JP6901196B2 - 半導体モジュール、及び半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュール、及び半導体モジュールの製造方法に関するものである。

特許文献１には、電子装置と、その製造方法が記載されている。電子装置は、電子部品と、電子部品に機械的に接続する相手部材と、電子部品及び相手部材の間に介在し電子部品及び相手部材を互いに接続する金属導体を備える。金属導体は、Ａｇ等の貴金属により構成されている。金属導体は空孔を有し、当該空孔には金属導体を補強するポリイミド等の補強樹脂が含浸される。この補強樹脂が当該空孔を埋めることにより、金属導体を補強する。

特許文献２には、最大粒径１５μｍ以上且つ２００μｍ以下のＣｕ粉末とＡｇから成る接着層によってダイボンディング部の接続層を形成することが記載されている。接続層は、微細な空孔を均等に分散した構造を有する。この構造により、鉛不使用の実現、リフロー耐性の向上、及び温度サイクルの信頼性の確保を図っている。

半導体モジュールとして、パッケージ、金属製のベース、及び高周波高出力半導体である半導体ダイを備えたものが知られている。半導体ダイの搭載には、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ及びＡｕＳｉ等の共晶半田材が用いられる。共晶半田材は、接着信頼性は良好であるが、Ａｕを含有するためコストが高いという問題がある。整合回路又はキャパシタ等、半導体ダイ以外の素子は、表面電極及び裏面電極を有するのが一般的であり、これらの部品も共晶半田材によってベース上に搭載される。

一方、半導体ダイの搭載に金属ペーストが用いられることがある。金属ペーストとしては、銀、銅又はニッケル等の金属粉体からなる導電性ペーストが用いられる。また、近年ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＯ又はＺｎＯ等のワイドバンドギャップ半導体が開発されている。ワイドバンドギャップ半導体は、高耐圧であることから高電圧動作が可能である。ワイドバンドギャップ半導体では、高電界により電子移動度が高くなるので、高周波領域において高性能となる。

しかしながら、ワイドバンドギャップ半導体を金属ペーストによりベースに搭載する場合、イオンマイグレーションが発生する。イオンマイグレーションは、高湿度又は高電界環境下で金属イオンが移動してショートを引き起こす現象である。

特開２０１２−１０９６３６号公報 特開２００９−９４３４１号公報

前述した金属ペーストとして、Ａｇ又はＣｕを含有し、更にエポキシ樹脂等の有機材を含むものが知られている。この金属ペーストは、Ａｕを含有するものと比較してコストが抑えられるという利点がある。しかしながら、半導体ダイは、その平面形状のアスペクト比が大きく且つ薄い場合がある。よって、前述の金属ペーストで半導体ダイをボンディングすると、半導体ダイが薄いことに起因してボンディングの信頼性が低下しうる。更に、高温環境下でボンディングを行う場合には、ボンディング力が低下することが想定される。

近年、直径が数十μｍ程度の金属微粒子を２００℃以上且つ４００℃以下の温度で焼結させる焼結型の金属ペーストが開発された。この金属ペーストは、固化した後には高温であっても溶融しにくいため、高いボンディング強度の確保が可能となる。この焼結型の金属ペーストでは、金属微粒子が焼結されることにより、内部に微細な空孔が多く形成される。この空孔が少ない場合には、ベース及び半導体ダイの熱膨張の差に伴って生じる応力を吸収しにくくなるので、熱サイクルにより接合界面又は半導体ダイの破壊を招来する可能性がある。

この問題を解消するため、ボンディングの後に、エポキシ等の樹脂材料から成る有機材によって半導体ダイを封止する方法（ポッティング技術）が知られている。この方法では、有機材の接着効果及び応力吸収効果によって信頼性は上がるが、有機材の誘電損失によって高周波特性が劣化するという問題が生じうる。

また、金属ペーストの焼結体の空孔が多い場合には、焼結体全体として弾性率を高めることができ、熱サイクルによる応力を吸収しやすくなる。しかしながら、焼結体の密度が低下するので、これにより熱伝導率が低下する懸念がある。これを防止するため、空孔内に有機材を充填させた後に有機材を硬化させることが考えられるが、この場合、前述したように空孔が少なくなるので、熱サイクル特性が劣化する問題が発生しうる。

本発明は、熱サイクル特性の劣化を抑制することができる半導体モジュール、及び半導体モジュールの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る半導体モジュールは、金属製のベースと、ベース上に固定された半導体ダイと、半導体ダイ及びベースの間に介在する多孔性金属材と、金属粒材のベース及び半導体ダイから露出した領域を覆う有機材と、を備え、多孔性金属材は、有機材が含浸する空孔を有し、金属粒材の空孔に含浸した有機材の表面部は固化しており、多孔性金属材の空孔に含浸した有機材の内部は液状である。

