(57)【要約】【課題】圧接される電極層３３と表面処理層３４の変形が弾性変形範囲内である圧接型半導体装置を提供する。【解決手段】一の電極板上２４２に配設された半導体素子３０の一主面にアルミニウム電極層３３を形成し、この半導体素子３０と他方側の電極板２４１との間に圧接部材２４を介在させるとともに、この圧接部材２４の電極層３３と接する一方主面にその変形が弾性変形領域範囲内となる所定厚さｄ３の表面処理層３４を形成した。表面処理層３４と電極層３３のヤング率Ｅ３，Ｅ２及び応力限界Ｔ３，Ｔ２と、表面処理層３４に接する圧接部材３１１の線膨張係数α４と、半導体素子３０の線膨張係数α１と、表面処理層３４と圧接部材３１１の接触長さＬと、電極層３３と半導体素子３０との接触長さＬ´及び温度変化に基づいて、その表面処理層３４の変形が弾性変形領域範囲内となる表面処理層３４の厚さｄ３を算出する。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の両主面から電極板で挟んで、加圧接触させた圧接型半導体装置であって、
前記一の電極板上に配設された前記半導体素子の一主面に電極層が形成され、
前記半導体素子と前記他方の電極板との間に圧接部材を介在させるとともに、この圧接部材の電極層と接する一方主面にその変形が弾性変形領域範囲内となる所定厚さの表面処理層が形成された圧接型半導体装置。
【請求項２】
前記表面処理層のヤング率Ｅ３と、前記電極層のヤング率Ｅ２と、前記表面処理層の応力限界Ｔ３と、前記電極層の応力限界Ｔ２と、前記圧接部材の線膨張係数α４と、前記半導体素子の線膨張係数α１と、前記表面処理層の接触長さＬと、前記電極層の接触長さＬ´と、温度変化ｔとに基づいて、その表面処理層の変形が弾性変形領域範囲内となるように前記表面処理層の所定厚さｄ３を算出する請求項１に記載の圧接型半導体装置。
【請求項３】
前記表面処理層の所定厚さｄ３は、
ｄ３＞（Ｅ２/Ｅ３）ｄ２（（Ｅ３／Ｔ３）（（α４−α１）ｔＬ／Ｌ´＋（α４＋α１）ｔ）−１）を満たし、
かつ、
ｄ３＜（Ｅ２／Ｅ３）（ｄ２／（（Ｅ２／Ｔ２）（（α４−α１）ｔＬ／Ｌ´＋（α４＋α１）ｔ）−１））を満たす請求項１に記載の圧接型半導体装置。
ただし、
ｄ２は電極層の厚さ、
ｄ３は表面処理層の厚さ、
Ｅ２は電極層のヤング率、
Ｅ３は表面処理層のヤング率、
Ｔ２は電極層の応力限界、
Ｔ３は表面処理層の応力限界、
α１は半導体素子の線膨張係数、
α４は圧接部材の線膨張係数、
ｔは温度変化、
Ｌは表面処理層の接触面の長さ、
Ｌ´は電極層の接触面の長さ、である。
【請求項４】
前記表面処理層は、スズ（Ｓｎ）である請求項１〜３の何れかに記載の圧接型半導体装置。
【請求項５】
前記電極層は、アルミニウム（Ａｌ）である請求項４に記載の圧接型半導体装置。
【請求項６】
前記表面処理層の厚さは、６μm〜１１μmである請求項４又は５に記載の圧接型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールに組み込まれる半導体装置に関し、半導体素子を金属電極材料で両面から挟み、加圧接触させた圧接型半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、燃料電池自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置には発熱量の大きなパワーモジュールが含まれる。
【０００３】
