JP4964009B2 - 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する。

パワー半導体モジュールは、通常、パワー半導体と電流通電部とが電気的に絶縁されるよう、パワー半導体に絶縁体を設けた構成となっている。このパワー半導体と絶縁体とは、はんだなどによって接合されている。

また、パワー半導体モジュールでは、半導体素子から発生する熱を効率よく放散するために、あるいは一時的に熱を分散するために、放熱板が設けられ、この放熱板と上記絶縁体とは、はんだによって接合されている。したがって、パワー半導体モジュールでは、半導体素子と絶縁体との間、及び絶縁体と放熱板との間の２箇所を、はんだにより接合することが一般的である。

パワー半導体モジュールは、パワー半導体素子に大きな電流を流すため、電力損失（定常損失とスイッチング損失）が発生し、大きく発熱して温度が上昇する。したがって、パワー半導体モジュールの信頼性試験として、冷熱サイクル試験が行なわれる。

パワー半導体モジュールでは、上記２箇所のはんだ接合部が最も強度が小さいので、冷熱サイクル試験を行なったときに発生する不具合は、上記２箇所のはんだ接合部で起こることが多い。したがって、パワー半導体モジュールの寿命を高めるには、はんだ接合部でのクラックや亀裂の発生を抑えることが重要である。

また、パワー半導体モジュールでは、はんだ接合部が少なくとも２箇所あるために、２箇所のはんだ材料を、はんだ材料の融点を考慮して選択しなければならない。
つまり、２回目のはんだ付けの温度が、１回目に用いたはんだ材料の融点よりも高いと、２回目のはんだ付けの際に１回目にはんだ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまうのである。この問題を回避するため、１回目に用いるはんだ材料の融点は、２回目に用いるはんだ材料の融点よりも高くなるように、はんだの材料を選択している。

これまでは２箇所のはんだ接合部には、Ｐｂ系はんだ材料が用いられていた。特にＰｂ−Ｓｎはんだ材料を用い、ＰｂとＳｎの比率を変えることによって、融点を１８３〜３００℃前後の範囲で変化させて、２箇所のはんだ付けを行っていた（例えば、非特許文献１参照。）。
しかし、Ｐｂは毒性を有するために使用廃止の方向にあり、Ｐｂフリーのはんだ材料の開発が望まれている。

このようなはんだ材料に対する要求の中、例えば、種々の組成のＳｎ系はんだ材料が提案されている。
しかしＳｎ系はんだ材料は、その融点を２２０℃前後の狭い範囲でしか変動させることができず、２回のはんだ付けの工程に適用させることが難しい。

また、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣは、２００℃以上の耐熱性を有し、且つ絶縁破壊電界及び飽和電子密度等が大きいことから、高い動作電圧を用いて大電流を扱うことが可能である。この電流の大きさに起因して半導体素子からの発熱が２００℃程度にまで上昇するため、はんだによる接合部分に対しても２００℃以上の耐熱性が要求されている。
しかし、Ｓｎ系はんだ材料の融点は２２０℃程度であるが故に、この温度で溶けてしまい、また、２００℃前後において引っ張り強度が著しく低下してしまう。そのため、２００℃を超える熱を発する次世代パワー半導体素子に対しては、接合材料としてＳｎ系はんだ材料を用いることは実用上難しい。

また、接合材料としてＡｇ系のロウ材料が一般的に知られているが、それらの融点は６５０℃以上と高く、このような温度では半導体素子を破壊したり変質させてしまうために、本用途に用いることができない。

このような状況下において、はんだ材料としてＢｉを用いることが提案されている。Ｂｉ単体の融点は２７０℃であるため、Ｓｎ系はんだ材料（融点：約２２０℃）に比べて耐熱性に優れた接合体となる。
例えば、所望の接合温度で接合できるよう、固相線温度と液相線温度を適切な範囲とすべく、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎを含むＢｉ材料がはんだ材料として提示されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、ＡｇなどＢｉと共晶しうる金属元素と、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｚｎなどの金属元素とをＢｉに添加した３成分以上からなるはんだ材料が提示されている（例えば、特許文献２参照。）。

また、パワー半導体モジュール全体の寿命を長くするには、各部材の耐熱性や機械強度を高めることが重要である。
パワー半導体モジュールの絶縁体については、窒化アルミニウムのセラミックスを用い、その表面に導電層としてのアルミニウム層が設けられたＡｌ／ＡｌＮ／Ａｌの積層体が開示されている（例えば、非特許文献２参照。）。この技術では、ＡｌＮのセラミックスに導電層としてのＣｕ層を設けたＣｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ積層体よりも、Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ積層体の方が、パワー半導体モジュールの寿命が長くなることを明らかにしている。

また、絶縁体としては、窒化珪素のセラミックスに導電層としてＣｕを設けたＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体が開示されている（例えば、非特許文献３参照。）。Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体に−３０℃〜１８０℃の冷熱サイクル試験を行なった場合、８００サイクルでＳｉＮセラミックスの破壊は発生しなかったことが報告されている。
しかし、この文献では、絶縁体のみでの強度の評価を行なっており、パワー半導体や放熱板など他の部材をはんだ接合したモジュールの状態では評価していない。そのため、Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体が、最も強度の弱いはんだ接合部分に与える影響については開示されていない。
特開２００５−７２１７３号公報 特開２００１−３５３５９０号公報 馬場陽一郎「ＨＶインバータ品質確保の取り組み」溶接学会全国大会講演概要、第７７章（２００５−９） 長友他「有限要素法によるパワーモジュール用基板の熱サイクル特性解析」エレクトロニクス実装学会誌、Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．４，ｐｐ３３０−３３４，２０００ L. dupont a, b, et al., "effects of metallization thickness of ceramic substrates on the reliability of power assemblies under high temperature cycling", Microelectronics Reliability 46, pp.1766-1771, 2006

本発明では、クラックや亀裂などの不具合を発生させ難いパワー半導体モジュールを提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明は、Ｃｕ層を表面に備えたパワー半導体素子と、ＳｉＮｘセラミックス板の両面にＣｕ層を備えたＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の絶縁部と、を有し、
前記パワー半導体素子と前記絶縁部とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、２つのＣｕ層の間をＢｉ系はんだ材料で接合してなり、前記Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体におけるＣｕの純度が、９９．９６％以上であり、冷熱サイクル試験前における、前記Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の熱膨張係数と、前記パワー半導体素子の熱膨張係数との差が、１．６ｐｐｍ／℃以下であるパワー半導体モジュールである。

請求項２に記載の発明は、パワー半導体素子と、ＳｉＮｘセラミックス板の両面にＣｕ層を備えたＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の絶縁部と、Ｃｕ層を表面に備えた放熱板と、を有し、前記絶縁部と前記放熱板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、２つのＣｕ層の間をＢｉ系はんだ材料で接合してなり、前記Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体におけるＣｕの純度が、９９．９６％以上であり、冷熱サイクル試験前における、前記Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の熱膨張係数と、前記パワー半導体素子の熱膨張係数との差が、１．６ｐｐｍ／℃以下であるパワー半導体モジュールである。

上述のようにＢｉ系はんだ材料は、その融点が２７０℃であるため耐熱性に優れた接合体であると思われたが、Ｂｉ系はんだ材料をパワー半導体モジュールの接合材料に適用した場合に、新たな課題が見出された。
新たな事実として、パワー半導体モジュールでは、その過酷な冷熱サイクルによって接合界面での反応が顕著になり、Ｂｉ系はんだ材料に接する部材の材質によっては不要な反応生成物を生成させてしまうことが分かった。この反応生成物は、周りに存在するはんだ材料よりも硬くあるいは脆いので、この反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となったりする。
このような界面反応は、次世代の半導体素子として注目されているＧａＮやＳｉＣ半導体素子の場合に特に問題となる。これら次世代半導体素子では、発熱量が極めて多く、２００℃以上にまで達する場合がある。

そこで、請求項１又は請求項２に記載の発明では、Ｂｉ系はんだ材料が接する界面に、Ｃｕ層を設ける。ＢｉとＣｕとでは、冷熱サイクルに晒されても界面で不要な反応生成物が生成し難いので、クラックなどの不具合を発生させ難いパワー半導体モジュールとなる。

更に、絶縁部としてＳｉＮｘを用いて、この両面にＣｕ層を備えたＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体を用いる。この積層体では、両面にＣｕ層が設けられているので、Ｂｉ系はんだ材料ではんだ接合を行なっても、冷熱サイクルによって不要な反応生成物を発生させ難い。
また、Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体は、Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ積層体に比べて、冷熱サイクル試験においても破壊され難く、また、ＳｉＮｘの破壊強度はＡｌＮの破壊強度よりも高い。したがって絶縁部材自体の寿命が長くなり、結果パワー半導体モジュールの信頼性を高めることができる。

したがって、絶縁部としてＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体を用いる請求項１又は請求項２に記載の発明では、冷熱サイクルにおいて、特に−４０℃〜２００℃と温度差の大きい冷熱サイクルにおいても、充分な寿命を有する。
また、Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体において不純物の多いＣｕ層を使用すると、機械強度的に低下し、Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の寿命を短くする可能性がある。また、Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の熱膨張係数も変わってしまう。以上の観点から、純度９９．９６％以上のＣｕを用いることが、はんだ接合部でのクラックの発生を抑えるのに好適である。
なお、ＳｉＮｘのセラミックスに設けるＣｕ層は、導電層としての機能を有する点からも、不純物の少ないものを使用する。

請求項１および請求項２に記載の発明では、パワー半導体素子と絶縁部の熱膨張係数の差を小さくする。これにより、パワー半導体素子と絶縁部とを加熱した際に生じる熱膨張差によって、はんだ接合部にかかる歪みを少なくすることができ、はんだ接合部でのクラックや亀裂などの発生を抑えることができる。

ここで、熱膨張係数は材料に固有の値であるため、一定の値を示すものと一般的に思われているが、発明者らの鋭意研究により、予期せぬことに冷熱サイクル後の絶縁部の熱膨張係数が、冷熱サイクル前の熱膨張係数よりも大きな値になっていることが明らかとなった。
つまり、冷熱サイクル後における被接合部材の熱膨張係数の増大を想定して、被接合部材間の熱膨張係数の差を調整し、パワー半導体モジュールを設計することで、はんだ接合部における亀裂やクラックの発生をより効果的に防止できることを見出した。

