(57)【要約】【課題】電極端子が導体パターンや電力用半導体素子の表面電極に超音波接合された電力用半導体装置の信頼性を向上することを目的としている。【解決手段】本発明の電力用半導体装置１００は、導体パターン５２ａが形成された絶縁基板（セラミック基板５）と、導体パターン５２ａの上に配設された電力用半導体素子１と、電極端子３とを備え、電極端子３は、本体部と、予め本体部よりも薄く形成された薄肉部（先端部３ｂ）とを有し、薄肉部（先端部３ｂ）は、導体パターン５２ａに超音波接合された超音波接合部２０を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体パターンが形成された絶縁基板と、前記導体パターンの上に配設された電力用半導体素子と、電極端子とを備えた電力用半導体装置であって、
前記電極端子は、本体部と、予め前記本体部よりも薄く形成された薄肉部とを有し、
前記薄肉部は、前記導体パターンに超音波接合された超音波接合部を有することを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
導体パターンが形成された絶縁基板と、前記導体パターンの上に配設された電力用半導体素子と、電極端子とを備えた電力用半導体装置であって、
前記電極端子は、本体部と、予め前記本体部よりも薄く形成された薄肉部とを有し、
前記薄肉部は、前記電力用半導体素子の主電極のうち表面側に形成された表面電極に超音波接合された超音波接合部を有することを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項３】
前記電極端子は、前記薄肉部において、前記超音波接合部と前記本体部との間に、前記導体パターンに接続されない未接続部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記電極端子は、
前記本体部が、前記薄肉部から曲げられた端子曲げ部を介して前記絶縁基板の表面から離れる方向に延伸しており、
前記本体部と前記薄肉部との境界部における、前記絶縁基板と反対側の形状が、丸め形状又は面取り形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記電極端子は、前記端子曲げ部における、前記絶縁基板と反対側の形状が、丸め形状又は面取り形状であることを特徴とする請求項４記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
前記電極端子は、前記本体部において、外部回路が接続される側に、略Ｓ字形状のベンド部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
前記電極端子は、複数の電極端子部材を前記絶縁基板に垂直な方向に重ねて構成されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
前記電力用半導体素子は、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乃至７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
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、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８記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電力用半導体装置を製造する電力用半導体装置の製造方法であって、
前記電極端子における、前記導体パターン又は前記電力用半導体素子の表面電極である対象物に接続する接合領域を含む領域を、前記本体部よりも薄くすることにより、前記薄肉部を形成する薄肉部形成工程と、
前記電力用半導体素子が搭載された前記絶縁基板を超音波接合装置に固定する基板固定工程と、
前記対象物に前記電極端子を載置する電極端子載置工程と、
前記電極端子の前記薄肉部において、前記電極端子が前記対象物に載置された面に対向する面側から前記超音波接合装置の超音波ホーンを当て、前記対象物と前記電極端子とを超音波接合する超音波接合工程と、を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
【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、特に、電極端子が、半導体素子の表面電極や、半導体素子が実装される導体パターンに超音波接合により接合された電力用半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力用半導体装置、特に大電流の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、外部回路と接続する電極端子を大面積で接合する必要があるため、電極端子の接合にはんだ接合が用いられてきた（例えば、特許文献１）。しかし、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従って、従来のはんだ接合では要求される信頼性を満足できない可能性が生じてきた。また、従来のはんだ接合では、電力用半導体装置が、セラミック板の両面に導体パターンが形成されたセラミック基板をベース板にはんだ接合している様な構造であった場合、電極端子をはんだ接合する際の加熱によって、ベース板とセラミック基板を接合しているはんだが再溶融してしまう可能性があった。そのため、電極端子を接合するはんだとして、融点がベース板とセラミック基板を接合しているはんだに近いものを用いることができず、複数種のはんだが必要となり、プロセスが複雑にな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、セラミック基板上の導体パターンに対し電極端子を超音波接合する方法がある。超音波接合は固相接合で加熱工程を必要としないため、電極端子の接合の際にベース板とセラミック基板を接合しているはんだを再溶融させずに電極端子を大面積で接合することができる上に、はんだ接合と比較して接合部の信頼性も向上することができる。
