JP6538513B2 - 半導体パワーモジュールおよび移動体 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁基板に半導体素子とリードが接続された半導体パワーモジュールおよび移動体に関し、特に、超音波接続を用いてリードが接続された半導体パワーモジュールおよび移動体に関する。

半導体パワーモジュールは、セラミックなどからなる絶縁基板に銅やアルミなどからなる配線パターンが形成され、複数個の半導体素子が搭載された絶縁基板をモジュール内に収納する構造となっている。このような半導体パワーモジュールにおいては、各半導体素子の電極と配線パターンや、配線パターン間、配線パターンとリードなどの接続にワイヤボンディングが用いられており、大電流を流すため複数本のワイヤを並列にボンディングする方法を用いている。

近年、半導体パワーモジュールの小型化の要求から接続占有面積をワイヤボンディング時の面積より小さく出来る板状のリードを用いる方法が考案されている。板状のリードの接続方法としては、はんだや超音波接続を用いる方法がある。

超音波接続とは、２つの金属を超音波ツールにより振幅と荷重を一定時間与えて擦り合わせることにより金属表面にある酸化膜を除去し、新生面同士を固相拡散で接続させる方法である。絶縁基板や配線パターンの厚さや材質で異なってくるが、適正な荷重と振幅および時間に設定しないと絶縁基板や配線パターンを損傷することがある。

配線パターンの損傷防止と、接続マージンの拡大を図り、板状のリードと絶縁基板上の配線パターンとを超音波接続技術を用いて接続する技術として、特開２０１１−６１１０５号公報（特許文献１）がある。この公報には、絶縁基板上に配置された配線パターンにコーティング層が形成された構造が記載されている。さらに、この公報には、「金属ベース及び絶縁膜上のパッド上に、パッド及びリード端子よりも硬いコーティング層を形成する。超音波接続時には、超音波ツールにより、超音波を印加することによってコーティング層は破壊され、コーティング層の両側にあるリード端子とパッドとが塑性流動により直接接続される（要約参照）」が開示されている。このコーティング層は、リードや配線パターンより硬い材質で形成され、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｖ、Ｗなどが適当と記載されている。また、配線パターンを破壊するのはリードの端部であることから、リードの端部とその周辺部にコーティング層を設け、接合の阻害要因にならないように薄くする必要があると記載されている。

特開２０１１−６１１０５号公報

図１２および図１３は、本願発明者が検討した構造を示すものであり、図１２（ａ）は、セラミックの絶縁基板２上にある配線パターン３とリード５とを超音波接続により接続し、絶縁基板２に損傷があった場合の結果（接続状態）の模式図である。調査方法としては、リード５と配線パターン３を王水でエッチングすることにより除去し、絶縁基板上に残るＴｉ膜（厚さ1μｍ以下）の損傷の有無を確認することで判断した。その結果、リードの折り曲げ加工されているコーナ部（屈曲部）と接合する箇所の下部に損傷部Ｓが見られた。

すなわち、本願発明者の検討によって、リード５と配線パターン３の超音波接続時に、リード５の屈曲部５ｄの下部の絶縁基板２に損傷Ｓが形成されることが見い出された。ここで、リード５の超音波接続時にリード５の屈曲部５ｄの下部に損傷Ｓが形成される理由について説明する。

それぞれのリード５を打ち抜き金型で曲げ成形した際に、リード５の場合、図１３（ｂ）に示すように、板材（リード５）４２の断面形状において、アスペクト比が小さいため、全体的に扇状に変形し、Ｋ部に示すように、中央部が出っ張った（突出した）形状となる。

これにより、図１２（ａ）に示すように、リード５への超音波印加時にリード５の屈曲部５ｄの下部にリード５の中央部からの圧力が付与され、その結果、損傷Ｓが形成される。

なお、絶縁基板の損傷を防止する効果が大きい方法として、２つ考えられる。１つは、接続条件の荷重や振幅を小さく、もしくは接続時間を短くすることにより接続状態を弱くし、絶縁基板へのダメージを低減する方法である。しかし、この方法では接続強度が低下し長期信頼性が悪化することが予想され、また接続面積が小さくなってしまい流せる電流値に制限がかかり大容量化が図れない。もう１つの方法は、特許文献１に記載された方法で、配線パターンにリードと配線パターンより硬い材質のコーティング層を薄くリード端部と接合される箇所に設ける方法である。しかし、この方法では金属ベース上に絶縁膜と配線パターンという構造でリード先端部直下の配線パターンの損傷抑止には有効であるが、高耐圧パワーモジュールに用いられるセラミック基板と配線パターンという構造、かつリードの折り曲げ加工されたコーナ部直下のセラミック基板の損傷には効果が得られない。

本発明の目的は、半導体パワーモジュールおよび移動体において、絶縁基板上の配線パターンとリードとを超音波接続で接続する際の接続条件のマージンを広くして絶縁基板の損傷を抑止することができる技術を提供することにある。

