半导体模块和其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体模块，特别是涉及一种半导体模块内的配线连接的接合构造。
【背景技术】
[0002]近年来，由于环境限制的提高，考虑到环境问题的高效、节能的半导体模块的需求正在提高。半导体模块被用于工业设备、具有电动机的家电的驱动控制设备、面向电动车辆、混合动力车辆的车载控制设备、铁道控制设备、太阳能发电的控制设备等，并被要求应对高功率。特别是在车载控制设备、铁道控制设备中，从节能的角度、抑制电能的转换损失的角度出发，要求半导体模块在高负载环境下(高温环境下)进行使用(高Tj化)，即使在高温环境下，也要高效、低损耗地进行动作。具体地说，目前为止的通常的动作温度是小于或等于Tj = 125、150°C，但今后考虑实现大于或等于Tj = 175°C、200°C的高温环境下的动作。
[0003]因此，为了在上述高温环境下抑制通断损失而实现低损耗化、高温状态下的高效化，需要重新研究半导体模块的材料、构造。特别是与外部电极连接的配线连接部最容易劣化，配线连接部的高品质、高可靠性、高寿命化的实现是较大的课题。
[0004]在现有的焊料材料的情况下，在通过金属板夹持半导体元件而形成的夹层构造的半导体模块中，分别对半导体元件的背面电极和表面电极实施伴随加热的软钎焊。因此，存在下述问题，即，如果在对半导体元件的背面电极进行软钎焊之后，对表面电极进行软钎焊，则由于表面电极的软钎焊时的加热，而使半导体元件的背面焊料再次熔融，背面金属化的Ni侵蚀加深，其结果，导致半导体元件发生剥离。
[0005]因此，具有下述半导体模块，其取代焊料材料而使用含有金属颗粒的烧结接合材料进行配线连接(例如，参照专利文献I)。
[0006]专利文献1:日本特开2007 - 214340号公报
[0007]但是，即使在使用烧结接合材料的情况下，也需要分别针对半导体元件的背面电极和表面电极实施接合工序。烧结接合材料与焊料材料相比，要在高温环境下经历长时间的加过程而进行接合，因此，存在在半导体模块的各个部件中产生热应力，发生畸变、翘曲的问题。此外，烧结接合材料是周围包覆有表面稳定剂的金属颗粒稳定地分散在溶剂中的构造，通过加热会引起表面稳定剂(溶剂)的挥发。因此，在背面电极的接合时，挥发出的溶剂附着于半导体元件的表面电极，由此，表面电极被污染，在与表面电极的接合部中，无法确保接合品质。
【发明内容】
[0008]因此，本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种具有接合强度高、高寿命的配线连接部的半导体模块以及其制造方法。
[0009]本发明的半导体模块具有:半导体元件，其具有第I主面和与第I主面相对的第2主面，分别在第I主面具有表面电极，在第2主面具有背面电极；金属板，其隔着使用了金属纳米颗粒的烧结接合材料而与半导体元件的背面电极电连接；以及平板状的导体，其隔着使用了金属纳米颗粒的烧结接合材料而与半导体元件的表面电极电连接，在金属板以及导体设置有从与半导体元件进行接合的接合区域连通至该接合区域的外部的导通路径。
[0010]发明的效果
[0011]本发明的半导体模块具有:半导体元件，其具有第I主面和与第I主面相对的第2主面，分别在第I主面具有表面电极，在第2主面具有背面电极；金属板，其隔着使用了金属纳米颗粒的烧结接合材料而与半导体元件的背面电极电连接；以及平板状的导体，其隔着使用了金属纳米颗粒的烧结接合材料而与半导体元件的表面电极电连接，在金属板以及导体设置有从与半导体元件进行接合的接合区域连通至该接合区域的外部的导通路径。由此，形成具有接合强度高、高寿命的配线连接部的半导体模块。
【附图说明】
[0012]图1是表示实施方式I所涉及的半导体模块的结构的剖视图。
[0013]图2是表示实施方式I所涉及的半导体模块的金属板的结构的俯视图。
[0014]图3是表示实施方式I所涉及的半导体模块的金属板的结构的俯视图。
[0015]图4是表示实施方式I所涉及的半导体模块的金属板的结构的俯视图。
[0016]图5是实施方式I所涉及的半导体模块的金属板的俯视图。
