(57)【要約】【課題】絶縁基板における導体パターンに対し電極端子を硬ろう付けした半導体装置において、従来に比べてより高い、電極端子と導体パターンとの接合信頼性を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】絶縁基材５１の両面に導体パターン５２ａ，５２ｂを有する絶縁基板５と、一方の導体パターンに実装された半導体素子１と、一方の導体パターンに対して硬ろう材１０を介して接合した電極端子３と、を備えた半導体装置において、電極端子は、一方の導体パターンにおける単位面積当たりの熱容量よりも大きい単位面積当たりの熱容量を有する。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基材の両面に導体パターンを有する絶縁基板と、
上記絶縁基板における一方の導体パターンに実装された半導体素子と、
上記一方の導体パターンに対して接合材を介して接合した電極端子と、を備えた半導体装置において、
上記接合材は硬ろう材であって、
上記電極端子は、上記一方の導体パターンにおける単位面積当たりの熱容量よりも大きい単位面積当たりの熱容量を有する、
半導体装置。
【請求項２】
絶縁基材の両面に導体パターンを有する絶縁基板と、
上記絶縁基板における一方の導体パターンに実装された半導体素子と、
上記一方の導体パターンに対して接合材を介して接合した電極端子と、を備えた半導体装置において、
上記接合材は硬ろう材であって、
上記電極端子は、上記一方の導体パターンの厚みを超える厚さを有する、
半導体装置。
【請求項３】
絶縁基材の両面に導体パターンを有する絶縁基板と、
上記絶縁基板における一方の導体パターンに実装された半導体素子と、
上記一方の導体パターンに対して接合材を介して接合した電極端子と、を備えた半導体装置において、
上記接合材は硬ろう材であって、
上記電極端子は、上記一方の導体パターンに上記硬ろう材で接合した、第１断面積を有する接合部と、上記第１断面積よりも大きい第２断面積を有する非接合部とを有する、
半導体装置。
【請求項４】
上記電極端子の材料は、上記導体パターンの材料と同じである、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
上記電極端子の材料は銅である、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
上記導体パターンに対して上記硬ろう材を介して接合された上記電極端子は、厚み方向に欠損した欠損部を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
上記欠損部は貫通孔である、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
上記欠損部は、上記電極端子の先端から上記電極端子の曲げ部の方へ延在する溝である、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項９】
上記欠損部には上記硬ろう材が充填されている、請求項６から８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
絶縁基材の両面に導体パターンを有する絶縁基板と、上記絶縁基板における一方の導体パターンに実装された半導体素子と、電極端子と、を備える半導体装置の製造方法であって、
上記一方の導体パターンに対して硬ろう材を設け、
上記一方の導体パターンに対して上記硬ろう材を挟んで上記電極端子を配置し、
上記硬ろう材に対応する上記電極端子の表面に電磁波を照射して上記電極端子を加熱する、
半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
上記電磁波は、レーザー光である、請求項６に記載の製造方法。
【請求項１２】
上記電磁波は、電子ビームである、請求項６に記載の製造方法。
【請求項１３】
上記硬ろう材に対応する上記電極端子の一部は欠損しており、この欠損部を含む上記電極端子の表面に上記電磁波を照射して上記電極端子を加熱する、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特には電力用半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置、特に大電流を扱う電力用半導体装置では、効率的に大電流を流すために電極端子を大面積で接合する必要があることから、電極端子の接合には、はんだ接合が用いられてきた（特許文献１参照）。しかしながら、電力用半導体装置が使用される温度環境が過酷化するにしたがい、従来のはんだ接合では、たとえ高耐熱はんだを用いた場合でも、要求される信頼性を満足できない可能性が生じてきた。
【０００３】
この問題を解決する方法として、高耐熱はんだ、あるいははんだより融点の高い硬ろう材を用いて電極端子を接合する方法が考えられる。しかしながら、硬ろう材の融点は、一般的に４５０℃以上と高温であるため、通常のトーチを用いたろう付け、あるいは炉中ろう付けでは、半導体装置の周囲における部材、例えば接着剤、樹脂製ケース、絶縁基板をベース板に接合しているはんだ、あるいは、半導体素子をダイボンドしているはんだ等、が溶融してしまうという問題がある。そのため、半導体装置の電極端子を硬ろう材を用いてろう付けするためには、ろう付けしたい部分である電極端子の先端を短時間で局所的に加熱する必要がある。
【０００４】
電極端子の先端を短時間で局所的に加熱する方法として特許文献２では、電極端子と半導体素子の表面電極とにおいて互いに対向する各表面の少なくとも一方に対して、電極端子及び表面電極の融点よりも低い低融点金属層を予め形成しておく。そして電極端子の表面をレーザー光で溶融させ、その熱で低融点金属層を溶融させて、表面電極と電極端子とを接合する技術を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２５３５１６号公報
【特許文献２】特開２００９−１０５２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザー光を用いたはんだ付けあるいはろう付けでは、半導体装置全体の加熱工程を必要としない。よって電極端子の接合時において、例えばベース板と絶縁基板とを接合しているはんだの全体、周囲の接着剤、あるいはケース等を溶融させずに、電極端子を接合することができる。
【０００７】
しかしながら特許文献２では、上述のように、レーザー光の加熱で溶融させる対象は、低融点金属層であり、高耐熱はんだ、あるいははんだより融点の高い硬ろう材ではない。
さらに特許文献２では、電極端子を接合する対象は、半導体素子における表面電極であり、例えば絶縁基板上の導体パターンに対して電極端子を接合する形態ではない。
【０００８】
