JP2019046885A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】バスバー（ｂｕｓｂａｒ）と半導体モジュールの外部接続端子とをレーザー溶接により接合することが知られている。バスバーと接続端子との溶融部分にクラックが生じた場合、バスバーと接続端子との電気的接続が低減する恐れがある。【解決手段】半導体チップに電気的に接続された接続端子と、接続端子が貫通する開口を有するバスバーと、バスバーの開口を貫通することによりバスバーの上面よりも上に位置する接続端子の上部から、バスバーの上面に渡って設けられた、接合部分を含む溶融部分とを備える、半導体装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
バスバー（ｂｕｓｂａｒ）と半導体モジュールの外部接続端子とをレーザー溶接により接合することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１４−２３６１５０号公報
バスバーと接続端子との溶融部分にクラックが生じた場合、バスバーと接続端子との電気的接続が低減する恐れがある。
本発明の第１の態様においては、半導体装置を提供する。半導体装置は、接続端子と、バスバーと、接合部分を含む溶融部分とを備えてよい。接続端子は、半導体チップに電気的に接続されてよい。バスバーは、開口を有してよい。開口には接続端子が貫通してよい。接合部分は、接続端子の上部からバスバーの上面に渡って設けられてよい。接続端子の上部は、バスバーの開口を貫通することによりバスバーの上面よりも上に位置してよい。
溶融部分は、接合部分を有してよい。接合部分は、接続端子の側面とバスバーの開口の側面とのクリアランス部分に設けられてよい。接合部分は、バスバーと溶接された接続端子の一部であってよい。また、溶融部分は、非接合部分を有してよい。非接合部分は、接続端子の長さ方向と直交する方向において接合部分と反対側に位置してよい。非接合部分は、バスバーと溶接されていない接続端子の一部であってよい。
溶融部分の上端からバスバーの上面までの長さは、０．１ｍｍ以上であってよい。
溶融部分の上端からバスバーの上面までの長さは、０．９ｍｍ以下であってよい。
接続端子およびバスバーを上面視した場合において、接続端子の外形は部分的に円形状を有してよい。溶融部分と接続端子とが重なる領域において、接続端子の円形状の中心および半径により規定される円弧の長さは、０．７５ｍｍ以上２．５０ｍｍ以下であってよい。また、溶融部分と接続端子とが重なる領域において、接続端子の円形状の中心および半径により規定される扇形状の中心角は、８６度以上２８７度以下であってよい。
接続端子およびバスバーを上面視した場合において、バスバーの開口の直径に対する接続端子の直径の比は、０．９０７以上０．９９１以下であってよい。
接続端子は、第１本体部と、第１めっき層と、第２めっき層とを含んでよい。第１本体部は、銅材料を有してよい。第１めっき層は、第１本体部の表面に設けられてよい。第１めっき層は、ニッケル材料を有してよい。第２めっき層は、第１めっき層の表面に設けられてよい。第２めっき層は、スズ材料を有してよい。
接続端子は、テーパー部を含んでよい。テーパー部は、接続端子の上部から接続端子の長さ方向における予め定められた高さ位置まで設けられてよい。
接続端子およびバスバーを上面視した場合において、接続端子のテーパー部と溶融部分の中心とが重なっていてよい。
接続端子およびバスバーを上面視した場合において、１つの接続端子につき、１つの溶融部分が設けられてよい。
バスバーの開口は、テーパー部を有してよい。テーパー部は、上面とは反対側の下面の縁部において、下面から上面に向かって開口の径が小さくなってよい。
バスバーを上面視した場合において、半導体装置は、溶融部分をバスバー上に有してよい。溶融部分は、接続端子の中心から特定の方向にずれて設けられてよい。
バスバーを上面視した場合において、半導体装置は、複数の溶融部分をバスバー上に有してよい。複数の溶融部分は、第１の方向において並んで設けられてよい。複数の溶融部分の各々は、第１の方向において接続端子の中心よりも特定の同じ方向にずれて設けられてよい。
バスバーを上面視した場合において、半導体装置は、バスバー上に、第１の個数の溶融部分と、第２の個数の溶融部分とを有してよい。第１の個数の溶融部分は、第１の方向において並んで設けられてよい。第２の個数の溶融部分は、第１の個数の溶融部分から第２の方向に離間して設けられてよい。第２の個数の溶融部分も、第１の方向において並んで設けられてよい。第２の方向は、第１の方向と直交してよい。第１の個数の溶融部分の各々と、第２の個数の溶融部分の各々とは、第１の方向において接続端子の中心よりも特定の同じ方向にずれて設けられてよい。
バスバーは、凸部を含んでよい。凸部は、接続開口を有してよい。接続開口は、バスバーと外部接続端子とを固定する固定部材が貫通するための接続開口であってよい。凸部の頂部は、接続端子の上端よりも上に位置してよい。
バスバーを上面視した場合において、バスバーは短辺および長辺を有する矩形形状であってよい。半導体装置は、第１の個数の溶融部分と、第２の個数の溶融部分とを有してよい。第１の個数の溶融部分は、長辺と平行な方向において凸部の第１の側に設けられてよい。第１の個数の溶融部分は、短辺と平行な方向において並んで設けられてよい。第２の個数の溶融部分は、長辺と平行な方向において凸部に対して第２の側に設けられてよい。第２の側は、第１の側とは反対であってよい。第２の個数の溶融部分は、短辺と平行な方向において並んで設けられてよい。第１の個数の溶融部分と第２の個数の溶融部分との各々は、短辺方向において接続端子の中心よりも特定の同じ方向にずれて設けられてよい。
凸部の頂部の下面は、凸部以外のバスバーにおける平坦部の上面よりも上に位置してよい。
本発明の第２の態様においては、半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法は、接続端子をバスバーの開口に貫通させる段階と、溶融部分を形成する段階とを備えてよい。接続端子は、半導体チップに電気的に接続されてよい。溶融部分は、接合部分を含んでよい。溶融部分は、バスバーの上面よりも上に位置する接続端子のテーパー部にレーザー光を照射することにより形成されてよい。溶融部分は、接続端子の上部からバスバーの上面に渡って形成されてよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
第１実施形態におけるパワー半導体装置２００の一部を示す斜視図である。 図１のＡ‐Ａ断面を示す図である。 溶接前における図２の接続端子２０‐Ａ１の頂部２１近傍の拡大断面図である。 溶接前における突出長さＬ１と引張強度との関係を示す実験結果である。 溶接工程における図２の接続端子２０‐Ａ１の頂部２１近傍の拡大図である。 溶接後における図２の接続端子２０‐Ａ１の頂部２１近傍の拡大図である。 接続端子２０‐Ａ１、バスバー３０‐１および溶融部分６０の断面写真である。 接続端子２０‐Ａ１、バスバー３０‐１および溶融部分６０の上面写真である。 接続端子２０およびバスバー３０のクリアランスＣと、溶接後の円弧１２４の長さとの関係を示す実験結果である。 溶接後における円弧１２４の長さと引張強度との関係を示す実験結果である。 比較例における接続端子２０‐Ａ１、バスバー３０‐１および溶融部分６０の断面写真である。 第２実施形態におけるパワー半導体装置２１０のＡ‐Ａ断面を示す図である。 溶接後における、バスバー３０‐１と１つの接続端子２０‐Ａ１との上面図である。 溶接後における、バスバー３０‐１と複数の接続端子２０との第１変形例を示す上面図である。 第３実施形態におけるパワー半導体装置２２０の一部を示す斜視図である。 溶接前における、バスバー７０‐１と接続端子２０‐Ａ１から２０‐Ａ６との上面図である。 溶接後における、バスバー７０‐１と接続端子２０‐Ａ１から２０‐Ａ６との上面図である。 図１６ＡのＢ‐Ｂ断面を示す図である。 図１６ＢのＣ‐Ｃ断面を示す図である。 溶接後における、バスバー７０‐１と１つの接続端子２０との第１変形例を示す上面図である。 溶接後における図１５のＤ‐Ｄ断面を示す図である。 第１変形例における溶接後の図１５のＤ‐Ｄ断面を示す図である。 第２変形例における溶接後の図１５のＤ‐Ｄ断面を示す図である。 第４実施形態における図１６ＡのＢ‐Ｂ断面を示す図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、第１実施形態におけるパワー半導体装置２００の一部を示す斜視図である。本例のＺ軸は、Ｘ軸およびＹ軸に直交する軸である。本例のＸ、ＹおよびＺ軸は、右手系を構成する。Ｘ、ＹおよびＺ軸は、パワー半導体装置２００における相対的な方向を示すために用いられる。それゆえ、Ｚ軸方向は、必ずしも重力方向と平行でなくてよい。本明細書においては、Ｚ軸方向と平行な方向を指す表現として「上」および「下」等の表現を用いるが、これらの表現もまた重力方向における上下方向に限定されない。
