WO2018020729A1 - 半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法 Download PDF

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鈴木 智久
健 寺崎
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor module and a method for manufacturing the semiconductor module, and more particularly to a technique effective when applied to a SiC power module.
  • SiC power devices can operate at a high temperature of 200 ° C or higher, and have the merit of being able to achieve a significant reduction in size and weight.
  • ⁇ Power devices are evaluated for durability against thermal stress by a temperature cycle test.
  • thermal strain caused by the difference in linear expansion coefficient between members is concentrated and broken mainly at the joint portion of the power device.
  • Patent Document 1 In order to efficiently cool the power device, for example, a double-sided cooling structure as shown in Patent Document 1 has been studied. Moreover, in order to reduce the thermal distortion in the junction part of a power device, for example in patent document 2, the level
  • Patent Document 1 relates to a module structure with an improved waterproofing effect in a water-cooled semiconductor module. Although the cooling efficiency of the entire semiconductor module is improved, it is locally generated at the joint portion of the power device as described above. No consideration is given to thermal strain.
  • Patent Document 2 describes a technique for reducing distortion by providing a thin portion on the outer periphery of the heat sink.
  • a highly rigid heat sink is provided immediately above the chip center position where the temperature is highest.
  • a sufficient strain reduction effect cannot be obtained.
  • an object of the present invention is to provide a semiconductor module capable of effectively reducing thermal strain generated at a joint portion between a semiconductor chip and another conductor member with a relatively simple structure.
  • Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor module that can effectively reduce thermal strain generated at a joint between a semiconductor chip and another conductor member without using a complicated process. There is to do.
  • the present invention provides a first wiring layer, a semiconductor element bonded to the first wiring layer via a first bonding layer, and a second wiring on the semiconductor element.
  • a first electrode bonded via a bonding layer; a second electrode connected on the first electrode; and a second wiring layer connected on the second electrode;
  • the width of the second electrode in the short direction is wider than the thickness of the first electrode, and the second electrode is disposed at a position away from the center position of the semiconductor element.
  • the present invention also includes (a) a step of bonding a semiconductor element on a first wiring layer via a first bonding layer, and (b) a first step on the semiconductor element via a second bonding layer. (C) a step of disposing a second electrode and a spacer on the first electrode, (d) a step of forming a second wiring layer on the second electrode and the spacer, (E) a method of manufacturing a semiconductor module including a step of applying pressure from above the second wiring layer, wherein the width of the second electrode in the short direction is wider than the thickness of the first electrode; The second electrode is disposed at a position deviating from a center position of the semiconductor element.
  • FIG. 2A It is a figure which shows the distortion reduction effect of a semiconductor module. It is a figure which shows the chip temperature of a semiconductor module. It is a figure which shows a part of manufacturing process of the semiconductor module which concerns on one Embodiment of this invention. It is sectional drawing of the semiconductor module which concerns on one Embodiment of this invention. It is a top view of the semiconductor module which concerns on one Embodiment of this invention. It is sectional drawing of the semiconductor module which concerns on one Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a double-sided cooling type semiconductor module, showing a wiring structure of a semiconductor element 3 mounted between upper and lower cooling members 10a and 10b.
  • FIG. 2A is a plan view of the semiconductor module of FIG. 1 as viewed from above, and shows the positional relationship of the semiconductor element 3, the first electrode 5, and the second electrode 6.
  • 2B is a modification of FIG. 2A, and the second electrode 6 in FIG. 2A has a slit shape, whereas in FIG. 2B, the second electrode 6 has a plurality of vias (here, three vias). ).
  • the semiconductor module of this embodiment includes at least a first wiring layer 1, a first bonding layer 2, a semiconductor element 3, a second bonding layer 4, and a first electrode 5 in order from the lower layer.
  • the second electrode 6 and the second wiring layer 7 are stacked.
  • the first electrode 5 and the second electrode 6 constitute an electrode 50.
  • a gap between the first wiring layer 1 and the second wiring layer 7 is filled with a sealing member 8 and sealed.
  • a cooling member 10a is provided on the lower layer (outside) of the first wiring layer 1 via an insulating member 9a, and the cooling member 10b is provided on the upper layer (outer side) of the second wiring layer 7 via an insulating member 9b. Is provided.
  • the first wiring layer 1, the second wiring layer 7, the first electrode 5, and the second electrode 6 are made of a conductive material such as copper (Cu) or aluminum (Al).
