部が形成されている。
【００４０】
本実施の形態に係る半導体モジュールは、上記の接合構造を含むものであって、その製造方法は、図５に示すように、接合材４を導電性接着剤３に浸漬するステップ（Ｓ１１）と、導電性接着剤３が付着した接合材４を放熱板６と半導体チップ１との間、および、基板９と放熱板６との間に介装するステップ（Ｓ１２）と、接合材４を介装した放熱板６、半導体チップ１、および基板９を加熱するステップ（Ｓ１３）とを備える。
【００４１】
なお、上記の接合構造は、アルミナなどの絶縁基板を用いないで、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、鉄−ニッケル合金であるインバー（Ｉｎｖｅｒ）なとの単体またはクラッド材からなるリードフレームに半導体部品を接合するようなモジュール構造にも適用できる。また、上記の接合構造は、放熱板６のないモジュール構造にも適用できる。この場合は、基板９が「基材」を構成する。
【００４２】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る半導体モジュールは、実施の形態１に係る半導体モジュールの変形例であり、その製造方法に特徴を有する。すなわち、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、図６に示すように、被接合部材上に導電性接着剤３をスクリーン印刷等により塗布するステップ（Ｓ２１）と、導電性接着剤３が塗布された被接合部材の間に接合材４を介装するステップ（Ｓ２２）と、接合材４を介装した被接合部材を加熱するステップ（Ｓ２３）とを備える。
【００４３】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、高い導電性と熱伝導性を保ちながら信頼性も高いパワー半導体モジュールが得られる。
【００４４】
（実施の形態３）
図７は、実施の形態３に係る半導体モジュールの製造方法を説明する図である。図７（ａ）を参照して、まず、金（Ａｕ）からなるめっき層１１Ａ，１１Ｂが形成されたリードフレーム１２上に、ネガジスストを２μｍ程度の厚みで塗布し、ハニカム構造の貫通孔に相当するレジストパターン１０を形成する。次に、図７（ｂ）に示すように、スクリーン印刷により、銀（Ａｇ）微粒子を含む導電性接着剤３を塗布する。さらに、実施の形態１と同様の熱処理を行なった後、レジストパターン１０を除去すると、図７（ｃ）に示すように、導電性接着剤３からなるハニカム接合材が形成された。この接合材の表面に銀（Ａｇ）微粒子を含む導電性接着剤を塗布し、図７（ｄ）に示すように、半導体チップ１を搭載した後、再度実施の形態１と同様の熱処理を行なう。最後に、半導体チップ１と外部回路を接続するリードを半導体チップ１の表面に形成して、パワーモジュールを作製する。
【００４５】
本実施の形態に係る半導体モジュールにおいても、冷熱サイクル試験後に接合部の損傷はなく、信頼性の高いパワーモジュールを形成できる。また、このモジュールは、電気伝導性、熱伝導性にも優れている。
【００４６】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、図８に示すように、「基材」としてのリードフレーム１２上に導電性接着剤３からなるハニカム接合材を形成するステップ（Ｓ３１）と、ハニカム接合材が介装されるようにリードフレーム１２上に半導体チップ１を積層するステップ（Ｓ３２）と、ハニカム接合材を介装したリードフレーム１２および半導体チップ１を加熱するステップ（Ｓ３３）とを備える。
【００４７】
なお、本実施の形態に係るプロセスを、たとえば、実施の形態１における半導体部品１と放熱板６との接合部、および放熱板６と基板９との接合部に適用することも、勿論可能である。
【００４８】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る半導体モジュールは、実施の形態３に係る半導体モジュールの変形例である。すなわち、本実施の形態に係る半導体モジュールでは、導電性接着剤３からなるハニカム接合材を形成する際、二次元網目構造を形成する孔部の径を、半導体チップ１の周縁部分に対向する位置では相対的に小さく、半導体チップ１の中央部分に対向する位置では相対的に大きく形成している。なお、本実施の形態に係る半導体モジュールは、インクジェットによりハニカム構造を形成する際に、印刷間隔を変えることで作製される。
【００４９】
上記のようなハニカム構造を形成することで、より大きな応力が生じやすい半導体チップ１の中心部分に対向する位置では応力緩和の効果を高めるとともに、半導体チップの周縁部分に対向する位置では、高い導電性と熱伝導性を確保することができる。結果として、本実施の形態によれば、信頼性、導電性、熱伝導性をさらに向上させたパワーモジュールを提供することができる。
【００５０】
（実施の形態５）