本発明の一形態に係る半導体モジュールの製造方法は、金属製のベースの上に焼結型の導電性ペーストを塗布する工程と、導電性ペースト上に半導体ダイを載置した後に、１５０℃以上且つ３５０℃以下の熱処理により導電性ペーストを固化させて多孔性金属材とし、当該多孔性金属材で半導体ダイを固定する工程と、多孔性金属材の空孔に有機材を含浸させる工程と、多孔性金属材の空孔に含浸した有機材の内部を液状に維持し、多孔性金属材の空孔に含浸した有機材の表面部を固化する。

本発明によれば、熱サイクル特性の劣化を抑制することができる。

図１は、実施形態に係る半導体モジュールを示す平面図である。 図２は、半導体ダイの表面を示す図である。 図３は、図２の半導体ダイの裏面を示す図である。 図４は、図２の半導体ダイ、及び導電性ペーストを示す平面図である。 図５（ａ）〜図５（ｆ）は、導電性ペーストの塗布の手順を示す図である。 図６（ａ）〜図６（ｄ）は、導電性ペーストの塗布の手順の変形例を示す図である。 図７は、ベースと半導体ダイの間の導電性ペーストと有機材を示す図である。 図８は、ボンディングワイヤ及び固化した樹脂を示す断面図である。 図９は、図８の固化した樹脂を形成する手順を示す図である。 図１０は、図８の固化した樹脂を形成する手順を示す図である。 図１１は、図８の固化した樹脂を形成する手順を示す図である。 図１２は、図８の固化した樹脂を形成する手順を示す図である。 図１３は、図８のボンディングワイヤと固化した樹脂を示す断面図である。

以下では添付図面を参照しながら本発明に係る半導体モジュール、及び半導体モジュールの製造方法の実施形態について説明する。図面の説明において、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係る半導体モジュール１の内部構造を示す平面図である。図１では、半導体モジュール１の蓋部を外した状態を示している。半導体モジュール１は、２つのユニットＵ１、Ｕ２を備えており、２つのユニットＵ１、Ｕ２の構成は互いに同一である。半導体モジュール１は、２つのユニットＵ１、Ｕ２を搭載するハウジング２を備える。

ハウジング２の内部空間には、金属製のベース３、及び、ベース３の上に配置されたセラミック製の一対の側壁２ｃを備える。一対の側壁２ｃとベース３により、入力整合回路６、半導体ダイ７（半導体チップ）、出力整合回路８及び出力キャパシタ９等の素子を搭載する素子搭載領域Ａを画定している。ハウジング２の内部空間が窒素置換された状態で側壁２ｃに蓋部が被せられ、ハーメチックシールが施されることにより半導体モジュール１が使用可能となる。

２つのユニットＵ１、Ｕ２のそれぞれは、ハウジング２の前壁２ａの上面に固定された入力リード４、及びハウジング２の後壁２ｂの上面に固定された出力リード５を備える。２つのユニットＵ１、Ｕ２のそれぞれは、側壁２ｃに囲まれた素子搭載領域Ａに、入力整合回路６、半導体ダイ７、出力整合回路８及び出力キャパシタ９を備える。入力整合回路６、半導体ダイ７、出力整合回路８及び出力キャパシタ９は、前壁２ａからこの順で設けられる。半導体ダイ７は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ又はダイヤモンド等の基板を備えており、当該基板の裏面には金属メッキが施されている。

入力整合回路６、半導体ダイ７及び出力整合回路８は、導電性ペーストによりベース３上に固定される。入力整合回路６は半導体ダイ７の入力側に搭載され、出力整合回路８は半導体ダイ７の出力側に搭載される。入力リード４と入力整合回路６の間、入力整合回路６と半導体ダイ７の間、半導体ダイ７と出力整合回路８の間、出力整合回路８と出力キャパシタ９の間、及び出力キャパシタ９と出力リード５の間、のそれぞれは複数のボンディングワイヤにより電気的に接続されている。

ベース３は、例えば銅、銅とモリブデンの合金、銅とタングステンの合金、あるいは、銅板、モリブデン板、タングステン板、銅とモリブデンの合金板、銅とタングステンの合金板による積層材から成る。ベース３の基材の表面にニッケルクロム（ニクロム）−金、ニッケル−金、ニッケル−パラジウム−金、銀若しくはニッケル、又は、ニッケル−パラジウム等のメッキを施す。金、銀及びパラジウムがメッキ材であり、ＮｉＣｒ及びＮｉ等がシード材である。メッキ材のみの場合よりもメッキ材及びシード材を含む場合の方が密着性を高めることができる。

