(57)【要約】【課題】高温の負荷条件でも電力半導体素子周辺の接合部や、絶縁基板とヒートシンクの接合部にクラックを生じることのない、電力半導体装置の提供を目的とする。【解決手段】本発明の電力半導体装置は、Ｃｕからなる厚さ２〜３ｍｍのヒートシンク３と、ヒートシンク３上に第１の接合層（基板下はんだ５）を介して接合された絶縁基板２と、絶縁基板２上に搭載された電力半導体素子１と、を備え、ヒートシンク３には、絶縁基板２との接合領域の周囲にバッファ溝３ａが形成される。【選択図】図２
2011253950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕからなる厚さ２〜３ｍｍのヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に第１の接合層を介して接合された絶縁基板と、
前記絶縁基板上に搭載された電力半導体素子と
を備え、
前記ヒートシンクには、前記絶縁基板との接合領域の周囲に溝が形成される、電力半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁基板は、
前記第１の接合層を介して前記ヒートシンクと接合するＣｕからなる裏面パターンと、
前記裏面パターン上に形成されるＳｉ3Ｎ4からなる基材と、
前記基材上に形成されＣｕからなる回路パターンと
を備え、
前記回路パターン上に第２の接合層を介して前記電力半導体素子が接合され、
前記基材は厚さが０．２５〜０．３５ｍｍであり、
前記裏面パターンと前記回路パターンは同じ厚さで０．３５〜０．４５ｍｍである、請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項３】
前記溝は前記ヒートシンクを貫通しない範囲で幅２〜３ｍｍ、深さ１．５〜２ｍｍである、請求項１又は２に記載の電力半導体装置。
【請求項４】
前記電力半導体素子上に、第３の接合層を介して形成されたバッファプレートと、
前記バッファプレート上にボンディングされて電気配線を行うＡｌワイヤと
をさらに備え、
前記バッファプレートは、前記Ａｌワイヤと前記電力半導体素子の中間の線膨張係数を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の電力半導体装置。
【請求項５】
前記バッファプレートは、Ｃｕ・Ｍｏ合金、Ｃｕ／ｉｎｖａｒ／Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｕ・Ｍｏ合金／Ｃｕのいずれかの材料から形成され、少なくとも表面にＡｌ又はＮｉの薄膜が形成される、請求項４に記載の電力半導体装置。
【請求項６】
前記Ａｌ又はＮｉの薄膜はＰＶＤ法を用いて形成される、請求項５に記載の電力半導体装置。
【請求項７】
前記第３の接合層は、マイクロＡｇ又はナノＡｇペーストであることを特徴とする、請求項５又は６に記載の電力半導体装置。
【請求項８】
前記バッファプレートは、平面形状が円形又は楕円形である、請求項４〜７のいずれかに記載の電力半導体装置。
【請求項９】
前記ヒートシンクに接合されて前記絶縁基板、前記電力半導体素子を囲う外筺体と、
前記外筺体の内部で前記絶縁基板、前記電力半導体素子を封止する封止樹脂と
を備え、
前記回路パターンは、前記電力半導体素子が接合される領域外にディンプル加工が施される、請求項３〜８のいずれかに記載の電力半導体装置。
【請求項１０】
絶縁基板と、
前記絶縁基板上に接合層を介して接合された電力半導体素子と、
前記電力半導体素子上に接合層を介して接合されたバッファプレートと、
前記バッファプレート上にボンディングされて電気配線を行うＡｌワイヤと
を備え、
