WO2025154752A1 - パワー半導体モジュール、電力変換装置およびパワー半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

パワー半導体モジュールは、パワー半導体素子（２０）と、パワー半導体素子（２０）を搭載するリードフレーム（１０）または基板（１１）とを備える。パワー半導体素子（２０）、リードフレーム（１０）および基板（１１）の少なくとも１つとそれに接合される被着体とは、金属酸化物を含む金属焼結材（３０）を介して接合される。

Description

パワー半導体モジュール、電力変換装置およびパワー半導体モジュールの製造方法

　本開示は、パワー半導体モジュールの構造および製造方法に関する。

　電力制御用の半導体モジュールは、パワー半導体モジュールと呼ばれ、産業機器から家電・情報端末まで、あらゆる製品に適用されている。パワー半導体モジュールには、高い生産性および信頼性が求められている。

　また、ＳｉＣをはじめとするワイドバンドギャップ半導体で形成された半導体素子は、動作可能温度が高く、効率に優れているため、今後、ワイドバンドギャップ半導体で形成されたパワー半導体素子が主流となる可能性が高い。よって、パワー半導体モジュールには、ワイドバンドギャップ半導体で形成されたパワー半導体素子に適用できるパッケージ形態であることも求められている。

　パワー半導体モジュールは、大電流・高電圧を扱うため発熱が大きい。パワー半導体素子は高温になると熱暴走を起こす懸念があるため、パワー半導体モジュールには、熱伝導に優れた銅やアルミの放熱フィンなどを用いて放熱する構造が一般的に用いられる。また、パワー半導体素子を搭載するセラミック基板の導体層にも、アルミや銅が使われる。特にアルミは軽量で耐腐食性に優れているため、自動車用のパワー半導体モジュールには、アルミフィンやアルミ導体層を備えたセラミック基板が多く用いられる。

　パワー半導体素子の表面電極にも、アルミやアルミ合金がよく用いられる。アルミは一般的なスズ基はんだに濡れにくいため、アルミを含む表面電極には、ニッケルなどでめっきを施すことが多い。しかし、アルミは大気中で緻密な表面酸化膜を生成するため、アルミのめっきは技術的難易度が高い。例えば下記の特許文献１には、アルミ導体層やアルミ電極をそのままで接合する方法として、酸化銀の還元反応を用いた接合方法が提案されている。

　一方、ガラスと金属などを接合する方法としては、従来、陽極接合が用いられてきた。通常の陽極接合を行うためには、両方の被着体の表面を、表面粗さ数ｎｍ程度まで平滑化する必要がある。例えば下記の特許文献２には、片方の被着体に接合材料を塗布して焼成した後に、もう片方の被着体を重ね合わせ、電流を印加しながら加熱して接合する方法が提案されている。この方法の場合、被着体の表面粗さは数百ｎｍ程度でよいとされている。

特開２０２２－０５９２７４号公報 特開２００２－１４５６７６号公報

　特許文献１の接合方法は、アルミに対してある程度の接合強度を得ることができるが、接合時の荷重や加熱温度の条件が厳しく、耐熱性にやや乏しい。

　セラミック基板の導体層は、熱処理による再結晶などによって表面粗さが数百ｎｍ程度よりも大きくなるため、特許文献２の接合方法をセラミック基板の導体層に適用することは難しい。さらに、パワー半導体素子では、低損失化のために薄型化されるのがトレンドとなっており、薄型化されたパワー半導体素子には数百ｎｍ程度の反りが生じるため、特許文献２の接合方法をパワー半導体モジュールに適用することは困難である。

　本開示は以上のような課題を解決するためになされたものであり、パワー半導体素子やそれを搭載するリードフレームまたは基板の反りや表面粗さが大きい場合でも、強度および信頼性の高い接合が得られるパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。

　本開示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するリードフレームまたは基板とを備え、前記パワー半導体素子、前記リードフレームおよび前記基板の少なくとも１つとそれに接合される被着体とが、金属酸化物を含む金属焼結材を介して接合されている。

　本開示によれば、パワー半導体素子やそれを搭載するリードフレームまたは基板の反りや表面粗さが大きい場合でも、強度および信頼性の高い接合が得られる。

図１は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構造を示す概念図である。 図２は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構造を示す概念図である。 図３は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの製造プロセスを示す断面図である。 図４は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの製造プロセスを示す断面図である。 図５は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの製造プロセスを示す断面図である。 図６は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの製造プロセスを示す断面図である。 図７は、実施の形態１の銀焼結材に関する説明図である。 図８は、実施の形態１の銀焼結材に関する説明図である。 図９は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの構造を示す概念図である。 図１０は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの構造を示す概念図である。 図１１は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの構造を示す概念図である。 図１２は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの構造を示す概念図である。 図１３は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの変形例の構造を示す概念図である。 図１４は、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの構造を示す概念図である。 図１５は、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールを製造するプロセスを示す模式図である。 図１６は、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールを製造するプロセスを示す模式図である。 図１７は、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールを製造するプロセスを示す模式図である。 図１８は、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールを製造するプロセスを示す模式図である。 図１９は、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールを製造するプロセスを示す模式図である。 図２０は、実施の形態４に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

