JP7555486B2 - パワー半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本開示は、パワー半導体装置及び電力変換装置に関する。

特開２０１７－１９９８１３号公報（特許文献１）は、放熱ベースと、絶縁回路基板と、電極端子と、パワー半導体素子とを備える半導体装置を開示している。絶縁回路基板は、絶縁基板と、絶縁基板の下面に設けられている第１の導体層と、絶縁基板の上面に設けられている第２の導体層とを含む。第１の導体層は、接合部材を用いて、放熱ベースに接合されている。パワー半導体素子は、絶縁回路基板上に搭載されている。電極端子は、超音波ホーンを用いて、第２の導体層に超音波接合されている。第２の導体層と電極端子との接合界面における第２の導体層及び電極端子の結晶粒径は、１μｍ以上である。

特開２０１７－１９９８１３号公報

しかし、特許文献１に開示された半導体装置では、電極端子を第２の導体層に超音波接合する際に、電極端子と第２の導体層との界面において、多くの金属粉が発生する。この金属粉は、第２の導体層などの半導体装置内の部材に付着して、半導体装置の動作時に半導体装置の絶縁破壊を引き起こすことがある。本開示は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、向上された信頼性を有するパワー半導体装置及び電力変換装置を提供することである。

本開示のパワー半導体装置は、絶縁基板と、パワー半導体素子と、電極端子とを備える。絶縁基板は、絶縁層と、絶縁層上に設けられている導電回路パターンとを含む。パワー半導体素子は、導電回路パターンに接合されている。電極端子は、導電回路パターンに超音波接合されている。電極端子は、端部を含む帯状導体と、導電膜とを含む。帯状導体の端部は、導電回路パターンに対向する第１表面を含む。導電膜は、第１表面を覆っており、かつ、導電回路パターンに固相拡散接合されている。帯状導体の端部と導電回路パターンとは、導電膜によって互いに離れている。導電膜の第１ビッカース硬さは、導電回路パターンの第２ビッカース硬さより大きい。

本開示の電力変換装置は、本開示のパワー半導体装置を有し、かつ、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する制御回路とを備える。

電極端子を導電回路パターンに超音波接合する際に発生する金属粉が減少する。そのため、パワー半導体装置に、絶縁破壊が発生する可能性が減少する。本開示のパワー半導体装置及び電力変換装置は、向上された信頼性を有する。

実施の形態１のパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。 実施の形態１のパワー半導体モジュールの、図１に示される断面線ＩＩ－ＩＩにおける概略断面図である。 実施の形態１のパワー半導体モジュールの、図２に示される領域ＩＩＩの概略部分拡大断面図である。 実施の形態１のパワー半導体モジュールの、電極端子の接合工程を示す概略断面図である。 実施の形態１のパワー半導体モジュールの電極端子と導電回路パターンとの接合部の断面ＳＥＭ像である。 実施の形態２のパワー半導体モジュールの概略部分拡大断面図である。 実施の形態３のパワー半導体モジュールの概略部分拡大断面図である。 実施の形態３のパワー半導体モジュールに含まれる電極端子の製造方法のフローチャートを示す図である。 実施の形態３のパワー半導体モジュールに含まれる電極端子の製造方法の一工程を示す概略部分拡大斜視図である。 実施の形態３のパワー半導体モジュールに含まれる電極端子の製造方法における、図９に示される工程の次工程を示す概略部分拡大斜視図である。 実施の形態３のパワー半導体モジュールに含まれる電極端子の製造方法における、図１０に示される工程の次工程を示す概略部分拡大斜視図である。 実施の形態４の電力変換システムの構成を示すブロック図である。

以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

実施の形態１．
図１から図５を参照して、実施の形態１のパワー半導体装置１を説明する。パワー半導体装置１は、絶縁基板１２と、パワー半導体素子（２０，２５）と、電極端子３１，３４，３７と、導電ワイヤ４１，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂとを主に備える。パワー半導体装置１は、ベース板１１と、ケース３０と、封止部材４８とをさらに備えてもよい。

ベース板１１は、例えば、Ｃｕのような金属、ＣｕＭｏのような合金、または、ＡｌＳｉＣのような金属基複合材料によって形成されている。ベース板１１は、ケース３０に固定されている。ベース板１１は、絶縁基板１２を支持する。ベース板１１は、パワー半導体素子（２０，２５）において発生した熱をパワー半導体装置１の外部へ放散させるヒートシンクである。