はんだ接合部での亀裂やクラックの発生の防止に関する更なる研究により、絶縁部としてＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体を適用した場合には、冷熱サイクル前のパワー半導体素子と絶縁部（Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体）との熱膨張係数の差を１．６ｐｐｍ／℃にすることが有益であることを見出した。

請求項３に記載の発明は、前記Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体が、前記ＳｉＮｘセラミックス板及び前記Ｃｕ層の厚みの調整によって熱膨張係数が調整されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュールである。

Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の熱膨張係数を調節は、不純物を添加するなどの方法によっても可能であるが、この方法では導電性や熱伝導度が変化してしまうなど他の物性に影響を与え得る。そのため、Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の各層の厚みを変えて、Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の熱膨張係数を調整することが好ましい。

請求項４に記載の発明は、前記Ｂｉ系はんだ材料が、（１）Ｂｉ単体、（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、（３）ＢｉにＣｕを添加した材料、又は（４）ＢｉにＮｉを添加した材料、であることを特徴とする請求項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である。

上述のように、ＢｉとＣｕとの界面では、半導体素子から発せられる高温の熱によっても不要な反応生成物を発生させ難く、且つＢｉの融点が高いことから、Ｂｉ系はんだ材料としては、（１）Ｂｉ単体、も適用することができるが、（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、（３）ＢｉにＣｕを添加した材料、又は（４）ＢｉにＮｉを添加した材料であれば、Ｂｉ特有の脆性を解消することができ、機械的強度を高めることもできる。

請求項５に記載の発明は、前記ＢｉにＮｉを添加した材料は、Ｎｉの含有率が０．０１質量％以上７質量％以下であることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュールである。

更に接合時の加熱温度を考慮すると、はんだ材料の液相線温度や固相線温度を調節することが好ましい。液相線温度や固相線温度は、添加物質の添加量などによって調整することができる。ＢｉにＮｉを加えるとその添加量が多くなるにつれ液相線温度が上昇し、はんだ材料全体が溶融するのに高い温度を要することになる。

ＮｉをＢｉに添加する場合には、Ｎｉの含有率が０．０１質量％以上であれば、Ｂｉ特有の脆性を解消することができ、機械的強度を高めるという効果を得ることができる。
また、Ｎｉを添加することによって液相線温度が上昇し固相線温度との差が増加するが、Ｎｉの含有率が７質量％以下であれば、パワー半導体モジュールを接合するときであっても実用的な範囲内である。また、このような液相線温度であれば、はんだ付けの際の加熱によっても半導体素子は破壊されない。

請求項６に記載の発明は、前記ＢｉにＣｕを添加した材料は、Ｃｕの含有率が０．０１質量％以上５質量％以下であることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュールである。

ＣｕをＢｉに添加する場合には、Ｃｕの含有率が０．０１質量％以上であれば、Ｂｉ特有の脆性を解消することができ、機械的強度を高めるという効果を得ることができる。
また、Ｃｕを添加することによって液相線温度が上昇し固相線温度との差が増加するが、Ｃｕの含有率が５質量％以下であれば、パワー半導体モジュールを接合するときであっても実用的な範囲内である。また、このような液相線温度であれば、はんだ付けの際の加熱によっても半導体素子は破壊されない。

請求項７に記載の発明は、前記Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎは、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の含有率が０．５質量％以上２０質量％以下であることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュールである。

ＣｕＡｌＭｎ合金の含有率が０．５質量％以上２０質量％以下であると、マルテンサイト変態の性質を有する物質を添加したことによって脆性が解消され、かつ充分なＢｉの含有率によって被接合体に対する充分な接合強度が得られる。

請求項８に記載の発明は、Ｎｉ層を表面に備えた前記パワー半導体素子と、Ｎｉ層を表面に備えた前記絶縁部とを備え、前記パワー半導体素子と前記絶縁部とをそれぞれのＮｉ層が対向するように配し、該２つのＮｉ層の間をＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙ（ｘは０．０２〜０．１０であり、ｙは０〜０．０２であり、Ｍは亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表す。）で表される合金で接合してなる請求項２〜請求項７のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。

請求項８に記載のパワー半導体モジュールは、少なくとも（１）パワー半導体素子と、（２）絶縁部と、（３）放熱板と、を有し、パワー半導体素子と絶縁部との間、及び絶縁部と放熱板との間、の２箇所がはんだ付けによって接合される。以下、パワー半導体素子と絶縁部との間の接合部を第一接合部と称し、絶縁部と放熱板との間の接合部を第二接合部と称する。

上記２箇所のはんだ付けにおいて、階層接合技術を用いる。２回目のはんだ付け工程では、１回目にはんだ付けした部分も含めて全体を加熱するため、１回目のはんだ付け部位が位置ずれや傾斜など起こさないよう、２回目のはんだ付けの温度を１回目に用いたはんだ材料の融点よりも充分に低くしなければならない。２回目のはんだ付けの温度が、１回目に用いたはんだ材料の融点よりも高いと、２回目のはんだ付けの際に１回目にはんだ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。

つまり、２回目のはんだ付け材料の融点が高すぎると、これよりも更に融点の高い材料を１回目のはんだ付け材料として選択しなければならず、加熱温度が全体に高くなるため作業性が低下し、製造コストもかかってしまう。また、パワー半導体素子もはんだ付けの際に加熱されてしまうため、パワー半導体素子の破壊や改質を防ぐ観点から、はんだ付け時の加熱温度の上限は６５０℃であり、好ましくは４５０℃程度である。これらを考慮して、１回目のはんだ付けに用いる接合材料の選択の余地を残すためには、２回目のはんだ付け材料の融点はなるべく低いことが望ましい。
しかし、上述のとおり、次世代パワー半導体素子からは２００℃程度の発熱があるため、はんだ付け材料の融点は２００℃よりも高くなければならない。

すなわち、２回目のはんだ付け材料としては、その融点がなるべく低いことが好ましいが２００℃よりも高くなければならない。

このようにパワー半導体モジュールの製造工程を勘案すると、前記Ｂｉ系はんだ材料は、２回目のはんだ付け材料として極めて好適である。なぜなら、前記Ｂｉ系はんだ材料の融点は約２７０℃であるので、２７０℃よりも充分に高く且つはんだ付け工程の上限温度６５０℃（より好ましくは４５０℃）よりも低い温度範囲に融点を有するはんだ材料を１回目のはんだ付け材料に選択すればよく、その結果、１回目のはんだ付け材料の選択範囲が広くなる。また、２７０℃よりも充分に高い融点を有する１回目のはんだ付け材料を選択することができるため、２回目のはんだ付け工程において１回目のはんだ付け部位の位置ずれや傾斜などを発生させない。更に、半導体素子から発せられる大量の熱によってモジュールは２００℃程度まで上昇するが、Ｂｉ系はんだ材料の融点は約２７０℃であるので、このような条件下においても接合部分は耐熱性を有する。

また、請求項８に記載の発明では、２つのＮｉ層の間をＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙ（ｘは０．０２〜０．１０であり、ｙは０〜０．０２であり、Ｍは亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表す。）で表される合金で接合してなる。

Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金は、その融点が３８２℃であり、パワー半導体素子の動作によって発生した２００℃程度の熱に対しても不具合を生じさせない。

更に、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金とＮｉ層を接合することで、冷熱サイクルによってもその界面に生成する反応生成物は、ほとんど成長せず、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせない。また接着性にも優れる。

また、上述の通り、はんだ温度の上限は６５０℃程度、より好ましくは４５０℃であるが、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金の融点は３８２℃でありはんだ付け工程に適用できる上限温度よりも低く、はんだ付け工程における加熱によって半導体素子を破壊することがない。

加えて、２回目のはんだ付けに用いるＢｉ系はんだ材料の融点（約２７０℃）よりも、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金の融点（３８２℃）の方が充分に高い。したがって、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金は、Ｂｉ系はんだ材料を２回目のはんだ付けに用いる場合において、１回目のはんだ付け材料として極めて有益な材料である。

なお、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金の融点（３８２℃）は、Ｂｉ系はんだ材料の融点（約２７０℃）よりも高いので、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部に、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金をはんだ材料として用いることが好適である。

したがって、請求項９に記載の発明によれば、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じない信頼性の高いパワー半導体モジュールを得ることができる。また、製造工程においても、部品の位置ずれや傾斜などを発生させない。

請求項９に記載の発明は、前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。

ＧａＮやＳｉＣを用いたパワー半導体素子は、従来のパワー半導体素子に比べて発熱量が多い。しかし、本発明において接合部に用いられるＢｉ系はんだ材料の固相線温度は約２７０℃であるため、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣを用いて２００℃を超えた高温で繰り返し使用した場合でも、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。

請求項１０に記載の発明は、前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項２〜請求項９のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。

Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱伝導率が高く、放熱板としての機能を効果的に発揮する。また、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ程度となり、パワー半導体素子の熱膨張係数の値に近くなる。その結果、冷熱サイクル時に顕著な熱応力が生じず、亀裂や剥離などの不具合を発生させない。
また、この積層体のＣｕ層は、上記Ｂｉ系はんだ材料と接することになるが、ＢｉとＣｕとの界面では、冷熱サイクルによっても不要な生成物を発生させることがないので、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせない。

請求項１１に記載の発明は、前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項１０に記載のパワー半導体モジュールである。

Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体の中でも、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１の場合に、熱伝導率と熱膨張係数とのバランスが良好となり、放熱板としての機能を効果的に発揮する。

本発明によれば、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じない信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することができる。
特に、本発明によれば、−４０℃〜２００℃と温度差の大きい冷熱サイクルにおいても、充分な寿命を有するパワー半導体モジュールを提供することができる。

