JP2015142063A - パワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極板の接合工期を短くするとともに、パワー半導体素子への接合の際のダメージを抑制し、パワー半導体素子と電極板との接続部に生じる熱応力が軽減できるパワーモジュールを得ることを目的とする。【解決手段】本発明のパワーモジュール５０は、絶縁基板（セラミック基板２）に搭載されたパワー半導体素子１と、パワー半導体素子１の上方に配置された電極板７と、パワー半導体素子１の主電極１１と電極板７との間に配置された金属箔（クラッドリボン３）を備え、金属箔（クラッドリボン３）は、平板状であり、当該金属箔（クラッドリボン３）の裏面が主電極１１に超音波接合され、電極板７は、金属箔（クラッドリボン３）の表面に、接合材（はんだ８）により接合されたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、発電及び送電から効率的なエネルギーの利用及び再生まであらゆる場面で利用されるパワーモジュールに関する。

産業機器から家電や情報端末まであらゆる製品にパワーモジュールが普及しつつあり、自動車用機器については、小型軽量化とともに多品種に対応できる高い生産性と高い信頼性が求められる。また、パワーモジュールに搭載されるパワー半導体素子として、動作温度が高く、効率に優れているＳｉＣ（炭化ケイ素）パワー半導体素子が、今後の主流となる可能性が高い。このため、パワーモジュールは、ＳｉＣパワー半導体素子に適用できるパッケ−ジ形態であることも同時に求められている。

特許文献１には、アルミと銅の２層からなる平板状の薄板であるクラッド材を用い、このクラッド材をパワー半導体素子の表面電極上にアーチ状に形成して、外部取り出し電極に対してはんだ接合し、パワー半導体素子の裏面電極を他の外部取り出し電極に接続したパワー半導体モジュールが提案されている。アーチ状に形成したクラッド材は、パワー半導体素子の両面冷却構造における、パワー半導体素子の上面から加わる応力を緩和する厚さ方向のバッファとして機能する。

特開２０１１−２１６８２２号公報（００１３段、００２４段〜００２９段、図１）

パワーモジュールは、高電圧及び大電流を扱うパワー半導体素子を搭載しているという特徴があり、大電流を扱う電気回路を形成するためにパワー半導体素子の表面の電極に対してφ０．５ｍｍにおよぶ太いアルミなどのワイヤを複数本配線することによって、電気回路を形成するのが一般的であった。それに対して、生産性の改善などの目的で、電極板（リードフレーム）をパワー半導体素子の表面に形成された電極に、直接はんだ付けなどによって接合するパワーモジュールが普及しつつある。近年の地球温暖化対策や省資源やエネルギーなどの環境問題から、パワーモジュールがさまざまな製品に適用されていく中で、大電流に対応するために、電流容量を増す目的で電極板の断面積を増大させる必要がある場合がある。

通常、パワー半導体素子の電極はアルミ製であるのに対し、パワー半導体素子の電極と電極板をはんだ付けによって接続するため、パワー半導体素子の電極に、Ｎｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）やＣｕ（銅）でメタライズする必要があり、蒸着やスパッタなど工期の大きなプロセスを追加する必要があった。また、これらパワーモジュールの絶縁基板として多く用いられるセラミック基板（線熱膨張係数が窒化アルミで５ｐｐｍ／Ｋ程度、アルミナで７ｐｐｍ／Ｋ程度）と、電極板の銅（線熱膨張係数が１７ｐｐｍ／Ｋ）の膨張係数差が原因となって、パワー半導体素子と電極板のはんだ接合部が熱応力によってダメージを受け、剥離や破断といった不具合を発生する懸念があった。特に今後高効率であることから普及が見込まれるＳｉＣパワー半導体素子の場合には、従来のＳｉ（シリコン）パワー半導体素子に比較して高い温度まで動作可能となるため、膨張係数差による熱応力の問題が顕在化する可能性がある。

特許文献１のパワー半導体モジュールでは、アルミと銅の２層からなる平板状の薄板であるクラッド材によりパワー半導体素子の上面から加わる応力を緩和するようにしていた。特許文献１では、クラッド材の厚さを０．２ｍｍ以下とすることにより、超音波周波数が接合界面に伝わりやすくなり、確実にパワー半導体素子の上面と接続することができるとしている。しかしながら、更に大電流を扱うパワー半導体素子の場合には、クラッド材がアーチ状に形成されるので、クラッド材とパワー半導体素子の電極とが小さな面積のみで接合されるので、大電流に対する容量を確保するためにクラッド材を厚くする必要がある。そのため、超音波接合の際に大きな力が必要であり、超音波接合によるパワー半導体素子へのダメージが大きくなる問題がある。