前記バッファプレートは、前記Ａｌワイヤと前記電力半導体素子の中間の線膨張係数を有する、電力半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力半導体素子が絶縁基板の金属回路パターンにはんだ材等で接合され、さらに絶縁基板の裏面金属パターンがはんだ材等でヒートシンクに接合された構成の電力半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体素子をマウントした絶縁基板を、放熱板としての金属ベース板に搭載してはんだ付けし、これに樹脂ケースや外部導出端子等を組み合わせて構成する電力半導体素子が開示されている。
【０００３】
このような構成の一般産業用電力半導体装置の熱ストレスに対する信頼性評価試験では、例えば電力半導体素子に通電せず周囲環境温度を変化させて絶縁基板下はんだの耐疲労特性などを確認するヒートサイクル試験が行われる。ヒートサイクル試験では、温度変化条件が−４０℃〜１２５℃に設定されている。
【０００４】
この他、周囲環境温度は変化させず電力半導体素子に断続的に通電して主に電力半導体素子上のＡｌワイヤ接合部や電力半導体素子下はんだの耐疲労特性などを確認するパワーサイクル試験が行われる。パワーサイクル試験では、電力半導体素子の最高温度を１２５℃に制限し、通電時と非通電時との電力半導体素子温度の差を一定に保つように負荷条件が設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２０２０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、近年の電力半導体装置の小型化や高耐熱素子の採用に対応すべく、これらの試験の温度条件が厳しくなっており、ヒートサイクル試験の温度変化条件が−４０℃〜１２５℃から−４０℃〜１５０℃へ、また、パワーサイクル試験における電力半導体素子の最高温度が１２５℃から１７５℃へと移行しつつある。このような高温環境下に於いて使用される電力半導体装置では、電力半導体素子と絶縁基板のはんだ接合部や、電力半導体素子のＡｌワイヤ接合部に早期にクラックが発生し、従来から要求されていた寿命（信頼性）が得られないという課題が生じていた。
【０００７】
そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、高温の負荷条件でも電力半導体素子周辺の接合部や、絶縁基板とヒートシンクの接合部にクラックを生じることのない、電力半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の電力半導体装置は、Ｃｕからなる厚さ２〜３ｍｍのヒートシンクと、ヒートシンク上に第１の接合層を介して接合された絶縁基板と、絶縁基板上に搭載された電力半導体素子と、を備え、ヒートシンクには、絶縁基板との接合領域の周囲に溝が形成される。
【０００９】
本発明の第２の電力半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板上に接合層を介して接合された電力半導体素子と、電力半導体素子上に形成されたバッファプレートと、バッファプレート上にボンディングされて電気配線を行うＡｌワイヤとを備え、バッファプレートは、Ａｌワイヤと電力半導体素子の中間の線膨張係数を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の第１の電力半導体装置は、Ｃｕからなる従来（４ｍｍ）よりも薄い厚さ２〜３ｍｍのヒートシンクを備えることにより、熱応力による第１の接合層に発生する歪みを軽減することが出来る。また、ヒートシンクには、絶縁基板の接合領域の周囲に溝を形成することにより、ヒートシンクの反りを抑制し、第１の接合層にクラックが生じることを防ぐ。
【００１１】
本発明の第２の電力半導体装置は、Ａｌワイヤと電力半導体素子の中間の線膨張係数を有するバッファプレートを設けることにより、高温で熱膨張する際にＡｌワイヤの接合部に加わる応力が軽減する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の前提技術に係る電力半導体装置の断面図である。
【図２】実施の形態１に係る電力半導体装置の断面図である。