実施の形態５に係る半導体モジュールは、実施の形態３に係る半導体モジュールの変形例である。すなわち、本実施の形態に係る半導体モジュールでは、実施の形態３と同様にリードフレーム１２上にハニカム構造を形成した後、ニッケル無電解めっきによりハニカム構造の接合部にニッケル膜を形成した。その後、錫（Ｓｎ）を主成分とし、融点が２２０℃よりも高いはんだペーストを、接合材の上部、すなわち半導体チップ１と接合する面に塗布して、２５０℃程度の温度で６０秒程度の熱処理を行なう。その後、実施の形態３と同様に、半導体チップ１と外部回路を接続するリードを半導体チップ１の表面に形成して、パワーモジュールを作製する。
【００５１】
上記のように、ハニカム構造の接合部にニッケル膜を形成することで、はんだとの濡れ性を向上させることができる。この結果、高温保持試験後もエレクトロマイグレーションが抑制された、高信頼なパワーモジュールが得られる。
【００５２】
なお、ハニカム接合材の主成分が銀または銅である場合は、上記のように、接合材の表面にニッケルまたは金を被覆することにより、はんだの濡れ性を向上させることができる。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、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。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１〜５に係る接合構造を模式的に示すモデル図である。
【図２】本発明の実施の形態１，２に係る半導体モジュールの断面図である。
【図３】図２に示される半導体モジュールにおける半導体チップと放熱板との接合構造を詳細に示す図である。
【図４】図３に示される接合構造に適用されるハニカムコアの例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの製造方法を示すフロー図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの製造方法を示すフロー図である。
【図７】本発明の実施の形態３〜５に係る半導体モジュールの製造方法を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態３〜５に係る半導体モジュールの製造方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 半導体チップ、２，５Ａ，５Ｂ，７ メタライズ層、３ 導電性接着剤、４ 接合材、６ 放熱板、８ 配線層、９ 基板、１０ レジストパターン、１１Ａ，１１Ｂ めっき層、１２ リードフレーム、１００ 基板、２００ 半導体部品、３００ 接合材、４００ 導電性接着剤。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合材および半導体モジュールの製造方法に関し、特に、回路形成材などの基材と該基材上に積層される半導体部品との接合部に設けられる接合材、および、該接合材を用いた半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワー半導体モジュールでは、半導体部品と放熱板とを高温はんだで接合した後、それらを、中温または低温はんだにて回路付き基板、リードフレームあるいは放熱用ベース板に接合している。上記の高温はんだとしては、Ｐｂ−Ｓｎ系，Ａｕ−Ｓｎ系などのはんだが多用されている。しかし、Ｐｂ−Ｓｎ系のはんだを用いる場合、鉛成分が含まれていることに留意する必要がある。また、Ａｕ−Ｓｎ系のはんだは、高価な金を含むため汎用性が低い。
【０００３】
パワー半導体モジュール用の半導体部品の小型化、高機能化に伴い、電流密度も高くなり、製品に過負荷が加わった場合には接合部の温度が急上昇し高温にさらされやすい傾向にある。この結果、接合部に生じる応力が大きくなる。この大きな応力を緩和し、接合部（はんだ、半導体部品、回路、および基板）に生じるクラックの進展を抑制できる接合材、接合構造の開発が望まれている。
【０００４】
これに対し、半導体部品と放熱板、または、半導体部品とリードもしくは基板等を接合する際に、応力緩和層を導入する場合がある（たとえば、特開２００４−２９８９６２号公報（特許文献１）の３頁４４行〜５頁４０行および図１等参照）。特許文献１では、はんだよりも融点が高い金属（銅、ニッケル、銀、鉄）のいずれかで三次元網状多孔質を形成した発泡金属にはんだを含浸し、発泡金属材表面を被覆している。このとき、発泡金属の気孔の平均直径は１０〜１０００μｍとされており、その気孔率は２０〜９５パーセントとされている。
【０００５】
また、特開２００３−１６３４３５号公報（特許文献２）には、柱状のはんだグリッドアレイを支持フレームで受けることにより圧縮応力や振動を緩和することが示されている。
【０００６】
また、特開２００６−３５２０８０号公報（特許文献３）によれば、パワー半導体モジュールを製造するにあたり、半導体チップとヒートシンク、回路を形成したセラミック基板を全て銀（Ａｇ）ナノペーストにて一括接合することが示されている。
【特許文献１】特開２００４−２９８９６２号公報
【特許文献２】特開２００３−１６３４３５号公報
