JP2013149762A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】圧接により複数の半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールの動作信頼性を向上する。
【解決手段】複数の半導体チップ２を備え、各半導体チップ２の電極層に接続されるコレクタ電極端子３及びエミッタ電極端子７を半導体チップ２方向に押圧して設ける。半導体チップ２とエミッタ電極端子７との間に熱応力緩和部材５を介在させる。この熱応力緩和部材５とエミッタ電極端子７は、複数の接合部６でもって接合される。接合部６，６間に設けられる熱応力緩和部材５の長さは、接合部６，６間の距離よりも長くする。熱応力緩和部材５は、厚さ０．１ｍｍ以下の箔状に形成される。また、コレクタ電極端子３の半導体チップ２と対向する面に形成された嵌合溝３ａにコンタクト電極４を嵌合し、コレクタ電極端子３とコンタクト電極４を一体形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールに関する。

近年、産業用・車両用システムや変電設備やインバータ等の電力変換装置といった分野に用いられる絶縁形パワー半導体モジュールに対して、高耐圧、大容量のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の適用が行われている。このＩＧＢＴモジュールに代表される「絶緑形パワー半導体モジュール」若しくは「Isolated power semiconductor devices」は、それぞれＪＥＣ−２４０７−２００７、ＩＥＣ６０７４７−１５にて規格が制定されている。

一般的な絶緑形パワー半導体モジュールにおいて、スイッチング素子であるＩＧＢＴやダイオード等の半導体素子は、半導体素子の下面に設けられた電極層をＤＢＣ（Direct Bond Copper）基盤の銅回路箔上にはんだ付けされ、当該基板上に設けられる（例えば、非特許文献１）。ＤＢＣ基板とは、セラミックス等からなる絶縁板に銅回路箔を直接接合したものである。

半導体素子の上面に設けられる電極層には、超音波ボンディング等の方法によりアルミワイヤが接続される。このアルミワイヤは、例えば、ＤＢＣ基板上の銅回路箔と電気的に結線される。そして、ＤＢＣ基板の銅回路箔から外部へ電気を接続するための銅端子（リードフレームやブスバー）は、銅回路箔とはんだ付けにより接続される。さらに、この周りは（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケースで囲まれ、その中を電気絶緑のためのシリコーンゲル等が充填される。

近年、半導体素子の動作温度の高温化が進んでいる。例えば、次世代の半導体素子であるＳｉＣ半導体は、２５０〜３００℃での動作が報告されている。動作温度が、１７５〜２００℃となると、この温度がはんだ材料の融点に近いため、従来のはんだ材料を用いることができない場合がある。そこで、はんだに置換する材料として、例えば、金属系高温はんだ（Ｂｉ，Ｚｎ，Ａｕ）、化合物系高温はんだ（Ｓｎ−Ｃｕ）、低温焼結金属（Ａｇナノペースト）等が提案されている。

また、はんだを用いない半導体モジュール構造として平型圧接構造パッケージが提案されている（非特許文献１、２)。平型圧接構造パッケージは、圧接によりコンタクト端子と半導体素子との接続や半導体素子と基板とを接続する。一般的な平型圧接構造パッケージでは、半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ、ダイオード）の端部に半導体素子及びコンタクト端子の位置決めをするガイドが設けられる。そして、半導体素子の上面電極層がコンタクト端子に接触した状態で半導体素子が基板（Ｍｏ基板やＤＢＣ基板等）上に設けられる。つまり、コンタクト端子と基板とが半導体素子を挟圧した状態で半導体モジュール内に設けられる。

平型圧接構造パッケージは、平型構造であることから半導体素子を両面から冷却することができる。このため、一般的に平型圧接構造パッケージの両端をヒートシンクで圧接することで、平型圧接構造パッケージの両面を冷却するとともに、そのヒートシンクを導電部材として用いる。さらに、平型圧接構造パッケージは、圧接により半導体素子と電極端子等を接続するので、はんだを用いることなく半導体素子が電気的、熱的に外部と接続される。