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、絶縁基板における導体パターンに対し電極端子を硬ろう付けする半導体装置において、従来に比べてより高い、電極端子と導体パターンとの接合信頼性を有する半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置は、絶縁基材の両面に導体パターンを有する絶縁基板と、上記絶縁基板における一方の導体パターンに実装された半導体素子と、上記一方の導体パターンに対して接合材を介して接合した電極端子と、を備えた半導体装置において、上記接合材は硬ろう材であって、上記電極端子は、上記一方の導体パターンにおける単位面積当たりの熱容量よりも大きい単位面積当たりの熱容量を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様における半導体装置によれば、単位面積当たりの熱容量が導体パターンに比べて大きい電極端子を有することから、電極端子と導体パターンの熱容量差を低減し、局所加熱の際、電極端子と導体パターンとの温度差が小さくなる。よって、硬ろう材が溶融する前に電極端子が溶融するのを防止することができる。したがって、従来に比べてより高い、電極端子と導体パターンとの接合信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】実施の形態１における電力用半導体装置の構成の一部を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す電力用半導体装置の平面図である。
【図２Ａ】実施の形態２における電力用半導体装置の構成の一部を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示す電力用半導体装置の平面図である。
【図２Ｃ】図２Ａに示す電力用半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｃに示す電力用半導体装置の平面図である。
【図２Ｅ】図２Ａに示す電力用半導体装置の製造方法の他の例を説明するための断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｅに示す電力用半導体装置の平面図である。
【図２Ｇ】図２Ａに示す電力用半導体装置の製造方法の別の例を説明するための断面図である。
【図２Ｈ】図２Ｇに示す電力用半導体装置の平面図である。
【図３Ａ】図１Ａに示す電力用半導体装置の製造方法（実施の形態３）を説明するための断面図である。
【図３Ｂ】図１Ａに示す電力用半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ｃ】図１Ａに示す電力用半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ａ】絶縁基板における導体パターンと電極端子とをはんだを用いて接合する方法を説明するための電力用半導体装置の断面図である。
【図４Ｂ】絶縁基板における導体パターンと電極端子とをはんだを用いて接合する方法を説明するための電力用半導体装置の断面図である。
【図４Ｃ】絶縁基板における導体パターンと電極端子とをはんだを用いて接合する方法を説明するための電力用半導体装置の断面図である。
【図５Ａ】絶縁基板における導体パターンと電極端子とを硬ろう材を用いて接合する方法を説明するための電力用半導体装置の断面図である。
【図５Ｂ】絶縁基板における導体パターンと電極端子とを硬ろう材を用いて接合する方法を説明するための電力用半導体装置の断面図である。
【図６Ａ】実施の形態４における電力用半導体装置の構成の一部を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示す電力用半導体装置の平面図である。
【図７】実施の形態４における、貫通孔と光ビームの位置関係を示す断面図である。
【図８Ａ】レーザー光による加熱の状態を示す断面図であり、貫通孔がない場合を示す図である。
【図８Ｂ】レーザー光による加熱の状態を示す断面図であり、貫通孔がある場合を示す図である。
【図９】レーザー光による照射方法の他の例を示す平面図である。
【図１０】実施の形態４を用いなかった場合に懸念される、電力用半導体装置の構成の一部を示す断面図である。
【図１１Ａ】図６Ａに示す電力用半導体装置の構成の他の例を示す平面図である。
【図１１Ｂ】図６Ａに示す電力用半導体装置の構成の他の例を示す平面図である。
【図１２Ａ】貫通孔の変形例を示す図である。
【図１２Ｂ】貫通孔の変形例を示す図である。
【図１３】電極端子を治具で加圧した場合の端子変形の用数を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施形態である半導体装置及びその製造方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。
また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１３】
また、各図間では、対応する各構成部分のサイズあるいは縮尺はそれぞれ独立している。例えば、構成の一部を変更した図と変更していない図示において、同一構成部分のサイズあるいは縮尺が異なっている場合もある。また、該電力用半導体装置の構成について、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、その他の部分については説明を省略している。
また以下の説明では、電力用半導体装置を例に採るが、電力用ではなく通常電流を扱う半導体装置に対して各実施形態を適用することもできる。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における電力用半導体装置１０１の概略構成を部分断面図（図１Ａ）及び平面図（図１Ｂ）で示している。電力用半導体装置１０１は、基本的構成部分として、電力用半導体素子１と、電極端子３と、絶縁基板５とを有し、図示するようにさらに放熱部材６及びケース１２を有することができる。電力用半導体素子１及び電極端子３が絶縁基板５の一方面側に配置され、絶縁基板５の他方面側には放熱部材６が配置されており、放熱部材６の周囲には電力用半導体素子１及び電極端子３を取り囲むようにケース１２が配置されている。さらに詳しく以下に説明する。
【００１５】
電力用半導体素子１としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等が相当する。
【００１６】
絶縁基板５について説明する。
絶縁基板５は、絶縁基材５１と、この絶縁基材５１の厚み方向おいて対向する両面のうち一方面に形成された導体パターン５２ａと 、他方面に形成された導体パターン５２ｂとを有する。絶縁基材５１は電気的絶縁物であり、電力用半導体素子１を効率的に冷却するため、熱伝導率の大きい材料が好ましく、一般的には、例えば厚さ０．６３５ｍｍ、あるいは０．３２ｍｍのＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等のセラミック板が用いられる。
【００１７】
導体パターン５２ａ及び導体パターン５２ｂは、同じ材料が用いられるのが一般的である。回路面側に相当する一方の導体パターン５２ａには、電力用半導体素子１の主電極がはんだ付けされ、また、導体パターン５２ａは、接合材の一例に相当する硬ろう材１０を挟んで電極端子３と接合部を形成する。このような導体パターン５２ａは、電力用半導体素子１と、外部の回路とを電気接続するための配線部材であるため、電気抵抗の小さい金属が好ましい。よって、導体パターン５２ａ、５２ｂは、一般的には、例えば厚さ１．０ｍｍ以下程度のＣｕ、あるいはＡｌ等が用いられる。
放熱面側に相当する他方の導体パターン５２ｂには、放熱部材６がはんだ８によって接合される。
【００１８】
次に、電極端子３について説明する。
