JP6316219B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関し、特に放熱部材を備えるパワー半導体モジュールに関する。

一般に、パワー半導体モジュールは、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体素子が放熱部材となる金属板上に絶縁基板を介して搭載されている。一般に、絶縁基板は、セラミックス板とその両面に形成された金属板とを含み、一方の金属板がパワー半導体素子と接合されており、他方の金属板が放熱部材と接合されている。

これにより、パワー半導体素子の発熱は放熱部材を介して効率よく放熱され、パワー半導体素子を所定温度以下で使用することができる。

しかし、使用条件によっては、パワー半導体モジュールを構成する部材間（たとえばセラミックス板を構成する材料と放熱部材を構成する材料間）の熱膨張率の違いにより、絶縁基板と放熱部材との接合部にクラックが発生し、パワー半導体モジュールの放熱性が低下することがあった。

そこで、このような放熱性の劣化を防止するために、絶縁基板と放熱部材との間に、応力緩和部材を介在させる技術が提案されている。

特開２００６−２９４６９９号公報には、複数の貫通穴が形成された肉厚０．３〜３ｍｍのアルミニウム板からなる応力緩和部材が提案されている。この応力緩和材が、絶縁基板およびヒートシンクにろう付けされている。

特開２０１１−２３５４５号公報には、貫通穴が形成されたアルミニウム系めっき鋼板からなる緩衝材が提案されている。絶縁基板と伝熱材との熱膨張係数の中間にあたる鋼板を採用し、貫通穴で応力を吸収している。この応力緩衝材は、絶縁基板および伝熱材にろう付けされており、さらに、応力緩衝材の貫通穴内の熱伝導性を向上させるために、貫通穴内にろう材が充填されている。

特開２００６−２９４６９９号公報 特開２０１１−２３５４５号公報

しかしながら、上述のような従来の応力緩和部材は、放熱部材と、たとえばアルミニウム（Ａｌ）−ケイ素（Ｓｉ）共晶系合金からなるろう材（融点５７７℃）によりろう付けされている。そのため、応力緩和部材と放熱部材とははんだ接合と比較して強固に接合することができるが、ろう材の融点が高いため、ろう材による応力緩和部材と放熱部材との接合界面にはもともと大きな熱歪みが生じているという問題がある。

さらに、特開２００６−２９４６９９号公報に記載の応力緩和部材は、純度９９％以上の純アルミニウムからなるアルミニウム板を用い、かつ中空に設けられた貫通孔を複数有している。そのため、当該応力緩和部材の熱伝導性は低く、パワー半導体モジュールに要求される放熱性を得ることができないという問題があった。

また、特開２０１１−２３５４５号公報に記載の緩衝材は、熱膨張係数が絶縁基板と伝熱材との中間にあたるアルミメッキ鋼板を用いているため、塑性変形が起こらず応力緩和効果が低く、熱伝導性も低いという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、高い放熱性を有し、かつ放熱性の劣化が抑制されているパワー半導体モジュールを提供することにある。

本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を搭載している絶縁基板と、前記絶縁基板を介して前記パワー半導体素子と接続されている放熱部材と、前記絶縁基板と前記放熱部材との間に配置されている応力緩和部材とを備える。前記応力緩和部材は、前記絶縁基板と第１接合部材を介して接合されている第１の主面と、前記放熱部材と第２接合部材を介して接合されている第２の主面とを含む。さらに、前記応力緩和部材において、前記第１の主面および前記第２の主面の少なくとも一方に連なる１つ以上の空間が形成されている。前記第１接合部材および前記第２の接合部材の少なくとも一方は前記空間の内部に入り込むように形成されており、かつ前記空間の内壁の少なくとも一部と接合されていない。

