JP2016100424A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子と基板との焼結性金属接合材料を用いた接合において、剥離を防ぎ、信頼性の高いパワーモジュールを提供することを目的とする。【解決手段】焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料４よりも粒子径が小さい焼結性金属接合材料６とで接合層７が構成され、半導体素子５裏面の周縁部の領域においては導体層２と半導体素子５裏面との接合に、金属微粒子径の小さい焼結性金属接合材料６を用い、接合強度を向上させる。【選択図】図３

Description

この発明は、金属微粒子を含む接合材料を用いて半導体素子を実装するパワーモジュールに関する。

パワーモジュールなどの電力用半導体装置には、スイッチング素子や整流素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やダイオードなどの半導体素子が搭載されている。これらの縦型半導体素子は、裏面全域にメタライズを施した裏面電極と、それに対向する面（表面）の一部分にメタライズを施した表面電極とが設けられている。そして、大電流を流すための配線構造として、裏面電極は基板電極に接続するとともに、表面の電極は配線金属板を介して外部端子と接続する。

一方、電力損失低減の観点から、近年、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウムのようなワイドバンドギャップ半導体材料を用いた半導体素子が開発されている。半導体素子が、こうしたワイドギャップ半導体の場合、素子自身の耐熱性が高く、大電流による高温動作が可能であるが、その特性を発揮するためには、上述した配線構造を形成するために、高耐熱性能の接合材料が必要とされる。しかし、鉛フリーでかつ高耐熱性能を有するはんだ材は現状見出されていない。そこで、はんだに代わり、金属微粒子の焼結現象を利用した焼結性金属接合材料を用いたパワーモジュールが検討されている（例えば、特許文献１または２参照）。焼結性金属接合材料は金属微粒子、有機溶剤成分および金属微粒子を覆う保護膜から構成されるペースト状の接合材である。焼結性金属接合材料は金属微粒子がその金属の融点よりも低い温度で焼結する現象を利用して、被接合部材との金属結合を達成するものである。接合後の状態は金属微粒子間が拡散接合され、また素子のメタライズ及び素子を搭載する基板の表面との間も拡散接合がなされ、接合後の融点は金属としての本来の融点にまで高まるものである。そのため、接合時の温度よりも高い耐熱性能を有することができる。また、焼結製金属材料として一般的によく知られている金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）ははんだに比べて熱伝導率が大きく、さらに接合層を薄くすることができるため高い放熱性能も有する。パワーモジュールは、高電圧・大電流での利用に好適であり、産業機器から家電や情報端末まであらゆる製品に普及しつつある。近年、家電に搭載されるモジュールについては、小型軽量化とともに多品種に対応できる高い生産性と高い信頼性が求められる。また、動作温度が高く、効率に優れている点で、今後の主流となる可能性の高いＳｉＣ半導体に適用できるパッケージ形態であることも同時に求められている。

特開２００８−２１２９７６号公報（段落００２４〜００４２） 特開２００７−４４７５４号公報（段落００１４、図２）

このように、焼結現象を利用した焼結性金属接合材料は、高耐熱性能が要求されるパワーモジュールに好適な性質を有するものである。焼結反応は焼結性金属接合材料の金属微粒子は粒径が小さいほど進行しやすいため、金属粒子径を小さくすることで焼結性金属接合材料と被接合材の接合強度が大きくなり信頼性を向上させることができる。しかし、金属粒子の粒径が小さくなるにつれて保護膜の割合が増えていくため接合時、揮発した保護膜による基板汚染が問題となる。また、大面積の半導体素子での接合においては揮発する保護膜の量が多いため、抜けきらなかった保護膜が接合を阻害する恐れもある。

一方で金属粒子径を大きくした場合、粒子同士の隙間が大きくなるため上記汚染の影響は小さくなるものの焼結反応は進みにくくなり、良好な接合部を得るために必要な加圧力の増加、接合時間の増加が発生する。さらには半導体素子よりも外周に配置された未加圧部の加圧不足による導体層からの剥離が発生し、導電性異物の発生を引き起こす。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、半導体素子と基板との間の焼結性金属接合材料接合を用いた接合において、剥離を防ぎ、信頼性の高いパワーモジュールを提供することを目的とする。

この発明のパワーモジュールは、表面に導体層が設けられた絶縁基板と、裏面に電極が設けられた半導体素子と、焼結性金属接合材料を用いて絶縁基板の導体層と半導体素子の電極とを接合した接合層とを備えたパワーモジュールであって、接合層は、半導体素子の周縁部側から外側に半導体素子の中央部側より粒子径の小さい焼結性金属接合材料を用いたことを特徴とするものである。

