JP6508182B2 - 半導体モジュールとその製造方法 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体モジュールとその製造方法に関する。

特許文献１は、熱拡散板の両面にセラミック板を接合した絶縁基板を備える半導体モジュールを開示する。熱拡散板の材料には、高熱伝導率の銅又はアルミニウム等の金属が用いられている。熱拡散板の厚みを大きくすることで、熱拡散板において側方への熱拡散が促進され、半導体モジュールの熱抵抗が低下する。

特許文献１の半導体モジュールの絶縁基板では、熱拡散板とセラミック板の線膨張係数が大きく相違する。このため、線膨張係数の大きい熱拡散板の両面に線膨張係数の小さいセラミック板を接合させることで、熱拡散板の熱膨張を拘束する。しかしながら、このような構成の半導体モジュールは、熱拡散板とセラミック板の熱膨張差に起因する熱応力が大きく、信頼性という点で問題がある。

特許文献２は、ヒートシンク材の片面のみに絶縁層を設けた半導体モジュールを開示する。ヒートシンク材の材料には金属−ダイヤモンド複合材が用いられており、ダイヤモンドの含有率を調整することでヒートシンク材と絶縁層の線膨張係数が同等となるように調整されている。特許文献２の半導体モジュールでは、ヒートシンク材の材料に金属−ダイヤモンド複合材を用いることで、ヒートシンク材と絶縁層の間の熱膨張差に起因する熱応力が緩和され、高い信頼性を有することができる。

特開２００３−８６７４７号公報 特許４０１５０２３号公報

金属−ダイヤモンド複合材は、金属の母材がダイヤモンド粒子を支持する複合材である。このような金属−ダイヤモンド複合材は、高温に曝されたときに、金属とダイヤモンド粒子の間に間隙が生じることがある。特許文献２の半導体モジュールでは、ヒートシンク材と絶縁層がろう材を介して接合されている。このため、ヒートシンク材と絶縁層を接合するときの熱プロセスにより、熔解したろう材の一部が金属とダイヤモンド粒子の間に間隙に侵入してダイヤモンド粒子の表面に炭化物を形成する。例えば、特許文献２の例では、ろう材に含まれるチタンが金属とダイヤモンド粒子の間に間隙に侵入してダイヤモンド粒子の表面に炭化チタンを形成する。このような炭化物が形成されると、金属−ダイヤモンド複合材の熱抵抗が増加し、金属−ダイヤモンド複合材の放熱特性が低下する。放熱層に金属−ダイヤモンド複合材を用いた半導体モジュールにおいて、高い放熱特性と高い信頼性を両立させる技術が必要とされている。

本明細書が開示する半導体モジュールは、冷却器上に設けられる放熱層と、放熱層上に接して設けられている絶縁層と、絶縁層上に設けられている配線層と、配線層上に設けられている半導体素子と、を備える。放熱層の厚みが、絶縁層の厚みよりも大きい。放熱層の材料が、金属−ダイヤモンド複合材である。

金属−ダイヤモンド複合材は、高い熱伝導率を有するダイヤモンドを含有する。このため、放熱層も、高い熱伝導率を有する。上記半導体モジュールでは、そのような高い熱伝導率を有する放熱層が厚く形成されているので、放熱層において側方への熱拡散が促進され、半導体モジュールの熱抵抗が低下する。さらに、金属−ダイヤモンド複合材は、ダイヤモンドの含有率に応じて線膨張係数が調整可能である。このため、金属−ダイヤモンド複合材は、絶縁層の線膨張係数に近づけることができるので、半導体モジュールに加わる熱応力が低下する。このため、上記半導体モジュールは、高い信頼性を有することができる。さらに、放熱層と絶縁層がろう材等の他の接合材を介さずに直接的に接している。このため、放熱層の金属−ダイヤモンド複合材に接合材の一部が侵入して炭化物を形成するような事態がなく、放熱層は高い放熱特性を維持することができる。このように、上記半導体モジュールは、高い放熱特性と高い信頼性を両立することができる。

半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。 半導体モジュールの平面図を模式的に示す。 半導体モジュールの定常熱抵抗と放熱層の厚みの関係を示す。

