(57)【要約】      （修正有）【課題】取出しピンと配線基板との接続を簡便に行うことができ、かつ接続部の信頼性が高い半導体モジュール及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体モジュール１０において、パワー半導体素子１を実装し、パワー半導体素子に電気的に接続された積層基板２と、パワー半導体素子及び積層基板のいずれかに電気的に接続された取出しピン４と、取出しピンに接合されて電気的に接続された外部端子バスバー７（配線基板）と、を備えている。取出しピンは、プレスフィット部を有する。外部端子バスバーは、取出しピンのプレスフィット部が接合された孔部を有し、取出しピンのプレスフィット部及び外部端子バスバーの孔部の母材は銅（Ｃｕ）であり、プレスフィット部及び配線基板の孔部の母材間の接合部はＣｕＳｎＮｉ合金層を含んでいる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を実装し、前記半導体素子に電気的に接続された積層基板と、
前記半導体素子及び前記積層基板のいずれかに電気的に接続された取出しピンと、
前記取出しピンに接合されて電気的に接続された配線基板と、を備え、
前記取出しピンはプレスフィット部を有し、前記配線基板は前記取出しピンの前記プレスフィット部が接合された孔部を有し、前記取出しピンの前記プレスフィット部及び前記配線基板の前記孔部の母材は銅（Ｃｕ）であり、前記プレスフィット部及び前記配線基板の前記孔部の前記母材間の接合部はＣｕＳｎＮｉ合金層を含む、半導体モジュール。
【請求項２】
前記取出しピンは、前記積層基板に立設された外部端子ピンであり、
前記配線基板は、前記外部端子ピンに接合され電気的に接続された外部端子バスバーである、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記取出しピンは、前記半導体素子に立設されたインプラントピンであり、
前記配線基板は、前記インプラントピンに接合され電気的に接続された配線回路基板である、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
少なくとも、前記積層基板及び前記半導体素子と、前記外部端子ピンの一部とを埋設する第１の封止部をさらに有し、
前記外部端子バスバーは、前記第１の封止部から突出した前記外部端子ピンに接合され電気的に接続されている、請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記プレスフィット部及び前記配線基板の接合部を封止する封止部を有する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記接合部におけるＳｎ相の割合が０％から５０％の範囲内である、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
半導体素子を積層基板に実装する工程と、
前記半導体素子及び前記積層基板のいずれかに電気的に接続された取出しピンを立設する工程と、
配線基板を前記取出しピンに接合し、電気的に接続する工程と、を有し、
前記取出しピンはプレスフィット部を有し、前記配線基板は前記取出しピンの前記プレスフィット部が接合された孔部を有し、前記取出しピンの前記プレスフィット部及び前記配線基板の前記孔部の母材は銅（Ｃｕ）であり、前記プレスフィット部及び前記配線基板の前記孔部の前記母材間の接合部はＣｕＳｎＮｉ合金層を含む、半導体モジュールの製造方法。
【請求項８】
前記取出しピンは、前記積層基板に立設された外部端子ピンであり、
前記配線基板は、前記外部端子ピンに接合され電気的に接続された外部端子バスバーである、請求項７に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項９】
前記取出しピンは、前記半導体素子に立設されたインプラントピンであり、
前記配線基板は、前記インプラントピンに接合され電気的に接続された配線回路基板である、請求項７に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１０】
少なくとも、前記積層基板及び前記半導体素子と、前記外部端子ピンの一部とを埋設する第１の封止部を設ける工程をさらに有し、
前記外部端子バスバーは、前記第１の封止部から突出した前記外部端子ピンに接合され電気的に接続されている、請求項８に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１１】
前記プレスフィット部及び前記配線基板の接合部を封止する封止工程を有する、請求項７ないし１０のいずれか一項に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１２】
前記接合部におけるＳｎ相の割合が０％から５０％の範囲内である、請求項７ないし１１のいずれか一項に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１３】
