(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面を有し、前記第１面上に形成されている電極を含むパワー半導体素子と、
前記電極と第１接合部を介して接続されている第１応力緩和部と、
前記第１応力緩和部と第２接合部を介して接続されている配線部とを備え、
前記第１接合部の接合強度は、前記第２接合部の接合強度と比べて高く、
前記配線部において前記第２接合部に接する領域の厚みが、前記配線部における他の領域の厚みよりも薄く、
前記配線部の延在方向において、前記第２接合部に接する領域は、前記配線部における他の領域と接しており、
前記第１面を平面視したときに、前記配線部において前記第２接合部に接する領域の外形が、前記第２接合部の外形と一致する、パワー半導体装置。
【請求項２】
前記第１接合部は、前記電極および前記第１応力緩和部と接合されている接合層であり、
前記パワー半導体素子の温度が１７５℃以上２３０℃以下の温度域のうちの１点の温度であるときの硬度、せん断強度および降伏強度の少なくともいずれか１つについて、前記第１接合部の値は前記第２接合部の値と比べて高い、請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項３】
前記第１接合部は焼結金属層であり、前記第２接合部ははんだ層である、請求項２に記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
前記第１接合部は第１焼結金属層であり、前記第２接合部は第２焼結金属層であり、
前記第１焼結金属層の空孔率は前記第２焼結金属層の空孔率よりも低い、請求項２に記載のパワー半導体装置。
【請求項５】
前記第１接合部は液相拡散接合層である、請求項２に記載のパワー半導体装置。
【請求項６】
前記第１接合部は焼結金属層であり、
前記第２接合部を構成する材料は焼結金属および樹脂を含む、請求項２に記載のパワー半導体装置。
【請求項７】
前記第１接合部は、前記電極と前記第１応力緩和部とが直接接合されている界面であり、
前記パワー半導体素子の温度が１７５℃以上２３０℃以下の温度域のうちの１点の温度であるときの硬度、せん断強度および降伏強度の少なくともいずれか１つについて、前記第１接合部の値は前記第２接合部の値と比べて高い、請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項８】
前記第１応力緩和部の熱膨張率は、前記パワー半導体素子の熱膨張率と前記配線部の熱膨張率の間にある、請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項９】
前記電極を構成する材料は銅を含み、
前記配線部を構成する材料は銅を含み、
前記第１応力緩和部は、順次積層された第１層、第２層および第３層を含み、
前記第１層および前記第３層を構成する材料は銅を含み、
前記第２層を構成する材料はニッケルおよび鉄を含む、請求項８に記載のパワー半導体装置。
【請求項１０】
前記第１応力緩和部と前記第２接合部を介して接続されており、かつ、前記配線部と第３接合部を介して接続されている第２応力緩和部をさらに備え、
前記配線部は、前記第１応力緩和部と、前記第２接合部、前記第２応力緩和部、および前記第３接合部を介して接続されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項１１】
前記電極を構成する材料は銅を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項１２】
前記第１面を平面視したときに、前記第１接合部の外形の角部は曲線状である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項１３】
前記第１面を平面視したときに、前記第１接合部は分散配置された複数の部分を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項１４】
前記第１応力緩和部は、前記第１接合部と接続されている第２面と、前記第２面の反対側に位置し前記第２接合部と接続されている第３面とを有し、
前記第３面の面積は前記第２面の面積よりも大きい、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
【請求項１５】
第１面を有し、前記第１面上に形成されている電極を含むパワー半導体素子と、
前記電極と第１接合部を介して接続されている第１応力緩和部と、
前記第１応力緩和部と第２接合部を介して接続されている配線部とを備え、
前記第１接合部の接合強度は、前記第２接合部の接合強度と比べて高く、
前記第１接合部は、前記電極および前記第１応力緩和部と接合されている接合層であり、
前記パワー半導体素子の温度が１７５℃以上２３０℃以下の温度域のうちの１点の温度であるときの硬度、せん断強度および降伏強度の少なくともいずれか１つについて、前記第１接合部の値は前記第２接合部の値と比べて高く、
前記第１接合部は焼結金属層であり、前記第２接合部ははんだ層である、パワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体装置に関し、特に、高温動作されるパワー半導体素子を備えるパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車・ハイブリッド車向けインバータや鉄道車両用インバータ等のパワーエレクトロニクス機器において、中核部品であるパワー半導体装置（パワーモジュール）は小型化および低コスト化を求められている。それらを実現する方法の１つはパワー半導体素子の動作可能温度を高めることである。【０００３】
パワー半導体素子の動作可能温度を高めることにより、素子に投入できる単位面積あたりの電流値が増える。その結果、パワー半導体素子およびパワー半導体装置を小型化でき、また小型化に伴ってパワー半導体装置の製造コストを低減することができる。【０００４】
一方で、パワー半導体素子の動作可能温度を高めると、パワー半導体素子と配線部との熱膨張率係数の差に起因してパワー半導体装置内に生じる熱応力が増加する。その結果、パワー半導体素子と配線部との間を接続する接続部（チップ上接合部）に熱応力が集中して当該接続部の熱疲労耐久性が劣化するという問題がある。【０００５】
このようなチップ上接合部の熱疲労耐久性を向上するための技術として、例えば以下の技術が知られている。【０００６】
特開２０１０−１０５０２号公報には、パワー半導体素子の電極と配線部とが銀（Ａｇ）系接合層で接合された半導体モジュールが開示されている。【０００７】
特開２００５−１９６９４号公報には、チップの電極部と端子部（配線部）との間に積層体が挿入されたパワーモジュールが開示されている。当該積層体は、応力緩衝材として作用する２つの低変形抵抗体と、２つの低変形抵抗体同士の間に配設されており低変形抵抗体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体とからなる。電極部と当該積層体の一方の低変形抵抗体と、当該積層体の他方の低変形抵抗体と端子部とは、いずれもＳｎ及びＮｉを主成分として含有する金属間化合物層を介して接合されている。各金属間化合物層は同等の構成を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１０５０２号公報