また、１つの電極の接続に用いる平板状のクラッド材は、長いクラッド材をパワー半導体素子の電極に超音波接合した後に長いクラッド材を切断することも考えられる。更に大電流を扱うパワー半導体素子の場合には、上述したようにクラッド材が厚くなり、このクラッド材を切断するには大きな力を加える必要があり、パワー半導体素子にダメージを与えることなく、厚いクラッド材をパワー半導体素子上で切断することは不可能である。したがって、特許文献１のようなアーチ状のクラッド材を用いる場合は、長いクラッド材をパワー半導体素子の電極に超音波接合した後に長いクラッド材を切断する製造方法は適用できない。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、従来のパワー半導体素子の電極における表面メタライズ処理の代わりに、柔軟な金属箔をパワー半導体素子の電極と電極板とをその間に介在させて接合することで、電極板の接合工期を短くするとともに、パワー半導体素子への接合の際のダメージを抑制し、パワー半導体素子と電極板との接続部に生じる熱応力が軽減できるパワーモジュールを得ることを目的とする。

本発明のパワーモジュールは、絶縁基板に搭載されたパワー半導体素子と、パワー半導体素子の上方に配置された電極板と、パワー半導体素子の主電極と電極板との間に配置された金属箔を備え、金属箔は、平板状であり、当該金属箔の裏面が主電極に超音波接合され、電極板は、金属箔の裏面と反対側である表面に、接合材により接合されたことを特徴とする。

本発明のパワーモジュールによれば、金属箔がパワー半導体素子の主電極及び電極板に平面的に大きな面積で接合されたので、電極板の接合工期を短くするとともに、パワー半導体素子へのダメージを抑制し、パワー半導体素子と電極板との接続部に生じる熱応力が軽減できる。

本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの断面模式図である。 図１の電極板を示す図である。 図１のパワー半導体素子上方におけるクラッドリボン及び電極板の配置を示す図である。 図１のパワーモジュールの製造過程を示す図である。 図１のパワーモジュールの製造過程を示す図である。 図１のパワーモジュールの製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの断面模式図である。 図７のパワー半導体素子上方におけるクラッドリボン及び電極板の配置を示す図である。 図７のパワーモジュールの製造過程を示す図である。 図７のパワーモジュールの製造過程を示す図である。 図７のパワーモジュールの製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態３によるパワーモジュールの断面模式図である。 図１２のパワーモジュールの製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態４によるパワーモジュールの断面模式図である。 図１４のパワーモジュールの製造過程を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの断面模式図である。図２は図１の電極板を示す図であり、図３は図１のパワー半導体素子上方におけるクラッドリボン及び電極板の配置を示す図である。パワーモジュール５０は、パワー半導体素子１と、パワー半導体素子１が搭載された絶縁基板であるセラミック基板２と、平板状の金属箔であるクラッドリボン３と、接合材であるはんだ８によりクラッドリボン３に接続された電極板７とを備える。また、樹脂モールド型のパワーモジュールは、図示しないケースの内部で上記の部材の接合が行われ、最後に絶縁封止のための樹脂を流し込んで加熱硬化させて製造される。なお、図３における電極板７は、破線で示した。

セラミック基板２は、厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ基材２１と、このアルミナ基材２１の表面及び裏面に形成された、それぞれ厚さ０．４ｍｍの導体層２２、２３を備える。導体層２２、２３は、銅製である。パワー半導体素子１は、例えば、Ｓｉ製のダイオードであり、その外形寸法は１２ｍｍ×１２ｍｍであり、その厚さは０．３ｍｍである。パワー半導体素子１の主電極１１は、アルミ製であり、その外形寸法は１１ｍｍ×１１ｍｍである。パワー半導体素子１は、はんだ５によりセラミック基板２の導体層２２に接合されている。