  • the first bonding layer 2 and the second bonding layer 4 are made of a bonding material such as solder, sintered silver, sintered copper, or sintered gold.
  • the semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si, SiC, or gallium nitride (GaN).
  • GaN gallium nitride
  • an insulating material for sealing such as sealing resin, ceramic, glass, gas or the like is used.
  • the insulating members 9a and 9b are made of an insulating material such as aluminum nitride (AlN), silicon nitride (SiN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or a resin sheet.
  • the cooling members 10a and 10b are made of a material having high thermal conductivity such as Al and Cu.
  • the semiconductor element 3 is preferably a wide band gap semiconductor such as SiC or GaN, and the bonding layer is preferably composed of sintered silver or sintered copper having a high melting point and high heat resistance.
  • the second bonding layer 4 is made of sintered copper and the first electrode 5 and the second electrode 6 are made of Cu, the difference in linear expansion coefficient between members is eliminated and strain is reduced. It is.
  • the first electrode 5 is preferably about the same thickness as the second bonding layer 4.
  • the second electrode 6 is provided in a form deviated from the semiconductor element center position of the semiconductor element 3. As described above, by providing the second electrode 6 so as to avoid the central position where the temperature of the semiconductor element becomes the highest, it is possible to suppress the influence of the thermal strain generated by the thermal expansion of the second electrode 6. .
  • FIG. 3 shows a comparison result in which the distribution of the equivalent plastic strain at the evaluation position B of the structure in which the peripheral part is provided as in Patent Document 2 and the structure of this example (FIG. 2A) is calculated by finite element analysis. .
  • the horizontal axis in FIG. 3 indicates the position from the left end of the semiconductor element 3, and the vertical axis indicates the strength of the equivalent plastic strain.
  • the conventional structure 1 the structure of Patent Document 2
  • distortion occurs over the entire semiconductor element.
  • the strain is relaxed as a whole, and it can be seen that there is almost no strain particularly in the vicinity of the center position of the semiconductor element.
  • the strain generated in the bonding layer can be effectively reduced.
  • the width b (FIG. 2A) of the second electrode 6 needs to be provided wider than at least the thickness t (FIG. 1) of the first electrode 5.
  • FIG. 4 shows the result of comparing the temperatures at the evaluation position A (FIG. 2A) of the semiconductor element 3 when the relationship between the thickness t of the first electrode 5 and the thickness t of the first electrode 5 is b> t.
  • the horizontal axis of FIG. 4 indicates the position from the left end of the semiconductor element 3, and the vertical axis indicates the temperature of the semiconductor element 3. It can be seen that the temperature of the structure of this example (the present invention) is lower than that of the conventional structure 2 (the structure of Patent Document 3).
  • the second electrode 6 may be formed by a plurality of vias as shown in FIG. 2B instead of being provided in a slit shape as shown in FIG. 2A. Even in this case, the width b of the second electrode 6, that is, the via diameter b needs to be larger than the thickness t (FIG. 1) of the first electrode 5.
  • the number of vias to be provided is preferably determined after preliminarily calculating the temperature and strain of the semiconductor element by simulation or the like.
  • the manufacturing method of the semiconductor module of a present Example is demonstrated.
  • the electrode 50 including the first electrode 5 and the second electrode 6, the first electrode 5, the second electrode 6, and the second wiring layer 7 are formed separately, and each member is separated from each other. It is set as the structure connected by a joining member. That is, the first electrode 5 and the second electrode 6 are connected by the third bonding layer, and the second electrode 6 and the second wiring layer 7 are connected by the fourth bonding layer.
  • the first electrode 5, the second electrode 6, and the second wiring layer 7 are made of Cu, and a joining member between the members is sintered copper. Even when Cu cannot be used for the second wiring layer 7, at least the first electrode 5 and the second electrode 6, which have a high temperature, are made of Cu, and the joining member between them is made of sintered copper. Is preferable for reducing thermal strain.
  • the second wiring layer 7 and the second electrode 6 may be formed as a single body by molten metal or shaving. At this time, if the first electrode 5 can also be formed integrally, it is more preferable because there is no joint.
  • a pressurizing process is generally required.
  • a non-bonded spacer 11 may be sandwiched between the first electrode 5 and the second wiring layer 7 as shown in FIG.
  • the spacer 11 is preferably the same member as the second electrode 6 and is removed after bonding.
