(57)【要約】【課題】大電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的としている。【解決手段】表面に表面電極２が形成されたＩＧＢＴ１と、ＩＧＢＴ１の表面電極２の主構成材料よりも高い耐力を有する材料で構成されるとともに、一端にＩＧＢＴ１表面電極２と対向する接合面３ｊが形成され、緩衝部材４を介して接合面３ｊが表面電極２と超音波接合された電極端子３と、を備え、緩衝部材４は、少なくとも表面電極２に接触する部分の材料が、表面電極２の主構成材料と同等以下の耐力を有するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に回路面が形成された回路基板と、
前記回路基板の回路面側に裏面が接合され、表面に電極が形成された電力用半導体素子と、
前記電力用半導体素子の電極の主構成材料よりも高い耐力を有する材料で構成されるとともに、一端に前記電力用半導体素子の電極と対向する接合面が形成され、前記接合面が緩衝部材を介して前記電力用半導体素子の電極と超音波接合された電極端子と、を備え、
前記緩衝部材は、少なくとも前記電力用半導体素子の電極に接触する部分の材料が、前記電力用半導体素子の電極の主構成材料と同等以下の耐力を有することを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
前記電極端子の接合面には、前記電力用半導体素子の電極に向かって突出する突起が形成されている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】
前記電力用半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
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３に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
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の製造方法であって、
前記電力用半導体素子が接合された回路基板を超音波接合装置に固定する工程と、
前記電力用半導体素子の電極に、前記緩衝部材と前記電極端子を順次積層する工程と、
前記電極端子の接合面の反対側から前記超音波接合装置のホーンを当て、前記電力用半導体素子の電極と前記電極端子とを前記緩衝部材を介して超音波接合する工程と、
を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
【請求項６】
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の製造方法であって、
前記電力用半導体素子の電極および前記電極端子の接合面の少なくとも一方の表面に前記緩衝部材を形成する工程と、
前記電力用半導体素子が接合された回路基板を超音波接合装置に固定する工程と、
前記電力用半導体素子の電極に前記電極端子を重ねる工程と、
前記電極端子の接合面の反対側から前記超音波接合装置のホーンを当て、前記電力用半導体素子の電極と前記電極端子とを前記緩衝部材を介して超音波接合する工程と、
を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記緩衝部材は、前記超音波接合の工程が行われる前には、厚み方向に沿って断面積が変化するように形成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記緩衝部材の前記超音波接合の工程が行われる前の厚みは、前記電力用半導体素子の電極よりも厚いことを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【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、とくに電力用半導体素子の電極に超音波接合により電極端子を接合した電力用半導体装置の構成およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置においては、電力用半導体素子に電流を流すために、電力用半導体素子表面の電極と電極端子間を接続するアルミのワイヤボンドが用いられてきた。しかし、ワイヤの線径には限りがあるので、電流に応じてワイヤの本数を増やす必要があるが、電力用半導体素子の小型大容量化にともない、電極に通電に必要なワイヤの本数を配線することが困難になってきた。そのため、電極端子を電極にはんだ接合することも考えられるが、はんだに対応するために電極表面の処理が必要であったり、運転温度の高温化にともない接合信頼性が低下したりするという問題があった。