図１、図３におけるクラッドリボン３は、２種類の金属層であるアルミ層３２及び銅層３１を有し、幅１０ｍｍで長いリボンから切断された金属箔である。第１の金属層であるアルミ層３２の厚さは０．２ｍｍであり、第２の金属層である銅層３１の厚さは０．０５ｍｍである。クラッドリボン３の幅は、図３に示したクラッドリボン３における上下間の長さである。図１、図３では、クラッドリボン３の外形寸法は１０ｍｍ×１０ｍｍである。電極板７は、銅製であり、厚さが１ｍｍ、幅が１０ｍｍ、長さが５０ｍｍである。電極板７は、φ２ｍｍの開口部７１を有する。開口部７１の数は、例えば９個である。

パワーモジュール５０の製造方法について、図１、図４〜図６を用いて説明する。図４、図５、図６は、それぞれ図１のパワーモジュールの製造過程を示す図である。パワーモジュール５０は、図４、図５、図６の中間状態を経て、図６の最終形になる。パワー半導体素子１は、セラミック基板２の導体層２２に、はんだ５により接合される（パワー半導体素子搭載工程）。図４に示すように、セラミック基板２の導体層２２に接合されたパワー半導体素子１の主電極１１に、クラッドリボン３が平面的に位置決めされ、超音波接合ツール４によって超音波印加されて接合部３３を形成する（金属箔接合工程）。接合部３３により、クラッドリボン３とパワー半導体素子１の主電極１１とが接合される。金属箔接合工程は、クラッドリボン３を平面的にパワー半導体素子１の主電極１１の上に接合する工程である。

図５に示すように、カッター６を用いて銅層３１のみを完全に切断し、アルミ層３２の途中で止めて引きちぎり、図６のように、パワー半導体素子１の上でクラッドリボン３を切断する（金属箔切断工程）。なお、カッター６は機械式のものを含む。最後に、図１のように、開口部７１を有する電極板７を搭載し、開口部７１を用いてはんだ８を供給して、クラッドリボン３と電極板７とのはんだ付けを行う（電極板接合工程）。

実施の形態１のパワーモジュール５０は、柔軟なクラッドリボン３をパワー半導体素子１の主電極１１と電極板７とをその間に介在させて接合するので、従来のパワー半導体素子の電極における表面メタライズ処理が不要にでき、従来よりも電極板７の接合工期を短くすることができる。従来のパワー半導体素子の電極における表面メタライズ処理は、蒸着、スパッタ、めっきなどの種類があるが、いずれも洗浄液など環境対策が必要であり、パワー半導体素子と電極板との接合工程の工期が長くなる問題があったが、実施の形態１のパワーモジュール５０は、この問題を解決することができる。

また、実施の形態１のパワーモジュール５０は、大電流を扱う場合であっても、従来のアーチ状に形成するものとは異なり、柔軟なクラッドリボン３が平板状にパワー半導体素子１の主電極１１に対して大きな面積で接合されるので、従来と異なり、クラッドリボン３の断面積を大きくする必要がなく、パワー半導体素子１への接合の際のダメージが従来よりも軽減でき、すなわちダメージを抑制することができる。また、実施の形態１のパワーモジュール５０は、柔軟なクラッドリボン３が平板状にパワー半導体素子１の主電極１１と電極板７とをその間に介在させて、主電極１１に対して大きな面積で接合されるので、従来と異なり、パワー半導体素子１と電極板７との接続部に生じる熱応力が軽減できる。

実施の形態１のパワーモジュール５０は、電極板７が開口部７１を有し、クラッドリボン３の上方に重ね合わさった開口部７１とクラッドリボン３がはんだ接合されるので、開口部７１を用いてはんだ８の供給が可能となり、開口部７１にはみ出したはんだ部であるフィレットの形成によるはんだ接合部の強化とはんだ接合部の形成を容易に確認することが可能となる。また、はんだフィレットを形成することで、熱応力に伴うクラック進展の抑制が可能となる。

実施の形態１のクラッドリボン３は、パワー半導体素子１の主電極１１に接合される第１の金属層がアルミ層３２であり、電極板７に接合される第２の金属層が銅層３１であり、このアルミ層３２の上部に銅層３１が重ね合わされた金属箔なので、柔軟なアルミ層３２を主電極１１の側に用いることで、パワー半導体素子１と電極板７との接続部にかかる熱応力などを抑制することが可能となる。また、アルミ層３２に比較して銅層３１の厚さを小さくすることで、パワー半導体素子１の上でのリボン切断の際に、ダメージを抑制することが可能となる。また、電極板７が複数の開口部７１を有しているので、はんだ８が複数の開口部７１から供給でき、電極板７に対して均等にはんだ接合部が形成され、はんだが一箇所に集中することがなく、不均等なはんだによる電流分布が発生することを抑制できる。