また、この発明のパワーモジュールは、表面に導体層が設けられた絶縁基板と、裏面に電極が設けられた半導体素子と、焼結性金属接合材料を用いて絶縁基板の導体層と半導体素子の電極とを接合した接合層とを備えたパワーモジュールであって、接合層は、少なくとも半導体素子側または絶縁基板側のいずれか一方に他方より粒子径の小さい焼結性金属接合材料を用いたことを特徴とするものである。

この発明によれば、異なる粒子径の焼結性金属接合材料を用いて絶縁基板の導体層と半導体素子の電極とを接合することにより、必要に応じて接触面積を増やすことで、接合強度を向上させ、剥離を防ぐことができる。

この発明の実施の形態１によるパワーモジュールの構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態１によるパワーモジュールの製造工程を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態１によるパワーモジュールの製造工程における拡大断面図である。 この発明の実施の形態２によるパワーモジュールの構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態２によるパワーモジュールの製造工程を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態２によるパワーモジュールの製造工程における拡大断面図である。 この発明の実施の形態３によるパワーモジュールの構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態３によるパワーモジュールの製造工程における拡大断面図である。 この発明の実施の形態３によるパワーモジュールの他の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態３によるパワーモジュールの他の製造工程を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態３によるパワーモジュールの他の製造工程における拡大断面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるパワーモジュール１００の要部を示す模式図である。図１（ａ）は、上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線での矢視断面図である。
図１に示すように、パワーモジュール１００は、セラミック絶縁基板１と、セラミック絶縁基板１の両面に設けられた導体層２と、セラミック絶縁基板１の表面側の導体層２上に配置される半導体素子５と、セラミック絶縁基板１の表面側の導体層２と半導体素子５の裏面電極５ａとを接合する接合層７とから構成される。

セラミック絶縁基板１は、例えばＡｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮなどの絶縁性のセラミックで形成され、セラミック絶縁基板１の両面には導体層２が積層固着されている。
導体層２は、ＣｕやＡｌなどの金属が用いられ、金属層単独の場合もあり得るし、Ａｕなどの貴金属材料で被覆することもある。

半導体素子５は、材質が珪素（Ｓｉ）やワイドバンドギャップ半導体材料としての炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどのものが用いられ、大きさは例えば一辺５ｍｍ〜２０ｍｍ程度の長方形のものが用いられる。半導体素子５ではパワーモジュールで扱う電力の数％が損失となり、半導体素子５自身が発熱し、パワーモジュールの負荷の変動や動作非動作に応じて温度が変化する。半導体素子５は、損失による熱を冷却器へと受け渡す必要があるため、半導体素子５の裏面の全面が導体層２上に面接合される。そして、導体層２と半導体素子５の線膨張係数は、例えば、Ｃｕの導体層２であれば１８ｐｐｍ／Ｋの線膨張係数であるのに対して、材質がＳｉの半導体素子５では３ｐｐｍ／Ｋと数倍以上の差があるため、接合層７には大きな熱応力が生じる。このため、この接合層７は極めて大きな熱応力に高温でさらされる。特に、熱応力は半導体素子５のコーナー部で最大となる。そこで、半導体素子５と導体層２とを接合する接合層７には、高耐熱性能の接合材料が必要とされ、金属微粒子の焼結現象を利用した焼結性金属接合材料が用いられる。

接合層７は、Ａｕや、Ａｇ、Ｃｕなどの骨材たる金属属微粒子が有機成分中に分散されてペースト状になった焼結性金属接合材料を用いて形成される。焼結性金属接合材料は、ナノメーターレベルの金属微粒子が非常に大きな表面積を有し、表面エネルギーを多く備えることから反応性が高くなっており、その金属がバルクで示す融点よりも低い温度で金属接合が拡散により進むという現象を利用したものである。ただし、金属微粒子は、その反応性の高さから、常温でも接触するだけで焼結すなわち拡散接合が進行する。そのため、焼結性金属接合材料では、金属微粒子が凝集して焼結反応が進行するのを抑制するため、金属微粒子の表面は保護膜で覆われている。保護膜は、金属微粒子間を独立した状態で分散保持するための有機分散材によって形成されている。さらに、接合工程において焼結反応を生じさせるため、加熱により有機分散材と反応して金属微粒子を裸にする分散材捕捉材と、有機分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉して揮散する揮発性有機成分等が添加されている。

図１（ｂ）に示すように、この実施の形態１におけるパワーモジュール１００では、半導体素子５は、セラミック絶縁基板１の導体層２と接合層７により接合されているが、半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置での導体層２および裏面電極５ａの接合面を除く導体層２および裏面電極５ａの全接合面が第１の焼結性金属接合材料である焼結性金属接合材料４を用いた接合層７により接合されており、半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置での導体層２および裏面電極５ａの接合面は焼結性金属接合材料４よりも粒子径が小さい第２の焼結性金属接合材料である焼結性金属接合材料６を用いた接合層７により接合されている。焼結性金属接合材料の粒子径は、焼結性金属接合材料４の粒子径がサブミクロン以上で、焼結性金属接合材料６の粒子径が１００ｎｍ未満であることが好ましい。ただし、パワーモジュールの構造および焼成条件によって適切な粒径範囲は異なり、この発明の作用を発揮できるものであれば、上述の粒子径の範囲でなくともよいことは言うまでもないことである。

