(57)【要約】【課題】制御基板等の被接続機器への組み込みが容易で、大電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的とする。【解決手段】幅方向に分岐した部分のそれぞれが間隔を隔てて対向する両持梁構造のプレスフィット部３２が一端に形成された、電力用のプレスフィット端子３であって、Ｃｒ−Ｚｒ系の銅合金、Ｍｇ−Ｐの銅合金、およびＣｏ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系の銅合金のいずれか、または４８０ＭＰａ以上の０．２％耐力、および３０．５ｎΩ・ｍ以下の電気抵抗率を有する材料で構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅方向に分岐した部分のそれぞれが間隔を隔てて対向する両持梁構造のプレスフィット部が一端に形成された、電力用のプレスフィット端子であって、
Ｃｒ−Ｚｒ系の銅合金で構成されていることを特徴とするプレスフィット端子。
【請求項２】
幅方向に分岐した部分のそれぞれが間隔を隔てて対向する両持梁構造のプレスフィット部が一端に形成された、電力用のプレスフィット端子であって、
Ｍｇ−Ｐの銅合金、またはＣｏ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系の銅合金で構成されていることを特徴とするプレスフィット端子。
【請求項３】
幅方向に分岐した部分のそれぞれが間隔を隔てて対向する両持梁構造のプレスフィット部が一端に形成された、電力用のプレスフィット端子であって、
４８０ＭＰａ以上の０．２％耐力、および３０．５ｎΩ・ｍ以下の電気抵抗率を有する材料で構成されていることを特徴とするプレスフィット端子。
【請求項４】
１．０ｍｍの厚みを有し、最大幅が２．８ｍｍの板材で構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のプレスフィット端子。
【請求項５】
筐体と、
前記筐体の内部に設置され、電力用半導体素子を含む電力回路が形成された回路基板と、
前記プレスフィット部が前記筐体から露出するとともに、他端が前記筐体の内部で前記電力回路と接続されている請求項１から４のいずれか１項に記載のプレスフィット端子と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項６】
前記電力用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５に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
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、および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６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、機器間で電力の接続に用いられるプレスフィット端子、およびそれを用いた電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置のうちでも電力用半導体装置は、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。従って、電力用半導体装置に使用される半導体素子は１００Ａ／ｃｍ２を超える高い電流密度で通電することが求められる。そのため、近年はシリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されており、ＳｉＣからなる半導体素子はシリコンと較べて高い電流密度での動作が可能である。
【０００３】
