(57)【要約】      （修正有）【課題】高温に対応するとともに、熱応力に対する信頼性と熱伝導性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置を得る手段を提供する。【解決手段】セラミックを基材３ｉとする絶縁基板３と、絶縁基板３の一方の面に接合された電力用半導体素子４と、絶縁基板３の他方の面に、接合に必要な温度よりも接合後の融点の方が高い金属接合部材２１を介して接合された冷却部材１と、を備え、金属接合部材２１には、電力用半導体素子４の取付部に対応する部分（素子領域Ｒ２ｃ）よりも、外側の部分（周縁領域Ｒ２ｐ）の方が弾性率が低くなるよう、樹脂フィラー２２が混入されている。【選択図】図３
2014103182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックを基材とする絶縁基板と、
前記絶縁基板の一方の面に接合された電力用半導体素子と、
前記絶縁基板の他方の面に、接合に必要な温度よりも接合後の融点の方が高い金属接合部材を介して接合された冷却部材と、を備え、
前記金属接合部材には、前記電力用半導体素子の取付部に対応する部分より外側の部分の方が弾性率が低くなるよう、樹脂フィラーが混入されていることを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
前記金属接合部材の前記電力用半導体素子の接合部に対応する部分には、前記樹脂フィラーが混入されていないことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記金属接合部材は、金属微粒子の焼結体であることを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記金属接合部材は、銅と錫の合金化物であることを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記樹脂フィラーは、樹脂の核の表面に、前記金属接合部材と接合可能な金属が被覆された粒子を用いて形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
前記電力用半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置に関し、とくにセラミックを基材とする絶縁基板を用いて回路を構成するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置では、例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、および窒化珪素などの熱伝導性に優れたセラミックの基材の両面に、銅もしくはアルミニウム等の導体層を、ろう付けもしくは拡散接合により固着した絶縁基板が用いられている。そして、絶縁基板の一方の面（回路面）に設けたダイパッドに電力用半導体素子等の回路部材を、他方の面（冷却面）に、ベース板もしくは水冷ヒートシンク等の冷却部材をはんだ付けしていた。このとき、絶縁基板の線膨張係数と冷却部材の線膨張係数の差が大きいことが問題となっている。
【０００３】
例えば、セラミック材料の線膨張係数が４〜７ｐｐｍ／Ｋであるのに対して、銅のベース板であれば１８ｐｐｍ／Ｋ、アルミニウムであれば２３ｐｐｍ／Ｋと隔たりが大きい。これに対して、冷却部材に銅モリブデン板やＳｉＣウィスカー強化アルミニウムなどのいわゆる金属基複合材料や金属繊維強化複合材料を適用して、線膨張係数の差を減らしていた。それでも、電力用半導体装置として使用寿命を全うできるよう、絶縁基板と冷却部材間接合に用いたはんだ接合層が、熱サイクルにより金属疲労破壊し、亀裂が進展しないように、応力設計が必要であった。
【０００４】
一方、電力用半導体素子は動作温度を高くしたほうが、必要な素子面積を小さくできるため経済的である。また、高温での特性が優れた新世代の電力用半導体素子である炭化珪素などのワイドバンドギャップ半導体材料の登場によって、熱サイクルの温度スイング範囲を拡大する事が望まれるようになってきた。これに対して、はんだは産業的に融点が２２０℃程度までのものしか入手できないという問題があり、高温動作への対応は困難であった。そこで、銅と錫の合金化を利用して接合する技術（例えば、特許文献１参照。）や金属微粒子を焼結させて接合する技術（例えば、特許文献２参照。）のように、接合時の温度よりも接合後の融点の方が高い金属接合部材で接合層を形成する接合技術が提案されている。しかし、新たな接合技術によって形成された接合層の金属接合部材は、はんだよりも弾性率が高いので、上述した応力設計だけで、使用寿命を全うさせるようにすることは困難になった。
【０００５】
そこで、潤滑性を有する粒子、あるいは金属粒子よりも弾性率の低い樹脂のフィラーを金属接合部材内に混入し、応力を緩和する技術が提案されている（例えば、特許文献３または４参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２８２９５号公報（段落００３８〜００４０、図１）
