JP2015088571A - 半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧接型半導体モジュールの接合部の接触抵抗及び接触熱抵抗を低減する。
【解決手段】半導体素子２のソース／エミッタ電極層２ａに電極ポスト１０を介してソース／エミッタ電極端子４を設け、半導体素子２のドレイン／コレクタ電極層２ｃに電極ポスト１４を介してドレイン／コレクタ電極端子５を設ける。電極ポスト１０のソース／エミッタ電極層２ａと接する面及びソース／エミッタ電極端子４と接する面、並びに電極ポスト１４のドレイン／コレクタ電極層２ｃと接する面及びドレイン／コレクタ電極端子５と接する面に金属粒子を含有する金属粒子ペーストを塗布する。ソース／エミッタ電極端子４及びドレイン／コレクタ電極端子５を半導体素子２方向に押圧して半導体モジュール１を組立て、金属粒子ペースト層（ペースト層）に圧接力が作用している状態で、金属粒子ペースト層を加熱して金属粒子を析出させ、金属粒子層１２（接合層）を形成する。
【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の製造方法に関する。

代表的な絶縁形パワー半導体モジュールとして、例えば、インバータ等の電力変換装置に用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュールがある。このＩＧＢＴモジュールに代表される「絶縁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。

一般的に、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介してＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板の銅回路箔上にはんだ付けされ、半導体モジュールを構成する（例えば、非特許文献１）。ＤＢＣ基板は、放熱性を向上させるために、はんだを介して銅ベース上に設けられる。なお、ＤＢＣ基板は、セラミックス等の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基板上の銅回路箔に結線される。そして、ＤＢＣ基板の銅回路箔から外部へ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や超音波ボンディングにより接続される。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、その中を電気絶縁のためのシリコーンゲルが充填される。

はんだを用いた絶縁形パワー半導体モジュールの課題としては、ＲｏＨＳ（Restriction of Hazardous Substances）に対応するためのはんだの鉛フリー化に対応するという課題と、温度サイクルやパワーサイクル等の信頼性を向上するという課題の２つの課題がある。

はんだの鉛フリー化の課題に対しては、従来のはんだ材料に置換する材料である、金属系高温はんだ（Ｂｉ，Ｚｎ，Ａｕ）、化合物系高温はんだ（Ｓｎ−Ｃｕ）若しくは低温焼結金属（Ａｇナノペースト）等が提案されている（例えば、特許文献１）。例えば、ナノサイズの銀や銅等をはんだの代替として使用すると、２５０℃を超える使用に適応した接合を形成することができる。しかしながら、ナノサイズの金属を接合剤として用いた場合、接合時に２５０℃程度の加熱と１０ＭＰａ程度の加圧が必要なため、半導体モジュールを構成する他の構成部材が酸化されるおそれがあることやすべての半導体素子に均一に圧力を加えることが困難である等の理由に、一般的なモジュール構造には適用が困難であるとされている。

一方、温度サイクルやパワーサイクル等の信頼性を向上する課題に対しては、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）の熱膨張の違いにより生じる課題を解決する必要がある。例えば、ＤＢＣ基板−銅ベース間、ＤＢＣ基板−銅端子間において、銅とセラミックスの熱膨張係数の差から、部材間に設けられたはんだにせん断応力が働き、はんだに亀裂が生じるおそれがある。その結果、熱抵抗が増大したり、端子が剥離したりするおそれが生じることとなる。さらに、半導体素子−ＤＢＣ基板間のはんだにも同様の理由により亀裂が生じるおそれがある。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との熱膨張係数の差から生じるせん断応力により、アルミワイヤが疲労破断することも考えられる。