ベース３の厚さは、例えば、０．５〜１．５ｍｍであり、側壁２ｃの厚さは０．５〜１．０ｍｍである。また、前壁２ａ及び後壁２ｂの上面の一部に金属パターンを形成し、当該金属パターンに入力リード４及び出力リード５をそれぞれロウ付けしている。入力整合回路６及び出力整合回路８は、例えば、セラミック基板の上面及び下面のそれぞれに電極を設けた平行平板型キャパシタである。

図２は、半導体ダイ７の表面を示す図である。図３は、半導体ダイ７の裏面を示す図である。図２及び図３に示すように、半導体ダイ７は、細長く延びる矩形状を成している。半導体ダイ７は、一対の短辺７ａと一対の長辺７ｂによって平面形状を画定している。

半導体ダイ７の短辺７ａ及び長辺７ｂのアスペクト比は、例えば、１以上且つ１０以下である。一例として、半導体ダイ７の短辺７ａの長さは０．５ｍｍ以上且つ２．０ｍｍ以下であり、長辺７ｂの長さは１．０ｍｍ以上且つ７．０ｍｍ以下であり、半導体ダイ７の厚さは５０μｍ以上且つ２００μｍ以下である。

半導体ダイ７は、基板７ｃ、及び基板７ｃの裏面に設けられるソース電極７ｄを備える。また、半導体ダイ７は、基板７ｃの表面に、長辺７ｂに沿って並ぶ複数のゲート電極７ｅ及びソースビア７ｆ、活性領域７ｇ、並びにドレイン電極７ｈを備える。ソース電極７ｄは、例えば、金メッキが施されており、ソース電極７ｄの厚さは５μｍ以上且つ２０μｍ以下である。

ゲート電極７ｅは、活性領域７ｇから見てドレイン電極７ｈの反対側に設けられる。活性領域７ｇはドレイン及びソースフィンガを含む。ソースフィンガと裏面ソース電極７ｄとは、半導体ダイ７を貫通するソースビア７ｆにより電気的に接続される。ドレインからソースに流せる最大の電流値はゲート幅に比例するため、大出力のトランジスタでは、ゲート幅を大きくするために、多くのドレイン／ソースフィンガを並列に設ける。これにより、半導体ダイ７は、長辺７ｂに沿って細長く延びる形状となる。

入力整合回路６は、入力リード４と半導体ダイ７の間におけるインピーダンスのマッチングを行う。出力整合回路８は、半導体ダイ７と出力リード５の間におけるインピーダンスのマッチングを行う。出力整合回路８は、所望の出力、効率、周波数特性が得られるようにマッチングを行う。

図４は、半導体ダイ７及び導電性ペースト１０を示す平面図である。導電性ペースト１０は、例えば、微小な金属紛体を含み、この金属紛体を焼結して相互に接続させつつ硬化させるものである。導電性ペースト１０は、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、パラジウム、亜鉛若しくは錫の粉体（直径１ｎｍ以上且つ２００ｎｍ以下）、又はこれらの合金を溶剤に含ませたものである。

すなわち、導電性ペースト１０は、例えば、上記の金属紛体と、樹脂等の溶剤を含む液体で構成される。導電性ペースト１０の溶剤等は、１５０℃以上且つ３５０℃以下といった比較的低温の環境下で揮発し、これにより導電性ペースト１０の金属粉体が固化する。このとき粉体同士が結合するため、導電性ペースト１０の焼結体は多くの空孔を有する。

半導体ダイ７は、導電性ペースト１０がベース３との間に介在することによってベース３上に固定される。ベース３には、半導体ダイ７の短辺７ａに対応する第１の領域３ａと、一対の長辺７ｂの中央を含む領域に対応する第２の領域３ｂを有する。第１の領域３ａからは導電性ペースト１０が半導体ダイ７の幅方向（短辺７ａに平行な方向）にはみ出しており、第１の領域３ａ（短辺７ａ）からの導電性ペースト１０のはみ出し量Ｌ２は、短辺７ａの長さＬ１の１０％以上且つ５０％以下である。

従来は、本実施形態の導電性ペースト１０の形状とは異なり、半導体ダイ７の長辺７ｂに延びるように直線状に導電性ペーストを塗布していた。この方法で塗布した導電性ペースト上に半導体ダイ７を載置し、導電性ペーストが規定の厚さになるまで導電性ペーストに半導体ダイ７を押し付けると、導電性ペーストは半導体ダイ７とベース３の間で押し潰されて拡がっていく。

このとき、導電性ペーストは、長辺７ｂに沿った直線状とされていることにより、半導体ダイ７の幅方向よりも半導体ダイ７の長手方向に広がりやすい。よって、長手方向については容易に長手方向全体に渡って拡がるが、短手方向については、拡がる長さに制限を受けるため、表面張力によって短辺７ａの側面を這い上がってフィレットを形成してしまう。

