(57)【要約】【課題】加圧方向と直行する接合面であっても加圧加熱接合を確実に行うことができる加圧加熱接合構造及び加圧加熱接合方法を提供する。【解決手段】接合材として金属微粒子を用いて２部材を加圧加熱接合した加圧加熱接合構造であって、線膨張係数の異なる第１の部材１４及び第２の部材４Ａを両部材の接合面Ｆ２に当該第１の部材及び第２の部材間に発生する熱応力が加圧力として作用するように配置し、前記接合面に前記金属微粒子を介在させた状態で昇温して前記第１の部材及び前記第２の部材を加圧加熱接合する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合材として金属微粒子を用いて２部材を加圧加熱接合した加圧加熱接合構造であって、
線膨張係数の異なる第１の部材及び第２の部材を両部材の接合面に当該第１の部材及び第２の部材間に発生する熱応力が加圧力として作用するように配置し、前記接合面に前記金属微粒子を介在させた状態で昇温して前記第１の部材及び前記第２の部材を加圧加熱接合したことを特徴とする加圧加熱接合構造。
【請求項２】
接合材として金属微粒子を用いて２部材を加圧加熱接合した加圧加熱接合構造であって、
前記２部材を相対的に線膨張係数の小さい第１の部材と、線膨張係数の大きな第２の部材とで構成し、前記第１の部材に接合凹部を形成し、該接合凹部に前記金属微粒子を介して前記第２の部材を係合させた状態で昇温し、前記第１の部材及び前記第２の部材間に発生する熱応力を利用して前記第１の部材及び前記第２の部材の接合部に加圧力を印加して加圧加熱接合したことを特徴とする加圧加熱接合構造。
【請求項３】
前記第１の部材は断面円形の前記接合凹部を形成した導電性板材で構成され、前記第２の部材は円柱状の端子部材で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の加圧加熱接合構造。
【請求項４】
接合材として金属微粒子を用いて２部材を加圧加熱接合した加圧加熱接合構造であって、
中央部に嵌合凹部を形成した環状突起を形成した第３の部材と、該第３の部材の嵌合凹部に嵌合される当該第３の部材の線膨張係数以上の線膨張係数を有する第４の部材と、前記第３の部材の環状突起の外周縁に係合する係合孔を有する前記第３の部材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する抑え治具とを備え、前記第３の部材の嵌合凹部に前記金属微粒子を介して前記第４の部材を配置すると共に、前記第３の部材の外周面に前記抑え治具を装着した状態で昇温し、前記第３の部材及び前記第４の部材の熱膨張を前記抑え治具で拘束することにより、前記第３の部材及び前記第４の部材の接合面に加圧力を印加して加圧加熱接合したことを特徴とする加圧加熱接合構造。
【請求項５】
前記第３の部材は断面円形の前記環状突起を形成した導電性板材で構成され、前記第４の部材は円柱状の端子部材で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の加圧加熱接合構造。
【請求項６】
互いに接合する線膨張係数の異なる第１の部材及び第２の部材を、昇温時に前記第１の部材及び第２の部材の接合面に当該第１の部材及び第２の部材間に発生する熱応力が加圧力として作用にするように配置する工程と、前記接合面に前記金属微粒子を介在させた状態で昇温して前記第１の部材及び前記第２の部材を加圧加熱接合する工程とを備えたことを特徴とする加圧加熱接合方法。
【請求項７】
接合凹部を形成した第１の部材と該第１の部材の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する第２の部材とを用意し、
前記第１の部材の前記接合凹部に接合材として金属微粒子を介して前記第２の部材を係合させる工程と、
第１の部材の前記接合凹部に第２の部材を、前記金属微粒子を介して係合させた状態で昇温し、前記第１の部材及び前記第２の部材間に発生する熱応力を利用して前記第１の部材及び前記第２の部材の接合部に加圧力を印加して加圧加熱接合する工程と
を備えたことを特徴とする加圧加熱接合方法。
【請求項８】
中央部に接合凹部を形成した環状突起を形成した第３の部材と、該第３の部材の接合凹部に接合される当該第３の部材の線膨張係数以上の線膨張係数を有する第４の部材と、前記第３の部材の環状突起の外周縁に係合する係合孔を有する前記第３の部材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する抑え治具とを用意し、
前記第３の部材の外周面に前記抑え治具を装着すると共に、前記第３の部材の接合凹部に接合材として金属微粒子を介して前記第４の部材を配置して接合予備状態とする接合前処理工程と、
接合予備状態の第３の部材、第４の部材及び抑え治具を昇温し、前記第３の部材及び前記第４の部材の熱膨張を前記抑え治具で拘束することにより、前記第３の部材及び前記第４の部材の接合面に加圧力を印加して加圧加熱接合する加圧加熱接合工程と
を備えたことを特徴とする加圧加熱接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属微粒子を用いて２部材を加圧加熱接合する加圧加熱接合構造及び加圧加熱接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の加圧加熱接合技術としては、例えば特許文献１に記載されている技術が提案されている。この加圧加熱接合技術では、積層する基板の電極端子同士を接合するために、基板上にトランジスタと多層配線とを形成すると共に、多層配線を覆う絶縁膜を形成し、絶縁膜に配線が露出するように開口部を形成し、開口部内に導電性微粒子を含む有機溶剤を塗布している。