【０００４】
しかし、超音波接合は、被接合材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を行う。そのため、電力用半導体装置に必要な電流容量を確保するために必要な断面積を持った電極端子を接合させる接合条件は、高い圧力と強い超音波振動、長い接合時間が必要になる。その結果、電極端子と導体パターンが接合された端子接合部の変形が大きくなり、端子接合部が局所的に薄くなる。これによって、超音波ホーンで加圧された押込み部と押込み部以外の電極端子本体との境目（厚さ境界部）に応力が集中しやすい箇所が生まれ、電力用半導体装置の動作時に発生する熱膨張および振動に伴う変形による応力がこの部位に集中することで、電極端子の疲労破壊を起こし、電力用半導体装置の信頼性の低下を招く恐れがある。これらを避けるために変形を最小限とすべく超音波接合の接合条件を弱めに設定することが考えられるが、この場合には端子接合部の接合強度が低下するという課題がある。
【０００５】
そこでこの課題に対して、特許文献２には、電極端子先端の超音波接合部が、厚みが減少しない未押し当て部と、超音波ホーンで圧接されて厚みが減少した押し当て部とを含み、未押し当て部および押し当て部の境界部分の幅方向距離が、電極端子先端部の幅よりも大きくなるように構成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２５３５１６号公報（００１２段〜００１４段、図１）
【特許文献２】特開２０１２−１３８４５９号公報（０００６段〜０００７段、００１２段〜００１３段、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、超音波ホーンで加圧された押込み部の変形を最小限とすべく超音波接合の接合条件を弱めに設定すると端子接合部の接合強度が低下する。端子接合部の接合強度が低下すると、動作時に発生する熱膨張および振動に伴う変形による応力によって端子接合部が剥離しやすくなるため、端子接合部が局所的に薄くなった場合と同様に電力用半導体装置の信頼性が低下する恐れがある。電力用半導体装置では、動作時に半導体素子に流れる電流が、電極端子から端子接合部を通じてセラミック基板上の導体パターンを流れているため、電極端子が疲労破壊しても端子接合部が剥離しても、電力用半導体装置に電流が流れなくなる恐れがあり、電流が流れなくなった場合には、電力用半導体装置によって被制御機器が正常に制御できなくなる恐れがある。
【０００８】
特許文献２では、厚みが減少しない未押し当て部および超音波ホーンで圧接されて厚みが減少した押し当て部の境界部分の幅方向距離が、電極端子先端部の幅よりも大きくなるように超音波接合部を構成している。厚みの減少が生じない未押し当て部と、厚みの減少する押し当て部とが直接接する距離が延長されることで、打点隅部に集中する応力が分散され、プル強度向上および耐久信頼性の向上を得ることができるとしている。また、特許文献２では、応力集中抑制効果により先端部の部材ネック部の強度が向上するため、超音波接合部の押込み量を増し、押し当て部を薄くすることが可能となり、単位面積あたりの接合強度を向上できる。これにより必要な接合面積を減少させ、全体の小型化に寄与できるとしている。
【０００９】
しかしながら、上述した特許文献２の技術は、電極端子を接合させるための接合条件として高い圧力と強い超音波振動、長い接合時間が必要になる。そのため、超音波接合の際に電極端子の超音波ホーン（特許文献２の超音波接合ツールに相当）で加圧された部分は、削られ変形して局所的に薄くなってしまう。これによって、押込み部と電極端子本体の境目に応力が集中しやすい箇所が生まれるだけではなく、電極端子先端部の略Ｌ字状の曲げ部が接合の際の超音波振動によって変形を繰り返すことで疲労破壊やクラックを生じる恐れがある。略Ｌ字状の曲げ部が疲労破壊すると、上述のように電力用半導体装置に電流が流れなくなる。疲労破壊しなくてもクラックを生じると、動作時に発生する熱膨張および振動に伴う変形による応力がこの部位に集中することで最終的に疲労破壊を起こす恐れがある。
【００１０】
本発明は、前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、セラミック基板等の絶縁基板上の導体パターンや電力用半導体素子の表面電極に対し電極端子を超音波接合した電力用半導体装置において、超音波接合する際に、略Ｌ字状等に曲げた電極端子であっても、その曲げ部の疲労破壊やクラックの発生を防止し、信頼性を向上することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の電力用半導体装置は、導体パターンが形成された絶縁基板と、導体パターンの上に配設された電力用半導体素子と、電極端子とを備え、電極端子は、本体部と、予め本体部よりも薄く形成された薄肉部とを有し、薄肉部は、導体パターン又は電力用半導体素子の表面電極である対象物に超音波接合された超音波接合部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電力用半導体装置によれば、電極端子が予め本体部よりも薄く形成された薄肉部とを有するので、導体パターンや電力用半導体素子の表面電極である対象物に電極端子を超音波接合する際に、略Ｌ字状等に曲げた電極端子であっても、その曲げ部の疲労破壊やクラックの発生を防止し、信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の要部を示す部分断面図である。