電極端子３は、電力用半導体素子１と外部の回路とを電気接続するための配線部材である。よって電極端子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あるいはＡｌ等である。このような電極端子３は、板金を切断したもの、あるいはプレス加工したものが用いられ、その一端側は、硬ろう材１０を挟んで導体パターン５２ａと接合部を形成し、他端側はケース１２の外面まで延在して他の回路部材あるいは外部回路と電気接続される。
【００１９】
また、硬ろう材１０を用いて電極端子３を導体パターン５２ａにろう付けするためには、電極端子３の表面３ａ側から間接的に熱を加えて、硬ろう材１０及び導体パターン５２ａを加熱する必要がある。よって加熱の際に、電極端子３と導体パターン５２ａとの温度差が大きくならないように、電極端子３の熱容量は、導体パターン５２ａの熱容量よりも大きい方が好ましい。
しかしながら上述のように、他方の導体パターン５２ｂには放熱部材６が接合されていることから、絶縁基板５は放熱経路となっている。よって一般的には、電極端子３の熱容量は、絶縁基板５と比較して小さく、さらに、ろう付け用の加熱を電極端子３側から行うことから、ろう付けの際には電極端子３の方が温度上昇し易い。
【００２０】
したがって、電極端子３の熱容量を導体パターン５２ａの熱容量よりも大きくし、さらに、通電可能な電流を大きくするためにも、電極端子３の断面積は比較的大きい方が好ましい。電極端子３の断面積は、電極端子３の幅及び厚みで決定されるが、電力用半導体装置１０１を小型化するためには、電極端子３の幅は小さい方が好ましい。
【００２１】
よって電極端子３の断面積を大きくするためには、電極端子３の幅よりも厚さを大きくする方が好ましい。例えばレーザー光にて電極端子３を加熱する場合、電極端子３の幅寸法と厚みとの関係は、下記のものが好ましい。即ち、電極端子３において、硬ろう材１０と接合する面を接合面３ｊとしたとき、レーザー光によって電極端子３の表面３ａに与えられた熱を接合面３ｊの全体に広げるためには、電極端子３の幅方向において、電極端子３のレーザー光の照射領域の端から電極端子３の端までの長さが、電極端子３の厚さ寸法以下程度とするのが好ましい。具体的に説明すると、例えば厚さ１．５ｍｍの電極端子３に対して、接合面３ｊの中心から半径１．０ｍｍの領域をレーザー光で加熱する場合、電極端子３の幅寸法は、５．０ｍｍ（＝１．０ｍｍ×２＋１．５ｍｍ×２）以下とするのが好ましい。
尚、電極端子３の加熱動作については、レーザー光による場合も含めて、後述の実施の形態３にて詳しく説明する。
【００２２】
一方、電極端子３の厚さを大きくし過ぎると、接合面３ｊと、接合面３ｊに対向する、レーザー光が照射され加熱されている電極端子３の表面３ａとの温度差が大きくなりすぎる。よって、電極端子３の厚さは、０．５ｍｍから２．０ｍｍ程度の範囲とするのが好ましい。電極端子３の熱容量を導体パターン５２ａの熱容量よりも大きくするための一つの手段として、電極端子３は、導体パターン５２ａの厚みを超える厚さを有する。
【００２３】
以上のように電極端子３を構成することで、電極端子３の単位面積当たりの熱容量を導体パターン５２ａにおける単位面積当たりの熱容量よりも大きくすることができる。
【００２４】
また、電極端子３の表面３ａにレーザー光の焦点が合うように、レーザー光の径を小さくしても、電極端子３の厚さが大きいことによって得られる熱の広がりの効果を大きくすることができるため、接合面３ｊの温度分布を小さくすることができる。
【００２５】
放熱部材６について説明する。
放熱部材６は、単体、又は複数枚の絶縁基板５に対してはんだ８によって接合され、自身が放熱板としての役割を果たすと共に、放熱部材６の接続面６ｂに熱伝導グリス等を介してヒートシンクが接続される場合には、電力用半導体装置１０１で発生した熱を効率よく外部へ放熱させるための部材である。よって放熱部材６の材料は、熱伝導率の大きい金属が好ましく、一般的には、厚さが１．０〜５．０ｍｍ程度のＣｕ、Ａｌ、あるいはＡｌＳｉＣ等の金属板が用いられる。尚、放熱部材６の接続面６ｂは、はんだ８との接合面６ａに対向する面である。
【００２６】
次にケース１２について説明する。
ケース１２は、枠状の形状を有し、本実施形態１では放熱部材６の周囲における接合面６ａに立設され、接着剤１１にて放熱部材６に固定されている。このようなケース１２は、電力用半導体装置１０１の全体を覆うと共に、電極端子３の他端側を支持し、ケース１２の外側で外部回路との接続の役割も果たす。ケース１２の材料は、一般的にはＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、あるいはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の熱可塑性のプラスチック材が用いられ、その融点は３００℃以下程度である。
【００２７】
次に、上述のはんだ８、硬ろう材１０、及び接着剤１１について説明する。
はんだ８は、絶縁基板５の放熱面側に位置する導体パターン５２ｂと放熱部材６とを接合する。よってはんだ８の材料は、融点が比較的低く、熱伝導率の大きい金属が好ましく、一般的にはＳｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｃｕ等を含有しその融点が４５０℃未満の合金が用いられる。また、はんだ８の厚さは、接続信頼性及び放熱性の観点から、０．１〜０．３ｍｍ程度が好ましい。
【００２８】
硬ろう材１０は、電極端子３の接合面３ｊと、絶縁基板５の導体パターン５２ａとを接合する。硬ろう材１０は、通電によって発熱した電極端子３を冷却するための放熱経路であると共に、電極端子３と導体パターン５２ａとを電気的に接続する通電経路でもある。
そのため、硬ろう材１０の材料は、比較的融点が高く、熱伝導率及び電気伝導率の大きい金属が好ましく、はんだ８とは異なり、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ等を含有し、融点が４５０℃以上の合金が用いられる。本実施の形態１では、電極端子３及び導体パターン５２ａは、共にＣｕを使用しているため、硬ろう材１０は、融点８００℃程度のりん銅ろう材（Ｃｕ−Ａｇ−Ｐ）を使用している。また、その厚さは接続信頼性の観点から一般的に薄い方が好ましく、０．２５ｍｍ以下が好ましい。特に０．１ｍｍ以下が好ましい。この範囲であれば接合部の強度、ろう付け部の電気抵抗、ろう付け部の熱抵抗の全てにおいて十分な結果が得られる。
【００２９】
接着剤１１は、放熱部材６とケース１２とを接着する。そのため、一般的にはエポキシ系の熱硬化性樹脂が用いられる。
【００３０】
以上のように構成された電力用半導体装置１０１の効果について説明する。ここでは、硬ろう材１０を溶融するため、硬ろう材１０と接合する電極端子３の接合面３ｊに対向する表面３ａに対してレーザー光を照射して加熱を行う。
電極端子３の単位面積当たりの熱容量を導体パターン５２ａの単位面積当たりの熱容量よりも大きくすることで、レーザー光の加熱による電極端子３と導体パターン５２ａの温度差を小さくし、ろう付け前に電極端子３が溶融するのを防止することができる。さらに、電極端子３の厚さを厚くしたことで、レーザー光によって電極端子３の表面３ａに与えられた熱を、硬ろう材１０側の接合面３ｊに対して拡げることができる。よって、硬ろう材１０及び導体パターン５２ａとの接合面３ｊの全体を均一に加熱することができ、硬ろう材１０における未接合部を無くすことができる。したがって通電に必要なろう付け面積を確保することができる。