そして、第１の熱処理を行うことにより、溶剤と有機成分を除去した後、ＣＭＰ法で外側部分の導電体微粒子を除去して開口部内に導電性微粒子から構成された電極端子を形成し、この電極端子に第２の基板に形成された貫通電極を加圧して押し合わせ、第１の熱処理より高温の第２の熱処理を行って、導電性微粒子を部分的に溶融させて貫通電極を開口部に接合するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２４９５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１及び２に記載の加圧加熱接合方法では、基板側の接合凹部内に電極を挿通して電極の挿通方向から加圧しながら加熱して加圧加熱接合することができる。この場合、接合凹部内に挿通した電極の加圧方向が電極の挿通方向であるので、接合凹部の底面と電極の底面との間の接合面に対しては加圧力が作用するので、この接合面での加圧接合は良好に行うことができる。しかしながら、接合凹部の側壁と電極の外周面との間の側面側接合面には加圧力が作用しないので、この側面側接合面では加圧加熱接合ができないという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、加圧方向と直行する接合面であっても加圧加熱接合を確実に行うことができる加圧加熱接合構造及び加圧加熱接合方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る加圧加熱接合構造の第１の態様は、接合材として金属微粒子を用いて２部材を加圧加熱接合した加圧加熱接合構造である。この加圧加熱接合構造は、線膨張係数の異なる第１の部材及び第２の部材を両部材の接合面に当該第１の部材及び第２の部材間に発生する熱応力が加圧力として作用するように配置し、前記接合面に前記金属微粒子を介在させた状態で昇温して前記第１の部材及び前記第２の部材を加圧加熱接合している。
【０００６】
また、本発明に係る加圧加熱接合構造の第２の態様は、接合材として金属微粒子を用いて２部材を加圧加熱接合した加圧加熱接合構造である。この加圧加熱接合構造は、前記２部材を相対的に線膨張係数の小さい第１の部材と、線膨張係数の大きな第２の部材とで構成し、前記第１の部材に接合凹部を形成し、該接合凹部に前記金属微粒子を介して前記第２の部材を係合させた状態で昇温し、前記第１の部材及び前記第２の部材間に発生する熱応力を利用して前記第１の部材及び前記第２の部材の接合部に加圧力を印加して加圧加熱接合している。
また、本発明に係る加圧加熱接合構造の第３の態様は、前記第１の部材が断面円形の前記接合凹部を形成した導電性板材で構成され、前記第２の部材が円柱状の端子部材で構成されている。
【０００７】
また、本発明に係る加圧加熱接合構造の第４の態様は、接合材として金属微粒子を用いて２部材を加圧加熱接合した加圧加熱接合構造である。この加熱加圧接合構造は、中央部に嵌合凹部を形成した環状突起を形成した第３の部材と、該第３の部材の嵌合凹部に嵌合される当該第３の部材の線膨張係数以上の線膨張係数を有する第４の部材と、前記第３の部材の環状突起の外周縁に係合する係合孔を有する前記第３の部材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する抑え治具とを備え、前記第３の部材の嵌合凹部に前記金属微粒子を介して前記第４の部材を配置すると共に、前記第３の部材の外周面に前記抑え治具を装着した状態で昇温し、前記第３の部材及び前記第４の部材の熱膨張を前記抑え治具で拘束することにより、前記第３の部材及び前記第４の部材の接合面に加圧力を印加して加圧加熱接合している。
【０００８】
また、本発明に係る加圧加熱接合構造の第５の態様は、前記第３の部材が断面円形の前記環状突起を形成した導電性板材で構成され、前記第４の部材が円柱状の端子部材で構成されている。
また、本発明に係る加圧加熱接合方法の第１の態様は、互いに接合する線膨張係数の異なる第１の部材及び第２の部材を、昇温時に前記第１の部材及び第２の部材の接合面に当該第１の部材及び第２の部材間に発生する熱応力が加圧力として作用にするように配置する工程と、前記接合面に前記金属微粒子を介在させた状態で昇温して前記第１の部材及び前記第２の部材を加圧加熱接合する工程とを備えている。
【０００９】
また、本発明に係る加圧加熱接合方法の第２の態様は、接合凹部を形成した第１の部材と該第１の部材の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する第２の部材とを用意し、前記第１の部材の前記接合凹部に接合材として金属微粒子を介して前記第２の部材を係合させる工程と、第１の部材の前記接合凹部に第２の部材を、前記金属微粒子を介して係合させた状態で昇温し、前記第１の部材及び前記第２の部材間に発生する熱応力を利用して前記第１の部材及び前記第２の部材の接合部に加圧力を印加して加圧加熱接合する工程とを備えている。
【００１０】
また、本発明に係る加圧加熱接合方法の第３の態様は、中央部に接合凹部を形成した環状突起を形成した第３の部材と、該第３の部材の接合凹部に接合される当該第３の部材の線膨張係数以上の線膨張係数を有する第４の部材と、前記第３の部材の環状突起の外周縁に係合する係合孔を有する前記第３の部材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する抑え治具とを用意し、前記第３の部材の外周面に前記抑え治具を装着すると共に、前記第３の部材の接合凹部に接合材として金属微粒子を介して前記第４の部材を配置して接合予備状態とする接合前処理工程と、接合予備状態の第３の部材、第４の部材及び抑え治具を昇温し、前記第３の部材及び前記第４の部材の熱膨張を前記抑え治具で拘束することにより、前記第３の部材及び前記第４の部材の接合面に加圧力を印加して加圧加熱接合する加圧加熱接合工程とを備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、加圧加熱接合する２部材の線膨張係数を異ならせることにより、昇温時に線膨張性数差による熱応力を発生させてこの熱応力による加圧力を接合面に作用させることができ、接合面が側面等であっても確実に加圧力を作用させて、加圧加熱接合を確実に行うことができる。