【図２】比較例の超音波接合工程を説明する概略図である。
【図３】比較例の超音波接合工程を説明する概略図である。
【図４】比較例の超音波接合工程を説明する概略図である。
【図５】本発明の実施の形態１による超音波接合工程を説明する概略図である。
【図６】本発明の実施の形態１による超音波接合工程を説明する概略図である。
【図７】本発明の実施の形態１による超音波接合工程を説明する概略図である。
【図８】本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の要部を示す部分断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３による電力用半導体装置の要部を示す部分断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態４による電力用半導体装置の要部を示す部分断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５による電力用半導体装置の要部を示す部分断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態６による電力用半導体装置の要部を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の電力用半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、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。各図間において、対応する各構成部のサイズや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断面図の間では、変更されていない同一構成部分が、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、該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（例えば電力用半導体素子やケース、ヒートシンク等）については省略している。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の要部の構成を説明するための部分断面図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１による電力用半導体装置１００は、絶縁基材５１の両側に導体パターン５２ａ、５２ｂが形成されたセラミック基板５と、放熱部材６と、電極端子３等を備えている。セラミック基板５の放熱面側（導体パターン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（導体パターン５２ａ側）には、電極端子３が超音波接合されている。電極端子３は、電力用半導体素子１の主電極に電気的に接続されている。以下、詳細に説明する。なお、各図には、座標系を示しており、ｘ方向はセラミック基板５に水平な方向で電極端子３の接合部が延伸する方向であり、ｚ方向はセラミック基板５に垂直な方向であり、ｙ方向は紙面に垂直な方向である。座標系のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は、それぞれ直交している。
【００１６】
電極端子３は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電力用半導体素子１（図１２参照）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等の板金を切断したものやプレス加工したものが用いられる。電極端子３は、一端に導体パターン５２ａと接続される接合部が形成され、他端側は他の回路部材や外部回路と電気接続される。また、電極端子３は、通電可能な電流を大きくするためには、電極端子３の断面積が大きいほうが好ましいが、超音波接合の際に印加されたパワーを接合面３ｊ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、実施の形態１の電極端子３を構成する板材は、接合面３ｊを含む端子先端部分である先端部３ｂが、接合面３ｊを有する面と反対側の面方向から予め加工されており（図５参照）、電極端子３における先端部３ｂ以外（適宜、電極端子本体と称する。）より薄なった薄肉領域（薄肉部）を有している。電極端子３の接合面３ｊを含む先端部３ｂの加工は超音波ホーン５０（図５参照）によって潰されるのとは異なり、プレスや切削で加工されていることが好ましい。なお、図１では、先端部３ｂが全て薄肉領域である例、すなわち、電極端子３の先端部分に薄肉部を設けた例を示した。
【００１７】
電極端子３の先端部３ｂは、破線１５から破線１７までの部分である。先端部３ｂは、破線１５から破線１６までの部分である超音波接合部２０と、破線１６から破線１７までの部分である未加圧部３ａを有する。未加圧部３ａは、導体パターン５２ａに接続されない未接続部である。超音波接合部２０は少なくとも導体パターン５２ａと対向する接合面３ｊを有する部分であり、未加圧部３ａは先端部３ｂにおける超音波接合部２０以外の部分である。破線１７から右側の部分は、電極端子３の電極端子本体である。破線１７から破線１８までの部分は、端子曲げ部３ｒである。
【００１８】
電極端子３の好ましい寸法を示す。先端部（薄肉部）３ｂの厚さ（未加圧部厚ｔ１、図５参照）は、０．３ｍｍ〜０．８ｍｍ程度が好ましい。電極端子３の厚さは、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ、電極端子３の幅（ｙ方向の電極端子長）は２．０ｍｍ〜６．０ｍｍ程度が好ましい。また、電極端子３の電極端子本体より薄い部分（先端部３ｂ）は、超音波ホーン５０によって加圧され、超音波ホーン５０によって加圧された部分（超音波接合部２０）には超音波ホーン５０の先端形状が転写される形で圧痕が形成される。この超音波ホーン５０によって加圧される部分（超音波接合部２０）と、電極端子３の電極端子本体との間に超音波ホーン５０で加圧しない未加圧部３ａを設けることが好ましく、未加圧部３ａは０．５ｍｍ以上の長さ（ｘ方向長）にするとさらに好ましい。
【００１９】
セラミック基板５は、絶縁基材５１と絶縁基材５１の両側に形成された導体パターン５２ａ、５２ｂより成る。導体パターン５２ａ、５２ｂは、パターン形成された導体である。絶縁基材５１は、電気的な絶縁物であり、熱伝導率の大きい材料が好ましく、一般的には厚さ０．６３５ｍｍや０．３２ｍｍのＡｌＮやＳＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミック板が用いられる。導体パターン５２ａと導体パターン５２ｂは、同じ材料が用いられる。このうち、電極端子３と接合される接合部を形成する導体パターン５２ａは、電力用半導体素子１と外部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。そのため、導体パターン５２ａ、５２ｂには、一般的には厚さ０．５ｍｍ以下程度のＣｕやＡｌ等が用いられる。
【００２０】
放熱部材６は、単体または複数枚のセラミック基板５とはんだ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のはんだ８で接合される面と対向する面（反対側の面）が熱伝導グリス等でヒートシンク（図示せず）へ接続されることで、電力用半導体装置１００で発生した熱を効率よく外部へ放熱させる。そのため、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１〜５ｍｍ程度のＣｕやＡｌやＡｌＳｉＣ等の金属板が用いられる。
【００２１】
はんだ８は、セラミック基板５の放熱面側と放熱部材６を接合する。そのため、はんだ８の材料は、融点が低く、熱伝導率の大きい金属が好ましく、一般的にはＳｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｃｕ等を用いた合金が用いられる。また、その厚さは、信頼性と放熱性の観点から、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度が好ましい。
【００２２】
つぎに、このように構成した電力用半導体装置１００の特徴及び効果について、従来の電力用半導体装置１１０（比較例）と比較して説明する。図２〜図４は、比較例の超音波接合工程を説明する概略図である。図５〜図７は、本発明の実施の形態１による超音波接合工程を説明する概略図である。図２〜図７は、それぞれ超音波接合工程毎の接合部分近傍の断面を示している。図２及び図５は、超音波ホーン５０を電極端子３や電極端子１３に接触させた状態を示している。図３及び図６は、電極端子３や電極端子１３に、超音波ホーン５０により加圧力３０を加えながら、超音波で振動させている状態を示している。図４及び図７は、電極端子３や電極端子１３がセラミック基板５の導体パターン５２ａに接合された状態を示している。
【００２３】
実施の形態１の電力用半導体装置１００の製造方法は、４つの工程、すなわち、電極端子３の先端部分に電極端子本体より薄い薄肉部を形成する薄肉部形成工程と、セラミック基板５を超音波接合装置に固定する基板固定工程と、セラミック基板５の導体パターン５２ａに電極端子３を載置する電極端子載置工程と、導体パターン５２ａと電極端子３とを超音波接合する超音波接合工程を含んでいる。薄肉部形成工程は、電極端子３における、導体パターン５２ａである対象物に接続する接合領域を含む領域を、本体部（電極端子本体）よりも薄く加工する工程である。図１、図５〜図７では、セラミック基板５の導体パターン５２ａと直接接触する面を含んだ先端部３ｂ（超音波接合部２０、未加圧部３ａ）が薄肉部である。超音波接合工程は、電極端子３におけるセラミック基板５への載置面の反対側（表面）から超音波接合装置の超音波ホーン５０を当て、導体パターン５２ａと電極端子３とを超音波接合する工程である。比較例の電力用半導体装置１１０の製造方法は、実施の形態１の電力用半導体装置１００の製造方法から薄肉部形成工程を削除し、電極端子１３の接合条件が異なるものである。
【００２４】
図５は、実施の形態１の薄肉部形成工程、基板固定工程、電極端子載置工程が実行された状態を示している。図６は、実施の形態１の超音波接合工程を実行している状態を示している。図７は、実施の形態１の超音波接合工程が終了した後の電力用半導体装置１００を示している。図２は、比較例の基板固定工程、電極端子載置工程が実行された状態を示している。図３は、比較例の超音波接合工程を実行している状態を示している。図４は、比較例の超音波接合工程が終了した後の電力用半導体装置１１０を示している。
【００２５】
従来の電力用半導体装置１１０では、電極端子１３の厚さは全て一定である。破線１５（図４参照）から破線１９までの部分は、電極端子１３の先端部１３ｂである。破線１９から右側の部分は、電極端子１３の電極端子本体である。破線１９から破線１８までの部分は、端子曲げ部１３ｒである。電極端子３には電力用半導体装置１１０を動作させるために必要な電流を流す必要があるため、特に発電や電鉄等大電流を扱う製品に用いられる電力用半導体装置１１０の電極端子１３には、厚さ１．０ｍｍ以上のＣｕ端子が用いられているのが一般的である。超音波接合を行う場合では板厚が厚く、かつ硬い材料ほど接合に必要なエネルギーが多くなるため、荷重や接合時間、振幅等の接合条件を大きくする必要がある。しかし、接合条件を大きくすると図２〜図４に示すように、超音波ホーン５０によって電極端子１３自体が大きく変形したり、端子曲げ部１３ｒに長時間繰返し変形が加わることで端子曲げ部１３ｒにクラックを生じることがある。