　＜実施の形態１＞
　図１および図２は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構造を示す概念図である。図１は、当該スイッチング素子制御装置の断面図、図２は当該スイッチング素子制御装置の上面図を示している。

　実施の形態１に係るパワー半導体モジュールは、リードフレーム１０と、リードフレーム１０に搭載されたパワー半導体素子２０と、それらを封止する封止樹脂７０とを備えている（図２では、封止樹脂７０が輪郭線のみが点線で示されている）。

　本実施の形態では、パワー半導体素子２０は、シリコン製、サイズ１０ｍｍ×８ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるものとする。ただし、パワー半導体素子２０はＩＧＢＴに限られず、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）、ＰＮ接合ダイオードなどでもよい。また、パワー半導体素子２０の材料は、炭化珪素（ＳｉＣ）などのワイドバンドギャップ半導体でもよい。パワー半導体素子２０の材料がワイドバンドギャップ半導体である場合は、シリコンの場合と比較して、高電圧、大電流、高温での動作に優れた特性が得られる。ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素の他、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、ダイヤモンドなどがある。

　パワー半導体素子２０は、上面（おもて面）に、表面電極としてソース電極２０ｓおよびゲート電極２０ｇを備え、下面（裏面）に、裏面電極としてドレイン電極２０ｄを備えている。これらソース電極２０ｓ、ゲート電極２０ｇおよびドレイン電極２０ｄは、アルミまたはアルミ合金製であるものとする。

　リードフレーム１０は、ソース端子１０ｓ、ドレイン端子１０ｄおよびゲート端子１０ｇからなる。パワー半導体素子２０は、ドレイン端子１０ｄに搭載されており、パワー半導体素子２０の下面のドレイン電極２０ｄが、金属焼結材である銀焼結材３０により、リードフレーム１０のドレイン端子１０ｄに接合されている。つまり、本実施の形態では、パワー半導体素子２０に銀焼結材３０を介して接合される被着体は、リードフレーム１０である。これは逆に、リードフレーム１０に銀焼結材３０を介して接合される被着体は、パワー半導体素子２０である、とも言える。銀焼結材３０は金属酸化物を含有することが好ましい。銀焼結材３０に代えて、銅焼結材が用いられてもよい。

　また、パワー半導体素子２０のソース電極２０ｓは、ワイヤ４１を介してソース端子１０ｓに接続され、パワー半導体素子２０のゲート電極２０ｇは、ワイヤ４２を介してゲート端子１０ｇに接続されている。本実施の形態において、リードフレーム１０は、銅製、厚さ０．６ｍｍである。ワイヤ４１は、アルミ合金製、φ（直径）０．３ｍｍである。ワイヤ４２は、アルミ合金製、φ０．１５ｍｍである。

　ただし、リードフレーム１０の素材は銅に限られず、例えば、４２アロイやアルミでもよい。また、ワイヤ４１および４２の素材もアルミ合金に限られず、例えば、純アルミや銅でもよい。ワイヤ４１に代えてリボンが用いられてもよい。

　封止樹脂７０は、これらリードフレーム１０、パワー半導体素子２０、銀焼結材３０、ワイヤ４１およびワイヤ４２を絶縁封止する。ただし、リードフレーム１０のソース端子１０ｓ、ソース端子１０ｓおよびゲート端子１０ｇのそれぞれは、一部が封止樹脂７０から突出している。おり、ソース端子１０ｓ、ソース端子１０ｓおよびゲート端子１０ｇの封止樹脂７０から突出した部分は、外部接続端子として機能する。封止樹脂７０としては、エポキシ樹脂にアルミナフィラーを分散させたものが用いられている。

　実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの製造方法を説明する。まず、図３に示すように、リードフレーム１０に、銀焼結材３０の材料となる金属化合物と有機溶媒とからなる酸化銀ペースト３０ｐをディスペンサを用いて塗布供給し、その上にパワー半導体素子２０を位置決めして載置する。酸化銀ペースト３０ｐは、例えば、粒径２～３μｍの酸化銀粉末を有機溶媒（例えば、エチレングリコールとテルピネオールとの混合液（濃度約１０ｗｔ％））に分散させたものを用いることができる。

　次に、図４に示すように、電流印加加熱プレス装置６０のベースヒーター６０ｂとコレットヒーター６０ｃとで、リードフレーム１０、酸化銀ペースト３０ｐおよびパワー半導体素子２０を挟み、パワー半導体素子２０に荷重を与えることで酸化銀ペースト３０ｐを加圧しつつ、直流電源６０ｅから電流を印加しながら加熱処理を行う。本実施の形態では、パワー半導体素子２０に１ＭＰａの荷重を与え、直流電源６０ｅから１５Ｖ、４Ａの電圧および電流を印加した。加熱処理は、まず１００℃で６００秒加熱し、続いて３００℃で１８００秒加熱し、その後、徐冷するように行われた。その結果、酸化銀ペースト３０ｐが銀焼結材３０となり、パワー半導体素子２０のドレイン電極２０ｄとリードフレーム１０とが銀焼結材３０によって接合される。