また、本発明によれば、加圧加熱接合する２部材の線膨張係数よりも小さい線膨張係数の抑え治具を使用して２部材の接合部を外側から拘束することにより、外側の部材の熱膨張を内側の部材側に向かわせて接合面に加圧力を作用させことができ、接合面が側面等であっても確実に加圧力を作用させて、加圧加熱接合を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による加圧加熱接合を適用し得る半導体装置を示す斜視図である。
【図２】図１の縦断面図である。
【図３】絶縁基板を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は底面図である。
【図４】図１に適用するプリント基板を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図である。
【図５】絶縁基板にプリント基板を装着した状態を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る加圧加熱接合方法の第１の実施形態を示す工程図である。
【図７】従来の加圧加熱接合方法を示す工程図である。
【図８】本発明に係る加圧加熱接合方法の第２の実施形態を示す工程図である。
【図９】図８の加圧加熱接合方法に適用し得る加圧加熱接合装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る加圧加熱接合構造及び加圧加熱接合方法を半導体装置としてのパワー半導体モジュールに適用した場合の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１〜図６は本発明を半導体装置としてのパワー半導体モジュールに適用した場合の第１の実施形態を示す図である。
本発明を適用し得るパワー半導体モジュール１の一例としては、図１に示すように、エポキシ樹脂等の樹脂材でモールド成形された成形体として構成されている。このパワー半導体モジュール１は、左右端部側に固定ねじを挿通する挿通孔２が形成され、これら挿通孔２を囲むように平面から見てＵ字状の絶縁用壁部３が形成されている。
【００１４】
また、パワー半導体モジュール１は、上面における左右の絶縁用壁部３間の前後端部側にそれぞれ第２の部材としての同一構成のピン状円柱体に形成された外部接続用端子４Ａ、４Ｂ及び４Ｃと制御端子５Ａａ，５Ａｂ及び５Ｂａ，５Ｂｂとが上方に突出して形成されている。これら外部接続用端子４Ａ、４Ｂ及び４Ｃと制御端子５Ａａ，５Ａｂ及び５Ｂａ，５Ｂｂとは、内蔵された第１の部材としての絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂに搭載された主回路構成部品となる半導体チップ１２Ａ及び１２Ｂに電気的に接続されている。
絶縁基板１１Ａは、伝熱性の良いアルミナ等のセラミックスを主成分とする例えば正方形状の基板１３を有し、この基板１３の表面には厚みが０．５ｍｍ以上の銅板で構成される導体パターン１４が貼り付けられており、裏面には同様の厚みを有する銅板で構成される放熱用伝熱パターン１５が貼り付けられている。
【００１５】
導体パターン１４は、図３に示すように、左端部が基板１３の幅と略等しい幅を有する幅広部１４ａと、この幅広部１４ａの右側に連接する幅広部１４ａより狭い幅の幅狭部１４ｂとからなる平面形状が凸字形状に形成されたチップ搭載パターン１４ｃを有する。また、導体パターン１４は、チップ搭載パターン１４ｃの幅狭部１４ｂの外側に所定間隔を保って独立した端子接続パターン１４ｄ及び１４ｅを有する。これら端子接続パターン１４ｄ及び１４ｅの側縁はチップ搭載パターン１４ｃの幅広部１４ａの側縁と一致されている。ここで、チップ搭載パターン１４ｃの幅広部１４ａには、図３（ａ）に示すように、ハンダ等の接合部材を介して第１の半導体チップ１２Ａ及び第２の半導体チップ１２Ｂが実装されている。また、チップ搭載パターン１４ｃには、第１の半導体チップ１２Ａの幅方向外側に主回路用の外部接続端子４Ａを加圧加熱接合する接合凹部１４ｆが形成されている。また、端子接続パターン１４ｄ及び１４ｅには外部接続端子４Ｂを加圧加熱接合する接合凹部１４ｇが形成されている。
【００１６】
また、絶縁基板１１Ｂも、絶縁基板１１Ａと同様にセラミックを主成分とする基板１３とその表裏に形成された導体パターン１４及び放熱用伝熱パターン１５とを有する。導体パターン１４は、絶縁基板１１Ａと同様に、幅広部１４ｈ及び幅狭部１４ｉで平面形状が凸字形状に形成されたチップ搭載パターン１４ｊと、このチップ搭載パターン１４ｊの幅狭部１４ｉの外側に所定間隔を保って独立して形成されたそれぞれ２つの端子接続パターン１４ｋａ，１４ｋｂ及び１４ｍａ，１４ｍｂとが形成されている。
【００１７】
そして、チップ搭載パターン１４ｊには、図３（ａ）に示すように、第１の半導体チップ１２Ａ及び第２の半導体チップ１２Ｂがハンダ等の接合部材を介して実装されている。また、チップ搭載パターン１４ｊには、第１の半導体チップ１２Ａの幅方向外側に外部接続端子４Ｃを加圧加熱接合する断面円形の接合凹部１４ｏが形成
されている。
さらに、端子接続パターン１４ｋａ，１４ｋｂ及び１４ｍａ,１４ｍｂには、制御端子５Ａａ，５Ａｂ及び５Ｂａ，５Ｂｂを加圧加熱接合する接合凹部１４ｐ及び１４ｑが形成されている。
【００１８】
ここで、外部接続端子４Ａ、４Ｂ、４Ｃ及び５Ａａ，５Ａｂ、５Ｂａ，５Ｂｂの材質は、絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂの導体パターン１４の接合凹部１４ｆ、１４ｇ、１４ｏ及び１４ｐ，１４ｑに加圧加熱接合する関係で、接合相手となる導体パターン１４を構成する銅（Ｃｕ）の線膨張係数（α１＝１６．５×１０−６）に対して大きな線膨張係数（α２＝２３．１×１０−６）を有するアルミニウム（Ａｌ）系のものであることが望ましい。しかし、はんだ接合の容易さを考慮するとき、外部接続端子４Ａ〜４Ｃ及び５Ａ，５Ｂにはニッケル（Ｎｉ）あるいは錫（Ｓｎ）系の表面処理を施して、はんだ接合の濡れ性を改善することによって、実装効率を高めることが可能である。
【００１９】