この実施の形態１においては、半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置での導体層２および裏面電極５ａの接合面と接合する接合層７に、焼結性金属接合材料６を使用し、金属微粒子径を小さくすることで、最も熱応力の大きい箇所の接合層と被接合面の接触面積を増やすことができるため、接合強度を向上させることができる。また、半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置での導体層２および裏面電極５ａの接合面を除く全接合面と接合する接合層７に、焼結性金属接合材料４を使用し、金属微粒子径を大きくすることで、焼結性金属接合材料６のみの場合に比べて、金属粒子の周りの保護膜の総量が少なく、揮発した保護膜による基板汚染や抜けきらなかった保護膜による接合阻害を防ぐことができる。さらに、半導体素子５裏面より外側で、加圧が困難な位置にある導体層２の接合面と接合する接合層７の端部においても、焼結性金属接合材料６を使用し、金属微粒子径を小さくすることで、導体層２との接触面積を増やすことができるため、剥離を防ぐことができる。

次に、この発明の実施の形態１によるパワーモジュール１００の製造方法について、図２に基づき説明する。図２は、この発明の実施の形態１によるパワーモジュール１００の製造工程を示すフローチャート図である。

まず最初に、セラミック絶縁基板１の表面側の導体層２上に、焼結性金属接合材料４を印刷により塗布する。（ステップＳ３１）。半導体素子５の裏面の形状が、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形である場合には、半導体素子５裏面直下の周縁部以外に対応する位置、例えば半導体素子５裏面の４辺の各端部から２ｍｍ幅の部分を除く、８ｍｍ×８ｍｍの正方形状に、３０〜２００μｍ厚で焼結性金属接合材料４を塗布する。

次いで、セラミック絶縁基板１の表面側の導体層２上に、焼結性金属接合材料４よりも粒子径が小さい焼結性金属接合材料６を印刷により塗布する。（ステップＳ３２）。正方形に印刷されている焼結性金属接合材料４の外周で半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置、例えば、外形１１ｍｍ×１１ｍｍ、内形８ｍｍ×８ｍｍの額縁形状に、３０〜２００μｍ厚で、焼結性金属接合材料６を塗布する。

続いて、導体層２に塗布された焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料６を乾燥（ステップＳ３３）する。最後に、額縁形状に塗布された焼結性金属接合材料６上に、半導体素子５裏面の裏面電極５ａの４辺が位置するように半導体素子５を載せ、半導体素子５を押下して焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料６を加圧しながら加熱（ステップＳ３４）することで、焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料６は、導体層２および裏面電極５ａの接合面および金属微粒子同士と焼結接合し、接合層７が形成される。

図３は、図１（ｂ）の領域Ｂ、つまり半導体素子５裏面の周縁部の拡大断面図である。図３（ａ）は、焼結性金属接合材料を乾燥（ステップＳ３３）した後に半導体素子５を載せた、焼結する前の状態を示し、図３（ｂ）は、焼結性金属接合材料を加圧しながら加熱（ステップＳ３４）し、焼結した後の状態を示す。焼結前においては、図３（ａ）に示すように、半導体素子５裏面直下の焼結性金属接合材料４では金属微粒子径が大きく、金属微粒子間に空隙が大きく存在する。この空隙が金属微粒子を覆う保護膜の有機成分の抜け道となり、揮発した保護膜による基板汚染や抜けきらなかった保護膜による接合阻害を防ぐことができる。焼結後は、図３（ｂ）に示すように、半導体素子５裏面直下では加圧によって空隙は減少し、金属粒子間の焼結接合が強固となる。半導体素子５裏面直下の周縁部においては、加圧によって空隙が減少するとともに、粒子径が小さい焼結性金属接合材料６により、最も熱応力の大きい箇所の接合層と導体層２および裏面電極５ａの接合面との接触面積を増やすことで、接合強度を向上させることができる。さらに、接合層７の端部は、半導体素子５裏面より外側で、加圧できない領域にあるが、金属微粒子径の小さい焼結性金属接合材料６を用いることで、被接合面である導体層２との接触面積が増え、剥離を防ぐことができる。

