半导体模块以及半导体模块的制造方法与流程

本发明涉及半导体模块以及半导体模块的制造方法，特别是涉及包括功率半导体元件在内的功率半导体模块以及功率半导体模块的制造方法。

背景技术：

半导体模块通常具有：具有导体图案的基板；具有与导体图案接合的背面和设置有表面电极的表面的半导体元件；以及与表面电极接合的接合线。上述基板、半导体元件和接合线通常由热硬化性树脂或者凝胶状树脂等密封材料密封。

这样的半导体模块的一例记载于专利文献1(日本特开2009-302261号公报)。在专利文献1记载的半导体模块中，以从半导体芯片产生的热的扩散为目的，接合线与半导体元件的表面电极的接合部由热传导率高的覆盖层涂布。该覆盖层是通过蒸镀等而形成的铜(Cu)等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-302261号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

专利文献1记载的半导体模块通过利用热传导率高的覆盖层对接合线与半导体元件的表面电极的接合部进行涂布，从而能够促进在半导体元件中产生的热的扩散。

但是，专利文献1记载的覆盖层是通过蒸镀等而形成的Cu等。因此，专利文献1记载的覆盖层不利于半导体元件的表面电极与接合线的接合部的强度提高。换言之，半导体元件的表面电极与接合线的接合部的长寿命化的课题在专利文献1记载的半导体模块中既没有记载也没有启示。

本发明是鉴于上述以往技术问题而做出的发明。具体而言，本发明提供能够使半导体元件的表面电极与接合线的接合部长寿命化的半导体模块。

用于解决课题的手段

本发明的半导体模块具有：半导体元件，该半导体元件具有表面电极；接合线，该接合线具有与表面电极接合的接合部；第1密封构件；以及第2密封构件。第1密封构件对表面电极与接合线接合的部分进行密封。第2密封构件覆盖第1密封构件。第1密封构件与第2密封构件相比弹性率高。

发明效果

根据本发明的半导体模块，能够使半导体元件的表面电极与接合线的接合部长寿命化。

附图说明

图1是第1实施方式的半导体模块的剖视图。

图2是第1实施方式的半导体模块的表面电极的上表面图。

图3是第1实施方式的第1变形例的半导体模块的表面电极的上表面图。

图4是第1实施方式的第1变形例的半导体模块的表面电极的剖视图。

图5是第1实施方式的第2变形例的半导体模块的表面电极的上表面图。

图6是第1实施方式的第2变形例的半导体模块的表面电极的剖视图。

图7是第1实施方式的第3变形例的半导体模块的表面电极的上表面图。

图8是第1实施方式的半导体模块的第1密封工序中的剖视图。

图9是第2实施方式的半导体模块的剖视图。

图10是第2实施方式的半导体模块的表面电极的上表面图。

图11是第2实施方式的第1变形例的半导体模块的表面电极的上表面图。

图12是第2实施方式的第2变形例的半导体模块的表面电极的上表面图。

图13是第2实施方式的第3变形例的半导体模块的表面电极的上表面图。

图14是第2实施方式的半导体模块的制造工序中的剖视图。

图15是第2实施方式的半导体模块的制造工序的变形例中的剖视图。

图16是第3实施方式的半导体模块的表面电极周边的剖视图。

图17是第3实施方式的半导体模块的凹部形成工序中的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式进行说明。此外，对各图中相同或者相当的部分标注相同附图标记。另外，也可以任意地组合以下记载的实施方式的至少一部分。

(第1实施方式)

以下，对第1实施方式的半导体模块的构造进行说明。

图1是第1实施方式的半导体模块的剖视图。如图1所示，第1实施方式的半导体模块主要具有绝缘基板1、半导体元件2、接合线3、第1密封构件4以及第2密封构件5。

第1实施方式的半导体模块还可以具有底板6、壳体7和散热器8。

第1实施方式的绝缘基板1具有绝缘层11和导体图案12。绝缘层11具有表面11a和背面11b。背面11b是表面11a的相反侧的面。对于绝缘层11，例如使用氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)等。

导体图案12在绝缘层11上，形成于表面11a侧以及背面11b侧。对于导体图案12，例如使用铜(Cu)。

半导体元件2具有表面2a以及背面2b。背面2b是表面2a的相反侧的面。半导体元件2例如是具有电流从表面2a侧向背面2b侧流动的纵型构造的功率半导体元件。半导体元件2例如是IGBT