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

本明細書が開示する半導体モジュールは、冷却器上に設けられる放熱層と、放熱層上に接して設けられている絶縁層と、絶縁層上に設けられている配線層と、配線層上に設けられている半導体素子と、を備えていてもよい。放熱層の材料が、金属−ダイヤモンド複合材である。金属−ダイヤモンド複合材は、金属の母材がダイヤモンド粒子を支持する複合材であってもよい。金属としては、銅又は銀が例示される。

上記半導体モジュールでは、絶縁層の厚みが、０．１ｍｍ以下であってもよい。このような薄い絶縁層は、その熱抵抗が極めて小さいので、半導体モジュールの熱抵抗が低下する。

上記半導体モジュールでは、放熱層が、平面視したときに、半導体素子の面積に対して４倍の同心相似形となる領域よりも広範囲に広がっていてもよい。この半導体モジュールでは、放熱板において熱を側方に向けて拡散させることが可能になり、冷却器の実効面積を広げることができる。このため、この半導体モジュールは、高い放熱特性を有することができる。

上記半導体モジュールでは、放熱層が、平面視したときに、半導体素子の面積に対して１０倍の同心相似形となる領域よりも広範囲に広がっていてもよい。この場合、放熱層の厚みは、２ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下であってもよい。この半導体モジュールでは、極めて高い放熱特性を有することができる。

配線層の材料は、銅又はアルミニウムであってもよい。この場合、配線層の厚みは、０．３ｍｍ以下であってもよい。このような配線層は、低い電気抵抗と冷熱サイクル時の応力緩和を両立することができる。

上記半導体モジュールの製造方法は、気相成長技術を利用して放熱層上に絶縁層を成膜する成膜工程を備えていてもよい。この製造方法によると、ろう材等の他の接合材を介さずに、絶縁層を放熱層上に直接的に成膜することができる。また、成膜工程では、スパッタ技術又は化学気相成長技術が用いられてもよい。

図１に示されるように、半導体モジュール１は、冷却器２上に設けられており、半導体素子４と絶縁基板１０を備える。冷却器２は、水冷式であり、冷却水が流動する複数の貫通孔を備える。半導体素子４は、炭化珪素基板を有するパワーデバイスである。半導体素子４は、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴである。なお、半導体素子４は、炭化珪素基板に代えて、窒化ガリウム、シリコン、ガリウムヒ素、ダイヤモンド、酸化ガリウムを用いて形成されてもよい。

絶縁基板１０は、冷却器２と半導体素子４の間に設けられており、放熱層１２と絶縁層１３と第１接合材１４と配線層１５を備える。

放熱層１２は、冷却器２上に設けられており、グリス２２を介して冷却器２に接する。放熱層１２は、半導体モジュール１を平面視したときに、半導体素子４に対して同心相似形の形態を有する（図２参照）。この例では、放熱層１２は、半導体素子４と同様に、正四角形状の形態を有する。放熱層１２の材料は、金属−ダイヤモンド複合材である。放熱層１２の材料は、例えば、銅の母材がダイヤモンド粒子を支持する銅−ダイヤモンド複合材である。あるいは、放熱層１２の材料は、銀の母材がダイヤモンド粒子を支持する銀−ダイヤモンド複合材である。このような放熱層１２は、ダイヤモンドを含んでいることから、高い熱伝導率を有することができる。放熱層１２の熱伝導率は、２００Ｗ/ｍＫ以上であり、好ましくは５００Ｗ/ｍＫ以上である。また、放熱層１２は、その線膨張係数が半導体素子４及び絶縁層１３の線膨張係数に近くなるように、ダイヤモンド粒子の含有率が調整されている。これにより、放熱層１２の線膨張係数は、１０ｐｐｍ/Ｋ以下に調整されており、半導体素子４及び絶縁層１３の線膨張係数との差が５ｐｐｍ/Ｋ以下である。放熱層１２の厚みＴ１２は、後述するように、１ｍｍ以上であり、好ましくは２ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下である。

