JP2009200258A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】金属配線層のクラックを抑制し，高放熱性を確保する半導体モジュールを提供すること。
【解決手段】半導体モジュール１００は，絶縁基板２０の一方の面を応力緩和層４０と接合し，他方の面上に半導体素子１０を搭載する。半導体モジュール１００は，次の２つの条件を満たしている。すなわち，条件（１）が「応力緩和層４０の降伏応力＞絶縁基板２０の金属配線層２２の降伏応力」であり，条件（２）が「金属配線層２２の線膨張率＞絶縁材２３の線膨張率」である。また，半導体モジュール１００では，金属配線層２２の外周部が弾性樹脂の樹脂モールド５０によってモールドされている。すなわち，樹脂モールド５０は，応力緩和層４０と絶縁基板２０の絶縁材２３との隙間を充填し，両者を接合している。
【選択図】 図１

Description

本発明は，金属配線層が積層された絶縁基板と，その金属配線層と接合する金属ブロックが組み付けられた半導体モジュールに関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等に車載される高耐圧・大電流用のパワーモジュールは，半導体素子の動作時の自己発熱量が大きい。そのため，車載用パワーモジュールは，高放熱性を有する冷却構造を具備する必要がある。

図７は，冷却構造を具備するパワーモジュールの一例を示している。パワーモジュール９０は，半導体素子１０と，半導体素子１０を実装する絶縁基板２０と，内部に冷媒流路を備えた冷却器３０とを有している。絶縁基板２０は，基板となる絶縁材２３と，絶縁材２３の両面に積層された金属配線層２１，２２とからなり，半導体素子１０と金属配線層２１とは半田１５によって接合されている。パワーモジュール９０は，半導体素子１０から発せられる熱を冷却器３０によって放熱する。

このような構造のパワーモジュール９０では，線膨張率差に起因する応力集中が懸念される。つまり，絶縁基板２０の絶縁材２３線膨張率は３〜５ｐｐｍ／℃と小さい。一方，冷却器３０の素材となるアルミの線膨張率は２３ｐｐｍ／℃と比較的大きい。そこで，この線膨張率差を吸収するため，絶縁基板２０と冷却器３０との間には，高熱伝導性を有し，かつ冷却器３０と線膨張率が近い軟金属ブロック（純度が９０％以上の純アルミ等）からなる応力緩和層４０が設けられる。この応力緩和層４０には，多数の貫通穴が設けられており，それら貫通穴が絶縁基板２０と冷却器３０との線膨張歪を吸収する。絶縁基板２０，応力緩和層４０および冷却器３０は，ロウ付けによって一体化される。

また，熱膨張量・熱収縮量の差によって生じる剪断応力を緩和するための技術として，例えば特許文献１に，放熱台板とモールド樹脂との境界部分に低弾性樹脂を備えた半導体装置が開示されている。特許文献１では，低弾性樹脂が放熱台板の輪郭に沿ったクラックの発生を防止するとしている。
特開２００６−８６３４２号公報

しかしながら，前記した従来の半導体モジュールには，次のような問題があった。すなわち，絶縁基板２０の金属配線層２１上には半導体素子１０が半田付けされている。半導体素子１０の線膨張率は３〜５ｐｐｍ／℃であり，半田接合の信頼性を向上させるには，絶縁基板２０として線膨張率を小さくすることが望まれる。そのため，金属配線層２１，２２の材料として，降伏応力が小さい（σｙ＝５〜２０ＭＰａ）軟金属（例えば，高純度アルミ）が選択される。

また，絶縁材２３と冷却器３０との線膨張率差を緩和するためには，両者の間に位置する金属配線層２２および応力緩和層４０の降伏応力は小さい方が好ましい。金属の降伏応力は，純度が高いほど小さい傾向にあるが，一方で純度が高いほど高価になる。そのため，金属配線層２２としては，降伏応力が小さく高価な金属が選択され，応力緩和層４０としては，金属配線層２２と比較して降伏応力が大きく，金属配線層２２と比較して安価な金属が選択されることが多い。