平型圧接構造の半導体モジュールでは、圧接力が各半導体素子等に均等にかかるように半導体モジュールを組み立てる必要がある。例えば、圧接は平型圧接構造パッケージの上下のヒートシンクを電気的に絶緑する必要があり、また、板バネで平型圧接構造パッケージを圧接するがこの設計の圧接力が平型圧接構造パッケージの電極ポストに均等にかかるようにする必要がある。これらにはノウハウがあり、圧接が不良であった場合は半導体素子の破壊の原因となるおそれがある。なお、ヒートシンクと平型圧接構造パッケージの圧接は、主にユーザが実施する。また、回路を構成するのに、このヒートシンクや圧接のための板バネが小型化の妨げとなる等、使いこなすのには熟練が要求される。このような理由により、平型圧接構造パッケージは限られた装置への適用となり、代わりに使い勝手の良い従来型の絶縁形パワー半導体モジュールが広く使われている。

高温で動作可能な半導体素子を有する半導体モジュールの温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上させるために、半導体モジュールを構成する各部材（半導体、金属、セラミックス等からなる部材）の熱膨張率の違いより生じる課題を解決する必要がある。例えば、基板−銅ベース間、基板−銅端子間において、銅とセラミックスの熱膨張係数が異なるので、半導体モジュールの温度が上昇すると銅とセラミックスを接続するはんだにせん断応力が働く。このせん断応力により、はんだに亀裂が生じて熱抵抗が増大したり電極端子が剥離したりするおそれがある。同様に、半導体素子−基板間のはんだにも亀裂が生じる場合がある。その他、条件によっては半導体素子上のアルミワイヤの接続部でもアルミニウムと半導体素子の熱膨張の差で応力が発生してアルミワイヤが疲労破断するおそれがあると考えられる。

年々半導体モジュールにおける電力密度の増加に伴い、半導体素子の電極層とアルミワイヤとの接合部等の半導体素子内部の接合温度が高くなることで、はんだのせん断応力、アルミワイヤの応力が大きくなってきている。これに対して熱膨張の影響が半導体モジュールの設計寿命に至るまでの期間に亘って顕在化しないように半導体モジュールの構造を設計する必要がある。ＳｉＣやＧａＮのような高温で使用できるワイドバンドキャップ半導体素子の出現により、さらに熱膨張の影響の低減が要求されている。また、ＳｉＣ、ＧａＮ等の高温で使用可能な半導体素子の性能を活かす半導体モジュールとしても、半導体モジュールの温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性のさらなる向上が求められている。

そこで、半導体モジュールの高信頼性、環境性、利便性を同時に実現するために、はんだ接合、あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ両面冷却が容易に実現可能であり、放熱性の面で有利な圧接型絶縁形パワー半導体モジュールが再び脚光を浴びている。

図３に示すように、両面冷却方式の圧接型半導体モジュール１１は、半導体モジュール１１の外周部に（ケース１７を挿通して）ボルト１５が設けられる。このボルト１５は、ヒートシンク１２，１４を半導体チップ２ａ，２ｂ方向に押圧するようにナット（図示省略）で締結される。このように、ヒートシンク１２，１４をボルト１５とナットで固定して、半導体モジュール１１を構成する構成部材（ＡＣ電極端子１６、ＤＣ電極端子１８，２０、及び半導体チップ２ａ，２ｂ等）に圧接力を加える。また、半導体モジュール１１の内部では、半導体チップ２ａとＡＣ電極端子１６（及び、ＤＣ電極端子１８）との接合部にはんだ１９（あるいは、接着剤や樹脂等）層を設け、半導体チップ２ａとＡＣ電極端子１６（及び、ＤＣ電極端子１８）の電気的な接続が行われる。つまり、はんだ１９を用いることで、半導体モジュール１１を構成する構成部材を接着（または、封止）して、各構成部材にかかる圧接力が適正な範囲に収まり、また、すべての半導体チップ２ａ，２ｂに対する圧接力のばらつきが大きくならないようにしている。このように、圧接型半導体モジュール１１では、機械的に圧接力を加える手段とともに、はんだ１９等による界面接合形成技術や樹脂等による封止技術を併用することで、各構成部材（特に、半導体チップ２ａ，２ｂ）にかかる圧接力が適正な範囲に収まるように制御し、半導体モジュール１１の信頼性を確保している。

ところが、近年、電力変換器における電力の高密度化、小型化、ＳｉＣ素子等の採用により、電力変換器のさらなる高温化（冷却機構の小型化）が進み、はんだや樹脂の接合、封止材料にも高温（例えば、２００℃以上）への耐性、信頼性が要求されるようになっている。そのため、高温に対応する材料開発が進んでいるが、高温材料の実装時の信頼性はまだ評価され始めたばかりであり、また高温材料は、従来の材料より高コストとなる。