本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

本発明に係る半導体パワーモジュールは、配線パターンが形成された絶縁基板と、上記絶縁基板に接続部材を介して搭載された半導体素子と、上記配線パターンと接続する被接続部を備え、上記被接続部の延在方向における一方が端部であり、かつ他方が屈曲部であるリード部と、を有している。さらに、上記被接続部と上記配線パターンとは、超音波接続によって接続され、上記被接続部は、上記端部側に位置する第１領域と、上記屈曲部側に位置する第２領域とを含み、上記第１領域は、上記配線パターンと接続し、上記第２領域は、Ｎｉ層またはＮｉ合金層からなる金属層を介して上記配線パターンと接続している。

また、本発明に係る移動体は、半導体パワーモジュールを有するものであり、上記半導体パワーモジュールは、配線パターンが形成された絶縁基板と、上記絶縁基板に接続部材を介して搭載された半導体素子と、上記配線パターンと接続する被接続部を備え、上記被接続部の延在方向における一方が端部であり、かつ他方が屈曲部であるリード部と、を有している。さらに、上記被接続部と上記配線パターンとは、超音波接続によって接続され、上記被接続部は、上記端部側に位置する第１領域と、上記屈曲部側に位置する第２領域とを含み、上記第１領域は、上記配線パターンと接続し、上記第２領域は、Ｎｉ層またはＮｉ合金層からなる金属層を介して上記配線パターンと接続している。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

半導体パワーモジュールおよび移動体において、絶縁基板上の配線パターンと、屈曲部を有するリードとを超音波接続する際にダメージを緩和することができその直下の絶縁基板の損傷を抑止することができる。また、リードの先端側は配線パターンと直接接続するため容易に接続することができ、接続条件のマージンを確保し易くすることができる。

本発明の実施の形態の半導体パワーモジュールの構造の一例を示す斜視図である。 図１に示す半導体パワーモジュールの蓋を取り除いた構造の一例を示す斜視図である。 図１に示す半導体パワーモジュールの展開図である。 図１に示す半導体パワーモジュールの蓋とリードを取り除いた構造の一例を示す平面図である。 図１に示す半導体パワーモジュールの蓋を取り除いた構造の一例を示す平面図である。 図５に示すＡ−Ａ線に沿って切断した構造の一例を示す断面図である。 図１に示す半導体パワーモジュールのリード接続部を示す拡大部分断面図である。 図７においてリードを取り除いた構造の一例を示す平面図である。 図１に示す半導体パワーモジュールのリード接続部におけるリードと配線パターンの接続構造の一例を示す拡大部分断面図である。 図９に示すＡ部の構造を示す拡大部分断面図である。 図９に示すＢ部の構造を示す拡大部分断面図である。 （ａ），（ｂ）は本願発明者が比較検討を行った比較例の半導体パワーモジュールにおけるリード接続構造を示す部分断面図および断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は図１２に示す比較例のリードの屈曲部に発生する応力を示す概念図および断面図である。 変形例１の半導体パワーモジュールのリード接続部を示す拡大部分断面図である。 図１４においてリードを取り除いた構造の一例を示す平面図である。 変形例２のリードの接続前の構造を示す断面図である。 変形例２のリードの接続後の構造を示す断面図である。 図１に示す半導体パワーモジュールの搭載例（変形例３、鉄道車両）を示す模式図である。 図１８に示す搭載例を示す平面図である。 図１に示す半導体パワーモジュールの搭載例（変形例４、自動車）を示す模式図である。 図２０に示す搭載例を示す平面図である。

以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。

また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、以下の実施の形態において、構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲等についても同様である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

まず、本実施の形態の半導体パワーモジュールの共通する基本構造について説明する。

図１は本発明の実施の形態の半導体パワーモジュールの構造の一例を示す斜視図、図２は図１に示す半導体パワーモジュールの蓋を取り除いた構造の一例を示す斜視図、図３は図１に示す半導体パワーモジュールの展開図である。また、図４は図１に示す半導体パワーモジュールの蓋とリードを取り除いた構造の一例を示す平面図、図５は図１に示す半導体パワーモジュールの蓋を取り除いた構造の一例を示す平面図、図６は図５に示すＡ−Ａ線に沿って切断した構造の一例を示す断面図である。

図１および図２に示す本実施の形態の半導体パワーモジュール１５は、例えば、鉄道車両や自動車のインバータ等に搭載される高耐圧対応のパワーモジュールである。この場合、大電流が流されるため、半導体素子（半導体チップ）４からの発熱量も多い半導体モジュールである。

まず、半導体パワーモジュール１５の全体構成について説明すると、図１に示すように、ベース板１と、ベース板１の外周部に沿って取り付けられた側壁であるケース７と、ケース７の開口部分を塞ぐ蓋１２と、蓋１２の外側に露出した外部端子１３ａ，１３ｂ，１３ｃとを有している。３つの外部端子１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、ケース７の長手方向の両側の端部付近に２つと１つに分散して配置されている。

