JP2015177182A

JP2015177182A - パワーモジュール

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Publication number: JP2015177182A
Application number: JP2014055207A
Authority: JP
Inventors: 佑哉村松; Yuya Muramatsu; 中島　泰; Yasushi Nakajima; 泰中島; 範之別芝; Noriyuki Betsushiba; 隆行山田; Takayuki Yamada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-10-05

Abstract

【課題】焼結性金属接合材を用いて接合されるパワーモジュールであって、信頼性及び放熱性の高いパワーモジュールを提供する。【解決手段】絶縁層の両面に導体層２を備える絶縁基板１と導体層に接合材により接合した半導体素子５を備えたパワーモジュール７であって、半導体素子の周縁部５ｂに対応した部分はヤング率の低い接合材で、半導体素子の中心部５ａでは焼結性金属接合材１１Ａで接合されている。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、焼結接合を用いて回路を構成するパワーモジュールに関する。

パワーモジュール（電力用半導体装置）には、スイッチング素子及び、又は整流素子としてＩＧＢＴ及びダイオードなどの半導体素子が搭載されている。これらの縦型半導体素子には、その裏面全域にメタライズを施し形成した裏面電極と、この裏面に対向する表面の一部分にメタライズを施した電極とが設けられている。そして、大電流を流すための配線構造として、裏面電極は基板上の電極に接続され、表面の電極は配線金属板を介して外部端子と接続される。

一方、電力損失低減の観点から、近年、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）のようなワイドバンドギャップの半導体材料を用いた半導体素子が開発されている。こうしたワイドバンドギャップ半導体素子では、素子自身の耐熱性が高く、大電流による高温動作が可能であるが、この特性を発揮するために、上述した配線構造を形成する高耐熱性能の接合材料が必要とされる。しかしながら、鉛フリーで、かつ高耐熱性能を有するはんだ材は、現状見出されていない。そこで、はんだに代わり、金属微粒子の焼結現象を利用した焼結性金属接合材を用いたパワーモジュールが検討されている（例えば、特許文献１又は２）。

焼結性金属接合材は、金属微粒子及び有機溶剤成分を含むペースト状の接合材であり、金属微粒子がその金属の融点よりも低い温度で焼結する現象を利用して、被接合部材との金属結合を達成する材料である。接合後の状態は、金属微粒子間が拡散接合され、また素子のメタライズと素子搭載用基板の表面との間も拡散接合がなされる。接合後の融点は、金属としての本来の融点にまで高まり、接合時の温度よりも高い耐熱性能を有することができる。また、焼結性金属材料として一般的によく知られている金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）は、一般的なはんだに比べて熱伝導率が大きく、さらに接合層を薄くすることができるため高い放熱性能も有する。

特開２００７−２１４３４０号公報特開２００７−４４７５４号公報

このように、焼結現象を利用した焼結性金属接合材は、高耐熱性能が要求されるパワーモジュールに好適な性質を有するものである。しかしながら、焼結性金属材料として一般的によく知られているＡｕ、Ａｇ及びＣｕは、はんだ材料に比べてヤング率が大きく、かつ接合層の厚さが焼結時の加圧によって小さくなるため、接合層の焼結金属材料が緻密になり過ぎる傾向がある。その結果、パワーモジュール稼動時の温度変化による熱応力は、焼結性金属接合材よりも半導体素子に作用する方が大きくなり、半導体素子が損傷する可能性がある。したがって、パワーモジュールにおける保証可能な寿命が短くなり信頼性に欠けるという課題があった（特開２０１３−２０１３３０号公報）。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、焼結性金属接合材を用いて接合されるパワーモジュールであって、従来に比べて信頼性及び放熱性の高いパワーモジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様におけるパワーモジュールは、表面に導体層を形成した絶縁基板と、上記導体層に接合材によって接合された半導体素子とを備えたパワーモジュールであって、上記接合材は、上記半導体素子の中央部では焼結性金属接合材であり、上記半導体素子の周縁部に対応して配置され、上記焼結性金属接合材のヤング率よりも小さいヤング率を有する周縁部材を備えたことを特徴とする。