そして、外部接続端子４Ａ〜４Ｃ及び５Ａａ，５Ａｂ、５Ｂａ，５Ｂｂの導体パターン１４の接合凹部１４ｆ、１４ｇ、１４ｏ及び１４ｐ，１４ｑへの加圧加熱接合は、図６に示すように行う。
この加圧加熱接合は、外部接続端子４Ａと導体パターン１４の接合凹部１４ｆとの接合を代表として説明すると、先ず、図６（ａ）に示すように、接合凹部１４ｆに接合部材としての銀（Ａｇ）微粒子等の金属微粒子を含有した金属微粒子含有ペースト２１を例えば接合凹部１４ｆより盛り上がるように塗布する。
【００２０】
ここで、金属微粒子含有ペースト２１としては、揮発性のバインダー材中にＡｇ微粒子等の金属微粒子を分散させて、Ａｇ微粒子等の金属微粒子の表面をバインダー材で被覆して、ペースト状としたものが適用できる。また、金属微粒子としては、銀（Ａｇ）のほかに銅（Ｃｕ）等を適用することができる。バインダー材は、例えば、カルボン酸類、アルコール類、アミン類のうち少なくとも１種からなる有機物を適用することができる。
【００２１】
次いで、図６（ｂ）に示すように、接合凹部１４ｆの金属微粒子含有ペースト２１内に例えば接合凹部１４ｆの内径より僅かに小さい外径を有する外部接続端子４Ａを挿入する。この接合凹部１４ｆの内径と外部接続端子４Ａの外径との寸法差は、所定の昇温温度まで昇温したときの接合凹部１４ｆと外部接続端子４Ａの熱膨張差によって両者間の周方向接合面Ｆ２に加圧力が作用するように設定されている。
【００２２】
そして、接合凹部１４ｆに外部接続端子４Ａを挿入した状態で、所定の治具で外部接続端子４Ａの上端に加圧力を与えた状態で、治具に設けたヒータで加熱するか又は加熱炉に投入して接合部を例えば２５０℃〜３００℃程度に昇温する。金属微粒子含有ペースト２１は、加熱によってバインダー成分が分解され金属微粒子が露出する。このとき、外部接続端子４Ａの線膨張係数α２が導体パターン１４の線膨張係数α１より大きく設定されているので、常温から昇温することにより、外部接続端子４Ａの半径方向の熱膨張量が接合凹部１４ｆの半径方向の熱膨張量より大きくなる。このため、外部接続端子４Ａの外周面が接合凹部１４ｆの内面に圧接して熱応力が発生し、この熱応力が外部接続端子４Ａの外面及び接合凹部１４ｆの内面間の周方向接合面Ｆ２に加圧力として作用する。金属微粒子含有ペースト２１からバインダー成分が分解されて金属微粒子が露出しているので、外部接続端子４Ａの外周面及び接合凹部１４ｆの内周面との間の周方向接合面Ｆ２について加圧力が作用した箇所については、露出した金属微粒子が焼結する。外部から加圧力を作用させることなく周方向接合面Ｆ２についても確実に接合を行うことができる。
【００２３】
勿論、外部接続端子４Ａの底面と接合凹部１４ｆの底面との間の底部接合面Ｆ１には、治具によって外部接続端子４Ａの上端側から加圧力を作用させているので、この底部接合面Ｆ１においても露出した金属微粒子が焼結し、外部接続端子４Ａと接合凹部１４ｆとの接合を確実に行うことができる。
その後、外部接続端子４Ａ及び導体パターン１４のヒータ又は加熱炉による昇温を停止して常温まで低下させることにより、その間に金属微粒子が固化して外部接続端子４Ａ及び接合凹部１４ｆが確実に接合され、加圧加熱接合構造が形成される。
【００２４】
他の外部接続端子４Ｂ，４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ、５Ｂａ，５Ｂｂについても上記外部接続端子４Ａの加圧加熱接合と同時に接合凹部１４ｇ、１４ｏ及び１４ｐ，１４ｑに挿入し、治具によって軸方向に加圧した状態で昇温することにより、底部接合面Ｆ１及び周方向接合面Ｆ２の双方で金属微粒子が焼結し加圧加熱接合を行って、加圧加熱接合構造を形成する。
【００２５】
また、半導体チップ１２Ａは、パワー半導体素子としての絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor，ＩＧＢＴ）（またはパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor））が形成されている。半導体チップ１２Ｂは、フリー・ホイーリング・ダイオード（Free Wheeling Diode，ＦＷＤ）が形成されている。
そして、半導体チップ１２Ａは、下面にコレクタ電極が形成され、上面にエミッタ電極及びゲート電極が形成されている。また、半導体チップ１２Ｂは、下面にカソード電極が形成され、上面にアノード電極が形成されている。
【００２６】
また、絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂの上方には所定間隔を保ってプリント基板１６が配設されている。このプリント基板１６は、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、表面側に主回路の電流路となる幅広の左側に向かって凸形状の導電パターン１６ａと、主回路用の電流路となる同様に幅広の導電パターン１６ｂとが形成されている。また、プリント基板１６の表面には、第１の半導体チップ１４Ａのゲート電極にポスト電極１７を介して接続されるゲート用配線１６ｃ及び１６ｄが形成されている。これらゲート用配線１６ｃ及び１６ｄは、右端側に形成された制御端子５Ｂａ，５Ｂｂを挿通する挿通孔１６ｅａ及び１６ｅｂの周囲に形成された端子接続パターン１６ｆａ及び１６ｆｂに接続されている。
また、プリント基板１６には、外部接続端子４Ａ及び４Ｃを非接触で挿通する単純挿通孔１６ｇ、及び１６ｈや、外部接続端子４Ｂを非接触で挿通するスルーホール１６ｉが穿設されている。
【００２７】
さらに、プリント基板１６の裏面には、図４（ｂ）に示すように、表面側の導電パターン１６ａ及び１６ｂと平面から見て重なるように主回路用の電流路となる幅広の左側に向かって凸形状の導電パターン１６ａ及び１６ｂが形成されている。また、プリント基板１６の裏面には、主回路を構成するチップ搭載パターン１４ｃのダイオードＤ２ａのカソードと主回路を構成するチップ搭載パターン１４ｊのダイオードＤ１ｂのカソードにポスト電極１７を介して接続されるエミッタ補助端子用配線１６ｊ及び１６ｋが形成されている。これらエミッタ補助端子用配線１６ｊ及び１６ｋは表側のゲート用配線１６ｃ及び１６ｄと平面から見て重なるように形成され、右端側に形成された制御端子５Ａａ，５Ａｂを挿通する挿通孔１６ｍａ及び１６ｍｂの周囲に形成された端子接続パターン１６ｎａ及び１６ｎｂに接続されている。