【特許文献３】特開２００６−３５２０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のように、発泡金属をはんだで接合する接合構造にあっては、各接合部材（はんだ、半導体部品、基板、回路材）の熱膨張係数の差により生じた応力により、はんだにクラックが生じる場合がある。その結果、製品の回路が断線して、動作不良の原因になるという問題があった。さらに、発泡金属の応力緩和効果を高めるためには、空孔率を大きくする必要があるが、その場合、接合材の本来の目的である電気伝導性が損なわれるという問題があった。同時に、半導体部品から発生する熱を放熱板に伝導し難くなり、接合部と半導体部品の温度が益々上昇し、動作不良の原因となる問題もあった。さらに、発泡金属の孔径、配列を制御することは難しいため、接合端部での接合面積が小さくなる可能性もあり、この場合、熱衝撃により大きな応力が集中するため、却ってクラックが進展するという問題もあった。
【０００８】
高温動作可能な半導体部品を利用する場合、融点が高いはんだを用いる必要がある。この場合、接合温度が高温になる傾向にあり、上記のようなクラックが発生しやすくなる。
【０００９】
また、特許文献２に示されるような柱状はんだアレイは、対流リフローはんだプロセスなど公知の製造方法によって製造されるが、柱間隔を密にできないため電気伝導性、熱伝導性が十分には得られないという問題があった。
【００１０】
なお、特許文献３においても、上記のような問題を解消可能な構成は示されていない。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高電気伝導性、高熱伝導性を維持したまま高温で動作させても、熱衝撃による接合部のクラックの進展が生じにくい接合材、および該接合材を用いた半導体モジュールの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る接合材は、１つの局面では、基材と該基材上に積層される半導体部品との接合部に設けられる接合材である。この局面では、接合材は、半導体部品に対向する第１の主表面と、基材に対向する第２の主表面とを備える。そして、第１の主表面および第２の主表面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、第１の主表面から第２の主表面に向かう方向に延びる孔部が形成されている。
【００１２】
本発明に係る接合材は、他の局面では、基板および半導体部品に介装される放熱板と基板との接合部に設けられる接合材である。この局面では、接合材は、放熱板に対向する第１の主表面と、基板に対向する第２の主表面とを備える。そして、第１の主表面および第２の主表面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、第１の主表面から第２の主表面に向かう方向に延びる孔部が形成されている。
【００１３】
本発明に係る半導体モジュールの製造方法は、上述の接合材を用いた半導体モジュールの製造方法である。
【００１４】
１つの局面では、半導体モジュールの製造方法において、基材と該基材上に積層される半導体部品との接合部に設けられる接合材を用いる。この場合、半導体モジュールの製造方法は、接合材および導電性接着剤を基材と半導体部品との間に介装するステップと、接合材を介装した基材および半導体部品を加熱するステップとを備える場合と、基材上または半導体部品上に接合材を形成するステップと、接合材が介装されるように基材上に半導体部品を載置するステップと、接合材を介装した基材および半導体部品を加熱するステップとを備える場合とがある。
【００１５】
他の局面では、半導体モジュールの製造方法は、基板および半導体部品に介装される放熱板と基板との接合部に設けられる接合材を用いる。この場合、半導体モジュールの製造方法は、接合材および導電性接着剤を基板と放熱板との間に介装するステップと、接合材を介装した基板および放熱板を加熱するステップとを備える場合と、基板上または放熱部材上に接合材を形成するステップと、接合材が介装されるように基板上に放熱板を載置するステップと、接合材を介装した基板および放熱板を加熱するステップとを備える場合とがある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高温で動作させても、高電気伝導性、高熱伝導性を維持したまま熱衝撃から生じる応力集中による接合部クラック進展が生じ難く信頼性の高い接合材、および該接合材を用いた半導体モジュールの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
【００１８】
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
【００１９】
図１は、後述する実施の形態１〜５に係る接合構造を模式的に示すモデル図である。図１を参照して、実施の形態１〜５に係る接合構造は、基材１００と、基材１００上に積層される半導体部品２００との接合構造である。基材１００と半導体部品２００との間には、接合材３００および導電性接着剤４００が介装されている。導電性接着剤４００は、金属微粒子を含み、接合材３００と基材１００および半導体部品２００とを接着する。
