(57)【要約】【課題】絶縁基板の主表面にある金属配線層における電極端子を接合する際に発生する接合位置のずれを低減し、接続信頼性を向上するパワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】本発明に係るパワー半導体モジュールは、金属配線層７を主表面に有する絶縁基板２と、絶縁基板２上に搭載され、金属配線層７と電気的に接続された半導体素子３と、金属配線層７と接合された平板部４ａを端部に有する電極端子４とを備え、電極端子の平板部４ａと金属配線層７が接合する接合領域７ａにおいて、電極端子４の平板部４ａおよび金属配線層７のいずれか一方の厚み方向に形成された凸部１４および凸部１４に対応して他方の厚み方向に形成された穴部１７が嵌合した状態で、接合材１５によって電極端子４と金属配線層７が接合された接合部１１を備えたことを特徴とする。【選択図】    図２
2020178003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属配線層を主表面に有する絶縁基板と、
前記絶縁基板上に搭載され、前記金属配線層と電気的に接続された半導体素子と、
前記金属配線層と接合された平板部を端部に有する電極端子と、を備え、
前記電極端子の平板部と前記金属配線層が接合する接合領域において、前記電極端子の平板部および前記金属配線層のいずれか一方の厚み方向に形成された凸部および前記凸部に対応して他方の厚み方向に形成された穴部が嵌合した状態で、接合材によって前記電極端子と前記金属配線層が接合された接合部を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記接合部は、前記電極端子の平板部に形成された前記金属配線層に対向する前記凸部である電極端子凸部、および、前記金属配線層の表面に形成された前記電極端子凸部に対応する前記穴部である金属配線層穴部が嵌合した状態で接合されたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記金属配線層穴部の深さに比べ、前記電極端子凸部の高さがより大きいことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記接合部は、前記金属配線層の表面に形成された前記電極端子の平板部に対向する前記凸部である金属配線層凸部、および、前記電極端子の平板部に形成された前記金属配線層凸部に対応する前記穴部である電極端子穴部が嵌合した状態で接合されたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記電極端子穴部の深さに比べ、前記金属配線層凸部の高さがより大きいことを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
前記電極端子穴部は、前記電極端子の平板部の厚み方向において前記平板部を貫通するものであることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
前記金属配線層凸部は、前記金属配線層の表面においてボールボンディングにより形成されたものであることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
前記金属配線層凸部は、前記金属配線層の表面においてウェッジボンディングにより形成されたものであることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項９】
１つの前記電極端子の平板部に対応して前記接合部が複数個あることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
絶縁基板上に電極端子を接合するパワー半導体モジュールの製造方法において、
前記電極端子と接合する表面に穴部である金属配線層穴部が形成された金属配線層が主表面に設けられ、前記金属配線層と電気的に接続された半導体素子が搭載された前記絶縁基板を準備する工程と、
前記金属配線層の表面と平行な方向に延在する平板部を端部に有し、前記電極端子の平板部の厚み方向に前記金属配線層穴部に対応する凸部である電極端子凸部が形成された電極端子を準備する工程と、
前記電極端子の平板部と前記金属配線層が接合する接合領域に接合材を供給し、前記電極端子凸部を前記金属配線層穴部に挿入することで、前記電極端子凸部および前記金属配線層穴部の内少なくともいずれか一方を塑性変形させつつ、前記電極端子凸部と前記金属配線層穴部とを嵌合させた状態で、前記接合領域を加熱することにより前記接合材が溶融して前記電極端子凸部と前記金属配線層穴部との隙間に入り込み、前記電極端子と前記金属配線層とを接合する工程と、
を含むパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１１】
絶縁基板上に電極端子を接合するパワー半導体モジュールの製造方法において、
前記電極端子と接合する表面に凸部である金属配線層凸部が形成された金属配線層が主表面に設けられ、前記金属配線層と電気的に接続された半導体素子が搭載された前記絶縁基板を準備する工程と、
前記金属配線層の表面と平行な方向に延在する平板部を端部に有し、前記電極端子の平板部の厚み方向に前記金属配線層凸部に対応する穴部である電極端子穴部が形成された電極端子を準備する工程と、
