(57)【要約】【課題】低コストかつ高い信頼性を有するパワー半導体モジュール及びその製造方法を提供する。【解決手段】パワー半導体モジュール１は、絶縁基板１１と、パワー半導体素子（４０，４５）と、電極端子２０とを備える。絶縁基板１１は、絶縁樹脂シート１３と、導電回路パターン１４とを含む。パワー半導体素子（４０，４５）は、導電性接合部材５０を介して導電回路パターン１４上に設けられている。電極端子２０は、緩衝部材６０を介して導電回路パターン１４に超音波接合されている。緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。電極端子２０は、導電回路パターン１４から離間されている。【選択図】図１
2018190930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁樹脂シートと、前記絶縁樹脂シートの第１の面上に設けられた導電回路パターンとを含む絶縁基板と、
導電性接合部材を介して前記導電回路パターンに接合されたパワー半導体素子と、
緩衝部材を介して前記導電回路パターンに超音波接合された電極端子とを備え、前記電極端子は、前記緩衝部材に面する第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面とを有し、前記緩衝部材は、前記導電回路パターン及び前記電極端子より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなり、
前記電極端子は、前記導電回路パターンから離間されている、パワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記緩衝部材は、２５０℃以下の融点を有する、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記緩衝部材は、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだまたはＳｎ−Ｓｂ系はんだである、請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記緩衝部材は、前記導電性接合部材と同じまたはより低い融点を有する、請求項１から請求項３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５】
前記導電回路パターンの平面視において、前記緩衝部材の外周の全ては、前記電極端子の前記第１の主面の外周の外側にある、請求項１から請求項４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６】
前記導電回路パターンの前記平面視において、前記緩衝部材の第２の面積は、前記電極端子の前記第１の主面の第１の面積の１００％より大きくかつ１１０％以下である、請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
前記電極端子は、前記第１の主面から突出する１つ以上の突起部を含み、
前記１つ以上の突起部は、前記導電回路パターンから離間されている、請求項１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１つ以上の突起部は、各々、多角柱、多角錐、円錐または円柱の形状を有する、請求項７に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項９】
前記１つ以上の突起部の各々は、その頂部に凸曲面を有する、請求項７または請求項８に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
封止部材をさらに備え、
前記封止部材は、前記パワー半導体素子と、前記導電回路パターンと、前記緩衝部材と、前記緩衝部材に対向する前記電極端子の一部とを封止する、請求項１から請求項９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１１】
導電性接合部材を介してパワー半導体素子を導電回路パターンに接合することを備え、絶縁基板は、絶縁樹脂シートと、前記絶縁樹脂シートの第１の面上に設けられた前記導電回路パターンとを含み、さらに、
緩衝部材を介して電極端子を前記導電回路パターンに接合することを備え、前記電極端子は、前記緩衝部材に面する第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面とを有し、前記緩衝部材は、前記導電回路パターン及び前記電極端子より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなり、
前記緩衝部材を介して前記電極端子を前記導電回路パターンに接合することは、前記導電回路パターン上に前記緩衝部材を積み重ねることと、前記緩衝部材上に前記電極端子を積み重ねることと、前記第２の主面に超音波ホーンを押し当てて前記電極端子と前記緩衝部材とを超音波接合することと、前記緩衝部材と前記導電回路パターンとを接合することとを含み、前記第２の主面に前記超音波ホーンを押し当てることによって、前記緩衝部材は固相から液相に相転移し、
前記電極端子は、前記導電回路パターンから離間されている、パワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１２】
前記第２の主面に前記超音波ホーンを押し当てることによって、前記緩衝部材と前記導電回路パターンとは超音波接合される、請求項１１に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１３】
前記導電性接合部材を介して前記パワー半導体素子を前記導電回路パターンに接合することは、前記導電回路パターン上に前記導電性接合部材を積み重ねることと、前記導電性接合部材上に、前記パワー半導体素子を積み重ねることと、熱を印加して、前記導電性接合部材を介して前記パワー半導体素子を前記導電回路パターンに接合することを含み、
前記熱を印加することによって、前記緩衝部材と前記導電回路パターンとは接合される、請求項１１に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１４】
前記緩衝部材は、２５０℃以下の融点を有する、請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１５】
前記導電回路パターン上に積み重ねられる前記緩衝部材は、０．２ｍｍ以上の厚さを有する、請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１６】
前記電極端子は、前記第１の主面から突出する１つ以上の突起部を含み、
前記１つ以上の突起部は、前記導電回路パターンから離間されている、請求項１１から請求項１５のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１７】
請求項１から請求項１０のいずれか１項記載のパワー半導体モジュールを有し、かつ、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備える、電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュール及びその製造方法並びに電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平１０−５０７５８号公報（特許文献１）は、セラミック基板と、トランジスタと、ダイオードと、錫のメッキが施された銅のリードとを備えるパワー半導体モジュールを開示している。セラミック基板は、ヒートシンクとして機能する金属板と、金属板上に設けられたセラミック絶縁板と、セラミック絶縁板上に形成されかつニッケルのめっきが施された金属配線パターンとを含む。リードは、トランジスタを金属配線パターンに接続するとともに、ダイオードを金属配線パターンに接続する。セラミック基板を２００℃に予熱し、それから、超音波接合法によって、リードは金属配線パターンに接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−５０７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されたパワー半導体モジュールはセラミック絶縁板を含むため、パワー半導体モジュールのコストは高い。パワー半導体モジュールのコストを低減するために、パワー半導体モジュールの基板として絶縁樹脂シートを含む絶縁基板を用いることが考えられる。
【０００５】
しかし、絶縁樹脂シートは、セラミック絶縁板より低い硬度とより低い耐熱性とを有する。また、特許文献１に開示されたパワー半導体モジュールでは、超音波接合法によって、錫のメッキが施された銅のリードをニッケルのめっきが施された金属配線パターンに接合する際、錫がリードと金属配線パターンとの間の接合界面から排出されて、銅のリードがニッケルのめっきが施された金属配線パターンに直接接合される。そのため、超音波接合法によってリードを金属配線パターンに接合する際に発生する熱及び機械的応力によって、絶縁基板に含まれる絶縁樹脂シートは熱的及び機械的な損傷を受ける。そのため、パワー半導体モジュールは低い信頼性を有する。