【００２０】
接合材３００は、パワーモジュールの各接合部の接合界面に設けられ、二次元網目構造（レティキュレーション）を形成する。この網目構造の形成には、金属微粒子を含む導電性接着剤が用いられる。金属微粒子を含む導電性接着剤は、金属ナノペーストとして知られており、有機保護膜にて被覆された粒径１ｎｍ〜５０ｎｍの微細な金属粒子を含み、その表面が活性なため本来の金属融点よりも低温で焼結して金属結合が得られ、焼結後は金属融点まで耐熱性が向上する。
【００２１】
次に、上記の接合構造の作製方法について説明する。接合材３００の両接合面にディッピングなどにより金属微粒子を含む導電性接着剤４００の層を形成する。そして、導電性接着剤を介して被接合物の接合面どうしを積層する。また、後述の実施の形態３で説明するように、被接合材（半導体部品、リードフレーム、放熱板、基板表面の銅箔など）にスクリーン印刷等の手法を用いて、所定の網目構造となるように導電性接着剤を塗布することによって接合構造を形成してもよい。
【００２２】
次に、５０℃から３００℃程度の温度で１時間程度加熱保持する。このとき、接合材の緻密性を向上させ、積層部の位置ずれを防止するため、被接合物を押圧することが好ましい。また、雰囲気については、表面の酸化防止のため、減圧しかつ酸素濃度は１パーセント以下に抑制するのが好ましいが、大気中でも製造可能である。所定の加熱が終了すると、冷却時に接合材と被接合材間で金属結合が生じ、これにより、強固な結合が得られる。この接合部は、上記金属の融点まで溶融しないため、同様の工程を繰り返しても、あるいは、別のはんだ接合工程を経ても、当該接合部は影響を受けない。さらに、この接合構造を用いて作製したパワーモジュールに繰り返し熱衝撃が加わることによる応力を軽減できるので、接合部のクラック進展を抑制し、製品の長寿命化ができる。
【００２３】
（実施の形態１）
図２は、実施の形態１に係る半導体モジュールの断面図である。図２を参照して、半導体チップ１と、半導体チップ１の裏面に形成されたメタライズ層２と、導電性接着剤３および接合材４と、メタライズ層５Ａ，５Ｂおよび放熱板６と、メタライズ層７および配線層８と、基板９とを含む。
【００２４】
ＳｉＣ半導体チップである半導体チップ１およびメタライズ層２は、導電性接着剤３および接合材４を介して、メタライズ層５Ａ，５Ｂ（ニッケル膜）が形成された放熱板６（銅板）と接合されている。なお、メタライズ層５Ａ，５Ｂは、放熱板６の両面にそれぞれ形成されている。さらに、メタライズ層５Ａ，５Ｂが形成された放熱板６は、導電性接着剤３および接合材４を介して、メタライズ層７（ニッケル膜）および配線層８（Ｃｕ配線層）が形成された基板９（アルミナ基板）と接合されている。なお、メタライズ層７は、配線層８上に形成されている。配線層８は、基板９上に形成されている。
【００２５】
導電性接着剤３は、銀（Ａｇ）ナノ粒子を含むペースト状の導電性接着剤である。接合材４は、銀箔（Ａｇ箔）に銀（Ａｇ）ナノ粒子を含む導電性接着剤をインクジェットにより印刷して作製したハニカム構造の接合材である。上記の銀箔としては、ハンドリングが比較的容易な５０μｍの厚さのものを用いた。なお、銀箔の厚さは、１０μｍ以上５００μｍ以下程度であることが好ましい。接合材４全体の厚さは、５０μｍ以上２０００μｍ以下程度であることが好ましい。
【００２６】
次に、図２に示す半導体モジュールの作製工程について説明する。まず、ニッケルめっき付銅板からなる放熱板６の面積に合わせて、ハニカム構造の接合材４を切断する。そして、切断された接合材４の両面を、順に銀（Ａｇ）ナノ粒子入り導電性接着剤に浸漬する。さらに、ニッケルめっき付銅配線（配線層８）が直接形成されたアルミナ基板（基板９）を準備し、基板９上に、導電性接着剤が付着した接合材４を載置する。さらに、接合材４上に前述の放熱板６を積層する。次に、複数の半導体チップ１の面積に各々合わせて切断したハニカム構造の接合材４の両接合面を、上記と同様の手法で順次銀（Ａｇ）ナノ粒子を含む導電性接着剤に浸漬した後、放熱板６上に積層する。さらに、接合材４上に半導体チップ１を積層する。そして、熱処理工程を経て、各部品が接合される。各部品を接合した後、半導体チップ１と外部回路を接続するワイヤボンドを行なう。
【００２７】
なお、本実施の形態では、導電性接着剤３の粘度と、導電性接着剤３に浸漬された接合材４を引き上げる速さとを調整することで、図３に示すように、接合材４に形成された貫通孔を導電性接着剤３で完全に埋めることがないようにしている。なお、図３においては、図示および説明の便宜上、メタライズ層２，５Ａの図示を省略している。
【００２８】
導電性接着剤３は有機成分を含有するため、熱処理中に酸素と反応して分解ガスを発生する。そこで、接着部の緻密性を向上させるため、大気よりも減圧した後、酸素濃度を１パーセント以下に制御し、ここでは図示しない治具を用いて、各部品を固定し、且つ、加圧した状態で、１５０℃の温度で６０分程度加熱することにより接合した。ただし、この接合に適した温度および時間は、導電性接着剤の種類により異なる。