前記電極端子の平板部と前記金属配線層と接合する接合領域に接合材を供給し、前記金属配線層凸部を前記電極端子穴部に挿入することで、前記金属配線層凸部および前記電極端子穴部の内少なくともいずれか一方を塑性変形させつつ、前記金属配線層凸部と前記電極端子穴部とを嵌合させた状態で、前記接合領域を加熱することにより前記接合材が溶融して前記金属配線層凸部と前記電極端子穴部との隙間に入り込み、前記電極端子と前記金属配線層とを接合する工程と、
を含むパワー半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、パワー半導体モジュールに関し、特に電力変換装置等に搭載可能なパワー半導体モジュールおよびパワー半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モーター等の電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュールにおける内部配線として、電流密度を高く設定できる板状あるいは柱状の電極端子が用いられる。電極端子と絶縁基板の表面金属配線層との接続には、一般的にソルダペーストを用いたはんだ付けが用いられる。電極端子が絶縁基板上にはんだ接合される際に、はんだ接合層の高さのばらつきを抑え、接合強度を確保する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５５６４７３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のパワー半導体モジュールにおいて、リードピン形状の電極端子の接合端部に形成された円板状のヘッドに設けられた突部が細いため、接合の際にリードピンの位置ずれが発生しやすく、組み立て作業の効率が低下する問題点があった。
本開示は、上述のような問題を解決するためになされたもので、絶縁基板の主表面にある金属配線層における電極端子を接合する際に発生する接合位置のずれを低減し、接続信頼性を向上するパワー半導体モジュールを得るものである。
また、絶縁基板上の金属配線層における電極端子の接合を行う際に発生する接合位置のずれを低減できるパワー半導体モジュールの製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示に係るパワー半導体モジュールは、金属配線層を主表面に有する絶縁基板と、絶縁基板上に搭載され、金属配線層と電気的に接続された半導体素子と、金属配線層と接合された平板部を端部に有する電極端子とを備え、電極端子の平板部と金属配線層が接合する接合領域において、電極端子の平板部および金属配線層のいずれか一方の厚み方向に形成された凸部および凸部に対応して他方の厚み方向に形成された穴部が嵌合した状態で、接合材によって電極端子と金属配線層が接合された接合部を備えたものである。
【０００６】
本開示に係る絶縁基板上に電極端子を接合するパワー半導体モジュールの製造方法は、電極端子と接合する表面に穴部である金属配線層穴部が形成された金属配線層が主表面に設けられ、金属配線層と電気的に接続された半導体素子が搭載された絶縁基板を準備する工程と、金属配線層の表面と平行な方向に延在する平板部を端部に有し、電極端子の平板部の厚み方向に金属配線層穴部に対応する凸部である電極端子凸部が形成された電極端子を準備する工程と、電極端子の平板部と金属配線層が接合する接合領域に接合材を供給し、電極端子凸部を金属配線層穴部に挿入することで、電極端子凸部および金属配線層穴部の内少なくともいずれか一方を塑性変形させつつ、電極端子凸部と金属配線層穴部とを嵌合させた状態で、接合領域を加熱することにより接合材が溶融して電極端子凸部と金属配線層穴部との隙間に入り込み、電極端子と金属配線層とを接合する工程とを含む。
【発明の効果】
【０００７】
本開示に係るパワー半導体モジュールおよびパワー半導体モジュールの製造方法によれば、絶縁基板の主表面にある金属配線層に電極端子を接合する際に、接合位置のずれを低減し、接続信頼性を向上させることができる。
また、本開示に係るパワー半導体モジュールの製造方法によれば、電極端子と金属配線層とを嵌合させる際に、押圧力を加えて塑性変形させつつ接合させるため、電極端子と金属配線層との間はより密着して熱伝導性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構成例を示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板と電極端子との接続部を示す断面図である。
【図３】実施の形態１に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板上の接合界面に沿った電極端子凸部および金属配線層穴部の形状例の断面構造を示す概念図である。
【図４】実施の形態１の変形例に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板と電極端子との接続部を示す断面図である。
【図５】実施の形態１の変形例に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板とピン形状の電極端子との接続部を示す断面図である。
【図６】実施の形態２に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板上の接合界面に沿った電極端子凸部および金属配線層穴部の形状例の断面構造を示す概念図である。
【図７】実施の形態３に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板と電極端子との接続部を示す断面図である。
