(57)【要約】  電極端子６２は、主電極に接合される第一引出部６２１と、主電極と間隔をあけて対向配置される一端部から外部回路と接続される他端部まで連なるように、板材で形成され、一端部の主電極への対向面６２２ｆに、第一引出部６２１の主電極に接合される部分の隣接部が接合された第二引出部６２２とを備え、第一引出部６２１は、主電極に接合される部分が対向面６２２ｆから離れるように形成され、第二引出部６２２には、主電極に対応した開口部６２２ａが形成されている。
2015111691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子の主電極と外部回路とを接続するための電極端子であって、
前記主電極に接合される第一引出部と、
前記主電極に対して間隔をあけて対向配置される一端部から前記外部回路と接続される他端部まで連なるように、板材で形成され、前記一端部の前記主電極への対向面に、前記第一引出部の前記主電極に接合される部分の隣接部が接合された第二引出部と、を備え、
前記第一引出部は、前記主電極に接合される部分が前記対向面から離れるように形成されるとともに、前記第二引出部には、前記主電極に対応した開口部または切欠き部が形成されていることを特徴とする電極端子。
【請求項２】
前記第二引出部が、絶縁回路基板で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電極端子。
【請求項３】
前記絶縁回路基板が、ガラスエポキシ基板から形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電極端子。
【請求項４】
前記第一引出部を形成する部材が、前記第二引出部を構成する部材よりも厚みが薄いことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電極端子。
【請求項５】
前記第一引出部を形成する部材が、前記第二引出部を構成する部材よりも弾性係数が小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電極端子。
【請求項６】
前記第一引出部が、アルミリボンで形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電極端子。
【請求項７】
前記第一引出部が、アルミワイヤで形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電極端子。
【請求項８】
前記第一引出部が、２種以上の金属を積層したクラッドリボンで形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電極端子。
【請求項９】
回路基板と、
前記回路基板に接合された電力用半導体素子と、
前記電力用半導体素子の主電極と前記第一引出部とが母材どうしで接合された請求項１から７のいずれか１項に記載の電極端子と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項１０】
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で形成されていることを特徴とする請求項９に記載の電力用半導体装置。
【請求項１１】
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１０に記載の電力用半導体装置。
【請求項１２】
回路基板と、
前記回路基板に接合された電力用半導体素子と、
前記電力用半導体素子の主電極と前記第一引出部とが母材どうしで接合された請求項８に記載の電極端子と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項１３】
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で形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の電力用半導体装置。
【請求項１４】
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１３に記載の電力用半導体装置。
【請求項１５】
請求項９から１１のいずれか１項に記載の電力用半導体装置を製造する方法であって、
前記回路基板に前記電力用半導体素子を接合する工程と、
前記開口部と前記主電極との位置を合わせて、前記回路基板に対して前記電極端子を固定する工程と、
前記開口部から治具を挿入し、前記第一引出部と前記主電極とを超音波接合または真空圧接により接合する工程と、
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１６】
請求項９から１１のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法であって、
前記回路基板に前記電力用半導体素子を接合する工程と、
前記開口部と前記主電極との位置を合わせて、前記回路基板に対して前記電極端子を固定する工程と、
前記開口部を通して、前記第一引出部にレーザ光を照射し、前記第一引出部と前記主電極とをレーザ溶接により接合する工程と、
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１７】
請求項１２から１４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法であって、
前記回路基板に前記電力用半導体素子を接合する工程と、
前記開口部と前記主電極との位置を合わせて、前記回路基板に対して前記電極端子を固定する工程と、
前記開口部からロウ材を供給し、前記第一引出部と前記主電極とを前記ロウ材により接合する工程と、
