特許 7169187 パワーモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-01

(45)【発行日】2022-11-10

(54)【発明の名称】パワーモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20221102BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20221102BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 Z

H01L21/60 321E

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018239155

(22)【出願日】2018-12-21

(65)【公開番号】P2020102504

(43)【公開日】2020-07-02

【審査請求日】2021-06-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】100113664

【弁理士】

【氏名又は名称】森岡 正往

(74)【代理人】

【識別番号】110001324

【氏名又は名称】特許業務法人ＳＡＮＳＵＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 宏文

(72)【発明者】

【氏名】臼井 正則

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 敏一

(72)【発明者】

【氏名】庄司 智幸

(72)【発明者】

【氏名】淺井 林太郎

(72)【発明者】

【氏名】青島 正貴

【審査官】井上 和俊

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２４４１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０１９４４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体からなり、第１面側にある第１電極と第２面側にある第２電極とを少なくとも有するパワーデバイスと、
該第１電極に第１接合材を介して接合される第１スプレッダと、
該第２電極に第２接合材を介して接合されるターミナルとを備え、
該半導体は、ケイ素または炭化ケイ素からなり、
該第１電極は、該第２電極よりも接合される電極面積が大きく、
該第２電極は、ケイ素を含むアルミニウム合金（「Ａｌ－Ｓｉ合金」という。）からなるＡｌＳｉ層を含み、
該第１スプレッダと該ターミナルは、銅または銅合金からなり、
該第１接合材は、３０℃のときの０．２％耐力と１７５℃のときの０．２％耐力との差の絶対値（｜Δσ_１｜）が１０ＭＰａ以下であり、
該第２接合材は、３０～１７５℃の全域において該Ａｌ－Ｓｉ合金よりも０．２％耐力が小さく、３０℃のときの０．２％耐力と１７５℃のときの０．２％耐力との差の絶対値（｜Δσ_２｜）が２０ＭＰａ以下であり、
該第１接合材は、アルミニウム層と金属間化合物層が積層された複合材からなるパワーモジュール。

【請求項2】

前記第２接合材は、銅を含むスズ合金のはんだからなる請求項１に記載のパワーモジュール。

【請求項3】

前第２接合材は、アルミニウム層と金属間化合物層が積層された複合材からなる請求項１に記載のパワーモジュール。

【請求項4】

前記アルミニウム層は、純度が２Ｎ～４Ｎのアルミニウム箔からなる請求項２または３に記載のパワーモジュール。

【請求項5】

前記アルミニウム層の厚さは、前記複合材全体の厚さに対して６０～９５％である請求項２～４のいずれかに記載のパワーモジュール。

【請求項6】

前記金属間化合物層は、スズとニッケルからなる請求項２～５のいずれかに記載のパワーモジュール。

【請求項7】

前記パワーデバイスは、前記第２面側に制御電極をさらに有するトランジスタであり、
前記ターミナルは、該制御電極に接合されるボンディングワイヤーのスペースを確保するスペーサであり、
さらに、該スペーサの該第２面側に接合される第２スプレッダを備える請求項１～６のいずれかに記載のパワーモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はパワーモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

モータ駆動用インバータ等には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ダイオード等のパワーデバイス（半導体素子）を実装したパワーモジュールが用いられる。

【0003】

パワーモジュールの信頼性の確保には、先ず、パワーデバイス（単に「素子」ともいう。）の作動中に生じる発熱を効率的に放熱する必要がある。このような放熱構造に関連する記載が下記の特許文献にある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００８－４２０３９号公報

【文献】特開２００８－１０３６２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、パワーモジュールの信頼性をさらに高めるためには、放熱性の確保に加えて、高温となる素子電極の接合部における耐熱性や耐久性の確保等も重要となる。そこで従来は、高融点で高耐熱性な接合材（例えば、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＳｂ等の鉛フリーはんだ）が用いられていた。