この課題を解決する一つの方法として、はんだを用いない平型圧接構造パッケージが提案されている（例えば、特許文献２、非特許文献２）。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。つまり、はんだやワイヤボンディングを用いずに半導体モジュールを構成するとともに、半導体素子の両面に電気特性、熱伝導性の良い材料を設けるので、はんだ割れによる不具合が低減されることとなる。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、平型圧接構造パッケージの一つである両面冷却方式の半導体モジュール２３は、半導体モジュール２３の外周部をボルト１７とナット１８（あるいはスプリング等）で締結して、半導体素子２，３とソース／エミッタ電極端子４（若しくは、ドレイン／コレクタ電極端子５やゲート電極端子６）との接合部に均一な圧縮応力を作用させる。ソース／エミッタ電極端子４は、半導体素子２の電極層２ａ及び半導体素子３の電極層３ａに直接あるいはモリブデン板やタングステン板のような電極ポスト２４，２５を介して設けられる。同様に、ドレイン／コレクタ電極端子５は、半導体素子２の電極層２ｃ及び半導体素子３の電極層３ｂに直接あるいは電極ポスト２６を介して設けられる。また、ゲート電極端子６は、半導体素子２表面に形成されたゲート電極層２ｂに圧接された状態で設けられる。

平型圧接構造パッケージは、半導体素子２，３を両面から冷却することができる。このため、一般的にソース／エミッタ電極端子４及びドレイン／コレクタ電極端子５を、それぞれ冷却器８，９で半導体素子２，３方向に圧接し、平型圧接構造パッケージを両面から冷却する。

冷却器８，９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。平型圧接構造パッケージでは、平型圧接構造パッケージ上下の冷却器８，９を電気的に絶縁したり、板バネで平型圧接構造パッケージを圧接するときに、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２４，２５，２６に均等にかかるようにしたりする必要がある。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２，３の破壊の原因となるおそれがある。また、平型圧接構造の半導体モジュール２３は、回路を構成するのに、この冷却器８，９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。

近年、電力密度の増加や半導体素子内部の接合温度の上昇により、はんだのせん断応力やアルミワイヤにかかる応力が年々大きくなってきており、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顕在化しないようにする必要がある。ＳｉＣ半導体や、ＧａＮ半導体のような高温で使用することができるワイドギャップ半導体素子の出現により、さらに熱膨張の低減が要求されている。

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モジュールの実現が求められている。また、ＳｉＣ半導体、ＧａＮ半導体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、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性の向上が求められている。

圧接型絶縁形パワーモジュールは、半導体モジュールの寿命を決定する要因となり得るはんだやワイヤーボンドを用いずに半導体モジュールを構成することができるので、長寿命な半導体モジュールとなることが期待される。

なお、圧接型絶縁形パワーモジュールは、２００℃以上の高温で動作させる場合や高信頼性が要求される場合等に、パッケージを気密封止する。パッケージを気密封止する方法としては、例えば、パッケージをセラミックスで構成し、このパッケージに貫通孔を形成する。この貫通孔を通してモジュール内部の電極を外部に導出し、パッケージの電極の導出部をロウ付け等により封止する。さらに、パッケージ内部をドライ窒素等の不活性ガスで充填して、内部部品が高温により酸化されるのを防止している。

特開２０１３−７７７４５号公報 特開２００４−４７７９９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、圧接型半導体モジュールでは、圧接により電気的に接続される部材間の接合部（例えば、電極ポストと電極層との接合部や電極ポストと電極端子との接合部等）において接触抵抗や接触熱抵抗が大きくなるおそれがある。接触抵抗や接触熱抵抗が大きくなると、導通時の電圧降下が大きくなるとともに発熱量も大きくなる。