【００２８】
ここで、プリント基板１６の表裏の導電パターン１６ｂの導電パターン１６ａ寄りの端部が棒状導電接続部材としての複数例えば６本のポスト電極１７ｂによって絶縁基板１１Ａの導体パターン１４ｃの幅狭部１４ｂに電気的に接続され、ポスト電極１７ｂによって主回路間の電流路を形成している。
また、プリント基板１６の表裏の導電パターン１６ａ同士が互いに同電位に設定され、同様に表裏の導電パターン１６ｂ同士も互いに同電位に設定されている。
【００２９】
そして、前述したように絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂに外部接続端子４Ａ〜４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ及び５Ｂａ，５Ｂｂを加圧加熱接合して垂直に保持した状態で、絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂとプリント基板１６とが、図５に示すように、接合されている。この場合、プリント基板１６に穿設した挿通孔１６ｇ、１６ｉ、１６ｈ、１６ｋａ、１６ｋｂ、１６ｍａ、１６ｍｂに外部接続端子４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、制御端子５Ａａ、５Ａｂ、５Ｂａ、５Ｂｂを挿通する。
【００３０】
このとき、プリント基板１６に形成された棒状導電接続部材となるポスト電極１７を第１の半導体チップ１２Ａ及第２の半導体チップ１２Ｂと導体パターン１４とに半田等の接合部材を介して当接させる。この状態でリフロー処理することにより、プリント基板１６のポスト電極１７が第１の半導体チップ１２Ａ及び第２の半導体チップ１２Ｂと導体パターン１４とに電気的且つ機械的に接合される。これと同時に挿通孔１６ｉ、１６ｋａ、１６ｋｂ、１６ｍａ、１６ｍｂと外部接続端子４Ｂ、制御端子５Ａａ、５Ａｂ及び５Ｂａ、５Ｂｂとが棒状導電接続部材としてのポスト電極１７ａを介して電気的に接合される。
【００３１】
そして、チップ搭載パターン１４ｃに搭載されている半導体チップ１２Ａのコレクタ電極及び半導体チップ１２Ｂのカソード電極がチップ搭載パターン１４ｃを介して外部接続端子４Ａに接続されている。また、チップ搭載パターン１４ｃに搭載されている半導体チップ１２Ａのエミッタ電極及び半導体チップ１２Ｂのアノード電極がポスト電極１７を介してプリント基板１６の導電パターン１６ａを通じ、さらにポスト電極１７ａを介して外部接続端子４Ｂに接続されている。
【００３２】
さらに、チップ搭載パターン１４ｊに搭載されている半導体チップ１２Ａのコレクタ電極及び半導体チップ１２Ｂのカソード電極が外部接続端子４Ｃに接続されている。また、チップ搭載パターン１４ｊに搭載されている半導体チップ１２Ａのエミッタ電極及び半導体チップ１２Ｂのアノード電極がポスト電極１７、プリント基板１６の導電パターン１６ｂ、ポスト電極１７ｂ、チップ搭載パターン１４ｃを経て外部接続端子４Ａに接続されている。
【００３３】
また、チップ搭載パターン１４ｃに搭載されている半導体チップ１２Ａのゲート電極がポスト電極１７を介し、プリント基板１６のゲート用配線１６ｃを介して制御端子５Ｂａに接続されている。同様に、チップ搭載パターン１４ｊに搭載されている半導体チップ１２Ａのゲート電極がポスト電極１７を介し、プリント基板１６のゲート用配線１６ｄを介して制御端子５Ｂｂに接続されている。
【００３４】
さらに、チップ搭載パターン１４ｃに搭載されている半導体チップ１２Ａのエミッタ電極がポスト電極１７を介し、プリント基板１６のエミッタ補助端子用配線１６ｊを介して制御端子５Ａａに接続されている。同様に、チップ搭載パターン１４ｊに搭載されている半導体チップ１２Ａのエミッタ電極がポスト電極１７を介し、プリント基板１６のエミッタ補助端子用配線１６ｋを介して制御端子５Ａｂに接続されている。
そして、絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂとプリント基板１６とを接合した後に、所定の金型に挿入して、例えば熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂材料を注入することによってモールド成型し、図１に示すパワー半導体モジュール１が形成される。
【００３５】
このように、上記第１の実施形態によれば、絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂに外部接続端子４Ａ，４Ｂ及び外部接続端子４Ｃ、制御端子５Ａａ，５Ａｂ及び５Ｂａ，５Ｂｂを加圧加熱接合によって固定支持している。この場合の加圧加熱接合は、接合凹部１４ｆ、１４ｇ、１４ｏ、１４ｐ及び１４ｑを形成した導体パターン１４の線膨張係数α１と接合凹部１４ｆ、１４ｇ、１４ｏ、１４ｐ及び１４ｑに接合する外部接続端子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂの線膨張係数α２とをα１＜α２に設定している。すなわち、導体パターン１４として線膨張係数α１がα１＝１６．５×１０−６の銅板を適用し、外部接続端子４Ａ〜４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂとして線膨張係数α２がα２＝２３．１×１０−６を有するアルミニウム（Ａｌ）系材質を適用している。
【００３６】