ここでは、銅層３１とアルミ層３２を有するクラッドリボン３（銅アルミクラッドリボン）を用いたが、パワー半導体素子１の主電極１１が十分な厚さを有し、超音波接合によるダメージを考慮する必要がなければ、銅層３１のみの金属箔である銅リボンを用いても同様の効果が得られる。また、クラッドリボン３として、所定の厚さのアルミ層３２と銅層３１のクラッドリボンを用いたが、アルミと同等の柔軟性を有するその他の金属（マグネシウム、錫、インジウム）と、銅以外のニッケルなどのはんだ付け性（接合性）に優れた金属の組み合わせであっても同等の効果が得られる。

クラッドリボン３の厚さについては、アルミ層３２は０．０５ｍｍ以上あればカッター６の寸止めなど、パワー半導体素子１の主電極１１を傷付けない切断が可能であり、１ｍｍ程度の厚さまでであれば良好な超音波接合と切断が可能である。一方の銅層３１については、０．００１ｍｍ以上あれば通常のはんだ付けに対しては拡散しきらずに残存することが可能である。また、アルミ層３２は、０．２ｍｍ以下であれば超音波接合とパワー半導体素子１の上での切断が可能である。アルミ層３２と銅層３１の厚さの比率については、１：１よりも、銅層３１がアルミ層３２より薄い方が、超音波接合が容易であると考えられる。

ここでは、セラミック基板２としてアルミナセラミック基板を用いたが、チッ化アルミやチッ化シリコンなどのセラミック基板でも同様の効果が得られる。また、導体層２２、２３として銅を用いたが、アルミ導体層のセラミック基板を用いても同様の効果が得られる。パワー半導体素子１としてダイオードを用いたが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に対しても同様の構成で組み込むことが可能である。銅製の電極板７を用いたが、アルミ製やＣＩＣ（銅インバークラッド材）製板材を用いても同様の効果が得られる。

ここでは、パワー半導体素子１とセラミック基板２の接合や、パワー半導体素子１と電極板７の接合にはんだを用いたが、Ａｇ（銀）フィラーをエポキシ樹脂に分散させた導電性接着剤や、Ａｇナノ粒子を用いた低温焼成接合材料などの接合材を用いても同様の効果が得られる。特に導電性接着剤については、アルミの自然酸化膜による電気抵抗の増大が懸念されるが、銅の酸化物はポーラスで脆いために電気抵抗とはなりにくく、銅アルミクラッドリボンを用いることによって電気抵抗の抑制が可能となる。

ここでは、カッター６によって銅層３１を完全に切断して、アルミ層３２を引きちぎる工程としたが、銅層３１の板厚の途中まで切断しても同様にクラッドリボン３の切断が可能であり、パワー半導体素子１へのダメージを軽減することが可能となる。超音波接合ツール４を複数個所に当てて、接合部３３を複数個設けたが、面積の広い超音波接合ツール４により全面を一度に接合しても同様の効果が得られる。また、ここでは超音波接合箇所の上方に開口部７１を有する電極板７を用いたが、それらの位置関係についてはそれに制限するものではない。

パワー半導体素子１は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でもよいが、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用できる。パワー半導体素子１は、ダイオードや、前述したＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子を搭載することができる。例えば、スイッチング素子として機能するパワー半導体素子１や、整流素子として機能するパワー半導体素子１に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたシリコン（Ｓｉ）で形成された素子よりも電力損失が低いため、パワーモジュール５０の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、パワーモジュール５０の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、冷却フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、冷却フィンを備えたパワーモジュール５０の一層の小型化が可能になる。

以上のように、実施の形態１のパワーモジュール５０は、絶縁基板（セラミック基板２）に搭載されたパワー半導体素子１と、パワー半導体素子１の上方に配置された電極板７と、パワー半導体素子１の主電極１１と電極板７との間に配置された金属箔（クラッドリボン３）を備え、金属箔（クラッドリボン３）は、平板状であり、当該金属箔（クラッドリボン３）の裏面が主電極１１に超音波接合され、電極板７は、金属箔（クラッドリボン３）の裏面と反対側である表面に、接合材（はんだ８）により接合されたことを特徴とするので、金属箔（クラッドリボン３）がパワー半導体素子１の主電極１１及び電極板７に平面的に大きな面積で接合でき、電極板７の接合工期を短くするとともに、パワー半導体素子１へのダメージを抑制し、パワー半導体素子１と電極板７との接続部に生じる熱応力が軽減できる。