パワー半導体装置２００は、１以上のパワー半導体モジュール１００と、複数のバスバー３０とを含んでよい。図１においては、接続端子２０とバスバー３０とを溶接する前の状態のパワー半導体装置２００を示す。なお、図１においては＋Ｘ方向の端部に位置する１つのパワー半導体モジュール１００を示すが、パワー半導体装置２００はＸ軸方向に並んで設けられた複数のパワー半導体モジュール１００を有してよい。
本例のパワー半導体モジュール１００は、いわゆる２ｉｎ１（ｔｗｏ‐ｉｎ‐ｏｎｅ）構造を有する。当該構成において、上アームおよび下アームの各々は、互いに逆並列に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）半導体チップおよびＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）半導体チップを有してよい。
パワー半導体モジュール１００は、複数の接続端子２０を有してよい。本例のパワー半導体モジュール１００は、樹脂製のケース１０の上面から＋Ｚ方向に各々突出する、複数の接続端子２０および複数の接続端子２２を有する。
本例において、接続端子２０‐Ａ１および２０‐Ａ２はドレイン端子であり、接続端子２０‐Ｂ１および２０‐Ｂ２はソース端子であり、接続端子２０‐Ｃ１および２０‐Ｃ２は出力端子である。出力端子は、上アームのソースと下アームのドレインとの電気的接点からモーターへ電流を出力してよく、三相インバータ回路におけるＵ相（または、Ｖ相もしくはＷ相）出力端子であってよい。
バスバー３０は、接続端子２０が貫通する開口３２を有してよい。本例の開口３２は、円筒部から成る貫通開口である。バスバー３０は、接続端子２０と不図示の外部接続端子との間に開示する導電部材として機能してよく、外部接続端子として機能してもよい。本例のバスバー３０‐１は、接続端子２０‐Ａ１および２０‐Ａ２に対応する開口３２‐Ａ１および３２‐Ａ２を含む。バスバー３０‐１は、複数のドレイン端子を電気的に接続してよく、パワー半導体モジュール１００におけるドレイン電位を有する接続部として機能してよい。
同様に、接続端子２０‐Ｂ１および２０‐Ｂ２に対応する開口３２‐Ｂ１および３２‐Ｂ２を含むバスバー３０‐２は、複数のソース端子を電気的に接続してよい。バスバー３０‐２は、パワー半導体モジュール１００におけるソース電位を有する接続部として機能してよい。また、接続端子２０‐Ｃ１および２０‐Ｃ２に対応する開口３２‐Ｃ１および３２‐Ｃ２を含むバスバー３０‐３は、複数の出力端子を電気的に接続してよい。バスバー３０‐３は、パワー半導体モジュール１００における出力部として機能してよい。
接続端子２２‐Ｄ１および２２‐Ｄ２は、ドレイン‐ソース間に流れる電流をセンシングするためのソースセンス端子であってよい。接続端子２２‐Ｅ１および２２‐Ｅ２は、パワーＭＯＳＦＥＴ部のゲートにオン／オフ制御信号を供給するためのゲート端子であってよい。接続端子２２‐Ｄ１および２２‐Ｄ２は、バスバー３０ではなく不図示の配線基板により電気的に接続されてよい。接続端子２２‐Ｅ１および２２‐Ｅ２も、同様に不図示の配線基板により電気的に接続されてよい。
図２は、図１のＡ‐Ａ断面を示す図である。Ａ‐Ａ断面は、開口３２‐Ａ１、３２‐Ｂ１および３２‐Ｃ１を通るＹ‐Ｚ平面に平行な断面である。図２においては、接続端子２０の上方に離間した状態のバスバー３０を実線で示し、開口３２に接続端子２０が貫通した状態のバスバー３０を破線で示す。なお、図２においても、接続端子２０とバスバー３０とを溶接する前の状態のパワー半導体装置２００を示す。
Ａ‐Ａ断面においては、ケース１０と、接続端子２０‐Ａ１、２０‐Ｂ１および２０‐Ｃ１と、接続端子２２‐Ｄ１および２２‐Ｅ１と、セラミック回路基板４０‐１および４０‐２と、半導体チップ５０‐１および５０‐２と、半田層５２‐１、５２‐２、５４‐１および５４‐２と、導電ピン５６‐１および５６‐２と、配線基板５８とを示す。
セラミック回路基板４０は、絶縁回路基板の一例である。本例のセラミック回路基板４０は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等のいずれかを有する絶縁基板４４と、絶縁基板４４の上下面に各々接する銅（Ｃｕ）配線パターンである導電層４２および導電層４６を含む。
絶縁基板４４の下面に接する導電層４２は、半導体チップ５０からの熱をケース１０の外部に放出する機能を有してよい。絶縁基板４４の上面に接する導電層４６は、半導体チップ５０と接続端子２０とを電気的に接続する機能を有してよい。
本例の半導体チップ５０は、パワーＭＯＳＦＥＴ半導体チップである。半導体チップ５０のドレイン電極は、半田層５２を介して導電層４６に電気的に接続してよい。また、半導体チップ５０のソース電極は、半田層５４および導電ピン５６を介して配線基板５８に電気的に接続してよい。
配線基板５８は、その上面および下面に配線パターンを有するプリント配線基板であってよい。配線基板５８は、接続端子２０が貫通する開口を有してよい。接続端子２０は、導電層４６の上面から配線基板５８の開口を通って、ケース１０の外に突出してよい。接続端子２０は、少なくとも導電層４６を介して半導体チップ５０に電気的に接続してよい。
例えば、上アームとして機能する半導体チップ５０‐１がオンする場合、電流は、接続端子２０‐Ａ１から、導電層４６‐１、半導体チップ５０‐１、導電ピン５６‐１、配線基板５８および導電層４６‐２を経て、接続端子２０‐Ｃ１へ流れる。この場合における電流の流れを、実線Ｒにて示す。また例えば、下アームとして機能する半導体チップ５０‐２がオンする場合、電流は、接続端子２０‐Ｂ１から、半導体チップ５０‐２等を経て、接続端子２０‐Ｃ１へ流れる。
なお、他の例における半導体チップ５０は、パワーＭＯＳＦＥＴ半導体チップに代えて、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）半導体チップであってよい。また、さらなる他の例においては、パワーＭＯＳＦＥＴ半導体チップおよびＦＷＤ半導体チップに代えて、１つの半導体チップにＩＧＢＴ部とＦＷＤ部とを有するＲＣ‐ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ‐ＩＧＢＴ）半導体チップを設けてもよい。半導体チップ５０がＩＧＢＴ半導体チップまたはＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップである場合には、図２の説明におけるソースをエミッタと、ドレインをコレクタとそれぞれ読み替えてよい。なお、これらの半導体チップは、Ｓｉ半導体でもよいし、ＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体でもよい。
接続端子２０は、テーパー部２６を含んでよい。テーパー部２６は、頂部２１から長さ方向における予め定められた高さ位置まで設けられてよい。テーパー部２６の下端は、接続端子２０と同じ径を有してよい。テーパー部２６は、Ｚ軸方向を基準として２０度以上８０度以下の角度を有してよい。テーパー部２６を設けることにより、接続端子２０を開口３２に貫通させる組み立て工程に作業が、テーパー部２６が無い場合に比べて容易になる点が有利である。