を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体素子の表面側の主電極と外部回路とを接続するための電極端子、およびこれを用いた電力用半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業機器から家電・情報端末まであらゆる製品に電力用半導体装置が普及しつつあり、家電に搭載される電力用半導体装置については、小型軽量化とともに多品種に対応できる高い生産性と高い信頼性が求められる。また、動作温度が高く、効率に優れている点で、今後の主流となる可能性の高い炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体に適用できるパッケージ形態であることも同時に求められている。【０００３】
電力用半導体装置では、高電圧・大電流を扱うため、電力用半導体素子の表面側の主電極に対して、例えば、φ０．５ｍｍにおよぶ太いアルミなどのワイヤボンドを複数本配線することによって、電気回路を形成するのが一般的であった。それに対して、生産性の改善などの目的で、リードフレームのような金属板の配線部材と主電極とをはんだを用いて接合する電力用半導体装置、あるいは幅広のアルミリボンを主電極に超音波接合する電力用半導体装置が普及しつつある。【０００４】
アルミリボンはワイヤボンドに比較すると断面積が大きく、生産性を高めつつ電流容量の増大が容易である。しかし、距離が長くなるとワイヤボンドと同様に発熱が大きくなる。そのため、主電極から直接外部へ導き出すことができず、セラミック基板との接続を経由して、銅製のバスバーなどで外部端子に接続する必要があった。その結果、セラミック基板が大きくなり、コストが増大するとともに、モジュール全体が大きくなって金属部材との間の熱膨張係数差に伴う熱応力も増大し、接合部の信頼性にも悪影響を与える懸念があった。また、はんだのようなロウ材を用いる場合、半導体素子の表面電極の多くはアルミであるため、銅やニッケルメッキ処理などにより、主電極表面をはんだと接合可能な金属でメタライズする必要があり、工程が複雑になる。【０００５】
そこで、超音波接合によって、主電極上にアーチ状に形成したクラッドリボンを、電極板に対してはんだ接合する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２１６８２２号公報（段落００２４〜００３２、図１〜図２）
【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、この方法では、はんだ供給の工程が必要であるとともに、接合部が電極板に覆われてしまい、接合状態の検査が難しいという問題があった。また、はんだ接合の際にアーチ状に自立させるため、リボンの厚みを厚くする必要があり、超音波接合やリボン切断による電力用半導体素子へのダメージが懸念される。特に、クラッドリボンのような剛性の高い材料を切断する場合の衝撃は大きく、主電極への衝撃を避けるために、基板との接続を経由してから切断する必要がある。そのため、この場合でも、クラッドリボンを接続するための余分なスペースが基板上に必要となり、モジュールが大きくなって熱応力が増大し、信頼性の低下が懸念される。【０００８】
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、主電極をメタライズする必要が無く、大電流に対応した、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】
【０００９】
本発明の電極端子は、電力用半導体素子の主電極と外部回路とを接続するための電極端子であって、前記主電極に接合される第一引出部と、前記主電極に対して間隔をあけて対向配置される一端部から前記外部回路と接続される他端部まで連なるように、板材で形成され、前記一端部の前記主電極への対向面に、前記第一引出部の前記主電極に接合される部分の隣接部が接合された第二引出部と、を備え、前記第一引出部は、前記主電極に接合される部分が前記対向面から離れるように形成されるとともに、前記第二引出部には、前記主電極に対応した開口部または切欠き部が形成されていることを特徴とする。【００１０】
また、本発明の電力用半導体装置は、回路基板と、前記回路基板に接合された電力用半導体素子と、前記電力用半導体素子の主電極と前記第一引出部とが母材どうしで接合された上述した電極端子と、を備えたことを特徴とする。【００１１】
また、本発明の電力用半導体装置の製造方法は、上述した電力用半導体装置の製造方法であって、前記回路基板に前記電力用半導体素子を接合する工程と、前記開口部と前記主電極との位置を合わせて、前記回路基板に対して前記電極端子を固定する工程と、前記開口部から治具を挿入し、前記第一引出部と前記主電極とを超音波接合または真空圧接により接合する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電極端子によれば、主電極をメタライズしなくても、基板上に余分なスペースを設けることなく、電力用半導体素子への衝撃を抑制して、大電流対応の主電力経路を形成することができるので、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】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電極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平面図と断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる電極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斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる電極端子およびそれを用いた電力用半導体装置の製造方法を説明するための工程ごとの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１の変形例にかかる電極端子の製造方法を説明するための工程ごとの部分断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１の変形例にかかる電極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平面図である。