  • the second electrode 6 is formed of Cu
  • the spacer 11 may be made of the same member as the sealing member 8 and molded as it is.
  • the first wiring layer 1 to the first electrode 5 may be pressure bonded once, and then the second electrode 6 and the second wiring layer 7 may be pressure bonded.
  • FIGS. 6A and 6B are modifications of the semiconductor module shown in FIGS. 1 and 2A.
  • FIG. 6A shows a laminated structure from the first wiring layer 1 to the second wiring layer 7.
  • the first electrode 5 and the second wiring layer 7 are connected by one second electrode 6.
  • two second electrodes 6 are provided at both ends of the first electrode 5 across the chip center position, and the first electrode 5 and the second wiring layer 7 are connected.
  • Yes. 6B is a plan view of FIG. 6A as viewed from above.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view of a semiconductor module in which a plurality of semiconductor devices 3 are arranged between the first wiring layer 1 and the second wiring layer 7.
  • FIG. 7B is a plan view of FIG. 7A as viewed from above.
  • 8A and 8B are modified examples of FIGS. 7A and 7B, showing an example in which the position of each second electrode 6 with respect to each semiconductor device 3 is different.
  • the second electrodes 6 on the semiconductor device 3 disposed in the left and right regions of the center position of the module are disposed so as to be symmetric with respect to the center position of the module.
  • the second electrodes 6 on the semiconductor device 3 respectively disposed in the left and right regions of the center position of the module are disposed symmetrically within the same region.
  • the first electrode 5 and the second electrode 6 are structured as described in the first embodiment and the second embodiment to improve heat dissipation, and as shown in FIGS. 7A to 8B, the second electrode 6 is formed.
  • the second electrode 6 is arranged symmetrically in the left and right regions of the center position of the module, thereby further reducing the uneven distribution of thermal strain in the semiconductor module.
  • a structure in which a third electrode is provided between the second electrode 6 and the second wiring layer 7 and a plurality of second electrodes are connected to the third electrode may be employed.
  • the second electrode 6 and the third electrode may be connected via the fifth bonding layer, and the third electrode and the second wiring layer 7 are connected via the sixth bonding layer. It is good also as a structure.

Abstract