【0006】

しかし、そのような接合材を用いたパワーモジュールは、冷熱サイクル（温度サイクル）下で耐久性が十分でも、パワーサイクル下では必ずしも耐久性が十分ではなかった。なお、冷熱サイクルでは、温度分布が略均一的な高温環境下と低温環境下に繰り返しパワーモジュールが曝される。パワーサイクルでは、パワーデバイスへの通電のＯＮ・ＯＦが短時間内に繰り返しなされて、不均一な温度分布を生じる環境下に繰り返しパワーモジュールが曝される。

【0007】

パワーサイクル下における耐久性を確保するため、低ヤング率または低耐力（常温域）の接合材も用いられていた。しかし、そのような接合材を用いたパワーモジュールでは、接合部温度（Ｔｊ）の上限保証温度が低温域（例えば１５０℃以下）に制限される。

【0008】

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、パワーサイクル下における信頼性を高温域まで確保できるパワーモジュール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】

【0009】

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、パワーデバイスの第１面側（裏面側／下面側）にある電極を接合する第１接合材の機械的特性（例えば耐力）の温度依存性と、第２面側（表面側／上面側）にある電極を接合する第２接合材の機械的特性（例えば耐力）の温度依存性とを、所定範囲内にすることにより、パワーサイクル下における信頼性（耐久性）をより高温域まで確保できることを新たに見出した。この発見を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

【0010】

《パワーモジュール》
（１）本発明は、半導体からなり、第１面側にある第１電極と第２面側にある第２電極とを少なくとも有するパワーデバイスと、該第１電極に第１接合材を介して接合される第１スプレッダと、該第２電極に第２接合材を介して接合されるターミナルとを備え、該半導体は、ケイ素または炭化ケイ素からなり、該第１電極は、該第２電極よりも接合される電極面積が大きく、該第２電極は、ケイ素を含むアルミニウム合金（「Ａｌ－Ｓｉ合金」という。）からなるＡｌＳｉ層を含み、該第１スプレッダと該ターミナルは、銅または銅合金からなり、該第１接合材は、３０℃のときの０．２％耐力と１７５℃のときの０．２％耐力との差の絶対値（｜Δσ_１｜）が１０ＭＰａ以下であり、該第２接合材は、３０～１７５℃の全域において該Ａｌ－Ｓｉ合金よりも０．２％耐力が小さく、３０℃のときの０．２％耐力と１７５℃のときの０．２％耐力との差の絶対値（｜Δσ_２｜）が２０ＭＰａ以下であるパワーモジュールである。

【0011】

（２）本発明のパワーモジュールは、高温域（例えば、素子中心温度または接合部温度の上限値が１５０℃超～１７５℃以下となる温度域）のパワーサイクル下でも、高い耐久性（信頼性）を発揮し得る。例えば、そのような環境下でも、第２電極を構成するＡｌＳｉ層の割れ（クラック）等が抑止される。

【0012】

このような優れた効果が発揮される理由やメカニズムは必ずしも定かではない。但し、第２電極側（特にＡｌＳｉ層）のクラックの有無が、接合材の機械的特性（例えば耐力）の温度依存性に影響しており、第２電極の反対側である第１電極側の第１接合材の機械的特性の温度依存性を第２電極側の第２接合材よりも小さくすることが有効であるということは、これまでにない知見である。本発明は、そのような発見に基づいてなされており、画期的である。

【0013】

《その他》
特に断らない限り本明細書でいう「ｘ～ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ～ｂ」のような範囲を新設し得る。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】両面冷却構造型のパワーモジュールの要部を模式的に示す断面図である。

【図2A】各試料に係るパワーサイクル試験後の第１電極面付近を観察した超音波顕微鏡像である。

【図2B】パワーサイクル試験に係る１周期分の通電パターン図である。

【図3】各試料に係るパワーサイクル試験後の第１接合材付近の断面を観察した光学顕微鏡像である。

【図4】接合材に用いた各金属の耐力の温度依存性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明のパワーモジュールのみならず、その製造方法にも該当し得る。「方法」に関する構成要素は「物」に関する構成要素ともなり得る。

