JP2012182344A

JP2012182344A - パワーモジュール

Info

Publication number: JP2012182344A
Application number: JP2011044807A
Authority: JP
Inventors: Xiao Hong Yin; 暁紅殷; Yasumichi Hatanaka; 康道畑中; Hiroyuki Harada; 啓行原田; Kei Yamamoto; 圭山本; Kenji Mimura; 研史三村; Takashi Nishimura; 隆西村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2012-09-20

Abstract

【課題】エポキシ樹脂を封止材とした絶縁シート構造のパワーモジュールにおいて、吸湿による絶縁シートの絶縁性能低下を防止することにより、長期的信頼性を向上させる。
【解決手段】金属基板１１と、絶縁シート２と、ヒートスプレッタ３と、半導体素子４と、リードフレーム５と、配線６と、封止樹脂７とを備え、金属基板１１は、その端部が湾曲形状を有するとともに封止樹脂７内に封止される。これにより、外部から絶縁シート２までの水分浸入経路を長くすることができ、吸湿による絶縁シート２の絶縁性低下を防止して、パワーモジュールの長期信頼性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、トランスファモールドによる樹脂封止型のパワーモジュールに関し、特に、高温高湿環境下で使用する際に吸湿による絶縁性の劣化を防止することのできるパワーモジュールに関するものである。

一般に、パワーモジュールは、高温高湿や振動などの影響を受ける厳しい環境下で使用されることから、特に耐湿信頼性に対する要求が非常に厳しくなっている。
中でも、有機系材料からなる絶縁シートを用いて高電圧で動作するパワーモジュールにおいては、吸湿による絶縁性の低下を防止することが非常に重要である。

高温高湿環境下で高電圧が印加される状況でパワーモジュールを使用すると、リードフレームと金属基板の端部との間、封止樹脂が剥離した際のリードフレーム間、および、リードフレームと金属基板との間にリークやショートが発生し易く、吸湿による絶縁シート自体の劣化によっても、リークやショートが発生する。

特に、車両や電鉄などに使用されるパワーモジュールの場合には、家庭電化製品で使用される半導体装置に比べて、使用環境が高温高湿であり、このような環境下では、絶縁シートの劣化を抑制することが困難になる。この結果、吸湿による絶縁シート自体の劣化により、リークやショートが発生してパワーモジュールの信頼性が低下する。
そこで、パワーモジュールの長期信頼性を確保するためには、有効な防湿対策が必要となる。

防湿対策としては、封止樹脂の表面に耐湿性コーティング層を設けることによって、封止樹脂の内部に水分が浸入するのを抑制する技術が知られている。
しかしながら、この種の耐湿性コーティング層は、断熱層として作用するので、パワーモジュール内で発生した熱を外部へ放出するのを妨げる可能性が高く、実用的ではない。

そこで、封止樹脂の表面に耐湿性コーティング層を用いずに、樹脂モールド部の形状を工夫して防湿性を高めるための構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
この場合、基板と放熱板の上面及び側面から背面までとを封止樹脂でモールドして水分の浸入経路を延長することで、吸湿による劣化を防止している。

特開平１０−２８４６３０号公報

従来のパワーモジュールは、特許文献１のように絶縁シートへの水分浸入経路を延長した場合には、防湿対策としては有効であるが、パワーモジュールが大型化するという課題があった。
また、金属基板の背面まで封止樹脂を設けた場合には、放熱効果をさらに高めるためにヒートスプレッタを別の放熱部材（たとえば、ヒートシンクまたはフィン）に取り付けて使用する際に、金属基板の背面に設けられた封止樹脂からなるモールド部が別の放熱部材との間に介在することから、放熱効果が十分に得られないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、大型化を招くことなく、吸湿による絶縁シートの絶縁性低下を防止し、長期信頼性を向上されたパワーモジュールを得ることを目的とする。

この発明に係るパワーモジュールは、金属基板と、金属基板上に配置された絶縁シートと、絶縁シート上に配置されたヒートスプレッタと、ヒートスプレッタ上に実装された半導体素子と、配線を介して半導体素子に接続されたリードフレームと、金属基板、絶縁シート、ヒートスプレッタ、半導体素子、リードフレームおよび配線を封止する封止樹脂とを備え、金属基板の端部は、湾曲部を有して封止樹脂内に封止されたものである。

