JP5724415B2

JP5724415B2 - 半導体モジュール

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Publication number: JP5724415B2
Application number: JP2011020582A
Authority: JP
Inventors: 西口　哲也; 哲也西口
Original assignee: Meidensha Corp
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Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2031-02-02
Also published as: JP2012160639A

Description

本発明は、圧接により半導体素子と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュール、及びこの半導体モジュールに備えられる応力緩衝部材に関する。

代表的な絶縁形パワー半導体モジュールとして、インバータ等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。また、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形成された電極層をＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板（或いはＤＣＢ基板）の銅回路箔上にはんだ付けすることにより設けられる（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形成される電極層には、例えば、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、ＤＢＣ基板上の銅回路箔と電気的に結線される。そして、はんだ付け等により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）が銅回路箔と接続される。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。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粉、ｎａｎｏＡｇ）等が提案されている。また、次世代の半導体素子であるＳｉＣは、２５０〜３００℃での動作が報告されている。

はんだを用いた絶緑形パワー半導体モジュールの課題は、例えば、ＲｏＨＳ（Restriction of Hazardous Substances）に対応するため、はんだの鉛フリー化を行うことや、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することである。

はんだの鉛フリー化の課題に対して、鉛フリーはんだを用いることやはんだを用いない半導体モジュール構造が検討されている。鉛フリーはんだ材料としては、例えば、上述のようなＳｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ｃｕ系のものが検討されている。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)。

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。さらに、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。そして、コンタクト端子及び基板が半導体素子を押圧した状態で、半導体素子が半導体モジュールの筺体内に備えられる。このように、平型圧接構造パッケージでは、圧接によりコンタクト端子と半導体素子との接続、及び半導体素子と基板との接続が行われる。

平型圧接構造パッケージは、半導体素子や電極端子等の構成部材を圧接により接続するので、はんだを用いることなく半導体素子を電気的、熱的に外部と接続できる。また、平型構造であることから半導体素子を両面から冷却できる。このため、一般的にコンタクト端子及び基板を半導体素子方向にヒートシンクで押圧して平型圧接構造パッケージを構成する。そして、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。

この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。この圧接は平型圧接構造パッケージの上下のヒートシンク間とを電気的に絶緑する必要がある。また、平型圧接構造パッケージを押圧する板ばねの設計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。このことから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。

また、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課題に対して、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）の熱膨張率の違いより生じるせん断応力に対応する必要がある（例えば、特許文献１、２）。すなわち、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の差から、各部材間のはんだにせん断応力が働き、はんだに亀裂が生じて熱抵抗が増大したり端子が剥離したりするおそれがある。さらに、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、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場合がある。

年々電力密度の増加に伴い半導体素子上の電極とアルミワイヤ間等の接合温度が高くなることから、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。このＳｉＣ、ＧａＮなどの高温で使用可能な半導体素子の性能を活かすためにも、導体モジュールの温度サイクル、パワーサイクルの信頼性の向上が求められている。

そこで、高信頼性、環境性、利便性を同時に実現するために、圧接のようにはんだ接合あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ使い勝手の良い絶縁形パワー半導体モジュールが再び脚光を浴びてきた。

特開２００９−３０２５７９号公報特開２００９−１０５４５６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

半導体モジュールを構成する各部材（半導体素子や電極端子等）を圧接により接続する半導体モジュールにおいて、温度サイクルやパワーサイクルにおける動作信頼性の向上が求められている。

圧接により半導体素子や電極端子等を電気的に接続する半導体モジュールの信頼性を高めるには、半導体モジュールを構成する部材同士の接触面全体に対してできるだけ均一な接触圧力を確保する必要がある。なぜなら、接触圧が低い箇所は電気伝導度が低下し、その結果良好な接触が保たれている箇所に電流が集中し、また通電によるジュール発熱を放熱するパスも狭くなり、特定の部材が局所的に温度上昇する結果となる場合があるからである。特定の部材が局所的に温度上昇すると、局所的に部材が熱膨張して、複雑な形状に熱変形し、部材間の接触面において均一な接触圧を維持することが困難になるおそれがある。このような場合、局所的に応力が集中して半導体モジュールの信頼性が低下する要因になるおそれがある。