【0016】

《パワーデバイス》
パワーデバイスは、ダイオードでもよいが、主にトランジスタである。トランジスタは、第１電極、第２電極、制御電極（第３電極）を備える。本発明の場合、第１電極は第２電極よりも電極面積（または接合面積）が大きく、第１電極はトランジスタの第１面側にあり、第２電極はその第２面側（第１面側の反対面側）にある。このような条件を満たす限り、トランジスタは、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ等のいずれでもよい。ＩＧＢＴなら、例えば、第１電極はコレクタ電極、第２電極はエミッタ電極となる。ＭＯＳＦＥＴなら、例えば、第１電極はドレイン電極、第２電極はソース電極である。サイリスタなら、例えば、第１電極はアノード電極であり、第２電極はカソード電極である。なお、いずれの場合も、制御電極は、通常、ゲート電極である。ちなみに、本発明のパワーモジュールは、トランジスタ以外のデバイス（ダイオード等）や制御回路を含み得る。

【0017】

パワーデバイスは、半導体（ＳｉまたはＳｉＣ）からなる。半導体基板（チップ）中のｐ領域やｎ領域は、例えば、イオン注入等により形成される。また、第１電極や第２電極は、例えば、金属蒸着（メタライズ）や熱処理（アニール）等により形成される。なお、制御電極は、例えば、絶縁膜（酸化膜）、ポリシリコン膜等により形成される。

【0018】

このような半導体の熱膨張係数（ＣＴＥ：coefficient of thermal expansion）は、２～５さらには３～６ｐｐｍ／Ｋ程度である。ちなみに、ＳｉはＣＴＥが３ｐｐｍ／Ｋ程度、ＳｉＣはＣＴＥが約３．７ｐｐｍ／Ｋ程度である。

【0019】

第１電極や第２電極（特に第２電極）は、ケイ素を含むアルミニウム合金（「Ａｌ－Ｓｉ合金」という。）からなるＡｌＳｉ層を含む。ＡｌＳｉ層は、一般的に、半導体とＮｉ電極との密着性確保や良好な電気的接触特性を得るために設けられる。パワーサイクル環境下で生じる不均一な温度分布やＣＴＥ不整合等に起因して、そのＡｌＳｉ層でクラックが生じ易い。

【0020】

第１電極や第２電極は、ＡｌＳｉ層下（半導体上）に、極薄いＡｌ層やＴｉ層（５０ｎｍ～５００ｎｍ程度）等が形成されていてもよい。また、ＡｌＳｉ層上にＮｉ層等が形成されていてもよい。下層であるＡｌ層やＴｉ層等は、例えば、オーミック接触や密着性を確保するために設けられる。上層であるＮｉ層等は、例えば、接合材との接合性を確保するために設けられる。

【0021】

《ターミナルとスプレッダ》
第１電極に接合される第１スプレッダと、第２電極に接合されるターミナルは、導電性および熱伝導性に優れた銅（無酸素銅等の純銅）または銅合金からなる。これらのＣＴＥは、通常、１５～１９ｐｐｍ／Ｋ程度である。但し、ＣＴＥが小さい銅合金（例えば、ＣＴＥが４～１０ｐｐｍ／Ｋ程度のＣｕ―Ｗ合金、Ｃｕ―Ｍｏ合金等）を用いてもよい。なお、これらは後述する第２スプレッダについても適宜該当し得る。

【0022】

パワーデバイスが第２面側に制御電極を有するトランジスタの場合、ターミナルは、例えば、その制御電極に接合されるボンディングワイヤーのスペースを確保するスペーサとなる。その厚みは、例えば、０．１ｍｍ～２ｍｍさらには０．５ｍｍ～１．５ｍｍ程度である。なお、ターミナルの第２面側には、例えば、第２スプレッダが第３接合材を介して接合される。

【0023】

スプレッダは、パワーデバイスの発熱を受熱して、外部へ放熱する熱伝導部材である。スプレッダは、例えば、導電部材を兼ねるリードフレーム、ＤＢＣ（Direct Copper Bond）基板の回路層等である。

【0024】

《接合材》
（１）第１電極と第１スプレッダの接合部（「第１接合部」という。）に用いられる第１接合材と、第２電極とターミナルの接合部（「第２接合部」という。）に用いられる第２接合材とは、いずれも、機械的特性（強度、クリープ抵抗、延性、ヤング率等）の温度変化が小さいものであるとよい。