比較的簡単な構造で、半導体チップと他の導体部材との接合部に生じる熱ひずみを効果的に低減することが可能な半導体モジュールを提供する。第1の配線層と、前記第1の配線層上に第1の接合層を介して接合された半導体素子と、前記半導体素子上に第2の接合層を介して接合された第1の電極と、前記第1の電極上に接続された第2の電極と、前記第2の電極上に接続された第2の配線層と、を備え、前記第2の電極の短手方向の幅は、前記第1の電極の厚さよりも広く、前記第2の電極は前記半導体素子の中心位置から外れた位置に配置されることを特徴とする。

Description

半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法
 本発明は、半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法に関し、特に、SiCパワーモジュールに適用して有効な技術に関する。
 近年、ハイブリッド自動車や鉄道用途を中心として、インバータなどの電力制御機器に用いられるパワーデバイスの市場拡大が続いている。環境保護や省エネに対する意識の高まりを背景として、パワーデバイスにはさらなる高効率化が求められている。しかし、従来のシリコン(Si)を用いたパワーデバイスの性能は限界に近づいており、より高効率な炭化ケイ素(SiC)を用いた次世代パワーデバイスの開発が進められている。SiCパワーデバイスでは200℃以上の高温動作が可能となり、大幅な小型・軽量化が実現できるメリットがある。
 しかし、200℃以上の高温環境下では、従来チップ接合材として使用されてきた鉛フリーはんだは、再溶融の問題から使用できない。また、現在はRoHS(Restriction of Hazardous Substances)指令から除外されている鉛含有率85%以上の高融点はんだは、将来的にRoHSの対象項目となることが予想され、代替材料の開発が急務である。これらの代替材料として、ナノやマイクロメートルオーダーの金属粒子を焼結させた焼結金属材料が期待されており、焼結銀や焼結銅による接合に関して開発が進められている。
 パワーデバイスは、温度サイクル試験によって、熱的ストレスに対する耐久性が評価される。温度サイクル試験では、主にパワーデバイスの接合部に、部材間の線膨脹係数の差に起因する熱ひずみが集中し破壊する。
 パワーデバイスを効率的に冷却するために、例えば特許文献1に示すような両面冷却構造が検討されている。また、パワーデバイスの接合部における熱ひずみを低減するために、例えば特許文献2では、ヒートシンク部に段差を設けて薄肉部を形成している。また、特許文献3では、半導体チップの上部面に検査用の板状導体部材が設けられた構造が記載されている。
特開2015-230913号公報 特開2002-110893号公報 特開2012-238749号公報
 200℃以上の高温動作においては、接合部材に発生する熱ひずみが大きくなり、接合部材の破壊がこれまで以上に問題になると考えられる。特許文献1は、水冷方式の半導体モジュールにおいて、防水効果を高めたモジュール構造に関するものであるが、半導体モジュール全体の冷却効率は向上するものの、上記のようなパワーデバイスの接合部に発生する局所的な熱ひずみについては考慮されていない。
 また、特許文献2では、ヒートシンクの外周に薄肉部を設けることでひずみを低減する手法が記載されているが、最も温度の高くなるチップ中心位置の直上に剛性の高いヒートシンクを設けていることから、200℃以上の高温状態を想定した場合には十分なひずみ低減効果は得られない。
 また、特許文献3に示されるような板状の導体部材をヒートシンクとの接続に用いることも考えられるが、この場合、放熱パスが細いため放熱性が低く、冷却性能は不十分となる。
 そこで、本発明の目的は、比較的簡単な構造で、半導体チップと他の導体部材との接合部に生じる熱ひずみを効果的に低減することが可能な半導体モジュールを提供することにある。
 また、本発明の別の目的は、複雑なプロセスを用いることなく、半導体チップと他の導体部材との接合部に生じる熱ひずみを効果的に低減することが可能な半導体モジュールの製造方法を提供することにある。
 上記課題を解決するために、本発明は、第1の配線層と、前記第1の配線層上に第1の接合層を介して接合された半導体素子と、前記半導体素子上に第2の接合層を介して接合された第1の電極と、前記第1の電極上に接続された第2の電極と、前記第2の電極上に接続された第2の配線層と、を備え、前記第2の電極の短手方向の幅は、前記第1の電極の厚さよりも広く、前記第2の電極は前記半導体素子の中心位置から外れた位置に配置されることを特徴とする。
 また、本発明は、(a)第1の配線層上に第1の接合層を介して半導体素子を接合する工程、(b)前記半導体素子上に第2の接合層を介して第1の電極を接合する工程、(c)前記第1の電極上に第2の電極およびスペーサーを配置する工程、(d)前記第2の電極および前記スペーサー上に第2の配線層を形成する工程、(e)前記第2の配線層上から加圧する工程、を含む半導体モジュールの製造方法であって、前記第2の電極の短手方向の幅は、前記第1の電極の厚さよりも広く、前記第2の電極は前記半導体素子の中心位置から外れた位置に配置されることを特徴とする。
 本発明によれば、比較的簡単な構造で、半導体チップと他の導体部材との接合部に生じる熱ひずみを効果的に低減することが可能な半導体モジュールを実現できる。
 また、本発明によれば、複雑なプロセスを用いることなく、半導体チップと他の導体部材との接合部に生じる熱ひずみを効果的に低減することが可能な半導体モジュールの製造方法を実現することができる。
 上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの平面図である。 図2Aの変形例である。 半導体モジュールのひずみ低減効果を示す図である。 半導体モジュールのチップ温度を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの製造過程の一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの平面図である。