　続いて、図５に示すように、ワイヤ４１を用いてパワー半導体素子２０のソース電極２０ｓとリードフレーム１０のソース端子１０ｓとを接続するとともに、ワイヤ４２を用いてパワー半導体素子２０のゲート電極２０ｇとリードフレーム１０のゲート端子１０ｇとを接続することで、所望の回路を形成する。

　最後に、図６に示すように、上側のモールド型７０ｕと下側のモールド型７０ｄとの間に、パワー半導体素子２０を搭載したリードフレーム１０を固定して、封止樹脂７０を注入して加熱硬化させることで、図１および図２に示したパワー半導体モジュールが形成される。

　本実施の形態において、リードフレーム１０とパワー半導体素子２０とを接合する銀焼結材３０は、リードフレーム１０とパワー半導体素子２０との間に接合材料である酸化銀ペースト３０ｐを挟み、加圧および加熱しながらパワー半導体素子２０に電流を印加することによって形成される。後述するように、この方法で形成された銀焼結材３０は、高い接合強度を有するため、パワー半導体素子２０の反りやソース電極２０ｓおよびドレイン電極２０ｄの表面粗さが大きい場合や、パワー半導体素子２０を搭載するリードフレーム１０の反りや表面粗さが大きい場合であっても、密着性を確保して接合強度を高めることができる。よって、信頼性の高い接合を実現でき、パワー半導体モジュールの信頼性が向上する。

　また、本実施の形態のように、接合材料として、粉末状の金属化合物と有機溶媒とからなるペースト（酸化銀ペースト３０ｐ）が用いられることで、パワー半導体素子２０の反りやソース電極２０ｓおよびドレイン電極２０ｄの表面粗さの吸収能力が向上する。また、接合材料に液状成分があることで、接合プロセスにおいて接合材料中に発生する金属イオンの泳動が容易になるという効果も得られる。

　以下、銀焼結材３０の構成およびメカニズムについて説明する。

　銀焼結材３０は、金属前駆体（酸化銀）の分解反応と接合時の通電制御とを組み合わせることにより、難接合材料（例えばアルミなど、はんだ付けの困難な金属）ならびに非金属材料（パワー半導体素子のシリコンや絶縁基板のセラミック）に対して低温・低加圧プロセスを実現する焼結接合技術を用いて接合される。有機溶媒との反応による酸化銀の分解過程では、銀イオンを含む原子スケールの金属が生成されるが、その際に電流印加することにより、難接合材料側（材料表面部）へ生成金属が輸送され、界面接合の高効率化が実現される。

　ここで、焼結材について説明する。前述の金属前駆体（酸化銀）は、単体あるいは還元性有機溶媒と混合することにより、特定の温度で分解する。金属前駆体は、例えば、銀前駆体や銅前駆体である。銀前駆体は、例えば酸化銀を含む銀化合物または有機酸銀塩であり、銅前駆体は、例えば酸化銅を含む銅化合物または有機酸銅塩である。

　接合材料は金属前駆体単体だけでなく、金属粉末との混合体としても使用できる。例えば金属粉末は、銀、銅、ニッケル、錫、亜鉛、金、パラジウム、白金、および、これらの合金からなる群から選択された少なくとも１つを含有することが好ましい。また、金属粉末は、上記金属群のうち、銀または銅を含有することが好ましく、この場合、接合層はより高い導電特性および高い放熱特性を実現できる。金属粉末の形状は球状、フレーク状、毬状または針状であってもよい。この場合、金属粒子の平均粒子径は、０．０２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．０５μｍ以上３０μｍ以下であることが更に好ましい。混合した接合材料は、１質量％以上１００質量％未満の金属前駆体を含有することが好ましく、３０質量％以上１００質量％以下の金属前駆体（金属酸化物など）を含有することがより好ましい。

　次に、有機溶媒について説明する。接合材料は、溶液またはペースト形態であり、有機溶媒を含有する。例えば、有機溶媒として１価アルコールまたは多価アルコールが用いられ、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリンまたはテルピネオールが挙げられる。この場合、接合材料において、金属前駆体は有機溶媒内で充分に分散されており、良好な塗布性を有していることが望ましい。また、有機溶媒には有機酸が含有されていてもよい。有機酸は、例えば、ギ酸、シュウ酸、ステアリン酸、酢酸、クエン酸、ミリスチン酸、安息香酸をはじめとして、ラウリン酸、パルミチン酸、オレイン酸、リノール酸、オレイン酸、アセトンジカルボン酸、フタル酸、グリコール酸銀、またはマロン酸である。