【図８】実施の形態３に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板と電極端子との接続部を示す断面図である。
【図９】実施の形態３に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板上の接合界面に沿った電極端子穴部および金属配線層凸部の形状例の断面構造を示す概念図である。
【図１０】実施の形態４に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板と電極端子との接続部を示す断面図である。
【図１１】実施の形態４に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板と電極端子との接続部を示す断面図である。
【図１２】実施の形態４に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板上の接合界面に沿った電極端子穴部および金属配線層凸部の形状例の断面構造を示す概念図である。
【図１３】実施の形態５に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板と電極端子との接続部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００の構成例を示す断面図である。また、図２は、図１に示すパワー半導体モジュールにおける絶縁基板２と電極端子４との接続部１０１を示す断面図である。
図１に示すように、実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００は、金属材料からなるベース板１の上に、半導体素子３および電極端子４等が電気的に接続された絶縁基板２が配置されている。絶縁基板２がベース板１の上部は配設されたケース６で囲まれ、ケース６の上に蓋６ａで覆われている。ケース６の中の空間内に封止材５が充填されている。封止材５は例えばシリコンゲルである。半導体素子３は、例えばＩＧＢＴ、フリーホイールダイオードなどのパワー半導体素子である。ここで、図１は、ケース６の上部が蓋６ａで覆われているパワー半導体モジュールの例であるが、蓋を設けない場合、あるいは封止材のみでケースを設けない場合でも、同様に構成されることが可能である。
【００１１】
図２は絶縁基板２と電極端子４との接続部１０１を示す。絶縁基板２は、絶縁層８、絶縁層８の主表面に金属配線層７および主表面と反対側に金属層９を有する。絶縁層８は、例えばアルミナからなり、金属配線層７および金属層９は、例えば銅（Ｃｕ）からなる。絶縁基板２の金属配線層７上に、板形状の金属配線端子である電極端子４が接合材１５によって接合されている。接合材１５は、例えばはんだが用いられる。
【００１２】
電極端子４は、金属配線層７の表面と平行な方向に延在する金属配線層７と接合された平板部４ａを端部に有し、平板部４ａと反対側の端部がケース６から外部へ伸びる部分を有する形状である。電極端子４の平板部４ａの厚み方向に、金属配線層７に対向する凸部である電極端子凸部１４が形成されている。電極端子凸部１４は、例えば、プレス成形により形成されることができる。プレス成形の場合、電極端子凸部１４の形成により、平板部４ａの厚み方向において電極端子凸部１４の反対側には、対応する穴形状が形成される。
電極端子４の平板部４ａと接合する金属配線層７の接合領域７ａにおいて、金属配線層７の厚み方向に電極端子凸部１４に対応する穴部である金属配線層穴部１７が形成されている。金属配線層穴部１７は、例えば、プレス成形により形成され、エッチングにより形成されてもよい。
電極端子４の平板部４ａと金属配線層７が接合する接合領域７ａには、電極端子凸部１４と金属配線層穴部１７が嵌合した状態で、接合材１５によって電極端子４と金属配線層７が接合された接合部１１が形成される。
【００１３】
図２では、金属配線層穴部１７の深さ、および電極端子凸部１４の高さは電極端子４の平板部４ａの板厚と同等もしくは小さくする例を示しているが、金属配線層穴部１７の深さに比べ、電極端子凸部１４の高さをより大きくしても良い。この場合、電極端子凸部１４および金属配線層穴部１７のいずれか一方、あるいは両方にテーパー部を設け、金属配線層穴部１７に電極端子凸部１４を挿し込む深さにより接合材１５の厚みを調整することができる。
また、電極端子凸部１４の外径は金属配線層穴部１７の内径と同等もしくは小さく形成されている。電極端子凸部１４と金属配線層穴部１７と嵌合した状態で接合された接合部１１内の隙間に、接合材１５が充填されている。
【００１４】
図３は実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの絶縁基板２上の接合界面に沿って、電極端子４の平板部４ａに設けられた電極端子凸部１４および金属配線層７の接合領域７ａに設けられた金属配線層穴部１７の形状例の断面構造を示す概念図である。電極端子凸部１４および金属配線層穴部１７の形状がわかるように、それぞれ重ねて表示する。
図３（ａ）は、金属配線層穴部１７を丸形、電極端子凸部１４を四角形にした形状例である。図３（ｂ）は、金属配線層穴部１７を四角形、電極端子凸部１４を丸形にした形状例である。図３（ｃ）は、金属配線層穴部１７と電極端子凸部１４とも四角形にした形状例である。図３（ｄ）は、金属配線層穴部１７と電極端子凸部１４とも丸形にした形状例である。