(Insulated Gate Bipolar Transistor)、纵型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)那样的开关元件、或者是肖特基势垒二极管那样的整流元件。

半导体元件2例如使用硅(Si)的单晶而形成。构成半导体元件2的半导体材料不限于硅(Si)的单晶。例如也可以是碳化硅(SiC)、氮化硅(GaN)等具有宽带隙的半导体材料。

半导体元件2具有背面电极21。背面电极21形成于半导体元件2的背面2b侧。对于背面电极21，例如使用含有Si的铝(Al)合金等。背面电极21也可以具有覆盖层。对于覆盖层，例如使用镍(Ni)、金(Au)或者将它们层叠而成的构造。

背面电极21与绝缘基板1的表面11a侧的导体图案12接合。背面电极21与表面11a侧的导体图案12经由第1接合构件(未图示)而接合。作为第1接合构件，例如使用焊锡、烧结性银颗粒等。

半导体元件2具有表面电极22。表面电极22形成于半导体元件2的表面2a侧。对于表面电极22，例如使用含有Si的Al合金等。表面电极22也可以具有覆盖层。对于覆盖层，例如使用Ni、Au或者将它们层叠而成的构造。

接合线3具有接合部31。接合线3在接合部31与表面电极22接合。对于接合线3，例如使用Au、Al、Cu等。接合部31具有外周32。接合线3以及表面电极22存在在接合部31的外周32形成切口形状的情况。

第1密封构件4对接合部31进行密封。图2是第1实施方式的半导体模块中的表面电极22的上表面图。如图1以及图2所示，接合部31周围的接合线3由第1密封构件4覆盖。

但是，第1密封构件4无需覆盖接合部31周围的接合线3整体。图3是第1实施方式的第1变形例的半导体模块的表面电极22的上表面图。图4是图3中的IV-IV截面的剖视图。如图3以及图4所示，在第1实施方式的第1变形例中，接合部31上方的接合线3未被第1密封构件4覆盖。但是，在第1实施方式的第1变形例中，在接合部31的外周32，第1密封构件4填充于接合线3与表面电极22之间。

第1密封构件4也可以不遍及接合部31的外周32的整周地填充于接合线3与表面电极22之间。图5是第1实施方式的第2变形例的半导体模块的表面电极22的上表面图。图6是图5(A)中的VI-VI截面的剖视图。如图5以及图6所示，在第1实施方式的第2变形例中，第1密封构件4在接合部31的外周32的一部分填充于接合线3与表面电极22之间。像这样，第1密封构件4只要在接合部31的外周32的至少一部分填充于接合线3与表面电极22之间即可。

图7是第1实施方式的第3变形例的半导体模块的表面电极的上表面图。如图7所示，在第1实施方式的第3变形例中，多个接合部31由第1密封构件4一并密封。在该情况下，也可以由第1密封构件4一并密封全部的接合部31。另外，也可以由第1密封构件4一并密封全部的接合部31中的一部分。

第1密封构件4与第2密封构件5相比弹性率高。第1密封构件4优选具有与接合线3相同程度的弹性率。更具体而言，第1密封构件4的弹性率优选为70GPa以上。

作为第1密封构件4，例如能够使用弹性率高的树脂。用作第1密封构件4的树脂优选为玻璃化转变温度高。具体而言，用于第1密封构件4的树脂优选具有比半导体模块的最高使用温度高的玻璃化转变温度。具体而言，用于第1密封构件4的树脂优选具有150℃以上的玻璃化转变温度。

通常，作为半导体元件的密封构件，使用具有绝缘性的材料。但是，在第1实施方式的半导体模块中，作为第1密封构件4，不仅能够使用绝缘性材料，也能够使用导电性材料。即，第1密封构件4的电导率也可以比第2密封构件5的电导率高。第1密封构件4被第2密封构件5进一步密封，从而确保半导体元件2与导体图案等之间的绝缘。因此，第1密封构件4不限于树脂材料。

更具体而言，作为第1密封构件4，能够使用含有填料的树脂。作为该填料，例如为金属或者陶瓷。而且，作为第1密封构件4，例如也能够使用金属材料。作为用作第1密封构件4的金属材料，例如为锡(Sn)合金等焊锡。