【図６】本発明の実施の形態１の変形例にかかる電極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断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１の変形例にかかる電極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断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１の変形例にかかる電極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断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１の他の電極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断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２にかかる電極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平面図と断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１〜図３は、本発明の実施の形態１にかかる電極端子とそれを用いた電力用半導体装置の構成、および製造方法について説明するための図であり、図１（ａ）は電力用半導体装置から封止樹脂を除いた状態の平面図、図１（ｂ）は電力用半導体装置の断面図で、切断位置は図１（ａ）のＡ−Ａ線に対応する。図２は電力用半導体装置から封止樹脂を除いた状態の斜視図である。そして、図３（ａ）〜（ｄ）は、電極端子およびそれを用いた電力用半導体装置の製造方法を説明するための、工程ごとの断面図である。
【００１５】
また、図４（ａ）〜（ｄ）は、変形例（第一）にかかる電極端子の製造方法を説明するための、工程ごとの部分断面図である。さらに、図５〜図８は、それぞれ変形例（第二〜第五）にかかる電極端子と電力用半導体装置の構成を説明するための図である。図５は第二変形例にかかる電極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封止樹脂を除いた状態の平面図である。図６〜図８は第三〜第五変形例にかかる電極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断面図である。図９は実施の形態１にかかる他の電極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封止樹脂を除いた状態の平面図である。なお、上記断面図および部分断面図の切断位置は、図１（ａ）のＡ−Ａ線に対応する。
【００１６】
本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１は、図１および図２に示すように、回路基板であるセラミック基板２の導電層２ａに、はんだ４（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ：融点２１９℃）によって電力用半導体素子３がダイボンド（接合）されている。
【００１７】
セラミック基板２には、５０ｍｍ×２５ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製のセラミック基材２ｉの両面に、厚さ０．４ｍｍの銅の導電層２ａ、２ｂを形成したものを用いた。電力用半導体素子３は、ワイドバンドギャップ半導体材料であるＳｉＣを用いた素子で、スイッチング素子としては、厚さ０．２５ｍｍ、１５ｍｍ角の矩形板状をなすＩＧＢＴ
（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）３Ｓを、整流素子としては、厚さ０．２５ｍｍ、１３ｍｍ×１５ｍｍの矩形板状をなすダイオード３Ｒを用いた。
【００１８】
電力用半導体素子３の各主電極のうち、ＩＧＢＴ３Ｓのエミッタ電極３ｅを含む表側の主電極には、本発明の特徴である電極端子６２が接合されている。また、ＩＧＢＴ３Ｓのコレクタ電極３ｃを含む裏側の電極が接合された導電層２ａには、幅５ｍｍ×厚さ０．７ｍｍの銅板製のリード端子６１が接合されている。
【００１９】
セラミック基板２は、接着剤９を用いて、ＰＰＳ（Poly  Phenylene  
Sulfide）樹脂製のケース８の内部にセラミック基材２ｉ部分との隙間を埋めるようにして位置決め固定されている。なお、リード端子６１、電極端子
６２、および信号端子５２は、それぞれ、ケース８にインサートモールド形成されており、リード端子６１と電極端子６２のケース８の上部（図中右側上部）から露出した端部６１ｃ、６２ｃは、ナットとともにネジ止め端子となっている。また、信号端子５２のケース８の上部（図中左側上部）から露出した端部５２ｔは、ピン状に形成している。
【００２０】
電極端子６２は、厚さ０．７ｍｍの銅板製の第二引出部６２２と、第二引出部６２２よりも厚みが薄い０．２ｍｍの厚みを有し、第二引出部６２２の一方の面に接合されたアルミニウム製の第一引出部６２１とで構成している。第二引出部６２２は、インサートモールド時に、一部がケース８に埋め込まれて固定され、一端側がケース８内で、電力用半導体素子３に対して間隔を開けて対向する（対向面６２２ｆを有する）ように配置されている。そして、電力用半導体素子３に対向する部分は、１２ｍｍの幅を有し、２つの電力用半導体素子３（３Ｓ、３Ｒ）の各主電極に対応して、開口部６２２ａ（幅方向１０ｍｍ×長さ方向８ｍｍ）が２箇所形成されている。
【００２１】
第一引出部６２１は、幅８ｍｍで、総長さ３５ｍｍを有し、第二引出部
６２２の電力用半導体素子３への対向面６２２ｆの幅方向の中心で、長さ方向に沿って接合されている。その際、開口部６２２ａをまたぐ部分は、それぞれ対向面６２２ｆから離れるように湾曲し、電力用半導体素子３のそれぞれの主電極と超音波接合によって接合されている。
【００２２】
これにより、リード端子６１と電極端子６２とで、電力用半導体素子３と外部回路との主電流回路６が形成される。また、ＩＧＢＴ３Ｓのゲート電極３ｇ（１ｍｍ×２ｍｍ）などは、信号端子５２に対してワイヤボンド５１によって接続されて信号回路５を形成している。そして、ケース８の内部は、ダイレクトポッティングによって樹脂（封止体７）が充填され、加熱硬化されて絶縁封止されている。