次に、図２〜図６を用いて半導体パワーモジュール１５の内部構造について説明すると、配線パターン３が形成された絶縁基板２と、絶縁基板２に接続部材（はんだ）１６（図６参照）を介して搭載された半導体素子４と、半導体素子４の上方を覆いお互いに絶縁された状態で積層された複数の板状部１０と、を有している。

さらに、複数の板状部１０のそれぞれには、図３に示すように、絶縁基板２に向けて延びる接続用のリード（リード部）５が形成されている。

そして、接続用のリード５は複数本設けられ、これらのリード５は、図４に示す絶縁基板２の配線パターン３のＲ部に電気的に接続されている。

また、図６に示すように、ベース板１上には、はんだ等の接続部材１６を介して絶縁基板２が搭載され、さらに、絶縁基板２の表裏面には配線パターン３が形成されている。また、配線パターン３上には、板状部１０から延びる接続用のリード５が配置されており、配線パターン３と電気的に接続されている。なお、リード５と配線パターン３の接続は、超音波接続によって行われる。

また、ベース板１とケース７は、ねじや接着剤等で固定されている。ケース７や外部端子１３ａ，１３ｂ，１３ｃには、外部機器（図示せず）と接続する際に使用するねじ穴８が設けられており、さらに、図２に示すケース７の長手方向の一方の辺の内壁には、複数の制御リード９が設けられている。また、複数の制御リード９のそれぞれは、Ｌ字形に形成されており、ケース７の内壁に一部が露出するように埋設されて固定されている。

そして、これらの制御リード９の一部は、図４および図５に示すように、それぞれ金属細線であるワイヤ６を介して配線パターン３と電気的に接続されている。ワイヤ６は、例えば、アルミニウム、銅もしくは金等から成る。

また、半導体パワーモジュール１５では、図３の展開図（説明を分かり易くするためにケース７と蓋１２とワイヤ６は省略している）に示すように、３枚の板状部１０ａ，１０ｂ，１０ｃが積層されており、それぞれの板状部１０が、お互いに絶縁された状態となるように積層されている。ここでは、積層される板状部１０間に、薄板状の絶縁部材１４が介在されており、これにより、板状部１０同士での絶縁が行われている。また、それぞれの板状部１０には、板状部自体と交差する方向に折れ曲がって形成された複数のリード５が形成されている。

なお、上述のように、積層された３枚の板状部１０は、その厚さ方向に対して隣り合う板状部間が絶縁された状態となっている。すなわち、図３に示すように、各板状部間に板状の絶縁部材１４が介在されており、これによって、各板状部１０が、耐圧を確保するために一定以上の距離となるように（一定の距離を離して）配置されている。

また、本実施の形態の半導体パワーモジュール１５では、図４に示す構造において、一例として、大きい方の半導体素子４が、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のＳｉ製半導体素子であり、一方、小さい方の半導体素子４が、例えばダイオード等のＳｉ製半導体素子である。

また、図４および図５に示すように、半導体素子間、半導体素子４と配線パターン３、配線パターン３と制御リード９の一部は、それぞれワイヤ６によって電気的に接続されている。

また、図６に示すように、絶縁基板２は、その下側（裏面側）の配線パターン３が、接続部材（はんだ）１６を介してベース板１と接続することでベース板１に固定されている。

また、ケース７内の隙間には、ゲル状の封止樹脂（図示せず）が充填され、板状部間等の耐圧が確保されている。そして、図１に示す蓋（例えば、プラスチック製）１２によってケース７の内部が閉じられた状態で使用される。

次に、半導体パワーモジュール１５の内部構造の詳細について説明する。図７は図１に示す半導体パワーモジュールのリード接続部を示す拡大部分断面図、図８は図７においてリードを取り除いた構造の一例を示す平面図、図９は図１に示す半導体パワーモジュールのリード接続部におけるリードと配線パターンの接合構造の一例を示す拡大部分断面図である。また、図１０は図９に示すＡ部の構造を示す拡大部分断面図、図１１は図９に示すＢ部の構造を示す拡大部分断面図である。

上述のように、図７に示すリード接続部において、ベース板１の上には、はんだなどの接続部材１６を介して絶縁基板２が搭載され、絶縁基板２の表裏面には配線パターン３が形成されている。配線パターン３上には、図６に示すように接続部材１６を介して半導体素子（半導体チップ）４が搭載されている。さらに、配線パターン３には外部との接続に使用されるリード（リード部）５も接続されている。リード５は、図７および図８に示すように、配線パターン３と接続する被接続部５ａを備えており、この被接続部５ａは、その延在方向Ｑにおいて、一方が端部（終端部）５ｅであり、さらに他方が屈曲部５ｄとなっている。ここで、屈曲部５ｄとは、リード５の折れ曲がった部分であり、折り曲げ部分の一方の端から反対側の端までの部分である。したがって、屈曲部５ｄは、折れ曲がりの幅を有する領域である。