一方、制御基板と接続するための電力用半導体装置には、複数のはんだ付け用の端子（はんだ付け端子）が筐体から突き出るように配置されている（例えば特許文献１参照。）。このような電力用半導体装置と接続される制御基板には、複数の端子の配列に対応した接続部が配置されているので、容易に電力用半導体装置を制御基板と接続することができる。しかし、はんだ付け端子を用いる場合、制御基板へのはんだ付けエリアを設ける必要があり、小型化が困難になる。あるいは、はんだ付けプロセスにおいてサーマルストレスが発生する等の課題を有している。そこで、非加熱方式となるプレスフィット端子を用いた接続が注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許公開公報US2009/0194884A1（段落００４１〜００４６、Fig. 13）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これまでのプレスフィット端子は、信号用等の５Ａ以下の低電流用に用いられてきた。そのため、上述した電力用半導体装置のように、例えば、１０Ａ以上といった大電流が流れる電力の接続に用いると、プレスフィット端子の抵抗、およびプレスフィット端子と制御基板（スルーホール）との接触部の抵抗による発熱で、電力用半導体装置および制御基板が温度上昇することがあった。とくに、上述した組合せの中で、制御基板を構成するプリント基板の耐熱温度が最も低く、プリント基板のガラス転移温度以上に温度が上昇すると、基板が軟化する。その場合、接触部の接圧低下によって抵抗が増大し、さらに温度が上昇し、安定した動作が行えなくなる。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、容易に被接続機器への組み込みが可能で、大電流に対応し信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のプレスフィット端子は、幅方向に分岐した部分のそれぞれが間隔を隔てて対向する両持梁構造のプレスフィット部が一端に形成された、電力用のプレスフィット端子であって、Ｃｒ−Ｚｒ系の銅合金、Ｍｇ−Ｐの銅合金、およびＣｏ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系の銅合金のいずれか、または４８０ＭＰａ以上の０．２％耐力、および３０．５ｎΩ・ｍ以下の電気抵抗率を有する材料で構成されていることを特徴とする。
【０００８】
また本発明の電力用半導体装置は、筐体と、前記筐体の内部に設置され、電力用半導体素子を含む電力回路が形成された回路基板と、前記プレスフィット部が前記筐体から露出するとともに、他端が前記筐体の内部で前記電力回路と接続されている上述のプレスフィット端子と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のプレスフィット端子によれば、電気抵抗が低く、かつ接触抵抗を低減するために必要な機械的特性を有しているので、容易に被接続機器への組み込みが可能で、大電流に対応し信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるプレスフィット端子を用いた電力用半導体装置の構成を説明するための平面図と正面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかるプレスフィット端子を用いた電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかるプレスフィット端子を用いた電力用半導体装置の機器への組み込み状態を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかるプレスフィット端子の電力用半導体装置に設けられた状態を説明するための一部を透過させた部分正面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかるプレスフィット端子の構成を説明するための正面図と側面図である。
【図６】従来のはんだ付け端子を用いた電力用半導体装置の機器への組み込み状態を説明するための断面図である。
【図７】従来のはんだ付け端子の電力用半導体装置に設けられた状態を説明するための一部を透過させた部分正面図である。
【図８】電気特性および発熱特性を評価するため、はんだ付け端子を評価装置に接続した状態を示す模式図である。
【図９】はんだ付け端子における端子材ごとの通電電流と温度上昇の関係を示すグラフである。
【図１０】電気特性および発熱特性を評価するため、プレスフィット端子を評価装置に接続した状態を示す模式図である。
【図１１】Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金を用いた端子の種類ごとの通電電流と温度上昇の関係を示すグラフである。