【０００３】
これらの問題を解決する方法として、電力用半導体素子の電極に、電極端子を直接超音波接合する方法が考えられる。これにより、電極の表面処理が不要で、高温にも対応可能となる。
【０００４】
しかし、超音波接合は、被接合材料を超音波ホーンで加圧しながら超音波振動させることにより、接合界面に形成されている酸化膜や付着している汚れを除去し、新生面同士を密着させて接合層を形成する技術である。そのため、接合される材料の種類が異なると、硬度が低い方の材料が一方的に塑性変形するため、必要な接合強度が得られないことが考えられる。一方、一般的な電力用半導体装置に用いられる電力用半導体素子の表面電極にはアルミが、電極端子には銅というように硬度の異なる材料が用いられる。そこで、硬度の高い材料の表面にその材料よりも硬度の低い材料を被覆することで、硬度の異なる材料の接合強度を高める技術（例えば、特許文献１または２参照。）を電極端子の接合に応用することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−２０６０５４号公報（頁２７３左上欄〜頁２７３左下欄）
【特許文献２】特開平８−２５２６７９号公報（段落００１４〜００１６、図１〜図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した技術は、被接合材料間の硬度の違いが大きすぎる場合、あるいは、アルミワイヤを硬い材料に接合する際の超音波ホーンと接触する部材の硬度が低い場合に対応する技術である。そのため、硬度の高い被接合材料には、硬度の低い被接合材料の硬度よりも高い硬度を有する材料が被覆されており、硬度の低い側の部材の損傷については考慮されていない。したがって、上述した技術を、そのまま電力用半導体素子の電極と電極端子の接合に応用すると、土台側となる電力用半導体素子の電極側に形成されたトランジスタや電力用半導体素子自体が破壊される可能性があり、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることが困難となる。
【０００７】
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、大電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる電力用半導体装置は、一方の面に回路面が形成された回路基板と、前記回路基板の回路面側に裏面が接合され、表面に電極が形成された電力用半導体素子と、前記電力用半導体素子の電極の主構成材料よりも高い耐力を有する材料で構成されるとともに、一端に前記電力用半導体素子の電極と対向する接合面が形成され、前記接合面が緩衝部材を介して前記電力用半導体素子の電極と超音波接合された電極端子と、を備え、前記緩衝部材は、少なくとも前記電力用半導体素子の電極に接触する部分の材料が、前記電力用半導体素子の電極の主構成材料と同等以下の耐力を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、電力用半導体素子に損傷を与えることなく、電極端子をしっかりと電力用半導体素子に接合できるので、大電流に対応し、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】
【００１０】
【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部分断面図である。
【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製造方法を説明するための、電力用半導体素子と電極端子との接合部分の各工程における断面図である。
【図３】比較例の電力用半導体装置の構成を説明するための部分断面図である。
【図４】比較例の電力用半導体装置の製造方法を説明するための、電力用半導体素子と電極端子との接合部分の各工程における断面図である。
【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部分断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するための、電力用半導体素子と電極端子との接合部分の各工程における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１と図２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を説明するための図である。図１は電力用半導体装置の部分断面図、図２は電力用半導体素子と電極端子との接合部分の各工程における部分断面図で、図２（ａ）は電力用半導体素子に接合対象の電極端子を載置した状態、図２（ｂ）は超音波ホーンを用いて接合を進行させている途中の状態、図２（ｃ）は超音波接合が完了した時の状態である。また、図３と図４は比較例の電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、それぞれ本実施の形態１にかかる電力用半導体装置の説明に用いる図１と図２に対応する。