【００３１】
加えて、電極端子３の厚さを大きくすることで、電極端子３の断面積が大きくなり、１本の電極端子３に、より大きな電流を流すことができるようになる。よって、電力用半導体素子に通電するための電極端子３の本数を減らすことで、又は、電極端子３の厚さを厚くした分、電極端子３の幅を細くすることで、電力用半導体装置１０１を小型化することができる。
【００３２】
従来の電力用半導体装置では、電極端子の厚さを大きくした場合には、絶縁基板と電極端子との線膨脹係数差によって、両者間の接合部に発生する応力が大きくなり、電力用半導体装置の信頼性が低下するという問題があった。
しかしながら実施の形態１では、電極端子３と導体パターン５２ａとの接合に硬ろう材１０を用いることで、接合部の信頼性を従来の電力用半導体装置と比較して大きく向上させることができる。よって実施の形態１における電力用半導体装置１０１では、電力用半導体装置が一般的に必要する寿命の範囲において信頼性に関する問題は生じない。
【００３３】
即ち、電極端子３と導体パターン５２ａとの接合に硬ろう材１０を用いた場合、硬ろう材１０の機械的強度は、一般的に電極端子３及び導体パターン５２ａの主な材料である、本実施の形態１においても使用している、Ｃｕよりも大きい。よって、電極端子３−硬ろう材１０−導体パターン５２ａの接合部における、電力用半導体装置１０１の発熱による熱応力に対する信頼性は、従来の、電極端子の接合にはんだを用いた電力用半導体装置と比較して、大きく向上させることができる。
【００３４】
加えて、はんだでは、Ｓｎが主な材料なのに対して、一般的な硬ろう材１０は、ＣｕあるいはＡｇが主な材料となっている。よって、はんだと比較して熱伝導率及び電気伝導率が高いため、上述の効果と合わせて、製品に最低限必要な接合面積を小さくすることができる。その結果、電極端子３の接合に必要な面積が小さくなった分、電力用半導体装置を小型化することができる。
【００３５】
また、電力用半導体素子１にＳｉＣを用いた電力用半導体装置は、より高温で動作するため、半導体装置の温度変化が特に高温側に大きくなる。よって接合部に生じる熱応力及び引張応力は、より大きくなり、高温による材料強度の低下も大きくなる傾向にある。したがってＳｉＣを用いた電力用半導体装置では、本実施形態によるメリットがより効果的なものとなる。
このとき、硬ろう材１０の材質は、信頼性向上のため、融点が高い方が好ましく、かつ電極端子３及び導体パターン５２ａの材質は、硬ろう材１０の融点よりも高い方が好ましい。さらに、絶縁基板５とはんだ付けされているはんだ８をできるだけ再溶融させないために、電極端子３に対する加熱時間は、短い方が好ましい。しかしながら、加熱時間が短くなる程、温度制御が難しくなることから、硬ろう材１０と、電極端子３及び導体パターン５２ａとの融点は、２５０℃以上開いていることが好ましい。
【００３６】
また、硬ろう材１０は、電極端子３及び導体パターン５２ａの両方に濡れ広がる材料を選択する必要がある。よって電極端子３と導体パターン５２ａとの材料は、同じであるのが好ましく、上述のようにＣｕがより好ましい。
【００３７】
一方、電極端子３と導体パターン５２ａとで異なる材料を使用する場合には、どちらの材料も硬ろう材１０の融点より高い融点を有する材料であり、かつ、導体パターン５２ａが溶融した場合における絶縁基材５１の局所的な膨張による絶縁基材５１の破損を考慮して、導体パターン５２ａの融点は、電極端子３の融点よりも高い材料であることが好ましい。加えて、レーザー光の加熱による電極端子３と導体パターン５２ａとの温度差を小さくするために、導体パターン５２ａは、電極端子３よりも熱伝導率の小さい材料であることが好ましい。例えば、導体パターン５２ａは、Ｃｕの表面にＮｉめっきしたもの、電極端子３の材料は、めっきなしのＣｕ、硬ろう材１０は、銀ろう、りん青銅等である。
【００３８】
以上説明したように、実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０１によれば、電極端子３の熱容量を導体パターン５２ａよりも大きくしたことで、レーザー光の加熱による電極端子３と導体パターン５２ａとの温度差を小さくし、ろう付け前に電極端子３が溶融するのを防止することができる。
さらに、電極端子３の厚みを従来よりも大きくすることで、レーザー光によって電極端子３の表面３ａに与えられた熱を、硬ろう材１０側の接合面３ｊに対して拡げることができる。よって、硬ろう材１０と導体パターン５２ａとの接合面全体を均一に加熱して、硬ろう材１０の未接合部を無くすことができる。したがって、電極端子３と導体パターン５２ａとの間で、通電に必要なろう付け面積を確保することができる。その結果、大電流の通電に必要なろう付け面積を確保し、かつ導体パターン５２ａ及び絶縁基材５１の破損を防止した、高温動作においても接合信頼性の高い電力用半導体装置１０１を得ることができる。
【００３９】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２における電力用半導体装置１０２の概略構成を部分断面図及び平面図で示している。本実施の形態２における電力用半導体装置１０２も基本的に実施の形態１における電力用半導体装置１０１の構成と同じ構成を有するが、以下の点で相違する。よってここでは、主に相違点について説明を行い、同じ構成部分についてはその説明を省略する。尚、図２は、図２Ａ〜図２Ｈを含み、電力用半導体装置１０２における電極端子３の接合箇所のみを図示し、その他の構成部分については図示を省略している。
【００４０】
実施の形態１では、電極端子３の熱容量を導体パターン５２ａよりも大きくするために、電極端子３の厚さを導体パターン５２ａの厚さよりも大きく構成した。
これに対して本実施の形態２では、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、電極端子３は、導体パターン５２ａに硬ろう材１０で接合した、第１断面積を有する接合部３１と、第１断面積よりも大きい第２断面積を有する非接合部３２とを有するように構成した点で実施の形態１と相違する。以下に詳しく説明する。
【００４１】
実施の形態１で説明したように、レーザー光の加熱による電極端子３と導体パターン５２ａとの温度差を小さくするために、つまり電極端子３の熱容量を導体パターン５２ａの熱容量よりも大きくするために、電極端子３の幅よりも厚さを大きくすることで電極端子３の断面積を大きくする旨を述べた。
一方、電極端子３の厚さを厚くし過ぎた場合、レーザー光で加熱される電極端子３の表面３ａと接合面３ｊとの間に温度差が生じてしまい、硬ろう材１０が溶融する前に、電極端子３の表面３ａが溶融する可能性が生じる。
そこで電極端子３において、接合面３ｊを有し導体パターン５２ａと接合する部分を、図２Ａに示すように接合部３１とし、この接合部３１における断面積を第１断面積とする。さらに、接合面３ｊに近接して位置し、導体パターン５２ａと接合しない部分を非接合部３２とし、非接合部３２は、第１断面積よりも大きい第２断面積を有するように構成した。このようにして電極端子３の熱容量を従来よりも大きくすることができる。
【００４２】