そして、接合凹部１４ｆ、１４ｇ、１４ｏ及び１４ｐ，１４ｑ内に金属微粒子含有ペースト２１を介して外部接続端子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂを挿入し、各外部接続端子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂを所定の治具で軸方向に底部接合面Ｆ１側に加圧した状態で２５０℃〜３００℃程度の接合温度まで昇温する。このとき、外部接続端子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂの線膨張係数α２が接合凹部１４ｆ、１４ｇ、１４ｏ、１４ｐ及び１４ｑの線膨張係数α１より大きく設定されている。このため、昇温に伴って外部接続端子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂの半径方向の熱膨張量が接合凹部１４ｆ、１４ｇ、１４ｏ、１４ｐ及び１４ｑの半径方向の熱膨張量より大きくなり、両者間に熱応力が発生する。この熱応力が外部接続端子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂの外周面と接合凹部１４ｆ、１４ｇ、１４ｏ、１４ｐ及び１４ｑの内周面との間の周方向接合面Ｆ２に加圧力として作用する。
【００３７】
したがって、外部接続端子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂと接合凹部１４ｆ、１４ｇ、１４ｏ、１４ｐ及び１４ｑとが底部接合面Ｆ１と周方向接合面Ｆ２の双方で加圧力が作用することになり、底部接合面Ｆ１及び周方向接合面Ｆ２の双方で加圧加熱接合が行われることになる。この結果、外部接続端子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂと接合凹部１４ｆ、１４ｇ、１４ｏ、１４ｐ及び１４ｑとの加圧加熱接合の接合面積を増大させて、加圧加熱接合の接合強度を向上させることができ、加圧加熱接合の信頼性を向上させることができる。
【００３８】
ちなみに、従来例では、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、接合凹部１４ｆを形成した導体パターン１４の材質と外部接続端子４Ａの材質とを互いに銅製として同じ線膨張係数の材質を適用している。そして、接合凹部１４ｆにペースト状半田を塗布した状態（図７（ａ）参照）で、外部接続端子４Ａを接合凹部１４ｆに挿入してから所定の治具によって外部接合端子４Ａ上端側に加圧力を加える（図７（ｂ）参照）。この状態で、例えば２５０℃〜３００℃程度の接合温度まで昇温することにより、加圧加熱接合を行っている。
【００３９】
この従来例の場合には、接合凹部１４ｆとこれに接合する外部接続端子４Ａとの線膨張係数が同じであるが、昇温の両者の半径方向の熱膨張量は同じかまたは外部接続端子４Ａの外径に対して接合凹部１４ｆの径が多少大きいので、接合凹部１４ｆの半径方向の膨張量の方が外部接続端子４Ａの半径方向の熱膨張量より大きくなる。
したがって、昇温時に外部接続端子４Ａの半径方向の熱膨張量と接合凹部１４ｆの半径方向の熱膨張量とに大差がないので、外部接続端子４Ａの外周面と接合凹部１４ｆの内周面との周方向接合面には加圧力が作用することがない。この結果、従来例では、外部接続端子４Ａの底面と接合凹部１４ｆの底面との間の底部接合面Ｆ１にのみ加圧力が作用することになり、この底部接合面Ｆ１でのみ加圧加熱接合が行われる。したがって、加圧加熱接合面積が少なくなって、加圧加熱接合の確実性が低下し、接合の信頼性が低下する。
【００４０】
しかしながら、本実施形態によれば、上述したように、加圧加熱接合が底部接合面Ｆ１のみならず、周方向接合面Ｆ２でも行われるので、従来例に比較して加圧加熱接合の接合強度を向上させて信頼性を確実に向上させることができる。
しかも、周方向接合面Ｆ２への加圧力を作用させるために、特別な治具を必要とせず、外部接続端子４Ａの線膨張係数を接合凹部１４ｆの線膨張係数より大きく設定するだけで良いので、周方向接合面Ｆ２の加圧加熱接合を容易に行うことができる。
【００４１】
さらに、パワー半導体モジュール１全体の信頼性も向上させることができ、パワー半導体モジュール１を製作する場合の歩留りも向上させることができる。
なお、上記第１の実施形態においては、パワー半導体モジュール１の絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂが分離している場合について説明したが、これに限らず絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂが一体化されている場合にも本発明を適用することができる。
【００４２】
また、上記第１の実施形態においては、接合凹部が断面円形であり、これに接合する外部接続端子が円柱である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、接合凹部及び外部接続端子の形状は熱膨張差によって接合面に加圧力が作用する形状であれば任意の形状を適用することができる。
なお、上記第１の実施形態においては、本発明の加圧加熱接合構造及び加圧加熱接合方法をパワー半導体モジュール１に適用した場合について説明したが、これに限定されるものでなはい。すなわち、第１の部材と第２の部材とを加圧加熱接合する場合に本発明を適用することができる。
【００４３】
この場合、接合凹部と棒状部材との組合せに限定されるものではなく、第１の部材と第２の部材とを両者間の接合面に金属微粒子含有ペースト等の接合部材を介在させて、両者の線膨張係数より小さい線膨張係数の支持部材で囲んで支持し、この状態で昇温することにより第１の部材及び第２の部材間の接合面に熱応力による加圧力を作用させて加圧加熱接合するようにしてもよい。要は第１の部材及び第２の部材を両者の線膨張係数差による熱応力が接合面に加圧力として作用するように配置すればよいものである。
【００４４】
また、上記第１の実施形態では、第１の部材である導体パターン１４を銅で形成し、第２の部材となる外部接続端子４Ａ〜４Ｃ、制御端子５Ａａ，５Ａｂ及び５Ｂａ，５Ｂｂをアルミニウム又はアルミニウム合金で形成する場合について説明した。本発明はこれに限定されるものではなく、加圧加熱接合を行う第１の部材の線膨張係数に対して第２の部材の線膨張係数が大きい金属材料を適用すればよいものである。