本例のバスバー３０は、上面３４と、上面３４とは反対側の下面３６とを有する。開口３２に接続端子２０が貫通した状態において、接続端子２０の頂部２１は上面３４よりも上に位置してよい。この場合において、テーパー部２６の下端は、バスバー３０の上面３４と同じか、または、上面３４よりも上に位置してよい。上面３４よりも上に位置する接続端子２０の一部は、レーザー光を受けて溶融することで、接続端子２０とバスバー３０とを物理的および電気的に接続するいわゆる接合剤として機能してよい。
図３は、溶接前における図２の接続端子２０‐Ａ１の頂部２１近傍の拡大断面図である。図３は、接続端子２０およびバスバー３０を通るＹ‐Ｚ平面に平行な断面図である。本例の接続端子２０は、第１本体部２３と、第１本体部２３の表面に設けられた第１めっき層２４と、第１めっき層２４の表面に設けられた第２めっき層２５とを含む。複数の接続端子２０は、直列に接続され且つリール状に巻かれた連続端子であってよい。本例の連続端子には、第１めっき層２４および第２めっき層２５が設けられ、さらに、パンチングによりテーパー部２６が設けられる。本例においては、当該連続端子を所定長さだけ順次切断することにより、各接続端子２０を形成する。それゆえ、本例の第１めっき層２４および第２めっき層２５は、テーパー部２６及び円柱部２７には設けられるが、頂部２１には設けられない。
第１本体部２３は、銅材料を有してよい。銅材料は、いわゆる純銅であってよい。純銅は、例えば、無酸素銅（Ｏｘｙｇｅｎ‐Ｆｒｅｅ Ｃｏｐｐｅｒ）、タフピッチ銅（Ｔｏｕｇｈ‐Ｐｉｔｃｈ Ｃｏｐｐｅｒ）、りん脱酸銅（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ‐Ｄｅｏｘｉｄｉｚｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ）のいずれかである。第１本体部２３を銅材料で形成することにより、接続端子２０の電気抵抗を低減し、かつ、高い放熱効果を得られる点で有利である。
第１めっき層２４はニッケル（Ｎｉ）材料を有してよく、第２めっき層２５はスズ（Ｓｎ）材料を有してよい。第１めっき層２４および第２めっき層２５により被覆した領域では、第１本体部２３の酸化を防止することができる。また、９００ｎｍ以上１，１００ｎｍ以下の波長を有するレーザー光（例えば、ＹＡＧレーザーの光）に対する吸収率は、銅が約１０％、ニッケルが約２８％、スズが約４５％である。それゆえ、ニッケルおよびスズのめっき層を設けることにより、これらを設けない場合に比べて接続端子２０に照射されるレーザー光の吸収率を上げることができる。さらに、ニッケルのめっき層上にスズのめっき層を設けることにより、スズのめっき層上にニッケルのめっき層を設ける場合に比べて、レーザー光の吸収率を上げることができる。
また、レーザー光の吸収率を上げることにより、レーザー光の吸収により生じた熱が効率よく接続端子２０に伝達する。それゆえ、レーザー光の照射により溶融する接続端子２０の領域を十分に確保することができる。溶融する接続端子２０の領域を十分に確保することができれば、溶融した接続端子２０とバスバー３０との溶融接合面積を十分に確保することができる。
なお、第１本体部２３に接して所定厚みを有するニッケルのめっき層のみを設ける場合、ニッケルは比較的固い金属であるので、溶融部分の硬度が高くなり、溶融部分においてクラックが生じやすくなる。これに対して、本例においては、ニッケルのめっき層およびスズのめっき層により所定厚みを有するめっき層を設けるので、クラックの発生を低減することができる。また、本例においては、スズのめっき層のみを有する所定厚みのめっき層を設ける場合に比べて溶融部分の硬度を担保することができる。
本例のバスバー３０は、銅材料を有する第２本体部３３と、第２本体部３３の表面に設けられたニッケル材料、または、スズ材料を有する第３めっき層３５とを含む。なお、他の例において、第３めっき層３５は、ニッケルのめっき層上にスズのめっき層を設けた積層構造であってもよい。開口３２に接続端子２０を貫通させた状態において、バスバー３０の開口３２の中心と接続端子２０の円柱部２７の中心とは略一致してよい。開口３２においては、開口３２の穴径φＢと接続端子２０の直径φＴとの差により規定される所定のクリアランスＣが設けられてよい。クリアランスＣは、接続端子２０の円柱部２７の側面とバスバー３０の開口３２の側面との距離である。なお、接続端子２０がバスバー３０の上面３４から突出する長さをＬ１で表す。
図４は、溶接前における突出長さＬ１と引張強度との関係を示す実験結果である。横軸は、溶接「前」における突出長さＬ１［ｍｍ］である。これに対して、縦軸は、接続端子２０にレーザー光を照射することにより接続端子２０をバスバー３０に溶接した「後」において、バスバー３０に対して接続端子２０を下方に引っ張ることによりバスバー３０と接続端子２０とを分離するために要する力を示す、引張強度［Ｎ］である。
本例において、Ｌ１がマイナスのプロットは、接続端子２０の頂部２１がバスバー３０の上面３４から下がった状態で配置され、その後、接続端子２０を溶接したことを意味する。Ｌ１がプラスのプロットは、接続端子２０の頂部２１がバスバー３０の上面３４から上がった状態で配置され、その後、接続端子２０を溶接したことを意味する。また、本例においては、接続端子２０を溶融することにより溶融部分を形成するので、長さＬ１が大きいほど、接続部分に使用される接合剤の量が多いことを意味してよい。
本実験結果から明らかなように、長さＬ１が大きくなるにつれて引張強度が飽和する傾向があった。溶接前における突出長さＬ１は、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であってよく、より好ましくは０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であってよい。長さＬ１が０．２ｍｍ未満の場合、引張強度のばらつきが大きくなり、パワー半導体モジュール１００において安定した品質が得られない。これは、突出長さが短すぎるので、レーザー光を受けて溶融する接合剤が不足するためであると考えられる。加えて、長さＬ１が０．２ｍｍ未満の場合、テーパー部２６がバスバー３０の上面３４とほぼ同じ高さ位置または上面３４よりも下に位置するので、バスバー３０と接続端子２０との間のクリアランスにばらつきが生じ得る。これにより、バスバー３０と接続端子２０との接合強度の低下、および、接合強度ばらつきの増加が生じる。これに対して、長さＬ１が０．２ｍｍ以上において、安定した接合強度が得られる。なお、長さＬ１が０．３ｍｍ以上において、引張強度が１５０Ｎ程度で飽和する。これは、接合に寄与する部分を覆い尽くすだけの、十分な接合剤が得られる状態になるからであると考えられる。
また、長さＬ１を１．０ｍｍ以下とすることにより、接続端子２０がバスバー３０上に設ける構造物の妨げとなることを防ぐことができる。また、溶接前の突出長さＬ１を０．８ｍｍより大きくしても、引張応力がＬ１に比例して増加しないのでＬ１を０．８ｍｍより大きくすることのメリットは小さい。
図５は、溶接工程における図２の接続端子２０‐Ａ１の頂部２１近傍の拡大図である。本例においては、Ｚ軸方向と平行に頂部２１に向けてレーザー光を照射せず、テーパー部２６に向けてＺ軸方向から所定角度傾けてレーザー光ＬＲを照射する。Ｙ‐Ｚ平面においてＺ軸方向から＋Ｙ方向に１０度以上２０度以下の所定角度だけ傾けて、テーパー部２６および円柱部２７の＋Ｙ方向の側面に向けてレーザー光ＬＲを照射してよい。本例においては、１５度傾けて、レーザー光ＬＲを照射する。本例においては、上面視における一点にレーザー光ＬＲを照射する。但し、レーザー光ＬＲは所定の広がりを有するので、接続端子２０の頂部２１および円柱部２７にもレーザー光ＬＲは照射される。レーザー光ＬＲの出力は５０Ｊ以上９０Ｊ以下であってよく、照射時間は１０ｍｓ以上２０ｍｓ以下であってよい。なお、レーザー光ＬＲの照射により加熱される接続端子２０の例示的な領域を破線により示す。
