(57)【要約】【課題】低抵抗で耐熱性が高く、信頼性の高い異種金属部材間の接合体を形成することを目的とする。【解決手段】第１の金属部材１と、第１の金属との２元合金に共晶点が存在する第２の金属部材２との接合方法であって、第１と第２の金属よりも融点が低く、第１の金属よりも化学ポテンシャルが貴な第３の金属からなる接合補助材３を、両金属部材間に挿入し、接合補助材３の融点よりも低い第１の温度Ｔ１で、接合補助材３よりも化学ポテンシャルが卑な第１の金属部材１が塑性変形する第１の力Ｆ１で加圧し（Ｓ２０、Ｓ３０）、第１の力Ｆ１よりも小さい第２の力Ｆ２で加圧し、第１と第２の金属部材の融点よりも低く、共晶点の温度ＴＥと接合補助材３の融点より高い第２の温度Ｔ２まで加熱した後、共晶点の温度ＴＥより低い温度まで冷却する（Ｓ４０〜Ｓ７０）ようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属または前記第１の金属を主成分とする合金を用いた第１の金属部材と、前記第１の金属との２元合金に共晶点が存在する第２の金属または前記第２の金属を主成分とする合金を用いた第２の金属部材との接合方法であって、
前記第１の金属および前記第２の金属よりも融点が低く、前記第１の金属および前記第２の金属のうち、少なくとも一方の金属よりも化学ポテンシャルが貴な第３の金属または前記第３の金属を主成分とする合金からなる接合補助材を、前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との間に挿入し、
前記接合補助材の融点よりも低い第１の温度で、前記第１の金属部材および前記第２の金属部材のうち、少なくとも前記接合補助材よりも化学ポテンシャルが卑な金属を用いた金属部材が塑性変形する第１の力で加圧し、
前記第１の力よりも小さい第２の力で加圧し、前記第１の金属の融点および前記第２の金属の融点よりも低く、前記共晶点の温度および前記接合補助材の融点より高い第２の温度まで加熱した後、少なくとも前記共晶点の温度より低い温度まで冷却する、
ことを特徴とする金属部材の接合方法。
【請求項２】
第１の金属または前記第１の金属を主成分とする合金を用いた第１の金属部材と、前記第１の金属との２元合金に共晶点が存在する第２の金属または前記第２の金属を主成分とする合金を用いた第２の金属部材との接合方法であって、
前記第１の金属および前記第２の金属よりも融点が低く、前記第１の金属よりも化学ポテンシャルが貴で前記第２の金属よりも化学ポテンシャルが卑な第３の金属または前記第３の金属を主成分とする合金からなる接合補助材を、前記第１の金属部材の所定部分の表面にコーティングし、
前記第１の部材の所定部分を前記第２の部材に接触させ、
所定の力で加圧し、前記第１の金属の融点および前記第２の金属の融点よりも低く、前記共晶点の温度および前記接合補助材の融点より高い第２の温度まで加熱した後、少なくとも前記共晶点の温度より低い温度まで冷却する、
ことを特徴とする金属部材の接合方法。
【請求項３】
前記第１の金属はアルミニウムであり、
前記第２の金属は銅であり、
前記第３の金属は亜鉛である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の金属部材の接合方法。
【請求項４】
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材のうち、融点の低い金属を用いた金属部材側から加熱を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の金属部材の接合方法。
【請求項５】
銅または銅合金を用いた金属部材を接合対象とする金属部材であって、
少なくとも前記接合対象部材との接合予定部分の表面に亜鉛がコーティングされていることを特徴とするアルミニウムまたはアルミ合金を用いた金属部材。
【請求項６】
表面にアルミ電極が形成された半導体素子と、
前記半導体素子と前記半導体素子から離れた端子とを接続する銅製の電気接続部材と、を備え、
前記アルミ電極と前記銅製の電気接続部材とが、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の金属部材の接合方法により接合されていることを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項７】
前記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６に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
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、または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７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、アルミニウムを主成分とする部材と、銅を主成分とする部材、例えば、アルミ線と銅または銅合金電極との接合、および銅線とアルミ板のように異なる金属部材間を接合する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバーターなどの電力用半導体装置に使用されるスイッチング素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等）や整流素子では、電力損失を低減する必要があり、近年、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウムのようなワイドバンドギャップ半導体の電力用半導体装置が開発されている。ワイドギャップ半導体の場合、素子自身の耐熱性が高く、大電流による高温動作が可能であるが、その特性を発揮するためには、電力用半導体装置内の端子や電極に用いられる金属部材自体の耐熱性も要求される。そのため、電力用半導体装置の端子や半導体素子の電極材料としては、低抵抗で動作温度以上の融点を持つ材料の中で、安価なアルミニウムが多用される。一方、アルミニウムは融点以下の温度でも高温で剛性が低下するので、電極や端子間のリードフレームやボンディング材には、アルミよりも高価であるが、高温での剛性が高い銅を用いることになる。
【０００３】