ここで上記周縁部材は、半導体素子の中央部に配置される焼結性金属接合材とは別種類の接合材である場合、半導体素子の中央部に配置される焼結性金属接合材と基本的に同じ焼結性金属接合材であって含有する金属材料の密度を中央部のものよりも小さくしたものである場合、及び、半導体素子の周縁部に配置される接合材にかかわらず上記周縁部に配置される樹脂材である場合を含む概念である。

本発明の一態様におけるパワーモジュールによれば、半導体素子の中央部では焼結性金属接合材によって絶縁基板の導体層と接合され、半導体素子の周縁部には焼結性金属接合材のヤング率よりも小さいヤング率を有する周縁部材を備えるように構成した。これにより、パワーモジュールの発熱により接合部分に熱応力が生じた場合には、半導体素子の周縁部に配置した周縁部材が半導体素子の中央部に対応した接合部分に比べて大きく歪むことになる。よって、損傷の発生箇所を周縁部に対応した接合部分とすることができ、半導体素子そのものに損傷が発生することを防止することができる。その結果、従来に比べて信頼性の高いパワーモジュールを得ることが可能となり、また従来に比べてパワーモジュールの長寿命化、及び歩留まりの向上にも寄与することが可能となる。

本発明による各実施の形態におけるパワーモジュールの平面図である。図１Ａに示すＡ−Ａ’部におけるパワーモジュールの断面図である。本発明による実施の形態１のパワーモジュールにおいて、図１Ｂに示すＢ部の詳細図である。本発明による実施の形態１のパワーモジュールにおいて、図１Ｂに示すＣ部の詳細図である。本発明による実施の形態２のパワーモジュールにおいて、図１Ｂに示すＢ部の詳細図である。本発明による実施の形態２のパワーモジュールにおいて、図１Ｂに示すＣ部の詳細図である。本発明による実施の形態２のパワーモジュールにおいて、図１Ｂに示すＣ部の結合前における詳細図である。図３Ａに示すＣ部の結合後における詳細図である。本発明による実施の形態３のパワーモジュールにおいて、図１Ｂに示すＣ部の結合前における詳細図である。図４Ａに示すＣ部の結合後における詳細図である。本発明による実施の形態４のパワーモジュールにおいて、図１Ｂに示すＣ部の詳細図である。

本発明の実施形態であるパワーモジュールについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

本発明の実施形態であるパワーモジュールは、絶縁基板と半導体素子とを備え、半導体素子の中央部では焼結性金属接合材を用いて絶縁基板と半導体素子とを接合する。また、上記半導体素子の周縁部には、上記焼結性金属接合材のヤング率よりも小さいヤング率を有する周縁部材を配置する。この周縁部材は、以下の各実施の形態で説明するような態様を有する。

実施の形態１．
図１Ａ及び図１Ｂ（総称して図１と記す場合もある）は、以下に説明する各実施形態におけるパワーモジュール７の一部を抜粋した箇所の模式図である。
パワーモジュール７は、絶縁基板１と半導体素子５とを備える。絶縁基板１は、従来におけるものと同様に、例えばセラミック絶縁層３における表裏両面に導体層２を形成して構成された基板である。半導体素子５は、スイッチング素子及び、又は整流素子を構成するＩＧＢＴ及びダイオードなどの半導体素子、あるいは、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）のようなワイドバンドギャップを有する半導体素子がそれぞれ相当する。このような半導体素子５は、セラミック絶縁基板１の導体層２に接合材１０によって接合される。この接合材１０として、半導体素子５の中央部５ａでは、図２Ａに示すように焼結性金属接合材１１を使用し、半導体素子５の周縁部５ｂでは，図２Ｂに示すように、焼結後において焼結性金属接合材１１のヤング率よりも小さいヤング率を有する周縁接合材１２を使用する。本実施の形態１では、この周縁接合材１２が上述の周縁部材の一例に相当する。

