(57)【要約】【課題】銅電極の酸化を防止する。【解決手段】パワー半導体４と、前記パワー半導体４と接続される銅電極３と、前記銅電極３と前記パワー半導体４とを接合する銀焼結材５とを備えるパワーモジュール１であって、前記銅電極３上において前記銀焼結材５の周囲に配置される金属部材６を備え、前記金属部材６は、前記銅電極３よりも酸化還元電位が大きい材料により構成される。【選択図】図１
2020053501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体と、前記パワー半導体と接続される銅電極と、前記銅電極と前記パワー半導体とを接合する銀焼結材とを備えるパワーモジュールであって、
前記銅電極上において前記銀焼結材の周囲に配置される金属部材を備え、
前記金属部材は、前記銅電極よりも酸化還元電位が大きい材料により構成される
ことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記金属部材は、亜鉛により構成されることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記金属部材は、前記銀焼結材に接触して設けられることを特徴とする請求項１または２記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記金属部材は、前記銀焼結材の全周を囲うように配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、電子部品搭載基板の製造方法が開示されている。特許文献１によれば、銅あるいは銅メッキ板に対して、銀ペースト中の銀を焼結させることにより形成される銀接合層により電子部品を接合させることが記載されている。このような構成とすることにより、電子部品を銅板上に接合欠陥なく接合させることが可能である。したがって、上記構成は、例えば、パワーモジュールにおいてパワー半導体を基板上の銅電極に対して接合する際に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−５３４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した構成において、パワー半導体のように発熱する部品を用いており、さらに外的要因により高温となる場所に配置される場合には、銅電極や銀焼結材が高温となる場合がある。このような場合には、銀焼結材において還元反応が生じ、銀焼結材から酸素が放出される。したがって、放出された酸素が銅電極を酸化させることにより、銅電極と銀焼結材との接合部の剥離が生じる可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、銅電極の酸化を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、パワー半導体と、前記パワー半導体と接続される銅電極と、前記銅電極と前記パワー半導体とを接合する銀焼結材とを備えるパワーモジュールであって、前記銅電極上において前記銀焼結材の周囲に配置される金属部材を備え、前記金属部材は、前記銅電極よりも酸化還元電位が大きい材料により構成される、という構成を採用する。
【０００７】
第２の手段として、上記第１の手段において、前記金属部材は、亜鉛により構成される、という構成を採用する。
【０００８】
第３の手段として、上記第１または２の手段において、前記金属部材は、前記銀焼結材に接触して設けられる、という構成を採用する。
【０００９】
第４の手段として、上記第１〜３のいずれかの手段において、前記金属部材は、前記銀焼結材の全周を囲うように配置される、という構成を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、銀焼結材の周囲に金属部材を設けている。この金属部材は、銅電極よりも酸化還元電位が大きいため、銅電極が酸化するよりも前に酸素と結合し、酸化する。したがって、銀焼結材において還元反応が生じた際に、金属部材を酸化させることで、銅電極の酸化を防止することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの一部を示す模式断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの一部を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの変形例を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明に係るパワーモジュールの一実施形態について説明する。
【００１３】
［第１実施形態］
パワーモジュール１は、図１及び図２に示すように、絶縁基板２と、電極３と、複数のパワー半導体チップ４と、銀焼結材接合層５と、囲撓部材６（金属部材）と、絶縁基板２、電極３、複数のパワー半導体チップ４、銀焼結材接合層５及び囲撓部材６を収容する不図示のケーシングとを備えている。
【００１４】
絶縁基板２は、パワー半導体チップが搭載される板部材である。なお、絶縁基板２は、パワー半導体チップ４が設けられる第１面と、第１面の裏面となる第２面との間が絶縁されている。
【００１５】
電極３は、絶縁基板２の両面に設けられる銅（Ｃｕ）製の電極である。電極３は、電子回路の一部とされ、パワー半導体チップ４と電気的に接続されている。
【００１６】
パワー半導体チップ４は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、電極３に対して銀焼結材接合層５により接合されている。また、パワー半導体チップ４は、不図示であるが、絶縁基板２上に複数設けられている。このようなパワー半導体チップ４は、直流を交流に変換、または電圧及び周波数の変換を目的として実装されている。
