(57)【要約】  本発明は、半導体装置の表面電極の接合部の信頼性を向上することを目的とする。半導体装置１０４は、半導体基板２０１と、半導体基板２０１の第１主面２０１ａ上に設けられた表面電極である上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａと、表面電極の周縁上に設けられた保護膜１１２と、表面電極の保護膜１１２で囲まれた領域上に保護膜１１２と離間して配置された第１金属膜と、を備え、第１金属膜は、コールドスプレー膜であり、保護膜１１２と離間したはんだ１０７ｃにより板状配線１０６ａと接合される。
2020110860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の第１主面上に設けられた表面電極と、
前記表面電極の周縁上に設けられた保護膜と、
前記表面電極の前記保護膜で囲まれた領域上に前記保護膜と離間して配置された第１金属膜と、を備え、
前記第１金属膜は、コールドスプレー膜であり、前記保護膜と離間したはんだにより板状配線と接合される、半導体装置。
【請求項２】
前記第１金属膜と前記板状配線との間で前記第１金属膜の周縁上に設けられた第２金属膜をさらに備える、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２金属膜は前記第１金属膜よりもはんだ濡れ性が良い、
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２金属膜はコールドスプレー膜である、
請求項２または請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置と、
前記第１金属膜と相対する位置に設けられ、前記第１金属膜と前記はんだで接合された前記板状配線とを備える、
電力用半導体モジュール。
【請求項６】
前記板状配線の前記第１金属膜と相対する位置に貫通孔が形成された、
請求項５に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項７】
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置と、
前記第１金属膜と相対する位置に設けられ、前記第１金属膜と前記はんだで接合された前記板状配線とを備え、
前記第２金属膜と前記板状配線との間に隙間がある、
電力用半導体モジュール。
【請求項８】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置または請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、を備える、
電力変換装置。
【請求項９】
半導体基板の第１主面上に表面電極を形成し、
前記表面電極の周縁上に保護膜を形成し、
前記表面電極の前記保護膜で囲まれた領域上に第１金属膜をコールドスプレー法により形成し、
前記第１金属膜を、前記保護膜と離間したはんだにより板状配線と接合する、
電力用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】
この発明は、半導体装置の接合部の信頼性を高める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータまたはコンバータ等の電力変換器を構成する電力用半導体モジュールの多くは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のスイッチングデバイスと、スイッチングデバイスに逆並列に接続された還流ダイオードとを備えている。一般的に、スイッチングデバイスにはケイ素（Ｓｉ）半導体を材料としたＩＧＢＴが用いられ、還流ダイオードにはＳｉ半導体を材料としたｐｉｎダイオードが用いられる。近年、Ｓｉ半導体よりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた半導体装置が開発されている。ＳｉＣは絶縁破壊強度がＳｉの約１０倍と高く、ドリフト層の厚みをＳｉの約１／１０に低減できるため、低オン電圧を実現でき、また高温でも動作が可能である。そのため、ＳｉＣを半導体材料とした半導体装置は、従来のＳｉを半導体材料とした半導体装置に比較して小型化および高効率化が可能である。【０００３】
ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴおよびダイオード等、電力変換用の半導体装置は、主電流が半導体装置の厚み方向に流れる表裏導通型である。表裏導通型の半導体装置をセラミック基板に実装する場合、半導体装置の裏面電極はセラミック基板の金属パターンとはんだ付けされ、半導体装置の表面電極はワイヤボンディングおよび金属端子とのはんだ付けにより結線され、通電経路が形成される。しかしながら、半導体モジュール（以下、単にモジュールと称する）に占める半導体装置のコストは大きく、モジュールの小型化および低コスト化のために、各半導体装置に通電される電流密度および配線に流される電流密度が上昇する傾向にある。電流密度が上昇すると、動作時の半導体装置の発熱量は増加し、半導体装置の温度と配線温度が上昇する。【０００４】
従来は、半導体装置のアルミ（Ａｌ）合金からなる表面電極にＡｌワイヤが接合されていた。このような配線では、電流密度と温度の上昇により接合部の寿命が低下する可能性がある。そこで、Ａｌワイヤよりも電気伝導性が高い銅（Ｃｕ）ワイヤによる配線を適用したモジュールおよびＣｕの板材を半導体装置の表面電極にはんだ付けしたモジュールが開発されている。【０００５】
これらのモジュールの半導体装置の表面電極には、Ｃｕワイヤとの接合性を高めるためにＣｕ電極が形成されたり、はんだとの密着性を高めるためにニッケル（Ｎｉ）めっきの上に金（Ａｕ）めっきを施した電極が形成されたりしている。【０００６】
例えば、特許文献１には、表面電極に湿式めっきを用いて金属膜を形成した半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２４４０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１では、表面電極にめっき電極が形成され、めっき電極とヒートシンクがはんだ材を介して接合された構成の半導体装置が開示されている。特許文献１は、保護膜、めっき電極およびはんだ材が共に接触する接触点に集中する応力を低減するために、保護膜からヒートシンクまでの距離ａと、めっき膜の上面からヒートシンク側面を濡れ広がったはんだ材の頂点までの距離ｂを規定している。しかしながら、動作温度が上昇し通電電流が増大する電力用半導体装置では、電力半導体装置の動作時の温度スイングによりはんだ接合部が膨張と収縮を繰り返し、これによりめっき電極が引き剥がされ、電力半導体装置にダメージが与えられて素子故障するという問題が発生し得る。【０００９】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、半導体装置の表面電極の接合部の信頼性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の第１主面上に設けられた表面電極と、表面電極の周縁上に設けられた保護膜と、表面電極の保護膜で囲まれた領域上に保護膜と離間して配置された第１金属膜と、を備え、第１金属膜は、コールドスプレー膜であり、保護膜と離間したはんだにより板状配線と接合される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第１金属膜と板状配線との接合に用いられるはんだが保護膜と離間するため、第１金属膜、保護膜およびはんだの全てが接触する接触点が存在しない。従って、第１金属膜、保護膜およびはんだに対する応力が緩和され、表面電極自体、または表面電極と板状配線との間の接合部の信頼性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１の電力用半導体モジュールの断面図である。