絶縁基板１２は、絶縁層１３と、導電回路パターン１５とを含む。絶縁基板１２は、導体層１４をさらに含んでもよい。

絶縁層１３は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）もしくは窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）のようなセラミックスで形成されてもよい。絶縁層１３は、エポキシ樹脂もしくは液晶ポリマーのようなバインダー樹脂に、シリカ、アルミナもしくは窒化ホウ素（ＢＮ）のようなフィラーが分散されている有機絶縁材料で形成されてもよい。絶縁層１３の厚さは、例えば、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。

導電回路パターン１５は、絶縁層１３の第１主面上に設けられている。導電回路パターン１５は、絶縁層１３にロウ付けされている。導電回路パターン１５は、銅のような金属で形成されている。導電回路パターン１５は、例えば、圧延銅箔である。導電回路パターン１５のビッカース硬さは、導電膜３３のビッカース硬さより小さい。導電回路パターン１５を絶縁層１３にロウ付けする際に導電回路パターン１５は熱処理されるため、導電回路パターン１５のビッカース硬さは、帯状導体３２のビッカース硬さより小さい。導電回路パターン１５のビッカース硬さは、例えば、４０ＨＶ以上５０ＨＶ以下である。導電回路パターン１５の厚さは、例えば、０．２５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。

導電回路パターン１５は、例えば、導体パターン１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを含む。図５を参照して、導電回路パターン１５（導体パターン１５ｂ）と電極端子３１との間の接合部における導電回路パターン１５（導体パターン１５ｂ）の結晶粒径は、１μｍより大きい。本明細書において、結晶粒径は、導電回路パターン１５（導体パターン１５ｂ）と電極端子３１との間の接合部の断面ＳＥＭ像から計測される結晶粒の直径の平均値を意味する。

導体層１４は、絶縁層１３の第１主面とは反対側の絶縁層１３の第２主面上に設けられている。導体層１４は、銅のような金属で形成されている。導体層１４は、例えば、圧延銅箔である。導体層１４は、電解銅箔であってもよい。電解銅箔のビッカース硬さは圧延銅箔のビッカース硬さよりも小さい傾向がある。そのため、導体層１４が電解銅箔である場合のパワー半導体装置１の効果は、導体層１４が圧延銅箔である場合のパワー半導体装置１の効果と同様である。導体層１４の厚さは、例えば、０．２５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。導体層１４の厚さは、導電回路パターン１５の厚さと同じであってもよいし、導電回路パターン１５の厚さと異なってもよい。導体層１４は、絶縁層１３の熱膨張係数と導電回路パターン１５の熱膨張係数との差に起因する絶縁基板１２の反りを減少させ得る。絶縁基板１２は、ベース板１１に固定されている。具体的には、導体層１４は、はんだのような導電性接合部材１７を用いて、ベース板１１に接合されている。

パワー半導体素子（２０，２５）は、例えば、スイッチング素子２０と、還流ダイオード２５とを含む。スイッチング素子２０は、例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）または絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。スイッチング素子２０は、例えば、ドレイン電極２１と、ソース電極２２と、ゲート電極２３とを含む。還流ダイオード２５は、スイッチング素子２０に逆並列接続されている。還流ダイオード２５は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）またはフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）である。還流ダイオード２５は、カソード電極２６と、アノード電極２７とを含む。パワー半導体素子（２０，２５）は、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）のような半導体材料で形成されている。

パワー半導体素子（２０，２５）は、導電性接合部材２４，２８を用いて導電回路パターン１５に接合されている。具体的には、スイッチング素子２０（ドレイン電極２１）は、導電性接合部材２４を用いて、導体パターン１５ａに接合されている。還流ダイオード２５（カソード電極２６）は、導電性接合部材２８を用いて、導体パターン１５ａに接合されている。導電性接合部材２４，２８は、鉛フリーはんだのようなはんだであってもよいし、銀ナノ粒子焼結体のような金属微粒子焼結体であってもよい。

電極端子３１，３４，３７は、ケース３０に固定されている。電極端子３１は、帯状導体３２と、導電膜３３とを含む。

帯状導体３２は、例えば、無酸素銅（例えば、Ｃ１０２０－１／２Ｈ、Ｃ１０２０－１／４ＨもしくはＣ１０２０－Ｈ）またはタフピッチ銅で形成されている。帯状導体３２の厚さｔ₁は、例えば、０．８ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である。帯状導体３２のビッカース硬さは、例えば、１００ＨＶ以上１３０ＨＶ以下である。帯状導体３２は、端部３２ｅを含む。帯状導体３２は、端部３２ｅにおいて折り曲げられている。端部３２ｅは、導電回路パターン１５（導体パターン１５ｂ）に対向する第１表面３２ａと、第１表面３２ａとは反対側の第２表面３２ｂと、第１表面３２ａと第２表面３２ｂとを接続する端面３２ｃとを含む。