【図１２】Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金を用いた端子の種類ごとの換算電流損失と温度上昇の関係を示すグラフである。
【図１３】プレスフィット端子における胴体部の許容抵抗を示すための、電気抵抗値と抵抗値の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１〜図５は本発明の実施の形態１にかかるプレスフィット端子およびそれを用いた電力用半導体装置の構成を説明するためのものであり、図１（ａ）と図１（ｂ）はそれぞれ電力用半導体装置の外観を示す平面図と正面図、図２は図１（ａ）のＡ−Ａ線に対応する断面図、図３は電力用半導体装置の機器への組み込み状態を説明するための図で図１（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する断面図、図４はプレスフィット端子が電力用半導体装置に設けられた状態を説明するための、ケース部分を透過させた部分正面図、図５はプレスフィット端子の構成を説明するための正面図と側面図である。
【００１２】
また、図６と図７は、本発明の実施の形態にかかるプレスフィット端子の仕様の基準となる従来のはんだ付け端子について説明するためのもので、図６ははんだ付け端子を用いた電力用半導体装置の機器への組み込み状態を説明するための断面図、図７ははんだ付け端子の構成を説明するための正面図である。なお、図６の切断位置は図３と同様である。
【００１３】
そして、図８〜図１３は、本発明の実施の形態にかかるプレスフィット端子の仕様を決めるための評価試験の状態や評価結果について説明するためのもので、図８は端子材による電気特性および発熱特性を評価するため、はんだ付け端子を評価装置に接続した状態を示す模式図、図９ははんだ付け端子における材質ごとの通電電流と温度上昇の関係を示すグラフ、図１０は接続方式による電気特性および発熱特性を評価するため、プレスフィット端子を評価装置に接続した状態を示す模式図、図１１はＣｒ−Ｚｒ系銅合金を用いたはんだ付け端子とプレスフィット端子それぞれの通電電流と温度上昇の関係を示すグラフ、図１２はＣｒ−Ｚｒ系銅合金を用いたはんだ付け端子とプレスフィット端子それぞれの換算電力損失と温度上昇の関係を示すグラフ、図１３はプレスフィット端子における胴体部の許容抵抗を検討するための、電気抵抗値と抵抗値の関係を示すグラフである。
【００１４】
プレスフィット端子の詳細な説明に先立ち、プレスフィット端子を用いた電力用半導体装置１について説明する。
図１に示すように、電力用半導体装置１は、ベース板４が下面側から露出した状態で全体がパッケージ２（インサートケース２１と蓋２２）により覆われ、パッケージ２（を構成するインサートケース２１）には、放熱用のヒートシンクをベース板４に取り付けるための取り付け穴２ｈが形成されている。一方、電力用半導体装置１の上面部には、外部（被接続機器）との電気接続を確保するために、端子である複数のプレスフィット端子３が、パッケージ２から突出するように配置されている。
【００１５】
つぎに、電力用半導体装置１の内部構造について説明する。
図２に示すように、電力用半導体装置１には、パッケージ２内に絶縁材料であるセラミック基材５１の回路面（図中上側）側に銅による複数のパターン５２が形成された回路基板５が設置されている。回路基板５の放熱面（図中下側）には、はんだ８によって銅製のベース板４が接合され、回路面のパターン５２のうちのひとつには、半導体材料にシリコンを用いたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）６１とＦｗＤｉ（Free-Wheeling Diode）６２（まとめて電力用半導体素子６）がはんだ８で接合されている。ＩＧＢＴ６１、ＦｗＤｉ６２の上部電極には、直径２００〜４００μｍのアルミニウムのワイヤ７が、複数本ワイヤボンディングされており、他のパターン５２上や、プレスフィット端子３のパッケージ２内の部分に形成されたワイヤボンド部３５に接続されている。なお、インサートケース２１の内部はシリコンゲル２３にて封止され、開放された上部を蓋２２で覆うことでパッケージ化される。
【００１６】