【図２】実施の形態１の電力用半導体モジュールの部分平面図である。
【図３】実施の形態１のスイッチングデバイスの上面図である。
【図４】図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図５】実施の形態１の還流ダイオードの製造方法を示す断面図である。
【図６】保護膜が形成された半導体ウェハを上面図である。
【図７】保護膜の上にマスクを重ね合わせた状態の半導体ウェハの上面図である。
【図８】コールドスプレー装置から上面電極へ粉体を吐出している状態を示す断面図である。
【図９】第２コールドスプレー膜１１１の成膜工程を示す断面図である。
【図１０】本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
図１は、実施の形態１の電力用半導体モジュール１００（以下、単にモジュール１００とも称する）の断面図である。図２は、モジュール１００を上面側（図１の紙面上側）から見た部分平面図である。図１は、図２のＡ−Ｂ−Ａ線に沿った断面図である。図３は、モジュール１００に搭載されたスイッチングデバイス１０４ａの上面図であり、図４は図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。なお、図２において、開口部を閉じるカバーおよび封止材１０５などは図示を省略している。以下、図１から図４を用いてモジュール１００の構成を説明する。
【００１４】
図１に示されるように、モジュール１００は、ベース板１０１、ケース１０２、絶縁基板１０３、半導体装置１０４、第１コールドスプレー膜１１０、第２コールドスプレー膜１１１、保護膜１１２、板状配線１０６ａ、主端子１０８ａ、および制御端子１０８ｂを備えている。
【００１５】
なお、コールドスプレー膜とは、金属粒子が溶融しない範囲の温度で吐出された金属粒子が、被接合面と衝突し変形することによって被接合面に接合され、これにより形成された膜である。変形して接合した金属粒子同士には隙間が生じるため、コールドスプレー膜の内部には空孔があり、表面には凹凸を有している。コールドスプレー膜は、厚み及び形状を任意に選択することが可能である。
【００１６】
ケース１０２は、上面側（図１の紙面上側）および底面側（図１の紙面下側）が開口している。ベース板１０１は、樹脂材等でケース１０２と接合され、ケース１０２の底面側の開口部に収納される。ベース板１０１は、ケース１０２の底面側の開口部と形状および面積が同一であり、ケース１０２の底面を構成する。ベース板１０１は、例えばＣｕ板、もしくはＡｌＳｉＣまたはＣｕ−Ｍｏなどの複合材により構成される。但し、半導体装置１０４の使用にあたり十分な絶縁性能、強度および熱伝導性が得られるのであれば、ベース板１０１は設けられなくても良い。この場合、絶縁基板１０３の下側導体パターン１０３ｅがケース１０２の底面として露出する。ケース１０２は、例えばポリフェニルサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）またはポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）で構成される。ケース１０２の上面側の開口部から樹脂等の封止材１０５を導入することで、ベース板１０１、絶縁基板１０３、半導体装置１０４、配線１０６、主端子１０８ａおよび制御端子１０８ｂが封止材１０５で覆われる。封止材１０５には、例えばフィラーが混入されたエポキシ材、またはシリコンゲルが用いられる。封止材１０５は、モジュール１００の使用に際して十分な絶縁性を有していれば良い。
【００１７】
ベース板１０１の上面には、絶縁基板１０３の下側導体パターン１０３ｅがはんだ１０７ｂにより接合される。絶縁基板１０３は、絶縁材１０３ｄと、絶縁材１０３ｄの上面に形成される上側導体パターン１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃと、絶縁材１０３ｄの下面に形成される下側導体パターン１０３ｅとを備えている。絶縁材１０３ｄは、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などのセラミックス材、もしくはエポキシ材または液晶ポリマーなどのバインダー材にシリカ、アルミナまたは窒化ホウ素（ＢＮ）などのフィラーを混入した有機絶縁材で構成される。上側導体パターン１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃおよび下側導体パターン１０３ｅは、例えばＣｕ材単体、Ｃｕ材にＮｉめっきまたは銀（Ａｇ）めっきを施したもの、またはＡｌ材にＮｉめっきまたはＡｇめっきを施したもので構成される。
【００１８】
絶縁基板１０３の上面には、半導体装置１０４がはんだ１０７ａにより接合されている。はんだ１０７ａは、例えばすず（Ｓｎ）または鉛（Ｐｂ）を基材としたはんだ材である。あるいは、はんだ１０７ａに代えてＡｇ焼結材が用いられても良い。半導体装置１０４は、スイッチングデバイス１０４ａと還流ダイオード１０４ｂを含む。スイッチングデバイス１０４ａは、例えばＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴまたはＳｉ−ＩＧＢＴであり、還流ダイオード１０４ｂは、例えばＳｉＣ−ＳＢＤ（Shottky Barrier Diode）またはＳｉ−ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）である。上側導体パターン１０３ａは、スイッチングデバイス１０４ａのドレイン電極に電気的に接続される。以降の説明において、スイッチングデバイス１０４ａと還流ダイオード１０４ｂを区別する必要がない場合には、単に半導体装置１０４と称する。
【００１９】
ケース１０２には、主端子１０８ａと制御端子１０８ｂが設置されている。スイッチングデバイス１０４ａは、主端子１０８ａと板状配線１０６ａにより結線され、制御端子１０８ｂとソース信号配線１０６ｂおよびゲート信号配線１０６ｃにより結線される。還流ダイオード１０４ｂは、主端子１０８ａと板状配線１０６ａにより結線される。
【００２０】
図１では図示を省略しているが、図２から図４に示すように、スイッチングデバイス１０４ａと還流ダイオード１０４ｂの上面には上面電極１０９が設けられている。さらに、スイッチングデバイス１０４ａの上面には、ゲートパッド１０９ａが設けられている。図３および図４に示すように、スイッチングデバイス１０４ａの上面の周縁部には保護膜１１２が形成されている。また、保護膜１１２はスイッチングデバイス１０４ａの上面において、ゲートパッド１０９ａを囲むようにしても形成されている。すなわち、上面電極１０９とゲートパッド１０９ａは保護膜１１２によって絶縁されている。保護膜１１２は、スイッチングデバイス１０４ａの表面の物理的な保護と、絶縁距離を増加させるために設けられる。保護膜１１２には、有機物であるポリイミドの他、無機物であるＳｉＯ２またはＳｉＮが用いられる。