【００１２】
なお、本実施の形態および他の実施の形態に用いる図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付している。それぞれの図では、対応する各構成部のサイズや縮尺は独立しており、例えば構成の一部を変更した断面図の間で、変更されていない同一構成部分の図示において、同一構成部分のサイズや縮尺が異なっている場合もある。また、電力用半導体装置の構成は、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、他の部分については省略している（例えば他の配線部材や、ケース等）。
【００１３】
図１に示すように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００では、絶縁基材５１の両側に回路パターン５２ａ、５２ｂが形成された回路基板５には、放熱面側（回路パターン５２ｂ側）に放熱部材６がはんだ８によって接合され、回路面側（回路パターン５２ａ側）には、電力用半導体素子であるＩＧＢＴ１（Insulated Gate Bipolar Transistor）の裏面がはんだ７により接合されている。そして、ＩＧＢＴ１の表面に形成された表面電極２には、緩衝部材４を介して電極端子３が超音波接合されている。以下、詳細に説明する。
【００１４】
ＩＧＢＴ１の表面電極２の下には、複数のトランジスタ１１が形成されている。なお、ＩＧＢＴ１は縦型半導体素子であり、表面側だけではなく、裏面側にも電極（裏面電極１２）が形成されている。しかし、本発明が解決すべき課題は、表面電極２側での損傷の抑制なので、裏面電極１２側の構造は簡略化して、図では、回路基板５の回路パターン５２ａにはんだ７により接合されていることのみを表現している。
【００１５】
ＩＧＢＴ１は、インバータやコンバータ等を構成する電力用半導体素子である。本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００は、少なくとも１個以上の電力用半導体素子によって構成されていればよいが、ＩＧＢＴもしくはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）がダイオードと逆並列に接続されていることが好ましい。ＩＧＢＴ１の材料には、シリコン（Ｓｉ）や炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料等が用いられるが、Ｓｉと比較して、ＳｉＣ、ＧａＮ系材料、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体材料と呼ばれる材料を用いた素子の方が定格電流に対する表面電極２の面積が小さい。そのため、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の方が、Ｓｉの場合と比較して、より高密度の配線技術が求められる。
【００１６】
そこで、ワイドバンドギャップ半導体材料として、例えばＳｉＣを用いた電力用半導体装置１００においては、表面電極２に電極端子３を超音波接合することで、一度に大面積を接合する本発明のメリットがより顕著に顕れる。一方、ＩＧＢＴ１の材料に、一般的なＳｉを用いた場合でも、定格電流が１００Ａ以上の場合や、素子の大きさが１０ｍｍ×１０ｍｍ以上の場合に、ワイヤボンドと比較して素子１枚に要するタクトタイムを短く出来、本発明のメリットがより効果的なものとなるため好ましい。また、素子の厚さが厚いほど、超音波接合時における加圧と超音波振動によってチップ自体が割れ難くなるため、ＩＧＢＴ１の厚さは０．１ｍｍ以上であるのが好ましい。
【００１７】
表面電極２はＩＧＢＴ１の表面に形成された電極配線用の金属膜である。表面電極２の材料には一般的にはアルミニウム（Ａｌ）が用いられるが、ＡｌＳｉやＡｌＣｕのようなＡｌ合金や、Ｃｕ、Ｃｕ合金等であればＡｌと比較して表面電極２の硬度が高くなって超音波接合時に変形し難くなる。その場合、緩衝部材４に、表面電極２の主構成材料と同じアルミニウムを用いても、後述するように緩衝部材４の方が、表面電極２より優先的に変形するため、本発明による損傷対策の効果を発揮することができる。
【００１８】