これまでの両面冷却圧接構造において、はんだ層、樹脂層等の接合、封止層を排除した純粋に両面から加える圧力のみですべての接合を形成する場合、高温動作時には、熱膨張の違いによる応力集中が避けられないおそれや、上下冷却面間で平行度を維持することが困難となるおそれがあった。その結果として、半導体モジュールを構成する特定の部材の界面で接触圧力が過大あるいは過小となるおそれがあった。

そこで、圧接型パッケージにおいては、電極材料と半導体チップの間に、熱膨張係数が半導体チップに近い値を有するモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）等の低熱膨張材を挿入することにより、温度変化時の接触面における各部材の表面での反りを低減している（例えば、特許文献１−３）。

特開２００４−９６００４号公報 特開２００２−９３９７６号公報 特開平０８−８８２４０号公報

電気学会高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会、「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」、コロナ社、１９９６年７月、ｐ２８９、ｐ３３６ 森睦宏，関康和、「大容量ＩＧＢＴの最近の進歩」、電気学会誌、社団法人電気学会、１９９８年５月、Ｖｏｌ．１１８（５）、ｐｐ．２７４−２７７

しかしながら、低熱膨張材は、電極部材に主に用いられるＣｕに比べ熱伝導率が小さく、また、３倍程度の電気抵抗を有するため、通電したときに発熱しやすい。例えば、並列に配置した複数の半導体チップにおいて、半導体チップ表面に配置した低熱膨張部材のひとつの表面での接触圧が低下すると、ジュール発熱によりこの低熱膨張部材の温度が上昇し、結果的に隣接する半導体素子の温度も上昇し、並列バランスが崩れるおそれがある。

また、圧接型パッケージに低熱膨張材を設けると、モジュール内での構成部材が多くなるため、圧接型パッケージの組立性が低下するだけでなく、部材間の界面で発生する接触熱抵抗、接触電気抵抗が大きくなるため、放熱性が低下するおそれがある。また、低熱膨張材は、銅（Ｃｕ）のような電極部材と比較して硬いため、電極との接触面の表面粗さが小さくなるように研磨し、電極との接触面での接触抵抗を小さくするが、この表面仕上げの精度を高くするほどコストがかかる。

上記課題を解決する本発明の半導体モジュールの一態様は、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、を備えた半導体モジュールであって、前記電極端子と前記半導体素子との間に介在する熱応力緩和部材を前記電極端子に局所的に接合する接合部を複数設け、前記接合部間の距離より、当該接合部間に設けられる熱応力緩和部材の長さを長くすることを特徴としている。

また、本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記熱応力緩和部材の厚さは、０．１ｍｍ以下であることを特徴としている。

また、本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記接合部の接合は、抵抗溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接のいずれかにより行うことを特徴としている。

また、本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記接合部を、前記熱応力緩和部材と前記半導体素子との接触面よりも外側に設けることを特徴としている。

また、本発明の半導体モジュールの他の態様は、前記電極端子の前記半導体素子を押圧する部位にフランジ部を形成し、当該フランジ部に前記応力緩和部材を接合することを特徴としている。

また、本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記熱応力緩和部材は、タングステン、炭化タングステン、モリブデン、銅タングステン、銀タングステン、アルミニウムシリコンカーバイドのいずれかを含有することを特徴としている。

また、上記課題を解決する本発明の半導体モジュールの他の態様は、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、を備えた半導体モジュールであって、前記電極端子と前記半導体素子との間に、前記電極端子よりも熱膨張係数が小さいコンタクト電極を介在させ、前記電極端子の前記半導体素子と対向する面に、前記コンタクト電極が嵌合する嵌合溝を形成することを特徴としている。

以上の発明によれば、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、熱応力緩和部材が他の部材と接触する界面の接触熱抵抗または接触電気抵抗を低減することに貢献し、以って半導体モジュールの動作信頼性の向上に貢献することができる。

本発明の実施形態１に係る半導体モジュールの要部断面図である。 本発明の実施形態２に係る半導体モジュールの要部断面図である。 従来技術に係る半導体モジュールの要部断面図である。