【特許文献２】特開２００６−３５２０８０号公報（段落００３６、００４４〜００４６、図１）
【特許文献３】特開２０１０−２６７５７９号公報（段落００１３、図１）
【特許文献４】特開２０１１−１９８６７４号公報（段落００１０〜００１３、図１、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、樹脂のフィラーは、金属接合部材と較べて熱伝導率が低いので、フィラーの混入量を増加させると、その分接合層での熱伝導性が低下する。つまり、熱応力の緩和と熱伝導性はトレードオフの関係にあり、両者を満足した接合層を形成することは困難であった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高温に対応するとともに、熱応力に対する信頼性と熱伝導性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる電力用半導体装置は、セラミックを基材とする絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の面に接合された電力用半導体素子と、前記絶縁基板の他方の面に、接合に必要な温度よりも接合後の融点の方が高い金属接合部材を介して接合された冷却部材と、を備え、前記金属接合部材には、前記電力用半導体素子の取付部に対応する部分より外側の部分の方が弾性率が低くなるよう、樹脂フィラーが混入されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、放熱が必要な電力用半導体素子直下の熱伝導性を損なうことなく、応力緩和が必要な周縁部の接合層の弾性率を低下させることができるので、高温に対応し、熱応力に対する信頼性と熱伝導性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための製造工程中における斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面模式図および異なる領域の接合層の構成を示す部分断面図である。
【図４】電力用半導体装置における温度と歪量の分布を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１〜図４は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成および動作中の状態について説明するための図である。図１は電力用半導体装置の断面模式図、図２は電力用半導体装置を製造する工程において、冷却器用部材に電力用半導体素子を搭載した絶縁基板を複数配置して接合した状態を示す斜視図、図３（ａ）〜（ｃ）は接合層の接合面の延在方向における領域による構成の違いを説明するための図であって、図３（ａ）は図２の切断線ＬＣによる断面を示す断面模式図、図３（ｂ）は図３（ａ）で示した接合層の断面のうち電力用半導体素子直下の領域部分の断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）で示した接合層の断面のうち電力用半導体素子から離れた周縁部の領域部分の断面図である。また、図４は電力用半導体装置における温度と歪量の分布を説明するための図であり、図３（ａ）の断面に対応した部分（下段）の接合面の延在方向（図中水平方向）における位置に応じた温度分布（上段）と歪量分布（中断）を示す図である。
【００１３】
本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０は、図１に示すように、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）などの熱伝導性に優れたセラミック層を基材３ｉとし、その両面に銅箔層やアルミ箔層などの導体層３ｐ１、３ｐ２（まとめて３ｐ）が形成された絶縁基板３と、絶縁基板３の一方の面（放熱面：３ｐ２側）に、後述する接合層２を介して接合されたアルミニウム（Ａｌ）もしくは銅（Ｃｕ）などの高熱伝導性の材料を主体に構成した冷却器１と、絶縁基板３の他方の面（回路面：３ｐ１側）に、接合層６を介して接合された電力用半導体素子４とを主構成部材として備えている。
【００１４】
絶縁基板３には、例えば産業的に用いられるものの例としては、基材３ｉの厚みが０．３〜１ｍｍの範囲、導体層３ｐの厚みが０．１〜０．５ｍｍの範囲のものがある。冷却器１は、例えばアルミダイキャスト製で肉厚１〜５ｍｍ程度の金属ブロックで構成したり、例えば０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度の薄板を真空ろう付けにより一体化したり、もしくは鍛造法により突起を複数設けた金属板を、ダクトを構成する壁材と接合したりすることで構成できる。
【００１５】