なお、表面電極２は、例えば下地層となるアルミニウムの上部に、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属被覆層が形成されていることもある。この場合でも、これらの被覆層の厚さが下地層の厚さに比べて薄い場合、被覆層は下地層の動きに連動して、超音波接合時に周囲に排斥される。そのため、これらの被覆層の厚さが下地層の厚さの５０％より薄い場合は、表面電極２は、被覆層の硬さに関わらず、下地層（アルミニウム）の硬さに応じた挙動を示すことになる。
【００１９】
超音波接合時の表面電極２の変形が大きいと、表面電極２の下層に形成されているトランジスタ１１にまで影響が及ぶことがある。そのため、接合時のトランジスタ１１の損傷（破壊）を抑制するために、表面電極２の厚さは、厚いほどよく、０．０７ｍｍ以上であるのが好ましい。
【００２０】
電極端子３はＩＧＢＴ１の表面電極２と外部回路とを電気接続するための配線部材である。電極端子３の材料は電気抵抗の小さい金属が好ましく、一般的にはＣｕやＡｌ等の板材をプレス加工したものが用いられ、一端に表面電極２との接合面３ｊが形成され、他端側は他の回路部材や外部回路と電気接続される。そのため、それ自体で形状を維持できるよう剛性を有する材料が用いられ、同じアルミニウム系の材料であっても表面電極２よりは硬い材料が用いられることが多い。通電可能な電流を大きくするためには、電極端子３の断面積が大きな方が好ましいが、超音波接合時に印加されたパワーを接合対象（本実施の形態では緩衝部材４、表面電極２）に伝わり易くするには厚さが薄い方が好ましい。そのため、電極端子３を構成する板材、あるいは、少なくとも表面電極２と対向する接合面３ｊ部分の厚みは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、幅は１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度が好ましい。
【００２１】
緩衝部材４は、超音波接合時に表面電極２や電極端子３より優先的に変形し、表面電極２、電極端子３のそれぞれと超音波接合される。緩衝部材４は通電可能な材料であれば良いが、超音波接合時に加わる加圧や振動によって、表面電極２や電極端子３より優先的に変形しなければならない。そのため、両被接合材（表面電極２と電極端子３）のうち、硬度が低い材料（表面電極２）と同等以下の硬度を有する材料である必要がある。なお、硬度の違いは、一般的にはビッカース硬度等の違いで規定することが多いが、超音波接合時において変形が容易か否かは、塑性ひずみを生じやすいか否か、つまり耐力で規定する方が適している。また、上述したように、超音波接合時の表面電極２の挙動は、最表面の被覆層の状態よりも、厚みの半分以上を占める下地の状態が反映される。したがって、緩衝部材４の特性としては、主構成材料が、表面電極２と同等以下の耐力（０．２％耐力）を有するとして規定する。これにより、表面電極２および電極端子３よりも先に緩衝部材４で塑性ひずみ（変形）を生じさせることができる。
【００２２】
なお、ここで言う耐力は、材料試験において、明確な降伏点をもたない材料に対して降伏強さを規定するために用いられるもので、０．２％の影響ひずみが発生する応力（０．２％耐力）である。
【００２３】
例えば、表面電極２に純Ａｌ（耐力：３０〜１５０ＭＰａ、Ｈｖ：１０〜５０）、電極端子３に無酸素銅（耐力：２００〜３５５ＭＰａ、Ｈｖ：５０〜１２０）を用いた場合、緩衝部材４の材料には純Ａｌ（耐力：３０〜１５０ＭＰａ、Ｈｖ：１０〜５０）以下の耐力を有する材料を選定する。
【００２４】
また、超音波接合時に加わる加圧と振動によって、緩衝部材４は薄く変形するが、変形しすぎて表面電極２と電極端子３との間から排斥されないように、緩衝部材４の厚さは超音波接合による変形量を考慮して適切な値に設定する必要がある。具体的には、表面電極２の厚さより厚くすることが好ましい。一方、緩衝部材４の厚さを厚くしすぎると、超音波接合時に印加されたパワーが表面電極２と緩衝部材４との接触面まで伝わらず、十分な接合面積が得られない可能性がある。そのため緩衝部材４の厚みは、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の範囲内でかつ、電極端子３の厚さより薄くすることが好ましい。
【００２５】
また、緩衝部材４はバイメタルや事前に電極端子３に超音波接合しておくことで、接合工程の前に電極端子３と一体化していてもかまわない。ここで、緩衝部材４は表面電極２、および電極端子３と同じ材料（同等以下の耐力）でも同様の効果を得ることができるため、例えば、本実施の形態１の電極端子３の材料がＡｌであっても同様の効果を得ることができる。なお、バイメタルのように面によって耐力が異なる場合、例えば、表面電極２（Ａｌ）側はアルミニウム、電極端子３（Ｃｕ）側は銅材というように、少なくとも表面電極２に対向する部分の耐力が表面電極２の耐力以下になるように構成すればよい。