この発明によれば、金属基板の端部を湾曲形状として封止樹脂の中に封止させることにより、金属基板を大型化することなく、絶縁シートへの水分浸入経路の長さを延長可能とし、吸湿による絶縁シートの絶縁性低下を防止して、長期信頼性を向上させたパワーモジュールを提供することができる。

この発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの構成を模式的に示す断面図である。この発明の実施の形態１による効果を示す説明図である。この発明の実施の形態２による金属基板を模式的に示す断面図である。この発明の実施の形態３に係るパワーモジュールの構成を模式的に示す断面図である。従来のパワーモジュールの構成を模式的に示す断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の構成を模式的に示す断面図である。
図１において、この発明の実施の形態１に係るパワーモジュールは、金属基板１１と、金属基板１１上に密着して配置された絶縁シート２と、絶縁シート２上に配置されたヒートスプレッタ３と、ヒートスプレッタ３上に実装された半導体素子４と、リードフレーム５と、半導体素子４とリードフレーム５とを接続する配線６と、パワーモジュール全体を被覆する封止樹脂７とを備えている。

封止樹脂７は、金属基板１１、絶縁シート２、ヒートスプレッタ３および半導体素子４の上面および側面と、リードフレーム５および配線６の上下面および側面とを封止している。
金属基板１１は、両端部に湾曲部１２（湾曲形状）を有する。さらに具体的には、金属基板１１の端部は、金属基板１１の上面（封止樹脂７内）に向けて、約１５度〜９０度の角度で湾曲し、さらに約１５度〜９０度の角度で金属基板１１の側面（外側）に向けて湾曲している。

ところで、パワーモジュール内の絶縁シートの劣化は、具体的には以下の現象によって進行するものと考えられる。
すなわち、高温高湿環境下において、高電圧が印加される状況で使用すると、主に封止樹脂と異種材料（金属基板など）との界面から水分が入り込み、界面から浸入した水分が絶縁シートに達して、絶縁シートの周囲から内部に拡散する。

このときの封止樹脂材料の吸水挙動は、フィックの拡散式で表されるが、実際の高温高湿環境下でのパワーモジュールの高電圧を印加した試験においては、封止樹脂中での水の拡散係数（１０−６〜１０−７ｍｍ／ｓｅｃ）から見積もられる。

なお、通常、吸湿によって絶縁シート自体が劣化して故障が発生するまでの時間は、封止樹脂の外表面から吸湿した水分が封止樹脂中を拡散して絶縁シートに達して絶縁シートに拡散するまでの時間に比べて、極めて短時間であることが知られている。

上記現象結果に鑑みれば、絶縁シート自体の劣化を引き起こす水分は、封止樹脂を介して絶縁シートに拡散する水分ではなく、パワーモジュールの外表面に露出した封止樹脂と金属基板などの異種材料との界面から短時間で入り込んでいることになる。

したがって、高温高湿環境下における吸湿による絶縁シート自体の劣化を防止するためには、水分の浸入経路である異種材料界面の距離を長くして、絶縁シートの吸湿を遅延することが有効と考えられる。

図５は、図１の構成と比較するための、従来のパワーモジュールの構成を模式的に示す断面図である。
図５において、パワーモジュールは、金属基板１０と、絶縁シート２と、熱伝導性材からなるヒートスプレッタ（放熱板）３と、半導体素子４と、リードフレーム５と、配線６と、封止樹脂７とを備えており、金属基板１０は、平面形状を有している。

たとえば、金属基板１０のサイズは、６０ｍｍ×６０ｍｍ×１ｍｍである。
また、金属基板１０と封止樹脂７との界面１０ａ、１０ｂは、長さが約３．５ｍｍであり、パワーモジュール内の絶縁シート２に対して水が浸入する最も速い経路となる。
なお、図示しないが、必要に応じて、金属基板１０の裏面には、放熱用のヒートシンクまたはフィンなどが配置され得る。

前述のように、絶縁シート２自体の劣化を引き起こす水分は、封止樹脂７を介して絶縁シート２に拡散する水分ではなく、パワーモジュールの外表面に露出した封止樹脂７と金属基板１０（異種材料）との界面１０ａ、１０ｂから入り込んでいる水分である。