【特許文献２】特開２００５−１９６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のパワー半導体装置の熱疲労耐久性は、パワー半導体素子の動作温度によっては十分でない。そのため、従来のパワー半導体装置は、高い信頼性を有していないという問題がある。特開２０１０−１０５０２号公報に記載の半導体モジュールは、上記小型化の観点に基づきパワー半導体素子の動作可能温度が十分に高められた場合、パワー半導体素子の電極が損傷し易い。特開２００５−１９６９４号公報に記載のパワーモジュールは、上記小型化の観点に基づきパワー半導体素子の動作可能温度が十分に高められた場合、電極部と当該積層体とを接合する金属間化合物層または電極部が損傷し易い。【００１０】
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ある。本発明の主たる目的は、パワー半導体素子の動作可能温度が十分に高められた場合においても、高い信頼性を有しているパワー半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るパワー半導体装置は、第１面を有し、第１面上に形成されている電極を含むパワー半導体素子と、電極と第１接合部を介して接続されている第１応力緩和部と、第１応力緩和部と第２接合部を介して電気的に接続されている配線部とを備える。第１接合部の接合強度は第２接合部の接合強度と比べて高い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、パワー半導体素子の動作可能温度が十分に高められた場合においても、高い信頼性を有しているパワー半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係るパワー半導体装置を示す断面図である。
【図２】実施の形態４に係るパワー半導体装置を示す断面図である。
【図３】実施の形態５に係るパワー半導体装置を示す断面図である。
【図４】実施の形態６に係るパワー半導体装置の電極および第１接合部を説明するための平面図である。
【図５】実施の形態７に係るパワー半導体装置の電極および第１接合部を説明するための平面図である。
【図６】実施の形態８に係るパワー半導体装置を示す断面図である。
【図７】実施の形態９に係るパワー半導体装置を示す断面図である。
【図８】実施の形態９に係るパワー半導体装置の電極および第１接合部を説明するための平面図である。
【図９】実施の形態１０に係るパワー半導体装置を示す断面図である。
【図１０】実施の形態１０に係るパワー半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図１１】実施の形態１０に係るパワー半導体装置の他の変形例を示す断面図である。
【図１２】実施の形態１０に係るパワー半導体装置のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図１３】実施の形態１０に係るパワー半導体装置のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図１４】実施の形態１０に係るパワー半導体装置のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図１５】実施の形態１０に係るパワー半導体装置のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図１６】実施の形態１０に係るパワー半導体装置のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図１７】実施の形態１に係るパワー半導体装置の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００１５】
実施の形態１．
＜パワー半導体装置の構成＞
図１を参照して、実施の形態1に係るパワー半導体装置１００は、パワー半導体素子１と、絶縁基板３と、第１接合部としての焼結金属層５と、応力緩和部６と、第２接合部としてのはんだ層７と、バスバー８とを主に備える。
【００１６】
パワー半導体素子１は、任意のパワー半導体素子であればよいが、たとえばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｔｏｒ）である。パワー半導体素子１は、第１面１Ａと、第１面１Ａと反対側に位置する面とを有している。パワー半導体素子１の第１面１Ａ上には、電極２が形成されている。電極２は、第１面１Ａの一部上に形成されている。パワー半導体素子１の第１面１Ａと反対側に位置する面は、例えばダイボンド材４を介して絶縁基板３と接合されている。パワー半導体素子１は高温動作可能である。その動作限界温度は、例えば１７５℃以上であり、好ましくは２００℃以上である。
【００１７】
電極２を構成する材料は、導電性を有する任意の材料であればよいが、例えばアルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、および金（Ａｕ）のうちの少なくとも１つを含む。第１面１Ａを平面視したときに、電極２の平面形状は任意の形状であればよいが、例えば矩形状である。電極２は、例えば、第１面１Ａと接している第１層と、第１層上に形成されている第２層と、第２層上に形成されている第３層との積層体として形成されている。また、電極２は、積層体として構成されておらず単一層として形成されていてもよい。この場合、電極２を構成する材料は例えばＣｕである。このような電極２は、パワー半導体素子１の第１面１Ａ上に形成されたＣｕ薄膜をシード層とする電解メッキにより形成され得る。
【００１８】
電極２の第１層を構成する材料は例えばＡｌを含み、純アルミニウムであってもよいし、アルミニウム合金であってもよい。第１層を構成する材料は、Ａｌの他、ケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびニッケル（Ｎｉ）などの群から選択される少なくとも１つを含んでいてもよい。第１層がアルミニウム合金で構成されていれば、第１層の強度が増すため、高温動作時においても電極２の損傷が抑制され得る。上記第１層の厚みは例えば５μｍである。
【００１９】
電極２の第２層を構成する材料は例えばＮｉを含む。第２層は、例えば無電解メッキにより形成され得る。この場合、第２層中にはリン（Ｐ）濃化層が形成され得る。また、パワー半導体装置１００の製造コストは低減され得る。第２層は、例えば電解メッキにより形成され得る。この場合、第２層中においてリン（Ｐ）濃化層の形成が抑制される。上記第２層の厚みは例えば１μｍ以上１０μｍ以下である。第２層の厚みが厚くなるほど、第１層の損傷は抑制される傾向にある。しかし、第２層の厚みが厚すぎると、第２層に生じる膜応力により電極２の剥離またはパワー半導体素子１の反りなどの異常が発生し易い。そのため、構成材料にＮｉを含む上記第２層の厚みは１０μｍ以下であるのが好ましい。より好ましくは、上記第２層の厚みは例えば３μｍ以上７μｍ以下である。
【００２０】
あるいは、電極２の第２層を構成する材料は例えばＣｕを含む。このような第２層は例えば無電解メッキにより形成され得る。構成材料にＣｕを含む第２層の厚みは３０μｍ以下であるのが好ましい。より好ましくは、上記第２層の厚みは例えば３μｍ以上１０μｍ以下である。
【００２１】
電極２の第３層を構成する材料は例えばＡｕを含む。第３層は、例えばフラッシュメッキにより形成され得る。上記第３層の厚みは例えば０．０１μｍ以上１μｍ以下であり、より好ましくは０．０５μｍ以上０．５μｍ以下である。上記第３層の厚みは例えば０．１μｍである。
【００２２】