【０００６】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストかつ高い信頼性を有するパワー半導体モジュール及びその製造方法を提供することである。本発明の目的は、低コストかつ高い信頼性を有する電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のパワー半導体モジュールは、絶縁基板と、パワー半導体素子と、電極端子とを備える。絶縁基板は、絶縁樹脂シートと、絶縁樹脂シートの第１の面上に設けられた導電回路パターンとを含む。パワー半導体素子は、導電性接合部材を介して導電回路パターンに接合されている。電極端子は、緩衝部材を介して導電回路パターンに超音波接合されている。電極端子は、緩衝部材に面する第１の主面と、第１の主面とは反対側の第２の主面とを有する。緩衝部材は、導電回路パターン及び電極端子より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。電極端子は、導電回路パターンから離間されている。
【０００８】
本発明のパワー半導体モジュールの製造方法は、導電性接合部材を介してパワー半導体素子を導電回路パターンに接合することを備える。絶縁基板は、絶縁樹脂シートと、絶縁樹脂シートの第１の面上に設けられた導電回路パターンとを含む。本発明のパワー半導体モジュールの製造方法は、緩衝部材を介して電極端子を導電回路パターンに接合することをさらに備える。電極端子は、緩衝部材に面する第１の主面と、第１の主面とは反対側の第２の主面とを有する。緩衝部材は、導電回路パターン及び電極端子より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。緩衝部材を介して電極端子を導電回路パターンに接合することは、導電回路パターン上に緩衝部材を積み重ねることと、緩衝部材上に電極端子を積み重ねることと、第２の主面に超音波ホーンを押し当てて電極端子と緩衝部材とを超音波接合することと、緩衝部材と導電回路パターンとを接合することとを含む。第２の主面に超音波ホーンを押し当てることによって、緩衝部材は固相から液相に相転移する。電極端子は、導電回路パターンから離間されている。
【０００９】
本発明の電力変換装置は、本発明のパワー半導体モジュールを有し、かつ、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する制御回路とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のパワー半導体モジュールは、絶縁樹脂シートを含む絶縁基板を備えている。そのため、本発明のパワー半導体モジュールのコストは減少する。また、本発明のパワー半導体モジュールでは、電極端子は、緩衝部材を介して導電回路パターンに超音波接合され、かつ、導電回路パターンから離間されている。緩衝部材は、導電回路パターン及び電極端子より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。緩衝部材は、電極端子を導電回路パターンに超音波接合する際に発生する熱及び機械的応力によって絶縁樹脂シートが熱的及び機械的な損傷を受けることを防止し得る。本発明のパワー半導体モジュールは、高い信頼性を有する。
【００１１】
本発明のパワー半導体モジュールの製造方法では、絶縁基板は、絶縁樹脂シートを含む。そのため、パワー半導体モジュールのコストは減少する。また、本発明のパワー半導体モジュールの製造方法において、緩衝部材を介して電極端子を導電回路パターンに接合することは、第２の主面に超音波ホーンを押し当てて電極端子と緩衝部材とを超音波接合することと、緩衝部材と導電回路パターンとを接合することとを含む。緩衝部材は、導電回路パターン及び電極端子より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。第２の主面に超音波ホーンを押し当てることによって、緩衝部材は固相から液相に相転移する。電極端子は、導電回路パターンから離間されている。緩衝部材は、電極端子を導電回路パターンに超音波接合する際に発生する熱及び機械的応力によって絶縁樹脂シートが熱的及び機械的な損傷を受けることを防止し得る。本発明のパワー半導体モジュールの製造方法によれば、高い信頼性を有するパワー半導体モジュールが得られる。
【００１２】
本発明の電力変換装置は、本発明のパワー半導体モジュールを有する主変換回路を備える。本発明の電力変換装置は、低コストかつ高い信頼性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの、図１に示される領域ＩＩの概略部分拡大断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの製造方法のフローチャートを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの製造方法の一工程を示す概略部分拡大断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの製造方法における、図５に示す工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの製造方法における、図６に示す工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。
【図８】比較例のパワー半導体モジュールの製造方法の一工程を示す概略部分拡大断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの概略部分拡大断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの製造方法の一工程を示す概略部分拡大断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの製造方法における、図１０に示す工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの製造方法における、図１１に示す工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの概略部分拡大断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。
【図１５】本発明の実施の形態３の変形例に係るパワー半導体モジュールの概略部分拡大断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態３の変形例に係るパワー半導体モジュールの概略部分拡大断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの製造方法の一工程を示す概略部分拡大断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの製造方法における、図１７に示す工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの製造方法における、図１８に示す工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態４に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００１５】
実施の形態１．
図１から図３を参照して、実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１を説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、絶縁基板１１と、パワー半導体素子（４０，４５）と、電極端子２０とを主に備える。本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、封止部材６７をさらに備えてもよい。本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、ケース６５をさらに備えてもよい。
【００１６】
絶縁基板１１は、絶縁樹脂シート１３と、絶縁樹脂シート１３の第１の面１３ａ上に設けられた導電回路パターン１４とを含む。絶縁樹脂シート１３は、特に限定されないが、エポキシ樹脂で形成されてもよい。絶縁樹脂シート１３は、特に限定されないが、１００℃以上１３０℃以下のガラス転移温度を有する材料で形成されてもよい。絶縁樹脂シート１３は、導電回路パターン１４よりも薄くてもよい。絶縁樹脂シート１３は、特に限定されないが、０．１ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下の厚さｔ1を有してもよい。
【００１７】
導電回路パターン１４は、銅またはアルミニウムで構成されてもよい。導電回路パターン１４は、絶縁樹脂シート１３よりも厚くてもよい。導電回路パターン１４は、電極端子２０よりも薄くてもよい。導電回路パターン１４は、特に限定されないが、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の厚さｔ2を有してもよい。
【００１８】
絶縁基板１１は、絶縁樹脂シート１３の第１の面１３ａとは反対側の絶縁樹脂シート１３の第２の面１３ｂ上に放熱部材１２をさらに含んでもよい。放熱部材１２は、特に限定されないが、銅板のような金属板であってもよい。放熱部材１２は、絶縁樹脂シート１３及び導電回路パターン１４よりも厚くてもよい。放熱部材１２は、特に限定されないが、１．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の厚さｔ5を有してもよい。
【００１９】
