(57)【要約】【課題】導体パターンおよび絶縁層の破壊を防止し、かつ通常の電極端子と導体パターンの接合よりも高い接合強度を持った、信頼性の高い電力用半導体装置の製造方法および電力用半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】セラミック基板５の回路面側にある導体パターン５２ａ上に設けられた突起５２ｃの先端部に、電極端子３を接合面３ｊの中央部が接するように載置する工程と、超音波ホーン５０により電極端子３の接合面３ｊの裏面３ｚを加圧し、超音波振動させて導体パターン５２ａと接合する工程とを含むことにより、導体パターンおよび絶縁層の破壊を防止する。
2016199621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極端子の裏面側にある接合面の一部が、電極層上に設けられた前記電極端子よりも低い硬度を有する突起の先端部に接するように載置される工程と、
前記電極端子と前記電極層が、前記電極端子の表面側からの超音波ホーンによる加圧と超音波振動によって前記突起が変形することで接合される工程と、
を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記電極層は、絶縁基板上の導電パターンであることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記電極層は、電力用半導体素子上の表面電極であることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記突起は、前記電極層と異なる材料からなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記突起の先端部の形状は、前記超音波振動の方向に垂直な方向に幅が広いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記突起の外周部は、前記電極端子に対応した凹部形状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記突起は、線状または板状の部材を用いたループ形状を有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記突起は、前記電極層よりも密度が低く形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記電極端子は、前記突起の先端部に載置される位置に凹部または貫通孔を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか1項に記載の電力用半導体装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子等に電極端子を接合する電力用半導体装置の製造方法および電力用半導体装置に関し、特に超音波接合により接合する電力用半導体装置の製造方法および電力用半導体装置に関する。
【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１参照）。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。超音波接合は、被接合材料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、接合界面に形成されている酸化膜や付着している汚れを除去し、新生面同士を密着させて接合層を形成する技術である。そのため、導体パターンの接合部周辺において、接合時に導体パターンが応力集中を起こすことで破壊することが考えられる。半導体装置では、動作時に半導体素子に流れる電流は、電極端子から接合部を通じて導体パターンを流れているため、導体パターンが破壊すると半導体装置に電流が流れなくなる恐れがある。また、半導体装置の放熱面に電流が流れないよう、導体パターンは絶縁層と一体的に形成されているのが一般的であり、導体パターンが破壊されると、それと同時に導体パターンと一体的に形成された絶縁層も破壊され、製品の絶縁性が確保できなくなる恐れもあるため非常に危険である。【０００４】
そこで、この問題に対して、特許文献２においては、端子端部と導体パターンとの間に樹脂層を設けた構造が開示されている。これにより、電極端子の端部近傍において端子と導体パターンとの間に軟質の部材が存在することで、超音波接合時において端子端部と導体パターンの直接の接触が妨げられ、導体パターンに作用する圧力が低減されるため、導体パターンの破壊を抑えることができるので、加圧を強くして接合を行うことができる。【０００５】
また、接合条件を弱くすることで、導体パターンおよび絶縁層の破壊を防ぐ方法が考えられる。しかし、接合条件を弱くすると接合部の接合強度が低下するという問題がある。この問題に対して、特許文献３においては、導体パターンとの接合端面に、突起高さが少なくとも相手側の表面に生成した酸化皮膜の膜厚以上である突起を有するとともに導体パターンより硬度を高く調整した銅材を電極端子として用いる構造が開示されている。電極端子の接合端面に突起を設けることで、突起が相手側部材の表面を摺動して酸化皮膜を分断破壊し、その下の真性面と直接接触し合うようになり、この状態からさらに超音波振動を継続して加えると、突起部分を含めて電極端子の接合面に塑性流動が生じ、これにより金属真性面同士の凝着部分が拡大して電極端子と相手側部材との間が酸化皮膜の影響を受けることなく十分な接合強度を持って超音波接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２５３５１６号公報（段落００１２、図１）
【特許文献２】特開２０１０−０８２６６８号公報（段落００１３、図１）