【図３】絶縁基板と回路パターンを示す平面図である。
【図４】絶縁基板の構成を示す断面図である。
【図５】回路パターンのディンプルを示す拡大図である。
【図６】ヒートシンクのバッファ溝を示す平面図である。
【図７】ヒートシンクのバッファ溝を示す平面図である。
【図８】ヒートシンクのバッファ溝を示す平面図である。
【図９】実施の形態２に係る電力半導体装置の断面図である。
【図１０】バッファプレートの構成を示す断面図である。
【図１１】バッファプレートの構成を示す断面図である。
【図１２】バッファプレートの構成を示す断面図である。
【図１３】バッファプレートの形状を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（前提技術）
本発明の前提技術となる電力半導体装置の断面図を図１に示す。電力半導体素子１ａ、１ｂが素子下はんだ４ａ、４ｂを介して絶縁基板２の回路パターン２０１ａにそれぞれ接合される。０．６３５ｍｍ厚のセラミックである窒化アルミ（ＡｌＮ）基材２０２の表面に０．２５〜０．３ｍｍ厚のＣｕ材からなる回路パターン２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃが形成され、ＡｌＮ基材２０２の裏面には回路パターン２０１と同一の材料、厚みの裏面パターン２０３が形成され、これらがＡｇ、Ｃｕ、Ｔｉ系の活性金属ろう材で予め接合されて絶縁基板２を構成している。
【００１４】
絶縁基板２の裏面パターン２０３は基板下はんだ５を介して４ｍｍ厚のＣｕ材からなるヒートシンク３に接合される。絶縁基板２やこの上に形成された電力半導体素子１ａ，１ｂの周囲を覆うようにして、樹脂ケース６がヒートシンク３に接着剤９で接合される。樹脂ケース６には電極端子７、信号端子８ａ、８ｂが装着され、電極端子７は、端子付けはんだ１０により回路パターン２０１ｂに接合される。電力半導体素子１ａと信号端子８ａ、電力半導体素子１ａと電力半導体素子１ｂ、回路パターン２０１ｃと信号端子８ｂとは夫々アルミワイヤ１１ａ、１１ｂ、１１ｃにより配線される。樹脂ケース６内はシリコーンゲルやエポキシ樹脂等の封止樹脂１２で封止される。なお、電力半導体装置を電気的に制御する電子部品を搭載した制御基板は図示していない。
【００１５】
以上のように構成された電力半導体装置にヒートサイクル負荷を与えると、絶縁基板２の見かけの線膨張係数（α≒７ｐｐｍ）とＣｕ材からなるヒートシンク3の線膨張係数（α＝１７ｐｐｍ）とのミスマッチにより基板下はんだ５に歪が生じ、ヒートサイクル負荷の経過に伴い微小クラックが発生し、クラックが進展して電力半導体素子の熱放散が阻害され、遂には電力半導体素子１ａ、１ｂの破壊に至る。しかし、ヒートサイクルの温度変化条件−４０〜１２５℃では上記のような現象が起こらないよう、信頼性保証寿命サイクルを満足する構造設計がなされている。しかしながら、ヒートサイクル試験の温度変化条件を−４０〜１２５℃から−４０℃〜１５０℃へ設定変更した場合、解析上における基板下はんだ歪は約４５％増大し、歪の増大に伴い信頼性寿命は実評価に於いても約１／１０以下に低下することが判明した。
【００１６】
さらに、電力半導体素子１ａとアルミワイヤ１１ａ、１１ｂとの接合部においても、ヒートサイクルの熱負荷により電力半導体素子１ａの線膨張係数（α≒４ｐｐｍ）とアルミワイヤ１１ａ，１１ｂの線膨張係数（α≒２３ｐｐｍ）とのミスマッチ（Δα≒１９ｐｐｍ）に基づく熱応力が生じ、微細なクラックが進展する。パワーサイクル試験における電力半導体素子１ａの最高温度を１２５℃に制限した場合に、上記のような現象が起こらないよう、必要な信頼性保証寿命サイクルを満足するように構造設計を行っていたが、最高温度が１２５℃から１７５℃へ厳しく移行することにより、アルミワイヤ１１ａ，１１ｂと電力半導体素子１ａの接合部の寿命が約１／４に低下することが判明した。
【００１７】
そこで、本発明では高温の負荷条件でも装置の信頼性寿命を維持するための様々な工夫を行った。
【００１８】