パワー半導体素子（４０，４５）は、特に限定されないが、スイッチング素子４０と、スイッチング素子４０に逆並列に接続された還流ダイオード４５とを含んでもよい。スイッチング素子４０は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）または金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であってもよい。パワー半導体素子（４０，４５）は、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）のような半導体材料から形成されてもよい。スイッチング素子４０は、第１の電極４１と、第２の電極４２と、第３の電極４３とを含んでもよい。還流ダイオード４５は、第４の電極４６と、第５の電極４７とを含んでもよい。第１の電極４１、第２の電極４２、第３の電極４３、第４の電極４６及び第５の電極４７の各々は、例えば、Ａｌ電極、ＡｌＳｉ電極またはＡｌＣｕ電極であってもよい。
【００２０】
パワー半導体素子（４０，４５）は、導電性接合部材５０を介して導電回路パターン１４に接合されている。スイッチング素子４０の第１の電極４１は、導電性接合部材５０を用いて、導電回路パターン１４に接合されている。還流ダイオード４５の第４の電極４６は、導電性接合部材５０を用いて、導電回路パターン１４に接合されている。導電性接合部材５０は、はんだであってもよい。はんだは、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだまたはＳｎ−Ｓｂ系はんだのような鉛フリーはんだであってもよい。導電性接合部材５０は、特に限定されないが、導電性接着剤または導電性ナノ粒子焼結体であってもよい。導電性接着剤は、例えば、銀フィラーが分散されたエポキシ樹脂のような、金属フィラーが分散された樹脂接着剤であってもよい。導電性ナノ粒子焼結体は、銀ナノ粒子または銅ナノ粒子を３５０℃以下の温度で焼結させることによって形成されてもよい。
【００２１】
電極端子２０は、導電回路パターン１４と外部回路（図示せず）とを電気的に接続する。電極端子２０の一端は、導電回路パターン１４に対向しており、緩衝部材６０に接続されている。電極端子２０の他端は、外部回路に電気的に接続される。電極端子２０は、緩衝部材６０に面する第１の主面２１と、第１の主面２１とは反対側の第２の主面２２とを有する。電極端子２０は、銅またはアルミニウムのような、低い電気抵抗率と高い熱伝導率とを有する金属で形成されてもよい。電極端子２０は、それ自体で形状を維持できるよう剛性を有している。
【００２２】
電極端子２０は、０．１ｍｍ以上の厚さｔ4を有してもよい。そのため、電極端子２０を通してパワー半導体素子（４０，４５）に大電流が供給され得る。電極端子２０は、１．５ｍｍ以下の厚さｔ4を有してもよい。そのため、超音波接合法を用いて、電極端子２０と緩衝部材６０とが互いに強固に接合され得るとともに、緩衝部材６０と導電回路パターン１４とが互いに強固に接合され得る。本明細書において、電極端子２０の厚さｔ4は、第１の主面２１と第２の主面２２（凹凸構造２３を除く）との間の距離として定義される。電極端子２０は、例えば、０．１ｍｍ以上の幅を有してもよい。そのため、電極端子２０を通してパワー半導体素子（４０，４５）に大電流が供給され得る。電極端子２０は、例えば、５．０ｍｍ以下の幅を有してもよい。そのため、パワー半導体モジュール１に含まれる電極端子２０の数が増加し得る。本明細書において、電極端子２０の幅は、電極端子２０の短手方向（ｙ方向）の長さとして定義される。
【００２３】
図２を参照して、電極端子２０は、第２の主面２２に凹凸構造２３を有している。電極端子２０の凹凸構造２３は、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合するために用いられる超音波ホーン７０の突部７１（図６を参照）と相補的な形状を有している。電極端子２０の凹凸構造２３は、例えば、０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の周期ｐと、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の深さｄとを有してもよい。
【００２４】
電極端子２０は、緩衝部材６０を介して導電回路パターン１４に超音波接合されている。電極端子２０は、導電回路パターン１４から離間されている。電極端子２０は、導電回路パターン１４に直接接合されていない。電極端子２０と緩衝部材６０との間の界面の一部に第１の接合層６１が形成されている。第１の接合層６１は、電極端子２０の材料と緩衝部材６０の材料とを含む合金層であってもよい。電極端子２０と緩衝部材６０との間の界面の一部は、導電回路パターン１４の平面視において超音波ホーン７０と重なる、電極端子２０と緩衝部材６０との間の界面の部分である。緩衝部材６０と導電回路パターン１４との間の界面の一部に第２の接合層６２が形成されている。第２の接合層６２は、緩衝部材６０の材料と導電回路パターン１４の材料とを含む合金層であってもよい。緩衝部材６０と導電回路パターン１４との間の界面の一部は、導電回路パターン１４の平面視において超音波ホーン７０と重なる、緩衝部材６０と導電回路パターン１４との間の界面の部分である。緩衝部材６０、第１の接合層６１及び第２の接合層６２は、導電性を有している。
【００２５】
緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い耐力を有する材料からなる。本明細書において、耐力は、明確な降伏点を有しない材料において、応力を取り除いたときに０．２％の永久ひずみが発生する応力として定義される。緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い耐力を有する材料からなるため、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合する際に、緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０よりも塑性変形しやすい。緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い融点とを有する材料からなる。緩衝部材６０は、２５０℃以下の融点を有してもよい。緩衝部材６０は、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだまたはＳｎ−Ｓｂ系はんだであってもよい。Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだまたはＳｎ−Ｓｂ系はんだからなる緩衝部材６０は、ＳｎまたはＩｎからなる比較例の緩衝部材に比べて、緩衝部材６０を介した電極端子２０と導電回路パターン１４との間の接合の信頼性を向上させ得る。
【００２６】
緩衝部材６０は、０．１ｍｍ以上の厚さｔ3を有してもよい。そのため、緩衝部材６０を介して、電極端子２０は導電回路パターン１４に強固に接合され得て、パワー半導体モジュール１は高い信頼性を有する。緩衝部材６０は、０．５ｍｍ未満の厚さｔ3を有してもよい。そのため、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合する際に、緩衝部材６０と電極端子２０との間の界面だけでなく、電極端子２０と導電回路パターン１４との間の界面にも、超音波ホーン７０から十分な荷重と超音波振動とが印加され得る。緩衝部材６０を介して、電極端子２０は導電回路パターン１４に超音波接合され得る。
【００２７】
図３を参照して、導電回路パターン１４の平面視において、緩衝部材６０の外周６０ａの全ては、電極端子２０の第１の主面２１の外周２１ａの外側にあってもよい。導電回路パターン１４の平面視において、緩衝部材６０は、電極端子２０の長手方向（例えば、ｘ方向）における第１の主面２１の第１の両側からはみだしており、かつ、電極端子２０の短手方向（例えば、ｙ方向）における第１の主面２１の第２の両側からはみだしてもよい。電極端子２０の第１の主面２１の全てが緩衝部材６０に接合されるため、電極端子２０と緩衝部材６０とが互いに強固に接合され得る。導電回路パターン１４の平面視において、緩衝部材６０の第２の面積は、電極端子２０の第１の主面２１の第１の面積の１００％より大きくてもよい。導電回路パターン１４の平面視において、緩衝部材６０の第２の面積は、電極端子２０の第１の主面２１の第１の面積の１１０％以下であってもよい。
【００２８】
図１を参照して、導電ワイヤ５５を用いて、スイッチング素子４０の第２の電極４２と導電回路パターン１４とは互いに電気的に接続されている。導電ワイヤ５６を用いて、スイッチング素子４０の第３の電極４３と還流ダイオード４５の第５の電極４７とは互いに電気的に接続されている。導電ワイヤ５７を用いて、還流ダイオード４５の第５の電極４７と導電回路パターン１４とは互いに電気的に接続されている。
【００２９】
図１を参照して、ケース６５は、電気的絶縁性を有する。特定的には、ケース６５は、電気的絶縁性を有する樹脂から構成されてもよい。ケース６５は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）から構成されてもよい。ケース６５は、絶縁基板１１に接着されてもよい。ケース６５は、接着剤１８を用いて、絶縁基板１１の絶縁樹脂シート１３に接着されてもよい。接着剤１８は、例えば、シリコーン樹脂接着剤のような樹脂接着剤であってもよい。電極端子２０は、ケース６５に一体化されてもよい。
【００３０】
図１を参照して、封止部材６７は、パワー半導体素子（４０，４５）と、導電回路パターン１４と、緩衝部材６０と、緩衝部材６０に対向する電極端子２０の一部とを封止する。封止部材６７は、電気的絶縁性を有する。封止部材６７は、例えば、エポキシ樹脂で形成されてもよい。封止部材６７は、ケース６５の内部に設けられてもよい。パワー半導体モジュール１はケース６５を備えておらず、封止部材６７は、トランスファーモールド封止樹脂であってもよい。