本発明のパワー半導体モジュールは、被接合面にＣｕ層を備え、前記Ｃｕ層の間を、Ｂｉ系はんだ材料によって接合してなる。この被接合面を有する部材としては、パワー半導体素子と絶縁部との組み合わせ、或いは絶縁部と放熱板との組み合わせである。また、本発明のパワー半導体モジュールにおいて、少なくとも１箇所がＢｉ系はんだ材料で接合されていればよく、したがって、２箇所以上をＢｉ系はんだ材料で接合していてもよい。
以下では、まず始めにパワー半導体モジュールの構成について説明し、次に各構成部材について説明する。

＜第一の態様のパワー半導体モジュール＞
図１に、第一の態様のパワー半導体モジュールの構造を模式的に示す。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は断面図である。
第一の態様のパワー半導体モジュール１０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを有する。パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間は第一接合部５０によって接合される。絶縁部３０と放熱板４０との間は第二接合部６０によって接合される。

パワー半導体モジュール１０は、車載用インバータなどに用いられるものである。パワー半導体モジュール１０の周辺には図示しない内燃機関が設けられているために、パワー半導体モジュール１０が置かれている環境はかなり高温となっている。さらに、パワー半導体素子として次世代のＧａＮやＳｉＣを用いた場合には、パワー半導体素子２０からの発熱が大きく、パワー半導体モジュール１０の温度が上昇する。

パワー半導体素子が自身の発する熱や高温の周囲環境によって破壊するのを防ぐよう、冷却水７２が流動する冷却器７０が設けられ、冷却器７０とパワー半導体素子２０との間に放熱板４０が設けられる。図１では、放熱板４０は冷却器７０にネジ９０で固定されるが、放熱板４０と冷却器７０とは、接着剤などで固定されていてもよい。

したがって、一般的にパワー半導体モジュールに求められる性能としては、第一に冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じさせないことであり、第二に絶縁部によって確実に絶縁させることであり、第三にパワー半導体素子から発せられた熱を放熱板までなるべく蓄積することなく伝えることである。

冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などを発生させないためには、半導体素子、絶縁部、放熱板及び接合部材などの部材そのものが温度変化に対して耐久性がなければならず、加えて、冷熱サイクルにおいて不要な反応生成物を発生させないことが重要である。かかる反応生成物は脆い物質であったり、硬すぎる物質であったりして、反応生成物が発生した部位を起点として亀裂や剥離等を起こしやすい。
また、各部材の熱膨張係数が近い値であることも、冷熱サイクルによる亀裂や剥離などの発生を抑制するのに重要である。熱膨張係数が全く異なる部材を接合すると、冷熱サイクルによって繰り返し起こる部材の体積変化によって、亀裂や剥離等を発生させやすくなる。

本発明の接合体であるパワー半導体モジュールでは、第一接合部５０又は第二接合部６０に、Ｂｉ系はんだ材料を用いて接合しているため、接合部分の耐熱性は高くなっている。またＢｉ系はんだ材料が接する界面に、Ｃｕ層を設けているため、冷熱サイクルによって高温になってもＢｉとの界面において不要な反応生成物を生成させず、反応生成物の発生に起因したクラックの発生を抑制することができる。
また、絶縁部としてＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体（Ｃｕの純度は９９．９６％以上である）を用いるので、絶縁部材も温度変化に対して耐久性が高い。

なお、本発明のパワー半導体モジュールでは、Ｂｉ系はんだ材料を、第一接合部５０及び第二接合部６０のいずれに適用してもよく、また、第一接合部５０を先に接合し次に第二接合部６０を接合してもよいし、第二接合部６０を先に接合した後、第一接合部５０を接合してもよい。
しかし、いずれにしても２回目のはんだ付けの温度が、１回目に用いたはんだ材料の融点よりも高いと、２回目のはんだ付けの際に１回目にはんだ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。

この問題を回避するため、一般的に、１回目に用いるはんだ材料の融点は、２回目に用いるはんだ材料の融点よりも高くなるように、はんだ材料を選択する。好適には、２回目の接合に用いるはんだ材料の融点は、１回目の接合に用いるはんだ材料の融点よりも３０℃以上低いことが望ましい。

つまり１回目の接合に、Ｂｉ系はんだ材料を適用した場合、Ｂｉ系はんだ材料の融点は２７０℃以上となるので、２回目の接合に用いるはんだ材料は、Ｂｉ系はんだ材料の融点よりも３０℃以上低い融点を有するものとすることが好ましい。一方で、パワー半導体からの発熱を考慮すると、２回目の接合に用いるはんだ材料の融点は２００℃以上であることが望ましい。よって、１回目の接合に、Ｂｉ系はんだ材料を適用した場合には、２回目の接合に用いるはんだ材料は、融点が２１０℃〜２４０℃程度のものを適用することが好ましい。
他方、２回目の接合に、Ｂｉ系はんだ材料を適用した場合には、１回目の接合に用いるはんだ材料は、Ｂｉ系はんだ材料の融点よりも３０℃以上高い固相線温度を有するものであることが好ましい。一方で、はんだ付けの際の加熱によって半導体素子が破壊されるのを防ぐには、融点が６５０℃以下、好ましくは４５０℃以下であることが好ましい。よって、２回目の接合にＢｉ系はんだ材料を適用した場合には、１回目の接合に用いるはんだ材料は、融点が３００〜６５０℃、好ましくは３００〜４５０℃のものを適用することが好ましい。

上記から、Ｂｉ系はんだ材料は、その融点が約２７０℃であるという観点から２回目の接合に用いることが好ましく、１回目の接合に用いるはんだ材料は、Ｂｉ系はんだ材料の融点２７０℃よりも充分に高い融点を有する材料を適用することが好ましい。但し、製造工程上、はんだ付けのための加熱によってパワー半導体素子２０を破壊しないよう、１回目の接合に用いるはんだ材料としては、融点が６５０℃（より好ましくは４５０℃以下）であることが好ましい。つまり、１回目の接合に用いるはんだ材料は、融点が２７０℃よりも充分高く、６５０℃（より好ましくは４５０℃）よりも低い材料であることが好ましい。

そこで、１回目の接合に用いるはんだ材料としては、主成分がＺｎである合金材料などを挙げることができる。これらの中でも、１回目の接合に用いるはんだ材料として、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金（融点：３８２℃）を適用することが、パワー半導体素子の破壊防止の観点から好適である。

なお、より好適には、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５０には、融点の高いＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を適用し、半導体素子から遠い側の第二接合部６０には、Ｂｉ系はんだ材料を適用する場合である。

したがって、図１に示す第一の実施態様では、第一接合部５０にはＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を適用し、第二接合部６０にはＢｉ系はんだ材料を適用する場合について説明する。

＜第二接合部＞
本発明における第二接合部６０は、絶縁部３０と放熱板４０との間を接合するために設けられる。図１に示す第一の実施態様では、第二接合部６０として、Ｂｉ系はんだ材料を用いる。本発明ではＢｉ系はんだ材料としては、Ｂｉを主成分とするものであれば特に制限されない。なお、「Ｂｉ系はんだ材料」とは、はんだ材料中、Ｂｉを８０質量％以上含有するものをいう。

具体的には、Ｂｉ系はんだ材料としては、Ｂｉ単体のほかに、ＢｉにＣｕ、Ｎｉ、Ａｇを添加したものなどを挙げることができるが、下記（１）〜（４）に記載のＢｉ系はんだ材料であることが固相線温度を低下させない観点から好ましい。例えば、ＢｉにＡｇを２．５質量％添加したものは、固相線温度がＢｉ単体の２７０℃から２６２℃程度に低下してしまい、半導体素子の動作により発せられる熱に対する耐性の観点から望ましくはない。

更に、下記（１）〜（４）に記載のＢｉ系はんだ材料の中でも、Ｂｉの脆性を解消して機械的強度を高める観点からは、下記（２）〜（４）のＢｉ系はんだ材料であることが好ましい。

（１）Ｂｉ単体
（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ
（３）ＢｉにＣｕを添加した材料
（４）ＢｉにＮｉを添加した材料
以下、それぞれのＢｉ系はんだ材料について詳細に説明する。

（１）Ｂｉ単体
Ｂｉは２７０℃近辺の融点を有するため、接合部のはんだ材料としては好適である。しかし、−４０℃〜２００℃の過酷な冷熱サイクル下においては、Ｂｉと接触する材料の種類によっては、接触する界面での反応が顕著になり、不要な反応生成物を生成することが明らかとなった。このような現象は、−４０℃〜２００℃という温度条件下とした場合に初めて見出されたものである。
このように、高い耐熱性に着目してはんだ材料にＢｉを適用すると、はんだそのものの耐熱性は向上するものの、Ｂｉ系はんだ材料との界面状態によっては、冷熱サイクルによって不要な反応生成物を生成し、それに起因してクラックなどを発生させ、結果、耐熱性を低下させることになる。

そこで、本発明では、Ｂｉを高温にしても接触界面で不要な反応物を生成させない材料を検討し、Ｂｉの接触界面にＣｕ層を設けている。この結果、Ｂｉの接触界面では、不要な反応生成物を生成させること無く、クラックなどの不具合の発生を抑えることができる。
つまり、単に、融点の高いＢｉをはんだ材料として接合部に適用すれば半導体モジュールの耐熱性が向上するというものではなく、はんだ材料の種類と、はんだ材料が接する界面に設ける層の材質との組み合わせによって、はじめて耐熱性を向上させることができる。

（２）Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ
Ｂｉは２７０℃近辺の融点を有するため、第二の接合層のはんだ材料としては好適であるが、せん断強度が弱く、脆いという性質を有しているため、取り扱いが難しい。そこで、ＣｕＡｌＭｎ合金の粒子をＢｉに分散させて強度を高めている。この機能について更に詳細に説明する。

ＣｕＡｌＭｎ合金はマルテンサイト変態の性質を有する。マルテンサイト変態の性質を有する金属の合金相は、温度や応力に基づいてマルテンサイト相又は母相のいずれかの状態をとる。金属の合金相がマルテンサイト相の場合には、金属は極めて柔軟性に富んでおり、外力に基づいて容易に形状を変えることができる。このため、外力に基づく応力が緩和される。更に、冷熱サイクルが繰り返されたとしても、柔軟に形状を変えることができるので、応力に基づく疲労の蓄積が抑制される。また、金属の合金相が母相の場合は、金属は外力に基づいてマルテンサイト相に相移転し、弾性変形するので、外力が除荷されれば、記憶された元の形状に回復することができる。このため、金属にかかる応力が緩和されるとともに、その応力の蓄積が抑制される。