（実施の形態１）
図２は、実施の形態１の電力半導体装置の構成を示す。図１に示した前提技術に係る電力半導体装置と同一の構成要素については同一の参照番号を付している。本実施の形態の電力半導体装置は、電力半導体素子１ａ，１ｂと、電力半導体素子１ａ，１ｂが素子下はんだ４ａ，４ｂを介してそれぞれ接合される絶縁基板２と、絶縁基板２が基板下はんだ５を介して接合されるヒートシンク３とを備えている。
【００１９】
絶縁基板２は、絶縁基材であるＳｉ3Ｎ4基材２１２と、Ｓｉ3Ｎ4基材２１２の裏面に設けられるＣｕからなる裏面パターン２１３と、Ｓｉ3Ｎ4基材２１２の表面に設けられる裏面パターン２１３と同厚のＣｕからなる回路パターン２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃとから構成され、これらがＡｇ、Ｃｕ、Ｔｉ系の活性金属ろう材で予め接合されて絶縁基板２を構成する。
【００２０】
絶縁基板２の裏面パターン２０３は基板下はんだ５を介してＣｕからなるヒートシンク３に接合される。絶縁基板２や電力半導体素子１ａ，１ｂの周囲を覆うようにして、樹脂ケース６がヒートシンク３に接着剤９で接合される。樹脂ケース６には電極端子７、信号端子８ａ、８ｂが装着され、電極端子７は、端子付けはんだ１０により回路パターン２０１ｂに接合される。電力半導体素子１ａと信号端子８ａ、電力半導体素子１ａと電力半導体素子１ｂ、回路パターン２０１ｃと信号端子８ｂとは各々アルミワイヤ１１ａ、１１ｂ、１１ｃにより配線される。なお、配線材料としてはこの他、アルミリボン、Ｃｕワイヤ、アルミＣｕクラッドリボンなどを用いても良い。樹脂ケース６内はシリコーンゲルやエポキシ樹脂等の封止樹脂１２で封止される。なお、電力半導体装置を電気的に制御する電子部品を搭載した制御基板は図示していない。
【００２１】
＜絶縁基板＞
本実施の形態では絶縁基板２の絶縁基材にＳｉ3Ｎ4基材２１２を用いる。その抗折強度は約６００ＭＰａであって、従来の窒化アルミ（ＡｌＮ）基材２０２の抗折強度約３００ＭＰａの２倍である。Ｓｉ3Ｎ4基材２１２の厚さは従来のＡｌＮ基材２０２の０．６３５ｍｍに対し０．２５〜０．３５ｍｍと薄厚化する。一方、回路パターン２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ及び裏面パターン２１３の厚さは、従来の回路パターン２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ及び裏面パターン２０３の０．２５〜０．３ｍｍより厚い０．３５〜０．４５ｍｍとする。これにより、絶縁基板２トータルの線膨張係数を約７ｐｐｍから約１０ｐｐｍに高めて、Ｃｕ材からなるヒートシンク3の線膨張係数１７ｐｐｍに漸近させる。
【００２２】
Ｓｉ3Ｎ4基材２１２の熱伝導率は約９０Ｗ／ｍ・Ｋであり、従来のＡｌＮ基材２０２の約１８０Ｗ／ｍ・Ｋの約１／２と小さいが、基材の厚みを従来の１／２にするため、熱抵抗は従来と同等である。
【００２３】
なお、回路パターン２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃと裏面パターン２１３を同一の厚さにすることにより、（回路パターン２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃの体積）≦（裏面パターン２１３の体積）となり、加熱時の絶縁基板２の反りの方向が回路パターン２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ側に凹となる。よって、はんだ付け時に生じた基板下はんだ５中の気泡（ボイド）を容易に排出することが出来る。
【００２４】