上記事情に鑑み、本発明は、圧接型半導体モジュールにおいて、半導体モジュールを構成する部材間の接合部の接触抵抗及び接触熱抵抗の低減に貢献する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの製造方法の一態様は、半導体素子と、前記半導体素子に形成された電極層に圧接され、当該電極層と電気的に接続される電極端子と、を有する半導体モジュールの製造方法であって、少なくとも前記電極層と前記電極端子との間に金属粒子を含有するペースト層を設け、前記電極層に前記電極端子を圧接して半導体モジュールを組み立てた後に、前記ペースト層を加熱して接合層を形成することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの製造方法の他の態様は、上記半導体モジュールの製造方法において、前記電極端子は、前記電極層に設けられる電極ポストと、当該電極ポストを介して前記電極層に設けられ、該電極層と外部回路とを接続する引出電極と、を有し、少なくとも前記電極層と前記電極ポストとの間若しくは前記電極ポストと前記引出電極との間に前記ペースト層を設けることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの製造方法の他の態様は、上記半導体モジュールの製造方法において、前記電極端子を前記電極層に圧接する圧力は、０．１ＭＰａ〜１００ＭＰａであり、前記ペースト層の加熱温度は、１８０℃〜４００℃であることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの製造方法の他の態様は、上記半導体モジュールの製造方法において、前記ペースト層に電流を流して該ペースト層を加熱することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの製造方法の他の態様は、上記半導体モジュールの製造方法において、前記半導体モジュールを組み立てた後、前記半導体素子が設けられる空間に不活性ガスを流通させ、該不活性ガスを流通させた状態で前記ペースト層を加熱することを特徴としている。

以上の発明によれば、圧接型半導体モジュールを構成する部材間の接合部の接触抵抗及び接触熱抵抗の低減に貢献することができる。

（ａ）本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの上面図、（ｂ）同半導体モジュールのＡ−Ａ断面図である。 （ａ）本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールの上面図、（ｂ）同半導体モジュールのＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）従来技術に係る半導体モジュールの上面図、（ｂ）同半導体モジュールのＣ−Ｃ断面図である。

本発明の半導体モジュールの製造方法について、図を参照して詳細に説明する。なお、半導体モジュールを説明する図（上面図、断面図）は、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。

［第１実施形態］
図１（ａ），（ｂ）に示すように、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュール１は、半導体素子２，３、ソース／エミッタ電極端子４、ドレイン／コレクタ電極端子５、ゲート電極端子６、筺体７及び冷却器８，９を備える。

半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子である。半導体素子２の上面には、ソース／エミッタ電極端子４と電気的に接続されるソース／エミッタ電極層２ａ及びゲート電極端子６と電気的に接続されるゲート電極層２ｂが設けられる。また、半導体素子２の下面には、ドレイン／コレクタ電極端子５と電気的に接続されるドレイン／コレクタ電極層２ｃが設けられる。なお、実施形態の説明では、便宜上、上面及び下面とするが、上下方向は、本発明をなんら限定するものではない。

半導体素子３は、例えば、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）であり、半導体素子２と逆並列に接続され、負荷電流を転流する。半導体素子３の上面にはアノード電極層３ａが設けられ、半導体素子３の下面にはカソード電極層３ｂが設けられる。

ソース／エミッタ電極端子４は、導電性の板状部材であり、半導体素子２のソース／エミッタ電極層２ａと電極ポスト１０を介して電気的に接続される。ソース／エミッタ電極端子４と電極ポスト１０との間、及びソース／エミッタ電極層２ａと電極ポスト１０との間には、それぞれ金属粒子層１２（接合層）が設けられる。また、ソース／エミッタ電極端子４は、半導体素子３のアノード電極層３ａと電極ポスト１１を介して電気的に接続される。ソース／エミッタ電極端子４と電極ポスト１１との間、及びアノード電極層３ａと電極ポスト１１との間には、それぞれ金属粒子層１２が設けられる。

電極ポスト１０，１１（及び、後述の電極ポスト１４）は、例えば、モリブデンやタングステン等の材料から形成される板状部材または柱状部材である。これら電極ポスト１０，１１，１４は半導体素子２，３の熱膨張率に近い材料から形成され、半導体素子２，３の各電極層にかかる熱応力を低減する。