図３（ａ）〜（ｄ）の形状例では、電極端子凸部１４の外径は金属配線層穴部１７の内径と同等もしくは小さく形成されているため、電極端子凸部１４が金属配線層穴部１７中に収容されるように嵌合されている。なお、電極端子凸部１４と金属配線層穴部１７と嵌合できれば、電極端子凸部１４および金属配線層穴部１７の形状はこの限りではない。  
【００１５】
次に実施の形態１に係るパワー半導体モジュールにおいて、絶縁基板２上に電極端子４を接合する製造方法について説明する。  
まずは、電極端子４と接合する表面に穴部である金属配線層穴部１７が形成された金属配線層７が主表面に設けられた絶縁基板２を準備する。絶縁基板２には、金属配線層７と電気的に接続された半導体素子３が搭載されている。
また、電極端子４を準備する。電極端子４は、金属配線層７の表面と平行な方向に延在する平板部４ａを端部に有し、平板部４ａの厚み方向に金属配線層穴部１７に対応する凸部である電極端子凸部１４が形成されている。
次に、電極端子４の平板部４ａと金属配線層７が接合する接合領域７ａにディスペンサーなどを用いてはんだである接合材１５を供給する。この後、金属配線層７上に電極端子４を配置し、電極端子凸部１４を金属配線層穴部１７に挿入し、電極端子凸部１４と金属配線層穴部１７とを嵌合させた状態で、ホットプレートなどを用いて、接合領域７ａを加熱する。加熱を続けることで、接合材１５が溶融して濡れ広がり、嵌合された電極端子凸部１４と金属配線層穴部１７との隙間に入り込み、電極端子４と金属配線層７とを接合させ、接合部１１が形成される。
【００１６】
実施の形態１に係るパワー半導体モジュールにおける電極端子４は、例えばプレス加工用の金型を変えることにより、１つの電極端子４の平板部４ａに電極端子凸部１４を複数個作製することが可能である。
図４に実施の形態１の変形例に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板２と電極端子４との接続部１０２を示す。図４に示すように、１つの電極端子４の平板部４ａに２つの電極端子凸部１４を設け、並びに、金属配線層７には２つの電極端子凸部１４にそれぞれ対応する金属配線層穴部１７を２つ設ける。電極端子凸部１４と金属配線層穴部１７がそれぞれ嵌合した状態で接合された接合部１２が形成され、電極端子４と金属配線層７の接合位置が固定される。
【００１７】
また、図５に実施の形態１のもう一つの変形例に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板２とピン形状の電極端子１６との接続部１０３を示す。図５では、板形状ではなく、ピン形状の金属配線端子である電極端子１６を用いた場合の接続形態である。ピン形状の電極端子１６においても、金属配線層７の表面と平行な方向に延在する金属配線層７と接合される平板部１６ａを端部に有し、平板部１６ａの厚み方向から金属配線層７に対向して突出した凸部である電極端子凸部２６を有する。電極端子凸部２６と金属配線層穴部１７とが嵌合した状態で接合された接合部１３が形成され、ピン形状の電極端子１６と金属配線層７との接合位置が固定される。なお、ピン形状の電極端子１６は電極端子凸部２６と反対側の端部に、板形状の電極端子４と同様に、ケース６から外部へ伸びる部分を有する形状である。また、ピン形状の金属配線端子である電極端子１６を用いる場合、板形状の電極端子４と同様な製造方法で製造できる。
【００１８】
実施の形態１に係るパワー半導体モジュールによれば、絶縁基板２上の金属配線層７の金属配線層穴部１７と電極端子４の電極端子凸部１４と嵌合することにより、金属配線層７上に電極端子４が接合する際に発生する電極端子４の位置ずれを低減し、接続信頼性が向上するパワー半導体モジュールを提供できる。
また、実施の形態１にかかるパワー半導体モジュールの変形例である電極端子４に複数の電極端子凸部１４を設ける構成によれば、電極端子４と金属配線層７との接合位置が複数個の凹部と凸部が嵌合した状態で接合された接合部１２によって固定され、電極端子４の平面方向の位置決めだけでなく回転方向の向きも合わせることが可能になり、電極端子４の平板部４ａの傾きも低減することができる。さらに、接合経路が長くなるため、接合層内に亀裂ができても破断までの経路長が長くなり、接合信頼性が向上できる。
【００１９】
実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの絶縁基板２上の接合界面に沿って、電極端子４の平板部４ａに設けられた電極端子凸部２４および金属配線層７の接合領域に設けられた金属配線層穴部１７の形状例の断面構造を示す概念図である。電極端子凸部２４および金属配線層穴部１７の形状をわかるように、それぞれ重ねて表示する。
実施の形態２では、実施の形態１と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
【００２０】
図６において、図３に示す実施の形態１と同様に、金属配線層７の接合領域７ａに、電極端子４の平板部４ａが接合されている。実施の形態１における電極端子４の電極端子凸部１４および金属配線層７の金属配線層穴部１７と異なり、実施の形態２では、電極端子４の電極端子凸部２４および金属配線層７の金属配線層穴部２７の内、少なくともいずれか一方が塑性変形部材を有する。