導電膜３３は、第１表面３２ａと、第２表面３２ｂと、端面３２ｃとを覆っている。導電膜３３は、帯状導体３２の全表面を覆ってもよい。導電膜３３は、例えば、ニッケルめっき膜である。導電膜３３の厚さｔ₃は、帯状導体３２の厚さｔ₁より小さい。導電膜３３の厚さｔ₃は、例えば、２μｍ以上１５μｍ以下である。導電膜３３のビッカース硬さは、帯状導体３２のビッカース硬さより大きい。導電膜３３のビッカース硬さは、例えば、２００ＨＶ以上３５０ＨＶ以下である。

電極端子３４，３７の構成は、電極端子３１の以上の構成と同様である。
電極端子３１は、導電回路パターン１５（特定的には、導体パターン１５ｂ）に超音波接合されている。帯状導体３２の端部３２ｅは、導電回路パターン１５に接合されている。導電膜３３は、帯状導体３２の端部３２ｅ（または帯状導体３２の第１表面３２ａ）と導電回路パターン１５との間にある。帯状導体３２の端部３２ｅ（または帯状導体３２の第１表面３２ａ）と導電回路パターン１５とは、導電膜３３によって互いに離れている。導電膜３３は、導電回路パターン１５に固相拡散接合されている。例えば、ＮｉとＣｕとは、全率固溶型合金を構成し得る。そのため、導電膜３３がＮｉで形成されており、かつ、導電回路パターン１５がＣｕで形成されている場合、導電膜３３は、導電回路パターン１５に固相拡散接合され得る。図５を参照して、導電回路パターン１５と電極端子３１との間の接合部における帯状導体３２の結晶粒径は、１μｍより大きい。

帯状導体３２の第２表面３２ｂに、凹凸構造３２ｆが形成されている。凹凸構造３２ｆは、超音波ホーン５０（図４を参照）の加圧痕である。具体的には、超音波ホーン５０の先端に形成されているローレット部５３の形状に相補的な凹凸構造３２ｆが、第２表面３２ｂに形成される。導電膜３３は、凹凸構造３２ｆを覆っている。凹凸構造３２ｆと同様の凹凸構造が、導電膜３３にも形成されている。

電極端子３１の帯状導体３２の端部３２ｅの厚さｔ₂は、電極端子３１の帯状導体３２（端部３２ｅを除く）の厚さｔ₁より小さくてもよい。そのため、パワー半導体装置１の動作時に導電回路パターン１５と電極端子３１との間の接合部に作用する応力が減少し得る。この応力には、電極端子３１の熱膨張係数と絶縁層１３の熱膨張係数との間の差に起因する第１応力と、ケース３０の膨張または収縮に起因する第２応力とが含まれる。第１応力は、導電回路パターン１５（導体パターン１５ｂ）と電極端子３１（導電膜３３）との間の接合界面に沿う方向に作用する。第２応力は、導電回路パターン１５（導体パターン１５ｂ）と電極端子３１（導電膜３３）との間の接合界面に垂直な方向に作用する。

導電ワイヤ４１，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂは、例えば、Ａｌワイヤ、ＡｕワイヤまたはＣｕワイヤのような金属ワイヤである。導電ワイヤ４１には、導電ワイヤ４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂより多くの電流が流れる。そのため、導電ワイヤ４１の各々の直径は、導電ワイヤ４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂの各々の直径より大きい。導電ワイヤ４１の各々の直径は、例えば、２００μｍより大きく６００μｍ以下である。導電ワイヤ４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂの各々の直径は、例えば、５０μｍ以上２００μｍ以下である。電極端子３１，３４，３７は、導電ワイヤ４１，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ及び導電回路パターン１５によって、パワー半導体素子（２０，２５）に電気的に接続されている。

具体的には、導電ワイヤ４１は、導体パターン１５ａと還流ダイオード２５のアノード電極２７とスイッチング素子２０のソース電極２２とにボンディングされている。こうして、電極端子３１は、導電ワイヤ４１によって、パワー半導体素子（２０，２５）及び還流ダイオード２５に電気的に接続されている。電極端子３１は、ソース電極２２とドレイン電極２１との間を流れる主電流が流れる主電極端子である。導電ワイヤ４１に主電流が流れる。