上記課題を解決する本発明の半導体モジュール及びこの半導体モジュールに備えられる応力緩衝部材は、応力緩衝部材の半導体素子が設けられる面に複数の溝を形成したことを特徴としている。

すなわち、本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、当該半導体素子に設けられる応力緩衝部材と、を備える半導体モジュールであって、前記応力緩衝部材の主面であって、前記半導体素子と接触する面には複数の溝が形成され、前記複数の溝は、前記半導体素子の側端からの距離が近い溝ほど深く形成され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は、半導体素子と、当該半導体素子に設けられる応力緩衝部材と、を備える半導体モジュールであって、前記応力緩衝部材の主面であって、前記半導体素子と接触する面には複数の溝が形成され、前記複数の溝の幅は、前記半導体素子の側端からの距離が近い溝ほど広く形成され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は、上記の半導体モジュールにおいて、前記溝には、前記応力緩衝部材より熱伝導が高い材料からなる充填材が充填され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は、上記の半導体モジュールにおいて、前記充填材の熱伝導率が、２０Ｗ／ｍＫ以上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は、上記の半導体モジュールにおいて、前記充填材が、グラファイトシートであり、前記グラファイトシートのグラファイト層と前記溝とが略平行になるように前記グラファイトシートが前記溝に嵌入され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は、上記の半導体モジュールにおいて、前記溝は、前記半導体素子の外周形状に沿って形成される溝が同心状に複数形成され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は、上記の半導体モジュールにおいて、前記半導体素子を挟装するように、前記応力緩衝部材を１対設け、前記応力緩衝部材の前記半導体素子が設けられる面は、当該応力緩衝部材と前記半導体素子との接触面よりも大きく、前記１対の応力緩衝部材の前記半導体素子が設けられる面であって、前記半導体素子と接触していない面には溝が形成され、前記１対の応力緩衝部材の前記半導体素子と接触していない面に形成されたそれぞれの溝に絶縁部材を嵌挿して、前記絶縁部材を前記応力緩衝部材間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は、上記の半導体モジュールにおいて、前記絶縁部材が、窒化ホウ素、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムのいずれかを含有する焼結体であることを特徴としている。

また、本発明の応力緩衝部材は、半導体素子に設けられる応力緩衝部材であって、前記応力緩衝部材の主面であって、前記半導体素子と接触する面には複数の溝が形成され、前記複数の溝は、前記半導体素子の側端からの距離が近い溝ほど深く形成されることを特徴としている。

また、本発明の応力緩衝部材は、半導体素子に設けられる応力緩衝部材であって、前記応力緩衝部材の主面であって、前記半導体素子と接触する面には複数の溝が形成され、前記複数の溝の幅は、前記半導体素子の側端からの距離が近いほど広く形成されることを特徴としている。

また、本発明の応力緩衝部材は、上記応力緩衝部材において、前記溝には、前記応力緩衝部材より熱伝導が高い材料からなる充填材が充填されることを特徴としている。

以上の発明によれば、半導体モジュールの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概略断面図である。（ａ）本発明の実施形態１に係る半導体モジュールの要部拡大断面図、（ｂ）本発明の実施形態１に係る応力緩衝部材の半導体素子が設けられる面の上面図である。本発明の実施形態１に係る応力緩衝部材を用いた場合の半導体素子と応力緩衝部材との接触面（断面図）での応力の値を示す図である。半導体素子と応力緩衝部材との接触面にかかる応力分布を示す図（ＡＮＳＹＳによる構造解析結果）であり、（ａ）従来技術に係る応力緩衝部材を用いた場合、（ｂ）本発明の実施形態１に係る応力緩衝部材を用いた場合の図である。（ａ）本発明の実施形態２に係る半導体モジュールの要部拡大断面図、（ｂ）本発明の実施形態２に係る応力緩衝板の半導体素子が設けられる面の上面図である。（ａ）本発明の実施形態３に係る半導体モジュールの要部拡大断面図、（ｂ）本発明の実施形態３に係る応力緩衝板の半導体素子が設けられる面の上面図である。

図面を参照して、本発明の実施形態に係る半導体モジュール及び本発明の実施形態に係る応力緩衝部材について詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に示すように、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、半導体素子２と、この半導体素子２の電極層（図示省略）と接続されるコンタクト材３、３（応力緩衝部材）と、半導体素子２の電極層と電気的に接続される電極端子４、４とを備える。