【特許文献３】特開２００５−２５９８８０号公報（段落０００８、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２においては、軟質の部材が存在する領域では電極端子と導体パターンの接合部が形成されないため、電極端子の大きさと比較して得られる接合部が小さくなる。また、軟質の部材が超音波接合によって破壊され、接合部内に残存してしまうことで、接合強度低下の要因となることが懸念される。また、特許文献３においては、導体パターンより硬度を高く調整した銅材を用いるため、接合時に突起が変形せず導体パターンに食込むことで、接合条件を弱くしても導体パターンおよび絶縁層を破壊することが懸念される。【０００８】
本発明は、上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、絶縁層上の導体パターンに対し電極端子を超音波接合した半導体装置において、樹脂層を用いず導体パターンおよび絶縁層の破壊を防止し、かつ通常の電極端子と導体パターンの接合よりも高い接合強度を持った、信頼性の高い電力用半導体装置の製造方法および電力用半導体装置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】
本発明にかかる電力用半導体装置の製造方法は、電極端子の接合面中央部で対向する位置に設けられた、電極層上の突起の先端部に、前記電極端子の前記接合面が接するように載置される工程と、超音波ホーンにより前記電極端子の前記接合面の裏面を加圧し、超音波振動させて前記電極層と接合する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、電極層上に設けられた突起の先端部を用いて電極端子とを超音波接合することで、超音波印加時に生じる加圧による応力集中で電極層等が破壊するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の要部の接合前の構成を説明するための部分断面図および上面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の要部の製造方法を説明するための、導体パターンと電極端子との接合部分の各工程における断面図である。
【図３】比較例の電力用半導体装置の製造方法を説明するための、導体パターンと電極端子との接合部分の各工程における断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の突起形状の一例を示す部分断面図および上面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の突起形状の一例を示す部分断面図および上面図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の突起形状の一例を示す部分断面図および上面図である。
【図７】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の突起形状の一例を示す部分断面図および上面図である。
【図８】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の突起形状の一例を示す部分断面図および上面図である。
【図９】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の突起形状の一例を示す部分断面図および上面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の突起形状の一例を示す部分断面図および上面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の突起形状の一例を示す部分断面図および上面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の要部の接合前の構成を説明するための部分断面図および上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態である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。各図間の図示では、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立しており、例えば構成の一部を変更した断面図の間で変更されていない同一構成部分の図示において、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、他の部分については省略している（例えば電力用半導体素子やケース等）。
【００１３】
実施の形態１．
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の実施の形態１による電力用半導体装置１００の要部の接合前の構成を示す部分断面図および上面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）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、セラミック基材５１の両側の面に電極層である導体パターン５２ａ、５２ｂが形成された絶縁基板であるセラミック基板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。
【００１４】
電極端子３は、セラミック基板５の電極層である導電パターン５２ａ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、電極端子３を構成する板材、あるいは、少なくとも導体パターン５２ａと対向する接合面３ｊを有する部分の厚さは、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ、幅は２．０〜６．０ｍｍ程度が好ましい。