また、実施の形態１のパワーモジュール５０の製造方法は、絶縁基板（セラミック基板２）に搭載されたパワー半導体素子１と、パワー半導体素子１の上方に配置された電極板７と、パワー半導体素子１の主電極１１と電極板７との間に配置された平板状の金属箔（クラッドリボン３）を備えたパワーモジュール５０を製造するパワーモジュールの製造方法であって、パワー半導体素子１を絶縁基板（セラミック基板２）に搭載するパワー半導体素子搭載工程と、主電極１１よりも長い金属箔（クラッドリボン３）を、パワー半導体素子１の主電極１１に対して平面的に配置すると共に、当該金属箔（クラッドリボン３）の裏面が主電極１１に超音波接合された接合部３３を形成する金属箔接合工程と、金属箔（クラッドリボン３）を、パワー半導体素子１の上方で切断する金属箔切断工程と、電極板７を金属箔（クラッドリボン３）の裏面と反対側である表面に搭載し、金属箔（クラッドリボン３）の表面に接合材（はんだ８）により接合する電極板接合工程と、を含むことを特徴とするので、金属箔（クラッドリボン３）がパワー半導体素子１の主電極１１及び電極板７に平面的に大きな面積で接合でき、電極板７の接合工期を短くするとともに、パワー半導体素子１へのダメージを抑制し、パワー半導体素子１と電極板７との接続部に生じる熱応力が軽減できる。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの断面模式図であり、図８は図７のパワー半導体素子上方におけるクラッドリボン及び電極板の配置を示す図である。実施の形態２のパワーモジュール５０は、複数の小金属層である小銅層３６に分割された金属層である銅パターン３５を有するクラッドリボン３を備えた点で、実施の形態１のパワーモジュール５０とは異なる。なお、図８における電極板７は、破線で示した。以下に、実施の形態１と異なる部分を中心にして説明する。

パワー半導体素子１、セラミック基板２は実施の形態１と同様である。実施の形態２のクラッドリボン３は、図８に示すように、銅パターン３５が例えば９個の小銅層３６に分割されている。小銅層３６の相互の間隔は１ｍｍである。図７、図８におけるクラッドリボン３は、２種類の金属層であるアルミ層３２及び銅パターン３５を有し、幅１０ｍｍで長いリボンから切断された金属箔である。アルミ層３２の厚さは０．２ｍｍであり、小銅層３６の厚さ、すなわち銅パターン３５の厚さは０．０５ｍｍである。クラッドリボン３の幅は、図８に示したクラッドリボン３における上下間の長さである。図７、図８では、クラッドリボン３の外形寸法は１０ｍｍ×１０ｍｍである。電極板７は、銅製であり、厚さが１ｍｍ、幅が１０ｍｍ、長さが５０ｍｍである。電極板７は、φ２ｍｍの開口部７１を有する。開口部７１の数は、小銅層３６の数と同じ９個である。

実施の形態２のパワーモジュール５０の製造方法について、図７、図９〜図１１を用いて説明する。図９、図１０、図１１は、それぞれ図７のパワーモジュールの製造過程を示す図である。実施の形態２のパワーモジュール５０は、図９、図１０、図１１の中間状態を経て、図７の最終形になる。パワー半導体素子１は、セラミック基板２の導体層２２に、はんだ５により接合される（パワー半導体素子搭載工程）。図９に示すように、セラミック基板２の導体層２２に接合されたパワー半導体素子１の主電極１１に、クラッドリボン３が平面的に位置決めされ、小銅層３６の位置において超音波接合ツール４によって超音波印加されて接合部３３を形成する（金属箔接合工程）。接合部３３により、クラッドリボン３とパワー半導体素子１の主電極１１とが接合される。金属箔接合工程は、クラッドリボン３を平面的にパワー半導体素子１の主電極１１の上に接合する工程である。

図１０に示すように、カッター６を用いて、小銅層３６が無い部分におけるアルミ層３２の途中で止めて引きちぎり、図１１のように、パワー半導体素子１の上でクラッドリボン３を切断する（金属箔切断工程）。なお、カッター６は機械式のものを含む。最後に、図７のように、開口部７１を有する電極板７を搭載し、開口部７１を用いてはんだ８を供給して、クラッドリボン３と電極板７とのはんだ付けを行う（電極板接合工程）。