前記配線基板を前記取出しピンに接合する工程の前における、前記取出しピンの表面の層構造がＣｕ／Ｓｎ／（Ｎｉ又はＮｉ合金）であり、前記配線基板の前記孔部の表面の層構造がＣｕ／Ｓｎ／（Ｎｉ又はＮｉ合金）である、請求項７ないし１２のいずれか一項に記載の半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュール及びその製造方法、特に、パワー半導体モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体モジュールは，効率的な電力変換を求められる分野で広く適用されている。例えば、近年注目を浴びている太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー分野、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車載分野、車両などの鉄道分野が挙げられる。
【０００３】
これらパワー半導体モジュールには、スイッチング素子とダイオードが内蔵されており、パワー半導体素子にはＳｉ(シリコン)半導体や、ＳｉＣ(シリコンカーバード)半導体などのワイドバンドギャップ半導体が用いられる。ＳｉＣ半導体は、Ｓｉ半導体に比べ高耐圧、高耐熱、低損失といった特徴があり、パワー半導体モジュールに用いることにより、装置の小型化や低損失化が可能となる。その際に、パワー半導体素子は、耐湿性、耐熱性、機械特性に優れたエポキシ樹脂を含む封止材で封止され、絶縁性、形状が担保できるため、ケースレス及び／又はベースレス構造とすることができる。
【０００４】
ケースレス・ベースレス構造の場合、定格電流の大容量化でモジュールサイズが大きくなると、封止材による応力の問題や、内部樹脂未充填（ボイドなど）による絶縁性能低下の問題があり大容量化が難しいという問題があった。
【０００５】
また、モジュールサイズを小さくし、モジュールあたりの電流容量を小さくしたユニットとし、複数ユニットをバスバーなどで接続することで大容量化は可能となるが、パワー半導体モジュールの高耐圧化には、絶縁距離を長くしなければならず、モジュール全体の小型化が難しいという問題があった。
【０００６】
上記問題を解決するために、ベースに封止材で封止された半導体ユニットを並べ、半導体ユニット上面に凹部形状を形成し、ユニットの外部端子ピンと外部端子バスバーを接合し、接合部を樹脂で埋めることが提案されている（特許文献１）。接合方法として、はんだ接合、レーザー溶接等が提案されているが、凹部形状内で接合するには、はんだごてを入れにくい、レーザー光が入りにくいなどの課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−４９５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、取出しピンと配線基板との接続を簡便に行うことができ、かつ接続部の信頼性が高い半導体モジュール及びその製造方法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】
本発明の一実施形態の半導体モジュールは、
半導体素子を実装し、半導体素子に電気的に接続された積層基板と、
半導体素子及び積層基板のいずれかに電気的に接続された取出しピンと、
取出しピンに接合されて電気的に接続された配線基板と、を備え、
取出しピンはプレスフィット部を有し、配線基板は取出しピンのプレスフィット部が接合された孔部を有し、取出しピンのプレスフィット部及び配線基板の孔部の母材は銅（Ｃｕ）であり、プレスフィット部及び配線基板の孔部の母材間の接合部はＣｕＳｎＮｉ合金層を含んでいる。
【００１０】
本発明の他の実施形態の製造方法は、
半導体素子を積層基板に実装する工程と、
半導体素子及び積層基板のいずれかに電気的に接続された取出しピンを立設する工程と、
配線基板を取出しピンに接合し、電気的に接続する工程と、を有し、
取出しピンはプレスフィット部を有し、配線基板は取出しピンのプレスフィット部が接合された孔部を有し、取出しピンのプレスフィット部及び配線基板の孔部の母材は銅（Ｃｕ）であり、プレスフィット部及び配線基板の孔部の母材間の接合部はＣｕＳｎＮｉ合金層を含んでいる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るパワー半導体モジュールによれば、取出しピンと配線基板との接続を簡便に行うことができ、かつ接続部の信頼性が高い半導体モジュール及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュール１０の断面構造を示す概念図である。
【図２Ａ】プレスフィット構造の外部端子ピン４及び外部端子バスバー７の接合部を拡大して示す部分拡大断面図である。
【図２Ｂ】プレスフィット構造の外部端子ピン４及び外部端子バスバー７の接合部を拡大して示す部分拡大断面図である。
【図２Ｃ】プレスフィット構造のインプラントピン５及びプリント基板６の接合部を拡大して示す部分拡大断面図である。
【図２Ｄ】プレスフィット構造のインプラントピン５及びプリント基板６の接合部を拡大して示す部分拡大断面図である。
【図３】図３は、プレスフィット４Ａの表面のめっき構造を模式的に示す断面図である。
【図４】プレスフィット４Ａが外部端子バスバー７の孔部７Ａに圧入され、接合される前のそれぞれの表面部の構造を模式的に示す断面図である。