導電ワイヤ４２ａは、電極端子３４と導体パターン１５ｄとにボンディングされている。導電ワイヤ４２ｂは、導体パターン１５ｄとスイッチング素子２０のソース電極２２とにボンディングされている。こうして、電極端子３４は、導電ワイヤ４２ａ，４２ｂによって、スイッチング素子２０に電気的に接続されている。電極端子３４は、ソース用制御電極端子である。

導電ワイヤ４３ａは、電極端子３７と導体パターン１５ｃとスイッチング素子２０のゲート電極２３とにボンディングされている。導電ワイヤ４３ｂは、導体パターン１５ｃとスイッチング素子２０のゲート電極２３とにボンディングされている。こうして、電極端子３７は、導電ワイヤ４３ａ，４３ｂによって、スイッチング素子２０に電気的に接続されている。電極端子３７は、ゲート用制御電極端子である。

ケース３０は、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）のような絶縁性樹脂で形成されている。絶縁基板１２及びパワー半導体素子（２０，２５）は、ケース３０によって囲まれている。ケース３０は、接着剤（図示せず）などを用いて、ベース板１１に固定されている。

封止部材４８は、パワー半導体素子（２０，２５）と、絶縁基板１２と、電極端子３１，３４，３７の端部３２ｅを含む電極端子３１，３４，３７の一部と、導電ワイヤ４１，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂとを封止する。封止部材４８は、エポキシ樹脂またはシリコーンゲルのような絶縁樹脂で形成されている。封止部材４８の絶縁樹脂に、フィラーが分散されてもよい。

本実施の形態のパワー半導体装置１の製造方法のうち、電極端子３１を得る工程を説明する。Ｃｕ板のような金属板を切断して、帯状導体３２を得る。帯状導体３２をめっき液に浸す。アノード電極２７と、帯状導体３２であるカソード電極との間に電流を流す。帯状導体３２の表面に導電膜３３が形成される。導電膜３３がニッケル膜である場合、めっき液として、例えば、ワット浴、ウッド浴またはスルファミン酸浴が用いられ得る。ワット浴は、硫酸ニッケル、塩酸ニッケル及びホウ酸を主成分として含む。ウッド浴は、塩化ニッケル及び塩酸を主成分として含む。スルファミン酸浴は、塩化ニッケル、スルファミン酸ニッケル及びホウ酸を主成分として含む。

図４を参照して、本実施の形態のパワー半導体装置１の製造方法のうち、電極端子３１を導電回路パターン１５（導体パターン１５ｂ）に超音波接合する工程を説明する。

電極端子３１を導電回路パターン１５（導体パターン１５ｂ）上に載置する。電極端子３１に超音波ホーン５０を押し当てる。超音波ホーン５０は、導電回路パターン１５（導体パターン１５ｂ）と電極端子３１（導電膜３３）との間の界面に、当該界面に沿う超音波振動と当該界面に垂直な方向の圧力とを印加する。導電膜３３は、導電回路パターン１５に固相拡散接合される。導電膜３３は、帯状導体３２の端部３２ｅ（または帯状導体３２の第１表面３２ａ）と導電回路パターン１５（導体パターン１５ｂ）との間にある。帯状導体３２の端部３２ｅ（または帯状導体３２の第１表面３２ａ）と導電回路パターン１５とは、導電膜３３によって互いに離れている。こうして、電極端子３１は、導電回路パターン１５に超音波接合される。

導電回路パターン１５（導体パターン１５ｂ）のビッカース硬さは、導電膜３３のビッカース硬さより小さい。そのため、電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に、導電回路パターン１５及び導電膜３３のうち主に導電回路パターン１５が変形する。導電回路パターン１５の変形は、電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に導電膜３３に印加される衝撃を緩和する。超音波ホーン５０によって印加される圧力によって導電膜３３が割れることが防止され得る。電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に、導電膜３３は、導電回路パターン１５と帯状導体３２とが直接接触することを防止する。そのため、導電回路パターン１５と電極端子３１との間の接合界面において発生する金属粉の量が減少する。導電膜３３は、導電回路パターン１５に良好に固相拡散接合される。