図５に示すように、絶縁シート２に水分が浸入する経路のうち最も速い経路は、金属基板１０と封止樹脂７との間の界面１０ａ、１０ｂである。
したがって、絶縁シート２の吸湿を防止するためには、界面１０ａ、１０ｂの長さ（金属基板１０の厚さ、幅および長さ）を増加させることが有効である。しかしながら、この場合、パワーモジュールのサイズが大幅に増加することになる。

この発明の実施の形態１においては、図１のように、金属基板１１が湾曲部１２を有しているので、金属基板１１と封止樹脂７との間には、金属基板１１の上面および側面での界面１１ａ、１１ｂのみならず、湾曲部１２の表裏面に新たな界面１１ｃ、１１ｄ、１１ｅが形成される。

新たな界面１１ｃ〜１１ｅは、前述（図５）の平板ストレート形状の金属基板の場合には形成されないので、図１の金属基板１１によれば、実質上、パワーモジュール寸度を増大せずに、外部から絶縁シート２までの水分浸入経路の長さを延長する役割を果たすことになる。
この結果、パワーモジュールのサイズ増加を招くことなく、吸湿による絶縁シート２の寿命低下を防ぐことが可能となる。

ここで、図２を参照しながら、図１のように、端部に湾曲部１２を有する金属基板１１を用いた効果について具体的に説明する。
図２はこの発明の実施の形態１による効果を示す説明図であり、初期（白グラフ）および１０００時間経過後（黒グラフ）の各リーク電流特性の変化を、３個のサンプルごとの実試験による信頼性評価結果により示している。

図２においては、比較例として参照した従来（図５）のパワーモジュールのサンプルｐ１〜ｐ３の各劣化特性と、この発明の実施の形態１（図１）によるパワーモジュールのサンプルｑ１〜ｑ３の各劣化特性とを、比較して示している。

図１において、金属基板１１の湾曲部１２により、新たに界面１１ｃ〜１１ｅが形成されるので、絶縁シート２に水を浸入する最も速い経路は、金属基板１１と封止樹脂７との間の界面１１ａ〜１１ｅである。
このとき、前述のように、吸水経路は、従来（図５）と比べて、界面１１ｃ〜１１ｅの長さ分だけ延長されているので、パワーモジュールのサイズを大幅に増加させることなく、絶縁シート２の吸湿を防止して、長期信頼性を向上させることができる。

具体例として、図２内の各サンプルｐ１〜ｐ３、ｑ１〜ｑ３のヒートスプレッタ３は、サイズ５０ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍの銅製からなり、ヒートスプレッタ３上に、はんだ材を介して半導体素子４が実装され、ヒートスプレッタ３と一方のリードフレーム５との間も、はんだ材を用いて接合されているものとする。また、半導体素子４と他方のリードフレーム５との間は、アルミ線からなる配線６を介して電気的に接続されている。

一方、各サンプルｑ１〜ｑ３の金属基板１１は、サイズ６１ｍｍ×６１ｍｍ×１ｍの銅製からなり、金属基板１１の端部は、金属基板１１の上面に対し約９０度だけ封止樹脂７内に向けて湾曲してから、さらに約９０度だけ金属基板１１の外側に向けて湾曲することにより、湾曲部１２を形成している。

各サンプルｑ１〜ｑ３の湾曲部１２での表裏面における界面１１ｃ、１１ｅの長さは、たとえば０．５ｍｍであり、湾曲後の端部下面における界面１１ｄの長さは、たとえば２ｍｍである。
また、図１のように湾曲加工された金属基板１１の上面に、５５ｍｍ角の半硬化状態のアルミナ粒子を含有する絶縁シート２を積層して熱圧着するものとする。

このように、絶縁シート２を熱圧着した金属基板１１と、半導体素子４を搭載したヒートスプレッタ３とを図１に示した順に積層し、トランスファモールド金型に位置決めセットした後、トランスファモールド装置により、シリカ粒子が充填されたエポキシ樹脂で１８０℃／３分間の条件でトランスファ成形する。

さらに、その後、封止樹脂７を１７５℃／６時間で硬化させてパワーモジュールのサンプルｑ１〜ｑ３を作製するものとする。
封止樹脂７は、ガラス転移温度１６０℃、熱膨張係数１４×１０−６／Ｋの特性を有する樹脂からなる。