金属粒子層１２は、例えば、銀粒子、金粒子、銅粒子またはニッケル粒子のいずれかの金属粒子若しくはこれら金属粒子から選択される複数種類の金属粒子を含有する層である。金属粒子層１２は、例えば、粒子径５ｎｍ〜１０００ｎｍ、より好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍの金属粒子を所定の溶媒（極性溶媒、炭化水素系溶媒、水系溶媒またはケトン系溶媒等）に溶解させた金属粒子ペーストを塗布し、塗布された金属粒子ペースト層（ペースト層）を加圧した状態で加熱して形成される。金属粒子ペーストを塗布する厚さは、例えば、１μｍ〜１００μｍ、より好ましくは１０μｍ〜５０μｍとすることで、半導体素子２，３に所定の圧接力が作用した状態で、部材間に低抵抗、低熱抵抗の接合を形成することができる。また、金属粒子ペースト層は、例えば、０．１ＭＰａ〜１００ＭＰａ、より好ましくは１０ＭＰａ〜５０ＭＰａの圧力をかけて、１８０℃〜４００℃、より好ましくは２００℃〜３００℃に加熱することで、低抵抗、低熱抵抗の接合層を形成することができる。

ソース／エミッタ電極端子４の上面には絶縁板１３を介して冷却器８が設けられ、冷却器８によりソース／エミッタ電極端子４が半導体素子２，３方向に押圧される。

ドレイン／コレクタ電極端子５は、導電性の板状部材であり、半導体素子２のドレイン／コレクタ電極層２ｃと電極ポスト１４を介して電気的に接続される。ドレイン／コレクタ電極端子５と電極ポスト１４との間、及びドレイン／コレクタ電極層３ｃと電極ポスト１４との間には、それぞれ金属粒子層１２が設けられる。また、ドレイン／コレクタ電極端子５は、半導体素子３のカソード電極層３ｂと電極ポスト１４を介して電気的に接続される。カソード電極層３ｂと電極ポスト１４との間には、金属粒子層１２が設けられる。

ドレイン／コレクタ電極端子５の下面には絶縁板１５を介して冷却器９が設けられ、冷却器９によりドレイン／コレクタ電極端子５が半導体素子２，３方向に押圧される。

ゲート電極端子６は、導電性の板状部材であり、半導体素子２のゲート電極層２ｂに電気的に接続される。ゲート電極端子６の上面には、絶縁板１６を介してソース／エミッタ電極端子４が設けられる。ゲート電極端子６のゲート電極層２ｂと接続される接続部６ａは、例えば、板ばね状のような弾性を有する形状に形成される。よって、冷却器８によりソース／エミッタ電極端子４が半導体素子２，３方向に押圧されると、接続部６ａが弾性変形し、ゲート電極端子６の接続部６ａが所定の圧接力でゲート電極層２ｂを押圧することとなる。なお、接続部６ａの端面とゲート電極層２ｂとの間には金属粒子層１２が設けられる。

筺体７は、半導体モジュール１の側部であって、冷却器８，９間に設けられる。筺体７は、例えば、アルミナ等のセラミックスで形成され、冷却器８，９（及びソース／エミッタ電極端子４とドレイン／コレクタ電極端子５）の絶縁信頼性を確保し、半導体モジュール１内部に設けられる半導体素子２，３等の内部部品をほこり等から保護する。ソース／エミッタ電極端子４、ドレイン／コレクタ電極端子５及びゲート電極端子６は、筺体７を貫通して外部回路と接続される。筺体７のソース／エミッタ電極端子４、ドレイン／コレクタ電極端子５及びゲート電極端子６が貫通する部位は、ろう材等の封止材７ａにより封止される。