これらパワーモジュールに組み込まれる半導体素子に関し、第二の電極板上にシリコン製の半導体素子を半田付けし、この半導体素子上に半導体素子と線膨張係数の近い導電性板状部材（例えばモリブデン等）を配置し、この導電性板状部材を第一の電極板で押圧することにより、電極板で半導体素子を挟んで加圧接触させる圧接型半導体装置が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
この種の半導体素子の一主面には電極が形成されており、導電性板状部材と圧接することにより半導体装置の電気的接続が保たれる構造となっている。
【０００５】
この電気的接続が保たれる接触点の酸化を防止する観点から、半導体電極と接触する導電性板状体の表面に、厚さ２〜３μmの金属めっきが施される例がある。
【０００６】
しかしながら、互いに圧接されためっき層と電極は、半導体の自己発熱等による熱膨張／熱収縮により塑性変形を起こしてしまうという問題があった。めっき層の塑性変形によりめっき層が剥離すると、導電性板状部材の酸化（電気抵抗の増加）が進行するという問題があった。また、半導体素子の電極層が塑性変形により電極層が絶縁部材への倒れこみ(短絡）が発生すると、半導体装置の故障要因となり、半導体装置の信頼性が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−９４６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、表面処理層及び電極層の熱膨張／熱収縮による変形を弾性変形領域内に留め、圧接部材の表面に形成された表面処理層が塑性変形を起こさないようにし、信頼性の高い半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、半導体素子の両主面から電極板で挟み、加圧接触させた圧接型半導体装置に関するものである。
【００１０】
そして、一の電極板上に配設された半導体素子の一主面に電極層が形成され、半導体素子と他方の電極板との間に圧接部材を介在させるとともに、この圧接部材の電極層と接する一方主面にその変形が弾性変形領域範囲内となる所定厚さの表面処理層が形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、半導体電極との接触面における機械的特性を考慮し、半導体素子の電極層と接する圧接部材の表面処理層の厚さを、その変形が弾性変形領域範囲内となる所定厚さとした。このため、熱膨張／熱収縮による電極層及び表面処理層の変形が復元不可能な塑性変形とはならないため、表面処理層の剥離や、電極層の倒れこみといった故障要因の発生を防止し、半導体装置の信頼性を向上させ、製品寿命を延長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は電子ユニット筐体に電力変換装置などの電子ユニットを収納して半導体モジュールとした実施形態を示す縦断面図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の電子ユニット筐体１００は、ベース３，樹脂製の外壁４１と金属製壁４２の二重構造を有する側壁４，ガスケット７および蓋５で構成され、その電子ユニット筐体１００内に電子ユニット２が収納されている。側壁４の上下両端にはフランジ４ａ，４ｂが形成され、側壁４は、ボルト８によりフランジ４ｂを固定することでベース３上に取り付けられる。また、蓋５は側壁４のフランジ４ａにボルト６によって固定される。
【００１４】
電子ユニット２の例としては、電気自動車に用いられるパワーモジュール等を挙げることができるが、パワーモジュールの場合の電子ユニット２は、パワーモジュール２ａ，コンデンサ２ｂ、回路基板２ｃなどから構成され、ベース３上に固定される。図示は省略するが、回路基板２ｃはベース上に立設された支柱などに支持されている。こうしたパワーモジュールに２ａは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴや電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴなどの電力変換用半導体素子が搭載されている。