【００１５】
セラミック基板５は、セラミック基材５１とセラミック基材５１の両側の面に形成された導体パターン５２ａ、５２ｂより成る。セラミック基材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ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミック板が用いられる。導体パターン５２ａと５２ｂは同じ材料が用いられるのが一般的である。このうち、電極端子３と接合部を形成する導体パターン５２ａは、電力用半導体素子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１．０ｍｍ以下程度のＣｕやＡｌ等が用いられる。また、導体パターン５２ａの少なくとも電極端子３の接合面３ｊと超音波接合される面内には、１個以上の突起５２ｃが設けられている。この突起５２ｃは機械加工や、エッチング等で形成される。本実施の形態１における突起５２ｃは、例えば、先端の形状は直径φ２．０ｍｍの円柱形で、高さは０．１ｍｍである。
【００１６】
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が熱伝導グリス等でヒートシンクへ接続されることで、電力用半導体装置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。
【００１７】
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。
【００１８】
次に、本発明の実施の形態１による電力用半導体装置１００の要部の製造方法について説明する。図２(a)、図２（ｂ）、および図２（ｃ）は、本発明の実施の形態１による電力用半導体装置１００の要部の製造工程を示す図である。
【００１９】
まず最初に、図２（ａ）に示すように、導体パターン５２ａに設けられた突起５２ｃ上に電極端子３を接合面３ｊが突起５２ｃに接するように載置する。この時、組立中の電力用半導体装置全体が図示しない超音波接合装置に固定されており、図では電極端子３と導体パターン５２ａ部分のみを記載している。そして、電極端子３の接合面３ｊの裏面３ｚの所定位置に先端が接触するように、超音波ホーン５０をＡ方向（Ｚ軸方向）に下降させる。この時、突起５２ｃによる効果を最大限得るために、超音波ホーン５０の先端の中心が突起５２ｃの中心になる位置に下降させるのが好ましい。また、電極端子３と突起５２ｃの表面は酸化膜等の接合を阻害する膜等によって覆われているため、電極端子３と突起５２ｃが接合されることはない。
【００２０】
次いで、図２（ｂ）に示すように、超音波ホーン５０を電極端子３に対して加圧し、更に、ＢおよびＣ方向（Ｘ軸方向）に超音波振動させる。このときの周波数は、例えば、数１０ｋＨｚであり、振動させながら超音波ホーン５０をＡ方向に降下させていく。これにより、突起５２ｃと電極端子３との接触面が摺れて、接触面を覆っている酸化膜等の、接合を阻害する膜等が除去される。電極端子３の接合面３ｊの裏面３ｚ部分には超音波ホーン５０の突起部が食込んでいる。更に接合が進むと、突起５２ｃの表面から順に電極端子３と接合され、突起５２ｃが超音波ホーン５０によって与えられる加圧と振動によって特に振動方向に対して変形することで、接合面積が突起５２ｃを中心に広がり、接合部の端部が電極端子３の外側に移動する。
【００２１】
最終的には、図２（ｃ）に示すように、突起５２ｃは変形してなくなり、導体パターン５２ａと電極端子３とが、超音波振動により接触面同士が接合され、強固な接合層が形成される。この時、前記の通り、先ず突起５２ｃの表面が接合され、そこから順に電極端子３と導体パターン５２ａが接合されるため、接合面積は接合が進行するに従い大きくなり、それに伴い加圧による応力が小さくなるため、超音波印加時に生じる加圧による応力集中で導体パターン５２ａおよびセラミック基材５１が破壊するのを防止することができる。加えて、突起５２ｃが優先的に変形することで、接合部の塑性流動が促進され、突起部周辺の結晶粒をより微細化できるため、接合部はより強固なものとなる。この突起５２ｃによってより強固に接合された部分は、接合後の破面の状態や、断面研磨による粒径の状態等で観察することができる。また、突起５２ｃの変形による強固な接合面の面積を大きく得るためには、電極端子３の接合面の表面形状は平面であることが好ましい。
【００２２】
図３(a)、図３（ｂ）、および図３（ｃ）は、従来の電力用半導体装置１００Ｃの要部の製造工程を示す図である。従来の電力用半導体装置１００Ｃの場合、図３（ａ）に示すように、導体パターン５２ａには本実施の形態１における突起５２ｃがないため、接合面３ｊの全面が導体パターン５２ａに載置される。
【００２３】
続いて、図３（ｂ）に示すように、超音波接合により接合時の加圧と振動によって、導体パターン５２ａと電極端子３との接触面同士が摺れて、接触面を覆っている酸化膜等の、接合を阻害する膜等が除去されるが、突起５２ｃが設けられていない導体パターン５２ａに電極端子３を載置して超音波接合を開始すると、電極端子３の接合面３ｊの両端が接合される。超音波ホーン５０によって加圧と超音波振動が加えられても、接合部がそれ以上大きくなることはなく、加圧による応力が小さくなることもない。このとき除去された酸化膜等は、電極端子３の外側に排斥されるだけではなく電極端子３の内側へも移動する。この電極端子３の中央部に移動した酸化膜等は、端子の両端が接合されてしまうと電極端子３の外側へ除去されず、接触面間に残存してしまうため、その部分は接合されず未接合領域となり、その分得られる接合面積が小さくなるため、接合強度や信頼性低下の原因となる。
【００２４】