図５を参照して、導電回路パターン１５と電極端子３１との間の接合部における導電回路パターン１５の結晶粒径は、１μｍより大きい。導電回路パターン１５と電極端子３１との間の接合部における帯状導体３２の結晶粒径は、１μｍより大きい。これは、電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に、導電膜３３が、導電回路パターン１５と帯状導体３２とが直接接触することを防止して、導電回路パターン１５の結晶粒及び帯状導体３２の結晶粒が微細化されることを抑制するためである。その結果、導電回路パターン１５の結晶粒及び帯状導体３２の結晶粒が微細化される際に発生する金属粉は減少する。パワー半導体装置１内の部材に付着する金属粉は減少する。パワー半導体装置１が絶縁破壊されることが防止され得る。パワー半導体装置１は、向上された信頼性を有する。

これに対し、比較例のパワー半導体装置では、電極端子３１は導電膜３３を含んでおらず、導電回路パターン１５と帯状導体３２とは互いに直接接触する。また、導電回路パターン１５及び帯状導体３２の両方は、同じ材料（例えば、Ｃｕ）で形成されている。そのため、電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に導電回路パターン１５と電極端子３１（帯状導体３２）との間の接合界面に印加される超音波振動と圧力とによって、導電回路パターン１５の結晶粒と帯状導体３２の結晶粒とは微細化される。導電回路パターン１５と帯状導体３２との間の接合部における導電回路パターン１５の結晶粒径は、１μｍ以下となり、導電回路パターン１５と電極端子３１との間の接合部における帯状導体３２の結晶粒径も１μｍ以下となる。導電回路パターン１５の結晶粒及び帯状導体３２の結晶粒が微細化される際に、多くの金属粉が発生する。多くの金属粉が、比較例のパワー半導体装置内の部材に付着して、比較例のパワー半導体装置の絶縁破壊を引き起こす。比較例のパワー半導体装置は、より低い信頼性を有する。

表１に、本実施の形態のパワー半導体装置１の一例である実施例と比較例とにおいて、電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に発生する金属粉の数を示す。金属粉の数は、以下のようにしてカウントされた。導電回路パターン１５のうち、電極端子３１が超音波接合される部分を除く部分に、黒色スプレーを吹き付けて、導電回路パターン１５の当該部分を黒色に着色する。電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合することにより導電回路パターン１５の黒色領域上に飛散した金属粉の数を、光学顕微鏡を用いて数える。実施例及び比較例では、超音波ホーン５０によって電極端子３１に印加される荷重は、７００Ｎである。表１に示されるように、実施例において発生する金属粉の数は、比較例において発生する金属粉の数よりも大幅に少ない。

超音波ホーン５０にローレット部５３が形成されている。電極端子３１に超音波ホーン５０を押し当てると、ローレット部５３が電極端子３１に食い込む。帯状導体３２及び導電膜３３のうち主に帯状導体３２が変形する。帯状導体３２の第２表面３２ｂに、超音波ホーン５０の加圧痕として、凹凸構造３２ｆが形成される。凹凸構造３２ｆと同様の凹凸構造が、導電膜３３にも形成される。

ローレット部５３が電極端子３１に食い込む際に、電極端子３１から金属屑が発生する。金属屑の一部は、ローレット部５３に付着する。しかし、本実施の形態では、帯状導体３２の第２表面３２ｂは、帯状導体３２より大きなビッカース硬さを有する導電膜３３によって覆われている。そのため、電極端子３１から発生する金属屑は減少する。パワー半導体装置１内の部材に付着する金属屑は減少する。パワー半導体装置１が絶縁破壊されることが防止され得る。パワー半導体装置１は、向上された信頼性を有する。また、ローレット部５３に付着する金属屑も減少する。ローレット部５３に付着した金属屑を硫酸のような薬液を用いて除去する頻度が減少する。パワー半導体装置１の生産性が向上する。

電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に、第１表面３２ａ上の導電膜３３が破れて、第１表面３２ａの一部が導電膜３３から露出することがある。第１表面３２ａの一部が導電膜３３から露出しても、本実施の形態では金属粉の発生量を減らすことができる。

本実施の形態のパワー半導体装置１の効果を説明する。
本実施の形態のパワー半導体装置１は、絶縁基板１２と、パワー半導体素子（２０，２５）と、電極端子３１とを備える。絶縁基板１２は、絶縁層１３と、絶縁層１３上に設けられている導電回路パターン１５とを含む。パワー半導体素子（２０，２５）は、導電回路パターン１５に接合されている。電極端子３１は、導電回路パターン１５に超音波接合されている。電極端子３１は、端部３２ｅを含む帯状導体３２と、導電膜３３とを含む。帯状導体３２の端部３２ｅは、導電回路パターン１５に対向する第１表面３２ａを含む。導電膜３３は、第１表面３２ａを覆っており、かつ、導電回路パターン１５に固相拡散接合されている。帯状導体３２の端部３２ｅと導電回路パターン１５とは、導電膜３３によって互いに離れている。導電膜３３の第１ビッカース硬さは、導電回路パターン１５の第２ビッカース硬さより大きい。