なお、上述のように、半導体パワーモジュール１５では、配線パターン３とリード５の被接続部５ａとは、超音波接続により接続されている。また、ベース板１上の外周部にはケース７が接合部材（図示せず）を介して搭載され、ケース７には一部埋没した形で制御リード９が設けられている。そして、図１に示すように、ケース７の上面に配置される蓋１２によりパワーモジュール内部が保護されている。さらに、ケース７の内側には図示していないが、ゲルが注入され、絶縁耐圧が保たれる構造になっている。そして、制御リード９、配線パターン３、半導体素子４間は、金属細線であるワイヤ６により電気的に接続されている。

なお、ベース板１の材質は、放熱性の観点から主に熱伝導性の良いアルミニウムやアルミニウム合金、銅や銅合金、ＡｌＳｉＣなどであり、これらの材料によって形成され、さらに、裏面から水冷や空冷により冷却される。また、接続部材１６の材質は、はんだや焼結銀や焼結銅などである。絶縁基板２の材質は、主にアルミナやＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＳｉＮ（窒化シリコン）などであり、配線パターン３の材質は主にＣｕ（銅）、Ｃｕ（銅）合金やアルミニウムなどである。

また、絶縁基板２と配線パターン３の接続は、材質の組み合わせにより異なるが、主に直接接続あるいはろう材による方法が用いられる。高耐圧の場合は、絶縁基板２の厚さは例えば、０．２〜０．６ｍｍ、配線パターン３の厚さは、０．１〜０．６ｍｍである。

また、半導体素子４の材質は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどである。さらに、ケース７、蓋１２の材質は、形状の複雑さから樹脂であることが多い。制御リード９の材質は、細く強度が必要なため鉄や銅の合金である。リード５の材質は、大電流を流すので放熱性が良く、電気電導率が大きいＣｕ（銅）、Ｃｕ（銅）合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅とアルミニウムのクラッド材などである。

各部材の材質は、用途、放熱性、電気特性、コスト、長期信頼性などの観点から決定するものであり、上述のものに限定されるものではない。

次に、本実施の形態の半導体パワーモジュール１５の特徴部分について図面を用いて説明する。

図７に示すように、ベース板１には接続部材１６を介して絶縁基板２が搭載され、絶縁基板２の表裏面には配線パターン３が設けられている。配線パターン３上の一部にはＮｉ層１１（金属層）が設けられており、またリード５が超音波接続により配線パターン３に接続されている。図７および図８に示すように、配線パターン３とリード５との被接続部（接続面）５ａでは、リード５の端部５ｅ側（先端側）は直接配線パターン３と接続しており、一方、リード５の折り曲げ加工が施された屈曲部５ｄ側（コーナ側）はＮｉ層１１を介して接続されている。

詳細には、半導体パワーモジュール１５は、図７に示すように、配線パターン３と接続する被接続部５ａを備えた複数のリード５を備えている。複数のリード５が有する被接続部５ａのそれぞれは、被接続部５ａの先端側の端部（終端部）５ｅと、その反対側に位置する屈曲部５ｄとを有している。なお、リード５の屈曲部５ｄは、リード５が絶縁基板２の配線パターン３と接続可能なように、リード５を半導体パワーモジュール１５の略垂直方向から略水平方向に折り曲げた部分である。そして、半導体パワーモジュール１５における各リード５のそれぞれは、打ち抜き成形によって形成されたものである。

さらに、それぞれの被接続部５ａは、リード５において、絶縁基板２の配線パターン３と電気的に接続される部分であるが、各被接続部５ａは、端部５ｅ側に位置する第１領域５ｂと、屈曲部５ｄ側に位置する第２領域５ｃとを有している。そして、被接続部５ａにおける第１領域５ｂは、配線パターン３と直接接続しており、一方、第２領域５ｃは、Ｎｉ層１１を介して配線パターン３と接続している。つまり、第１領域５ｂは、配線パターン３と合金層等を介在せずに直接接続されている。

これにより、本実施の形態の半導体パワーモジュール１５では、リード５の被接続部５ａの屈曲部５ｄ側に位置する第２領域５ｃは、配線パターン３との間にＮｉ層１１が介在されているため、リード接続を行う際の超音波印加時に屈曲部５ｄの下方の絶縁基板２に圧力が付与されることを緩和することができる。すなわち、Ｎｉ層１１がバリア層となり、絶縁基板２にかかる圧力を緩和させることができる。その結果、絶縁基板２に損傷部Ｓ（後述する図１２参照）が形成されることを低減することができる。

一方、リード５の被接続部５ａの先端部側である端部５ｅ側の第１領域５ｂは、直接配線パターン３と接続しており、リード５と絶縁基板２との電気的な接続を確保している。そして、図８に示すように、被接続部５ａにおける第１領域５ｂと第２領域５ｃの境界は、リード５の被接続部５ａにおける延在方向Ｑの略半分の箇所である。すなわち、第１領域５ｂと第２領域５ｃの平面視での大きさは、略等しい。なお、第１領域５ｂと第２領域５ｃとでは、どちらか一方が、それぞれの機能を損なわない程度に僅かに大きくてもよい。

