パワー半導体モジュール
【課題】接合界面に不要な反応生成物を生成させ難く、その結果クラックなどの不具合を発生させ難いパワー半導体モジュールを提供すること。
【解決手段】２つの部品の間を、Ｂｉ系ハンダ材料により接合してなるパワー半導体モジュールであって、前記２つの部品のＢｉ系ハンダ材による被接合面にＣｕ層を備える。被接合部品である上記２つの部品は、半導体素子と絶縁部、又は絶縁部と放熱板の組み合わせである。
【解決手段】２つの部品の間を、Ｂｉ系ハンダ材料により接合してなるパワー半導体モジュールであって、前記２つの部品のＢｉ系ハンダ材による被接合面にＣｕ層を備える。被接合部品である上記２つの部品は、半導体素子と絶縁部、又は絶縁部と放熱板の組み合わせである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールに関し、詳細には、鉛フリー高温ハンダ材料により接合してなるパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体モジュールは、通常、パワー半導体と電流通電部とが電気的に絶縁されるよう、パワー半導体に絶縁体を設けた構成となっている。このパワー半導体と絶縁体とは、ハンダなどによって接合されている。
【０００３】
また、パワー半導体モジュールでは、半導体素子から発生する熱を効率よく放散するために、あるいは一時的に熱を分散するために、放熱板が設けられ、この放熱板と上記絶縁体とは、ハンダによって接合されている。したがって、パワー半導体モジュールでは、半導体素子と絶縁体との間、及び絶縁体と放熱板との間の２箇所でハンダにより接合することが一般的である。
【０００４】
ここで、２回目のハンダ付けの温度が、１回目に用いたハンダ材料の融点よりも高いと、２回目のハンダ付けの際に１回目にハンダ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。したがって、この問題を回避するため、１回目に用いるハンダ材料の融点は、２回目に用いるハンダ材料の融点よりも高くなるように、ハンダの材料を選択している。
【０００５】
これまでは２回のハンダ接合工程にＰｂ系ハンダ材料が用いられていた。特にＰｂ−Ｓｎハンダ材料を用い、ＰｂとＳｎの比率を変えることによって、融点を１８３〜３００℃前後の範囲で変化させて、２回のハンダ付けを行っていた（例えば、非特許文献１参照。）。
しかし、Ｐｂは毒性を有するために使用廃止の方向にあり、Ｐｂフリーのハンダ材料の開発が望まれている。
【０００６】
このようなハンダ材料に対する要求の中、例えば、種々の組成のＳｎ系ハンダ材料が提案されている。しかしＳｎ系ハンダ材料は、その融点を２２０℃前後の狭い範囲でしか変動させることができず、２回のハンダ付けの工程に適用させることが難しい。
【０００７】
また、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣは、２００℃以上の耐熱性を有し、且つ絶縁破壊電界及び飽和電子密度等が大きいことから、高い動作電圧を用いて大電流を扱うことが可能である。この電流の大きさに起因して半導体素子からの発熱が２００℃程度にまで上昇するため、ハンダによる接合部分に対しても２００℃以上の耐熱性が要求されている。
しかし、Ｓｎ系ハンダ材料の融点は２２０℃程度であるが故に、この温度で溶けてしまい、また、２００℃前後において引っ張り強度が著しく低下してしまうため、２００℃を超える熱を発する次世代パワー半導体素子に対しては、接合材料としてＳｎ系ハンダ材料を用いることは実用上難しい。
【０００８】
また、接合材料としてＡｇ系のロウ材料が一般的に知られているが、それらの融点は６５０℃以上と高く、このような温度では半導体素子を壊したり変質させてしまうために、本用途に用いることができない。
【０００９】
このような状況下において、ハンダ材料としてＢｉを用いると、Ｂｉ単体の融点が２７０℃であるため、耐熱性に優れた接合体となる。
例えば、所望の接合温度で接合できるよう、固相線温度と液相線温度を適切な範囲とすべく、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎを含むＢｉがハンダ材料として提示されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、ＡｇなどＢｉと共晶しうる金属元素と、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｚｎなどの金属元素とをＢｉに添加した３成分以上からなるハンダ材料が提示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００５−７２１７３号公報
【特許文献２】特開２００１−３５３５９０号公報
【非特許文献１】馬場陽一郎「ＨＶインバータ品質確保の取り組み」溶接学会全国大会講演概要、第７７章（２００５−９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、Ｂｉ系ハンダ材料をパワー半導体モジュールの接合材料に適用しようとすると、その過酷な冷熱サイクルによって接合界面での反応が顕著になり、ハンダ材料に接する部材の材質によっては不要な反応生成物を生成させてしまうことが明らかとなった。この反応生成物は、周りに存在するハンダ材料よりも硬かったり脆かったりするので、この反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となったりする。
このような界面反応は、次世代の半導体素子として注目されているＧａＮやＳｉＣ半導体素子の場合に特に問題となる。これら次世代半導体素子では、発熱量が極めて多く、２００℃以上にまで達する場合がある。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、Ｂｉ系ハンダ材料を用いて接合したときに、接合界面に不要な反応生成物を生成させ難く、その結果クラックなどの不具合を発生させ難いパワー半導体モジュールを提供することにある。
【００１２】
また、本発明の第二の課題は、製造工程上、位置ずれなどの不具合を生じないパワー半導体モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、Ｃｕ層を表面に備えたパワー半導体素子と、Ｃｕ層を表面に備えた絶縁基板と、を有し、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、該２つのＣｕ層の間を前記Ｂｉ系ハンダ材料で接合してなるパワー半導体モジュールである。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、パワー半導体素子と、Ｃｕ層を表面に備えた絶縁基板と、Ｃｕ層を表面に備えた放熱板と、を有し、前記絶縁基板と前記放熱板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、該２つのＣｕ層の間を前記Ｂｉ系ハンダ材料で接合してなるパワー半導体モジュールである。
【００１５】
請求項１及び請求項２に記載の発明では、Ｂｉ系ハンダ材料が接する界面に、Ｃｕ層が設けられる。ＢｉとＣｕとでは、冷熱サイクルに晒されても界面で不要な反応生成物が生成し難い。したがって、クラックなどの不具合を発生させ難いパワー半導体モジュールとなる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記Ｂｉ系ハンダ材料が、（１）Ｂｉ単体、（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、（３）ＢｉにＣｕを添加した材料、又は（４）ＢｉにＮｉを添加した材料、であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュールである。
【００１７】
上述のように、ＢｉとＣｕとの界面では、半導体素子から発せられる高温の熱によっても不要な反応生成物を発生させ難く、且つＢｉの融点が高いことから、Ｂｉ系ハンダ材料としては、（１）Ｂｉ単体、も適用することができるが、（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、（３）ＢｉにＣｕを添加した材料、又は（４）ＢｉにＮｉを添加した材料であれば、Ｂｉ特有の脆性の高さを解消することができ、機械的強度を高めることもできる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、前記ＢｉにＮｉを添加した材料は、Ｎｉの含有率が０．０１質量％以上７質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュールである。
【００１９】
更に接合時の加熱温度を考慮すると、ハンダ材料の液相線温度や固相線温度を調節することが好ましい。液相線温度や固相線温度は、添加物質の添加量などによって調整することができる。ＢｉにＮｉを加えるとその添加量が多くなるにつれ液相線温度が上昇し、ハンダ材料全体が溶融するのに高い温度を要することになる。
【００２０】
ＮｉをＢｉに添加する場合には、Ｎｉの含有率が０．０１質量％以上であれば、Ｂｉ特有の脆性の高さを解消することができ、機械的強度を高めるという効果を得ることができる。
また、Ｎｉを添加することによって液相線温度が上昇し固相線温度との差が増加するが、Ｎｉの含有率が７質量％以下であれば、パワー半導体モジュールを接合するときであっても実用的な範囲内である。また、このような液相線温度であれば、ハンダ付けの際の加熱によっても半導体素子は破壊されない。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、前記ＢｉにＣｕを添加した材料は、Ｃｕの含有率が０．０１質量％以上５質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュールである。
【００２２】
ＣｕをＢｉに添加する場合には、Ｃｕの含有率が０．０１質量％以上であれば、Ｂｉ特有の脆性の高さを解消することができ、機械的強度を高めるという効果を得ることができる。
また、Ｃｕを添加することによって液相線温度が上昇し固相線温度との差が増加するが、Ｃｕの含有率が５質量％以下であれば、パワー半導体モジュールを接合するときであっても実用的な範囲内である。また、このような液相線温度であれば、ハンダ付けの際の加熱によっても半導体素子は破壊されない。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、前記Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎは、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の含有率が０．５質量％以上２０質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュールである。
【００２４】
ＣｕＡｌＭｎ合金の含有率が０．５質量％よりも少ないと、マルテンサイト変態の性質を有する物質を添加したことによる脆性の高さの解消という効果が得られ難く、２０質量％よりも多いと、溶融するＢｉの含有率が低くなり、被接合体との接合強度が得られ難くなる。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、Ｎｉ層を表面に備えた前記パワー半導体素子と、Ｎｉ層を表面に備えた前記絶縁基板とを備え、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＮｉ層が対向するように配し、該２つのＮｉ層の間をＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ（ｘは０．０２〜０．１０であり、ｙは０〜０．０２であり、Ｍは亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表す。）で表される合金で接合してなる請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。
【００２６】
請求項７に記載のパワー半導体モジュールは、少なくとも（１）パワー半導体素子と、（２）絶縁基板と、（３）放熱板と、を有し、パワー半導体素子と絶縁基板との間、及び絶縁基板と放熱板との間、の２箇所がハンダ付けによって接合される。以下、パワー半導体素子と絶縁基板との間の接合部を第一接合部と称し、絶縁基板と放熱板との間の接合部を第二接合部と称する。
【００２７】
上記２箇所のハンダ付けにおいて、階層接合技術を用いる。２回目のハンダ付け工程では、１回目にハンダ付けした部分も含めて全体を加熱するため、１回目のハンダ付け部位が位置ずれや傾斜など起こさないよう、２回目のハンダ付けの温度を１回目に用いたハンダ材料の融点よりも充分に低くしなければならない。２回目のハンダ付けの温度が、１回目に用いたハンダ材料の融点よりも高いと、２回目のハンダ付けの際に１回目にハンダ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。
【００２８】
つまり、２回目のハンダ付け材料の融点が高すぎると、これよりも更に融点の高い材料を１回目のハンダ付け材料として選択しなければならず、加熱温度が全体に高くなるため作業性が低下し、製造コストもかかってしまう。また、パワー半導体素子もハンダ付けの際に加熱されてしまうため、パワー半導体素子の破壊や改質を防ぐ観点から、ハンダ付け時の加熱温度の上限は６５０℃であり、好ましくは４５０℃程度である。これらを考慮して、１回目のハンダ付けに用いる接合材料の選択の余地を残すためには、２回目のハンダ付け材料の融点はなるべく低いことが望ましい。
しかし、上述のとおり、次世代パワー半導体素子からは２００℃程度の発熱があるため、ハンダ付け材料の融点は２００℃よりも高くなければならない。
【００２９】
すなわち、２回目のハンダ付け材料としては、その融点がなるべく低いことが好ましいが２００℃よりも高くなければならない。
【００３０】
このようにパワー半導体モジュールの製造工程を勘案すると、前記Ｂｉ系ハンダ材料は、２回目のハンダ付け材料として極めて好適である。なぜなら、前記Ｂｉ系ハンダ材料の融点は約２７０℃であるので、２７０℃よりも充分に高く且つハンダ付け工程の上限温度６５０℃（より好ましくは４５０℃）よりも低い温度範囲に融点を有するハンダ材料を１回目のハンダ付け材料に選択すればよく、その結果、１回目のハンダ付け材料の選択範囲が広くなる。また、２７０℃よりも充分に高い融点を有する１回目のハンダ付け材料を選択することができるため、２回目のハンダ付け工程において１回目のハンダ付け部位の位置ずれや傾斜などを発生させない。更に、半導体素子から発せられる大量の熱によってモジュールは２００℃程度まで上昇するが、Ｂｉ系ハンダ材料の融点は約２７０℃であるので、このような条件下においても接合部分は耐熱性を有する。
【００３１】
また、請求項７に記載の発明では、２つのＮｉ層の間をＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ（ｘは０．０２〜０．１０であり、ｙは０〜０．０２であり、Ｍは亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表す。）で表される合金で接合してなる。
【００３２】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金は、その融点が３８２℃であり、パワー半導体素子の動作によって発生した２００℃程度の熱に対しても不具合を生じさせない。
【００３３】
更に、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金とＮｉ層を接合することで、冷熱サイクルによってもその界面に生成する反応生成物は、ほとんど成長せず、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせない。また接着性にも優れる。
【００３４】
また、上述の通り、ハンダ温度の上限は６５０℃程度、より好ましくは４５０℃であるが、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の融点は３８２℃でありハンダ付け工程に適用できる上限温度よりも低く、ハンダ付け工程における加熱によって半導体素子を破壊することがない。
【００３５】
加えて、２回目のハンダ付けに用いるＢｉ系ハンダ材料の融点（約２７０℃）よりも、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の融点（３８２℃）の方が充分に高い。したがって、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金は、Ｂｉ系ハンダ材料を２回目のハンダ付けに用いる場合において、１回目のハンダ付け材料として極めて有益な材料である。
【００３６】
したがって、請求項７に記載の発明によれば、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じない信頼性の高いパワー半導体モジュールを得ることができる。また、製造工程においても、部品の位置ずれや傾斜などを発生させない。
【００３７】
なお、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の融点（３８２℃）は、Ｂｉ系ハンダ材料の融点（約２７０℃）よりも高いので、大量の熱を発する半導体素子に近い側の接合部には、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金をハンダ材料として用いることが好適である。
【００３８】
請求項８に記載の発明は、前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。
【００３９】
Ｂｉ系ハンダ材料は、第一接合部及び第二接合部のいずれに用いてもよく、仮に、パワー半導体素子から遠い側の接合部である第二接合部にＢｉ系ハンダ材料を適用した場合であっても、パワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣを用いた場合には、第二接合部にまでパワー半導体素子からの発熱が接合部に影響を与えかねない。
しかし、本発明において接合部に用いられるＢｉ系ハンダ材料の固相線温度は約２７０℃であるため、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣを用いて２００℃を超えた高温で繰り返し使用した場合でも、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
【００４０】
請求項９に記載の発明は、前記絶縁基板がＡｌＮ層であり、ＡｌＮ層の両表面にＡｌ及びＣｕの少なくとも１種で形成される導電層を有してなることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。
【００４１】
絶縁基板のパワー半導体素子側に備える導電層は、当該導電層からパワー半導体素子に電気を効率よく伝導させることが好ましい。また絶縁基板は、パワー半導体素子と放熱板との間に設置されるため、効率よく伝熱することが望ましい。
したがって、絶縁基板としては、絶縁性があることは勿論、熱伝導が良好であることが好ましく、さらに高い導電性と高い熱伝導率を有する導電層を備えることが好ましい。
請求項９に記載の発明によれば、これら物性的な要求を満たすことができる。
【００４２】
請求項１０に記載の発明は、前記Ｂｉを系ハンダ材料で接合する面側の前記導電層は、Ｃｕであることを特徴とする請求項９に記載のパワー半導体モジュールである。
【００４３】
請求項１に記載の発明について説明したように、Ｂｉ系ハンダ材料が接する界面にＣｕ層が設けられると、冷熱サイクルに晒されても界面で不要な反応生成物が生成し難い。そこで、絶縁基板において、Ｂｉを系ハンダ材料で接合する面側の導電層をＣｕとすると、導電機能と、不要な反応生成物の生成を阻止する機能とを兼ね備えることができる。
【００４４】
請求項１１に記載の発明は、前記Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金で接合する面側の前記導電層上に、Ｎｉ層を設けてなることを特徴とする請求項９に記載のパワー半導体モジュールである。