電力用半導体素子４としては、シリコンや炭化珪素を主材料として構成するのが通常である。一般的に、ワイドバンドギャップ半導体材料と呼ばれる炭化珪素（ＳｉＣ）のような半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）よりもバンドギャップが広く、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いた電力用半導体素子は、高効率で３００℃程度までの高い温度範囲で使用可能とされている。このような電力用半導体素子４は、絶縁基板３（厳密には導体層３ｐ１）の所定の位置に配置され、導電性の接合層６を用いて裏面電極が電気接合される。そして、電力用半導体素子４の表面電極および、裏面電極が接合された導体層３ｐ１には、外部と電気接続するための配線部材５が接合されている。
【００１６】
配線部材５はケース７に直接固定されるか、図示しない固定部材を介してケース７に固定される。ケース７の内部には封止樹脂８を封入し、電力用半導体素子４や絶縁基板３の周囲を絶縁性の物質で封止している。配線部材５は、例えば銅やアルミなどの良導電性材料で構成する。ケース７は、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの高耐熱エンジニアリングプラスチックと呼ばれる材料がよく用いられている。封止樹脂８にはエポキシ系材料などの高耐熱性樹脂を用いることが多く、産業的にはシリコンなども用いられる。接合層６としては、接合層２と同じ材料を用いてもよいし、はんだなどの別の材料を用いてもよい。配線部材５と電力用半導体素子４の表面電極間も図示しない接合層を介して接合するようにしてもよいし、配線部材５を例えば超音波接合等によって電力用半導体素子４の表面電極に直接接合するようにしてもよい。
【００１７】
つぎに、上記電力用半導体装置１０の主構成部材について、図２に示すように製造途中の状態を用いて説明する。図において、冷却器１のもととなる冷却器用部材１Ｂ上には、４つの電力用半導体素子４が搭載された絶縁基板３が６つ配置されている。この後、冷却器用部材１Ｂを分割（切断）すると、電力用半導体装置１０の主構成材の組立体１０Ａが６個できることになる。組立体１０Ａのそれぞれに、配線部材５を接続しケース７の装着、封止樹脂８の形成を行うことで電力用半導体装置１０が形成されることになる。
【００１８】
ここで、組立体１０Ａ（および完成後の電力用半導体装置１０）において、絶縁基板３の基材３ｉの外形と導体層３ｐの外形が異なっている。これは、導体層３ｐ１と冷却器１間の絶縁距離を確保するためである。例えば、２ｍｍ程度の絶縁距離を確保するためには、基材３ｉの外縁から均等に必要距離の半分に当たる１ｍｍ程度サイズが小さくなるように、導体層３ｐを形成することが通常行われている。
【００１９】
なお、放熱面側の導体層３ｐ２は、伝熱性を確保するために、上述した範囲内でべたに形成されている。一方、回路面側の導体層３ｐ１は、回路を形成するために、上述した範囲内で複数のパターンが組み合わされるようにして形成されており、各パターンのうち、電力用半導体素子４を接合するためのパターン（ダイパッド）の面積は、電力用半導体素子４より大きくなっている。これは、電力用半導体素子４の裏面の電極と電気接続するための配線を引き出す必要があり、図１の一部に示しているように、ケース７に固定される別の配線部材５を、このパターンに接合して電力用半導体素子４の裏面と外部とが電気的接続されるようにしている。すなわち導体層３ｐ１のうち、電力用半導体素子４を接合するためのダイパッド部分の面積は、電力用半導体素子４の面積よりも大きく、導体層３ｐが形成される全体領域（範囲）の面積は、基材３ｉの面積よりも小さい。
【００２０】
この様な構成により、極めて高密度に電力用半導体素子４を搭載することができ、実装面積が少なくて済むとともに、余分な厚みを必要としないので、容積も小さく抑えることができる。
【００２１】
このとき、図１に示すように、接合層２は、冷却器１と絶縁基板３を接合するために、絶縁基板３の電力用半導体素子４を搭載する面（３ｐ１側）の反対側の面に形成された導体層３ｐ２と、ほぼ同等の面積にわたって配置されている。つまり、接合層２は、絶縁基板３と冷却器１間で、導体層３ｐ２の形成された領域にわたって存在することになる。以下、この接合層２の特徴について、図３を用いて説明する。
【００２２】
図３（ｂ）、（ｃ）は、図３（ａ）で示す接合層２のうち、接合面の延在方向における位置、つまり導体層３ｐ２の面内の位置において、反対側の面（導体層３ｐ１）でそれぞれ電力用半導体素子４が接合された部分に相当する領域（素子領域）Ｒ２ｃと、導体層３ｐ２の周縁部と接合された領域（周縁領域）Ｒ２ｐの構成を示している。そして、図３（ｂ）、（ｃ）において、網掛けを施した黒丸と白丸は接合層２を構成する材料で、それぞれ異なる材料を示し、黒丸は、接合後の融点が、接合に必要な温度よりも高い金属接合部材２１を示し、白丸は金属接合部材２１よりも弾性率の低い樹脂フィラー２２を示す。
【００２３】