本発明に依れば、高い放熱性を有し、かつ放熱性の劣化が抑制されているパワー半導体モジュールを提供することができる。

実施の形態１に係るパワー半導体モジュールを説明するための断面図である。 実施の形態１に係るパワー半導体モジュールを説明するための斜視図である。 実施の形態１に係る応力緩和部材およびはんだ接合材を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る応力緩和部材を説明するための上面図である。 図４中の線分Ｖ−Ｖにおける断面図である。 実施の形態１に係る応力緩和部材の変形例を説明するための上面図である。 実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの変形例を説明するための断面図である。 実施の形態２に係るパワー半導体モジュールを説明するための断面図である。 実施の形態３に係るパワー半導体モジュールを説明するための断面図である。 実施の形態３に係る応力緩和部材を説明するための断面図である。 実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの変形例を説明するための断面図である。 実施の形態３に係る応力緩和部材の変形例を説明するための断面図である。 実施の形態３に係る応力緩和部材を説明するための上面図である。 実施の形態３に係る応力緩和部材の変形例を説明するための上面図である。 実施の形態３に係る応力緩和部材の他の変形例を説明するための上面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１および図２を参照して、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールについて説明する。図１は実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの断面図であり、図２は実施の形態１に係るパワー半導体モジュールを説明するための斜視図である。

パワー半導体モジュール１００は、パワー半導体素子１と、絶縁基板１０と、応力緩和部材６と、はんだ接合材７と、放熱部材８とを備える。

パワー半導体素子１は、たとえばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などである。パワー半導体素子１は、たとえばダイボンド材２によって絶縁基板１０を構成する第１導体３と接合されている。ダイボンド材２は、たとえば銀ナノ粒子を用いた低温焼結材、銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）合金などを用いた液相拡散接合材、またははんだなどである。なお、パワー半導体素子１と第１導体３とは、ダイボンド材２を用いずに、超音波接合、表面活性化結合、あるいは銅の固相拡散接合などの直接接合により接合されていてもよい。

絶縁基板１０は、第１導体３と、絶縁セラミックス板４と、第２導体５とが積層して構成されている。第１導体３と第２導体５とは、絶縁セラミックス板４を挟むように構成されている。

第１導体３においてダイボンド材２と接合されている面と反対側に位置する面（全面）は絶縁セラミックス板４と接合されている。第１導体３と絶縁セラミックス板４とは、たとえば上述のような直接接合により接合されていてもよいし、ろう付けにより接合されていてもよい。

絶縁セラミックス板４において第１導体３と接合されている面と反対側に位置する面は第２導体５と接合されている。絶縁セラミックス板４と第２導体５とは、たとえば上述のような直接接合により接合されていてもよいし、ろう付けにより接合されていてもよい。

第２導体５において絶縁セラミックス板４と接合されている面と反対側に位置する面（全面）は、応力緩和部材６の第１の主面１２Ａ（図３参照）と第１接合部材としてのはんだ接合材７により接合されている。

第１導体３および第２導体５を構成する材料は、高い熱伝導性を有する任意の材料とすることができるが、たとえば銅（Ｃｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）の少なくともいずれか一方を含む材料である。第１導体３と第２導体５とを構成する材料は、同一の材料であってもよいし異なる材料であってもよい。絶縁セラミックス板４を構成する材料は、電気的絶縁性を有し、かつ高い熱伝導性を有する任意の材料であればよいが、たとえば窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、およびアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の少なくともいずれか一つを含む材料である。

図３は、応力緩和部材６および応力緩和部材６の周囲に位置するはんだ接合材７を説明するための断面図である。また、図４は、応力緩和部材６の上面図である。図５は、図４における線分Ｖ−Ｖにおける応力緩和部材６の断面図である。図３を参照して、応力緩和部材６は、第１の主面１２Ａと第１の主面１２Ａの反対側に位置する第２の主面１２Ｂとを有している。第１の主面１２Ａは、上述のようにはんだ接合材７により第２導体５と接合されている。第２の主面１２Ｂは、第２接合部材としてのはんだ接合材７により放熱部材８と接合されている。つまり、実施の形態１において、第１接合部材と第２接合部材とは同一材料により構成されている。第１接合部材および第２接合部材としてのはんだ接合材７を構成する材料は、たとえばＳｎ、Ｃｕ、およびアンチモン（Ｓｂ）を含む高強度はんだ合金であるのが好ましい。