【００４５】
請求項７に記載の発明について説明したように、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金とＮｉ層を接合することで、冷熱サイクルによってもその界面に生成する反応生成物は、ほとんど成長せず、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせないので、絶縁基板において、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金で接合する面側の導電層をＮｉとすると、クラックなどの不具合を発生させ難いパワー半導体モジュールとなる。
【００４６】
請求項１２に記載の発明は、前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項２乃至請求項１１のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。
【００４７】
Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱伝導率が高く、放熱板としての機能を効果的に発揮する。また、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ程度となり、パワー半導体素子の熱膨張係数の値に近くなる。その結果、冷熱サイクル時に顕著な熱応力が生じず、亀裂や剥離などの不具合を発生させない。また、この積層体のＣｕ層は、上記Ｂｉ系ハンダ材料と接することになるが、ＢｉとＣｕとの界面では、冷熱サイクルによっても不要な生成物を発生させることがないので、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせない。
【００４８】
請求項１３に記載の発明は、前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項１２に記載のパワー半導体モジュールである。
【００４９】
Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体の中でも、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１の場合に、熱伝導率と熱膨張係数とのバランスが良好となり、放熱板としての機能を効果的に発揮する。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じない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。また、製造工程上、位置ずれなどの不具合を生じないパワー半導体モジュールをも提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
本発明のパワー半導体モジュールは、被接合面にＣｕ層を備え、前記Ｃｕ層の間を、Ｂｉ系ハンダ材料によって接合してなる。この被接合面を有する部材としては、パワー半導体素子と絶縁基板との組み合わせ、或いは絶縁基板と放熱板との組み合わせである。また、本発明のパワー半導体モジュールにおいて、少なくとも１箇所がＢｉ系ハンダ材料で接合されていればよく、したがって、２箇所以上をＢｉ系ハンダ材料で接合していてもよい。
以下では、まず始めにパワー半導体モジュールの構成について説明し、次に各構成部材について説明する。
【００５２】
＜パワー半導体モジュール＞
図１に、本発明のパワー半導体モジュール１０の腰部断面図を模式的に示す。
パワー半導体モジュール１０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを有する。パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間は第一接合部５０によって接合される。絶縁部３０と放熱板４０との間は第二接合部６０によって接合される。
【００５３】
パワー半導体モジュール１０は、車載用インバータなどに用いられるものである。パワー半導体モジュール１０の周辺には図示しない内燃機関が設けられているために、パワー半導体モジュール１０が置かれている環境はかなり高温となっている。さらに、パワー半導体素子として次世代のＧａＮやＳｉＣを用いた場合には、パワー半導体素子２０からの発熱が大きく、パワー半導体モジュール１０の温度が上昇する。
【００５４】
パワー半導体素子が自身の発する熱や高温の周囲環境によって破壊するのを防ぐよう、冷却水が流動する冷却管（図示せず）が設けられ、冷却管とパワー半導体素子との間に放熱板４０が設けられる。
【００５５】
したがって、一般的にパワー半導体モジュールに求められる性能としては、第一に冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じさせないことであり、第二に絶縁基板によって確実に絶縁させることであり、第三にパワー半導体素子から発せられた熱を放熱板までなるべく蓄積することなく伝えることである。
【００５６】
冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などを発生させないためには、半導体素子、絶縁基板、放熱板及び接合部材などの部材そのものが温度変化に対して耐久性がなければならず、加えて、冷熱サイクルにおいて不要な反応生成物を発生させないことが重要である。かかる反応生成物は脆い物質であったり、硬すぎる物質であったりして、反応生成物が発生した部位を起点として亀裂や剥離等を起こしやすい。
また、各部材の熱膨張係数が近い値であることも、冷熱サイクルによる亀裂や剥離などの発生を抑制するのに重要である。熱膨張係数が全く異なる部材を接合すると、冷熱サイクルによって繰り返し起こる部材の体積変化によって、亀裂や剥離等を発生させやすくなる。
【００５７】
本発明の接合体であるパワー半導体モジュールでは、第一接合部５０又は第二接合部６０に、Ｂｉ系ハンダ材料を用いて接合しているため、接合部分の耐熱性は高くなっている。またＢｉ系ハンダ材料が接する界面に、Ｃｕ層を設けているため、冷熱サイクルによって高温になってもＢｉとの界面において不要な反応生成物を生成させず、反応生成物の発生に起因したクラックの発生を抑制することができる。
【００５８】
なお、本発明のパワー半導体モジュールでは、Ｂｉ系ハンダ材料を、第一接合部５０及び第二接合部６０のいずれに適用してもよく、また、第一接合部５０を先に接合し次に第二接合部６０を接合してもよいし、第二接合部６０を先に接合した後、第一接合部５０を接合してもよい。
しかし、いずれにしても２回目のハンダ付けの温度が、１回目に用いたハンダ材料の融点よりも高いと、２回目のハンダ付けの際に１回目にハンダ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。
【００５９】
この問題を回避するため、一般的に、１回目に用いるハンダ材料の融点は、２回目に用いるハンダ材料の融点よりも高くなるように、ハンダの材料を選択する。好適には、２回目の接合に用いるハンダ材料の融点は、１回目の接合に用いるハンダ材料の融点よりも３０℃以上低いことが望ましい。
【００６０】
つまり１回目の接合に、Ｂｉ系ハンダ材料を適用した場合、Ｂｉ系ハンダ材料の融点は２７０℃以上となるので、２回目の接合に用いるハンダ材料は、Ｂｉ系ハンダ材料の融点よりも３０℃以上低い融点を有するものとすることが好ましい。一方で、パワー半導体からの発熱を考慮すると、２回目の接合に用いるハンダ材料の融点は２００℃以上であることが望ましい。よって、１回目の接合に、Ｂｉ系ハンダ材料を適用した場合には、２回目の接合に用いるハンダ材料は、融点が２１０℃〜２４０℃程度のものを適用することが好ましい。
他方、２回目の接合に、Ｂｉ系ハンダ材料を適用した場合には、１回目の接合に用いるハンダ材料は、Ｂｉ系ハンダ材料の融点よりも３０℃以上高い固相線温度を有するものであることが好ましい。一方で、ハンダ付けの際の加熱によって半導体素子が破壊されるのを防ぐには、融点が６５０℃以下、好ましくは４５０℃以下であることが好ましい。よって、２回目の接合にＢｉ系ハンダ材料を適用した場合には、１回目の接合に用いるハンダ材料は、融点が３００〜６５０℃、好ましくは３００〜４５０℃のものを適用することが好ましい。
【００６１】
上記から、Ｂｉ系ハンダ材料は、その融点が約２７０℃であるという観点から２回目の接合に用いることが好ましく、１回目の接合に用いるハンダ材料は、Ｂｉ系ハンダ材料の融点２７０℃よりも充分に高い融点を有する材料を適用することが好ましい。但し、製造工程上、ハンダ付けのための加熱によってパワー半導体素子２０を破壊しないよう、１回目の接合に用いるハンダ材料としては、融点が６５０℃（より好ましくは４５０℃以下）であることが好ましい。つまり、１回目の接合に用いるハンダ材料は、融点が２７０℃よりも充分高く、６５０℃（より好ましくは４５０℃）よりも低い材料であることが好ましい。
【００６２】
そこで、１回目の接合に用いるハンダ材料としては、主成分がＺｎである合金材料などを挙げることができる。これらの中でも、１回目の接合に用いるハンダ材料として、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金（融点：３８２℃）を適用することが、パワー半導体素子の破壊防止の観点から好適である。
【００６３】
なお、より好適には、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５０には、融点の高いＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用し、半導体素子から遠い側の第二接合部６０には、Ｂｉ系ハンダ材料を適用する場合である。
【００６４】
したがって、以下、図１に示す第一の実施態様では、第一接合部５０にはＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用し、第二接合部６０にはＢｉ系ハンダ材料を適用する場合について説明する。
【００６５】
［第一の実施態様］
＜第二接合部＞
本発明における第二接合部６０は、絶縁部３０と放熱板４０との間を接合するために設けられる。図１に示す第一の実施態様では、第二接合部６０の材質として、Ｂｉ系ハンダ材料を用いる。本発明ではＢｉ系ハンダ材料としては、Ｂｉを主成分とするものであれば特に制限されない。なお、「Ｂｉ系ハンダ材料」とは、ハンダ材料中、Ｂｉを８０質量％以上含有するものをいう。
具体的には、Ｂｉ系ハンダ材料としては、Ｂｉ単体のほかに、ＢｉにＣｕ、Ｎｉ、Ａｇを添加したものなどを挙げることができるが、下記（１）〜（４）に記載のＢｉ系ハンダ材料であることが固相線温度を低下させない観点から好ましい。例えば、ＢｉにＡｇを２．５質量％添加したものは、固相線温度がＢｉ単体の２７０℃から２６２℃程度に低下してしまい、半導体素子の動作により発せられる熱に対する耐性の観点から望ましくはない。
更に、下記（１）〜（４）に記載のＢｉ系ハンダ材料の中でも、Ｂｉの脆性の高さを解消して機械的強度を高める観点からは、下記（２）〜（４）のＢｉ系ハンダ材料であることが好ましい。
【００６６】
（１）Ｂｉ単体
（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ
（３）ＢｉにＣｕを添加した材料
（４）ＢｉにＮｉを添加した材料
以下、それぞれのＢｉ系ハンダ材料について詳細に説明する。
【００６７】
（１）Ｂｉ単体
Ｂｉは２７０℃近辺の融点を有するため、接合部のハンダ材料としては好適である。しかし、−４０℃〜２００℃の過酷な冷熱サイクル下においては、Ｂｉと接触する材料の種類によっては、接触する界面での反応が顕著になり、不要な反応生成物を生成することが明らかとなった。このような現象は、−４０℃〜２００℃という温度条件下とした場合に初めて見出されたものである。
このように、高い耐熱性に着目してハンダ材料にＢｉを適用すると、ハンダそのものの耐熱性は向上するものの、Ｂｉ系ハンダ材料との界面状態によっては、冷熱サイクルによって不要な反応生成物を生成し、それに起因してクラックなどを発生させ、結果、耐熱性を低下させることになる。
【００６８】
そこで、本発明では、Ｂｉを高温にしても接触界面で不要な反応物を生成させない材料を検討し、Ｂｉの接触界面にＣｕ層を設けている。この結果、Ｂｉの接触界面では、不要な反応生成物を生成させること無く、クラックなどの不具合の発生を抑えることができる。
つまり、単に、融点の高いＢｉをハンダ材料として接合部に適用すれば、半導体モジュールの耐熱性が向上するというのではなく、ハンダ材料の種類と、ハンダ材料が接する界面に設ける層の材質との組み合わせによって、はじめて耐熱性を向上させることができる。
【００６９】
（２）Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ
Ｂｉは２７０℃近辺の融点を有するため、第二の接合層のハンダ材料としては好適であるが、せん断強度が弱く、脆いという性質を有しているため、取り扱いが難しい。そこで、ＣｕＡｌＭｎ合金の粒子をＢｉに分散させて強度を高めている。この機能について更に詳細に説明する。
【００７０】
ＣｕＡｌＭｎ合金はマルテンサイト変態の性質を有する。マルテンサイト変態の性質を有する金属の合金相は、温度や応力に基づいてマルテンサイト相又は母相のいずれかの状態をとる。金属の合金相がマルテンサイト相の場合には、金属は極めて柔軟性に富んでおり、外力に基づいて容易に形状を変えることができる。このため、外力に基づく応力が緩和される。更に、冷熱サイクルが繰り返されたとしても、柔軟に形状を変えることができるので、応力に基づく疲労の蓄積が抑制される。また、金属の合金相が母相の場合は、金属は外力に基づいてマルテンサイト相に相移転し、弾性変形するので、外力が除荷されれば、記憶された元の形状に回復することができる。このため、金属にかかる応力が緩和されるとともに、その応力の蓄積が抑制される。
【００７１】
したがって、マルテンサイト変態の性質を有するＣｕＡｌＭｎ合金をバルク金属であるＢｉに加えることによって、外力からの応力を緩和するとともに、その応力の蓄積を制御することができる。その結果、Ｂｉに特有のせん断強度の弱さや脆さが解消される。
【００７２】
さらに、ＣｕＡｌＭｎ合金は毒性が少なく、添加するバルク金属の融点（液相線温度や固相線温度）に与える影響も少ない。また、ＣｕＡｌＭｎ合金は電気抵抗が小さいため、ＣｕＡｌＭｎ合金に電流が流れる状況下においても好適に利用することができる。
【００７３】
Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ中のＣｕＡｌＭｎ合金の含有率は、０．５〜２０質量％であることが好ましく、１〜１５質量％であることがより好ましい。ＣｕＡｌＭｎ合金の含有率が０．５質量％よりも少ないと、マルテンサイト変態の性質を有する物質を添加した上記効果が得られ難く、２０質量％よりも多いと、溶融するＢｉの含有率が低くなり、被接合体との接合強度が得られ難くなる。
なお、ＢｉとＣｕＡｌＭｎとの体積分率を９０：１０〜４５：５５まで変化させた場合であっても、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点（固相線温度）は、約２７１℃程度である。
【００７４】
ＣｕＡｌＭｎ合金において、Ｍｎの含有率は０．０１〜２０質量％であり、Ａｌの含有率は３〜１３質量％であり、残部がＣｕであることが好ましい。この組成比に調整することによって、マルテンサイト変態の性質が顕著に表れ、ハンダによって形成された結合部が破壊されるのを抑制することができる。
【００７５】
また、ＣｕＡｌＭｎ合金に、Ａｇ、Ｎｉ，Ａｕ、Ｓｎ，Ｐ，Ｚｎ、Ｃｏ，Ｆｅ、Ｂ、Ｓｂ、Ｇｅを添加すると、Ｂｉとの整合性を向上させ、マルテンサイト相を安定化させる効果があるので、これら添加元素を添加する態様も好ましい。
ＣｕＡｌＭｎ合金における上記添加元素の含有率は、０．００１〜１０質量％であることが好ましい。添加元素が０．００１質量％よりも少ないと、添加元素を添加する上記効果が得られ難い。添加元素が１０質量％よりも多いとＣｕＡｌＭｎ合金がマルテンサイト相を呈することができなくなる。
【００７６】
ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の粒径を調整すると、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの応力緩和能力等を調整することができる。具体的には、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の粒径は、０．０１〜１００μｍであることが好ましく、０．０１〜２０μｍであることが更に好ましい。
【００７７】
ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の調製方法は特に制限されず、合金粒子の公知の調製方法を適宜適用することができる。調整方法の一例を下記に示すがこれに限定されない。
まず、Ｃｕ、Ａｌ、ＭｎをＡｒ雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し前駆体であるＣｕＡｌＭｎ合金インゴットを作製する。インゴットには必要に応じて、上記添加元素を添加しても良い。次に、得られたインゴットをアトマイズ法等の粉末作製技術を利用して粉末化し、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子を得る。粉末化したＣｕＡｌＭｎ合金粒子は滴下法等を利用して、粒子表面にＮｉやＡｕをめっきする。粒子表面のめっき層の膜厚を調整することによって、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ中のＣｕＡｌＭｎ粒子の分散性を向上させることができる。好ましい該めっき層の膜厚は、０．０１〜３μｍである。
【００７８】
Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎによって絶縁部３０と放熱板４０とを接合する場合、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点（２７０℃）よりも数十℃高い温度で接合することが、接合部を一様に溶融させ、充分な流動性を得る観点から好ましく、３００〜３５０℃程度で接合することが好ましい。
【００７９】
（３）ＢｉにＣｕを添加した材料
上述の通り、ハンダ材料はＢｉ単体であってもパワー半導体モジュールの耐熱性を向上させることができるが、Ｂｉの脆性の低さを改善するのであれば、ＢｉにＣｕを添加したハンダ材料とすることが好適である。
【００８０】
ＢｉにＣｕを添加すると、Ｂｉの脆性が低く抑えられ、機械的強度が高まるという原因については明らかになっていないが、微細なＣｕがＢｉ中に分散することによるものと思われる。
【００８１】
Ｂｉの脆性を低く抑えるという観点からは、Ｃｕの含有率は０．０１質量％以上であることが好ましく、より好適には０．１質量％以上であり、更に好適には０．４質量％以上である。
一方、Ｃｕを多く添加すると、液相線温度が上昇するので、ハンダによる接合時の加熱温度を考慮すると、Ｃｕの含有率は５質量％以下であり、好適には２質量％以下であり、更に好適には１質量％以下である。
【００８２】
ここで、Ｃｕの添加率と液相線温度及び固相線温度との関係について説明する。
ＢｉにＣｕを含有させていくと、Ｃｕの含有率が多くなるにつれ液相線温度が高くなる。液相線温度とは、すべてが溶融し液体となる温度である。一方、Ｃｕの含有率を多くしても、固相線温度は約２７０℃とほぼ一定の温度を示す。固相線温度とは、少なくとも一部が溶解し始める温度をいう。
すなわち、Ｃｕの含有率が多くなるにつれ、溶融し始める温度（固相線温度）と、全体が溶融し終わる温度（液相線温度）との差が大きくなる。このような温度差が生じると、接合操作の際に均一に接合し難くなり、被接合部材が傾いて接合してしまうなどの不具合を発生させ易い。また、液相線温度が高くなったことに起因して、高温で半導体素子を接合すると、半導体素子が破壊されるおそれがある。
【００８３】
また、ハンダでの接合時の好適な加熱温度を考慮すると、ＢｉにＣｕを含有させたハンダ材料の液相線温度の上限は６５０℃であり、より好適には４５０℃である。