前述したように、半導体ダイ７の厚さは５０μｍ以上且つ２００μｍ以下と薄いので、導電性ペーストは半導体ダイ７を這い上がり、導電性ペーストの量が多い場合には半導体ダイ７の表面に導電性ペーストが拡がることもある。半導体ダイ７を這い上がった導電性ペーストはＧＮＤ電位に設定され、一方、ドレイン電極７ｈには高圧の電圧が付与されるので、ドレイン電極７ｈと導電性ペーストの間に高電界が形成されてイオンマイグレーションが生じる可能性がある。

他方、導電性ペーストの塗布量を少なくすると、半導体ダイ７の裏面に導電性ペーストが均一に拡がらなくなり、半導体ダイ７とベース３の間に隙間が形成される。この隙間が、特に半導体ダイ７のドレイン又はソースフィンガの直下に形成されると、当該フィンガの部分の放熱特性が阻害される。従って、導電性ペーストの塗布量は、当該隙間が形成されないように余裕をもたせることが一般的である。

また、導電性ペーストを半導体ダイ７の平面形状に合わせて塗布すると、前述したように短辺７ａから導電性ペーストが半導体ダイ７の側面を這い上がる。一方、導電性ペーストを半導体ダイ７の幅よりも広く塗布する場合には、当該這い上がりを抑制することが可能となる。しかしながら、このように導電性ペーストの塗布領域を広くするとハウジング２の大型化を招来する懸念がある。

そこで、本実施形態の導電性ペースト１０の塗布では、半導体ダイ７の短辺７ａを含む第１の領域３ａに塗布する導電性ペースト１０を短辺７ａよりも半導体ダイ７の幅方向に長くしている。これにより、半導体ダイ７を搭載するときに、短辺７ａ付近の導電性ペースト１０が短辺７ａに沿って短辺７ａに平行に流れやすくなるので、導電性ペースト１０が半導体ダイ７の側面を這い上がることを抑制できる。よって、半導体ダイ７上の電極に導電性ペースト１０が近接しないので、イオンマイグレーションを防ぐことができる。

次に、ベース３の上に導電性ペースト１０を塗布する手順について説明する。まず、導電性ペースト１０を塗布する手段として、エアディスペンサ又はスクリューディスペンサから導電性ペースト１０を塗布する場合について説明する。

塗布するときの導電性ペースト１０の温度、ベース３の温度、及び半導体ダイ７の温度は、例えば２５±５℃（室温）である。導電性ペースト１０の塗布にスクリューディスペンサを用いる場合、粘度が２０Ｐａ・ｓ以上且つ３０Ｐａ・ｓ以下の導電性ペースト１０を１０ｋＰａ以上且つ１００ｋＰａ以下の圧力で塗布する。

ディスペンサのノズルの内径、及び導電性ペースト１０の塗布線の幅は、例えば０．５ｍｍ以上且つ２．０ｍｍ以下である。導電性ペースト１０の塗布量は、導電性ペースト１０の上に半導体ダイ７を搭載して導電性ペースト１０が硬化した後に１０μｍ以上且つ５０μｍ以下の厚みとなる量に調整される。

図５（ａ）に示すように、半導体ダイ７の一方の短辺７ａに沿うように、ベース３の一方の第１の領域３ａに導電性ペースト１０を塗布する（第１の領域に導電性ペーストを塗布する工程、焼結型の導電性ペーストを塗布する工程）。このとき、第１の領域３ａの一端３ｃから他端３ｄまで一気に塗布する（第１の領域の一端から他端まで塗布を行う工程）。また、導電性ペースト１０の塗布長を第１の領域３ａよりも長くして、第１の領域３ａの両端から導電性ペースト１０が１０％以上且つ５０％以下の範囲ではみ出して塗布を行う。

図５（ｂ）に示すように、一方の第１の領域３ａに導電性ペースト１０の塗布を行った後には、導電性ペースト１０の塗布を停止し、ディスペンサのノズル先端を一方の第１の領域３ａの中央部Ｃ１に移動する。そして、図５（ｃ）に示すように、中央部Ｃ１から第２の領域３ｂに沿って導電性ペースト１０を塗布する（第２の領域に導電性ペーストを塗布する工程）。この塗布の幅Ｂは、半導体ダイ７の幅よりも狭い。

図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示すように、他方の第１の領域３ａに至る前に途中で塗布を停止する（停止する工程）。すなわち、第２の領域３ｂに導電性ペースト１０の未塗布領域Ｚを形成する。塗布を停止した後には、ディスペンサのノズル先端を他方の第１の領域３ａに移動し、当該他方の第１の領域３ａに導電性ペースト１０を塗布する。

