JP2013149819A - 高圧モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁基板周辺の電界強度を変化させないで、かつ、ゲル状絶縁物以外の材料を使用せずに、絶縁性能を十分に向上させた高圧モジュールを提供する。
【解決手段】絶縁基板１の表面に表面金属基板２が接合されるとともに絶縁基板１の裏面に接地電位とされる裏面金属基板３が接合された回路基板部４と、表面金属基板２上に搭載された半導体素子５と、回路基板部４および半導体素子５の周囲に配設された外囲ケース５２Ａと、少なくとも回路基板部４および半導体素子５を覆うように外囲ケース５２Ａ内に充填されたゲル状絶縁物６とを備え、外囲ケース５２Ａ内のゲル状絶縁物６の上部空間における気体１２を加圧された状態で密封することにより、ゲル状絶縁物６を加圧してなる構成とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高圧モジュールに関し、より詳しくは、高圧モジュール内部に設置された半導体素子に対するゲル状の絶縁物での絶縁構造に関する。

高圧モジュールは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ダイオード、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタ等の高圧半導体素子を絶縁容器に密封して構成される半導体装置である。特に、ＩＧＢＴは、制御が容易で、かつ、大電流かつ高周波の動作が可能なことから、様々な用途への適用が期待されている。近年、ＩＧＢＴ素子の大容量化に伴い、モジュール内部の高電圧化、及び半導体素子の大型化と多チップ化による高密集化により、モジュール内部の絶縁耐力向上が課題となっている。

一般的な高圧モジュールの内部絶縁構造について図５を用いて説明する。図５は、従来の高圧モジュールの構成例を示す模式断面図である。図５に示した高圧モジュール１０１の内部では、最下部からアース板７、裏面金属基板３、アルミナや窒化アルミ等のセラミックスからなる絶縁基板１、表面金属基板２、半導体素子５の順で積層され、半導体素子５は接合部材１１により表面金属基板２に接合されている。絶縁基板１、表面金属基板２および裏面金属基板３からなる回路基板部４としては熱伝導率向上のためダイレクト接合構造であるＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板が用いられている。

回路基板部４および半導体素子５の周囲にはケース８が配設されており、このケース８がアース板７上に固着されて形成される筐体５１の内部に収容空間が形成されている。ケース８は、例えばエポキシ、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などの樹脂からなり、リード部９を一体に形成されている。リード部９は、外部回路への接続のための外部端子部９ａと、半導体素子５側の端子と電気的に接続するための内部端子部９ｃと、外部端子部９ａと内部端子部９ｃとを連結する接続リード部９ｂとを一体としたものである。

図５において、高圧電源２０１と接続された高圧モジュール１０１の外部端子部９ａは接続リード部９ｂを介して内部端子部９ｃと接続されており、内部端子部９ｃはボンディングワイヤ１０を介して半導体素子５と電気的に接続されている。裏面金属基板３はアース板７を介して接地電位に接続されている。

また、高圧モジュール１０１では、ケース８とアース板７とで形成される筐体５１の収容空間内部にゲル状絶縁物６を充填することで、半導体素子５など高圧部品周辺の絶縁がなされている。なお、ゲル状絶縁物６としては例えばシリコーンゲルが用いられる。

高圧モジュールにおいて、ゲル状絶縁物６、特にシリコーンゲルを絶縁に用いる理由としては、ある程度の機械強度を保持しつつ、温度変化や振動等による機械応力がボンディングワイヤ１０に加わらないように変形可能である（すなわち低弾性率である）ことが挙げられる。しかしながら、シリコーンゲル自体は通常の固体絶縁物に比べて、初期状態での絶縁耐圧が低く、部分放電（以下「ＰＤ」（Partial discharge）とも称する）の発生に伴い即座に絶縁性能が低下するという欠点を持つ。後者の原因としては、シリコーンゲル中では部分放電発生によりシリコーンゲルと絶縁基板との界面上で空隙が拡張して、その空隙部がより大きな絶縁欠陥となっていくことが挙げられる。さらに、高圧モジュール内部では、半導体素子などのチップ部品や基板が密集して集積され、例えば微小な幅の溝部などの微細構造が形成されているため、この微細構造にシリコーンゲルが入り込めず、これにより絶縁欠陥となる微細空隙が生じ易い、という問題がある。