【００２６】
つぎに、このように構成した電力用半導体装置１００の効果と製造方法について、図２の工程毎の接合部分近傍の断面図を用いて説明する。
【００２７】
はじめに、図２（ａ）に示すように、ＩＧＢＴ１の表面電極２上に緩衝部材４と電極端子３を載置する。この時、ＩＧＢＴ１を実装した回路基板５全体が超音波接合装置に固定されているが、図ではＩＧＢＴ１と電極端子３部分のみを記載している。そして、電極端子３の上面３ｚの所定位置に先端が接触するように、超音波ホーン５０を下降（ｚ方向）させる。
【００２８】
つぎに、図２（ｂ）に示すように、超音波ホーン５０を電極端子３に対して加圧し、更に、矢印の方向（ｘｙ面内）に超音波振動させる。このときの周波数は、例えば、数１０ＫＨｚであり、振動させながら超音波ホーン５０を降下させていく。これにより、表面電極２と緩衝部材４、および電極端子３と緩衝部材４との接触面同士が摺れて、接触面を覆っている酸化膜等の、接合を阻害する膜等が除去される。電極端子３の上面３ｚ部分には超音波ホーン５０の突起部が食い込んでいる。緩衝部材４は、超音波ホーン５０による加圧と超音波振動によって、主に振動方向（ｘｙ）に引き伸ばされ、特に超音波ホーン５０の突起部の下は薄く変形する。
【００２９】
最終的には、図２（ｃ）に示すように、表面電極２と緩衝部材４、および電極端子３と緩衝部材４とは、超音波振動により接触面同士が接合され、強固な接合層Ｊ２−４、Ｊ３−４が形成される。このとき、緩衝部材４は更に変形が進み、薄く引き延ばされた状態となっているが、表面電極２は変形していないため、トランジスタ１１が破壊されることはない。
【００３０】
このように構成した電力用半導体装置１００を動作させると、ＩＧＢＴ１に電流が流れて発熱する。このとき、ＩＧＢＴ１の表面電極２と電極端子３とは緩衝部材４を介して強固に接合されているとともに、表面電極２下部に形成されたトランジスタ１１は、いずれも損傷を受けずに正常に動作することができる。そのため、ＩＧＢＴ１は効率よく動作するとともに、配線部材や接合不良による余計な電力ロスもない。その結果、電力ロスによる発熱も少なく、安定した動作が可能になる。
【００３１】
ここで、表面電極と電極端子との間に緩衝部材を挿入せずに接合した比較例にかかる電力用半導体装置について、図３と図４を用いて説明する。
比較例にかかる電力用半導体装置１００Ｃでは、図３に示すように、ＩＧＢＴ１の表面電極２と電極端子３とが、緩衝部材４を介さずに、直接接合されている。その他の構成にいては、実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００と同様である。
【００３２】
この場合、図４（ａ）に示すように、緩衝部材４を挿入せずに表面電極２に電極端子３を載置して超音波接合を開始する。そして、超音波接合時に十分な接合面積を得るために必要な接合条件（加圧力、変形量等）で、図４（ｂ）に示すように接合を行う。すると、電極端子３より表面電極２の方が耐力が小さいために、超音波ホーン５０による加圧と超音波振動によって、表面電極２が一方的に変形する。その際、表面電極２が変形する量に比べて、実際の表面電極２の厚さが薄すぎるため、表面電極２の一部が排斥され、その下に形成されているトランジスタ１１までもが破壊される。
【００３３】
更に接合が進むと、図４（ｃ）に示すように電極端子３がＩＧＢＴ１の基材と接触し、場合によっては、亀裂Ｋ１が生じてＩＧＢＴ１自体が破壊されることもある。
【００３４】
これに対して、上述した本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００では、表面電極２と電極端子３の間に緩衝部材４が挿入されている。したがって、超音波接合時には緩衝部材４が選択的に変形するため、表面電極２と電極端子３の硬度の差を考慮する必要が無くなる。そのため、表面電極２や電極端子３に用いる材料の選択の幅を広げることができる。
【００３５】
また、電極端子３と表面電極２の耐力の差がどれだけ大きくとも、ＩＧＢＴ１や表面電極２直下のトランジスタ１１を破壊することなく表面電極２と電極端子３を接合することができ、かつ緩衝部材４が選択的に変形しながらトランジスタ１１が形成された凹凸に沿って接合されるため、従来の接合より大きな接合面積を得ることが出来る。さらに、緩衝部材４は表面電極２と電極端子３の間に別の部材として挿入すれば良いため、蒸着やめっき等を用いる必要がなく、必要な厚みに容易に調整することができる。そのため、緩衝部材４の厚さを調整することで、超音波接合時に効率よくパワーを印加することができ、目的の電流を通電させるために十分な接合面積を得ることができる。