【００１５】
図２は、図１に示すパワーモジュール２ａの構成を示す破断図である。上方から加圧される加圧プレート２１と、この加圧プレート２１とボス部２２を介して一体となる筐体内に半導体装置３００が配置されている。本図では図示していない半導体素子の上側には第一電極板（第１バスバー）２４１を、下側には第二電極板（第２バスバー）２４２が配置される。第一電極板２４１と半導体素子との間には圧接部材３１と応力緩和用金属３２とが設けられている。
【００１６】
半導体素子はシリコンを主材料とする。圧接部材３１は、導電性を有し、半導体素子と他の接触部材との間の線膨張係数の差を吸収する機能を有し、半導体素子を構成するシリコンと線膨張係数が近いモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）が用いられる。本実施形態では剛性の高いモリブデンを用いる。圧接部材３１の製造方法は特に限定されず、ロール平延にて平板を形成し、各形状・サイズに応じて打ち抜き、金属切削により得る。バリ除去等の仕上げを行うため、バレル研磨を行うことが好ましい。応力緩和用金属３２は、半導体素子や圧接部材３１等に印加される応力を緩和する機能を有する材料を用いる。本実施形態では電気特性にも優れる銅を用いた。
【００１７】
第二電極板（第２バスバー）２４２は、図外の絶縁体を介して外側剛体２７の内低面に接している。外側剛体２７は第二電極板（第２バスバー）２４２及びこれに積層された半導体装置３００を支える。第二電極板（第２バスバー）２４２は、電気的特性に優れる銅を用いた。
【００１８】
他方、第一電極板（第１バスバー）２４１は、絶縁層を介して圧接用のバネ２９とバネ受け２９１で接する。上述した加圧プレート２１は、第１電極板（第１バスバー）２４１とバネ２９を介して、第１電極板（第１バスバー）２４１と略平行となるように配置されている。
【００１９】
加圧プレート２１によりバネ２９が押圧されるとバネ２９に応力が発生し、第一電極板（第１バスバー）２４１、応力緩和用金属３２、圧接部材３１を介して半導体素子に応力が印加される。ボス部２２を介して固定される加圧プレート２１と外側剛体２７との間には、第一電極板（第１バスバー）２４１、半導体装置３００、第二電極板（第２バスバー）２４２を挟持するため、加圧プレート２１が外側剛体２７に固定されると、加圧プレート２１がバネ２９を押圧し、半導体装置３００は第一電極板（第１バスバー）２４１及び第二電極板（第２バスバー）２４２に圧接された状態が保持される。バネ２９の変位量（たわみ量）はボス部２２の高さにより調節することができる。ボス部２２の高さを低くすることにより、バネ２９の変位量を大きくすることができ、バネ２９の押圧力を増加させることができる。
【００２０】
図３は、加圧プレート２１をヒートシンクとしても機能する外側剛体２７に固定した状態の断面構成図である。図３に示すように、第１ケース２５内には、絶縁層２３を介在させて第１の半導体３０（ＩＧＢＴ等）と第２の半導体３０ａ（ダイオード）が並列に配置されている。絶縁層２３は、絶縁性の高いゴムを用いることが好ましい。第１の半導体３０と第２の半導体３０ａの各下面電極（エミッタ電極、アノード電極）は、銅（Ｃｕ）等からなる第二電極板（第２バスバー）２４２にそれぞれ半田付けされている。また、第１の半導体３０と第２の半導体３０ａの各上面は、圧接部材３１，３１ａと接している。