接合層７の形成により、セラミック絶縁基板１上への半導体素子５の接合が完了する。焼結接合では、接合温度、加圧、接合時間が接合力を決定する主なパラメータとなる。Ａｕ、ＡｇおよびＣｕの金属微粒子からなる焼結性金属接合材料の焼結接合においては、焼成条件は、温度：２５０〜３５０℃、加圧：０.１〜３０ＭＰａ、接合時間：１〜６０ｍｉｎであることが好ましい。

以上のように、この発明の実施の形態１におけるパワーモジュール１００では、セラミック絶縁基板１の表面側の導体層２と半導体素子５とを接合する接合層７は、接合条件としての接合面の位置に基づいて焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料４よりも粒子径が小さい焼結性金属接合材料６と粒径の異なる焼結性金属接合材料を用い、半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置での導体層２および裏面電極５ａの接合面との接合に、金属微粒子径の小さい焼結性金属接合材料６を用いたことにより、最も熱応力の大きい箇所の接合層と導体層２および裏面電極５ａの接合面の接触面積を増やすことで、接合強度を向上させることができる。
また、半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置での導体層２および裏面電極５ａの接合面を除く導体層２および裏面電極５ａの全接合面との接合に、金属微粒子径の大きい焼結性金属接合材料４を用いたことにより、金属微粒子径の小さい焼結性金属接合材料のみの場合に比べて、金属粒子の周りの保護膜の総量が少ないだけでなく、焼結前には金属微粒子間に有機成分の抜け道となる空隙を確保でき、揮発した保護膜による基板汚染や抜けきらなかった保護膜による接合阻害を防ぐことができる。
さらに、半導体素子５裏面より外側で、加圧が困難な領域の接合層７の端部おいても、金属微粒子径の小さい焼結性金属接合材料６を用いたことにより、導体層との接触面積を増やすことができ、剥離を防ぐことができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置での接合層７は、半導体素子５裏面とセラミック絶縁基板１の表面側の導体層２との両方に金属微粒子径の小さい焼結性金属接合材料６が接合する構成としたが、実施の形態２では、半導体素子５の裏面電極の全接合面に金属微粒子径の大きい焼結性金属接合材料４が接合する場合について示す。

図４は、この発明の実施の形態２によるパワーモジュール２００の要部を示す模式図である。図４（ａ）は、上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ’線での矢視断面図である。
図４（ｂ）に示すように、この実施の形態２におけるパワーモジュール２００では、接合層７は、半導体素子５裏面には、裏面電極５ａの全接合面に粒子径が大きい焼結性金属接合材料６で接合し、セラミック絶縁基板１の表面側の導体層２には、半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置の接合面とは粒子径が小さい焼結性金属接合材料４で、半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置以外の接合面とは粒子径が大きい焼結性金属接合材料６で接合している。
パワーモジュール２００のその他の構成については、実施の形態１のパワーモジュール１００と同様であり、その説明を省略する。

次に、この発明の実施の形態２によるパワーモジュール２００の製造方法について、図５に基づき説明する。図５は、この発明の実施の形態２によるパワーモジュール２００の製造工程を示すフローチャート図である。

まず最初に、セラミック絶縁基板１の表面側の導体層２上に、粒子径が小さい焼結性金属接合材料６を印刷により塗布する（ステップＳ５１）。半導体素子５の裏面の形状が、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形である場合には、半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置、例えば、外形１１ｍｍ×１１ｍｍ、内形８ｍｍ×８ｍｍの額縁形状に、１０〜１００μｍ厚で焼結性金属接合材料６を塗布する。焼結性金属接合材料６を塗布した後、一度乾燥しておく（ステップＳ５２）。

次いで、セラミック絶縁基板１の表面側の導体層２上に、粒子径が大きい焼結性金属接合材料４を印刷により塗布する（ステップＳ５３）。ここでは、半導体素子５裏面の裏面電極５ａの全接合面と粒子径が大きい焼結性金属接合材料４が接合するように、まず額縁形状に印刷されている焼結性金属接合材料６の内側（８ｍｍ×８ｍｍ正方形状）を埋めるために、１０〜１００μｍ厚で焼結性金属接合材料４を塗布し、さらにその上に、中心を合わせて、１０．５ｍｍ×１０．５ｍｍの正方形状に、１０〜１００μｍ厚で焼結性金属接合材料４を塗布する。焼結性金属接合材料４を塗布した後、再度乾燥（ステップＳ５４）する。

最後に、正方形状に塗布された焼結性金属接合材料４上に、半導体素子５裏面の裏面電極５ａが位置するように半導体素子５を載せ、半導体素子５を押下して焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料６を加圧しながら加熱（ステップＳ５５）することで、焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料６は、被接合面および金属微粒子同士と焼結接合し、接合層７が形成される。