　次に、通電について説明する。図７に示すように、種類の異なる第１の基材９１と第２の基材９２との接合を想定する。第１の基材９１は、金属材料から選択することができ、第２の基材９２は、金属材料（めっき処理を施した難接合性金属および非金属材料を含む）、難接合性金属材料、ならびに非金属材料から選択することができる。第１の基材９１と第２の基材９２との間に前述のペースト状の接合材料９３が挿入される。これら第１の基材９１、第２の基材９２および接合材料９３からなる構造体は、治具９４により固定および加圧される。そして、第１の基材９１側を正極、第２の基材９２側を負極として外部の定電流電源に接続される。定電流電源の接続は、他の材料または導電性治具を介して行われてもよい。図７には、治具９４は定電流電源に接続された導電性治具であり、治具９４の正極側の部材９４ｐと負極側の部材９４ｎとで、第１の基材９１、第２の基材９２および接合材料９３からなる構造体を挟持した例が示されている。接合では、温度１００℃以上、圧力０．１ＭＰａ以上（固定用）、接合時間１０分以上の範囲のもと（これらがより大きい値になるとより強固な継手になる）、接合中において電流を印加する。電流密度は６ｍＡ／ｍｍ^２～１Ａ／ｍｍ^２の範囲から選択することができ、より具体的には、２５ｍＡ／ｍｍ^２～２５０ｍＡ／ｍｍ^２の範囲から選択することが望ましい。

　図８に、ＳｉＣおよびＡｇめっきした金属試験片に対する接合実施例を示す。従来技術の接合方法（通電なし）では、２５０℃において２２．４ＭＰａの強度特性であり、より強固な継手が得られる高温条件である３００℃において４７ＭＰａが得られた。これに対して、本開示の接合方法（通電あり）では、２５０℃において従来技術の約３倍である６９．８ＭＰａの強度特性が得られた。また、本開示の接合方法では、継手強度が低下するとされる２００℃においても５３．２ＭＰａが得られ、従来技術の高温条件（３００℃）において得られる強度を上回る。また、２５０℃における低加圧の条件においても３０．５ＭＰａの強度指標が得られており、本開示の接合方法による効果が認められる。

　なお、加圧・加熱のプロセス中で、電源の正負を逆転させることで、例えば銀イオンの泳動方向を逆転させ、両方の被着体表面に緻密な核の生成を行い、接合強度の改善を図ることも可能である。

　＜実施の形態２＞
　図９および図１０は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの構造を示す概念図である。図９は当該パワー半導体モジュールの断面図である。図１０は当該パワー半導体モジュールの上面図である。

　実施の形態２に係るパワー半導体モジュールは、樹脂絶縁金属基板１１と、樹脂絶縁金属基板１１に搭載されたパワー半導体素子であるダイオード２１およびＩＧＢＴ２２と、それらを収容するケース５０と、ケース５０内に充填された液状封止樹脂７１とを備えている（図１０では、液状封止樹脂７１の図示が省略されている）。

　樹脂絶縁金属基板１１は、アルミベース層１１ｂと、アルミベース層１１ｂの上の放熱絶縁層１１ｉと、放熱絶縁層１１ｉの上のアルミ導体層１１ｃとからなる。本実施の形態では、樹脂絶縁金属基板１１は、サイズ４０ｍｍ×１８ｍｍ、厚さ３．５ｍｍであり、アルミ導体層１１ｃは厚さ０．４ｍｍ、放熱絶縁層１１ｉは厚さ０．１ｍｍ、アルミベース層１１ｂは厚さ３ｍｍである。アルミベース層１１ｂおよびアルミ導体層１１ｃに代えて、銅からなるベース層および導体層が用いられてもよい。

　ダイオード２１は、シリコン製、サイズ８ｍｍ×８ｍｍ、厚さ０．１ｍｍである。また、ダイオード２１は、上面に表面電極としてアルミ合金製のアノード電極２１ａを備え、下面に裏面電極としてアルミ合金製のカソード電極２１ｃを備える。

　ＩＧＢＴ２２は、シリコン製、１０ｍｍ×８ｍｍ、厚さ０．１ｍｍである。また、ＩＧＢＴ２２は、上面に表面電極としてアルミ合金製のソース電極２２ｓおよびゲート電極２２ｇを備え、裏面にドレイン電極２２ｄを備えている。

　ダイオード２１のカソード電極２１ｃおよびＩＧＢＴ２２のドレイン電極２２ｄは、それぞれ銀焼結材３０によって樹脂絶縁金属基板１１のアルミ導体層１１ｃに接合されている。つまり、本実施の形態では、パワー半導体素子であるダイオード２１およびＩＧＢＴ２２に銀焼結材３０を介して接合される被着体は、樹脂絶縁金属基板１１である。これは逆に、樹脂絶縁金属基板１１に銀焼結材３０を介して接合される被着体は、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２である、とも言える。銀焼結材３０に代えて、銅焼結材が用いられてもよい。