前記のように，金属配線層２２の降伏応力が応力緩和剤４０の降伏応力よりも小さい場合，温度差が大きい熱負荷を繰り返し受けることで，線膨張率差に起因する大きな剪断応力が金属配線層２２に集中する。その結果，金属配線層２２の外周部（図７中の点線枠２２０）にクラックが発生し，放熱性の悪化を招く。

本発明は，前記した従来の半導体モジュールが有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，金属配線層のクラックを抑制し，高放熱性を確保する半導体モジュールを提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた半導体モジュールは，絶縁材に金属配線層を積層し，金属配線層の線膨張率が絶縁材の線膨張率より大きい絶縁基板と，絶縁基板の金属配線層と接合し，降伏応力が金属配線層の降伏応力よりも大きい金属ブロックと，絶縁材と金属ブロックとを接合し，金属配線層の外周部を弾性樹脂でモールドする樹脂モールド部とを備えることを特徴としている。

本発明の半導体モジュールは，絶縁基板の一方の面を金属ブロックと接合し，他方の面に半導体素子等を搭載するものである。本発明の半導体モジュールは，次の２つの条件を満たしている。すなわち，条件（１）が「金属ブロックの降伏応力＞金属配線層の降伏応力」であり，条件（２）が「金属配線層の線膨張率＞絶縁材の線膨張率」である。金属ブロックとしては，例えば，放熱板や冷却器等の冷却部材，あるいは冷却部材と絶縁基板との線膨張率差に起因する応力歪を緩和するための軟金属ブロックがある。

さらに，本発明の半導体モジュールでは，金属ブロックと接合する金属配線層の外周部が弾性樹脂の樹脂モールド部によってモールドされている。すなわち，本発明の半導体モジュールでは，樹脂モールド部が金属ブロックと絶縁基板の絶縁材との隙間を充填し，絶縁材と金属ブロックとを接合している。樹脂モールド部としては，ヤング率が１５ＧＰａから３０ＧＰａの範囲内の弾性樹脂であることが好ましく，例えばエポキシ系の熱硬化性樹脂が適用可能である。

樹脂モールド部は，ヤング率が小さいものの，弾性材料であるために降伏し難い。そのため，樹脂モールド部は，降伏応力が小さい金属配線層よりも剛性が高く，剪断応力をより多く負担することになる。その結果，剪断歪分布は，接合端である樹脂モールド部に集中する。これにより，樹脂モールド部の内側に位置する金属配線層が負担する剪断応力が緩和され，金属配線層のクラックが抑制される。

また，本発明の半導体モジュールの樹脂モールド部は，絶縁材の領域の端部から金属配線層の領域の端部までの領域をモールドするとよりよい。すなわち，当該領域のみをモールドすることで，極少量の樹脂で効果を発揮することができる。

また，本発明の半導体モジュールは，金属ブロックの，金属配線層と接合する側の面に，底面の面積が絶縁材の投影領域の面積よりも大きく，深さが金属配線層の厚み以上となる凹部が設けられ，金属配線層は，凹部に収容され，樹脂モールド部は，金属配線層の端部と凹部の側壁との隙間を充填するとよりよい。このような構成にすることで，樹脂ディスペンサによる樹脂の塗布が容易になる。

また，本発明の半導体モジュールは，冷却部材を備え，金属ブロックは，金属配線層と接合する面の反対側の面が冷却部材と接合し，伝熱機能と応力緩和機能とを兼ねるとよりよい。本発明は，このような構成の半導体モジュールに好適である。

本発明によれば，金属配線層のクラックを抑制し，高放熱性を確保する半導体モジュールが実現されている。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，以下の形態では，ハイブリッド自動車用のインテリジェントパワーモジュールとして本発明を適用する。