【００２１】
ゲートパッド１０９ａ上には、第３コールドスプレー膜１１３が形成される。第３コールドスプレー膜１１３は、ゲート信号配線１０６ｃにより上側導体パターン１０３ｃとウェッジボンディングで結線される。上側導体パターン１０３ｃは、ゲート電極と電気的に接続される他、制御端子１０８ｂとゲート信号配線１０６ｃにより結線される。ここで、ゲート信号配線１０６ｃはＣｕワイヤであり、第３コールドスプレー膜１１３はＣｕワイヤ用の接合緩衝層として用いられている。従って、ゲート信号配線１０６ｃにＡｕワイヤなど他の材料を用いる場合、ゲートパッド１０９ａ上に第３コールドスプレー膜１１３は形成されなくても良い。但し、ゲート信号配線１０６ｃにＣｕワイヤを用いる場合、Ａｌワイヤと比較して接合部の信頼性が大幅に高くなる。ＣｕはＡｌよりも強度が勝るため、アセンブリ時にワイヤの変形が発生しにくい。この場合、ゲート信号配線１０６ｃの線径は、例えば５０μｍ以上２００μｍ以下程度とする。
【００２２】
図２に示すように、スイッチングデバイス１０４ａの上面電極１０９は、上側導体パターン１０３ｂとソース信号配線１０６ｂによりウェッジボンディングで結線される。上側導体パターン１０３ｂはソース電極と電気的に接続される。ソース信号配線１０６ｂは、導電性材料が用いられれば良く、例えばＣｕワイヤまたはＡｌワイヤである。
【００２３】
図１および図２は図示していないが、モジュール１００内には温度検知用のダイオードが設けられている。このダイオードのカソード電極およびアノード電極に接続される配線にも、ゲート信号配線１０６ｃと同様、ＣｕワイヤまたはＡｌワイヤが用いられる。
【００２４】
上記したように、スイッチングデバイス１０４ａと還流ダイオード１０４ｂは、板状配線１０６ａにより主端子１０８ａと結線される。次に、スイッチングデバイス１０４ａおよび還流ダイオード１０４ｂと板状配線１０６ａとの接合部分について説明する。以下、図１を参照して、スイッチングデバイス１０４ａと板状配線１０６ａの接合部分について説明するが、還流ダイオード１０４ｂと板状配線１０６ａの接合部分もこれと同様である。
【００２５】
板状配線１０６ａには、例えばＣｕ製の板材が用いられる。但し、板状配線１０６ａは電流を流す事が可能な電気伝導性を有していれば良いため、Ｃｕより熱膨張率が小さい板材であってもよい。例えば、板状配線１０６ａは、Ｆｅ−Ｎｉ合金であるインバーの表裏面にＣｕめっきが施されたＣｕ−Ｉｎｖａｒ−Ｃｕの層構成を有する板材であっても良い。板状配線１０６ａは、例えば溶接、はんだ付け、または超音波接合などで主端子１０８ａと接合されている。具体的には、板状配線１０６ａの板厚は通電される電流により決定されるが、０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下程度が適当である。
【００２６】
スイッチングデバイス１０４ａおよび還流ダイオード１０４ｂの上面電極１０９の最表面には、コールドスプレー法により第１コールドスプレー膜１１０が成膜されている。第１コールドスプレー膜１１０を第１金属膜とも称する。これらの第１コールドスプレー膜１１０上の向かい合う位置に板状配線１０６ａが設けられており、両者がはんだ１０７ｃで接合される。第１コールドスプレー膜１１０は、例えばＣｕ粉体のコールドスプレー膜であるが、はんだ１０７ｃが濡れ広がることが可能な金属膜であれば他の金属粉体のコールドスプレー膜であっても良いし、コールドスプレー膜でなくても良い。
【００２７】
第１コールドスプレー膜１１０は保護膜１１２と接しないように、半導体装置１０４の終端部を避けて成膜されることが望ましい。これにより、はんだ１０７ｃが第１コールドスプレー膜１１０上を濡れ広がったとしても、はんだ１０７ｃ、保護膜１１２および第１コールドスプレー膜１１０が共に接触する接触点が形成されない。但し、後述するように第２コールドスプレー膜１１１によりはんだ１０７ｃが保護膜１１２と接しないようにできる場合には、保護膜１１２は第１コールドスプレー膜１１０と接していても良いし、第２コールドスプレー膜１１１と接していても良い。第１コールドスプレー膜１１０および第２コールドスプレー膜１１１の成膜方法については後述する。
【００２８】
図１に示すように、第１コールドスプレー膜１１０に相対する板状配線１０６ａの位置には貫通孔が形成されている。この貫通孔は、第１コールドスプレー膜１１０と板状配線１０６ａの間の空間に設けられたはんだ１０７ｃが、溶融して体積膨張したときに濡れ拡がることのできる空間として機能する。これにより、第１コールドスプレー膜１１０と板状配線１０６ａの間に収まりきらないはんだが、はんだボールとなって分離されることが抑制される。図１に示すように、板状配線１０６ａの貫通孔の周辺部はそれ以外の部分に対して下方向に凸となることが望ましい。このような形状は、板状配線１０６ａを下方向にプレスした後、プレスした領域よりも小さい径の貫通孔をプレスで形成することにより得られる。
【００２９】
はんだ１０７ｃが厚いと、溶融時にはんだボールの発生確率が高くなる。一方で、はんだ１０７ｃが薄いと、板状配線１０６ａが熱膨張により変形した際に応力を緩和できず、第１コールドスプレー膜１１０から上面電極１０９へかけて亀裂が発生してしまうため、接合部の信頼性が低下する。したがって、はんだ１０７ｃの厚さは４００μｍ程度が好ましい。また、板状配線１０６ａの貫通孔をプレスで打ち抜く際は、第１コールドスプレー膜１１０に相対する方向へ打ち抜く事が望ましい。
【００３０】
第１コールドスプレー膜１１０の周縁部上には第２コールドスプレー膜１１１が形成される。第２コールドスプレー膜１１１を第２金属膜とも称する。第２コールドスプレー膜１１１は板状配線１０６ａと接することにより、溶融したはんだ１０７ｃが上面電極１０９上へ拡がらないように防ぐ壁の役割を果たす。これにより、供給量が多すぎて、はんだ１０７ｃが第１コールドスプレー膜１１０と板状配線１０６ａの間に収まりきらない場合でも、はんだ１０７ｃが板状配線１０６ａの貫通孔を通って板状配線１０６ａの上部へと濡れ拡がり、はんだボールの発生が抑制される。第２コールドスプレー膜１１１は例えばＣｕ材であるが、溶融したはんだ１０７ｃが濡れ拡がる事が可能な金属材料であればよく、第１コールドスプレー膜１１０とは供給粉体が異なっていても良い。すなわち、溶融したはんだ１０７ｃが第２コールドスプレー膜１１１の内側に留まれなかった場合に、第２コールドスプレー膜１１１の外側の側面に濡れ広がる事で、はんだボールの抑制が可能であり、更に濡れ広がった場合であっても第１コールドスプレー膜にはんだが濡れ広がるためはんだボールの抑制が可能となる。なお、第１コールドスプレー膜１１０の厚みは５０μｍ以上２００μｍ未満であり、第２コールドスプレー膜１１１の厚みは２００μｍ以上１０００μｍ未満程度が望ましい。第２コールドスプレー膜１１１は、第１コールドスプレー膜１１０よりもはんだ１０７ｃに対する濡れ性の良い材料であることが望ましい。なお、第２コールドスプレー膜１１１よりも第１コールドスプレー膜１１０の方が濡れ性が良い材料であっても、はんだボール抑制に対する効果は同等に得られる。
【００３１】