【0025】

各接合材の機械的特性の温度依存性は、例えば、３０℃のときの０．２％耐力（σ_Ｌ）と１７５℃（σ_Ｈ）のときの０．２％耐力との差（Δσ＝σ_Ｌ―σ_Ｈ）またはその絶対値（｜Δσ｜）により指標される。第１接合材なら、例えば、その０．２％耐力差の絶対値（｜Δσ_１｜）が１０ＭＰａ以下さらには６ＭＰａ以下あるとよい。第２接合材なら、例えば、その０．２％耐力差の絶対値（｜Δσ_２｜）が２０ＭＰａ以下さらには１２ＭＰａ以下あるとよい。いずれの場合でも、クラックが発生し易い第２電極（特にＡｌＳｉ層）側である第２接合材の０．２％耐力差（絶対値）よりも、その反対面側にある第１接合材の０．２％耐力差（絶対値）を小さくするとよい。

【0026】

（２）第１接合材は、例えば、アルミニウム層と金属間化合物層が積層された複合材からなるとよい。アルミニウム層には、例えば、アルミニウム箔を用いることができる。このアルミニウム箔は、例えば、Ａｌ以外の不純物元素の合計量が１質量％以下（未満）である純アルミニウムからなるとよい。具体的にいうと、その純度は２Ｎ～４Ｎであるとよい。なお、２Ｎは純度９９％、３Ｎは純度９９．９％、４Ｎは純度９９．９９％を意味する。過剰に高純度なアルミニウム箔は高価であり、また、機械的特性の温度変化が大きくなり得る。不純物が過多になると、アルミニウム層が高強度または低延性となり、その応力緩和性が低下し得る。

【0027】

アルミニウム層の厚みは、例えば、複合材全体の厚さに対して６０～９５％さらには７５～９０％とするとよい。具体的にいうと、アルミニウム層は、例えば、１０～５００μｍさらには２０～２００μｍ程度である。その厚みが過小では、第２電極（特にＡｌＳｉ層）に生じる熱ひずみの低減が不十分となる。また、アルミニウム層による応力緩和性や耐熱疲労性も不十分となる。アルミニウム層の厚みが過大になると、パワーモジュールの薄型化が阻害される。

【0028】

金属間化合物層は、例えば、少なくとも一方側の被接合面上に、蒸着等により形成した低融点金属（層）と高融点金属（層）が反応し、その低融点金属よりも高融点な金属間化合物（ＩＭＣ）が生成されてなる。このようなＩＭＣによる接合を、固液相互拡散接合または単に「ＳＬＩＤ（Solid Liquid Interdiffusion ）接合」という。なお、本明細書では、アルミニウム層（Ａｌ層）と、その少なくとも一面側（通常はアルミニウム層の両面側）に形成された金属間化合物層（ＩＭＣ層）とが積層された接合材（複合材）を、単に「Ａｌ－ＳＬＩＤ」という。

【0029】

金属間化合物層を生成する低融点金属と高融点金属の組合わせ（ひいては金属間化合物の組成）は、パワーモジュールの耐熱温度、接合工程中の加熱温度、熱膨張係数等を考慮して選択される。低融点金属として、例えば、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ等やそれらの合金がある。高融点金属として、Ｎｉ、Ｃｕ，Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、等やそれらの合金がある。

【0030】

一例として、Ｓｎ（融点：約２３０℃）と、Ｎｉ（融点：約１４５０℃）またはＣｕ（融点：約１０８５℃）とを組み合わせるとよい。例えば、Ｓｎ層とＮｉ層を接触させて約３５０℃で５分間程度加熱すると、ニッケルスズ（ＮｉＳｎ／融点：約７９５℃）からなる金属間化合物層が得られる。こうして、接合温度を抑制しつつ、高融点な複合接合層が得られる。高融点金属／低融点金属の他の組合わせは、Ｃｕ／Ｓｎ、Ａｇ／Ｓｎ、Ｐｔ／Ｓｎ／、Ａｕ／Ｓｎ等でもよい。

【0031】

金属間化合物層は、通常、アルミニウム層よりも十分に薄い。アルミニウム層の片面側にある金属間化合物層（一層分）の厚さは、例えば、１～１５μｍさらには３～１０μｍ程度である。複合材全体の厚さに対する金属間化合物層の合計厚さは、例えば、５～４０％さらには１０～２５％程度である。