また、Ｎｉ層１１は、Ｎｉ合金層（金属層）であってもよい。

ここで、図１２および図１３を用いてリード５の屈曲部５ｄの下部の絶縁基板２に損傷部Ｓが形成される理由について詳しく説明する。図１２（ａ），（ｂ）は本願発明者が比較検討を行った比較例の半導体パワーモジュールにおけるリード接続構造を示す部分断面図および断面図、図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）は図１２に示す比較例のリードの屈曲部に発生する応力を示す概念図および断面図である。

図１２（ｂ）に示すように、端子４０の製造方法には、エッチング、金型による打ち抜き、ワイヤカットなどがあるが、量産では、低コストにする必要があるため、一般的に打ち抜きで製造することが多い。図１２（ｂ）は、打ち抜きによって製造された端子４０の断面を示している。端子４０において、最初に切断される面（Ｈ部）にはダレ部Ｉ，Ｊが形成され、最後に切断される面（Ｇ部）には、その端部に尖ったエッジ部４１が形成される。

したがって、端子４０の接続部を良好な接続にするには、ダレ部側の面（Ｈ部）を接続面とすることにより、端子４０がスムーズに移動することができ、接続を安定させることができる。

しかしながら、図１２（ａ）に示すように、リード５の被接続部５ａにおける屈曲部５ｄの下方の絶縁基板２には、リード接続を行う際の超音波印加時に圧力が付与される。この現象を図１３を用いて詳しく説明する。打ち抜き金型を用いたリードの曲げ成形を、図１３（ａ）に示す板材４２の曲げに置き換えて説明する。図１３（ａ）に示すように板材４２を曲げると、長手方向４３の上側には圧縮４５の力が加わり、下側には引っ張り４６の力が加わる。幅方向４４の上側には引っ張り４６の力が加わり、下側には圧縮４５の力が加わる。そして、厚さ方向の１／２の面には歪みの中立面４７が発生する。

このように力が加わって曲げられた板材４２の断面において、図１３（ｂ）に示すように、板材４２の断面形状のアスペクト比が小さい場合は、全体的に扇状に変形し、その中央部付近（Ｋ部）が出っ張る（突出する）。

一方、図１３（ｃ）に示すように、板材４２の断面形状において、アスペクト比が大きい場合は、幅方向４４の曲がりに対する力の抵抗が大きいため、中央部（Ｌ部）には変形が発生せず端部（Ｍ部）側だけの変形となる。リード５の断面形状は、図１３（ｂ）の断面形状に近いため、アスペクト比が小さく、扇状に変形する。すなわち、中央部が出っ張る（突出する）。

したがって、このように変形したリード５を用いて超音波接続すると、図１２（ａ）に示すように、リード５の被接続部５ａにおける屈曲部５ｄの下方の絶縁基板２に、超音波印加時に圧力が付与され、その結果、絶縁基板２に損傷部Ｓが形成される。

そこで、本実施の形態の図１に示す半導体パワーモジュール１５では、図７および図８に示すように、リード５の被接続部５ａの屈曲部５ｄ側に位置する第２領域５ｃにおいて、配線パターン３との間にＮｉ層１１が介在されている。これにより、リード接続を行う際の超音波印加時に、屈曲部５ｄの下方の絶縁基板２に圧力が付与されることを緩和することができ、その結果、絶縁基板２に図１２（ａ）に示すような損傷部Ｓが形成されることを低減できる。

なお、リード５の屈曲部５ｄの下部に形成する層として、Ｎｉ層１１またはＮｉ合金層を採用する理由は、コストや接続実績に基づくものである。すなわち、バリア層として使用される材料のうち、コストが安価であり、さらに接続信頼性に実績があるため、Ｎｉ層１１またはＮｉ合金層が適している。

また、絶縁基板２として、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板を採用した場合には、窒化アルミニウム基板は、抗折強度が小さく図１２に示すような損傷部Ｓが形成され易いため、リード５の屈曲部５ｄの下部にＮｉ層１１またはＮｉ合金層を形成することにより、窒化アルミニウム基板において損傷部Ｓが形成されることを抑制できる。

また、リード５や絶縁基板２の配線パターン３が、Ｃｕ（銅）もしくはＣｕ（銅）合金によって形成されていることにより、放熱性を向上させることができる。これは、本実施の形態の半導体パワーモジュール１５では、端子（リード５）に電流が流れるとジュール熱が発生するが、このジュール熱を絶縁基板２や板状部１０に拡散させることができ、半導体パワーモジュール１５の放熱性を向上させることができる。さらに、リード５や絶縁基板２の配線パターン３が、Ｃｕ（銅）もしくはＣｕ（銅）合金によって形成されていることにより、半導体パワーモジュール１５の電気特性を向上させることができる。

次に、半導体パワーモジュール１５のリード５の接続部の他の特徴部分について説明する。

図７および図８に示すように、配線パターン３の一部にはＮｉ層１１が施されている。そして、このＮｉ層１１は、リード５の屈曲部５ｄ側（コーナ側）にリード５の被接続部５ａの延在方向Ｑに対して半分ぐらいの位置までかかる大きさであり、さらに位置ずれも考慮した大きさにする必要がある。具体的には、Ｎｉ層１１は、平面視で、被接続部５ａの第２領域５ｃの周囲に露出している。すなわち、Ｎｉ層１１は、被接続部５ａの巾方向Ｐと延在方向Ｑの両方向に対して被接続部５ａの周囲に露出するように形成されており、言い換えると、Ｎｉ層１１は被接続部５ａの第２領域５ｃより大きく形成されている。これにより、リード５を超音波で接続する際に、Ｎｉ層１１との接続位置に対してマージンを増やすことができる。

なお、Ｎｉ層１１（Ｎｉ合金層についても同様）の厚さは、２〜６μｍ程度が望ましい。これは、Ｎｉ層１１が薄過ぎると、バリア層としての役目を果たすことができず、また、厚過ぎると、材料コストが高くなるためである。例えば、Ｎｉ層１１の場合、厚さが１．５μｍより薄くなると、Ｎｉ層１１の形成が困難になる。Ｎｉ層１１の形成方法は、例えば、めっき蒸着法、ジャブ浸け法、電解めっき法または無電解めっき法などである。

次に、図９〜１１を用いて本実施の形態の半導体パワーモジュール１５の実験結果について説明する。図９および図１０は、リード５と配線パターン３を接続した断面のＳＥＭ画像を図示化したものである。絶縁基板２の材質はＡｌＮ（窒化アルミニウム）、配線パターン３とリード５の材質はＣｕ（銅）である。ＳＥＭ画像を図示化したものであるため、図９と図１０には図示されていないが、配線パターン３のリード５のコーナ部（屈曲部５ｄ）と接続する箇所にはＮｉ層１１（厚さ２〜６μｍ）を施している。図１０は図９のＡ部の拡大図であり、図１１は図９のＢ部の拡大図である。図１０の結果、Ｎｉ層１１により絶縁基板２に損傷がないことを確認できた。また、図１１において、点線の内側の領域は、リード５と配線パターン３の接続領域１８であり、この接続領域１８には、接続前に存在していたＮｉ層１１は接続時に破壊されたため、小片のＮｉ片２０となって存在していることが確認できた。

上述のようにリード５の被接続部５ａの屈曲部５ｄ側の第２領域５ｃと配線パターン３との間にＮｉ層１１またはＮｉ合金層を介在させることにより、絶縁基板２の損傷を抑止することができる。また、リード５の被接続部５ａの第１領域５ｂにて直接配線パターン３と接続するため、接続強度の低下も防止することができ、接続条件のマージンを拡大することができる。

すなわち、半導体パワーモジュール１５において、リード５の屈曲部５ｄの下部にＮｉ層１１またはＮｉ合金層を設けたことにより、絶縁基板２上の配線パターン３と、屈曲部５ｄを有するリード５とを超音波接続する際に絶縁基板２に付与するダメージを緩和することができる。したがって、リード５の屈曲部５ｄの直下における絶縁基板２の損傷を抑止することができる。また、リード５の被接続部５ａの先端側（端部５ｅ側）は配線パターン３と直接接続するため容易に接続することができ、接続条件のマージンを確保し易くすることができる。

（変形例１）
図１４は変形例１の半導体パワーモジュールのリード接続部を示す拡大部分断面図、図１５は図１４においてリードを取り除いた構造の一例を示す平面図である。

図１４に示す変形例１の構造を説明すると、ベース板１には接続部材１６を介して絶縁基板２が搭載され、絶縁基板２の表裏面には配線パターン３が設けられている。配線パターン３上にはＮｉ層１１が設けられており、リード５の先端側（端部５ｅ側）と接続する箇所は配線パターン３が露出するようにＮｉ層１１が施されていない箇所がある。また、配線パターン３上にはリード５が超音波接続により接続されている。これにより、配線パターン３とリード５の接続面では、リード５の先端側（端部５ｅ側）は直接配線パターン３と接続しており、一方、リード５の折り曲げ加工が施されたコーナ側（屈曲部５ｄ側）はＮｉ層１１を介して配線パターン３と接続されている。

なお、図１５に示すように、配線パターン３には開口部３ａを除いてその略前面に亘ってＮｉ層１１が施されている。つまり、Ｎｉ層１１は、配線パターン３の略全体を覆うように形成されており、リード５の被接続部５ａの第１領域５ｂは、Ｎｉ層１１に形成された開口部３ａにおいて、配線パターン３と直接接続されている。また、開口部３ａは、平面視で、被接続部５ａの第１領域５ｂより大きく、第１領域５ｂの周囲の開口部３ａに配線パターン３が露出している。つまり、リード５の被接続部５ａと配線パターン３との位置ずれも考慮した大きさにする必要があるため、配線パターン３の開口部３ａは、リード５の被接続部５ａの延在方向Ｑにおいて約半分ぐらいまでかかる大きさであり、被接続部５ａの第１領域５ｂより平面視で大きい。