【図５】プレスフィット４Ａと外部端子バスバー７の孔部７Ａとの熱処理後の接合界面を模式的に示す断面図である。
【図６】第１封止部８の表面（上面）が凹部形状を有するパワー半導体モジュール１０の断面構造を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。これらを適宜改変し、組合せて適用することができる。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュール１０の断面構造を示す概念図である。図１に示すように、パワー半導体素子１は、はんだ等の第１接合層３を介して、積層基板２上に実装されている。
【００１５】
パワー半導体素子１の上面には、はんだ等の接合層（図示無し）を介して、インプラントピン５を備えたインプラント方式プリント基板（配線回路基板）６が取り付けられている。積層基板２上面には、はんだ等の接合層（図示無し）を介して、外部端子ピン４が立設されている。
【００１６】
積層基板２、パワー半導体素子１、インプラントピン５、及びプリント基板６は全体が第１封止材からなる第１封止部８に埋設されている。外部端子ピン４は、第１封止部８に埋設されているが、その一部（上部）が第１封止部８から突出している。
【００１７】
外部端子ピン４は、外部端子バスバー７と接合されている。外部端子バスバー７は、複数のユニット（パワー半導体モジュール）を有する場合はそれらと電気的に接続し、インバータなどの外部の装置と接続される。積層基板２は、ベース１１とはんだ等の第２接合層１１Ａを介して接合されている。ケース・フタ１２は、ケース１２Ａ及びフタ１２Ｂからなり、ケース１２Ａは接着剤等（図示無し）を介してベース１１上に実装される。ベース１１及びケース・フタ１２内に、外部端子ピン４と外部端子バスバー７の接合部を覆うように第２封止材からなる第２封止部９が設けられる。なお、ベース１１の代わりに冷却器に直接実装されてもよい。
【００１８】
なお、本明細書において、上面、下面とは、説明の目的で、図中の上下を指す相対的な用語であって、パワー半導体モジュールの使用態様等との関係で上下を限定するものではない。また、前記プリント基板および前記外部端子バスバーは配線基板の一例であり、配線基板とも称する。
【００１９】
パワー半導体素子１は、ＩＧＢＴあるいはダイオードチップ等のパワーチップであり、種々のＳｉデバイス、ＳｉＣデバイス、ＧａＮデバイスなどを用いることができる。また、これらのデバイスを組み合わせて用いても良い。例えば、Ｓｉ−ＩＧＢＴとＳｉＣ−ＳＢＤを用いたハイブリッドモジュールなどを用いることができる。パワー半導体素子１の搭載数は、図示する形態に限定されるものではなく、複数搭載することもできる。
【００２０】
積層基板２は、絶縁基板２２とその一方の面（下面又は底面）に形成される第２導電性板２１と、他方の面に形成される第１導電性板２３とから構成される。絶縁基板２２としては、電気絶縁性、熱伝導性に優れた材料を用いることができる。絶縁基板２２の材料としては、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＳｉＮ、熱伝導性に優れた樹脂などが挙げられる。特に高耐圧用途では、電気絶縁性と熱伝導率を両立した材料が好ましく、ＡｌＮ、ＳｉＮを用いることができるが、これらには限定されない。
【００２１】
第２導電性板２１、第１導電性板２３としては、加工性の優れているＣｕ、Ａｌなどの金属材料を用いることができる。また、防錆などの目的で、Ｎｉメッキなどの処理を行ったＣｕ、Ａｌであっても良い。絶縁基板２２上に導電性板２１、２３を配設する方法としては、直接接合法（Direct Copper Bonding法）もしくは、ろう材接合法（Active Metal Brazing法）が挙げられる。
【００２２】
第１接合層３は、鉛フリーはんだを用いて形成することができる。例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系、Ｓｎ−Ａｇ系などを用いることができるが、これらには限定されない。なお、パワー半導体素子と第１導電性板２３は、第１接合層３を介して、加熱処理（リフロー）して、接合される。
【００２３】
プリント基板６としては、ポリイミドフィルム基板やエポキシフィルム基板にＣｕ、Ａｌなどの導電層が形成されているものを用いることができる。インプラントピン５としては、銅（Ｃｕ）を用いた銅ピンを用いることができる。プリント基板６の導電層も、インプラントピン５も、ＣｕやＡｌに、防錆などの目的でＮｉめっきなどの処理を施したものであってもよい。もしくは、接合の目的でＳｎめっきなどの処理を施したものであってもよい。後述するように、パワー半導体素子１を第１接合層３によって積層基板２に接合した後（リフロー後）、インプラントピン５は半導体素子上面に接合される。その後、インプラントピン５とプリント基板６は接合される。
【００２４】
このプリント基板６とインプラントピン５は、複数のパワー半導体素子１が設けられる場合にはパワー半導体素子１同士、もしくは、パワー半導体素子１と積層基板２の間を電気的に接続する。インプラントピン５と積層基板２もしくはパワー半導体素子１とは、上述の第１接合層３により接合することができる。
【００２５】