そのため、銅とアルミニウムといった異種金属部材を接合する技術が要求される。こうした銅とアルミニウムといった異種金属間の接合には、従来から、はんだ付け、ロウ付け、カシメ、フュージング（熱カシメ）など多様な方法がある。しかし、上記のように、とくに接合部での低電力損失、高温での安定性が要求される場合、接合する材料同士を直接接合させるフュージングが好ましく用いられることになる。フュージングとは、２種の金属を重ね合わせた状態で、加圧・加熱を行い、接合面表面の酸化膜を除去するとともに、相互熱拡散を生じさせることにより接合させるものである。
【０００４】
ところが、電力用半導体装置で多く用いられるアルミニウムを主成分とする部材（アルミ材）と、銅を主成分とする部材（銅材）とをフュージングで接合する場合、双方とも熱伝導が高く、融点の差が約５００℃と大きいことから、銅材が軟化する前にアルミ材が軟化、または溶融してしまい、アルミ材および銅材の表面酸化膜を十分に除去できないことから接合面積がばらつき、接合条件によっては十分な強度が得られないことがあった。特に、絶縁被覆されたアルミ線を、銅電極にフュージングで接合する場合には、表面酸化膜のみならずアルミ線表面に被覆された絶縁層を除去することが必要なため、一層接合状態のばらつきが大きくなり、接合部の信頼性低下が懸念されていた。
【０００５】
そこで、例えば凹状の端子と凸状の端子とを接合させる場合に、凹状の端子の中央に突起部を形成し、加圧した際に突状の端子が突起部に沿って変形することで加圧力を均等にする接合方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００６】
一方、酸化被膜を除去する方法としては、接合部材よりも化学ポテンシャルの卑な材料を含むフラックスを用いる方法がある（例えば非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−７５４８１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】溶接学会論文集第２２巻、第１号、pp.163-167、2004「マグネシウム合金AZ31Bろう付用フラックスおよびろう材の開発」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記のように接合する材料を押しつけることによる機械的変形では、十分に絶縁被覆の排出や酸化膜を除去することができず、一見むらなく接合しているようでも、ばらつきが残り、接合部の信頼性を向上させることはできなかった。
【００１０】
また、フラックス材を用いて酸化被膜を除去した場合、接合部周辺にアルミニウムよりも化学ポテンシャルが卑な材料、つまり耐食性が低い材料が残存することになるので、酸化被膜がきれいにとれて、しっかりと接合できていても、経時的に接合部が劣化する恐れがあり、接合部の信頼性を保つことが困難であった。
【００１１】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、低抵抗で耐熱性が高く、信頼性の高い異種金属部材間の接合体を形成することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明にかかる金属部材の接合方法は、第１の金属または前記第１の金属を主成分とする合金を用いた第１の金属部材と、前記第１の金属との２元合金に共晶点が存在する第２の金属または前記第２の金属を主成分とする合金を用いた第２の金属部材との接合方法であって、前記第１の金属および前記第２の金属よりも融点が低く、前記第１の金属および前記第２の金属のうち、少なくとも一方の金属よりも化学ポテンシャルが貴な第３の金属または前記第３の金属を主成分とする合金からなる接合補助材を、前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との間に挿入し、前記接合補助材の融点よりも低い第１の温度で、前記第１の金属部材および前記第２の金属部材のうち、少なくとも前記接合補助材よりも化学ポテンシャルが卑な金属を用いた金属部材が塑性変形する第１の力で加圧し、前記第１の力よりも小さい第２の力で加圧し、前記第１の金属の融点および前記第２の金属の融点よりも低く、前記共晶点の温度および前記接合補助材の融点より高い第２の温度まで加熱した後、少なくとも前記共晶点の温度より低い温度まで冷却するものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、異なる金属材料からなる部材どうしを良好に接合可能となり、熱伝導性と耐熱性に優れる、高信頼な接合体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる金属部材の接合方法を説明するための接合前の状態を示す全体図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる金属部材の接合方法を説明するための接合後の状態を示す全体図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる金属部材の接合方法を説明するための接合工程中の状態変化を示す部分拡大図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる金属部材の接合方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２にかかる金属部材の接合方法を説明するための接合前後の状態を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３にかかる金属部材の接合方法を説明するための接合前後の状態を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３にかかる金属部材の接合方法を説明するための接合工程中の状態変化を示す部分拡大図である。