【００２１】
第１の半導体３０（ＩＧＢＴ等）のスイッチングに必要となるゲート信号は、第１樹脂ケース２５に一体成形されている信号端子Ｓと、第１の半導体３０（ＩＧＢＴ等）のゲートパッドをワイヤボンディングＢで接続することにより外部へ導出する。
【００２２】
圧接部材３１，３１ａの上面には、応力緩和用金属３２，３２ａが配置されている。応力緩和用金属３２，３２ａの上面には第一電極板（第１バスバー）２４１が接触する。応力緩和用金属３２，３２ａ及び第一電極板（第１バスバー）２４１を一体の部材として構成してもよい。
【００２３】
各半導体素子３０，３０ａ上に設けられたバネ２９１，２９２は、皿ばねである。バネ２９１，２９２の中心には貫通孔が形成されており、その貫通孔を各半導体素子３０，３０ａごとに設けられた第２ケース２６に形成された突起に通して位置決めがされている。バネ２９１，２９２の態様は特に限定されず、平ばね等、各半導体素子３０に均等な力を与える弾性体を用いることができる。
【００２４】
ネジ２８により、加圧プレート２１が外側剛体２７に螺着されると、加圧プレート２１がバネ２９１，２９２を押圧し、半導体素子３０,３０ａは、圧接部材３１，３１ａ、応力緩和用金属３２，３２ａを介して第一電極板（第１バスバー）２４１及び第二電極板（第２バスバー）２４２に圧接される。
【００２５】
図４は本実施形態にかかる圧接型半導体装置３００のモジュール回路図である。圧接型半導体装置３００は、ＩＧＢＴ（半導体素子）とダイオード（整流素子）が逆並列に接続され、３相モータ制御用のインバータ回路を形成する。圧接型半導体装置３００は、ＩＧＢＴ（半導体素子）Ｔ４とＴ１，Ｔ５とＴ２，Ｔ６とＴ３を図中のＸ矢印方向に積層したＩＧＢＴ積層体Ｔａ,Ｔｂ及びＴｃと、ダイオード（整流素子）Ｄ４とＤ１、Ｄ５とＤ２，Ｄ６とＤ３を図中のＸ矢印方向に積層したダイオード積層体Ｄａ，Ｄｂ及びＤｃを有する。
【００２６】
Ｐ相側のコレクタとカソードは第二電極板２４２と接続され、Ｎ側相のエミッタとアノードは第一電極板２４１に接続される。Ｐ相とＮ層とは電気的に接続されている。積層されるＩＧＢＴ（半導体素子）のエミッタとコレクタの間、及び積層されるダイオード（整流素子）のアノードとカソードの間は電気的に接続され、図示しないモータのＵ相、Ｖ相及びＷ相の三相に接続され、図４に示すインバータ回路を形成する。本例では、６相（ＵＰ相、ＶＰ相、ＷＰ相、ＵＮ層、ＶＮ相、ＷＮ相）のそれぞれにＩＧＢＴとダイオードを１チップずつ使用している。第一電極板２４１側に位置する加圧プレート２１をヒートシンク（外側剛体２７）に螺着することにより、バネ２９１，２９２が積層されたＩＧＢＴ及びダイオードを積層方向に沿って押圧する。
【００２７】
これにより、各ＩＧＢＴ（半導体素子）は、積層方向に沿って圧接された状態に保たれる。
【００２８】
続いて、圧接されたＩＧＢＴ（半導体素子）の構造について説明する。図５は、半導体素子３０、応力緩和用金属３２、圧接部材３１１，３１２の構成を示す図である。図５に示すように、半導体素子３０の上面及び下面にはモリブデン等を用いた圧接部材３１１，３１２が配置され、圧接部材３１１の上面側には応力緩和用金属３２が配置されている。
【００２９】
図６は、図５に示すＰ領域、すなわち半導体素子３０と圧接部材３１１との境界部分を拡大した斜視図である。図６に示すように、半導体素子３０の上面側の表面にはアルミニウム等を用いた電極層３３が所定間隔のスリットを挟んで配置されている。また、半導体素子３０と第一電極板（第１バスバー）２４１との間に介在する圧接部材３１１の下面側の（電極層３３と対向する側の）表面には表面処理層３４が形成されている。電極層３３は表面処理層３４を介して圧接部材３１１と接する。また、各電極層３３の間には素子内電極３５が配置されており、電極層３３と素子内電極３５は絶縁部（Ｓｉ酸化膜）で絶縁されている。