このような高圧モジュールの絶縁を向上させる手法としては、例えば（１）基板配置の最適化、（２）高圧部のコーティング、の対策技術が提案されている。それらの例を下記に示す。

（１）金属基板配置の最適化（特許文献１参照）。
特許文献１に開示されている構成では、絶縁基板の表面と裏面とに設置された金属基板について、金属基板端部から絶縁基板端部までの距離を表裏金属基板で一致させる構造を用いている。この構造を用いることで、金属基板端部の電界集中度が緩和されるため、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧が上昇するという効果を奏する。

（２）高圧部のコーティング（特許文献２参照）。
特許文献２に開示されている構成では、絶縁基板端部を樹脂によりコーティングした上で、シリコーンゲルを充填させている。この構造により、絶縁基板端部はシリコーンゲルよりも絶縁耐圧の高い樹脂で保護されることになる。さらに、コーティングする樹脂の誘電率をシリコーンゲルよりも高くすれば、絶縁基板端部の電界強度自体も低下させることが出来る。以上のような作用により、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧が上昇するという効果を奏する。

特開２００１−３３２８２３号公報 特開２０００−９１４７２号公報

上述の特許文献１に開示されている対策技術では、絶縁基板周辺の電界強度を緩和するという手段で高圧モジュールの絶縁性能を向上させようとしているが、金属基板の配置の変更だけでは電界緩和に限界がある。

また、上述の特許文献２に開示されている対策技術では、絶縁基板周辺のみをシリコーンゲル以外の材料で絶縁するという手段で高圧モジュールの絶縁性能を向上させようとしているが、シリコーンゲル以外の材料も使用することで、材料費が増加するとともに製造工程も追加となるため、高圧モジュールのコスト増加をもたらす。

このため、本発明は、絶縁基板周辺の電界強度を変化させないで、かつ、ゲル状絶縁物以外の材料を使用せずに、絶縁性能を十分に向上させた高圧モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者は、上述の例えば図５に示したような、絶縁基板１の表面および裏面にそれぞれ表面金属基板２および裏面金属基板３が接合され、表面金属基板２には半導体素子５が搭載されるとともに、半導体素子５の表面電極および裏面金属基板３はそれぞれ高圧電源および接地電位に接続され、絶縁基板１、表面金属基板２、裏面金属基板３および半導体素子５がゲル状絶縁物６で封止された高圧モジュールにおける部分放電の発生機構について検討した。

図６は、上述の図５で説明した高圧モジュール１０１を例として、高圧モジュールのゲル状絶縁物中での部分放電発生箇所を示す模式断面図である。
高圧モジュール１０１のゲル状絶縁物６中では、図６に示す、ボンディングワイヤ１０周辺（Ａ１部）、表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物６との交点（三重点）（Ａ２部）、裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物６との交点（三重点）（Ａ３部）で電界集中が起き、これらが主な部分放電の発生起点となる。このうち、ボンディングワイヤ１０周辺（Ａ１部）は、高電圧となるボンディングワイヤ１０周辺に接地電位部がないことから、絶縁破壊にまで進展する可能性は小さい。また、裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物６との交点（三重点）（Ａ３部）も、裏面金属基板３自体が接地電位であることから、絶縁破壊にまで進展する可能性は小さい。このため、本発明者は、高圧モジュールの絶縁破壊原因として、表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物６との交点（三重点）（Ａ２部）から発生する部分放電に着目した。

表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物６との交点（三重点）（Ａ２部）での部分放電発生においては、Ａ２部に残存もしくは発生する微細空隙が起点となる。部分放電発生後の放電は、絶縁基板１とゲル状絶縁物６との界面上に空隙を形成しながら進展していき、最終的に接地電位部（裏面金属基版３もしくはアース板７）に達すると絶縁破壊となる。

なお、図６において、高圧電源２０１からは例えば１７００Ｖ程度以上の高電圧が印加されるが、本発明において、高圧電源２０１からの印加電圧の電圧レベルはこれに限定されるものではない。また、本発明において、高圧電源２０１からの高電圧は交流電圧であってもよく、直流電圧であってもよい。また、実際の高圧モジュールにおける回路基板部の表面金属基板の電圧は、その回路部位によって複数の異なる電圧レベルとなることが多いが、少なくとも、高圧電源の電源電圧がそのまま印加される表面金属基板部、および、高圧電源の電源電圧に近い高い電圧が印加される表面金属基板部では、当該表面金属基板と絶縁基板とゲル状絶縁物との交点（三重点）（Ａ２部）から発生する部分放電が問題となる。

上記より、ゲル状絶縁物６中に空隙を残存、発生させないような機構を追加すれば、ゲル状絶縁物６中で部分放電が発生、進展しにくくなり、高圧モジュール全体としての絶縁性能向上につながる。そこで、本発明では、ゲル状絶縁物６中に空隙を残存、発生させ難くする手段として、ゲル状絶縁物６を絶縁基板１、表面金属基板２および裏面金属基板３に押し付ける機構を追加した高圧モジュールを提案する。

本発明によれば、絶縁基板の表面に表面金属基板が接合されるとともに前記絶縁基板の裏面に接地電位とされる裏面金属基板が接合された回路基板部と、前記表面金属基板上に搭載された半導体素子と、前記回路基板部および前記半導体素子の周囲に配設された外囲ケースと、少なくとも前記回路基板部および前記半導体素子を覆うように前記外囲ケース内に充填されたゲル状絶縁物とを備えた高圧モジュールにおいて、前記外囲ケース内の前記ゲル状絶縁物の上部空間における気体を加圧された状態で密封することにより、前記ゲル状絶縁物を加圧してなる構成とする（請求項１の発明）。

上記請求項１の発明によれば、少なくとも回路基板部および半導体素子を覆うように外囲ケース内にゲル状絶縁物を充填した高圧モジュールにおいて、外囲ケース内のゲル状絶縁物の上部空間における気体を加圧された状態で密封することにより、ゲル状絶縁物を加圧する構造としたので、ゲル状絶縁物中に空隙を残存、発生させないようにすることができ、ゲル状絶縁物中で部分放電が発生、進展しにくくなり、高圧モジュールの絶縁性能を向上させることができる。

さらに、請求項１に記載の高圧モジュールにおいて、前記気体として窒素を用いた構成とすることができる（請求項２の発明）。
上記請求項２の発明によれば、外囲ケース内のゲル状絶縁物の上部空間に密封する気体として窒素を用いることにより、ゲル状絶縁物の主要劣化要因である酸化劣化を防止することができる。

次に、本発明によれば、絶縁基板の表面に表面金属基板が接合されるとともに前記絶縁基板の裏面に接地電位とされる裏面金属基板が接合された回路基板部と、前記表面金属基板上に搭載された半導体素子と、前記回路基板部および前記半導体素子の周囲に配設された外囲ケースと、少なくとも前記回路基板部および前記半導体素子を覆うように前記外囲ケース内に充填されたゲル状絶縁物とを備えた高圧モジュールにおいて、前記外囲ケースは上端側に開口部を有する筐体と該筐体の上端側に設けられる封止板とからなり、前記封止板を前記ゲル状絶縁物に接触させて前記ゲル状絶縁物に押し付け力を加えた状態で前記封止板を前記筐体に固定することにより、前記ゲル状絶縁物を加圧してなる構成とする（請求項３の発明）。