本発明の半導体モジュールについて、図を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、各図面に示す断面図は、いずれも本発明の実施形態に係る半導体モジュールを模式的に示したものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１の要部断面図である。図１に示すように、実施形態１に係る半導体モジュール１は、複数の半導体チップ２（半導体素子）を有し、各半導体チップ２の電極層に接続される電極端子（コレクタ電極端子３、エミッタ電極端子７）は、それぞれ半導体チップ２方向に押圧して設けられる。

半導体チップ２は、図示省略するが、その上面にエミッタ、ゲート（制御電極）が形成され、底面にコレクタが形成される。なお、実施形態の説明では、便宜上、上面及び底面とするが上下方向は、本発明をなんら限定するものではない。また、ゲート（制御電極）と制御回路との接続については、従来の接続方法を用いればよいので図示省略する（他の実施形態についても同様である）。なお、半導体チップ２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子であっても、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子とＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の整流素子を有する回路等複数の素子が電気回路を形成するものであってもよい。

半導体チップ２は、例えば、コレクタ（カソード）電極端子３上にモリブデン製コンタクト電極４を介して設けられ、コレクタ電極端子３が、コンタクト電極４を介して半導体チップ２のコレクタと電気的に接続される。さらに、半導体チップ２の側面近傍には、絶縁ガイド８が設けられ、半導体チップ２の位置決めを行う。

コレクタ電極端子３（及び、エミッタ電極端子７）を構成する材料は、適宜周知の電極材料を用いればよい。例えば、コレクタ電極端子３（及び、エミッタ電極端子７）の材料に銅等の熱伝導性の良い金属を用いると半導体モジュール１（半導体チップ２）の放熱性が向上する。

コレクタ電極端子３の半導体チップ２と対向する面には、コンタクト電極４が嵌合する嵌合溝３ａが形成される。嵌合溝３ａの深さは、コンタクト電極４の厚さより浅く形成される。この嵌合溝３ａにコンタクト電極４を嵌合し、ろう付けあるいは圧入による拡散接合（真空ホットプレス法等）により、コレクタ電極端子３とコンタクト電極４を一体形成する。ろう付けは、例えば、銀（銀ロウ）やＡｕ‐Ｎｉ等を用いる。

コンタクト電極４は、例えば、半導体チップ２と同じ程度の面積を有し、厚さ１〜３ｍｍの板状に形成される。なお、コンタクト電極４の形状は、この実施形態に限定されるものでなく、半導体チップ２の電極層とコレクタ電極端子３を電気的に接続できる形状であれば、適宜設計変更が可能である。コンタクト電極４（及び、後述の熱応力緩和部材５）としては、例えば、５〜１０ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有する低熱膨張材料を用いる。この低熱膨張材料の具体例として、タングステン（Ｗ）、炭化タングステン（ＷＣ）、銅タングステン（ＣｕＷ）、銀タングステン（ＡｇＷ）、アルミニウムシリコンカーバイド（ＡｌＳｉＣ）等が挙げられる。

半導体チップ２のエミッタには、熱応力緩和部材５が設けられ、さらに熱応力緩和部材５上にエミッタ電極端子７が設けられる。つまり、エミッタ電極端子７が、熱応力緩和部材５を介して半導体チップ２のエミッタと電気的に接続される。

熱応力緩和部材５は、例えば、厚さ０．１ｍｍ以下の矩形の箔状に形成される。なお、熱応力緩和部材５の形状は、この実施形態に限定されるものでなく、半導体チップ２の電極層とエミッタ電極端子７を電気的に接続できる形状であれば、適宜設計変更が可能である。この熱応力緩和部材５は、エミッタ電極端子７の半導体チップ２と対向する面に局所的に接合される。

熱応力緩和部材５とエミッタ電極端子７とを接合する接合部６の接合方法は、抵抗溶接（スポット溶接）、レーザー溶接、電子ビーム溶接等の方法を用いる。この接合部６は、例えば、熱応力緩和部材５の対角線上に２点溶接したり、熱応力緩和部材５の各角に対応して４点溶接したりする等、複数箇所設けられる。これら接合部６，６の間に設けられる熱応力緩和部材５の長さは、当該接合部６，６間の距離よりも長くなるように、エミッタ電極端子７に熱応力緩和部材５が接合される。例えば、図１に示すように、エミッタ電極端子７に熱応力緩和部材５を溶接したとき、熱応力緩和部材５が波打つように形成された状態で接合される。この場合、予め熱応力緩和部材５の形状を波打つ形に形成した後に、熱応力緩和部材５をエミッタ電極端子７に接合してもよいし、熱応力緩和部材５にエミッタ電極端子７に接合後に熱応力緩和部材５の形状が波打つ形となるようにしてもよい。