図３は、絶縁基板２のＳｉ3Ｎ4基材２１２とこの上に接合された回路パターン２１１ａを示す平面図であり、図４は図３のＡ−Ａ断面図、図５は図４のＢ部拡大図である。図３に示すように、回路パターン２１１ａの電力半導体素子を搭載する面２１５の周囲にディンプル２１４が形成される。その断面形状は、図５に示すように、表面部の直径Ｄ1より球状の直径Ｄ2の方が僅かに大きくなるようにエッチング等で加工される。このようなディンプル２１４を回路パターン２１１ａに設けることにより、樹脂ケース6内をエポキシ樹脂１２で封止する場合に、アンカー効果によってエポキシ樹脂１２と絶縁基板２の密着性が高まる。密着性を高めることにより、高温時において素子下はんだ４ａ，４ｂにクラックが発生したとしても、口開きを抑えて進展抑制が図られる。エポキシ樹脂１２の線膨張係数は、素子下はんだ４ａ，４ｂの２０〜２６ｐｐｍより小さい線膨張係数１２〜１６ｐｐｍに設定する。
【００２５】
＜ヒートシンク＞
ヒートシンク３には前提技術と同様にＣｕ材を用いるが、熱履歴を受ける場合に生じる基板下はんだ５の歪を軽減すべく、その厚みは従来のヒートシンクより約１〜２ｍｍ薄い２〜３ｍｍ程度に薄厚化される。また、ヒートシンク３には絶縁基板２の周囲に位置するようにバッファ溝３ａが配置され、基板下はんだ５の歪をより軽減すると共に、ヒートシンク３の厚みを薄くしたことに伴う反りを抑制する。
【００２６】
バッファ溝３ａのサイズは、幅２〜３ｍｍ、深さはヒートシンク３を貫通しない範囲で１．５〜２ｍｍとするが、詳細はヒートシンク３の他、絶縁基板２など周辺部材のサイズや構造、基板下はんだ５の歪み及びヒートシンク３の反りの低減目標などにより決定される。また、バッファ溝３ａは、ヒートシンク３の曲げ強度を著しく低下させないようにヒートシンク３の端部には形成しない。
【００２７】
図６〜図８は、ヒートシンク３上に絶縁基板２を６つ図示のように配列する場合を想定して、バッファ溝３ａの形状を例示する平面図である。バッファ溝３ａは、図６に示すように絶縁基板２の外周に沿って設けても良いし、図７に示すように絶縁基板２の間に設けても良い。あるいは、図８に示すように絶縁基板２の間に断続的に設けても良い。バッファ溝３ａはヒートシンク３の端部にまでは至らないように配置される。いずれの形状のバッファ溝３ａによっても、基板下はんだ５の歪みが軽減されると共に、ヒートシンク３の薄厚化に伴う反りが抑制される。
【００２８】
＜効果＞
実施の形態１の電力半導体装置によれば、以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態の電力半導体装置は、Ｃｕからなる厚さ２〜３ｍｍのヒートシンク３と、ヒートシンク３上に基板下はんだ５（第１の接合層）を介して接合された絶縁基板２と、絶縁基板２上に搭載された電力半導体素子１ａとを備え、ヒートシンク３には、絶縁基板２との接合領域の周囲にバッファ溝３ａが形成される。ヒートシンク３を従来のヒートシンクより薄厚化したことにより、基板下はんだ５の歪みを軽減し、さらにバッファ溝３ａを形成することによって、ヒートシンク３を薄厚化したことによる反りを抑制する。
【００２９】
また、絶縁基板２は、基板下はんだ５を介してヒートシンク３と接合するＣｕからなる裏面パターン２１３と、裏面パターン２１３上に形成される絶縁基材としてのＳｉ3Ｎ4基材２１２と、Ｓｉ3Ｎ4基材２１２基材上に形成されＣｕからなる回路パターン２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃとを備え、回路パターン２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ上に素子下はんだ４ａ（第２の接合層）を介して電力半導体素子１ａが接合され、Ｓｉ3Ｎ4基材は厚さが０．２５〜０．３５ｍｍであり、裏面パターン２１３と回路パターン２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃは同じ厚さで０．３５〜０．４５ｍｍである。従来と比べて絶縁基材を薄くし、その代わりにＣｕからなる裏面パターン２１３及び回路パターン２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃを厚くすることで、線膨張係数をＣｕからなるヒートシンク３に近づけ、両者の線膨張係数の差により生じる基板下はんだ５の歪みを軽減する。