例えば、金属接合部材２１を形成するための材料の例として、バルクの融点よりも低い温度で焼結するＡｇ、Ｃｕなどの金属微粒子が挙げられる。樹脂フィラー２２を形成する材料としては、ポリイミドなどの高耐熱樹脂の粒子が挙げられる。そして、樹脂フィラー２２を構成する粒子としては、樹脂単独の粒子でもよいが、さらに、金属接合部材２１（金属粒子２１Ｐ）と接合可能な材料（例えば、焼結可能な金属あるいは合金化可能な金属）が表面にコーティングされていることが望ましい。なお、図は、接合層２内での金属接合部材２１中に樹脂フィラー２２が混入されていることを説明するために模式的に記載したものであり、接合前の状態であるか接合後の状態であるかを区別するためのものではない。そのため、図中、金属接合部材２１と記している部分は、接合前の時点では金属粒子（図示しないが、符号を付すとすれば、２１Ｐ）に、樹脂フィラー２２と記している部分は、接合前の時点で樹脂粒子（同、２２Ｐ）と読み替えてもよい。
【００２４】
図３に示すように、接合層２のうち、電力用半導体素子４の直下にある導体層３ｐ２部分と接合されている素子領域Ｒ２ｃでは、金属粒子２１Ｐによって形成された金属接合部材２１のみで接合層２が形成されているが、導体層３ｐ２の周縁部と接合された周縁領域Ｒ２ｐでは、金属接合部材２１中に樹脂フィラー２２が混入した状態で接合層２が形成されている。すなわち、周縁領域Ｒ２ｐでは、金属接合部材２１を形成するための金属粒子２１Ｐに樹脂粒子２２Ｐを混合した状態で接合を行っている。このように、金属接合部材２１を形成する金属粒子２１Ｐのみで接合層を形成する領域と、金属粒子２１Ｐに樹脂粒子２２Ｐを混入させて接合層を形成する領域というように、領域によって接合層の構成を変化させた理由について説明する。
【００２５】
電力用半導体装置１０は、例えば、自動車用途であれば、冬の屋外に放置された状態では−２０℃以下、とくに過酷な環境下では−５０℃もの低温にさらされることのなる。そこで、電力用半導体装置１０を動作させると、電力用半導体素子４に電流が流れ、電力用半導体素子４が発熱源となって温度が上昇する。その際、例えば冷却液を用いて冷却する場合、冷却器１と図示しないラジエータ間に冷却液を循環させることにより、電力用半導体素子４の発熱を外気に放出（放熱）することができる。このとき冷却液は温度が上昇し、例えば通常の動作領域であれば、５０℃〜１０５℃に上昇する。
【００２６】
すなわち、冷却液の温度は−２０〜−５０℃の低温から、５０℃〜１０５℃の高温まで変化する。更に電力用半導体素子４の温度は、シリコンの素子であれば例えば上限温度が１７５℃、炭化珪素の素子であれば、２００℃以上、最大３００℃程度で動作することになる。このとき、絶縁基板３の温度としては、例えば１５０℃から２００℃などになる。このような大きな温度変化を生じながら使用されるのが通常である。すなわち電力用半導体装置１０とは、自身を発熱源として温度が上昇したり低下したりする事が繰り返される装置である。この時に問題となるのは線膨張係数の異なる材料の接合部である。
【００２７】
つまり、背景技術で説明したように、放熱を考慮して、熱伝導性に優れたセラミック材を絶縁基板に用いた場合、絶縁基板（主構成材となるセラミック材）と金属で構成された冷却部材との線膨張係数の差が大きいため、温度変化に伴い変位が生じる。その際、高温運転に対応するために、接合するための温度よりも、接合後の融点が高くなる金属接合部材で接合層を形成すると、従来のはんだ材等に比べて弾性率が高くなる。そのため、弾性率の高い接合層と一体化した導体層とセラミックの基材との間に熱応力が発生し、基材が割れやすくなるという問題があった。
【００２８】
なお、このように線膨張係数が異なる材料間の接合は、電力用半導体素子４と絶縁基板３間（接合層６）や電力用半導体素子４の表面電極と配線部材５間などにも存在する。しかし、後述するように、熱応力は、接合面のサイズが大きいほど大きくなるため、実質的には、本実施の形態１に示すように、絶縁基板３と冷却器１間の接合（接合層２）に絞って対策を行う。
【００２９】
その際、特許文献３あるいは４に示すように、母材中に樹脂フィラーを混入することで、接合層の弾性率を下げて、熱応力を緩和させることが考えられる。しかし、金属接合部材と較べて樹脂フィラーの熱伝導性は低いので、樹脂フィラーの割合を増加させると、熱伝導性が損なわれ、放熱のための熱伝導性と機械的信頼性のための熱応力緩和を両立させることは困難であった。
【００３０】
そこで、本発明者は、上述したサイズ効果と併せ、接合面内において、熱応力の影響が大きな領域と、放熱を必要とする領域にずれがあることに着目した。図４は、電力用半導体装置１０を動作させたときの、接合層２の接合面に平行な方向（図中水平方向）における温度分布と絶縁基板３のセラミックの基材３ｉ部分と冷却器１側の金属部材との歪量分布を示したものである。図４上段に示すように、温度分布は、発熱源である電力用半導体素子４の直下の領域が最も高く、その領域から離れる（周縁部）にしたがって低下する。つまり、室温（停止時）からの温度変化だけに着目すると、電力用半導体素子４の直下の領域の温度変化が最も大きく、周縁部の温度変化は電力用半導体素子４の直下の領域よりも小さい。
【００３１】
