(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023182429
(43)【公開日】2023-12-26
(54)【発明の名称】パワーモジュール用基板
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20231219BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022096031
(22)【出願日】2022-06-14
(71)【出願人】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100162868
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 英輔
(74)【代理人】
【識別番号】100161702
【弁理士】
【氏名又は名称】橋本 宏之
(74)【代理人】
【識別番号】100189348
【弁理士】
【氏名又は名称】古都 智
(74)【代理人】
【識別番号】100196689
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 康一郎
(72)【発明者】
【氏名】山下 信樹
(72)【発明者】
【氏名】柳田 憲史
(72)【発明者】
【氏名】増澤 高志
(72)【発明者】
【氏名】江積 匡彦
【テーマコード（参考）】
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H770AA22
5H770BA02
5H770DA03
5H770JA10X
5H770JA11W
5H770PA11
5H770PA21
5H770PA42
5H770QA01
5H770QA04
5H770QA05
5H770QA06
5H770QA08
5H770QA11
5H770QA13
5H770QA22
5H770QA28
(57)【要約】
【課題】ワイヤボンディング時にパワー半導体素子へ加わるダメージをより低減することができるパワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】パワーモジュール用基板は、絶縁板と、絶縁板の表面に配置された複数の表面パターンと、複数の表面パターンのうち一の表面パターンに接続されたパワー半導体素子と、パワー半導体素子の上面に配置された電極部と、複数の表面パターンのうち一の表面パターンとは異なる他の表面パターンと、電極部とを接続するボンディングワイヤと、を備える。電極部は、金属により形成され、上面に配置されたコンタクト層と、コンタクト層に積層された保護層と、金属により形成され、ボンディングワイヤに接続された状態で、保護層に積層された接続層と、を有する。保護層は、硬度がコンタクト層及び接続層よりも高い導電性セラミックを含む。
【選択図】図４
【解決手段】パワーモジュール用基板は、絶縁板と、絶縁板の表面に配置された複数の表面パターンと、複数の表面パターンのうち一の表面パターンに接続されたパワー半導体素子と、パワー半導体素子の上面に配置された電極部と、複数の表面パターンのうち一の表面パターンとは異なる他の表面パターンと、電極部とを接続するボンディングワイヤと、を備える。電極部は、金属により形成され、上面に配置されたコンタクト層と、コンタクト層に積層された保護層と、金属により形成され、ボンディングワイヤに接続された状態で、保護層に積層された接続層と、を有する。保護層は、硬度がコンタクト層及び接続層よりも高い導電性セラミックを含む。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁板と、
前記絶縁板の表面に配置された複数の表面パターンと、
複数の前記表面パターンのうち一の表面パターンに接続されたパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の上面に配置された電極部と、
複数の前記表面パターンのうち前記一の表面パターンとは異なる他の表面パターンと、前記電極部とを接続するボンディングワイヤと、
を備え、
前記電極部は、
金属により形成され、前記上面に配置されたコンタクト層と、
前記コンタクト層に積層された保護層と、
金属により形成され、前記ボンディングワイヤに接続された状態で、前記保護層に積層された接続層と、
を有し、
前記保護層は、硬度が前記コンタクト層及び前記接続層よりも高い導電性セラミックを含むパワーモジュール用基板。
前記絶縁板の表面に配置された複数の表面パターンと、
複数の前記表面パターンのうち一の表面パターンに接続されたパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の上面に配置された電極部と、
複数の前記表面パターンのうち前記一の表面パターンとは異なる他の表面パターンと、前記電極部とを接続するボンディングワイヤと、
を備え、
前記電極部は、
金属により形成され、前記上面に配置されたコンタクト層と、
前記コンタクト層に積層された保護層と、
金属により形成され、前記ボンディングワイヤに接続された状態で、前記保護層に積層された接続層と、
を有し、
前記保護層は、硬度が前記コンタクト層及び前記接続層よりも高い導電性セラミックを含むパワーモジュール用基板。
【請求項2】
前記保護層は、
Ｔｉを含有する金属により形成され、前記コンタクト層に一体に積層された第一金属層と、
導電性セラミックにより形成され、前記第一金属層に一体に積層された本体層と、
Ｔｉを含有する金属により形成され、前記本体層と前記接続層との間でこれら本体層及び接続層と一体に配置された第二金属層と、
を有する請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
Ｔｉを含有する金属により形成され、前記コンタクト層に一体に積層された第一金属層と、
導電性セラミックにより形成され、前記第一金属層に一体に積層された本体層と、
Ｔｉを含有する金属により形成され、前記本体層と前記接続層との間でこれら本体層及び接続層と一体に配置された第二金属層と、
を有する請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項3】
前記保護層は、
導電性セラミックにより形成され、前記コンタクト層に一体に積層された第一保護層と、
Ｔｉを含有する金属により形成され、前記第一保護層に一体に積層された金属層と、
導電性セラミックにより形成され、前記金属層と前記接続層との間でこれら金属層及び接続層と一体に配置された第二保護層と、
を有する請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
導電性セラミックにより形成され、前記コンタクト層に一体に積層された第一保護層と、
Ｔｉを含有する金属により形成され、前記第一保護層に一体に積層された金属層と、
導電性セラミックにより形成され、前記金属層と前記接続層との間でこれら金属層及び接続層と一体に配置された第二保護層と、
を有する請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項4】
前記コンタクト層は、０．０５～０．５μｍの厚さで形成されており、
前記保護層は、０．５～２μｍの厚さで形成されている請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
前記保護層は、０．５～２μｍの厚さで形成されている請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項5】
前記コンタクト層は、０．０５～０．５μｍの厚さで形成されており、
前記第一金属層及び前記第二金属層は、０．１～０．５μｍの厚さで形成され、
前記本体層は、０．５～２μｍの厚さで形成されている請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
前記第一金属層及び前記第二金属層は、０．１～０．５μｍの厚さで形成され、
前記本体層は、０．５～２μｍの厚さで形成されている請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項6】
前記第一保護層及び前記第二保護層は、０．５～２μｍの厚さで形成されており、
前記金属層は、０．１～０．５μｍの厚さで形成されている請求項３に記載のパワーモジュール用基板。