 以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能ある。
 図1から図2Bを参照して、本実施例の半導体モジュールについて説明する。図1は両面冷却型の半導体モジュールの要部断面図であり、上下の冷却部材10a,10bの間に実装された半導体素子3の配線構造を示している。図2Aは図1の半導体モジュールを上面から見た平面図であり、半導体素子3、第1の電極5、第2の電極6の位置関係を示している。また、図2Bは図2Aの変形例であり、図2Aの第2の電極6がスリット状であるのに対し、図2Bでは第2の電極6が複数のビア(ここでは、3本のビア)で構成される例を示している。
 本実施例の半導体モジュールは、図1に示すように、下層から順に、少なくとも第1の配線層1、第1の接合層2、半導体素子3、第2の接合層4、第1の電極5、第2の電極6、第2の配線層7を備える積層構造となっている。第1の電極5および第2の電極6により電極50が構成されている。第1の配線層1と第2の配線層7の間の空隙には封止部材8が充填されて封止されている。第1の配線層1の下層(外側)には絶縁部材9aを介して冷却部材10aが設けられており、第2の配線層7の上層(外側)には絶縁部材9bを介して冷却部材10bが設けられている。
 第1の配線層1や第2の配線層7、第1の電極5、第2の電極6は、銅(Cu)やアルミニウム(Al)等の導電材料により構成されている。また、第1の接合層2、第2の接合層4は、はんだや焼結銀、焼結銅、焼結金などの接合材料により構成されている。半導体素子3は、SiやSiC、窒化ガリウム(GaN)などの半導体材料により構成されている。封止部材8には、封止樹脂、セラミック、ガラス、気体などの封止用の絶縁材料が用いられる。絶縁部材9a,9bは、窒化アルミニウム(AlN)や窒化シリコン(SiN)、酸化アルミニウム(Al2O3)、樹脂シートなどの絶縁材料によって構成される。冷却部材10a,10bは、Al、Cuなどの熱伝導率の高い材料によって構成される。
 半導体モジュールを高温で動作させる場合、半導体素子3は、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体が好ましく、接合層は融点が高く高耐熱な焼結銀や焼結銅によって構成されることが好ましい。また、第2の接合層4を焼結銅、第1の電極5および第2の電極6をCuによって構成することで、部材間の線膨脹係数差が無くなりひずみが低減されるため、より好適である。また、第1の電極5は、第2の接合層4と同等程度の膜厚であることが好ましい。
 図1および図2Aに示すように、第2の電極6は、半導体素子3の半導体素子中心位置から外れた形で設けられる。このように、半導体素子の温度が最も高くなる中心位置を避ける形で第2の電極6を設けることで、第2の電極6の熱膨張によって発生する熱ひずみの影響を抑えることが可能となる。
 特許文献2のように周辺部に薄肉部を設けた構造と、本実施例の構造(図2A)の評価位置Bにおける相当塑性ひずみの分布を有限要素解析によって計算した比較結果を図3に示す。図3の横軸は半導体素子3の左端からの位置を示し、縦軸は相当塑性ひずみの強度を示している。従来構造1(特許文献2の構造)では半導体素子全体に渡って、ひずみが生じている。一方、本実施例(本発明)の構造では、全体的にひずみが緩和されており、特に半導体素子の中心位置付近ではひずみがほとんど無いことが分かる。このように、本発明によれば接合層に発生するひずみを効果的に低減することができる。
 また、第2の電極6の幅b(図2A)は、少なくとも第1の電極5の厚さt(図1)よりも広く設ける必要がある。第2の電極6の幅bを第1の電極5の厚さtより広くすることで、放熱パスが広がり、放熱性を向上させるメリットがある。
 特許文献3のように第1導体部材の変形部の幅bと接合部の厚さtの関係をb=tとした場合と、本実施例の構造のように第2の電極6の幅bと第1の電極5の厚さtの関係をb>tとした場合において、半導体素子3の評価位置A(図2A)における温度を比較した結果を図4に示す。図4の横軸は半導体素子3の左端からの位置を示し、縦軸は半導体素子3の温度を示している。本実施例(本発明)の構造は、従来構造2(特許文献3の構造)に比べて、温度が低いことが分かる。このように、本発明によれば、半導体モジュールの冷却性能を保ちながら、半導体素子と他の導体部材との接合部のひずみを低減することが可能となる。これにより、半導体モジュールの信頼性を向上することができる。
 なお、第2の電極6を図2Aのようにスリット状に設けるのではなく、図2Bのように複数のビアで形成してもよい。この場合においても、第2の電極6の幅b、すなわちビア径bを第1の電極5の厚さt(図1)よりも広く設ける必要がある。また、設けるビアの数は、シミュレーションなどにより半導体素子の温度やひずみを予め算出したうえで決定するのが望ましい。
 図1および図5を参照して、本実施例の半導体モジュールの製造方法について説明する。第1の電極5および第2の電極6からなる電極50の製造方法としては、第1の電極5、第2の電極6、第2の配線層7がそれぞれ別々に形成され、各部材間を接合部材で接続する構成としている。つまり、第1の電極5と第2の電極6は第3の接合層で接続され、第2の電極6と第2の配線層7は第4の接合層で接続される。
 この際に第1の電極5、第2の電極6、第2の配線層7はCuで形成し、各部材間の接合部材は焼結銅であることが好ましい。第2の配線層7にCuを用いることができない場合でも、少なくとも、温度の高くなる第1の電極5と第2の電極6はCuで形成し、その間の接合部材は焼結銅とするのが熱ひずみ低減のために好ましい。
 また、第2の配線層7や第2の電極6は溶湯や削りだしなどによって一体物として形成してもよい。この際に第1の電極5も一体で形成可能であれば接合部がなくなるためより好ましい。