【００４５】
次に、本発明の第２の実施形態について図８を伴って説明する。
この第２の実施形態では、互いの線膨張係数に大差がない第３の部材及び第４の部材を加圧加熱接合するようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図８に示すように、前述した第１の実施形態と同様に、第３の部材としてのパワー半導体モジュール１の絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂの導体パターン１４と第４の部材としての外部接続端子４Ａ〜４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂとを加圧加熱接合するものとして外部接続端子４Ａを代表として説明する。
【００４６】
この第２の実施形態では、外部接続端子４Ａ〜４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂが共に、絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂの導体パターン１４を構成する銅板と同一材質の銅棒で形成されている。また、絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂの導体パターン１４における外部接続端子４Ａ〜４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂを接合する位置に、図８（ａ）に示すように、第１の実施形態における接合凹部に代えて円筒状の環状突起３１が形成されている。この環状突起３１内に接合部材としてのＡｇ微粒子等の金属微粒子を含有した金属微粒子含有ペースト３２を例えば山盛り状態にして塗布する。
【００４７】
次いで、図８（ｂ）に示すように、環状突起３１の外側に微小隙間を生じさせるように円環状に形成された環状突起３１の半径方向外方への熱膨張を拘束する環状治具３３を装着する。この環状治具３３は、外部接続端子４Ａ〜４Ｃ及び制御端子５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂとこれらを接合する絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂとの線膨張係数α１（＝１６．５×１０−６）に対して小さい線膨張係数となる例えばチタン又はチタン合金で構成されている。ここで、チタンの線膨張係数α３は、α３＝８．６×１０−６であり、線膨張係数が銅の約半分であると共に、硬度も銅に比較して大きい。
【００４８】
次いで、図８（ｃ）に示すように、環状突起３１内に外部接続端子４Ａを挿通し、所定の治具で外部接続端子４Ａの上端に下方に押圧する押圧力を加えて加圧した状態で、治具に配置したヒータで加熱するか又は加熱炉に投入して加熱することにより、所定接合温度例えば２５０℃〜３００℃に昇温する。
【００４９】
このように、環状突起３１及び外部接続端子４Ａを昇温すると、両者の線膨張係数は等しいので、等しく熱膨張することになる。しかしながら、環状突起３１の外周に装着されている環状治具３３の線膨張係数α３が環状突起３１及び外部接続端子４Ａの線膨張係数α１の半分程度であるので、環状突起３１の半径方向への熱膨張が環状治具３３によって阻止される。このため、環状突起３１の内周面と外部接続端子４Ａの外周面との間の周方向接合面Ｆ２に加圧力が作用することになり、加圧加熱接合が行われる。また、環状突起３１の内側の底面と外部接続端子４Ａの底面との間の底部接合面Ｆ１には治具による加圧力が作用しているので、加圧加熱接合が行われる。
【００５０】
その後、環状突起３１及び外部接続端子３４の加熱を停止して常温まで降下させてから環状治具３３を環状突起３１から取り外すことにより、図８（ｄ）に示すように、環状突起３１と外部接続端子４Ａとが金属微粒子によって加圧加熱接合された加圧加熱接合構造が形成される。
この第２の実施形態による加圧加熱接合構造でも、前述した第１の実施形態と同様に底部接合面Ｆ１と周方向接合面Ｆ２との双方で加圧加熱接合が行われるので、環状突起３１と外部接続端子４Ａとの加圧加熱接合が確実に行われ、十分な接合強度を確保することができ、接合の信頼性を向上することができる。したがって、加圧加熱接合構造の信頼性を向上させて、ひいてはパワー半導体モジュール１の信頼性を向上させることができる。
【００５１】
なお、上記加圧加熱接合に使用する加圧加熱接合装置としては、例えば図９に示す構成の加圧加熱接合装置４０を適用することができる。
この加圧加熱接合装置４０は、例えばチタン又はチタン合金（線膨張係数α３＝８．６×１０−６）で有底円筒状に形成された接合装置本体４１を有する。この接合装置本体４１の下端内周面に前述した環状治具３３が固定され、この環状治具３３の上端側に外部接続端子４Ａを案内しながら挿通する外部接続端子４Ａの外径よりも大きな内径を有するガイド孔４２が形成されている。ガイド孔４２の上端側には外部接続端子４Ａに所定の押圧力を与える押圧バネ４３が固定されている。
【００５２】
なお、環状治具３３の下端内面及びガイド孔４２の下端内面には例えばＣ面取りが施されて環状突起３１及び外部接続端子４Ａの挿通を容易に行えるように構成されている。また、接合装置本体４１には、ヒータ４４が内蔵され、このヒータ４４によって環状突起３１及び外部接続端子４Ａを所定の加圧加熱接合温度（例えば２５０℃〜３００℃）まで昇温する。
【００５３】
そして、加圧加熱接合装置４０が昇降機構４５によって環状突起３１及び外部接続端子４Ａに対して昇降可能に支持されている。
この加圧加熱接合装置４０を使用する場合には、導体パターン１４の環状突起３１の内面側に金属微粒子含有ペースト３２を塗布してからこの環状突起３１内に外部接続端子４Ａを挿入した状態とする。この状態で、加圧加熱接合装置４０の環状治具３３の内周面に環状突起３１の外周面が対向するように位置決め配置する。