【００３１】
図４から図７を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法の第１の例を説明する。
【００３２】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法は、導電性接合部材５０を介してパワー半導体素子（４０，４５）を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ１０）を備える。絶縁基板１１は、絶縁樹脂シート１３と、絶縁樹脂シート１３の第１の面１３ａ上に設けられた導電回路パターン１４とを含む。例えば、導電性接合部材５０がはんだである場合、はんだをリフローすることによって、パワー半導体素子（４０，４５）は導電回路パターン１４にはんだ付けされてもよい。
【００３３】
図４を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法は、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ２０）をさらに備える。電極端子２０は、緩衝部材６０に面する第１の主面２１と、第１の主面２１とは反対側の第２の主面２２とを有する。緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。緩衝部材６０は、２５０℃以下の融点を有してもよい。
【００３４】
図５を参照して、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ２０）は、導電回路パターン１４上に緩衝部材６０を積み重ねることと、緩衝部材６０上に電極端子２０を積み重ねることとを含む。緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０に接触している。導電回路パターン１４上に積み重ねられる緩衝部材６０は、０．２ｍｍ以上の厚さｔ6を有してもよい。そのため、超音波ホーン７０を用いて電極端子２０を導電回路パターン１４に接合する際に、電極端子２０と導電回路パターン１４との間から緩衝部材６０が排斥されて、電極端子２０が導電回路パターン１４に直接接合されることが防止される。超音波ホーン７０を用いて電極端子２０を導電回路パターン１４に接合する間、電極端子２０と導電回路パターン１４との間に緩衝部材６０が存在し続ける。導電回路パターン１４上に積み重ねられる緩衝部材６０は、０．５ｍｍ以下の厚さｔ6を有してもよい。そのため、超音波ホーン７０によって印加される圧力と超音波振動とが電極端子２０と緩衝部材６０との間の界面だけでなく緩衝部材６０と導電回路パターン１４との間の界面にも伝達され得る。超音波ホーン７０を用いて、電極端子２０と緩衝部材６０とが互いに超音波接合されるとともに、緩衝部材６０と導電回路パターン１４とが互いに超音波接合される。
【００３５】
図６及び図７を参照して、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ２０）は、電極端子２０の第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てて電極端子２０と緩衝部材６０とを超音波接合することを含む。第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てることによって、緩衝部材６０は固相から液相に相転移する。電極端子２０と緩衝部材６０との間の界面の一部に第１の接合層６１が形成される。電極端子２０と緩衝部材６０とは、常温の環境下で、互いに超音波接合される。
【００３６】
図６及び図７を参照して、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ２０）は、緩衝部材６０と導電回路パターン１４とを接合することを含む。緩衝部材６０と導電回路パターン１４との間の界面の一部に第２の接合層６２が形成される。特定的には、第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てることによって、緩衝部材６０と導電回路パターン１４とは超音波接合されてもよい。すなわち、電極端子２０の第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てることによって、電極端子２０と緩衝部材６０とが互いに超音波接合されるだけでなく、緩衝部材６０及び導電回路パターン１４も互いに超音波接合されてもよい。電極端子２０の第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てることによって、第１の接合層６１だけでなく、第２の接合層６２も形成されてもよい。超音波ホーン７０を用いて電極端子２０を導電回路パターン１４に接合する間、電極端子２０は、導電回路パターン１４から離間されている。
【００３７】
具体的には、超音波ホーン７０は電極端子２０の第２の主面２２に接触する。超音波ホーン７０は、電極端子２０を絶縁基板１１に向けて押圧する。超音波ホーン７０は、電極端子２０の第２の主面２２（ｘｙ面）内に振動する超音波を、電極端子２０、緩衝部材６０及び導電回路パターン１４に印加する。超音波ホーン７０から電極端子２０、緩衝部材６０及び導電回路パターン１４に印加される超音波の振動数は、例えば、数１０ｋＨｚであってもよい。
【００３８】
超音波ホーン７０から印加される超音波振動によって、電極端子２０の第１の主面２１と緩衝部材６０とが互いに摺れる。電極端子２０の第１の主面２１を覆う被膜（例えば、酸化膜など）と緩衝部材６０の表面を覆う被膜（例えば、酸化膜など）とが除去されて、電極端子２０の第１の主面２１の新生面と緩衝部材６０の新生面とが露出する。電極端子２０の第１の主面２１の新生面と緩衝部材６０の新生面とが互いに接触して、電極端子２０の第１の主面２１と緩衝部材６０との界面に第１の接合層６１が形成される。こうして、電極端子２０と緩衝部材６０とは互いに超音波接合される。
【００３９】
超音波ホーン７０から印加される超音波振動によって、緩衝部材６０と導電回路パターン１４の表面とが互いに摺れて、緩衝部材６０の表面を覆う被膜（例えば、酸化膜など）と導電回路パターン１４の表面を覆う被膜（例えば、酸化膜など）とが除去されて、緩衝部材６０の新生面と導電回路パターン１４の新生面とが露出する。緩衝部材６０の新生面と導電回路パターン１４の新生面とが互いに接触して、緩衝部材６０と導電回路パターン１４の新生面との界面に第２の接合層６２が形成される。こうして、緩衝部材６０と導電回路パターン１４の新生面とは互いに超音波接合される。
【００４０】
緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合する際、電極端子２０と緩衝部材６０とは互いに摺れ合うため、電極端子２０の第１の主面２１と緩衝部材６０との界面に、摩擦熱が発生する。緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合する際、緩衝部材６０と導電回路パターン１４とは互いに摺れ合うため、緩衝部材６０と導電回路パターン１４との界面に、摩擦熱が発生する。これらの摩擦熱によって、電極端子２０の第１の主面２１の温度、緩衝部材６０の温度及び緩衝部材６０に面する導電回路パターン１４の温度は上昇する。電極端子２０の第１の主面２１の温度、緩衝部材６０の温度及び緩衝部材６０に面する導電回路パターン１４の温度は、例えば、２５０℃以上に上昇してもよい。
【００４１】
緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い融点を有する。緩衝部材６０の融点は、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合する間の電極端子２０の第１の主面２１の温度、緩衝部材６０の温度及び緩衝部材６０に面する導電回路パターン１４の温度よりも低い。例えば、緩衝部材６０の融点は、２５０℃以下であり、かつ、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合する間の電極端子２０の第１の主面２１の温度、緩衝部材６０の温度及び緩衝部材６０に面する導電回路パターン１４の温度は、２５０℃より大きくてもよい。電極端子２０の第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てることによって、緩衝部材６０は固相から液相に相転移する。緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合している間、電極端子２０及び導電回路パターン１４は固相のままである。緩衝部材６０が固相から液相に相転移するとき、緩衝部材６０は、電極端子２０と緩衝部材６０との間に発生する摩擦熱と緩衝部材６０と導電回路パターン１４との間に発生する摩擦熱との一部を吸収する。こうして、緩衝部材６０は、絶縁基板１１に含まれる絶縁樹脂シート１３が熱的な損傷を受けることを防止し得る。
【００４２】