したがって、マルテンサイト変態の性質を有するＣｕＡｌＭｎ合金をバルク金属であるＢｉに加えることによって、外力からの応力を緩和するとともに、その応力の蓄積を制御することができる。その結果、Ｂｉに特有のせん断強度の弱さや脆さが解消される。

さらに、ＣｕＡｌＭｎ合金は毒性が少なく、添加するバルク金属の融点（液相線温度や固相線温度）に与える影響も少ない。また、ＣｕＡｌＭｎ合金は電気抵抗が小さいため、ＣｕＡｌＭｎ合金に電流が流れる状況下においても好適に利用することができる。

Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ中のＣｕＡｌＭｎ合金の含有率は、０．５〜２０質量％であることが好ましく、１〜１５質量％であることがより好ましい。ＣｕＡｌＭｎ合金の含有率が０．５質量％よりも少ないと、マルテンサイト変態の性質を有する物質を添加した上記効果が得られ難く、２０質量％よりも多いと、溶融するＢｉの含有率が低くなり、被接合体との接合強度が得られ難くなる。
なお、ＢｉとＣｕＡｌＭｎとの体積分率を９０：１０〜４５：５５まで変化させた場合であっても、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点（固相線温度）は、約２７１℃程度である。

ＣｕＡｌＭｎ合金において、Ｍｎの含有率は０．０１〜２０質量％であり、Ａｌの含有率は３〜１３質量％であり、残部がＣｕであることが好ましい。この組成比に調整することによって、マルテンサイト変態の性質が顕著に表れ、はんだによって形成された結合部が破壊されるのを抑制することができる。

また、ＣｕＡｌＭｎ合金に、Ａｇ、Ｎｉ，Ａｕ、Ｓｎ，Ｐ，Ｚｎ、Ｃｏ，Ｆｅ、Ｂ、Ｓｂ、Ｇｅを添加すると、Ｂｉとの整合性を向上させ、マルテンサイト相を安定化させる効果があるので、これら添加元素を添加する態様も好ましい。
ＣｕＡｌＭｎ合金における上記添加元素の含有率は、０．００１〜１０質量％であることが好ましい。添加元素が０．００１質量％よりも少ないと、添加元素を添加する上記効果が得られ難い。添加元素が１０質量％よりも多いとＣｕＡｌＭｎ合金がマルテンサイト相を呈することができなくなる。

ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の粒径を調整すると、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの応力緩和能力等を調整することができる。具体的には、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の粒径は、０．０１〜１００μｍであることが好ましく、０．０１〜２０μｍであることが更に好ましい。

ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の調製方法は特に制限されず、合金粒子の公知の調製方法を適宜適用することができる。調整方法の一例を下記に示すがこれに限定されない。
まず、Ｃｕ、Ａｌ、ＭｎをＡｒ雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し前駆体であるＣｕＡｌＭｎ合金インゴットを作製する。インゴットには必要に応じて、上記添加元素を添加しても良い。次に、得られたインゴットをアトマイズ法等の粉末作製技術を利用して粉末化し、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子を得る。粉末化したＣｕＡｌＭｎ合金粒子は滴下法等を利用して、粒子表面にＮｉやＡｕをめっきする。粒子表面のめっき層の膜厚を調整することによって、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ中のＣｕＡｌＭｎ粒子の分散性を向上させることができる。好ましい該めっき層の膜厚は、０．０１〜３μｍである。

Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎによって絶縁部３０と放熱板４０とを接合する場合、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点（２７０℃）よりも数十℃高い温度で接合することが、接合部を一様に溶融させ、充分な流動性を得る観点から好ましく、３００〜３５０℃程度で接合することが好ましい。

（３）ＢｉにＣｕを添加した材料
上述の通り、はんだ材料はＢｉ単体であってもパワー半導体モジュールの耐熱性を向上させることができるが、Ｂｉの脆性を改善するのであれば、ＢｉにＣｕを添加したはんだ材料とすることが好適である。

ＢｉにＣｕを添加すると、Ｂｉの脆性を改善し、機械的強度が高まるという原因については明らかになっていないが、微細なＣｕがＢｉ中に分散することによるものと思われる。

Ｂｉの脆性を改善するという観点からは、Ｃｕの含有率は０．０１質量％以上であることが好ましく、より好適には０．１質量％以上であり、更に好適には０．４質量％以上である。
一方、Ｃｕを多く添加すると、液相線温度が上昇するので、はんだによる接合時の加熱温度を考慮すると、Ｃｕの含有率は５質量％以下であり、好適には２質量％以下であり、更に好適には１質量％以下である。

ここで、Ｃｕの添加率と液相線温度及び固相線温度との関係について説明する。
ＢｉにＣｕを含有させていくと、Ｃｕの含有率が多くなるにつれ液相線温度が高くなる。液相線温度とは、すべてが溶融し液体となる温度である。一方、Ｃｕの含有率を多くしても、固相線温度は約２７０℃とほぼ一定の温度を示す。固相線温度とは、少なくとも一部が溶解し始める温度をいう。
すなわち、Ｃｕの含有率が多くなるにつれ、溶融し始める温度（固相線温度）と、全体が溶融し終わる温度（液相線温度）との差が大きくなる。このような温度差が生じると、接合操作の際に均一に接合し難くなり、被接合部材が傾いて接合してしまうなどの不具合を発生させ易い。また、液相線温度が高くなったことに起因して、高温で半導体素子を接合すると、半導体素子が破壊されるおそれがある。

また、はんだでの接合時の好適な加熱温度を考慮すると、ＢｉにＣｕを含有させたはんだ材料の液相線温度の上限は６５０℃であり、より好適には４５０℃である。

ＢｉにＣｕを含有させたときの具体的な液相線温度及び固相線温度を下記表１に示す。

ＢｉにＣｕを添加したはんだ材料の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。例えば、具体的な製造方法として下記の方法を挙げることができるが、本発明はこれに限定されない。
所定量のＢｉ及びＣｕを準備し、高周波溶解炉等により加熱、混合した後に、冷却する。

（４）ＢｉにＮｉを添加した材料
ＢｉにＮｉを添加すると、Ｂｉの脆性が改善され、機械的強度が高まる。この原因については明らかになっていないが、微細なＢｉ_３Ｎｉの化合物相がＢｉ中に分散することによるものと思われる。

Ｂｉの脆性を改善するという観点からは、Ｎｉの含有率は０．０１質量％以上であり、好適には０．１質量％以上であり、更に好適には０．４質量％以上である。
一方、Ｎｉを多く添加すると、Ｃｕを添加したときと同様に、液相線温度が上昇する。したがって、はんだによる接合時の加熱温度を考慮すると、Ｎｉの含有率は７質量％以下であり、好適には２質量％以下であり、更に好適には１質量％以下である。
ＢｉにＮｉを含有させたときの具体的な液相線温度及び固相線温度を下記表２に示す。

ＢｉにＮｉを添加したはんだ材料の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を採用することができ、上述のＢｉにＣｕを添加したはんだ材料と同様の方法を採用することができる。

〔Ｂｉ系はんだ材料に対する被接合面〕
半導体モジュールのように、過酷な冷熱サイクルにおいて、反応生成物を生成すると、この反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、脆い反応生成物の場合には、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となったりする。
そこで、Ｂｉ系はんだ材料によって接合する部材の被接合面には、Ｃｕ層を備える。つまり、第一の実施態様では、第二接合部６０にＢｉ系はんだ材料を適用するので、絶縁部３０と放熱板４０のそれぞれの被接合面にＣｕ層を備える。Ｃｕ層を備えることで、Ｂｉとの界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができる。

なお、後述するように、絶縁部３０はＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕの積層体（Ｃｕの純度は９９．９６％以上である）であり、好適な放熱板４０は、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ積層体である。したがって、Ｂｉ系はんだ材料での接合面に別途Ｃｕ層を設けなくとも、絶縁部３０および放熱板４０の表面に設けられたＣｕ層をＢｉ系はんだ材料との界面に備えるように配置すればよい。
Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ積層体を放熱板４０に用いず、放熱板４０の表面にＣｕ層が存在しない場合には、放熱板４０の表面にＣｕ層を設ける。

Ｂｉ系はんだ材料は、Ｂｉ単体のみならず、ＢｉにＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散したはんだ材料、ＢｉにＣｕを添加したはんだ材料、ＢｉにＮｉを添加したはんだ材料であっても、添加したＣｕＡｌＭｎ合金粒子やＣｕやＮｉの存在によらず、Ｃｕ層と接合部との接触界面では、不要な反応生成物が発生し難くなり、温度変化に対しても耐性が高くなる。

＜第一接合部＞
本発明における第一接合部５０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間を接合するために設けられる。上述の通り、本発明では、第一接合部５０の材質としては特に制限されないが、第一の実施態様では上記第二接合部６０に約２７０℃の融点を有するＢｉ系はんだ材料を適用するため、製造工程上、２７０℃よりも充分に高い融点を有する材料を適用することが好ましい。但し、製造工程上、はんだ付けのための加熱によってパワー半導体素子２０が破壊しないよう、第一接合部５０には、融点が４５０℃以下であるものを適用することが好ましい。
つまり、第一接合部５０には、融点が２７０℃よりも充分高く、４５０℃よりも低い材料を適用することが好ましい。

ここで、Ｚｎの融点は約４２０℃である。２回目の接合に用いるＢｉ系はんだ材料の融点が２７０℃であるので、１回目の接合に用いるはんだ材料としてＺｎを適用することは可能であるが、はんだ時の加熱温度のより好適な範囲の上限である４５０℃を考慮すると、これよりも融点を低くすることが望ましい。

そこで、ＺｎにＡｌを添加して融点（固相線温度）を降下させるよう、ＺｎとＡｌの合金とすることが好ましい。また、ＺｎとＡｌの他に、２質量％以下の金属Ｍを含有してもよい。すなわち、第一接合部５０には、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を適用することが好ましい。

Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金において、Ａｌの含有率（ｘの範囲）は、好ましくは、２質量％以上１０質量％以下であり、３質量％以上８質量％以下であることがより好ましい。
Ａｌを含まない場合（ｘが０の場合）には上述のように融点は約４２０℃であって、Ａｌの含有率が増加するに従い、溶解終了温度（液相線温度）は徐々に降下し、Ａｌの含有率が約２質量％で溶解終了温度（液相線温度）が約４１０℃となり、Ａｌの含有率が約４〜６質量％で液相線温度が約３８２℃となる。Ａｌの含有率が約６質量％よりも多くなると、溶解し始める温度（固相線温度）と溶解の完了する温度（液相線温度）との差が大きくなり、Ａｌの含有率が１０質量％の場合には、固相線温度が約３８２℃で、液相線温度が約４１０℃となる。Ａｌの含有率が１０質量％よりも多くなると固相線温度と液相線温度との温度差が３０℃よりも大きくなるので作業性が低下する。

また、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金における金属Ｍは、亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表し、Ｃｕなどを挙げることができる。Ｃｕを２質量％以下含有させると、濡れ性が良好となり密着性が向上する。なおＣｕを２質量％含有しても液相線温度は殆ど変化しない。
Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金において、金属Ｍの含有量（ｙの範囲）としては、０〜２質量％であり、好ましくは０〜１．５質量％である。金属Ｍの含有量が２質量％よりも多くなると、溶解完了までの温度差が３０℃よりも大きくなるので作業性が低下し、はんだによって第一接合部を接合する際に、位置ずれや接合部材の傾斜等の不具合が発生し易くなる。

Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金の調製方法は特に制限されず、公知の合金調製方法を適宜適用することができる。

Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金によってパワー半導体素子２０と絶縁部３０とを接合する場合、合金の液相線温度よりも数十℃高い温度で接合することが、接合部を一様に溶融させ、充分な流動性を得る観点から好ましい。例えば、３８２℃の液相線温度を有するＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙ合金の場合には、４１０℃〜４４０℃程度で接合することが好ましい。

〔Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金に対する被接合面〕
Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を接合部材として用いる場合には、接合する部材の被接合面には、Ｎｉ層を備えることが好ましい。
つまり、第一の実施態様では、第一接合部５０にＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を適用するので、パワー半導体素子２０と絶縁部３０のそれぞれの被接合面にＮｉ層２２，３８を備える。本発明では、絶縁部３０としてＣｕ３４／ＳｉＮｘ３２／Ｃｕ３６積層体を適用するので、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金で接合される面側のＣｕ層３４上に、Ｎｉ層３８を備える。
Ｎｉ層を備えることで、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金との界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができ、温度変化に対しても耐性が高くなる。

Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金の被接合面に設けるＮｉ層２２，３８の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜５μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｎｉ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。

＜パワー半導体素子＞
パワー半導体素子２０としては、特に制限することなく用途に応じて適宜適用することができ、一般的なＳｉ基板（熱膨張係数：３ｐｐｍ／℃）なども適用できる。
本発明では、次世代素子としてＧａＮ基板（熱膨張係数：５．６ｐｐｍ／℃）やＳｉＣ基板（熱膨張係数：３ｐｐｍ／℃）などを用いた場合であっても、第二接合部６０に用いるＢｉ系はんだ材料の融点（固相線温度）が約２７０℃のため、半導体素子の繰り返し使用によって放熱される２００℃を超える高温に対しても、亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。

また、第一の実施態様では、第一接合部５０にＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を適用するので、パワー半導体素子２０は、第一接合部５０側の表面にＮｉ層２２を設ける。第一接合部５０としてＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を用いた場合、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙ層とＮｉ層２２との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、温度変化に対しても耐性が高くなる。

更にＮｉ層２２の表面には、酸化防止やぬれ性（密着性）確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にはんだ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。

このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ〜０．５μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０５μｍ〜０．３μｍである。Ａｕ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。

＜絶縁部＞
絶縁部３０における絶縁材料としては、ＳｉＮｘセラミックスを適用する。ＳｉＮｘにおけるｘは４／３を表し、つまりＳｉＮｘはＳｉ_３Ｎ_４を表すが、製造環境が異なることによる成分比率の誤差を許容する。

また、パワー半導体素子側の表面から半導体素子に電気を通すために、絶縁部材（ＳｉＮｘ層）３２の表面に導電層３４を設ける。また、温度変化に対するそりを抑制するために、放熱板４０側の表面にも導電層３６を設ける。このような導電層３４，３６としてＣｕ層を設ける。したがって、本発明のパワー半導体モジュールでは、絶縁部３０として、Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体を適用する。さらに、図１では、導電層３４であるＣｕ層とパワー半導体素子２０とがＡｌワイヤ８０で接続されている。

なお、絶縁部としてＣｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ積層体を適用した場合には、Ｃｕ層を表面に有するため、Ｂｉ系はんだ材料との界面で不要な生成物を発生させ難いと考えられる。
しかし、ＳｉＮｘの破壊強度は７００ＭＰａであり、ＡｌＮの破壊強度が４００ＭＰａであるのに比べて、高い破壊強度を示す。そのため、Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の方が、Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ積層体よりもセラミックス部分の強度が高く、亀裂などの不具合を発生させ難い。
更に、Ａｌに比べてＣｕの方が加工硬化指数および加工硬化係数が大きいために、Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ積層体はＡｌ／ＡｌＮ／Ａｌ積層体に比べて、ＡｌＮセラミックスに大きな負荷がかかっていると、長友らの論文（有限要素法によるパワーモジュール用基板の熱サイクル特性解析」エレクトロニクス実装学会誌、Vol.3,No.4,pp330-334,2000）は開示している。つまり、Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ積層体の方が、Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ積層体よりも、冷熱サイクルに対する耐久性が高いことを示している。

一方、Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ積層体では、更に過酷な冷熱サイクル試験の条件において、具体的には、−４０℃〜２００℃の温度範囲での冷熱サイクル試験においては、Ａｌ層の表面に４０μｍ程度の凹凸が発生することがある。
この理由は明らかとなっていないが、ＡｌとＡｌＮの熱膨張係数の差によるものと推測される。Ａｌ金属板の熱膨張係数は２５ｐｐｍ／℃であり、ＡｌＮの熱膨張係数は４．３ｐｐｍ／℃である。このように積層体の部材間で熱膨張係数が大きく異なるため、Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ積層体に−４０℃〜２００℃と温度差の大きい冷熱サイクル試験を行なうと、Ａｌ金属板に繰り返し大きな熱応力が発生する。更に、Ａｌは降伏応力が低く塑性変形しやすいために、Ａｌの表面に大きな凹凸が発生するものと推測される。

なお、Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ積層体や、Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ積層体などの絶縁部材を適用したパワー半導体モジュールであっても、冷熱サイクル試験の温度範囲が−４０℃〜１２５℃程度の用途であれば充分実用し得る。
しかし、本発明では絶縁部としてＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体（Ｃｕの純度は９９．９６％以上である）を適用するため、−４０℃〜２００℃と温度差の大きい冷熱サイクルにおいても、クラックや亀裂などの不具合を発生させ難い。

ＳｉＮｘの表面に備える導電層（Ｃｕ層）３４、３６の厚さは、０．０１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍであることがより好ましい。導電層の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合には、横方向への電流による損失及び発熱が無視できなくなり、１ｍｍを超える場合には、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。

ＳｉＮｘの両表面に導電層（Ｃｕ層）３４、３６を貼付する方法は特に制限されず、ロウ付けなどの公知の方法を適宜採用することができる。

なお、ＳｉＮｘの表面に導電層（Ｃｕ層）３４、３６としてＣｕ層を設けるので、Ｂｉ系はんだ材料を適用するときに、接合部との界面において不要な反応生成物を生成させないように設けるＣｕ層の機能を兼ねることができる。

また、上述のように、絶縁部３０としてのＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体とパワー半導体素子２０との熱膨張係数の差が小さくなるほど、はんだ接合部内にクラックを発生させ難くなる。特に、冷熱サイクル前における、パワー半導体素子２０と絶縁部３０（Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体）との熱膨張係数の差を１．６ｐｐｍ／℃以下とすることが好ましく、より好ましくは１．０ｐｐｍ／℃以下とする場合である。これについて、以下で詳細に説明する。

図２は、絶縁部３０とパワー半導体素子２０の熱膨張係数の差と、不良サイクル数との関係を示すグラフである。
図２の試験では、１２ｍｍ×９ｍｍのＳｉパワー半導体素子（熱膨張係数：３ｐｐｍ／℃）と、各種の熱膨張係数を有する１７ｍｍ×１７ｍｍの基板（絶縁部）とを、接合部の厚さが０．１ｍｍとなるようにＳｎ−０．７Ｃｕのはんだ材料で接合し、試験片を作製した。

この試験片を、−４０℃〜２００℃の冷熱サイクル試験機に入れ、冷熱サイクル試験の途中で試験片を抜き出し、超音波探傷装置にて非破壊の方法で、はんだ接合部のクラックを観察した。

その結果、図２に示すように、Ｓｉパワー半導体素子と基板の熱膨張係数の差が大きくなるほど不良サイクル数が小さくなることが明らかとなった。
なお、不良サイクル数とは、下記式（１）に示すように、はんだ接合部の面積率が９０％になる冷熱サイクル数であり、大きい値になるほど不良が発生するまでの冷熱サイクル数が多いことを示すので、耐久性に優れることを意味する。

式（１）：
はんだ接合部の面積率＝（冷熱サイクル後にはんだで接合されている面積／冷熱サイクル前にはんだで接合した面積）×１００（％）

はんだ接合部の面積率が９０％になるまでの冷熱サイクル数を不良サイクル数としたのは、はんだ接合部に発生するクラックや剥離は、パワー半導体素子周辺のコーナー部分から発生するので、１０％程度のクラックや剥離は、放熱性に対しての影響がそれほど深刻ではないからである。