半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）等の絶縁ゲート型の半導体素子２やフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）等の半導体素子２が挙げられる。例えば、半導体素子２をＩＧＢＴ素子として説明すると、半導体素子２には、図示省略するが、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。半導体素子２のエミッタ、コレクタ（以後、電極層とする）には、コンタクト材３を介して電極端子４が電気的に接続される。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。

コンタクト材３は、例えば、平板状であり、熱伝導率ができるだけ高く（例えば、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上）、熱膨張係数はできるだけ半導体素子２に近い材料（例えば１０ｐｐｍ／℃以下）を適宜選択して用いる。コンタクト材３としては、熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃程度であるモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）、若しくはそのいずれかの成分と銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含む合金を例示することができる。なお、コンタクト材３の材質は、これらに限定するものではなく、一般的に半導体モジュールのコンタクト材として用いられる銅合金等を適宜選択して用いる。

コンタクト材３を構成する低熱膨張材料は、一般的にヤング率が大きい（３００ＧＰａ以上）。コンタクト材３を構成する材料がヤング率の大きい材料であった場合、コンタクト材３と半導体素子２との接触面において、応力が蓄積しやすい。特に、半導体素子２周辺部やコンタクト材３周辺部に応力が集中しやすい。そこで、図２に示すように、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１では、半導体素子２と接するコンタクト材３の表面に溝３ａ〜３ｄを形成した。

図２（ａ）に示すように、コンタクト材３の半導体素子２（すなわち、半導体素子２の電極層２ａ）と接する面に形成される溝３ａ〜３ｃは、半導体素子２の角部２ｂ（周辺部）からの距離が近い位置に形成される溝ほど深い溝が形成される。例えば、コンタクト材３の表面には、図２（ｂ）に示すように、半導体素子２の外周に沿うように形成された複数の溝３ａ〜３ｄが同心状に形成される。つまり、コンタクト材３の主面であって半導体素子２が設けられる面には、半導体素子２の外周に沿った溝３ａ〜３ｄが２重以上形成される。なお、コンタクト材３の半導体素子２と接する面に形成される溝３ａ〜３ｃの幅を、半導体素子２の角部２ｂの近傍に形成される溝ほど広くしてもよい。

コンタクト材３の主面に形成される溝３ａ〜３ｄの上面からみた形状は、上記実施形態のように半導体素子２の外周形状に沿って形成する形態に限定されるものではなく、円、楕円、矩形、コンタクト材３の外周形状に沿って形成する等適宜選択して形成すればよい。また、溝３ａ〜３ｄの断面形状も図２（ａ）に例示した矩形に限定されるものではく、三角形状、半楕円状でもよい。また、溝３ａ〜３ｄの配置形態も特に限定するものではなく、適宜半導体素子２の角部２ｂにかかる応力が低減するように配置すればよい。コンタクト材３の半導体素子２が接触する面の中心点に対して対称となるように溝３ａ〜３ｄを形成すると、コンタクト材３が半導体素子２を押圧する圧力が略均一になる。

さらに、コンタクト材３の半導体素子２が設けられる面であって、半導体素子２と接触しない面に溝３ｄを形成してもよい。このような溝３ｄを設ける場合は、溝の幅、溝の深さ等は、コンタクト材３の中心部付近に形成された溝３ａ〜３ｃと比較して、溝の幅や深さは、小さく形成してもよい。つまり、コンタクト材３の半導体素子２と接している面に形成された溝３ａ〜３ｃにおいて、半導体素子２の角部２ｂからの距離が最も近い位置に形成された溝３ａの溝幅若しくは、溝の深さが最大となるように溝を形成する。

図１に示すように、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、コンタクト材３、３を介して１対の電極端子４、４が半導体素子２を挟持し、この半導体素子２を挟持した電極端子４、４が、絶縁材５、５を介してケース６、６に収納されることにより構成される。ケース６は、コンタクト材３及び電極端子４を半導体素子２方向に押圧するように備えられる。そして、電極端子４（及び、コンタクト材３）が半導体素子２を押圧する力が所定の圧力となるように、ケース６、６間にばね７、７等の弾性部材が設けられる。なお、ケース６はヒートシンクを兼ねる場合があり、その場合には、半導体素子２で発生した熱はコンタクト材３及び電極端子４を介してケース６により放熱される。