前記金属層は、０．１～０．５μｍの厚さで形成されている請求項３に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項7】
前記導電性セラミックは、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＴｉＳｉ２及びＷＳｉ２の何れか一つによって形成されている請求項１から６の何れか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項8】
前記ボンディングワイヤは、複数が前記他の表面パターンと前記接続層とを接続している請求項１から６の何れか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、パワーモジュール用基板に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば特許文献１には、パワー半導体素子の表面電極が複数の異なる金属層で構成されたパワー半導体装置が開示されている。複数の金属層からなる層構造は、Ａｌ層、このＡｌ層上に形成されビッカース硬度が２００～３５０ＨｖのＣｕ層、及びこのＣｕ層上に形成されビッカース硬度が７０～１５０ＨｖのＣｕ層から形成されている。この様な層構造とすることで、Ｃｕワイヤでボンディングする場合にパワー半導体素子へ加わるダメージが低減されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１８－３７６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、近年、パワー半導体素子の分野では、付加価値向上のためにパワー半導体素子の高電圧化・大電流化・高周波化・高速スイッチング化の機運が高まっている。それに伴って、例えば、パワー半導体素子の電極にワイヤボンディングで接続されるボンディングワイヤの数が増加する場合がある。そのため、ワイヤボンディング時にパワー半導体素子へ加わるダメージをより低減する技術が要求される。
【0005】
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、ワイヤボンディング時にパワー半導体素子へ加わるダメージをより低減することができるパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、本開示に係るパワーモジュール用基板は、絶縁板と、前記絶縁板の表面に配置された複数の表面パターンと、複数の前記表面パターンのうち一の表面パターンに接続されたパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の上面に配置された電極部と、複数の前記表面パターンのうち前記一の表面パターンとは異なる他の表面パターンと、前記電極部とを接続するボンディングワイヤと、を備え、前記電極部は、金属により形成され、前記上面に配置されたコンタクト層と、前記コンタクト層に積層された保護層と、金属により形成され、前記ボンディングワイヤに接続された状態で、前記保護層に積層された接続層と、を有し、前記保護層は、硬度が前記コンタクト層及び前記接続層よりも高い導電性セラミックを含む。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、ワイヤボンディング時にパワー半導体素子へ加わるダメージをより低減することができるパワーモジュール用基板を提供することができるパワーモジュール用基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本開示の第一実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す斜視図である。
【図7A】実施例１の結果を示すものである。
【図7B】実施例１の結果を示すものである。
【図8】実施例２の結果を示すものである。
【図9】実施例３の結果を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、添付図面を参照して、本開示によるパワーモジュール用基板を備える電力変換装置を実施するための形態を説明する。
【0010】
＜第一実施形態＞
電力変換装置は、直流電力を三相交流電力等に変換する装置である。本実施形態の電力変換装置には、例えば、発電所等の系統で用いられるインバータや、電気自動車等の電動機（モータ）の駆動に用いられるインバータ等が挙げられる。
電力変換装置は、直流電力を三相交流電力等に変換する装置である。本実施形態の電力変換装置には、例えば、発電所等の系統で用いられるインバータや、電気自動車等の電動機（モータ）の駆動に用いられるインバータ等が挙げられる。
【0011】
図１に示すように、電力変換装置１００は、ケーシング１と、外部入力導体２と、コンデンサ３と、電力変換部４と、冷却器５とを備えている。なお、図１中では、ケーシング１及び冷却器５は、二点鎖線で示されている。
【0012】
［ケーシング］
ケーシング１は、電力変換装置１００の外殻を成している。本実施形態におけるケーシング１は、アルミニウム（Ａｌ）等の金属または合成樹脂等により形成されている。本実施形態におけるケーシング１は、アルミニウムによって形成されており、直方体状を成している。ケーシング１の外面は、互いに背合わせとなるように配置されている二つの側面を有している。
ケーシング１は、電力変換装置１００の外殻を成している。本実施形態におけるケーシング１は、アルミニウム（Ａｌ）等の金属または合成樹脂等により形成されている。本実施形態におけるケーシング１は、アルミニウムによって形成されており、直方体状を成している。ケーシング１の外面は、互いに背合わせとなるように配置されている二つの側面を有している。
【0013】
以下、説明の便宜上、これら二つの側面のうち、一方側を向く側面を「入力側側面１ａ」と称し、他方側を向く側面を「出力側側面１ｂ」と称する。入力側側面１ａからは、直流電力を入力するための外部入力導体２が引き出されている。
【0014】
［外部入力導体］
外部入力導体２は、電力変換装置１００の外部の電力系統や、バッテリ等の直流電源から供給された直流電力をコンデンサ３へ供給する一対の電気導体（バスバー）である。本実施形態における外部入力導体２は、銅（Ｃｕ）等を含む金属により形成されている。外部入力導体２の一端は、コンデンサ３に接続されており、外部入力導体２の他端は、例えば、ケーシング１の入力側側面１ａと交差する方向に延びている。
外部入力導体２は、電力変換装置１００の外部の電力系統や、バッテリ等の直流電源から供給された直流電力をコンデンサ３へ供給する一対の電気導体（バスバー）である。本実施形態における外部入力導体２は、銅（Ｃｕ）等を含む金属により形成されている。外部入力導体２の一端は、コンデンサ３に接続されており、外部入力導体２の他端は、例えば、ケーシング１の入力側側面１ａと交差する方向に延びている。
【0015】
［コンデンサ］
コンデンサ３は、外部入力導体２から入力された電荷を蓄えるとともに、電力変換に伴う電圧変動を抑えるための平滑コンデンサである。コンデンサ３を経由することでリプルが抑えられて平滑化された直流電圧は、電力変換部４へ供給（印加）される。
コンデンサ３は、外部入力導体２から入力された電荷を蓄えるとともに、電力変換に伴う電圧変動を抑えるための平滑コンデンサである。コンデンサ３を経由することでリプルが抑えられて平滑化された直流電圧は、電力変換部４へ供給（印加）される。
【0016】
［電力変換部］
電力変換部４は、コンデンサ３から入力された電圧を変換する。電力変換部４は、ケーシング１に収容されている。本実施形態における電力変換部４は、三相交流電力を出力するために、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相用の出力をそれぞれ担当する三つのパワーモジュール１０を有している。したがって、本実施形態における電力変換装置１００は、三つのパワーモジュール１０を備える三相インバータである。
電力変換部４は、コンデンサ３から入力された電圧を変換する。電力変換部４は、ケーシング１に収容されている。本実施形態における電力変換部４は、三相交流電力を出力するために、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相用の出力をそれぞれ担当する三つのパワーモジュール１０を有している。したがって、本実施形態における電力変換装置１００は、三つのパワーモジュール１０を備える三相インバータである。
【0017】
［パワーモジュール］
パワーモジュール１０は、入力された電力を変換して出力する装置である。図２及び図３に示すように、パワーモジュール１０は、ベースプレート１１と、パワーモジュール用基板１２と、主端子部１３と、出力端子部１４と、補強部１５と、封止部１６とを備えている。
パワーモジュール１０は、入力された電力を変換して出力する装置である。図２及び図３に示すように、パワーモジュール１０は、ベースプレート１１と、パワーモジュール用基板１２と、主端子部１３と、出力端子部１４と、補強部１５と、封止部１６とを備えている。
【0018】
（ベースプレート）
ベースプレート１１は、平板状を成す部材である。ベースプレート１１は、第一面１１ａと、この第一面１１ａの裏側に位置する第二面１１ｂとを有している。即ち、ベースプレート１１の第一面１１ａと第二面１１ｂとは互いに平行を成した状態で背合わせになっている。ベースプレート１１の第二面１１ｂは、接合材等（図示省略）を介して、冷却器５に固定されている。本実施形態におけるベースプレート１１には、例えば銅が採用される。なお、ベースプレート１１には、アルミニウム等の金属が採用されてもよい。
ベースプレート１１は、平板状を成す部材である。ベースプレート１１は、第一面１１ａと、この第一面１１ａの裏側に位置する第二面１１ｂとを有している。即ち、ベースプレート１１の第一面１１ａと第二面１１ｂとは互いに平行を成した状態で背合わせになっている。ベースプレート１１の第二面１１ｂは、接合材等（図示省略）を介して、冷却器５に固定されている。本実施形態におけるベースプレート１１には、例えば銅が採用される。なお、ベースプレート１１には、アルミニウム等の金属が採用されてもよい。
【0019】
（パワーモジュール用基板）
パワーモジュール用基板１２は、絶縁板２０と、表面パターン２１と、パワー半導体素子２２と、電極部２３と、ボンディングワイヤ２７と、裏面パターン２８とを有している。
パワーモジュール用基板１２は、絶縁板２０と、表面パターン２１と、パワー半導体素子２２と、電極部２３と、ボンディングワイヤ２７と、裏面パターン２８とを有している。
【0020】
（絶縁板）
絶縁板２０は、平板状を成している。絶縁板２０は、表面２０ａと、この表面２０ａの裏側に位置する裏面２０ｂとを有している。絶縁板２０における表面２０ａと裏面２０ｂとは互いに平行を成した状態で背合わせになっている。
絶縁板２０は、平板状を成している。絶縁板２０は、表面２０ａと、この表面２０ａの裏側に位置する裏面２０ｂとを有している。絶縁板２０における表面２０ａと裏面２０ｂとは互いに平行を成した状態で背合わせになっている。
【0021】
本実施形態における絶縁板２０は、例えばセラミック等の絶縁材料により形成されている。なお、絶縁板２０を形成する絶縁材料としては、セラミック以外にも、紙フェノール、紙エポキシ、ガラスコンポジット、ガラスエポキシ、ガラスポリイミド、フッ素樹脂等を採用することができる。
【0022】
（表面パターン）
表面パターン２１は、絶縁板２０の表面２０ａに形成された平面状に広がる銅箔（Ｃｕ）等のパターンである。表面パターン２１は、例えば、絶縁板２０の表面２０ａに接合等で固定された後、エッチング等がなされることにより形成される。
表面パターン２１は、絶縁板２０の表面２０ａに形成された平面状に広がる銅箔（Ｃｕ）等のパターンである。表面パターン２１は、例えば、絶縁板２０の表面２０ａに接合等で固定された後、エッチング等がなされることにより形成される。
【0023】
表面パターン２１は、絶縁板２０の表面２０ａ上に複数配置されている。これら複数の表面パターン２１は、絶縁板２０が広がる方向で隙間を介して互いに隣接配置されている。本実施形態では、三つの表面パターン２１が絶縁板２０の表面２０ａ上に配置されている場合を一例として説明する。以下、説明の便宜上、これら三つの表面パターン２１を第一表面パターン２１ａ、第二表面パターン２１ｂ、及び第三表面パターン２１ｃと称する。
【0024】
第一表面パターン２１ａ及び第二表面パターン２１ｂは、コンデンサ３と直流電力の入出力をやり取りするためのパターンであり、表面パターン２１に形成されるＰＮ間のループにおける入口部分もしくは出口部分に相当する。
【0025】
本実施形態における第一表面パターン２１ａ及び第二表面パターン２１ｂには、コンデンサ３に繋がる主端子部１３が接続されている。第三表面パターン２１ｃには、パワー半導体素子２２によって変換された交流電流を電力変換装置１００の外部に設けられた負荷（図示省略）へ出力するための出力端子部１４が接続されている。
【0026】
（パワー半導体素子）
パワー半導体素子２２は、電圧や電流をオンオフするスイッチング動作により電力を変換する回路素子である。パワー半導体素子２２は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子である。パワー半導体素子２２は、例えばＳｉ系の単結晶や、Ｓｉ系の単結晶よりも硬度が高いＳｉＣ系の単結晶によって形成されている。
パワー半導体素子２２は、電圧や電流をオンオフするスイッチング動作により電力を変換する回路素子である。パワー半導体素子２２は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子である。パワー半導体素子２２は、例えばＳｉ系の単結晶や、Ｓｉ系の単結晶よりも硬度が高いＳｉＣ系の単結晶によって形成されている。
【0027】
本実施形態では、一例として、パワー半導体にＭＯＳＦＥＴを適用した場合を示しており、四つのパワー半導体素子２２がパワーモジュール用基板１２の表面パターン２１に接続されている。なお、パワー半導体素子２２にＩＧＢＴを使用する場合は、ＩＧＢＴとは逆方向へ電流を流すダイオードを並列配置する必要がある。
【0028】
本実施形態における四つのパワー半導体素子２２は、二つの第一パワー半導体素子２２ａと、二つの第二パワー半導体素子２２ｂとによって構成されている。第一パワー半導体素子２２ａは、第一表面パターン２１ａに接続されている。第二パワー半導体素子２２ｂは、第三表面パターン２１ｃに接続されている。
【0029】
パワー半導体素子２２がＭＯＳＦＥＴの場合、パワー半導体素子２２は、ドレインに相当する入力用端子（図示省略）が形成された下面２２ｄ（図３参照）と、ソースに相当する出力用端子（図示省略）が形成された上面２２ｕと、パワー半導体素子２２のスイッチングを制御するための制御信号入力用端子に相当するゲート（図示省略）とを有している。
【0030】
パワー半導体素子２２の下面２２ｄは、表面パターン２１に接合材Ｓを介して電気的に接続されている。第一パワー半導体素子２２ａの下面２２ｄは、第一表面パターン２１ａに接続されている。第二パワー半導体素子２２ｂの下面２２ｄは、第三表面パターン２１ｃに接続されている。なお、本明細書中における接合材Ｓには、例えば、半田や焼結材（金属等の粉末）等を採用することができる。
【0031】
パワー半導体素子２２には、パワーモジュール用基板１２の外部に設けられたゲート駆動用基板等（図示省略）によって生成された制御信号が上記ゲートを通じて入力される。パワー半導体素子２２は、この制御信号に従ってスイッチングを行う。なお、パワー半導体素子２２がＩＧＢＴの場合、パワー半導体素子２２は、コレクタに相当する下面２２ｄと、エミッタに相当する上面２２ｕと、制御信号入力用端子に相当するゲートとを有する。
【0032】
（電極部）
電極部２３は、パワー半導体素子２２の上面２２ｕに配置されている。電極部２３は、パワー半導体素子２２における電極部分に相当する。本実施形態における電極部２３は、三層構造を成している。図４に示すように、電極部２３は、コンタクト層２４と、保護層２５と、接続層２６とを有している。
電極部２３は、パワー半導体素子２２の上面２２ｕに配置されている。電極部２３は、パワー半導体素子２２における電極部分に相当する。本実施形態における電極部２３は、三層構造を成している。図４に示すように、電極部２３は、コンタクト層２４と、保護層２５と、接続層２６とを有している。
【0033】
コンタクト層２４は、上面２２ｕに配置されており、上面２２ｕに形成された出力用端子と一体の状態でこの出力用端子に接続されている。コンタクト層２４は、金属によって形成されている。本実施形態におけるコンタクト層２４を形成する金属には、Ｎｉ、Ａｌ、及びＣｒの何れか一つを採用することができる。コンタクト層２４の厚さＬ１は、０．０５～０．５μｍとされている。コンタクト層２４は、例えばスパッタリング法によってパワー半導体素子２２の上面２２ｕ上に形成される。
【0034】
保護層２５は、コンタクト層２４に積層されている導電性材料である。即ち、保護層２５は、コンタクト層２４と一体の状態でこのコンタクト層２４上に形成されている。保護層２５は、導電性セラミックによって形成されている。本実施形態における保護層２５を形成する導電性セラミックには、ＴｉＢ２（二ホウ化チタン）、ＺｒＢ２（二ホウ化ジルコニウム）、ＨｆＢ２（二ホウ化ハフニウム）、ＴｉＳｉ２（二ケイ化チタン）、及びＷＳｉ２（二ケイ化タングステン）の何れか一つを採用することができる。保護層２５の厚さＬ２は、０．５～２μｍとされている。保護層２５は、例えばスパッタリング法によってコンタクト層２４上に形成される。
【0035】
接続層２６は、保護層２５に積層されている。即ち、接続層２６は、保護層２５と一体の状態でこの保護層２５上に形成されている。接続層２６は、金属によって形成されている。本実施形態における接続層２６を形成する金属には、銅、又は銅を含む合金等を採用することができる。接続層２６の厚さＬ３は、１０～２０μｍとされている。接続層２６は、例えばスパッタリング法によって保護層２５上に形成される。
【0036】
ここで、保護層２５を形成する導電性セラミックの硬度は、コンタクト層２４及び接続層２６を形成する金属の硬度よりも高い。具体的には、保護層２５を形成する導電性セラミックは、これらコンタクト層２４及び接続層２６を形成する金属に対して１０倍以上のビッカース硬度を有する。また、保護層２５を形成する導電性セラミックの熱伝導率は、コンタクト層２４及び接続層２６を形成する金属の熱伝導率よりも低い。
【0037】
なお、ＴｉＢ２のビッカース硬度は、例えば３２～３４ＧＰａを示す。また、ＺｒＢ２のビッカース硬度は、例えば２１～２３ＧＰａを示す。また、ＨｆＢ２のビッカース硬度は、例えば２７～２９ＧＰａを示す。また、ＴｉＳｉ２のビッカース硬度は、例えば９～１１ＧＰａを示す。また、ＷＳｉ２のビッカース硬度は、例えば９～１１ＧＰａを示す。
【0038】
（ボンディングワイヤ）
図２から図４に示すように、ボンディングワイヤ２７は、表面パターン２１と、パワー半導体素子２２の上面２２ｕに配置された電極部２３とを接続する導線である。本実施形態におけるボンディングワイヤ２７は、銅等を含む金属によって形成されており、例えば、２００～４００μｍの径を有している。
図２から図４に示すように、ボンディングワイヤ２７は、表面パターン２１と、パワー半導体素子２２の上面２２ｕに配置された電極部２３とを接続する導線である。本実施形態におけるボンディングワイヤ２７は、銅等を含む金属によって形成されており、例えば、２００～４００μｍの径を有している。
【0039】
ボンディングワイヤ２７の一端は、電極部２３における接続層２６に接続されている。ボンディングワイヤ２７の他端は、表面パターン２１に接続されている。本実施形態では、複数のボンディングワイヤ２７が接続層２６と表面パターン２１とを接続している。
【0040】
具体的には、図２に示すように、六つのボンディングワイヤ２７が第一パワー半導体素子２２ａの上面２２ｕに配置された電極部２３の接続層２６と、第三表面パターン２１ｃとを接続している。また、図２から図４に示すように、六つのボンディングワイヤ２７が第二パワー半導体素子２２ｂの上面２２ｕに配置された電極部２３の接続層２６と、第二表面パターン２１ｂとを接続している。即ち、絶縁板２０の表面２０ａに配置された表面パターン２１同士は、ボンディングワイヤ２７によって電気的に接続されている。
【0041】
ボンディングワイヤ２７の一端及び他端は、超音波等を外部から当てるワイヤボンディングによって電極部２３における接続層２６、及び表面パターン２１のそれぞれに一体に接続される。
【0042】
第一パワー半導体素子２２ａには、第一表面パターン２１ａを通じて直流電力が入力され、第二パワー半導体素子２２ｂには、第二表面パターン２１ｂ、及びこの第二表面パターン２１ｂと第二パワー半導体素子２２ｂとを接続するボンディングワイヤ２７を介して直流電力が入力される。第一パワー半導体素子２２ａと第二パワー半導体素子２２ｂとがスイッチング動作を行うことにより、上記の直流電力が交流電力へ変換され、電極部２３及びボンディングワイヤ２７を通じて第三表面パターン２１ｃへ出力される。
【0043】
（裏面パターン）
裏面パターン２８は、絶縁板２０の裏面２０ｂに形成された平面状に広がる銅箔等のパターンである。当該裏面パターン２８は、接合材Ｓを介してベースプレート１１の第一面１１ａの中央に固定されている。裏面パターン２８は、例えば、絶縁板２０の裏面２０ｂに接合等で固定された後、エッチング等がなされることにより形成される。
裏面パターン２８は、絶縁板２０の裏面２０ｂに形成された平面状に広がる銅箔等のパターンである。当該裏面パターン２８は、接合材Ｓを介してベースプレート１１の第一面１１ａの中央に固定されている。裏面パターン２８は、例えば、絶縁板２０の裏面２０ｂに接合等で固定された後、エッチング等がなされることにより形成される。
【0044】
（主端子部）
主端子部１３は、コンデンサ３とパワーモジュール用基板１２との間で直流電力をやり取りする電気導体（バスバー）である。主端子部１３は、銅等を含む金属によって形成されている。主端子部１３は、正極としてのＰ端子１３ｐと、負極としてのＮ端子１３ｎとを有している。
主端子部１３は、コンデンサ３とパワーモジュール用基板１２との間で直流電力をやり取りする電気導体（バスバー）である。主端子部１３は、銅等を含む金属によって形成されている。主端子部１３は、正極としてのＰ端子１３ｐと、負極としてのＮ端子１３ｎとを有している。
【0045】
これらＰ端子１３ｐ及びＮ端子１３ｎは、空間距離（絶縁距離）としてのギャップＧを介して並んで配置されている。Ｐ端子１３ｐは、コンデンサ３における正極（図示省略）と、パワーモジュール用基板１２における第一表面パターン２１ａとを接続している。Ｎ端子１３ｎは、コンデンサ３における負極（図示省略）と、パワーモジュール用基板１２における第二表面パターン２１ｂとを接続している。
【0046】
（出力端子部）
出力端子部１４は、パワー半導体素子２２によって変換された後の交流電力を電力変換装置１００の外部へ出力するための電気導体（バスバー）である。出力端子部１４は、銅等を含む金属により形成されている。出力端子部１４の一端は、パワーモジュール用基板１２における第三表面パターン２１ｃに接続されている。図１に示すように、出力端子部１４の他端は、例えば、ケーシング１の出力側側面１ｂよりも外側に延びている。出力端子部１４の他端には、例えば、モータ等の負荷（交流回転電機）に繋がる電力出力用の配線（図示省略）が接続される。
出力端子部１４は、パワー半導体素子２２によって変換された後の交流電力を電力変換装置１００の外部へ出力するための電気導体（バスバー）である。出力端子部１４は、銅等を含む金属により形成されている。出力端子部１４の一端は、パワーモジュール用基板１２における第三表面パターン２１ｃに接続されている。図１に示すように、出力端子部１４の他端は、例えば、ケーシング１の出力側側面１ｂよりも外側に延びている。出力端子部１４の他端には、例えば、モータ等の負荷（交流回転電機）に繋がる電力出力用の配線（図示省略）が接続される。
【0047】
（補強部）
図２及び図３に示すように、補強部１５は、ベースプレート１１の第一面１１ａに固定された状態で、主端子部１３及び出力端子部１４を機械的に補強する部材である。補強部１５は、例えば、合成樹脂材料（絶縁材料）等により形成されている。本実施形態における補強部１５を形成する材料には、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を採用することができる。なお、ＰＰＳ以外の合成樹脂材料を、補強部１５に採用してもよい。補強部１５は、ベースプレート１１の第一面１１ａに、例えば接着剤等によって固定されている。
図２及び図３に示すように、補強部１５は、ベースプレート１１の第一面１１ａに固定された状態で、主端子部１３及び出力端子部１４を機械的に補強する部材である。補強部１５は、例えば、合成樹脂材料（絶縁材料）等により形成されている。本実施形態における補強部１５を形成する材料には、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を採用することができる。なお、ＰＰＳ以外の合成樹脂材料を、補強部１５に採用してもよい。補強部１５は、ベースプレート１１の第一面１１ａに、例えば接着剤等によって固定されている。
【0048】
補強部１５は、主端子部１３のＰ端子１３ｐ及びＮ端子１３ｎ、並びに出力端子部１４を外側から覆った状態で、パワーモジュール用基板１２を外側から囲っている。補強部１５は、ベースプレート１１の表面２０ａに沿う方向で、パワーモジュール用基板１２を周囲から囲むケースを成している。したがって、補強部１５は、ベースプレート１１とともにパワーモジュール用基板１２が収容される空間を画定している。本実施形態では、説明の便宜上、パワーモジュール用基板１２が収容されるこの空間を「ポッティング空間Ｒｐ」と称する。
【0049】
（封止部）
封止部１６は、ポッティング空間Ｒｐ内に配置されている封止部材である。図面中における封止部１６は、紙面の都合上、ハッチングで示されている。ポッティング空間Ｒｐには、外部から液状のポッティング材が充填され（ポッティング）、ポッティング空間Ｒｐ内で露出する部材を封止する。封止部１６は、ポッティング空間Ｒｐ内に充填されたポッティング材に所定の温度及び時間がかけられ、このポッティング材が硬化することによって形成される。ポッティング材が硬化することによって形成された封止部１６は、ポッティング空間Ｒｐ内における各部材間、及び各部材とパワーモジュール１０外部の空間とを電気的に絶縁する。
封止部１６は、ポッティング空間Ｒｐ内に配置されている封止部材である。図面中における封止部１６は、紙面の都合上、ハッチングで示されている。ポッティング空間Ｒｐには、外部から液状のポッティング材が充填され（ポッティング）、ポッティング空間Ｒｐ内で露出する部材を封止する。封止部１６は、ポッティング空間Ｒｐ内に充填されたポッティング材に所定の温度及び時間がかけられ、このポッティング材が硬化することによって形成される。ポッティング材が硬化することによって形成された封止部１６は、ポッティング空間Ｒｐ内における各部材間、及び各部材とパワーモジュール１０外部の空間とを電気的に絶縁する。
【0050】
本実施形態におけるポッティング材には、例えばシリコンゲルやエポキシ樹脂を用いることができる。なお、ポッティング材には、シリコンゲルやエポキシ樹脂以外の合成樹脂を採用してもよい。ポッティング空間Ｒｐ内における封止部１６は、パワーモジュール用基板１２、主端子部１３、及び出力端子部１４のそれぞれの表面を覆うように配置されている。
【0051】
［冷却器］
図１に示すように、冷却器５は、主として電力変換部４のパワーモジュール１０を冷却する装置である。冷却器５は、ケーシング１に積層されるように設けられており、ケーシング１に固定され一体化されている。図３に示すように、冷却器５は、基部５１と、放熱フィン５２とを有している。なお、図３中では、基部５１及び放熱フィン５２は、点線で示されている。
図１に示すように、冷却器５は、主として電力変換部４のパワーモジュール１０を冷却する装置である。冷却器５は、ケーシング１に積層されるように設けられており、ケーシング１に固定され一体化されている。図３に示すように、冷却器５は、基部５１と、放熱フィン５２とを有している。なお、図３中では、基部５１及び放熱フィン５２は、点線で示されている。
【0052】
基部５１は、板状を成している。基部５１は、接合材Ｓを介して、パワーモジュール１０におけるベースプレート１１の第二面１１ｂに接合される接合面５１ａと、この接合面５１ａとは反対側を向く放熱面５１ｂとを有している。
【0053】
接合面５１ａと放熱面５１ｂとは、互いに平行を成した状態で背合わせになっている。放熱フィン５２は、基部５１の放熱面５１ｂに複数配置されている柱状を成す部材である。各放熱フィン５２は、基部５１を中心に、パワーモジュール１０とは反対の側へ放熱面５１ｂから突出している。
【0054】
冷却器５には、例えば、外部から水等の液冷媒Ｗが導入される。基部５１の放熱面５１ｂと、放熱フィン５２は、この外部から導入された液冷媒Ｗと接触することで冷却される。液冷媒Ｗは、パワーモジュール１０から基部５１及び放熱フィン５２へ伝導した熱と熱交換して温められると同時に、パワーモジュール１０を冷却する。
【0055】
（作用効果）
超音波を用いたワイヤボンディングによってボンディングワイヤ２７が電極部２３に接続される際、この超音波に伴って発生する熱や圧力が電極部２３からパワー半導体素子２２へ向かう。
超音波を用いたワイヤボンディングによってボンディングワイヤ２７が電極部２３に接続される際、この超音波に伴って発生する熱や圧力が電極部２３からパワー半導体素子２２へ向かう。
【0056】
上記実施形態の構成では、硬度がコンタクト層２４及び接続層２６を形成する金属よりも高い導電性セラミックで形成された保護層２５が、これらコンタクト層２４及び接続層２６の間に介在している。これにより、超音波に伴って生じる圧力が電極部２３の接続層２６にかかった際、この圧力が保護層２５によって吸収される。即ち、ワイヤボンディング時に圧力がコンタクト層２４へ伝わることを保護層２５が抑制する。
【0057】
また、保護層２５の熱伝導率がコンタクト層２４及び接続層２６の熱伝導率よりも低いため、例えば、保護層２５が金属によって形成される場合と比較して、接続層２６からコンタクト層２４への熱伝導をより抑制することができる。
【0058】
したがって、ワイヤボンディング時にパワー半導体素子２２へ加わるダメージが低減される。その結果、パワー半導体素子２２にクラックや亀裂等の異常が発生することを抑制することができる。
【0059】
また、上記構成では、コンタクト層２４が０．０５～０．５μｍの厚さＬ１で形成され、保護層２５が０．５～２μｍの厚さＬ２で形成されている。これにより、パワー半導体素子２２とボンディングワイヤ２７との間における導電性を確保しつつ、各層で歪みや撓み等の変形が発生することを抑制することができる。
【0060】
＜第二実施形態＞
次に、本開示に係る電力変換装置１００の第二実施形態について図５を参照して説明する。なお、以下に説明する第二実施形態では、上記の第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第二実施形態では、パワーモジュール用基板１２における電極部２３の構成が、第一実施形態で説明した電極部２３の構成と異なっている。
次に、本開示に係る電力変換装置１００の第二実施形態について図５を参照して説明する。なお、以下に説明する第二実施形態では、上記の第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第二実施形態では、パワーモジュール用基板１２における電極部２３の構成が、第一実施形態で説明した電極部２３の構成と異なっている。
【0061】
（電極部）
本実施形態における電極部２３は、五層構造を成している。電極部２３は、コンタクト層２４と、三層に形成された保護層２５ａと、接続層２６とを有している。保護層２５ａは、第一金属層２５１と、本体層２５２と、第二金属層２５３とを有している。
本実施形態における電極部２３は、五層構造を成している。電極部２３は、コンタクト層２４と、三層に形成された保護層２５ａと、接続層２６とを有している。保護層２５ａは、第一金属層２５１と、本体層２５２と、第二金属層２５３とを有している。
【0062】
第一金属層２５１は、コンタクト層２４と一体の状態でこのコンタクト層２４上に形成されている。第一金属層２５１は、Ｔｉ（チタン）を含有する金属により形成されている。第一金属層２５１の厚さＬ２ａは、０．１～０．５μｍとされている。第一金属層２５１は、例えばスパッタリング法によってコンタクト層２４上に形成される。
【0063】
ここで、第一金属層２５１は、金属によって形成されているため、この第一金属層２５１とコンタクト層２４の結合力が、第一金属層２５１を介在させない場合の本体層２５２とコンタクト層２４の結合力よりも大きい。更に、第一金属層２５１は、Ｔｉを含有する金属によって形成されているため、この第一金属層２５１と本体層２５２の結合力が、例えばＴｉ以外の金属と本体層２５２の結合力よりも大きい。言い換えれば、第一金属層２５１と本体層２５２との組合せは、Ｔｉ以外の金属と本体層２５２との組合せよりも親和性が高い。
【0064】
本体層２５２は、第一金属層２５１に積層されている。即ち、本体層２５２は、第一金属層２５１と一体の状態でこの第一金属層２５１上に形成されている。本体層２５２は、導電性セラミックによって形成されている。本実施形態における本体層２５２を形成する導電性セラミックには、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＴｉＳｉ２、及びＷＳｉ２の何れか一つを採用することができる。本体層２５２の厚さＬ２ｂは、０．５～２μｍとされている。本体層２５２は、例えばスパッタリング法によって第一金属層２５１上に形成される。
【0065】
第二金属層２５３は、本体層２５２に積層されている。即ち、第二金属層２５３は、本体層２５２と一体の状態でこの本体層２５２上に形成されている。第二金属層２５３は、Ｔｉを含有する金属により形成されている。第二金属層２５３の厚さＬ２ｃは、０．１～０．５μｍとされている。第二金属層２５３は、例えばスパッタリング法によって本体層２５２上に形成される。
【0066】
ここで、第二金属層２５３は、金属によって形成されているため、この第二金属層２５３と接続層２６の結合力が、第二金属層２５３を介在させない場合の本体層２５２と接続層２６の結合力よりも大きい。更に、第二金属層２５３は、Ｔｉを含有する金属によって形成されているため、この第二金属層２５３と本体層２５２の結合力が、例えばＴｉ以外の金属と本体層２５２の結合力よりも大きい。言い換えれば、第二金属層２５３と本体層２５２との組合せは、Ｔｉ以外の金属と本体層２５２との組合せよりも親和性が高い。
【0067】
接続層２６は、第二金属層２５３に積層されている。即ち、接続層２６は、第二金属層２５３と一体の状態でこの第二金属層２５３上に形成されている。
【0068】
（作用効果）
第二実施形態の構成によれば、超音波に伴って生じる圧力が電極部２３の接続層２６にかかった際、この圧力が第二金属層２５３によって吸収される。即ち、ワイヤボンディング時に圧力が本体層２５２へ伝わることを第二金属層２５３が抑制する。また、本体層２５２からパワー半導体素子２２に向かって伝わる圧力が第一金属層２５１によって吸収される。即ち、ワイヤボンディング時に圧力がコンタクト層２４を介してパワー半導体素子２２に伝わることを第一金属層２５１が抑制する。
第二実施形態の構成によれば、超音波に伴って生じる圧力が電極部２３の接続層２６にかかった際、この圧力が第二金属層２５３によって吸収される。即ち、ワイヤボンディング時に圧力が本体層２５２へ伝わることを第二金属層２５３が抑制する。また、本体層２５２からパワー半導体素子２２に向かって伝わる圧力が第一金属層２５１によって吸収される。即ち、ワイヤボンディング時に圧力がコンタクト層２４を介してパワー半導体素子２２に伝わることを第一金属層２５１が抑制する。
【0069】
したがって、ワイヤボンディング時に、本体層２５２及びパワー半導体素子２２へ加わるダメージをより低減することができる。その結果、電極部２３で剥離や割れ等の異常が発生することを抑制することができるとともに、パワー半導体素子２２にクラックや亀裂等の異常が発生することを抑制することができる。
【0070】
また、第二実施形態の構成では、第一金属層２５１及び第二金属層２５３が０．１～０．５μｍの厚さＬ２ａ，Ｌ２ｃで形成され、本体層２５２が０．５～２μｍの厚さＬ２ｂで形成されている。これにより、パワー半導体素子２２とボンディングワイヤ２７との間における導電性を確保しつつ、各層で歪みや撓み等の変形が発生することを抑制することができる。
【0071】
＜第三実施形態＞
次に、本開示に係る電力変換装置１００の第三実施形態について図６を参照して説明する。なお、以下に説明する第三実施形態では、上記の第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第三実施形態では、パワーモジュール用基板１２における電極部２３の構成が、第一実施形態で説明した電極部２３の構成と異なっている。
次に、本開示に係る電力変換装置１００の第三実施形態について図６を参照して説明する。なお、以下に説明する第三実施形態では、上記の第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第三実施形態では、パワーモジュール用基板１２における電極部２３の構成が、第一実施形態で説明した電極部２３の構成と異なっている。
【0072】
（電極部）
本実施形態における電極部２３は、五層構造を成している。電極部２３は、コンタクト層２４と、三層に形成された保護層２５ｂと、接続層２６とを有している。保護層２５ｂは、第一保護層２５４と、金属層２５５と、第二保護層２５６とを有している。
本実施形態における電極部２３は、五層構造を成している。電極部２３は、コンタクト層２４と、三層に形成された保護層２５ｂと、接続層２６とを有している。保護層２５ｂは、第一保護層２５４と、金属層２５５と、第二保護層２５６とを有している。
【0073】
第一保護層２５４は、コンタクト層２４に積層されている導電性材料である。即ち、第一保護層２５４は、コンタクト層２４と一体の状態でこのコンタクト層２４上に形成されている。第一保護層２５４は、導電性セラミックによって形成されている。本実施形態における第一保護層２５４を形成する導電性セラミックには、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＴｉＳｉ２、及びＷＳｉ２の何れか一つを採用することができる。第一保護層２５４の厚さＬ２ｄは、０．５～２μｍとされている。第一保護層２５４は、例えばスパッタリング法によってコンタクト層２４上に形成される。
【0074】
金属層２５５は、第一保護層２５４に積層されている。即ち、金属層２５５は、第一保護層２５４と一体の状態でこの第一保護層２５４上に形成されている。金属層２５５は、Ｔｉを含有する金属により形成されている。金属層２５５の厚さＬ２ｅは、０．１～０．５μｍとされている。金属層２５５は、例えばスパッタリング法によって第一保護層２５４上に形成される。
【0075】
第二保護層２５６は、金属層２５５に積層されている導電性材料である。即ち、第二保護層２５６は、金属層２５５と一体の状態でこの金属層２５５上に形成されている。第二保護層２５６は、導電性セラミックによって形成されている。本実施形態における第二保護層２５６を形成する導電性セラミックには、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＴｉＳｉ２、及びＷＳｉ２の何れか一つを採用することができる。第二保護層２５６の厚さＬ２ｆは、０．５～２μｍとされている。第二保護層２５６は、例えばスパッタリング法によって金属層２５５上に形成される。
【0076】
接続層２６は、第二保護層２５６に積層されている。即ち、接続層２６は、第二保護層２５６と一体の状態でこの第二保護層２５６上に形成されている。
【0077】
（作用効果）
第三実施形態の構成によれば、超音波に伴って生じる圧力が電極部２３の接続層２６にかかった際、この圧力が第二保護層２５６及び金属層２５５によって吸収される。即ち、ワイヤボンディング時に圧力が第一保護層２５４へ伝わることを第二保護層２５６及び金属層２５５が抑制する。
第三実施形態の構成によれば、超音波に伴って生じる圧力が電極部２３の接続層２６にかかった際、この圧力が第二保護層２５６及び金属層２５５によって吸収される。即ち、ワイヤボンディング時に圧力が第一保護層２５４へ伝わることを第二保護層２５６及び金属層２５５が抑制する。
【0078】
また、導電性セラミックにより形成された第一保護層２５４及び第二保護層２５６がＴｉを含有する金属によって形成された金属層２５５を介在させた状態で積層されている。これにより、例えば、保護層２５ｂが単層である場合と比較して、保護層２５ｂで歪みや撓み等の変形が発生することを抑制しつつ、保護層２５ｂの厚みをより増大させることができる。したがって、ワイヤボンディング時に、パワー半導体素子２２へ加わるダメージをより低減することができる。
【0079】
（その他の実施形態）
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は実施形態の構成に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内での構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は実施形態の構成に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内での構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
【0080】
以下、各実施形態で説明した作用効果の理解を容易にする評価実験（実施例１～３）の結果を図７Ａから図９に一例として示す。図７Ａから図９では、ワイヤボンディング時に用いる超音波の出力強度を１０から１００の範囲で八段階に変化させた際の、パワー半導体素子２２の表面におけるクラックや亀裂（微小亀裂）の発生の有無を示す。超音波の出力強度における「１０」は、予め規定された所定の出力強度を示している。なお、上記実施形態におけるパワーモジュール１０の製造の際、超音波の出力強度には、例えば「３０」が採用される。また、パワー半導体素子２２の表面におけるクラックや亀裂の発生の有無は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）によってこのパワー半導体素子２２の表面が観察されるとともに、例えば限度見本等との比較に基づいて判定される。
【0081】
また、この評価実験では、ボンディングワイヤ２７が銅によって形成され、３００μｍの径を有している。また、コンタクト層２４がアルミニウムによって形成されるとともに０．１μｍの厚さＬ１で形成されている。また、接続層２６が銅によって形成されるとともに１５μｍの厚さＬ３で形成されている。なお、ここで示したボンディングワイヤ２７の径、コンタクト層２４の厚さＬ１、及び接続層２６の厚さＬ３は、実質的な値を指すものであって、製造上のわずかな誤差や設計上の公差は許容される。
【0082】
「実施例１」
図７Ａ中では、パワー半導体素子２２がＳｉ系の単結晶で形成された場合を示している。図７Ａ中の「本発明」における（ｉ）～（ｖ）の行は、第一実施形態で説明した構成でワイヤボンディングをした後の結果であり、図７Ａ中の「比較例」の行は、保護層２５に導電性セラミックを用いない場合の構成でワイヤボンディングをした後の結果である。図７Ａ中の「本発明」における保護層２５は、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＴｉＳｉ２、及びＷＳｉ２のそれぞれによって形成されるとともに、何れの場合も１．０μｍの厚さＬ２で形成されている。図７Ａ中の「比較例」では、保護層２５がＴａ（タンタル）を含有する金属によって形成されるとともに１．０μｍの厚さで形成されている。なお、ここで示した保護層２５の厚さＬ２は、実質的な値を指すものであって、製造上のわずかな誤差や設計上の公差は許容される。
図７Ａ中では、パワー半導体素子２２がＳｉ系の単結晶で形成された場合を示している。図７Ａ中の「本発明」における（ｉ）～（ｖ）の行は、第一実施形態で説明した構成でワイヤボンディングをした後の結果であり、図７Ａ中の「比較例」の行は、保護層２５に導電性セラミックを用いない場合の構成でワイヤボンディングをした後の結果である。図７Ａ中の「本発明」における保護層２５は、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＴｉＳｉ２、及びＷＳｉ２のそれぞれによって形成されるとともに、何れの場合も１．０μｍの厚さＬ２で形成されている。図７Ａ中の「比較例」では、保護層２５がＴａ（タンタル）を含有する金属によって形成されるとともに１．０μｍの厚さで形成されている。なお、ここで示した保護層２５の厚さＬ２は、実質的な値を指すものであって、製造上のわずかな誤差や設計上の公差は許容される。
【0083】
図７Ｂ中では、パワー半導体素子２２がＳｉＣ系の単結晶で形成された場合を示している。図７Ｂ中の「本発明」の行は、第一実施形態で説明した構成でワイヤボンディングをした後の結果であり、図７Ｂ中の「比較例」の行は、保護層２５に導電性セラミックを用いない場合の構成でワイヤボンディングをした後の結果である。図７Ｂ中の「本発明」における保護層２５は、ＴｉＢ２によって形成されるとともに１．０μｍの厚さＬ２で形成されている。図７Ｂ中の「比較例」では、保護層２５がＴａ（タンタル）を含有する金属によって形成されるとともに１．０μｍの厚さで形成されている。なお、ここで示した保護層２５の厚さＬ２は、実質的な値を指すものであって、製造上のわずかな誤差や設計上の公差は許容される。
【0084】
【0085】
「実施例２」
図８中では、パワー半導体素子２２がＳｉ系の単結晶で形成された場合を示している。図８中の「本発明」における（ｉ）及び（ｉｉｉ）の行は、第二実施形態で説明した構成でワイヤボンディングした後の結果である。図８中の「本発明」の（ｉ）及び（ｉｉｉ）における第一金属層２５１及び第二金属層２５３は、Ｔｉによって形成されるとともに、何れも０．２μｍの厚さＬ２ａ，Ｌ２ｃで形成されている。図８中の「本発明」の（ｉ）における本体層２５２は、ＨｆＢ２によって形成されるとともに１．０μｍの厚さＬ２ｂで形成されている。図８中の「本発明」の（ｉｉｉ）における本体層２５２は、ＴｉＳｉ２によって形成されるとともに１．０μｍの厚さＬ２ｂで形成されている。なお、ここで示した第一金属層２５１の厚さＬ２ａ、第二金属層２５３の厚さＬ２ｃ、及び本体層２５２の厚さＬ２ｂは、実質的な値を指すものであって、製造上のわずかな誤差や設計上の公差は許容される。
図８中の「本発明」における（ｉｉ）の行は、図７Ａ中の「本発明」における（ｉｉｉ）の行が示す結果である。図８中の「本発明」における（ｉｖ）の行は、図７Ａ中の「本発明」における（ｉｖ）の行が示す結果である。この際、図８中の「本体層」を、図７Ａ中の「保護層」に読み替えればよい。
図８中では、パワー半導体素子２２がＳｉ系の単結晶で形成された場合を示している。図８中の「本発明」における（ｉ）及び（ｉｉｉ）の行は、第二実施形態で説明した構成でワイヤボンディングした後の結果である。図８中の「本発明」の（ｉ）及び（ｉｉｉ）における第一金属層２５１及び第二金属層２５３は、Ｔｉによって形成されるとともに、何れも０．２μｍの厚さＬ２ａ，Ｌ２ｃで形成されている。図８中の「本発明」の（ｉ）における本体層２５２は、ＨｆＢ２によって形成されるとともに１．０μｍの厚さＬ２ｂで形成されている。図８中の「本発明」の（ｉｉｉ）における本体層２５２は、ＴｉＳｉ２によって形成されるとともに１．０μｍの厚さＬ２ｂで形成されている。なお、ここで示した第一金属層２５１の厚さＬ２ａ、第二金属層２５３の厚さＬ２ｃ、及び本体層２５２の厚さＬ２ｂは、実質的な値を指すものであって、製造上のわずかな誤差や設計上の公差は許容される。
図８中の「本発明」における（ｉｉ）の行は、図７Ａ中の「本発明」における（ｉｉｉ）の行が示す結果である。図８中の「本発明」における（ｉｖ）の行は、図７Ａ中の「本発明」における（ｉｖ）の行が示す結果である。この際、図８中の「本体層」を、図７Ａ中の「保護層」に読み替えればよい。
【0086】
第二実施形態の構成が奏する作用効果を示した図８より、「比較例」と比較して、パワー半導体素子２２におけるクラック及び亀裂の発生が抑制されることが把握可能である。
【0087】
「実施例３」
図９中では、パワー半導体素子２２がＳｉ系の単結晶で形成された場合を示している。図９中の「本発明」における（ｉ）及び（ｉｉｉ）の行は、第三実施形態で説明した構成でワイヤボンディングした後の結果である。図９中の「本発明」の（ｉ）における第一保護層２５４及び第二保護層２５６は、ＴｉＢ２によって形成されるとともに、何れも１．０μｍの厚さＬ２ｄ，Ｌ２ｆで形成されている。図９中の「本発明」の（ｉｉｉ）における第一保護層２５４及び第二保護層２５６は、ＺｒＢ２によって形成されるとともに、何れも１．０μｍの厚さＬ２ｄ，Ｌ２ｆで形成されている。図９中の「本発明」の（ｉ）及び（ｉｉｉ）における金属層２５５は、Ｔｉによって形成されるとともに０．２μｍの厚さＬ２ｅで形成されている。なお、ここで示した第一保護層２５４の厚さＬ２ｄ、第二保護層２５６の厚さＬ２ｆ、及び金属層２５５の厚さＬ２ｅは、実質的な値を指すものであって、製造上のわずかな誤差や設計上の公差は許容される。
図９中の「本発明」における（ｉｉ）の行は、図７Ａ中の「本発明」における（ｉ）の行が示す結果である。図９中の「本発明」における（ｉｖ）の行は、図７Ａ中の「本発明」における（ｉｉ）の行が示す結果である。この際、図９中の「第一保護層」を、図７Ａ中の「保護層」に読み替えればよい。
図９中では、パワー半導体素子２２がＳｉ系の単結晶で形成された場合を示している。図９中の「本発明」における（ｉ）及び（ｉｉｉ）の行は、第三実施形態で説明した構成でワイヤボンディングした後の結果である。図９中の「本発明」の（ｉ）における第一保護層２５４及び第二保護層２５６は、ＴｉＢ２によって形成されるとともに、何れも１．０μｍの厚さＬ２ｄ，Ｌ２ｆで形成されている。図９中の「本発明」の（ｉｉｉ）における第一保護層２５４及び第二保護層２５６は、ＺｒＢ２によって形成されるとともに、何れも１．０μｍの厚さＬ２ｄ，Ｌ２ｆで形成されている。図９中の「本発明」の（ｉ）及び（ｉｉｉ）における金属層２５５は、Ｔｉによって形成されるとともに０．２μｍの厚さＬ２ｅで形成されている。なお、ここで示した第一保護層２５４の厚さＬ２ｄ、第二保護層２５６の厚さＬ２ｆ、及び金属層２５５の厚さＬ２ｅは、実質的な値を指すものであって、製造上のわずかな誤差や設計上の公差は許容される。
図９中の「本発明」における（ｉｉ）の行は、図７Ａ中の「本発明」における（ｉ）の行が示す結果である。図９中の「本発明」における（ｉｖ）の行は、図７Ａ中の「本発明」における（ｉｉ）の行が示す結果である。この際、図９中の「第一保護層」を、図７Ａ中の「保護層」に読み替えればよい。
【0088】
第三実施形態の構成が奏する作用効果を示した図９より、「比較例」と比較して、パワー半導体素子２２におけるクラック及び亀裂の発生が抑制されることが把握可能である。
【0089】
また、実施形態では、電力変換装置１００としてインバータを一例にして説明したが、電力変換装置１００はインバータに限定されることはない。電力変換装置１００は、例えば、コンバータや、インバータとコンバータとを組み合わせたもの等、パワー半導体素子２２により電力変換を行う装置であってもよい。電力変換装置１００がコンバータの場合は、外部の入力電源等（図示省略）から出力端子部１４に交流電圧が入力されてパワー半導体素子２２がこの交流電圧を直流電圧に変換し、パワー半導体素子２２からの直流電圧が入力部から出力される構成であればよい。
【0090】
＜付記＞
実施形態に記載のパワーモジュール用基板は、例えば以下のように把握される。
実施形態に記載のパワーモジュール用基板は、例えば以下のように把握される。
【0091】
（１）第１の態様に係るパワーモジュール用基板１２は、絶縁板２０と、前記絶縁板２０の表面２０ａに配置された複数の表面パターン２１と、複数の前記表面パターン２１のうち一の表面パターン２１に接続されたパワー半導体素子２２と、前記パワー半導体素子２２の上面２２ｕに配置された電極部２３と、複数の前記表面パターン２１のうち前記一の表面パターン２１とは異なる他の表面パターン２１と、前記電極部２３とを接続するボンディングワイヤ２７と、を備え、前記電極部２３は、金属により形成され、前記上面２２ｕに配置されたコンタクト層２４と、前記コンタクト層２４に積層された保護層２５，２５ａ，２５ｂと、金属により形成され、前記ボンディングワイヤ２７に接続された状態で、前記保護層２５，２５ａ，２５ｂに積層された接続層２６と、を有し、前記保護層２５，２５ａ，２５ｂは、硬度が前記コンタクト層２４及び前記接続層２６よりも高い導電性セラミックを含む。
【0092】
これにより、ワイヤボンディング時に電極部２３へ超音波が当てられ、超音波に伴う圧力が電極部２３の接続層２６にかかった際、電極部２３における保護層２５，２５ａ，２５ｂによってこの圧力が吸収される。また、保護層２５，２５ａ，２５ｂが例えば金属によって形成される場合と比較して、接続層２６からコンタクト層２４への熱伝導を抑制することができる。
【0093】
（２）第２の態様に係るパワーモジュール用基板１２は、（１）のパワーモジュール用基板１２であって、前記保護層２５ａは、Ｔｉを含有する金属により形成され、前記コンタクト層２４に一体に積層された第一金属層２５１と、導電性セラミックにより形成され、前記第一金属層２５１に一体に積層された本体層２５２と、Ｔｉを含有する金属により形成され、前記本体層２５２と前記接続層２６との間でこれら本体層２５２及び接続層２６と一体に配置された第二金属層２５３と、を有してもよい。
【0094】
これにより、ワイヤボンディング時の超音波に伴って生じる圧力が保護層２５ａにおける第二金属層２５３によって吸収される。また、本体層２５２からパワー半導体素子２２に向かって伝わる圧力が保護層２５ａにおける第一金属層２５１によって吸収される。
【0095】
（３）第３の態様に係るパワーモジュール用基板１２は、（１）のパワーモジュール用基板１２であって、前記保護層２５ｂは、導電性セラミックにより形成され、前記コンタクト層２４に一体に積層された第一保護層２５４と、Ｔｉを含有する金属により形成され、前記第一保護層２５４に一体に積層された金属層２５５と、導電性セラミックにより形成され、前記金属層２５５と前記接続層２６との間でこれら金属層２５５及び接続層２６と一体に配置された第二保護層２５６と、を有してもよい。
【0096】
これにより、ワイヤボンディング時の超音波に伴って生じる圧力が電極部２３の接続層２６にかかった際、この圧力が第二保護層２５６及び金属層２５５によって吸収される。また、例えば、保護層２５ｂが単層である場合と比較して、保護層２５ｂで歪みや撓み等の変形が発生することを抑制しつつ、保護層２５ｂの厚みをより増大させることができる。
【0097】
（４）第４の態様に係るパワーモジュール用基板１２は、（１）のパワーモジュール用基板１２であって、前記コンタクト層２４は、０．０５～０．５μｍの厚さＬ１で形成されており、前記保護層２５は、０．５～２μｍの厚さＬ２で形成されていてもよい。
【0098】
これにより、パワー半導体素子２２とボンディングワイヤ２７との間における導電性を確保しつつ、コンタクト層２４及び保護層２５で歪みや撓み等の変形が発生することを抑制することができる。
【0099】
（５）第５の態様に係るパワーモジュール用基板１２は、（２）のパワーモジュール用基板１２であって、前記コンタクト層２４は、０．０５～０．５μｍの厚さＬ１で形成されており、前記第一金属層２５１及び前記第二金属層２５３は、０．１～０．５μｍの厚さＬ２ａ，Ｌ２ｃで形成され、前記本体層２５２は、０．５～２μｍの厚さＬ２ｂで形成されていてもよい。
【0100】
これにより、パワー半導体素子２２とボンディングワイヤ２７との間における導電性を確保しつつ、各層で歪み等の変形が発生することを抑制することができる。
【0101】
（６）第６の態様に係るパワーモジュール用基板１２は、（３）のパワーモジュール用基板１２であって、前記第一保護層２５４及び前記第二保護層２５６は、０．５～２μｍの厚さＬ２ｄ，Ｌ２ｆで形成されており、前記金属層２５５は、０．１～０．５μｍの厚さＬ２ｅで形成されていてもよい。
【0102】
これにより、パワー半導体素子２２とボンディングワイヤ２７との間における導電性を確保しつつ、各層で歪み等の変形が発生することを抑制することができる。
【0103】
（７）第７の態様に係るパワーモジュール用基板１２は、（１）から（６）の何れかのパワーモジュール用基板１２であって、前記導電性セラミックは、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＴｉＳｉ２及びＷＳｉ２の何れか一つによって形成されていてもよい。
【0104】
これにより、上記の作用をより高精度に実現することができる。
【0105】
（８）第８の態様に係るパワーモジュール用基板１２は、（１）から（７）の何れかのパワーモジュール用基板１２であって、前記ボンディングワイヤ２７は、複数が前記他の表面パターン２１と前記接続層２６とを接続していてもよい。
【符号の説明】
【0106】
１…ケーシング １ａ…入力側側面 １ｂ…出力側側面 ２…外部入力導体 ３…コンデンサ ４…電力変換部 ５…冷却器 １０…パワーモジュール １１…ベースプレート １１ａ…第一面 １１ｂ…第二面 １２…パワーモジュール用基板 １３…主端子部 １３ｐ…Ｐ端子 １３ｎ…Ｎ端子 １４…出力端子部 １５…補強部 １６…封止部 ２０…絶縁板 ２０ａ…表面 ２０ｂ…裏面 ２１…表面パターン ２１ａ…第一表面パターン ２１ｂ…第二表面パターン ２１ｃ…第三表面パターン ２２…パワー半導体素子 ２２ａ…第一パワー半導体素子 ２２ｂ…第二パワー半導体素子 ２２ｄ…下面 ２２ｕ…上面 ２３…電極部 ２４…コンタクト層 ２５，２５ａ，２５ｂ…保護層 ２６…接続層 ２７…ボンディングワイヤ ２８…裏面パターン ５１…基部 ５１ａ…接合面 ５１ｂ…放熱面 ５２…放熱フィン １００…電力変換装置 ２５１…第一金属層 ２５２…本体層 ２５３…第二金属層 ２５４…第一保護層 ２５５…金属層 ２５６…第二保護層 Ｇ…ギャップ Ｒｐ…ポッティング空間 Ｓ…接合材 Ｗ…液冷媒
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】