このように構成することで、電極端子３の幅を大きくすることなく、レーザー光で与えられた熱を、断面積を大きくした非接合部３２へ効率的に逃がすことができる。よって、電力用半導体装置１０２を小型化しつつ、電極端子３の熱容量を導体パターン５２ａの熱容量よりも大きくすることができ、より好ましい。
また、非接合部３２において、電極端子３の厚さではなく幅を広げても同様の効果を得ることができる。電極端子３の接合面３ｊの近傍であれば，電極端子３の幅を広げても電力用半導体装置１０２の小型化を妨げることはない。
【００４３】
また、図２Ｃ及び図２Ｄに示すように、電極端子３の接合面３ｊに対して硬ろう材１０を、ろう付け炉等で予めろう付けしておいてもよい。
このように構成することで、電極端子３の熱容量を、先にろう付けした分だけ増やすことができる。加えてレーザー光の加熱により硬ろう材１０が溶融する際の溶融潜熱で、レーザー光の加熱による電極端子３の温度上昇を抑制することができる。
さらに、電極端子３と導体パターン５２ａとの間の接触熱抵抗が生じる界面を一つ減らすことができ、電極端子３と導体パターン５２ａとの間の温度差を小さくすることができるため、より好ましい。
【００４４】
同様に、図２Ｅ及び図２Ｆに示すように、導体パターン５２ａに対して硬ろう材１０を、予めろう付けしておくことによっても、電極端子３と導体パターン５２ａと間の接触熱抵抗が生じる界面を減らす効果を得ることができる。
【００４５】
さらにまた、図２Ｇ及び図２Ｈに示すように、電極端子３よりも融点の低い材料をめっき３ｍなどで、電極端子３の接合面３ｊの近傍に予め塗布しておいてもよい。
このように構成することで、塗布した材料の分、電極端子３の熱容量を大きくすることができ、また、レーザー光による加熱で電極端子３の温度が上昇したときに、塗布した材料が電極端子３よりも先に融点に達して溶融することから、溶融潜熱によって電極端子３の温度上昇を抑制することができる。
【００４６】
実施の形態３．
本実施の形態３では、実施の形態１における電力用半導体装置１０１の製造方法について、図３（図３Ａ〜図３Ｃ）、図４（図４Ａ〜図４Ｃ）及び図５（図５Ａ、図５Ｂ）を参照して説明を行う。ここで、図３は実施の形態１における電力用半導体装置１０１の製造方法を示し、図４及び図５は、電力用半導体装置１０１の製造方法の説明を補足するための図である。
【００４７】
まず、図４及び図５を参照して電力用半導体装置１００Ａ、１００Ｂの製造方法について説明する。
本明細書の冒頭部分で説明したように、電力用半導体装置が使用される温度環境が近年、過酷化するに伴い、要求される信頼性を満足するためには、はんだより融点の高い硬ろう材を用いて電極端子を接合する方法が考えられる。硬ろう材を用いた接合方法を説明するにあたり、まず図４を参照して、実施の形態１における電力用半導体装置１０１に類似する構成を有する電力用半導体装置１００Ａを用いて、絶縁基板５における導体パターン５２ａに対して、はんだを用いて電極端子３を接合する場合について説明する。次に図５を参照して、絶縁基板５における導体パターン５２ａに対して、硬ろう材１０を用いて電極端子３を接合する場合について説明する。
【００４８】
電力用半導体装置１００Ａでは、図４Ａに示すように、電極端子３と導体パターン５２ａとを接合する材料として、はんだ８と同じ合金のはんだ９が使用されている。
図４Ａに示すように、導体パターン５２ａに、はんだ９を載置もしくは供給してはんだ付けを開始する。このとき、図４Ｂに示すように、はんだ付け中の電力用半導体装置１００Ａの全体を、放熱部材６の底面からホットプレート４０等で加熱しつつ、電極端子３の表面３ａからホットツール４１等で加熱し加圧している。そして図４Ｃに示すように、はんだ９が溶融することで電極端子３と導体パターン５２ａとが接合される。
【００４９】
はんだ９は、はんだ８と比較して融点の低いはんだを選択するのが一般的である。尚、はんだ８及びはんだ９の融点は、共に２５０℃以下程度である。そのため、ホットプレート４０の加熱温度は、はんだ８の融点以下に設定されており、ホットプレート４０の加熱によってはんだ８及びケース１２が溶融することはない。また、放熱部材６の底面側から電力用半導体装置１００Ａの全体を、ホットプレートによって、はんだ９の融点付近まで加熱することで、ホットツール４１で電極端子３の表面３ａから局所的に加熱したときには、はんだ９は容易に融点に達して溶融する。このとき導体パターン５２ａ側もホットプレート４０による加熱によって、はんだ９の融点以上の温度に達するため、溶融したはんだ９は、導体パターン５２ａ側に濡れ広がり、フィレットを形成する。
【００５０】
しかしながら、上述のような構成から、はんだ９の融点は低くならざるを得ず、電力用半導体装置が使用される温度環境が過酷化することへの対応が困難である。よって、はんだ９を用いた構成の電力用半導体装置１００Ａでは、製品に必要な信頼性を満足できなくなることが考えられる。
【００５１】
これに対して、電力用半導体装置１００Ｂでは、図５Ａに示すように、はんだ９に代えて硬ろう材１０を用いる。この場合、図４を参照して説明した加熱方法にて硬ろう材１０を溶融させるためには、（ｉ）ホットプレート４０の温度を硬ろう材１０の融点付近（本実施の形態３では８００℃）まで上昇させる、（ｉｉ）硬ろう材１０の融点以上まで加熱可能なホットツール４１を使用する、又は（ｉｉｉ）電極端子３の表面３ａから局所的に硬ろう材１０の融点以上に加熱可能な加熱手段を用いる、ことが必要となる。
【００５２】
しかしながら、（ｉ）の方法では、電力用半導体装置１００Ｂの全体を例えば８００℃程度まで加熱することから、ケース１２及びはんだ８が溶融する等の現象が生じ、電力用半導体装置として必要な機能を喪失する問題が生じる。また（ｉｉ）の方法では、ケース１２の溶融は防げるものの、ホットツール４１による加熱は、電極端子３の表面３ａとホットツール４１との点接触による熱伝達であるため、加熱に長時間を要する。その結果、はんだ８の全体まで加熱が進み、はんだ８が溶融して絶縁基板５の位置ズレが生じる可能性がある。
【００５３】
よって、絶縁基板５における導体パターン５２ａに対して電極端子３を硬ろう材１０で接合するためには、ケース１２及びはんだ８を溶融させないように、（ｉｉｉ）の方法、つまり電極端子３の表面３ａに対して数秒程度の短時間で、硬ろう材１０の融点以上の温度まで局所的に加熱できる加熱方法を用いる必要がある。このような加熱方法としては、摩擦撹拌あるいは超音波による方法等もあるが、レーザー光による加熱方法を採ることができる。
【００５４】
このレーザー光による加熱は、半導体装置の絶縁基板に加圧あるいは振動等の機械的ダメージを与えず、電力用半導体装置に必要な絶縁性及び導電性を損なうことがなく、かつ小さいスペースで対応でき、また空気中で使用できるため、好ましい。これによって、硬ろう材１０を溶融させてろう付けし、本実施形態１で使用したりん銅ろう材のように、電極端子３より硬い材料を硬ろう材１０に使用することで、電極端子３より信頼性の高い接合部を得ることができる。
【００５５】