溶接前の突出長さＬ１が大きすぎると、レーザー光ＬＲを吸収することにより接続端子２０に発生する熱が、バスバー３０の上面３４の高さ位置近傍における接続端子２０の部分にまで伝わりにくくなる。その結果、溶接痕（ナゲット（ｎｕｇｇｅｔ）とも呼ばれる）が予め定められた位置からのずれ、加えて、各接続端子２０におけるナゲットの位置ばらつきが大きくなる。ナゲットの位置ばらつきが大きくなると、溶融部分の強度ばらつきも大きくなる可能性がある。また、溶接前の突出長さＬ１が大きすぎると、クリアランスＣに溶融した接続端子２０の材料が流れ込みにくくなる。また、レーザー光ＬＲをバスバー３０の上面３４の高さ位置近傍における接続端子２０に向けて照射した場合、接続端子２０の頂部２１付近に溶融されない部分が発生し、未溶融部分が異物として残存することがあった。この点からも、長さＬ１を１．０ｍｍ以下、より好ましくは０．８ｍｍ以下とすることが望ましい。
図６は、溶接後における図２の接続端子２０‐Ａ１の頂部２１近傍の拡大図である。図６においては、理解を容易にすることを目的として、溶接前の接続端子２０の外形を破線により示す。また、溶接工程において、接続端子２０の先端部は、溶融して上面３４上に流れ出し、かつ、クリアランスＣにも流れ込む。図６においては、溶接前の接続端子２０の外形よりも外に拡張した溶接後の領域に斜線を付して示す。なお、レーザー光が照射されることにより溶融した接続端子２０の範囲が、斜線部分よりも広くてよいのは勿論である。
溶接後のパワー半導体モジュール１００は、溶融部分６０を有する。溶融部分６０の接合部分６７は、溶接後における接続端子２０の上部２８からバスバー３０の上面３４に渡って設けられてよい。溶融部分６０は、上端６２から上面３４にかけてなだらかな傾斜を有してよい。例えば、溶融部分６０は、高さのピーク位置が上端６２である上部２８（即ち、凸領域）を有する。溶融部分６０を設けることにより、溶融した接続端子２０とバスバー３０との溶融接合面積を十分に確保することができる。これにより、溶接前における接続端子２０の頂部２１と上面３４とが略同じ高さ位置（例えば、両者の差が０．２ｍｍ未満）である場合と比較して、バスバー３０と接続端子２０との溶融部分６０にクラックが発生する可能性を低減することができる。
溶融部分６０においては、銅に対するニッケルの原子百分率が０ａｔ％より大きく５０ａｔ％以下であってよく、銅に対するスズの原子百分率が０ａｔ％より大きく５０ａｔ％以下であってよい。溶融部分６０は、銅とスズの化合物であるＣｕ５Ｓｎ、Ｃｕ３ＳｎおよびＣｕ６Ｓｎ５の一種類以上を含んでよく、ニッケルとスズの化合物であるＮｉ３Ｓｎ、Ｎｉ３Ｓｎ２およびＮｉ３Ｓｎ４の一種類以上を含んでよい。
溶融部分６０は、溶融され且つバスバー３０と溶接された接続端子２０の一部である接合部分６７と、溶融されたがバスバー３０と溶接されなかった接続端子２０の一部である非接合部分６８とを含んでよい。例えば、斜線部分は、接合部分６７である。また、Ｙ軸方向において斜線を付した領域とは反対側の領域において、上部２８から予め定められた高さ位置まで設けられたテーパー部２６は、非接合部分６８である。
本例の非接合部分６８は、Ｙ軸方向において接合部分６７の反対側に位置する。本例においては、非接合部分６８およびその下方において、接続端子２０とバスバー３０とが接合されていない間隙６５が残存する。パワー半導体モジュール１００のパワーサイクルにおいて、接続端子２０は急激に加熱および冷却され、これに応じて接続端子２０はバスバー３０に対して膨張および収縮を繰り返す。それゆえ、接続端子２０を上面視した場合の周囲を接合部分６７により囲むことで、接続端子２０とバスバー３０とを完全にＸ‐Ｙ平面方向において完全に固定すると、パワーサイクルに起因して溶融部分６０に歪みが生じる。これにより、溶融部分６０にクラックが発生し、徐々にクラックが大きくなり、接続端子２０とバスバー３０との電気的接続が確保できなくなる。これに対して、本例のように間隙６５を設けることにより、溶融部分６０にクラックが発生することを抑制し、且つ、電気的接続を確保することができる。
溶接後における、溶融部分６０の上端６２から上面３４までの長さをＬ２と表す。溶接工程により溶融する接続端子２０の長さは、０．１ｍｍから０．２ｍｍ程度であるので、長さＬ２は、溶接前における突出長さＬ１より小さくてよい。長さＬ１の接続端子２０が溶接工程を経て長さＬ２となる場合、長さＬ２は、０．１ｍｍ以上であってよく、より好ましくは、０．２ｍｍ以上であってよい。０．１ｍｍ≦Ｌ２とすることにより、例えば４０Ｎ以上の引張強度を確保することができる。
溶接後の長さＬ２は、０．９ｍｍ以下であってよく、より好ましくは０．７ｍｍ以下[0]であってよい。例えば、バスバー３０上にさらに外部接続端子が設けられる場合、外部接続端子が溶融部分６０に接触すると、溶融部分６０が損傷を受け、溶融部分６０におけるコンタクト抵抗が増加する場合がある。本例では、長さＬ２に上限を設けることにより、溶融部分６０におけるコンタクト抵抗の増加を抑え、かつ、溶融部分６０が外部接続端子の物理的障害となることを防ぐことができる。
本例のパワー半導体モジュール１００は、クリアランスＣ部分に接合部分６７有する点にも留意されたい。クリアランスＣに溶融した接続端子２０を流し込むことにより、接続端子２０の頂部２１近傍のみを溶接する場合と比較して、接続端子２０とバスバー３０との接合強度を向上させることができる。溶接後における、上面３４から溶融部分６０の下端６４までの長さをＬ３と表す。長さＬ３は、バスバー３０のＺ軸方向の厚みの半分以上厚みの１倍以下であってよく、同厚みの半分以上３／４以下または半分以上２／３以下であってもよい。
図７は、接続端子２０‐Ａ１、バスバー３０‐１および溶融部分６０の断面写真である。図７に示す写真は、図６に対応する。
図８は、接続端子２０‐Ａ１、バスバー３０‐１および溶融部分６０の上面写真である。図８は、切断する前における溶融部分６０の上面写真でもある。図８は、接続端子２０およびバスバー３０を上面視した写真に、接続端子２０の円形状の中心１２０、半径１２２、円弧１２４、中心角１２６、および頂部２１と溶接工程前におけるテーパー部２６との境界（破線）等を追加したものである。なお、図８においては円弧１２４および直径にそれぞれ両矢印を付して示す。溶融部分６０と接続端子２０とが重なる領域において、接続端子２０の外形は部分的に円形状を有する。
溶融部分６０と接続端子２０とが重なる領域における円弧１２４の長さは、接続端子２０の中心１２０および半径１２２により規定される。また、溶融部分６０と接続端子２０とが重なる領域における扇形状の中心角１２６は、接続端子２０の円形状の中心１２０および半径１２２により規定される。例えば、接続端子２０の直径φＴ＝１．００ｍｍ（両矢印の直線）、中心角１２６が１１８度である場合に、円弧１２４の長さは、約１．０３ｍｍ（＝（１．００／２）×（１１８／３６０）×２π）となる。
図８に示す様に、接続端子２０のテーパー部２６と溶融部分６０の中心６６とは重なってよい。上述のように、本例ではレーザー光の中心が接続端子２０のテーパー部２６に照射される。これにより、頂部２１、テーパー部２６および円柱部２７にレーザー光を照射できるので、接続端子２０の頂部２１のみにレーザー光を照射する場合に比べて、加熱範囲を大きくすることができ、結果的として接続端子２０の溶融範囲を大きくすることができる。
図８において、溶融部分６０はナゲットとして観察される。溶融部分６０の外形は、溶融した接続端子２０の実際の広がりに対応するので、完全な真円でなくてよく、略円形状であってよい。溶融部分６０の外形は、近似的に円形状であってよく、近似的に楕円形状であってもよい。近似的な円形状であっても、溶融部分６０の中心６６がテーパー部２６に位置することは、図面から明らかである。なお、中心６６は、レーザー光のパワーピーク位置であってもよい。
図８に示す様に、本例においては、１つの接続端子２０につき、１つの溶融部分６０が設けられる。１つの溶融部分６０とは、溶接された接続端子２０が上面視において連続的に設けられている領域が１つであることを意味してよい。１つの接続端子２０につき１つの溶融部分６０を設けることで、溶融部分６０の強度を確保しつつ、かつ、溶接工程における作業時間を短縮することができる点が有利である。
図９は、接続端子２０およびバスバー３０のクリアランスＣと、溶接後の円弧１２４の長さとの関係を示す実験結果である。横軸はクリアランスＣ［ｍｍ］であり、縦軸は円弧１２４の長さ［ｍｍ］である。本実験においては、接続端子２０の直径φＴを０．９８ｍｍ以上１．０２ｍｍ以下とした。また、バスバー３０については、開口３２の直径φＢを１．０３ｍｍ以上１．０８ｍｍ以下とした第１グループと、開口３２の直径φＢを１．０５ｍｍ以上１．１５ｍｍ以下とした第２グループとを準備した。
