JP7240196B2

JP7240196B2 - 半導体モジュール用部品およびその製造方法ならびに半導体モジュール

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Publication number: JP7240196B2
Application number: JP2019027573A
Authority: JP
Inventors: 淳寿岩渕; 弘司佐守
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2023-03-15
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: JP2020136470A

Description

本発明は、一対の主面を有する金属基材と金属基材の一方の主面を覆う絶縁性薄膜とを備えている半導体モジュール用部品、および、当該半導体モジュール用部品を用いた半導体モジュール、ならびに、これらの製造方法に関する。

パワー半導体として着目されているＳｉＣは絶縁破壊電界強度がＳｉと比較して約１０倍も高いことから、数百～数千Ｖの高耐電圧パワーデバイスとしての用途開発がなされ、特に、小型で大電力に対応可能なパワー半導体のモジュール化が検討されている。パワー半導体は、その発熱を放散させるためのヒートシンクなどの金属基材に搭載される必要があるが、半導体および金属基材の間の電気絶縁性を確保するため、当該半導体および当該金属基材の間にセラミックスの絶縁性基材を設けることが提案されている。

絶縁性基材としてのアルミナ（酸化アルミニウム）焼結体は、電気絶縁性に関しては優れているものの、薄型化が困難であるために熱抵抗が高く放熱性に関しては劣る。また、アルミナ焼結体は、金属基材との熱膨張係数の差が大きいため、熱サイクルを経験することにより当該金属基材から剥離しやすい。

そこで、絶縁性基材の熱特性の改善を図るため、当該絶縁性基材としてアルミナの焼結体ではなく溶射膜を採用することが提案されている（例えば、特許文献１～３参照）。

特許第５２４６１４３号公報特許第５３１６３９７号公報特許第５９２６６５４号公報

しかし、アルミナ溶射膜の緻密性はアルミナ焼結体と比較して低いため、高電圧が適用されるパワー半導体をモジュール化する際、当該半導体と金属基材との間の電気絶縁性が不十分になる可能性がある。

そこで、本発明は、金属基材と半導体等の対象物とのセラミックス溶射膜による十分かつ安定な絶縁性を実現しうる半導体モジュール用部品等を提供することを目的とする。

本発明は、一対の主面を有する金属基材と、前記金属基材の一方の主面を覆う絶縁性薄膜と、を備え、前記絶縁性薄膜の上方に半導体回路要素が搭載される半導体モジュール用部品に関する。さらに、本発明は、一対の主面を有する金属基材と、前記金属基材の一方の主面を覆う絶縁性薄膜と、を備え、前記絶縁性薄膜の上方に搭載されている半導体回路要素と、を備えている半導体モジュールに関する。

本発明の半導体モジュール用部品および半導体モジュールは、
前記絶縁性薄膜が１２０～２４０μｍの範囲に含まれる厚さのＹ₂Ｏ₃ のみからなる溶射膜により構成され、
前記金属基材の前記一方の主面の表面粗さＲａが１μｍ～２μｍの範囲に含まれていることを特徴とする。

本発明の半導体モジュール用部品の製造方法は、Ｙ_２Ｏ_３を主成分とする原料粉のスラリーを作製する工程と、前記スラリーを前記金属基材の前記一方の主面に溶射することにより前記Ｙ_２Ｏ_３溶射膜を形成する溶射工程と、を含んでいることを特徴とする。

Ｙ_２Ｏ_３溶射膜の厚さが５０μｍを下回っている場合、鬆（す）が存在しているためにその絶縁性が低くなる傾向がある。また、Ｙ_２Ｏ_３溶射膜の厚さが２５０μｍを超えている場合、クラックが入りやすくなるためにその絶縁性が低くなる傾向がある。

よって、前記方法にしたがって製造された、前記構成の半導体モジュール用部品および半導体モジュールによれば、金属基材と対象物とのセラミックス溶射膜による十分かつ安定な絶縁性が実現される。