このとき、前述と同様、領域３ａの一端３ｅから他端３ｆまで一気に塗布する（一端から他端まで塗布を行う工程）。また、導電性ペースト１０の塗布長を第１の領域３ａより長くして、第１の領域３ａの両端から導電性ペースト１０が１０％以上且つ５０％以下の範囲ではみ出して塗布を行う。

図５（ｅ）に示すように、他方の第１の領域３ａに導電性ペースト１０を塗布した後には、導電性ペースト１０の塗布を停止し、ディスペンサのノズル先端を他方の第１の領域３ａの中央部Ｃ２に移動する。そして、図５（ｆ）に示すように、中央部Ｃ２から第２の領域３ｂの未塗布領域Ｚに導電性ペースト１０を塗布する（停止した位置にまで塗布を行う工程）。

未塗布領域Ｚへの導電性ペースト１０の塗布が終了した後には、塗布を停止して余剰ペーストを切る。そして、第１の領域３ａに短辺７ａを合わせ、第２の領域３ｂに長辺７ｂを合わせて、導電性ペースト１０の上に半導体ダイ７を搭載する（半導体ダイを搭載する工程）。

以上のように導電性ペースト１０を塗布することにより、導電性ペースト１０の塗布が重複する部分、すなわち導電性ペースト１０が二度塗りされる部分を減らすことができる。従って、塗布した導電性ペースト１０の形状を安定させることができる。また、ベース３に塗布した導電性ペースト１０の形状は左右対称となるが、これにより、半導体ダイ７を搭載したときの半導体ダイ７の傾きを抑えることができる。つまり、短辺中央部Ｃ１、Ｃ２については、いずれも導電性ペースト１０を一気に塗布する中央部であり、また、互いに相手方の中央部Ｃ２、Ｃ１に向けて導電性ペースト１０を塗布する際の塗布開始点となる。従って、中央部Ｃ１、Ｃ２の導電性ペースト１０の塗布状況を同様にすることができる。

次に、変形例に係る導電性ペースト１０の塗布方法について図６（ａ）〜図６（ｄ）を参照しながら説明する。図６（ａ）〜図６（ｄ）は、ジェットディスペンサを用いて導電性ペースト１０を粒状に塗布する方法を示している。ジェットディスペンサによって導電性ペースト１０を塗布するときに、塗布された導電性ペースト１０の平面形状は、円形状の導電性ペースト１０が連続する形状となる。

まず、図６（ａ）に示すように、ベース３の一方の第１の領域３ａに導電性ペースト１０を順次塗布する。そして、導電性ペースト１０の塗布を停止してノズル先端を当該領域３ａの中央部Ｃ１に移動し、図６（ｂ）に示すように、中央部Ｃ１から第２の領域３ｂに沿って導電性ペースト１０の塗布を行う。

第２の領域３ｂに沿って導電性ペースト１０の塗布を行って他方の第１の領域３ａに到達した後には、導電性ペースト１０の塗布を停止し、ノズル先端を他方の第１の領域３ａの端部に移動する。そして、図６（ｃ）に示すように、他方の第１の領域３ａに導電性ペースト１０を塗布する。図６（ｄ）に示すように、導電性ペースト１０の塗布の終了後には、円形状の導電性ペースト１０が徐々に広がり隣接する導電性ペースト１０と一体になる。そして、塗布された導電性ペースト１０は、その外縁が波形状とされる。

以上のようにジェットディスペンサで導電性ペースト１０を塗布する場合には、粒状の導電性ペースト１０を滴下して導電性ペースト１０を塗布するため、塗布の順序性を無くすことができる。すなわち、ジェットディスペンサを用いた場合には、導電性ペースト１０の塗布の順序は、図６（ａ）〜図６（ｄ）に示す順序に限定されず適宜変更可能となる。

以上のように、ジェットディスペンサによって導電性ペースト１０を塗布する場合であっても、第１の領域３ａに塗布する導電性ペースト１０を短辺７ａよりも半導体ダイ７の幅方向に長くすることができる。従って、導電性ペースト１０が半導体ダイ７の側面を這い上がることを抑制できるので、イオンマイグレーションを防ぐことができる。

導電性ペースト１０を塗布して半導体ダイ７を搭載した後には、大気中又は窒素雰囲気中において１５０℃以上且つ３５０℃以下（具体例として２５０℃）で１時間程度熱処理を行うことにより、導電性ペースト１０を固化する。固化後の導電性ペースト１０は、多数の空孔を有する多孔性金属となる。当該空孔の大きさは例えば１μｍ以上且つ１０μｍ以下であり、焼結前の導電性ペースト１０に含まれる金属紛体の直径と同程度である。