絶縁層１３は、放熱層１２と配線層１５の間に設けられており、放熱層１２に直接的に接合するとともに第１接合材１４を介して配線層１５に接合する。絶縁層１３は、気相成長技術を利用して放熱層１２上に成膜される。気相成長時の成膜温度は低く設定されており、５００℃以下である。絶縁層１３は、例えばスパッタ技術又はＣＶＤ技術を用いて放熱層１２上に成膜される。絶縁層１３の材料は、窒化シリコンである。このため、絶縁層１３は、高い靱性を有しており、冷熱サイクル時の放熱層１２の破損を抑えることができる。なお、絶縁層１３の材料は、窒化シリコンに代えて、ＺｒＯ₂、３ＺｒＯ₂・２Ｙ₂Ｏ₃であってもよい。絶縁層１３の厚みＴ１３は、耐圧を確保するのに必要な厚みに調整される。絶縁層１３が例えばＣＶＤ技術で成膜される場合は、絶縁層１３の厚みＴ１３は１ＫＶあたり０．００２ｍｍ以上となるように調整される。一方、絶縁層１３の厚みＴ１３は、熱抵抗を低下させるために、０．２ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下である。絶縁層１３の厚みＴ１３は、放熱層１２の厚みＴ１２の１０分の１以下であるのが望ましい。このような薄い絶縁層１３は、絶縁基板１０の熱抵抗に占める割合が小さくなり、その熱抵抗を無視できる。また、絶縁層１３の線膨張係数は１０ｐｐｍ/Ｋ以下であり、半導体素子４及び放熱層１２の線膨張係数との差が５ｐｐｍ/Ｋ以下である。第１接合材１４の材料は、例えば、銅合金の金属ろう材である。なお、絶縁層１３は、第１接合材１４を介さずに配線層１５に直接的に接合するようにしてもよい。

配線層１５は、絶縁層１３と半導体素子４の間に設けられている。配線層１５の材料は、金属であり、例えば、銅又はアルミニウムである。配線層１５の表面には、半導体素子４が第２接合材２４を介して接合する。配線層１５の厚みＴ１５は、電気抵抗を低下させるために、０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．１ｍｍ以上である。一方、配線層１５は、半導体モジュール１を構成する他の構成要素（半導体素子４、絶縁層１３及び放熱層１２）に対して線膨張係数が高い。このため、配線層１５の厚みＴ１５は、冷熱サイクル時の応力を緩和するために、０．３ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ以下である。第２接合材２４の材料は、例えば、銅ナノ粒子又は銀ナノ粒子を含むペーストである。なお、配線層１５の材料は、銅又はアルミニウムに代えて、金、銀、ニッケルメッキであってもよい。また、配線層１５と半導体素子４が直接的に接合するように構成されてもよい。

半導体モジュール１では、炭化珪素の半導体素子４の線膨張係数が約３．１ｐｐｍ／Ｋであり、窒化シリコンの絶縁層１３の線膨張係数が約３．０ｐｐｍ／Ｋであり、金属−ダイヤモンド複合材の放熱層１２の線膨張係数が約６〜８ｐｐｍ／Ｋである。このように、これらの線膨張係数の差が５ｐｐｍ／Ｋ以下である。このため、冷熱サイクル時に半導体モジュール１に加わる熱応力が緩和される。

また、半導体モジュール１は、放熱層１２の片面のみに絶縁層１３が設けられた簡素な構成であり、製造バラツキによる特性変動も小さい。上記したように、絶縁層１３は、気相成長技術を利用して放熱層１２上に成膜される。即ち、放熱層１２と絶縁層１３がろう材等の他の接合材を介さずに直接的に接している。このため、放熱層１２の金属−ダイヤモンド複合材に接合材の一部が侵入して金属炭化物を形成するような事態がなく、放熱層１２は高い放熱特性を維持することができる。特に、絶縁層１３が気相成長技術を利用して成膜されており、そのときの成膜温度が５００℃以下の低い温度に設定されている。このため、そもそも放熱層１２の金属とダイヤモンド粒子の間に間隙が生じることが抑えられており、放熱層１２はその形態を維持することができる。このため、半導体モジュール１は、放熱層１２が高い放熱特性を維持した状態で製造される。さらに、半導体モジュール１は、高温に曝されたとしても、放熱層１２内に金属炭化物が形成されるような事態が回避されているので、冷熱サイクル後であっても高い放熱特性を維持することができる。半導体モジュール１は、極めて高い信頼性を有することができる。