本発明者が得た知見によれば、金属基材の一方の主面の表面粗さＲａが１μｍを下回っている場合、溶射膜の絶縁性が低くなる傾向がある。また、本発明者が得た知見によれば、金属基材の一方の主面の表面粗さＲａが３μｍを超えている場合、当該金属基材の一方の主面を被覆する溶射膜に鬆が発生しやすく当該溶射膜の絶縁性が低くなる傾向がある。よって、前記構成の半導体モジュールによれば、金属基材および対象物の間のさらに十分かつ安定な絶縁性が実現される。

本発明の一実施形態としての半導体モジュールの構成説明図。半導体モジュール用部品の製造方法に関するフローチャート。

（構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としての半導体モジュールは、一対の主面として第１主面１１および第２主面１２を有する略平板状の金属基材１０と、金属基材１０の一方の主面としての第１主面１１を覆う絶縁性薄膜２０と、絶縁性薄膜２０の上方に搭載されている半導体回路要素３０と、半導体回路要素３０を封止する封止部材４０と、を備えている。金属基材１０の内部には、水などの冷却媒体を流すための冷却媒体通路１４が形成されている。金属基材１０および絶縁性薄膜２０により、本発明の一実施形態としての半導体モジュール用部品が構成されている。

金属基材１０の第１主面１１の表面粗さＲａが１．０～３．０μｍの範囲に含まれている。金属基材１０は、例えば、アルミニウムからなる略円板状の部材である。金属基材１０は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン合金、タングステン、シリコンまたは金属複合材料（ＭＭＣ）などから構成されていてもよい。また、金属基材１０の形状は、多角形板状または楕円板状など、円板状とは異なるさまざまな形状であってもよく、円板に複数の異なる形状の切り欠きが設けられているような複雑な形状であってもよい。

絶縁性薄膜２０が５０～２５０μｍの範囲に含まれる厚さを有するＹ_２Ｏ_３（イットリア）溶射膜により構成されている。

半導体回路要素３０として、例えば、ＳｉＣ製またはＧａＮ製のパワー半導体、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）またはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）が用いられる。半導体回路要素３０は、ボンディングワイヤー３１を介してリードフレーム３２に電気的に接続されている。

封止部材４０として、例えば、エポキシ樹脂または無機フィラーが混合されたエポキシ樹脂などの絶縁性樹脂が用いられる。封止部材４０は、半導体回路要素３０およびボンディングワイヤー３１を全体的に覆う一方、リードフレーム３２を部分的に露出させるように覆っている。

（製造方法）
本発明の一実施形態としての半導体モジュールの製造方法は、前処理工程（図２／ＳＴＥＰ０２）、溶射工程（図２／ＳＴＥＰ０４）、搭載工程（図２／ＳＴＥＰ０６）および封止工程（図２／ＳＴＥＰ０８）を含んでいる。

「前処理工程」において、金属基材１０の第１主面１１に対してサンドブラスト加工が施される。サンドブラストによる表面研磨加工条件は、金属基材１０の第１主面１１の表面粗さＲａが１．０～３．０μｍの範囲に含まれるように調節される。前処理工程ではサンドブラスト加工の代わりに硝酸または塩化第２鉄溶液などを用いた湿式エッチングまたはＣｌガスなどを利用したプラズマエッチングなどのドライエッチングを用いて金属基材１０の第１主面１１の表面粗さＲａが調整されてもよい。

「溶射工程」において、金属基材１０の第１主面１１に、Ｙ_２Ｏ_３を主成分とする原料粉のスラリーを溶射することにより５０～２５０μｍの範囲に含まれる厚さのＹ_２Ｏ_３溶射膜である絶縁性薄膜２０が形成される。溶射工程では原料粉のスラリーを溶射することに代えて原料粉の顆粒を乾式で供給し溶射してもよい。