第１グループにおいて、クリアランスＣの最大値ＣＭＡＸは０．１ｍｍ（＝１．０８ｍｍ−０．９８ｍｍ）であり、クリアランスＣの最小値ＣＭＩＮは０．０１ｍｍ（＝１．０３ｍｍ−１．０２ｍｍ）である。これに対して、第２グループにおいて、クリアランスＣの最大値ＣＭＡＸは０．１７ｍｍ（＝１．１５ｍｍ−０．９８ｍｍ）であり、クリアランスＣの最小値ＣＭＩＮは０．０３ｍｍ（＝１．０５ｍｍ−１．０２ｍｍ）である。
図９から明らかなように、クリアランスＣが０．１０５ｍｍ以上となると、溶融部分６０の円弧１２４が急激に小さくなった。本実験においては、クリアランスＣが０．１０５ｍｍ以上となり、円弧１２４が０ｍｍとなったサンプルは３つ存在し、いずれも第２グループのサンプルであった。
これに対して、第１グループのサンプルは、いずれも０．７ｍｍ以上の長さの円弧１２４を有した。本実験結果から合理的に推測されるように、直径φＢに対する直径φＴの比が、０．９０７（＝０．９８ｍｍ／１．０８ｍｍ＝φＴの最小値／φＢの最大値）以上０．９９１（＝１．０２ｍｍ／１．０３ｍｍ＝φＴの最大値／φＢの最小値）以下であれば、円弧１２４の長さは０．７ｍｍ以上となる。後述するように、円弧１２４の長さが０．７ｍｍ以上であれば、引張強度は４０Ｎ以上になり得る。
図１０は、溶接後における円弧１２４の長さと引張強度との関係を示す実験結果である。横軸は円弧１２４の長さ［ｍｍ］であり、縦軸は図４と同じ引張強度［Ｎ］である。本実験においては、１７９個のサンプルにおいて、円弧１２４の長さと引張強度との関係を測定した。σは標準偏差であり、３σは当該標準偏差の３倍である。図１０では、±３σを示す直線を破線で示し、回帰直線を示す直線を±３σを示す直線の間に破線で示す。回帰直線の相関係数は０．９０４であった。
円弧１２４の長さは、０．７５ｍｍ以上２．５０ｍｍ以下であってよく、より好ましくは、１．０３ｍｍ以上１．５７ｍｍ以下であってよい。円弧１２４の長さ０．７５ｍｍは、引張強度４０Ｎ以上を達成するために必要な最小の長さであってよい。例えば、回帰直線から算出される円弧１２４の長さ０．７５ｍｍにおける引張強度は、４０Ｎである。円弧１２４の長さが２．５０ｍｍより大きい場合、接続端子２０においてレーザー光により溶融する体積が比較的多いので、溶融した部分がバスバー３０のＺ軸方向の厚みを超えてバスバー３０の下面３６から流出する場合がある。この流出した金属により接合不良が生じることがあり、また、流出した金属が封止樹脂へダメージを与えることもあるので、好ましくない。円弧１２４の長さを２．５０ｍｍ以下にすることで、接合不良および封止樹脂へのダメージを防ぐことができる。
円弧１２４の長さ１．０３ｍｍは、引張強度４０Ｎ以上を±３σの範囲において達成するために必要な最小の長さであってよい。また、円弧１２４の長さを１．５７ｍｍ以下とすることにより、円弧１２４の長さを１．５７ｍｍより大きくする場合と同等の引張強度を得ることができ、かつ、引張強度４０Ｎ以上を勿論確保することができる。加えて、円弧１２４の長さを１．５７ｍｍ以下とすることにより、円弧１２４の長さを１．５７ｍｍより大きくする場合と比べて、溶融部分６０の範囲を小さくすることができる。溶融部分６０の範囲を限定的にすれば、レーザー光の照射範囲、出力の大きさ、および、照射時間等の面で有利である。
扇形状の中心角１２６は、８６度以上２８７度以下であってよく、より好ましくは、１１８度以上１８０度以下であってよい。中心角１２６が８６度の場合は、円弧１２４の長さ０．７５ｍｍに対応してよい。なお、約０．７５＝（１．００／２）×（８６／３６０）×２π）。同様に、中心角１２６が１８０度の場合は、円弧１２４の長さ１．５７ｍｍに対応してよい（約１．５７＝（１．００／２）×（１８０／３６０）×２π））。これにより、円弧１２４の長さ範囲に起因する効果と同じ有利な効果を得ることができる。
図１１は、比較例における接続端子２０‐Ａ１、バスバー３０‐１および溶融部分６０の断面写真である。本比較例においては、接続端子２０の頂部２１とバスバー３０の上面３４との高さ位置を一致させた上で、頂部２１と上面３４とに渡る所定の領域にレーザー光を照射した。溶融部分６０の直下においてはクラックが生じていることが観察された。
図１２は、第２実施形態におけるパワー半導体装置２１０のＡ‐Ａ断面を示す図である。本例の接続端子２０は、テーパー部２６を有さない。本例の接続端子２０は、頂部２１および円柱部２７から成る。本例において、バスバー３０の開口３２は、下面３６の縁部において、テーパー部３８を有する。テーパー部３８を設けることにより、接続端子２０をバスバー３０の開口３２に挿入しやすくなるので、テーパー部３８を設けない場合と比べて、パワー半導体装置２１０の組み立てが容易になる。
テーパー部３８においては、下面３６から上面３４に向かって開口３２の径が小さくなってよい。本例の開口３２においては、下面３６から＋Ｚ方向の所定高さ位置までの一部にテーパー部３８を設け、残りの部分に第１実施形態に示す円筒部を設ける。より具体的には、Ｚ軸方向における下半分をテーパー部３８とし、上半分を円筒部とする。なお、バスバー３０にテーパー部３８を設ける本実施形態と第１実施形態と組み合わせてもよい。
図１３は、溶接後における、バスバー３０‐１と１つの接続端子２０‐Ａ１との上面図である。図１３は、バスバー３０‐１を上面視した図でもある。なお、図１３において、バスバー３０‐１の右側を省略する。図８の例と同様に、バスバー３０‐１上に設けられた溶融部分６０の中心６６は、接続端子２０‐Ａ１の中心１２０から特定の方向にずれて設けられてよい。本例において、溶融部分６０の中心６６は、接続端子２０の中心１２０と重ならず、中心１２０から＋Ｙ方向にずれている。本例において、接続端子２０にハッチングを付し、溶融部分６０にクロスハッチングを付す。
図１４は、溶接後における、バスバー３０‐１と複数の接続端子２０との第１変形例を示す上面図である。本例のパワー半導体モジュール１００は、ドレイン端子、ソース端子および出力端子に各々対応する接続端子２０を２つずつではなく、６つずつ有する。本例のバスバー３０‐１は、バスバー３０‐１の短辺方向に並んで設けられた複数の開口３２‐Ａ１、３２‐Ａ３および３２‐Ａ５を有する。また、本例のバスバー３０‐１は、複数の開口３２‐Ａ１、３２‐Ａ３および３２‐Ａ５からバスバー３０‐１の長辺方向において離間し、かつ、短辺方向に並んで設けられた複数の開口３２‐Ａ２、３２‐Ａ４および３２‐Ａ６を有する。また、本例の開口３２には、接続端子２０が対応して設けられる。
本例において、短辺方向はＹ軸方向と平行であり、長辺方向はＸ軸方向と平行である。また、第１の方向の一例はＹ軸方向であり、第２の方向の一例はＸ軸方向である。
本例においても、バスバー３０‐１上に複数の溶融部分６０が設けられる。また、接続端子２０と開口３２との位置関係に対応して、複数の溶融部分６０はＹ軸方向において並んで設けられる。加えて、複数の溶融部分６０の各々は、Ｙ軸方向において接続端子２０の中心１２０よりも特定の同じ方向（本例では＋Ｙ方向）にずれて設けられる。なお、溶融部分６０が接続端子２０の中心１２０よりも特定の方向にずれているとは、例えば、溶融部分６０の中心６６が接続端子２０の中心１２０よりも特定の方向にずれていることを意味する。
溶融部分６０が中心１２０よりも特定の同じ方向にずれで設けられることにより、Ｚ軸方向と平行な方向を回転軸とするトルクに対する耐性を向上させることができる。つまり、バスバー３０‐１がＸ‐Ｙ平面において回転するようなトルクが印加されても、溶融部分６０において接続端子２０と開口３２との物理的な接続が維持されやすくなる。
なお、本例において、接続端子２０‐Ａ１、２０‐Ａ３および２０‐Ａ５に対応して設けられる溶融部分６０の数（第１の個数）は３である。また、本例において、接続端子２０‐Ａ２、２０‐Ａ４および２０‐Ａ６に対応して設けられる溶融部分６０の数（第２の個数）も３である。