図１に示した半導体モジュール１は、押圧により半導体素子２と電極端子４とを電気的に接続する半導体モジュール１の一般的な構造を例示したものである。よって、本発明の半導体モジュール１の圧接方法は、この圧接方法に限定するものではなく、周知の方法を適宜選択して用いればよい。そして、電極端子４についても、一般的に半導体モジュールに設けられる電極端子を適宜選択して用いればよい。また、コンタクト材３と電極端子４が一体に形成された形態としてもよい。

本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、コンタクト材３が半導体素子２を押圧して備えられているので、この押圧により半導体素子２に応力がかかる。そこで、半導体素子２にかかる応力を、図３、図４に例示する。

図３に示すように、半導体素子２において、半導体素子２の角部２ｂ（チップエッジ）に応力が集中する傾向がある。コンタクト材３に溝を形成しない場合（図３の（１）に示す）と比較して、コンタクト材３の半導体素子２と接触する面に半導体素子２の外周に沿うような溝を１周形成した場合（図３の（２）に示す）、半導体素子２の角部２ｂにかかる応力が低減されている。さらに、コンタクト材３の半導体素子２と接触する面に半導体素子２の外周に沿うような溝を２周形成した場合（図３の（３）に示す）、図３の（２）で示した場合と比較してさらに半導体素子２の角部２ｂにかかる応力が低下されていることがわかる。同様に、図４から明らかであるように、コンタクト材３に、図２に例示した溝３ａ〜３ｄを形成することで（図４の（ｂ）に示す）、コンタクト材に溝を形成しない場合（図４の（ａ）に示す）と比較して、半導体素子２の角部２ｂにかかる応力が緩和される。特に、コンタクト材に溝を形成しない場合において、半導体素子２の４隅にみられる応力集中部が、コンタクト材３に溝３ａ〜３ｄを形成することで消失している。

以上のように、本発明の実施形態１に係るコンタクト材３によれば、半導体素子２の角部２ｂに集中する応力を緩和することができる。このコンタクト材３は半導体素子２と接触する範囲において、コンタクト材２の外周側ほどコンタクト材３の代表的な径（肉厚）が薄くなるように溝３ａ〜３ｃの深さが形成されている。その結果、コンタクト材３は、コンタクト材３にかかる一定の力に対し変形しやすくなる。また、コンタクト材３に溝３ａ〜３ｃを設けることで、半導体素子２の最外周近傍の位置において、半導体素子２とコンタクト材３との接触領域を制限し、両者の界面に係る応力を低減することができる。また、コンタクト材３の半導体素子２と接する面に形成される溝３ａ〜３ｃの幅を、半導体素子２の角部２ｂからの距離が近い溝ほど広く形成することで、コンタクト材３の外周側にいくほどコンタクト材３と半導体素子２の水平方向の連続した接触距離が短くなる。その結果、コンタクト材３の実効的なヤング率が低下するので、半導体素子２の中央部と比較して半導体素子２の角部２ｂに集中しやすい応力を緩和することができる。

半導体素子２の角部２ｂを除き、半導体素子２にかかる半導体素子２の主面に対して水平方向の応力は、コンタクト材３と半導体素子２の熱膨張係数の差に比例する。本発明の実施形態１に係るコンタクト材３は、コンタクト材３の材質を変化させることなく実効的なヤング率を低減している。よって、コンタクト材３と半導体素子２の接触面での応力（接触面と水平方向の応力）は、従来のように低減させることができ、さらに、実効的なヤング率を低減させることでコンタクト材３が圧接方向の応力を緩和する役目を担う。その結果、半導体素子２にかかる応力をさらに低減することができる。

また、コンタクト材３に溝３ａ〜３ｄを形成することで、コンタクト材３において、コンタクト材３の主面と平行方向の熱の伝導を抑制し、コンタクト材３の厚み方向に熱が伝わるようになる。さらに、コンタクト材３において、半導体素子２の中央部近傍と接するコンタクト材３に溝を形成しないため、コンタクト材３中央部ではコンタクト材３の厚み方向において高い放熱性を維持できる。半導体素子２の周辺部は、放電や電流集中が起きないよう、またスイッチングデバイスではゲート端子を取り出すための領域が半導体素子２の周辺部にあるため、半導体素子２においては、通電領域は半導体素子２の中央部側が主となるように設計されている。よって、半導体素子２中央側の温度が周辺と比較して上がり易い。ゆえに、コンタクト材３の構造を、コンタクト材３の厚み方向に熱伝導するような構造とすることで、半導体素子２の放熱を効率よく行うことが可能となる。