【００８４】
ＢｉにＣｕを含有させたときの具体的な液相線温度及び固相線温度を下記表１に示す。
【００８５】
【表１】
【００８６】
ＢｉにＣｕを添加したハンダ材料の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。例えば、具体的な製造方法として下記の方法を挙げることができるが、本発明はこれに限定されない。
所定量のＢｉ及びＣｕを準備し、高周波溶解炉等により加熱、混合した後に、冷却する。
【００８７】
（４）ＢｉにＮｉを添加した材料
ＢｉにＮｉを添加すると、Ｂｉの脆性が改善され、機械的強度が高まる。この原因については明らかになっていないが、微細なＢｉ３Ｎｉの化合物相がＢｉ中に分散することによるものと思われる。
【００８８】
Ｂｉの脆性を低く抑えるという観点からは、Ｎｉの含有率は０．０１質量％以上であり、好適には０．１質量％以上であり、更に好適には０．４質量％以上である。
一方、Ｎｉを多く添加すると、Ｃｕを添加したときと同様に、液相線温度が上昇する。したがって、ハンダによる接合時の加熱温度を考慮すると、Ｎｉの含有率は７質量％以下であり、好適には２質量％以下であり、更に好適には１質量％以下である。
ＢｉにＮｉを含有させたときの具体的な液相線温度及び固相線温度を下記表２に示す。
【００８９】
【表２】
【００９０】
ＢｉにＮｉを添加したハンダ材料の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を採用することができ、上述のＢｉにＣｕを添加したハンダ材料と同様の方法を採用することができる。
【００９１】
＜第一接合部＞
本発明における第二接合部５０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間を接合するために設けられる。上述の通り、本発明では、第二接合部５０の材質としては特に制限されないが、第一の実施態様では上記第二接合部６０に約２７０℃の融点を有するＢｉ系ハンダ材料を適用するため、製造工程上、２７０℃よりも充分に高い融点を有する材料を適用することが好ましい。但し、製造工程上、ハンダ付けのための加熱によってパワー半導体素子２０が破壊しないよう、第一接合部５０には、融点が４５０℃以下であるものを適用することが好ましい。
つまり、第一接合部５０には、融点が２７０℃よりも充分高く、４５０℃よりも低い材料を適用することが好ましい。
【００９２】
ここで、Ｚｎの融点は約４２０℃である。２回目の接合に用いるＢｉ系ハンダ材料の融点が２７０℃であるので、１回目の接合に用いるハンダ材料としてＺｎを適用することは可能であるが、ハンダ時の加熱温度のより好適な範囲の上限である４５０℃を考慮すると、これよりも融点を低くすることが望ましい。
【００９３】
そこで、ＺｎにＡｌを添加して融点（固相線温度）を降下させるよう、ＺｎとＡｌの合金とすることが好ましい。また、ＺｎとＡｌの他に、２質量％以下の金属Ｍを含有してもよい。すなわち、第一接合部５０には、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用することが好ましい。
【００９４】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金において、Ａｌの含有率（ｘの範囲）は、好ましくは、２質量％以上１０質量％以下であり、３質量％以上８質量％以下であることがより好ましい。
Ａｌを含まない場合（ｘが０の場合）には上述のように融点は約４２０℃であって、Ａｌの含有率が増加するに従い、溶解終了温度（液相線温度）は徐々に降下し、Ａｌの含有率が約２質量％で溶解終了温度（液相線温度）が約４１０℃となり、Ａｌの含有率が約４〜６質量％で液相線温度が約３８２℃となる。Ａｌの含有率が約６質量％よりも多くなると、溶解し始める温度（固相線温度）と溶解の完了する温度（液相線温度）との差が大きくなり、Ａｌの含有率が１０質量％の場合には、固相線温度が約３８２℃で、液相線温度が約４１０℃となる。Ａｌの含有率が１０質量％よりも多くなると固相線温度と液相線温度との温度差が３０℃よりも大きくなるので作業性が低下し、ハンダによって第一接合部を接合する際に、位置ずれや接合部材の傾斜等の不具合を発生させやすくなる。
【００９５】
また、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金における金属Ｍは、亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表し、Ｃｕなどを挙げることができる。Ｃｕを２質量％以下含有させると、濡れ性が良好となり密着性が向上する。なおＣｕを２質量％含有しても液相線温度は殆ど変化しない。
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金において、金属Ｍの含有量（ｙの範囲）としては、０〜２質量％であり、好ましくは０〜１．５質量％である。金属Ｍの含有量が２質量％よりも多くなると、溶解完了までの温度差が３０℃よりも大きくなるので作業性が低下し、ハンダによって第一接合部を接合する際に、位置ずれや接合部材の傾斜等の不具合が発生し易くなる。
【００９６】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の調製方法は特に制限されず、公知の合金調製方法を適宜適用することができる。
【００９７】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金によってパワー半導体素子２０と絶縁部３０とを接合する場合、合金の液相線温度よりも数十℃高い温度で接合することが、接合部を一様に溶融させ、充分な流動性を得る観点から好ましい。例えば、３８２℃の液相線温度を有するＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ合金の場合には、４１０℃〜４４０℃程度で接合することが好ましい。
【００９８】
＜Ｂｉ系ハンダ材料に対する被接合面＞
半導体モジュールのように、過酷な冷熱サイクルにおいて、反応生成物を生成すると、この反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、脆い反応生成物の場合には、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となったりする。
そこで、Ｂｉ系ハンダ材料によって接合する部材の被接合面には、Ｃｕ層を備える。つまり、第一の実施態様では、第一接合部５０にＢｉ系ハンダ材料を適用するので、パワー半導体素子２０と絶縁部３０のそれぞれの被接合面にＣｕ層を備える。Ｃｕ層を備えることで、Ｂｉとの界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができる。
【００９９】
Ｂｉ系ハンダ材料の被接合面に設けるＣｕ層の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜５μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｃｕ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
【０１００】
なお、ハンダ材料がＢｉ単体のみならず、ＢｉにＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散したハンダ材料、ＢｉにＣｕを添加したハンダ材料、ＢｉにＮｉを添加したハンダ材料であっても、添加したＣｕＡｌＭｎ合金粒子やＣｕやＮｉの存在によらず、Ｃｕ層と接合部との接触界面では、不要な反応生成物が発生し難くなり、温度変化に対しても耐性が高くなる。
【０１０１】
＜Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金に対する被接合面＞
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を接合部材として用いる場合には、接合する部材の被接合面には、Ｎｉ層を備える。つまり、第一の実施態様では、第一接合部５０にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用するので、パワー半導体素子２０と絶縁部３０のそれぞれの被接合面にＮｉ層を備える。Ｎｉ層を備えることで、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金との界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができ、温度変化に対しても耐性が高くなる。
【０１０２】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の被接合面に設けるＮｉ層の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜５μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｎｉ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
【０１０３】
＜パワー半導体素子＞
パワー半導体素子２０としては、特に制限することなく用途に応じて適宜適用することができ、一般的なＳｉ基板なども適用できる。
本発明では、次世代素子としてＧａＮ基板やＳｉＣ基板などを用いた場合であっても、第二接合部５０に用いるＢｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点（固相線温度）が約２７０℃のため、半導体素子の繰り返し使用によって放熱される２００℃を超える高温に対しても、亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
【０１０４】
第一の実施態様では、第一接合部５０にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用するので、パワー半導体素子２０は、第一接合部５０側の表面にＮｉ層２２を設ける。第一接合部５０としてＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を用いた場合、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ層とＮｉ層２２との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、温度変化に対しても耐性が高くなる。
【０１０５】
更にＮｉ層２２の表面には、酸化防止やぬれ性（密着性）確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にハンダ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。
【０１０６】
このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ〜０．５μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０５μｍ〜０．３μｍである。Ａｕ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
【０１０７】
＜絶縁部＞
絶縁部３０における絶縁基板３２としては、絶縁性を確保できるものであれば特に制限されず適用することができるが、好ましくは冷却サイクル時に顕著な熱応力を生じさせないよう、半導体素子の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有するものである。
【０１０８】
具体的に好適な絶縁基板３２としては、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３などで形成されるものを挙げることができ、この中でも熱伝導率及び熱膨張係数の観点からＡｌＮが好適である。
【０１０９】
また、絶縁基板３２におけるパワー半導体素子側の表面から半導体素子に電気を通すためにＡｌＮの表面に導電層３４を設ける。また、温度変化に対するそりを抑制するために、放熱板４０側にも導電層３６を設けることが好ましい。このような導電層３４、３６としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＡｌ及びＣｕが好ましい。ＡｌＮの表面にＡｌ層を設けると、温度変化に対して塑性変形を生じ、熱応力を緩和でき、Ｃｕ層を設けると導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるため好適である。
【０１１０】
ＡｌＮの表面に備える導電層３４、３６の厚さは、０．０１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍであることがより好ましい。導電層の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合には、横方向への電流による損失及び発熱が無視できなくなり、１ｍｍを超える場合には、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
【０１１１】
ＡｌＮの両表面に導電層３４、３６を貼付する方法は特に制限されず、ロウ付けなどの公知の方法を適宜採用することができる。
【０１１２】
なお、ＡｌＮの表面に導電層３４、３６としてＣｕ層を設けた場合、第二接合部６０にＢｉ系ハンダ材料を適用するときに、接合部との界面において不要な反応生成物を生成させないように設けるＣｕ層の機能を兼ねることができる。
【０１１３】
一方、導電層３４、３６としてＣｕ層を設けない場合には、Ｂｉ系ハンダ材料で接合する第二接合部６０側の絶縁部３０の表面にＣｕ層３９を設ける。このＣｕ層３９の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、３μｍ〜８μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
このＣｕ層３９は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
【０１１４】
一方、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用する第一接合部５０側の絶縁部３０の表面には、Ｎｉ層３８を設ける。上述の通り、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金は、Ｎｉ層との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、Ｎｉ層３８を設けることで温度変化に対しても亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。
【０１１５】
Ｎｉ層３８の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、３μｍ〜８μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
【０１１６】
更にＮｉ層３８の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にハンダ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。
【０１１７】
このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ〜０．５μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０５μｍ〜０．２μｍである。
【０１１８】
＜放熱板＞
放熱板４０としては、放熱性を有するものであれば特に制限されず適用することができるが、熱伝導率が充分高く放熱板としての機能に優れ、また半導体素子の熱膨張係数に近いものを用いることが好ましい。
【０１１９】
具体的に好適な放熱板４０としては、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ、Ａｌなどで形成されるものを挙げることができ、この中でも高い熱伝導率とパワー半導体素子に近い熱膨張係数を有することから、Ｍｏが好適である。
【０１２０】
Ｍｏを放熱板に用いる場合には、ハンダによる接合を可能とする観点から、Ｍｏの両面に他の金属層を設けることが好ましく、このような金属層としては、Ｃｕ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＣｕが好ましい。特に、放熱板４０が、Ｍｏの表面にＣｕ層を設けたＣｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の積層体であることが、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。
【０１２１】
このように、放熱板４０が、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体である場合、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることが好ましく、１／７／１〜１／９／１であることがより好ましい。１／５／１よりもＭｏ層が薄くなると、パワー半導体素子の熱膨張係数から離れた熱膨張係数を有することになるため好ましくない。１／１２／１よりもＭｏ層が厚くなると、放熱板としての放熱機能が充分に発揮され難くなり、好ましくない。
【０１２２】
具体的な層の厚さとしては、Ｃｕ層４４、４６は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。Ｍｏ層４２の厚さは、１ｍｍ〜７ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜４ｍｍであることがより好ましい。
【０１２３】
Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体は、放熱機能を充分に発揮させるため、全体の厚さは１ｍｍ〜８ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。
【０１２４】
既述の通り、Ｂｉ系ハンダ材料は、Ｃｕ層との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、Ｃｕ層４４がＢｉ系ハンダ材料と接する構造である本発明にかかるパワー半導体モジュールは、温度変化に対しても耐性が高くなる。
【０１２５】
＜製造方法＞
本発明のパワー半導体モジュールは、上記構成を有するものであれば、製造方法について特に制限されず、公知の方法を適宜適用することができる。
製造手順としては、まず、パワー半導体素子２０と絶縁部３０とをＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金によって接合して第一接合部５０を形成し、その後、パワー半導体素子２０を備えた絶縁部３０と放熱板４０とをＢｉ系ハンダ材料によって接合して第二接合部６０を形成する。
これにより、１回目に用いるハンダ材料であるＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の固相線温度は、２回目に用いるハンダ材料であるＢｉ系ハンダ材料の液相線温度よりも高くなり、且つ、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５０には、より固相線温度の高いＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用し、半導体素子から遠い側の第二接合部６０には、第一接合部５０に用いたハンダ材料よりも液相線温度の低いるＢｉ系ハンダ材料を適用できる。
【０１２６】