さらに、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合している間、電極端子２０と導電回路パターン１４との間には緩衝部材６０が常に介在しており、電極端子２０は、導電回路パターン１４から離間されている。緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い耐力と低い融点とを有する。緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合する際に、緩衝部材６０は選択的に変形されるとともに、超音波ホーン７０によって印加される応力に対してクッションの役割を果たす。緩衝部材６０は、絶縁基板１１に含まれる絶縁樹脂シート１３が機械的な損傷を受けることを防止し得る。
【００４３】
電極端子２０の第２の主面２２に、超音波ホーン７０の突部７１が食い込む。超音波ホーン７０によって緩衝部材６０に印加される圧力と超音波振動とによって、緩衝部材６０は超音波振動の振動方向（ｘｙ面内の方向）に引き伸ばされ、かつ、緩衝部材６０の厚さは減少する。
【００４４】
図４を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法は、導電ワイヤ５５−５７を用いて、パワー半導体素子（４０，４５）と導電回路パターン１４とを互いに電気的に接続すること（Ｓ３０）をさらに備えている。具体的には、導電ワイヤ５５を用いて、スイッチング素子４０の第２の電極４２と導電回路パターン１４とは互いに電気的に接続される。導電ワイヤ５６を用いて、スイッチング素子４０の第３の電極４３と還流ダイオード４５の第５の電極４７とは互いに電気的に接続される。導電ワイヤ５７を用いて、還流ダイオード４５の第５の電極４７と導電回路パターン１４とは互いに電気的に接続される。
【００４５】
図４を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法は、ケース６５を絶縁基板１１に接着すること（Ｓ４０）をさらに備えてもよい。ケース６５は、接着剤１８を用いて、絶縁基板１１の絶縁樹脂シート１３に接着されてもよい。電極端子２０は、ケース６５に一体化されてもよい。
【００４６】
図４を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法は、パワー半導体素子（４０，４５）と、導電回路パターン１４と、緩衝部材６０と、緩衝部材６０に対向する電極端子２０の一部とを、封止部材６７で封止すること（Ｓ５０）をさらに備えている。封止部材６７は、例えば、ケース６５の内部に封止樹脂を注入した後、封止樹脂を硬化させることによって形成されてもよい。パワー半導体モジュール１はケース６５を備えておらず、パワー半導体素子（４０，４５）と、導電回路パターン１４と、緩衝部材６０と、緩衝部材６０に対向する電極端子２０の一部とは、トランスファーモールド法によって、封止部材６７で封止されてもよい。封止部材６７は、例えば、パワー半導体素子（４０，４５）と、導電回路パターン１４と、緩衝部材６０と、電極端子２０とを金型内に配置し、金型内に封止樹脂を注入し、それから、封止樹脂を硬化させることによって形成されてもよい。
【００４７】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法の第２の例では、ケース６５を絶縁基板１１に接着した（Ｓ４０）後に、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ２０）と、導電ワイヤ５５−５７を用いて、パワー半導体素子（４０，４５）と導電回路パターン１４とを互いに電気的に接続すること（Ｓ３０）とが行われてもよい。
【００４８】
図８を参照して、比較例のパワー半導体モジュールを説明する。比較例のパワー半導体モジュールは、本実施の形態のパワー半導体モジュール１と同様の構成を備えているが、以下の点で異なる。比較例のパワー半導体モジュールでは、緩衝部材６０を介さずに、電極端子２０は、導電回路パターン１４に、直接、超音波接合されている。比較例のパワー半導体モジュールの製造方法は、超音波接合法によって、電極端子２０を導電回路パターン１４に直接接合することを備えている。超音波接合法によって、電極端子２０を導電回路パターン１４に接合する間、電極端子２０と導電回路パターン１４との間に、緩衝部材６０は介在していない。
【００４９】
比較例のパワー半導体モジュールの製造方法では、超音波ホーン７０を用いて電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合する際、電極端子２０と導電回路パターン１４とは互いに摺れ合うため、電極端子２０と導電回路パターン１４との間の界面に摩擦熱が発生する。絶縁樹脂シート１３の温度は、絶縁樹脂シート１３の軟化温度よりも高くなり、絶縁樹脂シート１３は熱分解される。例えば、絶縁樹脂シート１３の表面が酸化または炭化される。比較例のパワー半導体モジュールの製造方法では、絶縁樹脂シート１３は熱的な損傷を受けて、絶縁樹脂シート１３は劣化する。絶縁樹脂シート１３の絶縁破壊耐圧が減少し、そのため、比較例のパワー半導体モジュールは低い信頼性を有する。
【００５０】
さらに、比較例のパワー半導体モジュールの製造方法では、電極端子２０と導電回路パターン１４との間の界面に発生する摩擦熱によって、絶縁樹脂シート１３は軟化して変形する。加えて、比較例のパワー半導体モジュールの製造方法では、超音波ホーン７０を用いて電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合する際に超音波ホーン７０によって印加される圧力が、緩衝部材６０によって緩和されることなく、絶縁樹脂シート１３に印加される。比較例のパワー半導体モジュールでは、絶縁樹脂シート１３に、亀裂１３ｇのような機械的な損傷が発生する。図８では、亀裂１３ｇは、主に、絶縁樹脂シート１３の厚さ方向（ｚ方向）に垂直な方向（ｘｙ面内方向）に沿って延在しているが、亀裂１３ｇは、絶縁樹脂シート１３の厚さ方向（ｚ方向）に沿って延在してもよい。比較例のパワー半導体モジュールの製造方法では、絶縁樹脂シート１３は機械的な損傷を受けて、絶縁樹脂シート１３は劣化する。絶縁樹脂シート１３の絶縁破壊耐圧が減少し、そのため、比較例のパワー半導体モジュールは低い信頼性を有する。
【００５１】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１及びその製造方法の効果を説明する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、絶縁基板１１と、パワー半導体素子（４０，４５）と、電極端子２０とを備える。絶縁基板１１は、絶縁樹脂シート１３と、絶縁樹脂シート１３の第１の面１３ａ上に設けられた導電回路パターン１４とを含む。パワー半導体素子（４０，４５）は、導電性接合部材５０を介して導電回路パターン１４に接合されている。電極端子２０は、緩衝部材６０を介して導電回路パターン１４に超音波接合されている。電極端子２０は、緩衝部材６０に面する第１の主面２１と、第１の主面２１とは反対側の第２の主面２２とを有する。緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。電極端子２０は、導電回路パターン１４から離間されている。
【００５２】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、絶縁基板１１は、絶縁樹脂シート１３を含む。そのため、本実施の形態のパワー半導体モジュール１のコストは減少する。
【００５３】
緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い融点を有する。電極端子２０の第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てることによって、緩衝部材６０は固相から液相に相転移する。緩衝部材６０が固相から液相に相転移するとき、緩衝部材６０は、電極端子２０と緩衝部材６０との間の界面と緩衝部材６０と導電回路パターン１４との間の界面とに発生する摩擦熱一部を吸収する。緩衝部材６０は、絶縁基板１１に含まれる絶縁樹脂シート１３が熱的な損傷を受けることを防止し得る。
【００５４】
さらに、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合している間、電極端子２０と導電回路パターン１４との間には緩衝部材６０が常に介在しており、電極端子２０は、導電回路パターン１４から離間されている。緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い耐力と低い融点とを有する。緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合する際に、緩衝部材６０は選択的に変形されるとともに、超音波ホーン７０によって印加される応力に対してクッションの役割を果たす。緩衝部材６０は、絶縁基板１１に含まれる絶縁樹脂シート１３が機械的な損傷を受けることを防止し得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、高い信頼性を有する。
【００５５】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、超音波ホーン７０を用いて、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合する際に、緩衝部材６０が選択的に変形されるように構成されている。そのため、超音波ホーン７０の突部７１が電極端子２０の第２の主面２２に食い込む際の電極端子２０の変形量が減少する。そのため、電極端子２０が変形する際に電極端子２０と超音波ホーン７０との間から飛散する電極端子２０のデブリの量も減少する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、高い信頼性を有する。