応力緩和部材６は、たとえば母材１１と接合性改善層１２とを含む。具体的には、母材１１は、第１の主面１２Ａに沿った方向に延びる第３の主面１１Ａと、第３の主面１１Ａの反対側に位置する第４の主面１１Ｂとを有する。接合性改善層１２は、第３の主面１１Ａ上に形成されて第１の主面１２Ａを構成する第１接合性改善層としての接合性改善層１２と、第４の主面１１Ｂ上に形成されて第２の主面１２Ｂを構成する第２接合性改善層としての接合性改善層１２とを有する。第１接合性改善層と第２接合性改善層とは、同一材料により構成されている。第１の主面１２Ａは、接合性改善層１２において母材１１の第３の主面１１Ａと接触している面とは反対側に位置する面である。第２の主面１２Ｂは、接合性改善層１２において母材１１の第４の主面１１Ｂと接触している面とは反対側に位置する面である。

母材１１を構成する材料は、高い熱伝導性を有し、かつはんだ接合材７との接合性が接合性改善層１２よりも低い材料であり、たとえばＡｌを含んでいる。好ましくは、母材１１を構成する材料は純度が９９．９９９％以上の純アルミニウムであり、より好ましくは９９．９９９５％以上の純アルミニウムである。母材１１の強度は、はんだ接合材７を介した第２導体５と応力緩和部材６の接合性改善層１２との接合強度および放熱部材８と接合性改善層１２との接合強度よりも弱い。

接合性改善層１２を構成する材料は、高い熱伝導性を有し、かつはんだ接合材７との接合性が母材１１を構成する材料よりも高い材料であり、たとえばニッケル（Ｎｉ）および銅（Ｃｕ）の少なくとも一方を含んでいる。

応力緩和部材６において、第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂの少なくとも一方に連なる１つ以上の空間が形成されている。応力緩和部材６において、当該空間は、少なくとも第２導体５と放熱部材８とが重なる領域に１つ以上形成されている。応力緩和部材６には、第１の主面１２Ａから第２の主面１２Ｂまで達する貫通孔１３が形成されており、上記空間は貫通孔１３の内部空間である。言い換えると、母材１１には、第３の主面１１Ａから第４の主面１１Ｂまで達する貫通孔が形成されている。貫通孔１３の内壁の少なくとも一部には、応力緩和部材６（母材１１）の表面１１Ｃが表出している。つまり、上記空間の内壁の少なくとも一部には、母材１１の表面１１Ｃが表出している。

応力緩和部材６を構成する材料は、たとえばＡｌまたはＡｌに添加物を含んだ合金である。また、はんだ接合材７を構成する材料は、たとえばＳｎ、Ｃｕ、およびアンチモン（Ｓｂ）を含む高強度はんだ合金であるのが好ましい。応力緩和部材６を構成する材料は、好ましくははんだ接合材７との接合性が低い（濡れ性が低く撥はんだ性を示す）材料である。

応力緩和部材６の厚みは、応力緩和効果を高める観点から、たとえば０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であるのが好ましい。応力緩和部材６の第１の主面１２Ａの面内寸法は、たとえば第２導体５においてはんだ接合材７と接合される面よりも広く設けられている。

貫通孔１３の形状は任意の形状であればよく、たとえば円形である。貫通孔１３の寸法はたとえば熱伝導性と応力緩和効果とを両立させる観点から決定される。貫通孔１３の形状が円形である場合、貫通孔１３の孔径（直径）はたとえば１ｍｍ以上５ｍｍ以下であるのが好ましい。

図４に示すように、貫通孔１３は、たとえば応力緩和部材６の第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂの全面において一定の間隔を空けて形成されている。また、貫通孔１３は、一定の寸法により形成されている。図６は、図４に示す応力緩和部材６の変形例の上面図である。図６に示すように応力緩和部材６において大きな熱応力が印加されてクラックが生じやすい第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂの外周部にのみ形成されていてもよい。