【００２３】
なお、封止体７が形成される前の状態では、開口部６２２ａからは第一引出部６２１が露出し、第一引出部６２１を主電極に超音波接合する際の、治具の挿入孔となる。そのため、上述したセラミック基板２のケース８への接着は、開口部６２２ａの位置が主電極の位置と一致するようにして行われる。
【００２４】
つぎに、本実施の形態１にかかる電極端子６２の製造方法を含めた電力用半導体装置１の製造方法について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、モールドインサートにより、リード端子６１、信号端子５２に加え、電極端子６２のうち第二引出部６２２を一体化したケース８を形成する。そして、図３（ｂ）に示すように、対向面６２２ｆが上を向くように、ベース９０２に対してケース８を裏返した状態で設置する。下側から見た際に、開口部６２２ａから第一引出部６２１が見えるように、超音波接合ツール９０１を用いて、第二引出部６２２に対して第一引出部６２１の接合を行い、電極端子６２を形成する。
【００２５】
次に、図３（ｃ）に示すように、ＩＧＢＴ３Ｓとダイオード３Ｒをはんだダイボンドしたセラミック基板２に対して、接着剤９を用いてケース８を固定する。このとき、第一引出部６２１のうち、開口部６２２ａをまたぎ、対向面６２２ｆから離れた突出部６２１ｂが、ＩＧＢＴ３Ｓやダイオード３Ｒの主電極に接触する。そこで、主電極が上を向いた状態で、開口部６２２ａに超音波接合ツール９０１を差し込んで、第一引出部６２１をＩＧＢＴ３Ｓやダイオード３Ｒの主電極ごとに、超音波接合により接合する。さらに、リード端子６１とセラミック基板２の導電層２ａも接触しているので、超音波接合する。
【００２６】
そして、図３（ｄ）に示すように、ＩＧＢＴ３Ｓのゲート電極３ｇと信号端子５２間をワイヤボンド５１によって接合する。最後に、ダイレクトポッティングによって樹脂（封止体７）を充填して絶縁封止すると、図１（ｂ）に示すような電力用半導体装置１が完成する。
【００２７】
アルミリボンである第一引出部６２１と、ＩＧＢＴ３Ｓおよびダイオード３Ｒとの接合は、一度に接合するのではなく、電極面積よりも押圧面積が小さい超音波接合ツール９０１を用いて、複数個所で行うようにした。これにより、第一引出部６２１と主電極との間で傾きが生じた場合でも、接合品質が不安定になることを抑制することが可能となる。なお、リード端子６１は第二引出部６２２と同様に、第一引出部６２１よりも厚く、剛性も高いが、接合対象が主電極ではなく、導電層２ａなので、衝撃を気にせず、接合時のパワーを上げることができ、接合が可能である。
【００２８】
なお、第二引出部６２２と第一引出部６２１との接合については、超音波接合を用いた例を示したが、圧接やスポット溶接、レーザ溶接、はんだ付け、導電性接着剤による接着などでも同様の効果が得られる。また、第二引出部６２２と第一引出部６２１との接合を、第二引出部６２２が、ケース８にモールドインサートされたのちに行った例を示したが、モールドインサートされる前に、第一引出部６２１を第二引出部６２２に接合して、電極端子
６２を形成するようにしてもよい。
【００２９】
また、主電極に対する第一引出部６２１の接合については、超音波接合を例として示したが、これに限ることはない。真空圧接やレーザ溶接のように、接合面の背面から治具やレーザ光等を当てて、母材どうしが接合する接合方法であればよい。そのため、開口部６２２ａとしては、一つの主電極に対して、一つの開口が対応するように形成したが、上述した治具を挿入したり、レーザ光等が照射できるのであれば、スリットであったり複数の開口で対応するようにしてもよい。
【００３０】
さらに、電極端子６２の第二引出部６２２、およびリード端子６１については、銅（板）製を用いた例を示したが、アルミニウム製やＣＩＣ（銅インバークラッド材）製の板材を用いても同様の効果が得られる。また、ケースに対して両持ちにするなどによって第一引出部（リボン）を支持できる程度の剛性を持たせることができれば柔軟な金属箔形状であっても同様の効果が得られる。
【００３１】
また、端部６１ｃ、６２ｃをナットを用いたネジ端子とする例を示したが、ナットを排して溶接端子としても同様の効果が得られる。第一引出部
６２１の材料としては、母材どうしの接合時に主電極へ衝撃がかからないよう、第二引出部６２２よりも弾性率が低い材料であることが望ましいが、衝撃をコントロールできる装置を用いる場合は銅リボンであっても問題ない。また、形状としても、第二引出部６２２よりも厚みが薄い（あるいは径が細い）ことが望ましいが、素子の耐衝撃性に問題がなければ必須ではない。
【００３２】
スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ３Ｓを用いた例を示したが、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  
Transistor）でもよい。また、ダイオード３Ｒとしては、ＳＢＤ（Schottky  Barrier  Diode：ショットキーバリアダイオード）など、様々な種類の素子を用いることができる。また、素子数も２個に限ることはなく、それ以上でも、１個でもよい。
【００３３】
また、セラミック基材２ｉには、アルミナを用いた例を示したが、チッ化アルミニウムやチッ化ケイ素などを用いても同様の効果が得られる。また、導電層２ａには、銅を用いた例を示したが、アルミニウムを用いても同様の効果が得られる。さらに、電力用半導体素子３とセラミック基板２のダイボンドにはんだ４を用いた例を示したが、銀フィラーをエポキシ樹脂に分散させた導電性接着剤や、銀ナノ粒子を用いた低温焼成接合材料を用いても同様の効果が得られる。また、これらの接合は、リード端子６１とセラミック基板２との接合にも適用できる。
【００３４】
また、ケース８材料としてＰＰＳを用いた例を示したが、ＬＣＰ（液晶ポリマー：liquid-crystal  polymer）を用いると、さらなる耐熱性の向上が期待できる。また、ダイレクトポッティング樹脂により封止体７を形成する例を示したが、シリコーンゲルを用いた封止によっても同様の効果が得られる。