モジュール１００の組立時にはんだ１０７ｃを供給する方法として、板状のはんだ材を第１コールドスプレー膜１１０と板状配線１０６ａの間に挟んでも良い。あるいは、板状配線１０６ａの貫通孔より小さい径の円筒状のはんだ材を、当該貫通孔の上部から供給しても良い。
【００３２】
このように、半導体装置１０４の上面電極１０９上に第１コールドスプレー膜１１０が形成され、第１コールドスプレー膜１１０の周縁部上に第２コールドスプレー膜１１１が形成される。第２コールドスプレー膜１１１が板状配線１０６ａと接することにより、溶融したはんだ１０７ｃが上面電極１０９上へ溢れることが抑制される。また、溶融したはんだ１０７ｃが板状配線１０６ａの貫通孔内に留まることにより、板状配線１０６ａの上面からはんだ１０７ｃがこぼれてはんだボールが形成される事が抑制される。また、板状配線１０６ａの貫通孔に形成されたはんだ１０７ｃがリベットの役目を果たすため、板状配線１０６ａの熱膨張時の変形が抑制される。また、第２コールドスプレー膜１１１と板状配線１０６ａの間に隙間がある場合には、この隙間からはんだ１０７ｃがこぼれることがあり得るが、その場合でも第２コールドスプレー膜１１１の表面にはんだ１０７ｃが濡れ広がるため、はんだボールの発生が抑制される。
【００３３】
第２コールドスプレー膜１１１が板状配線１０６ａと接する場合、はんだ１０７ｃは板状配線１０６ａと半導体装置１０４との間では第２コールドスプレー膜１１１に覆われており、封止材１０５と接触しない。このように、はんだ１０７ｃと封止材１０５の接触面積を小さくすることにより、封止材１０５にはんだ１０７ｃとの密着性が悪いエポキシ樹脂が用いられる場合でも、封止材１０５のはんだ１０７ｃからの剥離が抑制される。また、第１コールドスプレー膜１１０と第２コールドスプレー膜１１１がＣｕ材料からなる場合には、表面の凹凸によるアンカー効果によってエポキシ樹脂との高い密着性が得られるため、封止材１０５の剥離がさらに抑制される。
【００３４】
図４に示すように、スイッチングデバイス１０４ａは、半導体基板２０１、上面電極１０９、ゲートパッド１０９ａ、バリアメタル２０４、Ｎｉ電極２０５、およびＡｕ電極２０６を備えている。半導体基板２０１は、ＳｉＣ基板またはＳｉ基板であり、第１主面２０１ａおよび第１主面２０１ａに対向する第２主面２０１ｂを備えている。半導体基板２０１の第１主面２０１ａ側および第２主面２０１ｂ側の表層にはそれぞれ拡散層（図示せず）が設けられ、これらの拡散層はＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴの動作を司る活性層として機能する。
【００３５】
上面電極１０９とゲートパッド１０９ａは、半導体基板２０１の第１主面２０１ａ上に形成される。すなわち、上面電極１０９とゲートパッド１０９ａは、半導体基板２０１の第１主面２０１ａ上に設けられた表面電極である。上面電極１０９は、半導体装置１０４がＭＯＳＦＥＴである場合にはソース電極であり、半導体装置１０４がＩＧＢＴである場合にはエミッタ電極である。上面電極１０９とゲートパッド１０９ａは、半導体基板２０１の第１主面２０１ａ側の表層の拡散層との電気的導通を行う電極であり、一般に純Ａｌ、ＡｌＳｉ合金、ＡｌＣｕ合金およびＡｌＳｉＣｕ合金が用いられる。合金中のＳｉまたはＣｕの混合比率は、合金中での重量比で５ｗｔ％以下である。上面電極１０９とゲートパッド１０９ａは、半導体基板２０１の第１主面２０１ａ側の表層の拡散層と共に第１主電極２１０を構成する。
【００３６】
半導体基板２０１の第２主面２０１ｂ上には、バリアメタル２０４が設けられる。バリアメタル２０４は、外部からのデバイス動作を阻害する元素の侵入を防止する膜であり、一般にチタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）またはＡｌ等の金属膜、もしくはこれらの酸化物または窒化物が用いられる。バリアメタル２０４上にはＮｉ電極２０５が直接接合される。Ｎｉ電極２０５は、はんだ付け時にはんだと反応して合金層および金属間化合物を形成する。Ｎｉ電極２０５上にはＡｕ電極２０６が設けられる。Ａｕ電極２０６は半導体装置の特性を測定する際に接触抵抗の影響を除き、さらに、Ｎｉの酸化を防いで、はんだの密着性を向上させるために設けられている。バリアメタル２０４、Ｎｉ電極２０５およびＡｕ電極２０６は、半導体基板２０１の第２主面２０１ｂ側の表層の拡散層（図示せず）と共に第２主電極２２０を構成する。バリアメタル２０４、Ｎｉ電極２０５およびＡｕ電極２０６は、半導体装置１０４がＭＯＳＦＥＴである場合にはドレイン電極であり、半導体装置１０４がＩＧＢＴである場合にはコレクタ電極である。
【００３７】
＜Ａ−２．製造方法＞
第１コールドスプレー膜１１０は、コールドスプレー装置から金属粉体を吐出することにより、被接合面である上面電極１０９上とゲートパッド１０９ａ上に成膜される。コールドスプレー装置から吐出された金属粉体が被接合面である上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａに衝突すると、金属粉体の熱エネルギーと運動エネルギーが摩擦熱に変わり、金属粉体および被接合面のそれぞれの最表面で変形が生じて相互に絡み合う。また、それぞれの最表面の金属酸化膜が除去されて、金属粉体と被接合面の界面で生じる反応によりコールドスプレー膜が形成される。先に形成されたコールドスプレー膜の上に、連続的にコールドスプレー装置から金属粉体が吐出されて衝突することで膜厚が増加し、最終的に第１コールドスプレー膜１１０となる。
【００３８】
なお、コールドスプレー装置に供給する金属粉体は、Ｃｕ粉体であり、ＪＩＳ（日本工業規格）に適合した目開きが１００μｍ（１４９メッシュ）の試験用フルイを通過することにより、その粒径が制御される。Ｃｕ粉体の製法としては、電解法、高圧旋回水アトマイズ法、または水アトマイズ法などが用いられる。電解法により生成されたＣｕ粉体の粒子形状は樹枝（デンドライト）形状に近く、高圧旋回水アトマイズ法で生成されたＣｕ粉体の粒子形状は球形状に近い。いずれの形状のＣｕ粉体であっても、被接合面に衝突することで原型を留めない薄い扁平状となる。
【００３９】
目開きが１００μｍのフルイを通過した粒子は、粒径が１００μｍ以下の粒径分布を有する。但し、レーザー回折法による回折散乱パターンを解析して粒径を測定した場合、横軸を粒径、縦軸を頻度（個数）とした粒径分布図において、頻度（個数）が最大となる粒径が２０μｍ程度であることが望ましい。すなわち、粒径が２０μｍ程度の粒子が分布のピークを形成し、当該ピークを形成する粒子を中心に、それよりも粒径が小さな粒子および大きな粒子が存在することが望ましい。どちらかと言えば粒径が２０μｍ以下の粒子ができるだけ多い方が、後に説明するように、粒子間隔が緻密なコールドスプレー膜を得ると言う観点から望ましく、このような分布の金属粉体を得られるように、粒子の製造条件を制御することが望ましい。なお、ここで粒径のピークが２０μｍという場合、粒径が２０μｍの粒子だけでなく、２０μｍに対して±１０％の差を有する粒径の粒子も、ピークを形成する粒子とする。
【００４０】
このような粒径分布とすることで、第１コールドスプレー膜１１０の粉体粒子間隔を、上面電極１０９側およびゲートパッド１０９ａ側で緻密にし、上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａから離れるにつれて粗くし、第１コールドスプレー膜１１０の最表面に近づくにつれて再び緻密にすることができる。これについては後にさらに説明する。