図６は、図４（ｂ）の領域Ｂ、つまり半導体素子５裏面の周縁部の拡大断面図である。図６（ａ）は、焼結性金属接合材料４を塗布して乾燥（ステップＳ５４）した後に半導体素子５を載せた、焼結する前の状態を示し、図６（ｂ）は、焼結性金属接合材料を加圧しながら加熱（ステップＳ５５）し、焼結した後の状態を示す。焼結前においては、図６（ａ）に示すように、半導体素子５裏面の裏面電極５ａの全接合面に、金属微粒子径が大きい焼結性金属接合材料４が配置され、金属微粒子間に空隙が大きく存在する。実施の形態２では、この空隙を半導体素子５裏面の全面に形成することで、半導体素子５裏面の中央部から端部に至るまで、金属微粒子を覆う保護膜の有機成分の抜け道を確保でき、揮発した保護膜による基板汚染や抜けきらなかった保護膜による接合阻害を防ぐことができる。焼結後は、図６（ｂ）に示すように、半導体素子５裏面直下では加圧によって空隙は減少し、金属粒子間の焼結接合が強固となる。また、接合層７の端部は、半導体素子５裏面より外側で、加圧できない領域にあるが、金属微粒子径の小さい焼結性金属接合材料６を用いることで、導体層２の接合面との接触面積が増え、剥離を防ぐことができる。さらに、金属微粒子径の小さい焼結性金属接合材料６の使用量を抑えることで、コストを低減できる。

接合層７の形成により、セラミック絶縁基板１上への半導体素子５の接合が完了する。なお、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕの金属微粒子からなる焼結性金属接合材料の焼結接合においては、焼成条件は、実施の形態１と同様に、温度：２５０〜３５０℃、加圧：０.１〜３０ＭＰａ、接合時間：１〜６０ｍｉｎであることが好ましい。

以上のように、この発明の実施の形態２におけるパワーモジュール２００では、セラミック絶縁基板１の表面側の導体層２と半導体素子５とを接合する接合層７は、接合条件としての接合面の位置に基づいて焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料４よりも粒子径が小さい焼結性金属接合材料６と粒径の異なる焼結性金属接合材料を用い、半導体素子５裏面の裏面電極５ａの全接合面とは粒子径が大きい焼結性金属接合材料４を用いて接合し、セラミック絶縁基板１の表面側の導体層２とは、半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置の接合面とは粒子径が小さい焼結性金属接合材料６を用い、半導体素子５裏面の周縁部に対応する位置以外の接合面とは粒子径が大きい焼結性金属接合材料４を用いて接合したことにより、金属粒子の周りの保護膜の総量がさらに少なくなるとともに、半導体素子５裏面の中央部から端部に至るまで、金属微粒子を覆う保護膜の有機成分の抜け道を確保することで、揮発した保護膜による基板汚染や抜けきらなかった保護膜による接合阻害を防ぐことができる。
また、半導体素子裏面より外側で、加圧が困難な領域の接合層の端部おいては、導体層の接合面との接触面積を増やすことで、剥離を防ぐことができる。
さらに、金属微粒子径の小さい焼結性金属接合材料６の使用量を抑えたことで、コストを低減できる。

実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、接合層７を形成する金属微粒子径の異なる焼結性金属接合材料４と焼結性金属接合材料６を、半導体素子５の周縁部と周縁部以外の位置に基づいて配置したが、実施の形態３では、セラミック絶縁基板上の導体層、半導体素子の裏面電極、および接合層、それぞれの金属材料の種類に基づいて配置する場合について説明する。

焼結接合において、Ａｕ、Ａｇの貴金属は、同じ貴金属に対しては無加圧でも拡散し焼結が進んでいくのに対し、Ｃｕに対しては拡散率が小さく接触面積を増やさなければ接合強度を確保できない。従来は、導体層または半導体素子に焼結性金属接合材料と拡散反応を起こしやすい金属をメッキしていた。

この実施の形態３では、ＡｕまたはＡｇの貴金属とＣｕを焼結接合する接合面おいては、金属をメッキする替わりに、焼結性金属接合材料の金属微粒子の粒子径を小さくして、接合材と被接合材の接触面積を増やすことで、接合強度を確保することを可能とした。

接合面がＣｕの導体層を有するセラミック絶縁基板と接合面がＡｕまたはＡｇの裏面電極を有する半導体素子をＡｕの焼結性金属接合材料またはＡｇの焼結性金属接合材料で接合する場合や、接合面がＡｕまたはＡｇの導体層を有するセラミック絶縁基板と接合面がＣｕの裏面電極を有する半導体素子をＣｕの焼結性金属接合材料で接合する場合、セラミック絶縁基板の導体層と焼結性金属接合材料との接合強度を確保する必要がある。