図６（ａ）は、金属配線層穴部２７を丸形、電極端子凸部２４を四角形にした形状例である。図６（ｂ）は、金属配線層穴部２７を四角形、電極端子凸部２４を丸形にした形状例である。ここで、図６（ａ）と図６（ｂ）において、電極端子凸部２４の最大外径部は金属配線層穴部２７の内径より大きい箇所である塑性変形部２４ａを有する。例えば、図６（ａ）では、四角形の電極端子凸部２４の対辺の長さが丸形の金属配線層穴部２７の直径より大きく、電極端子凸部２４の四角形の角部が塑性変形部２４ａとなる。図６（ｂ）では、丸形の電極端子凸部２４の直径が四角形の金属配線層穴部２７の辺長より大きく、丸形の電極端子凸部２４において四角形の金属配線層穴部２７の辺より外側にある部分が塑性変形部２４ａとなる。なお、電極端子凸部２４と金属配線層穴部２７と塑性変形して嵌合できれば、電極端子凸部２４および金属配線層穴部２７の形状はこの限りではない。
【００２１】
電極端子凸部２４を金属配線層穴部２７に挿入する際に、実施の形態１に比べて、さらに押圧力を加えて塑性変形させつつ嵌合することで、最終的に接合部２１が形成される。電極端子凸部２４と金属配線層穴部２７の穴部の間には、押圧力が加わることにより熱伝導性を向上することができる。例えば、電極端子凸部２４を金属配線層穴部２７に挿入する際に、１ＭＰａ以上の圧力を加えることが望ましい。
また、図６の形状例の場合、電極端子凸部２４において、最初に金属配線層穴部２７に接触する先端部を小さく、電極端子の平板部４ａに近づくにつれて大きくしていくテーパー形状にしておくことで、電極端子凸部２４と金属配線層穴部２７を合わせた際に位置補正をしつつ、圧力を加えて押し込むことで嵌合させて固定することが可能となる。
【００２２】
なお、電極端子凸部２４および金属配線層穴部２７の形状は図６に限るものではなく、電極端子凸部２４と金属配線層穴部２７とを嵌合する際に、一部塑性変形できる部分を設ければ、実施の形態１に比べて、より強い押圧力を加えることができる。
【００２３】
次に、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールにおいて、絶縁基板２上に電極端子４を接合する製造方法について説明する。
まずは、電極端子４と接合する表面に穴部である金属配線層穴部２７が形成された金属配線層７が主表面に設けられた絶縁基板２を準備する。絶縁基板２には金属配線層７と電気的に接続された半導体素子３が搭載されている。
また、電極端子４を準備する。電極端子４は、金属配線層７の表面と平行な方向に延在する平板部４ａを端部に有し、平板部４ａの厚み方向に金属配線層穴部２７に対応する凸部である電極端子凸部２４が形成されている。
次に、電極端子４の平板部４ａと金属配線層７が接合する接合領域７ａにディスペンサーなどを用いてはんだである接合材１５を供給する。この後、金属配線層７上に電極端子４を配置し、電極端子凸部２４を金属配線層穴部２７に挿入することで、電極端子凸部２４および金属配線層穴部２７の内少なくともいずれか一方を塑性変形させつつ、電極端子凸部２４と金属配線層穴部２７とを嵌合させた状態で、ホットプレートなどを用いて、接合領域７ａを加熱する。加熱を続けることで、接合材１５が溶融して濡れ広がり、嵌合された電極端子凸部２４と金属配線層穴部２７との隙間に入り込み、電極端子４と金属配線層７が接合する接合領域７ａには、接合部２１が形成される。
【００２４】
実施の形態２に係るパワー半導体モジュールによれば、実施の形態１と同様な効果を奏する。さらに、電極端子凸部２４と金属配線層穴部２７の内少なくともいずれか一方が塑性変形部材であるため、電極端子凸部２４と金属配線層穴部２７とを嵌合させる際に、押圧力を加えることができ、電極端子４と金属配線層７との間はより密着して熱伝導性を向上できる。
【００２５】
実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板２と電極端子４との接続部３０１の構成を示す断面図である。
実施の形態３では、本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
【００２６】
実施の形態１では、接続部の接合界面において、電極端子４側には電極端子凸部１４、および、金属配線層７側には電極端子凸部１４に対応する金属配線層穴部１７が設けられる。実施の形態３では、図７に示すように、金属配線層７側には金属配線層７の厚み方向に形成された電極端子４の平板部４ａに対向する凸部である金属配線層凸部３７、および、電極端子４側には金属配線層凸部３７に対応する平板部４ａの厚み方向に形成された穴部である電極端子穴部３４が設けられている。電極端子４の平板部４ａと金属配線層７が接合する接合領域７ａには、金属配線層凸部３７と電極端子穴部３４が嵌合した状態で、接合材１５によって電極端子４と金属配線層７が接合された接合部３１が形成される。
図７において、電極端子穴部３４は、電極端子４の平板部４ａの厚み方向を貫通する穴部であり、例えばプレス成形により形成されることができる。
【００２７】
また、図８は実施の形態３の貫通しない電極端子穴部の構成例である接続部３０２の構成を示す断面図である。図８に示すように、電極端子４の平板部４ａの厚み方向において貫通しない電極端子穴部３０４が設けられている。この場合、電極端子穴部３０４は、プレス成形により貫通しないように作製できる。電極端子４が金属配線層７に接合される際にも同様に、金属配線層凸部３７と電極端子穴部３０４が嵌合した状態で、接合材１５によって電極端子４と金属配線層７が接合されて接合部３２が形成される。
金属配線層凸部３７は、例えば、プレス成形による一体型の凸部である。また、例えば、金属配線層７の接合領域７ａにボールボンディング、およびウェッジボンディング等のワイヤボンディング方法により後付けで凸部を形成することができる。
