(57)【要約】【課題】製造コストが低く、高い信頼性を有するパワー半導体モジュールおよびパワー半導体ユニットの製造方法を提供する。【解決手段】パワー半導体素子、絶縁基板２、放熱部材３、応力緩和部材４を備える。応力緩和部材４は放熱部材３から絶縁基板２側に向かって形成されている複数の第１の部分４Ａを含む。応力緩和部材４は第１の部分４Ａの延在方向と交差する方向において隣り合う一方の第１の部分から他方の第１の部分に向かって延びるように形成されており絶縁基板２とはんだ接合されている第２の部分４Ｂを含む。第２の部分４Ｂにおける絶縁基板２とのはんだ接合面には凹凸が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子を搭載している絶縁基板と、
前記絶縁基板を介して前記パワー半導体素子と接続されている放熱部材と、
前記絶縁基板と前記放熱部材との間に配置されており、前記絶縁基板とはんだ接合されている応力緩和部材とを備え、
前記応力緩和部材は、
互いに間隔を隔てて前記放熱部材と接続されており、前記放熱部材から前記絶縁基板側に向かって延びるように形成されている複数の第１の部分と、
複数の前記第１の部分と前記絶縁基板との間において複数の前記第１の部分と接続されており、複数の前記第１の部分の延在方向と交差する方向において隣り合う一方の前記第１の部分から他方の前記第１の部分に向かって延びるように形成されており、前記絶縁基板とはんだ接合されている第２の部分とを含み、
前記第２の部分において前記絶縁基板とはんだ接合されている面には凹凸が形成されている、パワー半導体ユニット。
【請求項２】
前記応力緩和部材と前記放熱部材との間に板部材を備え、
前記板部材は前記放熱部材とはんだ接合されており、
前記第１の部分は、前記板部材を介して前記放熱部材と接続されている、請求項１に記載のパワー半導体ユニット。
【請求項３】
複数の前記第１の部分は、前記延在方向に直交する断面での幅が１０μｍ以上５０μｍ以下であり、
隣り合う前記第１の部分の中心間の距離は、前記第１の部分の前記幅の１．１倍以上２倍以下であり、
複数の前記第１の部分の前記延在方向における高さは、前記第１の部分の前記幅の５倍以上１０倍以下である、請求項１または請求項２に記載のパワー半導体ユニット。
【請求項４】
複数の前記第１の部分の前記延在方向に垂直な断面形状は多角形状である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のパワー半導体ユニット。
【請求項５】
複数の前記第１の部分の前記延在方向に垂直な断面形状は六角形状である、請求項４に記載のパワー半導体ユニット。
【請求項６】
複数の前記第１の部分の前記延在方向における少なくとも一方の端部がフィレット形状を有している、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のパワー半導体ユニット。
【請求項７】
複数の前記第１の部分および前記第２の部分を構成する材料は、めっき成膜可能な金属材料である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のパワー半導体ユニット。
【請求項８】
複数の前記第１の部分および前記第２の部分を構成する材料は、銅、アルミニウム、銀、および金から構成される群から選択される少なくとも１つである、請求項７に記載のパワー半導体ユニット。
【請求項９】
複数の前記第１の部分および前記第２の部分を構成する材料は、カーボンフィラー、グラファイト、およびカーボンナノチューブの少なくともいずれか１つを含む、請求項７または８に記載のパワー半導体ユニット。
【請求項１０】
前記応力緩和部材は、前記放熱部材と接続されており、前記放熱部材と前記第２の部分との間において複数の前記第１の部分の周囲に形成されている第３の部分を含み、
前記第３の部分は、前記第１の部分および前記第２の部分よりも低剛性である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のパワー半導体ユニット。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載のパワー半導体ユニットを備え、
前記パワー半導体素子、前記絶縁基板、前記放熱部材、および前記応力緩和部材が封止体により封止されている、パワー半導体モジュール。
【請求項１２】
パワー半導体素子を搭載している絶縁基板と、互いに接続されている応力緩和部材および放熱部材とを準備する工程と、
前記絶縁基板と前記応力緩和部材とをはんだ接合する工程とを備え、
前記準備する工程は、
前記放熱部材上に複数の貫通孔が形成されているマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンを用いてメッキ成膜することにより、前記貫通孔内に前記応力緩和部材を構成する第１の部分を形成する工程と、
前記第１の部分を形成する工程に連続して前記マスクパターン上にメッキ成膜することにより、前記第１の部分と接続されている前記応力緩和部材を構成する第２の部分を形成する工程とを含み、