なお、第３層は形成されていなくてもよい。電極２の第２層と後述する第１接合部としての焼結金属層５との接合が高温動作時においても維持され、パワー半導体装置１００の信頼性が担保され得る場合には、第３層は形成されていなくてもよい。
【００２３】
また、第３層を構成する材料は例えばＣｕを含んでいてもよい。この場合、第３層は、例えば第２層上に形成されたＣｕ薄膜をシード層とするメッキにより形成され得る。この場合の第３層の厚さは例えば１μｍ以上３０μｍ以下である。このようにすれば、電極２の損傷を抑制することができる。Ｃｕからなる第３層の膜応力はＮｉからなる第２層の膜応力よりも小さいため、当該第３層の厚さは、第２層の厚さよりも厚くすることができる。
【００２４】
絶縁基板３は、第１導体３１と第２導体３２とを、絶縁セラミックス板３３を挟んで積層して構成されている。第１導体３１は、パワー半導体素子１を搭載している。第１導体３１においてパワー半導体素子１と接合されている面と反対側に位置する面（全面）は絶縁セラミックス板３３と接合されている。絶縁セラミックス板３３において第１導体３１と接合されている面と反対側に位置する面は第２導体３２と接合されている。第１導体３１および第２導体３２を構成する材料は、導電性を有し、高い熱伝導率を有する任意の材料とすればよいが、たとえば銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）である。絶縁セラミックス板３３を構成する材料は、電気的絶縁性を有し、かつ高い熱伝導性を有する任意の材料であればよいが、たとえば窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の少なくともいずれか一つを含む材料である。
【００２５】
ダイボンド材４は、パワー半導体素子１と第１導体３１とを接合可能な任意の材料とすればよいが、たとえばはんだ、または銀ナノ粒子を用いた低温焼結材などである。
【００２６】
焼結金属層５は、パワー半導体素子１の電極２と応力緩和部６との間を電気的に接続している。焼結金属層５は、例えば電極２の上記第２層または上記第３層と接合されており、かつ応力緩和部６と接合されている。上記第１面１Ａを平面視したときに、焼結金属層５の外形線は、電極２の外形線と重なるように形成されている。焼結金属層５は、例えば電極２の上面（第１面１Ａと接している面と反対側に位置する面）の全体と接合されている。第１面１Ａを平面視したときに、焼結金属層５の平面形状は任意の形状であればよいが例えば矩形状である。
【００２７】
焼結金属層５を構成する材料は、焼結金属である。焼結金属層５を構成する材料は、例えば銀（Ａｇ）およびＣｕの少なくともいずかを含む。異なる観点から言えば、焼結金属層５を構成する材料は、電極２を構成する材料および応力緩和部６を構成する材料以外の他の材料を含む。焼結金属層５は、例えばＡｇまたはＣｕなどの金属粉末が樹脂中に分散されたペースト状の混練物が加熱および加圧されて得られた焼結物である。該金属粉の粒径は、例えば数ｎｍ以上数μｍ以下である。上記ペースト状の混練物は、例えばディスペンサを用いた印刷法により電極２上に塗布され得る。また、焼結金属層５は、予めシート状に成形された上記混練物が加圧および加熱されて焼結された物であってもよい。ペースト状の混練物をディスペンサを用いて塗布する場合、ディスペンサによる塗布量のバラつきなどに起因して当該混練物が所定の領域よりも外に濡れ広がり、パワー半導体素子１上に金属残差が形成されることが懸念される。これに対し、上記混練物が成形されたシート状材により形成された焼結金属層５は、ディスペンサにより塗布された上記混練物により形成された焼結金属層５と比べて、上記混練物の量のバラつきが抑制されているため、上記金属残差の形成が抑制され得る。
【００２８】
焼結金属層５は、パワー半導体素子１が高温動作される際の動作温度域および後述するはんだ層７の融点に近い温度域に加熱されたときに、はんだ層７と比べて、硬度、せん断強度、および降伏強度が高い。パワー半導体素子１の温度が１７５℃以上２３０℃以下の温度域（第１温度域）のうちの１点の温度であるときに、焼結金属層５の硬度、せん断強度、および降伏強度は、はんだ層７の硬度、せん断強度、および降伏強度よりも高い。パワー半導体素子１の温度が２００℃であるときに、焼結金属層５の硬度、せん断強度、および降伏強度は、はんだ層７の硬度、せん断強度、および降伏強度よりも高い。
【００２９】
焼結金属層５の温度が１７５℃以上２３０℃以下の温度域（第１温度域）のうちの１点の温度であるときの焼結金属層５の硬度は、はんだ層７の温度が当該第１温度域のうちの１点の温度であるときのはんだ層７の硬度よりも高い。焼結金属層５の温度が上記第１温度域のうちの１点の温度であるときの焼結金属層５のせん断強度は、はんだ層７の温度が上記第１温度域のうちの１点の温度であるときのはんだ層７のせん断強度よりも高い。焼結金属層５の温度が上記第１温度域のうちの１点の温度であるときの焼結金属層５の降伏強度は、はんだ層７の温度が上記第１温度域のうちの１点の温度であるときのはんだ層７の降伏強度よりも高い。
【００３０】
好ましくは、焼結金属層５の温度が室温以上はんだ層７の融点以下の温度域（第２温度域）にあるときの焼結金属層５の硬度は、はんだ層７の温度が当該第２温度域にあるときのはんだ層７の硬度よりも高い。焼結金属層５の温度が上記第２温度域にあるときの焼結金属層５のせん断強度は、はんだ層７の温度が上記第２温度域にあるときのはんだ層７のせん断強度よりも高い。焼結金属層５の温度が上記第２温度域にあるときの焼結金属層５の降伏強度は、はんだ層７の温度が上記第２温度域にあるときのはんだ層７の降伏強度よりも高い。
【００３１】
焼結金属層５およびはんだ層７の硬度は、例えば第１面１Ａに垂直な方向（焼結金属層５の厚み方向）にパワー半導体装置１００を研磨することにより露出した断面に対し、ナノインデンターを用いて測定される。焼結金属層５およびはんだ層７の降伏強度は、例えば第１面１Ａに垂直な方向（焼結金属層５の厚み方向）にパワー半導体装置１００を研磨することにより露出した断面に対し、ナノインデンターを用いて測定される。焼結金属層５およびはんだ層７のせん断強度は、例えば引張せん断試験により測定される。例えば、パワー半導体装置１００の絶縁基板３を固定し、配線部８を第１面１Ａに沿った方向にせん断荷重を印加することにより測定される。これらの測定では、例えばパワー半導体装置１００の絶縁基板３が温調機能を有するサンプルステージ上に配置され、サンプルステージによりパワー半導体素子１が上記温度域のうちの１点の温度に加熱される。パワー半導体素子１の温度は、任意の温度計により測定され得る。
【００３２】
応力緩和部６は、パワー半導体素子１の電極２とバスバー８との間に形成されている。応力緩和部６は、焼結金属層５を介して電極２と接続されている。応力緩和部６の熱膨張率係数は、パワー半導体素子１の熱膨張率係数以上バスバー８の熱膨張率係数以下であり、好ましくはパワー半導体素子１の熱膨張率係数超えバスバー８の熱膨張率係数未満である。例えば、パワー半導体素子１が主にＳｉ（熱膨張率係数α＝２ｐｐｍ／Ｋ）で構成されており、バスバー８がＣｕ（熱膨張率係数α＝１７ｐｐｍ／Ｋ）で構成されている場合、応力緩和部６の熱膨張率係数αは例えば１１ｐｐｍ／Ｋである。
【００３３】