【図８】本発明の実施の形態３にかかる金属部材の接合方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態４にかかる金属部材の接合方法を説明するための接合前後の状態を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態５にかかる電力用半導体装置を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１〜図４は、本発明の実施の形態１にかかる金属部材の接合方法を説明するための図である。基本的には、アルミ導線１と銅の端子板２とを接合する際の状態を模式的に示したもので、図１（ａ）と図２（ａ）は接合部分全体の上面図、図１（ｂ）と図２（ｂ）はそれぞれ図１（ａ）のIb−Ib線、図２（ａ）のIIb−IIb線による断面図であり、図３（ａ）〜（ｅ）は、図１（ｂ）、図２（ｂ）と同じ断面における接合面近傍の拡大図、図４は接合時のフローを示す。図１（図１（ａ）、図１（ｂ））は接合前の状態、図２（図２（ａ）、図２（ｂ））は接合後の状態を示す。そして、図３（図３（ａ）〜図３（ｅ））は接合工程中の経時的な状態変化を示すもので、図３（ａ）は図１と同様に接合前の状態、図３（ｂ）は第１の接合工程中の状態、図３（ｃ）〜図３（ｄ）は第２の接合工程中の状態、図３（ｅ）は図２と同様に冷却工程後（接合後）の状態、を示す。
【００１６】
図１において、接合対象は、φ２ｍｍのアルミ導線１と、厚さ０．５ｍｍ、幅１０ｍｍの銅の端子板２であり、アルミ導線１と銅の端子板２との接合部分に、良好な接合体を形成するための接合補助材として厚さ０．１ｍｍの亜鉛箔３を挿入している。亜鉛箔３は、接合したい面積（アルミ導線１と銅端子板２とが重なった部分の長さ５ｍｍ×接合後の幅約１．８ｍｍ）に併せて切断する。この場合、不足すると接合面積が小さくなるのでやや大きめに切断することが望ましい。ただし、大きすぎると、接合を阻害したりする懸念があるので、接合領域部分の１０％〜２０％増し程度に収める方がよい。
【００１７】
ここで、本実施の形態１にかかる（異種）金属部材の接合方法において、接合対象となる第１の金属材料である銅の融点は１０８３℃、第２の金属であるアルミの融点は６６０℃、銅とアルミの共晶点の温度ＴＥは５５０℃である。そして、接合補助材として用いる亜鉛の融点は４１９℃と第１の金属の融点および第２の金属の融点よりも低い。また、化学ポテンシャルについては、第１の金属である銅が最も貴であり、接合補助材である亜鉛の方が第２の金属であるアルミよりも貴である。
【００１８】
これら部材を、図１のように重ねて、第１の接合工程（加圧力：Ｆ１、加熱温度：Ｔ１、保持時間：Ｔｍ１）と第２の接合工程（加圧力：Ｆ２、加熱温度：Ｔ２、保持時間：Ｔｍ２）という２段階の接合条件による接合を行い、加圧力Ｆ２で加圧したまま冷却する。すると、図２に示すように線材１と端子板２との界面にアルミと銅との共晶による拡散層（合金層）４が形成され、線材１と端子板２との強固な接合体５が形成される。以下、各工程における状態について詳細に説明する。
【００１９】
接合工程中の接合部分の状態と接合のフローについて、図３と図４を用いて説明する。
接合準備として、図３（ａ）に示すように、接合対象であるアルミ導線１と銅の端子板２の間（接合部分）に接合補助材である亜鉛箔３を設置（ステップＳ１０）する。このとき、線材１、端子板２、接合補助材３のそれぞれの表面は、酸化膜１Ｏ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化膜２Ｏ（ＣｕＯ／Ｃｕ２Ｏ）、酸化膜３Ｏ（ＺｎＯ）で覆われている。
【００２０】
そして、第１の接合工程に入る（ステップＳ２０）。第１の接合工程では、接合補助材である亜鉛の融点よりも低い第１の加熱温度Ｔ１で、接合対象となる金属のうち、少なくとも接合補助材である亜鉛よりも化学ポテンシャルが卑であるアルミが塑性変形をおこす加圧力Ｆ１をかける。具体的には、Ｔ１＝３００℃〜３５０℃、Ｆ１＝１００〜１０００Ｎ／ｍｍ２（接合体形成後の接合面積基準）に調節した。
【００２１】
この温度・加圧条件により、線材１が塑性変形し、変形に伴って接合補助材である亜鉛箔３と擦れることになる。線材１の表面の酸化膜１Ｏは、金属部分１Ｍとの密着力が強く、線材１が塑性変形しても通常ならば亀裂が入るだけであるが、亜鉛箔３の表面に形成される酸化物３Ｏがもろくて硬いため、図３（ｂ）に示すように、亀裂の入った酸化膜１Ｏを亜鉛箔３の酸化物の粒子３Ｏがそぎ落とすことになる。上述したように亜鉛の化学ポテンシャルはアルミよりも高いが、亜鉛の酸化物３Ｏがはがれやすく硬い粒子状となるために、研磨剤のように作用し、アルミ表面の酸化膜１Ｏを削り取って表面に金属部分１Ｍを露出させることができる。また、露出した金属部分１Ｍの表面に、圧接された亜鉛箔３の金属部分３Ｍが食い込むように覆いかぶさっていくので、金属表面の酸化が抑制される。
【００２２】
一方、銅の端子板２も亜鉛箔３と擦れることにより、表面の酸化被膜２Ｏが削り落とされるとともに、亜鉛箔３の金属部分３Ｍに覆われ、酸化が抑制される。なお、端子板３の場合、もともと、銅は亜鉛よりも化学ポテンシャルが貴なので、後述する第２接合工程にて酸化被膜を除去できるので、この第１接合工程で酸化被膜２Ｏを削り落とす必要はない。そのため、加圧力Ｆ１としては最低限アルミの線材１が塑性変形できるだけの力であればよい。
【００２３】
上記のようにアルミの線材１表面の酸化被膜１Ｏが破壊されたなら（ステップＳ３０）、第２の接合工程に入る（ステップＳ４０）。第２の接合工程では、接合補助材である亜鉛の融点、および銅とアルミの共晶点よりも高く、アルミの融点よりも低い第２の加熱温度Ｔ２で、第１の接合工程で変形させた状態を維持できる程度の加圧力Ｆ２をかける。加圧力Ｆ２としては、高温で軟化した線材１や端子板３が必要以上に変形しないよう、Ｆ１より小さくするとともに、後述する冷却工程における熱収縮時に各部材の熱膨張係数の差によるずれを防止できるだけの圧になるように考慮している。具体的には、Ｔ２＝５８０℃〜６２０℃、Ｆ２＝５〜５０Ｎ／ｍｍ２（接合体形成後の接合面積基準）に調節した。
【００２４】
この温度・加圧条件になると、はじめは銅の端子板２とアルミの線材１とは、直接接触はしていないので、亜鉛箔３のみの融解が生じる。このとき、図３（ｃ）に示すように、アルミ線材１から削られた酸化物１Ｏや亜鉛の酸化物３Ｏが液状亜鉛３Ｌ内に取り込まれ、アルミ線材１の露出した金属部分１Ｍが液状亜鉛３Ｌに覆われることによって外気から遮断される。銅の端子板３の場合も、上記アルミの線材１と同様に露出した金属部分２Ｍが液状亜鉛３Ｌに覆われる。また、第１の接合工程で、酸化被膜２Ｏの除去が不十分な場合でも、銅の端子板３の場合は、銅よりも化学ポテンシャルが卑な液状の金属亜鉛３Ｌと接触することにより、残留した酸化被膜２Ｏが還元されて金属２Ｍとなり、液状の金属亜鉛３Ｌによって外気から遮断される。
【００２５】