実施の形態２のパワーモジュール５０は、実施の形態１と同様の効果が得られる。実施の形態２のパワーモジュール５０は、銅パターン３５が複数の小銅層３６に分割されているため、金属箔切断工程において柔軟なアルミ層３２のみの部分で切断することで、パワー半導体素子１へのダメージを実施の形態１に比べて軽減できる。また、電極板７が複数の開口部７１を有しているので、はんだ８が複数の開口部７１から供給でき、電極板７に対して均等にはんだ接合部が形成され、はんだが一箇所に集中することがなく、不均等なはんだによる電流分布が発生することを抑制できる。

ここでは、クラッドリボン３として、所定の厚さのアルミ層３２と銅パターン３５のクラッドリボンを用いたが、アルミと同等の柔軟性を有するその他の金属（マグネシウム、錫、インジウム）と、銅以外のニッケルなどのはんだ付け性に優れた金属の組み合わせであっても同等の効果が得られる。

クラッドリボン３の厚さについては、アルミ層３２は０．０５ｍｍ以上あればカッター６の寸止めなど、パワー半導体素子１の主電極１１を傷付けない切断が可能であり、１ｍｍ程度の厚さまでであれば良好な超音波接合と切断が可能である。一方の銅パターン３５については、０．００１ｍｍ以上あれば通常のはんだ付けに対しては拡散しきらずに残存することが可能である。また、アルミ層３２は、０．２ｍｍ以下であれば超音波接合とパワー半導体素子１の上での切断が可能である。アルミ層３２と銅パターン３５の厚さの比率については、１：１よりも、銅パターン３５がアルミ層３２より薄い方が、超音波接合が容易であると考えられる。

ここでは、カッター６によってアルミ層３２の途中まで切断して、アルミ層３２を引きちぎる工程としたが、アルミ層３２の表層のみを切断しても同様にクラッドリボン３の切断が可能であり、パワー半導体素子１へのダメージを軽減することが可能となる。超音波接合ツール４を複数個所に当てて、接合部３３を複数個設けたが、複数の小銅層３６を一度に覆う面積の広い超音波接合ツール４により、複数の小銅層３６の下部分を一度に接合しても同様の効果が得られる。また、ここでは超音波接合箇所の上方に開口部７１を有する電極板７を用いたが、それらの位置関係についてはそれに制限するものではない。

実施の形態３．
図１２は本発明の実施の形態３によるパワーモジュールの断面模式図であり、図１３は図１２のパワーモジュールの製造過程を示す図である。実施の形態２では、銅パターン３５上に超音波接合ツール４を当てて接合しているが、図１３に示すように、実施の形態３のパワーモジュール５０は、小銅層３６をよけて、小銅層３６の隙間部分である接合の容易なアルミ層３２の部分において接合を行うことで、銅パターン３５の変形を抑制することが可能となる。また、実施の形態３のパワーモジュール５０は、銅パターン３５の変形が抑制されることで、電極板接合工程におけて、銅パターン３５の変形に伴うはんだ付けの不良の発生を抑制することができる。なお、図１３では、クラッドリボン３の右側を省略している。

実施の形態４．
図１４は本発明の実施の形態４によるパワーモジュールの断面模式図であり、図１５は図１４のパワーモジュールの製造過程を示す図である。実施の形態４のパワーモジュール５０は、そのクラッドリボン３が小銅層３６の隙間部分にＶ字状の溝３７を有する点で、実施の形態２とは異なる。実施の形態４のパワーモジュール５０は、そのクラッドリボン３が、複数の小銅層３６に分割された銅パターン３５と、小銅層３６の隙間部分にＶ字状の溝３７を有する例である。図１４、１５に示すように、実施の形態４のパワーモジュール５０は、クラッドリボン３の小銅層３６のない部分にあらかじめＶ字状の溝３７を施すことにより、クラッドリボン３をパワー半導体素子１の主電極１１に接合後に、適切な力で引っ張るだけでカッター６を用いずに切断でき、カッター６によるパワー半導体素子１へのダメージを回避することが可能となる。