【0032】

このようなＡｌ－ＳＬＩＤは、上述した温度域内（３０～１７５℃）で機械的特性（０．２％耐力等）が安定しており、その温度依存性が十分に小さい。このためＡｌ－ＳＬＩＤ（複合材）は、第１接合材として用いても、第２接合材として用いてもよい。なお、Ａｌ－ＳＬＩＤの機械的特性は、ほぼ、その大部分を占めるアルミニウム層の機械的特性に依存していると考えてよい。

【0033】

（３）第２接合材には、機械的特性の温度依存性が比較的小さい種々の材料を用いることができる。例えば、上述したＡｌ－ＳＬＩＤを用いる他、従来から用いられているスズと銅のはんだ（単に「ＳｎＣｕはんだ」という。）を用いることもできる。ＳｎＣｕはんだは、例えば、その全体を１００質量％として、Ｃｕ：０．４～１．５質量％さらには０．５～１質量％を含み、残部がＳｎと不純物からなるスズ合金からなる。この他、上述した０．２％耐力差の絶対値（｜Δσ_２｜）が所定範囲内となる限り、Ａｇ、Ｎｉ等の合金からなるはんだを用いてもよい。

【0034】

（４）ターミナルの第２面側と第２スプレッダを接合する第３接合材には、各種はんだ、Ａｌ－ＳＬＩＤ等を用いることができる。ターミナルと第２スプレッダの間は、パワーデバイスとターミナル若しくは第１スプレッダとの間よりも、低温で温度分布も略均一的である。このため第３接合材については、必ずしも、その機械的特性の温度依存性を問わない。

【実施例】

【0035】

第１接合材と第２接合材の組み合わせを変更した種々のパワーモジュールを製作した。それらをパワーサイクル試験に供して、第２接合部（特に第２電極のＡｌＳｉ層）にクラックが生じるか否かを観察し、パワーモジュールの耐久性（信頼性）を評価した。このような具体例を挙げつつ、本発明をさらに詳しく説明する。

【0036】

《パワーモジュールの概要》
本発明の一実施例である両面冷却構造型のパワーモジュールＭを模式的に示した断面図を図１に示した。パワーモジュールＭは、ＩＧＢＴであるトランジスタ１と、スペーサであるターミナル２と、リードフレームである第１スプレッダ３１および第２スプレッダ３２とを備える。

【0037】

トランジスタ１は、ＩＧＢＴの基板１０と、そのコレクタ電極である第１電極１１と、そのエミッタ電極である第２電極１２と、そのゲート電極である制御電極１３（第３電極）とを備える。

【0038】

第１電極１１は、第１接合材４１を介して、第１スプレッダ３１に接合されている。第２電極１２は、第２接合材４２を介して、ターミナル２の第１面側に接合されている。制御電極１３は、ボンディングワイヤー５１により信号端子５２と接合されている。ターミナル２の第２面側は、第３接合材４３を介して第２スプレッダ３２と接合されている。

【0039】

なお、図１には、一例として、第１接合材４１が、アルミニウム層４１３とその両面側に生成された金属間化合物層４１１、４１２とからなるＡｌ－ＳＬＩＤ（複合材）である場合を示した。

【0040】

《パワーサイクル試験》
（１）試料
パワーサイクル試験に供するパワーモジュールＭ（試料）を種々製作した。先ず、トランジスタ１の基板１０は、シリコン（Ｓｉ単結晶）のチップ（１２．４ｍｍ×１２．４ｍｍ×厚さ１３５μｍ）からなる。第１電極１１の電極面（接合面）は１２．４ｍｍ×１２．４ｍｍ（面積：１５４ｍｍ^２）、第２電極１２の電極面（接合面）は１１ｍｍ×１０ｍｍ（面積：１１０ｍｍ^２）である。