図３に、半導体モジュール１の定常熱抵抗と放熱層１２の厚みの関係を示す。放熱層１２以外の条件は、以下の通りである。半導体素子４は、５ｍｍ□、厚みが０．１ｍｍ、熱伝導率が４９０Ｗ/ｍＫである。第２接合材２４は、厚みが０．０４ｍｍ、熱伝導率が１００Ｗ/ｍＫである。配線層１５は、５ｍｍ□、厚みが０．２ｍｍ、熱伝導率が３９１Ｗ/ｍＫである。グリス２２は、厚みが０．０１ｍｍ、熱伝導率が２Ｗ/ｍＫである。冷却器２の等価熱伝達率が５０，０００Ｗ/ｍ²Ｋである。第１接合材１４及び絶縁層１３は、厚みが十分に薄いので考慮していない。なお、これらを考慮したとしても、同様の結果が得られる。

図３に示されるように、放熱層１２は、面積が２５ｍｍ^２、５０ｍｍ^２、８０ｍｍ^２、１００ｍｍ^２、２５０ｍｍ^２の５種類を検討した。また、放熱層１２の熱伝導率は２００Ｗ/ｍＫである。上記したように、放熱層１２は、半導体モジュール１を平面視したときに、半導体素子４に対して同心相似形の形態を有する。ここで、面積が２５ｍｍ^２の放熱層１２は、半導体素子４と同面積である。

放熱層１２の面積が２５ｍｍ^２の場合、放熱層１２の厚みが増加すると半導体モジュール１の定常熱抵抗が増加する。これは、放熱層１２の厚みが増加したことにより、放熱層１２の熱抵抗が増加したからである。一方、放熱層１２の面積が１００ｍｍ^２（半導体素子４に対して４倍）及び２５０ｍｍ^２（半導体素子４に対して１０倍）の場合、放熱層１２の厚みが増加すると半導体モジュール１の定常熱抵抗が低下する。これは、放熱層１２の熱抵抗の増加以上に、放熱層１２において熱を側方に向けて拡散させることが可能になり、冷却器２の実効面積を広げることができたからである。このように、比較的に大面積で厚い放熱層１２を採用することにより、半導体モジュール１の定常熱抵抗を低下させることができる。なお、放熱層１２の熱伝導率を変更しても、同様に、放熱層１２の面積が１００ｍｍ^２及び２５０ｍｍ^２の場合に、半導体モジュール１の定常熱抵抗が下に凸となる。

特に、放熱層１２の面積が１００ｍｍ^２であり、放熱層１２の厚みが２ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下の場合の定常熱抵抗は、放熱層１２の厚みが１ｍｍの場合の定常熱抵抗よりも低下する。この種の半導体モジュールで用いられる放熱層の多くが１ｍｍよりも薄いことから、上記半導体モジュール１は従来よりも低い定常熱抵抗を有している。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：半導体モジュール
２：冷却器
４：半導体素子
１０：絶縁基板
１２：放熱層
１３：絶縁層
１４：第１接合材
１５：配線層
２２：グリス
２４：第２接合材

Claims (5)

1. 半導体モジュールであって、
   冷却器上に設けられる放熱層と、
   前記放熱層上に接して設けられている絶縁層と、
   前記絶縁層上に設けられている配線層と、
   前記配線層上に設けられている半導体素子と、を備えており、
   放熱層の厚みが、絶縁層の厚みよりも大きく、
   前記放熱層の材料が、金属−ダイヤモンド複合材であり、
   前記放熱層は、平面視したときに、前記半導体素子の面積に対して１０倍の同心相似形となる領域よりも広範囲に広がっており、
   前記放熱層の厚みは、２ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下である、半導体モジュール。
2. 前記絶縁層の厚みが、０．１ｍｍ以下である、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記配線層の材料は、銅又はアルミニウムであり、
   前記配線層の厚みは、０．３ｍｍ以下である、請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
   気相成長技術を利用して前記放熱層上に前記絶縁層を成膜する成膜工程、を備える製造方法。
5. 前記成膜工程では、スパッタ技術又は化学気相成長技術が用いられる、請求項４に記載の製造方法。