「搭載工程」において、絶縁性薄膜２０の上方に半導体回路要素３０、ボンディングワイヤー３１およびリードフレーム３２が搭載される。

「封止工程」において、半導体回路要素３０およびボンディングワイヤー３１を全体的に覆う一方、リードフレーム３２を部分的に露出させるように覆うように、半導体回路要素３０が絶縁性樹脂により封止される。

（前処理工程）
前処理工程としてサンドブラスト加工を行う場合は、砥粒の種類としてアルミナまたはＳｉＣ等の炭化物を用いる。砥粒の粒度が大きいほど加工後の第１主面１１の表面粗さは大きくなり、砥粒の吹き付け圧力が大きいほど第１主面１１の表面粗さは大きくなる。また、加工条件をサンドブラスト加工の途中で変更し、最終的に得られる第１主面１１の表面粗さを調節してもよい。サンドブラスト加工に代えてエッチング加工を行うことにより金属基材１０の第１主面１１の表面粗さを調節してもよい。エッチング加工を行う手法としての湿式エッチングまたはドライエッチングは、金属基材１０の第１主面１１の表面粗さＲａを０．１～１μｍの範囲に調節する際に好適である。

（溶射材料作製）
スラリー溶射の製法について
溶射材料は、例えば、Ｙ_２Ｏ_３からなる。溶射材料は、Ｙ_２Ｏ_３にＹＯＦ、Ｙ_５Ｏ_４Ｆ_７、Ｙ_７Ｏ_６Ｆ_９等が任意の割合で混合されているものであってもよい。溶射材料は、平均粒子径が３～８μｍの一次粒子からなる。例えば、溶射材料は、単一の一次粒子もしくは多数の一次粒子が凝集した大径の顆粒（溶射顆粒）またはこれらの混合物が採用されてもよい。一方、溶射顆粒を用いて粉末形式で溶射する乾式溶射に用いる溶射材料は、平均顆粒径（Ｄ５０）が１０～６０μｍであり、例えば、２５μｍである。
溶射材料は、平均子径が３～８μｍのイットリウムのフッ化物（ＹＦ_３）からなる一次粒子を含んでいてもよい。イットリウムのフッ化物からなる一次粒子が全体の一次粒子に占める割合は任意に設定される。

なお、平均粒子径は、レーザ回析／散乱式粒子径分布測定装置（株式会社堀場製作所型式ＬＡ－９６０Ｓ）を用いた粒度分布測定によりＤ５０の値として求められる。顆粒解砕後の平均粒子径の測定も当該機器による測定が採用された。

（溶射工程）
Ｙ_２Ｏ_３溶射膜を作製するための溶射装置は、アーク溶射法またはプラズマ溶射法などの方法で溶射する市販の溶射装置であればよく、特に限定されない。プラズマガスとしては、Ａｒガス、ＡｒおよびＮ_２の混合ガス、ＡｒおよびＨ_２の混合ガス、ＡｒおよびＣＯ_２の混合ガスまたはＡｒおよびＯ_２の混合ガスなどが用いられる。

一次粒子が凝集している場合、その凝集を解砕し各一次粒子を個々に溶媒に分散させたスラリーの形態で溶射する湿式溶射を行うことによって、絶縁性薄膜２０としてのＹ_２Ｏ_３溶射膜が金属基材１０の第１主面１１に形成される。溶媒としては、エタノールなどの可燃性有機溶媒または水などが用いられる。一次粒子が凝集してなる顆粒を用いて粉末形式で溶射する乾式溶射を行うことによって、Ｙ_２Ｏ_３溶射膜を金属基材１０の第１主面１１に形成する工程を行ってもよい。

溶射材料に含まれる一次粒子の平均粒子径が大きいので、一次粒子自体の強度が高く、溶射装置に溶射材料を供給する際に、一次粒子の破損による微細化が抑制できる。これにより、特に乾式溶射において溶射膜の塗着率の向上を図ることが可能となる。溶射材料に含まれる一次粒子の平均粒子径が８μｍを超えると、湿式溶射の原料として使用した場合、溶媒に良好に分散させることができないので好ましくない。なお、乾式溶射の場合、顆粒径（Ｄ５０）は流動性の観点から５０μｍ以下が好ましく、２０～３０μｍ程度にすることがさらに好ましい。