【００２９】
本実施の形態では、各部品とハニカム構造の接合材４とは、金属結合により強固に接合されている。本願発明者らは、本実施の形態に係る接合構造を含むパワー半導体モジュールについて、−５０℃から２００℃の冷熱サイクル試験（１０００サイクル）を行ない、断線箇所や損傷がないことを確認している。さらに、本願発明者らは、下記の比較例１および比較例２に係る接合構造を含む半導体モジュールについても冷熱サイクル試験を行なうことで、本実施の形態に係る接合構造の優位性を確認している。
【００３０】
比較例１
Ｓｉ半導体部品と金めっき付の銅（Ｃｕ）製リードフレームを接合するにあたり、リードフレームに銀（Ａｇ）微粒子を含む導電性接着剤をスクリーン印刷により塗布する。１５０℃程度の温度で９０分程度の熱処理を行なった後、−５０℃から２００℃の冷熱サイクル試験（３００サイクル）を行なうと、Ｓｉ半導体部品にクラックが生じた。
【００３１】
比較例２
ＳｉＣ半導体部品と放熱板を接合するにあたり、平均孔径５０μｍ、気孔率２０パーセントのニッケル（Ｎｉ）からなる発泡金属を、融点が２２０℃程度のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだにより接合する。−５０℃から２００℃の冷熱サイクル試験（３００サイクル）を行なうと、はんだ接合部にクラックが生じた。
【００３２】
このように、本実施の形態によれば、比較例１，２に対して、信頼性の高いパワーモジュールが得られる。
【００３３】
図４は、本実施の形態における接合材４を接合面側から見た状態を示す模式図である。本実施の形態では、接合材４における二次元網目構造の形状を図４（ａ）に示すような六角形状のハニカムとしたが、これに代えて、図４（ｂ）に示すようなコルゲート形、図４（ｃ）のようなフレックス形のものを用いてもよい。さらに、上記に代えて、図示はしないが、シェープグリッド形、トラスグリッド形、スパイラルグリッド形、チューブコア形、ゼータコア形、ノアコア形、またはパラビーム形のものを用いてもよい。
【００３４】
二次元網目構造は、上記の例で挙げたもののように、互いに斜めに交差する部分を有しているか、曲線部分を有していることが好ましい。このようにすることで、応力緩和度の高い網目構造を得ることができる。
【００３５】
本実施の形態では、接合材４および導電性接着剤３の主成分として、銀（Ａｇ）を用いているが、これに代えて、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）を主成分するものを用いてもよい。これらの素材を主成分とすることで、電気伝導性および熱伝導性に優れた接合構造を得ることができる。なお、導電性接着剤３に含まれる金属微粒子のサイズは、接着後に金属結合で結合された状態が得られる限り、特に限定されるものではない。
【００３６】
また、半導体チップ１は、ＳｉＣ半導体を用いたパワーモジュールに限定されず、Ｓｉ半導体などを用いたパワーモジュールであってもよい。
【００３７】
本実施の形態によれば、半導体部品１と接合材４が接する接合界面には規則的な未接合部があるため、半導体部品１と接合材４の熱膨張係数の相違による応力を分散することができ、接合材４及び被接合材のクラック進展を抑制することができる。さらに、接合材４には規則的な貫通孔があるので上記熱膨張係数の相違による応力が生じても機械的強度が高く、半導体チップ１等の被接合材のクラック進展を抑制して高信頼な接合構造を得ることができる。しかも、空孔率が小さくても上記の効果が得られるので、電気伝導性、熱伝導性が高い接合材４を得ることができる。また、接合材４を構成する素材として、金属微粒子入りの導電性接着剤を用いているため、接合界面において接合材４の固相線温度よりも低温で金属結合の接合を得ることができる。さらに、被接合部材に介装される接合材４および導電性接着剤３が、金属結合の単一層となるため、金属の融点まで耐熱性が向上する。パワー半導体モジュールにこのような接合構造を用いると、信頼性の高いモジュールを得ることができる。
【００３８】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る接合材４は、「基材」としての放熱板６と放熱板６上に積層される「半導体部品」としての半導体チップ１との接合部に設けられる接合材であって、半導体チップ１に対向する第１の主表面（図２中の上面）と、放熱板６に対向する第２の主表面（図２中の下面）とを備える。そして、上面および下面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、上面から下面に向かう方向（図２中の上下方向）に延びる孔部が形成されている。
【００３９】