筺体７の冷却器８（または、冷却器９）と接触する接触部には、封止部材７ｂ（フッ素ゴム（商品名バイトン）製のＯリングやメタルＯリング等の金属シール）が嵌合する溝（図示せず）が形成され、この溝に封止部材７ｂが嵌合される。このように、筺体７に封止部材７ｂを介して冷却器８（または、冷却器９）を設けることで、筺体７と冷却器８（または、冷却器９）の気密性が確保される。なお、筺体７と冷却器８（または、冷却器９）とを電子ビームやレーザーを用いて溶接することで、両部材間の気密封止を行うこともできる。

冷却器８，９は、ボルト１７とナット１８により固定される。ボルト１７は、半導体モジュール１の側部であって冷却器８，９を貫通して設けられる。つまり、ボルト１７にナット１８を締結することで、冷却器８がソース／エミッタ電極端子４を半導体素子２，３方向に押圧し、冷却器９がドレイン／コレクタ電極端子５を半導体素子２，３方向に押圧した状態で、冷却器８，９が固定される。冷却器８，９には、冷媒が流通する冷媒経路８ａ，９ａがそれぞれ形成されており、冷媒経路８ａ，９ａに冷媒を流通させることで、半導体素子２，３が冷却される。

半導体モジュール１を構成する部材は、金属粒子層１２を形成する際の加熱温度（例えば、２５０℃）に耐え得る部材から選択される。例えば、筺体７は、セラミックス製のものが用いられる。また、金属粒子層１２を形成する際の加熱による温度上昇によって、金属粒子層１２にかかる圧接力の分布が所定の範囲内となるように、ボルト１７の熱膨張と半導体モジュール１の積層方向の厚さの熱膨張（半導体素子２，３や電極端子４，５等を積層した積層体の厚さ方向の熱膨張の和）との差が−４０℃から２５０℃までの間で１０％以内となるように半導体モジュール１を構成する部材を選択する。このように半導体モジュール１を構成する部材を選定することで、所定の圧接力が金属粒子層１２にかかった状態、すなわち、金属粒子ペーストの接合条件である所定の圧接力が作用している状態で、金属粒子ペーストを加熱することができる。

次に、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュール１の製造方法について図１（ｂ）を参照して説明する。製造方法の説明では、銀ペースト（粒子径約３０ｎｍ〜１００ｎｍの銀粒子を所定の溶媒に拡散させたもの）を用いて金属粒子層１２形成する例を挙げて説明するが、他の金属粒子からなる金属粒子層１２も同様の方法で形成することができる。

電極ポスト１４のドレイン／コレクタ電極端子５と接する面、ドレイン／コレクタ電極層２ｃと接する面、及びカソード電極層３ｂと接する面にそれぞれ銀ペーストを塗布する。そして、ドレイン／コレクタ電極端子５に電極ポスト１４を介して半導体素子２，３を設ける。

電極ポスト１０のソース／エミッタ電極端子４と接する面、及びソース／エミッタ電極層２ａと接する面にそれぞれ銀ペーストを塗布する。そして、半導体素子２に電極ポスト１０を介してソース／エミッタ電極端子４を設ける。同様に、電極ポスト１１のソース／エミッタ電極端子４と接する面、及びアノード電極層３ａと接する面にそれぞれ銀ペーストを塗布する。そして、半導体素子３に電極ポスト１１を介してソース／エミッタ電極端子４を設ける。

ゲート電極端子６の接続部６ａの端面（ゲート電極層２ｂに接触する面）に銀ペーストを塗布し、ゲート電極端子６をゲート電極層２ｂに設ける。そして、ゲート電極端子６に絶縁板１６を介してソース／エミッタ電極端子４を設ける。

ソース／エミッタ電極端子４、ドレイン／コレクタ電極端子５、及びゲート電極端子６は、それぞれ筺体７に貫設する。

次に、ソース／エミッタ電極端子４に絶縁板１３を介して冷却器８を設け、ドレイン／コレクタ電極端子５に絶縁板１５を介して冷却器９を設ける。そして、冷却器８と冷却器９にボルト１７を挿通し、ボルト１７にナット１８を締結し、各部材間（すなわち、銀ペースト）に適切な圧接力（例えば、１０ＭＰａ）を作用させる。