前記はんだ接合する工程では、前記応力緩和部材の前記第２の部分と前記絶縁基板とをはんだ接合する、パワー半導体ユニットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体ユニット、パワー半導体モジュールおよびパワー半導体ユニットの製造方法に関し、特に絶縁基板と放熱部材とがはんだを介して接続されているパワー半導体ユニット、パワー半導体モジュールおよびパワー半導体ユニットの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータなどに用いられるパワー半導体モジュールは大電力を制御している。そのため、パワー半導体素子の電力損失による発熱および環境温度の変化に伴い、パワー半導体モジュールは冷熱サイクル（温度サイクル）に曝される。近年パワー半導体モジュールの電流密度の増加および高温動作化に伴い、冷熱サイクルの上下温度差（ΔＴ）は大きくなっている。このため、大きな熱応力が各種部材間の接合部に印加されることにより、当該接合部の寿命の低下が懸念されている。
【０００３】
特に低熱抵抗化を目的に絶縁基板と放熱部材とをはんだ等で接合した直接冷却式のパワー半導体モジュールでは、絶縁基板の熱膨張率と放熱部材の熱膨張率との差が大きく、過大な熱応力がはんだ等を介した接合部に加わる。そのため、冷熱サイクルに対する当該接合部の信頼性を向上することが課題となっている。
【０００４】
このような絶縁基板と放熱部材との接合部の信頼性向上を図る提案として、特開２００２−２３７５５６号公報（特許文献１）には、ポア（貫通孔）が形成されているポーラス金属板を絶縁基板と金属ベース板の間に介在させたパワー半導体装置が開示されている。また、ポーラス金属板は、ポア径が１μｍ〜５ｍｍ程度、空孔率が３０〜８０％であることが開示されている。
【０００５】
また、特開２００７−０１９２０３号公報（特許文献２）には、高さ０．８ｍｍ〜１．５ｍｍ、外径０．８ｍｍ〜１．５ｍｍの複数の突起から成る応力緩衝部材を絶縁基板とヒートシンクとの間に介在させた放熱装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２３７５５６号公報
【特許文献２】特開２００７−０１９２０３号公報
【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、特開２００２−２３７５５６号公報に記載のパワー半導体装置では、ポーラス金属板の降伏応力がはんだの降伏応力よりも大きいため、冷熱サイクルが加えられたときにも該ポーラス金属板では十分な応力緩和効果を奏することができず、はんだに塑性ひずみが生じてクラックが生じるという問題があった。
【０００８】
また、特開２００７−０１９２０３号公報に記載の放熱装置では、絶縁基板と応力緩和部材との間、および応力緩和部材とヒートシンクとの間がろう付けにより接合されているため、製造コストを十分に低減することが困難であるという問題があった。
【０００９】
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、製造コストが低く、高い信頼性を有するパワー半導体モジュールおよびパワー半導体ユニットの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るパワー半導体ユニットは、パワー半導体素子と、パワー半導体素子を搭載している絶縁基板と、絶縁基板を介してパワー半導体素子と接続されている放熱部材と、絶縁基板と放熱部材との間に配置されており、絶縁基板とはんだ接合されている応力緩和部材とを備える。応力緩和部材は、互いに間隔を隔てて放熱部材と接続されており、放熱部材から絶縁基板側に向かって延びるように形成されている複数の第１の部分と、複数の第１の部分と絶縁基板との間において複数の第１の部分と接続されており、複数の第１の部分の延在方向と交差する方向において隣り合う一方の第１の部分から他方の第１の部分に向かって延びるように形成されており、絶縁基板とはんだ接合されている第２の部分とを含む。第２の部分において絶縁基板とはんだ接合されている面には凹凸が形成されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、製造コストが低く、高い信頼性を有するパワー半導体ユニット、パワー半導体モジュールおよびパワー半導体ユニット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】実施の形態１に係るパワー半導体ユニットを説明するための断面図である。
【図２】図１中の領域ＩＩの部分拡大図である。
【図３】図２中の線分ＩＩＩ−ＩＩＩから見た部分断面図である。
【図４】実施の形態１に係るパワー半導体モジュールを説明するための断面図である。
【図５】図２に示す応力緩和部材の変形例を示す部分拡大図である。
【図６】実施の形態１に係るパワー半導体ユニットの製造方法のフローチャートである。
【図７】実施の形態２に係るパワー半導体ユニットを説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
（実施の形態１）
図１および図２を参照して、実施の形態１に係るパワー半導体ユニット１００について説明する。パワー半導体ユニット１００は、パワー半導体素子１と、絶縁基板２と、放熱部材（冷却器）３と、応力緩和部材４とを備える。
【００１５】
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、たとえばダイボンド材１１によって絶縁基板２を構成する第１導体２１と接合されている。ダイボンド材１１は、パワー半導体素子１と第１導体２１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。
【００１６】