しかしながら、レーザー光で加熱を行う電極端子３と接合される導体パターン５２ａは、絶縁基板５に形成されている。また一般的な電力用半導体装置では、絶縁基板５は半導体素子を効率的に冷却するため放熱構造になっており、加えて絶縁基板５の面積が電極端子３の接合面３ｊの面積と比較して大きい上、放熱部材６と接続されている。よって、絶縁基板５の熱容量が電極端子３に比して非常に大きく、レーザー光を用いて局所的に電極端子３の表面３ａを加熱しても、短時間での接合では、電極端子３、硬ろう材１０、及び導体パターン５２ａの間の接触熱抵抗によってこれらの間には温度差が生じる。したがって、加熱により硬ろう材１０が溶融しても、導体パターン５２ａの温度が硬ろう材１０の融点まで達しておらず、図５Ｂに示すように、硬ろう材１０が電極端子３の接合面３ｊ側にのみ濡れて、導体パターン５２ａ側には濡れない状態となる。さらにホットプレート４０を用いて、放熱部材６の底面側からの加熱を同時に行ったとしても、はんだ８及びケース１２の融点以下（２００℃以下程度）の加熱では、上述の温度差を補償することは難しい。尚、図５Ｂにおいて、符号の「４２」はレーザー光を発生し照射するレーザー装置である。
【００５６】
さらに加熱によって導体パターン５２ａの表面の酸化が進行し、ろう付け性が低下する懸念も生じる。そして、このままレーザー光による加熱を続けた場合、導体パターン５２ａが硬ろう材１０が濡れる温度に達する前に、電極端子３の温度が上昇し過ぎて、電極端子３がその融点に達し溶融する可能性がある。電極端子３の溶融により、レーザー光の吸収率が大幅に上昇し、さらに電極端子３の温度上昇が大きくなる。その結果、レーザー光の照射領域において、電極端子３の厚み方向における全体が溶融してしまい、レーザー光が導体パターン５２ａの表面を直接溶融させる一般的なレーザー光溶接と同様の状態になる可能性がある。
【００５７】
一般的なレーザー光溶接のように、レーザー光が導体パターン５２ａを直接溶融させた場合には、レーザー光が導体パターン５２ａを貫通して絶縁基板５の絶縁基材５１まで達し、絶縁基材５１を損傷させる可能性がある。また、レーザー光が導体パターン５２ａを貫通するに至らない場合でも、導体パターン５２ａの溶融した部分、あるいはレーザー光で加熱された絶縁基板５における領域が短時間で局所的に熱膨張する。よって、絶縁基材５１に局所的な応力が発生するため、絶縁基材５１が損傷する恐れがある。
一般的に電力用半導体装置では、動作時に半導体素子を流れる電流は、電極端子３から接合部を通じて導体パターン５２ａを流れている。導体パターン５２ａは、絶縁基材５１と一体的に形成されているのが一般的であるため、絶縁基材５１の損傷は、電力用半導体装置の絶縁性確保を困難にする。
【００５８】
加えて、一般的なレーザー光溶接で得られる接合部は、レーザー光の照射領域とその周囲に限られるため、接合面積は、硬ろう材１０を溶融して得られる接合部と比較して小さくなる。電力用半導体装置１００Ｂの電極端子３と導体パターン５２ａとの接合部は、電力用半導体装置１００Ｂの半導体素子に通電するための通電経路となっており、特に大電流を扱う電力用半導体装置においては、効率的に大電流を流すために電極端子３を大面積で接合する必要がある。そのため、電極端子３と導体パターン５２ａとの接合面積が小さい場合には、通電に必要な接合面積が確保されず、安定した電力供給が妨げられる。さらに、電気抵抗が局所的に大きくなり電極端子３の放熱経路も小さくなるため、電極端子３の温度が上昇し、接合部の信頼性低下を招く。
【００５９】
そのため、レーザー光を用いて局所的に電極端子３を加熱してろう付けする場合には、実施の形態１において既に説明したように、電極端子３の断面積は大きい方が好ましく、そのために、電極端子３の幅よりも厚さを厚くする方が好ましい。
【００６０】
上述の、特に図５を参照した説明を基に、図３を参照して、導体パターン５２ａに比べて熱容量を大きくした電極端子３を有する電力用半導体装置１０１、１０２の、実施の形態３における製造方法について、具体的にはレーザー光による、ろう付けのプロセスについて、以下に説明する。尚、電力用半導体装置１０１を例に採る。また、図３に示す符号の「４３」は、レーザー装置４２の動作制御を行う制御装置である。
【００６１】
ここで制御装置４３は、実際にはコンピュータを用いて実現され、レーザー装置４２の動作制御機能に対応するソフトウェアと、これを実行するためのＣＰＵ（中央演算処理装置）及びメモリ等のハードウェアから構成されている。
【００６２】
まず、図３Ａに示すように、電極端子３の接合面３ｊが硬ろう材１０と接触するように、導体パターン５２ａに対して硬ろう材１０を挟んで電極端子３を載置する。そして、電極端子３の表面３ａ及び導体パターン５２ａにレーザー光を照射してこれらを加熱する。
このとき、レーザー光によって接合面３ｊの全体を均等に加熱可能なように、レーザー光は、デフォーカス等によって電極端子３の接合面３ｊと対向する表面３ａの全体に照射されるようにするのが好ましい。この動作は、制御装置４３によってレーザー装置４２を制御して実行される。
また、電極端子３、導体パターン５２ａ、及び硬ろう材１０の各表面は、酸化膜によって覆われており、この時点では硬ろう材１０の温度は、その融点まで上昇しておらず、電極端子３と導体パターン５２ａとが硬ろう材１０によって接合されることはない。
【００６３】
次に、図３Ｂに示すように、少なくとも電極端子３の表面３ａを含む範囲に、さらにレーザー光を照射して電極端子３を加熱していく。電極端子３の加熱により硬ろう材１０が間接的に加熱され、硬ろう材１０が融点に達して溶融する。このとき、導体パターン５２ａの表面の温度は、硬ろう材１０が濡れ広がる温度に近づいているが、まだ硬ろう材１０が濡れ広がり可能な温度には達していない。よってこの時点では、溶融した硬ろう材１０は、電極端子３の接合面３ｊにのみ濡れ広がる。また、硬ろう材１０の溶融時には溶融潜熱が存在するため、この間、レーザー光の加熱による電極端子３の温度上昇は鈍化する。
【００６４】
電力用半導体装置１０１では、電極端子３及び導体パターン５２ａにはＣｕを用い、硬ろう材１０にはりん銅ろうを用いている。よって硬ろう材１０が溶融したときには、りん銅ろうに含まれているリンの還元作用によって、電極端子３の接合面３ｊは還元され、フラックスなしでも硬ろう材１０は電極端子３に濡れ広がる。一方、フラックスを必要とするろう材を用いる場合には、図３Ａに示す工程の時点で、接合したい部分にフラックスを塗布しておく必要がある。またＣｕの融点は、硬ろう材１０の融点よりも３００℃以上程度高く、硬ろう材１０との融点差を大きく取ることができる。そのため、電極端子３にＣｕを用いた場合、本実施形態におけるメリットがより効果的なものとなる。
【００６５】
さらにレーザー光による加熱を続行することで、最終的には図３Ｃに示すように、電極端子３が溶融する前に、硬ろう材１０が濡れ広がる温度まで、導体パターン５２ａの表面の温度は上昇し、硬ろう材１０を導体パターン５２ａ側に濡れ広がらせることができる。
【００６６】
導体パターン５２ａの温度は、レーザー光で加熱されている範囲の直下部分が最も上昇する。よって硬ろう材１０は、上記直下部分から導体パターン５２ａ側へ濡れ、加熱を続けるにつれて、濡れ面積は、導体パターン５２ａにおいて接合面３ｊと対向する面の外側へ広がっていく。最終的には、接合面３ｊと対向する面の全体に硬ろう材１０が濡れ広がった後、さらにその外側まで濡れ広がりフィレットが形成される。
【００６７】
本実施の形態３では、電極端子３と同様に、硬ろう材１０が濡れ広がるときに、りん銅ろうに含まれているリンの還元作用によって導体パターン５２ａは還元されるため、フラックスなしでも硬ろう材１０は導体パターン５２ａに濡れ広がる。このとき、レーザー光によって接合面３ｊの全体が均等に加熱可能なように、レーザー光をデフォーカス等によって電極端子３の表面３ａの全体に照射する。これにより、導体パターン５２ａにおいて接合面３ｊと対向する面の温度が均等に上昇する。よって、硬ろう材１０が導体パターン５２ａ側に濡れるときに、硬ろう材１０は、導体パターン５２ａにおける接合面３ｊの対向面の全体に、ほぼ同時に濡れ広がる。したがって、導体パターン５２ａ側に硬ろう材１０を濡れ広がらせるに要する時間を短縮でき、また局所的に電極端子３が加熱されることもないため、電極端子３と導体パターン５２ａとの温度差を小さくすることができる。