【００３０】
図７は、図６と同じく図５に示すＰ領域を側方から見た図であり、図８は、図７に示すＱ領域の拡大図である。図７及び図８に示すように、Ｑ領域に示す半導体素子３０と圧接部材３１１との間には、幅方向（積層方向と略直交する方向）に長さＬの半導体素子３０と、この半導体素子３０の上面側に幅方向（積層方向と略直交する方向）に長さＬ´、積層方向に沿う方向に厚さｄ２の電極層３３と、圧接部材３１１の電極層３３側の表面に形成され、積層方向に沿う方向に厚さｄ３の表面処理層３４が形成されている。
【００３１】
本実施形態の圧接型半導体装置３００は、表面処理層３４の厚さｄ３を、その変形が弾性変形領域範囲内となる所定厚さとする。言い換えると、表面処理層３４の厚さｄ３を、その表面処理層３４の変形が塑性変形とはならない所定厚さとする。
【００３２】
このため、本実施形態では、互いに接する表面処理層３４のヤング率Ｅ３と、電極層３３のヤング率Ｅ２と、表面処理層３４の応力限界Ｔ３と、電極層３３の応力限界Ｔ２と、表面処理層３４に接する圧接部材３１１の線膨張係数α４と、半導体素子３０の線膨張係数α１と、表面処理層３４と圧接部材３１１の接触長さＬと、電極層３３と半導体素子３０との接触長さＬ´及び温度変化に基づいて、その表面処理層３４の変形が弾性変形領域範囲内となる表面処理層３４の厚さｄ３を算出する。
【００３３】
以下、図８に示す圧接型半導体装置３００を例に、図９に基づいて表面処理層３４の厚さｄ３の算出手法を説明する。
【００３４】
図９は、図８に示す半導体素子３０、電極層３３、表面処理層３４及び圧接部材３１１の構造において、電極層３３と表面処理層３４との接触面に生じる歪みを説明するための図である。表面処理層３４には歪みε３が生じ、電極層３３には歪みε２が生じる。
【００３５】
本実施形態の半導体装置３００において、表面処理層３４は圧接部材３１１に対して十分薄い。このため、熱膨張／熱収縮によって生じる表面処理層３４の変形は、圧接部材３１１の変形に支配される。また、電極層３３は半導体素子３０に対して十分薄い。このため、熱膨張／熱収縮によって生じる電極層３３の変形は、半導体素子３０の変形に支配される。さらに、表面処理層３４と電極層３３とは互いに接するため、表面処理層３４は電極層３３の変形の影響を受け、電極層３３は表面処理層３４の変形の影響を受ける。
【００３６】
このため、図９に示すように、表面処理層３４の歪みε３は、圧接部材３１１の影響による歪みε３４と電極層３３の影響による歪みε３２の成分を有する。また、電極層３３の歪みε２は、半導体素子３０の影響による歪みε２１と、表面処理層３４の影響による歪ε２３の成分を有する。
【００３７】
本実施形態では、ε３（表面処理層３４の歪み）＝ε３４（圧接部材３１１の影響による歪み）＋ε３２（電極層３３の影響による歪み）、ε２（電極層３３の歪み）＝ε２１（半導体素子３０の影響による歪み）＋ε２３（表面処理層３４の影響による歪）とする。
【００３８】
まず、第１に、電極層３３の半導体素子３０の影響による歪みε２１について検討する。前述したとおり、電極層３３は半導体素子３０に比べて薄いため、電極層３３の歪みは半導体素子３０の変形に支配される傾向がある。温度変化ｔにおける電極層３３の変形量（伸び）ΔＬ´は、半導体素子３０（本例ではシリコン）の線膨張係数α１、接触長さＬ´により、ΔＬ´＝α１×ｔ×Ｌ´と表すことができる。
【００３９】
よって、電極層３３の半導体素子３０の影響による歪みε２１は、次式（１）のとおりとなる。