積層基板２上から、上述のはんだ第１接合層３により接合した外部端子ピン４を第１封止部８の外部にまで引き出すことにより、外部接続端子とすることができる。
【００２６】
第１封止部８は、エポキシ樹脂主剤と、硬化剤とを含み、任意選択的に無機充填材やその他の添加剤を含んでもよいエポキシ樹脂組成物により形成することができる。エポキシ樹脂主剤としては、脂肪族エポキシ、または脂環式エポキシを用いることができる。または、マレイミド樹脂、シアネート樹脂を用いることができ、エポキシ樹脂と含め二種類以上混合して用いてもよい。
【００２７】
第１封止部８で封止されたパワー半導体ユニット１５は、第２接合層１１Ａを介して、ベース１１上に実装される。なお、本実施形態では、第１封止部８で封止された部分をパワー半導体ユニット（又は単に、半導体ユニット）１５と称する（図中、破線で示している）。
【００２８】
第２接合層１１Ａは、熱伝導性や接着性に優れていればよく、はんだ、シート状接着材等で接合することができる。
【００２９】
さらに本実施形態では、後述するように、第２封止部でケース内を充填するため、半導体ユニット１５上面に凹部形状を形成する必要がなくフラット形状とすることができる。複雑な形状の場合、金型のコストアップにつながってしまうが、フラット形状の場合、安価に金型を作成することができる。
【００３０】
ケース・フタ１２は、絶縁性に優れた樹脂等で形成されていればよく、例えばＰＰＳ等がよく用いられる。
【００３１】
取出しピンの一例として外部端子ピン４を、配線基板の一例として外部端子バスバー７について以下に説明する。具体的には、第１封止部８の外部まで引き出された外部端子ピン４と外部端子バスバー７との接続について以下に詳細に説明する。
【００３２】
まず第１の様態を説明する。本発明では、外部端子ピン４としてプレスフィット構造のピンを用いている。なお、プレスフィット構造とは、端子のプレスフィット部分を基板の孔部（スルーホール）に嵌めこむことによって、端子のプレスフィット部に生じる復元力で端子が基板に電気的に接続する構造である。図２Ａ及び図２Ｂはそれぞれ、プレスフィット構造の外部端子ピン４及び外部端子バスバー７の接合部を拡大して示す部分拡大断面図である。なお、図２Ａは外部端子バスバー７に垂直な断面を示し、図２Ｂは外部端子バスバー７に平行な断面を示している。
【００３３】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、外部端子バスバー７は孔部７Ａを有している。外部端子バスバー７は板状で、表面と裏面を有する。なお、外部端子バスバー７の表面及び裏面は、板の一方の面及び他方の面を意味する相対的な用語であるが、例えば、外部端子ピン４（プレスフィット部）が外部端子バスバー７の孔部に挿入される側の面を裏面（図２Ａの下側の面）としたとき、プレスフィット部が孔部から突き出る側の面が表面（図２Ａの上側の面）である。
【００３４】
また、外部端子ピン４はプレスフィット部（以下、単にプレスフィットともいう。）４Ａを有している。プレスフィット４Ａは孔部７Ａに挿入され、プレスフィット４Ａと外部端子バスバー７とが接合されている。
【００３５】
外部端子ピン４のプレスフィット４Ａの形状は特に限定されず、外部端子バスバー７の孔部７Ａに挿入し、接合できればよい。プレスフィット４Ａは、弾性（ばね性）のある、いわゆるコンプライアントタイプのものが好ましい。
【００３６】
なお、本発明は、外部端子ピン４が取出しピンであり、外部端子バスバー７が配線基板である場合に限定されるものではない。取出しピンの他の例としてのインプラントピン５と配線基板の他の例としてのプリント基板６との接続及び接合についても同様に適用することができる。
【００３７】
より具体的には、図２Ｃ及び図２Ｄは、取出しピンの当該他の例としてのインプラントピン５と、配線基板の当該他の例としてのプリント基板６の接合部を拡大して示す部分拡大断面図である。図２Ｃはプリント基板６に垂直な断面を示し、図２Ｄはプリント基板６に平行な断面を示している。
【００３８】
図２Ｃ及び図２Ｄに示すように、インプラントピン５はその一端に、プリント基板６に接続されるプレスフィット５Ａを有し、プリント基板６に設けられた孔部６Ａに圧入され、接合されてもよい。この場合、インプラントピン５の他端がパワー半導体素子１に接続され、立設される。
【００３９】
以下においては、外部端子ピン４を取出しピンの一例として、外部端子バスバー７を配線基板の一例として適用した場合について詳細に説明する。
（プレスフィット部）
外部端子ピン４及び外部端子バスバー７の材質は特に限定されないが、導電性の優れているＣｕなどの金属材料を用いることができる。また、外部端子ピン４と外部端子バスバー７との接合部の信頼性を高くするために、プレスフィット４Ａ及び外部端子バスバー７の孔部７Ａにはめっき処理がなされている。具体的には、孔部７Ａの内面にめっき膜が形成され、孔部７Ａの周囲で、外部端子バスバー７の表面及び裏面側の所定の領域（配線）にも形成されていてもよい。
【００４０】
図３は、プレスフィット４Ａの表面のめっき構造を模式的に示す断面図である。プレスフィット４Ａは母材をＣｕとし、プレスフィット４Ａの母材（Ｃｕ）上にＳｎ層、Ｓｎ上にＮｉ又はＮｉ合金層がめっきされている（図３の左側に示す）。すなわち、表面側からＮｉ又はＮｉ合金層（表面層）、Ｓｎ層（中間層）、Ｃｕ（母材）の構成を有している（Ｃｕ／Ｓｎ／（Ｎｉ又はＮｉ合金）のように表記する）。