なお、本発明の実施形態１に係るコンタクト材３は、コンタクト材３の半導体素子２が設けられる面に溝３ａ〜３ｄを形成する加工を行うだけなので、製造に大幅な手間がかからない。さらに、コンタクト材３に溝３ａ〜３ｄを形成することで、コンタクト材３の材料費を低減することができる。なお、コンタクト材３にモリブデンやタングステン等の硬い材料を用いず、安価で加工しやすい材料を用い、半導体素子２周辺部と接触するコンタクト材３の表面に溝形成加工を行うと、さらに製造の手間がかからず、材料コストを低減させることができる。

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によれば、コンタクト材３を備えることで、半導体素子２とコンタクト材３との界面において、半導体素子の角部２ｂ近傍にかかる応力を軽減することができる。その結果、半導体モジュール１の放熱性を落とすことなく半導体素子２にかかる応力を略均一にでき、半導体モジュール１の信頼性を向上させることができる。つまり、圧接型半導体モジュール１を構成する部材の点数を増やすことなく、圧接型半導体モジュール１の放熱性及び信頼性を向上（部材間の応力緩和）させることができる。

圧接により半導体素子や電極端子等を接続する半導体モジュールは、はんだを使わないため放熱性が低下するおそれがあるが、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、放熱性を高く維持するために部材間の接触圧力を一定圧力（例えば、１ＭＰａ）以上としても、半導体素子２にかかる応力を略均一にすることができる。

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、半導体素子２表裏面において適切な接触圧を維持することができるので、半導体素子２への圧接力が過大になることを防止し、コンタクト材３が半導体素子２表面に蒸着等により膜付けされたアルミニウム等の電極層２ａ表面を傷つけることを防止する。

また、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１において、コンタクト材３を半導体素子２を構成する材料の熱膨張係数と近い材質のものを用いると、熱膨張係数の異なる部材間の接触領域での（せん断）応力の蓄積を防止する。さらに、コンタクト材３がクリープ（上下面の部材の反り、部材間の界面に発生する応力を緩和する）材料として作用することで、部材間における接触面の上下の反り（歪み）量が異なる場合においても、部材間の接触状態の変化を緩和することができる。

なお、半導体素子２を挟み込むコンタクト材３の大きさは、大きいほど半導体モジュール１の放熱性が向上するので大きい設計とした方がよい。一方で、コンタクト材３の大きさが半導体素子２の大きさに比べて大きい場合、半導体素子２の角部２ｂに強い応力がかかる。本発明の実施形態１に係るコンタクト材３は、半導体素子２の角部２ｂにかかる応力を低減できるので、コンタクト材３を大きく設計することができる。その結果、半導体モジュール１の放熱性が向上し、半導体モジュール１の動作信頼性が向上する。

（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について図５を参照して詳細に説明する。

本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１０は、半導体モジュール１０に備えられるコンタクト材８（応力緩衝部材）が異なること以外は、図１で示した実施形態１に係る半導体モジュール１と同じである。よって、実施形態２に係る半導体モジュール１０については、コンタクト材８についてのみ詳細に説明する。なお、その他の構成については、図１を例示して説明した実施形態１に係る半導体モジュール１と同じであるので図示省略する。

図５に示すように、本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１０に備えられるコンタクト材８は、コンタクト材本体８ｅの半導体素子２が設けられる面に溝８ａ〜８ｄが形成され、この溝８ａ〜８ｄにコンタクト材本体８ｅを構成する材料より熱伝導が大きい充填材９が充填される。