最終的なパワーモジュールのパッケージサイズは、各サンプルｐ１〜ｐ３、ｑ１〜ｑ３のいずれも、６５ｍｍ×６５ｍｍ×１０ｍｍであるものとする。
図１において、絶縁シート２に水が浸入する最も速い経路となる界面１１ａ〜１１ｅの長さは、約６ｍｍであり、従来（図５）の界面１０ａ、１０ｂの長さ３．５ｍｍと比べて、約８５％増加したことになる。

従来（図５）のサンプルｐ１〜ｐ３は、金属基板１０が平面形状に作成されている点を除けば、この発明の実施の形態１（図１）によるサンプルｑ１〜ｑ３と同様であり、金属基板１０のサイズ６０ｍｍ×６０ｍｍ×１ｍｍのみが異なる。

図２の信頼性評価結果は、各３個ずつのサンプル、すなわち、従来のパワーモジュールのサンプルｐ１〜ｐ３と、この発明の実施の形態１のサンプルｑ１〜ｑ３とを用意し、８５℃および８５％ＲＨの条件下で、高温高湿バイアス試験を行い、絶縁シート２に１０００Ｖの直流電圧を１０００時間にわたって印加して経時変化を観測した結果を示している。

図２において、従来のサンプルｐ１〜ｐ３の場合には、絶縁シート２に流れるリーク電流が、１０００時間経過後には初期値から２桁程度増加していることが分かる。
これに対し、この発明の実施の形態１のサンプルｑ１〜ｑ３の場合には、絶縁シート２に流れるリーク電流が、１０００時間経過後でも初期値から１桁程度しか増加していないことが分かる。したがって、図１の構成により、吸湿による絶縁シート２の劣化が抑制されることは明らかである。

なお、金属基板１１としては、任意の熱伝導性に優れた金属（たとえば、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銅および銅合金、鉄および鉄合金、または、銅／鉄一ニッケル合金／銅、アルミニウム／鉄一ニッケル合金／アルミニウムなどの複合材料）が適用可能である。

ただし、特に半導体素子４として電流容量の大きい電力用素子が用いられる場合には、金属基板１１として電気伝導性に優れた銅を用いることが好ましい。
このとき、金属基板１１の厚み、長さおよび幅は、電力用の半導体素子４の電流容量に応じて適宜設定される。すなわち、電力用の半導体素子４の電流容量が大きくなるほど、金属基板１１の厚みは厚く設定され、且つ金属基板１１の長さおよび幅は大きく設定される。

また、絶縁シート２としては、たとえば、各種セラミックスや無機粒子を含有するエポキシ樹脂シート、ガラス繊維を含有するエポキシ樹脂シートが適用可能である。
この場合、絶縁シート２に含有される無機粒子としては、アルミナ、ボロンナイトライド、シリカ、窒化珪素、窒化アルミニウムなどが挙げられる。また、絶縁シート２の厚みは、たとえば、５０〜４５０ミクロンに設定される。

また、ヒートスプレッタ３としては、金属基板１１と同様に熱伝導性に優れた金属（たとえば、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銅および銅合金、鉄および鉄合金、または、銅／鉄一ニッケル合金／銅、アルミニウム／鉄一ニッケル合金／アルミニウムなどの複合材料）が適用可能である。

ただし、前述のように電力用の半導体素子４を用いる場合には、ヒートスプレッタ３として電気伝導性に優れた銅を用いるのが好ましい。
また、ヒートスプレッタ３の厚み、長さおよび幅は、金属基板１１の場合と同様に、電力用の半導体素子４の電流容量に応じて適宜設定される。
このとき、配線６として、アルミニウム線、銅線、銅金線や被服銅線が用いられ、配線６の線径も、電力用の半導体素子４の電流容量に応じて適宜設定される。

さらに、封止樹脂７としては、たとえば、フィラーとしてシリカ粒子が充填されたエポキシ樹脂組成物が用いられ、封止樹脂７に充填されるシリカ粒子の含有率は、パワーモジュールに用いられる部材の熱膨張係数などを考慮して最適な量が選定される。

以上のように、この発明の実施の形態１（図１、図２）に係るパワーモジュールは、金属基板１１と、金属基板１１上に配置された絶縁シート２と、絶縁シート２上に配置されたヒートスプレッタ３と、ヒートスプレッタ３上に実装された半導体素子４と、配線６を介して半導体素子４に接続されたリードフレーム５と、金属基板１１、絶縁シート２、ヒートスプレッタ３、半導体素子４、リードフレーム５および配線６を封止する封止樹脂７とを備えており、金属基板１１の端部は、湾曲部１２を有して封止樹脂７内に封止されている。