半導体素子は、周知のようにウェハと呼ばれる円盤状の素材に写真製版の技術によって複数の同一の微細回路が形成され、その後ダイシングと呼ばれる分割工程を経て薄い長方形の形状に加工される。このダイシング工程では、ダイヤモンド砥石を有する円盤状の切削ツールによりウェハを切断し、各半導体素子に分割する。よって半導体素子における分割面には、物理的加工によるダメージ層が形成される。その結果、例えばシリコンの場合、ウェハは単結晶体では１ＧＰａ程度の強度を発揮できるのに対して、ダイシング加工部では、数百ＭＰａ程度に強度が低下するという問題がある。このため半導体素子における応力分布では、ダイシングライン近傍に作用する応力を下げることが最も重要となる。

そこで実施の形態では、半導体素子５の中央部５ａでは焼結性金属接合材１１によって接合を行うとともに、半導体素子５の周縁部５ｂ、すなわちダイシングライン近傍では、焼結性金属接合材１１に比べてヤング率の小さい周縁接合材１２によって接合を行う。本実施の形態１では、焼結性金属接合材１１と周縁接合材１２とは異種の接合材である。また、半導体素子５の周縁部５ｂとは半導体素子５の外周から中心に向けて半導体素子５の厚みの０．５倍〜５倍の長さに渡って領域決めされた部分であり、このような周縁部５ｂを設定することで、本実施形態にて後述する破壊防止効果が顕著となった。

このようにヤング率の異なる少なくとも２種類の接合材１１，１２を用いたことで、絶縁基板１の導体層２と半導体素子５とに挟まれた接合層内のヤング率を変化させることができる。半導体素子５の周縁部５ｂに設ける周縁接合材１２のヤング率を中央部５ａにおける焼結性金属接合材１１よりも小さくしたことで、パワーモジュール７に熱応力が生じた場合に、焼結性金属接合材１１に比べて周縁接合材１２が大きく歪む。その結果、破壊箇所が周縁部５ｂの周縁接合材１２内になり、半導体素子５の周縁部５ｂに作用する応力は低減され、半導体素子５の破壊を防止することができる。

好ましくは、周縁接合材１２のヤング率を中央部５ａにおける焼結性金属接合材１１のヤング率に比べて半分以下とした場合に、より良好な結果を得ることができる。
また本実施の形態１では、２種類の接合材を用いる例を示したが、さらに３種類以上のヤング率の異なる接合材を配置しても同様に高い応力低減効果を得ることができる。この場合、最も小さいヤング率を有する接合材を半導体素子５の周縁部５ｂに対応させて配置する。

以下に一般的な観点から、焼結性金属接合材を用いた接合について説明する。焼結性金属接合材は、一般的にナノメーターレベルの金属微粒子が非常に大きな表面積を有し、表面エネルギーを多く備えることから反応性が高くなっており、その金属がバルク（金属単体）で示す融点よりも低い温度で金属接合が拡散により進むという現象を利用するものである。しかし、金属微粒子は、その反応性の高さから、常温でも接触するだけで焼結すなわち拡散接合が進行する。そのため、焼結性金属接合材では、金属微粒子が凝集して焼結反応が進行するのを抑制するため、各金属微粒子が独立した状態で分散保持されるように、各金属微粒子は有機分散材によって保持されている。さらに、焼結性金属接合材には、接合工程において焼結反応を生じさせるため、加熱により有機分散材と反応して金属微粒子を裸にする分散材捕捉材と、有機分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉して揮散する揮発性有機成分等が添加されている。つまり、焼結性金属接合材は、骨材たる金属微粒子が有機成分中に分散されてペースト状になったものである。

次に、本実施の形態１において、焼結性金属接合材１１を用いた接合条件について説明する。焼結接合では、接合温度、加圧、接合時間が接合力を決定する主なパラメータとなる。Ａｕ，Ａｇ及びＣｕの焼結において、接合条件は、例えば温度：２５０℃〜３５０℃、加圧：０．１〜３０ＭＰａ、接合時間：１〜６０ｍｉｎである。