【００３６】
さらにＩＧＢＴ１の動作に伴って生じる熱応力についても、緩衝部材４が優先的に変形するため、熱応力によるＩＧＢＴ１やトランジスタ１１の破壊を防止することができる。
【００３７】
なお、緩衝部材４の形状は上記の機能を満たす形状であればどのような形状でもかまわないが、例えば断面が円形のワイヤや球のように、厚み方向に沿って幅（断面積）が変化する形状が好ましい。このような形状にすることで、超音波接合時に幅の狭い部分が潰れ拡がるように変形し、酸化膜等の接合を阻害する膜等が段階的に周囲に排斥されるため、最終的に得られる接合面積をより大きくすることができる。同様に、緩衝部材４の所望の位置に突起が配置されているような形状とすることで、上記の効果に加えて、より低い荷重で優先的な変形が可能となり、表面電極２へのダメージを低減することができる。
【００３８】
さらに、緩衝部材４を予め表面電極２もしくは電極端子３に接合しておくことで、各部材を載置する際の位置決めを容易にすることができる。例えば、緩衝部材４としてＡｌワイヤを予めＩＧＢＴ１の表面電極２にワイヤボンドしておき、その上に電極端子３を載置して超音波接合を行うことで、位置決めを容易に行うことができる。さらに、厚み方向に沿ってワイヤの断面が変化するので、Ａｌワイヤが段階的に変形することで、平板を用いる場合と比較して、接合面積をより大きくすることができる。
【００３９】
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１００によれば、一方の面に回路面が形成された回路基板５と、回路基板５の回路面側に裏面が接合され、表面に電極（表面電極２）が形成された電力用半導体素子であるＩＧＢＴ１と、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の電極（表面電極２）の主構成材料（例えば、Ａｌ）よりも高い耐力を有する材料（例えば、Ｃｕ）で構成されるとともに、一端に電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の電極（表面電極２）と対向する接合面３ｊが形成され、緩衝部材４を介して接合面３ｊが電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の電極（表面電極２）と超音波接合された電極端子３と、を備え、緩衝部材４は、少なくとも電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の電極（表面電極２）に接触する部分の材料が、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の電極（表面電極２）の主構成材料と同等以下の耐力を有するように構成したので、超音波接合時に緩衝部材４が選択的に塑性変形する。これによって表面電極２を一方的に塑性変形させずに接合できるため、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の表面側に形成されたトランジスタ１１や素子自体が超音波接合時に破壊されるのを防止し、大電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置１００を得ることができる。さらに、表面電極２と緩衝部材４との接合、および電極端子３と緩衝部材４との接合が良好に行われることで、十分な接合面積を得ることができる。
【００４０】
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、実施の形態１と較べて電極端子の接合面に突起を形成するようにしたものである。図５と図６は、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図である。図５は電力用半導体装置の部分断面図、図６は電力用半導体素子と電極端子部分の各工程における部分断面図で、図６（ａ）は電力用半導体素子に接合対象の電極端子を載置した状態、図６（ｂ）は超音波ホーンを当てて接合している途中の状態、図６（ｃ）は、超音波接合が完了した時の状態であり、それぞれ、実施の形態１にかかる電力用半導体装置の説明で用いた図１と図２に対応する。突起に対応して緩衝部材の形状を調整する場合はあるが、基本的に他の構成については実施の形態１で説明したものと同様であり、その部分の説明は省略する。
【００４１】
図５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２００では、電極端子３の接合面３ｊの一部に突起３ｐが形成され、突起３ｐの周囲に緩衝部材４が存在し、表面電極２と緩衝部材４、および電極端子３と緩衝部材４との接合層に加えて、電極端子３の突起３ｐの表面と表面電極２との接合層を有することである。