【００４１】
なお、フルイの目開きは１００μｍ未満であっても良い。例えば、目開きが５３μｍ（２７０メッシュ）のフルイを用いた場合は、粒径が５３μｍ以下の粒子が得られる。但し、収率が低くなるため、安価にコールドスプレー膜を形成するには、フルイの目開きが１００μｍ程度であることが望ましい。
【００４２】
粒径が大きな粒子は、後述するコールドスプレー装置のノズルから吐出される際に、コールドスプレー膜の形成に十分な運動エネルギーを得られないため、先に形成されたコールドスプレー膜に衝突しても粒子同士の接合が生じず、吐出ガスの流れによって膜外にはじかれ、成膜に寄与しない。そのため、均一に第１コールドスプレー膜１１０を形成するには、金属粉体の粒径が小さいほうがよく、１００μｍ以下、より好ましくは６０μｍ以下である。なお、金属粉体の粒径の下限は、例えば１．０μｍであるが、粒径の下限を制御するためにフルイによる選別を行う必要はない。また、以下に説明する理由から、金属粉体の粒径を均一にする必要はなく、均一にするためにフルイによる選別を行う必要はない。
【００４３】
すなわち、所定の目開きを有するフルイにかけられた金属粉体は、当該目開き以下の粒径分布を有する。このような金属粉体を用いてコールドスプレーによる成膜を行うと、より重量の軽い微細な粒子から優先的に上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａに衝突してコールドスプレー膜を形成し、その後、より重量が重く粒径の大きな粒子が先に形成されたコールドスプレー膜に衝突する。したがって、上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａで保護されているスイッチングデバイス１０４ａが破壊されることがない。さらに、成膜の初期段階では微細な粒子が上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａに衝突するため、第１コールドスプレー膜１１０の下面側、すなわち上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａに近い側は、粒径の小さな粒子により構成された緻密なコールドスプレー膜となる。この緻密なコールドスプレー膜の上に、上述した目開き以下の粒径分布の金属粉体が順次に衝突するので、緻密なコールドスプレー膜上に、より粗いコールドスプレー膜が成膜される。なお、粒径の大きな粒子間により粒径の小さな粒子が衝突することで、粉体粒子間隔が比較的小さな膜が成膜されるため、第１コールドスプレー膜１１０の上層は比較的緻密な膜となる。この結果、第１コールドスプレー膜１１０は、その粉体粒子間隔が上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａ側ほど小さく、上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａから離れるにつれて大きく、最表面に近づくにつれて再び小さくなる膜構造を有する。
【００４４】
上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａの厚さは、例えば５μｍである。しかし、第１コールドスプレー膜１１０の成膜による半導体装置へのダメージを防ぐことができれば、上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａは５μｍより薄くても厚くても良い。
【００４５】
上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａの上に、湿式のめっき法によってＮｉめっき膜を形成しても良いし、真空蒸着によりＮｉスパッタ膜を形成しても良い。
【００４６】
本実施の形態では、第１コールドスプレー膜１１０の材料となる金属粉体としてＣｕ粉体を使用している。しかし、当該金属粉体は、被接合面と金属接合を形成し、板状配線１０６ａをはんだ付けする際の被接合材となる金属であれば、例えばＮｉ粉体でも良い。
【００４７】
第１コールドスプレー膜１１０の厚みは、スプレーの照射時間、照射速度（ガス圧）および照射温度により制御可能である。本実施の形態では、第１コールドスプレー膜１１０が溶融したはんだに溶解しなければよく、その観点から５μｍ以上の厚みがあれば十分である。また、第１コールドスプレー膜１１０が厚くなり過ぎると、スイッチングデバイス１０４ａが形成される半導体ウェハが反り返り、割れてしまう。そのため、第１コールドスプレー膜１１０の厚みは１００μｍ以下が望ましい。
【００４８】
湿式めっきにより形成されたＣｕ膜の結晶サイズは５μｍ程度であるのに対して、第１コールドスプレー膜１１０は主として２０μｍ程度の粒子により形成される。したがって、第１コールドスプレー膜１１０の最表面は、湿式めっきにより形成されたＣｕ膜に比べて平滑ではなく不均一であって凹凸が生じている。この凹凸は、例えば、レーザー顕微鏡により１００μｍ×１００μｍの範囲で測定した線粗さから導出した算術平均粗さＲａが１μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましい。ここでの凹凸の大きさは、非接触式の白色干渉計により測定される。
【００４９】
このように、第１コールドスプレー膜１１０の最表面に不均一な凹凸が存在することで、はんだ１０７ｃが濡れ拡がる面積が大きくなるため、はんだ１０７ｃと第１コールドスプレー膜１１０との接合強度が向上する。また、第１コールドスプレー膜１１０と封止材１０５との密着性が、アンカー効果により向上する。
【００５０】
なお、上述したコールドスプレー膜中の粒子サイズは、例えば、第１コールドスプレー膜１１０を断面観察して電子線後方散乱回折法（Electron Back Scatter Diffraction Patterns：ＥＢＳＤ）により測定された値である。
【００５１】
コールドスプレー装置のノズルから吐出される金属粉体は、被接合面への衝突時に変形する。したがって、例えば３０μｍの膜厚の第１コールドスプレー膜１１０を形成する場合に、必ずしも金属粉体の粒径を３０μｍ以下としなくても良い。
【００５２】
通常、Ｃｕなどの金属膜は、スパッタ蒸着法により成膜されると、膜厚が２μｍ以上３μｍ以下であり、膜厚分布はナノメートルオーダと平坦である。また、めっき法により金属膜を形成する場合、膜厚が数μｍ以上３０μｍ以下であり、膜厚分布はサブミクロンオーダと平坦である。一方、後述するように本実施の形態では、金属膜をコールドスプレー法によりマスクを用いて成膜する。コールドスプレー膜は、マスク開口部壁面に沿って鉛直に立ち上がらず、膜中央部に向かって傾斜した形状となる。第１コールドスプレー膜１１０の厚さは、超音波探傷法により測定することができる。すなわち、第１コールドスプレー膜１１０の成膜後の半導体装置に対して超音波プローブから発せられる超音波が第１コールドスプレー膜１１０を通過するのに要する時間と、第１コールドスプレー膜１１０と上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａとの界面で超音波が反射されて返ってくるまでの時間との差により測定される。
【００５３】
次に、図５から図９を用いて、還流ダイオード１０４ｂの製造方法について説明する。
【００５４】