（実施例）

（実施例１）
金属基材１０としてＣｕ製の基材が採用された。金属基材１０の第１主面１１が、粒度＃２２０（中央粒径５３～４５μｍ）の砥粒が用いられ、圧力０．２ＭＰａでサンドブラスト加工された。これにより、第１主面１１の表面粗さＲａが２μｍに調節された。溶射材料として、前記のように作製された平均粒径３μｍのＹ_２Ｏ_３の原料粉末が用いられ、湿式溶射によって厚さ１２０μｍのイットリア溶射膜からなる絶縁性薄膜２０が金属基材１０の第１主面１１の上に形成された。これにより、実施例１の半導体モジュール用部品が作製された。

（実施例２）
金属基材１０の第１主面１１が、圧力０．２５ＭＰａでサンドブラスト加工された。これにより、第１主面１１の表面粗さＲａが３μｍに調節された。これ以外は実施例１と同様の条件にしたがって実施例２の半導体モジュール用部品が作製された。

（実施例３）
金属基材１０の第１主面１１が、圧力０．１ＭＰａでサンドブラスト加工された。これにより、第１主面１１の表面粗さＲａが１μｍに調節された。これ以外は実施例１と同様の条件にしたがって実施例３の半導体モジュール用部品が作製された。

（実施例４）
湿式溶射によって厚さ２４０μｍのイットリア溶射膜からなる絶縁性薄膜２０が金属基材１０の第１主面１１の上に形成された。これ以外は実施例１と同様の条件にしたがって実施例４の半導体モジュール用部品が作製された。

（実施例５）
湿式溶射によって厚さ６０μｍのイットリア溶射膜からなる絶縁性薄膜２０が金属基材１０の第１主面１１の上に形成された。これ以外は実施例１と同様の条件にしたがって実施例５の半導体モジュール用部品が作製された。

（実施例６）
金属基材１０の第１主面１１が塩化第２鉄溶液で湿式エッチングされた。これにより、第１主面１１の表面粗さＲａが０．１μｍに調節された。また湿式溶射によって厚さ５０μｍのイットリア溶射膜からなる絶縁性薄膜２０が金属基材１０の第１主面１１の上に形成された。これ以外は実施例１と同様の条件にしたがって実施例６の半導体モジュール用部品が作製された。

（実施例７）
溶射材料として、顆粒径（Ｄ２５）が２５μｍのＹ_２Ｏ_３の原料粉末を使用し、乾式の溶射によって厚さ５０μｍのイットリア溶射膜からなる絶縁性薄膜２０が金属基材１０の第１主面１１の上に形成された。これ以外は実施例１と同様の条件にしたがって実施例７の半導体モジュール用部品が作製された。

（実施例８）
溶射材料として、Ｘ線回折によって確認されるＹＯＦ相を含むＹ_２Ｏ_３からなる顆粒径（Ｄ２５）が２５μｍの原料粉末を使用し、乾式の溶射によって厚さ１２０μｍのイットリアを主成分とするイットリア溶射膜からなる絶縁性薄膜２０が金属基材１０の第１主面１１の上に形成された。これ以外は実施例１と同様の条件にしたがって実施例７の半導体モジュール用部品が作製された。

（実施例９）
金属基材１０の第１主面１１が塩化第２鉄溶液で湿式エッチングされた。これにより、第１主面１１の表面粗さＲａが０．４μｍに調節された。また、溶射材料として、顆粒径（Ｄ２５）が２５μｍのＹ_２Ｏ_３の原料粉末を使用し、乾式の溶射によって厚さ１２０μｍのイットリア溶射膜からなる絶縁性薄膜２０が金属基材１０の第１主面１１の上に形成された。これにより実施例９の半導体モジュール用部品が作製された。