このように構成された電力用半導体装置１では、パッケージ２の上面から突出したプレスフィット端子３は、図１（ａ）に示すように、背景技術で説明した制御基板のような被接続機器への挿入方向に垂直な面における所定位置に配置されている。そして、被接続機器への組み込みの際は、図３に示すように、プレスフィット端子３における外部との接点であるプレスフィット部３２を被接続機器（図ではプリント基板９）側の接点であるスルーホール９ｈに挿入する。スルーホール９ｈの内壁は、銅めっきにより、プリント基板９の回路面に形成された複数のパターン９２と電気的に連なる導体で覆われており、挿入されたプレスフィット部３２と接触することで、電力用半導体装置１との電気接続（導通）が確保される。
【００１７】
つぎに、端子として用いるプレスフィット端子３の構成について説明する。
プレスフィット端子３の一端には、図４に示すように、例えば、上述したプリント基板９に挿入してスルーホール９ｈと導通させる接点となるプレスフィット部３２が形成され、他端には、電力用半導体装置１内のパターン５２あるいは電力用半導体素子６等の回路部材とのワイヤボンドを行うためのワイヤボンド部３５が形成されている。そして、プレスフィット部３２と、ワイヤボンド部３５とをつなぐ胴体部３３とを有し、胴体部３３のうち、ワイヤボンド部３５側の部分（インサート部３３ｕ）が電力用半導体装置１のパッケージ２内に埋め込まれ、胴体部３３の残りの部分（露出部３３ｅ）がプレスフィット部３２をパッケージ２から引き離すように支持している。プレスフィット部３２および露出部３３ｅの表面には、電気接点に一般的に用いられるニッケル下地スズめっきが施され、ワイヤボンド部３５にはアルミワイヤボンディングが可能なように、光沢ニッケルめっきが施される。
【００１８】
プレスフィット端子３の寸法としては、図５に示すように胴体部３３の幅Ｗｍが２．８ｍｍ、板厚ｔは１ｍｍとなっており、プレスフィット部３２の最大幅Ｗｐは２．１ｍｍとなっている。プレスフィット部３２はスルーホール９ｈ内壁との接触を確保するため、バネ性を有するように、ニードルアイ形状となっている。つまり、端子圧入方向の先端となる先細状の先端から圧入方向および板厚方向に垂直な方向（＝幅方向）に分岐して張出した一対の分岐部の間に開口が形成された両持ち梁構造となっており、分岐部のそれぞれの幅Ｗｂは０．７ｍｍとなっている。
【００１９】
また、プレスフィット部３２の断面形状は、スルーホール９ｈ内壁の形状（円筒形）に追随し、接触面積が大きくなるよう、４隅の角にＲ加工（Ｒ０．３）が施されている。なお、プリント基板９のスルーホール９ｈの仕様は、メッキ厚２５〜５０μｍで、仕上り径が内径２．０ｍｍとなっており、プレスフィット部３２の最大幅Ｗｐ（２．１ｍｍ）よりもやや小さくなっている。
【００２０】
つぎに、本発明の実施の形態にかかるプレスフィット端子３の仕様の基準となる、電力用のはんだ付け端子について説明する。
図６に示すように、従来の電力用半導体装置２０１には、プリント基板９との接続用に、純銅製のピン状のはんだ付け端子２０３が設けられ、スルーホール９ｈにピンを挿入して、はんだ付け方式で取り付けられることが一般的である。はんだ付け端子２０３はプリント基板９のスルーホール９ｈに挿入した後、はんだ８により、接続導通させる構造となる。はんだ付け端子２０３の構成は、図７に示すように、ピン状部２３２と、胴体部２３３とワイヤボンド部２３５とで構成されている。ピン状部２３２の構成は、プレスフィット端子３のプレスフィット部３２と大きく異なるが、胴体部２３３とワイヤボンド部２３５とについては、基本的にはプレスフィット端子３の胴体部３３とワイヤボンド部２３５と同様である。ピン状部２３２の寸法は、長さ１１ｍｍ、断面の一辺が１．２ｍｍ、もう１辺（厚さ方向）が０．８ｍｍである。また、端子間距離（端子センターからセンターまで）は３．８１ｍｍとなっている。
【００２１】
つぎに、動作について説明する。
図３で説明したように、電力用半導体装置１はプレスフィット端子３に対応した接点が設けられたプリント基板９のような機器に取り付けられて使用される。ここで、電力用半導体装置１とプリント基板９は、使用中に温度変化や振動などの苛酷な環境にさらされる。使用中の温度変化により、電力用半導体装置１はこれらの環境にさらされた際に、プリント基板９の線膨張係数（約１３ｐｐｍ／Ｋ）と電力用半導体装置の線膨張係数（パッケージ２の線膨張係数：約５ｐｐｍ／Ｋ）の違いにより、電力用半導体装置１のプレスフィット端子３の配列とプリント基板９の接点の配列間に繰り返し変位が生じる。
【００２２】