具体的には、第一接合部５０によるパワー半導体素子２０と絶縁部３０との接合方法としては、パワー半導体素子のＮｉ層２２と絶縁部３０のＮｉ層３８とが対向するように配置し、その間にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を挟み、パワー半導体素子２０（Ｎｉ層３８）／Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金（第一接合部材部）５０／（Ｎｉ層３８）絶縁部３０をこの順に積層した状態で、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して接合する。
接合温度は、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の液相線温度よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。
【０１２７】
第一接合部材５０の層の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５〜５００μｍであることが好ましく、１０〜２００μｍであることがより好ましい。
【０１２８】
第二接合部６０による接合では、第一接合部５０によってパワー半導体素子２０と接合した絶縁部３０と、放熱板４０とを用い、絶縁部３０のＣｕ層３９と放熱板４０のＣｕ層４４とが対向するように配置し、その間にＢｉ系ハンダ材料を挟み、絶縁部３０（Ｃｕ層３９）／Ｂｉ系ハンダ材料（第二接合部材部）６０／（Ｃｕ層４４）放熱板４０の順に積層した状態で、第一接合部５０による接合と同様に、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して接合する。接合温度は、Ｂｉ系ハンダ材料の液相線温度よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。
【０１２９】
なお、接合の際にＢｉの濡れ性が良好でない場合があるので、被接合部材に外圧を加えながら擦動させることが好ましい。
【０１３０】
Ｂｉ系ハンダ材料６０の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５〜５００μｍであることが好ましく、１０〜３００μｍであることがより好ましい。
【０１３１】
［第二の実施態様］
第一の実施態様では、第一接合部５０にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用し、第二接合部６０にはＢｉ系ハンダ材料を適用したが、第二の実施態様では、第一接合部５０にＢｉ系ハンダ材料を適用し、第二接合部６０にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用する。
第二の実施態様では、第一接合部５０に接する半導体素子２０の被接合面と絶縁部３０の被接合面とには、Ｃｕ層を設ける。また、第二接合部６０に接する絶縁部３０の被接合面と放熱板４０の被接合面には、Ｎｉ層を設ける。そして、第二接合部６０を先に接合し、第一接合部５０を２回目に接合する。その他については、第一の実施態様と同様であるので、説明を省略する。
【０１３２】
［第三の実施態様］
第三の実施態様では、第一接合部５０には、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金やＢｉ系ハンダ材料以外のハンダ材料を適用し、第二接合部６０にＢｉ系ハンダ材料を適用する。但し、第一接合部５０に適用するハンダ材料の液相線温度は、Ｂｉ系ハンダ材料の液相線温度よりも高く、且つ６５０℃よりも低く、より好ましくは４５０℃よりも低い。このような第一接合部５０のハンダ材料としては、Ａｕ−Ｓｉ（融点３６０℃）、Ａｕ−Ｇｅ（融点３５６℃）などを挙げることができる。
第三の実施態様では、第二接合部６０に接する絶縁部３０の被接合面と放熱板４０の被接合面には、第一の実施態様と同様にＣｕ層を設ける。一方、第一接合部５０に接する半導体素子２０の被接合面と絶縁部３０の被接合面とには、第一接合部５０に用いるハンダ材料と反応して反応生成物を発生させないような金属層を設けてもよいし、設けなくてもよい。そして、第一の実施態様と同様に、第一接合部５０を先に接合し、第二接合部６０を２回目に接合する。
その他については、第一の実施態様と同様であるので、説明を省略する。
【０１３３】
［その他］
なお、第一の実施態様から第三の実施態様では、２箇所の接合部分には、別種のハンダ材料を用いているが、Ｂｉ系ハンダ材料において、Ｂｉに添加する材料の種類や添加量を変えることで、融点が大きく変わる場合には、１回目の接合と２回目の接合の両者に、Ｂｉ系ハンダ材料を適用することができる。この場合においても、２回目の接合に用いるハンダ材料の融点は、１回目の接合に用いるハンダ材料の融点よりも３０℃以上低いことが望ましく、且つパワー半導体からの発熱を考慮して２００℃以上であることが望ましい。
【実施例】
【０１３４】
以下では実施例により本発明を説明するが、本発明のパワー半導体モジュールの製造方法の一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１３５】
［実施例１］
図１に本実施例のパワー半導体モジュールの構成を示す。
【０１３６】
＜パワー半導体素子の準備＞
ＧａＮを用いたパワー半導体素子２０を準備し、その最表面にＮｉ層２２をスパッタリングで形成した。Ｎｉ層２２の表面にはＡｕ層（図示せず）をスパッタリングで形成した。
【０１３７】
＜絶縁部の準備＞
一方、絶縁基板３２としてのＡｌＮの両面にロウ付けによってＡｌ層３４、３６を貼り付け、Ａｌ層３４／ＡｌＮ層３２／Ａｌ層３６の積層体を作製した。更にこの積層体の一方の表面にＮｉ層３８を、他方の表面にＣｕ層３９をメッキにより形成し絶縁部３０を作製した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
【０１３８】
＜第一接合部の接合＞
予め準備したＺｎ0.96Ａｌ0.04合金を放電加工法を利用して、１５０〜２００μｍの厚みに切り出した。
上記準備したパワー半導体素子２０のＮｉ層２２と、絶縁部３０のＮｉ層３８とを対向するように配置し、その間にＺｎ0.96Ａｌ0.04層５０を挟み込んだ状態で、還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して、４２０℃の接合温度で接合した。
【０１３９】
＜放熱板の準備＞
放熱板として、Ｍｏの両表面にＣｕ層を貼り付けて、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体４０を作製した。積層体４０全体の厚さは３ｍｍであり、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の厚さの比率は、１／８／１であった。
【０１４０】
＜第二接合部＞
（Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの調製）
まず、ＣｕＡｌＭｎ合金の調製を行った。
所定の質量％に調整されたＣｕとＡｌとＭｎを、Ａｒ雰囲気下において高周波溶解炉を利用して溶解し、前駆体であるＣｕＡｌＭｎのインゴットを得た。得られたインゴットをアトマイズ法を利用して微粉化した。
微粉化したＣｕＡｌＭｎは、滴下法を利用して、その粉末表面にＮｉをめっきした。
【０１４１】
次に、表面がＮｉめっきされたＣｕＡｌＭｎ粉末とＢｉとを、透明石英管に真空封入し、Ｂｉの融点以上である４００℃の温度にて５分間保持した。これにより、Ｂｉが溶融状態となり、ＣｕＡｌＭｎ粉末が均一に分散された。分散された試料を冷却凝固することによって、第二接合部６０のハンダ材料であるＢｉ−ＣｕＡｌＭｎが得られた。
【０１４２】
鋳塊のＢｉ−ＣｕＡｌＭｎを放電加工法を利用して、１５０〜２００μｍの厚みに切り出した。
【０１４３】
（接合）
パワー半導体素子２０が第一接合部５０で接合された絶縁部３０におけるＣｕ層３９と、放熱板４０のＣｕ層４４とが対向するように配置し、その間に酸化膜を除去したＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ層を挟み込んだ状態で、還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して３２０℃の接合温度で接合した。
得られたパワー半導体モジュール１０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを積層し、その間をそれぞれＺｎ0.96Ａｌ0.04合金及びＢｉ−ＣｕＡｌＭｎで接合したものである。
【０１４４】
なお、１回目の接合部分（Ｚｎ0.96Ａｌ0.04合金による接合箇所）は、２回目のハンダ付けの加熱によっても溶融することがなく、２回目の接合時に位置ずれを起こしたり、傾いたりという不具合を発生させていなかった。
【０１４５】
＜冷熱サイクル試験＞
得られたパワー半導体モジュール１０について、冷熱サイクル試験を行った。
本実施例において冷熱サイクル試験は、−４０℃と２５０℃の間を６０分で上昇・降下させるのを１サイクルとし、その１サイクルを合計で１０００サイクル行った。１０００サイクル後の第一接合部と第二接合部の断面を観察し、界面の反応生成物の有無、亀裂や空隙などの不具合の有無を調べた。
その結果、不具合は観察されず、過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。
【０１４６】
［比較例１］
図１に示す実施例１のパワー半導体モジュールの構成と同様の構成で、但し、第一接合部のハンダ材料をＰｂの含有率が９０質量％の９０Ｐｂ−Ｓｎとし、第二接合部のハンダ材料をＰｂの含有率が５０質量％の５０Ｐｂ−Ｓｎとしたパワー半導体モジュールを作製した。
【０１４７】
得られた比較のパワー半導体モジュールについても、実施例１と同様の冷熱サイクル試験を行った。その結果、絶縁部と放熱板との間の第二接合部において剥離が生じた。これは、冷熱サイクル試験の高温側で、第二接合部の接合材料（５０Ｐｂ−Ｓｎ）の固相線温度及び液相線温度を超えているために溶解してしまい、剥離したものと思われる。
【０１４８】
［実施例２］
図２にしめすような、パワー半導体素子と絶縁基板とをＢｉ系ハンダ材料で接合した評価試験体−１を作製した。
【０１４９】
＜パワー半導体素子の準備＞
ＧａＮを用いたパワー半導体素子２０を準備し、その最表面にＣｕ層２２１をスパッタリングで形成した。
【０１５０】
＜絶縁部の準備＞
一方、絶縁基板３２としてのＡｌＮの両面にロウ付けによってＡｌ層３４、３６を貼り付け、Ａｌ層３４／ＡｌＮ層３２／Ａｌ層３６の積層体を作製した。更にこの積層体の一方の表面にＣｕ層３８１をメッキにより形成し絶縁部３０を作製した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
【０１５１】
＜第一接合部の接合＞
Ｂｉ単体を１５０〜２００μｍの厚みに切り出した。切り出されたＢｉ単体層の表面を覆っている酸化膜を、研磨及び酸洗浄を利用して除去した。
上記準備したパワー半導体素子２０のＣｕ層２２１と、絶縁部３０のＣｕ層３８１とを対向するように配置し、その間にＢｉ単体層５０を挟み込んだ状態で、５％Ｈ２／Ｎ２の還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して、３２０℃の接合温度で接合した。
【０１５２】
＜冷熱サイクル試験＞
得られた評価試験体−１について、冷熱サイクル試験を行った。
本実施例において冷熱サイクル試験は、−４０℃と２００℃の間を２０分で上昇・降下させるのを１サイクルとし、その１サイクルを合計で１０００サイクル行った。１０００サイクル後の接合部の断面を電子顕微鏡により観察し、界面の反応生成物の有無、亀裂や空隙などの不具合の有無を調べた。
その結果、接合部の界面には反応生成物は観察されなかったが、微小な空隙が僅かに観察された。しかし、亀裂は生成していなかった。したがって過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。
【０１５３】
［実施例３］
実施例２において、接合部材としてＢｉ単体を用いたところを、Ｂｉに１質量％のＣｕを添加したものに変更した以外は同様にして、評価試験体−２を作製した。
得られた評価試験体−２について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、接合部の界面には反応生成物は観察されず、空隙や亀裂も確認されなかった。したがって過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。
【０１５４】
［実施例４］
実施例２において、接合部材としてＢｉ単体を用いたところを、Ｂｉに０．５質量％のＮｉを添加したものに変更した以外は同様にして、評価試験体−３を作製した。
得られた評価試験体−３について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、接合部の界面には反応生成物は観察されず、空隙や亀裂も確認されなかった。したがって過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。
【０１５５】
［比較例２］
＜パワー半導体素子の準備＞
実施例２のパワー半導体素子の準備において、パワー半導体素子２０の最表面にＣｕ層２２１をスパッタリングで形成したところをＮｉ層に変更した以外は同様にして、パワー半導体素子を準備した。。
【０１５６】
＜絶縁部の準備＞
実施例２の絶縁部の準備において、Ａｌ層３４／ＡｌＮ層３２／Ａｌ層３６の積層体の表面にＣｕ層３８１を形成したところを、Ｎｉ層に変更した以外は同様にして、絶縁部を準備した。
【０１５７】
＜第一接合部の接合＞
実施例２の第一接合部の接合において、上記準備したパワー半導体素子２０のＮｉ層と、絶縁部３０のＮｉ層とを対向するように配置し、その間にＢｉ単体層を挟み込んだ状態で接合した以外は同様にして、比較の評価試験体−１を作製した。
【０１５８】
＜冷熱サイクル試験＞
得られた比較の評価試験体−１について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、接合部の界面にＢｉ３Ｎｉを多量に生じており、その周囲には多数の空隙が観察された。このＢｉ３Ｎｉは非常に脆い性質であり、過酷な条件の冷熱サイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認された。
【０１５９】
［比較例３］
比較例２において、Ｂｉ単体層によって接合したところを、Ｂｉに１質量％のＣｕを添加したものに変更した以外は同様にして、比較の評価試験体−２を作製した。
得られた比較の評価試験体−２について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、比較の評価試験体−１と同様に、接合部の界面にＢｉ３Ｎｉを多量に生じており、その周囲には多数の空隙が観察された。このＢｉ３Ｎｉは非常に脆い性質であり、過酷な条件の冷熱サイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認された。
【０１６０】
［比較例４］
比較例２において、Ｂｉ単体層によって接合したところを、Ｂｉに０．５質量％のＮｉを添加したものに変更した以外は同様にして、比較の評価試験体−３を作製した。
得られた比較の評価試験体−３について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、比較の評価試験体−１と同様に、接合部の界面にＢｉ３Ｎｉを多量に生じており、その周囲には多数の空隙が観察された。このＢｉ３Ｎｉは非常に脆い性質であり、過酷な条件の冷熱サイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認された。
【０１６１】
作製した評価試験体の構成とその評価結果を下記表３にまとめる。
【０１６２】
【表３】
【図面の簡単な説明】
【０１６３】
【図１】本発明の一例であるパワー半導体モジュール１０の構成を示す図である。
【図２】実施例２における評価試験体−１の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１６４】
１０ パワー半導体モジュール
２０ パワー半導体素子
２２ Ｎｉ層
３０ 絶縁部
３２ 絶縁基板
３４、３６ 導電層
３８ Ｎｉ層
３９ Ｃｕ層
４０ 放熱板
４２ Ｍｏ層
４４、４６ Ｃｕ層
５０ 第一接合部
６０ 第二接合部
２２１ Ｃｕ層
３８１ Ｃｕ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールに関し、詳細には、鉛フリー高温ハンダ材料により接合してなるパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体モジュールは、通常、パワー半導体と電流通電部とが電気的に絶縁されるよう、パワー半導体に絶縁体を設けた構成となっている。このパワー半導体と絶縁体とは、ハンダなどによって接合されている。
【０００３】
また、パワー半導体モジュールでは、半導体素子から発生する熱を効率よく放散するために、あるいは一時的に熱を分散するために、放熱板が設けられ、この放熱板と上記絶縁体とは、ハンダによって接合されている。したがって、パワー半導体モジュールでは、半導体素子と絶縁体との間、及び絶縁体と放熱板との間の２箇所でハンダにより接合することが一般的である。
【０００４】
ここで、２回目のハンダ付けの温度が、１回目に用いたハンダ材料の融点よりも高いと、２回目のハンダ付けの際に１回目にハンダ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。したがって、この問題を回避するため、１回目に用いるハンダ材料の融点は、２回目に用いるハンダ材料の融点よりも高くなるように、ハンダの材料を選択している。
【０００５】
これまでは２回のハンダ接合工程にＰｂ系ハンダ材料が用いられていた。特にＰｂ−Ｓｎハンダ材料を用い、ＰｂとＳｎの比率を変えることによって、融点を１８３〜３００℃前後の範囲で変化させて、２回のハンダ付けを行っていた（例えば、非特許文献１参照。）。
しかし、Ｐｂは毒性を有するために使用廃止の方向にあり、Ｐｂフリーのハンダ材料の開発が望まれている。
【０００６】
このようなハンダ材料に対する要求の中、例えば、種々の組成のＳｎ系ハンダ材料が提案されている。しかしＳｎ系ハンダ材料は、その融点を２２０℃前後の狭い範囲でしか変動させることができず、２回のハンダ付けの工程に適用させることが難しい。
【０００７】
また、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣは、２００℃以上の耐熱性を有し、且つ絶縁破壊電界及び飽和電子密度等が大きいことから、高い動作電圧を用いて大電流を扱うことが可能である。この電流の大きさに起因して半導体素子からの発熱が２００℃程度にまで上昇するため、ハンダによる接合部分に対しても２００℃以上の耐熱性が要求されている。
しかし、Ｓｎ系ハンダ材料の融点は２２０℃程度であるが故に、この温度で溶けてしまい、また、２００℃前後において引っ張り強度が著しく低下してしまうため、２００℃を超える熱を発する次世代パワー半導体素子に対しては、接合材料としてＳｎ系ハンダ材料を用いることは実用上難しい。
【０００８】
また、接合材料としてＡｇ系のロウ材料が一般的に知られているが、それらの融点は６５０℃以上と高く、このような温度では半導体素子を壊したり変質させてしまうために、本用途に用いることができない。
【０００９】
このような状況下において、ハンダ材料としてＢｉを用いると、Ｂｉ単体の融点が２７０℃であるため、耐熱性に優れた接合体となる。
例えば、所望の接合温度で接合できるよう、固相線温度と液相線温度を適切な範囲とすべく、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎを含むＢｉがハンダ材料として提示されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、ＡｇなどＢｉと共晶しうる金属元素と、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｚｎなどの金属元素とをＢｉに添加した３成分以上からなるハンダ材料が提示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００５−７２１７３号公報
【特許文献２】特開２００１−３５３５９０号公報