このような応力緩和部６は、例えばインバーと、インバーの一方の側に形成されている第１Ｃｕ層と、第１Ｃｕ層とインバーを挟むように形成されている第２Ｃｕ層とからなる積層体（第１Ｃｕ層／インバー／第２Ｃｕ層）として構成されている（図１７参照）。この場合、第１Ｃｕ層の積層方向における厚みは、例えばインバーの積層方向における厚み、および第２Ｃｕ層の積層方向における厚みと等しい。応力緩和部６を構成する材料は、例えばＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、およびＣｕからなる群から選択される少なくとも１つを含む。応力緩和部６は、例えばＣｕ合金またはＡｌ合金からなっていてもよい。応力緩和部６は、例えば鉄（Ｆｅ）およびＮｉを含むインバーと、Ｃｕとのクラッド材として構成されていてもよい。上記第１面１Ａを平面視したときに、応力緩和部６の外形線は、電極２の外形線および焼結金属層５の外形線と重なるように形成されている。応力緩和部６は、例えば焼結金属層５の上面（電極２と接している面と反対側に位置する面）の全体と接合されている。第１面１Ａを平面視したときに、応力緩和部６の平面形状は任意の形状であればよいが例えば矩形状である。
【００３４】
はんだ層７は、応力緩和部６とバスバー８との間を電気的に接続されている。はんだ層７を構成する材料は、Ｓｎを含み、例えばＡｇおよびＣｕをさらに含む。
【００３５】
バスバー８は、焼結金属層５、応力緩和部６、およびはんだ層７を介してパワー半導体素子１の電極２と電気的に接続されている。バスバー８は、第１面１Ａを平面視したときに、はんだ層７と重なる第１領域と、はんだ層７と重ならない第２領域とを有している。バスバー８を構成する材料は、例えばＣｕおよびＡｌの少なくともいずれかを含む。バスバー８は、例えばＣｕ合金またはＡｌ合金からなっていてもよい。バスバー８は、例えば鉄（Ｆｅ）およびＮｉを含むインバーと、Ｃｕとのクラッド材として構成されていてもよい。バスバー８が当該クラッド材として構成されていれば、例えばＣｕおよびインバーの厚みを調整することによりバスバー８の熱膨張率係数を調整することができ、はんだ層７の損傷を抑制することができる。好ましくは、上記第１面１Ａを平面視したときに、はんだ層７と重なる上記第１領域が上記クラッド材として構成されており、はんだ層７と重ならない上記第２領域がＣｕおよびＡｌの少なくともいずれかにより構成されている。このようにすれば、バスバー８の全体がインバーを含むクラッド材により構成されている場合と比べて、バスバー８の定格電流密度を増すことができる。
【００３６】
＜パワー半導体装置１００の製造方法＞
パワー半導体装置１００の製造方法は、例えば、電極２を含むパワー半導体素子１、絶縁基板３、応力緩和部６、バスバー８が準備される工程と、電極２と応力緩和部６とが焼結金属層５を介して接合される工程（第１接合工程）と、応力緩和部６とバスバー８とがはんだ層７を介して接合される工程（第２接合工程）と、パワー半導体素子１と絶縁基板３とがダイボンド材４を介して接合される工程（第３接合工程）とを備える。第１接合工程では、電極２と応力緩和部６とが上記混練物を介して積層された状態において、混練物が加圧および加熱されて焼結される。このようにして、パワー半導体装置１００が製造される。
【００３７】
＜パワー半導体装置１００の作用効果＞
パワー半導体装置１００は、第１面１Ａを有し、第１面１Ａ上に形成されている電極２を含むパワー半導体素子１と、電極２と第１接合部としての焼結金属層５を介して接続されている応力緩和部６と、応力緩和部６と第２接合部としてのはんだ層７を介して電気的に接続されている配線部としてのバスバー８とを備える。パワー半導体素子１の温度が１７５℃以上２３０℃以下の温度域のうちの少なくとも１点の温度（例えば２００℃）であるときに、焼結金属層５の硬度、せん断強度および降伏強度の少なくともいずれか１つは、はんだ層７の硬度、せん断強度および降伏強度の少なくともいずれか１つと比べて高い。
【００３８】
パワー半導体素子１の高温動作時において、焼結金属層５に印加される熱応力は、はんだ層７に印加される熱応力と比べて大きくなる。焼結金属層５は、パワー半導体素子１の温度が１７５℃以上２３０℃以下の温度域のうちの少なくとも１点の温度であるとき、すなわちパワー半導体素子１の高温動作時において、はんだ層７と比べて硬度、せん断強度および降伏強度が高い。つまり、パワー半導体装置１００によれば、はんだ層７と比べて強固な焼結金属層５に、はんだ層７に印加される熱応力よりも大きな熱応力を印加させることができる。その結果、パワー半導体装置１００は、パワー半導体素子の電極と応力緩和部との接合部が応力緩和部と配線部との接合部と同様にはんだ接合により構成されている従来のパワー半導体装置と比べて、熱疲労耐久性が高く、高温動作時においても焼結金属層５およびはんだ層７の損傷が抑制されている。そのため、パワー半導体装置１００は、従来のパワー半導体装置と比べて、高い信頼性を有している。
【００３９】
なお、パワー半導体装置１００の動作時において、パワー半導体素子１の温度は、焼結金属層５の温度およびはんだ層７の温度よりも高い。そのため、例えば焼結金属層５の温度が上記第２温度域にあるときの焼結金属層５の硬度、せん断強度、および降伏強度が、はんだ層７の温度が当該第２温度域にあるときのはんだ層７の硬度、せん断強度、および降伏強度よりも高ければ、パワー半導体素子１の温度が１７５℃以上２３０℃以下であるときの硬度、せん断強度および降伏強度について、第１接合部の値は第２接合部の値と比べて高い。
【００４０】
また、パワー半導体装置１００は、パワー半導体素子の電極と配線部とが焼結Ａｇ層のみによって接合されている従来のパワー半導体装置と比べて、電極２への熱応力の集中を防止することができるため、電極２の損傷を抑制することができる。その結果、パワー半導体装置１００は、当該従来のパワー半導体装置と比べて、高い信頼性を有している。
【００４１】
上記パワー半導体装置１００において、電極２を構成する材料はＣｕを含むのが好ましい。電極２は、Ｃｕメッキ層を含むのが好ましい。このようにすれば、電極２は、電極２を構成する材料がＮｉを含むがＣｕを含まない場合と比べて、その膜応力が小さいため、高温動作時においても損傷され難い。その結果、当該パワー半導体装置１００は、上述した従来のパワー半導体装置と比べて、高い信頼性を有している。
【００４２】
上記パワー半導体装置１００において、第２接合部ははんだ層７である。はんだ層７は、パワー半導体素子１に対する応力緩和部６の相対的な位置（第１面１Ａに沿った方向および第１面１Ａに垂直な方向における位置）のバラつきを吸収し得る。そのため、パワー半導体装置１００の生産性は、従来のパワー半導体装置の生産性と同等である。
【００４３】
なお、応力緩和部６の熱膨張率係数は、パワー半導体素子１の高温動作時における電極２、第１接合部としての焼結金属層５および第２接合部としてのはんだ層７の各々の損傷の程度に応じて調整し得る。パワー半導体素子１の高温動作時において電極２または焼結金属層５が大きく損傷する場合には、応力緩和部６の熱膨張率係数をパワー半導体素子１の熱膨張率係数に近づけるのが好ましい。パワー半導体素子１の高温動作時においてはんだ層７が大きく損傷する場合には、応力緩和部６の熱膨張率係数をバスバー８の熱膨張率係数に近づけるのが好ましい。
【００４４】
実施の形態２．
次に、実施の形態２に係るパワー半導体装置について説明する。実施の形態２に係るパワー半導体装置は、基本的に実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の構成を備えるが、第２接合部がはんだ層７に代えて第２焼結金属層である点で異なる。
【００４５】