【００２６】
これに対して、前述したように、本発明の実施の形態１の電力用半導体装置１００では、電極端子３の先端部３ｂが、接合面３ｊを有する面と反対側の面方向から予め加工されており、電極端子３の電極端子本体より薄なっている。このように、超音波ホーン５０で加圧される部分を予め薄くしておくことで、超音波接合に必要なエネルギーを少なくすることができる。超音波接合に必要なエネルギーが少なくなれば、接合条件である荷重（加圧力）や振幅を小さく、接合時間を短くすることができるため、実施の形態１の電力用半導体装置１００は、図５〜図７に示すように超音波ホーン５０によって電極端子３自体が大きく変形するのを防ぐことができる。それに加えて、実施の形態１の電力用半導体装置１００は、接合時間を短くすることで略Ｌ字状の端子曲げ部３ｒに繰返し変形が加わる時間を短くすることができるため、端子曲げ部３ｒにクラックが生じるのを防ぐことができる。
【００２７】
さらに、比較例の電極端子１３の超音波ホーン５０によって大きく変形した部分から削れた金属が、金属屑１３ｃ（図３参照）となって周囲に飛散する。これらの金属屑１３ｃが電力用半導体素子１の表面や、導体パターン５２ａの間に落下することで電力用半導体装置１１０が動作不良や絶縁破壊を引き起こす恐れがある。
【００２８】
これに対して、本発明の実施の形態１の電力用半導体装置１００では、従来よりも接合条件を弱めに設定することにより、超音波ホーン５０によって電極端子３が大きく変形するのを防ぐことができるため、電極端子３の削れる量が従来に比べて極めて少なくなり、削られた金属の大きな塊である金属屑１３ｃの発生も抑制することができる。
【００２９】
さらに、電力用半導体装置１００、１１０の動作時に発生する熱膨張および振動に伴う変形により、電極端子３、１３にも応力が生じる。このとき、従来の電力用半導体装置１１０では図４に示すように、電極端子１３と導体パターン５２ａは超音波ホーン５０によって加圧された部分が接合される。そのため、超音波ホーン５０によって電極端子１３が、先端部１３ｂの未加圧部厚ｔ５から潰されて厚さが薄くなった部分（破線１５から破線１６までの部分）のｚ方向から見た投影面積がそのまま超音波接合部２５となる。電極端子１３の厚さが薄くなる部分と電極端子１３の超音波接合前の厚さのままである部分との境界は、破線１６で示した部分である。また、電極端子１３の先端部１３ｂにおける超音波接合部２５と、超音波ホーン５０で押圧されずに、導体パターン５２ａと接合されない未接合部２６との境界は、破線１６で示した部分である。したがって、電極端子１３の厚さが異なる部分の境界と、電極端子１３における超音波接合部２５及び未接合部２６の境界とは一致しており、すなわち上記２つの境界が図４のｚ軸の同一線上に存在する。破線円２７で囲った部分は、電極端子１３における超音波接合部２５と未接合部２６との境界部であり、電極端子１３の厚さが変化する部分である境界部である。
【００３０】
比較例の電極端子１３の厚さが変化する部分である境界部２７は、電極端子１３の部材の厚さそのものが減少している上に、接合の際に超音波ホーン５０の振動によってダメージを受けているため破断しやすくなっている。また、超音波接合部２５と未接合部２６との境界部も上記境界部２７と一致しているため、電極端子１３に生じた応力はこの部分で最も大きくなる。よって、比較例の電力用半導体装置１１０の動作時に発生する熱膨張および振動に伴う変形により電極端子１３に生じた応力が、電極端子１３の厚さが変化する部分である境界部２７に集中することで、電極端子１３が破断し、電力用半導体装置１１０の信頼性の低下を招く恐れがある。
【００３１】
これに対して、本発明の実施の形態１の電力用半導体装置１００では、超音波ホーン５０によって電極端子３が大きく変形することもなく、図１に示すように超音波ホーン５０によって加圧される部分（超音波接合部２０）と、電極端子３の厚さが異なる端子曲げ部３ｒとの間に超音波ホーン５０によって加圧しない未加圧部３ａを設けることによって、薄肉になった先端部３ｂと端子曲げ部３ｒとの境界部２１に対する超音波接合の際の機械的な影響を小さくし、境界部２１が過度にダメージを受けるのを防止することができる。また、この未加圧部３ａを長さが０．５ｍｍ程度以上となるように設けることで、超音波ホーン５０や電極端子３の位置がずれても、超音波接合部２０と端子曲げ部３ｒとの間に未加圧部３ａが消滅することなく存在するので、境界部２１に接合の際の機械的影響を受けないようにしてダメージを防止することができる。さらに、電力用半導体装置１００の動作時に発生する熱膨張および振動に伴う熱変形により電極端子３に応力が生じても、その応力は電極端子３の未加圧部３ａ全体が変形することで未加圧部３ａ全体に分散される。そのため、電極端子３の厚さが異なる厚さ境界部（破線１７が通過する部分）や、境界部２１、超音波接合部２０に応力が集中することがなく、その部分で電極端子３が破断し、製品の信頼性が低下するのを防ぐことができる。
【００３２】
超音波接合部２０では、電流が超音波接合部２０を通じて電極端子３の他端側に流れ、また、超音波接合部２０が構造的に超音波接合部２０の厚さ方向に対して、電力用半導体装置１００の放熱経路となっている。そのため電極端子３の先端部３ｂを薄くしても、電流集中する部分をなくす、または極力少なくすることができ、電流集中により異常発熱が生じることもなく、通電可能な電流量を維持することができる。電流の大きさによっては、先端部３ｂの一部または全部を電極端子３の他の部分よりもｙ方向の幅を幅広にすることによって、通電による発熱をさらに低減することもできる。
【００３３】