【非特許文献１】馬場陽一郎「ＨＶインバータ品質確保の取り組み」溶接学会全国大会講演概要、第７７章（２００５−９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、Ｂｉ系ハンダ材料をパワー半導体モジュールの接合材料に適用しようとすると、その過酷な冷熱サイクルによって接合界面での反応が顕著になり、ハンダ材料に接する部材の材質によっては不要な反応生成物を生成させてしまうことが明らかとなった。この反応生成物は、周りに存在するハンダ材料よりも硬かったり脆かったりするので、この反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となったりする。
このような界面反応は、次世代の半導体素子として注目されているＧａＮやＳｉＣ半導体素子の場合に特に問題となる。これら次世代半導体素子では、発熱量が極めて多く、２００℃以上にまで達する場合がある。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、Ｂｉ系ハンダ材料を用いて接合したときに、接合界面に不要な反応生成物を生成させ難く、その結果クラックなどの不具合を発生させ難いパワー半導体モジュールを提供することにある。
【００１２】
また、本発明の第二の課題は、製造工程上、位置ずれなどの不具合を生じないパワー半導体モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、Ｃｕ層を表面に備えたパワー半導体素子と、Ｃｕ層を表面に備えた絶縁基板と、を有し、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、該２つのＣｕ層の間を前記Ｂｉ系ハンダ材料で接合してなるパワー半導体モジュールである。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、パワー半導体素子と、Ｃｕ層を表面に備えた絶縁基板と、Ｃｕ層を表面に備えた放熱板と、を有し、前記絶縁基板と前記放熱板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、該２つのＣｕ層の間を前記Ｂｉ系ハンダ材料で接合してなるパワー半導体モジュールである。
【００１５】
請求項１及び請求項２に記載の発明では、Ｂｉ系ハンダ材料が接する界面に、Ｃｕ層が設けられる。ＢｉとＣｕとでは、冷熱サイクルに晒されても界面で不要な反応生成物が生成し難い。したがって、クラックなどの不具合を発生させ難いパワー半導体モジュールとなる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記Ｂｉ系ハンダ材料が、（１）Ｂｉ単体、（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、（３）ＢｉにＣｕを添加した材料、又は（４）ＢｉにＮｉを添加した材料、であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュールである。
【００１７】
上述のように、ＢｉとＣｕとの界面では、半導体素子から発せられる高温の熱によっても不要な反応生成物を発生させ難く、且つＢｉの融点が高いことから、Ｂｉ系ハンダ材料としては、（１）Ｂｉ単体、も適用することができるが、（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、（３）ＢｉにＣｕを添加した材料、又は（４）ＢｉにＮｉを添加した材料であれば、Ｂｉ特有の脆性の高さを解消することができ、機械的強度を高めることもできる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、前記ＢｉにＮｉを添加した材料は、Ｎｉの含有率が０．０１質量％以上７質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュールである。
【００１９】
更に接合時の加熱温度を考慮すると、ハンダ材料の液相線温度や固相線温度を調節することが好ましい。液相線温度や固相線温度は、添加物質の添加量などによって調整することができる。ＢｉにＮｉを加えるとその添加量が多くなるにつれ液相線温度が上昇し、ハンダ材料全体が溶融するのに高い温度を要することになる。
【００２０】
ＮｉをＢｉに添加する場合には、Ｎｉの含有率が０．０１質量％以上であれば、Ｂｉ特有の脆性の高さを解消することができ、機械的強度を高めるという効果を得ることができる。
また、Ｎｉを添加することによって液相線温度が上昇し固相線温度との差が増加するが、Ｎｉの含有率が７質量％以下であれば、パワー半導体モジュールを接合するときであっても実用的な範囲内である。また、このような液相線温度であれば、ハンダ付けの際の加熱によっても半導体素子は破壊されない。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、前記ＢｉにＣｕを添加した材料は、Ｃｕの含有率が０．０１質量％以上５質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュールである。
【００２２】
ＣｕをＢｉに添加する場合には、Ｃｕの含有率が０．０１質量％以上であれば、Ｂｉ特有の脆性の高さを解消することができ、機械的強度を高めるという効果を得ることができる。
また、Ｃｕを添加することによって液相線温度が上昇し固相線温度との差が増加するが、Ｃｕの含有率が５質量％以下であれば、パワー半導体モジュールを接合するときであっても実用的な範囲内である。また、このような液相線温度であれば、ハンダ付けの際の加熱によっても半導体素子は破壊されない。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、前記Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎは、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の含有率が０．５質量％以上２０質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュールである。
【００２４】
ＣｕＡｌＭｎ合金の含有率が０．５質量％よりも少ないと、マルテンサイト変態の性質を有する物質を添加したことによる脆性の高さの解消という効果が得られ難く、２０質量％よりも多いと、溶融するＢｉの含有率が低くなり、被接合体との接合強度が得られ難くなる。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、Ｎｉ層を表面に備えた前記パワー半導体素子と、Ｎｉ層を表面に備えた前記絶縁基板とを備え、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＮｉ層が対向するように配し、該２つのＮｉ層の間をＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ（ｘは０．０２〜０．１０であり、ｙは０〜０．０２であり、Ｍは亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表す。）で表される合金で接合してなる請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。
【００２６】
請求項７に記載のパワー半導体モジュールは、少なくとも（１）パワー半導体素子と、（２）絶縁基板と、（３）放熱板と、を有し、パワー半導体素子と絶縁基板との間、及び絶縁基板と放熱板との間、の２箇所がハンダ付けによって接合される。以下、パワー半導体素子と絶縁基板との間の接合部を第一接合部と称し、絶縁基板と放熱板との間の接合部を第二接合部と称する。
【００２７】
上記２箇所のハンダ付けにおいて、階層接合技術を用いる。２回目のハンダ付け工程では、１回目にハンダ付けした部分も含めて全体を加熱するため、１回目のハンダ付け部位が位置ずれや傾斜など起こさないよう、２回目のハンダ付けの温度を１回目に用いたハンダ材料の融点よりも充分に低くしなければならない。２回目のハンダ付けの温度が、１回目に用いたハンダ材料の融点よりも高いと、２回目のハンダ付けの際に１回目にハンダ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。
【００２８】
つまり、２回目のハンダ付け材料の融点が高すぎると、これよりも更に融点の高い材料を１回目のハンダ付け材料として選択しなければならず、加熱温度が全体に高くなるため作業性が低下し、製造コストもかかってしまう。また、パワー半導体素子もハンダ付けの際に加熱されてしまうため、パワー半導体素子の破壊や改質を防ぐ観点から、ハンダ付け時の加熱温度の上限は６５０℃であり、好ましくは４５０℃程度である。これらを考慮して、１回目のハンダ付けに用いる接合材料の選択の余地を残すためには、２回目のハンダ付け材料の融点はなるべく低いことが望ましい。
しかし、上述のとおり、次世代パワー半導体素子からは２００℃程度の発熱があるため、ハンダ付け材料の融点は２００℃よりも高くなければならない。
【００２９】
すなわち、２回目のハンダ付け材料としては、その融点がなるべく低いことが好ましいが２００℃よりも高くなければならない。
【００３０】
このようにパワー半導体モジュールの製造工程を勘案すると、前記Ｂｉ系ハンダ材料は、２回目のハンダ付け材料として極めて好適である。なぜなら、前記Ｂｉ系ハンダ材料の融点は約２７０℃であるので、２７０℃よりも充分に高く且つハンダ付け工程の上限温度６５０℃（より好ましくは４５０℃）よりも低い温度範囲に融点を有するハンダ材料を１回目のハンダ付け材料に選択すればよく、その結果、１回目のハンダ付け材料の選択範囲が広くなる。また、２７０℃よりも充分に高い融点を有する１回目のハンダ付け材料を選択することができるため、２回目のハンダ付け工程において１回目のハンダ付け部位の位置ずれや傾斜などを発生させない。更に、半導体素子から発せられる大量の熱によってモジュールは２００℃程度まで上昇するが、Ｂｉ系ハンダ材料の融点は約２７０℃であるので、このような条件下においても接合部分は耐熱性を有する。
【００３１】
また、請求項７に記載の発明では、２つのＮｉ層の間をＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ（ｘは０．０２〜０．１０であり、ｙは０〜０．０２であり、Ｍは亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表す。）で表される合金で接合してなる。
【００３２】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金は、その融点が３８２℃であり、パワー半導体素子の動作によって発生した２００℃程度の熱に対しても不具合を生じさせない。
【００３３】
更に、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金とＮｉ層を接合することで、冷熱サイクルによってもその界面に生成する反応生成物は、ほとんど成長せず、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせない。また接着性にも優れる。
【００３４】
また、上述の通り、ハンダ温度の上限は６５０℃程度、より好ましくは４５０℃であるが、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の融点は３８２℃でありハンダ付け工程に適用できる上限温度よりも低く、ハンダ付け工程における加熱によって半導体素子を破壊することがない。
【００３５】
加えて、２回目のハンダ付けに用いるＢｉ系ハンダ材料の融点（約２７０℃）よりも、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の融点（３８２℃）の方が充分に高い。したがって、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金は、Ｂｉ系ハンダ材料を２回目のハンダ付けに用いる場合において、１回目のハンダ付け材料として極めて有益な材料である。
【００３６】
したがって、請求項７に記載の発明によれば、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じない信頼性の高いパワー半導体モジュールを得ることができる。また、製造工程においても、部品の位置ずれや傾斜などを発生させない。
【００３７】
なお、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の融点（３８２℃）は、Ｂｉ系ハンダ材料の融点（約２７０℃）よりも高いので、大量の熱を発する半導体素子に近い側の接合部には、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金をハンダ材料として用いることが好適である。
【００３８】
請求項８に記載の発明は、前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。
【００３９】
Ｂｉ系ハンダ材料は、第一接合部及び第二接合部のいずれに用いてもよく、仮に、パワー半導体素子から遠い側の接合部である第二接合部にＢｉ系ハンダ材料を適用した場合であっても、パワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣを用いた場合には、第二接合部にまでパワー半導体素子からの発熱が接合部に影響を与えかねない。
しかし、本発明において接合部に用いられるＢｉ系ハンダ材料の固相線温度は約２７０℃であるため、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣを用いて２００℃を超えた高温で繰り返し使用した場合でも、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
【００４０】
請求項９に記載の発明は、前記絶縁基板がＡｌＮ層であり、ＡｌＮ層の両表面にＡｌ及びＣｕの少なくとも１種で形成される導電層を有してなることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。
【００４１】
絶縁基板のパワー半導体素子側に備える導電層は、当該導電層からパワー半導体素子に電気を効率よく伝導させることが好ましい。また絶縁基板は、パワー半導体素子と放熱板との間に設置されるため、効率よく伝熱することが望ましい。
したがって、絶縁基板としては、絶縁性があることは勿論、熱伝導が良好であることが好ましく、さらに高い導電性と高い熱伝導率を有する導電層を備えることが好ましい。
請求項９に記載の発明によれば、これら物性的な要求を満たすことができる。
【００４２】
請求項１０に記載の発明は、前記Ｂｉを系ハンダ材料で接合する面側の前記導電層は、Ｃｕであることを特徴とする請求項９に記載のパワー半導体モジュールである。
【００４３】
請求項１に記載の発明について説明したように、Ｂｉ系ハンダ材料が接する界面にＣｕ層が設けられると、冷熱サイクルに晒されても界面で不要な反応生成物が生成し難い。そこで、絶縁基板において、Ｂｉを系ハンダ材料で接合する面側の導電層をＣｕとすると、導電機能と、不要な反応生成物の生成を阻止する機能とを兼ね備えることができる。
【００４４】
請求項１１に記載の発明は、前記Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金で接合する面側の前記導電層上に、Ｎｉ層を設けてなることを特徴とする請求項９に記載のパワー半導体モジュールである。
【００４５】
請求項７に記載の発明について説明したように、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金とＮｉ層を接合することで、冷熱サイクルによってもその界面に生成する反応生成物は、ほとんど成長せず、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせないので、絶縁基板において、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金で接合する面側の導電層をＮｉとすると、クラックなどの不具合を発生させ難いパワー半導体モジュールとなる。
【００４６】
請求項１２に記載の発明は、前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項２乃至請求項１１のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。
【００４７】
Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱伝導率が高く、放熱板としての機能を効果的に発揮する。また、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ程度となり、パワー半導体素子の熱膨張係数の値に近くなる。その結果、冷熱サイクル時に顕著な熱応力が生じず、亀裂や剥離などの不具合を発生させない。また、この積層体のＣｕ層は、上記Ｂｉ系ハンダ材料と接することになるが、ＢｉとＣｕとの界面では、冷熱サイクルによっても不要な生成物を発生させることがないので、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせない。
【００４８】
請求項１３に記載の発明は、前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項１２に記載のパワー半導体モジュールである。
【００４９】
Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体の中でも、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１の場合に、熱伝導率と熱膨張係数とのバランスが良好となり、放熱板としての機能を効果的に発揮する。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じない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。また、製造工程上、位置ずれなどの不具合を生じないパワー半導体モジュールをも提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
本発明のパワー半導体モジュールは、被接合面にＣｕ層を備え、前記Ｃｕ層の間を、Ｂｉ系ハンダ材料によって接合してなる。この被接合面を有する部材としては、パワー半導体素子と絶縁基板との組み合わせ、或いは絶縁基板と放熱板との組み合わせである。また、本発明のパワー半導体モジュールにおいて、少なくとも１箇所がＢｉ系ハンダ材料で接合されていればよく、したがって、２箇所以上をＢｉ系ハンダ材料で接合していてもよい。
以下では、まず始めにパワー半導体モジュールの構成について説明し、次に各構成部材について説明する。
【００５２】
＜パワー半導体モジュール＞
図１に、本発明のパワー半導体モジュール１０の腰部断面図を模式的に示す。
パワー半導体モジュール１０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを有する。パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間は第一接合部５０によって接合される。絶縁部３０と放熱板４０との間は第二接合部６０によって接合される。
【００５３】
パワー半導体モジュール１０は、車載用インバータなどに用いられるものである。パワー半導体モジュール１０の周辺には図示しない内燃機関が設けられているために、パワー半導体モジュール１０が置かれている環境はかなり高温となっている。さらに、パワー半導体素子として次世代のＧａＮやＳｉＣを用いた場合には、パワー半導体素子２０からの発熱が大きく、パワー半導体モジュール１０の温度が上昇する。
【００５４】
パワー半導体素子が自身の発する熱や高温の周囲環境によって破壊するのを防ぐよう、冷却水が流動する冷却管（図示せず）が設けられ、冷却管とパワー半導体素子との間に放熱板４０が設けられる。
【００５５】