如图1所示，第2密封构件5填充于第1实施方式的半导体模块的内部。更具体而言，第2密封构件5填充于由底板6和壳体7划分出的区域的内部。由此，对绝缘基板1、半导体元件2和接合线3进行密封。但是，第2密封构件5无需对绝缘基板1、半导体元件2和接合线3均进行密封。第2密封构件5只要至少覆盖第1密封构件4即可。

第2密封构件5具有绝缘性。优选地，第2密封构件5与第1密封构件4相比绝缘破坏强度高。更具体而言，第2密封构件5优选具有10kV(1mm)的绝缘破坏强度。

第2密封构件5优选具有低弹性率。由此，能够防止第2密封构件5在半导体元件2的表面因热膨胀率的不同而被剥离。更具体而言，第2密封构件5的弹性率优选为30GPa以下。作为用于第2密封构件的材料，例如为硅凝胶。

底板6具有表面6a和背面6b。背面6b是表面6a的相反侧的面。底板6由热传导性高的材料构成。对于底板6，例如使用Cu。底板6的表面6a与形成在绝缘基板1的背面11b侧的导体图案12接合。导体图案12与底板6由第2接合构件(未图示)接合。作为第2接合构件，例如使用焊锡、烧结性银颗粒。

壳体7具有侧壁71和底部72。对于壳体7，例如使用聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)等。壳体7在底部72与底板6的表面6a接合。壳体7以及底板6构成第1实施方式的半导体模块的框体。

散热器8具有表面8a和背面8b。背面8b是表面8a的相反侧的面。散热器8由热传导性高的材料构成。对于散热器8，例如使用Al。散热器8的表面8a与底板6的背面6b接合。散热器8与底板6由第3接合构件(未图示)接合。第3接合构件例如为传热性润滑脂。

从半导体元件2产生的热经由绝缘基板1以及底板6，向散热器8运送。运送到散热器8的热经由散热器8的背面8b向第1实施方式的半导体模块的外部散热。

以下，对第1实施方式的半导体模块的制造工序进行说明。

第1实施方式的半导体模块的制造工序具有接合工序S1、第1密封工序S2和第2密封工序S3。

在接合工序S1中，绝缘基板1与底板6接合。在接合工序S1中，半导体元件2与绝缘基板1接合。在接合工序S1中，接合线3与半导体元件2的表面电极22线接合。而且，在接合工序S1中，壳体7与底板6接合。由此，形成进行密封前的半导体模块的构造。

图8是第1实施方式的半导体模块的第1密封工序S2中的剖视图。在第1密封工序S2中，第一，如图8(A)所示，液态的第1密封构件4向接合部31供给。在第1密封构件4为树脂的情况下，主剂和硬化剂的混合物向接合部31的附近滴下。在第1密封构件4为焊锡合金的情况下，利用焊烙铁而熔化的焊锡向接合部31供给。

在第1密封工序S2中，第二，被供给的液态的第1密封构件4硬化。在第1密封构件4为树脂的情况下，例如通过将被供给的液态的第1密封构件4保持在常温下，从而第1密封构件4硬化。在第1密封构件4为焊锡合金的情况下，通过冷却被供给的液态的第1密封构件4，从而第1密封构件4硬化。由此，如图8(B)所示，接合部31由第1密封构件4密封。

在第2密封工序S3中，在由壳体7和底板6划分出的第1实施方式的半导体模块的内部，供给液态的第2密封构件5。通过使该液态的第2密封构件5硬化，从而如图1所示，第1密封构件4、绝缘基板1、半导体元件2和接合线3被密封。

以下，对第1实施方式的半导体模块的效果进行说明。

在表面电极22与接合线3的接合部31，由于接合线3和半导体元件2的热膨胀系数之差而产生反复热应力。在接合部31的外周32，存在由于接合线3和表面电极22而形成切口形状的情况。像这样的切口形状容易成为应力集中的部位。因此，该热应力容易集中于接合部31的外周32。

但是，对于第1实施方式的半导体模块而言，至少表面电极22与接合线3的接合部31的外周32由第1密封构件4密封。另外，第1密封构件4与第2密封构件5相比弹性率高。

因此，在第1实施方式的半导体模块中，能够缓解接合部31的外周32处的应力的集中。即，若利用第1实施方式的半导体模块，则能够抑制接合部31的外周32处的裂纹的产生、发展。由此，能够实现接合部31的长寿命化。