【００４１】
上記母材は、Ｃｕ又はＣｕを主成分とするＣｕ合金でもよい。なお、主成分とはＣｕが９０％以上である。
【００４２】
上記Ｓｎ層（中間層）はＳｎを主成分とし、具体的にはＳｎが９０％以上含まれることが好ましい。Ｓｎは融点が２３２℃と比較的低く、融点温度付近でＣｕやＮｉと合金を形成するので、ＣｕやＮｉと接合することができる。その為、接合材の機能を有する。Ｓｎ層の膜厚は、０．５μｍから１０μｍが好ましく、より好ましくは１から４μｍである。この範囲であれば、後述する金属間化合物を生成しやすく、形状が複雑なプレスフィットに均一な層を形成するには、電界めっきや無電解めっきなどのめっき法が好ましい。
【００４３】
表面層は母材のＣｕやＳｎ層の酸化を防止し、外傷から保護する保護層としての役目を有し、Ｎｉ又はＮｉＰ、ＮｉＢなどＮｉ合金が用いられる。形状が複雑なプレスフィットに均一な保護層を形成するには、Ｓｎ層と同様に電界めっきや無電解めっきなどのめっき法が好ましい。ＮｉＰやＮｉＢなどのＮｉ合金めっき膜は自己潤滑性を有し、摩耗に強いためより好ましい。
【００４４】
表面層のＮｉ又はＮｉ合金の厚さは０．１から１μｍの範囲が好ましく、０．１〜０．５μｍの範囲内であることがより好ましい。この範囲であれば、後述するリフローで多くがＳｎ層中に拡散し、金属間化合物を形成することができる。また、表面層は、ＮｉＰ層の場合は、３〜１２ｗｔ％の範囲内のＰを含むことが好ましく、さらに３から７ｗｔ％の低リン濃度が好ましい。このような低リン濃度のＮｉＰ層を用いることにより、リフローによる接合によってリン・リッチ層が形成され難いので、界面での剥離が生じ難くなる。ＮｉＢの場合もＢ濃度は１〜６ｗｔ％が好ましく、Ｓｎとの結合性から１〜４ｗｔ％がさらに好ましい。以降、Ｎｉ合金はＮｉＰについて記すが、ＮｉＢについても同様の反応を示す。例えば、ＮｉＰとＳｎとＣｕが反応しＣｕＳｎＮｉＰ合金相が形成されるが、ＮｉＢの場合は、ＣｕＳｎＮｉＢ合金相が形成される。
【００４５】
なお、本明細書においては、ＣｕＳｎＮｉ合金相、及び、さらにＰ又はＢを含むＣｕＳｎＮｉＰ合金相又はＣｕＳｎＮｉＢ合金相などを含む層をＣｕＳｎＮｉ合金層と総称する。あるいは、ＣｕＳｎＮｉ合金相、及び、さらにＰ又はＢを含むＣｕＳｎＮｉＰ合金相又はＣｕＳｎＮｉＢ合金相などのドメインを含む層をＣｕＳｎＮｉ合金層と総称する。
（リフローによる反応）
母材（Ｃｕ）上にＳｎ層及びＮｉ又はＮｉ合金層（ＮｉＰ）が形成されたプレスフィット４Ａは、パワー半導体素子１を第１接合層３によって積層基板２に接合するときのリフロー（加熱）の際に、ＣｕとＮｉ又はＮｉ合金層（ＮｉＰ）との間にＳｎ相、ＣｕＳｎ合金相が形成され、更にＣｕＳｎＮｉ合金相及び／またはＣｕＳｎＮｉＰ合金相の反応層が形成されている（図３の右側に示す）。すなわち、母材側からＣｕ／（Ｓｎ、ＣｕＳｎ及びＣｕＳｎＮｉ及び／またはＣｕＳｎＮｉＰ）／（Ｎｉ又はＮｉ合金の構成を有している。なおリフローの温度は、２２０℃から４２０℃で、第１接合層３の材料によって適宜選択される。具体的には、上述のはんだ材の場合は２５０℃から４２０℃である。また、Ａｇ焼結材などは、２２０℃から３００℃である。
【００４６】
上述のように、これらの温度範囲で加熱されると、母材（Ｃｕ）とＳｎ層の界面付近において、母材のＣｕとＳｎ層のＳｎは、固溶し合金化し、Ｃｕ３ＳｎやＣｕ６Ｓｎ５などのＣｕ-Ｓｎ金属間化合物（Ｃｕ-Ｓｎ合金相）を形成する。
【００４７】
一方、Ｓｎ層（中間層）とＮｉ又はＮｉ合金層（表面層）においては、Ｎｉが拡散し、Ｎｉ-Ｓｎ金属間化合物（Ｎｉ-Ｓｎ合金相）とともに、ＮｉにＣｕが置換した、（Ｃｕ，Ｎｉ）３Ｓｎ、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５などのＮｉ-Ｃｕ-Ｓｎ金属間化合物（Ｎｉ-Ｃｕ-Ｓｎ合金相）が形成される。また、表面層がＮｉＰの場合は、一部のＰも上記金属間化合物に含有し、Ｎｉ-Ｃｕ-Ｓｎ-Ｐ金属間化合物（Ｎｉ-Ｃｕ-Ｓｎ-Ｐ合金相）も形成される。このように、上記金属間化合物が形成されると応力が加わってもクラックが進展しにくくなお、強度が向上する。なお、Ｎｉ又はＮｉ合金層（表面層）は、孔部に嵌合する際の耐摩耗性の点から、０．１〜０．２μｍ程度残っていることが好ましい。
【００４８】
従って、図３の右図のように、Ｓｎ層（中間層）には、Ｓｎ相とＣｕ-Ｓｎ合金相とＮｉ-Ｓｎ合金相とＮｉ-Ｃｕ-Ｓｎ合金相とＮｉ-Ｃｕ-Ｓｎ-Ｐ合金相が混在する層（反応層）が形成され、強い密着性を得ることができる。
【００４９】
そして、リフロー前のＳｎ層とＮｉ合金層の膜厚比（Ｎｉ/Ｓｎと表記する）が金属間化合物の生成に影響をあたえ、さらに密着性に影響を及ぼす。具体的には、Ｎｉ/Ｓｎは０．０１から1が好ましく、０．０２５から０．５がより好ましい。
【００５０】