【００６８】
電極端子３の表面３ａに対する加熱方法として、レーザー光以外の電磁波を用いることもできる。他の電磁波を用いた場合でも、電極端子３と導体パターン５２ａとの温度差を小さくする効果を得ることはできる。
特に電子ビームは、加熱する部分を細かく振分けることができるため、電極端子３の接合面３ｊと、導体パターン５２ａにおける接合面３ｊの対向面とを同程度の温度に加熱するための温度管理が容易になり、また、電極端子３及び導体パターン５２ａの表面状態によらず安定して加熱可能なことから、レーザー光と同様に好ましい。
【００６９】
また、断面積を増すために電極端子３の厚さを大きくしていることから、たとえ、電極端子３の表面３ａの全面に対してレーザー光を照射していない場合でも、電極端子３の厚さ方向へ熱は広がる。よって、電極端子３の厚さが比較的薄い場合と比べて、導体パターン５２ａの温度差を小さくする効果を得ることができる。
【００７０】
実施の形態４．
図６は、実施の形態４における電力用半導体装置１０４の概略構成を部分断面図及び平面図で示している。本実施の形態４における電力用半導体装置１０４も基本的に実施の形態１における電力用半導体装置１０１の構成と同じ構成を有するが、以下の点で相違する。よってここでは、主に相違点について説明を行い、同じ構成部分についてはその説明を省略する。尚、図６は、図６Ａ〜図６Ｂを含み、電力用半導体装置１０４における電極端子３の接合箇所のみを図示し、その他の構成部分については図示を省略している。
【００７１】
実施の形態１では、レーザー光の加熱による電極端子３と導体パターン５２ａの温度差を小さくするために、電極端子３の厚さを導体パターン５２ａの厚さよりも大きく構成して、電極端子３の単位面積当たりの熱容量を導体パターン５２ａよりも大きくした。
これに対して本実施の形態４では、電極端子３は、レーザー光で直接加熱され、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、導体パターン５２ａに硬ろう材１０で接合される接合面３ｊを含む面内の一部に貫通孔３３を有するように構成した点で実施の形態１と相違する。以下に詳しく説明する。尚、貫通孔３３は、電極端子３の厚み方向において電極端子３を欠損させた欠損部の一例に相当する。
【００７２】
実施の形態１で説明したように、レーザー光による電極端子３の加熱の際、ろう付け前に電極端子３が溶融するのを防止するために、電極端子３と導体パターン５２ａとの温度差を小さくすることが必要である。そのため実施の形態１では、電極端子３の幅よりも厚さを大きくすることで、電極端子３の断面積を大きくした。
一方、実施の形態２で説明したように、電極端子３の厚さを厚くし過ぎた場合、レーザー光で加熱される電極端子３の表面３ａと接合面３ｊとの間に温度差が生じてしまい、硬ろう材１０が溶融する前に、電極端子３の表面３ａが溶融する可能性が生じてしまう。
【００７３】
そこで、図７に示すように、電極端子３において、レーザー光で直接加熱される部分の一部に貫通孔３３を有するように構成した。貫通孔３３を設けることで、レーザー光により電極端子３と共に導体パターン５２ａを直接加熱することが可能になるため、電極端子３と導体パターン５２ａとの温度差を小さくすることができる。
【００７４】
よって、レーザー光により与えられた熱で、電極端子３及び導体パターン５２ａを均等に加熱することができる。よって、電力用半導体装置１０４を小型化しつつ、電極端子３と導体パターン５２ａとの温度差を、上述の実施の形態の場合に比べてさらに小さくすることができる。これは、実施の形態１で説明した通り、電力用半導体装置の信頼性を考えたとき、最低限必要な接合面積を小さくできるため電力用半導体装置１０４を小型化できる効果を維持した状態で、電極端子３と導体パターン５２ａとの温度差を小さくできる効果をも得ることができる、という意味である。
【００７５】
また、実施形態３で説明したように、レーザー光がデフォーカスされていても、レーザー光の焦点付近ほど温度が上昇し易い。よって、レーザー光の焦点となる部分と、貫通孔３３とを一致又は近接させることで、導体パターン５２ａを効率的に加熱でき、より好ましい。
【００７６】
これについて以下に詳しく説明する。
図８Ａに示すように、デフォーカスされているレーザー光であってもレーザー光の光軸付近が最もエネルギ密度が高く、加熱され易い。また、貫通孔３３を有しない電極端子３の場合には、導体パターン５２ａの表面に直接レーザー光は照射されない。よって、導体パターン５２ａの温度上昇は、レーザー光で加熱されている電極端子３の表面３ａの熱が、接触熱抵抗が存在する、電極端子３−硬ろう材１０間、硬ろう材１０−導体パターン５２ａ間の２ヶ所を伝導してくるのを待たなければならない。よって、導体パターン５２ａの温度上昇は、電極端子３と比較すると小さい。
【００７７】
一方、電極端子３に貫通孔３３を設けた場合には、図８Ｂに示すように、貫通孔３３を通ったレーザー光により、導体パターン５２ａの表面を直接加熱することができ、電極端子３の表面３ａ及び導体パターン５２ａの表面が共に直接加熱される。よって、導体パターン５２ａの表面温度は上昇し易い。また、貫通孔３３を電極端子３の中央部（接合面３ｊの中央部）に設けた場合には、レーザー光のエネルギ密度が最も高い部分にて、導体パターン５２ａの表面を直接加熱可能となり、さらに導体パターン５２ａの表面温度上昇が可能となる。加えて、電極端子３の表面３ａは、レーザー光の焦点位置から外れるため、貫通孔３３を有しない電極端子３と比較して、電極端子３の温度上昇は遅くなる。よって導体パターン５２ａと電極端子３との温度差を小さくすることが可能になる。
【００７８】
これによって、（ｉ）電極端子３と導体パターン５２ａとの温度差を小さくすることができる、（ｉｉ）接合面３ｊの中央から加熱された熱が接合面３ｊ全体に広がるため、導体パターン５２ａ表面の接合面３ｊ内での温度差を抑制できる、という効果が得られる。
【００７９】
また、図９に示すように、レーザー光の照射を、例えば、接合面３ｊの中央から周囲へ渦巻き状に行うことで、接合面３ｊの中央から電極端子３の外側へ向かって温度の偏りなく加熱可能となるため、好ましい。
【００８０】
また、実施の形態３で説明したように、導体パターン５２ａに対して電極端子３を硬ろう材１０で接合するためには、ケース１２及びはんだ８を溶融させないように、電極端子３の表面３ａに対して、数秒程度の短時間で、硬ろう材１０の融点以上の温度まで局所的に加熱する必要がある。
このため、硬ろう材１０を用いた接合では、図４に示すような、はんだ９を用いた製造方法とは異なり、接合過程において、電極端子３をスクラブすることによる、接合面３ｊ下のボイド低減対策を実施することができない。そのため、接合後に、図１０に示すように、接合面３ｊ下にボイド３４が残存する懸念がある。
【００８１】