絶縁基板２は、第１導体２１と第２導体２２とを、絶縁セラミックス板２３を挟んで積層して構成されている。第１導体２１は、パワー半導体素子１を搭載している。第１導体２１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２３と接合されている。絶縁セラミックス板２３において第１導体２１と接合されている面と反対側に位置する面は第２導体２２と接合されている。第２導体２２において絶縁セラミックス板２３と接合されている面と反対側に位置する面（全面）は、応力緩和部材４の第２の部分４Ｂ（図２参照）とはんだ１２により接合されている。第１導体２１および第２導体２２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２３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。
【００１７】
第１導体２１と絶縁セラミックス板２３との間、および絶縁セラミックス板２３と第２導体２２との間は、たとえば超音波接合、表面活性化結合、あるいは銅の固相拡散接合などの直接接合により接合されていてもよいし、ろう付けにより接合されていてもよい。
【００１８】
放熱部材３は、パワー半導体ユニット１００および後述するパワー半導体モジュール２００の用途に応じて任意の冷却構造を有するものとして構成されていればよく、たとえば液冷タイプのウォータージャケットや、空冷タイプのヒートシンクなどであってもよい。放熱部材３の熱膨張率は、絶縁基板２の熱膨張率よりも高い。放熱部材３は、第１の主面３Ａと第１の主面３Ａの反対側に位置する第２の主面３Ｂとを有している。放熱部材３は、第１の主面３Ａにおいて応力緩和部材４の第１の部分４Ａ（図２参照）と接続されている。
【００１９】
放熱部材３を構成する材料は、高い熱伝導性を有する任意の材料であればよく、たとえばＡｌ、Ｃｕまたはカーボン材料である。放熱部材３をカーボン材料で構成すれば、放熱部材３を他の材料で構成する場合と比べて、放熱部材３と絶縁基板２を構成する絶縁セラミックス板２３との熱膨張率差を小さくすることができる。その結果、絶縁基板２と放熱部材３との間に形成されているはんだ接合部へ加えられる熱応力を低減することができる。
【００２０】
応力緩和部材４は、絶縁基板２と放熱部材３との間に配置されている。応力緩和部材４は、第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂとを含む。
【００２１】
第１の部分４Ａは複数形成されている。複数の第１の部分４Ａは、互いに間隔を隔てて放熱部材３の第１の主面３Ａと接続されている。隣り合う第１の部分４Ａ間の間隔は、たとえば所定の方向において均等である。第１の主面３Ａ上において複数の第１の部分４Ａ間の間隔は異なっていてもよく、第１の部分４Ａの配置に疎密が生じていてもよい。第１の部分４Ａと放熱部材３とは、たとえば異なる材料で構成されておりこれら異種材料が接合されて接続されていてもよいが、同一の材料で構成されていてもよい。
【００２２】
複数の第１の部分４Ａは、放熱部材３から絶縁基板２側に向かって延びるように形成されている。放熱部材３から絶縁基板２に向かう方向を、第１の部分４Ａの延在方向という。複数の第１の部分４Ａは、その各々の形状、寸法および間隔が互いに異なっていてもよいし、互いに等しく形成されていてもよい。
【００２３】
図３を参照して、第１の部分４Ａの延在方向に直交する断面における第１の部分４Ａの幅ｒ１は、たとえば１０μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。隣り合う第１の部分４Ａの中心間の距離（ピッチ）ｄ１は、隣り合う第１の部分４Ａが互いに分離して形成されている限りにおいて、任意の長さであればよいが、第３の部分４Ｃのパターニングする際の寸法精度などを考慮して第１の部分４Ａの幅ｒ１の１．１倍以上２倍以下であるのが好ましい。複数の第１の部分４Ａの延在方向における長さｈ１（図２参照）は、第１の部分４Ａの幅ｒ１の５倍以上１０倍以下であるのが好ましい。たとえば、第１の部分４Ａの幅ｒ１が１０μｍのときには、第１の部分４Ａの長さｈ１は１００μｍとすることができる。第１の部分４Ａの延在方向に垂直な断面形状は、任意の形状であればよく、たとえば図３に示されるように円形状である。好ましくは、第１の部分４Ａの延在方向に垂直な断面形状は、多角形状であり、たとえば三角形状または四角形状であるが、より好ましくは図５に示されるように六角形状である。この場合、たとえば第１の部分４Ａの幅ｒ１を内接円の直径とし、間隔ｄ１を当該内接円の中心間の最短距離とすればよい。
【００２４】
第２の部分４Ｂは、複数の第１の部分４Ａと絶縁基板２との間において、複数の第１の部分４Ａと接続されている。第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂとは、たとえば異なる材料で構成されておりこれら異種材料が接合されて接続されていてもよいが、同一の材料で一体として構成されていてもよい。
【００２５】
第２の部分４Ｂは、複数の第１の部分４Ａの延在方向と交差する方向において隣り合う一方の第１の部分４Ａから他方の第１の部分４Ａに向かって延びるように形成されている。第２の部分４Ｂは、絶縁基板２とはんだ１２によりはんだ接合されている。第２の部分４Ｂは、第１の部分４Ａの延在方向に直交する面（絶縁基板２と対向する面）における外形がたとえば方形状であり、たとえば正方形状である。第２の部分４Ｂにおいて絶縁基板２と対向する面ははんだ１２を介して絶縁基板２と接続されている。第１の部分４Ａの延在方向に直交する第２の部分４Ｂの当該面の面積（はんだ１２と接合されている当該面の面積）は、はんだ１２と接合されている絶縁基板２の面積よりも大きい。