図７は、この発明の実施の形態３によるパワーモジュール３００の要部を示す模式図である。図７（ａ）は、上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ’線での矢視断面図である。
図７（ｂ）に示すように、この実施の形態３におけるパワーモジュール３００では、セラミック絶縁基板１の表面に設けられたＣｕの導体層２および半導体素子５の裏面に設けられたＡｕの裏面電極５ａの接合面と接合するＡｕの焼結性金属接合材料からなる接合層７が、半導体素子５裏面のＡｕの裏面電極５ａの全接合面に粒子径が大きいＡｕの焼結性金属接合材料４で接合し、セラミック絶縁基板１の表面側のＣｕの導体層２の全接合面には、粒子径が小さいＡｕの焼結性金属接合材料６で接合している。
なお、ここでは、半導体素子５の裏面電極５ａおよび接合層７は、Ａｕとしたが、いずれか一方がＡｇ、または両方がＡｇであってもよい。
また、導体層２がＡｕまたはＡｇ、半導体素子５の裏面電極５ａおよび接合層７がＣｕの組合せであってもよい。
パワーモジュール３００のその他の構成については、実施の形態１のパワーモジュール１００と同様であり、その説明を省略する。

次に、この発明の実施の形態３によるパワーモジュール３００の製造方法について、説明する。なお、パワーモジュール３００の製造工程は、基本的に実施の形態の２のパワーモジュール２００の製造工程と同じであり、図５を用いて説明する。

まず最初に、セラミック絶縁基板１の表面側のＣｕの導体層２上に、粒子径が小さいＡｕの焼結性金属接合材料６を印刷により塗布する（ステップＳ５１）。半導体素子５の裏面の形状が、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形である場合には、半導体素子５を配置する領域に、例えば、１１ｍｍ×１１ｍｍの正方形状に、１０〜１００μｍ厚でＡｕの焼結性金属接合材料６を塗布する。Ａｕの焼結性金属接合材料６を塗布した後、一度乾燥しておく（ステップＳ５２）。

次いで、ステップＳ５１で塗布後、乾燥したＡｕの焼結性金属接合材料６の上に、粒子径が大きいＡｕの焼結性金属接合材料４を印刷により塗布する（ステップＳ５３）。ここでは、正方形に印刷されているＡｕの焼結性金属接合材料６の上に、中心を合わせて、１０．５ｍｍ×１０．５ｍｍの正方形状に、１０〜１００μｍ厚でＡｕの焼結性金属接合材料６を塗布する。焼結性金属接合材料４を塗布した後、再度乾燥（ステップＳ５４）する。

最後に、正方形状に塗布されたＡｕの焼結性金属接合材料４上に、半導体素子５のＡｕの裏面電極５ａが位置するように半導体素子５を載せ、半導体素子５を押下してＡｕの焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料６を加圧しながら加熱（ステップＳ５５）することで、焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料６は、導体層２および裏面電極５ａの接合面および金属微粒子同士と焼結接合し、Ａｕの接合層７が形成される。

図８は、図７（ｂ）の領域Ｂ、つまり半導体素子５裏面の周縁部の拡大断面図である。図８（ａ）は、焼結性金属接合材料４を塗布して乾燥（ステップＳ５４）した後に半導体素子５を載せた、焼結する前の状態を示し、図８（ｂ）は、焼結性金属接合材料を加圧しながら加熱（ステップＳ５５）し、焼結した後の状態を示す。焼結前においては、図８（ａ）に示すように、半導体素子５裏面の裏面電極５ａの全接合面に、金属微粒子径が大きいＡｕの焼結性金属接合材料４が配置され、金属微粒子間に空隙が大きく存在する。この空隙を半導体素子５裏面の裏面電極５ａの全接合面に形成することで、半導体素子５裏面の中央部から端部に至るまで、金属微粒子を覆う保護膜の有機成分の抜け道を確保でき、揮発した保護膜による基板汚染や抜けきらなかった保護膜による接合阻害を防ぐことができる。焼結後は、図８（ｂ）に示すように、半導体素子５裏面直下では加圧によって空隙は減少し、金属粒子間の焼結接合が強固となる。また、Ｃｕの導体層２の全接合面に、金属微粒子径が小さいＡｕの焼結性金属接合材料６が配置され、接触面積を増やすことで、接合強度を向上させることができる。さらに、接合層７の端部は、半導体素子５裏面より外側で、加圧できない領域にあるが、金属微粒子径の小さいＡｕの焼結性金属接合材料６を用いることで、Ｃｕの導体層２の接合面との接触面積が増え、剥離を防ぐことができる。

接合層７の形成により、セラミック絶縁基板１上への半導体素子５の接合が完了する。なお、焼成条件は、実施の形態１と同様に、温度：２５０〜３５０℃、加圧：０.１〜３０ＭＰａ、接合時間：１〜６０ｍｉｎであることが好ましい。