　樹脂絶縁金属基板１１の周縁部には、ケース５０が搭載されており、ケース５０には、ソース端子５１ｓと、ドレイン端子５１ｄと、ゲート端子などの信号端子５１ｇとがインサート成型されている。ソース端子５１ｓは、ダイオード２１のアノード電極２１ａおよびＩＧＢＴ２２のソース電極２２ｓと、ワイヤ４１を介して接続されている。ドレイン端子５１ｄは、ワイヤ４１を介してアルミ導体層１１ｃに接続されており、それにより、ドレイン端子５１ｄは、ダイオード２１のカソード電極２１ｃおよびＩＧＢＴ２２のドレイン電極２２ｄと電気的に接続される。また、信号端子５１ｇは、ワイヤ４２を介してＩＧＢＴ２２のゲート電極２２ｇなどに接続されている。

　本実施の形態において、ケース５０は、ＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）樹脂製、サイズ４４ｍｍ×２２ｍｍ×８ｍｍである。ソース端子５１ｓおよびドレイン端子５１ｄは、銅製、厚さ０．６ｍｍである。信号端子５１ｇは、銅製、厚さ０．３ｍｍである。ワイヤ４１は、アルミ合金製、φ０．３ｍｍであり、ワイヤ４２は、アルミ合金製、φ０．１５ｍｍである。液状封止樹脂７１は、エポキシ樹脂にアルミナフィラーを分散させたものである。ソース端子５１ｓ、ドレイン端子５１ｄおよび信号端子５１ｇの材料は、表面にニッケルめっきを施した銅やアルミであってもよい。液状封止樹脂７１のフィラーはシリカでもよい。また、液状封止樹脂７１は、エポキシ樹脂にシリコーン樹脂を混合させたものや、シリコーンゲルでもよい。

　図１１に示すように、ソース端子５１ｓとダイオード２１のアノード電極２１ａおよびＩＧＢＴ２２のソース電極２２ｓとの間を接続する部材として、ワイヤ４１に代え、バスバー５２を用いてもよい。その場合、バスバー５２と、ソース端子５１ｓ、アノード電極２１ａおよびソース電極２２ｓとは、銀焼結材３０（または銅焼結材）によって接合するとよい。つまり、図１１において、パワー半導体素子であるダイオード２１およびＩＧＢＴ２２に銀焼結材３０を介して接合される被着体には、リードフレーム１０に加えてバスバー５２も含まれる。バスバー５２は、例えば、銅製、厚さ０．６ｍｍである。

　また、図１２に示すように、樹脂絶縁金属基板１１に代えて、セラミック基板１２が用いられてもよい。この場合、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２に銀焼結材３０を介して接合される被着体は、セラミック基板１２である。セラミック基板１２は、アルミ導体層１２ｂと、アルミ導体層１２ｂの上のセラミック層１２ｉと、セラミック層１２ｉの上のアルミ導体層１２ｃとからなる。また、セラミック基板１２のアルミ導体層１２ｂに、銀焼結材３０によってフィンベース８０が接合されてもよい。つまり、セラミック基板１２に銀焼結材３０を介して接合される被着体には、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２に加えてフィンベース８０も含まれてよい。フィンベース８０は、ベース部８０ｂと、複数のピンフィン部８０ｐとからなる。

　図１２の例において、セラミック基板１２は、サイズ４０ｍｍ×１８ｍｍ、厚さ２．１ｍｍであり、アルミ導体層１２ｃおよびアルミ導体層１２ｂは厚さ０．８ｍｍ、セラミック層１２ｉはＳｉＮ製、厚さ０．６ｍｍである。また、フィンベース８０は、アルミ製、サイズ５２ｍｍ×２４ｍｍであり、ベース部８０ｂは厚さ３ｍｍ、ピンフィン部８０ｐのそれぞれは直径１．５ｍｍ、高さ６ｍｍである。アルミ導体層１２ｂおよび１２ｃの表面に、ニッケルメッキが施されてもよい。また、アルミ導体層１２ｂおよび１２ｃに代えて、銅からなる導体層が用いられてもよい。

　また、本実施の形態のように、銀焼結材３０を用いることが可能な箇所が複数ある場合、その一部が、はんだ（例えば、スズ９６．５％、銀３％、銅０．５％、融点２１７℃のはんだなど）や、ろう材、導電性接着剤などに置き換えられてもよい。

　図１３は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの変形例の構造を示す断面図である。図１３の構成は、図９の構成に対し、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２と銀焼結材３０との間に、金属板としての銅板３４とはんだ３５とを介在させたものである。

　本変形例に係るパワー半導体モジュールは、樹脂絶縁金属基板１１と、樹脂絶縁金属基板１１に搭載されたパワー半導体素子であるダイオード２１およびＩＧＢＴ２２と、それらを収容するケース５０と、ケース５０内に充填された液状封止樹脂７１とを備えている。

　樹脂絶縁金属基板１１は、アルミベース層１１ｂと、アルミベース層１１ｂの上の放熱絶縁層１１ｉと、放熱絶縁層１１ｉの上のアルミ導体層１１ｃとからなる。本変形例においても、樹脂絶縁金属基板１１は、サイズ４０ｍｍ×１８ｍｍ、厚さ３．５ｍｍであり、アルミ導体層１１ｃは厚さ０．４ｍｍ、放熱絶縁層１１ｉは厚さ０．１ｍｍ、アルミベース層１１ｂは厚さ３ｍｍである。