一方、図４中段に示すように、歪量においては、中央部から周縁部に行くにしたがって大きくなっており、電力用半導体素子４が接合された領域ではなく、周縁部の歪量が最も大きなことがわかる。これは、金属部材とセラミック部材との接触面での局所的な変位差ではなく、金属部材全体とセラミック部材全体との間での変位差が歪となるためである。その結果、放熱を最も必要とする電力用半導体素子４が接合された領域を含む中央領域での歪は小さく、熱応力の緩和を最も必要とする領域は、放熱への寄与が少ない周縁部であることがわかった。このことは、弾性率の大きな金属接合部材のみでセラミック系の絶縁基板と冷却部材とを接合した際に、導体層の端部でセラミック層が割れやすくなるという事象によっても裏付けられている。
【００３２】
すなわち、接合層２のうち、図３に示すように、電力用半導体素子４直下の素子領域Ｒ２ｃを含む中央部の領域は、放熱性を重視した構成とし、周縁領域Ｒ２ｐは、熱応力緩和を重視した構成というように、領域によって接合層２の構成を変化させるようにした。これにより、放熱性と機械的信頼性を高レベルで両立させる接合層２を得ることができるようになった。
【００３３】
つまり、周縁領域Ｒ２ｐでは、金属接合部材２１中に樹脂フィラー２２を内在しているため、みかけの弾性率が小さくなる。そのため、絶縁基板３と冷却器１の温度変化による伸びの差が、接合層２に熱応力として作用することになるが、金属接合部材２１中に内包された樹脂フィラー２２が接合層２の見かけの弾性率を低減する作用が働く。その結果、大きな歪が与えられた時に容易に追従できるように作用し、接合層２近傍での亀裂の発生と進行を防止し、接合の劣化を抑制して、耐久可能サイクル数を増大させることができる。
【００３４】
なお、上記例（特に図３）では、球状の樹脂フィラー２２（樹脂粒子２２Ｐ）を描いているが、球状である必要は特に無く、少なくとも接合層２の厚みよりも径が小さく、厚み方向に複数の樹脂フィラー２２が入る余地を有する径以下の微粒子であればよい。樹脂フィラー２２（樹脂粒子２２Ｐ）のサイズ分布についても、図では同等のもの（単一径）のみを示しているが、径の大きな粒子と、その粒子間の間隙を埋める径の小さな粒子、さらにその粒子間の隙間を埋めるさらに径の小さな粒子、の関係となるなど、径の異なる粒子をミックスして備えることで、空間の充填効率が向上する。
【００３５】
つぎに、上記のような、金属接合部材２１中に樹脂フィラー２２を分散させた接合層２の形成方法、および、樹脂の核の表面に金属層を形成した樹脂粒子２２Ｐの製造方法について説明する。
【００３６】
接合温度よりも接合後の融点の方が高くなる金属接合部材として、焼結性金属による金属接合部材で接合層を形成する方法について説明する。
まず、樹脂粒子２２Ｐとして、核となる樹脂の微粒子（粉末）に、電着などで表面に金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）などの金属層を形成する。一方、金属粒子２１ＰとしてＣｕ、Ａｇなどの金属微粒子を用いる。これらの粒子の表面を、例えば２００℃以上で揮発するコーティング層でコーティングする。このとき還元性を有したり酸化を防止したりする作用があると好ましい。
【００３７】
このように、表面をコーティングされた金属粒子２１Ｐおよび樹脂粒子２２Ｐを所定割合で配合し、均等に混練して例えばペーストを形成する。そして、例えば印刷やディスペンス法により絶縁基板３の導体層（３ｐ２）面、もしくは冷却器１の所定の位置に、形成したペーストを供給する。そして冷却器１と絶縁基板３を加圧加熱する。その結果、金属粒子２１Ｐおよび樹脂粒子２２Ｐを覆っていたコーティング層が揮発して活性な金属表面が現れ、これらが容易に真実接触するために互いに接合される。この方法により、絶縁基板３の導体層（３ｐ２）と冷却器１の表面間を金属接合部材２１中に樹脂フィラー２２が混入する接合層２で接合することができた。このとき、絶縁基板３の（導体層３ｐ２）表面と冷却器１の表面はＡｕやＡｇ，Ｃｕ、Ｓｎなどの活性な金属で構成することが接合性を高めるので、好ましい。
【００３８】
そして、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０を製造する際は、さらに、以下のように領域によって接合層２を形成するための材料の配合を変化させている。
まず絶縁基板３もしくは冷却器１の接合対象面のうち、電力用半導体素子４が接合される領域（Ｒ２ｃ）を含む略中央領域に、樹脂粒子２２Ｐを内包せず、金属粒子２１Ｐのみを配合して形成したペーストを印刷もしくはディスペンス法、転写法などで供給する。その後、上記略中央領域を囲む周縁部の領域（Ｒ２ｐ）に、例えばディスペンス法などで樹脂粒子２２Ｐを内包するペーストを供給する。
【００３９】
また、別の手法としては、冷却器１もしくは絶縁基板３のいずれか一方の接合対象面に対して、上述した略中央領域に対応する所定範囲に樹脂粒子２２Ｐを内包せず、金属粒子２１Ｐのみを配合して形成したペーストを供給する。その後、他方の接合対象面の上記略中央領域を囲む周縁部の領域（Ｒ２ｐ）に、樹脂粒子２２Ｐを内包するペーストを供給する。そして所定に位置決めして積層する。この手法によっても二色の材料供給が可能となる。