金属配線層７および電極端子４は、例えば銅（Ｃｕ）が用いられることが多いが、ワイヤボンディングでは、銅（Ｃｕ）のほか、塑性変形可能な材料であるアルミ（Ａｌ）、金（Ａｕ）、および銀（Ａｇ）なども用いることが可能である。
【００２８】
図７に示すように、貫通する電極端子穴部３４が設けられる場合、金属配線層凸部３７が電極端子穴部３４と嵌合できれば、金属配線層凸部３７の高さは、電極端子４の平板部４ａの板厚と同じ程度にするだけではなく、平板部４ａの板厚より高くあるいは低くてもできる。金属配線層凸部３７および電極端子穴部３４の一方、あるいは両方にテーパー部を設け、電極端子穴部３４に金属配線層凸部３７を差し込む深さにより接合材１５の厚みを調整することが可能になる。
図８では、平板部４ａを貫通しない電極端子穴部３０４が設けられる場合、金属配線層凸部３７の高さ、および電極端子穴部３０４の深さは電極端子４の板厚と同等もしくは小さくする。ただし、電極端子穴部３０４の深さに比べ、金属配線層凸部３７の高さをより大きくしても良い。この場合、金属配線層凸部３７および電極端子穴部３０４の一方、あるいは両方にテーパー部を設け、電極端子穴部３０４に金属配線層凸部３７を差し込む深さにより接合材１５の厚みを調整することが可能になる。
また、図７および図８では、金属配線層凸部３７の外径は、電極端子穴部３４または電極端子穴部３０４の内径と同等もしくは小さく形成されている。接合部３１または接合部３２内の隙間に、接合材１５が充填されている。
【００２９】
図９は実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの絶縁基板２上の接合界面に沿って、電極端子４の平板部４ａに設けられた電極端子穴部３４および金属配線層７の接合領域７ａに設けられた金属配線層凸部３７の形状例の断面構造を示す概念図である。電極端子穴部３４および金属配線層凸部３７の形状をわかるように、それぞれ重ねて表示する。
図９（ａ）は、金属配線層凸部３７を丸形、電極端子穴部３４を四角形にした形状例である。図９（ｂ）は、金属配線層凸部３７を四角形、電極端子穴部３４を丸形にした形状例である。図９（ｃ）は、金属配線層凸部３７と電極端子穴部３４とも四角形にした形状例である。図９（ｄ）は、金属配線層凸部３７と電極端子穴部３４とも丸形にした形状例である。
図９（ａ）〜（ｄ）の形状例において、金属配線層凸部３７の外径は電極端子穴部３４の内径と同等もしくは小さく形成されているため、金属配線層凸部３７が電極端子穴部３４中に収容されるように嵌合されている。なお、金属配線層凸部３７と電極端子穴部３４と嵌合できれば、金属配線層凸部３７および電極端子穴部３４の形状はこの限りではない。
【００３０】
次に実施の形態３に係るパワー半導体モジュールにおいて、絶縁基板２上に電極端子４を接合する製造方法について説明する。  
まずは、電極端子４と接合する表面に凸部である金属配線層凸部３７が形成された金属配線層７が主表面に設けられた絶縁基板２を準備する。絶縁基板２には金属配線層７と電気的に接続された半導体素子３が搭載されている。
また、電極端子４を準備する。電極端子４は、金属配線層７の表面と平行な方向に延在する平板部４ａを端部に有し、平板部４ａの厚み方向に金属配線層凸部３７に対応する穴部である電極端子穴部３４が形成されている。
次に、電極端子４の平板部４ａと金属配線層７が接合する接合領域７ａにディスペンサーなどを用いてはんだである接合材１５を供給する。この後、金属配線層７上に電極端子４を配置し、金属配線層凸部３７を電極端子穴部３４に挿入し、金属配線層凸部３７と電極端子穴部３４とを嵌合させた状態で、ホットプレートなどを用いて、接合領域７ａを加熱する。加熱を続けることで、接合材１５が溶融して濡れ広がり、嵌合された金属配線層凸部３７と電極端子穴部３４との隙間に入り込み、電極端子４と金属配線層７とを接合させ、接合部３１が形成される。
【００３１】
以上の製造方法は図７に示す電極端子４に電極端子穴部３４が設けられた場合に関する。図８に示す電極端子４に電極端子穴部３０４が設けられた場合も同様な製造方法で製造できる。
実施の形態３に係るパワー半導体モジュールによれば、実施の形態１と同様な効果を奏する。また、電極端子４の平板部４ａに凸部ではなく、電極端子穴部３４（または電極端子穴部３０４）を設けることにより、電極端子４の平板部４ａが金属配線層７に面する底部が平坦であるため、金属配線層７上で電極端子４を自立させることが可能になるため、組み立て時の制約が小さくなり、生産性が向上できる。
【００３２】
実施の形態４．
図１０は、実施の形態４に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板２と電極端子４との接続部４０１の構成を示す断面図である。
図１１は、実施の形態４に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板２と電極端子４との接続部４０２の構成を示す断面図である。図１０の電極端子４の平板部４ａの厚み方向を貫通する穴部である電極端子穴部４４に対して、図１１では、電極端子４の電極端子４の平板部４ａの厚み方向において貫通しなく、金属配線層７に面する穴部である電極端子穴部４０４が設けられている。
実施の形態４では、実施の形態３と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