　ダイオード２１は、シリコン製、サイズ８ｍｍ×８ｍｍ、厚さ０．１ｍｍである。また、ダイオード２１は、上面に表面電極としてアルミ合金製のアノード電極２１ａを備え、下面に裏面電極としてニッケルめっきを施したアルミ合金製のカソード電極２１ｃを備える。

　ＩＧＢＴ２２は、シリコン製、１０ｍｍ×８ｍｍ、厚さ０．１ｍｍである。また、ＩＧＢＴ２２は、上面に表面電極としてアルミ合金製のソース電極２２ｓおよびゲート電極２２ｇを備え、裏面にニッケルめっきを施したドレイン電極２２ｄを備えている。

　ダイオード２１のカソード電極２１ｃおよびＩＧＢＴ２２のドレイン電極２２ｄは、それぞれはんだ３５によって銅板３４（厚さ０．３ｍｍ）と接合されている。銅板３４は、銀焼結材３０によって樹脂絶縁金属基板１１のアルミ導体層１１ｃに接合されている。つまり、本変形例では、樹脂絶縁金属基板１１に銀焼結材３０を介して接合される被着体は、銅板３４である。

　本変形例では、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２が、樹脂絶縁金属基板１１上に配置された銅板３４に搭載される構成となるため、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２の実装を、はんだ３５を用いて行うことができる。具体的には、パワー半導体モジュールの製造は、樹脂絶縁金属基板１１と銅板３４との間に酸化銀ペーストを挟み、酸化銀ペーストを焼結させることで樹脂絶縁金属基板１１と銅板３４とを接合させる工程と、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２と銅板３４とをはんだ３５により接合する工程とを含む。

　はんだ３５は、銀焼結材３０と比較して柔軟な材料であるため、はんだ３５が用いられることで、実施の形態２（図９）と比較して、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２と樹脂絶縁金属基板１１との熱膨張率の差に起因する応力を緩和することができ、パワー半導体モジュールの信頼性向上に寄与できる。

　なお、本変形例は、実施の形態１にも適用可能である。すなわち、図１のパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体素子２０と銀焼結材３０との間に、金属板としての銅板３４とはんだ３５とを介在させ、パワー半導体素子２０が、リードフレーム１０上に配置された銅板３４に搭載される構成としてもよい。

　＜実施の形態３＞
　図１４は、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの構造を示す概念図であり、当該パワー半導体モジュールの断面を示している。

　図１４のパワー半導体モジュールの回路構成は、図１のパワー半導体モジュールと同様である。ただし、ソース端子１０ｓとパワー半導体素子２０のソース電極２０ｓとの間の接続は、ワイヤ４１に代えて、バスバー５２が用いられている。また、金属焼結材である銀焼結材３０は、パワー半導体素子２０のソース電極２０ｓおよびドレイン電極２０ｄの表面を被覆するように設けられる。そして、銀焼結材３０で被覆されたパワー半導体素子２０の表面電極または裏面電極とその被着体との間は、はんだ３１によって接合されている。具体的には、銀焼結材３０で被覆されたドレイン電極２０ｄとドレイン端子１０ｄとの間、銀焼結材３０で被覆されたソース電極２０ｓとバスバー５２との間、ならびに、バスバー５２とソース端子１０ｓとの間は、それぞれはんだ３１によって接合されている。はんだ３１としては、例えば、スズ９６．５％、銀３％、銅０．５％、融点２１７℃のはんだが用いられる。

　その他の構成は、図１のパワー半導体モジュールと同様であるため、ここでの説明は省略する。

　実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの製造方法を説明する。まず、図１５に示すように、電流印加加熱プレス装置６０のベースヒーター６０ｂおよびコレットヒーター６０ｃのそれぞれに、導電性シリコーンゴム６０ｆを貼り付けておき、ベースヒーター６０ｂとパワー半導体素子２０のソース電極２０ｓ上に、銀焼結材３０の材料である酸化銀ペースト３０ｐを塗布する。

　次に、図１６に示すように、パワー半導体素子２０に荷重および加熱を与えつつ、直流電源６０ｅにて電流を印加しながら加熱処理を行う。本実施の形態では、パワー半導体素子２０に１ＭＰａの荷重を与え、直流電源６０ｅから１５Ｖ、４Ａの電圧および電流を印加した。加熱処理は、まず１００℃で６００秒加熱し、続いて３００℃で１８００秒加熱し、その後、徐冷するように行われた。その結果、酸化銀ペースト３０ｐが銀焼結材３０となり、図１７のように、パワー半導体素子２０のソース電極２０ｓおよびドレイン電極２０ｄが、銀焼結材３０によって被覆される。

　次に、図１８に示すように、ワイヤ４２を用いてパワー半導体素子２０のゲート電極２０ｇとリードフレーム１０のゲート端子１０ｇとを接続する。また、銀焼結材３０で被覆されたドレイン電極２０ｄとドレイン端子１０ｄとの間、銀焼結材３０で被覆されたソース電極２０ｓとバスバー５２との間、ならびに、バスバー５２とソース端子１０ｓとの間のそれぞれを、はんだ３１を用いて接合する。