一方、接合面がＣｕの導体層を有するセラミック絶縁基板と接合面がＡｕまたはＡｇの半導体素子をＣｕの焼結性金属接合材料で接合する場合や、接合面がＡｕまたはＡｇの導体層を有するセラミック絶縁基板と接合面がＣｕの裏面電極を有する半導体素子をＡｕの焼結性金属接合材料またはＡｇの焼結性金属接合材料で接合する場合、半導体素子の裏面電極と焼結性金属接合材料との接合強度を確保する必要がある。

図９は、この発明の実施の形態３によるパワーモジュール３０１の要部を示す模式図である。図９（ａ）は、上面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ’線での矢視断面図である。
図９（ｂ）に示すように、この実施の形態３におけるパワーモジュール３０１では、セラミック絶縁基板１の表面に設けられたＣｕの導体層２の接合面および半導体素子５の裏面に設けられたＡｕの裏面電極５ａの接合面とを接合するＣｕの焼結性金属接合材料からなる接合層７が、半導体素子５裏面のＡｕの裏面電極５ａの全接合面には、全面に粒子径が小さいＣｕの焼結性金属接合材料６で接合し、セラミック絶縁基板１の表面側のＣｕの導体層２の接合面においては、接合層７の端部では粒子径が小さいＣｕの焼結性金属接合材料６で接合し、端部以外は粒子径が大きいＣｕの焼結性金属接合材料４で接合している。
なお、ここでは、半導体素子５の裏面電極５ａはＡｕとしたが、Ａｇであってもよい。
また、導体層２および接合層７がＡｕまたはＡｇ、半導体素子５の裏面電極がＣｕの組合せであってもよい。
パワーモジュール３０１のその他の構成については、実施の形態１のパワーモジュール１００と同様であり、その説明を省略する。

次に、この発明の実施の形態３によるパワーモジュール３０１の製造方法について、図１０に基づき説明する。図１０は、この発明の実施の形態３によるパワーモジュール３０１の製造工程を示すフローチャート図である。

まず最初に、セラミック絶縁基板１の表面側のＣｕの導体層２上に、粒子径が大きいＣｕの焼結性金属接合材料４を印刷により塗布する（ステップＳ１０１）。半導体素子５の裏面の形状が、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形である場合には、半導体素子５を配置する領域に、例えば、１１ｍｍ×１１ｍｍの正方形状に、１０〜１００μｍ厚でＣｕの焼結性金属接合材料４を塗布する。Ｃｕの焼結性金属接合材料４を塗布した後、一度乾燥しておく（ステップＳ１０２）。

次いで、ステップＳ１０１で塗布後、乾燥したＣｕの焼結性金属接合材料４の上に、粒子径が小さいＣｕの焼結性金属接合材料６を印刷により塗布する（ステップＳ１０３）。ここでは、粒子径が大きい焼結性金属接合材料４が、半導体素子５裏面の裏面電極５ａの全接合面だけではなく、接合層７の端部においてセラミック絶縁基板１の表面側のＣｕの導体層２とも接合させるために、正方形に印刷されているＣｕの焼結性金属接合材料４を覆うように、中心を合わせて、例えば、１２ｍｍ×１２ｍｍの正方形状に、１０〜１００μｍ厚でＣｕの焼結性金属接合材料６を塗布する。焼結性金属接合材料６を塗布した後、再度乾燥（ステップＳ１０４）する。

最後に、正方形状に塗布されたＣｕの焼結性金属接合材料６上に、半導体素子５のＡｕの裏面電極が位置するように半導体素子５を載せ、半導体素子５を押下してＣｕの焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料６を加圧しながら加熱（ステップＳ１０５）することで、焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料６は、導体層２および裏面電極５ａの接合面および金属微粒子同士と焼結接合し、Ｃｕの接合層７が形成される。

図１１は、図９（ｂ）の領域Ｂ、つまり半導体素子５裏面の周縁部の拡大断面図である。図１１（ａ）は、焼結性金属接合材料６を塗布して乾燥（ステップＳ１０４）した後に半導体素子５を載せた、焼結する前の状態を示し、図１１（ｂ）は、焼結性金属接合材料を加圧しながら加熱（ステップＳ１０５）し、焼結した後の状態を示す。焼結前においては、図１１（ａ）に示すように、セラミック絶縁基板１の表面側のＣｕの導体層２上の、半導体素子５裏面に対応する位置の全接合面に、金属微粒子径が大きいＣｕの焼結性金属接合材料４が配置され、金属微粒子間に空隙が大きく存在する。この空隙を導体層２上の半導体素子５裏面に対応する位置の全接合面に形成することで、半導体素子５裏面の中央部から端部に至るまで、金属微粒子を覆う保護膜の有機成分の抜け道を確保でき、揮発した保護膜による基板汚染や抜けきらなかった保護膜による接合阻害を防ぐことができる。焼結後は、図１１（ｂ）に示すように、半導体素子５裏面直下では加圧によって空隙は減少し、金属粒子間の焼結接合が強固となる。また、半導体素子５のＡｕの裏面電極５ａとＣｕの接合層７の全接合面に、金属微粒子径が小さいＡｕの焼結性金属接合材料６が配置され、接触面積を増やすことで、接合強度を向上させることができる。さらに、接合層７の端部は、半導体素子５裏面より外側で、加圧できない領域にあるが、金属微粒子径の小さい焼結性金属接合材料６を用いることで、導体層２の接合面との接触面積が増え、剥離を防ぐことができる。