【００４２】
電極端子３に形成された突起３ｐの数、形状は必要な電極端子３と表面電極２との接合面積を勘案して決める。突起３ｐの高さは、緩衝部材４の厚みと同等以下であればよいが、接合時の変形により、緩衝部材４の厚みが薄くなることを考えると、さらに低くする方が望ましい。突起３ｐの高さが緩衝部材４の厚みと同等の場合、超音波接合前の段階において突起３ｐが表面電極２に接触することになり、接合の進行に伴って突起３ｐが表面電極２を変形させてしまい、トランジスタ１１を破壊する可能性が考えられるからである。そのため、突起３ｐの高さは、接合時に突起３ｐの先端部から緩衝部材４が排斥される程度に緩衝部材４（の外縁部）の厚みより低いことが好ましい。
【００４３】
さらに、突起３ｐの接合面３ｊ内での配置は、機械的な接合強度を考慮すると、表面電極２と緩衝部材４、および電極端子３と緩衝部材４の接合層が突起３ｐの周りを取り囲むようにすることが望ましい。そのため、突起３ｐの面積は、表面電極２または電極端子３（の接合面３ｊ）の面積の小さい方、または緩衝部材４の全体面積の３０〜７０％程度とするのが好ましい。本実施の形態２においては、突起３ｐとして電極端子３の接合面の中央部に円柱形のものを１箇所形成するようにしているが、突起３ｐの形状は円柱形に限らず、角柱等でもかまわない。また数も同様に複数個形成されていてもかまわないが、突起３ｐは超音波ホーン５０で加圧したときに電極端子３が傾かないように、対向面を支持できるような配置が好ましい。
【００４４】
つぎに、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置２００の効果と製造方法について、図６の工程毎の接合部分近傍の断面図を用いて説明する。
【００４５】
はじめに、図６（ａ）に示すように、ＩＧＢＴ１の表面電極２上に緩衝部材４と電極端子３を載置し、電極端子３の上面３ｚの所定位置に先端が接触するように、超音波ホーン５０を下降（ｚ方向）させる。ここで、本実施の形態２における緩衝部材４は、突起３ｐの形状に対応して、突起３ｐに対応する部分は、周縁部に対して薄くなるように凹部４ｃが形成されている。緩衝部材４の形状は必ずしも、突起３ｐに対応した形状に合わせなくてもよい。しかし、例えば、突起３ｐが円柱状で、緩衝部材４を突起３ｐに応じたリング状とすれば、突起３ｐをリング内に収めることで、確実に表面電極２と突起３ｐとを直接接触させることができる。
【００４６】
このように緩衝部材４をリング状にした場合、緩衝部材４が接合面の延在方向（ｘｙ面）において、突起３ｐを取り囲むことになる。すると、変形が大きく熱応力の発生が大きい外周部（周縁部）に緩衝部材４を用いた強固な接合層を形成することができる。さらに、外周側から緩衝部材４をハンドリングすることができるので、緩衝部材４の位置決めも容易になる。そのため、緩衝部材４の形状は、リング状のように突起３ｐを取り囲むような形状とすることが好ましい。
【００４７】
なお、図６（ａ）の超音波接合前の段階において、突起３ｐが表面電極２に接触していると、実施の形態１の比較例のように、接合時に電極端子３（の突起３ｐ）が表面電極２を変形させてしまい、トランジスタ１１を破壊する可能性も考えられる。そのため、図６（ａ）の段階においては、突起３ｐは表面電極２に接触していないことが好ましい。そのためには、緩衝部材４の厚みと突起３ｐの高さの関係を調整する必要があるが、高さのみの調整で損傷を抑制するには、接合時の変形量等の精度を高くする必要がある。そこで、本実施の形態２では、高さ関係を調整した上で、さらに、凹部４ｃには、接合の進行にともなって容易に周縁部に排斥される程度の厚みを残すようにした。
【００４８】
そして、図６（ｂ）に示すように、超音波ホーン５０を電極端子３に対して加圧し、矢印の方向（ｘｙ面内）に超音波振動させる。これにより、表面電極２と緩衝部材４、および電極端子３と緩衝部材４との接触面同士が摺れて、接触面を覆っている酸化膜等の、接合を阻害する膜等が除去される。緩衝部材４は、超音波ホーン５０による加圧と超音波振動によって、主に振動方向（ｘｙ）に引き伸ばされ、特に超音波ホーン５０の突起部の下は薄く変形する。このとき、突起３ｐと表面電極２の間の緩衝部材４は超音波ホーン５０による加圧と超音波振動により、変形して排斥され、酸化膜や、接合を阻害する膜等が除去された突起３ｐの先端面と表面電極２が直接接触する。
【００４９】
最終的には、図６（ｃ）に示すように、周縁部では、表面電極２と緩衝部材４、および電極端子３と緩衝部材４とは、超音波振動により接触面同士が接合され、強固な接合層Ｊ２−４、Ｊ３−４が形成される。さらに、表面電極２と突起３ｐの先端面とによる、超音波振動による接合層Ｊ２−３が形成されている。突起３ｐと表面電極２とが接触した段階で接合が完了するように調整しているため、表面電極２の変形が生じることはなく、トランジスタ１１が破壊されることもない。