そして、亜鉛箔３全体が液状化すると、アルミの線材１の金属部分１Ｍと銅の端子板２の金属部分２Ｍが直接接触する。このときの温度Ｔ２は、銅とアルミの共晶温度よりも高いので、図３（ｄ）に示すように銅の端子板２とアルミの線材１のうち、直接接触している金属銅２Ｍと金属アルミ１Ｍ部分が溶融して共晶体４（液状）が形成されはじめる。
【００２６】
銅とアルミの溶融が始まると（ステップＳ５０）、加圧力Ｆ２を保ったまま冷却工程に入る（ステップＳ６０）。冷却が終了（少なくとも共晶点の温度ＴＥ以下の温度まで）すると、図３（ｅ）に示すように、線材１と端子板２との界面に銅とアルミの合金体が形成され、強固な接合体５ができあがる。なお、共晶点の温度ＴＥ以下になっただけでは、接合部分からはみ出た亜鉛が液化したままの場合があるが、銅とアルミの合金体がしっかりと形成されているので、冷却工程では最低限共晶点の温度ＴＥ以下まで冷却すればよい。また、本実施の形態においては、第２の接合工程と冷却工程で加圧力を一定にしたが、冷却工程において、必ずしも第２の接合工程と同じ加圧力にする必要はなく、接合体がずれないように保持できれば、適宜変化させてもよい。
【００２７】
第２の加熱温度Ｔ２は、銅と亜鉛の固溶体の融点（９００℃）よりも低く、銅とアルミの共晶点の温度ＴＥよりも高いので、触れ合っている時間が長い銅と亜鉛が合金化するよりも早くアルミと銅が合金化する。そのため、線材１と端子板３との接合部分には、銅とアルミの合金４が銅と亜鉛の合金よりも優先して形成されるので、信頼性の高い接合体を形成することができる。また、銅とアルミの接合界面からはみ出た亜鉛３Ｓの一部が銅と合金化したり、金属亜鉛として析出したりすることもあるが、アルミと銅との合金体がしっかりと形成されていれば、接合体の強度を低下させることはない。また、また亜鉛の化学ポテンシャルは少なくともアルミニウムよりは貴なので、アルミ線材が腐食しない環境であれば、余分な亜鉛３Ｓの腐食による接合体５の強度低下を起こすようなこともない。
【００２８】
＜確認試験＞
上記接合方法による効果を確認するため、アルミ導線１としてφ２ｍｍの高純度Ａｌ線（富山住友電工（株）から購入）を長さ１０ｍｍ程度に切断したもの、銅端子板２として厚さ０．５ｍｍの電気銅板（（株）ニラコから購入）を幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍに切断したもの、亜鉛箔３として厚さ０．１ｍｍの高純度Ｚｎ箔（（株）ニラコから購入）を用いて接合試験を行った。そして、接合条件を一定にするため、温度と加圧力を一定にできる２種類のはんだゴテを用い、図中の矢印に示すように、コテを線材１側に当てて、加圧・加熱を行った。２種類のはんだゴテとして、具体的には、設定以上の圧力（接合部想定面積：約１０ｍｍ２）がかからないように加熱棒にバネを取り付けたはんだゴテで、第１の接合工程用はんだゴテとして、設定加重５０００Ｎ、加熱温度３３０℃、第２の接合工程用はんだゴテとして、設定加重２５０Ｎ、加熱温度６００℃、となるはんだゴテを用意した。
【００２９】
そして、第１の接合工程（ステップＳ２０、Ｓ３０）として、線材１と板材２の間に亜鉛箔３を挿入して、３３０℃まで昇温した第１の接合工程用はんだゴテを線材１側から当て、コテのバネが動作するまで押しつけて、所定時間持続した。このとき、Ｚｎ箔が溶融しないことと、線材１が所定量つぶれていることを目視で確認できた。なお、ステップＳ３０における表面酸化膜の破壊を直接観測することはできないが、線材１のつぶれ量により、亜鉛箔３と、一定の擦れが生じていることが推定されるので、第１工程は終了できていると判断できる。そして、６００℃まで昇温した第２の接合工程用はんだゴテに素早く替え、コテのバネが動作するまで押しつけて、さらに所定時間持続した。このとき、Ｚｎ箔が全て溶融して線材１の側面へ押し出され、線材１が端子板２に食い込んでいることを目視で確認できた。ここでも、ステップＳ５０におけるアルミと銅との溶融を直接観測することはできないが、金属亜鉛のはみ出し量や線材１の食い込み方により、一定量の溶融が生じていることが推定されるので、第２工程は終了できていると判断できる。そして、押し付け圧を保ったままコテを冷却（スイッチを切る）した。
【００３０】
この接合後に、板材２側を固定して、ペンチで線材１をつかんで強制剥離（引きちぎれるまで引っ張る）させると、全数線材１内で切れ、十分な接合強度が得られていることを確認した。一方、比較例として、Ｚｎ箔３を挿入せずに、同様の条件（目視確認はできないが、各工程の時間を一定にしている）で加圧・加熱して接合体を得たのち、強制剥離試験を行った結果、半数以上の接合体で接合界面から破断し、十分な接合強度が得られていないことを確認した。以上より、本発明の実施の形態１にかかる金属部材の接合方法により、信頼性の高い接合体が得られることが示された。
【００３１】
さらに、接合体を−５０℃に冷却した状態で同様の強制剥離試験を実施したが、結果は接合補助材である亜鉛箔３を挿入したものは全数アルミ線材１内で切れ、亜鉛箔を用いなかったものに接合界面ではがれるものがあった。ここで、アルミニウムは低温脆性を生じないが、亜鉛は低温脆性を生じ、寒冷地での使用が想定される場合に、接合のための補助材として用いられることは通常想定されることはない。しかし、本発明の実施の形態１にかかる接合方法では、少なくとも第２の接合工程にて、固体状態のアルミと銅が液体の金属亜鉛を接合界面から押しのけることになるので、余分な金属亜鉛の接合界面での残留が抑制され、低温での接合体の信頼性をも向上させることができる。
【００３２】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる金属部材の接合方法によれば、第１の金属であるアルミニウム（Ａｌ）または第１の金属を主成分とする合金を用いた第１の金属部材であるアルミ線材１と、第１の金属との２元合金に共晶点が存在する第２の金属である銅（Ｃｕ）または第２の金属を主成分とする合金を用いた第２の金属部材である銅端子板２との接合方法であって、第１の金属および第２の金属よりも融点が低く、第１の金属および第２の金属のうち、少なくとも一方の金属（Ａｌ）よりも化学ポテンシャルが貴な第３の金属である亜鉛（Ｚｎ）または第３の金属を主成分とする合金からなる接合補助材である亜鉛箔３を、第１の金属部材１と第２の金属部材２との間に挿入し（Ｓ１０）、接合補助材３の融点よりも低い第１の温度Ｔ１で、第１の金属部材１および第２の金属部材２のうち、少なくとも接合補助材３よりも化学ポテンシャルが卑な金属（Ａｌ）を用いた金属部材（１）が塑性変形する第１の力Ｆ１で加圧し（Ｓ２０、Ｓ３０）、第１の力Ｆ１よりも小さい第２の力Ｆ２で加圧し、第１の金属の融点および第２の金属の融点よりも低く、共晶点の温度ＴＥおよび接合補助材３の融点より高い第２の温度Ｔ２まで加熱した後、少なくとも共晶点の温度ＴＥより低い温度まで冷却する（Ｓ４０〜Ｓ７０）ように構成したので、第１の部材であるアルミ線材１と第２の部材である銅端子板２との界面から酸化膜が除去されて銅とアルミの合金体４が形成され、強固な接合体５ができあがる。そのため、低抵抗で耐熱性が高く、信頼性の高い異種金属部材間の接合体５を形成することができる。