なお、Ｎｉ層１１の厚さは、上記実施の形態と同様に、２〜６μｍが望ましい。また、Ｎｉ層１１はＮｉ合金層であってもよい。

上述のように配線パターン３とリード５の被接続部５ａにおいて、リード５の端部５ｅ側は直接配線パターン３と接続しており、一方、リード５の被接続部５ａの屈曲部５ｄ側はＮｉ層１１を介して配線パターン３と接続されており、これにより、Ｎｉ層１１がバリア層となるため、上記実施の形態と同様に、絶縁基板２の損傷を抑止することができる。また、配線パターン３の開口部３ａにおいてリード５の被接続部５ａと配線パターン３とが直接接続するため、接続強度を確保して接続強度の低下も防止することができる。また、接続条件のマージンを拡大することもできる。さらに、Ｎｉ層１１は配線パターン３の略全面に亘って施されており、その結果、半導体素子（半導体チップ）４と配線パターン３との接続性を向上させることができる。すなわち、図６に示すように、半導体素子４は、はんだ（接続部材）１６によって配線パターン３に接続されているため、Ｎｉ層１１を介在させることにより、はんだ１６の濡れ性を向上させることができ、半導体素子４のはんだ付けによる接続性を向上させることができる。

（変形例２）
図１６は変形例２のリードの接続前の構造を示す断面図、図１７は変形例２のリードの接続後の構造を示す断面図である。

上述の実施の形態や変形例１では、絶縁基板２の配線パターン３上にＮｉ層１１を形成しておく場合を説明したが、変形例２では、図１６に示すように、予めリード５の屈曲部５ｄ側にＮｉ層１１を形成しておく。その際、Ｎｉ層１１は、被接続部５ａの第２領域５ｃと、屈曲部５ｄの上方のリード部分にも形成しておく。

これにより、リード５を超音波接続で配線パターン３に接続した際には、図１７に示すように、リード５の屈曲部５ｄの上方のリード部分にＮｉ層１１の一部が残存した状態となる。

変形例２の接続方法においても、リード５の被接続部５ａの第２領域５ｃのＮｉ層１１がバリア層となるため、上記実施の形態と同様に、絶縁基板２の損傷を抑止することができる。また、リード５の被接続部５ａの第１領域５ｂと配線パターン３とが直接接続するため、接続強度を確保して接続強度の低下も防止することができる。また、接続条件のマージンを拡大することもできる。さらに、予めリード５側にＮｉ層１１を形成しておくことにより、絶縁基板２の形成工程においてＮｉ層１１を形成する工程を省略することができ、半導体パワーモジュール１５の組立ての簡略化を図ることができる。

（変形例３）
図１８は図１に示す半導体パワーモジュールの搭載例（変形例３、鉄道車両）を示す模式図、図１９は図１８に示す搭載例を示す平面図である。

変形例３は、上記実施の形態の半導体パワーモジュールが搭載された移動体を説明するものであり、その一例として、パワーモジュール（半導体パワーモジュール）１９が、図１８に示すような集電装置であるパンタグラフ２２が設けられた鉄道車両（移動体）２１に設置されたインバータ２３に搭載されている場合を示している。

図１９に示すように、インバータ２３の内部では、プリント基板２５上に複数のパワーモジュール１９が搭載され、さらにこれらのパワーモジュール１９を冷却する冷却装置２４が搭載されている。

パワーモジュール１９は、半導体素子からの発熱量が多い。従って、複数のパワーモジュール１９を冷却してインバータ２３の内部を冷却可能なように冷却装置２４が取り付けられている。

なお、パワーモジュール１９の主要構造は、上記実施の形態のパワーモジュール１５のものと同様である。したがって、図７に示す構造と同様に、配線パターン３とリード５の被接続部５ａにおいて、リード５の端部５ｅ側は直接配線パターン３と接続しており、一方、リード５の被接続部５ａの屈曲部５ｄ側はＮｉ層１１を介して配線パターン３と接続されている。これにより、Ｎｉ層１１がバリア層となるため、上記実施の形態と同様に、絶縁基板２の損傷を抑止することができる。

さらに、鉄道車両（移動体）２１においては、複数のパワーモジュール（半導体パワーモジュール）１９を搭載したインバータ２３が設けられていることにより、インバータ２３内が高温環境となった場合であっても、インバータ２３およびそれが設けられた鉄道車両２１の信頼性を高めることができる。

（変形例４）
図２０は図１に示す半導体パワーモジュールの搭載例（変形例４、自動車）を示す模式図、図２１は図２０に示す搭載例を示す平面図である。

変形例４のパワーモジュール（半導体パワーモジュール）２９は、図２０に示すようなタイヤ２８ａによって走行する自動車（移動体）２７の車体２８に設置されたインバータ２３に搭載される自動車用パワーモジュールである。

図２１に示すように、インバータ２３の内部では、プリント基板２５上に複数（例えば２つ）のパワーモジュール２９が搭載され、さらにこれらのパワーモジュール２９を冷却する冷却装置２４が搭載されている。パワーモジュール２９は、半導体素子（半導体チップ）４からの発熱量が多い。したがって、複数のパワーモジュール２９を冷却してインバータ２３の内部を冷却可能なように冷却装置２４が取り付けられている。