【００３５】
第一変形例（電極端子の製造法）
上記例では、別々の部材であった銅板の第二引出部とアルミリボンの第一引出部とを接合して電極端子を形成する例を示したがこれに限ることはない。例えば、銅アルミクラッド材をエッチング加工や機械切削によって銅だけを除去することによっても形成可能である。本変形例では、第一変形例として、エッチング加工により銅アルミクラッド材を電極端子に加工する方法について説明する。
【００３６】
電極端子６２を形成するための材料としては、図４（ａ）に示すように、厚さ０．７ｍｍの銅層６２ｍと、銅層６２ｍよりも薄い厚さ０．２ｍｍのアルミ層６２ｅとが積層された銅アルミクラッド材６２Ｍを用いる。はじめに、図４（ｂ）に示すように、銅層６２ｍの所定範囲をエッチングで除去し、開口部６２２ａを形成する。つぎに、図４（ｃ）に示すように、開口部
６２２ａから露出したアルミ層６２ｅ部分の幅方向の両側に、それぞれアルミ層６２ｅを貫通するスリット６２１ｓを形成する。そして、図４（ｄ）に示すように、スリット６２１ｓで挟まれた部分が対向面６２２ｆから離れるように突出部６２１ｂを形成するとともに、ケース８に埋め込まれる側の部分の折り曲げ等を行うと、電極端子６２が完成する。ここでは、電極端子
６２を形成するための材料として、厚さ０．７ｍｍの銅層６２ｍと、厚さ
０．２ｍｍのアルミ層６２ｅを用いたが、厚さに特に制約はなく、銅とアルミの厚さが逆になっていても同様の効果が得られる。
【００３７】
第二変形例（電極端子の構造）
上記例では、第一引出部を一本のアルミリボンで形成する例を示したが、これに限ることはない。本変形例では、第二変形例として、図５に示すように、２ｍｍ幅のアルミリボンを３本並列に接合したものを第一引出部６２３とした。これにより、各アルミリボンをそれぞれ独立して主電極と接合することで、電力用半導体素子３がセラミック基板２に対して傾いてダイボンドされたり、アルミリボンが第二引出部６２２に対して傾いて接合されたりした場合でも、相対的な傾きの影響が受けにくくなる。そのため、さらに信頼性の高い電力用半導体装置１の形成が可能となる。
【００３８】
第三変形例（電極端子の構造）
上記例では、第一引出部をアルミリボンで形成する例を示したが、これに限ることはない。本変形例では、第三変形例として、図６に示すように、アルミリボンに代えて、φ０．５ｍｍのアルミワイヤを５本張ったものを第一引出部６２４とした。これにより、さらなる接合部の安定化が可能となるので、電力用半導体素子３の寸法に対して電流容量が比較的小さい場合には有効な手段となる。
【００３９】
第四変形例（電極端子の構造）
上記例では、主電極に対する第一引出部６２１の接合については、超音波接合を例として示したが、これに限ることはない。主電極に対する第一引出部の接合に、はんだのようなロウ材を使ってもよい。例えば、図７に示すように、主電極や第一引出部の素材に対して接合可能なはんだ材４１を用いることもできる。主電極素材をニッケルや銅とし、第一引出部を銅リボンあるいはアルミ／銅を積層したクラッドリボンからなる第一引出部６２５とすることで、はんだ材４１により接合する面にははんだ付けの容易な銅の層
６２５Ｃを、第二引出部６２２と接合する面は超音波接合しやすいアルミの層６２５Ａを配置することが可能となり、通常のスズ系はんだ材を用いて接続することが可能となる。また、第一引出部６２５の主電極との接合部に開口部６２５ａを形成することではんだ材の供給を容易にし、余剰はんだの周辺への流れ出しを抑制することが可能となる。はんだ材は導電性接着剤や銀ナノペーストのような接合材料を用いても構わない。
【００４０】
第五変形例（電極端子の構造）
上記例では、第二引出部６２２を、モールドインサートによりケース８と一体形成して用いる例を示したが、ガラスエポキシ製プリント基板を第二引出部として用いてもよい。図８に示すように、ガラスエポキシ製プリント基板６２６は、ガラスエポキシ基板６２６ｂの両表面に銅からなる表面導体層６２６ｃ、６２６ｄを形成したものである。ガラスエポキシ製プリント基板６２６の一方の表面導体層６２６ｃを第一引出部６２１に接合し、ガラスエポキシ製プリント基板６２６に設けられた開口部６２６ａから超音波接合ツールを用いて、この第二引出部６２６ｃに接合した引出部６２１を主電極に接合することで、同様の効果が得られる。この際には、ガラスエポキシ製プリント基板６２６の表面導体層６２６ｃとは反対側の表面導体層６２６ｄの上に信号端子５２を設け、ＩＧＢＴ３Ｓのゲート電極３ｇとワイヤボンド
５１によって接続して信号回路５を形成することで、ケースを単純化することが可能となる。
【００４１】
なお、各変形例を含み、本実施の形態１においては、工程が連続するよう、一続きのリボンやワイヤで、２つの開口部６２２ａ（６２６ａも含む）のそれぞれに対応した突出部６２１ｂ（６２３ｂ、６２４ｂ、６２５ｂも含む）を形成する例を示したが、これに限ることはない。各開口部６２２ａ
（６２６ａも含む）のそれぞれでリボンやワイヤを接合するようにしてもよい。また、第一引出部６２１（６２３、６２４、６２５も含む）を電流経路に沿って開口部６２２ａをまたぐように形成した例を示したが、これに限ることはない。例えば、第二引出部６２２（６２６も含む）の幅方向の両側から、開口部６２２ａ（６２６ａも含む）をまたぐように形成してもよい。さらに、第二引出部６２２（６２６も含む）には開口部６２２ａ（６２６ａも含む）を形成したが、これに限ることはない。例えば、図９に示すように、第二引出部６２７に開口部の一端が解放された切り欠部６２７ａを形成しても、同様の効果が得られる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態１にかかる電極端子によれば、電力用半導体素子３の表面側の主電極（例えば、エミッタ電極３ｅ）と外部回路とを電気接続するための電極端子６２であって、主電極に接合される第一引出部