そのため、電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に、導電回路パターン１５と帯状導体３２とが互いに直接接触することなく、導電回路パターン１５及び導電膜３３のうち主に導電回路パターン１５が変形する。電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に発生する金属粉が減少する。パワー半導体装置１に、絶縁破壊が発生する可能性が減少する。パワー半導体装置１は、向上された信頼性を有する。また、電極端子３１は導電回路パターン１５に超音波接合されているため、電極端子３１を導電回路パターン１５にはんだを用いて接合した場合よりも、電極端子３１に大きな電流を流すことができるとともに、電極端子３１と導電回路パターン１５との間の接合部は、より長い寿命を有する。

本実施の形態のパワー半導体装置１では、帯状導体３２の第３ビッカース硬さは、導電膜３３の第１ビッカース硬さより小さく、かつ、導電回路パターン１５の第２ビッカース硬さより大きい。

そのため、電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に、導電回路パターン１５、帯状導体３２及び導電膜３３のうち主に導電回路パターン１５が変形する。電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に発生する金属粉が減少する。パワー半導体装置１は、向上された信頼性を有する。

本実施の形態のパワー半導体装置１では、帯状導体３２の端部３２ｅは、第１表面３２ａとは反対側の第２表面３２ｂを含む。第２表面３２ｂに凹凸構造３２ｆが形成されている。導電膜３３は、凹凸構造３２ｆをさらに覆っている。

電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に、帯状導体３２及び導電膜３３のうち主に帯状導体３２が変形する。超音波ホーン５０を用いて電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に発生する金属屑が減少する。パワー半導体装置１は、向上された信頼性を有する。パワー半導体装置１の生産性が向上する。

本実施の形態のパワー半導体装置１では、帯状導体３２の端部３２ｅは、第１表面３２ａと第２表面３２ｂとを接続する端面３２ｃを含む。導電膜３３は、第１表面３２ａと、凹凸構造３２ｆを含む第２表面３２ｂと、端面３２ｃとを覆っている。

電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に発生する金属粉及び金属屑が減少する。パワー半導体装置１は、向上された信頼性を有する。パワー半導体装置１の生産性が向上する。

本実施の形態のパワー半導体装置１では、導電回路パターン１５と電極端子３１との間の接合部における導電回路パターン１５の第１結晶粒径は、１μｍより大きい。導電回路パターン１５と電極端子３１との間の接合部における帯状導体３２の第２結晶粒径は、１μｍより大きい。

そのため、電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に発生する金属粉が減少する。パワー半導体装置１は、向上された信頼性を有する。

本実施の形態のパワー半導体装置１では、導電膜３３の厚さｔ₃は、２μｍ以上１５μｍ以下の厚さである。

導電膜３３の厚さｔ₃が２μｍ以上であるため、電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に導電回路パターン１５と帯状導体３２とが互いに直接接触することが、より確実に防止され得る。電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合する際に発生する金属粉がより確実に減少する。パワー半導体装置１は、向上された信頼性を有する。導電膜３３の厚さｔ₃が１５μｍ以下であるため、導電膜３３を形成する時間が短くなる。パワー半導体装置１の生産性が向上する。

実施の形態２．
図６を参照して、実施の形態２のパワー半導体装置１ｂ及びその製造方法を説明する。本実施の形態のパワー半導体装置１ｂは、実施の形態１のパワー半導体装置１と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で異なる。

パワー半導体装置１ｂでは、帯状導体３２の端面３２ｃは、導電膜３３から露出している。

本実施の形態のパワー半導体装置１ｂの製造方法のうち、電極端子３１を得る工程を説明する。Ｃｕ板のような金属板をめっき液に浸す。アノード電極と、金属板であるカソード電極との間に電流を流す。金属板の表面に導電膜３３が形成される。金属板を切断して、帯状導体３２を得る。このように、本実施の形態では、金属板をめっきした後に、めっきされた金属板を切断することによって、電極端子３１を得ている。そのため、帯状導体３２の端面３２ｃは、導電膜３３から露出する。一度のめっきで複数の電極端子３１を得ることができるため、パワー半導体装置１ｂの製造コストが低減され得る。