【００５６】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、常温の環境下で製造され得るように構成されている。本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、加熱装置無しに、緩衝部材６０を介して電極端子２０が導電回路パターン１４に接合される。本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、パワー半導体モジュール１の製造コストと、パワー半導体モジュール１を製造するためのスペースとを減少させ得るように構成されている。
【００５７】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法は、導電性接合部材５０を介してパワー半導体素子（４０，４５）を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ１０）を備える。絶縁基板１１は、絶縁樹脂シート１３と、絶縁樹脂シート１３の第１の面１３ａ上に設けられた導電回路パターン１４とを含む。本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法は、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ２０）をさらに備える。電極端子２０は、緩衝部材６０に面する第１の主面２１と、第１の主面２１とは反対側の第２の主面２２とを有する。緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い耐力とより低い融点とを有する材料からなる。緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ２０）は、導電回路パターン１４上に緩衝部材６０を積み重ねることと、緩衝部材６０上に電極端子２０を積み重ねることと、第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てて電極端子２０と緩衝部材６０とを超音波接合することと、緩衝部材６０と導電回路パターン１４とを接合することとを含む。第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てることによって、緩衝部材６０は固相から液相に相転移する。電極端子２０は、導電回路パターン１４から離間されている。
【００５８】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法では、絶縁基板１１は、絶縁樹脂シート１３を含む。そのため、本実施の形態のパワー半導体モジュール１のコストは減少する。
【００５９】
緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い融点を有する。電極端子２０の第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てることによって、緩衝部材６０は固相から液相に相転移する。緩衝部材６０が固相から液相に相転移するとき、緩衝部材６０は、電極端子２０と緩衝部材６０との間の界面と緩衝部材６０と導電回路パターン１４との間の界面とに発生する摩擦熱一部を吸収する。緩衝部材６０は、絶縁基板１１に含まれる絶縁樹脂シート１３が熱的な損傷を受けることを防止し得る。
【００６０】
さらに、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合している間、電極端子２０と導電回路パターン１４との間には緩衝部材６０が常に介在しており、電極端子２０は、導電回路パターン１４から離間されている。緩衝部材６０は、導電回路パターン１４及び電極端子２０より低い耐力と低い融点とを有する。緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合する際に、緩衝部材６０が選択的に変形されるとともに、超音波ホーン７０によって印加される応力に対してクッションの役割を果たす。緩衝部材６０は、絶縁基板１１に含まれる絶縁樹脂シート１３が機械的な損傷を受けることを防止し得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法によれば、高い信頼性を有するパワー半導体モジュール１が得られる。
【００６１】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法では、超音波ホーン７０を用いて、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合する（Ｓ２０）際に、緩衝部材６０が選択的に変形される。そのため、超音波ホーン７０の突部７１が電極端子２０の第２の主面２２に食い込む際の電極端子２０の変形量が減少する。そのため、電極端子２０が変形する際に電極端子２０と超音波ホーン７０との間から飛散する電極端子２０のデブリの量も減少する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法によれば、高い信頼性を有するパワー半導体モジュール１が得られる。
【００６２】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法は、常温の環境下で行われ得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法では、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合する（Ｓ２０）際に、加熱装置は不要である。本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法は、パワー半導体モジュール１の製造コストと、パワー半導体モジュール１を製造するためのスペースとを減少させることができる。
【００６３】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１及びその製造方法では、緩衝部材６０は、２５０℃以下の融点を有してもよい。電極端子２０の第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てることによって、緩衝部材６０は固相から液相に相転移する。緩衝部材６０は、電極端子２０と緩衝部材６０との間の界面と緩衝部材６０と導電回路パターン１４との間の界面とに発生する摩擦熱一部を吸収する。緩衝部材６０は、絶縁基板１１に含まれる絶縁樹脂シート１３が熱的な損傷を受けることを防止し得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、高い信頼性を有する。
【００６４】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１及びその製造方法では、緩衝部材６０は、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだまたはＳｎ−Ｓｂ系はんだであってもよい。緩衝部材６０が、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだまたはＳｎ−Ｓｂ系はんだであるため、緩衝部材６０を介した電極端子２０と導電回路パターン１４との間の接合の信頼性が向上され得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、高い信頼性を有する。
【００６５】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１及びその製造方法では、導電回路パターン１４において、緩衝部材６０の外周６０ａの全ては、電極端子２０の第１の主面２１の外周２１ａの外側にあってもよい。電極端子２０は緩衝部材６０に対して容易に位置合わせされ得る。
【００６６】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、導電回路パターン１４の平面視において、緩衝部材６０の第２の面積は、電極端子２０の第１の主面２１の第１の面積の１００％より大きくかつ１１０％以下であってもよい。そのため、電極端子２０は緩衝部材６０に対して容易に位置合わせされ得るとともに、電極端子２０は高密度でパワー半導体モジュール１内に配置され得る。
【００６７】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、封止部材６７をさらに備えてもよい。封止部材６７は、パワー半導体素子（４０，４５）と、導電回路パターン１４と、緩衝部材６０と、緩衝部材６０に対向する電極端子２０の一部とを封止する。封止部材６７は、緩衝部材６０を介した電極端子２０と導電回路パターン１４との間の接合を補強し得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、高い信頼性を有する。
【００６８】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法では、導電回路パターン１４上に積み重ねられる緩衝部材６０は、０．２ｍｍ以上の厚さｔ6を有してもよい。そのため、超音波ホーン７０を用いて電極端子２０を導電回路パターン１４に接合する際に、電極端子２０と導電回路パターン１４との間から緩衝部材６０が排斥されて、電極端子２０が導電回路パターン１４に直接接合されることが防止される。本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、高い信頼性を有する。