筺体７の、ソース／エミッタ電極端子４、ドレイン／コレクタ電極端子５、及びゲート電極端子６が貫通する部位を封止材７ａにより封止し、各銀ペーストを加熱（例えば、２５０℃に加熱）して金属粒子層１２を形成する。銀ペーストの加熱は、半導体モジュール１全体を銀ペーストの加熱温度に加熱する方法や、各電極端子４，５，６と半導体素子２，３との間に電流を流して加熱する方法等により行う。

銀ペーストは、核としての銀粒子の表面が有機化合物で被覆された構造を有している。この構造により、溶媒における銀粒子の分散性が向上するとともに、銀粒子の酸化が抑制される。銀ペーストは、加熱処理を行う前工程において、ペースト層を加圧することで銀粒子を覆う有機化合物の被覆層を破砕するとともに、銀粒子の密度を向上させる。そして、加圧した状態の銀ペースト層を加熱することで、高融点の金属銀（融点約９６０℃）が析出して強固な結合が形成される。なお、金属粒子層１２の形成時に、半導体モジュール１内（筺体７内）のガスをドライ窒素等の不活性ガスに置換すると、半導体モジュール１を構成する部材（電極や電極ポスト等）の酸化が抑制される。

以上のような本発明の第１実施形態に係る半導体モジュール１の製造方法によれば、半導体モジュール１を組み立てた後（圧接した後）に、金属粒子層１２を形成することで、圧接の信頼性を有しつつ、部材間（例えば、電極ポスト１１とソース／エミッタ電極層２ａまたはソース／エミッタ電極端子４との間等）の接触抵抗や接触熱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１の通電時の電圧降下の増大を抑制することができる。また、導通時のエネルギー損失を低減し、発熱を抑制することができるので、より高い許容電流を有する半導体モジュール１を製造することができる。

つまり、本発明の半導体モジュール１の製造方法は、金属粒子ペースト（例えば、銀ペースト）の加熱時に必要な圧接力が半導体モジュール１の圧接力により得ることができる金属粒子ペーストを用いることで、半導体モジュール１を圧接した後に、金属粒子ペーストの金属粒子を析出（若しくは、金属粒子を溶融）させて、低抵抗、低熱抵抗の金属粒子層１２を形成する。このように、所定の圧接力で強固な結合を有する金属粒子層１２が形成されるので、半導体モジュール１の圧接の信頼性を有しつつ、部材間の接触抵抗や接触熱抵抗を低減することができる。なお、金属ナノペーストの接合に必要な加圧力で半導体モジュールを圧接して接合を形成し、その後半導体モジュールの圧接に必要な圧接力を作用させようとすると、半導体モジュール１の圧接力が、金属粒子ペーストの焼結時に必要な圧接力よりも非常に大きい場合、金属が焼結した後に更に金属粒子層１２を加圧することになり、金属粒子層１２に応力ストレスがかかり、金属粒子層１２の劣化を早めるおそれがある。また、金属粒子ペーストの焼結時に必要な圧接力が、半導体モジュール１の圧接力よりも非常に大きい場合、金属が焼結した後に圧接力を緩めることとなり、金属粒子層１２（接合層）が使用環境のストレスで劣化しやすくなると同時に劣化した際の信頼性を損なうおそれがある。