６２１（６２３、６２４、６２５も含む）と、主電極に対して間隔をあけて対向配置される一端部から外部回路と接続される他端部まで連なるように、第一引出部６２１（６２３、６２４、６２５も含む）よりも弾性率が高い板材で形成され、一端部の主電極への対向面６２２ｆ（６２６ｆも含む）に、第一引出部６２１（６２３、６２４、６２５も含む）の主電極に接合される部分（突出部６２１ｂ、６２５ｂ）の隣接部が接合された第二引出部６２２（６２６も含む）と、を備え、第一引出部６２１（６２３、６２４、６２５も含む）は、主電極に接合される部分（突出部６２１ｂ、６２５ｂ）が対向面６２２ｆ（６２６ｆも含む）から離れるように形成されるとともに、第二引出部６２２（６２６も含む）には、主電極に対応した開口部６２２ａ
（６２６ａも含む）が形成されているように構成したので、電極端子の主電極から外部回路にかけての電流経路の抵抗を増大させることなく、主電力電極への衝撃を抑制して母材どうしを接合させることができるので、メタライズ等が不要であるにもかかわらず、回路基板（セラミック基板２）上に余分なスペースを設けることはない。そのため、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。
【００４３】
第一引出部６２１（６２３、６２４、６２５も含む）を形成する部材が、第二引出部６２２を構成する部材よりも厚みが薄いので、より確実に主電力電極への衝撃を抑制して母材どうしを接合させることができる。
【００４４】
第一引出部６２１（６２３も含む）を、アルミリボンで形成しているので、容易に電極端子６２が形成できる。
【００４５】
第一引出部６２４を、アルミワイヤで形成しても、容易に電極端子６２が形成できる。
【００４６】
第一引出部６２５を、クラッドリボンで形成しているので、通常のはんだ材を用いて接合できる。
【００４７】
第二引出部６２６を、ガラスエポキシ製プリント基板で形成しているので、ケースを単純化することができる。
【００４８】
本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１は、回路基板（セラミック基板２）と、回路基板（セラミック基板２）に接合された電力用半導体素子３と、電力用半導体素子の表面側の主電極（例えば、エミッタ電極３ｅ）と第一引出部６２１（６２３、６２４、６２５も含む）とが母材どうしで接合された上述した電極端子６２と、を備えたので、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。
【００４９】
また本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１の製造方法は、回路基板（セラミック基板２）に電力用半導体素子３を接合する工程と、開口部
６２２ａと主電極（例えば、エミッタ電極３ｅ）との位置を合わせて、回路基板（セラミック基板２）に対して電極端子６２（あるいはそれが設けられたケース８）を固定する工程と、開口部６２２ａ（６２６ａも含む）から治具（例えば、超音波接合ツール９０１）を挿入、あるいはレーザ光を照射して、第一引出部６２１（６２３、６２４、６２５も含む）と主電極とを超音波接合、真空圧接あるいはレーザ溶接により接合する工程と、を含むようにしたので、大電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を容易に製造することができる。
【００５０】
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置では、実施の形態１で説明した電力用半導体装置に対して、封止体をトランスファモールド成型によって形成するように封止構造を変更したものである。図１０は、本発明の実施の形態２にかかる電極端子とそれを用いた電力用半導体装置の構成について説明するための図であり、図１０（ａ）は電力用半導体装置から封止樹脂を除いた状態の平面図、図１０（ｂ）は電力用半導体装置の断面図で、切断位置は図１０（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する。本実施の形態２においては、電極端子のうち、第一引出部の構造については、変形例を含め実施の形態１で説明したものと同様であるので説明を省略する。また、図中、実施の形態１で説明したものと同様のものには同じ符号を付しており、重複する部分についての詳細な説明は省略する。
【００５１】
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置１も、図１０に示すように、回路基板であるセラミック基板２の導電層２ａに、はんだ４（Ｓｎ−Ａｇ−
Ｃｕ：融点２１９℃）によって電力用半導体素子３がダイボンド（接合）されている。
【００５２】
セラミック基板２には、５０ｍｍ×２５ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製のセラミック基材２ｉの両面に、厚さ０．４ｍｍの銅の導電層２ａ、２ｂを形成したものを用いた。電力用半導体素子３は、ワイドバンドギャップ半導体材料であるＳｉＣを用いた素子で、スイッチング素子としては、厚さ０．２５ｍｍ、１５ｍｍ角の矩形板状をなすＩＧＢＴ３Ｓを、整流素子としては、厚さ０．２５ｍｍ、１３ｍｍ×１５ｍｍの矩形板状をなすダイオード３Ｒを用いた。
【００５３】
電極端子６２の一部である第二引出部６２２（第一引出部が接合される部分の幅：１２ｍｍ）と、リード端子６１（幅５ｍｍ）は、信号端子５２（１ｍｍ×４０ｍｍ）とともに、厚さ０．７ｍｍのリードフレームの形状で供給されている。第二引出部６２２の対向面６２２ｆには、電力用半導体素子３の各主電極に対応して、開口部６２２ａ（幅方向１０ｍｍ×長さ方向８ｍｍ）が２箇所形成されている。そして、第二引出部６２２に対し、幅８ｍｍで、総長さ３５ｍｍのアルミリボンが対向面６２２ｆの幅方向の中心で、長さ方向に沿って接合されている。その際、開口部６２２ａをまたぐ部分は、それぞれ対向面６２２ｆから離れるように湾曲し、第一引出部６２１が形成される。
【００５４】
そして、セラミック基板２とリードフレームとが位置決めして固定された状態で、各主電極と第一引出部６２１が超音波接合によって接合され、導電層２ａにリード端子６１が接合される。これにより、電力用半導体素子３と外部回路との主電流回路６が形成される。また、ＩＧＢＴ３Ｓのゲート電極３ｇ（１ｍｍ×２ｍｍ）などは、信号端子５２に対してワイヤボンド５１によって接続されて信号回路５を形成している。