実施の形態３．
図７を参照して、実施の形態３のパワー半導体装置１ｃ及びその製造方法を説明する。本実施の形態のパワー半導体装置１ｃは、実施の形態１のパワー半導体装置１と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で異なる。パワー半導体装置１ｃでは、帯状導体３２の端部３２ｅの厚さｔ₂は、端部３２ｅを除く帯状導体３２の厚さｔ₁より小さい。

図８から図１１を参照して、本実施の形態のパワー半導体装置１ｃの製造方法のうち、電極端子３１を得る工程を説明する。

図８及び図９を参照して、Ｃｕ板のような金属板３８を準備する（ステップＳ１）。図８及び図１０を参照して、金属板３８をプレス加工することにより、金属板３８から帯状導体３２を得る（ステップＳ２）。具体的には、金属板３８を切断しつつ、金属板３８を曲げ加工するとともに金属板３８の端部を鍛造によって薄肉化する。図８を参照して、帯状導体３２を洗浄する（ステップＳ３）。図８及び図１１を参照して、帯状導体３２の表面に導電膜３３を形成する（ステップＳ４）。例えば、帯状導体３２をめっき液に浸す。アノード電極２７と、帯状導体３２であるカソード電極との間に電流を流す。めっき膜である導電膜３３が帯状導体３２の表面に形成される。図８を参照して、導電膜３３で覆われた帯状導体３２を洗浄する（ステップＳ５）。こうして、本実施の形態の電極端子３１が得られる。

本実施の形態では、ステップＳ２において、金属板３８を切断し、曲げ加工し、薄肉化することによって帯状導体３２を得た後に、ステップＳ４において、導電膜３３を形成している。そのため、金属板３８を曲げ加工及び薄肉化する際に、導電膜３３が破れることがない。

本実施の形態のパワー半導体装置１ｃの効果は、実施の形態１のパワー半導体装置１の効果に加えて、以下の効果を奏する。

本実施の形態のパワー半導体装置１ｃでは、帯状導体３２の端部３２ｅの厚さｔ₂は、端部３２ｅを除く帯状導体３２の厚さｔ₁より小さい。

端部３２ｅを除く帯状導体３２の厚さｔ₁を増加させることができるため、電極端子３１の許容電流を増加させることができる。また、帯状導体３２の端部３２ｅの厚さｔ₂が減少するため、電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合するために必要な超音波エネルギーが減少し得る。そのため、電極端子３１を導電回路パターン１５に超音波接合し終えるまでに発生する金属粉の量が減少し得る。

実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１から実施の形態３のパワー半導体装置１，１ｂ，１ｃのいずれかを電力変換装置に適用したものである。本開示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、実施の形態４として、三相のインバータに本開示のパワー半導体装置１，１ｂ，１ｃのいずれかを適用した場合について説明する。

図１２に示される電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は、特に限定されないが、例えば、直流系統、太陽電池または蓄電池で構成されてもよいし、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成されてもよい。電源１００は、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されてもよい。

電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図１２に示されるように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。

負荷３００は、電力変換装置２００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３００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、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられる。

以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子（図示せず）と還流ダイオード（図示せず）を備えている。スイッチング素子が電源１００から供給される電圧をスイッチングすることによって、主変換回路２０１は、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換して、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態の主変換回路２０１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とから構成され得る。主変換回路２０１の各スイッチング素子及び各還流ダイオードとして、上述した実施の形態１から実施の形態３のパワー半導体装置１，１ｂ，１ｃのいずれかに含まれるスイッチング素子２０及び還流ダイオード２５が適用され得る。主変換回路２０１を構成するパワー半導体装置２０２として、上述した実施の形態１から実施の形態３のパワー半導体装置１，１ｂ，１ｃのいずれかが適用され得る。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相及び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２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。

また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示せず）を備えている。駆動回路は、パワー半導体装置２０２に内蔵されてもよいし、パワー半導体装置２０２の外部に設けられてもよい。駆動回路は、主変換回路２０１に含まれるスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成して、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に駆動信号を供給する。具体的には、制御回路２０３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。

制御回路２０３は、負荷３００に電力が供給されるように主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１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、負荷３００に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２０１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２０１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。