【００４０】
これらの方法により接合材料を供給された被接合材を適切に加圧加熱することで、接合層２が形成される。このとき、接合層２のうち、絶縁基板３の周縁部もしくはコーナー（４隅）部の領域は金属接合部材２１中に樹脂フィラー２２が混入された構成、少なくとも電力用半導体素子４の直下の領域（Ｒ２ｃ）は金属接合部材２１のみで構成される。つまり、面内で粗密を変えた接合層２を形成できる。このとき、電力用半導体素子４の直下の領域（Ｒ２ｃ）を含む、絶縁基板３の中央部の領域も金属接合部材２１のみで接合層２を構成するようにしてもよく、電力用半導体素子４間の熱干渉に対して高い熱伝導率の接合層２を配置することができているので放熱性が高まる。
【００４１】
なお、樹脂粒子２２Ｐの配合割合としては、体積比率で５％以上でみかけの弾性係数の低減効果が発揮され、混合比を増すことで更に低弾性化する。ただし３０％以上となるとみかけの熱伝導率の低下が著しくなり、７０％以上では熱抵抗が大きくなり非現実的となる。
【００４２】
＜合金反応材料＞
また、接合温度よりも接合後の融点の方が高くなる金属接合部材の別の例として、銅と錫による合金反応材料を用いて接合層２を形成する方法について説明する。
ここでは、樹脂粒子２２Ｐとして、核となる樹脂の微粒子（粉末）に、電着などで表面に銅の金属層を形成する。金属粒子２１Ｐには、銅を用いる。ただし、上述した焼結性金属と異なり、これらは接触させることで焼結反応が進行する程の微粒子ではない。
【００４３】
このように用意した金属粒子２１Ｐおよび樹脂粒子２２Ｐとを所定割合に配合するとともに、両粒子より粒径の細かな錫の微粉末をさらに所定割合で配合する。そして、これらを配合したものをフラックスと混合して、上述した焼結性金属材料の時と同様に、均等に混練し、絶縁基板３の導体層（３ｐ２）面、もしくは冷却器１の所定の位置に供給する。
【００４４】
そして、錫の融点以上になるように加熱すると、フラックスが酸化を防止した状態で、錫と銅が反応する。このとき錫粉末が金属粒子２１Ｐおよび樹脂粒子２２Ｐの銅部分を侵食し、金属粒子２１Ｐおよび樹脂粒子２２Ｐの表面層がＣｕＳｎ合金に変わっていく。ＣｕＳｎ合金の層の厚みが厚くなる過程でＣｕは内部に向けて侵食されていく。このようにＣｕＳｎ合金層が成長していくと、Ｓｎが枯渇していきＳｎ中のＣｕ濃度も高まり、ＣｕＳｎ合金層同士が接触した状態で凝固点上昇する。いわば凝固点上昇による液層拡散接合が達成される。これらによって、ＣｕＳｎ合金を金属接合部材２１とし、金属粒子２１Ｐの錫に浸食されなかったＣｕの核と、樹脂粒子２２Ｐ中の樹脂核を内包した接合層２が形成される。この場合も、単にＣｕＳｎ合金の金属接合部材２１だけでは、金属間化合物特有の硬くて脆い性質が出てしまうが、樹脂核（樹脂フィラー２２）をも内蔵することで、応力緩和効果が発揮され、高い信頼性が得られる。
【００４５】
なお、上記２つの方法では、等温凝固と呼ばれる現象を利用して、接合時は一旦溶融状態となり接合界面全面で接合反応が開始され、反応が進むにつれて融点が上昇して凝固し以降は融点が高くなる。すなわち接合時の温度よりも、接合後の耐熱温度である融点の方が高くなる金属接合部材２１で接合層２を形成する接合材料の例として示したものである。したがって、これらに限定されるものではなく、同様の特性を示す他の接合材料でも適用可能であることは言うまでもない。
【００４６】
また、上記例では、樹脂粒子２２Ｐを単に樹脂のみで構成するのではなく、樹脂の核の表面に金属層を設けた例について説明した。金属層については、必須ではないが、金属層を形成した方が好ましい。その理由を以下に述べる。
【００４７】
第１の理由は、樹脂粒子２２Ｐと金属粒子２１Ｐを混合するときに、無極性の金属と有極性の樹脂は均質には混ざりにくい性質があるからである。絶縁物質である樹脂は帯電し、お互いに吸着しやすいなどの性質があるが、その表面を金属層で覆うことで、見かけ上、無極性になるという作用がある。そのため、樹脂の表面を金属層で覆った樹脂粒子２２Ｐを用いることにより、金属粒子２１Ｐと均質に混合され、接合後に均質に樹脂フィラー２２を金属接合部材２１中に分散させることができ、安定度が高まるという作用がある。つまり、樹脂の表面を金属層で覆った樹脂粒子２２Ｐを用いることで、所定の配合比に調整でき、安定な接合層２を得ることができた。
【００４８】
第２の理由は、接合時の樹脂粒子の遊離である。金属粒子同士の拡散接合により金属接合部材を形成するプロセスにおいては、接合時に１０ＭＰａ以上のきわめて高い加圧を伴うものがある。このような高加圧下において、樹脂粒子に金属層の被覆がない場合、接合時の加圧により樹脂粒子が弾き出される可能性があるが、被覆が存在することで、被覆が金属粒子と接合し、弾き出されるリスクを回避できるという効果を奏する。結果として樹脂フィラー２２を必要とする領域において、樹脂フィラー２２を金属接合部材２１中に均質に分散させることができる。