【0041】

トランジスタ１の第１電極は、基板１０のシリコン下面上に、ＡｌＳｉ層（厚さ５μｍ）、Ｔｉ層（厚さ２５０ｎｍ）、およびＮｉ層（厚さ３μｍ）が順に積層されてなる。トランジスタ１の第２電極は、基板１０のシリコン上面上に、ＡｌＳｉ層（厚さ５μｍ）およびＮｉ層（厚さ３～５μｍ）が順に積層されてなる。各層は、原料金属（ターゲット）をスパッタリングして形成される。ＡｌＳｉ層は、Ｓｉ：１質量％、Ａｌ：残部であるアルミニウム合金（「Ａｌ－１％Ｓｉ」という。）を原料金属とした。

【0042】

ターミナル２（厚さ１．１５ｍｍ）およびスプレッダ３１、３２（厚さ２ｍｍ）には、無酸素銅（純銅）箔を用いた。

【0043】

第１接合材４１と第２接合材４２には、図２Ａに示す各種の接合材を用いた。ＳｎＣｕは、Ｃｕ：０．７質量％、Ｓｎ：残部であるスズ合金のはんだ（厚さ１００μｍ）からなる。ＳｎＳｂは、Ｓｂ：５質量％、Ｓｎ：残部であるスズ合金のはんだ（厚さ１００μｍ）からなる。なお、本明細書でいう合金組成は、特に断らない限り、合金全体に対する質量割合（質量％）である。

【0044】

Ａｌ－ＳＬＩＤは、純アルミニウム（２Ｎ）の箔（厚さ１００μｍ）からなるアルミニウム層４１３と、ＳｎとＮｉからなる金属間化合物層４１１、４１２（各厚さ５μｍ）とが積層されてなる。なお、アルミニウム層の厚さは、Ａｌ－ＳＬＩＤ全体に対して９１％となる。

【0045】

なお、Ａｌ－ＳＬＩＤは、純アルミニウム箔の両面にそれぞれＮｉとＳｎが順にメタライズされた接合シートを、Ｎｉがメタライズされた被接合面間に介装した状態で加熱（２７０℃）し、ＳＬＩＤ反応を生じさせて形成される。なお、第３接合材には、上述したＳｎＣｕ（Ｓｎ－０．７質量％Ｃｕ）のはんだ（厚さ１５０μｍ）を用いた。

【0046】

（２）試験
パワーサイクル試験は、各試料（パワーモジュールＭ）に、図２Ｂに示す通電パターンを５万サイクル印加して行った。通電のオン・オフは、素子中心温度が３０℃（Ｔｊ_ｍｉｎ）と、１５０℃または１７５℃（Ｔｊ_ｍａｘ）の範囲で変化するようにした。なお、素子中心温度はダイオードを用いた温度センサにより測定した。

【0047】

《観察》
（１）各試料について、第２電極１２とターミナル２（第１面側）が接合されている第２接合部（第２接合材４２付近）を、超音波顕微鏡で観察した。その観察像と、第２接合部（特に第２電極１２のＡｌＳｉ層）におけるクラックの有無とを、図２Ａに併せて示した。

【0048】

（２）各試料の第２接合部の断面を光学顕微鏡で観察した。その観察像を図３にまとめて示した。

【0049】

《評価》
図２Ａから次のことがわかる。試料１１のように、第１接合材４１と第２接合材４２にＳｎＣｕはんだを用いた場合、素子中心温度の上限値（Ｔｊ_ｍａｘ）が１５０℃までなら、第２接合部にクラックはみられなかった。しかし、試料１２のように、第１接合材４１と第２接合材４２にＳｎＣｕはんだを用いた場合でも、素子中心温度の上限値（Ｔｊ_ｍａｘ）が１７５℃になると、第２接合部にクラックが発生した。

【0050】

また、試料２のように、第１接合材４１と第２接合材４２に、ＳｎＣｕはんだよりも高強度（高融点）なＳｎＳｂはんだを用いた場合でも、第２接合部にクラックが発生した。さらに、試料４のように、第１接合材４１をＡｌ－ＳＬＩＤ、第２接合材４２をＳｎＳｂとした場合も、第２接合部にクラックが発生した。

【0051】

一方、試料３または試料５のように、第１接合材４１をＡｌ－ＳＬＩＤとして、第２接合材４２をＳｎＣｕはんだ若しくはＡｌ－ＳＬＩＤとした場合には、第２接合部にクラックが発生しなかった。