なお、接合材４は、放熱板６と基板９との接合部にも設けられている。ここでは、接合材は、放熱板６に対向する第１の主表面（図２中の上面）と、基板９に対向する第２の主表面（図２中の下面）とを備える。そして、上面および下面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、上面からから下面に向かう方向（図２中の上下方向）に延びる孔部が形成されている。
【００４０】
本実施の形態に係る半導体モジュールは、上記の接合構造を含むものであって、その製造方法は、図５に示すように、接合材４を導電性接着剤３に浸漬するステップ（Ｓ１１）と、導電性接着剤３が付着した接合材４を放熱板６と半導体チップ１との間、および、基板９と放熱板６との間に介装するステップ（Ｓ１２）と、接合材４を介装した放熱板６、半導体チップ１、および基板９を加熱するステップ（Ｓ１３）とを備える。
【００４１】
なお、上記の接合構造は、アルミナなどの絶縁基板を用いないで、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、鉄−ニッケル合金であるインバー（Ｉｎｖｅｒ）なとの単体またはクラッド材からなるリードフレームに半導体部品を接合するようなモジュール構造にも適用できる。また、上記の接合構造は、放熱板６のないモジュール構造にも適用できる。この場合は、基板９が「基材」を構成する。
【００４２】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る半導体モジュールは、実施の形態１に係る半導体モジュールの変形例であり、その製造方法に特徴を有する。すなわち、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、図６に示すように、被接合部材上に導電性接着剤３をスクリーン印刷等により塗布するステップ（Ｓ２１）と、導電性接着剤３が塗布された被接合部材の間に接合材４を介装するステップ（Ｓ２２）と、接合材４を介装した被接合部材を加熱するステップ（Ｓ２３）とを備える。
【００４３】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、高い導電性と熱伝導性を保ちながら信頼性も高いパワー半導体モジュールが得られる。
【００４４】
（実施の形態３）
図７は、実施の形態３に係る半導体モジュールの製造方法を説明する図である。図７（ａ）を参照して、まず、金（Ａｕ）からなるめっき層１１Ａ，１１Ｂが形成されたリードフレーム１２上に、ネガジスストを２μｍ程度の厚みで塗布し、ハニカム構造の貫通孔に相当するレジストパターン１０を形成する。次に、図７（ｂ）に示すように、スクリーン印刷により、銀（Ａｇ）微粒子を含む導電性接着剤３を塗布する。さらに、実施の形態１と同様の熱処理を行なった後、レジストパターン１０を除去すると、図７（ｃ）に示すように、導電性接着剤３からなるハニカム接合材が形成された。この接合材の表面に銀（Ａｇ）微粒子を含む導電性接着剤を塗布し、図７（ｄ）に示すように、半導体チップ１を搭載した後、再度実施の形態１と同様の熱処理を行なう。最後に、半導体チップ１と外部回路を接続するリードを半導体チップ１の表面に形成して、パワーモジュールを作製する。
【００４５】
本実施の形態に係る半導体モジュールにおいても、冷熱サイクル試験後に接合部の損傷はなく、信頼性の高いパワーモジュールを形成できる。また、このモジュールは、電気伝導性、熱伝導性にも優れている。
【００４６】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法は、図８に示すように、「基材」としてのリードフレーム１２上に導電性接着剤３からなるハニカム接合材を形成するステップ（Ｓ３１）と、ハニカム接合材が介装されるようにリードフレーム１２上に半導体チップ１を積層するステップ（Ｓ３２）と、ハニカム接合材を介装したリードフレーム１２および半導体チップ１を加熱するステップ（Ｓ３３）とを備える。
【００４７】
なお、本実施の形態に係るプロセスを、たとえば、実施の形態１における半導体部品１と放熱板６との接合部、および放熱板６と基板９との接合部に適用することも、勿論可能である。
【００４８】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る半導体モジュールは、実施の形態３に係る半導体モジュールの変形例である。すなわち、本実施の形態に係る半導体モジュールでは、導電性接着剤３からなるハニカム接合材を形成する際、二次元網目構造を形成する孔部の径を、半導体チップ１の周縁部分に対向する位置では相対的に小さく、半導体チップ１の中央部分に対向する位置では相対的に大きく形成している。なお、本実施の形態に係る半導体モジュールは、インクジェットによりハニカム構造を形成する際に、印刷間隔を変えることで作製される。
【００４９】
上記のようなハニカム構造を形成することで、より大きな応力が生じやすい半導体チップ１の中心部分に対向する位置では応力緩和の効果を高めるとともに、半導体チップの周縁部分に対向する位置では、高い導電性と熱伝導性を確保することができる。結果として、本実施の形態によれば、信頼性、導電性、熱伝導性をさらに向上させたパワーモジュールを提供することができる。