接合性改善層１２の第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂは、上記空間の内壁と比べてはんだ接合材７との接合性が高い。つまり、接合性改善層１２の第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂは、母材１１の表面１１Ｃと比べてはんだ接合材７との接合性が高い。

はんだ接合材７は、第２導体５と応力緩和部材６とを接合するとともに、応力緩和部材６と放熱部材８とを接合している。さらに、はんだ接合材７は、応力緩和部材６の貫通孔１３の内部空間に入り込むように形成されている。好ましくは、はんだ接合材７は、貫通孔１３内においてスペース１４以外の空間に充填されている。

はんだ接合材７は、上記空間の内壁における表面１１Ｃの少なくとも一部と接合されておらず、好ましくは表面１１Ｃの全面と接合されていない。ここで、はんだ接合材７と母材１１の表面１１Ｃとが接合されていないとは、表面１１Ｃが撥はんだ性を有していることをいい、具体的にははんだ接合材７と表面１１Ｃとの接触角度が９０度以上１８０度以下であり、はんだ接合材７と母材１１との金属拡散層が生じていない状態をいう。なお、はんだ接合材７は、母材１１の表面１１Ｃの少なくとも一部と接触していてもよい。ここで、はんだ接合材７と表面１１Ｃとが接触しているとは、はんだ接合材７と母材１１との金属拡散層が生じておらず、応力緩和部材６の塑性変形を妨げない程度に両者が接触している状態をいう。スペース１４は、上記空間の内壁における表面１１Ｃが撥はんだ性を示すことにより形成されている。

一方で、はんだ接合材７は、応力緩和部材６における第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂ、第２導体５、ならびに放熱部材８と十分な接合強度を有して接合されている。上述のように、第２導体５、応力緩和部材６、または放熱部材８とはんだ接合材７との各接合強度は、応力緩和部材６の母材１１の強度よりも高い。

放熱部材８は、パワー半導体モジュール１００の用途に応じて任意の冷却構造を有するものとして構成されていればよく、たとえば液冷タイプのウォータージャケットや、空冷タイプのヒートシンクなどであってもよい。放熱部材８を構成する材料は、熱伝導性を有する任意の材料たとえばＡｌやＣｕである。

また、第１接合部材および第２接合部材としてのはんだ接合材７の少なくともいずれか一方は、第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂに沿った面内における外周端部がフィレット形状またはテーパー形状を有しているのが好ましい。たとえば図１に示すように、応力緩和部材６と放熱部材８とを接合する第２接合部材としてのはんだ接合材７の外周端部は、フィレット形状を有している。

応力緩和部材６は、たとえば以下のようにして製造され得る。はじめに、はんだ接合材７よりも低強度であり、高熱伝導性を有する材料からなる板状の母材１１を準備する。母材１１を構成する材料は、上述のように純度が９９．９９９％以上の純Ａｌであるのが好ましく、より好ましくは純度が９９．９９９５％以上の純Ａｌであるのが好ましい。次に、母材１１の第３の主面１１Ａおよび第４の主面１１Ｂ上に、たとえばめっき法により主な構成材料がＮｉである接合性改善層１２を成膜する。次に、接合性改善層１２の表面である第１の主面１２Ａから第２の主面１２Ｂまで達する貫通孔１３を形成する。貫通孔１３は任意の方法により形成され得るが、たとえば第１の主面１２Ａまたは第２の主面１２Ｂ上の所定の位置に所定の数の開口部を有しているマスクパターンを形成した後、該開口部内に表出している接合性改善層１２および母材１１をエッチングすることにより形成される。このようにすれば、はんだ接合材７との接合強度が母材１１自体の強度よりも十分に高くなるように設けられている第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂと、貫通孔１３の内部においてはんだ接合材７と接合されないように設けられている母材１１の表面１１Ｃとを有している応力緩和部材６を容易に得ることができる。

なお、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールにおいて、応力緩和部材６に複数の貫通孔１３が形成されている場合、はんだ接合材７は全ての貫通孔１３に入り込むように設けられている必要はない。