（実施例１０）
金属基材１０の第１主面１１が、粒度＃１００の砥粒が用いられ、圧力０．４ＭＰａでサンドブラスト加工された。これにより、第１主面１１の表面粗さＲａが５μｍに調節された。また、溶射材料として、顆粒径（Ｄ２５）が２５μｍのＹ_２Ｏ_３の原料粉末を使用し、乾式の溶射によって厚さ１２０μｍのイットリア溶射膜からなる絶縁性薄膜２０が金属基材１０の第１主面１１の上に形成された。これにより実施例９の半導体モジュール用部品が作製された。

（比較例）

（比較例１）（溶射膜種が実施例と異なる比較例）
前記のように作製された平均粒径３μｍのアルミナの原料粉末が用いられ、湿式溶射によって厚さ１２０μｍのアルミナ溶射膜からなる絶縁性薄膜２０が金属基材１０の第１主面１１の上に形成された。これ以外は実施例１と同様の条件にしたがって比較例１の半導体モジュール用部品が作製された。

（比較例２）（溶射膜の厚さが実施例と異なる比較例）
前記のように作製された平均粒径３μｍのＹ_２Ｏ_３の原料粉末が用いられ、湿式溶射によって厚さ４０μｍのイットリア溶射膜からなる絶縁性薄膜２０が金属基材１０の第１主面１１の上に形成された。これ以外は実施例１と同様の条件にしたがって比較例２の半導体モジュール用部品が作製された。

（比較例３）（溶射膜の厚さが実施例と異なる比較例）
前記のように作製された平均粒径３μｍのＹ_２Ｏ_３の原料粉末が用いられ、湿式溶射によって厚さ３００μｍのイットリア溶射膜からなる絶縁性薄膜２０が金属基材１０の第１主面１１の上に形成された。これ以外は実施例１と同様の条件にしたがって比較例３の半導体モジュール用部品が作製された。

各実施例および各比較例の半導体モジュール用部品における絶縁性薄膜２０の耐電圧値の評価のため、ハイビッド絶縁抵抗計ＤＩ－１１Ｎ（ムサシインテック社製）が測定器として用いられた。ＤＣ電圧が金属基材１０と絶縁性薄膜２０に接触させた針状プローブとの間に印加され、ブレークダウン電圧が測定された。絶縁性薄膜２０の１００箇所が当該測定対象とされ、ワイブル確率紙に耐電圧値ｘと累積確率Ｆをプロットし、関係式（１）で表わされるワイブル分布関数ＦＰのワイブルパラメータとして形状母数α、尺度母数βが推定された。なお、累積確率Ｆは平均ランク法を採用した。

推定されたパラメータより、耐電圧１２ｋＶ／ｍｍのときのワイブル分布関数値（累積確率）が推定された。耐電圧の評価基準値を１２ｋＶ／ｍｍとしたのは、高耐電圧使用の半導体モジュールに要求される耐電圧１．２ｋＶに対し、安全率を１０倍として信頼性評価の指標とするためである。

Ｆ（ｘ；α，β）＝１－ｅｘｐ｛－（ｘ／β）^α｝ ‥（１）。

金属基材１０に対する絶縁性薄膜２０の密着力の評価のため、単純引張強度試験を行っている。具体的には、金属基材１０上に形成された絶縁性薄膜２０上に直径２５ｍｍの金属円柱を接着剤で接着し、これを単純引張することにより破断強度を測定し、面積当たりの密着力を測定した。