また、圧接型の半導体モジュール１を組み立てると、半導体モジュール１を構成する構成部材に均一な圧接が作用することとなる。したがって、半導体モジュール１を組み立てた後に、金属粒子を含有するペースト層を加熱して金属粒子層１２を形成することで、ペースト層の接合に必要な加圧力が均一に作用した状態でペースト層を加熱することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールの製造方法は、半導体モジュール内（筺体内）に不活性ガス（ドライ窒素等）を流通させた状態で、金属粒子ペースト層（ペースト層）を加熱して金属粒子層（接合層）を形成する工程が異なる以外は、第１実施形態に係る半導体モジュール１の製造方法と同じである。よって、異なる部分である金属粒子層１２の形成工程について詳細に説明する。ここでは、第１実施形態に係る半導体モジュール１と同一の構成には、同じ符号を付して説明する。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、本発明の第２実施形態に係る半導体モジュール１９は、半導体素子２，３、ソース／エミッタ電極端子４、ドレイン／コレクタ電極端子５、ゲート電極端子６、筺体７及び冷却器８，９を備える。

ソース／エミッタ電極端子４は、半導体素子２のソース／エミッタ電極層２ａに電極ポスト１０を介して設けられる。ソース／エミッタ電極端子４と電極ポスト１０との間、及びソース／エミッタ電極層２ａと電極ポスト１０との間には、それぞれ金属粒子層１２が設けられる。また、ソース／エミッタ電極端子４は、半導体素子３のアノード電極層３ａに電極ポスト１１を介して設けられる。ソース／エミッタ電極端子４と電極ポスト１１との間、及びアノード電極層３ａと電極ポスト１１との間には、それぞれ金属粒子層１２が設けられる。

ドレイン／コレクタ電極端子５は、半導体素子２のドレイン／コレクタ電極層２ｃに電極ポスト１４を介して設けられる。ドレイン／コレクタ電極端子５と電極ポスト１４との間、及びドレイン／コレクタ電極層３ｃと電極ポスト１４との間には、それぞれ金属粒子層１２が設けられる。また、ドレイン／コレクタ電極端子５は、半導体素子３のカソード電極層３ｂに電極ポスト１４を介して設けられる。カソード電極層３ｂと電極ポスト１４との間には、金属粒子層１２が設けられる。

ゲート電極端子６は、半導体素子２のゲート電極層２ｂに設けられる。ゲート電極端子６の接続部６ａの端面とゲート電極層２ｂとの間には、金属粒子層１２が設けられる。

筺体７は、半導体モジュール１の側部であって、冷却器８，９間に設けられる。筺体７の対向する壁面には、それぞれ気体供給管２０及び気体排出管２１が、筺体７の壁面を貫通して設けられる。

気体供給管２０及び気体排出管２１は、それぞれ筺体７に貫設され、ろう付けされる。さらに、気体供給管２０にはガス配管２２が接続され、ガス配管２２から不活性ガス（例えば、ドライ窒素や希ガス等）が筺体７内に供給される。そして、供給された不活性ガスは、気体排出管２１から排気される。なお、気体供給管２０及び気体排出管２１は、筺体７内に突出しないように設けることが望ましい。また、気体供給管２０及び気体排出管２１は、筺体７の対向する壁面にそれぞれ設ける形態に限定されるものではなく、例えば、他の電極の取り出しを妨げないように、筺体７の一つの壁面に気体供給管２０及び気体排出管２１を設ける形態としてもよい。

ソース／エミッタ電極端子４の上面には絶縁板１３を介して冷却器８が設けられ、ドレイン／コレクタ電極端子５の下面には絶縁板１５を介して冷却器９が設けられる。そして、ボルト１７にナット１８を締結して、冷却器８がソース／エミッタ電極端子４を半導体素子２，３方向に押圧し、冷却器９がドレイン／コレクタ電極端子５を半導体素子２，３方向に押圧した状態で、冷却器８，９が固定される。

次に、第２実施形態に係る半導体モジュール１９の製造方法について説明する。

まず、第１実施形態に係る半導体モジュール１の製造方法と同じ方法で、ソース／エミッタ電極端子４、ドレイン／コレクタ電極端子５、ゲート電極端子６を半導体素子２または半導体素子３に設け、冷却器８，９をボルト１７とナット１８で固定する。