図２に示すように、−４０℃〜２００℃での冷熱サイクルの合格基準を２０００サイクルとすると、熱膨張係数差を３ｐｐｍ／℃以下にすることが重要である。つまり、Ｓｉパワー半導体素子の熱膨張係数は３ｐｐｍ／℃であるから、絶縁部の熱膨張係数は６ｐｐｍ／℃以下とすることが好適である。

絶縁部の熱膨張係数の調整方法としては、Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体に用いる材料の純度を変えるなどの方法も挙げることができるが、Ｃｕ層及びＳｉＮｘ層の厚みを調節する方法が好適である。
図３に、絶縁部３０としてＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体を用いたときの、Ｃｕ板厚に対するＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体全体での熱膨張係数の関係を示す。
Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体は、板厚が０．３２ｍｍのＳｉＮｘ板に、各種の板厚のＣｕ板を貼り付けて準備した。Ｃｕは純度９９．９６％以上のいわゆる無酸素銅である。ＳｉＮｘ層の両側のＣｕの板厚は等しくなるようにした。

図３に示すように、Ｃｕ板厚を厚くすると熱膨張係数は増大する。また、図３には、−４０℃〜２００℃での冷熱サイクルを行なった後の熱膨張係数についても表示した。
一般的に熱膨張係数は材料に固有の値であるため、絶縁部の熱膨張係数は一定の値を示すものと思われたが、図３に示すように、予期せぬことに冷熱サイクル後の絶縁部の熱膨張係数は、冷熱サイクル前の熱膨張係数よりも高い値になっている。
したがって、冷熱サイクル試験後には、絶縁部３０の熱膨張係数が増大することを考慮して、絶縁部の設計を行なうことが好適である。

具体的には、パワー半導体素子２０としてＳｉパワー半導体素子（熱膨張係数：３ｐｐｍ）を適用したときには、上述の図２の結果から、絶縁部３０の熱膨張係数は６ｐｐｍ／℃以下とすることが好適であるが、２０００サイクル試験後には、絶縁部３０の熱膨張係数が増大することを考慮して、冷熱サイクル試験前の絶縁部３０の熱膨張係数を４．０ｐｐｍ／℃以下とすることが好ましい。
つまり、２０００サイクル試験後において、絶縁部３０の熱膨張係数とパワー半導体素子２０の熱膨張係数の差を３ｐｐｍ／℃以下（６ｐｐｍ／℃ − ３ｐｐｍ／℃ ＝ ３ｐｐｍ／℃）とするには、冷熱サイクル試験前の該熱膨張係数の差を１ｐｐｍ／℃以下（４ｐｐｍ／℃ − ３ｐｐｍ／℃ ＝ １ｐｐｍ／℃）とすることが特に好適である。

冷熱サイクルの合格基準は、パワー半導体モジュールの用途によって異なる。例えば、−４０℃〜２００℃での冷熱サイクルの合格基準を１６００サイクルとする用途であれば、図２から、Ｓｉパワー半導体素子（熱膨張係数：３ｐｐｍ／℃）と絶縁部３０の熱膨張係数差は４．０ｐｐｍ／℃以下とすることが望ましいので、絶縁部３０の熱膨張係数を７．０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
冷熱サイクル試験を１６００サイクル行なった後の熱膨張係数については、図３のサイクル試験前と２０００サイクル後の熱膨張係数の変化の様子から、図３の点線に示すようなグラフであると推測することができる。
したがって、冷熱サイクル試験を１６００サイクル行なった後でも熱膨張係数差が７．０ｐｐｍ以下となるようにするには、冷熱サイクル試験前の絶縁部３０の熱膨張係数を４．６ｐｐｍ以下とすることが好適であることが推測できる。
つまり、−４０℃〜２００℃での冷熱サイクルの合格基準を１６００サイクルとするのであれば、パワー半導体素子２０と絶縁部３０との熱膨張係数差は、冷熱サイクル試験前において、１．６ｐｐｍ／℃以下（４．６−３＝１．６ｐｐｍ／℃）とすることが好適である。

なお、各部材の熱膨張係数を冷熱サイクル前後について測定し、その結果を確認してからパワー半導体モジュールを製造するのでは、多大な時間と労力を必要とする。そのため、冷熱サイクル試験前の熱膨張係数で判断できることが現実的であり望ましい。

Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の熱膨張係数は、上述の通り、Ｃｕ板厚を調整することで変更することが可能である。
導電層としてのＣｕ層３４、３６の厚さは、既述のように０．０１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍであることがより好ましい。このＣｕ層の厚さの範囲において、Ｃｕ層およびＳｉＮｘ層の厚みを変えて、冷熱サイクル試験前のＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の全体の熱膨張係数を調節する。この際、パワー半導体素子２０の熱膨張係数との差異が、１．６ｐｐｍ以下、好ましくは１．０ｐｐｍ／℃以下となるように、厚さを調整することが好ましい。

Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の熱膨張係数は、理学電機株式会社製のＴＭＡ８１４０型を用いて測定される。
具体的には、まず、熱膨張係数を測定する試料の長さ（Ｌ）をマイクロメータによって測定し、この試料を上記熱膨張係数測定機に入れる。次に、熱をかけて試料の伸び（長さ）を測定し、１℃あたりの伸び率ΔＬを求める。そして、ΔＬ／Ｌ（×１０^−６）［ｐｐｍ／℃］から熱膨張係数を算出する。試料のサイズが大きくなるほど測定誤差が小さくなるため好ましいが、凡そ１０ｍｍ〜２０ｍｍのサイズの試料で測定する。

Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を適用する第一接合部５０側の絶縁部３０におけるＣｕ層３４の表面には、Ｎｉ層３８を設ける。上述の通り、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金は、Ｎｉ層との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、Ｎｉ層３８を設けることで温度変化に対しても亀裂や剥離などの不具合を生じさせ難くなる。

Ｎｉ層３８の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、３μｍ〜８μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。

更にＮｉ層３８の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にはんだ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。

このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ〜０．５μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０５μｍ〜０．２μｍである。

＜放熱板＞
放熱板４０としては、放熱性を有するものであれば特に制限されず適用することができるが、熱伝導率が充分高く放熱板としての機能に優れ、また半導体素子の熱膨張係数に近いものを用いることが好ましい。

具体的に好適な放熱板４０としては、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ、Ａｌなどで形成されるものを挙げることができ、この中でも高い熱伝導率とパワー半導体素子に近い熱膨張係数を有することから、Ｍｏが好適である。

Ｍｏを放熱板に用いる場合には、はんだによる接合を可能とする観点から、Ｍｏの両面に他の金属層を設けることが好ましく、このような金属層としては、Ｃｕ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＣｕが好ましい。特に、放熱板４０が、Ｍｏの表面にＣｕ層を設けたＣｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の積層体であることが、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。

このように、放熱板４０が、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体である場合、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることが好ましく、１／７／１〜１／９／１であることがより好ましい。１／５／１よりもＭｏ層が薄くなると、パワー半導体素子の熱膨張係数から離れた熱膨張係数を有することになるため好ましくない。１／１２／１よりもＭｏ層が厚くなると、放熱板としての放熱機能が充分に発揮され難くなり、好ましくない。

具体的な層の厚さとしては、Ｃｕ層４４、４６は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。Ｍｏ層４２の厚さは、１ｍｍ〜７ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜４ｍｍであることがより好ましい。

Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体は、放熱機能を充分に発揮させるため、全体の厚さは１ｍｍ〜８ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。

既述の通り、Ｂｉ系はんだ材料は、Ｃｕ層との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、Ｃｕ層４４がＢｉ系はんだ材料と接する構造である本発明にかかるパワー半導体モジュールは、温度変化に対しても耐性が高くなる。

＜製造方法＞
本発明のパワー半導体モジュールは、上記構成を有するものであれば、製造方法について特に制限されず、公知の方法を適宜適用することができる。
第一の態様のパワー半導体モジュールの製造手順としては、まず、パワー半導体素子２０と絶縁部３０とをＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金によって接合して第一接合部５０を形成し、その後、パワー半導体素子２０が第一接合部５０で接合された絶縁部３０と、放熱板４０と、をＢｉ系はんだ材料によって接合して第二接合部６０を形成する。

この製造方法では、１回目の接合には、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金をはんだ材料として用い、この合金の固相線温度よりも低い液相線温度を有するＢｉ系はんだ材料を２回目の接合に適用するので、２回目の接合時に位置ずれなどの不具合を起こし難い。
また、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５０に、より固相線温度の高いＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を適用し、半導体素子から遠い側の第二接合部６０には、第一接合部５０に用いたはんだ材料よりも液相線温度の低いＢｉ系はんだ材料を適用するので、耐熱性にも優れる。

第一接合部５０におけるパワー半導体素子２０と絶縁部３０との接合は、具体的には、まず、パワー半導体素子のＮｉ層２２と絶縁部３０のＮｉ層３８とが対向するように配置し、次に、その間にＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を挟み、その後、パワー半導体素子２０（Ｎｉ層３８）／Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金（第一接合部材部）５０／（Ｎｉ層３８）絶縁部３０をこの順に積層した状態で、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して行なわれる。
接合温度は、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金の液相線温度よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。

第一接合部材５０の層の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５〜５００μｍであることが好ましく、１０〜２００μｍであることがより好ましい。

第二接合部６０による接合は、第一接合部５０によってパワー半導体素子２０が接合された絶縁部３０と、放熱板４０とを用い、絶縁部３０のＣｕ層３９と放熱板４０のＣｕ層４４とが対向するように配置し、その間にＢｉ系はんだ材料を挟み、絶縁部３０（Ｃｕ層３９）／Ｂｉ系はんだ材料（第二接合部材部）６０／（Ｃｕ層４４）放熱板４０の順に積層した状態で、第一接合部５０による接合と同様に、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して行なわれる。
接合温度は、Ｂｉ系はんだ材料の液相線温度よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。

なお、接合の際にＢｉの濡れ性が良好でない場合があるので、被接合部材に外圧を加えながら擦動させることが好ましい。

Ｂｉ系はんだ材料の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５〜５００μｍであることが好ましく、１０〜３００μｍであることがより好ましい。