このとき、従来の、低電流用のプレスフィット端子を電力用半導体装置とプリント基板９との接続に用いた場合、プレスフィット部とプリント基板９のスルーホール９ｈとの接点に繰り返し負荷が生じる。そのため、より大きな電力用半導体装置への適用や、より過酷な環境にて適用することが困難となっていた。
【００２３】
とくに、電力用半導体装置１においては、端子当たりの通電電流が１０Ａ以上の大電流となる。大電流通電時の課題は、通電時の発熱による構成部材の温度上昇であった。電力用半導体装置１とプリント基板９の組合せでは、背景技術で説明したように、プリント基板９が最も耐熱温度の低い部材となる。プリント基板９の基材は、一般的にガラスエポキシ多層基材であるＦＲ−４（Flame Retardant Type 4）材からなり、ガラス転移温度は１２０〜１５０℃となる。例えば、プリント基板９の温度がガラス転移温度よりやや低い１０５℃を超えた場合、機械的な強度が徐々に低下し、基材が軟化することでプレスフィット端子と基板スルーホール９ｈの接点に発生する接圧が低下し、信頼性が低下する。そのため、通電時のプリント基板９の温度は、１０５℃以下となる必要がある。例えば、電力用半導体装置１が６０℃程度の雰囲気温度中で使用される場合、通電時に許容される温度上昇は４５Ｋ以下となる。
【００２４】
そこで、上述した温度上昇を抑制するための仕様を設定すべく、端子の種類や端子材ごとの接触抵抗と温度上昇について評価試験を行った。
評価試験装置は、図８に示すように、ＦＲ−４を基材１９１とし、所定間隔を開けた２つのスルーホール１０９ｈを有する両面プリント基板１０９を用い、次のように構成した。スルーホール１０９ｈは、それぞれ３７．５×５０ｍｍの矩形をなし、端子台１１０が接合されたパターン１９２内に形成されている。端子台１１０間には、電流計１４０と直流電源１３０とが直列接続されているとともに、端子台１１０間の電圧を測定する電圧計１５０が設置されている。また、パターン１９２内における２つのスルーホール１０９ｈの近傍部分に、温度測定点Ｐｔｍが設けられている。
【００２５】
評価試験の際には、各スルーホール１０９ｈに、試験対象となる端子の一端を挿入して接続するとともに、他端を銅リード１２０で短絡する。これにより直流電源１３０によって直流電流を流した際の、端子に流れる電流、端子間（端子台１１０間）の電圧、およびプリント基板１０９（温度測定点Ｐｔｍ）の温度が測定できる。
【００２６】
＜端子材の影響評価＞
はじめに、端子材の違いによる温度上昇への影響を検証するため、接触抵抗の影響の小さなはんだ付け対応の端子を用いて評価試験を実施した。評価に用いたはんだ付け対応の評価端子２０３Ｖは、はんだ付け用のピン状部と導電用の胴体部の単純な形状とし、スルーホール１０９ｈに、評価端子２０３Ｖを挿入し、はんだ接合により、スルーホール１０９ｈと評価端子２０３Ｖとの接続を行った。
【００２７】
端子材としては、以下の基準で３種類を選定した。＜１＞：５Ａ以下の電流で使われる一般的なプレスフィット端子材料であるリン青銅。＜２＞：電力用半導体装置のはんだ付け端子で一般的に使用される純銅。＜３＞：電気抵抗率が純銅に近く、リン青銅と同等の強度を有するＣｒ−Ｚｒ系銅合金。なお、評価に用いたＣｒ−Ｚｒ系銅合金は、クロム（Ｃｒ）を０．２〜０．４ｗｔ％、シルコニウム（Ｚｒ）を０．０７〜０．１３ｗｔ％、ケイ素（Ｓｉ）を０．０１〜０．０３ｗｔ％、残部が銅（Ｃｕ）である合金である。当然ながら不可避的不純物を含む。選定した３種類の構成材の物性を表１に示す。電気抵抗率で比較すると、Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金は純銅の約１．３倍、リン青銅は純銅の約８倍となる。
【００２８】
【表１】
2015141857.tif 000003
【００２９】
選定した３種の端子材を用いて作成した評価端子２０３Ｖの評価結果を図９に示す。図中、横軸は電流値、縦軸は基板（温度測定点Ｐｔｍ）の温度上昇である。２５Ａ通電時の温度上昇は、＜１＞リン青銅：１１Ｋ、＜２＞純銅：６Ｋ、＜３＞Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金：７Ｋとなり、電気抵抗率が高い方が温度上昇は大きくなった。５０Ａ通電時は、影響がより顕著であり、＜１＞リン青銅：５８Ｋ、＜２＞純銅３２Ｋ、＜３＞Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金３５Ｋとなった。この結果、リン青銅を用いると、純銅と比較して２６Ｋも温度上昇が高い５８Ｋとなり、上述した許容温度上昇の４５Ｋを超え、大電流を取り扱う電力用半導体装置の端子材としては不適であることが明らかであった。一方、Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金を端子材として用いた場合は、純銅と比較して多少の温度上昇は確認されたが、リン青銅ほどの温度上昇には至らない結果が得られた。