また、図７は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの変形例の断面図である。図７に示すパワー半導体モジュールは、基本的には実施の形態１に係るパワー半導体モジュールと同様の構成を備えるが、１つの応力緩和部材６が複数（２以上）のパワー半導体素子１を搭載している点で異なる。このとき、応力緩和部材６の第１の主面１２Ａは、複数の絶縁基板１０の第２導体５とはんだ接合材７により接合されていてもよい。この場合にも、はんだ接合材７は応力緩和部材６の全ての貫通孔１３に入り込むように設けられていなくてもよい。このようにしても、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールと同様の効果を奏することができる。

また、貫通孔１３の寸法は、第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂの面内において一定に設けられていてもよいし、異なるように設けられていてもよい。

次に、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの作用効果について説明する。
パワー半導体素子１と、パワー半導体素子１を搭載している絶縁基板１０と、絶縁基板１０を介してパワー半導体素子１と接続されている放熱部材８と、絶縁基板１０と放熱部材との間に配置されている応力緩和部材６とを備える。応力緩和部材６は、絶縁基板１０とはんだ接合材７（第１接合部材）を介して接合されている第１の主面１２Ａと、放熱部材８とはんだ接合材７（第２接合部材）を介して接合されている第２の主面１２Ｂとを含む。さらに、応力緩和部材６において、第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂの少なくとも一方に連なる１つ以上の空間が形成されている。はんだ接合材７は、当該空間の内部に入り込むように形成されており、かつ当該空間の内壁の少なくとも一部と接合されていない。

このようにすれば、応力緩和部材６に上記空間が設けられているため、当該空間により応力緩和部材６は高い応力緩和効果を奏することができる。さらに、応力緩和部材６に設けられている上記空間の内部にははんだ接合材７が入り込んでいるため、第２導体５から放熱部材８に至る熱経路として、第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂを経る熱経路ののみならず当該空間の内部を経る熱経路も形成することができる。さらにこのとき、はんだ接合材７は当該空間の内壁の少なくとも一部と接合されていないため、応力緩和部材６の変形（たとえば塑性変形）を妨げない。そのため、応力緩和部材６は広い領域において高い熱伝導性を有しているとともに、高い応力緩和効果を奏することができる。その結果、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールは、発熱体であるパワー半導体素子１から放熱部材８までの熱抵抗が極めて小さく高い放熱性を有しているとともに、熱応力による絶縁基板１０と放熱部材８との間の接合不良の発生が抑制されているため放熱性の劣化が抑制されている。

また、応力緩和部材６には、第１の主面１２Ａから第２の主面１２Ｂまで達する貫通孔１３が形成されており、上記空間は貫通孔１３の内部空間である。

つまり、はんだ接合材７は、貫通孔１３の内部空間の内壁の少なくとも一部と接合されていない。言い換えると、貫通孔１３の表面１１Ｃの少なくとも一部は、はんだ接合材７と接合されていない。このとき、はんだ接合材７は、貫通孔１３の内部空間の内壁の少なくとも一部と接触していてもよい。このような貫通孔１３が形成されていることにより、応力緩和部材６は熱応力を受けた際にも十分に変形できこれを緩和することができる。

また、応力緩和部材６は、第１の主面１２Ａに沿った方向に延びる第３の主面１１Ａと、第３の主面１１Ａの反対側に位置する第４の主面１１Ｂとを有する母材１１と、第３の主面１１Ａ上に形成されて第１の主面１２Ａを構成する接合性改善層１２（第１接合性改善層）と、第４の主面１１Ｂ上に形成されて第２の主面１２Ｂを構成する接合性改善層１２（第２接合性改善層）とを含む。接合性改善層１２は、上記空間の内壁と比べてはんだ接合材７との接合性が高い。

このようにすれば、第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂとはんだ接合材７との接合性を高めることができるため、パワー半導体モジュールは高い応力緩和効果を奏することができる。さらに、絶縁基板１０と応力緩和部材６との接合強度および応力緩和部材６と放熱部材８との接合強度を、接合信頼性の観点から十分に高めることができる。