【００６９】
実施の形態２．
図９を参照して、実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１ｂ及びその製造方法を説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂは、実施の形態１のパワー半導体モジュール１と同様の構成を備えるが、主に以下の点で異なる。
【００７０】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂでは、緩衝部材６０は、導電性接合部材５０と同じまたはより低い融点を有する。緩衝部材６０は、導電性接合部材５０と同じ材料であってもよい。第２の接合層６２は、緩衝部材６０と導電回路パターン１４との間の界面の全体に形成されてもよい。
【００７１】
図１０から図１２を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂの製造方法は、実施の形態１のパワー半導体モジュール１の製造方法と同様の工程を備えるが、主に以下の点で異なる。
【００７２】
図１０を参照して、導電性接合部材５０を介してパワー半導体素子（４０，４５）を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ１０）は、導電回路パターン１４上に導電性接合部材５０を積み重ねることと、導電性接合部材５０上にパワー半導体素子（４０，４５）を積み重ねることと、熱を印加して、導電性接合部材５０を介してパワー半導体素子（４０，４５）を導電回路パターン１４に接合することを含む。緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ２０）は、導電回路パターン１４上に緩衝部材６０を積み重ねることと、この熱を緩衝部材６０及び導電回路パターン１４に印加することによって、緩衝部材６０を導電回路パターン１４に接合することを含む。すなわち、熱を印加することによって、導電性接合部材５０を介してパワー半導体素子（４０，４５）が導電回路パターン１４に接合されるとともに、緩衝部材６０も導電回路パターン１４に接合される。熱を印加することによって、緩衝部材６０と導電回路パターン１４との間の界面に、第２の接合層６２が形成される。
【００７３】
具体的には、導電性接合部材５０が導電回路パターン１４上に積み重ねられ、それから、パワー半導体素子（４０，４５）が導電性接合部材５０上に積み重ねられる。緩衝部材６０が導電回路パターン１４上に積み重ねられる。それから、絶縁基板１１と導電性接合部材５０と緩衝部材６０とパワー半導体素子（４０，４５）とが加熱炉の中に入れられる。加熱炉の中で導電性接合部材５０と緩衝部材６０とが加熱される。こうして、パワー半導体素子（４０，４５）が導電性接合部材５０を介して導電回路パターン１４に接合されるとともに、緩衝部材６０と導電回路パターン１４との間の界面に第２の接合層６２が形成される。
【００７４】
図１１及び図１２を参照して、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ２０）は、緩衝部材６０上に電極端子２０を積み重ねることと、電極端子２０の第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てて電極端子２０と緩衝部材６０とを超音波接合することとを含む。第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てることによって、緩衝部材６０は固相から液相に相転移する。電極端子２０と緩衝部材６０との間の界面の一部に第１の接合層６１が形成される。電極端子２０と緩衝部材６０とは、常温の環境下で、互いに超音波接合される。
【００７５】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂ及びその製造方法の効果を説明する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂでは、緩衝部材６０は、導電性接合部材５０と同じまたはより低い融点を有する。パワー半導体モジュール１ｂは、導電性接合部材５０を介してパワー半導体素子（４０，４５）を導電回路パターン１４に接合する際に、緩衝部材６０もまた導電回路パターン１４に接合され得るように構成されている。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂは、パワー半導体モジュール１ｂを製造するための工程数が減少され得るように構成されている。
【００７６】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂの製造方法では、導電性接合部材５０を介してパワー半導体素子（４０，４５）を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ１０）は、導電回路パターン１４上に導電性接合部材５０を積み重ねることと、導電性接合部材５０上に、パワー半導体素子（４０，４５）を積み重ねることと、熱を印加して、導電性接合部材５０を介してパワー半導体素子（４０，４５）を導電回路パターン１４に接合することを含む。熱を印加することによって、緩衝部材６０と導電回路パターン１４とは接合される。このように、導電性接合部材５０を介してパワー半導体素子（４０，４５）を導電回路パターン１４に接合する（Ｓ１０）際に、緩衝部材６０もまた導電回路パターン１４に接合され得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂの製造方法によれば、パワー半導体モジュール１ｂを製造するための工程数が減少され得る。
【００７７】
実施の形態３．
図１３から図１６を参照して、実施の形態３に係るパワー半導体モジュール１ｃを説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃは、実施の形態１のパワー半導体モジュール１と同様の構成を備えるが、主に以下の点で異なる。
【００７８】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃでは、電極端子２０は、第１の主面２１から突出する１つ以上の突起部２５を含む。１つ以上の突起部２５は、導電回路パターン１４から離間されている。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃにおける電極端子２０と緩衝部材６０との間の接触面積は、実施の形態１のパワー半導体モジュール１における電極端子２０と緩衝部材６０との間の接触面積よりも増加する。１つ以上の突起部２５は、緩衝部材６０を介した電極端子２０と導電回路パターン１４との間の接合強度を増加させ得る。
【００７９】
図１３及び図１４に示されるように、１つ以上の突起部２５の各々は、その頂部に凸曲面を有してもよい。１つ以上の突起部２５の各々は、例えば、半球の形状を有してもよいし、半楕円球の形状を有してもよい。図１５に示されるように、１つ以上の突起部２５は、各々、多角錐または円錐の形状を有してもよい。図１６に示されるように、１つ以上の突起部２５は、各々、多角柱または円柱の形状を有してもよい。１つ以上の突起部２５は、多角柱、多角錐、円錐または円柱の形状を有し、かつ、その頂部に凸曲面を有してもよい。
【００８０】
１つ以上の突起部２５は、各々、緩衝部材６０の厚さｔ3の２０％以上の高さｈを有してもよいし、緩衝部材６０の厚さｔ3の３０％以上の高さｈを有してもよい。１つ以上の突起部２５は、各々、緩衝部材６０の厚さｔ3の７０％以下の高さｈを有してもよいし、緩衝部材６０の厚さｔ3の５０％以下の高さｈを有してもよい。本明細書において、１つ以上の突起部２５の各々の高さｈは、電極端子２０の第１の主面２１から１つ以上の突起部２５の各々の頂部の最大高さとして定義される。緩衝部材６０の厚さｔ3は、緩衝部材６０を介して電極端子２０が導電回路パターン１４に接合された後の緩衝部材６０の、第１の主面２１に対向する部分（１つ以上の突起部２５を除く）の最小厚さとして定義される。
【００８１】
図１７から図１９を参照して、実施の形態３に係るパワー半導体モジュール１ｃの製造方法を説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃの製造方法は、実施の形態１のパワー半導体モジュール１の製造方法と同様の工程を備えるが、主に以下の点で異なる。
【００８２】
図１７を参照して、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ２０）は、導電回路パターン１４上に緩衝部材６０を積み重ねることと、緩衝部材６０上に電極端子２０を積み重ねることとを含む。図１８及び図１９を参照して、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に接合すること（Ｓ２０）は、第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てて電極端子２０と緩衝部材６０とを超音波接合することを含む。電極端子２０は、第１の主面２１から突出する１つ以上の突起部２５を含む。１つ以上の突起部２５は、導電回路パターン１４から離間されている。
【００８３】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃ及びその製造方法の効果を説明する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃ及びその製造方法では、電極端子２０は、第１の主面２１から突出する１つ以上の突起部２５を含む。１つ以上の突起部２５は、導電回路パターン１４から離間されている。