【００３３】
とくに、第１の金属にアルミニウム、第２の金属に銅、第３の金属に亜鉛を用いたので、上記第１の接合工程において、アルミ線材１が塑性変形する際に、アルミ線材１の接合対象部分の表面を覆う酸化被膜１Ｏ（Ａｌ２Ｏ３）を酸化亜鉛の粒３Ｏが削り取るとともに、金属亜鉛３Ｍ自体がアルミ線材１の表面に楔のように食い込んで金属アルミ１Ｍの表面を覆い、金属アルミ１Ｍの酸化を防ぐことができる。そして、第２の接合工程においては、融けた亜鉛が金属アルミ１Ｍの表面を完全に覆うとともに、銅端子板２表面の酸化被膜２Ｏ（ＣｕＯ／Ｃｕ２Ｏ）を還元して除去し、金属アルミ１Ｍと金属銅２Ｍを直接接触させて融解し、効率的に合金化することができる。
【００３４】
なお、上記第１の接合工程における加熱・加圧条件（Ｔ１、Ｆ１）、第２の接合工程における加熱・加圧条件（Ｔ２、Ｆ２）は、第１の金属部材に純アルミ、第２の金属に純銅、金属箔に純亜鉛を用いた時の好適範囲である。したがって、アルミ、銅、亜鉛それぞれに他の成分が加わって合金化（第１の金属部材にアルミを主成分とする合金、第２の金属に銅を主成分とする合金、金属箔に亜鉛を主成分とする合金）した場合には、それぞれの融点や化学ポテンシャル等が変化する。その場合においても、第１の接合工程では、金属箔の融点よりも低い加熱温度で、金属箔よりも化学ポテンシャルが卑である金属部材が塑性変形をおこす加圧力をかける。第２の接合工程では、金属箔の融点、およびアルミ合金と銅合金の共晶点よりも高く、アルミ合金の融点よりも低い加熱温度で、第１の接合工程で変形させた状態を維持できる程度の加圧力をかけるようにすればよい。
【００３５】
また、第１の接合工程および第２の接合工程（Ｓ２０〜Ｓ５０）において、第１の部材１と第２の部材２のうち、融点の低い金属であるアルミニウムを用いた線材１側から加熱を行うようにしたので、亜鉛箔３がアルミ線材１側から融解し始める。そのため、銅と接触する亜鉛が液状になったときには、線材１の金属アルミニウムが液状の亜鉛を押しのけて銅の端子板２に直接接触する。したがって、アルミと接触する直前まで、銅と接触する亜鉛は固体状態なので、亜鉛と銅の合金化の進行を抑制することができ、銅にアルミが接触した時には、共晶温度ＴＥより高くなっているので、銅とアルミニウムが接触すると融解しはじめ、すみやかに合金体を形成する。つまり、銅が亜鉛と合金化する間を与えず、銅とアルミニウムとの合金化が効率的に行える。
【００３６】
なお、本実施の形態１においては、第１の接合工程から第２の接合工程に移行する際、第１の工程が完了するのを待ってから（ステップＳ３０）、設定温度や設定圧力の調整を行う例について述べたが、これに限られるものではない。例えば、温度設定においては、高温（Ｔ２）側に設定した一定温度のコテあるいはコテ状のものを圧力Ｆ１になるように押し付け、押し付けた時間により、各部材温度上昇（および各接合工程の終了）を推定し、亜鉛箔３が溶融する直前、または亜鉛箔３の一部が溶融し始めるタイミングで圧力をＦ２に変化させ、さらに一定時間経過後にコテを冷却するというように、温度設定を１段階で行ってもよい。また、押さえつけた部材の変形量を元に各工程の終了を推定するようにしてもよい。いずれの場合にせよ、亜鉛が固体の状態（融点以下）での亜鉛と接合対象物（少なくともアルミ）との摩擦と、接合対象材料の２元合金（アルミと銅）の共晶点以上で接合対象部材（アルミと銅の）の融点以下の温度での、接合対処部材どうしの接触があればよい。
【００３７】
また、本実施の形態１においては、第１の部材としてアルミの線材を、第２の部材として銅の端子板を用いたが、これに限定されることはなく、アルミの端子板と銅の線材との接続、線材／線材どうしや板材／板材どうしの接続であってもよい。
【００３８】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２にかかる金属部材の接合方法について説明する。本実施の形態２においては、第１の金属部材として、実施の形態１におけるアルミ線材に代えて、絶縁被覆アルミ線を用いて接合を行った。なお、ものとしての絶縁被覆線は、アルミ線とアルミ線のまわりの絶縁被覆も含まれることになるが、端子板との接続対象である金属部材としては、あくまでもアルミ線部分を指す。
【００３９】
図５は実施の形態２にかかる金属部材の接合方法を説明するためのもので、図５（ａ）と図５（ｂ）は、実施の形態１における図１（ａ）のIb−Ib線に相当する切断線による断面図であり、図５（ａ）は接合前の状態、図５（ｂ）は接合後の状態を示す。図において、線材２１は、φ２ｍｍのアルミ線２１Ｗの周りに、厚さ０．５ｍｍの絶縁被覆２１Ｓを施したもの（例えば（株）ユニマック製ポリエステルイミドアルミニウム線：ＡＬ−ＥＩＷ）である。その他の構成については実施の形態１と同様であり、絶縁被覆部分以外については、実施の形態１における図３と図４を用いて説明する。
【００４０】
本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、図４のフローチャートに示す手順で接合を実施する。その際、本実施の形態２においては、ステップＳ１０では、図５（ａ）に示すように、アルミ被覆導線２１と銅の端子板２の間（接合部分）に接合補助材である亜鉛箔３を挿入した際、亜鉛箔３とアルミ線２１Ｗ部分の間に絶縁被覆２１Ｓの層が介在しているところが異なっている。
【００４１】
そして、第１の接合工程（ステップＳ２０）では、温度Ｔ１は絶縁被覆２１Ｓが軟化する温度以上に設定するが、実施の形態１における好適な温度（３００℃〜３５０℃）で上記ポリエステルイミドが十分軟化するので、本実施の形態２においてもＴ１を３５０℃に設定した。なお、絶縁被覆材料２１Ｓの軟化する温度がさらに高い場合、亜鉛の融点（４１９℃）より低い温度範囲でＴ１を高く（例えば４００℃）設定してもよい。
【００４２】