したがって、一般的にパワー半導体モジュールに求められる性能としては、第一に冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じさせないことであり、第二に絶縁基板によって確実に絶縁させることであり、第三にパワー半導体素子から発せられた熱を放熱板までなるべく蓄積することなく伝えることである。
【００５６】
冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などを発生させないためには、半導体素子、絶縁基板、放熱板及び接合部材などの部材そのものが温度変化に対して耐久性がなければならず、加えて、冷熱サイクルにおいて不要な反応生成物を発生させないことが重要である。かかる反応生成物は脆い物質であったり、硬すぎる物質であったりして、反応生成物が発生した部位を起点として亀裂や剥離等を起こしやすい。
また、各部材の熱膨張係数が近い値であることも、冷熱サイクルによる亀裂や剥離などの発生を抑制するのに重要である。熱膨張係数が全く異なる部材を接合すると、冷熱サイクルによって繰り返し起こる部材の体積変化によって、亀裂や剥離等を発生させやすくなる。
【００５７】
本発明の接合体であるパワー半導体モジュールでは、第一接合部５０又は第二接合部６０に、Ｂｉ系ハンダ材料を用いて接合しているため、接合部分の耐熱性は高くなっている。またＢｉ系ハンダ材料が接する界面に、Ｃｕ層を設けているため、冷熱サイクルによって高温になってもＢｉとの界面において不要な反応生成物を生成させず、反応生成物の発生に起因したクラックの発生を抑制することができる。
【００５８】
なお、本発明のパワー半導体モジュールでは、Ｂｉ系ハンダ材料を、第一接合部５０及び第二接合部６０のいずれに適用してもよく、また、第一接合部５０を先に接合し次に第二接合部６０を接合してもよいし、第二接合部６０を先に接合した後、第一接合部５０を接合してもよい。
しかし、いずれにしても２回目のハンダ付けの温度が、１回目に用いたハンダ材料の融点よりも高いと、２回目のハンダ付けの際に１回目にハンダ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。
【００５９】
この問題を回避するため、一般的に、１回目に用いるハンダ材料の融点は、２回目に用いるハンダ材料の融点よりも高くなるように、ハンダの材料を選択する。好適には、２回目の接合に用いるハンダ材料の融点は、１回目の接合に用いるハンダ材料の融点よりも３０℃以上低いことが望ましい。
【００６０】
つまり１回目の接合に、Ｂｉ系ハンダ材料を適用した場合、Ｂｉ系ハンダ材料の融点は２７０℃以上となるので、２回目の接合に用いるハンダ材料は、Ｂｉ系ハンダ材料の融点よりも３０℃以上低い融点を有するものとすることが好ましい。一方で、パワー半導体からの発熱を考慮すると、２回目の接合に用いるハンダ材料の融点は２００℃以上であることが望ましい。よって、１回目の接合に、Ｂｉ系ハンダ材料を適用した場合には、２回目の接合に用いるハンダ材料は、融点が２１０℃〜２４０℃程度のものを適用することが好ましい。
他方、２回目の接合に、Ｂｉ系ハンダ材料を適用した場合には、１回目の接合に用いるハンダ材料は、Ｂｉ系ハンダ材料の融点よりも３０℃以上高い固相線温度を有するものであることが好ましい。一方で、ハンダ付けの際の加熱によって半導体素子が破壊されるのを防ぐには、融点が６５０℃以下、好ましくは４５０℃以下であることが好ましい。よって、２回目の接合にＢｉ系ハンダ材料を適用した場合には、１回目の接合に用いるハンダ材料は、融点が３００〜６５０℃、好ましくは３００〜４５０℃のものを適用することが好ましい。
【００６１】
上記から、Ｂｉ系ハンダ材料は、その融点が約２７０℃であるという観点から２回目の接合に用いることが好ましく、１回目の接合に用いるハンダ材料は、Ｂｉ系ハンダ材料の融点２７０℃よりも充分に高い融点を有する材料を適用することが好ましい。但し、製造工程上、ハンダ付けのための加熱によってパワー半導体素子２０を破壊しないよう、１回目の接合に用いるハンダ材料としては、融点が６５０℃（より好ましくは４５０℃以下）であることが好ましい。つまり、１回目の接合に用いるハンダ材料は、融点が２７０℃よりも充分高く、６５０℃（より好ましくは４５０℃）よりも低い材料であることが好ましい。
【００６２】
そこで、１回目の接合に用いるハンダ材料としては、主成分がＺｎである合金材料などを挙げることができる。これらの中でも、１回目の接合に用いるハンダ材料として、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金（融点：３８２℃）を適用することが、パワー半導体素子の破壊防止の観点から好適である。
【００６３】
なお、より好適には、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５０には、融点の高いＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用し、半導体素子から遠い側の第二接合部６０には、Ｂｉ系ハンダ材料を適用する場合である。
【００６４】
したがって、以下、図１に示す第一の実施態様では、第一接合部５０にはＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用し、第二接合部６０にはＢｉ系ハンダ材料を適用する場合について説明する。
【００６５】
［第一の実施態様］
＜第二接合部＞
本発明における第二接合部６０は、絶縁部３０と放熱板４０との間を接合するために設けられる。図１に示す第一の実施態様では、第二接合部６０の材質として、Ｂｉ系ハンダ材料を用いる。本発明ではＢｉ系ハンダ材料としては、Ｂｉを主成分とするものであれば特に制限されない。なお、「Ｂｉ系ハンダ材料」とは、ハンダ材料中、Ｂｉを８０質量％以上含有するものをいう。
具体的には、Ｂｉ系ハンダ材料としては、Ｂｉ単体のほかに、ＢｉにＣｕ、Ｎｉ、Ａｇを添加したものなどを挙げることができるが、下記（１）〜（４）に記載のＢｉ系ハンダ材料であることが固相線温度を低下させない観点から好ましい。例えば、ＢｉにＡｇを２．５質量％添加したものは、固相線温度がＢｉ単体の２７０℃から２６２℃程度に低下してしまい、半導体素子の動作により発せられる熱に対する耐性の観点から望ましくはない。
更に、下記（１）〜（４）に記載のＢｉ系ハンダ材料の中でも、Ｂｉの脆性の高さを解消して機械的強度を高める観点からは、下記（２）〜（４）のＢｉ系ハンダ材料であることが好ましい。
【００６６】
（１）Ｂｉ単体
（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ
（３）ＢｉにＣｕを添加した材料
（４）ＢｉにＮｉを添加した材料
以下、それぞれのＢｉ系ハンダ材料について詳細に説明する。
【００６７】
（１）Ｂｉ単体
Ｂｉは２７０℃近辺の融点を有するため、接合部のハンダ材料としては好適である。しかし、−４０℃〜２００℃の過酷な冷熱サイクル下においては、Ｂｉと接触する材料の種類によっては、接触する界面での反応が顕著になり、不要な反応生成物を生成することが明らかとなった。このような現象は、−４０℃〜２００℃という温度条件下とした場合に初めて見出されたものである。
このように、高い耐熱性に着目してハンダ材料にＢｉを適用すると、ハンダそのものの耐熱性は向上するものの、Ｂｉ系ハンダ材料との界面状態によっては、冷熱サイクルによって不要な反応生成物を生成し、それに起因してクラックなどを発生させ、結果、耐熱性を低下させることになる。
【００６８】
そこで、本発明では、Ｂｉを高温にしても接触界面で不要な反応物を生成させない材料を検討し、Ｂｉの接触界面にＣｕ層を設けている。この結果、Ｂｉの接触界面では、不要な反応生成物を生成させること無く、クラックなどの不具合の発生を抑えることができる。
つまり、単に、融点の高いＢｉをハンダ材料として接合部に適用すれば、半導体モジュールの耐熱性が向上するというのではなく、ハンダ材料の種類と、ハンダ材料が接する界面に設ける層の材質との組み合わせによって、はじめて耐熱性を向上させることができる。
【００６９】
（２）Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ
Ｂｉは２７０℃近辺の融点を有するため、第二の接合層のハンダ材料としては好適であるが、せん断強度が弱く、脆いという性質を有しているため、取り扱いが難しい。そこで、ＣｕＡｌＭｎ合金の粒子をＢｉに分散させて強度を高めている。この機能について更に詳細に説明する。
【００７０】
ＣｕＡｌＭｎ合金はマルテンサイト変態の性質を有する。マルテンサイト変態の性質を有する金属の合金相は、温度や応力に基づいてマルテンサイト相又は母相のいずれかの状態をとる。金属の合金相がマルテンサイト相の場合には、金属は極めて柔軟性に富んでおり、外力に基づいて容易に形状を変えることができる。このため、外力に基づく応力が緩和される。更に、冷熱サイクルが繰り返されたとしても、柔軟に形状を変えることができるので、応力に基づく疲労の蓄積が抑制される。また、金属の合金相が母相の場合は、金属は外力に基づいてマルテンサイト相に相移転し、弾性変形するので、外力が除荷されれば、記憶された元の形状に回復することができる。このため、金属にかかる応力が緩和されるとともに、その応力の蓄積が抑制される。
【００７１】
したがって、マルテンサイト変態の性質を有するＣｕＡｌＭｎ合金をバルク金属であるＢｉに加えることによって、外力からの応力を緩和するとともに、その応力の蓄積を制御することができる。その結果、Ｂｉに特有のせん断強度の弱さや脆さが解消される。
【００７２】
さらに、ＣｕＡｌＭｎ合金は毒性が少なく、添加するバルク金属の融点（液相線温度や固相線温度）に与える影響も少ない。また、ＣｕＡｌＭｎ合金は電気抵抗が小さいため、ＣｕＡｌＭｎ合金に電流が流れる状況下においても好適に利用することができる。
【００７３】
Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ中のＣｕＡｌＭｎ合金の含有率は、０．５〜２０質量％であることが好ましく、１〜１５質量％であることがより好ましい。ＣｕＡｌＭｎ合金の含有率が０．５質量％よりも少ないと、マルテンサイト変態の性質を有する物質を添加した上記効果が得られ難く、２０質量％よりも多いと、溶融するＢｉの含有率が低くなり、被接合体との接合強度が得られ難くなる。
なお、ＢｉとＣｕＡｌＭｎとの体積分率を９０：１０〜４５：５５まで変化させた場合であっても、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点（固相線温度）は、約２７１℃程度である。
【００７４】
ＣｕＡｌＭｎ合金において、Ｍｎの含有率は０．０１〜２０質量％であり、Ａｌの含有率は３〜１３質量％であり、残部がＣｕであることが好ましい。この組成比に調整することによって、マルテンサイト変態の性質が顕著に表れ、ハンダによって形成された結合部が破壊されるのを抑制することができる。
【００７５】
また、ＣｕＡｌＭｎ合金に、Ａｇ、Ｎｉ，Ａｕ、Ｓｎ，Ｐ，Ｚｎ、Ｃｏ，Ｆｅ、Ｂ、Ｓｂ、Ｇｅを添加すると、Ｂｉとの整合性を向上させ、マルテンサイト相を安定化させる効果があるので、これら添加元素を添加する態様も好ましい。
ＣｕＡｌＭｎ合金における上記添加元素の含有率は、０．００１〜１０質量％であることが好ましい。添加元素が０．００１質量％よりも少ないと、添加元素を添加する上記効果が得られ難い。添加元素が１０質量％よりも多いとＣｕＡｌＭｎ合金がマルテンサイト相を呈することができなくなる。
【００７６】
ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の粒径を調整すると、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの応力緩和能力等を調整することができる。具体的には、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の粒径は、０．０１〜１００μｍであることが好ましく、０．０１〜２０μｍであることが更に好ましい。
【００７７】
ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の調製方法は特に制限されず、合金粒子の公知の調製方法を適宜適用することができる。調整方法の一例を下記に示すがこれに限定されない。
まず、Ｃｕ、Ａｌ、ＭｎをＡｒ雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し前駆体であるＣｕＡｌＭｎ合金インゴットを作製する。インゴットには必要に応じて、上記添加元素を添加しても良い。次に、得られたインゴットをアトマイズ法等の粉末作製技術を利用して粉末化し、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子を得る。粉末化したＣｕＡｌＭｎ合金粒子は滴下法等を利用して、粒子表面にＮｉやＡｕをめっきする。粒子表面のめっき層の膜厚を調整することによって、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ中のＣｕＡｌＭｎ粒子の分散性を向上させることができる。好ましい該めっき層の膜厚は、０．０１〜３μｍである。
【００７８】
Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎによって絶縁部３０と放熱板４０とを接合する場合、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点（２７０℃）よりも数十℃高い温度で接合することが、接合部を一様に溶融させ、充分な流動性を得る観点から好ましく、３００〜３５０℃程度で接合することが好ましい。
【００７９】
（３）ＢｉにＣｕを添加した材料
上述の通り、ハンダ材料はＢｉ単体であってもパワー半導体モジュールの耐熱性を向上させることができるが、Ｂｉの脆性の低さを改善するのであれば、ＢｉにＣｕを添加したハンダ材料とすることが好適である。
【００８０】
ＢｉにＣｕを添加すると、Ｂｉの脆性が低く抑えられ、機械的強度が高まるという原因については明らかになっていないが、微細なＣｕがＢｉ中に分散することによるものと思われる。
【００８１】
Ｂｉの脆性を低く抑えるという観点からは、Ｃｕの含有率は０．０１質量％以上であることが好ましく、より好適には０．１質量％以上であり、更に好適には０．４質量％以上である。
一方、Ｃｕを多く添加すると、液相線温度が上昇するので、ハンダによる接合時の加熱温度を考慮すると、Ｃｕの含有率は５質量％以下であり、好適には２質量％以下であり、更に好適には１質量％以下である。
【００８２】
ここで、Ｃｕの添加率と液相線温度及び固相線温度との関係について説明する。
ＢｉにＣｕを含有させていくと、Ｃｕの含有率が多くなるにつれ液相線温度が高くなる。液相線温度とは、すべてが溶融し液体となる温度である。一方、Ｃｕの含有率を多くしても、固相線温度は約２７０℃とほぼ一定の温度を示す。固相線温度とは、少なくとも一部が溶解し始める温度をいう。
すなわち、Ｃｕの含有率が多くなるにつれ、溶融し始める温度（固相線温度）と、全体が溶融し終わる温度（液相線温度）との差が大きくなる。このような温度差が生じると、接合操作の際に均一に接合し難くなり、被接合部材が傾いて接合してしまうなどの不具合を発生させ易い。また、液相線温度が高くなったことに起因して、高温で半導体素子を接合すると、半導体素子が破壊されるおそれがある。
【００８３】
また、ハンダでの接合時の好適な加熱温度を考慮すると、ＢｉにＣｕを含有させたハンダ材料の液相線温度の上限は６５０℃であり、より好適には４５０℃である。
【００８４】
ＢｉにＣｕを含有させたときの具体的な液相線温度及び固相線温度を下記表１に示す。
【００８５】
【表１】
【００８６】
ＢｉにＣｕを添加したハンダ材料の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。例えば、具体的な製造方法として下記の方法を挙げることができるが、本発明はこれに限定されない。
所定量のＢｉ及びＣｕを準備し、高周波溶解炉等により加熱、混合した後に、冷却する。
【００８７】
（４）ＢｉにＮｉを添加した材料
ＢｉにＮｉを添加すると、Ｂｉの脆性が改善され、機械的強度が高まる。この原因については明らかになっていないが、微細なＢｉ３Ｎｉの化合物相がＢｉ中に分散することによるものと思われる。
【００８８】
Ｂｉの脆性を低く抑えるという観点からは、Ｎｉの含有率は０．０１質量％以上であり、好適には０．１質量％以上であり、更に好適には０．４質量％以上である。
一方、Ｎｉを多く添加すると、Ｃｕを添加したときと同様に、液相線温度が上昇する。したがって、ハンダによる接合時の加熱温度を考慮すると、Ｎｉの含有率は７質量％以下であり、好適には２質量％以下であり、更に好適には１質量％以下である。
ＢｉにＮｉを含有させたときの具体的な液相線温度及び固相線温度を下記表２に示す。
【００８９】
【表２】
【００９０】
ＢｉにＮｉを添加したハンダ材料の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を採用することができ、上述のＢｉにＣｕを添加したハンダ材料と同様の方法を採用することができる。
【００９１】
＜第一接合部＞
本発明における第二接合部５０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間を接合するために設けられる。上述の通り、本発明では、第二接合部５０の材質としては特に制限されないが、第一の実施態様では上記第二接合部６０に約２７０℃の融点を有するＢｉ系ハンダ材料を適用するため、製造工程上、２７０℃よりも充分に高い融点を有する材料を適用することが好ましい。但し、製造工程上、ハンダ付けのための加熱によってパワー半導体素子２０が破壊しないよう、第一接合部５０には、融点が４５０℃以下であるものを適用することが好ましい。
つまり、第一接合部５０には、融点が２７０℃よりも充分高く、４５０℃よりも低い材料を適用することが好ましい。
【００９２】
ここで、Ｚｎの融点は約４２０℃である。２回目の接合に用いるＢｉ系ハンダ材料の融点が２７０℃であるので、１回目の接合に用いるハンダ材料としてＺｎを適用することは可能であるが、ハンダ時の加熱温度のより好適な範囲の上限である４５０℃を考慮すると、これよりも融点を低くすることが望ましい。
【００９３】
そこで、ＺｎにＡｌを添加して融点（固相線温度）を降下させるよう、ＺｎとＡｌの合金とすることが好ましい。また、ＺｎとＡｌの他に、２質量％以下の金属Ｍを含有してもよい。すなわち、第一接合部５０には、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用することが好ましい。
【００９４】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金において、Ａｌの含有率（ｘの範囲）は、好ましくは、２質量％以上１０質量％以下であり、３質量％以上８質量％以下であることがより好ましい。
Ａｌを含まない場合（ｘが０の場合）には上述のように融点は約４２０℃であって、Ａｌの含有率が増加するに従い、溶解終了温度（液相線温度）は徐々に降下し、Ａｌの含有率が約２質量％で溶解終了温度（液相線温度）が約４１０℃となり、Ａｌの含有率が約４〜６質量％で液相線温度が約３８２℃となる。Ａｌの含有率が約６質量％よりも多くなると、溶解し始める温度（固相線温度）と溶解の完了する温度（液相線温度）との差が大きくなり、Ａｌの含有率が１０質量％の場合には、固相線温度が約３８２℃で、液相線温度が約４１０℃となる。Ａｌの含有率が１０質量％よりも多くなると固相線温度と液相線温度との温度差が３０℃よりも大きくなるので作業性が低下し、ハンダによって第一接合部を接合する際に、位置ずれや接合部材の傾斜等の不具合を発生させやすくなる。
【００９５】
また、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金における金属Ｍは、亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表し、Ｃｕなどを挙げることができる。Ｃｕを２質量％以下含有させると、濡れ性が良好となり密着性が向上する。なおＣｕを２質量％含有しても液相線温度は殆ど変化しない。