[0017]图6是表示实施方式I的变形例所涉及的半导体模块的结构的剖视图。
[0018]图7是表示实施方式2所涉及的半导体模块的结构的剖视图。
[0019]图8是实施方式2所涉及的半导体模块的导体的俯视图。
[0020]图9是表示实施方式2的变形例所涉及的半导体模块的导体的俯视图。
【具体实施方式】
[0021]<A.实施方式1>
[0022]〈A-1.结构〉
[0023]图1是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体模块100的结构的剖视图。在图1中，半导体模块100具有2个半导体元件1、绝缘金属层3、金属板4、导体5、信号端子7、导线8以及封装树脂9。
[0024]半导体元件I在表面(第I主面)具有表面电极，在背面(第2主面)具有背面电极。如果以IGBT作为半导体元件1，则表面电极是栅极电极以及发射极电极，背面电极是集电极电极。在半导体模块100中，作为半导体元件I而将IGBT等具有通断功能的半导体元件、和具有二极管功能的半导体元件这两种半导体元件作为一对进行使用。此外，也可以使用除了 IGBT以外的M0SFET、其他晶体管，但是，在下面的说明中，半导体元件I是IGBT和二极管。
[0025]半导体元件I的背面电极通过烧结接合材料2而与金属板4连接。烧结接合材料2包含金属纳米颗粒和包覆金属纳米颗粒周围的表面稳定剂(溶剂)。金属纳米颗粒是直径处于几nm?10nm左右的Ag、Cu、Au、Pd、Pt等,但是,在本说明书中，对金属颗粒使用Ag的情况进行说明。
[0026]金属板4是由铜或者铜合金等金属构成的厚度大约大于或等于3mm而小于5mm的板。金属板4的热传导率较大，大约是400W/ (m.k)，具有作为散热板的功能，其电阻率较小，大约是2 μ Ω.cm。MOSFET、IGBT等半导体元件I由于对大电流进行通断控制，因此发热量较大，因此，需要热传导率较高的作为散热板起作用的金属板4。另外，金属板4与外部端子相连，半导体元件I的背面的集电极电极经由金属板4而与外部端子电连接。
[0027]在金属板4的与向半导体元件I进行接合的接合面相对的面，固定绝缘金属层3。绝缘金属层3是绝缘层与保护金属层的层叠构造。绝缘层使用混入有氮化硼、氧化铝等填料的环氧树脂，并在绝缘层上固定有由热传导性高的铜或者铝等构成的保护金属层。此外，绝缘金属层3的保护金属层与金属板4接合。
[0028]半导体元件I发出的热量向金属板4和绝缘金属层3传递而进行散热。此外，绝缘金属层3与具有散热板或者多个翅片的散热器、或者水冷翅片连接，而具有较高的散热性能或者冷却性能。由此，抑制半导体元件I的温度上升。
[0029]半导体元件I的表面的栅极电极通过导线8而与信号端子7连接。通过信号端子7，实现从外部向半导体元件I的输入(开关0N/0FF控制)以及外部控制。另外，半导体元件I的表面的发射极电极与和外部输出相连的导体5连接。导体5是由铜或者铜合金构成的、厚度大约大于或等于0.5mm而小于2.0mm的平板。
[0030]另外，半导体模块100的上述结构要素通过树脂9进行封装。此外，图中的绝缘金属层3的背面从树脂9露出。但是，半导体模块100也可以不具有绝缘金属层3，在这种情况下，成为金属板4的背面从树脂9露出的结构。
[0031]另外，也可以取代金属板4以及绝缘金属层3而使用绝缘基板(例如，氮化铝等陶瓷基板)。
[0032]下面，说明半导体元件I的表面电极以及背面电极的接合部。目前，关于从半导体元件的表面向外部电极的配线连接，通过使用铝等金属导线的导线接合而进行固相接合。在功率用半导体模块中，为了对大电流进行通断控制，将多根金属导线并联配设，并且，采用线径大约是500 μ m左右的粗金属导线而进行应对，但是，无论从电容的角度考虑，还是从接合部的寿命的角度考虑，都已经达到了极限。随着功率半导体装置的小型化，半导体元件的尺寸也变小，因此，金属导线的并联数无法增加。另外，如果将金属导线的线径变大，则必须提高在将金属导线与半导体元件I的表面电极接合时的施加压力、振动施加力，但是，如果这些力的值过大，则导致半导体芯片被破坏。并且，功率半导体装置必须承受