この接合部６は、熱応力緩和部材５が半導体チップ２と接触する面積と比較して小さい領域となる。半導体チップ２を圧接したときに、この接合部６を、半導体チップ２と熱応力緩和部材５の接触面の外側に設けると、圧接時に接合部６（溶接痕等の接合痕）が圧接に影響を与えることがないので好ましい。

エミッタ電極端子７の半導体チップ２を押圧する部位である圧接部７ａ（半導体チップ２が接続される部分）には、熱応力緩和部材５が接合されるフランジ部７ｂが形成される。熱応力緩和部材５と比較して熱膨張係数の大きいエミッタ電極端子７の接合部６近傍の厚さを薄く形成することで、熱膨張係数の異なるエミッタ電極端子７と熱応力緩和部材５を接合する際に、接合時の熱膨張の差による熱応力緩和部材５にかかる応力が低減され、信頼性の高い溶接を行うことができる。

一般的に、接合を形成する部材のうち片側の部材のみが熱伝導率が高く、熱拡散係数が大きい場合、熱拡散係数が大きい部材のみが溶接時に温まり熱を逃がすため、接合箇所で熱がうまく蓄積せず、良好な接合が形成されにくい。そこで、溶接する箇所の両部材（エミッタ電極端子７及び熱応力緩和部材５）の熱伝導率、熱拡散係数（熱の逃げの速さ）を考慮し、両材料ができるだけ等しい領域で溶融するよう、フランジ部７ｂの厚さを調節する。例えば、フランジ部７ｂの厚さを熱応力緩和部材５の厚さの数倍程度の厚さとすることで、接合部形成時に接合箇所を中心として両部材の温度が瞬時に上がるため、両部材とも均一に溶解し強固な接合を形成することができる。

また、フランジ部７ｂを形成することで、エミッタ電極端子７の剛性（硬さ）が低下する。その結果、フランジ部７ｂと熱応力緩和部材５の間の熱膨張差が原因で発生する両部材界面での応力を低減することができ、熱応力緩和効果をより高めることができる。

なお、図示省略しているが、コレクタ電極端子３の半導体チップ２と対向する面の反対側の面には、絶縁板を介してヒートシンクが設けられる。このヒートシンクは、コレクタ電極端子３を半導体チップ２方向に押圧して設けられる。また、エミッタ電極端子７の半導体チップ２と対向する面の反対側の面には、絶縁板を介してヒートシンクが設けられる。このヒートシンクは、エミッタ電極端子７を半導体チップ２方向に押圧して設けられる。

以上のように、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、エミッタ電極端子７と熱応力緩和部材５の接合を、エミッタ電極端子７と熱応力緩和部材５の接触面全体を接合するのではなく、接合部６で局所的に接合することで、熱応力緩和部材５と半導体チップ２との熱膨張係数の違いにより、熱応力緩和部材５にかかる圧接方向（半導体チップ、２、電極端子３，７の積層方向）と垂直方向の熱応力の影響を低減することができる。つまり、接合部６，６間の距離より、接合部６，６間に設けられる熱応力緩和部材５の長さを長くすることで、エミッタ電極端子７が熱膨張した場合において、接合部６に熱応力がかからないだけでなく、エミッタ電極端子７の平面方向の熱膨張に対応して、熱応力緩和部材５面とエミッタ電極端子７面とが滑合する。その結果、半導体チップ２とエミッタ電極端子７の熱膨張係数の違いによって、半導体チップ２に作用する熱応力の影響を低減することができる。

エミッタ電極端子７と熱応力緩和部材５を局所的に接合することで、ろう付けや拡散接合を形成する場合のように、エミッタ電極端子７と熱応力緩和部材５との接合面の前処理（特に、濡れ性の向上のための前処理）が不要となるので、半導体モジュール１の生産性が向上する。さらに、熱応力緩和部材５の厚みを０．１ｍｍ以下とすることで、半導体チップ２とエミッタ電極端子７に絶縁板を介して設けられるヒートシンクとの距離が短くなり、半導体チップ２の放熱性が向上する。