 なお、焼結金属によって部材同士を接合する場合、一般的に加圧プロセスが必要となる。この際に、均一に圧力を加えるために図5に示すように非接合のスペーサー11を第1の電極5と第2の配線層7の間に挟んでもよい。この場合、スペーサー11は第2の電極6と同じ部材であることが好ましく、接合後に除去される。例えば第2の電極6をCuで形成する場合は、スペーサー11にもCuを用いるのが望ましい。同じ材料を用いることで、均一に圧力を加えることができ、各部材間により信頼性の高い接合を形成することができる。
 なお、スペーサー11を封止部材8と同じ部材で構成しておきそのままモールドしてもよい。また、第1の配線層1から第1の電極5までを一度加圧接合しておき、その後第2の電極6と第2の配線層7を加圧接合してもよい。
 図6A,図6Bは、図1,図2Aに示す半導体モジュールの変形例である。図6Aは第1の配線層1から第2の配線層7までの積層構造を示しており、図1では第1の電極5と第2の配線層7を1つの第2の電極6で接続しているのに対し、図6Aではチップ中心位置を挟んで第1の電極5の両端に2つの第2の電極6を設けて第1の電極5と第2の配線層7を接続している。図6Bは図6Aを上面から見た平面図である。
 図6A,図6Bに示すように、チップ中心位置を挟んで第1の電極5の両端に2つの第2の電極6を設けて第1の電極5と第2の配線層7を接続する構造とすることで、焼結金属によって部材同士を接合する場合に、より均一に加圧することが可能になる。また、この場合、第1の電極5からの放熱パスが2倍になるため、より効果的に熱ひずみを低減することができる。
 本実施例によれば、SiCなどを利用したパワーデバイスが高温動作した場合においても、焼結金属接合部に発生する熱ひずみを低減することが可能となり、接合の信頼性を向上することができる。
 図7Aから図8Bを参照して、本実施例の半導体モジュールについて説明する。図7Aは、第1の配線層1と第2の配線層7の間に複数の半導体装置3を配置した半導体モジュールの断面図である。図7Bは図7Aを上面から見た平面図である。また、図8A,図8Bは図7A,図7Bの変形例であり、各半導体装置3に対する各々の第2の電極6の位置が異なる例を示している。
 図7A,図7Bの半導体モジュールでは、モジュールの中心位置の左右の領域に配置される半導体装置3上の第2の電極6が、モジュールの中心位置に対して対称になるように配置されている。また、図8A,図8Bの半導体モジュールでは、モジュールの中心位置の左右の領域に各々配置される半導体装置3上の第2の電極6を同じ領域内で対称になるように配置している。
 半導体素子としてSiCを用いる場合、素子の欠陥の問題からチップ(半導体装置)を大型化できないため、一般に図7Aから図8Bのように、複数のチップを並列接続して使用する場合が多い。この際に、第1の電極5と第2の電極6を実施例1や実施例2で説明した構造として放熱性を高め、さらに、図7Aから図8Bのように、第2の電極6を半導体モジュールの中心位置に対して対称に配置して半導体モジュール内の熱ひずみの偏在を低減することで、半導体モジュール全体の反り変形の偏りを抑制することが可能となる。これにより、半導体モジュールの信頼性が向上する。
 また、図8A,図8Bのように、モジュールの中心位置の左右各々の領域内において第2の電極6を対称に配置することで、半導体モジュール内の熱ひずみの偏在がさらに低減される。
 また、第2の電極6と第2の配線層7の間に第3の電極を設け、第3の電極に複数の第2の電極が接続される構造としても良い。この場合、第2の電極6と第3の電極を第5の接合層を介して接続しても良く、第3の電極と第2の配線層7を第6の接合層を介して接続する構造としても良い。
 なお、上記した実施例は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。
 1…第1の配線層、2…第1の接合層、3…半導体素子、4…第2の接合層、5…第1の電極、6…第2の電極、7…第2の配線層、8…封止部材、9a,9b…絶縁部材、10a,10b…冷却部材、11…スペーサー、50…電極。

Claims (20)

  1.  第1の配線層と、
     前記第1の配線層上に第1の接合層を介して接合された半導体素子と、
     前記半導体素子上に第2の接合層を介して接合された第1の電極と、
     前記第1の電極上に接続された第2の電極と、
     前記第2の電極上に接続された第2の配線層と、を備え、
     前記第2の電極の短手方向の幅は、前記第1の電極の厚さよりも広く、
     前記第2の電極は前記半導体素子の中心位置から外れた位置に配置されることを特徴とする半導体モジュール。
  2.  請求項1に記載の半導体モジュールであって、
     前記第2の電極は、スリット状の電極であることを特徴とする半導体モジュール。
  3.  請求項2に記載の半導体モジュールであって、
     前記第2の電極は、前記半導体素子の中心位置を挟んで前記第1の電極の両端に各々1つずつ接続されることを特徴とする半導体モジュール。
  4.  請求項1に記載の半導体モジュールであって、
     前記第2の電極は、複数個のビアからなり、
     前記短手方向の幅は、前記ビアのビア径であることを特徴とする半導体モジュール。
  5.  請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体モジュールであって、
     前記第1の接合層および前記第2の接合層のうち、少なくともいずれか一方は金属粒子を焼結させた焼結金属であることを特徴とする半導体モジュール。
  6.  請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体モジュールであって、
     前記第1の電極は銅を主成分とする導電部材からなり、
     前記第2の接合層は焼結銅であることを特徴とする半導体モジュール。
  7.  請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体モジュールであって、