電極端子３の先端部３ｂが薄くなれば、電力用半導体装置１００の動作に伴う温度変化によって、部材間の線膨張係数差によって超音波接合部２０に生じる熱応力に対しても、超音波接合部２０が壊れにくくなるため、信頼性の高い電力用半導体装置１００を得ることができる。
【００３４】
実施の形態１の電力用半導体装置１００は、接合面３ｊを含む電極端子３の先端部３ｂが、接合面３ｊを有する面と反対側の面方向から予め加工されており、他の部分より薄くなっている電極端子３を備えたことで、通電可能な電流量を維持したまま、電極端子３を導体パターン５２ａに超音波接合するために必要なエネルギーを小さくすることができる。実施の形態１の電力用半導体装置１００は、超音波接合に必要なエネルギーが少なくなるため、超音波ホーン５０によって電極端子３が大きく変形するのを防ぐことができる。さらに、実施の形態１の電力用半導体装置１００は、接合時間を短くすることで端子曲げ部３ｒに繰返し変形が加わる時間を短くすることができるため、端子曲げ部３ｒにクラックが生じるのを防ぐことができる。また、実施の形態１の電力用半導体装置１００は、電極端子３が大きく変形するのを防ぐことができるのと同時に、金属屑１３ｃの発生を抑制でき、金属屑１３ｃが電力用半導体素子１上や導体パターン５２ａ上に飛散するのも抑制することができる。
【００３５】
さらに、実施の形態１の電力用半導体装置１００は、超音波ホーン５０によって加圧される部分（超音波接合部２０）と、電極端子３の厚さが異なる厚さ境界部に間を開けておくことで、すなわち、超音波接合部２０と端子曲げ部３ｒとの間に、電極端子３の本体部よりも薄い未加圧部３ａを設けることで、超音波接合の際に超音波ホーン５０によって与えられる機械的影響によって電極端子３が受けるダメージを防止することができる。実施の形態１の電力用半導体装置１００は、電力用半導体装置１００の動作時に発生する熱膨張および振動に伴う変形により電極端子３に生じる応力が未加圧部３ａ全体に分散されるので、従来の境界部２７に集中することで電極端子３が破断し、製品の信頼性が低下してしまうのとは異なり、良好な超音波接合部２０を持った、大電流に対応でき、信頼性を向上することができる。
【００３６】
電力用半導体素子１は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でもよいが、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用できる。電力用半導体素子１のデバイス種類としては、特に限定する必要はないが、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子や、ダイオードのような整流素子を搭載することができる。例えば、スイッチング素子や整流素子として機能する電力用半導体素子１に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）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シリコン（Ｓｉ）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１００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１００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、放熱フィン（ヒートシンク）の小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、放熱フィン（ヒートシンク）を備えた電力用半導体装置１００の一層の小型化が可能になる。
【００３７】
以上のように、実施の形態１の電力用半導体装置１００によれば、導体パターン５２ａが形成された絶縁基板（セラミック基板５）と、導体パターン５２ａの上に配設された電力用半導体素子１と、電極端子３とを備え、電極端子３は、本体部と、予め本体部よりも薄く形成された薄肉部（先端部３ｂ）とを有し、薄肉部（先端部３ｂ）は、導体パターン５２ａに超音波接合された超音波接合部２０を有することを特徴とするので、超音波接合する際に、略Ｌ字状等に曲げた電極端子であっても、その曲げ部の疲労破壊やクラックの発生を防止し、信頼性を向上することができる。
【００３８】
実施の形態１の電力用半導体装置の製造方法によれば、電極端子３における、導体パターン５２ａ又は電力用半導体素子１の表面電極２である対象物に接続する接合領域を含む領域を、本体部よりも薄くすることにより、薄肉部を形成する薄肉部形成工程と、電力用半導体素子１が搭載された絶縁基板（セラミック基板５）を超音波接合装置に固定する基板固定工程と、対象物に電極端子３を載置する電極端子載置工程と、電極端子３の薄肉部において、電極端子３が対象物に載置された面に対向する面側から超音波接合装置の超音波ホーン５０を当て、対象物と電極端子３とを超音波接合する超音波接合工程と、を含むことを特徴とするので、超音波接合する際に、略Ｌ字状等に曲げた電極端子であっても、その曲げ部の疲労破壊やクラックの発生を防止し、信頼性を向上することができる。
【００３９】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の要部を示す部分断面図である。実施の形態２の電力用半導体装置１００は、電極端子３の未加圧部３ａにおけるセラミック基板５に対向する載置面と反対側の形状が実施の形態１と異なり、角丸め形状にしたものである。実施の形態１では、図７における電極端子３の厚さが異なる厚さ境界部（破線１７が通過する部分）において、段差が生じていたが、実施の形態２では厚さ境界部と未加圧部３ａとの接続が滑らかになっている。電極端子３の未加圧部３ａを角丸め形状にすれば、超音波接合の際に図７における電極端子３の厚さが異なる厚さ境界部（破線１７が通過する部分）の角部に繰返し変形が加わるのとは異なり、厚さ境界部（破線１７が通過する部分）の機械的なダメージを低減することがき、クラックを生じるのを防止する効果を実施の形態１に比べて高めることができる。