【００４９】
このような作用を得るためには、金属粒子２１Ｐの表面の材料と、樹脂粒子２２Ｐの表面の材料が同じであることが望ましい。例えば、表面が異なる金属を用いると、拡散反応速度が異なるため、樹脂粒子２２Ｐと金属粒子２１Ｐとで、接合の進行が異なる。しかし、例えば金属粒子２１ＰがＡｇ粒子であれば、樹脂粒子２２Ｐの表面にＡｇを蒸着やめっきで形成するというように、同じ金属種を用いると、金属粒子２１Ｐ同士の接合時に、同時に金属層で被覆された樹脂粒子２２Ｐも接合される。これにより、樹脂粒子２２Ｐが弾き出されるというリスクを確実に回避できる。また、金属粒子２１Ｐは同一素材によって構成してもよいし、ある金属核の周りに、活性な他の金属による層を形成するようにしてもよい。
【００５０】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０によれば、セラミックを基材３ｉとする絶縁基板３と、絶縁基板３の一方の面（導体層３ｐ１側）に接合された電力用半導体素子４と、絶縁基板３の他方の面（導体層３ｐ２側）に、接合に必要な温度よりも接合後の融点の方が高い金属接合部材２１を介して接合された冷却部材１と、を備え、金属接合部材２１には、電力用半導体素子４の取付部に対応する部分（素子領域Ｒ２ｃ）よりも、外側の部分（周縁領域Ｒ２ｐ）の方が弾性率が低くなるよう、外側の部分（周縁領域Ｒ２ｐ）にのみ、金属接合部材２１中に樹脂フィラー２２が混入されているように構成したので、放熱が必要な電力用半導体素子４直下の領域（素子領域Ｒ２ｃ）での熱伝導性を損なうことなく、応力緩和が必要な周縁部の領域（周縁領域Ｒ２ｐ）の弾性率を低下させるので、高温に対応し、熱応力に対する信頼性と熱伝導性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることができる。
【００５１】
とくに、金属接合部材２１は、焼結性金属微粒子とよばれる金属粒子２１Ｐの焼結体であるので、接合温度よりも接合後の融点の方が高くなり、高温に対応することが可能となる。
【００５２】
あるいは、金属接合部材２１は、銅（金属粒子２１Ｐ）と錫（錫粉末）の合金化物であるようにしても、接合温度よりも接合後の融点の方が高くなり、高温に対応することが可能となる。
【００５３】
そして、樹脂フィラー２２は、樹脂の核の表面に、金属接合部材２１と接合可能な金属が被覆された粒子（樹脂粒子２２Ｐ）を用いて形成されているようにすれば、樹脂フィラー２２が領域に応じて均質に分散し、所望の弾性率と熱伝導率の接合層に容易に調整することができる。
【００５４】
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置では、接合層の内、電力用半導体素子の直下の領域にも、周縁部よりも少ない割合で樹脂フィラーを混入するようにしたものである。図５（ａ）〜（ｃ）は。本実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成として、接合層の接合面の延在方向における領域による構成の違いを説明するための図であって、図５（ａ）は、実施の形態１で説明した図２の切断線ＬＣによる断面を示す断面模式図、図５（ｂ）は図５（ａ）で示した接合層の断面のうち電力用半導体素子直下の領域の部分断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）で示した接合層の断面のうち電力用半導体素子から離れた周縁部の領域の部分断面図である。
【００５５】
図に示すように、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置１０では、冷却器１と絶縁基板３とを接合する接合層２は、接合後の融点が接合に必要な温度よりも高くなる金属接合部材２１中に樹脂フィラー２２が混入されている。そして、その混入割合が、電力用半導体素子４の直下の領域である素子領域Ｒ２ｃまたは素子領域Ｒ２ｃを含む中央部の領域よりも、周縁領域Ｒ２ｐの方が大きい。
【００５６】
このような構成により、更に大きな温度変化範囲まで、電力用半導体装置１０を長期間高信頼で動作させることが可能となる。なお、この例のような混入割合の調整に限らず、混入する樹脂フィラー２２のサイズを領域によって変化させるなどで、素子領域Ｒ２ｃには、熱伝導率が高い接合層、絶縁基板の周囲もしくはコーナー部にあたる周縁領域Ｒ２ｐには、見かけの弾性率が小さい接合層になるように構成してもよい。
【００５７】