【００２６】
第２の部分４Ｂにおいて、絶縁基板２とはんだ接合されている上記面には凹凸が形成されている。言い換えると、第２の部分４Ｂは、第１の部分４Ａの延在方向における長さｈ２（図２参照）が一定ではなく、第１の部分４Ａと接続されている部分における上記長さｈ２は、第１の部分４Ａと接続されていない部分（後述する第３の部分４Ｃ上に位置する部分）における上記長さｈ２よりも高い。つまり、第２の部分４Ｂにおいて第１の部分４Ａと接続されている部分の上記面に凸部が、第２の部分４Ｂにおいて第１の部分４Ａと接続されていない部分の上記面に凹部が、それぞれ形成されている。第２の部分４Ｂの上記長さｈ２は、第１の部分４Ａの上記長さｈ１よりも短い。
【００２７】
第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂを構成する材料は、いずれも高い熱伝導性を有する任意の材料であればよく、たとえばＣｕまたはＡｌなどの金属材料であってもよいし、このような金属材料にグラファイトまたはダイヤモンドなどのカーボンフィラーを含ませた材料であってもよい。第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂは、低硬度でかつ伸び（率）が大きいものが好ましく、たとえば無光沢硫酸銅めっき膜により構成されている。第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂを構成する材料は、絶縁基板２を構成する材料よりも熱膨張率が高いのが好ましい。また、第２の部分４Ｂにおいて絶縁基板２側に位置する表面（はんだ１２と接合されている表面）には、第２の部分４Ｂの主な構成材料に対する酸化または腐食を防止する観点から、ニッケル（Ｎｉ）からなる膜が形成されていてもよい。
【００２８】
第３の部分４Ｃは、放熱部材３の第１の主面３Ａと接続されており、放熱部材３と第２の部分４Ｂとの間において複数の第１の部分４Ａの周囲に形成されている。言い換えると、第３の部分４Ｃは複数の貫通孔が形成されている膜であり、当該貫通孔内に第１の部分４Ａが形成されており、第２の部分４Ｂは第１の部分４Ａ上から第３の部分４Ｃ上まで延びるように形成されている。第１の部分４Ａと第３の部分４Ｃとは少なくとも一部が接触していてもよいが、両者は化学的に結合していない。第２の部分４Ｂと第３の部分４Ｃとは少なくとも一部が接触していてもよいが、両者は化学的に結合していない。
【００２９】
第３の部分４Ｃは、第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂよりも低剛性である。第３の部分４Ｃを構成する材料は、第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂを構成する材料と比べて低剛性の材料であればよいが、たとえば写真製版またはスクリーン印刷などによりパターニング可能な樹脂材料であり、たとえば任意の半導体用フォトリソグラフィレジスト、耐薬品性を有するめっきレジスト、またはソルダーレジストなどである。このような樹脂材料で構成されている第３の部分４Ｃのヤング率は、Ｃｕなどにより構成されている第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂのヤング率の数１０分の１以下となる。
【００３０】
第１の部分４Ａの延在方向に沿った断面における第３の部分４Ｃの断面形状は、たとえば長方形状または正方形状である。このとき、上記延在方向における第１の部分４Ａの断面形状は、たとえば長方形状または正方形状である。好ましくは、第１の部分４Ａの上記断面形状は、上記延在方向において少なくとも一部の端部がフィレット形状を有している。言い換えると、図２に示されるようなフィレット形状部４１，４２のうちのいずれか一方のみが形成されていてもよい。好ましくは、第３の部分４Ｃの上記断面形状は、上記延在方向において少なくとも一部の端部の角が丸みを帯びた角丸方形状である。より好ましくは、図２に示されるように、放熱部材３と接続されている端部および第２の部分４Ｂと接続されている端部には、それぞれフィレット形状部４１，４２が形成されている。言い換えると、第１の部分４Ａの上記幅ｒ１は、上記延在方向において中央部よりも第２の部分４Ｂおよび放熱部材３とそれぞれ接続されている端部で広くなっているのが好ましい。このとき、フィレット形状部４１，４２と第３の部分４Ｃとの間には、少なくとも一部に隙間が形成されていてもよい。
【００３１】
より好ましくは、第１の部分４Ａの幅ｒ１は下記数式を満足する。
【００３２】
【数１】
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【００３３】
パワー半導体モジュールに冷熱サイクルが加えられたときに、はんだ接合部には熱応力σが生じる。このとき、熱応力σがはんだ接合部と応力緩和部材４とに等しく印加されると仮定し、かつはんだ１２の厚みｔ（図２参照、はんだ１２の最大厚み）と第１の部分４Ａの長さｈ１とが等しいときにこれらを梁形状（両端支持梁）と見なすと、当該はんだ接合部に生じるひずみ量は断面２次モーメントに比例する。数１は、このような場合において該はんだ接合部のはんだ１２および応力緩和部材４のそれぞれの降伏までのひずみ量を同等と仮定したときに、第１の部分４Ａがはんだ１２よりも先に降伏するために第１の部分４Ａの幅ｒ１が満たすべき関係式である。
【００３４】