図５に示すように、拡散層（図示せず）が設けられた半導体基板２０１の第１主面２０１ａ上に、上面電極１０９を形成する。半導体基板２０１の第１主面２０１ａ側の拡散層と上面電極１０９とが第１主電極２１０となる。上面電極１０９は、例えば物理的気相成長法（ＰＶＤ）または化学的気相成長法（ＣＶＤ）などの真空成膜法で形成する。その後、半導体基板２０１を第２主面２０１ｂ側から研削し、所定の厚さとする。
【００５５】
次に、研削後の第２主面２０１ｂ上に、バリアメタル２０４、Ｎｉ電極２０５およびＡｕ電極２０６の順に、例えば真空成膜法で形成し、これらを第２主電極２２０とする。
【００５６】
次に、上面電極１０９上に感光性ポリイミド（ＰＩ）を塗布して選択的に露光することにより、厚さ２μｍ以上１０μｍ以下の保護膜１１２を成膜する。保護膜１１２が有機物で構成される場合は、Ｎｉ電極２０５およびＡｕ電極２０６の形成後に成膜する。その後、保護膜１１２上にコールドスプレー用のマスク４０４を重ね合わせる。
【００５７】
なお、マスク４０４の保護膜１１２と重なる部分は、保護膜１１２と干渉しないように１０μｍほど厚みが薄くなっている。マスク４０４の開口部は上面電極１０９上に重なるように配設されている。
【００５８】
図６は、保護膜１１２を形成した段階の半導体ウェハ３０１の上面図である。なお、半導体ウェハ３０１は図５の半導体基板２０１に対応している。図６に示されるように、保護膜１１２は、ダイシングライン３０４で囲まれた四角形の半導体装置形成領域３０２内にダイシングライン３０４に沿って設けられ、ダイシングライン３０４上には形成されない。
【００５９】
図７は、保護膜１１２の上にマスク４０４を重ね合わせた状態の半導体ウェハ３０１の上面図である。マスク４０４は、保護膜１１２とダイシングライン３０４を覆っている。マスク４０４の開口部ＯＰは、半導体装置形成領域３０２の第１コールドスプレー膜１１０を成膜する部分である。マスク４０４には、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）板が使用される。マスク４０４の厚さは、コールドスプレー装置により吐出される粉体がマスク４０４を貫通しない厚さに設定され、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ未満、望ましくは１ｍｍ程度とする。なお、ＳＵＳ板の保護膜１１２と対面する部分に、保護膜１１２と同種の有機物がコーティングされたものをマスク４０４として用いても良い。これにより、保護膜１１２とＳＵＳ板とが直接接することにより、保護膜１１２が傷つく可能性を低減できる。
【００６０】
図８は、コールドスプレー装置４２０から上面電極１０９へ粉体４２３を吐出している状態を示している。マスク４０４を重ねた半導体ウェハ３０１の上部にコールドスプレー装置４２０を配置し、コールドスプレー装置４２０のノズル４２２の先端から被接合面となる上面電極１０９に向けて粉体４２３を吐出することで、上面電極１０９上に第１コールドスプレー膜１１０を成膜する。コールドスプレー装置４２０は、スプレーガン４２１、ノズル４２２および配管４２４を備えて構成される。ノズル４２２は、スプレーガン４２１の先端に設けられて粉体４２３を吐出する。配管４２４は、スプレーガン４２１のノズル４２２とは反対側に設けられる。粉体４２３は、粒径１００μｍ以下の金属粉体であり、本実施の形態においては、板状配線材であるＣｕ板とはんだ付けできる材料としてＣｕ粉体が用いられる。なお、粉体４２３は、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕなどの金属粉体でも良い。
【００６１】
コールドスプレー装置４２０は、配管４２４を介して粉体供給装置（図示せず）および高圧ガス発生装置（図示せず）に接続されている。粉体供給装置から配管４２４に供給された粉体４２３は、ヒータ（図示せず）が取り付けられたスプレーガン４２１を通過する際に高温に加熱される。高圧ガス発生装置からは配管４２４に高圧ガスが供給され、高温に加熱された粉体４２３を付勢する。これにより、ノズル４２２から上面電極１０９へ粉体４２３が吐出される。
【００６２】
高圧ガスは不活性ガスであれば良く、例えば窒素ガス、アルゴンガスまたはヘリウムガスが用いられる。高圧ガスの圧力はノズル４２２の先端から吐出される際に、例えば、噴射圧力０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下となり、１ｍｌ／ｍｉｎ以上１０００ｍｌ／ｍｉｎ以下の流速で、粉体供給量が１ｇ／ｍｉｎ以上１００ｇ／ｍｉｎ以下となるような圧力とする。このような条件で粉体４２３を吹き付けることで、吐出時間に応じた任意の膜厚の第１コールドスプレー膜１１０を形成することが可能となる。また、上記の圧力設定にすることで、上述したように、より微細な粒子を優先的に上面電極１０９に衝突させて第１コールドスプレー膜１１０を形成し、その後、より重量が重く粒径の大きな粒子を先に形成された第１コールドスプレー膜１１０に衝突させることができる。
【００６３】
なお、ヒータ温度は１００〜７００℃の範囲で調整可能であり、吐出する材料によって任意に選択される。
【００６４】
ノズル４２２の先端とマスク４０４との距離は、１ｍｍ以上３００ｍｍ以下であれば第１コールドスプレー膜１１０を成膜可能である。本実施の形態では、当該距離を５ｍｍ程度に設定する。この距離は、先に説明したように、粒径が大きな粒子を排除するための距離である。ノズル４２２から吐出される際に、第１コールドスプレー膜１１０を形成するのに十分な運動エネルギーが得られないほど粒径が大きな粒子は、ノズル４２２の先端とマスク４０４との間から吐出ガスの流れによって膜外にはじかれることとなる。
【００６５】
第１コールドスプレー膜１１０を成膜後、図９に示すように第２コールドスプレー膜１１１を成膜する。まず、半導体ウェハ３０１上から成膜に寄与しなかった粉体をブロアーで除去する。ここで、ノズル４２２によるコールドスプレーの塗布幅を５００μｍ以上１０００μｍ以下とする。次に、ノズル４２２の中心をマスク４０４の開口端部から２５０μｍ程内側にセットする。そして、ノズル４２２から粉体４２３を吐出し、マスク４０４の開口部の周囲をコールドスプレーする。これにより、第１コールドスプレー膜１１０の端部上に第２コールドスプレー膜１１１が形成される。ノズル４２２の中心位置が第２コールドスプレー膜１１１の厚みのピークとなり、そこから還流ダイオード１０４ｂの中央部に向かうほど、第２コールドスプレー膜１１１の厚みは小さくなる。第１コールドスプレー膜１１０と第２コールドスプレー膜１１１を一体のコールドスプレー膜としてみると、断面が凹状のコールドスプレー膜である。ここで、第２コールドスプレー膜１１１の厚みは、上面電極１０９と板状配線１０６ａの距離より小さい範囲で、任意に設定できる。
【００６６】
その後、マスク４０４を取り除き、半導体ウェハ３０１上から成膜に寄与しなかった粉体をブロアーで除去する。この後、成膜された第１コールドスプレー膜１１０および第２コールドスプレー膜１１１が酸化しないように、還元性を有する液体中、またはＣｕを僅かに溶解する酸性の液体中で超音波洗浄により成膜に寄与しなかった粉体を取り除く。また、第１コールドスプレー膜１１０の最表面に形成された酸化膜を除去し、その後、ベンゾトリアゾール等の防錆皮膜を形成して、酸化防止をしても良い。
【００６７】