【００４０】
ε２１＝ΔＬ´／Ｌ´＝α１×ｔ（１）
第２に、表面処理層３４の圧接部材３１１の影響による歪みε３４について検討する。前述したとおり、表面処理層３４は圧接部材３１１に比べて薄いため、表面処理層３４の歪みは圧接部材３１１の伸びΔＬに支配される傾向がある。温度変化ｔにおける圧接部材３１１の変形量（伸び）ΔＬは、圧接部材３１１（本例ではモリブデン）の線膨張係数α４、接触長さＬにより、ΔＬ＝α４×ｔ×Ｌと表すことができる。
【００４１】
よって、表面処理層３４の圧接部材３１１の影響による歪みε３４は、次式（２）のとおりとなる。
【００４２】
ε３４＝ΔＬ／Ｌ＝α４×ｔ（２）
第３に、圧接部材３１１と半導体素子３０との間の歪みεについて検討する。圧接部材３１１と半導体素子３０との伸び量の差ΔＬが変形量となるため、ΔＬ＝（α４−α１）×ｔ×Ｌなる。
【００４３】
このとき、電極層３３における圧接部材３１１と半導体素子３０との間の歪みεは、ΔＬを電極層３３の接触長さＬ´で除して、  
ε＝ΔＬ／Ｌ´＝（α４−α１）×ｔ×Ｌ／Ｌ´となる。
【００４４】
本実施形態の圧接型半導体装置３００では、圧接部材３１１と半導体素子３０との間の歪みεを、表面処理層３１１が電極層３３から受ける歪みε３２と、電極層３３が表面処理層３１１から受ける歪みε２３で吸収するため、次式（３）のとおりとなる。
【００４５】
ε３２＋ε２３＝（α４−α１）×ｔ×Ｌ／Ｌ´（３）
第４に、電極層３３と表面処理層３４との界面に発生する力を検討する。図９において矢印ｚで示す各部材の奥行き方向（電極層３３の延在方向に沿う方向）の表面処理層３１１及び電極層３３の長さをｗとする。電極層３３の断面積はｄ２×ｗとなり、表面処理層３４の断面積はｄ３×ｗとなる。この積層方向ｄ２,ｄ３と奥行き方向の長さｗで規定される面（側面）に対して垂直方向にかかる力Ｆ２，Ｆ３を求める。力＝応力σ×断面積、応力σ＝ε(歪み）×ヤング率Ｅであるから、電極層３３にかかる力Ｆ２、表面処理層３４にかかる力Ｆ３は以下のとおりとなる。
【００４６】
Ｆ２＝σ２×ｄ２×ｗ＝ε２×Ｅ２×ｄ２×ｗ
Ｆ３＝σ３×ｄ３×ｗ＝ε３×Ｅ３×ｄ３×ｗ
ここで、電極層３３と表面処理層３４の力は、平衡状態として釣り合うため、Ｆ２＝Ｆ３となる。
【００４７】
すなわち、ε２×Ｅ２×ｄ２×ｗ＝ε３×Ｅ３×ｄ３×ｗとなり、次式（４）を得る。
【００４８】
ε２×Ｅ２×ｄ２＝ε３×Ｅ３×ｄ３・・・（４）
第５に、電極層３３の歪みε２と、表面処理層３４の歪みε３の数値範囲を求める。本実施形態では、電極層３３と表面処理層３４の歪みが弾性領域内（塑性領域外）である状態を維持するため、これらの歪みに応じた応力σが応力限界値Ｔ未満となるようにする。具体的には、電極層３３の歪みε２と、表面処理層３４の歪みε３が、図１０に示す応力−歪み曲線の斜線を付した弾性領域内となるようにする。このとき応力限界値Ｔは、任意に設定できるものとし、例えば０．２％耐力（歪み軸上の０．２％の点から弾性係数に平行な線を引いて応力−歪み曲線との交点）を応力限界値Ｔとしてもよい。
【００４９】
フックの法則により、応力値σ＝εＥ（εは歪み、Ｅはヤング率）であるので、下記式（５）及び（６）を得る。
【００５０】
ε２＜Ｔ２／Ｅ２・・・（５）
ε３＜Ｔ３／Ｅ３・・・（６）
上述したように、電極層３３の歪みε２は半導体素子３０の影響による歪みε２１と表面処理層３４の影響による歪ε２３を含み、表面処理層３４の歪みε３は圧接部材３１１の影響による歪ε３４と電極層３３の影響による歪みε３２を含むので、次式（７）を得る。
【００５１】
ε２＝ε２１＋ε２３,  ε３＝ε３２＋ε３４・・・（７）