接合層７の形成により、セラミック絶縁基板１上への半導体素子５の接合が完了する。なお、焼成条件は、実施の形態１と同様に、温度：２５０〜３５０℃、加圧：０.１〜３０ＭＰａ、接合時間：１〜６０ｍｉｎであることが好ましい。

以上のように、この発明の実施の形態３におけるパワーモジュール３００、３０１では、セラミック絶縁基板１の表面側の導体層２と半導体素子５とを接合する接合層７は、接合条件としての接合面の材料の種類に基づいて焼結性金属接合材料４および焼結性金属接合材料４よりも粒子径が小さい焼結性金属接合材料６と粒径の異なる焼結性金属接合材料を用い、ＡｕまたはＡｇの貴金属とＣｕの接合の関係にある接合面においては、粒子径が小さい焼結性金属接合材料６を用いて接合したことにより、接合面との接触面積を増やすことで、剥離を防ぐことができる。
また、半導体素子裏面より外側で、加圧が困難な領域の接合層の端部おいては、導体層との接触面積を増やすことで、剥離を防ぐことができる。
さらに、ＡｕまたはＡｇの貴金属とＣｕの接合の関係にない接合面においては、粒子径が大きい焼結性金属接合材料６を用いて接合したことにより、半導体素子５裏面側の中央部から端部に至るまで、金属微粒子を覆う保護膜の有機成分の抜け道を確保することで、揮発した保護膜による基板汚染や抜けきらなかった保護膜による接合阻害を防ぐことができる。

上述した実施の形態１から実施の形態３におけるパワーモジュールを構成する半導体素子５としては、珪素（Ｓｉ）によって形成されたものには限定されず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどが挙げられことは、すでに述べたとおりである。

このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。また、耐熱性も高いため、放熱部材の冷却フィンの小型化や、空冷化が可能であるので、パワーモジュールの一層の小型化が可能になる。

パワーモジュールの小型化が進むと、放熱性を確保し、熱応力に対する長期信頼性への要求がさらに高度になる。このような要求に対しても、この発明のパワーモジュールは、優れた効果を発揮する。

なお、この発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ セラミック絶縁基板、２ 導体層、４ 焼結性金属接合材料、５ 半導体素子、５ａ 裏面電極、６ 焼結性金属接合材料、７ 接合層、１００、２００、３００、３０１ パワーモジュール

Claims (8)

1. 表面に導体層が設けられた絶縁基板と、
   裏面に電極が設けられた半導体素子と、
   焼結性金属接合材料を用いて前記絶縁基板の導体層と前記半導体素子の電極とを接合した接合層とを備えたパワーモジュールであって、
   前記接合層は、前記半導体素子の周縁部側から外側に前記半導体素子の中央部側より粒子径の小さい前記焼結性金属接合材料を用いたことを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記接合層は、前記絶縁基板側のみ粒子径の小さい前記焼結性金属接合材料を用いたことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 表面に導体層が設けられた絶縁基板と、
   裏面に電極が設けられた半導体素子と、
   焼結性金属接合材料を用いて前記絶縁基板の導体層と前記半導体素子の電極とを接合した接合層とを備えたパワーモジュールであって、
   前記接合層は、少なくとも前記半導体素子側または前記絶縁基板側のいずれか一方に他方より粒子径の小さい前記焼結性金属接合材料を用いたことを特徴とするパワーモジュール。
4. 前記絶縁基板の導体層の材料と前記接合層に用いられる材料が貴金属とＣｕの接合の関係にある場合には、前記接合層は、前記絶縁基板側に粒子径の小さい前記焼結性金属接合材料を用いたことを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール。
5. 前記半導体素子の電極の材料と前記接合層に用いられる材料が貴金属とＣｕの接合の関係にある場合には、前記接合層は、前記半導体素子側および前記絶縁基板側の端部に粒子径の小さい前記焼結性金属接合材料を用いたことを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール。
6. 前記貴金属は、ＡｕまたはＡｇであることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のパワーモジュール。
7. 前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール。

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