さらに、窒素ガスのような不活性ガス雰囲気下で半導体ウェハ３０１を乾燥させて、粉体４２３の衝突時に第１コールドスプレー膜１１０および第２コールドスプレー膜１１１内に発生した残留応力を緩和すると共に、粒子同士の接合界面を再結晶化して、より緻密な金属膜を形成する。
【００６８】
第１コールドスプレー膜１１０および第２コールドスプレー膜１１１が成膜された半導体ウェハ３０１は、ダイシングライン３０４に沿って、ダイシング装置でダイシングされ、図９に示されるように還流ダイオード１０４ｂに個片化される。
【００６９】
なお、窒素ガスによる乾燥および再結晶化は、ダイシング工程前ではなくダイシング後の工程で実施されても良い。例えば、モジュール１００の組み立て工程中、より具体的には、チップダイボンディング時にリフロー熱を利用して第１コールドスプレー膜１１０および第２コールドスプレー膜１１１の残留応力の緩和と再結晶化を行うと効率的である。
【００７０】
＜Ａ−３．変形例＞
上記では、上面電極１０９およびゲートパッド１０９ａ上に、第１コールドスプレー膜１１０と第２コールドスプレー膜１１１が設けられることについて説明した。しかし、第１コールドスプレー膜１１０と第２コールドスプレー膜１１１の少なくとも一方に代えて、Ｎｉめっき膜が成膜されていても良い。
【００７１】
＜Ａ−４．効果＞
実施の形態１の半導体装置１０４は、半導体基板２０１と、半導体基板２０１の第１主面２０１ａ上に設けられた表面電極である上面電極１０９またはゲートパッド１０９ａと、表面電極の周縁上に設けられた保護膜１１２と、表面電極の保護膜１１２で囲まれた領域上に設けられた第１金属膜である第１コールドスプレー膜１１０と、を備え、第１コールドスプレー膜１１０は、保護膜１１２と離間したはんだ１０７ｃにより板状配線１０６ａと接合される。すなわち、第１コールドスプレー膜１１０、保護膜１１２およびはんだ１０７ｃの全てが接触する接触点は存在しない。これにより、第１コールドスプレー膜１１０、保護膜１１２およびはんだ１０７ｃに対して応力が集中することが避けられる。従って、表面電極自体、または表面電極と板状配線１０６ａとの間の接合部である第１コールドスプレー膜１１０およびはんだ１０７ｃの信頼性が高まる。具体的には、はんだ１０７ｃ、第１コールドスプレー膜１１０、および表面電極における亀裂進展が抑制される。また、仮にはんだ１０７ｃで亀裂が発生し、その亀裂が第１コールドスプレー膜１１０に進展したとしても、第１コールドスプレー膜１１０の厚みだけ、はんだ１０７ｃから表面電極への亀裂進展距離が長いため、長寿命化が実現する。また、表面電極が保護膜１１２と接する点から引き剥がされて半導体基板２０１を破壊することが抑制される。なお、半導体装置がＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴである場合、表面電極に亀裂が発生すると、その亀裂が垂直に進展してガラス質のゲート酸化膜に達し、ゲート−ソースまたはゲート−エミッタ間が短絡故障してしまう。しかし、半導体装置１０４によれば、表面電極１０４への亀裂を抑制できるため、上記の短絡故障を抑制できる。
【００７２】
また、第１コールドスプレー膜１１０が保護膜１１２と離間して配置される、すなわち接触しないことで、はんだ１０７ｃが第１コールドスプレー膜１１０を超えて濡れ拡がった場合でも、第１コールドスプレー膜１１０、保護膜１１２およびはんだ１０７ｃの全てが接触する接触点が生じないため、はんだ１０７ｃの剥離が抑制され、表面電極に対して応力が集中することが避けられる。従って、表面電極自体、または表面電極と板状配線１０６ａとの間の接合部である第１コールドスプレー膜１１０およびはんだ１０７ｃの信頼性が高まる。
【００７３】
実施の形態１の半導体装置１０４は、第１金属膜である第１コールドスプレー膜１１０と板状配線１０６ａとの間で第１コールドスプレー膜１１０の周縁上に設けられた第２金属膜である第２コールドスプレー膜１１１を備える。したがって、第２コールドスプレー膜１１１が壁となって、はんだ１０７ｃが表面電極上にこぼれてはんだボールとなることを防ぐことができる。
【００７４】
第１金属膜がコールドスプレー法により成膜される第１コールドスプレー膜１１０である場合、湿式めっきにより形成された金属膜に比べて表面に凹凸を有するため、はんだ１０７ｃが第１コールドスプレー膜１１０上を濡れ拡がる面積が大きく、はんだ１０７ｃとの接合強度が向上する。
【００７５】
第２金属膜がコールドスプレー法により成膜される第２コールドスプレー膜１１１である場合、湿式めっきにより形成された金属膜に比べて表面に凹凸を有するため、はんだ１０７ｃが第２コールドスプレー膜１１１上を濡れ拡がる面積が大きく、はんだ１０７ｃとの接合強度が向上する。また、第２コールドスプレー膜１１１の外側の側面に凹凸があることから、第２コールドスプレー膜１１１と封止材１０５との密着性がアンカー効果により向上する。
【００７６】
実施の形態１の電力用半導体モジュール１００は、半導体装置１０４と、半導体装置１０４の第１金属膜と相対する位置に設けられ、第１金属膜とはんだ１０７ｃで接合された板状配線１０６ａとを備える。電力用半導体モジュール１００は、第１金属膜、保護膜１１２およびはんだ１０７ｃの全てが接触する接触点を有さないため、表面電極自体、または表面電極と板状配線１０６ａとの間の接合部である第１コールドスプレー膜１１０およびはんだ１０７ｃの信頼性が高まる。
【００７７】
実施の形態１の電力用半導体モジュール１００において、板状配線１０６ａの第１金属膜と相対する位置に貫通孔が形成される場合、第１金属膜と板状配線１０６ａの間の空間に設けられたはんだ１０７ｃが、溶融して体積膨張したときに貫通孔へ濡れ拡がることができるため、はんだボールを抑制することができる。
【００７８】
実施の形態１の電力用半導体モジュール１００において、第２金属膜と板状配線１０６ａの間に隙間がある場合には、この隙間からはんだ１０７ｃがこぼれることがあり得るが、その場合でも第２コールドスプレー膜１１１の表面にはんだ１０７ｃが濡れ広がるため、はんだボールの発生が抑制される。
【００７９】
実施の形態１の電力用半導体モジュール１００の製造方法は、半導体基板２０１の第１主面２０１ａ上に表面電極である上面電極１０９またはゲートパッド１０９ａを形成し、表面電極の周縁上に保護膜１１２を形成し、表面電極の保護膜１１２で囲まれた領域上に第１金属膜である第１コールドスプレー膜１１０をコールドスプレー法により形成し、第１金属膜を、保護膜１１２と離間したはんだ１０７ｃにより板状配線１０６ａと接合する。これにより、第１コールドスプレー膜１１０、保護膜１１２およびはんだ１０７ｃに対して応力が集中することが避けられる。従って、表面電極自体、または表面電極と板状配線１０６ａとの間の接合部である第１コールドスプレー膜１１０およびはんだ１０７ｃの信頼性が高まる。
【００８０】
＜Ｂ．実施の形態２＞
本実施の形態は、上述した実施の形態１にかかるモジュール１００を電力変換装置に適用したものである。実施の形態１にかかるモジュール１００は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、三相のインバータに実施の形態１にかかるモジュール１００を適用した場合について説明する。
【００８１】
図１０は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【００８２】