表１には、各実施例および各比較例の半導体モジュール用部品の当該評価結果が作製条件とともに示されている。

表１から明らかなように、実施例１～１０の半導体モジュール用部品によれば、絶縁性薄膜２０の耐電圧値が３７～６４ｋＶ／ｍｍの範囲に含まれ、絶縁性薄膜２０の累積確率が０．１％以下の範囲に含まれ、かつ、金属基材１０に対する絶縁性薄膜２０の密着力は１５～２５ＭＰａの範囲に含まれている。特に、金属基材１０の第１主面１１の表面粗さＲａが１～３μｍの範囲に含まれる実施例１～５、７、８の半導体モジュール用部品によれば、絶縁性薄膜２０の耐電圧値が４８～６４ｋＶ／ｍｍの範囲に含まれており更に好適である。また、ＹＯＦ相を含むイットリア溶射膜からなる絶縁性薄膜２０を形成した実施例８においても耐電圧値、累積確率、および密着力において良好な結果が得られている。

その一方、比較例１～３の半導体モジュール用部品によれば、絶縁性薄膜２０の耐電圧値が３５ｋＶ／ｍｍ以下である。比較例１～３の半導体モジュール用部品によれば、絶縁性薄膜２０の累積破壊確率が０．１％を超えている。

比較例１の絶縁性薄膜２０を構成するアルミナは１３００℃以下の温度で結晶相がα→θ→δ→γの順で相転移する。そして、相転移に伴って生じる体積変化に起因してアルミナの粒界にマイクロクラックが生じやすく、また吸水性の高い結晶相が水分を吸着することで実施例と比べて比較例１の耐電圧が低かったものと考えられる、これに対して、実施例の絶縁性薄膜２０を構成するイットリアには立方晶と斜方晶が認められるものの、相転移に伴って生じる組織変化が少なく安定しているためマイクロクラックの発生が抑制され、アルミナのような吸水性の高い結晶相を生成しないため高い耐電圧を有しているものと推定される。

比較例２では、絶縁性薄膜２０がイットリア溶射膜からなるものの、その厚みが４０μｍと薄いため耐電圧が低く、半導体モジュール用部品に要求される耐電圧として十分ではないため不適とした。

比較例３では、絶縁性薄膜２０がイットリア溶射膜からなるものの、その厚みが３００μｍと厚く、半導体モジュール用部品に要求される耐電圧として十分ではないため不適とした。また、絶縁性薄膜２０の厚みが厚すぎて伝熱が十分に行えない不具合も生じた。

１０‥金属基材、１１‥第１主面（一方の主面）、１２‥第２主面（他方の主面）、１４‥冷却媒体通路、２０‥絶縁性薄膜、３０‥半導体回路要素、３１‥ボンディングワイヤー、３２‥リードフレーム、４０‥封止部材。

Claims

一対の主面を有する金属基材と、前記金属基材の一方の主面を覆う絶縁性薄膜と、を備え、前記絶縁性薄膜の上方に半導体回路要素が搭載される半導体モジュール用部品であって、
前記絶縁性薄膜が１２０～２４０μｍの範囲に含まれる厚さのＹ ₂ Ｏ ₃ のみからなる溶射膜により構成され、
前記金属基材の前記一方の主面の表面粗さＲａが１μｍ～２μｍの範囲に含まれていることを特徴とする半導体モジュール用部品。
請求項１に記載の半導体モジュール用部品の製造方法において、
Ｙ₂Ｏ₃を主成分とする原料粉のスラリーを作製する工程と、
前記スラリーを前記金属基材の前記一方の主面に溶射することにより前記溶射膜を形成する溶射工程と、を含んでいることを特徴とする半導体モジュール用部品の製造方法。
一対の主面を有する金属基材と、前記金属基材の一方の主面を覆う絶縁性薄膜と、を備え、前記絶縁性薄膜の上方に搭載されている半導体回路要素と、を備えている半導体モジュールであって、
前記絶縁性薄膜が１２０～２４０μｍの範囲に含まれる厚さのＹ₂Ｏ₃ のみからなる溶射膜により構成され、
前記金属基材の前記一方の主面の表面粗さＲａが１μｍ～２μｍの範囲に含まれていることを特徴とする半導体モジュール。