なお、パワーモジュール２９の主要構造は、上記実施の形態のパワーモジュール１５のものと同様である。したがって、図７に示す構造と同様に、配線パターン３とリード５の被接続部５ａにおいて、リード５の端部５ｅ側は直接配線パターン３と接続しており、一方、リード５の被接続部５ａの屈曲部５ｄ側はＮｉ層１１を介して配線パターン３と接続されている。これにより、Ｎｉ層１１がバリア層となるため、上記実施の形態と同様に、絶縁基板２の損傷を抑止することができる。

さらに、自動車（移動体）２７においても、複数のパワーモジュール２９を搭載したインバータ２３が設けられていることにより、インバータ２３内が高温環境となった場合であっても、インバータ２３およびそれが設けられた自動車２７の信頼性を高めることができる。

なお、パワーモジュール２９における耐熱温度は、搭載される半導体素子４の材質によって決定される。Ｓｉ製半導体素子の場合、１５０℃であり、ＳｉＣ製半導体素子の場合２００℃であるが、これらの数値は、一例に過ぎず種々変更可能である。そして、自動車２７で求められるパワーモジュール２９の耐熱温度についても、半導体素子４の材質によって決定される。

以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。

１ ベース板
２ 絶縁基板
３ 配線パターン
４ 半導体素子
５ リード（リード部）
５ａ 被接続部
５ｂ 第１領域
５ｃ 第２領域
５ｄ 屈曲部
１１ Ｎｉ層
１５ パワーモジュール（半導体パワーモジュール）
１６ はんだ（接続部材）
１９ パワーモジュール（半導体パワーモジュール）
２１ 鉄道車両（移動体）
２７ 自動車（移動体）
２９ パワーモジュール（半導体パワーモジュール）

Claims (12)

1. 配線パターンが形成された絶縁基板と、
   前記絶縁基板に接続部材を介して搭載された半導体素子と、
   前記配線パターンと接続する被接続部を備え、前記被接続部の延在方向における一方が端部であり、かつ他方が屈曲部であるリード部と、
   を有し、
   前記被接続部と前記配線パターンとは、超音波接続によって接続され、
   前記被接続部は、前記端部側に位置する第１領域と、前記屈曲部側に位置する第２領域とを含み、
   前記第１領域は、前記配線パターンと接続し、
   前記第２領域は、Ｎｉ層またはＮｉ合金層からなる金属層を介して前記配線パターンと接続し、
   前記金属層は、前記配線パターンを覆っており、
   前記リード部の前記被接続部における前記第１領域は、前記金属層に形成された開口部において前記配線パターンと直接接続されている、半導体パワーモジュール。
2. 請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
   前記配線パターンと前記リード部のそれぞれは、ＣｕもしくはＣｕ合金からなる、半導体パワーモジュール。
3. 請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
   前記金属層は、平面視で、前記被接続部の前記第２領域の周囲に露出している、半導体パワーモジュール。
4. 請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
   前記開口部は、平面視で、前記被接続部の前記第１領域より大きく、
   前記第１領域の周囲の前記開口部に前記配線パターンが露出している、半導体パワーモジュール。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
   前記絶縁基板は、窒化アルミニウム基板である、半導体パワーモジュール。
6. 請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
   前記リード部は、打ち抜き成形によって形成されたリードである、半導体パワーモジュール。
7. 半導体パワーモジュールを有する移動体であって、
   前記半導体パワーモジュールは、
   配線パターンが形成された絶縁基板と、
   前記絶縁基板に接続部材を介して搭載された半導体素子と、
   前記配線パターンと接続する被接続部を備え、前記被接続部の延在方向における一方が端部であり、かつ他方が屈曲部であるリード部と、
   を有し、
   前記被接続部と前記配線パターンとは、超音波接続によって接続され、
   前記被接続部は、前記端部側に位置する第１領域と、前記屈曲部側に位置する第２領域とを含み、
   前記第１領域は、前記配線パターンと接続し、
   前記第２領域は、Ｎｉ層またはＮｉ合金層からなる金属層を介して前記配線パターンと接続し、
   前記金属層は、前記配線パターンを覆っており、
   前記リード部の前記被接続部における前記第１領域は、前記金属層に形成された開口部において前記配線パターンと直接接続されている、移動体。
8. 請求項７に記載の移動体において、
   前記配線パターンと前記リード部のそれぞれは、ＣｕもしくはＣｕ合金からなる、移動体。
9. 請求項７に記載の移動体において、
   前記金属層は、平面視で、前記被接続部の前記第２領域の周囲に露出している、移動体。
10. 請求項７に記載の移動体において、
    前記開口部は、平面視で、前記被接続部の前記第１領域より大きく、
    前記第１領域の周囲の前記開口部に前記配線パターンが露出している、移動体。
11. 請求項７に記載の移動体において、
    前記絶縁基板は、窒化アルミニウム基板である、移動体。
12. 請求項７〜１１の何れか１項に記載の移動体において、
    前記移動体は、鉄道車両または自動車である、移動体。

Images