また、この状態が長時間続いた場合、図３（ｃ）に示すように、導体パターン５２ａの電極端子３との接合部でクラックＫが発生し、導体パターン５２ａが破壊されることがある。半導体装置では動作時に半導体素子に流れる電流は、電極端子３から接合部を通じて導体パターン５２ａを流れているため、導体パターン５２ａが破壊すると半導体装置に電流が流れなくなる恐れがある。また、半導体装置の放熱面に電流が流れないよう、導体パターン５２ａは絶縁層と一体的に形成されているのが一般的であり、導体パターン５２ａが破壊されると、それと同時に導体パターンと一体的に形成された絶縁層も破壊され、製品の絶縁性が確保できなくなる恐れもあるため非常に危険である。これを回避するために、超音波印加条件である荷重や振幅を小さく、印加時間を短くするという方法があるが、これは同時に電極端子３と導体パターン５２ａの接合強度を低下させる要因となり、接合プロセスのマージンを小さくするデメリットがある。
【００２５】
これに対して、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００では、導体パターン５２ａの電極端子３の接合面３ｊと超音波接合される面内に、突起５２ｃを設けていることで、除去された酸化膜等は突起５２ｃの変形に伴って電極端子３の外側に排斥され、接合部内に残存することもない。よって、電極端子３の接合面３ｊの内側まで接合されるため、従来の電力用半導体装置１００Ｃと比較して接合面積を大きくすることができる。接合面積が大きくなれば、それだけ接合部の電気抵抗が小さくなり、通電抵抗による電極端子３の発熱が抑えられるため、接合面積が小さい場合と比較してより大電流を流すことが可能となる。加えて、突起５２ｃが優先的に変形することで、接合部の塑性流動が促進されるため、従来の超音波接合部と比較して、突起部周辺の結晶粒をより微細化できる。そのため、従来の超音波接合部より接合部が壊れにくくなるため、信頼性の高い接合部を得ることができる。
【００２６】
また、接合面積が大きくなれば半導体装置の動作による温度変化で生じる、部材間の線膨張係数差によって接合部に生じる熱応力に対しても、半導体装置全体の温度変化による変形で接合部が受ける引張応力に対しても、半導体装置全体の温度変化による変形で接合部が受ける引張応力に対しても、接合部が壊れにくくなるため、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。そのため、従来の電極端子３と導体パターン５２ａの接合と比較して、より大電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【００２７】
なお、超音波接合時、突起５２ｃは、超音波ホーン５０に加圧されることで、図２（ａ）の形状から導体パターン５２ａ側（ｚ方向）に変形するが、突起５２ｃの高さがこの変形量より高いと、接合が突起５２ｃと電極端子３のみで完了してしまう。導体パターン５２ａと電極端子３とが接触しないため、接合面積が広がらなくなってしまい電極端子３の接合面３ｊに対して得られる接合面積が小さくなる可能性がある。加えて、加圧と振動によって突起５２ｃの根元部分に応力集中が発生し、突起５２ｃと導体パターン５２ａが破壊される可能性がある。よって、突起５２ｃの高さは、突起５２ｃの加圧による変形量より低く設定しておくことが好ましい。例えば、電極端子３と導体パターン５２ａおよび突起５２ｃが共に銅で構成されている場合、突起５２ｃの高さは０．０１〜０．２ｍｍ程度とするのが好ましい。電極端子３が銅、導体パターン５２ａおよび突起５２ｃがアルミで構成されている場合、突起５２ｃの高さは０．０１〜０．４ｍｍ程度とするのが好ましい。また、突起５２ｃ先端の面積が大きいと、超音波ホーン５０による単位面積当たりの加圧力が小さくなり、突起５２ｃの変形量が小さくなる。突起５２ｃの先端の面積は電極端子３の接合面３ｊより小さい必要があるが、例えば電極端子３と導体パターン５２ａおよび突起５２ｃが共に銅で構成されている場合、突起５２ｃの先端の面積は１０ｍｍ２以下程度とするのが好ましい。電極端子３が銅、導体パターン５２ａおよび突起５２ｃがアルミで構成されている場合、突起５２ｃの先端の面積は１５ｍｍ２以下程度とするのが好ましい。
【００２８】
また、突起５２ｃのビッカース硬度（以下、硬度）を電極端子３より小さくすることで、より小さい加圧でも突起５２ｃが変形するようになるため、より導体パターンの応力集中による破壊防止および接合強度向上の効果を高めることができるため、突起５２ｃの硬度は電極端子３より小さくすることが好ましい。
【００２９】
さらに、突起５２ｃの形状は、前記の機能を満たす形状であれば、円筒形以外に半球形状や角柱形状、円錐や角推等、どのような形状でもかまわないが、例えば、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように角丸め形状の突起５２ｃ１となっているのが好ましい。このような形状であれば、接合時の超音波ホーン５０による加圧と振動によって突起５２ｃの根元部分に応力集中が発生し、突起５２ｃ１と導体パターン５２ａが破壊されるのを防ぐことができる。また、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、導体パターン５２ａの接合面３ｊと接合される面内に設ける突起を複数の突起５２ｃ２とすることで、セラミック基板５や電極端子３の傾きによって導体パターン５２ａと電極端子３が片当たりすることによる接合強度低下を抑制することができる。
【００３０】