［パワーモジュールの構成］
本形態のパワーモジュール１００は，図１に示すように，発熱体である半導体素子１０と，半導体素子１０を実装するセラミック基板２０と，内部に冷媒流路を備えた冷却器３０と，セラミック基板２０と冷却器３０との間に介在し，両者の線膨張率差による応力歪を緩和する応力緩和機能を有する応力緩和層４０とを備えている。パワーモジュール１００は，半導体素子１０からの熱をセラミック基板２０および応力緩和層４０を介して冷却器３０に放熱する。

また，セラミック基板２０は，セラミックからなる絶縁材２３と，絶縁材２３の両面に位置する金属配線層２１，２２とからなり，半導体素子１０と金属配線層２１とは半田１５によって接合されている。セラミック基板２０の詳細は後述する。また，パワーモジュール１００には，金属配線層２２の外周部を弾性樹脂でモールドする樹脂モールド５０が設けられている。樹脂モールド５０の詳細についても後述する。なお，以下の説明では，半導体素子１０側の金属配線層２１を「上側金属配線層２１」とし，応力緩和層４０側の金属配線層２２を「下側金属配線層２２」とする。

半導体素子１０は，インバータ回路を構成する電子部品（ＩＧＢＴやダイオード等）である。半導体素子１０は，セラミック基板２０上に複数実装され，半田付けによって固定される。なお，車載用のパワーモジュールには，多くの半導体素子が搭載されるが，本明細書では説明を簡略化するためにその一部のみを概略図示している。

セラミック基板２０の絶縁材２３は，必要とされる絶縁特性，熱伝導率および機械的強度を満たしていれば，どのようなセラミックから形成されていてもよい。例えば，酸化アルミニウムや窒化アルミニウムが適用可能である。本形態では，絶縁材２３として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いる。なお，絶縁材２３の線膨張率は，３〜５ｐｐｍ／℃の範囲内である。

絶縁材２３の上面には，パターンが形成された上側金属配線層２１が設けられている。上側金属配線層２１は，半田１５の接合信頼性を確保するため，降伏応力が小さい（σｙ＝５〜２０ＭＰａ）軟金属が選択される。また，上側金属配線層２１には，電気伝導率が高く，はんだとの濡れ性に優れた金属が好適である。一方，絶縁材２３の下面には，下側金属配線層２２が設けられている。下側金属配線層２２は，応力緩和機能を兼ねるため，降伏応力が小さい軟金属が選択される。また，下側金属配線層２２には，熱伝導率が高く，ロウ材との濡れ性に優れた金属が好適である。本形態では，上側金属配線層２１および下側金属配線層２２ともに，純度が９９．９９％以上の高純度アルミを適用する。

なお，上側金属配線層２１および下側金属配線層２２の線膨張率は，１５〜２５ｐｐｍ／℃の範囲内である。すなわち，セラミック基板２０の下側金属配線層２２と絶縁材２３とは，次の関係（１）を満たす。
下側金属配線層２２の線膨張率＞絶縁材２３の線膨張率 （１）

応力緩和層４０には，アルミ製の冷却器３０とセラミック基板２０との線膨張率差による応力歪を吸収する応力吸収空間である貫通穴が設けられている。本形態の応力緩和層４０は，純度が９０％以上の純アルミ板である。応力緩和層４０の線膨張率は，アルミニウムの固有値と等しい２３．５ｐｐｍ／℃である。純アルミは，ヤング率が７０．３ＧＰａと比較的軟らかい材料であり，応力に対する変形が大きい。そのため，冷却器３０とセラミック基板２０との間の応力歪を緩和できる。

また，応力緩和層４０の材料である高純度アルミは，高熱伝導性を有する。そのため，応力緩和層４０は，半導体素子１０からの熱を応力緩和層４０の面方向に散熱するとともに冷却器３０に伝熱する機能を有している。つまり，応力緩和層４０は，応力緩和機能とともに伝熱機能を兼ねている。