コンタクト材本体８ｅは、例えば、実施形態１で説明したコンタクト材３と同様のものを用いる。なお、コンタクト材本体８ｅに形成される溝８ａ〜８ｄは、図５に示した例に限定されるものではなく、適宜コンタクト材８の放熱性と半導体素子２にかかる応力を考慮して各々の溝８ａ〜８ｄの深さを決める。つまり、溝８ａ〜８ｄの深さが深い方が、コンタクト材８の厚み方向の放熱性が向上するので、コンタクト材８の中心部付近に形成される溝８ｃを深く形成し、この溝８ｃに熱伝導性の高い充填材９を充填することで、厚み方向の放熱性をより向上させることができる。一方で、実施形態１で述べたように、半導体素子２の端部２ｂにかかる応力を低減するためには、半導体素子２の角部２ｂに形成される溝８ａほど深く形成することが求められる。よって、コンタクト材８の厚み方向の放熱性と、半導体素子２の角部２ｂにかかる応力とのバランスを考えて、コンタクト材８の溝８ａ〜８ｄの深さを決める。

充填材９は、コンタクト材本体８ｅに形成された溝８ａ〜８ｄに充填される。充填材９は、コンタクト材８を構成する材料より熱伝導が大きい材料から構成される。例えば、グラファイトシートが挙げられる。

グラファイトシートは、低熱膨張、高熱伝導、低ヤング率のシート材であり、近年、はんだを用いるタイプの半導体モジュールにおいて、このグラファイトシートをはんだの代わりの応力（変位）緩和層として用いる試みが行われている。しかしながら、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は、半導体素子を均等に圧接するため、または、半導体素子の温度を必要以上に高くしないために、半導体モジュール内で用いる部材点数は（特に圧接方向に）できるだけ減らした方がよい。つまり、半導体モジュールを構成する部材間の界面の数が多いほど、界面での接触（熱、電気）抵抗など、信頼性を損なう可能性がある要因が増大してしまう。

実施形態２に係る半導体モジュール１０では、肉厚１ｍｍ程度以下で柔軟性を有するグラファイトシート９を用いた例を示して説明する。

実施形態２に係るコンタクト材８は、図５に示すように、コンタクト材本体８ｅに、半導体素子２の外周形状に沿って溝８ａ〜８ｄが形成される。そして、この溝８ａ〜８ｄの形状、幅に合わせて形成されたグラファイトシート９が嵌挿される。特に、グラファイトシート９の平面方向がコンタクト材８の溝８ａ〜８ｄ深さ方向となるように、グラファイトシート９が溝８ａ〜８ｄに嵌挿される。すなわち、グラファイトシート９の厚み方向が溝８ａ〜８ｄの幅方向となるように、グラファイトシート９が溝８ａ〜８ｄに嵌挿される。グラファイトシート９は、層状の化合物であるグラファイトから構成される。そこで、本発明の実施形態の説明では、グラファイト層の積層方向を厚み方向、グラファイト層の層に対して平行な方向を平面方向とする。

グラファイトシート９は、平面方向の熱伝導率が厚み方向に比べて２桁程度熱伝導率が高いことが知られている（代表的な熱伝導率は、グラファイトシート９の場合、平面方向：４００Ｗ／ｍＫ、厚み方向：４Ｗ／ｍＫ）。そこで、グラファイトシート９の平面方向がコンタクト材本体８ｅに形成された溝８ａ〜８ｄの深さ方向と略平行となるようにグラファイトシート９を溝８ａ〜８ｄに充填する。その結果、半導体素子２が発する熱をコンタクト材８の厚み方向に放熱する能力を高めることができる。なお、グラファイトシート９の平面方向における電気抵抗は金属並に低いので（例えば、電気抵抗率：１０^-5Ωｍ以下）、ジュール熱の低減にも寄与しうる。また、グラファイトシート９及びコンタクト材本体８ｅは、温度上昇と共に熱膨張するため、両部材が高温になればなるほど、熱膨張により、グラファイトシート９とコンタクト材本体８ｅとの接触がよくなりコンタクト材８の放熱性が向上する。すなわち、半導体モジュール１０の内部温度が上昇するほど、コンタクト材８の放熱性が向上する。

［実施例］
実施形態２に係るコンタクト材８の具体的な実施例を示す。図５に示すように、Ｍｏ製のコンタクト材本体８ｅに半導体素子２の外周形状に沿った溝８ａ〜８ｄを形成し、この溝８ａ〜８ｄにグラファイトシート９を嵌挿して、コンタクト材８を構成した。溝８ａ〜８ｄの深さは、半導体素子２と接触する面の最外周に形成される溝８ａの深さを３ｍｍとし、半導体素子２と接触する面の最内周に形成される溝８ｃの深さを１ｍｍ、その他の溝８ｂ、８ｄの深さを２ｍｍとした。そして、それぞれの溝８ａ〜８ｄの幅は１ｍｍとし、それぞれの溝８ａ〜８ｄに厚さ１ｍｍのグラファイトシート９を嵌挿した。