ヤング率に差を設ける方法として、例えば焼結後の接合体に占める金属微粒子間の空隙の密度により調節が可能である。そのためには焼結前の金属微粒子の粒度分布において、粒径が大きい分布の金属微粒子を用いて形成したときには、接合体における空隙の存在密度を大きくすることができ、逆に言えば、焼結後の接合体の密度を小さくできヤング率を低減することができる。一方、粒径の小さい金属微粒子を用いた場合、接合体における空隙の存在密度を小さくでき、逆に言えば接合体が緻密となり、ヤング率が大きくなる。ヤング率は、焼結後の接合体の密度が６０〜８０％程度で良好な結果が得られた。この範囲は、５０％以下ではヤング率の低減効果は高くなるが、接合体の強度が大きく低下し、また接合体を垂直に通る方向の熱抵抗が増大し、パワーモジュールとしては不適切となるという実験結果から得られた。

ヤング率を変化させる他の方法としては、金属微粒子の材料を変えることも有効である。例えば金属微粒子としてＡｕ，Ａｇ、あるいはＣｕなどが利用可能であるが、これらの材料を変更する、あるいはその混合比を変更する方法がある。また、上述以外の金属であっても結果としてヤング率の調整が可能であれば、他の金属であってもよい。

半導体素子５の中央部５ａと周縁部５ｂとに異なる接合材１１、１２を配置するためには、例えばディスペンスにより塗布する方法がある。また、印刷とディスペンスを併用し中心部は印刷することによりボイド発生を低減させることも可能である。

実施の形態２．
上述したように実施の形態１では、半導体素子５の中央部５ａと周縁部５ｂとでは異なる材料の接合材１１，１２を用いる形態について述べた。これに対して本実施の形態２では、半導体素子５の中央部５ａ及び周縁部５ｂに対して基本的に同じ材料の接合材を用いる形態を採る。尚、パワーモジュール７におけるその他の構成は、実施の形態１における構成と変わるところはなく、ここでの説明は省略する。よって以下では、中央部５ａ及び周縁部５ｂに対する接合材についてのみ説明を行う。

既に説明した内容の繰り返しになるが、半導体素子５とセラミック基板１との間には熱膨張率に差があることから、パワーモジュール７が熱を帯びることで両者間の接合部付近に応力が発生する。ここで両者間の接合を焼結性金属接合材１１で行う場合を考えると、焼結性金属接合材１１に含有する金属材料の粒径が比較的小さい場合(例えば、粒径が１０ｎｍ以下)には、焼結後において金属材料が緻密になりすぎ、また、焼結金属材料であるＡｕ、Ａｇ又はＣｕははんだに比べてヤング率が大きい。よって焼結性金属接合材１１における損傷が生じ難く、発生した応力は、半導体素子５に大きく作用することになる。その結果、半導体素子５が損傷してしまう可能性が大きくなる。一方、焼結性金属接合材１１に含有する金属材料の粒径が比較的大きい接合材(例えば、粒径が５μｍ以上)における空隙率が大きい場合には、接合部分での損傷が容易になり、接合の信頼性、及び放熱性が低下してしまう。

このような観点から検討を重ねた結果、焼結性金属接合材１１における金属材料が例えばＡｇであり、具体的に焼結性金属接合材１１における空隙率が５％未満の場合では、Ａｇ接合部の弾性率が高くなり応力緩衝が難しくなる。その結果、半導体素子５が熱衝撃により破壊する可能性がある。一方、多孔質のＡｇ接合部の空隙率が３０％以上となると、熱衝撃により接合部にクラックが進展しやすくなり、やはり接合信頼性が得られない恐れがある。したがって、金属材料が例えばＡｇである場合、焼結性金属接合材１１における空隙率を５〜３０％に設定することで、パワーモジュール７における初期不良率の低減及び保証期間の延長が可能となることがわかった。Ａｕ、Ｃｕの焼結性金属材料においてもバルクでのヤング率の差が小さいことから同様の傾向があると考えられる。

この検討結果を元にして、本実施の形態２では接合材に疎密差を設ける。即ち、図２Ｃに示すように半導体素子５の中央部５ａに対して焼結性金属接合材１１Ａを用い、半導体素子５の周縁部５ｂに対しては図２Ｄに示すように焼結性金属接合材１１Ｂを用いる。尚、本実施の形態２では、この焼結性金属接合材１１Ｂが上述の周縁部材の一例に相当する。ここで焼結性金属接合材１１Ａ、１１Ｂは同一材料であるが、含有する金属材料の密度を異にする。つまり、周縁部５ｂに対応した焼結性金属接合材１１Ｂにおける金属材料の含有密度は、焼結性金属接合材１１Ａに比べて樹脂成分を多くすることで、中央部５ａの焼結性金属接合材１１Ａにおける金属材料含有密度に比べて小さい。
このように周縁部５ｂに対応する焼結性金属接合材１１Ｂの金属材料含有密度を小さくすることで、焼結性金属接合材１１Ｂのヤング率の低減を図ることができる。また、焼結性金属接合材１１Ａ、１１Ｂでは、金属材料の含有密度を異にするが、中央部５ａと周縁部５ｂとで同一材料であることから、部材管理及び製造工程の削減を図ることも可能である。

焼結性金属接合材１１において、このような金属材料密度の疎密を形成する方法として、例えば以下の方法がある。即ち、中央部５ａにおける焼結性金属接合材１１Ａは印刷により中央部５ａに対応して供給し、焼結性金属接合材１１Ａに比べて樹脂成分を多くした焼結性金属接合材１１Ｂを例えばディスペンスにより周縁部５ｂに対応して供給した。ディスペンス後の接合前における周縁部５ｂにおける状態を図３Ａに示す。
これらの工程を経ることにより、半導体素子５の直下に、金属材料密度の疎密差を有する焼結性金属接合材１１を供給することができる。そして焼結工程を経た後、焼結性金属接合材１１Ａ、１１Ｂはそれぞれ溶剤あるいは保護成分がガスに分解されて排出され、予定したヤング率を有する接合層として接合される。接合後における周縁部５ｂにおける状態を図３Ｂに示す。
焼結性金属接合材１１において金属材料密度の疎密を形成する方法は、上述の印刷及びディスペンスの方法に限定されず、上述と同様の効果が得られる方法が使用可能である。

実施の形態３．
実施の形態１、２では、上述したように、半導体素子５の周縁部５ｂに位置する接合材においてヤング率の調整を図っている。これに対して本実施の形態３では、接合材以外の部材にてヤング率の調整を図るものである。このような実施の形態３について、図４Ａ及び図４Ｂを参照して以下に説明する。

実施の形態２で説明したように、本実施の形態３においても半導体素子５の中央部５ａに対応して焼結性金属接合材１１Ａを設け、半導体素子５の周縁部５ｂに対応して焼結性金属接合材１１Ｂを設ける。さらに本実施の形態３では、図４Ａに示すように、半導体素子５の周縁部５ｂに対応して焼結性金属接合材１１Ｂの上面に、半導体素子５の搭載前に、印刷もしくはディスペンスによって樹脂６を設ける。図４Ｂは、半導体素子５の周縁部５ｂにおける接合後の状態の模式図である。本実施の形態３では、この樹脂６が上述の周縁部材の一例に相当する。

樹脂６は、そのヤング率が少なくとも焼結後の焼結性金属接合材１１Ｂのヤング率よりも低くなる材料を用いる。このような樹脂６を用いることで、半導体素子５の周縁部５ｂに対応してヤング率の低下を図ることができる。即ち、周縁部５ｂに対応した樹脂６部分にて損傷が生じやすくなることから、半導体素子５における応力低減効果を発揮することができる。その結果、パワーモジュール７としての信頼性を向上することができる。

また樹脂６は、焼結性金属接合材１１Ａ、１１Ｂの焼結温度付近で硬化し、焼結性金属接合材１１Ａ、１１Ｂよりも粘度が高いものを用いるのが好ましい。このような樹脂６を用いることで、焼結時の加圧による焼結性金属接合材１１、特に焼結性金属接合材１１Ｂの形状変形を緩和することができる。したがって、より高精度にて半導体素子５の周縁部５ｂにおける応力低減構造を作製することができる。

本実施の形態３では上述のように、半導体素子５の周縁部５ｂに対応して焼結性金属接合材１１Ｂを設けたが、焼結性金属接合材１１Ｂに代えて、実施の形態１で説明した周縁接合材１２を設けても良い。

また、上述したように樹脂６について、そのものが応力低減効果を引き起こす特性を有する材料を選択している。したがって、半導体素子５の周縁部５ｂに対応して配置する接合材は、ヤング率を低減させた焼結性金属接合材１１Ｂ及び周縁接合材１２を用いる必要はない。したがって、周縁部５ｂに対応して配置する接合材は、例えば、半導体素子５の中央部５ａに配置する焼結性金属接合材１１Ａをそのまま用いることもできる。
このように半導体素子５の中央部５ａと周縁部５ｂとで接合材を使い分ける必要がなくなることで、樹脂６が奏する上述の効果に加えて、部材管理及び製造工程の削減も図ることが可能となる。

さらにまた、樹脂６を用いることで以下の効果を得ることができる。
焼結性金属材料は、高加圧もしくは長時間の加熱が必要であるため、パワーモジュールの製造装置において、半導体素子を搭載する装置と、焼結性金属材料を焼結させる装置とが異なる場合がある。この場合、焼結性金属接合材に半導体素子を搭載した後、焼結の際に、半導体素子の位置がずれてしまい、不良となる可能性がある。そのため、焼結性金属材料を用いる場合には、焼結動作よりも低加圧、低温で半導体素子を絶縁基板の導体層に仮接合することがある。しかしながら、この仮接合用に加圧、加熱装置が必要となるため、装置コストの増加及びサイクルタイムの増加というデメリットがある。
これに対して樹脂６を用いることにより、樹脂６の粘性によって例えば焼結性金属接合材１１Ｂへの半導体素子５の固定が可能となる。よって仮接合の必要がなくなり、装置コストの低減及びサイクルタイムの削減を図ることも可能である。

一方、一般的に樹脂材は熱伝導性が低いことから、半導体素子５の周縁部５ｂに対応して樹脂６を配置することは、放熱性を低下させるとも思われる。しかしながら、例えば発熱性の電力用半導体素子５のような素子では、その周囲部分には絶縁を確保するための非発熱領域が設けられている。したがってこの領域に限って言えば、周縁部５ｂに樹脂６を配置したことで熱伝導率が低下した接合層が形成されたとしても、放熱の観点で実質的な問題が生じることはない。

実施の形態４．
本実施の形態４においても、上述した実施の形態３と同様に接合材以外の部材にてヤング率の調整を図る形態であり、実施の形態４について、図５を参照して以下に説明する。
既に説明したように、絶縁基板１と半導体素子５との熱膨張率の差に起因して絶縁基板１と半導体素子５とを接合する接合材には、絶縁基板１及び半導体素子５のほぼ延在方向に沿って伸縮が生じる。このとき接合材に生じる応力は、絶縁基板１あるいは半導体素子５の厚み方向に沿った、接合材の厚みが小さいほど大きくなる。

そこで本実施の形態４では、図５に示すように、絶縁基板１の導体層２は、半導体素子５の周縁部５ｂに対応した領域に、導体層２の他部分に比して薄い層厚ｗを有する薄厚部２１を有する。層厚ｗは、焼結性金属材の厚さを５％〜２０％増加させることができる程度が望ましい。パワーモジュール７におけるその他の構成は、上述した実施の形態１又は実施の形態２で説明した構成に同じであり、ここでの説明を省略する。