なお、表面層がＮｉＰ層の場合は、上述の加熱処理がされると、ＮｉＰ層が低Ｐであっても、Ｓｎ層とＮｉＰ層の界面では、ＮｉがＳｎ層側に拡散し、相対的にＰの含有量の多い領域（リン・リッチ層）が形成されることがある。このリン・リッチ層は、脆い層であり、剥離などが生じやすい。しかし、Ｓｎ層とＮｉＰ層の膜厚比を上述の範囲とし、後述するように孔部７Ａに嵌めこんで加熱接合すると、ＮｉＰ層のＮｉ及びＰはＳｎ層（ＣｕＳｎ等）に拡散し、ＣｕＳｎＮｉ合金相、及び／又はＣｕＳｎＮｉＰ合金相を形成する。従って、図４に示すプレスフィット４ＡのＣｕＳｎ等とＮｉＰ層の間の界面にはリン・リッチ層は明瞭に形成されず、剥離などは生じない。
【００５１】
つまり、本発明の構造にすることにより、Ｓｎ層を酸化から保護し、金属間化合物を形成することで、強度及び密着性を向上することができる。また、リン・リッチ層の生成を抑制し剥離などを防止することができる。
（孔部の説明）
図４は、上記リフロー及び第１封止部８の形成後、プレスフィット４Ａが外部端子バスバー７の孔部７Ａに圧入され、接合される前のプレスフィット４Ａ及び外部端子バスバー７の孔部７Ａの表面部の構造を模式的に示す断面図である。なお、プレスフィット４Ａが接触する外部端子バスバー７の孔部７Ａの内壁表面は、表面側からＮｉ又はＮｉＰ（表面層）、Ｓｎ（中間層）、Ｃｕ（母材）の構成を有している。
【００５２】
孔部７Ａを形成する部分の母材は、Ｃｕ又はＣｕを主成分とするＣｕ合金であることが好ましい。なお、主成分とはＣｕが９０％以上である。プレスフィット４Ａの母材も孔部７Ａ部分の母材と同じ組成が好ましい。
【００５３】
孔部７Ａの内壁表面の中間層は、上述のプレスフィット４Ａの中間層と同じであることが好ましい。また、孔部７Ａの内壁表面の表面層は、上述のプレスフィット４Ａの表面層と同じ組成であることが好ましい。
（加熱接合後の構造）
図５は、プレスフィット４Ａと外部端子バスバー７の孔部７Ａに嵌合し、加熱接合（熱処理）後の接合界面を模式的に示す断面図である。図５に示すように、プレスフィット４Ａと外部端子バスバー７の孔部７Ａとの加熱接合（熱処理）によって、プレスフィット４Ａ及び外部端子バスバー７の母材（Ｃｕ）の間には、接合層として、Ｓｎ相、Ｎｉ又はＮｉＰ相、Ｃｕ-Ｓｎ合金相、Ｎｉ-Ｓｎ合金相、ＣｕＳｎＮｉ合金相、及び／又は、Ｐ（リン）を僅かに含む層であるＣｕＳｎＮｉＰ合金相（以下、ＣｕＳｎＮｉ（Ｐ）相と表記する。）が形成され、プレスフィット４Ａと外部端子バスバー７の孔部７Ａとが接合される。なお上記加熱接合は、２００℃から３００℃の範囲内の温度で、５分から３０分行なわれることが好ましい。なお、プレスフィット４Ａと外部端子バスバー７の孔部７Ａの各表面層のＮｉ又はＮｉ合金層の厚さとＳｎ中間層の厚さが上記の所定に割合であると、接続加熱後は、ほぼＳｎとの反応に消費される。そのため、接合層に残存しているＮｉ相又はＮｉＰ相の割合は５％以下である。
【００５４】
また、接合層のＳｎ相の割合は、０％から５０％が好ましい。この範囲とすることで、高い密着性を得ることができる。但し、接合層において、Ｓｎ相が０％から２０％未満である場合、つまり、ＮｉＰ相、Ｃｕ-Ｓｎ合金相、Ｎｉ-Ｓｎ合金相、ＣｕＳｎＮｉ合金相、及び／又は、Ｐ（リン）を僅かに含む層であるＣｕＳｎＮｉＰ合金相の合金相が主であると、剛性が高く、密着性は高いため、耐振動性や耐衝撃性は向上する。しかし、若干脆くなるため、僅かにき裂等が生じる可能性がある。その為、Ｓｎ相が２０％から５０％であることがより好ましい。この範囲であると、熱応力が生じてもき裂等は発生せず、信頼性の高いモジュールを実現することができる。
【００５５】
プレスフィット４Ａと外部端子バスバー７の孔部７ＡのＳｎ層とＮｉＰ層の膜厚比を上述の範囲とすることで、Ｓｎ相とそれ以外の合金相を上述の範囲とすることができる。
【００５６】
なお、前記Ｎｉ又はＮｉＰ相及びＳｎ相の割合は、断面ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像を画像処理し、Ｎｉ又はＮｉＰ相及びＳｎ相の面積割合を導出して得た。なお観察領域は、２０μｍ×２０μｍの大きさとした。
【００５７】
より具体的には、プレスフィット４Ａの表面層（ＮｉＰ層）及び孔部７Ａの内壁表面層（ＮｉＰ層）はプレスフィット４Ａ及び孔部７Ａの内壁の中間層（Ｓｎ層等の合金層）に拡散し、Ｓｎ相及びＮｉＰ相の他にＣｕ-Ｓｎ合金相、Ｎｉ-Ｓｎ合金相、ＣｕＳｎＮｉ合金相、及び／又は、Ｐ（リン）を僅かに含む層であるＣｕＳｎＮｉＰ合金相を含む接合層を形成する。
【００５８】
したがって、パワー半導体素子１を積層基板２に接合する際の熱処理によって、プレスフィット４Ａの母材（Ｃｕ）とめっき層との界面に合金層が形成され、母材（Ｃｕ）とめっき層（表面層、中間層）との密着性が向上する。そして、プレスフィット４Ａが外部端子バスバー７の孔部７Ａに圧入され、接合（熱処理）によって、プレスフィット４Ａと外部端子バスバー７の孔部７Ａの内壁の間に接合層が形成され接合強度が向上する。具体的には、接合部に上記合金相が形成されることにより、クラックの伸展が防止されて機械的強度は向上する。
【００５９】
したがって、製造時の熱履歴による密着不良及び剥離等の発生が防止され、密着強度及び接合強度が高い外部端子ピン４と外部端子バスバー７との接合が実現される。
【００６０】
また、第２の様態として、プレスフィット４Ａと孔部７ＡのどちらかにＮｉＰ層（表面層）があってもよい。この場合、Ｓｎ層が露出するので、酸化物がＳｎ表面に形成されるので、Ｎｉ等がＳｎ層側に拡散しにくく、密着性は第１の様態に比べて若干劣るが、ヒートサイクルサイクル（Ｈ／Ｃ）試験などの信頼性は良好である。