数１において、σ１は１５０℃におけるはんだ１２の降伏応力、σ２は１５０℃における第１の部分４Ａの降伏応力である。Ｅ１ははんだ１２のヤング率、Ｅ２は第１の部分４Ａのヤング率である。Ｌは第１の部分４Ａの延在方向に垂直な断面における第２の部分４Ｂと絶縁基板２とのはんだ接合部の外形の一辺の長さ（当該外形が長方形状であるときには短辺の長さ）である。ｎは上記はんだ１２と接合されている第２の部分４Ｂと接続されている第１の部分４Ａの数である。数１においてσ１＝１０ＭＰａ、σ２＝７０ＭＰａ、Ｅ１＝３０ＧＰａ、Ｅ２＝１３０ＧＰａ、ｒ１＝Ｌ／ｎ１/２とすると、ｎ＞１７となり、ｒ１は２０μｍ以下となる。つまり、第１の部分４Ａの幅ｒ１が２０μｍ以下であれば、第１の部分４Ａははんだ１２よりも先に熱応力σを受けて降伏するため、パワー半導体モジュールにおいてはんだ１２の疲労寿命をより延命化することができる。
【００３５】
なお、はんだ１２の厚みｔと第１の部分４Ａの長さｈ１とが異なる場合には、両端支持梁のたわみ量が梁長さの３乗に比例することを考慮して、第１の部分４Ａの幅ｒ１は下記数式を満足するのが好ましい。
【００３６】
【数２】
2016207735.tif 000004
【００３７】
はんだ１２の厚みｔが第１の部分４Ａの長さｈ１よりも薄い場合には、第１の部分４Ａおよびはんだ１２の全体の剛性は増すが単位長さ当たりのひずみ量は増加する。つまり、はんだ１２の厚みｔが第１の部分４Ａの長さｈ１よりも薄い場合には、冷熱サイクルにおけるパワー半導体モジュールの疲労寿命の観点からはんだ接合部のひずみ量の低減と高剛性化はトレードオフの関係となる。また、はんだ１２の厚みｔが厚くなるとはんだ１２の熱抵抗が増加する。そのため、パワー半導体モジュールの熱抵抗が抑制されており、かつはんだ接合部の高信頼性を実現するには、はんだ１２の厚みｔと第１の部分４Ａの長さｈ１は、０．５ｔ＜ｈ＜２ｔの関係式を満たすのが好ましい。
【００３８】
次に、図４を参照して、実施の形態１に係るパワー半導体モジュール２００について説明する。パワー半導体モジュール２００は、パワー半導体ユニット１００を備え、パワー半導体素子１、絶縁基板２、放熱部材３、および応力緩和部材４が封止体３４により封止されている。
【００３９】
パワー半導体素子１は、絶縁基板２側と対向する面と、当該面の反対側に位置する面上にそれぞれ電極（図示しない）が形成されている。パワー半導体素子１において、第１導体２１とはんだ接合されている面と反対側に位置する面に形成されている電極は、はんだ１３を介して第１リード３１と電気的に接続されている。また、第１導体２１は、パワー半導体素子１とダイボンド材１１を介して接続されている領域以外の領域において、はんだ１４を介して第２リード３２と電気的に接続されている。第１リード３１および第２リード３２は、パワー半導体素子１または第１導体２１と接続されている部分以外の少なくとも一部が封止体３４の外部に表出している。つまり、第１リード３１および第２リード３２は、それぞれパワー半導体素子１とパワー半導体モジュール２００の外部とを電気的に接続するための取り出し配線として構成されている。なお、パワー半導体素子１の電極はボンディングワイヤを介して配線部材（図示しない）と接続されており、ボンディングワイヤは封止体３４により封止されていてもよい。
【００４０】
封止体３４は、パワー半導体素子１、絶縁基板２、放熱部材３、応力緩和部材４、および第１リード３１および第２リード３２においてパワー半導体素子１および絶縁基板２と接続されている部分を封止している。封止体３４の形状は、任意に構成されていればよいが、たとえば封止枠３３の内部を充填するように形成されている。封止枠３３は、たとえば上記延在方向に垂直な面における第１の主面３Ａの外周端部に沿うように形成されている。封止枠３３および封止体３４を構成する材料は、電気的絶縁性を有する任意の材料であればよいが、たとえばシリコンゲルまたはエポキシ樹脂である。
【００４１】
このとき、第１の主面３Ａ上において応力緩和部材４の周囲に位置する領域には、図４に示されるように被覆膜５が形成されていてもよい。被覆膜５を構成する材料は、電気的絶縁性を有する任意の材料であればよいが、たとえば第３の部分４Ｃを構成する材料と同一とすることができる。被覆膜５を構成する材料は、たとえば写真製版またはスクリーン印刷などによりパターニング可能な樹脂材料であり、たとえば任意の半導体用フォトリソグラフィレジスト、耐薬品性を有するめっきレジスト、またはソルダーレジストなどである。この場合、封止枠３３は、被覆膜５上に形成されている。
【００４２】
図４に示されるパワー半導体モジュール２００は、パワー半導体素子１をＩＧＢＴとして構成したときにその入力端子、ｐ側出力端子、およびｎ側出力端子とを接続した系を一相として、これをＵＶＷの三相とすることにより三相インバータ機器を構成することができる。
【００４３】
次に、図６を参照して、実施の形態１に係るパワー半導体ユニット１００の製造方法について説明する。
【００４４】
はじめに、パワー半導体素子１を搭載している絶縁基板２と、互いに接続されている応力緩和部材４および放熱部材３とを準備する（工程（Ｓ１０））。
【００４５】