在第1实施方式的半导体模块中，在例如使用SiC、GaN等具有宽带隙的半导体材料来形成半导体元件2的情况下，能够在高温下使用。在像这样的高温下，在使用通常的密封树脂的情况下，密封树脂由于软化、劣化而失去弹性。

因此，在第1实施方式的半导体模块中，在第1密封构件4采用金属材料或者含有填料的树脂的情况下，在这样的高温下也能够维持第1密封构件4的弹性，从而能够实现接合部31的长寿命化。这是由于金属材料或者填料在高温下劣化也较少的缘故。

(第2实施方式)

以下，对第2实施方式的半导体模块的构造进行说明。此外，在此主要说明与第1实施方式不同的点。

与第1实施方式的半导体模块相同地，第2实施方式的半导体模块主要具有绝缘基板1、半导体元件2、接合线3、第1密封构件4和第2密封构件5。与第1实施方式的半导体模块相同地，第2实施方式的半导体模块还可以具有底板6、壳体7和散热器8。

但是，第2实施方式的半导体模块的表面电极22与第1实施方式的半导体模块的表面电极不同。

图9是第2实施方式的半导体模块的剖视图。如图9所示，第2实施方式的半导体模块的表面电极22具有凹部23。凹部23形成在表面电极22的表面上。第1密封构件4至少填充于接合部31的外周32的一部分，并且也填充于凹部23。

凹部23在表面电极22上形成于接合部31的周围。图10是第2实施方式的半导体模块的表面电极22的上表面图。如图10所示，凹部23例如也可以在表面电极22上以围绕接合部31的方式连续地形成。

图11是第2实施方式的第1变形例的半导体模块的表面电极22的上表面图。如图11所示，凹部23也可以分割成多个部分地形成。此外，在接合部31的周围也可以具有未被凹部23围绕的区域。即，凹部23无需在接合部31的周围的整个四周形成，也可以仅在特定的方向上形成。

图12是第2实施方式的第2变形例的半导体模块的表面电极22的上表面图。如图12所示，凹部23具有第1凹部23a和第2凹部23b。第1凹部23a在接合部31的周围形成。第2凹部23b在第1凹部23a的外侧形成。即，第2凹部23b与第1凹部23a相比，形成在与接合部31的外周32的距离较远的位置。像这样，凹部23也可以以在接合部31的周围多重围绕的方式形成。

图13是第2实施方式的第3变形例的半导体模块的表面电极22的上表面图。如图13所示，凹部23也可以在表面电极22上以跨越多个接合部31的周围的方式形成。像这样，凹部23无需针对各个接合部31地形成。

以下，对第2实施方式的半导体模块的制造方法进行说明。

与第1实施方式的半导体模块的制造方法相同地，第2实施方式的半导体模块的制造方法具有接合工序S1、第1密封工序S2和第2密封工序S3。除此之外，第2实施方式的半导体模块的制造方法还具有凹部形成工序S4。

图14是第2实施方式的半导体模块的制造工序中的剖视图。在第2实施方式的半导体模块的制造工序中，首先，进行凹部形成工序S4。如图14(A)所示，在凹部形成工序S4中，进行凹部23的形成。凹部23的形成例如通过从激光照射源24向表面电极22照射激光L而进行。对接合线3被接合而成为接合部31的部分的周围照射激光L。激光照射源24例如为二氧化碳激光加工机。

在进行凹部形成工序S4后，如图14(B)至图14(C)所示，进行接合工序S1和第1密封工序S2。在第1密封工序S2中，第1密封构件4不仅填充于接合部31的外周32，还填充于凹部23，从而进行接合部31的密封。在进行第1密封工序S2后，进行第2密封工序S3。

进行凹部形成工序S4的顺序不限于上述顺序。凹部形成工序S4也可以例如在进行接合工序S1后进行。图15是第2实施方式的半导体模块的制造工序的变形例中的剖视图。在第2实施方式的半导体模块的制造工序的变形例中，首先，进行接合工序S1。在进行接合工序S1后，如图15(A)所示，进行凹部形成工序S4，从而在接合部31的外周32的周围形成凹部23。在进行凹部形成工序S4后，如图15(B)以及(C)所示，进行第1密封工序S2。在进行第1密封工序S2后进行第2密封工序S3。

以下，对第2实施方式的半导体模块的效果进行说明。

如上所述，在表面电极22与接合线3的接合部31，由于接合线3和半导体元件2的热膨胀系数之差而产生反复热应力。该热应力容易在接合部31的外周32应力集中。因此，有时由于这样的反复热应力，剥离从第1密封构件4的端部向接合部31的外周32，并沿着第1密封构件4和表面电极22的界面发展。