電極２と応力緩和部６とを接合する第１接合部は、パワー半導体装置１００における焼結金属層５と同等の構成を備える、第１焼結金属層である。すなわち、第１焼結金属層は、例えばＡｇまたはＣｕなどの金属粉末が分散されたペースト状の混練物が加熱および加圧されて得られた焼結物である。第２焼結金属層は、例えばＡｇまたはＣｕなどの金属粉末が分散されたペースト状の混練物が加圧されることなく加熱されて得られた焼結物である。第１焼結金属層の空孔率は、第２焼結金属層の空孔率よりも低い。すなわち、第１焼結金属層の焼結密度は、第２焼結金属層の焼結密度よりも高い。
【００４６】
第１焼結金属層は、１７５℃以上２３０℃以下の温度域において、すなわち、パワー半導体素子１の高温動作時において、第２焼結金属層と比べて硬度、せん断強度および降伏強度が高い。その結果、実施の形態２に係るパワー半導体装置は、実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の効果を奏することができる。
【００４７】
第２焼結金属層は上記混練物が無加圧で焼結され形成されている。すなわち、実施の形態２に係るパワー半導体装置の製造方法では、上記パワー半導体装置１００の製造方法における上記第２接合工程に代えて、応力緩和部６とバスバー８とが上記混練物を介して積層された状態において、混練物が加圧されることなく加熱されて焼結される。そのため、実施の形態２に係るパワー半導体装置の生産性は、パワー半導体装置１００および従来のパワー半導体装置の生産性と同等である。
【００４８】
実施の形態３．
次に、実施の形態３に係るパワー半導体装置について説明する。実施の形態３に係るパワー半導体装置は、基本的に実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の構成を備えるが、第１接合部が焼結金属層５に代えて液相拡散接合層である点で異なる。
【００４９】
液相拡散接合層は、液相拡散接合により形成された層である。具体的には、まず、被接合材である電極２および応力緩和部６を構成する材料よりも融点が低い材料で構成された接合材が準備される。接合材を構成する材料は、例えばＳｎを含む。次に、電極２と応力緩和部６とが当該接合材を挟んで積層される。接合材は、例えばリフロー法により電極２上に塗布される。次に、電極２および応力緩和部６を構成する材料の融点未満であって、接合材を構成する材料の融点以上の温度に接合材が加熱される。これにより、接合材のみが溶融され液相となる。接合材の温度は、液相の接合材が等温凝固するまで保持される。これにより、電極２と応力緩和部６とを接合する液相拡散接合層が形成される。液相拡散接合層は、例えば接合材中のＳｎと電極２または応力緩和部６中のＣｕとが合金化されたＣｕ３Ｓｎ、および接合材中のＳｎと電極２または応力緩和部６中のＮｉとが合金化されたＮｉ３Ｓｎ４を含む。
【００５０】
このような液相拡散接合層は、１７５℃以上２３０℃以下の温度域において、はんだ接合により形成されたはんだ層７と比べて硬度、せん断強度および降伏強度が高い。その結果、実施の形態３に係るパワー半導体装置は、実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の効果を奏することができる。
【００５１】
また、上記のような液相拡散接合層は、パワー半導体装置１００における焼結金属層５と比べて、空隙の発生が抑制されており、また残留応力の発生が抑制されているため、高い熱疲労耐久性を有している。その結果、実施の形態３に係るパワー半導体装置は、パワー半導体装置１００と比べて、高い信頼性を有している。
【００５２】
なお、実施の形態３に係るパワー半導体装置において、第２接合部は液相拡散接合層であってもよい。このような第２接合部は、パワー半導体装置１００におけるはんだ層７および実施の形態２に係るパワー半導体装置における第２焼結金属層と同様に、無加圧で形成され得る。そのため、実施の形態３に係るパワー半導体装置は、パワー半導体装置１００および従来のパワー半導体装置の生産性と同等である。
【００５３】
実施の形態４．
次に、図２を参照して、実施の形態４に係るパワー半導体装置１０１について説明する。実施の形態４に係るパワー半導体装置１０１は、基本的に実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の構成を備えるが、第１接合部が電極２と応力緩和部６とが直接接合された界面９である点で異なる。
【００５４】
すなわち、パワー半導体装置１０１において、界面９は、パワー半導体素子１が高温動作される際の動作温度域および後述するはんだ層７の融点に近い温度域に加熱されたときに、はんだ層７と比べて、せん断強度が高い。界面９では、電極２を構成する原子または分子と、応力緩和部６を構成する原子または分子とが直接結合（例えば共有結合）している。このような界面９は、公知の直接接合方法により形成され得る。例えば、電極２において応力緩和部６と接合されるべき面と、応力緩和部６において電極２と接合されるべき面とが清浄化された後、これらの面を直接接触させることにより、界面９が形成される。
【００５５】
このようにすれば、上記温度域において、界面９のせん断強度ははんだ層７のせん断強度と比べて高い。そのため、パワー半導体装置１０１は、パワー半導体装置１００と同様の効果を奏することができる。
【００５６】
なお、界面９のせん断強度とはんだ層７のせん断強度との高低は、例えばパワー半導体装置１０１に対する引張せん断試験により確認され得る。
【００５７】
また、パワー半導体装置１０１は、電極２と他の部材よりも熱容量の大きい応力緩和部６とが直接接合されており、界面９における空隙の発生が抑制されている。そのため、パワー半導体装置１０１は、電極２と応力緩和部６とが内部に空隙が形成された焼結金属層５介して接続されているパワー半導体装置１００と比べて、短絡耐量が向上されている。
【００５８】
実施の形態５．
次に、図３を参照して、実施の形態５に係るパワー半導体装置１０２について説明する。実施の形態５に係るパワー半導体装置１０２は、基本的に実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の構成を備えるが、応力緩和部６（第１応力緩和部）の他に第２応力緩和部１０をさらに備えている点で異なる。
【００５９】
第２応力緩和部１０は、第２接合部としてのはんだ層７を介して第１応力緩和部６と接続されている。第２応力緩和部１０は、第３接合部としてのはんだ層１１を介してバスバー８と接続されている。バスバー８は、焼結金属層５、第１応力緩和部６、はんだ層７、第２応力緩和部１０、およびはんだ層１１を介して電極２と電気的に接続されている。
【００６０】
第２応力緩和部１０の熱膨張率係数は、第１応力緩和部６の熱膨張率係数以上バスバー８の熱膨張率係数以下であり、好ましくは、第１応力緩和部６の熱膨張率係数超えバスバー８の熱膨張率係数未満である。第１応力緩和部６の熱膨張率係数は、上述のように、パワー半導体素子１の熱膨張率係数超えバスバー８の熱膨張率係数未満であるのが好ましい。例えば、パワー半導体素子１が主にＳｉ（熱膨張率係数α＝２ｐｐｍ／Ｋ）で構成されており、バスバー８がＣｕ（熱膨張率係数α＝１７ｐｐｍ／Ｋ）で構成されている場合、第１応力緩和部６の熱膨張率係数αは例えば８ｐｐｍ／Ｋであり、第２応力緩和部１０の熱膨張率係数αは例えば１２ｐｐｍ／Ｋである。
【００６１】
このような熱膨張率係数を有する第１応力緩和部６は、例えばインバーと、インバーの一方の側に形成されている第１Ｃｕ層と、第１Ｃｕ層とインバーを挟むように形成されている第２Ｃｕ層とからなる積層体（第１Ｃｕ層／インバー／第２Ｃｕ層）として構成されている。この場合、例えば第１Ｃｕ層の積層方向における厚みと第２Ｃｕ層の積層方向における厚みとが等しい。また、インバーの積層方向における厚みは、例えば第１Ｃｕ層の積層方向における厚みと第２Ｃｕ層の積層方向における厚みとの和に等しい。第１Ｃｕ層の上記厚み、インバーの上記厚み、および第２Ｃｕ層の上記厚みの比率は、例えば１：２：１である。