     前記第1の電極と前記第2の電極は、第3の接合層を介して接続されることを特徴とする半導体モジュール。
  8.  請求項1に記載の半導体モジュールであって、
     前記第1の電極と前記第2の電極は、一体の導電部材からなることを特徴とする半導体モジュール。
  9.  請求項1から8のいずれか1項に記載の半導体モジュールであって、
     前記第2の電極と前記第2の配線層は、第4の接合層を介して接続されることを特徴とする半導体モジュール。
  10.  請求項1から9のいずれか1項に記載の半導体モジュールであって、
     前記半導体素子が同一半導体モジュール内に複数個配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
  11.  請求項10に記載の半導体モジュールであって、
     前記第2の電極は、前記半導体モジュールの長手方向の中心位置を対称軸として線対称となるように設けられることを特徴とする半導体モジュール。
  12.  請求項11に記載の半導体モジュールであって、
     前記対称軸により2分割される一方の領域の前記第2の電極は、前記半導体モジュールの長手方向において隣接する他の第2の電極と線対称になるように設けられることを特徴とする半導体モジュール。
  13.  請求項10に記載の半導体モジュールであって、
     前記第2の電極と前記第2の配線層の間に第3の電極を有し、
     前記第3の電極には少なくとも2つ以上の第2の電極が接続されることを特徴とする半導体モジュール。
  14.  請求項13に記載の半導体モジュールであって、
     前記第2の電極と前記第3の電極は、第5の接合層を介して接続されることを特徴とする半導体モジュール。
  15.  請求項14に記載の半導体モジュールであって、
     前記第3の電極と前記第2の配線層は、第6の接合層を介して接続されることを特徴とする半導体モジュール。
  16.  (a)第1の配線層上に第1の接合層を介して半導体素子を接合する工程、
     (b)前記半導体素子上に第2の接合層を介して第1の電極を接合する工程、
     (c)前記第1の電極上に第2の電極およびスペーサーを配置する工程、
     (d)前記第2の電極および前記スペーサー上に第2の配線層を形成する工程、
     (e)前記第2の配線層上から加圧する工程、
     を含む半導体モジュールの製造方法であって、
     前記第2の電極の短手方向の幅は、前記第1の電極の厚さよりも広く、
     前記第2の電極は前記半導体素子の中心位置から外れた位置に配置されることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  17.  請求項16に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
     前記(e)工程の後、(f)前記スペーサーを除去する工程、をさらに有することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  18.  請求項17に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
     前記第2の電極および前記スペーサーは同じ材料であることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  19.  請求項16に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
     前記スペーサーは、前記第1の配線層と前記第2の配線層間の空隙を封止する封止部材と同じ材料であることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  20.  請求項16から19のいずれか1項に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
     前記第1の接合層および前記第2の接合層のうち、少なくともいずれか一方は金属粒子を焼結させた焼結金属であることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021510937A (ja) * 2018-03-30 2021-04-30 ミツビシ・エレクトリック・アールアンドディー・センター・ヨーロッパ・ビーヴィMitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V. パワーモジュール及びパワーモジュールを製造する方法
WO2023026599A1 (ja) * 2021-08-27 2023-03-02 株式会社日立パワーデバイス パワー半導体ユニット、パワー半導体ユニットの製造方法
WO2023175854A1 (ja) * 2022-03-17 2023-09-21 三菱電機株式会社 半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58180050A (ja) * 1982-04-15 1983-10-21 Hitachi Ltd 半導体装置
JPH0345653U (ja) * 1989-09-12 1991-04-26
JPH0550743U (ja) * 1991-12-12 1993-07-02 株式会社三社電機製作所 電力用半導体モジュール
JP2002110893A (ja) 2000-10-04 2002-04-12 Denso Corp 半導体装置
JP2012238749A (ja) 2011-05-12 2012-12-06 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置
JP2013140862A (ja) * 2011-12-29 2013-07-18 Mitsubishi Electric Corp パワー半導体装置