【００３０】
＜接続方式の影響評価＞
つぎに、端子の接続方式による温度上昇への影響を評価するため、上記Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金を端子材としてプレスフィット方式の評価端子を作成し、評価を行った。評価に用いたプレスフィット対応の評価端子３Ｖは、プレスフィット用のプレスフィット部と導電用の胴体部の単純な形状とし、スルーホール１０９ｈに、評価端子３Ｖを挿入した際の接触により、スルーホール１０９ｈと評価端子３Ｖとの接続を行った。なお、プレスフィット端子とはんだ付け端子では、一般的に胴体部の形状が異なるが、本評価端子３Ｖの胴体部は、評価端子２０３Ｖの胴体部と同様の形状になるように形成している。
【００３１】
今回作成した評価端子３Ｖの評価結果と、はんだ付け用で同じ端子材を用いた評価端子２０３Ｖについて得られている結果（図９の△）を重ねたものを図１１に示す。図中、横軸は電流値、縦軸は基板（温度測定点Ｐｔｍ）の温度上昇を示す。２５Ａ通電時の温度上昇は、はんだ付け端子の７Ｋに対して、プレスフィット端子は９Ｋであった。５０Ａ通電時は、はんだ付け端子の３５Ｋに対して、プレスフィット端子は３９Ｋとなり、はんだ付け端子と比較して約４Ｋ高くなった。
【００３２】
つぎに、通電時の発熱量として、評価装置で測定した通電時の電圧と電流の積から換算した電力損失と、温度上昇との関係をプロットした結果を図１２に示す。図中、横軸は換算した電力損失、縦軸は基板（温度測定点Ｐｔｍ）の温度上昇である。この結果から、発熱量（電力損失）と温度上昇は、接続方式に関係なく同じ直線にのることがわかった。これにより、端子の個々の抵抗成分ではなく、総抵抗を温度上昇の指標となるジュール発熱に対応する値として取り扱うことが可能であることがわかる。そして、胴体部が同じ形状で形成されているので、図１１で得られたはんだ付け端子とプレスフィット端子との温度上昇の違いは、接続抵抗の増大によるものと判断できる。そのため、接続抵抗の増大（接続面積低下）による温度上昇を補償するためには、端子の胴体部の抵抗を低減すれば、従来のはんだ付け接続と同等以下に温度上昇を抑制することが可能となる。
【００３３】
ここで、Ｒｍｓをはんだ付け端子の胴体部の抵抗（胴体抵抗）、Ｒｊｓをはんだ付け端子の接合部の抵抗（接触抵抗）、Ｒｍｐをプレスフィット端子の胴体抵抗、Ｒｊｐをプレスフィット端子の接触抵抗とすると、下記式（１）が成立するようにすればよい。
Ｒｍｐ  ＋  Ｒｊｐ  ≦  Ｒｍｓ  ＋  Ｒｊｓ    ・・・（１）
【００３４】
プレスフィット接続は、接圧による導通となるので、プレスフィット端子として成立するための０．２％耐力が重要である。プレスフィット接続においては、挿入対象のスルーホール９ｈの材料の方が低い０．２％耐力を有するので、基本的にプレスフィット端子３の０．２％耐力が大きいほど、接触抵抗Ｒｊｐが小さくなることが経験的にもわかっている。つまり、従来の接触状態と同等とするためには、従来の一般的な端子材であるリン青銅と比較して、機械的特性の中の０．２％耐力が同等以上である必要がある。
【００３５】
リン青銅の０．２％耐力は表１に示すように、質別により４８０〜６７５ＭＰａ程度であるため、同等の接触抵抗Ｒｊｐを得るためには、４８０ＭＰａ以上の０．２％耐力を保有する必要がある。リン青銅を用いた場合のプレスフィット接続部の接触抵抗Ｒｊｐは概ね０．０５〜０．１ｍΩの値が得られる。Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金の０．２％耐力は５４０ＭＰａであり、リン青銅の０．２％耐力と同等と考えられ、Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金でプレスフィット端子３を形成した場合でも、リン青銅と同等の接触抵抗Ｒｊｐを得ることができる。