【００６２】
また、上記のような熱膨張率係数を有する第２応力緩和部１０は、例えばいわゆる４２アロイ（構成材料にＮｉおよびＦｅを含む合金）と、４２アロイの一方の側に形成されている第３Ｃｕ層と、第３Ｃｕ層と４２アロイを挟むように形成されている第４Ｃｕ層とからなる積層体（第３Ｃｕ層／インバー／第４Ｃｕ層）として構成されている。
【００６３】
このようなパワー半導体装置１０２において焼結金属層５およびはんだ層７に印加される熱応力は、パワー半導体装置１００において焼結金属層５およびはんだ層７に印加される熱応力よりも低減され得る。そのため、パワー半導体装置１０２は、パワー半導体装置１００と比べて、さらに高い信頼性を有している。
【００６４】
なお、パワー半導体装置１０２において、第１接合部は液相拡散接合層であってもよく、第２接合部は第２焼結金属層または液相拡散接合層であってもよい。
【００６５】
実施の形態６．
次に、図４を参照して、実施の形態６に係るパワー半導体装置１０３について説明する。実施の形態６に係るパワー半導体装置１０３は、基本的に実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の構成を備えるが、第１面１Ａを平面視したときに、第１接合部の外形の角部が曲線状である点で異なる。なお、図４は、パワー半導体装置１０３において第１接合部よりもパワー半導体素子１側に位置する部材のみを示す平面図である。
【００６６】
第１接合部は、例えば焼結金属層５である。第１面１Ａを平面視したときに、焼結金属層５の平面形状は例えば角丸矩形状である。第１面１Ａを平面視したときに、第１接合部の外形の全ての角部は曲線状である。第１面１Ａを平面視したときに、焼結金属層５の外形には、鋭角を成す角部が存在しない。
【００６７】
このようにすれば、焼結金属層５の外形の角部に応力が集中することを防止することができる。そのため、パワー半導体素子１の高温動作時において、焼結金属層５の損傷を抑制することができる。その結果、パワー半導体装置１０３は、パワー半導体装置１００と比べて、さらに高い信頼性を有している。
【００６８】
なお、第１接合部は上述した液相拡散接合層であってもよい。また、第１接合部は界面９であってもよい。第１接合部が界面９である場合、第１面１Ａを平面視したときに電極２および応力緩和部６の少なくともいずれかの外形の角部が曲線状であればよい。
【００６９】
実施の形態７．
次に、図５を参照して、実施の形態７に係るパワー半導体装置１０４について説明する。実施の形態７に係るパワー半導体装置１０４は、基本的に実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の構成を備えるが、第１面１Ａを平面視したときに、第１接合部は分散配置された複数の部分を含む点で異なる。なお、図５は、パワー半導体装置１０４において第１接合部よりもパワー半導体素子１側に位置する部材のみを示す平面図である。
【００７０】
第１接合部は、例えば焼結金属層５である。第１面１Ａを平面視したときに、焼結金属層５は分散配置された複数の部分５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄを含む。複数の部分５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄは、例えば第１面１Ａに沿った第１方向において互いに間隔を隔てて配置されている。焼結金属層５は、例えば、第１方向と交差しておりかつ第１面１Ａに沿っている第２方向において、複数の部分５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄの各々と互いに間隔を隔てて配置されている複数の部分をさらに含む。すなわち、焼結金属層５は、例えば第１方向および第１方向と交差する第２方向において、分散配置された複数の部分を有している。第１面１Ａを平面視したときに、電極２において焼結金属層５と接合されていない領域の平面形状は、例えば格子状である。第１面１Ａを平面視したときに、複数の部分の平面形状は任意の形状であればよいが、例えば矩形状である。
【００７１】
電極２の上記上面（第１面１Ａと接している面と反対側に位置する面）は、焼結金属層５と接合されていない領域を有している。また、応力緩和部６において電極２の上記上面と向かい合う下面は、焼結金属層５と接合されていない領域を有している。
【００７２】
このようにすれば、焼結金属層５の複数の部分は、第１面１Ａに沿った方向において分散配置されている。そのため、例えば焼結金属層５に割れが生じた場合にも当該割れが第１面１Ａに沿った方向において進展することが抑制されている。また、例えば焼結金属層５において第１方向に延びる割れが生じた場合にも当該割れが第２方向に進展することが抑制されている。その結果、パワー半導体装置１０４は、パワー半導体装置１００と比べて、さらに高い信頼性を有している。
【００７３】
好ましくは、第１面１Ａを平面視したときに、複数の部分の外形の角部は曲線状である。このようなパワー半導体装置１０４によれば、パワー半導体装置１０３と同様の効果を奏することができる。なお、第１接合部は上述した液相拡散接合層であってもよい。
【００７４】
第１面１Ａを平面視したときの複数の部分の平面形状は、矩形状に限られるものでは無く、例えば円形状、または頂点数が３以上の多角形状であってもよい。
【００７５】
図５に示されているパワー半導体装置１０４は、焼結金属層５の複数の部分の各外周端部が電極２の外周端部よりも電極２において内側に位置する領域と接合されているが、これに限られるものではない。焼結金属層５の複数の部分のうち最も外側に位置する部分の外周端部の一部は電極２の外周端部と重なるように形成されていてもよい。
【００７６】
実施の形態８．
次に、図６を参照して、実施の形態８に係るパワー半導体装置１０５について説明する。実施の形態８に係るパワー半導体装置１０５は、基本的に実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の構成を備えるが、応力緩和部６（第１応力緩和部）が第１接合部と接続されている第２面６Ａと、第２面６Ａの反対側に位置し第２接合部と接続されている第３面６Ｂとを有し、第３面６Ｂの面積は第２面６Ａの面積よりも大きい点で異なる。
【００７７】
第１接合部は例えば焼結金属層５である。第２接合部は例えばはんだ層７である。第２面６Ａは、焼結金属層５を介して電極２と接続されている。第３面６Ｂは、はんだ層７を介してバスバー８と接続されている。
【００７８】
第２面６Ａの面積は第３面６Ｂの面積よりも小さい。つまり、応力緩和部６においてはんだ層７と接合されている面の全体（第３面６Ｂ）の面積は、応力緩和部６において焼結金属層５と接合されている面の全体（第２面６Ａ）の面積よりも大きい。
【００７９】
本発明者らは、鋭意研究の結果、応力緩和部６の第３面６Ｂの面積を第２面６Ａの面積よりも大きくすることにより、第２接合部の熱疲労寿命（熱疲労耐久性）を向上することができることを見出した。本発明者らは、第２接合部が熱疲労により破壊されるときの破壊モードとして、第１面１Ａを平面視したときの第２接合部の外周端部から第１面１Ａに沿った方向に延びるクラックによる破壊モードが支配的であることを確認した。そのため、第３面６Ｂの面積が大きいほど、第２接合部に生じた当該クラックが第２接合部の熱疲労寿命低下を引き起こす程度にまで進展するのに要する時間は長くなる。その結果、パワー半導体装置１０５は、パワー半導体装置１００と比べて、第２接合部の熱疲労寿命を向上することができるため、高い信頼性を有している。