【００５５】
そして、セラミック基板２の電力用半導体素子３が実装された面側をトランスファモールド成型によって封止し、封止体７を形成する。これにより、電力用半導体素子３を含む回路部材が絶縁封止される。そして、電極端子
６２、リード端子６１、信号端子５２は、外部に露出した端部以外の部分が、封止体７によって完全に固定される。
【００５６】
本実施の形態２においても、アルミリボンである第一引出部６２１（実施の形態１で示した変形例の第一引出部６２３、６２４も含む）と、ＩＧＢＴ３Ｓおよびダイオード３Ｒとの接合は、一度に接合するのではなく、電極面積よりも押圧面積が小さい超音波接合ツール９０１を用いて、複数個所で行うようにした。これにより、第一引出部６２１と主電極との間で傾きが生じた場合でも、接合品質が不安定になることを抑制することが可能となる。
【００５７】
また、第二引出部６２２と第一引出部６２１との接合については、超音波接合を用いた例を示したが、圧接やスポット溶接、レーザ溶接、はんだ付け、導電性接着剤による接着などでも同様の効果が得られる。また、実施の形態１の第一変形例のように、銅アルミクラッド材をエッチング加工や機械切削によって銅だけを除去することによっても形成可能である。
【００５８】
そして、主電極に対する第一引出部６２１の接合についても、真空圧接やレーザ溶接のように、接合面の背面から治具やレーザ光等を当てて、母材どうしが接合する接合方法であればよい。そのため、本実施の形態２においても、開口部６２２ａとしては、一つの主電極に対して、一つの開口が対応するように形成したが、上述した治具を挿入したり、レーザ光等が照射できるのであれば、スリットであったり複数の開口で対応するようにしてもよい。また、電極端子６２の第二引出部６２２、およびリード端子６１については、銅（板）製を用いた例を示したが、アルミニウム製やＣＩＣ（銅インバークラッド材）製の板材を用いても同様の効果が得られる。
【００５９】
また、セラミック基材２ｉには、アルミナを用いた例を示したが、チッ化アルミニウムやチッ化ケイ素などを用いても同様の効果が得られる。また、導電層２ａには、銅を用いた例を示したが、アルミニウムを用いても同様の効果が得られる。さらに、電力用半導体素子３とセラミック基板２のダイボンドにはんだ４を用いた例を示したが、銀フィラーをエポキシ樹脂に分散させた導電性接着剤や、銀ナノ粒子を用いた低温焼成接合材料を用いても同様の効果が得られる。また、これらの接合は、リード端子６１とセラミック基板２との接合にも適用できる。
【００６０】
なお、上記各実施の形態においては、電力用半導体素子３には、ワイドバンドギャップ半導体材料であるＳｉＣを用いた例について説明したが、一般的なシリコンを用いた素子にも適用できることは言うまでもない。しかし、ＳｉＣをはじめ、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、あるい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用い、電流許容量が高く、高温動作が想定される場合に、特に顕著な効果があらわれる。それは、電極端子６２に必要とされる厚み（断面積）が厚くなるので、剛性が高くなるとともに、運転温度が高くなるため線膨張係数差による変位が大きくなる。そのため、上記のように、超音波接合用の第一引出部６２１（変形例の第一引出部６２３、６２４も含む）と第一引出部６２１よりも厚みが厚い第二引出部６２２とを複合させた構成により、大電流に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置１を得るという効果をより発揮することができる。つまり、本発明の各実施の形態にかかる電極端子６２を用いることで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を生かした高性能な電力用半導体装置１を得ることが可能になる。
【００６１】
また、この発明は、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】
【００６２】
１：電力用半導体装置、  ２：セラミック基板（回路基板）、
２ａ，２ｂ：導電層、  ２ｉ：セラミック基材、  ３：電力用半導体素子、
４：はんだ（接合部）、  ５：信号回路、  ６：主電流回路、
７：封止体、  ８：ケース、  ９：接着剤、  ６１：リード端子、
６２：電極リード、  ６２１，６２３，６２４，６２５：第一引出部、
６２１ｂ，６２５ｂ：突出部、  ６２２，６２６：第二引出部、
６２２ａ，６２６ａ：開口部、  ６２２ｆ，６２６ｆ：対向面、
９０１：超音波接合ツール（治具）、  ９０２：ベース。
【図１】
2015111691.tif 000003
【図２】
2015111691.tif 000004
【図３】
2015111691.tif 000005
【図４】
2015111691.tif 000006
【図５】
2015111691.tif 000007
【図６】
2015111691.tif 000008
【図７】
2015111691.tif 000009
【図８】
2015111691.tif 000010
【図９】
2015111691.tif 000011
【図１０】
2015111691.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月24日(2016.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子の主電極と外部回路とを接続するための電極端子であって、
前記主電極に接合される第一引出部と、
前記主電極に対して間隔をあけて対向配置される一端部から前記外部回路と接続される他端部まで連なるように、板材で形成され、前記一端部の前記主電極への対向面に、前記第一引出部の前記主電極に接合される部分の隣接部が接合された第二引出部と、を備え、
前記第一引出部は、前記主電極に接合される部分が前記対向面から離れるように形成されるとともに、前記第二引出部には、前記主電極に対応した開口部が形成され、