上記構成からなるコンタクト材８の熱抵抗を測定すると、Ｍｏ製のコンタクト材本体に同様の溝を形成し、グラファイトシートを嵌挿しない場合と比較して、コンタクト材の上下面間の熱抵抗が３０％低下した。

以上のように、本発明の実施形態２に係るコンタクト材８によれば、実施形態１のコンタクト材３の効果に加えて、コンタクト材８の厚み方向の放熱性を向上させることができる。よって、本発明の実施形態２に係るコンタクト材８を備えた半導体モジュール１０の放熱性が向上する。

なお、コンタクト材本体８ｅに形成された溝８ａ〜８ｄすべてに充填材９を充填する必要はないが、すべての溝８ａ〜８ｄに充填材９を充填すれば、コンタクト材８の厚み方向に対して高い放熱性を得ることができる。なお、半導体素子２の外周部と接するコンタクト材８の表面近傍に、半導体素子２の外周に沿って溝８ａを形成し、この溝８ａにヤング率の低い充填材９を充填することで、充填材９が半導体素子２の押圧方向にかかる応力を緩和する役目を担い、半導体素子２にかかる応力を低下させることができる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３に係る半導体モジュールについて図６を参照して詳細に説明する。

本発明の実施形態３に係る半導体モジュール１１は、半導体モジュール１１に半導体素子２を挟装して備えられる１対のコンタクト材８、８（応力緩衝部材）間に絶縁部材１２を設けること以外は、実施形態２に係る半導体モジュール１０と同様である。よって、実施形態３に係る半導体モジュール１１については、絶縁部材１２が設けられる部分のみ詳細に説明し、実施形態２と同様のものについては同じ符号を付しその詳細な説明は省略する。また、半導体モジュール１１のその他の構成については、図１を例示して説明した実施形態１に係る半導体モジュール１と同じであるので図示省略する。なお、実施形態３に係る半導体モジュール１１の他例として、実施形態１に係る半導体モジュール１において、１対のコンタクト材３、３間に絶縁部材１２を設ける形態としてもよい。

図６に示すように、本発明の実施形態３に係る半導体モジュール１１には、１対のコンタクト材８、８が半導体素子２を挟装した状態で備えられる。

コンタクト材８は、半導体素子２の外周形状に沿って溝８ａ〜８ｄが形成されたコンタクト材本体８ｅと、この溝８ａ〜８ｄのうち半導体素子２と接触する面に形成された溝８ａ〜８ｃに充填されたグラファイトシート９（充填材）より構成される。

半導体素子２が設けられるコンタクト材８の主面であって半導体素子２と接していない面に形成される溝８ｄは、各コンタクト材８、８に対して対となるように設けられる。そして、それぞれの溝８ｄ、８ｄに半導体素子２を囲むように板状の絶縁部材１２を嵌入することで、コンタクト材８、８間に絶縁部材１２が設けられる。

絶縁部材１２は、例えば、溝８ｄ、８ｄと嵌合する嵌合部が形成された板状の部材である。この絶縁部材１２として、高熱伝導性（例えば、熱伝導率：２０Ｗ／ｍＫ以上）であり、高絶縁性（例えば、抵抗率：１０１３Ωｃｍ以上）の部材を用いると、コンタクト材８、８間の絶縁性を維持するとともに半導体素子２の放熱性が向上する。絶縁部材１２としては、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、あるいは酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）粒子等を含有し、これらを焼結して得られるシート状の絶縁部材１２が挙げられる。なお、絶縁部材１２の形状は、実施形態に限定するものではなく、筒状、棒状等、コンタクト材８、８間に設けることができるものであればその形状は特に限定されるものではない。

［実施例］
本発明の実施形態３に係る半導体モジュール１１の具体的な実施例を示す。図６に示すように、半導体素子２（Ｓｉ製サイズ７×７ｍｍ）の周囲から１ｍｍ離れた位置に半導体素子２を囲むように肉厚２ｍｍの酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）製の絶縁部材１２を配置した。コンタクト材８及び充填材９の形状等は、図５を参照して説明した実施形態２の半導体モジュール１０と同様であるので、詳細な説明は省略する。