＜第二の態様のパワー半導体モジュール＞
図４に、第二の態様のパワー半導体モジュールの構造の模式的な断面図を示す。
第一の実施態様では、第一接合部５０にＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を適用し、第二接合部６０にはＢｉ系はんだ材料を適用したが、第二の実施態様では、第一接合部５０にＢｉ系はんだ材料を適用し、第二接合部６０にＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を適用する。

第二の実施態様では、第一接合部５０に接するパワー半導体素子２０の被接合面と絶縁部３０の被接合面とに、Ｃｕ層を設ける。但し、本発明では、絶縁部３０としてＣｕ３４／ＳｉＮｘ３２／Ｃｕ３６積層体を適用するので、絶縁部３０の表面にＣｕ層を別途設けなくてもよい。
一方、パワー半導体素子２０の表面には、Ｃｕ層２４を設ける。パワー半導体素子２０の表面のＣｕ層２４の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜５μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｃｕ層２４は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。

また、第二接合部６０に接する絶縁部３０の被接合面と放熱板４０の被接合面には、Ｎｉ層６２，６４を設ける。本発明では、絶縁部３０としてＣｕ３４／ＳｉＮｘ３２／Ｃｕ３６の積層体を適用するので、第二接合部６０側のＣｕ層３６の表面に、Ｎｉ層６２を設ける。

第二の態様のパワー半導体モジュールの製造では、第二接合部６０を先に接合し、第一接合部５０を２回目に接合する。
その他については、第一の実施態様と同様であるので、説明を省略する。

＜第三の態様のパワー半導体モジュール＞
第三の実施態様では、第一接合部５０には、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金やＢｉ系はんだ材料以外のはんだ材料を適用し、第二接合部６０にＢｉ系はんだ材料を適用する。
但し、第一接合部５０に適用するはんだ材料の液相線温度は、Ｂｉ系はんだ材料の液相線温度よりも高く、且つ６５０℃よりも低く、より好ましくは４５０℃よりも低い。
このような第一接合部５０のはんだ材料としては、Ａｕ−Ｓｉ（融点３６０℃）、Ａｕ−Ｇｅ（融点３５６℃）などを挙げることができる。第一接合部５０のはんだ材料として、Ｐｂ−Ｓｎはんだ材料を用いることもできるが、Ｐｂフリーのはんだ材料の要求があるため、Ｐｂを含まないはんだ材料を適用することが望ましい。

第三の実施態様では、第二接合部６０に接する絶縁部３０の被接合面と放熱板４０の被接合面には、第一の実施態様と同様にＣｕ層を設ける。
しかし、絶縁部３０はＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕの積層体であり、好適な放熱板４０は、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ積層体であるので、Ｂｉ系はんだ材料での接合面に別途Ｃｕ層を設けなくとも、絶縁部３０および放熱板４０の表面に設けられたＣｕ層をＢｉ系はんだ材料との界面に備えるように配置すればよい。放熱板４０としてＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕ積層体を用いず、放熱板４０の表面にＣｕ層が存在しない場合には、放熱板４０の表面にＣｕ層を設ける。

一方、第一接合部５０に接するパワー半導体素子２０の被接合面と絶縁部３０の被接合面とには、第一接合部５０に用いるはんだ材料と反応して反応生成物を発生させないような金属層を設けてもよいし、設けなくてもよい。
そして、第一の実施態様と同様に、第一接合部５０を先に接合し、第二接合部６０を２回目に接合する。
その他については、第一の実施態様と同様であるので、説明を省略する。

＜第四の態様のパワー半導体モジュール＞
図５に、第四の態様のパワー半導体モジュールの構造の模式的な断面図を示す。
第一の実施態様から第三の実施態様では、２箇所の接合部分には、別種のはんだ材料を用いているが、Ｂｉ系はんだ材料において、Ｂｉに添加する材料の種類や添加量を変えることで、融点が大きく変わる場合には、１回目の接合と２回目の接合の両者に、Ｂｉ系はんだ材料を適用することができる。この場合においても、２回目の接合に用いるはんだ材料の融点は、１回目の接合に用いるはんだ材料の融点よりも３０℃以上低いことが望ましく、且つパワー半導体からの発熱を考慮して２００℃以上であることが望ましい。

第四の実施態様では、第一接合部５０と第二接合部６０の２箇所に、Ｂｉ系はんだ材料を適用するので、パワー半導体素子２０、絶縁部３０および放熱板４０の被接合面に、Ｃｕ層を設ける。但し、本発明では、絶縁部３０としてＣｕ３４／ＳｉＮｘ３２／Ｃｕ３６積層体を適用するので、絶縁部３０の表面にＣｕ層を別途設けなくてもよい。また、放熱板４０には、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６を適用することが好ましいので、放熱板４０の表面にＣｕ層を別途設けなくてもよい。
一方、パワー半導体素子２０の表面には、Ｃｕ層２４を設ける。パワー半導体素子２０の表面のＣｕ層２４の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜５μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｃｕ層２４は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。

＜第五の態様のパワー半導体モジュール＞
第一の態様のパワー半導体モジュール１０では、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを有していたが、図６に示すように、放熱板を設けずに絶縁部３０を直接冷却してもよい。
第一接合部５０にＢｉ系はんだ材料を適用し、パワー半導体素子２０の被接合面に、Ｃｕ層２４を設ける。絶縁部３０としてＣｕ３４／ＳｉＮｘ３２／Ｃｕ３６積層体を適用するので、絶縁部３０の被接合面にはＣｕ層を別途設けなくてもよい。
絶縁部３０を冷却器７０に止め付けるため、絶縁部３０のＳｉＮｘセラミックス板３２を押さえ板９２と冷却器７０で挟み、ネジ９０で固定する。このとき、冷却器７０に形成されたリング溝にＯリング９４を取り付けて、ＳｉＮｘセラミックス板３２を介して押さえ板９２を、外側からネジ９０で加締めると、冷却器７０とセラミックス板３２の隙間から冷却水７２が漏れにくくなる。
それ以外については、第一〜第四の実施態様と同様であるので、説明を省略する。

＜第六の態様のパワー半導体モジュール＞
第五の態様のパワー半導体モジュール１０では、絶縁部３０のＣｕ層３４，３６は板状で示しているが、図７に示すように、冷却器側のＣｕ層３６をフィン状に形成してもよい。
それ以外については、第五の実施態様と同様であるので、説明を省略する。

以下では実施例により本発明を説明するが、本発明のパワー半導体モジュールの製造方法の一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
図１に本実施例のパワー半導体モジュールの構成を示す。

＜パワー半導体素子の準備＞
ＳｉＣ（熱膨張係数：３ｐｐｍ／℃）を用いた１２ｍｍ×９ｍｍのパワー半導体素子２０を準備し、その最表面にＮｉ層２２をスパッタリングで形成した。Ｎｉ層２２の表面にはＡｕ層（図示せず）をスパッタリングで形成した。

＜絶縁部の準備＞
絶縁部３０として、Ｃｕ層３４／ＳｉＮｘ層３２／Ｃｕ層３６の積層体を作製した。
まず、厚さ０．３２ｍｍのＳｉＮｘを準備し、このＳｉＮｘの両面に、ロウ付けによって厚さ０．０５ｍｍのＣｕ層３４、３６を貼り付けて、積層体−１を作製した。
同様にして、但し、Ｃｕ層３４、３６の厚さを、０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．３ｍｍに変えて、積層体−２，−３，−４を作製した。なお、ＳｉＮｘの両面においてＣｕ層の厚さが等しくなるようにした。
積層体−１〜４において、一方の表面にＮｉ層３８をメッキにより形成し絶縁部積層体−１〜４を作製した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
得られた絶縁部積層体−１〜４の冷熱サイクル試験前の熱膨張係数は、図３に示すとおりである。

＜第一接合部の接合＞
予め準備したＺｎ_0.96Ａｌ_0.04合金を放電加工法を利用して、１５０〜２００μｍの厚みに切り出した。
上記準備したパワー半導体素子２０のＮｉ層２２と、絶縁部積層体−１のＮｉ層３８とを対向するように配置し、その間にＺｎ_0.96Ａｌ_0.04層５０を挟み込んだ状態で、還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して、４２０℃の接合温度で接合した。同様に、絶縁部積層体−１に代えて、絶縁部積層体−２〜４を用いて第一部接合部で接合した。

＜放熱板の準備＞
放熱板４０として、Ｍｏの両表面にＣｕ層を貼り付けて、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体を作製した。積層体全体の厚さは３ｍｍであり、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の厚さの比率は、１／８／１であった。

＜第二接合部＞
（Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの調製）
まず、ＣｕＡｌＭｎ合金の調製を行った。
所定の質量％に調整されたＣｕとＡｌとＭｎを、Ａｒ雰囲気下において高周波溶解炉を利用して溶解し、前駆体であるＣｕＡｌＭｎのインゴットを得た。得られたインゴットをアトマイズ法を利用して微粉化した。
微粉化したＣｕＡｌＭｎは、滴下法を利用して、その粉末表面にＮｉをめっきした。

次に、表面がＮｉめっきされたＣｕＡｌＭｎ粉末とＢｉとを、透明石英管に真空封入し、Ｂｉの融点以上である４００℃の温度にて５分間保持した。これにより、Ｂｉが溶融状態となり、ＣｕＡｌＭｎ粉末が均一に分散された。分散された試料を冷却凝固することによって、第二接合部６０のハンダ材料であるＢｉ−ＣｕＡｌＭｎが得られた。

鋳塊のＢｉ−ＣｕＡｌＭｎを放電加工法を利用して、１５０〜２００μｍの厚みに切り出した。

（接合）
パワー半導体素子２０を第一接合部５０で接合した絶縁部積層体−１におけるＣｕ層３９と、放熱板４０のＣｕ層４４とが対向するように配置し、その間に酸化膜を除去したＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ層を挟み込んだ状態で、還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して３２０℃の接合温度で接合し、パワー半導体モジュール−１を得た。
得られたパワー半導体モジュール−１は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを積層し、その間をそれぞれＺｎ_0.96Ａｌ_0.04合金及びＢｉ−ＣｕＡｌＭｎで接合したものである。