【００８０】
実施の形態９．
次に、図７および図８を参照して、実施の形態９に係るパワー半導体装置１０６について説明する。パワー半導体装置１０６は、本的に実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の構成を備えるが、第１面１Ａを平面視したときに、焼結金属層５の外周端部は、電極２の外周端部よりも電極２において内側に位置する領域と接合されている点で異なる。なお、図８は、パワー半導体装置１０６において第１接合部よりもパワー半導体素子１側に位置する部材のみを示す平面図である。
【００８１】
このようにすれば、パワー半導体素子１の高温動作時においても、パワー半導体素子１とバスバー８との熱膨張率係数の差に起因して生じる応力が電極２の上記外周端部に集中することを防止することができる。そのため、電極２の上記外周端部において剥離、クラックなどの損傷の発生を抑制することができる。
【００８２】
電極２の外周端部と焼結金属層５（第１接合部）の外周端部との間の設計上の距離は、焼結金属層５となるべき上記混練物が電極２上に塗布（例えば印刷）される際の位置合わせ精度に応じて決定され得る。例えば、この位置合わせ精度が±５０μｍである場合、電極２の外周端部と焼結金属層５（第１接合部）の外周端部との間の設計上の距離は１００μｍであるのが好ましい。電極２と焼結金属層５との接合面積の低下に伴う電気抵抗の増加または過電流破壊などの異常の発生を抑制する観点から、電極２の外周端部と焼結金属層５（第１接合部）の外周端部との間の設計上の距離の上限値が決定され得る。この場合、パワー半導体装置１０６において電極２と焼結金属層５の外周端部との間の実際の距離は、５０μｍ以上１５０μｍ以下となる。
【００８３】
なお、図５に示されている実施の形態７に係るパワー半導体装置１０４は、焼結金属層５の複数の部分の各外周端部が電極２の外周端部よりも電極２において内側に位置する領域と接合されている。
【００８４】
実施の形態１０．
次に、図９を参照して、実施の形態１０に係るパワー半導体装置１０７について説明する。パワー半導体装置１０７は、基本的に実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の構成を備えるが、バスバー８において第２接合部と接する領域の少なくとも一部の厚みが他の領域の厚みよりも薄く設けられている点で異なる。
【００８５】
バスバー８は、薄肉領域８Ａと厚肉領域８Ｂとを有している。薄肉領域８Ａは、バスバー８において第２接合部としてのはんだ層７と接する領域の少なくとも一部である。好ましくは、薄肉領域８Ａはバスバー８においてはんだ層７と接する領域内にのみ設けられている。より好ましくは、第１面１Ａを平面視したときに、薄肉領域８Ａの外形ははんだ層７の外形と一致するように設けられている。薄肉領域８Ａの厚みは、厚肉領域８Ｂの厚み未満であり、好ましくは、薄肉化に起因した電気抵抗の増加または機械的強度の低下に伴う異常の発生を抑制し得る厚み以上に設定される。厚肉領域８Ｂの厚みは、例えば上述した実施の形態１〜９に係る各半導体装置１００〜１０６のバスバー８の厚みと同程度である。
【００８６】
上記薄肉領域８Ａは、例えばバスバー８の延在方向において複数の上記厚肉領域８Ｂに挟まれるように配置されている。上記薄肉領域８Ａは、例えば第１面１Ａに沿った方向であってバスバー８の延在方向と交差する方向（図９の紙面に垂直な方向）において、バスバー８の両端部間に延びるように設けられている。
【００８７】
薄肉領域８Ａおよび厚肉領域８Ｂを有するバスバー８には、例えば応力緩和部６とは反対側を向いて配置される面に対して凹んでいる凹部８Ｃが設けられている。凹部８Ｃの底面は、例えばバスバー８の応力緩和部６側を向いて配置される面と平行に設けられている。凹部８Ｃの側壁面は、例えば凹部８Ｃの底面と、厚肉領域８Ｂの応力緩和部６とは反対側を向いて配置される面との間を接続するように設けられている。凹部８Ｃの側壁面は、厚肉領域８Ｂの応力緩和部６とは反対側を向いて配置される面に対し鈍角を成すように、テーパー状に設けられている。この場合、薄肉領域８Ａは、凹部８Ｃの底面を有している部分と、凹部８Ｃの側壁面を有している部分とからなる。薄肉領域８Ａの凹部８Ｃの底面を有している部分の厚みは、一定である。薄肉領域８Ａの凹部８Ｃの側壁面を有している部分の厚みは、厚肉領域８Ｂから凹部８Ｃの底面側に向かうにつれて徐々に薄くなるように設けられている。
【００８８】
第２接合部としてのはんだ層７を構成する材料は、例えばアンチモン（Ｓｂ）を５％以上１０％以下含むＳｎ−Ｃｕ系はんだである。
【００８９】
このように、上記パワー半導体装置１０７ではバスバー８が薄肉領域８Ａと厚肉領域８Ｂとを有し、かつ薄肉領域８Ａがはんだ層７と接合されている。そのため、上記パワー半導体装置１０７は、バスバー８の全体が厚肉領域８Ｂと同程度に厚く設けられている場合と比べて、はんだ層７に印加される熱応力を低減することができ、はんだ層７の熱疲労寿命（熱疲労耐久性）を向上させることができる。また、上記パワー半導体装置１０７は、バスバー８の全体が薄肉領域８Ａと同程度に薄く設けられている場合と比べて、バスバー８の許容電流値を増すことができる。
【００９０】
パワー半導体装置１０７において、バスバー８は、図９に示される構成に限られるものではなく、例えば以下のように構成されていてもよい。図１０に示されるように、バスバー８は、凹部８Ｃの側壁面が厚肉領域８Ｂの応力緩和部６とは反対側を向いて配置される面に直交するように、設けられていてもよい。また、図１０に示されるように、薄肉領域８Ａに加えて、厚肉領域８Ｂにおいて薄肉領域８Ａ側に位置する一部も、はんだ層７と接合されていてもよい。
【００９１】
図１１に示されるように、バスバー８には、凹部８Ｃの底面に対して凹んでいる凹部８Ｄがさらに設けられていてもよい。凹部８Ｄの側壁面は、例えば凹部８Ｃの底面に直交するように設けられていてる。なお、凹部８Ｄの側壁面は、例えば凹部８Ｃの底面に対し鈍角を成すように、テーパー状に設けられていてもよい。バスバー８は、２以上の任意の数の凹部により構成された階段形状を有していてもよい。
【００９２】
図１２および図１３に示されるように、上記薄肉領域８Ａは、バスバー８の延在方向における一端に設けられていてもよい。上記厚肉領域８Ｂは、バスバー８の延在方向において、上記薄肉領域８Ａに対して一方の側にのみ設けられていてもよい。図１３に示されるように、バスバー８の延在方向において、バスバー８の一端を構成している薄肉領域８Ａの一端から、厚肉領域８Ｂと接する上記薄肉領域８Ａの他端まで、薄肉領域８Ａの厚みが徐々に厚くなるように設けられていてもよい。また、図１３に示されるように、薄肉領域８Ａにおいて相対的に厚みが薄い部分のみがはんだ層７と接合されていてもよい。
【００９３】
また、図９〜図１３に示されるパワー半導体装置１０７では、薄肉領域８Ａおよび厚肉領域８Ｂの各々の応力緩和部６側を向いて配置される面が同一平面を成すように設けられているが、これに限られるものではない。パワー半導体装置１０７は、例えば図９〜図１３に示される各バスバー８が上下反転された構成を有していてもよい。例えば図１４に示されるように、バスバー８には応力緩和部６側を向いて配置される面に対して凹んでいる凹部８Ｅが設けられていてもよい。この場合、凹部８Ｅの底面のみがはんだ層７と接合されていてもよいし、凹部８Ｅの底面および側壁面がはんだ層７と接合されていてもよい。
【００９４】
また、パワー半導体装置１０７は、例えば図９〜図１３に示されるバスバー８のいずれかと、図９〜図１３に示されるバスバー８のいずれかが上下反転された構成とが組み合わせされた構成を有していてもよい。例えば図１５に示されるように、第１面１Ａを平面視したときに、上記凹部８Ｃと上記凹部８Ｅとが重なるように設けられていてもよい。薄肉領域８Ａは、例えば上記凹部８Ｃの底面および側壁面と、上記凹部８Ｅの底面および側壁面との間に配置されている。
【００９５】
図９〜図１５に示されるバスバー８は、バスバー８となるべき板状部材において、薄肉領域８Ａとなるべき部分にプレス、エッチング、または切削等の任意の加工を施すことにより形成され得る。
【００９６】
図１０〜図１５に示される各パワー半導体装置１０７も、基本的に図９に示されるパワー半導体装置１０７と同様の構成を備えるため、図９に示されるパワー半導体装置１０７と同様の効果を奏することができる。
【００９７】
また、図９〜図１５に示される上記薄肉領域８Ａは、第１面１Ａに沿った方向であってバスバー８の延在方向と交差する方向（図９〜１５の紙面に垂直な方向）において、バスバー８の両端部間に延びるように設けられているが、これに限られるものではない。上記交差する方向においてバスバー８の一部のみがはんだ層７に接するように設けられている場合には、上記交差する方向においてバスバー８の一部のみが薄肉領域８Ａとして構成されていればよい。バスバー８においてはんだ層７に接する領域が上記交差する方向においてバスバー８の両端部よりも内側に配置されている場合、厚肉領域８Ｂは、例えば薄肉領域８Ａの周囲を囲むように設けられている。このようなパワー半導体装置１０７も、基本的に図９に示されるパワー半導体装置１０７と同様の構成を備えるため、図９に示されるパワー半導体装置１０７と同様の効果を奏することができる。
【００９８】
また、図１６に示されるように、パワー半導体装置１０７は、実施の形態５に係るパワー半導体装置１０２と同様に、応力緩和部６（第１応力緩和部）の他に第２応力緩和部１０をさらに備えていてもよい。薄肉領域８Ａは、バスバー８において第３接合部としてのはんだ層１１と接する領域の少なくとも一部である。このようなパワー半導体装置１０７も、上記パワー半導体装置１０７と同様の効果を奏することができる。
【００９９】
実施の形態１１．
次に、実施の形態１１に係るパワー半導体装置について説明する。実施の形態１１に係るパワー半導体装置は、基本的に実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の構成を備えるが、第２接合部がはんだ層に代えて焼結金属と樹脂とからなるコンポジット層である点で異なる。
【０１００】
コンポジット層を構成する材料は、焼結金属および樹脂である。コンポジット層を構成する材料は、例えば、銀（Ａｇ）およびＣｕの少なくともいずかと、エポキシ樹脂とを含む。異なる観点から言えば、コンポジット層は、樹脂を含む点で焼結金属層５と異なる。上述のように、焼結金属層５は、金属粉末が樹脂中に分散されたペースト状の混練物を加熱および加圧して得られた焼結層である。これに対し、コンポジット層は、金属粉末が樹脂中に分散されたペースト状の混練物を加熱して得られた焼結金属と樹脂の複合層である。コンポジット層は、上記ペースト状の混練物が無加圧で焼結されることにより、形成され得る。コンポジット層の焼結密度は、焼結金属層５の焼結密度と比べて低い。コンポジット層中において、焼結金属間の空間（隙間）には樹脂が充填されている。そのため、コンポジット層の空隙率は、焼結金属層５の空隙率と比べて少ない。
【０１０１】
実施の形態１１に係るパワー半導体装置においても、パワー半導体装置１００と同様に、パワー半導体素子１の温度が１７５℃以上２３０℃以下の温度域（第１温度域）のうちの１点の温度であるときに、焼結金属層５の硬度、せん断強度、および降伏強度は、はんだ層７の硬度、せん断強度、および降伏強度よりも高い。その結果、実施の形態１１に係るパワー半導体装置は、実施の形態１に係るパワー半導体装置１００と同様の効果を奏することができる。
【０１０２】
実施の形態１〜１１に係るパワー半導体装置１００〜１０７では、パワー半導体素子１の一例としてＩＧＢＴを挙げているが、これに限られるものではない。また、パワー半導体素子１の半導体材料は、特に制限されるものではない。一方で、パワー半導体装置１００〜１０７では、パワー半導体素子１の半導体材料の硬度が高いほど、パワー半導体素子１の電極２と応力緩和部６との接合部に印加される熱応力は大きくなる。そのため、パワー半導体装置１００〜１０７は、Ｓｉと比べて高硬度である炭化珪素（ＳｉＣ）を半導体材料とするパワー半導体素子を備えるパワー半導体装置に、特に好適である。
【０１０３】
上述のように、実施の形態１〜１１に係るパワー半導体装置１００〜１０７の応力緩和部６は、クラッド材として構成され得る。図１７は、このような応力緩和部６を示す部分断面図である。図１７に示されるように、応力緩和部６は、例えばインバー６２（第２層）と、インバー６２の一方の側に形成されている第１Ｃｕ層６１（第１層）と、第１Ｃｕ層６１とインバー６２を挟むように形成されている第２Ｃｕ層６３（第３層）とからなる積層体として構成されていてもよい。
【０１０４】
また、実施の形態１〜１１に係るパワー半導体装置１００〜１０７は絶縁基板３を備えているが、これに限られるものでは無い。パワー半導体装置１００〜１０７は、少なくともパワー半導体素子１、パワー半導体素子１の電極２と第１接合部を介して接続されている応力緩和部６（第１応力緩和部）、および応力緩和部６と第２接合部を介して接続されているバスバー８（配線部）を備えていればよい。
【０１０５】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、上述の各実施の形態の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。例えば実施の形態５〜１０の各構成は、実施の形態１のみならず、実施の形態２〜４および１１のいずれかの構成と組み合され得る。本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明は、電気自動車・ハイブリッド車向けインバータや鉄道車両用インバータ等のパワーエレクトロニクス機器に使用されるパワー半導体装置に特に有利に適用される。
【符号の説明】
【０１０７】
１  パワー半導体素子、１Ａ  第１面、２  電極、３  絶縁基板、４  ダイボンド材、５  焼結金属層（第１接合部）、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ  部分、６  応力緩和部（第１応力緩和部）、７  はんだ層（第２接合部）、８  バスバー（配線部）、８Ａ  薄肉領域、８Ｂ  厚肉領域、８Ｃ，８Ｄ，８Ｅ  凹部、９  界面（第１接合部）、１０  第２応力緩和部、１１  はんだ層（第３接合部）、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７  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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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