【００４０】
なお、電極端子３の未加圧部３ａにおけるセラミック基板５に対向する載置面と反対側の形状は、角丸め形状以外にもＣ面取り形状等にしても、同様の効果が得られる。
【００４１】
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３による電力用半導体装置の要部を示す部分断面図である。実施の形態３の電力用半導体装置１００は、実施の形態２と同様に電極端子３の未加圧部３ａの形状が角丸め形状であり、さらにセラミック基板５との対向面と反対側である電極端子３の端子曲げ部３ｒの曲げ部内側３ｃも角丸め形状にしたものである。電極端子３の未加圧部３ａの形状及び電極端子３の端子曲げ部３ｒの曲げ部内側３ｃの形状を角丸め形状にすれば、実施の形態２よりも厚さ境界部（破線１７が通過する部分）の機械的なダメージを低減することがき、クラックを生じるのを防止する効果を実施の形態２に比べて高めることができる。
【００４２】
なお、電極端子３の端子曲げ部３ｒにおける曲げ部内側３ｃの形状は、角丸め形状以外にもＣ面取り形状等にしても、同様の効果が得られる。
【００４３】
実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４による電力用半導体装置の要部を示す部分断面図である。実施の形態４の電力用半導体装置１００は、電極端子３の本体部において略Ｓ字型のベンド構造部３ｄを有するものである。電極端子３に略Ｓ字型のベンド構造部３ｄを設ければ、ベンド構造部３ｄが優先的に変形するため、超音波接合の際に電極端子３の端子曲げ部３ｒに繰返し変形が加わらなくなることに加えて、超音波接合の際に与えられる振動によって電極端子３の厚さが異なる厚さ境界部（破線１７が通過する部分）の角部に繰返し変形が加わるのとは異なり、厚さ境界部（破線１７が通過する部分）の機械的なダメージを低減することがき、クラックが生じるのを防止する効果を実施の形態１に比べて高めることができる。
【００４４】
さらに、電力用半導体装置１００の動作時に発生する熱膨張および振動に伴う変形により電極端子３に応力が生じた場合にも、ベンド構造部３ｄが優先的に変形するため、応力が電極端子３の１箇所に集中する従来と異なり、電極端子３の厚さが異なる厚さ境界部（破線１７が通過する部分）や、境界部２１において破断耐性を向上することができ、製品の信頼性を実施の形態１に比べて高めることができる。なお、電極端子３は、本体部において、凹型のベンド構造部等を有した端子形状でもよく、この場合も上記と同様の効果が得られる。
【００４５】
実施の形態５．
図１１は、本発明の実施の形態５による電力用半導体装置の要部を示す部分断面図である。実施の形態５の電力用半導体装置１００は、電極端子３を複数枚の電極端子部材１１、１２を重ねにして構成したものであり、電極端子部材１１と電極端子部材１２とが互いに固定されない領域を有したものである。この電極端子部材１１と電極端子部材１２とが互いに固定されない領域は、図１１における隙間１４を形成する領域である。図１１では、２枚の電極端子部材１１、１２を備えた電極端子３の例を示した。図１１において、破線１７から破線１８までの部分である端子曲げ部３ｒは、電極端子部材１１の端子曲げ部１１ｒと電極端子部材１２の端子曲げ部１２ｒを有している。
【００４６】
実施の形態５の電力用半導体装置１００は、電極端子３を複数枚の電極端子部材１１、１２を重ねにして構成することで、通電可能な電流量を維持したまま電極端子３を構成する電極端子部材１１、１２のそれぞれの厚さを薄くすることができるため、電極端子３が可撓性を持ち、電力用半導体装置１００の動作時に発生する熱膨張および振動に伴う変形により電極端子３に応力が生じた場合にも、電極端子３の電極端子部材１１、１２が個別に変形することで、応力が電極端子３の１箇所に集中する従来と異なり、電極端子３の厚さが異なる厚さ境界部（破線１７が通過する部分）や、境界部２１において破断耐性を向上することができ、製品の信頼性を実施の形態１に比べて高めることができる。
【００４７】
なお、複数枚の電極端子部材１１、１２を重ねた電極端子３の先端部３ｂは超音波接合で一度に接合することができるため、接合回数が増えることで電極端子３に繰返し変形が加わる回数が増えることもない。
【００４８】
実施の形態６．
実施の形態６の電力用半導体装置１００について、図１２を参照して説明する。図１２は、本発明の実施の形態６による電力用半導体装置の要部を示す部分断面図である。実施の形態１の図１との相違点は、電極端子３を接合する対象物が異なることである。すなわち、実施の形態１の図１との相違点は、電極端子３をセラミック基板５の導体パターン５２ａに接合したのとは異なり、電極端子３を電力用半導体素子１の表面に形成された表面電極２に接合したことである。電力用半導体素子１は、表面電極２が形成されている面と対向する面に裏面電極９が形成されており、この裏面電極９がセラミック基板５の導体パターン５２ａ上にはんだで接合されている。
【００４９】
電極端子３は、電力用半導体素子１の表面に形成された表面電極２と超音波接合されている。表面電極２の下にはトランジスタ領域１０が形成されている。
【００５０】
電力用半導体素子１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。実施の形態６の電力用半導体装置１００は、少なくとも１個以上の電力用半導体素子１を有すればよいが、ＩＧＢＴもしくはＭＯＳＦＥＴがダイオードと逆並列に接続されるように構成することが好ましい。電力用半導体素子１の材料にはＳｉやＳｉＣ、ＧａＮ等が用いられるが、ＳｉＣの方がＳｉと比較して、チップの定格電流に対する表面電極２の面積が小さくなるため、Ｓｉの場合より高密度の配線技術が求められる。そのため、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、後述するように本発明のメリットはより効果的なものとなる。実施の形態６の電力用半導体素子１の材質がＳｉの場合には、定格電圧と定格電流は、例えば１４００Ｖ、１７５Ａである。また、電力用半導体素子１の大きさ及び厚さは、例えば大きさが１５ｍｍ×１５ｍｍであり、厚さが０．１５ｍｍである。