図１５は、第３実施形態におけるパワー半導体装置２２０の一部を示す斜視図である。本例のパワー半導体装置２２０は、パワー半導体モジュール１１０とバスバー７０とを有する。パワー半導体モジュール１１０は、ドレイン端子、ソース端子および出力端子に各々対応する接続端子２０を２つずつではなく、６つずつ有する。図１５においては、ドレイン端子に対応する接続端子２０‐Ａ１から２０‐Ａ６、ソース端子に対応する接続端子２０‐Ｂ１から２０‐Ｂ６、および、出力端子に対応する接続端子２０‐Ｃ１から２０‐Ｃ６を示す。なお、接続端子２０の数は６つに限定されず、任意の偶数であってよく、４つでも８つでもよい。ただし、ソースセンス端子である接続端子２２‐Ｄ１および２２‐Ｄ２と、ゲート端子である接続端子２２‐Ｅ１および２２‐Ｅ２とは、第１実施形態と同様に２つずつ設けられる。
バスバー７０は、凸部８０および平坦部８４を含む一枚の板である。本例において、凸部８０とは、Ｘ‐Ｙ平面と平行な平坦部８４以外の部分を意味する。本例の凸部８０は、ハット形状を有する。凸部８０は、平坦部８４よりも＋Ｚ方向に突出するバスバー７０の部分を含んでよい。凸部８０は、バスバー７０と外部接続端子とを固定する固定部材９０が貫通するための接続開口７９を有する。固定部材９０は、回転させるための溝または穴を設けた頭部９１と、表面に溝を設けた軸部９３とを有するねじであってよい。ナット部９２は、軸部９３の雄ねじに対して回転可能に結合する雌ねじを有する部材である。固定部材９０およびナット部９２は、頭部９１と凸部８０の上面との間に外部接続端子およびバスバー７０を挟んで固定する機能を有してよい。頭部９１およびナット部９２の外径は、凸部８０における接続開口７９の直径よりも大きくてよい。
本例のバスバー７０は、Ｘ軸方向と平行な方向における凸部８０の第１の側に位置する第１の平坦部８４‐１と、Ｘ軸方向と平行な方向において凸部８０に対して第２の側に位置する第２の平坦部８４‐２とを有する。本例の第１の平坦部８４‐１および第２の平坦部８４‐２は、Ｘ軸方向において凸部８０を挟む。第１の平坦部８４‐１および第２の平坦部８４‐２の各々は、１つの接続端子２０につき１つの開口７２を有してよい。なお、図１３においては、バスバー７０の形状の理解を容易にするべく、外部接続端子を省略する。本例は、主として上述の点で第１実施形態と異なるが、他の点は第１実施形態と同じであってよい。それゆえ、第１実施形態と同じ技術的特徴においては、同じ有利な効果が得られる。
図１６Ａは、溶接前における、バスバー７０‐１と接続端子２０‐Ａ１から２０‐Ａ６との上面図である。図１６Ａでは、開口７２‐Ａ１から７２‐Ａ６に接続端子２０‐Ａ１から２０‐Ａ６をそれぞれ貫通させた後であって、レーザー光により各接続端子２０を溶接する前の状態を示す。バスバー７０を上面視した場合において、バスバー７０は矩形形状であってよい。本例のバスバー７０は、Ｙ軸方向に平行な短辺８３と、Ｘ軸方向に平行な長辺８５とを有する。
図１６Ｂは、溶接後における、バスバー７０‐１と接続端子２０‐Ａ１から２０‐Ａ６との上面図である。第１の平坦部８４‐１には、Ｙ軸方向と平行な方向に並んで第１の個数の溶融部分６０‐１が設けられてよい。なお、図１６Ｂにおいても、接続端子２０にハッチングを付し、溶融部分６０にクロスハッチングを付す。また、第１の平坦部８４‐１には、Ｙ軸方向と平行な方向に並んで設けられた第２の個数の溶融部分６０‐２が設けられてよい。本例において、第１の個数および第２の個数は、各々３である。
第１の個数の溶融部分６０‐１と第２の個数の溶融部分６０‐２との各々は、Ｙ軸方向において接続端子２０の中心１２０よりも特定の同じ方向にずれて設けられてよい。本例においては、溶融部分６０‐１および６０‐２の各々が、接続端子２０の中心１２０よりも＋Ｙ方向にずれて設けられる。
これに代えて、溶融部分６０‐１および６０‐２の各々が、中心１２０よりも−Ｙ方向にずれて設けられてもよい。外部接続端子がバスバー７０に固定部材９０で取り付けられる時、および、取り外される時に、バスバー７０には、接続開口７９を回転軸の中心としたトルクＴが加えられる。溶融部分６０‐１および６０‐２の全てが、中心１２０から＋Ｙ方向および−Ｙ方向のいずれかに一斉にずれて設けられることで、溶融部分６０‐１および６０‐２の各々が、ランダムにずれている場合に比べて、溶融部分６０に加えられるトルクＴに対する耐性を向上させることができる。つまり、固定部材９０からバスバー７０にトルクＴが印加されても、溶融部分６０において接続端子２０と開口７２との物理的な接続が維持されやすくなる。
図１７は、図１６ＡのＢ‐Ｂ断面を示す図である。Ｂ‐Ｂ断面は、接続端子２０‐Ａ５および２０‐Ａ６を通るＸ‐Ｚ平面に平行な断面である。図示するように、凸部８０は、２つの側部８１と、２つの側部に挟まれた頂部８２とを有する。本例の側部８１‐１は、頂部８２に接続する一辺と、第１の平坦部８４‐１に接続する他の一辺とを有する。同様に、本例の側部８１‐２は、頂部８２に接続する一辺と、第２の平坦部８４‐２に接続する他の一辺とを有する。
本例のバスバー７０は、本体部７３と、本体部７３の表面に設けられた第３めっき層７５とを有する。また、バスバー７０における＋Ｚ方向の表面を上面７４とし、−Ｚ方向の表面を下面７６とする。本例においては、第１の平坦部８４‐１、側部８１‐１および８１‐２、頂部８２ならびに第２の平坦部８４‐２の＋Ｚ方向の表面および−Ｚ方向の表面をそれぞれ上面７４および下面７６と称する。また、本例においては、凸部８０の頂部８２の上端から接続端子２０の頂部２１の上端までの長さをＬｓとし、頂部２１の上端からテーパー部２６の下端までの長さＬｔとし、頂部２１の上端からバスバー７０の上面７４での長さＬｐとする。なお、本例において、Ｌｔ＝０．３ｍｍ、Ｌｐ＝０．５ｍｍとなるように設計した。
図１８は、図１６ＢのＣ‐Ｃ断面を示す図である。図１８は、溶接後の接続端子２０およびバスバー３０を通るＹ‐Ｚ平面に平行な断面図である。長さＬ２およびＬ３は、第１実施形態における図５の説明と同じであってよい。
図１９は、溶接後における、バスバー７０‐１と１つの接続端子２０との第１変形例を示す上面図である。図１９は、バスバー７０‐１における平坦部８４‐１の短辺８３‐１近傍を上面視した図でもある。本例においては、第１の平坦部８４‐１に１個の開口７２‐Ａ１が設けられ、これに応じて、１個の接続端子２０‐Ａ１および１個の溶融部分６０‐１が設けられる。図１３の例と同様に、バスバー３０‐１上に設けられた溶融部分６０‐１は、接続端子２０‐Ａ１の中心１２０から特定の向にずれて設けられてよい。本例において、溶融部分６０‐１は、中心１２０から＋Ｙ方向にずれている。本例においても、接続端子２０にハッチングを付し、溶融部分６０にクロスハッチングを付す。なお、平坦部８４‐２における接続端子２０、開口７２および溶融部分６０の構成も、平坦部８４‐１と同じであってよい。
図２０は、溶接後における図１５のＤ‐Ｄ断面を示す図である。図２０は、固定部材９０およびナット部９２により外部接続端子９５とバスバー７０とが物理的に接した状態を示す。凸部８０の頂部８２は、接続端子２０の上端６２よりも上に位置してよい。つまり、バスバー７０の平坦部８４の上面７４を基準として、溶融部分６０の上端６２の高さ位置をＨＭとし、凸部８０の上面７４の高さ位置（即ち、バスバー７０の下面の高さ位置）をＨＢとすると、ＨＭ＜ＨＢであってよい。これにより、溶融部分６０が損傷を受けることを防ぐことができるので、溶融部分６０におけるコンタクト抵抗の増加を防ぐことができる。
ＨＢ−ＨＭは、好ましくは０．２ｍｍ以上であり、より好ましくは０．５ｍｍ以上である。また、ＨＭ／ＨＢは、好ましくは０．７１以下であり、より好ましくは０．５０以下である。ＨＢ−ＨＭおよびＨＭ／ＨＢが、上記の範囲であれば、外部接続端子９５を取り付けるときにバスバー７０がＺ軸方向に押し付けられて歪んだとしても、溶融部分６０が損傷を受けることを防ぐことができる。
凸部８０における頂部８２の下面７６は、凸部８０以外のバスバー７０における平坦部８４の上面７４よりも上に位置してよい（この状況をＨＦＢにより示す）。本例の凸部８０の頂部８２は、頂部８２の下面７６が平坦部８４の上面７４よりも下に位置する、いわゆる肉厚形状ではない。これにより、頂部８２がいわゆる肉厚形状である場合に比べて、ねじ締結工程において、固定部材９０からバスバー７０に印加されるトルクＴに応じて頂部８２が変形しやすくなる。それゆえ、外部接続端子９５とバスバー７０との接触面積を確保しやすくなる点が有利である。なお、本例においては、Ｚ軸方向における頂部８２の厚みは、Ｚ軸方向における平坦部８４の厚みと同じであり、かつ、頂部８２の下面７６が平坦部８４の上面７４よりも上に位置する。ただし、Ｚ軸方向における頂部８２の厚みは、Ｚ軸方向における平坦部８４の厚みより厚くてよく、また、薄くてもよい。凸部８０の頂部８２および側部８１と、平坦部８４とが同じ厚みを有する場合には、一枚の板を変形することによりバスバー７０を形成できる点が有利である。