このように、金属基板１１の端部を封止樹脂７内に向けた湾曲構造にすることにより、外部から絶縁シート２までの水分浸入経路となる金属基板１１と封止樹脂７との間の界面１１ａ〜１１ｅの距離が延長されるので、金属基板１１を特に大型化することなく、吸湿による絶縁シート２の絶縁性能低下を防止することができ、絶縁シート２を用いたパワーモジュールの長期的信頼性を向上させることができる。

また、金属基板１１の端部は、金属基板１１の上面に対して約１５度〜９０度の角度で封止樹脂７内に向けて湾曲し、さらに約１５度〜９０度の角度で金属基板１１の外側に向けて湾曲しているので、パッケージサイズの増加を抑制することができる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１）では特に言及しなかったが、図３のように、金属基板１１の表面に複数の溝１３を設けてもよい。
図３はこの発明の実施の形態２による金属基板１１を模式的に示す断面図であり、図示を省略した他の構成は図１に示した通りである。

図３において、金属基板１１は、封止樹脂７と接触する湾曲部１２の周辺の表面に、複数の溝１３が設けられている。なお、溝１３の断面形状は任意であり、長方形に限らず、楕円形であってもよい。

以上のように、この発明の実施の形態２（図３）によれば、金属基板１１は、封止樹脂７との接触面に複数の溝１３が設けられているので、実質的に、吸水経路（界面）の長さをさらに長くすることができるうえ、金属基板１１と封止樹脂７との密着性も高くすることができる。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態１（図１）では、金属基板１１の端部に、２段階に湾曲したＳ字形状の湾曲部１２を形成したが、図４のように、１段階のみの湾曲部１４を形成してもよい。
図４はこの発明の実施の形態３に係るパワーモジュールの構成を模式的に示す断面図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

図４において、金属基板１１の端部は、金属基板１１の上面に対して約１５度〜９０度の角度で封止樹脂７内に向けて湾曲しており、湾曲部１４を形成している。
この場合、金属基板１１と封止樹脂７との間には、湾曲部１４により新たな界面１１ｆが形成される。

新たな界面１１ｆは、従来（図５）の平板ストレート形状の金属基板の場合には存在しないので、実質上、外部から絶縁シート２までの水分の浸入経路を長くする役割を果たている。
この結果、前述の実施の形態１と同様に、吸湿による絶縁シート２の寿命低下を防ぐことが可能となるうえ、パワーモジュールのサイズを小さくすることが可能である。

以上のように、この発明の実施の形態３（図４）によれば、金属基板１１の端部を封止樹脂７内に向けて湾曲する構造にしたので、外部から絶縁シート２までの水分浸入経路を長くすることができ、吸湿による絶縁性の低下を防止して、絶縁シート２を用いた構造のパワーモジュールの長期信頼性を向上させることができる。

２絶縁シート、３ヒートスプレッタ、４半導体素子、５リードフレーム、６配線、７封止樹脂、１０金属基板、１０ａ〜１０ｂ界面、１１金属基板、１１ａ〜１１ｆ界面、１２、１４湾曲部、１３溝、ｑ１〜ｑ３サンプル。

Claims

金属基板と、
前記金属基板上に配置された絶縁シートと、
前記絶縁シート上に配置されたヒートスプレッタと、
前記ヒートスプレッタ上に実装された半導体素子と、
配線を介して前記半導体素子に接続されたリードフレームと、
前記金属基板、前記絶縁シート、前記ヒートスプレッタ、前記半導体素子、前記リードフレームおよび前記配線を封止する封止樹脂とを備え、
前記金属基板の端部は、湾曲部を有して前記封止樹脂内に封止されたことを特徴とするパワーモジュール。
前記金属基板の端部は、前記金属基板の上面に対して約１５度〜９０度の角度で前記封止樹脂内に向けて湾曲したことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
前記金属基板の端部は、前記金属基板の上面に対して約１５度〜９０度の角度で前記封止樹脂内に向けて湾曲し、さらに約１５度〜９０度の角度で前記金属基板の外側に向けて湾曲したことを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。
前記金属基板は、前記封止樹脂との接触面に複数の溝が設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のパワーモジュール。