【００５１】
表面電極２は、電力用半導体素子１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Ａｌが用いられるが、Ａｌ合金やＣｕ、Ｃｕ合金等が用いられることもある。場合によってはＴｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属が積層されていることもあるが、いずれの場合においても同様の効果を得ることができる。実施の形態６の表面電極２の材料は、例えば厚さ０．０７ｍｍのＡｌである。
【００５２】
つぎに、このように構成した電力用半導体装置１００の特徴及び効果について、従来の厚さが全て一定である電極端子を用いた場合と、本発明の実施の形態６にかかる接合面３ｊを含む先端部３ｂが、接合面３ｊを有する面と反対側の面方向から予め加工され、他の部分（本体部）より薄くなっている電極端子３を用いた場合とを比較して説明する。
【００５３】
実施の形態１において説明したとおり、電極端子３には電力用半導体装置１００を動作させるために必要な電流を流す必要があり、これは電極端子３を電力用半導体素子１の表面電極２上に超音波接合した場合でも同様である。また、超音波接合では板厚が厚く、かつ硬い材料ほど接合に必要なエネルギーは多くなるため、荷重や接合時間、振幅等の接合条件を大きくする必要があるのも同様である。
【００５４】
ここで、従来の厚さが全て一定である従来の電極端子１３を用いた場合、超音波接合の際に十分な接合面積を得るために必要な接合条件では、実際の表面電極２の厚さが薄すぎるため、超音波ホーン５０による加圧と超音波振動によって、電極端子３と共に表面電極２が変形し、表面電極２の一部が破壊され、その下に形成されているトランジスタ領域１０のトランジスタが破壊される。更に表面電極２の変形が進むと、電極端子３が電力用半導体素子１と接触し、電力用半導体素子１が破壊される。
【００５５】
これに対して、実施の形態６の電力用半導体装置１００では、実施の形態１で説明したように、電極端子３の先端部３ｂが他の部分（本体部）より薄くなっている。実施の形態１で説明したように、電極端子３の先端部３ｂが薄い場合には、超音波接合に必要なエネルギーが少なくなるため、電極端子３及び表面電極２が超音波ホーン５０による加圧と超音波振動によって変形するのを抑制することができ、その下に形成されているトランジスタ領域１０のトランジスタ、すなわち電力用半導体素子１が破壊されるのを防止することができる。
【００５６】
このように、実施の形態６の電力用半導体装置１００は、接合面３ｊを含む電極端子３の先端部３ｂが、接合面３ｊを有する面と反対側の面方向から予め加工され、他の部分より薄くなっている電極端子３を備えたことで、電力用半導体素子１が破壊されることなく、電力用半導体素子１の表面に形成された表面電極２に電極端子３を超音波接合することができる。すなわち、実施の形態６の電力用半導体装置１００は、実施の形態１の効果を奏すると共に、表面電極２が超音波ホーン５０による加圧と超音波振動によって変形するのを抑制し、その下に形成されているトランジスタ領域１０のトランジスタ、すなわち電力用半導体素子１が破壊されるのを防止することができる。
【００５７】
表面電極２とセラミック基板５の導体パターン５２ａとがワイヤ等で接続され、この導体パターン５２ａに電極端子３を超音波接合された電力用半導体装置の場合には、表面電極２と導体パターン５２ａとを接続するワイヤ等の断面積が小さくなることで、ワイヤ等が電力用半導体素子１から外部回路までの電気抵抗を増大させてしまう原因になる。これに対して、実施の形態６の電力用半導体装置１００は、表面電極２に電極端子３を超音波接合することで、ワイヤ等で表面電極２とセラミック基板５の導体パターン５２ａに接続する場合に比べて、表面電極２と電極端子３とを一度に大面積で接合することができる。実施の形態６の電力用半導体装置１００は、表面電極２と電極端子３とを一度に大面積で接合することができるので、電力用半導体素子１から外部回路までの電気抵抗を低減することができる。この効果は、大電流を流すことができるワイドバンドギャップ半導体材料の電力用半導体素子１を搭載した電力用半導体装置１００には、有利に働く。すなわち、電力用半導体装置１００の電力損失をさらに低くでき、さらなる高効率化が可能となる。
【００５８】
なお、実施の形態１〜実施の形態６では、先端部３ｂが全て薄肉部である例で説明したが、超音波接合部２０の左側（電極端子３の最先端側）に薄肉部よりも厚さが厚い領域があっても構わない。また、薄肉部が電極端子３の先端部分でない中間部分にあってよい。中間部分に薄肉部が設けられた場合でも、この薄肉部において超音波接合部２０が形成される。また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１…電力用半導体素子、２…表面電極、３…電極端子、３ａ…未加圧部（未接続部）、３ｂ…先端部（薄肉部）、３ｄ…ベンド構造部、３ｊ…接合面、３ｒ…端子曲げ部、５…セラミック基板、１１…電極端子部材、１２…電極端子部材、２０…超音波接合部、５０…超音波ホーン、５２ａ…導体パターン、１００…電力用半導体装置。
【図１】
2015056412.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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