また、応力緩和部材６において、上記空間の内部には母材１１の表面１１Ｃが露出している。

このようにすれば、応力緩和部材６は、母材１１の第３の主面１１Ａおよび第４の主面１１Ｂ上に接合性改善層１２を形成した後、第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂの少なくとも一方に連なる１つ以上の空間を形成することにより、容易に得ることができる。

また、はんだ接合材７を構成する材料ははんだであり、接合性改善層１２を構成する材料はニッケルまたは銅である。

このようにすれば、絶縁基板１０と応力緩和部材６との間および応力緩和部材６と放熱部材８との間の接合は、ろう材の融点よりも低いはんだを用いて行われるため、当該接合をろう付けにより行う従来技術と比べて、当該接合部における熱歪を低減することができる。また、接合性改善層１２をたとえばめっき法により容易に形成することができる。

また、応力緩和部材６において、上記空間の内壁の少なくとも一部は純度が９９．９９９５％以上のアルミニウムで構成されている。

たとえば、母材１１は純度が９９．９９９５％以上のＡｌで構成されている。このようにしても、はんだ接合材７による絶縁基板１０と応力緩和部材６との間および応力緩和部材６と放熱部材８との間の接合強度を、応力緩和部材６の強度と比べて高くすることができる。そのため、パワー半導体モジュールにおいて熱応力が生じた場合にも、はんだ接合材７による上記接合部が応力緩和部材６に先立って破壊されることが防止されているため、応力緩和部材６を十分に塑性変形させることができる。その結果、応力緩和部材６によりパワー半導体モジュールに生じた応力を十分に緩和することができる。

またこのようにすれば、母材１１は撥はんだ性を有するため、貫通孔１３の内部空間にはんだ接合材７を充填しても当該内部空間内にスペース１４を形成することができる。その結果、貫通孔１３内に充填されているはんだ接合材７を熱経路とすることができるため、パワー半導体モジュールは高い放熱性を有している。さらに、貫通孔１３の内部において応力緩和部材６とはんだ接合材７との間にスペース１４が形成されているため、応力緩和部材６は十分に塑性変形をすることができる。

（実施の形態２）
次に、図８を参照して、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールについて説明する。図８は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの断面図である。実施の形態２に係るパワー半導体モジュールは、基本的には実施の形態１に係るパワー半導体モジュールと同様の構成を備えるが、第１の主面１２Ａに沿った方向において、応力緩和部材６の外周は第３接合部材としてのはんだ接合材７に囲まれている点で異なる。

言い換えると、応力緩和部材６の第１の主面１２Ａの面内寸法は、第２導体５においてはんだ接合材７と接合される面よりも狭く設けられている。

このようにしても、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールと応力緩和部材６の第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂ、ならびに表面１１Ｃとはんだ接合材７との関係において同様の構成を備えるため、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールと同様の効果を奏することができる。

応力緩和部材６の外周部に設けられているはんだ接合材７は、フィレット形状またはテーパー形状を有しているのが好ましい。すなわち、はんだ接合材７の第１の主面１２Ａに沿った方向における外周端部１５は、フィレット形状またはテーパー形状を有しているのが好ましい。

このようにすれば、パワー半導体モジュールに応力が生じた際に当該応力が最も集中する部分である、外周端部１５においてはんだ接合材７の膜厚を厚くすることができる。その結果、はんだ接合材７による絶縁基板１０と放熱部材８との接合信頼性を高めることができる。

（実施の形態３）
次に、図９および図１０を参照して、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールについて説明する。図９は、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの断面図である。図１０は、実施の形態３における応力緩和部材６の断面図である。実施の形態３に係るパワー半導体モジュールは、基本的には実施の形態１に係るパワー半導体モジュールと同様の構成を備えるが、応力緩和部材６において第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂの少なくとも一方に連なる１つ以上の空間が第１の主面１２Ａから第２の主面１２Ｂに向かって形成されている凹部１６の内部空間として形成されている点で異なる。