具体的には、まず、パワー半導体素子１が周知の方法により準備された絶縁基板２の第１導体２１にたとえばダイボンド材１１を介して接合される。これにより、パワー半導体素子１を搭載している絶縁基板２が準備される。さらに、上述のように任意の冷却構造を有する放熱部材３が準備される。次に、放熱部材３上にマスクパターンが形成される（工程（Ｓ１１））。マスクパターンは、たとえば放熱部材３の第１の主面３Ａの全面上にフォトレジストが塗布され、当該フォトレジストがフォトリソグラフィによりパターニングされることにより、複数の貫通孔が形成されているマスクパターンが形成される。次に、当該マスクパターンを用いてメッキ成膜することにより、上記貫通孔内に第１の部分４Ａが形成される（工程Ｓ１２）。さらに、第１の部分４Ａを形成する工程（Ｓ１２）に連続してマスクパターン上にメッキ成膜することにより、第１の部分４Ａと接続されている第２の部分４Ｂを形成する（工程（Ｓ１３））。第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂは、電界メッキまたは無電解めっきにより成膜され得る。このようにして、第１の部分４Ａ、第２の部分４Ｂ、および上記マスクパターンを第３の部分４Ｃとして含む応力緩和部材４が形成される。
【００４６】
次に、絶縁基板２と応力緩和部材４とをはんだ接合する（工程（Ｓ２１））。具体的には、応力緩和部材４の第２の部分４Ｂと絶縁基板２とをはんだ１２により接合する。はんだ接合方法は任意の方法を採用することができ、フロー法またはリフロー法を採用し得る。このようにして、絶縁基板２と応力緩和部材４とがはんだ接合されているパワー半導体ユニット１００が製造される。
【００４７】
なお、上記工程（Ｓ１１）において、露光時のフォーカスオフセットを調整することにより、放熱部材３の第１の主面３Ａに接続されているマスクパターンの端部（下方端部）がフィレット状に形成され得る。また、マスクパターンをフォトリソグラフィ後にベーク処理することにより、上記延在方向において上記下方端部の反対側に位置するマスクパターンの端部（上方端部）にはいわゆるダレが生じて、当該上方端部がフィレット状に形成され得る。
【００４８】
なお、パワー半導体モジュール２００は、このようにして製造されたパワー半導体ユニット１００に対し、任意の方法により第１リード３１、第２リード３２、封止枠３３および封止体３４が形成されることにより製造される。封止体３４を形成する方法は、たとえば周知のポッティングモールド法またはトランスファモールド法などを用いることができる。
【００４９】
次に、実施の形態１に係るパワー半導体ユニット１００およびパワー半導体モジュール２００の作用効果について説明する。
【００５０】
パワー半導体ユニット１００は、パワー半導体素子１と、パワー半導体素子１を搭載している絶縁基板２と、絶縁基板２を介してパワー半導体素子１と接続されている放熱部材３と、絶縁基板２と放熱部材３との間に配置されており、絶縁基板２とはんだ接合されている応力緩和部材４とを備える。応力緩和部材４は、互いに間隔を隔てて放熱部材３と接続されており、放熱部材３から絶縁基板２側に向かって延びるように形成されている複数の第１の部分４Ａを含む。さらに応力緩和部材４は、複数の第１の部分４Ａと絶縁基板２との間において複数の第１の部分４Ａと接続されており、複数の第１の部分４Ａの延在方向と交差する方向において隣り合う一方の第１の部分４Ａから他方の第１の部分４Ａに向かって延びるように形成されており、絶縁基板２とはんだ接合されている第２の部分４Ｂを含む。第２の部分４Ｂにおいて絶縁基板２とはんだ接合されている面には凹凸が形成されている。
【００５１】
このようにすれば、パワー半導体ユニット１００は、絶縁基板２と応力緩和部材４の第２の部分４Ｂとがはんだ１２により接合されているため、絶縁基板と応力緩和部材とがろう材により接合されている従来のパワー半導体ユニットおよびパワー半導体モジュールと比べて製造コストが低減されている。また、パワー半導体ユニット１００は、放熱部材３に接続されている応力緩和部材４の第１の部分４Ａが互いに間隔を空けて複数設けられているため、板状部材に複数貫通孔が形成されて低剛性化された応力緩和部材を備える従来のパワー半導体ユニット比べて応力緩和部材４による応力緩和効果が高い。また、応力緩和部材４の第２の部分４Ｂにおいて絶縁基板２とはんだ接合されている面には凹凸が形成されているため、応力緩和部材の平坦な面が絶縁基板とはんだ接合されている従来のパワー半導体ユニットと比べて、第２の部分４Ｂにおいてはんだ１２と接合されている表面積を大きくすることができ、はんだの塑性ひずみを低減することができる。さらに、はんだ接合界面が平坦ではないため、はんだの合金層に剥離が生じた場合にもその進展を抑制することができる。このような理由により、パワー半導体ユニット１００は、従来のパワー半導体ユニットと比べて、冷熱サイクルに対し高い信頼性を有することができる。
【００５２】
パワー半導体ユニット１００は、特に三相インバータ機器として構成されているパワー半導体モジュール２００に好適である。上述のように、パワー半導体モジュール２００が三相インバータ機器として構成されている場合、パワー半導体モジュール２００は鉄道車両に搭載される電力変換器、またはハイブリッドカーに搭載される電力変換機などに用いられる。このような三相インバータ機器は、パワー半導体素子１による発熱と環境条件による温度変化とにより、冷熱サイクルに曝される。このとき特に絶縁基板２と放熱部材３とをはんだで接合した直接冷却式の構造を有する三相インバータ機器では、一般に絶縁基板２と放熱部材３との熱膨張率差が大きい。しかし、パワー半導体ユニット１００によれば、絶縁基板２と放熱部材３との間において絶縁基板２とはんだ１２により接合されている応力緩和部材４が上記のような第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂを有しているため、絶縁基板２と放熱部材３との熱膨張率差が大きくとも、該応力緩和部材４によりはんだ１２には非常に大きな熱応力が加えられることを抑制することができる。その結果、はんだ１２にクラックが発生することを抑制することができ、パワー半導体素子１の温度上昇に伴う電力変換機の動作不良または故障の発生を抑制することができる。