図７に示すように、本実施形態では、導電性ペースト１０の多孔性金属の空孔に液状の有機材１１を含浸させる（有機材を含浸させる工程）。有機材１１は、ベース３及び半導体ダイ７から露出した多孔性金属を覆う。有機材１１は、例えば、溶剤揮散型硬化樹脂である。

有機材１１は、例えば、温度８０℃以上且つ１２０℃以下の環境下に１時間程度晒すことにより、含有する溶剤が揮散して硬化する。係る溶剤揮散型硬化樹脂は、例えば、ニトリルゴム系接着剤、又は環状ポリオレフィン樹脂である。有機材１１が溶剤揮散型硬化樹脂である場合、有機材１１の表面部１１ａは溶剤が揮散するため硬化するが、有機材１１の内部１１ｂは揮散しないため液状に維持される。

多孔性金属材の空孔に含浸した有機材１１の内部１１ｂが液状に維持されることにより、当該液状部分はベース３及び半導体ダイ７の熱膨張率の差に伴って生じる応力を吸収することが可能となる。よって、熱サイクルによって接合界面等に破壊が生じる事態を回避することができる。また、この有機材１１が介在することにより熱伝導率を高めることができる。更に、有機材１１の表面部１１ａは硬化するため、導電性ペースト１０による接合強度を高めることができる。

また、有機材１１は、湿気硬化型樹脂であってもよい。湿気硬化型樹脂は、液状の状態において大気中に曝されて大気中の水分と置換反応することにより硬化する樹脂である。湿気硬化型樹脂は、例えば、シアノアクリレート系樹脂、又はシリコーンゴム系樹脂である。多孔性金属材の表面側に存在する湿気硬化型樹脂は大気中の水分と反応して硬化するが、内部側に存在する湿気硬化型樹脂は水分と反応しないため液状に維持される。

有機材１１が湿気硬化型樹脂であっても、有機材１１の内部１１ｂが液状に維持されることにより、当該液状部分がベース３及び半導体ダイ７の熱伝導率の差に伴って生じる応力を吸収する。有機材１１が湿気型硬化樹脂であっても前述と同様の効果が得られる。

また、有機材１１は、紫外線硬化型樹脂であってもよい。紫外線硬化型樹脂は、紫外線を照射することによって硬化する樹脂である。紫外線硬化型樹脂は、例えば、アクリル系樹脂、又はエポキシ系樹脂である。多孔性金属材の空孔に液状の有機材１１が含浸した後に有機材１１に紫外線を照射する。

この紫外線の照射により、有機材１１の表面部１１ａは紫外線に曝されて硬化するが、紫外線は有機材１１の内部１１ｂにまで達しないため、紫外線に曝されなかった部位の樹脂は硬化せず液状に維持される。従って、有機材１１が紫外線硬化型樹脂であっても前述と同様の効果が得られる。

以上、ベース３の上に半導体ダイ７をダイボンディングする手順を説明したが、ダイボンディングは、入力整合回路６、出力整合回路８及び出力キャパシタ９等、ハウジング２の内部に搭載される全ての素子に対して行う。そして、当該素子間、入力リード４及び出力リード５に対するワイヤボンディングを行う。

図８は、ワイヤボンディングによって得られたボンディングワイヤＷ及び素子の電気的接続を示している。本実施形態の半導体モジュール１では、入力リード４及び入力整合回路６の間を７０本程度のボンディングワイヤＷが接続し、入力整合回路６及び半導体ダイ７の間を１６本程度のボンディングワイヤＷが接続し、半導体ダイ７と出力整合回路８の間を１００本程度のボンディングワイヤＷが接続し、出力整合回路８及び出力キャパシタ９の間を３０本程度のボンディングワイヤＷが接続し、出力キャパシタ９及び出力リード５の間を３０本程度のボンディングワイヤＷが接続する。なお、図８〜図１２では、図示を簡略化するため各素子を適宜省略している。

高周波用の半導体モジュールでは、ワイヤＷの物理的形状が重要となる。ワイヤＷの終始位置、高さ、長さ、及び曲がりの形状がインピーダンスマッチングに密接に関係し、ワイヤＷが振動や衝撃により変形した場合には、設計インピーダンス値からの乖離が大きくなり、所望の特性が得られなくなる。本実施形態の半導体モジュール１は、ワイヤＷの変形を抑制可能な構成を備える。

半導体モジュール１では、各ボンディングワイヤＷの下部が固化樹脂Ｒによって保護されている。固化樹脂Ｒにより、ボンディングワイヤＷ、及びボンディングワイヤＷと各素子の接続部が機械的に保護されるため、接続信頼性を高めることができる。更に、固化樹脂Ｒが耐湿性能を有する場合には、ボンディングワイヤＷの腐食を抑制することができる。