前記第一引出部は、前記第二引出部から前記電力用半導体素子側に離れるように湾曲し、前記開口部をまたぐように、前記第二引出部に対して接合されていることを特徴とする電極端子。
【請求項２】
前記第一引出部が、アルミリボンで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電極端子。
【請求項３】
前記第一引出部が、アルミワイヤで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電極端子。
【請求項４】
前記開口部は、切欠き部であ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
の電極端子。
【請求項５】
前記第二引出部が、絶縁回路基板で形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか1項に記載の電極端子。
【請求項６】
前記絶縁回路基板が、ガラスエポキシ基板から形成されていることを特徴とする請求項５に記載の電極端子。
【請求項７】
前記第一引出部を形成する部材が、前記第二引出部を構成する部材よりも厚みが薄いことを特徴とする請求項１または２に記載の電極端子。
【請求項８】
前記第一引出部を形成する部材が、前記第二引出部を構成する部材よりも弾性係数が小さいことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電極端子。
【請求項９】
前記第一引出部が、２種以上の金属を積層したクラッドリボンで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電極端子。
【請求項１０】
回路基板と、
前記回路基板に接合された電力用半導体素子と、
前記電力用半導体素子の主電極と前記第一引出部とが母材どうしで接合された請求項１から８のいずれか１項に記載の電極端子と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項１１】
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で形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の電力用半導体装置。
【請求項１２】
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１１に記載の電力用半導体装置。
【請求項１３】
回路基板と、
前記回路基板に接合された電力用半導体素子と、
前記電力用半導体素子の主電極と前記第一引出部とが接合された請求項９に記載の電極端子と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項１４】
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で形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の電力用半導体装置。
【請求項１５】
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１４に記載の電力用半導体装置。
【請求項１６】
請求項１０から１２のいずれか１項に記載の電力用半導体装置を製造する方法であって、
前記回路基板に前記電力用半導体素子を接合する工程と、
前記開口部と前記主電極との位置を合わせて、前記回路基板に対して前記電極端子を固定する工程と、
前記開口部から治具を挿入し、前記第一引出部と前記主電極とを超音波接合または真空圧接により接合する工程と、
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１７】
請求項１０から１２のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法であって、
前記回路基板に前記電力用半導体素子を接合する工程と、
前記開口部と前記主電極との位置を合わせて、前記回路基板に対して前記電極端子を固定する工程と、
前記開口部を通して、前記第一引出部にレーザ光を照射し、前記第一引出部と前記主電極とをレーザ溶接により接合する工程と、
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１８】
請求項１３から１５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法であって、
前記回路基板に前記電力用半導体素子を接合する工程と、
前記開口部と前記主電極との位置を合わせて、前記回路基板に対して前記電極端子を固定する工程と、
前記開口部からロウ材を供給し、前記第一引出部と前記主電極とを前記ロウ材により接合する工程と、
を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の電極端子は、電力用半導体素子の主電極と外部回路とを接続するための電極端子であって、前記主電極に接合される第一引出部と、前記主電極に対して間隔をあけて対向配置される一端部から前記外部回路と接続される他端部まで連なるように、板材で形成され、前記一端部の前記主電極への対向面に、前記第一引出部の前記主電極に接合される部分の隣接部が接合された第二引出部と、を備え、前記第一引出部は、前記主電極に接合される部分が前記対向面から離れるように形成されるとともに、前記第二引出部には、前記主電極に対応した開口部が形成され、前記第一引出部は、前記第二引出部から前記電力用半導体素子側に離れるように湾曲し、前記開口部をまたぐように、前記第二引出部に対して接合されていることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また、本発明の電力用半導体装置は、回路基板と、前記回路基板に接合された電力用半導体素子と、前記電力用半導体素子の主電極と前記第一引出部とが接合された上述した電極端子と、を備えたことを特徴とする。
【国際調査報告】
2015111691.tif 000013
2015111691.tif 000014
2015111691.tif 000015
2015111691.tif 000016