また、突起５２ｃが接合時の超音波ホーン５０による加圧と振動によって変形する時は、超音波ホーン５０の振動方向に対して大きく変形するため、突起５２ｃが例えば円形であった場合、突起５２ｃによって得られる効果の範囲は振動方向に対して大きくなる。よって、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、予め突起の形状を振動方向に垂直な方向へ長くした突起５２ｃ３とすることで、より突起による接合強度向上の効果の範囲を効率的に広げることができる。例えば、振動方向がｙ方向であった場合、突起５２ｃ３の先端の長さの比をｘ方向に２、ｙ方向に１としておくのが好ましい。
【００３１】
また、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、導体パターン５２ａの周囲を凹ませることによって突起５２ｃ４を作製してもよい。この時、突起５２ｃ４の効果を得るためには、凹み部の外周を電極端子３の外周部より大きくする必要がある。その上で、突起５２ｃ４に対する電極端子３が許容できる位置ズレ量の限界位置での電極端子３の外周部と同じかそれより小さくすることが好ましく、これにより接合前の端子の位置決めを外観検査で行うことができる。
【００３２】
さらに、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、電極端子３の突起５２ｃと対向する位置に突起５２ｃより小さい凹み３ａを設けることで、超音波ホーン５０の加圧によるかしめ効果によって接合強度向上の効果を高めることができる。さらに、凹み３ａを貫通孔にすることで、これに加えて、端子位置決めが可能になる。
【００３３】
加えて、突起５２ｃは導体パターン５２ａとは別の部材によって形成されていてもかまわない。例えば、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、ＣｕワイヤやＣｕリボンを導体パターン５２ａ上にループを形成してボンディングすることで、導体パターン５２ａを加工するより容易に突起５２ｃ５を形成できるだけでなく、接合時にはループ部分が優先的に変形するため、導体パターン５２ａおよびセラミック基材５１に与えるダメージをより低減することができる。同様に、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、溶射等によって導体パターン５２ａより密度の小さい突起５２ｃ６を形成することで、導体パターン５２ａを加工するより容易に突起５２ｃ６を形成できるだけでなく、接合時には密度の小さい突起５２ｃ６が優先的に変形するため、導体パターン５２ａおよびセラミック基材５１に与えるダメージをより低減することができる。また、薄いＣｕ箔を予め導体パターン５２ａに接合しておいてもよい。この時、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、Ｃｕ箔も電極端子３と同じく超音波接合で接合することで、Ｃｕ箔の接合工程を短縮できるのに加えて、超音波ホーン５０の先端の形状がＣｕ箔に転写されるため、図５で示した、突起５２ｃ２を複数設けるのと同じ効果を容易に得ることができる。Ｃｕ箔を接合するのに必要な加圧力は電極端子３を接合するのに必要な加圧力に比べて小さいため、Ｃｕ箔を導体パターン５２ａに超音波接合する際に導体パターン５２ａおよびセラミック基材５１にダメージを与えることもない。
【００３４】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００の製造方法によれば、セラミック基板５の回路面側にある導体パターン５２ａ上に設けられた突起５２ｃの先端部に、電極端子３を接合面３ｊの中央部が接するように載置する工程と、超音波ホーン５０により電極端子３の接合面３ｊの裏面３ｚを加圧し、超音波振動させて導体パターン５２ａと接合する工程とを含むようにしたので、接合が進むに従って接合面積が大きくなり、それに伴い加圧による応力が小さくなるため、超音波印加時に生じる加圧による応力集中で導体パターン５２ａおよびセラミック基材５１が破壊するのを防止することができる。
【００３５】
また、電極端子３と突起５２ｃの表面にある酸化膜等は突起５２ｃの変形に伴って電極端子３の外側に排斥され、接合部内に残存することもなく、電極端子３の接合面３ｊの内側まで接合されるため、従来の電力用半導体装置１００Ｃと比較して接合面積を大きくすることができる。接合面積が大きくなれば、それだけ接合部の電気抵抗が小さくなり、通電抵抗による電極端子３の発熱が抑えられるため、接合面積が小さい場合と比較してより大電流を流すことが可能となる。
【００３６】
また、接合面積が大きくなれば半導体装置の動作による温度変化で生じる、部材間の線膨張係数差によって接合部に生じる熱応力に対しても、半導体装置全体の温度変化による変形で接合部が受ける引張応力に対しても、半導体装置全体の温度変化による変形で接合部が受ける引張応力に対しても、接合部が壊れにくくなるため、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。そのため、従来の電極端子３と導体パターン５２ａの接合と比較して、より大電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【００３７】
実施の形態２．
実施の形態１では、セラミック基板５の導電パターン５２ａと電極端子３の接合に超音波接合を用いた場合を示したが、実施の形態２では、電力用半導体素子の表面電極と電極端子３との接合に超音波接合を用いた場合について説明する。
【００３８】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、本発明の実施の形態２による電力用半導体装置１０９の要部の接合前の構成を示す部分断面図および上面図ある。図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態２による電力用半導体装置１０１は、電力用半導体素子１の表面に形成された電極層である表面電極２と、電極端子３等を備えている。表面電極２の下にはトランジスタ１０が形成されている。