固化樹脂Ｒは、例えば、溶剤揮散型樹脂又は加熱硬化型樹脂である。固化樹脂Ｒは、揮発成分（有機溶剤）を６０％以上含み、硬化成分を１０％以上且つ４０％以下含んでいる。固化樹脂Ｒの粘度は、１ｍＰａ・ｓ以上且つ１００ｍＰａ・ｓ以下である。一般的に、オイル（潤滑油）の粘度が６０ｍＰａ・Ｓ程度、エタノールの粘度が１ｍＰａ・Ｓ程度、水の粘度が０．９ｍＰａ・Ｓ程度であるから、固化樹脂Ｒの粘度は通常の液体程度であって十分に滑らかな状態である。

ボンディングワイヤＷは、半導体ダイ７の第１の電極と入力整合回路６を接続する第１のボンディングワイヤＷ１、及び半導体ダイ７の第２の電極と出力整合回路８を接続する第２のボンディングワイヤＷ２を含む。固化樹脂Ｒは、第１のボンディングワイヤＷ１に接触する第１の固化樹脂Ｒ１と、第２のボンディングワイヤＷ２に接触する第２の固化樹脂Ｒ２を含む。

固化樹脂Ｒは、各ボンディングワイヤＷの下部のみに存在し、複数のボンディングワイヤＷ間に跨っていない。この固化樹脂Ｒにより、各ボンディングワイヤＷが物理的に保護され、振動や衝撃によるワイヤＷの変形を抑制することができる。

固化樹脂ＲがボンディングワイヤＷの直下のみに存在するので、高周波性能に及ぼされる影響を低減させることができる。すなわち、ベース３及び側壁２ｃで囲まれた空間であるキャビティＳの全体に樹脂が存在する場合には、複数のボンディングワイヤＷの周囲全体に樹脂が存在することになるので、ボンディングワイヤＷの電気信号の伝送特性への影響が大きくなる。これに対し、本実施形態では、各ボンディングワイヤＷの直下のみに固化樹脂Ｒが存在するので、伝送特性への影響は極めて限定的となる。

次に、ボンディングワイヤＷの直下に固化樹脂Ｒを形成する方法について説明する。まず、図９に示すように、入力整合回路６、半導体ダイ７及び出力整合回路８等の各素子をキャビティＳ内の素子搭載領域Ａに搭載し（素子を搭載する工程）、その後、各素子をボンディングワイヤＷで接続する（ワイヤボンディングを施す工程）。そして、図１０に示すように、ハウジング２の側壁２ｃ及びベース３によって囲まれたキャビティＳに液状の固化樹脂Ｒを充填する。

キャビティＳに固化樹脂Ｒを充填することにより、固化樹脂Ｒは、毛細管現象によって各ボンディングワイヤＷに集約され、また、キャビティＳの隅部及び隙間部分にいきわたる。そして、図１１に示すように、固化樹脂Ｒの揮発成分を揮発させる。固化樹脂Ｒが溶剤揮散型樹脂である場合には、例えば、室温に放置して揮発成分の気化を行う。

また、固化樹脂Ｒが加熱硬化型樹脂である場合には、熱処理を行って揮発を促進する。揮発に伴って固化樹脂Ｒの粘度は高くなり、その結果、図１２に示すように、各ボンディングワイヤＷの直下のみに固化樹脂Ｒが残り固化樹脂Ｒが固化した樹脂膜となる（固化樹脂を形成する工程）。

図１３は、ボンディングワイヤＷ、及びボンディングワイヤＷの直下の固化樹脂Ｒの断面を示している。図１３に示すように、固化樹脂Ｒは、ボンディングワイヤＷを薄く被覆すると共に、ボンディングワイヤＷの下部からベース３に向かって延びている。ボンディングワイヤＷから延びる固化樹脂Ｒの厚さｔは、ボンディングワイヤＷの直径Ｄよりも小さい。このように、固化樹脂Ｒの厚さｔが薄いことにより、固化樹脂ＲでボンディングワイヤＷを保持しつつ伝送特性への影響を低減させることができる。

以上、半導体モジュール、及び半導体モジュールの製造方法の実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において種々の変形及び変更が可能であることは当業者によって容易に認識される。例えば、前述した実施形態では、有機材１１及び固化樹脂Ｒについて説明したが、有機材１１の材料、及び固化樹脂Ｒの材料は、互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。