以上のように、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置１０によれば、セラミックを基材３ｉとする絶縁基板３と、絶縁基板３の一方の面（導体層３ｐ１側）に接合された電力用半導体素子４と、絶縁基板３の他方の面（導体層３ｐ２側）に、接合に必要な温度よりも接合後の融点の方が高い金属接合部材２１を介して接合された冷却部材１と、を備え、金属接合部材２１には、電力用半導体素子４の取付部に対応する部分（素子領域Ｒ２ｃ）よりも、外側の部分（周縁領域Ｒ２ｐ）の方が弾性率が低くなるよう、金属接合部材２１中に接合面の延在方向における領域に応じて（混入率やサイズ構成等を変えて）樹脂フィラー２２が混入されているように構成したので、放熱が必要な電力用半導体素子４直下の領域（素子領域Ｒ２ｃ）では熱伝導性を重視し、応力緩和が必要な周縁部の領域（周縁領域Ｒ２ｐ）は弾性率低下を重視するというように、２律背反となる熱伝導性と熱応力緩和という特性を領域によって使い分けているので、高温に対応し、熱応力に対する信頼性と熱伝導性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることができる。
【００５８】
つまり、上記各実施の啓太によれば、金属接合部材２１には、電力用半導体素子４の取付部に対応する部分（素子領域Ｒ２ｃ）よりも、外側の部分（周縁領域Ｒ２ｐ）の方が弾性率が低くなるよう、樹脂フィラー２２が混入されているので、放熱が必要な電力用半導体素子４直下の領域（素子領域Ｒ２ｃ）での熱伝導性を損なうことなく、応力緩和が必要な周縁部の領域（周縁領域Ｒ２ｐ）の弾性率を低下させるので、高温に対応し、熱応力に対する信頼性と熱伝導性を両立させた信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることができる。。
【００５９】
なお、上記各実施の形態１、２においては、スイッチング素子（トランジスタ）や整流素子（ダイオード）として機能する電力用半導体素子４には、炭化ケイ素によって形成されたものを示したが、これに限られることはなく、一般的に用いられているシリコンで形成されたものであってもよい。しかし、シリコンよりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、以下に述べるように本発明による効果をより一層発揮することができる。
【００６０】
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子や整流素子（上記実施の形態における電力用半導体素子４）は、シリコンで形成された素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子や整流素子における高効率化が可能であり、ひいては、電力用半導体装置１０の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子や整流素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子や整流素子を用いることにより、電力用半導体装置１０も小型化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンク（上記実施の形態における冷却器１に対応）の放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置１０の一層の小型化が可能になる。
【００６１】
一方、上記のように高温動作する場合は停止・駆動時の温度差が大きくなり、さらに、高効率・小型化によって、単位体積当たりに扱う電流量が大きくなる。そのため経時的な温度変化や空間的な温度勾配が大きくなり、絶縁基板３と冷却器１等の金属部材間の熱応力も大きくなる可能性がある。しかし、本発明のように接合層２のうち、電力用半導体素子４の直下部分は熱伝導率を重視し、応力が最も大きくなる領域には、弾性率を下げて応力緩和を重視するようにしたので、放熱性と機械信頼性を両立させることができる。そのため、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かして、小型化や高効率化を進めてもパワーサイクル寿命が長く、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることが容易となる。つまり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。
【００６２】
なお、スイッチング素子及び整流素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよいことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６３】
１：冷却器（冷却部材）、  ２：接合層、  ３：絶縁基板、  ３ｉ：セラミックの基材、  ３ｐ：導体層、  ４：電力用半導体素子、  ５：配線部材、  ６：接合層、  ７：ケース、  ８：封止樹脂、  １０：電力用半導体装置、  ２１：金属接合部材、  ２１Ｐ：金属粒子、  ２２：樹脂フィラー、  ２２Ｐ：樹脂粒子、  Ｒ２ｃ：素子領域（電力用半導体素子の取付部に対応する部分）、  Ｒ２ｐ：周縁領域（外側の部分）。
【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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