なお，応力緩和層４０の降伏応力は，σｙ＝２５〜３０ＭＰａの範囲内である。すなわち，応力緩和層４０（純アルミ）と下側金属配線層２２（高純度アルミ）とは，次の関係（２）を満たす。
応力緩和層４０の降伏応力＞下側金属配線層２２の降伏応力 （２）

冷却器３０は，その内部に列状に等間隔配置された冷却フィン３１を有し，隣り合う冷却フィン３１，３１間に冷媒流路３５を形成する。冷却器３０を構成する各部材には，高熱伝導性を有し軽量であるアルミが適用可能である。冷媒としては，液体および気体のいずれを用いてもよい。

セラミック基板２０と応力緩和層４０とは，半導体素子１１からの熱を効率よく冷却器３０に伝達させるため，ロウ付けによって冷却器３０上に直接接合される。ロウ材としては，Ａｌ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等のアルミニウムロウ材が適用可能である。本形態では，Ａｌ−Ｓｉ系合金を用い，６００℃弱の温度でロウ付けを行う。なお，冷却器３０と応力緩和材４０等との接合は，冷却器３０の形成と同時に行ってもよい。

続いて，セラミック基板２０の応力緩和層４０側の下側金属配線層２２の外周をモールドする樹脂モールド５０について，図１から図３に示す概略構成図を参照しつつ説明する。なお，図２は，図１中の半田１５より上を省略した状態のパワーモジュール１００の構成を示している。図３は，図１中の絶縁材２３より上を省略した状態のパワーモジュール１００の構成を示している。

樹脂モールド５０は，図１に示したように，下側金属配線層２２の端部と接合し，さらにセラミック基板２０の絶縁材２３と応力緩和層４０とを接合している。また，樹脂モールド５０は，図１および図２に示したように，絶縁材２３の厚さ方向（図１の上下方向）から見て，下側金属配線層２２の端部から絶縁材２３の端部までの領域（図１の幅Ｘの領域）をモールドしている。また，樹脂モールド５０は，図３に示したように，下側金属配線層２２の外周全域を囲っている。

樹脂モールド５０の材料物性としては，弾性材であり，ヤング率が１５ＧＰａから３０ＧＰａの範囲内であればよい。また，線膨張率は５〜２０ｐｐｍ／℃の範囲内が望ましい。本形態の樹脂モールド５０は，エポキシ系の熱硬化性樹脂である。

樹脂モールド５０は，樹脂ディスペンサによって絶縁材２３と応力緩和層４０との隙間から充填される。なお，樹脂モールド５０の形成は，セラミック基板２０と応力緩和層４０とのロウ付け前に行われる。

本形態のパワーモジュール１００では，絶縁材２３と冷却器３０との線膨張率差が大きい。そのため，温度差による熱負荷を繰り返し受けることにより，降伏応力が応力緩和層４０より小さい下側金属配線層２２に大きな剪断応力が発生する。ここで，２つの異種材料の部材間に接合層（パワーモジュール１００では下側金属配線層２２）を挟んだ構造における接合層の剪断歪については，剪断遅れの理論により，接合層の剛性が小さい場合には剪断歪が直線分布となり，接合層の剛性が大きい場合には剪断歪が接合端近傍に集中することがわかっている。

樹脂モールド５０は，ヤング率が１５〜３０ＧＰａと比較的小さいが，弾性材であり降伏し難い。そのため，剪断応力が大きい領域（２０ＭＰａ以上）においては，下側金属配線層２２よりも剛性が高くなる。本形態のパワーモジュール１００では，下側金属配線層２２の周辺を剛性が高い樹脂モールド５０で囲むことで，剪断歪分布は接合端である樹脂モールド５０に集中することになる。そのため，樹脂モールド５０の内部側に位置する下側金属配線層２２が負担する剪断応力が緩和される。よって，下側金属配線層２２のクラックが抑制される。