このように薄厚部２１を設けたことで、半導体素子５の周縁部５ｂに設けられた接合材、例えば焼結性金属接合材は、半導体素子５の中央部５ａに設けられた例えば焼結性金属接合材１１Ａに比べると厚さが大きくなり見かけの剛性が低下する。したがって、パワーモジュール７の発熱に起因して、半導体素子５、絶縁基板１、及び接合材例えば焼結性金属接合材に生じる応力は、薄厚部２１が存在しない場合に比べて低減される。

また、絶縁基板１と半導体素子５との間の接合材、例えば焼結性金属接合材は、焼結工程における圧力が高いほど、含有する金属微粒子間の空隙率が小さくなり、逆に、焼結工程における圧力が小さいほど、金属微粒子間の空隙率が大きくなるという性質がある。
本実施の形態４のように薄厚部２１を設けることで、焼結工程中に接合材例えば焼結性金属接合材が流動するとき、半導体素子５の周縁部５ｂでは、加圧力が部分的に小さくなり、焼結後において接合材、例えば焼結性金属接合材における空隙率が大きくなる。つまり既に説明したように焼結後においてこの接合材、例えば焼結性金属接合材のヤング率は低くなる。したがって、半導体素子５の周縁部５ｂにおいて、焼結後、接合材例えば焼結性金属接合材における見かけの弾性率が低下する。その結果、パワーモジュール７の動作時に、半導体素子に生じる熱応力が低減され、パワーモジュールとしての信頼性を向上することができる。
このように、本実施の形態４では、半導体素子５の周縁部５ｂに対応して配置される接合材が上述の周縁部材の一例に相当する。

説明したように導体層２に薄厚部２１を有することで、半導体素子５の周縁部５ｂに設ける接合材は、その種類を問う必要がなくなる。したがって、上述のように、半導体素子５の中央部５ａに設けた焼結性金属接合材１１Ａをそのまま周縁部５ｂの接合材として使用することができ、また、実施の形態１で説明した低ヤング率の周縁接合材１２、及び実施の形態で説明した低ヤング率の焼結性金属接合材１１Ｂを使用してもよい。したがって、実施の形態３の場合と同様に、部材管理及び製造工程の削減も図ることが可能となる。

以上説明した実施形態１〜４を適宜組み合わせた構成を採ることも可能である。これらの形態では各実施形態が奏する効果を得ることができる。

１絶縁基板、２導体層、５半導体素子、５ａ中央部、５ｂ周縁部、
６樹脂、７パワーモジュール、１１，１１Ａ，１１Ｂ焼結性金属接合材、
１２周縁接合材、２１薄厚部。

Claims

表面に導体層を形成した絶縁基板と、上記導体層に接合材によって接合された半導体素子とを備えたパワーモジュールであって、
上記接合材は、上記半導体素子の中央部では焼結性金属接合材であり、
上記半導体素子の周縁部に対応して配置され、上記焼結性金属接合材のヤング率よりも小さいヤング率を有する周縁部材を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
上記周縁部材は、上記焼結性金属接合材とは異種の接合材である、請求項１に記載のパワーモジュール。
上記周縁部材は、上記中央部における焼結性金属接合材に比べて含有する金属材料の密度が小さい焼結性金属接合材である、請求項１に記載のパワーモジュール。
上記周縁部材は、上記半導体素子の周縁部において上記半導体素子と上記周縁部における接合材との間に配置された樹脂材であり、
上記周縁部における接合材は、上記半導体素子の中央部における上記焼結性金属接合材とは異種の接合材、上記焼結性金属接合材に比べて含有する金属材料の密度が小さい焼結性金属接合材、又は上記焼結性金属接合材と同じ焼結性金属接合材のいずれかである、請求項１に記載のパワーモジュール。
上記絶縁基板の導体層は、上記半導体素子の周縁部に対応した位置に、他部分に比して薄い層厚を形成した薄厚部を有し、
上記周縁部における接合材は、上記半導体素子の中央部における上記焼結性金属接合材とは異種の接合材、上記焼結性金属接合材に比べて含有する金属材料の密度が小さい焼結性金属接合材、又は上記焼結性金属接合材と同じ焼結性金属接合材のいずれかである、請求項１に記載のパワーモジュール。