このようにコンタクト材８、８間に絶縁部材１２を配置することで、実施形態２の半導体モジュール１０と比較して、半導体モジュール１１の熱抵抗がさらに１０％低減した。

以上のように、本発明の実施形態３に係る半導体モジュール１１によれば、コンタクト材８、８の間に高熱伝導性の絶縁部材１２を設けることで、実施形態１または実施形態２に係る半導体モジュール１、１０の効果に加えて、さらに放熱性が向上する。また、各々のコンタクト材８、８に形成された溝８ｄ、８ｄに絶縁部材１２を設けることで、各コンタクト材８、８の相互の位置関係が固定されるため、半導体素子２の圧接方向と垂直な方向に過大な力が作用した場合でも、半導体モジュール１１内でコンタクト材８の位置が変化する（滑り移動する）ことが防止される。

さらに、半導体素子２の近傍若しくは半導体素子２と接するように絶縁部材１２を設けると、絶縁部材１２が半導体素子２の外部ガイドとなり、半導体素子２の圧接方向と垂直な方向に過大な力が作用した場合でも、半導体素子２の位置が変化する（滑り移動する）ことが防止される。

なお、この絶縁部材１２を多数配置することで、半導体素子２にかかる圧接方向の応力の一部をこの絶縁部材１２が受け止め緩和することができ、半導体素子２の角部２ｂにかかる応力を軽減することができる。その結果、半導体素子２にかかる応力を均―化することができる。

以上のように、本発明のコンタクト材及び半導体モジュールによれば、半導体素子にかかる応力を略均一化できる。また、コンタクト材の放熱性を向上させることができる。その結果、半導体モジュールの動作信頼性（温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性）が向上する。特に、ＳｉＣやＧａＮのようなワイドバンドギャップ半導体素子のように高温での動作が期待される半導体素子を本発明に係る半導体モジュールに適用すると、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性が向上し、半導体モジュールの長寿命化を図ることができる。

１、１０、１１…半導体モジュール
２…半導体素子
２ａ…電極層
２ｂ…角部
３、８…コンタクト材（応力緩衝部材）
３ａ〜３ｄ、８ａ〜８ｄ…溝
４…電極端子
８ｅ…コンタクト材本体
９…グラファイトシート（充填材）
１２…絶縁部材

Claims

半導体素子と、
当該半導体素子に圧接により設けられる応力緩衝部材と、を備える半導体モジュールであって、
前記応力緩衝部材の主面であって、前記半導体素子と接触する面には複数の溝が形成され、
前記複数の溝は、前記半導体素子の側端からの距離が近い溝ほど深く形成される
ことを特徴とする半導体モジュール。
半導体素子と、
当該半導体素子に圧接により設けられる応力緩衝部材と、を備える半導体モジュールであって、
前記応力緩衝部材の主面であって、前記半導体素子と接触する面には複数の溝が形成され、
前記複数の溝の幅は、前記半導体素子の側端からの距離が近い溝ほど広く形成される
ことを特徴とする半導体モジュール。
前記溝には、前記応力緩衝部材より熱伝導が高い材料からなる充填材が充填される
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。
前記充填材の熱伝導率は、２０Ｗ／ｍＫ以上である
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
前記充填材は、グラファイトシートであり、
前記グラファイトシートのグラファイト層と前記溝とが略平行になるように前記グラファイトシートが前記溝に嵌入される
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
前記溝は、前記半導体素子の外周形状に沿って形成される溝が同心状に複数形成される
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。
前記半導体素子を挟装するように、前記応力緩衝部材を１対設け、
前記応力緩衝部材の前記半導体素子が設けられる面は、当該応力緩衝部材と前記半導体素子との接触面よりも大きく、
前記１対の応力緩衝部材の前記半導体素子が設けられる面であって、前記半導体素子と接触していない面には溝が形成され、
前記１対の応力緩衝部材の前記半導体素子と接触していない面に形成されたそれぞれの溝に絶縁部材を嵌挿して、前記絶縁部材を前記応力緩衝部材間に設ける
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。
前記絶縁部材は、窒化ホウ素、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムを含有する焼結体である
ことを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュール。