JP2013021021A - パワーモジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーモジュールの絶縁基板とシリコーンゲルとの界面の欠陥形成を抑制し、部分放電や沿面での絶縁破壊電圧など、絶縁耐量を向上させたパワーモジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁基板と、その絶縁基板の上に設けられた導体と、この導体の上に設置された半導体チップと、これら絶縁体、導体、ならびに半導体チップを封止するシリコーンゲルを備えるパワーモジュールにおいて、絶縁基板表面を、減圧状態中でプラズマ処理し、このプラズマ処理した雰囲気内で、大気に曝すことなくシリコーンゲルを注型した後、ガスによりパージし、このパージしたガス雰囲気下でシリコーンゲルを加熱硬化処理する。パージガスが、窒素およびもしくは二酸化炭素およびもしくは六フッ化硫黄であるとが良い。プラズマ処理、シリコーンゲルの注型、ガスパージ、加熱硬化処理を、ｉｎ ｓｉｔｕで行なうと良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）といったパワーモジュールにおいて、封止材にシリコーンゲルを用いる際に、部分放電や絶縁破壊を抑制して、より高い絶縁性を保有させるための、パワーモジュールの製造方法に関する。

パワーモジュール１２は、例えば図６に示すように、銅ベース２０上に、金属導体２１と２２とで挟まれた絶縁基板２５を備え、絶縁基板２５の上側の金属導体２１の上に、半導体チップ２３を、導電性接合部２８を介して複数個載置し、これらの半導体チップ２３を、アルミワイヤー２４で接続し（ワイヤーボンディング）、金属導体２１から銅配線（銅バー）２７を引き出し、半導体チップ２３、金属導体２１、絶縁基板２５などを、シリコーンゲル２により封止したものである。なお、２９は容器側壁、３０は容器底壁である。

さて、ＩＧＢＴやＩＰＭといったパワーモジュールにおいては、定格運転時での電気的仕様に加え、絶縁性、熱伝導性、パワーサイクルなどに伴う機械的ストレスやＥＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ：電磁環境両立性。ノイズによる電磁環境の悪化を防止すること）などの様々な要求に対して、バランス良く対応することが要求されている。

とりわけ、高耐圧のパワーモジュールでは、部分放電や沿面放電などを抑制し、高信頼性を確保することが重要であり、そのために、様々な取り組みが行なわれている。例えば、特許文献１には、金属結合層との接合面の特性を向上させ、ボイドなどの間隙を小さくするため、セラミックス基板側に表面凹凸を持たせ、アンカー効果を持たせるように改質している。

また特許文献１と類似した方法として、特許文献２には、ろう付け界面のボイドの発生を抑制するため、窒化珪素基板の表面に、適切な凹凸を持たせる技術が開示されている。
これらの特許文献１ならびに特許文献２に開示された技術は、絶縁基板と導体界面に発生するボイドの制御法に関するものである。この界面に発生するボイドは、部分放電の発生要因となる上、金属導体との界面に一度形成されてしまうと除去できないものであり、そのため、基板作製工程上、重要な対策として取り組まれている。

一方、絶縁破壊に至る部位に着目し、その箇所を中心に対策を施すことによって、高い部分放電および沿面放電耐量を確保する方法も開示されている。
具体的には、最も電界が集中する絶縁基板上の導体端部にコーティングを施すことによって、電界を緩和する方法である。その材質は様々であるが、使用する（コーティングする）材質の誘電率を制御することで、高い絶縁特性を保有するものである（特許文献３、４、５参照）。

これまでに述べた特許文献１〜５に記載された方法は、いずれも基板側における対策であるが、ゲル側の対策も行なわれている。例えば、吸湿急加熱時に発生するゲル内部の欠陥による部分放電の発生を抑制するために、これら吸湿急加熱に強いゲル材が考えられている（特許文献６）。

また、主回路基板と制御基板とが上下に一括して搭載されたパワーモジュールにおいて、ヒートサイクルにおける、ゲル裂けやゲルの剥離などに対する長期の信頼性を向上させるために、主回路基板と制御基板とを、２段構成とする方法も開示されている（特許文献７）。

さらに、液状絶縁物（フロロカーボンや絶縁油）とエポキシ樹脂との２段構成、さらには、この２段構成の間にシリコーンゲルを挟んだ３段構成とすることによって、沿面放電を抑制する方法も考えられている（特許文献８）。

特開２００４−１９６６３３号公報 特開２０１０−０７６９４８号公報 特開２００５−１１６６０２号公報 特開２００１−０４４６３４号公報 特開２０００−０９１４７２号公報 特開２０１０−０３４１５１号公報 特開平１０−２７０６０９号公報 特開平１０−１７３０９８号公報

図７に、図６に示したパワーモジュールの一部拡大図を示す。図７は図６の右端部分の拡大であり、絶縁基板２５が、金属導体２１と金属導体２２に挟まれた端部を示している。

この、絶縁基板２５と、シリコーンゲル２と、金属導体２１もしくは金属導体２２によって形成される３重点２６は、電界が最も厳しくなる点である。この界面に欠陥が発生することによって、部分放電および沿面破壊へと進展することになる。

したがって、ここに発生する欠陥を発生前に未然に防ぐことが、絶縁特性を改善する上で重要な課題となる。

この課題を解決するためには、シリコーンゲル２と絶縁基板２５との界面に、微小な欠陥が発生しないようにすることと、それに加えて製造上制御不能な微小欠陥であっても、その欠陥内の雰囲気を絶縁性の高い気体で充填することが肝要である。

そこで、本発明によれば、
絶縁基板と、その絶縁基板の上に設けられた導体と、この導体の上に設置された半導体チップと、これら絶縁体、導体、ならびに半導体チップを封止するシリコーンゲルを備えるパワーモジュールにおいて、
絶縁基板表面を、減圧状態中でプラズマ処理し、このプラズマ処理した雰囲気内で、大気に曝すことなくシリコーンゲルを注型した後、ガスによりパージし、このパージしたガス雰囲気下でシリコーンゲルを加熱硬化処理することとする。

本発明の方法では、一連の手順を、ｉｎ ｓｉｔｕで行なうことが肝要である。
ここで、パージするガスが、窒素およびもしくは二酸化炭素およびもしくは六フッ化硫黄であることが好ましい。

これらのガスは、ガス単体でも、他の気体と比べて高い絶縁性を有する上、不活性な性質を有するため、パージガスとして適している。

本発明によれば、従来の製造方法で問題となっていた、パワーモジュールの絶縁基板とシリコーンゲルとの界面の欠陥を抑制でき、その結果、部分放電や沿面での絶縁破壊電圧などの、絶縁耐量を大きく向上させることができる。

本発明の実施例で用いる装置構成を示す模式図である。 本発明のプラズマ処理を行なう際の装置構成を示す模式図である。 本発明の真空注型を行なう際の装置構成を示す模式図である。 本発明のガスパージと加熱硬化する際の装置構成を示す模式図である。 従来の真空注型のみを行なう装置構成の模式図である。 パワーモジュールの全体構成を示す断面図である。 図６の一部拡大図である。

図１に本発明で用いる装置の模式図を示す。
図１において、１は、その中で一連の処理を行なう真空チャンバーであり、２は、パワーモジュール１２の中に注型されるシリコーンゲルを示す。３は、このシリコーンゲルを注型するための注型用ハンドリング部である。４は、シリコーンゲルを加熱硬化させるための加熱用のヒータであり、５はこのヒータの電源である。６は、真空チャンバー１の内部の真空度を所定のレベルに調節するための真空バルブ（コンダクタンスバルブ）であり、７は、真空ポンプである。

８は、ガスボンベ９からプラズマ処理の際に、ならびにパージ処理の際にガスを導入するためのバルブであり、１０は、真空チャンバー１の中にプラズマを立てるためのプラズマ用電源であり、１１は、このプラズマ用電源をオン・オフするための電源投入スイッチである。１３は放電用のノズルであり、１４はプラズマである。

これに対して、従来の装置を参考のために図５に図示する。この図５においては、プラズマを立てるためのプラズマ用電源も、真空チャンバー１内をパージするためのガスも存在しない。存在するのは、真空注型を行なうためのシリコーンゲル２ならびにその加熱装置４と、真空チャンバー１のみである。

以上の図１に示した装置を用いて、本発明が実施される。
［実施例］
本発明においては、課題を解決するための手段の項に記載した一連の処理を施すことによって、図６に示した絶縁基板２５の表面側においても、微小なパーティクルや表面のガス吸着層を除去できる上、極性基も導入されるため、絶縁基板２５とシリコーンゲル２との密着性が向上する。

プラズマ処理は、処理時間としては、数十秒から１０分程度で十分である。プラズマ処理による絶縁特性の向上は、処理時間と投入する電力とに依存するため、その真空装置における最適ポイントを事前に評価した上で処理時間とその時の投入電力とを定め、評価を行なうことが望ましい。

真空条件の例としては、事前に０．１Ｐａ以下を目安に、ロータリーポンプ（真空ポンプ７）で真空引きした後、ボンベ９から上記した窒素およびもしくは二酸化炭素およびもしくは六フッ化硫黄をバルブ８を通して封入し、１０Ｐａないし数万Ｐａの雰囲気下でプラズマ処理を行なう。

ガスとしては、上記した窒素およびもしくは二酸化炭素およびもしくは六フッ化硫黄には限られず、空気など、常温で安定で、プラズマ化すると活性になるガスであれば良い。
なお、後に述べる、パージ用の窒素およびもしくは二酸化炭素およびもしくは六フッ化硫黄と同じガスを用いれば、ガスボンベを交換する手間を省略することができる。

次に、実際の処理工程について図２〜図４を用いて説明する。
図２において、ガスボンベ９からバルブ８を介してガスが真空チャンバー１内に導入され、プラズマ用電源１０の電源投入スイッチがオンであるので、真空チャンバー１内には、プラズマが立つ。一方真空チャンバー１内は、真空バルブ６を介して真空度が調整されるように真空ポンプ７により吸引されている。この時は、ヒーター用電源５はオフになっている。

このプラズマ処理後に、真空チャンバー１を大気に開放することなく、シリコーンゲル２を注型用ハンドリング部３により真空注型を行なう。これにより、無垢な、図６に示した絶縁基板２５の表面にシリコーンゲル２を直接形成でき、界面での欠陥やボイドの発生が抑制できる。さらに、真空注型後は、直接大気に開放することなく、窒素およびまたは二酸化炭素およびまたは六フッ化硫黄ガスでパージする。そして、このガス雰囲気下で加熱・硬化される。加熱・硬化の温度・時間は、シリコーンゲル２の種類にも依存するが、本実施例では、１００℃・１時間とした。

真空注型の際の装置の様子を図３に示す。ここではプラズマ電源投入スイッチ１１はオフとされ、ヒータ用電源５はオンになっている。パワーモジュール１２内には、シリコーンゲル２が真空注型されている。図３において、シリコーンゲル２を注型する際には、必要に応じて、パワーモジュール１２を移動させるか、プラズマ装置を移動させて注型を行なう。

シリコーンゲル２の加熱・硬化の際の装置の様子を図４に示す。ここでもプラズマ電源投入スイッチ１１はオフであり、ヒータ用電源はオンである。ガスボンベ９からは真空チャンバー１内に、パージガスが導入されている。

以上の方法により、微小に発生したボイド内の雰囲気も、放電しにくいガスにより置換されるため、これによって絶縁性能を向上させることができる。
肝要なことは、一連の処理、すなわち、プラズマ処理、真空注型、ガスパージ、当該雰囲気での加熱硬化処理を、ｉｎ ｓｉｔｕで実施していることである。
図２、図３、図４に示したように、一連の処理において、真空チャンバー１が大気に開放されることは無い。

一例として、プラズマ処理を行なったあと、ならびにパージ処理を行なった後の絶縁破壊耐量の変化を表１に示す。

本実施例によれば、プラズマ処理を施す（処理Ａ）ことにより、最大で１．３５倍ほど絶縁破壊耐量が向上した。さらに、ガスパージによる効果（処理Ｂ）で、さらに１．５倍ほど、絶縁破壊耐量（沿面からの絶縁破壊電圧）が向上した。

微小ボイドの大きさにも依存するが、大気圧で数十μｍのボイドであると想定すると、パッシェン曲線のミニマム付近から右側の領域であり、パッシェン曲線に基づく概算から、ガスのリークや置換がなければ、最大で２〜３倍程度の破壊電圧の向上が期待できる。

一例として、ｐｄ＝１．０×１０^−４Ｐａ・ｍｍでの放電開始電圧（火花電圧）におけるガス依存性を表２に示す。

表２からすると、空気と窒素では、放電開始電圧は７００Ｖと同程度であるが、二酸化炭素では２倍の１．４ｋＶ、六フッ化硫黄では３倍の２ｋＶとなっている。

ここで、窒素については、放電開始電圧（火花電圧）が空気と大きな差異はないものの、部分放電劣化による破壊への進展が遅いことが特長の一つである。つまり、空気に比べると、不活性ガスである窒素が封入されているボイドは５倍からそれ以上の寿命を示す。したがって、放電発生後の劣化を抑制する意味では、窒素を適用することが有効となる。

１ 真空チャンバー
２ シリコーンゲル
３ 注型用ハンドリング部
４ 加熱用ヒータ
５ ヒータ用電源
６ 真空バルブ
７ 真空ポンプ
８ バルブ
９ ガスボンベ
１０ プラズマ用電源
１１ 電源投入用スイッチ
１２ パワーモジュール
１３ ノズル
１４ プラズマ
２０ 銅ベース
２１ 金属導体
２２ 金属導体
２３ 半導体チップ
２４ アルミワイヤー
２５ 絶縁基板
２６ ３重点
２７ 銅配線
２８ 導電性接合部
２９ 容器側壁
３０ 容器底壁

Claims (3)

1. 絶縁基板と、その絶縁基板の上に設けられた導体と、この導体の上に設置された半導体チップと、これら絶縁体、導体、ならびに半導体チップを封止するシリコーンゲルを備えるパワーモジュールにおいて、
   絶縁基板表面を、減圧状態中でプラズマ処理し、このプラズマ処理した雰囲気内で、大気に曝すことなくシリコーンゲルを注型した後、ガスによりパージし、このパージしたガス雰囲気下でシリコーンゲルを加熱硬化処理すること、
   を特徴とするパワーモジュールの製造方法。
2. パージするガスが、窒素およびもしくは二酸化炭素およびもしくは六フッ化硫黄であること、
   を特徴とする請求項１に記載のパワーモジュールの製造方法。
3. プラズマ処理、シリコーンゲルの注型、ガスパージ、加熱硬化処理を、ｉｎ ｓｉｔｕで行なうこと、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュールの製造方法。