【００６１】
また、第３の様態として、プレスフィット４Ａの母材（Ｃｕ）上にＳｎを形成せず、Ｃｕ（母材）上に直接Ｎｉ又はＮｉＰ合金層（表面層）を形成してもよい。
【００６２】
本発明の実施形態においては、外部端子ピン４と外部端子バスバー７との接合部を覆う第２封止部９が設けられている。第２封止部９としては、外部端子ピン４と外部端子バスバー７との接合部を覆うことができればよく、例えば封止樹脂やシリコーンゲルなどを用いることができる。
【００６３】
また、第１の実施形態では、図１のようにパワー半導体ユニット１５の上面がフラット形状の接合部を第２封止部９で覆うことによって、外部端子ピン４同士や外部端子ピン４と導電性板２３との絶縁距離を気にすることなくパワー半導体ユニット１５を形成できる。特に、高耐圧のためには絶縁距離を長くする必要がでてくるため、従来技術においてはパワー半導体ユニットも大きくしなければならないが、本実施形態によればコンパクトにすることができる。また、パワー半導体ユニット１５の上面をフラット形状にすると、パワー半導体ユニット１５自体が直方体のような凹凸のない立体になるので、熱応力による応力集中などを防ぐことができるという利点がある。
【００６４】
また、第２の実施形態として、図６（実施例２）に示すように、パワー半導体ユニット１５の上面に接合部が露出する凹部を設け、当該凹部接合部を樹脂で覆った構成としてもよい。
【００６５】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、接合部を樹脂で覆うことで電気的絶縁性が向上し、外部端子ピン４同士や外部端子ピン４と導電性板２３との絶縁距離を気にしなくてよい。また、パワー半導体ユニット１５の上面に凹部を設けると、第２封止部を小さくすることができ、パワー半導体モジュールの封止部の体積を小さくすることができる利点がある。小さくできれば、パワー半導体モジュールの封止部の、熱応力によるひずみも低減することができる。
【実施例】
【００６６】
以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例の範囲に限定されるものではない。
【００６７】
＜実施例１＞
以下に評価用のパワー半導体モジュールを作製した。積層基板２としては、導電性板厚さ０．３ｍｍ、絶縁基板厚さ０．３２ｍｍのデンカＳＮプレート（デンカ製、額縁長１．０ｍｍ）を用いた。
【００６８】
積層基板２上に、はんだ３及びパワー半導体素子１、はんだ及びインプラントピン５、外部端子ピン４、プリント基板６を、Ｎ2リフロー炉ではんだ接合を行い、配設した。次にこれら被封止部材を金型にセットした。
【００６９】
脂肪族エポキシ樹脂主剤：ｊＥＲ６３０（三菱化学製）、硬化剤：ｊＥＲキュア１１３（三菱化学製）、無機充填剤：エクセリカ  平均粒径数μｍ〜数十μｍ（トクヤマ）を、質量比１０：５：３で混合した後、真空脱泡を行い、金型に注入した。これを、１００℃１時間で一次硬化後、１５０℃３時間で二次硬化を行い、第１封止部８を形成した。すなわち、表面がフラット形状で少なくとも外部端子ピン４のプレスフィット４Ａが第１封止部８から突出しているパワー半導体ユニット１５を得た。
【００７０】
続いて、得られたパワー半導体ユニット１５を、厚さ５ｍｍのＡｌＳｉＣベース（デンカ製）に、はんだで接合した。
【００７１】
続いて、接着剤でケースを実装し、外部端子バスバー７の孔部７Ａに外部端子ピン４を圧入した。次に、熱処理を行って、プレスフィット４Ａと外部端子バスバー７の孔部７Ａとの接合がなされ、プレスフィット４Ａ及び外部端子バスバー７の孔部７Ａの界面にＣｕＳｎＮｉ合金層又はＣｕＳｎＮｉ（Ｐ）層が形成された（図５参照）。すなわち、プレスフィット４Ａの母材（Ｃｕ）及び外部端子バスバー７の孔部７Ａの母材（Ｃｕ））の間にＣｕＳｎＮｉ合金層又はＣｕＳｎＮｉ（Ｐ）層が形成された。
【００７２】
続いて、挿入部を覆うようにシリコーンゲル（TSE3051SK、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン製）を入れ、脱泡し、１００℃、１時間の加熱処理を行い、硬化することによってパワー半導体ユニット１５を第２封止部９で封止した。
【００７３】
そして、最後にフタ１２Ｂをしてパワー半導体モジュール１０を作製した。なお、外部端子ピンは、Ｃｕ材（母材）にＳｎ層（中間層）、ＮｉＰ層（表面層）を設けたＣｕ／Ｓｎ／ＮｉＰの層構造となっており、Ｓｎ層の厚さは１０μｍ、ＮｉＰ層の厚さは０．５μｍとした。またそれぞれは無電解めっきにより形成され、ＮｉＰ層のＰ濃度は６％とした。また、外部端子バスバー７の孔部の内壁表面も外部端子ピンの表面構造と同様とした。
（評価）
その後、信頼性試験として、ヒートサイクル（Ｈ／Ｃ）試験を行い、電気特性（Ｉ−Ｖ特性（電流・電圧特性）、断線など）を評価し、プレスフィット４Ａの接続部を目視観察した。なお、Ｈ／Ｃ試験は、パワー半導体モジュールを、−４０℃から１５０℃の環境温度で、５００サイクル稼働させた。判定は、３００サイクルを超えても異常のなかったものを合格とした。
【００７４】