【００１７】
銀焼結材接合層５は、銀焼結材により構成され、電極３とパワー半導体チップ４とを電気的に接続させる層であり、外周面が外部に露出した状態とされる。銀焼結材接合層５は、銀の微粒粉を約３００℃で焼成することにより部材同士を接合する。
【００１８】
囲撓部材６は、電極３上において銀焼結材接合層５を囲んで設けられる環状の部材であり、内周が銀焼結材接合層５の外周と全周において接触した状態で配置される。囲撓部材６は、亜鉛（Ｚｎ）により構成されている。亜鉛は、銅よりも酸化還元電位が大きく、酸素と結合しやすい性質を有している。なお、囲撓部材６の材質は、銅よりも酸化還元電位が大きく、かつ表面に不働態を形成しない素材が適している。
【００１９】
このような本実施形態のパワーモジュール１は、パワー半導体チップ４から生じる熱や、外的要因による熱により、高温となる場合がある。このような場合に、銀焼結材接合層５を構成する銀が、還元反応を生じ、酸素を外周へと放出することがある。このとき、囲撓部材６が銀焼結材接合層５の周囲に配置されることにより、放出された酸素は、銅よりも酸化還元電位の大きな亜鉛により構成されている囲撓部材６と結びつく。したがって、電極３と酸素が結び付くよりも前に囲撓部材６を酸化させることで、銀焼結材接合層５から生じる酸素により電極３が酸化して腐食することを、防止できる。
【００２０】
また、本実施形態によれば、囲撓部材６は、銀焼結材接合層５に対して接触した状態で設けられている。これにより、銀焼結材接合層５から発生した酸素が囲撓部材６と接触しやすく、電極３の酸化をより効果的に防止できる。
【００２１】
また、本実施形態によれば、囲撓部材６を亜鉛により構成している。上述したように、亜鉛は、表面のみではなく内部まで酸化する性質を有している。このため、囲撓部材６の表面積が小さくとも、多くの酸素と結合させることが可能であり、電極３の酸化を長期間に渡って効率的に防止できる。
【００２２】
［第２実施形態］
続いて、上記第１実施形態の変形例を第２実施形態として図３を参照して説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と同一の構成については符号を同一とし、説明を省略する。
【００２３】
本実施形態におけるパワーモジュール１は、囲撓部材６に代えて囲撓部材６Ａを備えている。囲撓部材６Ａは、電極３上において、銀焼結材接合層５の外周を囲んだ状態で設けられる環状部材であり、亜鉛により構成されている。また、囲撓部材６Ａは、銀焼結材接合層５と接触しないように配置されている。
【００２４】
このようなパワーモジュール１においても、上記第１実施形態と同様に、銀焼結材接合層５から還元反応により発生した酸素が、囲撓部材６Ａと結合することにより、電極３の腐食を防止している。
【００２５】
また、絶縁基板２の構造上、銀焼結材接合層５と囲撓部材６Ａとを接触させることができない場合においても、囲撓部材６Ａにより電極３の腐食を防止することが可能である。
【００２６】
［第３実施形態］
上記第１実施形態の変形例を第３実施形態として図４を参照して説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と同一の構成については符号を同一とし、説明を省略する。
【００２７】
本実施形態におけるパワーモジュール１は、囲撓部材６に代えて複数の金属部材６Ｂを備えている。複数の金属部材６Ｂは、電極３上に配置される長尺状の部材であり、銀焼結材接合層５を囲むように配置されている。また、金属部材６Ｂは、亜鉛により構成されている。
【００２８】
このようなパワーモジュール１においても、上記第１実施形態と同様に、銀焼結材接合層５から還元反応により発生した酸素が、囲撓部材６Ａと結合することにより、電極３の腐食を防止している。
【００２９】
また、銀焼結材接合層５を複数の金属部材６Ｂにより囲む構成とすることにより、金属部材６Ｂの配置の自由度が向上する。さらに、金属部材６Ｂの表面積を大きくすることが可能であり、酸素との結合率を向上できる。
【００３０】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３１】
上記実施形態においては、囲撓部材６、囲撓部材６Ａ及び金属部材６Ｂは、亜鉛により構成されているものとしたが、本発明はこれに限定されない。本発明の囲撓部材６Ａは、不働態を形成しない部材であり、かつ銅よりも酸化還元電位が大きい素材であれば、合金や、鉄等としてもよい。
【００３２】
上記実施形態においては、囲撓部材６は、銀焼結材接合層５の全周を囲うように設けられるものとしたが、本発明はこれに限定されない。基板２の形状や電極３の形状等によって、囲撓部材６は、銀焼結材接合層５の一部のみを囲うものとしてもよい。
【００３３】
また、囲撓部材６、囲撓部材６Ａ及び金属部材６Ｂは、表面積を増加させる加工（例えば表面に溝を設ける等）を行うことにより、酸素との接触面積を向上させることが可能である。これにより、囲撓部材６、囲撓部材６Ａ及び金属部材６Ｂは、より酸素と結合しやすくなり、電極３の腐食を防止しやすくなる。
【符号の説明】
【００３４】
１……パワーモジュール
２……絶縁基板
３……電極
４……パワー半導体チップ
５……銀焼結材接合層
６……囲撓部材
６Ａ……囲撓部材
６Ｂ……金属部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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