上記請求項３の発明によれば、少なくとも回路基板部および半導体素子を覆うように外囲ケース内にゲル状絶縁物を充填した高圧モジュールにおいて、外囲ケースは上端側に開口部を有する筐体と該筐体の上端側に設けられる封止板とからなる構成とし、封止板をゲル状絶縁物に接触させてゲル状絶縁物に押し付け力を加えた状態で封止板を筐体に固定することにより、前記ゲル状絶縁物を加圧する構造としたので、ゲル状絶縁物中に空隙を残存、発生させないようにすることができ、ゲル状絶縁物中で部分放電が発生、進展しにくくなり、高圧モジュールの絶縁性能を向上させることができる。

また、上記請求項３に記載の高圧モジュールにおいて、前記封止板の前記ゲル状絶縁物に対向する面から突出する突出部を局所的に設けた構成とすることができる（請求項４の発明）。

本発明によれば、少なくとも回路基板部および半導体素子を覆うように外囲ケース内にゲル状絶縁物を充填した高圧モジュールにおいてゲル状絶縁物を加圧する構造としたので、ゲル状絶縁物中に空隙を残存、発生させないようにすることができ、ゲル状絶縁物中で部分放電が発生、進展しにくくなり、高圧モジュールの絶縁性能を向上させることができる。

ゲル状絶縁物を用いた高圧モジュールの一般的な封止構造を例示する図 本発明の実施例１による高圧モジュールの構成を示す図 本発明の実施例２による高圧モジュールの構成を示す図 本発明の実施例３による高圧モジュールの構成を示す図 従来の高圧モジュールの構成例を示す模式断面図 高圧モジュールのゲル状絶縁物中での部分放電発生箇所を示す模式断面図

以下、本発明の実施形態を図２〜図４に示す実施例に基づいて説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。

まず、ゲル状絶縁物を用いた高圧モジュールの一般的な封止構造を図１により説明する。図１（ａ）は、高圧モジュールの構成を例示する上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）における矢視Ａ−Ａの断面図である。なお、図１（ａ）は封止板３１を取り外した状態の構造を示しており、図１（ｂ）は封止板３１を取り付けた状態の構造を示している。

図１（ｂ）に示されるように、高圧モジュール１０１Ａでは、ケース８Ａとアース板７とから上端側に開口部を有する筐体５１Ａが形成され、この筐体５１Ａと封止板３１とからなる外囲ケース５２の内部にはゲル状絶縁物６が回路基板部４および半導体素子５を覆うように充填されている。

ケース８Ａの内周側は下段部と上段部との２段構造となっており、下段部より大きく開口した上段部の内周壁面に沿って、封止板取り付け台３３が複数配置されている。封止板取り付け台３３には上面側に開口する穴３４が形成されている。封止板取り付け台３３の下部はゲル状絶縁物６に浸かっており、封止板取り付け台３３の上部はゲル状絶縁物６の上部の気体層１２に露出している。

なお、図１（ｂ）は、矢視Ａ−Ａの断面図であるため、リード部９の外部端子部９ａおよび内部端子部９ｃは破線で示すとともに、内部端子部９ｃと半導体素子５とを接続するボンディングワイヤ１０も破線で示しており、この点は後述の図２〜図４でも同様に図示している。

封止板３１の下面側には、封止板取り付け台３３の穴３４に対向する位置に、突部３２が形成されている。封止板３１の突部３２を封止板取り付け台３３の穴３４に差し込み、接着することにより、封止板３１がケース８Ａに結合される。

ゲル状絶縁物６を用いて封止した後の高圧モジュール１０１Ａは、外囲ケース５２の外部には外部端子部９ａだけが露出した状態となり、外囲ケース５２の内部にはゲル状絶縁物６の充填層と気体層１２とが存在する状態となる。

なお、ゲル状絶縁物６としては、例えばシリコーンゲルが用いられる。高圧モジュールの外囲ケース内部にシリコーン組成物を注入した後、該組成物を加熱したり、室温で放置したりして硬化させることにより、シリコーンゲルが形成される。加熱による硬化処理の場合、より具体的には、例えば、室温で未硬化の生ゲルを流し込み、真空脱泡した後、１００〜１５０℃で数時間加熱して硬化する、という手順になる。なお、真空脱泡で抜けきらなかった空気が気泡として残る。

また、図１（ａ）には、表面金属基板２上に、例えばＩＧＢＴなどの半導体素子５およびフリーホイーリングダイオードなどの半導体素子５Ａが６組搭載された素子配置構成例を示しているが、本発明において、高圧モジュールの素子配置構成はこれに限定されるものではない。

図２は本発明の実施例１による高圧モジュール１０１Ｂの構成を示す図であり、高圧モジュール１０１Ｂの断面構造を模式的に示している。
実施例１による高圧モジュール１０１Ｂは、図１で説明した高圧モジュール１０１Ａに対して、外囲ケース内のゲル状絶縁物の上部空間における気体を加圧された状態で密封することにより、ゲル状絶縁物を加圧する構成を備えた点で異なっている。なお、図２には、断面構造として半導体素子が１素子だけ配置された素子配置構成を示しているが、実施例１は、図２のような素子配置構成に限定されるものではなく、図１のような断面構造として半導体素子が２素子配置された構成など、他の素子配置構成にも適用可能である。そして、この点は後述の実施例２〜３も同様である。

高圧モジュール１０１Ｂでは、高圧モジュール内部の気体１２の圧力を高めることができる気密構造とするため、図２に示されるように、ケース８Ｂの内周側は下段部と中段部と上段部との３段構造となっており、中段部より大きく開口した上段部は、封止板３１Ａと嵌合可能に形成されている。

ケース８Ｂの内周側における下段部は、少なくとも回路基板部４を収容可能な開口部を有するように形成されている。ケース８Ｂの内周側における中段部は下段部より大きく開口しており、この中段部の底面にはリード部の内部端子部９ｃが配設され、回路基板部４の表面金属基板２上に搭載された半導体素子５と内部端子部９ｃとがボンディングワイヤ１０を介して電気的に接続されている。内部端子部９ｃは図示されない接続リード部を介して外部端子部９ａに接続されており、この外部端子部９ａに高圧電源２０１が接続される。回路基板部４の裏面金属基板３は、少なくとも裏面金属基板３よりも外周側まで延在するアース板７を介して接地電位に接続される。

ケース８Ｂとアース板７とから、上端側に開口部を有する筐体５１Ｂが構成されており、この筐体５１Ｂと封止板３１Ａとから、外囲ケース５２Ａが構成される。
ケース８Ｂの内周側における上段部の底面４１の全周には溝４０が設けられており、この溝４０に密閉用ゴム３８の下側部分が嵌め込まれている。封止板３１Ａの下面側にも、上記溝４０と対向する部分に溝３９が設けられており、封止板３１Ａがケース８Ｂに嵌合された状態で、溝３９には、密閉用ゴム３８の上側部分が嵌め込まれる。

封止板３１Ａには、加圧された気体１２を外囲ケース５２Ａの内部に送り込むための加圧バルブ３５が設けられている。加圧バルブ３５の下部側は外囲ケース５２Ａの内部空間に連通する構造となっているとともに、加圧バルブ３５の上部側は加圧気体供給配管３６を着脱可能な構造に形成されている。そして、詳細構造は図示していないが、加圧バルブ３５は、外囲ケース５２Ａの内部空間と外部空間とを気密に仕切ることができるように構成されている。

筐体５１Ｂにおけるケース８Ｂの上段部に封止板３１Ａが嵌合されて外囲ケース５２Ａが形成された状態で、締め付け器具３７により、筐体５１Ｂと封止板３１Ａとが固定され、外囲ケース５２Ａの内部空間の圧力に耐えるように構成されている。ここで、締め付け器具３７は、筐体５１Ｂ側、すなわち高圧モジュール本体側から封止板３１Ａを上方に押し上げようとする力に対抗可能な構造であればよく、その構造は、図２に示す構造に限定されるものではない。