なお、１回目の接合部分（Ｚｎ_0.96Ａｌ_0.04合金による接合箇所）は、２回目のハンダ付けの加熱によっても溶融することがなく、２回目の接合時に位置ずれを起こしたり、傾いたりという不具合を発生させていなかった。

同様に、絶縁部積層体−１に変えて、絶縁部積層体−２〜４を放熱板に接合し、パワー半導体モジュール−２〜４を作製した。

＜冷熱サイクル試験＞
得られたパワー半導体モジュール−１〜４について、冷熱サイクル試験を行った。
本実施例において冷熱サイクル試験は、−４０℃と２００℃の間を２０分で上昇・降下させるのを１サイクルとし、その１サイクルを合計で２０００サイクル行った。
２０００サイクル後の接合部の断面を電子顕微鏡により観察し、界面の反応生成物の有無、亀裂や空隙などの不具合の有無を調べた。

その結果、パワー半導体モジュール−１〜４の接合部の界面には反応生成物は観察されなかった。また、Ｃｕ層の表面は変化せず、表面に凹凸も発生していなかった。
したがって、これらの評価試験体は、過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。

［実施例２］
図８に示すような、パワー半導体素子と絶縁部とをＢｉ系はんだ材料で接合した評価試験体−１を作製した。

＜パワー半導体素子の準備＞
ＳｉＣ（熱膨張係数：３ｐｐｍ／℃）を用いた１２ｍｍ×９ｍｍのパワー半導体素子２０を準備し、その最表面にＣｕ層２２をスパッタリングで形成した。

＜絶縁部の準備＞
実施例１における絶縁部の積層体−２（Ｃｕ層の厚さ：０．１ｍｍ）を準備した。

＜パワー半導体素子と絶縁部の接合＞
Ｂｉ単体を１５０〜２００μｍの厚みに切り出した。切り出されたＢｉ単体層の表面を覆っている酸化膜を、研磨及び酸洗浄を利用して除去した。
上記準備したパワー半導体素子２０のＣｕ層２２と、絶縁部３０のＣｕ層３６とを対向するように配置し、その間にＢｉ単体層を挟み込んだ状態で、５％Ｈ_２／Ｎ_２の還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して、３２０℃の接合温度で接合し、絶縁部におけるＣｕ層の厚さの異なる評価試験体−１を得た。

＜冷熱サイクル試験＞
得られた評価試験体−１について、冷熱サイクル試験を行った。
本実施例において冷熱サイクル試験は、−４０℃と２００℃の間を２０分で上昇・降下させるのを１サイクルとし、その１サイクルを合計で２０００サイクル行った。
２０００サイクル後の接合部の断面を電子顕微鏡により観察し、界面の反応生成物の有無、亀裂や空隙などの不具合の有無を調べた。

その結果、評価試験体−１の接合部の界面には反応生成物は観察されなかったが、微小な空隙が僅かに観察された。しかし、亀裂は生成していなかった。また、Ｃｕ層の表面は変化せず、表面に凹凸も発生していなかった。
したがって、評価試験体−１は、過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。

［実施例３］
実施例２において、接合部材としてＢｉ単体を用いたところを、Ｂｉに１質量％のＣｕを添加したものに変更した以外は同様にして、評価試験体−２を作製した。
得られた評価試験体−２について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、接合部の界面には反応生成物は観察されず、空隙や亀裂も確認されなかった。したがって、評価試験体−２は、過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。

［実施例４］
実施例１において、接合部材としてＢｉ単体を用いたところを、Ｂｉに０．５質量％のＮｉを添加したものに変更した以外は同様にして、評価試験体−３を作製した。
得られた評価試験体−３について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、接合部の界面には反応生成物は観察されず、空隙や亀裂も確認されなかった。したがって、評価試験体−３は、過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。

［比較例１］
＜パワー半導体素子の準備＞
実施例２のパワー半導体素子の準備において、パワー半導体素子２０の最表面にＣｕ層２２をスパッタリングで形成したところをＮｉ層に変更した以外は同様にして、パワー半導体素子を準備した。

＜絶縁部の準備＞
実施例２の絶縁部の準備において、積層体−１のＣｕ層３４の表面に、Ｎｉ層をスパッタリングで形成した以外は同様にして、絶縁部を準備した。

＜第一接合部の接合＞
実施例２のパワー半導体素子と絶縁部の接合において、上記準備したパワー半導体素子２０のＮｉ層と、絶縁部３０のＮｉ層とを対向するように配置し、その間にＢｉ単体層を挟み込んだ状態で接合した以外は同様にして、比較の評価試験体−１０を作製した。

＜冷熱サイクル試験＞
得られた比較の評価試験体−１０について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、接合部の界面ではＢｉ_３Ｎｉが多量に発生し、その周囲には多数の空隙が観察された。このＢｉ_３Ｎｉは非常に脆い性質であり、−４０℃〜２００℃の冷熱サイクルに対しては信頼性が得られにくいことが確認された。

［比較例２］
比較例１において、Ｂｉ単体層によって接合したところを、Ｂｉに１質量％のＣｕを添加したものに変更した以外は同様にして、比較の評価試験体−１１を作製した。
得られた比較の評価試験体−１１について、実施例１と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、比較の評価試験体−１０と同様に、接合部の界面ではＢｉ_３Ｎｉが多量に発生し、その周囲には多数の空隙が観察された。このＢｉ_３Ｎｉは非常に脆い性質であり、−４０℃〜２００℃の冷熱サイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認された。

［比較例３］
比較例１において、Ｂｉ単体層によって接合したところを、Ｂｉに０．５質量％のＮｉを添加したものに変更した以外は同様にして、比較の評価試験体−１２を作製した。
得られた比較の評価試験体−１２について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、比較の評価試験体−１０と同様に、接合部の界面ではＢｉ_３Ｎｉが多量に発生し、その周囲には多数の空隙が観察された。このＢｉ_３Ｎｉは非常に脆い性質であり、−４０℃〜２００℃の冷熱サイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認された。

［比較例４］
実施例３において、絶縁部として、Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕの積層体を用いたところを、Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌの積層体とした以外は同様にして、比較の評価試験体−１３を作製した。
得られた比較の評価試験体−１３について、実施例１と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、Ａｌ表面に４０μｍ程度の凹凸の発生が確認された。したがって、−４０℃〜２００℃の冷熱サイクルに対しては信頼性が得られにくいことが確認された。

作製した評価試験体の構成とその評価結果を下記表３にまとめる。

第一の態様のパワー半導体モジュール１０の構成を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 Ｓｉ半導体素子と絶縁部の熱膨張係数の差に対する不良サイクル数の関係の一例を示すグラフである。 Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体におけるＣｕ層の厚みと、Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の全体での熱膨張係数との関係の一例を示すグラフである。 第二の態様のパワー半導体モジュール１０の構成を示す図である。 第四の態様のパワー半導体モジュール１０の構成を示す図である。 第五の態様のパワー半導体モジュール１０の構成を示す図である。 第六の態様のパワー半導体モジュール１０の構成を示す図である。 実施例における評価試験体の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ パワー半導体モジュール
２０ パワー半導体素子
２２，３８ Ｎｉ層
２４ Ｃｕ層
３０ 絶縁部
３２ 絶縁部材（ＳｉＮｘ層）
３４、３６ 導電層（Ｃｕ層）
４０ 放熱板
４２ Ｍｏ層
４４、４６ Ｃｕ層
５０ 第一接合部
６０ 第二接合部
７０ 冷却器
７２ 冷却水
８０ Ａｌワイヤ
９０ ネジ
９２ 板
９４ Ｏリング

Claims (11)

1. Ｃｕ層を表面に備えたパワー半導体素子と、ＳｉＮｘセラミックス板の両面にＣｕ層を備えたＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の絶縁部と、を有し、
   前記パワー半導体素子と前記絶縁部とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、２つのＣｕ層の間をＢｉ系はんだ材料で接合してなり、
   前記Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体におけるＣｕの純度が、９９．９６％以上であり、
   冷熱サイクル試験前における、前記Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の熱膨張係数と、前記パワー半導体素子の熱膨張係数との差が、１．６ｐｐｍ／℃以下であるパワー半導体モジュール。
2. パワー半導体素子と、ＳｉＮｘセラミックス板の両面にＣｕ層を備えたＣｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の絶縁部と、Ｃｕ層を表面に備えた放熱板と、を有し、前記絶縁部と前記放熱板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、２つのＣｕ層の間をＢｉ系はんだ材料で接合してなり、
   前記Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体におけるＣｕの純度が、９９．９６％以上であり、
   冷熱サイクル試験前における、前記Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体の熱膨張係数と、前記パワー半導体素子の熱膨張係数との差が、１．６ｐｐｍ／℃以下であるパワー半導体モジュール。
3. 前記Ｃｕ／ＳｉＮｘ／Ｃｕ積層体は、前記ＳｉＮｘセラミックス板及び前記Ｃｕ層の厚みの調整によって熱膨張係数が調整されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記Ｂｉ系はんだ材料が、（１）Ｂｉ単体、（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、（３）ＢｉにＣｕを添加した材料、又は（４）ＢｉにＮｉを添加した材料、であることを特徴とする請求項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ＢｉにＮｉを添加した材料は、Ｎｉの含有率が０．０１質量％以上７質量％以下であることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
6. 前記ＢｉにＣｕを添加した材料は、Ｃｕの含有率が０．０１質量％以上５質量％以下であることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
7. 前記Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎは、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の含有率が０．５質量％以上２０質量％以下であることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
8. Ｎｉ層を表面に備えた前記パワー半導体素子と、Ｎｉ層を表面に備えた前記絶縁部とを備え、前記パワー半導体素子と前記絶縁部とをそれぞれのＮｉ層が対向するように配し、該２つのＮｉ層の間を、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙ（ｘは０．０２〜０．１０であり、ｙは０〜０．０２であり、Ｍは亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表す。）で表される合金で接合してなる請求項２〜請求項７のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
9. 前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
10. 前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項２〜請求項９のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
11. 前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項１０に記載のパワー半導体モジュール。

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