JP2015142018A (ja) * 2014-01-29 2015-08-03 三菱電機株式会社 電力用半導体装置
JP2015230913A (ja) 2014-06-03 2015-12-21 日立オートモティブシステムズ株式会社 半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法ならびに電子制御装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2649714B1 (fr) 1989-07-11 1991-10-04 Rhone Poulenc Chimie Melange amorphe comprenant d'une part un polyamide semi-aromatique amorphe derivant au moins d'alkylpentamethylenediamine et d'acide(s) dicarboxylique(s) aromatique(s) et d'autre part un polyamide semi-cristallin de type nylon derivant d'hexamethylenediamine, d'acide adipique et/ou d'(epsilon)-caprolactame et leur procede de preparation
JPH0550743A (ja) 1991-08-22 1993-03-02 Fuji Photo Film Co Ltd 感熱記録材料及び画像形成方法
US20050123080A1 (en) 2002-11-15 2005-06-09 Narayan Anand P. Systems and methods for serial cancellation
US8030760B2 (en) * 2006-12-05 2011-10-04 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Semiconductor apparatus and manufacturing method thereof
KR101493865B1 (ko) * 2007-11-16 2015-02-17 페어차일드코리아반도체 주식회사 구조가 단순화된 반도체 파워 모듈 패키지 및 그 제조방법
CA2715344C (en) * 2008-02-14 2014-08-19 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Semiconductor element module and method for manufacturing the same
CN105122446B (zh) * 2013-09-30 2019-07-19 富士电机株式会社 半导体装置、半导体装置的组装方法、半导体装置用部件以及单位模块
US10217690B2 (en) * 2015-11-30 2019-02-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor module that have multiple paths for heat dissipation

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58180050A (ja) * 1982-04-15 1983-10-21 Hitachi Ltd 半導体装置
JPH0345653U (ja) * 1989-09-12 1991-04-26
JPH0550743U (ja) * 1991-12-12 1993-07-02 株式会社三社電機製作所 電力用半導体モジュール
JP2002110893A (ja) 2000-10-04 2002-04-12 Denso Corp 半導体装置
JP2012238749A (ja) 2011-05-12 2012-12-06 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置
JP2013140862A (ja) * 2011-12-29 2013-07-18 Mitsubishi Electric Corp パワー半導体装置
JP2015142018A (ja) * 2014-01-29 2015-08-03 三菱電機株式会社 電力用半導体装置
JP2015230913A (ja) 2014-06-03 2015-12-21 日立オートモティブシステムズ株式会社 半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法ならびに電子制御装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3474325A4

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021510937A (ja) * 2018-03-30 2021-04-30 ミツビシ・エレクトリック・アールアンドディー・センター・ヨーロッパ・ビーヴィMitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V. パワーモジュール及びパワーモジュールを製造する方法
WO2023026599A1 (ja) * 2021-08-27 2023-03-02 株式会社日立パワーデバイス パワー半導体ユニット、パワー半導体ユニットの製造方法
WO2023175854A1 (ja) * 2022-03-17 2023-09-21 三菱電機株式会社 半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法

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