設定温度Ｔ１において加圧Ｆ１（実施の形態１と同じ）をかけると、軟化した絶縁被覆２１Ｓの少なくともコテとアルミ線２１Ｗとの間とアルミ線２１Ｗと亜鉛箔３との間にある部分が引きちぎられるように押しのけられ、コテとアルミ線２１Ｗ、およびアルミ線２１Ｗと亜鉛箔３とが直接接触するようになる。このとき、コテを絶縁被覆２１Ｗが施されたアルミ線材２１側から当てるようにしたので、亜鉛箔３が熱抵抗材となってコテから伝わった熱が絶縁被覆２１Ｓから銅端子板３へ逃げ難くなり、絶縁被覆２１Ｓを容易に軟化させて押しのけることができる。その後は、実施の形態１の図３（ｂ）のように、アルミ線２１Ｗ（図では１）の塑性変形に伴って、亀裂の入った酸化膜２１Ｏ（図では１Ｏ）を亜鉛箔３の酸化物の粒子３Ｏがそぎ落とし露出した金属部分２１Ｍ（図では１Ｍ）の表面に、圧接された亜鉛箔３の金属部分３Ｍが食い込むように覆いかぶさっていくので、金属表面の酸化が抑制される。それ以降の工程については、上記実施の形態１と同様である。
【００４３】
＜確認試験＞
上記接合方法による効果を確認するため、線材２１を用いて、実施の形態１で説明した方法と同じ確認試験を実施した。
その結果、亜鉛箔３を線材２１と端子板２との間に挿入して接合したところ、接合部分周辺の絶縁被覆２１Ｓは、熱で溶けると共に圧力により合金体４より外にほとんど排斥されていた。そして、強制剥離試験してみたが、全数線材２１内で切れ、十分な接合強度が得られていることを確認した。一方、比較例として、Ｚｎ箔３を挿入せずに、同様の条件で接合したところ、一部に絶縁被膜２１Ｓが接合部分内に残留しているものがあった。さらに、強制剥離試験を行った結果、半数以上の接合体で接合界面から破断し、十分な接合強度が得られていないことを確認した。以上より、絶縁被覆がある場合においても、本発明の実施の形態２にかかる金属部材の接合方法により、信頼性の高い接合体が得られることが示された。なお、低温試験についても同様に亜鉛箔３を用いた方が信頼性が高いという結果が得られた。
【００４４】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３にかかる金属部材の接合方法について説明する。本実施の形態３においては、接合補助材として、実施の形態１や２における亜鉛箔を用いる代わりに、亜鉛より化学ポテンシャルが卑な第１の金属部材であるアルミ線材に予め亜鉛をコーティングしたもの（メッキ）を使用した。また、銅端子板としては平板ではなく、Ｕ字状とし、Ｕ字の内側に入れたアルミ線材を両側から挟むようにした。
【００４５】
図６〜図８は実施の形態３にかかる金属部材の接合方法を説明するためのもので、図６（ａ）と図６（ｂ）は、実施の形態１における図１（ａ）のIb−Ib線に相当する切断線による断面図であり、図６（ａ）は接合前の状態、図６（ｂ）は接合後の状態を示す。そして、図７（図７（ａ）〜図７（ｅ））は接合工程中の経時的な状態変化を示すもので、図７（ａ）は部材設置中の状態、図７（ｂ）は部材固定工程中の状態、図７（ｃ）〜図７（ｄ）は第２の接合工程中の状態、図７（ｅ）は冷却工程後（接合後）の状態、を示し、図８は接合時のフローを示す。
【００４６】
図において、線材３１は、φ２ｍｍのアルミ線３１Ａに電解メッキにより接合補助材（３）として厚さ０．５μｍの亜鉛層３１Ｚをコーティングしたものである。銅端子板３２は、厚さ０．５ｍｍの銅板を曲率半径１．５ｍｍでＵ字状に曲げたものである。その他の構成（各部材にもちいられた金属材料の性質）については、実施の形態１と同様であり、同じ構成部分については説明を省略する。
【００４７】
本実施の形態３においては、接合補助材として機能する亜鉛がアルミ線材にコーティングされているので、アルミ線材表面に酸化被膜が生じていない。そこで、実施の形態１、２におけるアルミ表面の酸化被膜を破壊する工程である第１接合工程（ステップＳ２０、Ｓ３０）を省略し、図８に示すように、部材固定工程Ｓ１２０、Ｓ１３０を設けた。
【００４８】
そして、接合部材設置工程Ｓ１０では、図６（ａ）、図７（ａ）に示すようにＵ字状の銅端子板３２の間にアルミ線材３１を挿入する（ステップＳ１０）。部材固定工程（ステップＳ１２０）では、温度Ｔ３は実施の形態１における第１の温度Ｔ１以下の温度に設定する。例えば本実施の形態ではＴ３を室温とした。そして、少なくともＵ字状の銅端子板３２の内面３２ｆがアルミ線材３１の両側に接触できるようだけの力Ｆ３を加える。ただし、本実施の形態３においては、アルミ線材３１と銅端子板３２との接触面積を広げるために、アルミ線材３２が塑性変形するのに必要な実施の形態１におけるＦ１と同じ加圧力をＦ３とした。
【００４９】
室温（Ｔ３）で、加圧Ｆ３（実施の形態１と同じＦ１）をかける（ステップＳ１２０）と、銅端子板３２が変形してアルミ線３１を両側から挟む状態となり、さらに図７（ｂ）に示すように、アルミ線３１が塑性変形して、銅端子板と接触する部分周辺の形状が、銅端子板の面に沿った形に変形する。アルミ線材３１が所定量変形すると部材の固定が完了（ステップＳ１３０）し、第２の接合工程へ移行する。
【００５０】
このとき、本実施の形態３においては、アルミ線材３１のアルミ線部分３１Ａの表面には亜鉛層３１Ｚがコーティングされているので、アルミの表面に酸化皮膜はなく、接合対象であるアルミと銅のうちでは、銅にのみ酸化被膜が形成されていることになる。また、酸化亜鉛も金属亜鉛側から見て銅端子２と接触する面にのみ形成されるので、この工程においては、実施の形態１や２で述べたように、銅の端子板表面の酸化被膜のみが、酸化亜鉛による物理的な削り取りをうける。しかし、実施の形態１や２と同様に、次の第２の接合工程があるので、この工程での銅表面の酸化被膜除去は必須のものではない。
【００５１】
次の第２接合工程以降での動作は、基本的には実施の形態１と同じようになる。ただし、アルミ線材３１にコーティングされた亜鉛層３１Ｚは、銅端子３２側から加熱されるので、原理的には銅端子３２に近い側から融解が生じることになる。そのため、銅表面の酸化被膜３２Ｏが融けた亜鉛３Ｌにより還元され、金属化する。そして、メッキされた亜鉛層３１Ｚの厚みは亜鉛箔３と比較して百分の１以下の厚みしかないので、銅端子板３２と接触している部分においては、亜鉛層の厚み方向ですぐに全体が融解する。したがって、アルミの線材３１の本体金属部分であるアルミ部分３１Ａと端子板３２の本体金属部分２Ｍが直接接触する。このときの温度Ｔ２は、銅とアルミの共晶温度よりも高いので、図７（ｄ）に示すように銅の端子板３２とアルミの線材３１のうち、直接接触している金属銅３２Ｍと金属アルミ３１Ａ部分が溶融して共晶体４（液状）が形成されはじめる。