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金において、金属Ｍの含有量（ｙの範囲）としては、０〜２質量％であり、好ましくは０〜１．５質量％である。金属Ｍの含有量が２質量％よりも多くなると、溶解完了までの温度差が３０℃よりも大きくなるので作業性が低下し、ハンダによって第一接合部を接合する際に、位置ずれや接合部材の傾斜等の不具合が発生し易くなる。
【００９６】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の調製方法は特に制限されず、公知の合金調製方法を適宜適用することができる。
【００９７】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金によってパワー半導体素子２０と絶縁部３０とを接合する場合、合金の液相線温度よりも数十℃高い温度で接合することが、接合部を一様に溶融させ、充分な流動性を得る観点から好ましい。例えば、３８２℃の液相線温度を有するＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ合金の場合には、４１０℃〜４４０℃程度で接合することが好ましい。
【００９８】
＜Ｂｉ系ハンダ材料に対する被接合面＞
半導体モジュールのように、過酷な冷熱サイクルにおいて、反応生成物を生成すると、この反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、脆い反応生成物の場合には、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となったりする。
そこで、Ｂｉ系ハンダ材料によって接合する部材の被接合面には、Ｃｕ層を備える。つまり、第一の実施態様では、第一接合部５０にＢｉ系ハンダ材料を適用するので、パワー半導体素子２０と絶縁部３０のそれぞれの被接合面にＣｕ層を備える。Ｃｕ層を備えることで、Ｂｉとの界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができる。
【００９９】
Ｂｉ系ハンダ材料の被接合面に設けるＣｕ層の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜５μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｃｕ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
【０１００】
なお、ハンダ材料がＢｉ単体のみならず、ＢｉにＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散したハンダ材料、ＢｉにＣｕを添加したハンダ材料、ＢｉにＮｉを添加したハンダ材料であっても、添加したＣｕＡｌＭｎ合金粒子やＣｕやＮｉの存在によらず、Ｃｕ層と接合部との接触界面では、不要な反応生成物が発生し難くなり、温度変化に対しても耐性が高くなる。
【０１０１】
＜Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金に対する被接合面＞
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を接合部材として用いる場合には、接合する部材の被接合面には、Ｎｉ層を備える。つまり、第一の実施態様では、第一接合部５０にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用するので、パワー半導体素子２０と絶縁部３０のそれぞれの被接合面にＮｉ層を備える。Ｎｉ層を備えることで、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金との界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができ、温度変化に対しても耐性が高くなる。
【０１０２】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の被接合面に設けるＮｉ層の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜５μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｎｉ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
【０１０３】
＜パワー半導体素子＞
パワー半導体素子２０としては、特に制限することなく用途に応じて適宜適用することができ、一般的なＳｉ基板なども適用できる。
本発明では、次世代素子としてＧａＮ基板やＳｉＣ基板などを用いた場合であっても、第二接合部５０に用いるＢｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点（固相線温度）が約２７０℃のため、半導体素子の繰り返し使用によって放熱される２００℃を超える高温に対しても、亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
【０１０４】
第一の実施態様では、第一接合部５０にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用するので、パワー半導体素子２０は、第一接合部５０側の表面にＮｉ層２２を設ける。第一接合部５０としてＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を用いた場合、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ層とＮｉ層２２との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、温度変化に対しても耐性が高くなる。
【０１０５】
更にＮｉ層２２の表面には、酸化防止やぬれ性（密着性）確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にハンダ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。
【０１０６】
このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ〜０．５μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０５μｍ〜０．３μｍである。Ａｕ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
【０１０７】
＜絶縁部＞
絶縁部３０における絶縁基板３２としては、絶縁性を確保できるものであれば特に制限されず適用することができるが、好ましくは冷却サイクル時に顕著な熱応力を生じさせないよう、半導体素子の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有するものである。
【０１０８】
具体的に好適な絶縁基板３２としては、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３などで形成されるものを挙げることができ、この中でも熱伝導率及び熱膨張係数の観点からＡｌＮが好適である。
【０１０９】
また、絶縁基板３２におけるパワー半導体素子側の表面から半導体素子に電気を通すためにＡｌＮの表面に導電層３４を設ける。また、温度変化に対するそりを抑制するために、放熱板４０側にも導電層３６を設けることが好ましい。このような導電層３４、３６としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＡｌ及びＣｕが好ましい。ＡｌＮの表面にＡｌ層を設けると、温度変化に対して塑性変形を生じ、熱応力を緩和でき、Ｃｕ層を設けると導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるため好適である。
【０１１０】
ＡｌＮの表面に備える導電層３４、３６の厚さは、０．０１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍであることがより好ましい。導電層の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合には、横方向への電流による損失及び発熱が無視できなくなり、１ｍｍを超える場合には、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
【０１１１】
ＡｌＮの両表面に導電層３４、３６を貼付する方法は特に制限されず、ロウ付けなどの公知の方法を適宜採用することができる。
【０１１２】
なお、ＡｌＮの表面に導電層３４、３６としてＣｕ層を設けた場合、第二接合部６０にＢｉ系ハンダ材料を適用するときに、接合部との界面において不要な反応生成物を生成させないように設けるＣｕ層の機能を兼ねることができる。
【０１１３】
一方、導電層３４、３６としてＣｕ層を設けない場合には、Ｂｉ系ハンダ材料で接合する第二接合部６０側の絶縁部３０の表面にＣｕ層３９を設ける。このＣｕ層３９の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、３μｍ〜８μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
このＣｕ層３９は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
【０１１４】
一方、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用する第一接合部５０側の絶縁部３０の表面には、Ｎｉ層３８を設ける。上述の通り、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金は、Ｎｉ層との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、Ｎｉ層３８を設けることで温度変化に対しても亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。
【０１１５】
Ｎｉ層３８の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、３μｍ〜８μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
【０１１６】
更にＮｉ層３８の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にハンダ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。
【０１１７】
このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ〜０．５μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０５μｍ〜０．２μｍである。
【０１１８】
＜放熱板＞
放熱板４０としては、放熱性を有するものであれば特に制限されず適用することができるが、熱伝導率が充分高く放熱板としての機能に優れ、また半導体素子の熱膨張係数に近いものを用いることが好ましい。
【０１１９】
具体的に好適な放熱板４０としては、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ、Ａｌなどで形成されるものを挙げることができ、この中でも高い熱伝導率とパワー半導体素子に近い熱膨張係数を有することから、Ｍｏが好適である。
【０１２０】
Ｍｏを放熱板に用いる場合には、ハンダによる接合を可能とする観点から、Ｍｏの両面に他の金属層を設けることが好ましく、このような金属層としては、Ｃｕ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＣｕが好ましい。特に、放熱板４０が、Ｍｏの表面にＣｕ層を設けたＣｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の積層体であることが、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。
【０１２１】
このように、放熱板４０が、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体である場合、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることが好ましく、１／７／１〜１／９／１であることがより好ましい。１／５／１よりもＭｏ層が薄くなると、パワー半導体素子の熱膨張係数から離れた熱膨張係数を有することになるため好ましくない。１／１２／１よりもＭｏ層が厚くなると、放熱板としての放熱機能が充分に発揮され難くなり、好ましくない。
【０１２２】
具体的な層の厚さとしては、Ｃｕ層４４、４６は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。Ｍｏ層４２の厚さは、１ｍｍ〜７ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜４ｍｍであることがより好ましい。
【０１２３】
Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体は、放熱機能を充分に発揮させるため、全体の厚さは１ｍｍ〜８ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。
【０１２４】
既述の通り、Ｂｉ系ハンダ材料は、Ｃｕ層との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、Ｃｕ層４４がＢｉ系ハンダ材料と接する構造である本発明にかかるパワー半導体モジュールは、温度変化に対しても耐性が高くなる。
【０１２５】
＜製造方法＞
本発明のパワー半導体モジュールは、上記構成を有するものであれば、製造方法について特に制限されず、公知の方法を適宜適用することができる。
製造手順としては、まず、パワー半導体素子２０と絶縁部３０とをＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金によって接合して第一接合部５０を形成し、その後、パワー半導体素子２０を備えた絶縁部３０と放熱板４０とをＢｉ系ハンダ材料によって接合して第二接合部６０を形成する。
これにより、１回目に用いるハンダ材料であるＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の固相線温度は、２回目に用いるハンダ材料であるＢｉ系ハンダ材料の液相線温度よりも高くなり、且つ、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５０には、より固相線温度の高いＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用し、半導体素子から遠い側の第二接合部６０には、第一接合部５０に用いたハンダ材料よりも液相線温度の低いるＢｉ系ハンダ材料を適用できる。
【０１２６】
具体的には、第一接合部５０によるパワー半導体素子２０と絶縁部３０との接合方法としては、パワー半導体素子のＮｉ層２２と絶縁部３０のＮｉ層３８とが対向するように配置し、その間にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を挟み、パワー半導体素子２０（Ｎｉ層３８）／Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金（第一接合部材部）５０／（Ｎｉ層３８）絶縁部３０をこの順に積層した状態で、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して接合する。
接合温度は、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の液相線温度よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。
【０１２７】
第一接合部材５０の層の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５〜５００μｍであることが好ましく、１０〜２００μｍであることがより好ましい。
【０１２８】
第二接合部６０による接合では、第一接合部５０によってパワー半導体素子２０と接合した絶縁部３０と、放熱板４０とを用い、絶縁部３０のＣｕ層３９と放熱板４０のＣｕ層４４とが対向するように配置し、その間にＢｉ系ハンダ材料を挟み、絶縁部３０（Ｃｕ層３９）／Ｂｉ系ハンダ材料（第二接合部材部）６０／（Ｃｕ層４４）放熱板４０の順に積層した状態で、第一接合部５０による接合と同様に、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して接合する。接合温度は、Ｂｉ系ハンダ材料の液相線温度よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。
【０１２９】
なお、接合の際にＢｉの濡れ性が良好でない場合があるので、被接合部材に外圧を加えながら擦動させることが好ましい。
【０１３０】
Ｂｉ系ハンダ材料６０の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５〜５００μｍであることが好ましく、１０〜３００μｍであることがより好ましい。
【０１３１】
［第二の実施態様］
第一の実施態様では、第一接合部５０にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用し、第二接合部６０にはＢｉ系ハンダ材料を適用したが、第二の実施態様では、第一接合部５０にＢｉ系ハンダ材料を適用し、第二接合部６０にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用する。
第二の実施態様では、第一接合部５０に接する半導体素子２０の被接合面と絶縁部３０の被接合面とには、Ｃｕ層を設ける。また、第二接合部６０に接する絶縁部３０の被接合面と放熱板４０の被接合面には、Ｎｉ層を設ける。そして、第二接合部６０を先に接合し、第一接合部５０を２回目に接合する。その他については、第一の実施態様と同様であるので、説明を省略する。
【０１３２】
［第三の実施態様］
第三の実施態様では、第一接合部５０には、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金やＢｉ系ハンダ材料以外のハンダ材料を適用し、第二接合部６０にＢｉ系ハンダ材料を適用する。但し、第一接合部５０に適用するハンダ材料の液相線温度は、Ｂｉ系ハンダ材料の液相線温度よりも高く、且つ６５０℃よりも低く、より好ましくは４５０℃よりも低い。このような第一接合部５０のハンダ材料としては、Ａｕ−Ｓｉ（融点３６０℃）、Ａｕ−Ｇｅ（融点３５６℃）などを挙げることができる。
第三の実施態様では、第二接合部６０に接する絶縁部３０の被接合面と放熱板４０の被接合面には、第一の実施態様と同様にＣｕ層を設ける。一方、第一接合部５０に接する半導体素子２０の被接合面と絶縁部３０の被接合面とには、第一接合部５０に用いるハンダ材料と反応して反応生成物を発生させないような金属層を設けてもよいし、設けなくてもよい。そして、第一の実施態様と同様に、第一接合部５０を先に接合し、第二接合部６０を２回目に接合する。
その他については、第一の実施態様と同様であるので、説明を省略する。
【０１３３】
［その他］
なお、第一の実施態様から第三の実施態様では、２箇所の接合部分には、別種のハンダ材料を用いているが、Ｂｉ系ハンダ材料において、Ｂｉに添加する材料の種類や添加量を変えることで、融点が大きく変わる場合には、１回目の接合と２回目の接合の両者に、Ｂｉ系ハンダ材料を適用することができる。この場合においても、２回目の接合に用いるハンダ材料の融点は、１回目の接合に用いるハンダ材料の融点よりも３０℃以上低いことが望ましく、且つパワー半導体からの発熱を考慮して２００℃以上であることが望ましい。
【実施例】
【０１３４】
以下では実施例により本発明を説明するが、本発明のパワー半導体モジュールの製造方法の一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１３５】