【００３０】
また、バッファ溝３ａはヒートシンク３を貫通しない範囲で幅２〜３ｍｍ、深さ１．５〜２ｍｍとする。このような寸法のバッファ溝３ａを設けることにより、ヒートシンク３の反りを軽減する。
【００３１】
さらに電力半導体装置は、ヒートシンク３に接合されて絶縁基板２、電力半導体素子１ａを囲う樹脂ケース６（外筺体）と、樹脂ケース６の内部で絶縁基板２、電力半導体素子１ａを封止する封止樹脂１２とを備え、回路パターン２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃは、電力半導体素子１ａが接合される領域２１５外にディンプル２１４が形成される。このようなディンプル２１４を回路パターン２１１ａに設けることにより、樹脂ケース6内をエポキシ樹脂１２で封止する場合に、アンカー効果によってエポキシ樹脂１２と絶縁基板２の密着性が高まり、高温時において素子下はんだ４ａ，４ｂにクラックが発生したとしても、口開きを抑えて進展抑制が図られる。
【００３２】
（実施の形態２）
図９は、実施の形態２の電力半導体装置の構成を示す断面図である。図１に示した前提技術の電力半導体装置と同一の構成には同一の参照番号を付している。本実施の形態の電力半導体装置は、前提技術の構成に加えて、電力半導体素子１ａ上にバッファプレート下接合材１４を介して接合されるバッファプレート１３を備えたものである。
【００３３】
バッファプレート１３と信号電極８ａ、バッファプレート１３と電力半導体素子１ｂが、それぞれＡｌワイヤ１１ａ，１１ｂで配線される。それ以外の構成は前提技術と同様であるため、説明を省略する。なお、前提技術の構成を前提として本実施の形態の電力半導体装置を説明しているが、実施の形態１の電力半導体装置においてバッファプレート１３を設ける構成としても良い。
【００３４】
図１０〜図１２はバッファプレート１３の構成を例示する断面図であり、図１３はバッファプレート１３の平面図である。バッファプレート１３は、例えば図１０に示すようにｉｎｖａｒとその表面及び裏面のＣｕ箔からなるＣｕ−ｉｎｖａｒ−Ｃｕクラッド材で構成される。あるいは、図１１に示すようにＣｕＭｏ合金、さらには図１２に示すようにＣｕＭｏ合金とその表面及び裏面のＣｕ箔からなるＣｕ−ＣｕＭｏ−Ｃｕクラッド材であっても良い。
【００３５】
また、応力バッファプレート１３の少なくとも表面側をめっきまたは物理蒸着（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）などで表面処理してＡｌ薄膜またはＮｉ薄膜を形成し、Ａｌワイヤ１１ａとの接合性を向上させても良い。特にバッファプレート下接合材１４にマイクロＡｇやナノＡｇペースト等を用いる場合には、バッファプレート１３の裏面をベアとする方が接合性に優れることから、裏面はあえて表面処理をせず、表面のＡｌワイヤボンド側にのみＡｌ薄膜やＮｉ薄膜を形成する。このように片面にのみ表面処理をする場合、めっきの場合はめっきを不要とする面をマスキング処理する必要があるが、ＰＶＤの場合はマスキング処理を要しないというコスト上のメリットがある。
【００３６】
いずれの構成においても、バッファプレート１３の線膨張係数はＡｌワイヤ（約２３ｐｐｍ）１１ａと電力半導体素子１ａ（約４ｐｐｍ）の中間となる７〜１３ｐｐｍ程度に選定される。
【００３７】
また、バッファプレート１３はバッファプレート下接合材１４に負担を与えないように薄厚化し、０．５〜１．０ｍｍ程度の範囲で、目標とする線膨張係数に応じて各クラッド材の厚みを設定する。バッファプレート１３をクラッド材で構成する場合には、基本的に表面と裏面に位置する金属材質とその厚みを同一にし、バッファプレート１３自体の反り防止を抑制する。
【００３８】
また、バッファプレート１３の平面形状を図１３に示すように円形または楕円形とすることにより、バッファプレート下接合材１４に生じる熱応力が分散・緩和され、電力半導体素子１ａとの信頼性の高い接合が得られる。