　最後に、実施の形態１と同様に、上側のモールド型７０ｕと下側のモールド型７０ｄとの間に、パワー半導体素子２０を搭載したリードフレーム１０を固定して、封止樹脂７０を注入して加熱硬化させる。それにより、図１９のように、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールが形成される。

　本実施の形態においては、ソース電極２０ｓおよびドレイン電極２０ｄが銀焼結材３０で被覆されており、パワー半導体素子２０の反りやソース電極２０ｓおよびドレイン電極２０ｄの表面粗さは銀焼結材３０により吸収される。また、銀焼結材３０は、ソース電極２０ｓおよびドレイン電極２０ｄとの高い密着性を有する。よって、パワー半導体素子２０の反りやソース電極２０ｓおよびドレイン電極２０ｄの表面粗さが大きい場合や、それを搭載するセラミック基板１２の反りや表面粗さが大きい場合でも、はんだ３１において信頼性の高い接合が得られる。

　＜実施の形態４＞
　本実施の形態は、上述した実施の形態１から３のいずれかに係るパワー半導体モジュールを電力変換装置に適用したものである。実施の形態１から３に係るパワー半導体モジュールの適用は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに実施の形態１から３に係るパワー半導体モジュールを適用した場合について説明する。

　図２０は、本実施の形態に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

　図２０に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。

　電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図２０に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。

　負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。

　以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子および各還流ダイオードのすくなくともいずれかを、上述した実施の形態１から３のいずれかに相当する半導体モジュール２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。

　また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。

　制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。

　本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１から３に係る半導体モジュールを適用するため、信頼性の向上を実現することができる。

　本実施の形態では、２レベルの三相インバータに実施の形態１から３に係るパワー半導体モジュールを適用する例を説明したが、実施の形態１から３に係るパワー半導体モジュールの適用は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに実施の形態１から３のいずれかに係るパワー半導体モジュールを適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに実施の形態１から３に係るパワー半導体モジュールを適用することも可能である。

　また、実施の形態１から３のいずれかに係るパワー半導体モジュールを適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、または誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。

　なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

　＜付記＞
　以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

　（付記１）
　パワー半導体素子と、
　前記パワー半導体素子を搭載するリードフレームまたは基板とを備え、
　前記パワー半導体素子、前記リードフレームおよび前記基板の少なくとも１つとそれに接合される被着体とが、金属酸化物を含む金属焼結材を介して接合されている、
パワー半導体モジュール。

　（付記２）
　前記金属焼結材は、銀焼結材または銅焼結材である、
付記１に記載のパワー半導体モジュール。

　（付記３）
　前記金属焼結材は、前記パワー半導体素子の表面電極または裏面電極と前記被着体とを接合する、
付記１または付記２に記載のパワー半導体モジュール。

　（付記４）
　前記金属焼結材は、前記パワー半導体素子の表面電極または裏面電極を被覆するように設けられており、
　前記金属焼結材で被覆された前記表面電極または前記裏面電極と前記被着体とは、はんだによって接合されている、
付記１または付記２に記載のパワー半導体モジュール。

　（付記５）
　付記１から付記４のいずれか一つに記載のパワー半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
　前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。

　（付記６）
　パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を搭載するリードフレームまたは基板とを備えるパワー半導体モジュールの製造方法であって、
　前記パワー半導体素子、前記リードフレームおよび前記基板の少なくとも１つとそれに接合される被着体との間に、金属化合物と有機溶媒とを含む接合材料を挟んで加圧する工程と、
　前記接合材料に電流を印加する工程と、
　前記接合材料を加圧して電流を印加した状態で、加熱処理を行って前記接合材料を焼結させることで、前記パワー半導体素子、前記リードフレームおよび前記基板の少なくとも１つと前記被着体とを接合させる工程と、
を備えるパワー半導体モジュールの製造方法。

　（付記７）
　パワー半導体素子の表面電極および裏面電極の少なくとも片方と治具との間に金属化合物と有機溶媒とを含む接合材料を挟んで加圧する工程と、
　前記接合材料に電流を印加する工程と、
　前記接合材料を加圧して電流を印加した状態で、加熱処理を行って前記接合材料を焼結させることで、前記表面電極および前記裏面電極の少なくとも片方を金属焼結材で被覆する工程と、
　前記金属焼結材で被覆された前記表面電極および前記裏面電極の少なくとも片方と被着体とを、はんだにより接合する工程と、
を備えるパワー半導体モジュールの製造方法。

　（付記８）
　前記接合材料は、粉末状の前記金属化合物と前記有機溶媒とからなるペーストである、
付記６または付記７に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。