【００３９】
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。電力用半導体素子１の裏面側の面は、図示しないがセラミック基板５の導体パターン５２ａ上にはんだで接合されている。電力用半導体素子１は、少なくとも１個以上の半導体素子によって構成されていればよいが、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）もしくはＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Ｓemiconductor  Field-Ｅffect  Transistor）がダイオードと逆並列に接続されていることが好ましい。電力用半導体素子１の材料には、Ｓｉを用いた。なお、電力用半導体素子１の材料は、Ｓｉによって形成されたものには限定されず、Ｓｉに比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドなどが挙げられる。電力用半導体素子に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大きくなり、接合部に生じる熱応力や引張応力が大きくなる傾向にあるため、ＳｉＣを用いた電力用半導体装置では本発明のメリットがより効果的なものとなるため好ましい。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の面積が小さいため、Ｓｉの場合と比較して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、一度に大面積を接合する本発明のメリットはより効果的なものとなる。
【００４０】
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置いても、同様の効果を得ることができる。本実施の形態２の表面電極２の材料はＡｌである。また、本実施の形態１と同様に表面電極２の少なくとも電極端子３の接合面３ｊと超音波接合される面内には、１個以上の突起２ｃが設けられている。本実施の形態２における突起２ｃは表面電極２の形成時に同時に形成されており、先端部の形状は直径φ１．０ｍｍの円形で、高さは０．０５ｍｍである。その他の構成については、実施の形態１の電力用半導体装置１００と同様であり、その説明を省略する。
【００４１】
電力用半導体素子１には、実施の形態１において説明した導体パターン５２ａと同様に、電力用半導体装置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、Ａｌワイヤ等の超音波接合と比較して、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。
【００４２】
従来の電力用半導体装置を用いた場合、超音波接合時に十分な接合面積を得るために必要な接合条件では、表面電極２が変形する量に対して実際の表面電極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、一部が排斥され、その下に形成されているトランジスタ１０が破壊される。更に変形が進むと、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。
【００４３】
これに対して、本発明の実施の形態２による電力用半導体装置１０１では、上述のように、電極端子３の接合面３ｊと超音波接合される表面電極２の面内に突起２ｃが設けられている。このとき、超音波ホーン５０による加圧と超音波振動によって、突起２ｃが優先的に変形するため、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１０や電力用半導体素子１を破壊するのを防止することができる。
【００４４】
以上のように、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置１０１の製造方法によれば、電力用半導体素子１の表面電極２上に設けられた突起２ｃの先端部に、電極端子３を接合面３ｊの中央部が接するように載置する工程と、超音波ホーン５０により電極端子３の接合面３ｊの裏面３ｚを加圧し、超音波振動させて表面電極２と接合する工程とを含むようにしたので、本実施の形態１の接合性向上の効果に加えて、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や電力用半導体素子を破壊するのを防止する効果を得ることができる。
【００４５】
また、突起２ｃの形状については本実施の形態１の図４から図１１で示した形状とすることで、本実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、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】
【００４７】
１  電力用半導体素子、２  表面電極、２ｃ  突起、３  電極端子、３ｊ  接合面、５０  超音波ホーン、５１  セラミック基材、５２ａ  導電パターン、５２ｃ、５２ｃ１、５２ｃ２、５２ｃ３、５２ｃ４、５２ｃ５、５２ｃ６、５２ｃ７  突起、５２ｄ  凹部端部、１００、１００−１、１００−２、１００−３、１００−４、１００−５、１００−６、１００−７、１００−８、１０１  パワー半導体装置。
【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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【国際調査報告】
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