【００５３】
複数の第１の部分４Ａは、上記延在方向に直交する断面での幅ｒ１が１０μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。隣り合う第１の部分４Ａの中心間の距離ｄ１は、第１の部分４Ａの幅ｒ１の１．１倍以上２倍以下であるのが好ましい。複数の第１の部分４Ａの延在方向における高さｈ１は、第１の部分４Ａの幅ｒ１の５倍以上１０倍以下であるのが好ましい。このようにすれば、第１の部分４Ａは高アスペクト比の微小突起パターンとして形成されている。そのため、パワー半導体ユニット１００の冷熱サイクルに対する信頼性をより高めることができる。なお、距離ｄ１の下限値は、マスクパターンを形成する工程（Ｓ１１）における露光精度に応じて決定される。
【００５４】
複数の第１の部分４Ａの上記延在方向に垂直な断面形状は多角形状であるのが好ましい。このようにすれば、複数の第１の部分４Ａは互いの辺が間隔を隔てて平行となるように配置されることにより、放熱部材３の第１の主面３Ａ上において密に配置され得る。その結果、複数の第１の部分４Ａにおいて放熱部材３と接続されている面積の総和を大きくすることができ、第１の部分４Ａによる熱抵抗を低減することができる。
【００５５】
図５を参照して、複数の第１の部分４Ａの上記延在方向に垂直な断面形状は六角形状であるのが好ましい。このようにすれば、複数の第１の部分４Ａは互いの辺が間隔を隔てて平行となるように配置されることにより、放熱部材３の第１の主面３Ａ上においてより密に配置され得る。その結果、複数の第１の部分４Ａにおいて放熱部材３と接続されている面積の総和をより大きくすることができ、第１の部分４Ａによる熱抵抗をより低減することができる。
【００５６】
図２に示されるように、複数の第１の部分４Ａの上記延在方向における少なくとも一方の端部はフィレット形状を有しているのが好ましい。このようにすれば、第１の部分４Ａにおいて第２の部分４Ｂとの接続部分および放熱部材３との接続部分の降伏応力に対する耐力を増すことができ、当該接続部分に疲労破壊によるクラックが発生することを抑制することができる。
【００５７】
複数の第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂを構成する材料は、メッキ成膜可能な金属材料であるのが好ましい。このようにすれば、マスクパターンが形成されている放熱部材３の第１の主面３Ａ上にメッキ成膜することにより、第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂを連続して成膜することができる。これにより、たとえばクラッド接合工程などを経ずに容易に互いに接合された第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂを容易に形成することができる。
【００５８】
複数の第１の部分および第２の部分を構成する材料は、銅、アルミニウム、銀、および金から構成される群から選択される少なくとも１つであるのが好ましい。このようにすれば、第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂは、高い熱伝導率を有し、かつメッキ成膜により容易に形成することができる。
【００５９】
複数の第１の部分および第２の部分を構成する材料は、カーボンフィラー、グラファイト、およびカーボンナノチューブの少なくともいずれか１つを含むのが好ましい。このようにすれば、第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂは、第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂを構成する母材以上に高い熱伝導性を発現することができる。
【００６０】
応力緩和部材は、放熱部材と接続されており、放熱部材と第２の部分との間において複数の第１の部分の周囲に形成されている第３の部分を含んでいてもよい。第３の部分は第１の部分および第２の部分よりも低剛性であるのが好ましい。このようにすれば、第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂをメッキ成膜する際に用いたマスクパターンをメッキ成膜後に第３の部分４Ｃとして残存させることができ、パワー半導体ユニット１００は容易に製造され得る。また、第３の部分は第１の部分および第２の部分よりも低剛性であるため、第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂが熱応力を受けて変形する際にも、第３の部分４Ｃが当該変形を阻害することを防止できる。
【００６１】
実施の形態１に係るパワー半導体ユニットの製造方法は、パワー半導体素子１を搭載している絶縁基板２と、互いに接続されている応力緩和部材４および放熱部材３とを準備する工程（Ｓ１０）と、絶縁基板２と応力緩和部材４とをはんだ接合する工程（Ｓ２１）とを備える。準備する工程（Ｓ１０）は、放熱部材３上に複数の貫通孔が形成されているマスクパターンを形成する工程（Ｓ１１）と、マスクパターンを用いてメッキ成膜することにより、貫通孔内に応力緩和部材４を構成する第１の部分４Ａを形成する工程（Ｓ１２）と、第１の部分４Ａを形成する工程（Ｓ１２）に連続してマスクパターン上にメッキ成膜することにより、第１の部分４Ａと接続されている応力緩和部材４を構成する第２の部分４Ｂを形成する工程（Ｓ１３）とを含む。はんだ接合する工程（Ｓ２１）では、応力緩和部材４の第２の部分４Ｂと絶縁基板２とをはんだ接合する。