また，樹脂モールド５０は，絶縁材２３の端部までの領域をモールドしており，セラミック基板２０全体をモールドするものと比較して，極少量の樹脂で効果を発揮することができる。また，樹脂モールド５０は，下側金属配線層２２の外周全域を囲っており，一部を囲むものと比較して応力集中の発生が抑えられる。

［ＦＥＭ解析］
続いて，ＦＥＭ解析によるシミュレーション結果について説明する。被検体の構造は，アルミ冷却器に，純アルミの応力緩和層（軟金属ブロック）を介して，絶縁基板（窒化アルミの絶縁材の両面上に高純度アルミの金属配線層を積層）をロウ付けした構造とする。そして，絶縁基板の下側金属配線層の周囲を樹脂モールドで囲むもの（本形態）と，囲まないもの（従来例）とを被検体とした。また，樹脂モールドの材料として，（１）ヤング率Ｅ＝１５ＧＰａ，線膨張率α＝２０ｐｐｍ／℃のものと，（２）ヤング率Ｅ＝３０ＧＰａ，線膨張率α＝５ｐｐｍ／℃のものとの２種類を設定した。

また，各部材の寸法としては，次の通りである。
絶縁材：約２０ｍｍ×３５ｍｍ×０．５ｍｍ
上側金属配線層：約２０ｍｍ×３５ｍｍ×０．５ｍｍ
下側金属配線層：約２０ｍｍ×３５ｍｍ×０．５ｍｍ
軟金属ブロック：約２０ｍｍ×３５ｍｍ×１．０ｍｍ
冷却器全体：約７０ｍｍ×５５ｍｍ×８．０ｍｍ
樹脂モールド：幅：約１．５ｍｍ，厚さ：０．５ｍｍ

上記の被検体について，均一温度分布で，３０分間隔で，温度−４０℃と１０５℃とが繰り返されるものとした。図４に，シミュレーション結果を示す。図４に示すように，樹脂モールドがない従来の形態と比較して，材料（１）を使用した樹脂モールドの形態では，下側金属配線層の塑性歪振幅の割合が７３％減少することがわかる。また，材料（２）を使用した樹脂モールドの形態では，下側金属配線層の塑性歪振幅の割合が７５％減少することがわかる。

［応用例］
続いて，実施の形態のパワーモジュール１００の応用例について説明する。応用例のパワーモジュール１１０は，図５に示すように，応力緩和層４５に，凹部４１が設けられ，下側金属配線層２２が凹部４１に収容されている。この点，下側金属配線層２２が平面の応力緩和層４０上に接合される実施の形態とは異なる。

具体的に，応力緩和層４５の凹部４１は，底面の面積が絶縁材２３の投影領域の面積よりも大きく，深さが下側金属配線層２２の厚みよりも大きい。そして，凹部４１の底面が，下側金属配線層２２の下面と接している。

さらに，凹部４１に生じる隙間，すなわち下側金属配線層２２の端部と凹部４１の側壁との間の領域を樹脂モールド５１で充填している。樹脂モールド５１の材料としては，実施の形態の樹脂モールド５０と同じである。凹部４１の深さが下側金属配線層２２の厚みよりも大きいことから，樹脂モールド５１は，絶縁材２３の下側の面とも接合している。すなわち，モールド樹脂５１は，下側金属配線板２２の外周部を囲み，応力緩和層４５と絶縁材２３とを接合している。これにより，実施の形態と同様に，下側金属配線層２２のクラックの抑制が期待できる。

また，凹部４１の底面の面積が絶縁材２３の投影領域の面積よりも大きいことから，上下方向から見て，絶縁材２３の端部と凹部４１の壁面との間にはスペースが存在する。そのため，応用例のパワーモジュール１１０では，図６に示すように，上下方向からモールド樹脂を塗布することができ，樹脂ディスペンサ６０によるモールド樹脂の塗布が容易である。