在第2实施方式的半导体模块中，在表面电极22上设置有凹部23。上述的剥离的发展方向在凹部23变化较大。因此，在第2实施方式的半导体模块中，表面电极22具有凹部23，从而抑制剥离的发展。其结果是，在第2实施方式的半导体模块中，能够进一步实现接合部31的长寿命化。

在第2实施方式的半导体模块中，在凹部23多重地形成于接合部31的周围的情况下，剥离的发展方向在多个部位变化较大。因此，在这样的情况下，剥离的发展进一步被抑制。其结果是，能够进一步实现接合部31的长寿命化。

(第3实施方式)

以下，对第3实施方式的半导体模块的构造进行说明。此外，在此主要说明与第2实施方式不同的点。

与第2实施方式的半导体模块相同地，第3实施方式的半导体模块主要具有绝缘基板1、半导体元件2、接合线3、第1密封构件4和第2密封构件5。与第2实施方式的半导体模块相同地，第4实施方式的半导体模块还可以具有底板6、壳体7和散热器8。

在第3实施方式的半导体模块中，表面电极22具有凹部23。但是在第3实施方式的半导体模块中，凹部23的形状与第2实施方式的半导体模块的凹部23的形状不同。

图16是第3实施方式的半导体模块的表面电极周边的剖视图。如图16所示，表面电极22具有凹部23。凹部23在表面电极22上，在接合部31的外周32的周围形成。第1密封构件4至少填充于接合部31的外周32的一部分，并且也填充于凹部23。

凹部23具有开口23c和底23d。凹部23相对于与表面电极22的表面垂直的方向倾斜。即，从底23d向开口23c的方向与垂直于表面电极的表面的方向不同。更具体而言，凹部23优选为，底23d以在俯视时同开口23c相比与接合部31的距离较远的方式倾斜。此外，设置有凹部23的倾斜的部位也可以为一部分。另外，凹部具有侧面。在俯视时，底23d或者侧面的至少一部分位于与开口23c相比远离接合部31的位置。

以下，对第3实施方式的半导体模块的制造方法进行说明。

与第2实施方式的半导体模块的制造工序相同地，第3实施方式的半导体模块的制造工序具有接合工序S1、第1密封工序S2、第2密封工序S3和凹部形成工序S4。可是，第4实施方式的半导体模块的制造工序的凹部形成工序S4与第3实施方式的半导体模块的制造工序的凹部形成工序S4不同，因此以下对该点进行说明。

图17是第3实施方式的凹部形成工序S4中的剖视图。如图17所示，在凹部形成工序S4中，形成倾斜的凹部23。倾斜的凹部23通过相对于与表面电极22的表面垂直的方向倾斜的激光L照射作为接合部31的部分的周围而形成。为了照射相对于与表面电极22的表面垂直的方向倾斜的激光L，例如倾斜地配置激光照射源24即可。

以下，对第3实施方式的半导体模块的效果进行说明。

如上所述，有时由于在表面电极22与接合线3的接合部31产生的反复热应力，剥离从第1密封构件4的端部向接合部31的外周32，并沿着第1密封构件4与表面电极22的界面发展。

在第3实施方式的半导体模块中，在表面电极22上形成有倾斜的凹部23。在倾斜的凹部23中，剥离的发展方向变化更大。因此，在第3实施方式的半导体模块中，通过表面电极22具有倾斜的凹部23，从而剥离的发展进一步被抑制。其结果是，在第2实施方式的半导体模块中，能够进一步实现接合部31的长寿命化。

应当认为本次公开的实施方式全部为例示，而不是限制性的内容。本发明的范围根据权利要求书而公开，并非根据上述的实施方式，本发明的范围包括与权利要求书等同的含义以及在范围内的所有变更。

附图标记说明

1绝缘基板、11绝缘层、11a表面、11b背面、12导体图案、2半导体元件、2a表面、2b背面、21背面电极、22表面电极、23c开口、23d底、24激光照射源、3接合线、31接合部、32外周、4第1密封构件、5第2密封构件、6底板、6a表面、6b背面、7壳体、8散热器、8a表面、8b背面、71侧壁、72底部、L激光、S1接合工序、S2第1密封工序、S3第2密封工序、S4凹部形成工序。