図２１は、第１変形例における溶接後の図１５のＤ‐Ｄ断面を示す図である。本例は、第３実施形態において、凸部８０の下面７６と平坦部８４の下面７６の高さ位置とが一致する例である。本例のバスバー７０は、凸部８０の上面７４から下面７６まで貫通し、固定部材９０の軸部９３を受容応する接続開口７９を有する。本例の接続開口７９の直径は、軸部９３の直径よりも大きくてよく（つまり、バカ穴（ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｈｏｌｅ）であってよく）、軸部９３の直径と同じであってもよい。本例においても、ＨＭ＜ＨＢとすることにより、溶融部分６０におけるコンタクト抵抗の増加を防ぐことができる。
図２２は、第２変形例における溶接後の図１５のＤ‐Ｄ断面を示す図である。本例は、第３実施形態において、凸部８０の下面７６と平坦部８４の下面７６の高さ位置とが一致する例である。但し、本例のバスバー７０は、凸部８０上面７４と下面７６との間の高さ範囲に、固定部材９０の軸部９３の直径よりも大きな凹部８８を有する。本例において、凹部８８の上面７４の高さ位置は、平坦部８４の上面７４の高さ位置に一致する。本例においても、ＨＭ＜ＨＢとすることにより、溶融部分６０におけるコンタクト抵抗の増加を防ぐことができる。なお、本例のバスバー７０は、凹部８８の底面に対応する上面７４から下面７６まで貫通し、固定部材９０の軸部９３を受容する接続開口７９を有する。
図２３は、第４実施形態における図１６ＡのＢ‐Ｂ断面を示す図である。本例において、バスバー７０の開口７２は、下面７６の縁部において、テーパー部７８を有する。テーパー部７８を設けることにより、接続端子２０をバスバー７０の開口７２に挿入しやすくなるので、テーパー部７８がない場合と比べて、パワー半導体装置の組み立てが容易になる。
テーパー部７８においては、下面７６から上面７４に向かって開口７２の径が小さくなってよい。本例の開口７２においては、下面７６から＋Ｚ方向の所定高さ位置までの一部にテーパー部７８を設け、残りの部分に第３実施形態と同じ円筒部を設ける。より具体的には、Ｚ軸方向における下半分をテーパー部７８とし、上半分を円筒部とする。なお、バスバー７０にテーパー部７８を設ける本実施形態と第３実施形態と組み合わせてもよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０・・ケース、２０・・接続端子、２１・・頂部、２２・・接続端子、２３・・本体部、２４・・第１めっき層、２５・・第２めっき層、２６・・テーパー部、２７・・円柱部、２８・・上部、３０・・バスバー、３２・・開口、３３・・本体部、３４・・上面、３５・・第３めっき層、３６・・下面、３８・・テーパー部、４０・・セラミック回路基板、４２・・導電層、４４・・絶縁基板、４６・・導電層、５０・・半導体チップ、５２・・半田層、５４・・半田層、５６・・導電ピン、５８・・配線基板、６０・・溶融部分、６２・・上端、６４・・下端、６５・・間隙、６６・・中心、６７・・接合部分、６８・・非接合部分、７０・・バスバー、７２・・開口、７３・・本体部、７４・・上面、７５・・第３めっき層、７６・・下面、７８・・テーパー部、７９・・接続開口、８０・・凸部、８１・・側部、８２・・頂部、８３・・短辺、８４・・平坦部、８５・・長辺、８８・・凹部、９０・・固定部材、９１・・頭部、９２・・ナット部、９３・・軸部、９５・・外部接続端子、１００・・パワー半導体モジュール、１１０・・パワー半導体モジュール、１２０・・中心、１２２・・半径、１２４・・円弧、１２６・・中心角、２００・・パワー半導体装置、２１０・・パワー半導体装置、２２０・・パワー半導体装置
本発明の第２の態様においては、半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法は、接続端子をバスバーの開口に貫通させる段階と、溶融部分を形成する段階とを備えてよい。接続端子は、半導体チップに電気的に接続されてよい。溶融部分は、接合部分を含んでよい。溶融部分は、バスバーの上面よりも上に位置する接続端子のテーパー部にレーザー光を照射することにより形成されてよい。接合部分は、接続端子の上部からバスバーの上面に渡って形成されてよい。
本例のパワー半導体モジュール１００は、クリアランスＣ部分に接合部分６７を有する点にも留意されたい。クリアランスＣに溶融した接続端子２０を流し込むことにより、接続端子２０の頂部２１近傍のみを溶接する場合と比較して、接続端子２０とバスバー３０との接合強度を向上させることができる。溶接後における、上面３４から溶融部分６０の下端６４までの長さをＬ３と表す。長さＬ３は、バスバー３０のＺ軸方向の厚みの半分以上厚みの１倍以下であってよく、同厚みの半分以上３／４以下または半分以上２／３以下であってもよい。
本例のバスバー７０は、Ｘ軸方向と平行な方向における凸部８０の第１の側に位置する第１の平坦部８４‐１と、Ｘ軸方向と平行な方向において凸部８０に対して第２の側に位置する第２の平坦部８４‐２とを有する。本例の第１の平坦部８４‐１および第２の平坦部８４‐２は、Ｘ軸方向において凸部８０を挟む。第１の平坦部８４‐１および第２の平坦部８４‐２の各々は、１つの接続端子２０につき１つの開口７２を有してよい。なお、図１５においては、バスバー７０の形状の理解を容易にするべく、外部接続端子を省略する。本例は、主として上述の点で第１実施形態と異なるが、他の点は第１実施形態と同じであってよい。それゆえ、第１実施形態と同じ技術的特徴においては、同じ有利な効果が得られる。
図１６Ｂは、溶接後における、バスバー７０‐１と接続端子２０‐Ａ１から２０‐Ａ６との上面図である。第１の平坦部８４‐１には、Ｙ軸方向と平行な方向に並んで第１の個数の溶融部分６０‐１が設けられてよい。なお、図１６Ｂにおいても、接続端子２０にハッチングを付し、溶融部分６０にクロスハッチングを付す。また、第２の平坦部８４‐２には、Ｙ軸方向と平行な方向に並んで設けられた第２の個数の溶融部分６０‐２が設けられてよい。本例において、第１の個数および第２の個数は、各々３である。
図１８は、図１６ＢのＣ‐Ｃ断面を示す図である。図１８は、溶接後の接続端子２０およびバスバー７０を通るＹ‐Ｚ平面に平行な断面図である。長さＬ２およびＬ３は、第１実施形態における図５の説明と同じであってよい。
図１９は、溶接後における、バスバー７０‐１と１つの接続端子２０との第１変形例を示す上面図である。図１９は、バスバー７０‐１における平坦部８４‐１の短辺８３‐１近傍を上面視した図でもある。本例においては、第１の平坦部８４‐１に１個の開口７２‐Ａ１が設けられ、これに応じて、１個の接続端子２０‐Ａ１および１個の溶融部分６０‐１が設けられる。図１３の例と同様に、バスバー７０‐１上に設けられた溶融部分６０‐１は、接続端子２０‐Ａ１の中心１２０から特定の向にずれて設けられてよい。本例において、溶融部分６０‐１は、中心１２０から＋Ｙ方向にずれている。本例においても、接続端子２０にハッチングを付し、溶融部分６０にクロスハッチングを付す。なお、平坦部８４‐２における接続端子２０、開口７２および溶融部分６０の構成も、平坦部８４‐１と同じであってよい。
図２０は、溶接後における図１５のＤ‐Ｄ断面を示す図である。図２０は、固定部材９０およびナット部９２により外部接続端子９５とバスバー７０とが物理的に接した状態を示す。凸部８０の頂部８２は、接続端子２０の上端６２よりも上に位置してよい。つまり、バスバー７０の平坦部８４の上面７４を基準として、溶融部分６０の上端６２の高さ位置をＨＭとし、凸部８０の上面７４の高さ位置（即ち、外部接続端子９５の下面の高さ位置）をＨＢとすると、ＨＭ＜ＨＢであってよい。これにより、溶融部分６０が損傷を受けることを防ぐことができるので、溶融部分６０におけるコンタクト抵抗の増加を防ぐことができる。