最後に、ε２＋ε３について、上掲の式（１）〜（４），（７）式をまとめると、下記(８)式、（９）式を得る。
【００５２】
ｄ３=(Ｅ２/Ｅ３)ｄ２((１/ε３)((α４−α１)ｔＬ/Ｌ´+(α４＋α１)ｔ)-１)・・・（８）
ｄ３=(Ｅ２/Ｅ３)ｄ２/((１/ε２)((α４−α１)ｔＬ/Ｌ´+(α４＋α１)ｔ)-１)・・・（９）
ただし、ε２＜Ｔ２／Ｅ２・・・（５），ε３＜Ｔ３／Ｅ３・・・（６）である。
【００５３】
式（８）についてε３を、式（９）についてε２を代入し、下記（１０）式及び（１１）式を得る。
【００５４】
ｄ３＞（Ｅ２/Ｅ３）ｄ２（（Ｅ３／Ｔ３）（（α４−α１）ｔＬ／Ｌ´＋（α４＋α１）ｔ）−１）…（１０）
ｄ３＜（Ｅ２／Ｅ３）（ｄ２／（（Ｅ２／Ｔ２）（（α４−α１）ｔＬ／Ｌ´＋（α４＋α１）ｔ）−１））…（１１）
ｄ２は電極層３３の厚さ、ｄ３は表面処理層３４の厚さ、Ｅ２は電極層３３のヤング率、Ｅ３は表面処理層３４のヤング率、Ｔ２は電極層３３の応力限界、Ｔ３は表面処理層３４の応力限界、α１は半導体素子３０の線膨張係数、α４は圧接部材３４の線膨張係数、ｔは温度変化、Ｌは表面処理層３４の接触面の長さ、Ｌ´は電極層３３の接触面の長さである。
【００５５】
式１０及び式１１を満たすことにより、表面処理層３４及び電極層３３の変形を弾性領域内に留め、塑性変形を防止することができる。具体的に、図１１に表面処理層３４の厚さｄ３と、歪みεとの関係を示した。図１１の領域Ｎ、すなわち表面処理層３４の厚さｄ３がｄｘ＜ｄ３＜ｄｙの範囲にある場合、電極層３３の歪みε２は塑性変形を起こすε２ｍａｘ未満であり、表面処理層ε３の歪みは塑性変形を起こすε３ｍａｘ未満であるため、表面処理層３４及び電極層３３の変形を弾性領域内に留めることができる。
【００５６】
このように、表面処理層３４及び電極層３３の機械的特性（ヤング率、限界応力）に基づいて表面処理層３４を所定の厚さｄ３とすることにより、従来は圧接部材３１１の酸化防止のために施されていた表面処理層３４に応力緩和機能を発揮させることができる。表面処理層３４及び電極層３３は塑性変形することがなく、これらの倒れこみが防止されるため、半導体装置の信頼性を高め、製品寿命を延ばすことができる。
【００５７】
ヤング率、限界応力等の機械的特性等の式（１０）及び（１１）に必要な数値は、表面処理層３４、電極層３３等の材料を決定すれば、予め得られる情報である。本実施形態の圧接型半導体３１０は、これらの予め取得可能な情報に基づいて表面処理層３４の厚さｄを算出することができる。
【００５８】
ちなみに、従来の半導体装置においては、圧接部材にニッケルなどのめっきが２〜３μmの厚さで施されているものが見受けられるが、圧接部材の酸化防止を目的とし、めっき層にかかる応力、ヤング率等の機械的特性については検討されていないため、塑性変形を起こして、めっき層の剥離、電極層の倒れこみを防止することができなかった。これに対し、本願の圧接型半導体装置３０は、表面処理層３４及び電極層３３の機械的特性、構造力学的特性に基づいて表面処理層３４の厚さを決定し、表面処理層３４に応力緩和機能を発揮させることにより、めっき層及び電極層の倒れこみ等を防止することができる。
【００５９】
＜実施例＞