なお、プレスフィット４Ａを外部端子バスバー７の孔部７Ａに圧入後の熱処理は、半導体素子１を積層基板２に接合するときのリフロー後であればよい。すなわち、パワー半導体ユニット１５をベース１１に接合する前又は接合後に、プレスフィット４Ａを外部端子バスバー７の孔部７Ａに圧入してもよい。また、ベース１１へのパワー半導体ユニット１５の接合又は接合後にプレスフィット４Ａと外部端子バスバー７の孔部７Ａとの当該熱処理を行ってもよい。あるいは、パワー半導体ユニットをベース１１に接合（リフロー）する際の加熱処理を当該熱処理として利用しても良い。
【００７５】
＜実施例２＞
図６に示すように、第１封止部８の表面（上面）を凹部形状としたこと以外は、実施例１と同様にして、パワー半導体モジュール１０を得た。
【００７６】
より詳細には、第１封止部８の上面には凹部が形成され、当該凹部にはプレスフィット４Ａと外部端子バスバー７の接合部が露出している。そして、当該凹部に封止材が注入され、硬化することによって第２封止部９が形成されている。すなわち、プレスフィット４Ａと外部端子バスバー７の接合部は第２封止部９に埋設されている。
＜比較例１＞
比較例１においては、外部端子ピン４は、母材をＣｕとし、プレスフィット４Ａの母材表面（すなわちＣｕ）上にＳｎめっきを施したもの（Ｃｕ／Ｓｎ）を用いた。また、外部端子バスバー７は、母材をＣｕとし、外部端子バスバー７の孔部７ＡのＣｕ表面にＳｎめっきを施したもの（Ｃｕ／Ｓｎ）を用いた。リフロー処理および接合加熱などを含め、その他の点については上記実施例と同じであった。
＜比較例２＞
比較例２においては、外部端子ピン４は、母材をＣｕとし、プレスフィット４Ａの母材表面（すなわちＣｕ）上にＮｉＰめっき（中間層）を、ＮｉＰ層上にＳｎめっき（表面層）を施したもの（Ｃｕ／ＮｉＰ／Ｓｎ）を用いた。また、外部端子バスバー７は、母材をＣｕとし、外部端子バスバー７の孔部７Ａの母材（Ｃｕ）上にＮｉＰめっき（中間層）を、ＮｉＰ層上にＳｎめっき（表面層）を施したもの（Ｃｕ／ＮｉＰ／Ｓｎ）を用いた。リフロー処理および接合加熱などを含め、その他の点については上記実施例と同じであった。
【００７７】
Ｈ／Ｃ試験の結果、実施例１、２では電気特性に異常は発生せず、プレスフィット４Ａ及び外部端子バスバー７の孔部７Ａの接合部においても割れや変色など異常は生じず、合格であった。
【００７８】
一方、比較例１では、３００サイクル前にＩ−Ｖ特性に異常を生じ、プレスフィット４Ａ及び外部端子バスバー７の孔部７Ａの接合部においてもプレスフィット４Ａと孔部７Ａの界面の一部に剥がれが生じた。比較例２においては、プレスフィット４Ａと孔部７Ａの接合部の内部に割れや剥がれが生じた。
【００７９】
比較例１では、プレスフィット４Ａと孔部７Ａの内壁のＳｎ層とが酸化し、脆くなり、熱応力により剥がれが生じたと考えられる。また、Ｓｎ層が酸化することで、プレスフィット４Ａと孔部７Ａの接合部において、Ｓｎ層同士の反応が進まず、熱応力により剥がれが生じたと考えられる。比較例２においては、プレスフィット４Ａと孔部７Ａの内壁のＳｎ層とが酸化し、脆くなり、また、ＮｉＰ層とＳｎ層の間でリン・リッチ層が形成され、その界面から剥がれが生じたと考えられる。また、比較例１と同様にプレスフィット４Ａと孔部７Ａの接合部において、Ｓｎ層同士の反応が進まず、熱応力により剥がれが生じたと考えられる。
【００８０】
異常が生じるまでのＨ／Ｃ試験のサイクル数で実施例と比較例を比較すると、約３０％実施例の方が向上した。
【００８１】
本発明によれば、取出しピンにプレスフィットを用いており、パワー半導体ユニットの取出しピンと配線基板の接合を簡便に行うことができる。また、取出しピンのプレスフィットと配線基板との密着性が高く、剥離などが生じ難く、信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することができる。
【００８２】
なお、上記においては、パワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールについて説明したが、一般の半導体素子を搭載した半導体モジュールについても適用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１    パワー半導体素子
２    積層基板
２１  第２導電性板
２２  絶縁基板
２３  第１導電性板
３    第１接合層
４    外部端子ピン
４Ａ  プレスフィット
５    インプラントピン
５Ａ  プレスフィット
６    プリント基板（配線回路基板）
６Ａ  孔部
７    外部端子バスバー
７Ａ  孔部
８    第１封止部
９    第２封止部
１１Ａ  第２接合層
１１  ベース
１２  ケース・フタ
１５  パワー半導体ユニット
【図１】
2022003668.tif 000003
【図２Ａ】
2022003668.tif 000004
【図２Ｂ】
2022003668.tif 000005
【図２Ｃ】
2022003668.tif 000006
【図２Ｄ】
2022003668.tif 000007
【図３】
2022003668.tif 000008
【図４】
2022003668.tif 000009
【図５】
2022003668.tif 000010
【図６】
2022003668.tif 000011