また、エミッタ電極端子７に箔状の熱応力緩和部材５を接合することで、並列された複数の半導体チップ２を有する半導体モジュール１において、個々の半導体チップ２にかかる圧力に違いが生じた場合でも、熱応力緩和部材５が圧力緩衝材として働き、各半導体チップ２にかかる圧力のばらつきを抑えて均一な圧力をそれぞれの半導体チップ２にかけることが可能となる。つまり、熱応力緩和部材５を箔状に形成することで、熱応力緩和部材５をエミッタ電極端子７（または、半導体チップ２）の表面凹凸に対応するように変形させることができる。厚さが薄い箔は、部材としての硬さ（ヤング率）が小さいため、箔の上下に存在する（箔より硬い）部材の表面に凹凸が存在する場合、上下から力がかかった場合、その凹凸形状に応じて箔が柔軟に変形する。すなわち、硬い部材と比べて、表面の凹凸を吸収する作用が大きいため、上下からかかる圧力（つまり、半導体チップ２に作用する圧接力）が変動した場合でも、箔がその圧力変動を吸収する役目を担うことができる。例えば、エミッタ電極端子７と比較して、熱応力緩和部材５のヤング率（硬さ）を１／１０とした場合、エミッタ電極端子７表面の局所的な凹凸部と熱応力緩和部材５との接触部において、熱応力緩和部材５は、エミッタ電極端子７よりも１０倍変形することができる。その結果、例えばエミッタ電極端子７が１μｍ縮むような圧力が上下方向から加わった場合、同じ圧力で熱応力緩和部材５は１０μｍ縮むため、熱応力緩和部材５を設けることで、エミッタ電極端子７表面での凹凸の差を１０μｍ吸収できるようになる。なお、この熱応力緩和部材５をエミッタ電極端子７上に遊びを持たせて固定することで、熱応力緩和部材５を、より柔軟にエミッタ電極端子７（または、半導体チップ２）の表面凹凸に対応するように変形させることができる。

つまり、熱応力緩和部材５を箔状に形成することで、エミッタ電極端子７を半導体チップ２方向に押圧した場合、熱応力緩和部材５が、エミッタ電極端子７と半導体チップ２との間で、エミッタ電極端子７（または半導体チップ２）の表面凹凸に対応するように変形する。その結果、半導体チップ２に作用する圧接力の増減の影響を受けにくくなるだけでなく、エミッタ電極端子７と熱応力緩和部材５の接触面積が増大する。このように、熱応力緩和部材５が、半導体モジュール１の熱的ストレス、機械的ストレスを低減するので、各半導体チップ２とヒートシンク間の熱抵抗が均一になる。したがって、それぞれの半導体チップ２の温度が一定となり、並列された複数の半導体チップ２間の動作バランス（電流分担等）が改善され、半導体モジュール１の温度サイクル信頼性や動作信頼性が向上する。

このように、複数の半導体チップ２を圧接する半導体モジュール１において、各半導体チップ２にそれぞれ箔状の熱応力緩和部材５を設けると、熱応力緩和部材５が変形することで、各半導体チップ２にかかる圧力差を抑えて均一な圧力をそれぞれの半導体チップ２にかけることができ、さらに熱応力の緩和もできる。その結果、ブロック状の緩衝部材（コンタクト電極）が不要になる。

また、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１によれば、コレクタ電極端子３とコンタクト電極４とを一体に設けることで、コレクタ電極端子３とコンタクト電極４間の接触抵抗を低減することができる。コンタクト電極は、一般的に電気抵抗が電極端子よりも大きいため、通電時のジュール発熱が起きやすい。コンタクト電極４をコレクタ電極端子３と一体化することで、コンタクト電極４で発生した熱を速やかにコレクタ電極端子３に伝導させることができる。また、コンタクト電極４は、コレクタ電極端子３に嵌合しているので、コンタクト電極４とコレクタ電極端子３の接触面が大きくなり、コンタクト電極４で発生した熱を速やかにコレクタ電極端子３に伝導させることができる。その結果、半導体モジュール１の放熱性が向上する。

また、コンタクト電極４（モリブデンやタングステン）は、コレクタ電極端子３（銅やアルミニウム等）と比較して一般的に硬い（ビッカース硬さが大きい）ので、コンタクト電極４とコレクタ電極端子３との接触面での接触抵抗を低減するために、コンタクト電極４の表面粗さを低減するための表面仕上げをする必要がある。この表面処理は、半導体モジュールの製造コストや処理工程を増大させる要因となる。本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、ろう付けまたは拡散接合によって、コレクタ電極端子３とコンタクト電極４とが一体に形成されている。したがって、コンタクト電極４の表面処理の精度（表面の粗さ）の高さを要求するものではなくなり、半導体モジュール１の製造コストを低減することができる。