【００５０】
（実施の形態５）
実施の形態５に係る半導体モジュールは、実施の形態３に係る半導体モジュールの変形例である。すなわち、本実施の形態に係る半導体モジュールでは、実施の形態３と同様にリードフレーム１２上にハニカム構造を形成した後、ニッケル無電解めっきによりハニカム構造の接合部にニッケル膜を形成した。その後、錫（Ｓｎ）を主成分とし、融点が２２０℃よりも高いはんだペーストを、接合材の上部、すなわち半導体チップ１と接合する面に塗布して、２５０℃程度の温度で６０秒程度の熱処理を行なう。その後、実施の形態３と同様に、半導体チップ１と外部回路を接続するリードを半導体チップ１の表面に形成して、パワーモジュールを作製する。
【００５１】
上記のように、ハニカム構造の接合部にニッケル膜を形成することで、はんだとの濡れ性を向上させることができる。この結果、高温保持試験後もエレクトロマイグレーションが抑制された、高信頼なパワーモジュールが得られる。
【００５２】
なお、ハニカム接合材の主成分が銀または銅である場合は、上記のように、接合材の表面にニッケルまたは金を被覆することにより、はんだの濡れ性を向上させることができる。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、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。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１〜５に係る接合構造を模式的に示すモデル図である。
【図２】本発明の実施の形態１，２に係る半導体モジュールの断面図である。
【図３】図２に示される半導体モジュールにおける半導体チップと放熱板との接合構造を詳細に示す図である。
【図４】図３に示される接合構造に適用されるハニカムコアの例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの製造方法を示すフロー図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの製造方法を示すフロー図である。
【図７】本発明の実施の形態３〜５に係る半導体モジュールの製造方法を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態３〜５に係る半導体モジュールの製造方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 半導体チップ、２，５Ａ，５Ｂ，７ メタライズ層、３ 導電性接着剤、４ 接合材、６ 放熱板、８ 配線層、９ 基板、１０ レジストパターン、１１Ａ，１１Ｂ めっき層、１２ リードフレーム、１００ 基板、２００ 半導体部品、３００ 接合材、４００ 導電性接着剤。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と該基材上に積層される半導体部品との接合部に設けられる接合材であって、
前記半導体部品に対向する第１の主表面と、
前記基材に対向する第２の主表面とを備え、
前記第１の主表面および前記第２の主表面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、前記第１の主表面から前記第２の主表面に向かう方向に延びる孔部が形成された、接合材。
【請求項２】
基板および半導体部品に介装される放熱板と前記基板との接合部に設けられる接合材であって、
前記放熱板に対向する第１の主表面と、
前記基板に対向する第２の主表面とを備え、
前記第１の主表面および前記第２の主表面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、前記第１の主表面から前記第２の主表面に向かう方向に延びる孔部が形成された、接合材。
【請求項３】
前記二次元網目構造は、互いに斜めに交差する方向に延びる第１部分と第２部分とを有する、請求項１または請求項２に記載の接合材。
【請求項４】
前記二次元網目構造は、曲線部分を含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の接合材。
【請求項５】
前記二次元網目構造は、六角形、フレックス形、コルゲート形、シェープグリッド形、トラスグリッド形、スパイラルグリッド形、チューブコア形、ゼータコア形、ノアコア形、およびパラビーム形のうちのいずれか一種の形状を有する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の接合材。
【請求項６】
前記接合材は、銀、銅、金、錫、白金、アルミニウムからなる群のうち少なくとも一種の材料を主成分とする、請求項１から請求項５のいずれかに記載の接合材。
【請求項７】
請求項１に記載の接合材を用いた半導体モジュールの製造方法であって、
前記接合材および導電性接着剤を前記基材と前記半導体部品との間に介装するステップと、