【００３３】
図１０に示す接続部４０１において、金属配線層７の接合領域７ａにボールボンディングにより後付けで金属配線層凸部４７が形成されている。ここで、例えば銅（Ｃｕ）材料を用いられたボールボンディングである金属配線層凸部４７は塑性変形部材であり、電極端子穴部４４の平板部４ａ付近に塑性変形部４７ａを有するとともに、接合領域７ａに接する面から電極端子穴部４４に向かってテーパー形状のテーパー部４７ｂを有する。
【００３４】
図１２は、実施の形態４に係るパワー半導体モジュールの絶縁基板２上の接合界面に沿って、電極端子４の平板部４ａに設けられた電極端子穴部４４および金属配線層７の接合領域７ａに設けられた金属配線層凸部４７の形状例の断面構造を示す概念図である。電極端子穴部４４および金属配線層凸部４７の形状をわかるように、それぞれ重ねて表示する。
図９に示す実施の形態３に係る電極端子４の電極端子穴部３４および金属配線層７の金属配線層凸部３７に比べて、図１２に示す電極端子４の電極端子穴部４４および金属配線層７の金属配線層凸部４７は少なくともいずれか一方が塑性変形部材である。
図１２（ａ）は、金属配線層凸部４７を丸形、電極端子穴部４４を四角形にした形状例である。図１２（ｂ）は、金属配線層凸部４７を四角形、電極端子穴部４４を丸形にした形状例である。
【００３５】
ここで、例えば、ボールボンディングで形成された丸形の金属配線層凸部４７の場合、絶縁基板２上の接合界面に沿った断面構造を図１２（ａ）に示す。図１２（ａ）では、電極端子４の平板部４ａ付近において、ボールボンディングで形成された丸形の金属配線層凸部４７の直径が四角形の電極端子穴部４４の辺長より大きく、丸形の金属配線層凸部４７において四角形の電極端子穴部４４の辺より大きい箇所である部分は塑性変形部４７ａとなる。また、例えば、ウェッジボンディングで形成された四角形の金属配線層凸部４７の場合、絶縁基板２上の接合界面に沿った断面構造を図１２（ｂ）に示す。図１２（ｂ）では、四角形の金属配線層凸部４７の対辺の長さが丸形の電極端子穴部４４の直径より大きく、金属配線層凸部４７の四角形の角部が塑性変形部２４ａとなる。
なお、電極端子穴部４４および金属配線層凸部４７の形状は図１２の形状例に限るものではなく、電極端子穴部４４と金属配線層凸部４７と塑性変形して嵌合できれば、実施の形態３に比べて、より強い押圧力を加えることができる。
【００３６】
次に、実施の形態４に係るパワー半導体モジュールにおいて、絶縁基板２上に電極端子４を接合する製造方法について説明する。
まずは、電極端子４と接合する表面にボールボンディングにより凸部である金属配線層凸部４７が形成された金属配線層７が主表面に設けられた絶縁基板２を準備する。絶縁基板２には金属配線層７と電気的に接続された半導体素子３が搭載されている。
また、電極端子４を準備する。電極端子４は、金属配線層７の表面と平行な方向に延在する平板部４ａを端部に有し、平板部４ａの厚み方向に金属配線層凸部４７に対応する穴部である電極端子穴部４４が形成されている。
次に、電極端子４の平板部４ａと金属配線層７が接合する接合領域７ａにディスペンサーなどを用いてはんだである接合材１５を供給する。この後、金属配線層７上に電極端子４を配置し、金属配線層凸部４７を電極端子穴部４４に挿入することで、金属配線層凸部４７および電極端子穴部４４の内少なくともいずれか一方を塑性変形させつつ、金属配線層凸部４７と電極端子穴部４４とを嵌合させた状態で、ホットプレートなどを用いて、接合領域７ａを加熱する。加熱を続けることで、接合材１５が溶融して濡れ広がり、嵌合された金属配線層凸部４７と電極端子穴部４４との隙間に入り込み、電極端子４と金属配線層７とを接合させ、接合部４１が形成される。
【００３７】
以上の製造方法は図１０に示す電極端子４に電極端子穴部４４が設けられた場合に関する。図１１に示す電極端子４に電極端子穴部４０４が設けられた場合も同様な製造方法で製造できる。
図１０と図１１に示すボールボンディングにより形成された金属配線層凸部４７と電極端子穴部４４（または電子端子穴部４０４）と嵌合して接合する際に、ボールボンディングである金属配線層凸部４７のテーパー部４７ｂに沿って電極端子穴部４４（または電子端子穴部４０４）に差し込み、押圧力を加えながらボールボンディングである金属配線層凸部４７を塑性変形させつつ、電極端子穴部４４（または電子端子穴部４０４）と嵌合させる。
また、図１０と図１１において、金属配線層凸部４７が電極端子穴部４４（または電子端子穴部４０４）と嵌合できれば、金属配線層凸部４７の高さは、電極端子４の板厚と同じ程度にするだけではなく、電極端子４の板厚より高くあるいは低くてもできる。この場合、金属配線層凸部４７および電極端子穴部４４（または電子端子穴部４０４）の一方、あるいは両方にテーパー部を設け、電極端子穴部４４（または電子端子穴部４０４）に金属配線層凸部３７を差し込む深さにより接合材１５の厚みを調整することが可能になる。
【００３８】
また、図１１に示す接続部４０２では、実施の形態３の図８に示すような金属配線層７に面する平板部４ａを貫通しない電極端子穴部４０４が設けられている。電極端子穴部４０４は、図８に示す電極端子４における電極端子穴部３０４と同様に、プレス成形により貫通しないような穴部を作製することができる。金属配線層凸部４７の高さ、および電極端子穴部４０４の深さは電極端子４の板厚と同等もしくは小さくする。ただし、金属配線層凸部４７の高さを電極端子穴部４０４の深さより大きくしても良い。この場合、金属配線層凸部４７および電極端子穴部４０４の一方、あるいは両方にテーパー部を設け、電極端子穴部４０４に金属配線層凸部４７を差し込む深さにより接合材１５の厚みを調整することが可能になる。