また、コレクタ電極端子３に嵌合溝３ａを形成することで、コンタクト電極４の位置決めが容易かつ確実になる。そして、半導体チップ２を半導体モジュール１に組み込み前に、コレクタ電極端子３の設計した所定の位置に、各コンタクト電極４を同じ接合条件で接合することで、各半導体チップ２に対応したコンタクト電極４の接合状態が一定となり、各半導体チップ２にかかる圧接力を均一にすることができる。さらに、コレクタ電極端子３とコンタクト電極４とが一体に形成されるため、従来の半導体モジュールと比較して、接触界面（コレクタ電極端子３とコンタクト電極４の接触界面）を削減できる。

また、コレクタ電極端子３とコンタクト電極４との接触面は、接触面での接触熱抵抗や接触電気抵抗を低減するために、他の接合部（半導体チップとコンタクト電極間や電極端子と絶縁部材間等）と比較して高い接触圧力を必要としていたが、接触面を一体に形成することで、接触熱抵抗、接触電気抵抗を大幅に低減することができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る半導体モジュール９について、図２を参照して詳細に説明する。なお、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様の構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図２に示すように、実施形態２に係る半導体モジュール９は、複数の半導体チップ２（半導体素子）を有し、各半導体チップ２の電極層に接続される電極端子（コレクタ電極端子３、エミッタ電極端子７）は、それぞれ半導体チップ２方向に押圧して設けられる。

半導体チップ２は、例えば、コレクタ（カソード）電極端子３上にモリブデン製コンタクト電極４を介して設けられ、コレクタ電極端子３が、コンタクト電極４を介して半導体チップ２のコレクタと電気的に接続される。

コレクタ電極端子３の半導体チップ２と対向する面には、コンタクト電極４が嵌合する嵌合溝３ａが形成される。この嵌合溝３ａにコンタクト電極４を嵌合するとともに、ろう付けまたは圧入による拡散接合（真空ホットプレス法等）を形成し、コレクタ電極端子３とコンタクト電極４が一体形成される。

半導体チップ２のエミッタには、コンタクト電極１０が設けられ、さらにコンタクト電極１０上にエミッタ電極端子７が設けられる。つまり、エミッタ電極端子７が、コンタクト電極１０を介して半導体チップ２のエミッタと電気的に接続される。

エミッタ電極端子７もコレクタ電極端子３と同様に、コンタクト電極１０が嵌合する嵌合溝７ｃが形成され、この嵌合溝７ｃにコンタクト電極１０が嵌合され、コンタクト電極１０とエミッタ電極端子７が一体形成される。

なお、図示省略しているが、コレクタ電極端子３の半導体チップ２と対向する面の反対側の面には、絶縁板を介してヒートシンクが設けられる。このヒートシンクは、コレクタ電極端子３を半導体チップ２方向に押圧して設けられる。また、エミッタ電極端子７の半導体チップ２と対向する面の反対側の面には、絶縁板を介してヒートシンクが設けられる。このヒートシンクは、エミッタ電極端子７を半導体チップ２方向に押圧して設けられる。

本発明の実施形態２に係る半導体モジュール９によれば、コレクタ電極端子３とコンタクト電極４とを一体に設ける（エミッタ電極端子７とコンタクト電極１０とを一体に設ける）ことで、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様に、電極端子とコンタクト電極間の接触抵抗を低減することができる。その結果、半導体モジュール９の放熱性が向上する。

以上のように、具体的な実施形態１，２を例示して説明したように、本発明の半導体モジュールによれば、半導体モジュールを構成する各部材の接触抵抗を低減し、放熱性を高めた圧接構造を実現することができる。また、複数の半導体チップ備えた半導体モジュールにおいても、半導体チップ表面で熱膨張係数のずれが原因で発生する熱応力を緩和し、各半導体チップに均一な圧力（接触抵抗）を作用させることができる。

そして、本発明の半導体モジュールは、スプリング等の機械的な機構のみで接合剤、封止材の使用をできるだけ抑え、同時に信頼性がある半導体モジュールを構成できる。さらに、材料面での制約や信頼性を毀損する要因を低減し、高温対応が可能な信頼性の高い半導体モジュールを構築することが可能となる。