前記接合材を介装した前記基材および前記半導体部品を加熱するステップとを備えた、半導体モジュールの製造方法。
【請求項８】
請求項１に記載の接合材を用いた半導体モジュールの製造方法であって、
前記基材上または前記半導体部品上に前記接合材を形成するステップと、
前記接合材が介装されるように前記基材上に前記半導体部品を載置するステップと、
前記接合材を介装した前記基材および前記半導体部品を加熱するステップとを備えた、半導体モジュールの製造方法。
【請求項９】
請求項２に記載の接合材を用いた半導体モジュールの製造方法であって、
前記接合材および導電性接着剤を前記基板と前記放熱板との間に介装するステップと、
前記接合材を介装した前記基板および前記放熱板を加熱するステップとを備えた、半導体モジュールの製造方法。
【請求項１０】
請求項２に記載の接合材を用いた半導体モジュールの製造方法であって、
前記基板上または前記半導体部品上に前記接合材を形成するステップと、
前記接合材が介装されるように前記基板上に前記放熱板を載置するステップと、
前記接合材を介装した前記基板および前記放熱板を加熱するステップとを備えた、半導体モジュールの製造方法。
【請求項１】
基材と該基材上に積層される半導体部品との接合部に設けられる接合材であって、
前記半導体部品に対向する第１の主表面と、
前記基材に対向する第２の主表面とを備え、
前記第１の主表面および前記第２の主表面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、前記第１の主表面から前記第２の主表面に向かう方向に延びる孔部が形成された、接合材。
【請求項２】
基板および半導体部品に介装される放熱板と前記基板との接合部に設けられる接合材であって、
前記放熱板に対向する第１の主表面と、
前記基板に対向する第２の主表面とを備え、
前記第１の主表面および前記第２の主表面が延びる方向に沿って二次元網目構造が形成されるように、前記第１の主表面から前記第２の主表面に向かう方向に延びる孔部が形成された、接合材。
【請求項３】
前記二次元網目構造は、互いに斜めに交差する方向に延びる第１部分と第２部分とを有する、請求項１または請求項２に記載の接合材。
【請求項４】
前記二次元網目構造は、曲線部分を含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の接合材。
【請求項５】
前記二次元網目構造は、六角形、フレックス形、コルゲート形、シェープグリッド形、トラスグリッド形、スパイラルグリッド形、チューブコア形、ゼータコア形、ノアコア形、およびパラビーム形のうちのいずれか一種の形状を有する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の接合材。
【請求項６】
前記接合材は、銀、銅、金、錫、白金、アルミニウムからなる群のうち少なくとも一種の材料を主成分とする、請求項１から請求項５のいずれかに記載の接合材。
【請求項７】
請求項１に記載の接合材を用いた半導体モジュールの製造方法であって、
前記接合材および導電性接着剤を前記基材と前記半導体部品との間に介装するステップと、
前記接合材を介装した前記基材および前記半導体部品を加熱するステップとを備えた、半導体モジュールの製造方法。
【請求項８】
請求項１に記載の接合材を用いた半導体モジュールの製造方法であって、
前記基材上または前記半導体部品上に前記接合材を形成するステップと、
前記接合材が介装されるように前記基材上に前記半導体部品を載置するステップと、
前記接合材を介装した前記基材および前記半導体部品を加熱するステップとを備えた、半導体モジュールの製造方法。
【請求項９】
請求項２に記載の接合材を用いた半導体モジュールの製造方法であって、
前記接合材および導電性接着剤を前記基板と前記放熱板との間に介装するステップと、
前記接合材を介装した前記基板および前記放熱板を加熱するステップとを備えた、半導体モジュールの製造方法。
【請求項１０】
請求項２に記載の接合材を用いた半導体モジュールの製造方法であって、
前記基板上または前記半導体部品上に前記接合材を形成するステップと、
前記接合材が介装されるように前記基板上に前記放熱板を載置するステップと、
前記接合材を介装した前記基板および前記放熱板を加熱するステップとを備えた、半導体モジュールの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２３１７１６（Ｐ２００９−２３１７１６Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７７９０７（Ｐ２００８−７７９０７）
【出願日】平成２０年３月２５日（２００８．３．２５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２５日（２００８．３．２５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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