［実施例１］
図１に本実施例のパワー半導体モジュールの構成を示す。
【０１３６】
＜パワー半導体素子の準備＞
ＧａＮを用いたパワー半導体素子２０を準備し、その最表面にＮｉ層２２をスパッタリングで形成した。Ｎｉ層２２の表面にはＡｕ層（図示せず）をスパッタリングで形成した。
【０１３７】
＜絶縁部の準備＞
一方、絶縁基板３２としてのＡｌＮの両面にロウ付けによってＡｌ層３４、３６を貼り付け、Ａｌ層３４／ＡｌＮ層３２／Ａｌ層３６の積層体を作製した。更にこの積層体の一方の表面にＮｉ層３８を、他方の表面にＣｕ層３９をメッキにより形成し絶縁部３０を作製した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
【０１３８】
＜第一接合部の接合＞
予め準備したＺｎ0.96Ａｌ0.04合金を放電加工法を利用して、１５０〜２００μｍの厚みに切り出した。
上記準備したパワー半導体素子２０のＮｉ層２２と、絶縁部３０のＮｉ層３８とを対向するように配置し、その間にＺｎ0.96Ａｌ0.04層５０を挟み込んだ状態で、還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して、４２０℃の接合温度で接合した。
【０１３９】
＜放熱板の準備＞
放熱板として、Ｍｏの両表面にＣｕ層を貼り付けて、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体４０を作製した。積層体４０全体の厚さは３ｍｍであり、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の厚さの比率は、１／８／１であった。
【０１４０】
＜第二接合部＞
（Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの調製）
まず、ＣｕＡｌＭｎ合金の調製を行った。
所定の質量％に調整されたＣｕとＡｌとＭｎを、Ａｒ雰囲気下において高周波溶解炉を利用して溶解し、前駆体であるＣｕＡｌＭｎのインゴットを得た。得られたインゴットをアトマイズ法を利用して微粉化した。
微粉化したＣｕＡｌＭｎは、滴下法を利用して、その粉末表面にＮｉをめっきした。
【０１４１】
次に、表面がＮｉめっきされたＣｕＡｌＭｎ粉末とＢｉとを、透明石英管に真空封入し、Ｂｉの融点以上である４００℃の温度にて５分間保持した。これにより、Ｂｉが溶融状態となり、ＣｕＡｌＭｎ粉末が均一に分散された。分散された試料を冷却凝固することによって、第二接合部６０のハンダ材料であるＢｉ−ＣｕＡｌＭｎが得られた。
【０１４２】
鋳塊のＢｉ−ＣｕＡｌＭｎを放電加工法を利用して、１５０〜２００μｍの厚みに切り出した。
【０１４３】
（接合）
パワー半導体素子２０が第一接合部５０で接合された絶縁部３０におけるＣｕ層３９と、放熱板４０のＣｕ層４４とが対向するように配置し、その間に酸化膜を除去したＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ層を挟み込んだ状態で、還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して３２０℃の接合温度で接合した。
得られたパワー半導体モジュール１０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを積層し、その間をそれぞれＺｎ0.96Ａｌ0.04合金及びＢｉ−ＣｕＡｌＭｎで接合したものである。
【０１４４】
なお、１回目の接合部分（Ｚｎ0.96Ａｌ0.04合金による接合箇所）は、２回目のハンダ付けの加熱によっても溶融することがなく、２回目の接合時に位置ずれを起こしたり、傾いたりという不具合を発生させていなかった。
【０１４５】
＜冷熱サイクル試験＞
得られたパワー半導体モジュール１０について、冷熱サイクル試験を行った。
本実施例において冷熱サイクル試験は、−４０℃と２５０℃の間を６０分で上昇・降下させるのを１サイクルとし、その１サイクルを合計で１０００サイクル行った。１０００サイクル後の第一接合部と第二接合部の断面を観察し、界面の反応生成物の有無、亀裂や空隙などの不具合の有無を調べた。
その結果、不具合は観察されず、過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。
【０１４６】
［比較例１］
図１に示す実施例１のパワー半導体モジュールの構成と同様の構成で、但し、第一接合部のハンダ材料をＰｂの含有率が９０質量％の９０Ｐｂ−Ｓｎとし、第二接合部のハンダ材料をＰｂの含有率が５０質量％の５０Ｐｂ−Ｓｎとしたパワー半導体モジュールを作製した。
【０１４７】
得られた比較のパワー半導体モジュールについても、実施例１と同様の冷熱サイクル試験を行った。その結果、絶縁部と放熱板との間の第二接合部において剥離が生じた。これは、冷熱サイクル試験の高温側で、第二接合部の接合材料（５０Ｐｂ−Ｓｎ）の固相線温度及び液相線温度を超えているために溶解してしまい、剥離したものと思われる。
【０１４８】
［実施例２］
図２にしめすような、パワー半導体素子と絶縁基板とをＢｉ系ハンダ材料で接合した評価試験体−１を作製した。
【０１４９】
＜パワー半導体素子の準備＞
ＧａＮを用いたパワー半導体素子２０を準備し、その最表面にＣｕ層２２１をスパッタリングで形成した。
【０１５０】
＜絶縁部の準備＞
一方、絶縁基板３２としてのＡｌＮの両面にロウ付けによってＡｌ層３４、３６を貼り付け、Ａｌ層３４／ＡｌＮ層３２／Ａｌ層３６の積層体を作製した。更にこの積層体の一方の表面にＣｕ層３８１をメッキにより形成し絶縁部３０を作製した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
【０１５１】
＜第一接合部の接合＞
Ｂｉ単体を１５０〜２００μｍの厚みに切り出した。切り出されたＢｉ単体層の表面を覆っている酸化膜を、研磨及び酸洗浄を利用して除去した。
上記準備したパワー半導体素子２０のＣｕ層２２１と、絶縁部３０のＣｕ層３８１とを対向するように配置し、その間にＢｉ単体層５０を挟み込んだ状態で、５％Ｈ２／Ｎ２の還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して、３２０℃の接合温度で接合した。
【０１５２】
＜冷熱サイクル試験＞
得られた評価試験体−１について、冷熱サイクル試験を行った。
本実施例において冷熱サイクル試験は、−４０℃と２００℃の間を２０分で上昇・降下させるのを１サイクルとし、その１サイクルを合計で１０００サイクル行った。１０００サイクル後の接合部の断面を電子顕微鏡により観察し、界面の反応生成物の有無、亀裂や空隙などの不具合の有無を調べた。
その結果、接合部の界面には反応生成物は観察されなかったが、微小な空隙が僅かに観察された。しかし、亀裂は生成していなかった。したがって過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。
【０１５３】
［実施例３］
実施例２において、接合部材としてＢｉ単体を用いたところを、Ｂｉに１質量％のＣｕを添加したものに変更した以外は同様にして、評価試験体−２を作製した。
得られた評価試験体−２について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、接合部の界面には反応生成物は観察されず、空隙や亀裂も確認されなかった。したがって過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。
【０１５４】
［実施例４］
実施例２において、接合部材としてＢｉ単体を用いたところを、Ｂｉに０．５質量％のＮｉを添加したものに変更した以外は同様にして、評価試験体−３を作製した。
得られた評価試験体−３について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、接合部の界面には反応生成物は観察されず、空隙や亀裂も確認されなかった。したがって過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。
【０１５５】
［比較例２］
＜パワー半導体素子の準備＞
実施例２のパワー半導体素子の準備において、パワー半導体素子２０の最表面にＣｕ層２２１をスパッタリングで形成したところをＮｉ層に変更した以外は同様にして、パワー半導体素子を準備した。。
【０１５６】
＜絶縁部の準備＞
実施例２の絶縁部の準備において、Ａｌ層３４／ＡｌＮ層３２／Ａｌ層３６の積層体の表面にＣｕ層３８１を形成したところを、Ｎｉ層に変更した以外は同様にして、絶縁部を準備した。
【０１５７】
＜第一接合部の接合＞
実施例２の第一接合部の接合において、上記準備したパワー半導体素子２０のＮｉ層と、絶縁部３０のＮｉ層とを対向するように配置し、その間にＢｉ単体層を挟み込んだ状態で接合した以外は同様にして、比較の評価試験体−１を作製した。
【０１５８】
＜冷熱サイクル試験＞
得られた比較の評価試験体−１について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、接合部の界面にＢｉ３Ｎｉを多量に生じており、その周囲には多数の空隙が観察された。このＢｉ３Ｎｉは非常に脆い性質であり、過酷な条件の冷熱サイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認された。
【０１５９】
［比較例３］
比較例２において、Ｂｉ単体層によって接合したところを、Ｂｉに１質量％のＣｕを添加したものに変更した以外は同様にして、比較の評価試験体−２を作製した。
得られた比較の評価試験体−２について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、比較の評価試験体−１と同様に、接合部の界面にＢｉ３Ｎｉを多量に生じており、その周囲には多数の空隙が観察された。このＢｉ３Ｎｉは非常に脆い性質であり、過酷な条件の冷熱サイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認された。
【０１６０】
［比較例４］
比較例２において、Ｂｉ単体層によって接合したところを、Ｂｉに０．５質量％のＮｉを添加したものに変更した以外は同様にして、比較の評価試験体−３を作製した。
得られた比較の評価試験体−３について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、比較の評価試験体−１と同様に、接合部の界面にＢｉ３Ｎｉを多量に生じており、その周囲には多数の空隙が観察された。このＢｉ３Ｎｉは非常に脆い性質であり、過酷な条件の冷熱サイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認された。
【０１６１】
作製した評価試験体の構成とその評価結果を下記表３にまとめる。
【０１６２】
【表３】
【図面の簡単な説明】
【０１６３】
【図１】本発明の一例であるパワー半導体モジュール１０の構成を示す図である。
【図２】実施例２における評価試験体−１の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１６４】
１０ パワー半導体モジュール
２０ パワー半導体素子
２２ Ｎｉ層
３０ 絶縁部
３２ 絶縁基板
３４、３６ 導電層
３８ Ｎｉ層
３９ Ｃｕ層
４０ 放熱板
４２ Ｍｏ層
４４、４６ Ｃｕ層
５０ 第一接合部
６０ 第二接合部
２２１ Ｃｕ層
３８１ Ｃｕ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ層を表面に備えたパワー半導体素子と、Ｃｕ層を表面に備えた絶縁基板と、を有し、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、該２つのＣｕ層の間を前記Ｂｉ系ハンダ材料で接合してなるパワー半導体モジュール。
【請求項２】
パワー半導体素子と、Ｃｕ層を表面に備えた絶縁基板と、Ｃｕ層を表面に備えた放熱板と、を有し、前記絶縁基板と前記放熱板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、該２つのＣｕ層の間を前記Ｂｉ系ハンダ材料で接合してなるパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記Ｂｉ系ハンダ材料が、（１）Ｂｉ単体、（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、（３）ＢｉにＣｕを添加した材料、又は（４）ＢｉにＮｉを添加した材料、であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記ＢｉにＮｉを添加した材料は、Ｎｉの含有率が０．０１質量％以上７質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記ＢｉにＣｕを添加した材料は、Ｃｕの含有率が０．０１質量％以上５質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
前記Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎは、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の含有率が０．５質量％以上２０質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
Ｎｉ層を表面に備えた前記パワー半導体素子と、Ｎｉ層を表面に備えた前記絶縁基板とを備え、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＮｉ層が対向するように配し、該２つのＮｉ層の間を、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ（ｘは０．０２〜０．１０であり、ｙは０〜０．０２であり、Ｍは亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表す。）で表される合金で接合してなる請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項９】
前記絶縁基板がＡｌＮ層であり、ＡｌＮ層の両表面にＡｌ及びＣｕの少なくとも１種で形成される導電層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
前記Ｂｉを系ハンダ材料で接合する面側の前記導電層は、Ｃｕであることを特徴とする請求項９に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
前記Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金で接合する面側の前記導電層上に、Ｎｉ層を設けてなることを特徴とする請求項９に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１２】
前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項２乃至請求項１１のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１３】
前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項１２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１】
Ｃｕ層を表面に備えたパワー半導体素子と、Ｃｕ層を表面に備えた絶縁基板と、を有し、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、該２つのＣｕ層の間を前記Ｂｉ系ハンダ材料で接合してなるパワー半導体モジュール。
【請求項２】
パワー半導体素子と、Ｃｕ層を表面に備えた絶縁基板と、Ｃｕ層を表面に備えた放熱板と、を有し、前記絶縁基板と前記放熱板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、該２つのＣｕ層の間を前記Ｂｉ系ハンダ材料で接合してなるパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記Ｂｉ系ハンダ材料が、（１）Ｂｉ単体、（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、（３）ＢｉにＣｕを添加した材料、又は（４）ＢｉにＮｉを添加した材料、であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記ＢｉにＮｉを添加した材料は、Ｎｉの含有率が０．０１質量％以上７質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記ＢｉにＣｕを添加した材料は、Ｃｕの含有率が０．０１質量％以上５質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
前記Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎは、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の含有率が０．５質量％以上２０質量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
Ｎｉ層を表面に備えた前記パワー半導体素子と、Ｎｉ層を表面に備えた前記絶縁基板とを備え、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＮｉ層が対向するように配し、該２つのＮｉ層の間を、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ（ｘは０．０２〜０．１０であり、ｙは０〜０．０２であり、Ｍは亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表す。）で表される合金で接合してなる請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項９】
前記絶縁基板がＡｌＮ層であり、ＡｌＮ層の両表面にＡｌ及びＣｕの少なくとも１種で形成される導電層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
前記Ｂｉを系ハンダ材料で接合する面側の前記導電層は、Ｃｕであることを特徴とする請求項９に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
前記Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金で接合する面側の前記導電層上に、Ｎｉ層を設けてなることを特徴とする請求項９に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１２】
前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項２乃至請求項１１のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１３】
前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項１２に記載のパワー半導体モジュール。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００７−２８１４１２（Ｐ２００７−２８１４１２Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５０６２２（Ｐ２００６−２５０６２２）
【出願日】平成１８年９月１５日（２００６．９．１５）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１５日（２００６．９．１５）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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