なお、実施の形態３と同様に、実施の形態４のパワーモジュール５０は、小銅層３６をよけて、小銅層３６の隙間部分である接合の容易なアルミ層３２の部分において接合を行うことで、銅パターン３５の変形を抑制することが可能となる。また、銅パターン３５の変形が抑制されることで、電極板接合工程におけて、銅パターン３５の変形に伴うはんだ付けの不良の発生を抑制することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１…パワー半導体素子、２…セラミック基板、３…クラッドリボン（金属箔）、７…電極板、８…はんだ、１１…主電極、３１…銅層、３２…アルミ層、３３…接合部、３５…銅パターン、３６…小銅層、３７…溝、５０…パワーモジュール、７１…開口部。

Claims (17)

1. 絶縁基板に搭載されたパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の上方に配置された電極板と、前記パワー半導体素子の主電極と前記電極板との間に配置された金属箔を備えたパワーモジュールであって、
   前記金属箔は、平板状であり、当該金属箔の裏面が前記主電極に超音波接合され、
   前記電極板は、前記金属箔の裏面と反対側である表面に、接合材により接合されたことを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記電極板は、前記パワー半導体素子の前記主電極の上方に開口部を有し、
   前記開口部の側面に前記接合材が接合したことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
3. 前記金属箔は、
   柔軟性を有する第１の金属層と、
   前記第１の金属層の表面に配置された、前記電極板に対して接合性の高い第２の金属層とを有することを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。
4. 前記第２の金属層は、その厚さが前記第１の金属層よりも薄いことを特徴とする請求項３記載のパワーモジュール。
5. 前記第２の金属層は、複数の小金属層に分割されたことを特徴とする請求項３または４に記載のパワーモジュール。
6. 前記金属箔は、前記小金属層が配置された領域における裏面が前記主電極に超音波接合されたことを特徴とする請求項５記載のパワーモジュール。
7. 前記金属箔は、前記小金属層が配置されていない隙間領域における裏面が前記主電極に超音波接合されたことを特徴とする請求項５記載のパワーモジュール。
8. 前記金属箔は、前記小金属層が配置されていない隙間領域において、溝を有することを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
9. 前記パワー半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
10. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項９記載のパワーモジュール。
11. 絶縁基板に搭載されたパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の上方に配置された電極板と、前記パワー半導体素子の主電極と前記電極板との間に配置された平板状の金属箔を備えたパワーモジュールを製造するパワーモジュールの製造方法であって、
    前記パワー半導体素子を前記絶縁基板に搭載するパワー半導体素子搭載工程と、
    前記主電極よりも長い前記金属箔を、前記パワー半導体素子の前記主電極に対して平面的に配置すると共に、当該金属箔の裏面が前記主電極に超音波接合された接合部を形成する金属箔接合工程と、
    前記金属箔を、前記パワー半導体素子の上方で切断する金属箔切断工程と、
    前記電極板を前記金属箔の裏面と反対側である表面に搭載し、前記金属箔の表面に接合材により接合する電極板接合工程と、を含むことを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
12. 前記電極板は、前記パワー半導体素子の前記主電極の上方に開口部を有し、
    前記電極板接合工程は、前記開口部から前記接合材を供給し、前記電極板を前記金属箔の表面に前記接合材により接合することを特徴とする請求項１１記載のパワーモジュールの製造方法。
13. 前記金属箔は、
    柔軟性を有する第１の金属層と、
    前記第１の金属層の表面に配置された、前記電極板に対して接合性の高い第２の金属層とを有することを特徴とする請求項１１または１２に記載のパワーモジュールの製造方法。
14. 前記第２の金属層は、複数の小金属層に分割され、
    前記金属箔切断工程は、前記小金属層が配置されていない隙間領域において切断することを特徴とする請求項１３記載のパワーモジュールの製造方法。
15. 前記第２の金属層は、複数の小金属層に分割され、
    前記金属箔は、前記小金属層が配置されていない隙間領域において、溝を有し、
    前記金属箔切断工程は、前記溝において切断することを特徴とする請求項１３記載のパワーモジュールの製造方法。
16. 前記金属箔接合工程において、前記小金属層が配置された領域における前記金属箔の裏面が、前記主電極に超音波接合された接合部を形成することを特徴とする請求項１４または１５に記載のパワーモジュールの製造方法。
17. 前記金属箔接合工程において、前記小金属層が配置されていない隙間領域における前記金属箔の裏面が、前記主電極に超音波接合された接合部を形成することを特徴とする請求項１４または１５に記載のパワーモジュールの製造方法。
    

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