【００５０】
これにより、電極端子３と表面電極２とは、緩衝部材４を介した接合層Ｊ２−４、Ｊ３−４により機械的に強固に接合される。一方、突起３ｐ部分は、電極端子３と表面電極２との直接の接合層Ｊ２−３により、電気的に強固に接合される。つまり、ＩＧＢＴ１への通電は、表面電極２と突起３ｐとの接合層Ｊ２−３を介して行うことができるようになる。そのため、緩衝部材４は、材料の電気抵抗率に関係なく選択できるようになるため、より多くの材料から選択することができるようになる。
【００５１】
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２００では、電極端子３の接合面３ｊには、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の電極（表面電極２）に向かって突出する突起３ｐが形成されているように構成したので、表面電極２と電極端子３とが直接接合することで、効率よく通電が行えるようになる。さらに、緩衝部材４の材料選択肢が広がる。
【００５２】
また、上記各実施の形態にかかる電力用半導体装置１００、２００の製造方法によれば、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）が接合された回路基板５を超音波接合装置に固定する工程と、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の電極（表面電極２）に、緩衝部材４と電極端子３を順次積層する工程と、電極端子３の接合面３ｊの反対側となる上面３ｚから超音波接合装置のホーン（超音波ホーン５０）を当て、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の電極（表面電極２）と電極端子３とを緩衝部材４を介して超音波接合する工程と、を含むように構成したので、上述した電力用半導体装置１００、２００を容易に得ることができる。
【００５３】
また、上記各実施の形態にかかる電力用半導体装置１００、２００の別の製造方法によれば、例えば、ワイヤボンドや蒸着、めっき等により、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の電極（表面電極２）および電極端子３の接合面３ｊの少なくとも一方の表面に緩衝部材４を形成する工程と、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）が接合された回路基板５を超音波接合装置に固定する工程と、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の電極（表面電極２）に、電極端子３を重ねる工程と、電極端子３の接合面３ｊの反対側となる上面３ｚから超音波接合装置のホーン（超音波ホーン５０）を当て、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の電極（表面電極２）と電極端子３とを緩衝部材４を介して超音波接合する工程と、を含むように構成したので、上述した電力用半導体装置１００、２００を容易に得ることができる。
【００５４】
とくに、緩衝部材４は、超音波接合の工程が行われる前には、厚み方向に沿って断面積が変化するようなもの、例えばワイヤで形成したので、断面積が小さな部分から段階的に変形して、より強固な接合が可能となる。さらに、ワイヤを事前に表面電極２あるいは電極端子３に接合（ボンディング）することで緩衝部材４を形成するようにしておけば、位置決めも容易になる。
【００５５】
とくに、緩衝部材４の超音波接合の工程が行われる前の厚みは、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ１）の電極（表面電極２）よりも厚くなるように構成したので、緩衝部材４の変形能が高まり、より大きなパワーで接合することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１：ＩＧＢＴ（電力用半導体素子）、
２：表面電極、
３：電極端子、
３ｊ：接合面、３ｐ：突起部、
４：緩衝部材、
５：回路基板、
６：放熱部材、
５０：超音波ホーン、
１００，２００：電力用半導体装置。
【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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