図１０に示す電力変換システムは、電源５００、電力変換装置５１０および負荷５２０から構成される。電源５００は、直流電源であり、電力変換装置５１０に直流電力を供給する。電源５００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源５００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
【００８３】
電力変換装置５１０は、電源５００と負荷５２０の間に接続された三相のインバータであり、電源５００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷５２０に交流電力を供給する。電力変換装置５１０は、図１０に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路５１１と、主変換回路５１１を制御する制御信号を主変換回路５１１に出力する制御回路５１３とを備えている。
【００８４】
負荷５２０は、電力変換装置５１０から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷５２０は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００８５】
以下、電力変換装置５１０の詳細を説明する。主変換回路５１１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源５００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷５２０に供給する。主変換回路５１１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路５１１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路５１１の各スイッチング素子と各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態１のモジュール１００に相当する半導体モジュール５１２が適用される。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路５１１の３つの出力端子は、負荷５２０に接続される。
【００８６】
また、主変換回路５１１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール５１２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール５１２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路５１１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路５１１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路５１３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【００８７】
制御回路５１３は、負荷５２０に所望の電力が供給されるよう主変換回路５１１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷５２０に供給すべき電力に基づいて主変換回路５１１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路５１１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路５１１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００８８】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路５１１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１にかかるモジュール１００を適用するため、高い信頼性を得ることができる。
【００８９】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータにモジュール１００を適用する例を説明したが、モジュール１００は、これに限らず種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータにモジュール１００を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータにモジュール１００を適用することも可能である。
【００９０】
また、モジュール１００を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器、または非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムまたは蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【００９１】
なお、本発明は、その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、省略したりすることが可能である。この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００９２】
１０，１０３ｅ  下側導体パターン、１１１  第２コールドスプレー膜、１００  電力用半導体モジュール、１０１  ベース板、１０２  ケース、１０３  絶縁基板、１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ  上側導体パターン、１０３ｄ  絶縁材、１０３ｅ  下側導体パターン、１０４  半導体装置、１０４ａ  スイッチングデバイス、１０４ｂ  還流ダイオード、１０５  封止樹脂、１０６  配線、１０６ａ  板状配線、１０６ｂ  ソース信号配線、１０６ｃ  ゲート信号配線、１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ  はんだ、１０８ａ  主端子、１０８ｂ  制御端子、１０９  上面電極、１０９ａ  ゲートパッド、１１０  第１コールドスプレー膜、１１２  保護膜、１１３  第３コールドスプレー膜、２０１  半導体基板、２０１ａ  第１主面、２０１ｂ  第２主面、２０２  Ａｌ合金電極、２０４  バリアメタル、２０５  Ｎｉ電極、２０６  Ａｕ電極、２１０  第１主電極、２２０  第２主電極、３０１  半導体ウェハ、３０２  半導体装置形成領域、３０４  ダイシングライン、４０４  マスク、４２０  コールドスプレー装置、４２１  スプレーガン、４２２  ノズル、４２３  粉体、４２４  配管、５００  電源、５１０  電力変換装置、５１１  主変換回路、５１２  半導体モジュール、５１３  制御回路、５２０  負荷、ＯＰ  開口部。
【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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【国際調査報告】
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