【００５４】
この状態で、昇降機構４５によって接合装置本体４１を下降させることにより、環状治具３３を環状突起３１の外周面に係合するように下降させる。この接合装置本体４１の下降に伴って外部接続端子４Ａがガイド孔４２内に挿通され、外部接続端子４Ａがガイド孔４２の上端に配置された押圧バネ４３によって所定の押圧力で上方から押圧される。これによって、環状突起３１の内側底面と外部接続端子４Ａの底面との間の底部接合面Ｆ１に加圧力が作用される。
【００５５】
そして、接合装置本体４１が所定位置まで下降して、環状治具３３の内周面に環状突起３１の外周面が係合する状態となると、昇降機構４５による接合装置本体４１の下降が停止される。その後、ヒータ４４に通電されて環状突起３１及び外部接続端子４Ａが所定の加圧加熱接合温度まで昇温され、この加圧加熱接合温度で所定時間保持されることにより金属微粒子含有ペーストのバインダー成分が分解され金属微粒子が露出する。
【００５６】
この環状突起３１及び外部接続端子４Ａの昇温時に、環状突起３１及び外部接続端子４Ａが同時に熱膨張するが、両者の線膨張係数には差がないので、環状突起３１の内周面及び外部接続端子４Ａの外周面間の周方向接合面Ｆ２には加圧力が作用しない。しかしながら、環状突起３１の外周に係合している環状治具３３は、線膨張係数α３が環状突起３１及び外部接続端子４Ａの線膨張係数α１より小さいので、環状突起３１の半径方向外方への熱膨張が環状治具３３によって阻止される。
【００５７】
このため、環状突起３１の熱膨張が半径方向内側へ向かうことになり、外部接続端子４Ａの半径方向外方への熱膨張と相俟って環状突起３１の内周面と外部接続端子４Ａの外周面との間の周方向接合面Ｆ２に加圧力が作用し、この周方向接合面Ｆ２でも加圧加熱接合が行われる。
その後、所定時間経過後に、ヒータ４４の通電を停止して冷却してから昇降機構４５によって加圧加熱接合装置４０を上昇させて、環状治具３３を環状突起３１の外周面から上方に離脱させる。
【００５８】
このように、上記加圧加熱接合装置４０を使用することにより、加圧加熱接合を自動的に且つ容易に行うことができる。このとき、加圧加熱接合する他の外部接続端子４Ｂ及び４Ｃ、制御端子５Ａａ，５Ａｂ及び５Ｂａ，５Ｂｂのそれぞれについても同様の加圧加熱接合装置４０を形成し、各加圧加熱接合装置４０を一枚の取付板に外部接続端子４Ｂ及び４Ｃ、制御端子５Ａａ，５Ａｂ及び５Ｂａ，５Ｂｂに対向させて位置決め固定する。そして、取付板を昇降機構４５で昇降させることにより、外部接続端子４Ａ〜４Ｃ、制御端子５Ａａ，５Ａｂ及び５Ｂａ，５Ｂｂを同時に環状突起３１内に加圧加熱接合することができる。
【００５９】
なお、上記第１及び第２の実施形態における絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂは、上記構成に限定されるものではなく、セラミックスと銅をロウ付けし、エッチングによって銅をパターニングした所謂ＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｂｒａｚｉｎｇ）基板、セラミックス基板と銅とを直接接合したＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板を適用することができる。また、セラミックス基板材料としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等を適用することができる。さらに、セラミックス基板に代えて樹脂基板を適用することもできる。要は絶縁性を確保できる基板であればよい。
【００６０】
また、上記第１及び第２の実施形態では、第１の半導体チップ１２ＡにＩＧＢＴを内蔵する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、第１の半導体チップ１２Ａにパワー電界効果トランジスタを内蔵するようにしてもよく、他の電圧制御型半導体素子を内蔵するようにしてもよい。
また、上記第１及び第２の実施形態においては、絶縁基板１１Ａ及び１１Ｂに第１の半導体チップ１２Ａ及び第２の半導体チップ１２Ｂを複数配置する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、トランジスタ内蔵ダイオードを使用できる場合や、同期整流方式を採用する場合などは、フリー・ホイーリング・ダイオードを省略してパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のパワー半導体素子のみで構成することもできる。
【００６１】
また、本発明は、半導体モジュールの端子接続の組み合わせだけで所望する回路構成が得られることから、本発明は上述した電力変換用インバータ装置に限定されるものではなく、パワー半導体モジュールを使用する他の電力変換装置や高周波用途のスイッチングＩＣ等の他の半導体装置に本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１…パワー半導体モジュール、４Ａ〜４Ｃ…外部接続端子、５Ａａ，５Ａｂ，５Ｂａ，５Ｂｂ…制御端子、１１Ａ，１１Ｂ…絶縁基板、１２Ａ…第１の半導体チップ、１２Ｂ…第２の半導体チップ、１４…導体パターン、１４ａ，１４ｈ…幅広部、１４ｂ，１４ｉ…幅狭部、１４ｃ，１４ｊ…チップ搭載パターン、１４ｄ，１４ｅ，１４ｋａ，１４ｋｂ，１４ｍａ，１４ｍｂ…端子接続パターン、１４ｆ，１４ｇ，１４ｏ，１４ｐ，１４ｑ…接合凹部、Ｆ１…底部接合面、Ｆ２…周方向接合面、１５…放熱用伝熱パターン、１６…プリント基板、２１…金属微粒子含有ペースト，３１…環状突起、３２…金属微粒子含有ペースト、３３…環状治具、４０…加圧加熱接合装置、４１…接合装置本体、４４…ヒータ、４５…昇降機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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