実施の形態４に係るパワー半導体モジュールによれば、実施の形態３と同様な効果を奏する。さらに、電極端子穴部４４（または電極端子穴部４０４）と金属配線層凸部４７の内少なくともいずれか一方が塑性変形部材であるため、電極端子穴部４４（または電極端子穴部４０４）と金属配線層凸部４７とを嵌合させる際に、押圧力を加えることができ、電極端子４と金属配線層７との間はより密着して熱伝導性を向上できる。
【００３９】
実施の形態５．
図１３は、実施の形態５に係るパワー半導体モジュールにおける絶縁基板２と電極端子４との接続部５０１の構成を示す断面図である。実施の形態５は、実施の形態１および実施の形態３に係るパワー半導体モジュールにおける接合部を組み合わせた構成例である。
図１３に示すように、１つの電極端子４の平板部４ａに、電極端子凸部５４ａおよび電極端子穴部５４ｂが設けられている。また、金属配線層７の接合領域７ａに、電極端子凸部５４ａおよび電極端子穴部５４ｂにそれぞれ対応する金属配線層穴部５７ａおよび金属配線層凸部５７ｂが設けられている。それぞれの穴部と凸部とを嵌合させた状態で接合部５１ａおよび接合部５１ｂが形成される。
【００４０】
次に、実施の形態５に係るパワー半導体モジュールにおいて、絶縁基板２上に電極端子４を接合する製造方法について説明する。
まずは、電極端子４と接合する表面に穴部である金属配線層穴部５７ａ、および、凸部である金属配線層凸部５７ｂが形成された金属配線層７が主表面に設けられた絶縁基板２を準備する。絶縁基板２には金属配線層７と電気的に接続された半導体素子３が搭載されている。
また、電極端子４を準備する。電極端子４は、金属配線層７の表面と平行な方向に延在する平板部４ａを端部に有し、平板部４ａの厚み方向に金属配線層穴部５７ａに対応する凸部である電極端子凸部５４ａ、および、金属配線層凸部５７ｂに対応する穴部である電極端子穴部５４ｂが形成されている。
次に、電極端子４の平板部４ａと金属配線層７が接合する接合領域７ａにディスペンサーなどを用いてはんだである接合材１５を供給する。この後、金属配線層７上に電極端子４を配置し、電極端子凸部５４ａを金属配線層穴部５７ａに挿入するとともに、金属配線層凸部５７ｂを電極端子穴部５４ｂに挿入し、電極端子凸部５４ａと金属配線層穴部５７ａとを嵌合させるとともに、金属配線層凸部５７ｂと電極端子穴部５４ｂとを嵌合させた状態で、ホットプレートなどを用いて、接合領域７ａを加熱する。加熱を続けることで、接合材１５が溶融して濡れ広がり、嵌合された電極端子凸部５４ａと金属配線層穴部５７ａとの隙間、および金属配線層凸部５７ｂと電極端子穴部５４ｂとの隙間に入り込み、電極端子４と金属配線層７とを接合させ、接合部５１ａおよび接合部５１ｂが形成される。
【００４１】
実施の形態５に係るパワー半導体モジュールによれば、実施の形態１および実施の形態３と同様に、電極端子と金属配線層との間に形成された接合部により、電極端子４が金属配線層上にはんだ接合する際に発生する電極端子４の位置ずれを低減することができる。また、１つの電極端子４に対して複数の接合部が形成されることにより、電極端子４の接合位置がより固定でき、平面方向の位置決めだけでなく回転方向の向きも合わせることができ、接合部の高さ方向において接合の傾きも低減することができる。さらに、接合経路が長くなるため、接合層内に亀裂ができても破断までの経路長が長くなり、接合信頼性が向上できる。
【００４２】
また、実施の形態２および実施の形態４に係るパワー半導体モジュールにおける塑性変形部材である凸部または凹部を用いることについて、当該実施の形態５に係るパワー半導体モジュールにおいても同様に適用することができ、同様な効果を得ることが可能である。接合部に加えられる押圧力を加えることにより、電極端子４と金属配線層７との間がより密着して熱伝導性を向上できる。
上述した各実施の形態を組み合わせた構成を採ることも可能であり、また異なる実施の形態に示される構成部分同士を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  ベース板、２  絶縁基板、３  半導体素子、４  電極端子、５  封止材、６  ケース、７  金属配線層、８  絶縁層、９  金属層、１５、接合材、１６  ピン形状の電極端子、１１、１２、１３、２１、３１、３２、４１、４２、５１ａ、５１ｂ  接合部、１００  パワー半導体モジュール、１０１、１０２、１０３、３０１、３０２、４０１、４０２、５０１  絶縁基板と電極端子との接続部
【図１】
2020178003.tif 000003
【図２】
2020178003.tif 000004
【図３】
2020178003.tif 000005
【図４】
2020178003.tif 000006
【図５】
2020178003.tif 000007
【図６】
2020178003.tif 000008
【図７】
2020178003.tif 000009
【図８】
2020178003.tif 000010
【図９】
2020178003.tif 000011
【図１０】
2020178003.tif 000012
【図１１】
2020178003.tif 000013
【図１２】
2020178003.tif 000014
【図１３】
2020178003.tif 000015