【００８４】
そのため、第２の主面２２に超音波ホーン７０を押し当てて緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合し始める際の、本実施の形態における電極端子２０と緩衝部材６０との間の接触面積は、実施の形態１よりも減少する。電極端子２０を介して超音波ホーン７０から緩衝部材６０に加わる圧力が増加する。１つ以上の突起部２５は、緩衝部材６０の変形と、緩衝部材６０を介した電極端子２０と導電回路パターン１４との間の接合層（第１の接合層６１、第２の接合層６２）の形成とを促進する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃは、超音波ホーン７０から供給しなければならない超音波振動のエネルギーが減少され得るとともに、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合するために要する時間が短縮され得るように構成されている。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃの製造方法によれば、超音波ホーン７０から供給しなければならない超音波振動のエネルギーが減少され得るとともに、緩衝部材６０を介して電極端子２０を導電回路パターン１４に超音波接合するために要する時間が短縮され得る。
【００８５】
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃ及びその製造方法では、１つ以上の突起部２５の各々は、その頂部に凸曲面を有してもよい。頂部に凸曲面を有する１つ以上の突起部２５は、頂部に角部を有する１つ以上の突起部２５よりも、電極端子２０と緩衝部材６０との界面に発生する摩擦熱が局所的に過度に増加することを抑制し得る。そのため、絶縁樹脂シート１３が熱的な損傷を受けることが防止され得る。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃは、高い信頼性を有する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃの製造方法によれば、高い信頼性を有するパワー半導体モジュール１ｃが得られる。
【００８６】
実施の形態４．
本実施の形態は、実施の形態１から実施の形態３のいずれか１つに係るパワー半導体モジュールを電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
【００８７】
図２０に示される電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は、特に限定されないが、例えば、直流系統、太陽電池または蓄電池で構成されてもよいし、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成されてもよい。電源１００は、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成されてもよい。
【００８８】
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図２０に示されるように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
【００８９】
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００９０】
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子（図示せず）と還流ダイオード（図示せず）を備えている。スイッチング素子が電源１００から供給される電圧をスイッチングすることによって、主変換回路２０１は、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換して、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードとから構成され得る。主変換回路２０１の各スイッチング素子及び各還流ダイオードとして、上述した実施の形態１から実施の形態３のいずれかのパワー半導体モジュール１，１ｂ，１ｃに含まれるスイッチング素子４０及び還流ダイオード４５が適用され得る。主変換回路２０１を構成するパワー半導体モジュール２０２として、上述した実施の形態１から実施の形態３のいずれかのパワー半導体モジュール１，１ｂ，１ｃにが適用され得る。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００９１】
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示せず）を備えている。駆動回路は、パワー半導体モジュール２０２に内蔵されてもよいし、パワー半導体モジュール２０２の外部に設けられてもよい。駆動回路は、主変換回路２０１に含まれるスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成して、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に駆動信号を供給する。具体的には、制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。
【００９２】
本実施の形態に係る電力変換装置２００では、主変換回路２０１に含まれるパワー半導体モジュール２０２として、実施の形態１から実施の形態３のいずれかに係るパワー半導体モジュール１，１ｂ，１ｃが適用される。そのため、本実施の形態に係る電力変換装置２００は、低コストかつ高い信頼性を有する。
【００９３】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では２レベルの電力変換装置としたが、３レベルの電力変換装置であってもよいし、マルチレベルの電力変換装置であってもよい。電力変換装置が単相負荷に電力を供給する場合には、単相のインバータに本発明が適用されてもよい。電力変換装置が直流負荷等に電力を供給する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本発明が適用されてもよい。
【００９４】
本発明が適用された電力変換装置は、負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機もしくはレーザー加工機の電源装置、または、誘導加熱調理器もしくは非接触器給電システムの電源装置に組み込まれ得る。本発明が適用された電力変換装置は、太陽光発電システムまたは蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いられ得る。
【００９５】
今回開示された実施の形態１−４はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態１−４の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本発明の範囲は、上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
【符号の説明】
【００９６】
１，１ｂ，１ｃ  パワー半導体モジュール、１１  絶縁基板、１２  放熱部材、１３  絶縁樹脂シート、１３ａ  第１の面、１３ｂ  第２の面、１３ｇ  亀裂、１４  導電回路パターン、１８  接着剤、２０  電極端子、２１  第１の主面、２１ａ  外周、２２  第２の主面、２３  凹凸構造、２５  突起部、４０  スイッチング素子、４１  第１の電極、４２  第２の電極、４３  第３の電極、４５  還流ダイオード、４６  第４の電極、４７  第５の電極、５０  導電性接合部材、５５，５６，５７  導電ワイヤ、６０  緩衝部材、６０ａ  外周、６１  第１の接合層、６２  第２の接合層、６５  ケース、６７  封止部材、７０  超音波ホーン、７１  突部、１００  電源、２００  電力変換装置、２０１  主変換回路、２０２  パワー半導体モジュール、２０３  制御回路、３００  負荷。 
【図１】
2018190930.tif 000003
【図２】
2018190930.tif 000004
【図３】
2018190930.tif 000005
【図４】
2018190930.tif 000006
【図５】
2018190930.tif 000007
【図６】
2018190930.tif 000008
【図７】
2018190930.tif 000009
【図８】
2018190930.tif 000010
【図９】
2018190930.tif 000011
【図１０】
2018190930.tif 000012
【図１１】
2018190930.tif 000013
【図１２】
2018190930.tif 000014
【図１３】
2018190930.tif 000015
【図１４】
2018190930.tif 000016
【図１５】
2018190930.tif 000017
【図１６】
2018190930.tif 000018
【図１７】
2018190930.tif 000019
【図１８】
2018190930.tif 000020
【図１９】
2018190930.tif 000021
【図２０】
2018190930.tif 000022