図２１は、第１変形例における溶接後の図１５のＤ‐Ｄ断面を示す図である。本例は、第３実施形態において、凸部８０の下面７６と平坦部８４の下面７６の高さ位置とが一致する例である。本例のバスバー７０は、凸部８０の上面７４から下面７６まで貫通し、固定部材９０の軸部９３を受容する接続開口７９を有する。本例の接続開口７９の直径は、軸部９３の直径よりも大きくてよく（つまり、バカ穴（ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｈｏｌｅ）であってよく）、軸部９３の直径と同じであってもよい。本例においても、ＨＭ＜ＨＢとすることにより、溶融部分６０におけるコンタクト抵抗の増加を防ぐことができる。

Claims (20)

  1. 半導体チップに電気的に接続された接続端子と、
    前記接続端子が貫通する開口を有するバスバーと、
    前記バスバーの前記開口を貫通することにより前記バスバーの上面よりも上に位置する前記接続端子の上部から、前記バスバーの前記上面に渡って設けられた、接合部分を含む溶融部分と
    を備える
    半導体装置。
  2. 前記溶融部分は、前記接続端子の側面と前記バスバーの開口の側面とのクリアランス部分に、前記バスバーと溶接された前記接続端子の一部である接合部分を有する
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記溶融部分は、前記接続端子の長さ方向と直交する方向において前記接合部分と反対側に位置し、且つ、前記バスバーと溶接されていない前記接続端子の一部である非接合部分を有する
    請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記溶融部分の上端から前記バスバーの前記上面までの長さは、０．１ｍｍ以上である
    請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記溶融部分の上端から前記バスバーの前記上面までの長さは、０．９ｍｍ以下である
    請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記接続端子および前記バスバーを上面視した場合において、
    前記接続端子の外形は部分的に円形状を有し、
    前記溶融部分と前記接続端子とが重なる領域において、前記接続端子の円形状の中心および半径により規定される円弧の長さは、０．７５ｍｍ以上２．５０ｍｍ以下である
    請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記接続端子および前記バスバーを上面視した場合において、
    前記接続端子の外形は部分的に円形状を有し、
    前記溶融部分と前記接続端子とが重なる領域において、前記接続端子の円形状の中心および半径により規定される扇形状の中心角は、８６度以上２８７度以下である
    請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記接続端子および前記バスバーを上面視した場合において、
    前記バスバーの開口の直径に対する前記接続端子の直径の比は、０．９０７以上０．９９１以下である
    請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記接続端子は、
    銅材料を有する第１本体部と、
    前記第１本体部の表面に設けられたニッケル材料を有する第１めっき層と、
    前記第１めっき層の表面に設けられたスズ材料を有する第２めっき層と
    を含む
    請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 前記接続端子は、前記接続端子の上部から前記接続端子の長さ方向における予め定められた高さ位置まで設けられたテーパー部を含む
    請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。
  11. 前記接続端子および前記バスバーを上面視した場合において、
    前記接続端子の前記テーパー部と前記溶融部分の中心とが重なっている
    請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 前記接続端子および前記バスバーを上面視した場合において、１つの前記接続端子につき、１つの前記溶融部分が設けられる
    請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体装置。
  13. 前記バスバーの前記開口は、前記上面とは反対側の下面の縁部において、前記下面から前記上面に向かって前記開口の径が小さくなるテーパー部を有する
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の半導体装置。
  14. 前記バスバーを上面視した場合において、前記半導体装置は、前記接続端子の中心から特定の方向にずれて設けられた前記溶融部分を前記バスバー上に有する
    請求項１から１３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  15. 前記バスバーを上面視した場合において、前記半導体装置は、第１の方向において並んで設けられた複数の前記溶融部分を前記バスバー上に有し、
    複数の前記溶融部分の各々は、前記第１の方向において前記接続端子の中心よりも特定の同じ方向にずれて設けられる
    請求項１から１４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  16. 前記バスバーを上面視した場合において、
    前記半導体装置は、前記バスバー上に、
    第１の方向において並んで設けられた第１の個数の前記溶融部分と、
    前記第１の個数の前記溶融部分から、前記第１の方向と直交する第２の方向に離間して設けられ、前記第１の方向において並んで設けられた第２の個数の前記溶融部分と、
    を有し、
    前記第１の個数の前記溶融部分の各々と、前記第２の個数の前記溶融部分の各々とは、前記第１の方向において前記接続端子の中心よりも特定の同じ方向にずれて設けられる
    請求項１から１５のいずれか一項のいずれか一項に記載の半導体装置。
  17. 前記バスバーは、前記バスバーと外部接続端子とを固定する固定部材が貫通するための接続開口を有する凸部を含み、
    前記凸部の頂部は、前記接続端子の上端よりも上に位置する
    請求項１から１６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  18. 前記バスバーを上面視した場合において、前記バスバーは短辺および長辺を有する矩形形状であり、
    前記半導体装置は、
    前記長辺と平行な方向において前記凸部の第１の側に設けられ、前記短辺と平行な方向において並んで設けられた第１の個数の前記溶融部分と、
    前記長辺と平行な方向において前記凸部に対して前記第１の側とは反対の第２の側に設けられ、前記短辺と平行な方向において並んで設けられた第２の個数の前記溶融部分と
    を有し、
    前記第１の個数の前記溶融部分と前記第２の個数の前記溶融部分との各々は、前記短辺方向において前記接続端子の中心よりも特定の同じ方向にずれて設けられる
    請求項１７に記載の半導体装置。
  19. 前記凸部の頂部の下面は、前記凸部以外の前記バスバーにおける平坦部の上面よりも上に位置する
    請求項１７または１８に記載の半導体装置。
  20. 半導体装置の製造方法であって、
    半導体チップに電気的に接続された接続端子をバスバーの開口に貫通させる段階と、
    前記バスバーの上面よりも上に位置する前記接続端子のテーパー部にレーザー光を照射することにより、前記接続端子の上部から前記バスバーの前記上面に渡って、接合部分を含む溶融部分を形成する段階と
    を備える
    半導体装置の製造方法。
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