【００３９】
数値解析では、Ａｌワイヤ１１ａと電力半導体素子１ａの接合における接合部の応力を１とするとき、線膨張係数７ｐｐｍのバッファプレート１３を使用することで応力比が０．７に、同１１ｐｐｍのバッファプレートを使用することで応力比が０．５に軽減されるという結果を得た。バッファプレート１３の線膨張係数は、表面に接合されるＡｌワイヤ１１ａの接合部信頼性寿命と、電力半導体素子１ａを接合するバッファプレート１３の裏面接合材１４の信頼性寿命のバランスを考慮して、最適値を選定する。
【００４０】
＜効果＞
実施の形態２の電力半導体装置によれば、以下の効果を奏する。すなわち、実施の形態２の電力半導体装置は、電力半導体素子１ａ上に、バッファプレート下接合層１４（第３の接合層）を介して形成されたバッファプレート１３と、バッファプレート１３上にボンディングされて電気配線を行うＡｌワイヤ１１ａとをさらに備え、バッファプレート１３は、Ａｌワイヤ１１ａと電力半導体素子１ａの中間の線膨張係数を有する。このようなバッファプレート１３を設けることにより、Ａｌワイヤのボンディング部分に加わる応力が軽減され信頼性が向上する。
【００４１】
また、バッファプレート１３は、Ｃｕ・Ｍｏ合金、Ｃｕ／ｉｎｖａｒ／Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｕ・Ｍｏ合金／Ｃｕのいずれかの材料から形成され、少なくとも表面にＡｌ又はＮｉの薄膜が形成されることにより、Ａｌワイヤ１１ａとの接合性が向上する。
【００４２】
また、当該Ａｌ又はＮｉの薄膜をバッファプレート１３の片面にのみ形成する場合、めっきの場合はめっきを不要とする面をマスキング処理する必要があるが、ＰＶＤの場合はマスキング処理を要しないというコスト上のメリットがある。
【００４３】
また、バッファプレート下接合層１４をマイクロＡｇ又はナノＡｇペーストとする場合は、バッファプレート１３の裏面にＡｌ又はＮｉの薄膜を形成しないベア状態での接合性が良い。
【００４４】
さらに、バッファプレート１３の平面形状を円形又は楕円形とすることにより、バッファプレート下接合材１４に生じる熱応力が分散・緩和され、電力半導体素子１ａとの信頼性の高い接合が得られる。
【００４５】
また、電力半導体装置は、絶縁基板２と、絶縁基板２上に素子下はんだ層４（接合層）を介して接合された電力半導体素子１ａと、電力半導体素子１ａ上にバッファプレートした接合層１４（接合層）を介して接合されたバッファプレート１３と、バッファプレート１３上にボンディングされて電気配線を行うＡｌワイヤ１１ａとを備え、バッファプレート１３は、Ａｌワイヤ１１ａと電力半導体素子１ａの中間の線膨張係数を有する。このようなバッファプレート１３を設けることにより、Ａｌワイヤのボンディング部分に加わる応力が軽減され信頼性が向上する。
【符号の説明】
【００４６】
１ａ，１ｂ，１ｃ  電力半導体素子、２  絶縁基板、３  ヒートシンク、３ａ  バッファ溝、４ａ，４ｂ  素子下はんだ、５  基板下はんだ、６  樹脂ケース、７  電極端子、８ａ，８ｂ  信号端子、９  接着剤、１０  端子付はんだ、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ  アルミワイヤ、１２  封止樹脂、１３  バッファプレート、１４  バッファプレート下接合材、２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ  回路パターン、２０２  ＡｌＮ基材、２１２  Ｓｉ3Ｎ4基材、２０３，２１３  裏面パターン、２１４  ディンプル、２１５  素子搭載面。
【図１】
2011253950.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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