そして、気体供給管２０にガス配管２２を接続し、気体供給管２０よりドライ窒素を筺体７内に供給する。筺体７内に供給されたドライ窒素は、気体排出管２１から排気される。このように、金属粒子層１２を形成する工程を行う前から筺体７内にドライ窒素を流通させる。そして、筺体７内がドライ窒素で十分に置換されたところで、筺体７内にドライ窒素を流通させた状態で銀ペーストを加熱し、金属粒子層１２を形成する。つまり、第１実施形態の半導体モジュール１の製造方法と同様の方法で銀ペーストを加熱し、金属粒子層１２を形成する。

金属粒子層１２を形成した後、気体供給管２０及び気体排出管２１の開口部を溶接や圧着等により封止する。例えば、半導体モジュール１９をグローブボックス内に配置し、気体供給管２０及び気体排出管２１の開口部の封止を行う。

以上のような本発明の第２実施形態に係る半導体モジュール１９の製造方法によれば、金属粒子層１２を形成する際に発生するガスを排気することができる。その結果、第１実施形態に係る半導体モジュール１の製造方法の有する効果に加えて、金属粒子層１２を形成する際に発生するガスが半導体モジュール１９内に残留することを抑制することができる。

以上、本発明の半導体モジュールの製造方法について、具体例を示して詳細に説明したが、本発明の半導体モジュールの製造方法は、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る。

例えば、実施形態の説明では、電極ポストとこの電極ポストと接する部材間及び電極端子と電極層間のすべてに金属粒子層を形成しているが、金属粒子層を一部の部材間に形成した形態とすることで、本発明の半導体モジュールの製造方法の有する効果を部分的に得ることができる。また、電極ポストを設けず、半導体素子の各電極層に直接電極端子を設ける場合には、各電極層とその電極層に接続される電極端子との間に金属粒子層を形成することとなる。

また、実施形態の説明では、電極ポストに銀ペーストを塗布する例を挙げているが、金属粒子を含有するペーストは、金属粒子層が形成される部材間に介在させる方法であれば、どのように形成しても良い。例えば、金属粒子層が形成される両部材に金属粒子を含有するペーストを塗布する形態としてもよい。

１，１９，２３…半導体モジュール
２…半導体素子（スイッチング素子）
３…半導体素子（ＦＷＤ）
４…ソース／エミッタ電極端子（引出電極））
５…ドレイン／コレクタ電極端子（引出電極）
６…ゲート電極端子
７…筺体（パッケージ）
７ａ…封止材
７ｂ…封止部材
８，９…冷却器
１０，１１，１４…電極ポスト
１２…金属粒子層（接合層）
１３，１５，１６…絶縁板
２０…気体供給管
２１…気体排出管

Claims (5)

1. 半導体素子と、前記半導体素子に形成された電極層に圧接され、当該電極層と電気的に接続される電極端子と、を有する半導体モジュールの製造方法であって、
   少なくとも前記電極層と前記電極端子との間に金属粒子を含有するペースト層を設け、
   前記電極層に前記電極端子を圧接して半導体モジュールを組み立てた後に、前記ペースト層を加熱して接合層を形成する
   ことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
2. 前記電極端子は、前記電極層に設けられる電極ポストと、当該電極ポストを介して前記電極層に設けられ、該電極層と外部回路とを接続する引出電極と、を有し、
   少なくとも前記電極層と前記電極ポストとの間若しくは前記電極ポストと前記引出電極との間に前記ペースト層を設ける
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法。
3. 前記電極端子を前記電極層に圧接する圧力は、０．１ＭＰａ〜１００ＭＰａであり、
   前記ペースト層の加熱温度は、１８０℃〜４００℃である
   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の製造方法。
4. 前記ペースト層に電流を流して該ペースト層を加熱する
   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の製造方法。
5. 前記半導体モジュールを組み立てた後、前記半導体素子が設けられる空間に不活性ガスを流通させ、該不活性ガスを流通させた状態で前記ペースト層を加熱する
   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の製造方法。

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