応力緩和部材６に形成されている凹部１６の内部空間には、第１の主面１２Ａから第２の主面１２Ｂに向かって第１の主面１２Ａに交差する方向に延び、かつ該内部空間を挟んで互いに対向している母材１１の表面１１Ｃが形成されている。さらに、凹部１６の内部空間には、表面１１Ｃと交差する方向に延びるように形成されている母材１１の表面１１Ｄが形成されている。表面１１Ｃは、たとえば第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂに垂直な面であり、表面１１Ｄは、たとえば第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂに平行な面である。

凹部１６の内部空間には、はんだ接合材７が入り込んでいる。凹部１６の内部においてはんだ接合材７に面している表面１１Ｃ，１１Ｄは、いずれもはんだ接合材７との接合性が接合性改善層１２と比べて低い、あるいははんだ接合材７と接合されていない。つまり、凹部１６の内壁の少なくとも一部である表面１１Ｃ，１１Ｄが撥はんだ性を有している。

また、凹部１６の内部空間には、表面１１Ｃ，１１Ｄ以外に、表面１１Ｃ，１１Ｄのそれぞれと交差する面（母材１１の表面）を有していてもよい。

凹部１６は、第１の主面１２Ａにおいて任意の平面形状を有していればよい。図１３に実施の形態３における応力緩和部材６の上面図を示す。図１３を参照して、応力緩和部材６は、たとえば第１の主面１２Ａにおける平面形状が正方形状であり、凹部１６は当該正方形状の一辺と平行に延びる溝部として形成されている。

凹部１６の第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂにおける幅Ｗ１（図１０参照）は、任意に決めることができるが、たとえば１ｍｍ以上５ｍｍ以下とするのが好ましい。凹部１６の第１の主面１２Ａに垂直な方向における深さＤ１（図１０参照）は、応力緩和部材６の膜厚より薄い限りにおいて任意に決めることができるが、たとえば０．０５ｍｍ以上応力緩和部材６の膜厚以下とするのが好ましい。また、凹部１６が複数形成されている場合に、各凹部１６間のピッチＰ１は、任意に決めることができるが、たとえば２ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。

このようにしても、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールと同様に、凹部１６の内部空間にはんだ接合材７を充填しても凹部１６の内部にスペース（図３におけるスペース１４に相当）を形成することができる。その結果、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールと同様の効果を奏することができる。

また、図１１は、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの変形例を説明するための断面図である。図１２は、図１１に示す応力緩和部材６を説明するための断面図である。図１１および図１２を参照して、応力緩和部材６において、凹部１６は第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂ上にそれぞれ形成されていてもよい。このとき、第１の主面１２Ａ上に形成されている凹部１６と、第２の主面１２Ｂ上に形成されている凹部１６とは、たとえば第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂに垂直な方向において重ならない位置に形成されていてもよいし、重なる位置に形成されていてもよい。

また、応力緩和部材６の第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂにおける凹部１６の平面形状は、任意の形状を有していればよい。図１４を参照して、たとえば凹部１６は応力緩和部材６の平面形状の対角線と平行に延びる溝部として形成されていてもよい。また、たとえば凹部１６は応力緩和部材６の平面形状の一辺と交差する方向に延びる溝部として形成されていてもよい。図１５を参照して、たとえば凹部１６は第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂ上においてジグザグ状に延びる溝部として形成されていてもよい。

なお、凹部１６の平面形状は、溝部に限られるものではなく、たとえば円形状や方形状であってもよい。この場合、凹部１６は、第１の主面１２Ａおよび第２の主面１２Ｂの少なくともいずれか一方において、たとえば図４や図６に示す貫通孔１３と同様に配置されていてもよい。

なお、実施の形態１〜実施の形態３において、第１接合部材、第２接合部材、および第３接合部材を構成する材料は、それぞれ同一の材料としたが、これに限られるものではない。第１接合部材、第２接合部材、および第３接合材を構成する材料は、それぞれ異なっていてもよい。