【0052】

さらに図３からわかるように、クラックを生じた試料の場合、第２電極１２のＡｌＳｉ層にクラックが生じることもわかった。なお、試料３のように、第２接合部にクラックが無い場合、第２電極１２（特にＡｌＳｉ層）にクラックやうねりはみられなかった。

【0053】

《考察》
上述した結果を踏まえて、第１接合材と第２接合材の材質の相違（組み合わせ）により、第２電極のＡｌＳｉ層等に発生するクラックの有無（ひいてはパワーモジュールの耐久性・信頼性）が異なる理由は、現状、次のように推察される。

【0054】

（１）第１接合材４１と第２接合材４２に用いた各金属材料の０．２％耐力の温度依存性を図４に示した。この温度依存性は、恒温槽を有する引張り試験機を用いて、ひずみ速度：０．０１～０．０６％／secの条件下で、各金属材料を引張り試験して得られたデータである。なお、Ａｌ－ＳＬＩＤについては、その大部分を占めるＡｌ（２Ｎ）に係る０．２耐力の温度依存性を示した。ちなみに、０．２％耐力は、各温度で行う引張試験により得られた応力―ひずみ線図上で、除荷後の塑性ひずみが０．２％となるときの応力値である。

【0055】

図４から明らかなように、ＳｎＳｂはんだの０．２％耐力は、低温（２５℃）でかなり大きいが、高温（２００℃）になると急激に小さくなっている。つまり、ＳｎＳｂはんだの機械的特性は、温度に対して大きく変化し易い（温度依存性が大きい）。

【0056】

一方、ＳｎＣｕはんだの０．２％耐力は、低温（２５℃）であまり大きくないものの、温度に対する変化は小さい（温度依存性は小さい）。さらにＡｌ－ＳＬＩＤ（Ａｌ（２Ｎ））は、２５～２００℃の範囲で、０．２％耐力が殆ど変化しておらず、温度依存性が非常に小さい。

【0057】

また、図４から明らかなように、３０℃のときと１７５℃のときとの０．２％耐力差の絶対値（｜Δσ｜）をみると、ＳｎＳｂはんだでは｜Δσ｜＝２４ＭＰａ（＞２０ＭＰａ）であった。一方、ＳｎＣｕはんだは｜Δσ｜＝１３ＭＰａ（１０ＭＰａ＜｜Δσ｜＜２０ＭＰａ）であり、Ａｌ－ＳＬＩＤは｜Δσ｜＝３ＭＰａ（｜Δσ｜＜１０ＭＰａ）であった。さらに、ＳｎＣｕはんだとＡｌ－ＳＬＩＤは、Ａｌ－１％Ｓｉよりも、３０～１７５℃の全域において０．２％耐力が小さかった。

【0058】

（２）パワーサイクル下では、トランジスタ１（特に基板１０）の温度が不均一となり、これに起因して、各電極や各接合部に生じる熱応力や変形・ひずみも不均一となり易い。このような不均一性が、各電極（特に第２電極のＡｌＳｉ層）にクラックが生じさせる大きいな要因と考えられる。このような傾向は、素子温度（上限値）が高まるほど、顕著になり易い。

【0059】

ところが、本発明のように、機械的特性の温度依存性が小さい接合材をパワーデバイスの接合部に用いると共に、クラックを生じ易い第２電極側の第２接合材よりも、その反対面側にある第１電極側の第１接合材の温度依存性をさらに小さくすると、理由は定かではないが、上述した各接合部や各電極に生じる不均一なひずみ等が顕著に抑制されるようになったと考えられる。

【0060】

詳細なメカニズムは兎も角、本発明のパワーモジュールを採用することにより、その耐久性や信頼性の確保または向上が図られることは確かである。

【符号の説明】

【0061】

Ｍ パワーモジュール
１ トランジスタ
１０ 基板
１１ 第１電極
１２ 第２電極
１３ 制御電極
２ ターミナル
３１ 第１スプレッダ
３２ 第２スプレッダ
４１ 第１接合材
４２ 第２接合材
４３ 第３接合材

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】