硬ろう材１０を用いているため、たとえボイド３４が残存した場合でも電力用半導体装置１０４の信頼性は低下しないが、ボイド３４の存在部分には硬ろう材１０が無いため、接合面積が小さくなる。そのため電極端子３と導体パターン５２ａとの通電経路及び放熱経路が小さくなることから、ボイド３４は無い方が好ましい。
【００８２】
そこで、電極端子３の接合面３ｊを含む面内に、気体が通過可能である程度の大きさの貫通孔３３を設けることで、硬ろう材１０の溶融時に電極端子３の接合面３ｊの中央付近で硬ろう材１０内に残っている気体は、貫通孔３３を通じて外部へ排出可能となる。よって、接合面３ｊ下のボイド３４の存在を低減することができる。
【００８３】
さらにまた、貫通孔３３を有しない電極端子３の場合と同様にして硬ろう材１０を供給した場合、貫通孔３３を有する電極端子３では、図６Ａに示すように、貫通孔３３内に進入する硬ろう材１０の量が少なくなる。よって、貫通孔３３を設けた分、電極端子３の断面積が小さくなり、電極端子３の電気抵抗は大きくなる。さらに、貫通孔３３部分には電極端子３の熱が広がらないことから、電極端子３の放熱経路にはならないという状態が生じる。
このような、貫通孔３３部分が未接合部となり通電経路及び放熱経路が小さくなってしまうという接合状態を防ぐために、硬ろう材１０を余分に供給しておく場合もある。この場合、貫通孔３３を有することで、余分な硬ろう材１０は、貫通孔３３内に進入することできる。その結果、電極端子３に貫通孔３３を設けたことで生じる、局所的に電気抵抗が大きくなる、及び放熱経路が小さくなるという接合状態は無くすことができる。
【００８４】
また、一般的に硬ろう材１０は、薄くなるほど接合信頼性が有利になる。貫通孔３３を設けることで、溶融した硬ろう材１０は、貫通孔３３内部に濡れ広がり、電極端子３下の硬ろう材１０の厚さは、貫通孔３３内部に濡れ広がった硬ろう材１０の厚さよりも薄くなる。よって、接合信頼性が向上するという効果を得ることもできる。
【００８５】
また硬ろう材１０は、貫通孔３３内には供給していなくてもよい。一方、貫通孔３３内に予め硬ろう材１０を供給した場合、次のように作用する。つまり、レーザー光の加熱により、先に硬ろう材１０が溶融する。溶融した硬ろう材１０は、導体パターン５２ａが硬ろう材１０の融点に達するまでは、導体パターン５２ａには濡れ広がらず、硬ろう材１０の表面張力によって貫通孔３３の周囲に集まる。よって、レーザー光による導体パターン５２ａの加熱を妨げない。加えて、導体パターン５２ａの表面温度が硬ろう材１０の融点に達すると、硬ろう材１０は、濡れ広がって貫通孔３３内に入り込み、通電経路及び放熱経路が小さくなるのを防ぐことができる。さらに加熱中は硬ろう材１０は溶融しており、ボイドとなる気体が貫通孔３３から抜けることも妨げないため、より好ましい。
【００８６】
また、貫通孔３３は、図１１Ａに示すように、電極端子３内に複数設けてもよい。複数設けることで、貫通孔３３を接合面３ｊ内に均等に配置でき、より効率的に接合部３１内のボイド３４を低減することができ、より好ましい。このとき、レーザー光の焦点位置が偏ると温度に偏りが生じるため、接合面３ｊ内の温度均一化の点から、レーザー光の焦点位置は、接合面３ｊの中央にあるのが好ましい。そのため、電極端子３に複数の貫通孔３３を設ける場合には、焦点位置を中心とした同心円状に均等に貫通孔３３を設けるのが好ましい。
【００８７】
さらにまた、図１１Ｂに示すように貫通孔３３は、孔ではなく溝状に形成してもよい。尚、この溝は、電極端子３の厚み方向において電極端子３を欠損させた欠損部の一例に相当する。また溝は、電極端子３の先端３ｃ（図１３）から電極端子３の曲げ部の方へ延在する。よって電極端子３の先端３ｃは、上記溝によって分割されている。
この場合、溝の延在方向に沿う両壁間の距離（溝幅）が、硬ろう材１０が形成するフィレットの距離の２倍以下であれば、溶融した硬ろう材１０が溝内に濡れ広がることができる。よって、通電経路及び放熱経路が小さくなることなく、電極端子３と導体パターン５２ａとの温度差を小さくする効果、及び、接合面３１内のボイド３４を低減する効果を、共に得ることができる。
【００８８】
また溝幅を狭くすることで、硬ろう材１０の供給に偏りが生じて溝の先端まで硬ろう材１０が供給されていない場合でも、毛細管現象により硬ろう材１０が溝の先端部まで濡れ広がる。よって、硬ろう材１０の供給位置、あるいは供給量のバラつきに左右されず、均一に硬ろう材１０を接合面内に濡れ広がらせることができる。
【００８９】
さらにまた、図１２Ａに示すように、電極端子３の貫通孔３３の側壁がハの字形状であれば、ハの字の根元３３ａ側（硬ろう材１０に接触している側）の温度がハの字の先端３３ｂ側（電極端子３の表面３ａ側）と比較して低くなると考えられる。よって、硬ろう材１０の這い上がり（溶融した硬ろう材１０が電極端子３の壁面を伝って電極端子３の接合面３ｊと対向する表面側まで濡れ広がる状態）を抑制する効果が得られるため好ましい。これは、電極端子３側の温度が導体パターン５２ａ側より早く上昇した場合には、硬ろう材１０が濡れ広がる方向は、電極端子３の方へしかなくたるため、這い上がり易いためである。これは、図１２Ｂに示す逆階段形状（電極端子３の硬ろう材１０と接触する面側がザグリ形状）でも同様の効果を得ることができる。
また、ハの字形状、逆階段形状のどちらでも、硬ろう材１０内のボイドをより抜き易くなる効果を得ることができる。尚、貫通孔３３の壁面が斜面で段差がない分、ハの字形状の方がボイド抜きの効果は大きい。
【００９０】
従来のはんだ付けを用いた方法では、電極端子３が変形する程の加圧が無くともはんだ付けは可能である。一方、本実施の形態のように硬ろう材１０を用いる場合、電極端子３−硬ろう材１０間、硬ろう材１０−導体パターン５２ａ間の２ヶ所の接触熱抵抗を低減するため、導体パターン５２ａに対して電極端子３を加圧する必要がある。このとき、図１３に示す電極端子３の先端３ｃと根元３ｄとを治具によって加圧した状態でレーザー光を電極端子３へ照射した場合、電極端子３の熱膨張により、図１３に示すような電極端子３の変形が生じ、ろう付け後もその変形が残った状態となる。
このような変形は、電極端子３の先端３ｃが薄いほど変形量が大きいため、電極端子３を厚くすることで変形量を抑制することができる。また、電極端子３に貫通孔３３を設けて、レーザー光の焦点位置を貫通孔３３の位置に設定することで、上述した通り、電極端子３の加熱温度を抑えることができ、加熱による電極端子３の変形も同様に抑制することができる。
【００９１】
上述した各実施の形態を組み合わせた構成を採ることも可能であり、また、異なる実施の形態に示される構成部分同士を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１  半導体素子、３  電極端子、３ｊ  接合面、５  絶縁基板、６  放熱部材、
８、９  はんだ、１０  硬ろう材、１２  ケース、３１  接合部、３２  非接合部、
３３  貫通孔、３４  ボイド、４２  レーザー装置、４３  制御装置、
５１  絶縁基材、５２ａ、５２ｂ  導体パターン、
１０１、１０２、１０４  電力用半導体装置。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2019133965.tif 000008
【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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