【００５２】
銅とアルミの溶融が始まると（ステップＳ５０）、加圧力Ｆ２を保ったまま冷却工程に入る（ステップＳ６０）。冷却が終了（少なくとも共晶点の温度ＴＥ以下の温度まで）すると、図７（ｅ）、図６（ｂ）に示すように、線材３１のアルミ部分３１Ａと銅端子板３２との界面に銅とアルミの合金体４が形成され、強固な接合体５ができあがる。このとき、液状の亜鉛は、銅の還元のために酸化し析出した酸化亜鉛を伴って、接合部分からはみ出てくるが、めっきにより接合補助材をコーティングしたので、接合部分に存在する亜鉛自体の量を少なくできるので、目視できるようなはみ出しは生じていない。
【００５３】
上記のように、接合補助材を予め接合補助材より化学ポテンシャルが卑なアルミ側にコーティングした材料を用い、上記のように接合した接合体のサンプルを樹脂埋め込みし、接合部分を切断して、その断面を研摩後、光学顕微鏡で観察することにより、図６（ｂ）や図７（ｅ）のように、合金層４が生成されていることを確認した。また、接合体の線部分をペンチで挟んで引き抜いてみたが、全数とも線内で破断され、十分な接合強度が得られていることを確認した。一方、亜鉛めっきをせずに同様に接合をした場合、半数以上が接合界面ではがれた。さらに、部材固定工程での加圧力Ｆ３を銅端子板３２と線材３１とが接触できる程度の圧力として、Ｆ２まで加圧力を下げた場合でも、第２接合工程において、合金層が広く形成されるために十分な時間をかければ、合金層４がしっかりと形成され、破断試験においても接合強度が得られていることが分かった。
【００５４】
なお、接合補助材である亜鉛をアルミ線材３１Ａにコーティングする場所については、少なくとも銅端子板３２と接合される部分がコーティングされていれば良く、必ずしも本実施の形態３の図６に示すように全周にコーティングする必要はない。
【００５５】
また、本実施の形態３における部材固定工程においては、実施の形態１、２におけるアルミ線材の塑性変形が必ずしも必要でないが、実施の形態１や２における第１接合工程と同じ条件で行ってもよい。
【００５６】
以上のように、本発明の実施の形態３にかかる接合方法によれば、第１の金属であるアルミニウム（Ａｌ）または第１の金属を主成分とする合金を用いた第１の金属部材であるアルミ線材１と、第１の金属との２元合金に共晶点が存在する第２の金属である銅（Ｃｕ）または第２の金属を主成分とする合金を用いた第２の金属部材である銅端子板２との接合方法であって、第１の金属および第２の金属よりも融点が低く、第１の金属よりも化学ポテンシャルが貴で第２の金属よりも化学ポテンシャルが卑な第３の金属である亜鉛または第３の金属を主成分とする合金からなる接合補助材３１Ｚを第１の金属部材１の所定部分の表面にコーティングし、接合補助材３１Ｚがコーティングされた第１の部材３１の所定部分を第２の部材３２に接触させ（Ｓ１２０、Ｓ１３０）、所定の力Ｆ３で加圧し、第１の金属の融点および第２の金属の融点よりも低く、共晶点の温度ＴＥおよび接合補助材３の融点より高い第２の温度Ｔ２まで加熱した後、少なくとも共晶点の温度ＴＥより低い温度まで冷却する（Ｓ４０〜Ｓ７０）、ように構成したので、第１の部材であるアルミ線材３１の主構成部分であるアルミ部分３１Ａの表面が保護された状態で、第２の部材である銅端子板２の接合部分に存在する酸化被膜が除去されて銅とアルミが直接接触して合金体４が形成され、強固な接合体５ができあがる。そのため、低抵抗で耐熱性が高く、信頼性の高い異種金属部材間の接合体５を形成することができる。
【００５７】
また、本発明の実施の形態３にかかるアルミニウムまたはアルミ合金を用いた金属部材３１によれば、銅または銅合金を用いた金属部材３２を接合対象とする金属部材３１であって、少なくとも接合対象部材３２との接合予定部分の表面に亜鉛３１Ｚがコーティングされているように構成したので、少なくとも所定の力で加圧し、第１の金属であるアルミの融点および第２の金属である銅の融点よりも低く、アルミと銅の共晶点の温度ＴＥおよび接合補助材である亜鉛の融点より高い第２の温度Ｔ２まで加熱した後、少なくとも共晶点の温度ＴＥより低い温度まで冷却する工程を有する接合方法を用いることで強固な接合体を得ることができる。
【００５８】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４にかかる金属部材の接合方法について説明する。本実施の形態４においては、接合補助材である亜鉛を実施の形態３とは逆に。接合補助材である亜鉛よりも化学ポテンシャルが貴な第２の金属部材である銅の端子板に亜鉛をコーティングしたもの（メッキ）を使用した。そして接合方法は実施の形態１および２の図４で説明したフローに従い、第１の接合工程を含む接合方法を用いた。
【００５９】
図９は実施の形態４にかかる金属部材の接合方法を説明するためのもので、図９（ａ）と図９（ｂ）は、実施の形態１における図１（ａ）のIb−Ib線に相当する切断線による断面図であり、図９（ａ）は接合前の状態、図９（ｂ）は接合後の状態を示す。図において、第１の金属部材としては実施の形態１で用いたものと同様のアルミ線材１を使用し、第２の金属部材としては、実施の形態３で用いた銅板４２Ｃ（３２）の表面に、０．０５〜２μｍ厚み狙いで亜鉛層４２Ｚを形成し、Ｕ字状に成型した銅端子板４２を図９（ａ）のように設置し、図４に示すフローに従って接合を行った。
【００６０】
そして、第１の接合工程（ステップＳ２０）では、銅端子板４２とアルミ線材１の接合部分に亜鉛存在することにより、アルミ線材１の変形に伴って、実施の形態１の図３（ｂ）のように、アルミ線１表面の酸化膜１Ｏに亀裂が入り、亜鉛層４２Ｚ(図では３)の酸化物の粒子３Ｏにそぎ落とされるとともに、露出した金属部分１Ｍの表面に、圧接された亜鉛層４２Ｚの金属部分（図では３Ｍ）が食い込むように覆いかぶさっていくので、アルミの金属表面の酸化が抑制される。なお、銅については、亜鉛がコーティングされているので、アルミ線材１との接触界面部分に酸化膜が元々形成されていないことを除けば、それ以降の工程については、上記実施の形態１と同様に進む。
【００６１】
なお、銅端子板表面の亜鉛のうち、接合工程中に温度が高くなる部分では、銅との合金化が進行するが、銅と亜鉛との２元合金の融点は、銅の組成が高くなるほど銅の融点に向けて高くなるので固体拡散が支配的となり、共晶点を有するアルミと銅との合金化に較べて速度は遅い。また、めっきにより形成した亜鉛層の亜鉛量も微量であり、合金化は銅端子のごく表面部分のみに限定される。