１…半導体モジュール、２…ハウジング、２ａ…前壁、２ｂ…後壁、２ｃ…側壁、３…ベース、３ａ…第１の領域、３ｂ…第２の領域、３ｃ、３ｅ…一端、３ｄ、３ｆ…他端、４…入力リード、５…出力リード、６…入力整合回路、７…半導体ダイ、７ａ…短辺、７ｂ…長辺、７ｃ…基板、７ｄ…ソース電極、７ｅ…ゲート電極、７ｆ…ソースビア、７ｇ…活性領域、７ｈ…ドレイン電極、８…出力整合回路、９…出力キャパシタ、１０…導電性ペースト、１１…有機材、Ａ…素子搭載領域、Ｂ…幅、Ｃ１、Ｃ２…中央部、Ｄ…直径、Ｒ…固化樹脂、Ｒ１…第１の固化樹脂、Ｒ２…第２の固化樹脂、Ｓ…キャビティ、Ｕ１、Ｕ２…ユニット、Ｗ…ボンディングワイヤ、Ｗ１…第１のボンディングワイヤ、Ｗ２…第２のボンディングワイヤ。

Claims (6)

1. 金属製のベースと、
   前記ベース上に固定された半導体ダイと、
   前記半導体ダイ及び前記ベースの間に介在する多孔性金属材と、
   前記多孔性金属材の前記ベース及び前記半導体ダイから露出した領域を覆う有機材と、
   を備え、
   前記多孔性金属材は、前記有機材が含浸する空孔を有し、
   前記多孔性金属材の前記空孔に含浸した前記有機材の表面部は固化しており、前記多孔性金属材の前記空孔に含浸した前記有機材の内部は液状であり、
   前記有機材は、湿気硬化型樹脂である、
   半導体モジュール。
2. 金属製のベースと、
   前記ベース上に固定された半導体ダイと、
   前記半導体ダイ及び前記ベースの間に介在する多孔性金属材と、
   前記多孔性金属材の前記ベース及び前記半導体ダイから露出した領域を覆う有機材と、
   を備え、
   前記多孔性金属材は、前記有機材が含浸する空孔を有し、
   前記多孔性金属材の前記空孔に含浸した前記有機材の表面部は固化しており、前記多孔性金属材の前記空孔に含浸した前記有機材の内部は液状であり、
   前記有機材は、紫外線硬化型樹脂である、
   半導体モジュール。
3. 前記多孔性金属材の、焼結前の金属紛体の直径は１μｍ以上且つ１０μｍ以下である、
   請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 金属製のベースの上に焼結型の導電性ペーストを塗布する工程と、
   前記導電性ペースト上に半導体ダイを載置した後に、１５０℃以上且つ３５０℃以下の熱処理により前記導電性ペーストを固化させて多孔性金属材とし、当該多孔性金属材で前記半導体ダイを固定する工程と、
   前記多孔性金属材の空孔に有機材を含浸させる工程と、
   前記多孔性金属材の前記空孔に含浸した前記有機材の内部を液状に維持し、前記多孔性金属材の空孔に含浸した前記有機材の表面部を固化する工程と、を含み、
   前記有機材は、湿気硬化型樹脂であり、
   前記固化する工程では、前記有機材の前記表面部を大気中に曝して前記表面部を固化する、
   半導体モジュールの製造方法。
5. 金属製のベースの上に焼結型の導電性ペーストを塗布する工程と、
   前記導電性ペースト上に半導体ダイを載置した後に、１５０℃以上且つ３５０℃以下の熱処理により前記導電性ペーストを固化させて多孔性金属材とし、当該多孔性金属材で前記半導体ダイを固定する工程と、
   前記多孔性金属材の空孔に有機材を含浸させる工程と、
   前記多孔性金属材の前記空孔に含浸した前記有機材の内部を液状に維持し、前記多孔性金属材の空孔に含浸した前記有機材の表面部を固化する工程と、を含み、
   前記有機材は、紫外線硬化型樹脂であり、
   前記固化する工程では、前記有機材の前記表面部を紫外線に曝して前記表面部を固化する、
   半導体モジュールの製造方法。
6. 金属製のベースの上に焼結型の導電性ペーストを塗布する工程と、
   前記導電性ペースト上に半導体ダイを載置した後に、１５０℃以上且つ３５０℃以下の熱処理により前記導電性ペーストを固化させて多孔性金属材とし、当該多孔性金属材で前記半導体ダイを固定する工程と、
   前記多孔性金属材の空孔に有機材を含浸させる工程と、
   前記多孔性金属材の前記空孔に含浸した前記有機材の内部を液状に維持し、前記多孔性金属材の空孔に含浸した前記有機材の表面部を固化する工程と、を含み、
   前記有機材は、溶剤揮散型樹脂であり、
   前記固化する工程では、前記有機材の前記表面部を温度８０℃以上且つ１２０℃以下の環境下に曝して前記表面部を固化する、
   半導体モジュールの製造方法。

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