以上詳細に説明したように本実施の形態の半導体モジュール１００では，応力緩和層４０と接合する下側金属配線層２２の外周部が弾性樹脂の樹脂モールド５０によってモールドされている。すなわち，樹脂モールド５０が，応力緩和層４０と絶縁材２３との隙間を充填し，両者を接合している。樹脂モールド５０は，ヤング率が小さいものの，弾性材料であるために降伏に難い。そのため，樹脂モールド５０は，降伏応力が小さい下側金属配線層２２よりも剛性が高く，剪断応力をより多く負担することになる。その結果，剪断歪分布は，接合端である樹脂モールド５０に集中する。これにより，樹脂モールド５０の内側に位置する下側金属配線層２２が負担する剪断応力が緩和され，下側金属配線層２２のクラックが抑制される。従って，金属配線層のクラックを抑制し，高放熱性を確保する半導体モジュールが実現している。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，本実施の形態では，セラミック基板２０の絶縁材２３の外周サイズの範囲内で樹脂モールド５０を形成しているが，セラミック基板２０全体を囲むように樹脂モールドを構成したとしても剪断歪抑制の効果を発揮することができる。

また，半導体素子からの熱を放熱する部材は，冷媒流路を有する冷却器に限るものではない。例えば，安価で高熱伝導性を有する材料（アルミや銅等）からなる金属板を用いた放熱板であってもよい。

実施の形態にかかるパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。 実施の形態にかかるパワーモジュールの構成（図１中の半田より上は不図示）を示す概略斜視図である。 実施の形態にかかるパワーモジュールの構成（図１中の絶縁材より上は不図示）を示す概略斜視図である。 シミュレーション結果を示すグラフである。 応用例にかかるパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。 モールド樹脂の塗布例を示す概略断面図である。 従来の形態にかかるパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。

符号の説明

１０ 半導体素子
２０ セラミック基板（絶縁基板）
２１ 上側金属配線層
２２ 下側金属配線層（金属配線層）
３０ 冷却器（冷却部材）
４０，４５ 応力緩和層（金属ブロック）
４１ 凹部
５０ 樹脂モールド
１００ パワーモジュール（半導体モジュール）

Claims (5)

1. 絶縁材に金属配線層を積層し，前記金属配線層の線膨張率が前記絶縁材の線膨張率より大きい絶縁基板と，
   前記絶縁基板の金属配線層と接合し，降伏応力が前記金属配線層の降伏応力よりも大きい金属ブロックと，
   前記絶縁材と前記金属ブロックとを接合し，前記金属配線層の外周部を弾性樹脂でモールドする樹脂モールド部とを備えることを特徴とする半導体モジュール。
2. 請求項１に記載する半導体モジュールにおいて，
   前記樹脂モールド部は，前記絶縁材の領域の端部から前記金属配線層の領域の端部までの領域をモールドすることを特徴とする半導体モジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載する半導体モジュールにおいて，
   前記金属ブロックには，前記金属配線層と接合する側の面に，底面の面積が前記絶縁材の投影領域の面積よりも大きく，深さが前記金属配線層の厚み以上となる凹部が設けられ，
   前記金属配線層は，前記凹部に収容され，
   前記樹脂モールド部は，前記金属配線層の端部と前記凹部の側壁との隙間を充填することを特徴とする半導体モジュール。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載する半導体モジュールにおいて，
   前記樹脂モールド部の弾性樹脂のヤング率は，１５ＧＰａから３０ＧＰａの範囲内であることを特徴とする半導体モジュール。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載する半導体モジュールにおいて，
   冷却部材を備え，
   前記金属ブロックは，前記金属配線層と接合する面の反対側の面が前記冷却部材と接合し，伝熱機能と応力緩和機能とを兼ねることを特徴とする半導体モジュール。

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