また、実施の形態１〜実施の形態３において、接合性改善層１２は、母材１１の第３の主面１１Ａ上に成膜されている膜（たとえばＮｉ膜）として形成されているが、これに限られるものではない。たとえば、接合性改善層１２は、表面改質層であってもよい。具体的には、はんだ接合材７との接合性が低い母材１１の第３の主面１１Ａを表面改質することによってはんだ接合材７との接合性が高い接合性改善層１２を形成してもよい。

また、母材１１を構成する材料をはんだ接合材７との接合性が高い材料とした場合には、接合性改善層１２は形成されていなくてよい。この場合、貫通孔１３の内部の表面１１Ｃ，１１Ｄにはんだ接合材７との接合性が低く撥はんだ性を示す層（成膜または表面改質により形成された層）が形成されていればよい。このようにしても、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールと同様の効果を奏することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

本発明は、線膨張係数が異なる絶縁基板と放熱部材とを備えるパワー半導体モジュールに特に有利に適用される。

１ パワー半導体素子、２ ダイボンド材、３ 第１導体、４ 絶縁セラミックス板、５ 第２導体、６ 応力緩和部材、７ はんだ接合材、８ 放熱部材、１０ 絶縁基板、１１ 母材、１１Ａ 第３の主面、１１Ｂ 第４の主面、１１Ｃ，１１Ｄ 表面、１２ 接合性改善層、１２Ａ 第１の主面、１２Ｂ 第２の主面、１３ 貫通孔、１４ スペース、１５ 外周端部、１６ 凹部、１００ パワー半導体モジュール。

Claims (8)

1. パワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子を搭載している絶縁基板と、
   前記絶縁基板を介して前記パワー半導体素子と接続されている放熱部材と、
   前記絶縁基板と前記放熱部材との間に配置されている応力緩和部材とを備え、
   前記応力緩和部材は、前記絶縁基板と第１接合部材を介して接合されている第１の主面と、前記放熱部材と第２接合部材を介して接合されている第２の主面とを含み、
   さらに、前記応力緩和部材において、前記第１の主面および前記第２の主面の少なくとも一方に連なる１つ以上の空間が形成されており、
   前記第１接合部材および前記第２接合部材の少なくとも一方は前記空間の内部に入り込むように形成されており、かつ前記空間の内壁の少なくとも一部と接合されておらず、
   前記応力緩和部材において、前記空間の前記内壁の少なくとも一部は純度が９９．９９９５％以上のアルミニウムで構成されている、パワー半導体モジュール。
2. 前記応力緩和部材には、前記第１の主面から前記第２の主面まで達する貫通孔が形成されており、
   前記空間は前記貫通孔の内部空間である、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記応力緩和部材には、前記第１の主面および前記第２の主面の少なくとも一方から他方に向かって凹部が形成されており、
   前記空間は、前記凹部の内部空間である、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記応力緩和部材は、前記第１の主面に沿った方向に延びる第３の主面と、前記第３の主面の反対側に位置する第４の主面とを有する母材と、前記第３の主面上に形成されて前記第１の主面を構成する第１接合性改善層と、前記第４の主面上に形成されて前記第２の主面を構成する第２接合性改善層とを含み、
   前記第１接合性改善層および前記第２接合性改善層は、前記空間の前記内壁と比べて前記第１接合部材または前記第２接合部材との接合性が高い、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
5. 前記応力緩和部材において、前記空間の内部には前記母材の表面が露出している、請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
6. 前記第１接合部材および前記第２接合部材を構成する材料ははんだであり、
   前記第１接合性改善層および前記第２接合性改善層を構成する材料はニッケルまたは銅である、請求項４または請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
7. 前記第１の主面に沿った方向において、前記応力緩和部材の外周は第３接合部材に囲まれている、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
8. 前記第１の主面に沿った方向において、前記第３接合部材の外周端部はフィレット形状またはテーパー形状を有している、請求項７に記載のパワー半導体モジュール。

Images