【００３６】
ここで、はんだ付け端子の胴体抵抗Ｒｍｓを計算する。純銅のはんだ付け端子の胴体部の抵抗値は「電気抵抗率×長さ÷断面積」で求められ、長さ１１ｍｍ、断面積０．８８ｍｍ２（０．８ｍｍ×１．１ｍｍ）では、０．２１ｍΩとなる。接触抵抗Ｒｊｓは、並行して行った試験により、０．０１ｍΩになることが分かっているので、はんだ付け端子での総抵抗Ｒｓは０．２２ｍΩとなる。
【００３７】
ここで、プレスフィット端子３での温度上昇をはんだ付け端子２０３と同等以下に抑えるためにプレスフィット端子３に求められる胴体抵抗Ｒｍｐは、式（１）に基づき、式（２）のように計算できる。
Ｒｍｐ  ≦  Ｒｓ  −Ｒｊｐ＝ 0.22ｍΩ−0.1ｍΩ
＝ 0.12ｍΩ            ・・・（２）
【００３８】
上記計算結果から、プレスフィット端子３の胴体抵抗Ｒｍｐは０．１２ｍΩ以下にする必要がある。ここで、図１で示した電力用半導体装置１において使用可能な端子寸法は、長さ方向１１ｍｍ、厚みｔ＝１ｍｍで、実装密度と縁面放電距離を考慮すると、幅Ｗｍは最大でも２．８ｍｍとなる。この寸法での、電気抵抗率と抵抗の関係を図１３に示す。図中、横軸は端子材の電気抵抗率、縦軸はプレスフィット端子３における抵抗値（総抵抗Ｒｐと胴体抵抗Ｒｍｐ）である。リン青銅と同等以上の０．２％耐力を有する端子材を用いたときの接触抵抗Ｒｊｐは、上述したように０．１ｍΩ以下となるので、プレスフィット端子３での総抵抗Ｒｐが０．２２ｍΩ以下になる電気抵抗率の上限は、３０．５ｎΩ・ｍとなる。つまり、０．２％耐力が４８０ＭＰａ以上で、電気抵抗率が３０．５ｎΩ・ｍ以下の端子材を用いてプレスフィット端子３を形成すれば、はんだ付け端子２０３と同等以下の温度上昇に抑制することができる。
【００３９】
ここで、表１を参照すると、Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金の０．２％耐力は４８０ＭＰａ以上（５４０ＭＰａ）であり、電気抵抗率は３０．５ｎΩ・ｍ以下（２２．７ｎΩ・ｍ）である。そのため、Ｃｒ−Ｚｒ系銅合金でプレスフィット端子３を形成すれば、はんだ付け端子２０３と同等以下の温度上昇に抑制することができることが物性的にも確認できる。
【００４０】
なお、本実施の形態１の端子材の評価ではＣｒ−Ｚｒ系銅合金を例に説明したが、０．２％耐力が４８０ＭＰａ以上で、電気抵抗率が３０．５ｎΩ・ｍ以下の端子材を用いればそれ以外の材料でも、大電流通電時の温度上昇が抑えられる。
【００４１】
例えば、表２に示すように、Ｍｇ−Ｐ系銅合金、Ｃｏ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系銅合金もＣｒ−Ｚｒ系銅合金と同様に上記条件を満たす特性を有するため、１０Ａ以上の大電流通電用のプレスフィット端子に適することになる。
【００４２】
【表２】
2015141857.tif 000004
【００４３】
なお、本実施の形態１においては、スイッチング素子（トランジスタ：ＩＧＢＴ６１）や整流素子（ダイオード：ＦｗＤｉ６２）として機能する電力用半導体素子６に、シリコンを半導体材料として用いた例について説明した。しかし、シリコンよりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、以下に述べるように本発明による効果をより一層発揮することができる。
【００４４】
すなわち、炭化ケイ素や窒化ガリウム系材料といったワイドバンドギャップ半導体材料を用いた電力用半導体素子を使用することで、より大電流を流すこととなるとともに、電力用半導体装置１全体の温度が更に高温となる。そのため、被接続機器であるプリント基板９のような制御基板との変位が大きくなることが想定され、プレスフィット端子３との接続部近傍の温度上昇の抑制効果が更に重要となり、本発明を実施することで効果は更に顕著となる。
【００４５】
また、ワイドバンドギャップ半導体材料の電力用半導体素子を搭載した電力用半導体装置においては、端子も高温になるため、端子と被接続機器との接点がはんだ接合の場合は、はんだ接合信頼性が低下することがあった。また、電力用半導体装置の高電流密度化によって、端子に流す電流も大電流となっており、接点部分での発熱量も増大し、はんだ接合信頼性が低下することがあった。その場合、プレスフィット端子３のようなはんだ接合を必要としない端子を採用することで、はんだの融点よりも高い温度において電力用半導体素子を動作させることが可能となった。