図５乃至図８に基づいて説明した構造を有する圧接型半導体３１０を得た。圧接部材３１１にモリブデン（Ｍｏ）を用い、その厚さｄ３を２ｍｍとした。圧接部材３１１に形成される表面処理層３４にはスズ（Ｓｎ）を用いた。表面処理層３４の形成にあたっては、めっき等の通常の薄膜形成手法を用いることができる。電極層３３にアルミニウム（Ａｌ）を用い、その厚さｄ２を１０μmとした。半導体素子３０にシリコン（Ｓｉ）を用い、その厚さは２５０μmとした。温度変化ｔは１６０℃とし、半導体素子３０の長さＬは１２．７mm、電極層３３の長さＬ´を１．2mmとした。電極層３３（アルミニウム）のヤング率Ｅ２、表面処理層３４（スズ）のヤング率Ｅ３、電極層（アルミニウム）の応力限界Ｔ２、表面処理層３４（スズ）の応力限界Ｔ３、半導体素子３０（シリコン）の所定温度ｔにおける線膨張係数α１、圧接部材３１１（モリブデン）の所定温度ｔにおける線膨張係数α４は、予め準備したデータベースから取得した。利用するデータベースは一般的に利用可能なものでよい。
【００６０】
図１２に、表面処理層３４の厚さｄ３と表面処理層３４と電極層３３との間の歪みεとの関係を示した。図１２に示すように、表面処理層３４の厚さｄ３を６μm以上１１μm以下とした場合、表面処理層３４の歪みε３及び電極層３３の歪みε２を弾性変形領域内とすることができた。
【００６１】
このように、本実施例ではモリブデンからなる圧接部材３１１の表面に、厚さｄ３が６μm以上１１μm以下のスズ（Ｓｎ）からなる表面処理層３４を形成することにより、圧接される表面処理層３４と電極層３３の変形を弾性変形の範囲とし、塑性変形の発生を防止することができる。このため、表面処理層３４の剥離による圧接部材３１１の酸化、これによる電気抵抗の増加、電極層３３の変形による絶縁部材への倒れこみこれによる短絡の発生を防止することができ、圧接型半導体装置３００の信頼性を向上させることができる。
【００６２】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】電子ユニットを収納した電子ユニット筐体の縦断面図である。
【図２】図１に示すパワーモジュール２ａ構成を示す破断図である。
【図３】加圧プレート２１を外側剛体２７に固定した状態の断面構成図である。
【図４】本実施形態にかかる圧接型半導体装置３００のモジュール回路図である。
【図５】半導体素子３０、応力緩和用金属３２、圧接部材３１１，３１２の構成を示す図である。
【図６】図５に示すＰ領域、すなわち半導体素子３０と圧接部材３１１との境界部分を拡大した斜視図である。
【図７】図５に示すＰ領域を側方から見た図である。
【図８】図７に示すＱ領域の拡大図である。
【図９】図８に示す半導体素子３０、電極層３３、表面処理層３４及び圧接部材３１１の構造において、電極層３３と表面処理層３４との接触面に生じる歪みを説明するための図である。
【図１０】応力−歪み曲線において、歪みが弾性領域内となる場合を説明するための図である。
【図１１】表面処理層３４の厚さｄ３と、歪みεとの関係を示す図である。
【図１２】スズからなる表面処理層３４の厚さｄ３と表面処理層３４と電極層３３の歪みεとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１００…電子ユニット筐体
２…電子ユニット
２ａ…パワーモジュール
２ｂ…コンデンサ
２ｃ・・・回路基板
３…ベース
４…側壁
４ａ，４ｂ…フランジ
４１…外壁
４２…金属製壁
５…蓋
６，８…ボルト
７…ガスケット
２１…加圧プレート
２２…ボス部
２３…絶縁層
２４１…第一電極板
２４２…第二電極板
２７…外側剛体
２８…ボルト
２９…バネ
２９１…バネ受け
３０，３０ａ…半導体素子
３１，３１ａ，３１１，３１２…圧接部材
３２、３２ａ…応力緩和用金属
３３，３３ａ…電極層
３４，３４ａ…表面処理層
３５…素子内電極
【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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