【００６２】
このようにすれば、工程（Ｓ１０）においてマスクパターンを用いてメッキ成膜することにより、応力緩和部材４を構成する第１の部分４Ａおよび第２の部分４Ｂを容易に形成することができる。さらに工程（Ｓ２１）において第２の部分４Ｂと絶縁基板２とをはんだ接合することにより、パワー半導体ユニット１００を低コストでかつ容易に製造することができる。なお、工程（Ｓ１０）において使用したマスクパターンは、応力緩和部材４を構成する第３の部分４Ｃとしてパワー半導体ユニット１００中に残存させることもできる。このようにすれば、より低コストでかつ容易にパワー半導体ユニット１００を製造することができる。
【００６３】
（実施の形態２）
次に、図７を参照して、実施の形態２に係るパワー半導体ユニット１１０およびパワー半導体モジュールについて説明する。実施の形態２に係るパワー半導体ユニット１１０は、基本的には実施の形態１に係るパワー半導体ユニット１００と同様の構成を備えるが、応力緩和部材４と放熱部材３との間に板部材６をさらに備える点で異なる。
【００６４】
板部材６は、第３の主面６Ａと、第３の主面６Ａの反対側に位置する第４の主面６Ｂとを有している。第３の主面６Ａは、第１の部分４Ａと接続されている。言い換えると、第１の部分４Ａは、板部材６の第３の主面６Ａ上に形成されており、板部材６を介して放熱部材３と接続されている。第４の主面６Ｂは、放熱部材３の第１の主面３Ａとはんだ１５を介して接続されている。
【００６５】
実施の形態２に係るパワー半導体ユニット１１０の製造方法は、基本的には実施の形態１に係るパワー半導体ユニット１００の製造方法と同様の構成を備えるが、準備する工程（Ｓ１０）において、放熱部材３の第１の主面３Ａとはんだ１５を介して接続された板部材６上に複数の貫通孔が形成されているマスクパターンが形成され、マスクパターンを用いてメッキ成膜することにより、板部材６と接続されている第１の部分４Ａがメッキ成膜される点で異なる。
【００６６】
このようにしても、実施の形態２に係るパワー半導体ユニット１１０、パワー半導体ユニット１１０を用いたパワー半導体モジュール、およびパワー半導体ユニット１１０の製造方法は、絶縁基板２と応力緩和部材４の第２の部分４Ｂとがはんだ１２により接合されているとともに、板部材６を介して放熱部材３に接続されている応力緩和部材４の第１の部分４Ａが互いに間隔を空けて複数設けられているため、実施の形態１に係るパワー半導体ユニット１００、パワー半導体モジュール２００、およびパワー半導体ユニットの製造方法と同様の作用効果を奏することができる。
【００６７】
なお、実施の形態２においても、第１の部分４Ａの幅ｒ１は上述した数１または数２を満足するように設けられているのが好ましい。この場合も、Ｌは、第１の部分４Ａの延在方向に垂直な断面における第２の部分４Ｂと絶縁基板２とのはんだ接合部の外形の一辺の長さ（当該外形が長方形状であるときには短辺の長さ）である。はんだ１５を介して板部材６と放熱部材３とが接合されているはんだ接合部の外形の一辺の長さは、はんだ１２を介して第２の部分４Ｂと絶縁基板２とが接合されているはんだ接合部の外形の一辺の長さと同等以下であるが、上記関係式を満足する第１の部分４Ａが形成されていることにより、第１の部分４Ａをはんだ１２およびはんだ１５よりも先に降伏させることができる。その結果、応力緩和部材４ははんだ１２およびはんだ１５を介して接合されている２つのはんだ接合部に対しより高い応力緩和効果を発現することができる。
【００６８】
板部材６を構成する材料は、熱伝導性を有する任意の材料であればよいが、好ましくは板部材６を構成する材料の熱膨張率が絶縁基板２を構成する材料の熱膨張率超えであって放熱部材３を構成する材料の熱膨張率以下である。たとえば絶縁基板２の熱膨張率が７ｐｐｍ／Ｋ、放熱部材３の熱膨張率が２３ｐｐｍ／Ｋであるときに、板部材６の熱膨張率は１７ｐｐｍ／Ｋとすることができる。このようにすれば、板部材６は、絶縁基板２と放熱部材３との間において２つのはんだ接合部を形成する部材間（絶縁基板２と応力緩和部材４との間、および板部材６と放熱部材３との間）の熱膨張率差を小さくすることができる。この結果、冷熱サイクルが加えられたときに該熱膨張率差に起因してはんだ１２，１５に損傷が生じることを抑制することができる。
【００６９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７０】
１  パワー半導体素子、２  絶縁基板、３  放熱部材、３Ａ  第１の主面、３Ｂ  第２の主面、４  応力緩和部材、４Ａ  第１の部分、４Ｂ  第２の部分、４Ｃ  第３の部分、５  被覆膜、６  板部材、６Ａ  第３の主面、６Ｂ  第４の主面、１１  ダイボンド材、１２，１３，１４，１５  はんだ、２１  第１導体、２２  第２導体、２３  絶縁セラミックス板、３１  第１リード、３２  第２リード、３３  封止枠、３４  封止体、４１，４２  フィレット形状部、１００，１１０  パワー半導体ユニット、２００  パワー半導体モジュール。
【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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