【００６２】
上記のように亜鉛メッキ銅端子板４２を用いてアルミ線材と接合した後、接合体の線部分をペンチで挟んで引き抜いてみたが、全数とも線内で破断され、十分な接合強度が得られていることを確認した。一方、亜鉛めっきをせずに同様に接合をした場合、半数以上が接合界面ではがれた。
【００６３】
以上のように本実施の形態４によれば、接合補助材である亜鉛よりも化学ポテンシャルが貴な銅を用いた端子板側に亜鉛をめっきした場合にも、アルミとの強固な接合体を得ることができた。
【００６４】
なお、上記各実施の形態においては、単に銅を用いた金属部材とアルミを用いた金属部材との接合について説明したが、上記接合方法や接合補助材である亜鉛を予め金属部材にコーティングしておく好適な適用例としてワイドバンドギャップの半導体素子を用いた半導体装置があげられる。
【００６５】
たとえば、スイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子に、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場合、従来から用いられてきたケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、電力用半導体装置の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンク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、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。
【００６６】
一方、上述したようにワイドバンドギャップ半導体素子の性能を発揮するには、周囲の金属部材の耐熱性も要求されるが、本発明の各実施の形態に記載した接合方法にて銅材とアルミ材とを接合すれば、剛性の不要なところには安価なアルミ材、剛性が必要なところには銅材というように必要な部分に必要な材料を分けて使うことができ、しかも異なる材料間の接合を強固にできるので、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【００６７】
とくに、本発明の各実施の形態にかかる金属部材の接合方法によれば、接合体の接合界面は銅とアルミの合金で形成されており、耐熱性や耐食性が高く、長期にわたって安定している。また、接合補助材である亜鉛は低温脆性を有するが、遊離した亜鉛が接合界面部分に残留することはほとんどなく、寒冷地で使用された場合にも信頼性を損なうことはない。
【００６８】
そこで、上記各実施の形態にかかる接合方法を用いて電力用半導体素子を試作した。図１０は、本発明の金属部材の接合方法を用いて製造した炭化ケイ素を用いたワイドギャップ半導体を実装した電力用半導体装置の部分を示す模式図であり、図１０（ａ）は上面図、図１０（ｂ）が図１０（ａ）のXb−Xb線による断面図である。図において、電力湯半導体装置１００は、絶縁性の回路基板１０７上に複数のアルミ配線１０６が形成され、そのうちのひとつにドレイン電極側を接合したＳｉＣからなる半導体素子１０が配置されている。半導体素子１０の上面には厳密にはゲートパッドやソース電極が形成されているが、図では簡略化して上面全体にソース電極が形成されているとして説明する。半導体素子１０のソース電極の表面には、接続を良くするための厚さ数μｍの薄いアルミニウムの下地（電極）１０１Ａが形成されている。
【００６９】
また、回路基板１０７の周囲部分には、図示しない外部回路と接続するためのアルミ端子１０１Ｂが設けられており、半導体素子１０を外部電極と接続するために、半導体素子１０のアルミ電極１０１Ａと端子１０１Ｂ間が、銅製のインナーフレーム１０２によって電気的に接続されている。そして、銅製のインナーフレーム１０２のアルミ電極１０１Ａおよび端子１０１Ｂと接続する部分の表面（図では下側）には厚さ０．５μｍの亜鉛層が形成されている。そのため、上記アルミ電極１０１Ａとインナーフレーム１０２、端子１０１Ｂとインナーフレーム１０２との接合は、上記実施の形態１や４で示した接合方法を用いて実施されている。
【００７０】
上記電力用半導体素子１００を動作させると、動作温度が２００℃以上に上昇し、一時的には数百度まで上昇することがある。しかし、高温で剛性が低下するアルミ材は半導体素子や絶縁基板といった素子や基盤に直接固定されているので、溶融しない限り破損することはない。一方、半導体素子や端子によって懸架され、途中に宙に浮いた部分があるインナーフレームやその他ボンディングワイヤ等の電気接続部材は銅でできているので高温でも剛性を保持し、だれることがない。そして、銅のインナーフレームとアルミ電極やアルミ端子との接合は上記実施の形態で示した接合時補助材に亜鉛を用いているので強固な接合体１０４が形成され、信頼性が向上することになる。
【００７１】
以上のように、本実施の形態にかかる電力用半導体装置によれば、表面にアルミ電極１０１Ａが形成された半導体素子１０と、半導体素子１０と半導体素子１０から離れた端子１０１Ｂとを接続する銅製の電気接続部材であるインナーフレーム１０２と、を備え、アルミ電極１０１Ａと銅製の電気接続部材１０２とが、上記各実施の形態に記された金属部材の接合方法により接合されているので、高温や厳寒状況でも信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【００７２】
もちろん、本発明の各実施の形態にかかる金属部材の接合方法や接合補助材をコーティングした金属部材は、電力用半導体以外の部材に用いても信頼性の高い接合体を形成することができることはゆうまでもない。
【符号の説明】
【００７３】
１  アルミ線材（第１の金属部材）、  ２  銅端子板（第２の金属部材）、  ３  亜鉛箔（金属箔）、  ４  合金体、  ５  接合体、  １０  半導体素子、  １００電力用半導体装置。
Ｆ  加圧力、  Ｔ  加熱温度、  ＴＥ  共晶点の温度。
十位の数字は、実施の形態による変形例を示す。
【図１】
2011124015.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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