本実施の形態の電力変換装置２００では、主変換回路２０１に含まれるパワー半導体装置２０２として、実施の形態１から実施の形態３のパワー半導体装置１，１ｂ，１ｃのいずれかが適用される。そのため、本実施の形態の電力変換装置２００は、向上された信頼性を有する。

本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本開示を適用する例を説明したが、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に本開示を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レベルの電力変換装置であってもよいし、マルチレベルの電力変換装置であってもよい。電力変換装置が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本開示が適用されてもよい。電力変換装置が直流負荷等に電力を供給する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本開示が適用されてもよい。

本開示が適用される電力変換装置は、負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機もしくはレーザー加工機の電源装置、または、誘導加熱調理器もしくは非接触器給電システムの電源装置に組み込まれ得る。本開示が適用された電力変換装置は、さらに、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られ得る。

今回開示された実施の形態１－４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。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態１－４の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の範囲は、上記した説明ではなく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が含まれることを意図される。

１，１ｂ，１ｃ パワー半導体装置、１１ ベース板、１２ 絶縁基板、１３ 絶縁層、１４ 導体層、１５ 導電回路パターン、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ 導体パターン、１７ 導電性接合部材、２０ スイッチング素子、２１ ドレイン電極、２２ ソース電極、２３ ゲート電極、２４ 導電性接合部材、２５ 還流ダイオード、２６ カソード電極、２７ アノード電極、２８ 導電性接合部材、３０ ケース、３１ 電極端子、３２ 帯状導体、３２ａ 第１表面、３２ｂ 第２表面、３２ｃ 端面、３２ｅ 端部、３２ｆ 凹凸構造、３３ 導電膜、３４，３７ 電極端子、３８ 金属板、４１，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ 導電ワイヤ、４８ 封止部材、５０ 超音波ホーン、５３ ローレット部、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ パワー半導体装置、２０３ 制御回路、３００ 負荷。

Claims (13)

1. 絶縁層と、前記絶縁層上に設けられている導電回路パターンとを含む絶縁基板と、
   前記導電回路パターンに接合されているパワー半導体素子と、
   前記導電回路パターンに超音波接合されている電極端子とを備え、
   前記電極端子は、端部を含む帯状導体と、導電膜とを含み、
   前記端部は、前記導電回路パターンに対向する第１表面を含み、
   前記導電膜は、前記第１表面を覆っており、かつ、前記導電回路パターンに固相拡散接合されており、
   前記導電膜の第１ビッカース硬さは、前記導電回路パターンの第２ビッカース硬さより大きい、パワー半導体装置。
2. 前記端部と前記導電回路パターンとは、前記導電膜によって互いに離れている、請求項１に記載のパワー半導体装置。
3. 前記帯状導体の第３ビッカース硬さは、前記導電膜の第１ビッカース硬さより小さく、かつ、前記導電回路パターンの第２ビッカース硬さより大きい、請求項１に記載のパワー半導体装置。
4. 前記端部は、前記第１表面とは反対側の第２表面を含み、
   前記第２表面に凹凸構造が形成されている、請求項３に記載のパワー半導体装置。
5. 前記端部は、前記第１表面と前記第２表面とを接続する端面を含み、
   前記導電膜は、前記第１表面と、前記凹凸構造を含む前記第２表面と、前記端面とを覆っている、請求項４に記載のパワー半導体装置。
6. 前記端部は、前記第１表面と前記第２表面とを接続する端面を含み、
   前記導電膜は、前記第１表面と、前記凹凸構造を含む前記第２表面とを覆っており、
   前記端面は、前記導電膜から露出している、請求項４に記載のパワー半導体装置。
7. 前記端部の厚さは、前記端部を除く前記帯状導体の厚さより小さい、請求項１に記載のパワー半導体装置。
8. 前記導電回路パターンと前記電極端子との間の接合部における前記導電回路パターンの第１結晶粒径は、１μｍより大きく、
   前記接合部における前記帯状導体の第２結晶粒径は、１μｍより大きい、請求項１に記載のパワー半導体装置。
9. 前記導電膜の厚さは、２μｍ以上１５μｍ以下である、請求項１に記載のパワー半導体装置。
10. 前記帯状導体は、無酸素銅またはタフピッチ銅で形成されており、
    前記導電膜は、ニッケルめっき膜である、請求項１に記載のパワー半導体装置。
11. 前記導電回路パターンは、圧延銅箔である、請求項１に記載のパワー半導体装置。
12. 前記絶縁層は、窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素で形成されている、請求項１に記載のパワー半導体装置。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか一項記載の前記パワー半導体装置を有し、かつ、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。

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