　（付記９）
　前記金属化合物は、銀化合物または銅化合物を含む、
付記６から付記８のいずれか一つに記載のパワー半導体モジュールの製造方法。

　（付記１０）
　前記有機溶媒は、１価または多価アルコールを含む、
付記６から付記９のいずれか一つに記載のパワー半導体モジュールの製造方法。

　１０　リードフレーム、１０ｓ　ソース端子、１０ｇ　ゲート端子、１０ｄ　ドレイン端子、１１　樹脂絶縁金属基板、１１ｃ　アルミ導体層、１１ｉ　放熱絶縁層、１１ｂ　アルミベース層、１２　セラミック基板、１２ｃ　アルミ導体層、１２ｉ　セラミック層、１２ｂ　アルミ導体層、２０　パワー半導体素子、２０ｓ　ソース電極、２０ｇ　ゲート電極、２０ｄ　ドレイン電極、２１　ダイオード、２１ａ　アノード電極、２１ｃ　カソード電極、２２　ＩＧＢＴ、２２ｓ　ソース電極、２２ｇ　ゲート電極、２２ｄ　ドレイン電極、３０　銀焼結材、３０ｐ　酸化銀ペースト、３１，３５　はんだ、３４　銅板、４１，４２　ワイヤ、５０　ケース、５１ｓ　ソース端子、５１ｄ　ドレイン端子、５１ｇ　信号端子、５２　バスバー、６０　電流印加加熱プレス装置、６０ｂ　ベースヒーター、６０ｃ　コレットヒーター、６０ｅ　直流電源、７０　封止樹脂、７０ｕ，７０ｄ　モールド型、７１　液状封止樹脂、８０　フィンベース、８０ｂ　ベース部、８０ｐ　ピンフィン部、９１　第１の基材、９２　第２の基材、９３　接合材料、９４　治具、９４ｐ　治具の正極側の部材、９４ｎ　治具の負極側の部材、１００　電源、２００　電力変換装置、２０１　主変換回路、２０２　半導体モジュール、２０３　制御回路、３００　負荷。

Claims (11)

1. 　パワー半導体素子と、
   　前記パワー半導体素子を搭載するリードフレームまたは基板とを備え、
   　前記パワー半導体素子、前記リードフレームおよび前記基板の少なくとも１つとそれに接合される被着体とが、金属酸化物を含む金属焼結材を介して接合されている、
   パワー半導体モジュール。
2. 　前記金属焼結材は、銀焼結材または銅焼結材である、
   請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
3. 　前記金属焼結材は、前記パワー半導体素子の表面電極または裏面電極と前記被着体とを接合する、
   請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
4. 　前記金属焼結材は、前記パワー半導体素子の表面電極または裏面電極を被覆するように設けられており、
   　前記金属焼結材で被覆された前記表面電極または前記裏面電極と前記被着体とは、はんだによって接合されている、
   請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
5. 　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
   　前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
   を備えた電力変換装置。
6. 　パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を搭載するリードフレームまたは基板とを備えるパワー半導体モジュールの製造方法であって、
   　前記パワー半導体素子、前記リードフレームおよび前記基板の少なくとも１つとそれに接合される被着体との間に、金属化合物と有機溶媒とを含む接合材料を挟んで加圧する工程と、
   　前記接合材料に電流を印加する工程と、
   　前記接合材料を加圧して電流を印加した状態で、加熱処理を行って前記接合材料を焼結させることで、前記パワー半導体素子、前記リードフレームおよび前記基板の少なくとも１つと前記被着体とを接合させる工程と、
   を備えるパワー半導体モジュールの製造方法。
7. 　パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を搭載する金属板と、前記金属板を搭載するリードフレームまたは基板とを備えるパワー半導体モジュールの製造方法であって、
   　前記リードフレームまたは前記基板とそれに接合される被着体としての前記金属板との間に、金属化合物と有機溶媒とを含む接合材料を挟んで加圧する工程と、
   　前記接合材料に電流を印加する工程と、
   　前記接合材料を加圧して電流を印加した状態で、加熱処理を行って前記接合材料を焼結させることで、前記リードフレームまたは前記基板と前記金属板とを接合させる工程と、
   　前記パワー半導体素子と前記金属板とをはんだにより接合する工程と、
   を備えるパワー半導体モジュールの製造方法。
8. 　パワー半導体素子の表面電極および裏面電極の少なくとも片方と治具との間に金属化合物と有機溶媒とを含む接合材料を挟んで加圧する工程と、
   　前記接合材料に電流を印加する工程と、
   　前記接合材料を加圧して電流を印加した状態で、加熱処理を行って前記接合材料を焼結させることで、前記表面電極および前記裏面電極の少なくとも片方を金属焼結材で被覆する工程と、
   　前記金属焼結材で被覆された前記表面電極および前記裏面電極の少なくとも片方と被着体とを、はんだにより接合する工程と、
   を備えるパワー半導体モジュールの製造方法。
9. 　前記接合材料は、粉末状の前記金属化合物と前記有機溶媒とからなるペーストである、
   請求項６から請求項８のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
10. 　前記金属化合物は、銀化合物または銅化合物を含む、
    請求項６から請求項９のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
11. 　前記有機溶媒は、１価または多価アルコールを含む、
    請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。