両面から圧接、冷却する半導体モジュールを実現する場合、大電流モジュールを実現するために半導体チップの並列化が必要であること、またフルブリッジの３相インバータを実現するためには、２ｉｎ１の単相インバータを３個並列に配置する等、半導体チップの数がモジュール全体では多数となる。本発明に係る半導体モジュールは、半導体チップに対し１：１で圧接するような構成のように、圧接力を付加するための機構（例えば、ばねやねじ）が多数必要な場合でも、各部品に作用する圧接力を均一にすることができる。その結果、部品点数が増加する半導体モジュールにおいても、動作信頼性の向上、モジュールの小型化、製造コストの低減を実現することができる。

なお、本発明の半導体モジュールは、上述した実施形態に限らず、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように変更された形態も本発明に係る半導体モジュールである。

例えば、本発明の半導体モジュールは、実施形態１の半導体モジュール１で例示するように、コレクタ電極端子３にコンタクト電極４を一体に形成し、エミッタ電極端子７に熱応力緩和部材５を接合することに限定されるものではなく、コレクタ電極端子に熱応力緩和部材を接合し、エミッタ電極端子にコンタクト電極を一体に形成してもよい。また、実施形態２の半導体モジュールに示すように、コレクタ電極端子とエミッタ電極端子の双方にコンタクト電極を一体形成する形態や、その他、コレクタ電極端子とエミッタ電極端子の双方に箔状の熱応力緩和部材を接合する形態でも本発明に係る半導体モジュールの一形態であり、本発明の半導体モジュールの効果を部分的に得ることができる。

また、本発明は、圧接により半導体素子の電極層と外部（若しくは、内部の別の回路）に接続するための電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールに適用可能である。この半導体モジュールに備えられる半導体素子としては、例えば、ＩＧＢＴや、ＦＷＤや、サイリスタ（ＧＴＯサイリスタ等）、トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ等）等の半導体素子を複数若しくは組み合わせて用いる形態が挙げられる。

本発明の半導体モジュールによれば、半導体モジュールの放熱性及び組立て利便性が向上するので、半導体モジュールの高信頼性、利便性を同時に実現することができる。よって、ＳｉＣ、ＧａＮ等の高温で使用可能な半導体素子の性能を生かす半導体モジュールにおいて、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上することができる。

特に、本発明の半導体モジュールは、半導体モジュールの放熱性を向上させることができるので、本発明の半導体モジュールを高温動作が要求される絶縁形パワー半導体モジュールやインバータ等の電力変換装置に用いることで、絶縁形パワー半導体モジュールや電力変換装置の放熱性を向上させることができる。

１，９…半導体モジュール
２…半導体チップ（半導体素子）
３…コレクタ電極端子（電極端子）
３ａ…嵌合溝
４，１０…コンタクト電極
５…熱応力緩和部材
６…接合部
７…エミッタ電極端子（電極端子）
７ａ…圧接部
７ｂ…フランジ部
７ｃ…嵌合溝

Claims (7)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
   を備えた半導体モジュールであって、
   前記電極端子と前記半導体素子との間に介在する熱応力緩和部材を前記電極端子に局所的に接合する接合部を複数設け、
   前記接合部間の距離より、当該接合部間に設けられる熱応力緩和部材の長さを長くする
   ことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記熱応力緩和部材の厚さは、０．１ｍｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記接合部の接合は、抵抗溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接のいずれかにより行う
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記接合部を、前記熱応力緩和部材と前記半導体素子との接触面よりも外側に設ける
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記電極端子の前記半導体素子を押圧する部位にフランジ部を形成し、当該フランジ部に前記応力緩和部材を接合する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
6. 前記熱応力緩和部材は、タングステン、炭化タングステン、モリブデン、銅タングステン、銀タングステン、アルミニウムシリコンカーバイドのいずれかを含有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
7. 半導体素子と、
   前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
   を備えた半導体モジュールであって、
   前記電極端子と前記半導体素子との間に、前記電極端子よりも熱膨張係数が小さいコンタクト電極を介在させ、
   前記電極端子の前記半導体素子と対向する面に、前記コンタクト電極が嵌合する嵌合溝を形成する
   ことを特徴とする半導体モジュール。

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