【００４６】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかるプレスフィット端子３によれば、幅方向に分岐した部分のそれぞれが間隔を隔てて対向する両持梁構造のプレスフィット部３２が一端に形成された、電力用のプレスフィット端子３であって、Ｃｒ−Ｚｒ系の銅合金で構成したので、電気抵抗が低く、かつ接触抵抗を低減するために必要な機械的特性を有し、はんだ付け端子と同等以下の温度上昇に抑制することができる。そのため、容易に被接続機器への組み込みが可能で、大電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。また、はんだ接合を必要としないので、はんだの融点よりも高い温度において電力用半導体素子を動作させることが可能となった。
【００４７】
あるいは、Ｍｇ−Ｐの銅合金、またはＣｏ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系の銅合金で構成しても、電気抵抗が低く、かつ接触抵抗を低減するために必要な機械的特性を有するので、はんだ付け端子と同等以下の温度上昇に抑制することができる。そのため、容易に被接続機器への組み込みが可能で、大電流に対応し信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。また、はんだ接合を必要としないので、はんだの融点よりも高い温度において電力用半導体素子を動作させることが可能となった。
【００４８】
また、物性の観点から検討した場合、４８０ＭＰａ以上の０．２％耐力、および３０．５ｎΩ・ｍ以下の電気抵抗率を有する材料で構成すれば、電気抵抗が低く、かつ接触抵抗を低減するために必要な機械的特性を有することになる。これにより、はんだ付け端子と同等以下の温度上昇に抑制することができる。そのため、容易に被接続機器への組み込みが可能で、大電流に対応し信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。また、はんだ接合を必要としないので、はんだの融点よりも高い温度において電力用半導体素子を動作させることが可能となった。
【００４９】
なお、上述した材料により、１．０ｍｍの厚みを有し、最大幅（胴体部３３の幅Ｗｍ）が２．８ｍｍの板材で構成すれば、確実にはんだ付け端子と同等以下の温度上昇に抑制することができる。そのため、容易に被接続機器への組み込みが可能で、大電流に対応し信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【００５０】
また、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置１によれば、筐体（パッケージ２）と、筐体（パッケージ２）の内部に設置され、電力用半導体素子６を含む電力回路が形成された回路基板５と、プレスフィット部３２が筐体（パッケージ２）から露出するとともに、他端（ワイヤボンド部３５）が筐体（パッケージ２）の内部で電力回路と接続されている上述したプレスフィット端子３と、を備えているので、容易に被接続機器への組み込みが可能で、被接続機器（プリント基板９）の温度上昇をはんだ付け端子と同等以下に抑えることができる。つまり、大電流に対応し信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１：電力用半導体装置、  ２：パッケージ（筐体）、  ３：プレスフィット端子、  ４：ベース板、  ５：回路基板、  ６：電力用半導体素子、  ７：ボンディングワイヤ、  ８：はんだ、  ９：プリント基板（被接合機器）、  ９ｈ：スルーホール（接点）、
３２：プレスフィット部、  ３３：胴体部、  ３３ｅ：露出部、  ３３ｉ：インサート部、  ３５：ワイヤボンド部（他端）、
ｔ：プレスフィット端子の厚み、  Ｗｍ：胴体部の幅。
【図１】
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【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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