このように、実施例１による高圧モジュール１０１Ｂでは、ゲル状絶縁物６を密封気体１２の圧力で加圧する構成を備えていることにより、ゲル状絶縁物６が加圧された状態となるので、ゲル状絶縁物６中に空隙が残存、発生しないようにすることができ、ゲル状絶縁物６中で部分放電が発生、進展しにくくなり、高圧モジュールの絶縁性能を向上させることができる。ここで、ゲル状絶縁物６は、形状変形するゲル状のものであれば、どのようなものでも、加圧により空隙をなくして絶縁性能を向上させる効果を奏することができる。

また、本発明では、ゲル状絶縁物６を密封気体１２の圧力で加圧することにより、ゲル状絶縁物−絶縁基板間、および、ゲル状絶縁物−金属基板（銅電極）間に残存した大きな空隙を消滅させ、高圧モジュールにおける絶縁の初期欠陥を取り除くことができる。これによる絶縁性能の向上効果として、本発明者の実験によれば、例えば、空隙が残存している初期欠陥有りのサンプルでは通常サンプルに対して絶縁破壊電圧が30％程度になるが、本発明の対策を施すことにより、90％以上に回復するという実験結果が得られている。また、加圧力を上げていけば、さらなる特性向上も期待できる。

なお、密封気体１２としては空気を用いることができるが、代わりに窒素を用いることもできる。窒素を用いることで、ゲル状絶縁物６の主要劣化要因である酸化劣化が防止されるという効果を付与できる。すなわち、ゲル状絶縁物６は酸化により表面が硬化していくため、密封気体１２としては酸素を含まない気体がより好適である。その中で、安価で、かつ分子が大きくリークしにくい気体として、特に窒素が適している。

また、ゲル状絶縁物６に対する加圧による絶縁性能の向上効果を十分なものとする上で、密閉気体１２の圧力は絶対圧力で０．１５ＭＰａ以上にすることが好適である。絶縁性能向上効果を得るために必要な加圧のレベルはゲル状絶縁物６の材料によるが、本発明者が用いた材料では絶対圧力０．１５ＭＰａ以上の加圧で絶縁性能向上効果が得られている。

また、高圧モジュール１０１Ｂにおける絶縁基板１、表面金属基板２および裏面金属基板３からなる回路基板部４としては、上述の図５で説明した高圧モジュール１０１と同様に、熱伝導率向上のため、ダイレクト接合構造であるＤＢＣ基板を用いることができる。

また、絶縁基板１はアルミナや窒化アルミ等のセラミックスから形成されている。ゲル状絶縁物６としては特にシリコーンゲルが好適に用いられるが、これに限定されるものではない。絶縁基板１の両面に接合される各金属基板は例えば銅材から形成することができるが、これに限定されるものではない。アース板も例えば銅材から形成することができるが、これに限定されるものではない。絶縁基板１、ゲル状絶縁物６、各金属基板およびアース板７の材料については、以下の実施例２〜３においても同様である。

また、絶縁基板１の厚さは例えば０．５ｍｍ程度とすることができるが、これに限定されるものではない。各金属基板の厚さは例えば０．１ｍｍ程度とすることができるが、これに限定されるものではない。絶縁基板１および各金属基板の厚さについては、以下の実施例２〜３においても同様である。

また、図２には、回路基板部４の表面金属基板２が１つの表面金属基板部だけからなる構成を示しているが、本発明が適用可能な回路基板部の構成は上記構成に限定されるものではない。すなわち、上述のように、実際の高圧モジュールでは、回路基板部の表面金属基板がそれぞれの回路部位によって電圧レベルの異なる複数の表面金属基板部からなることが多い。このような場合でも、高圧電源の電源電圧がそのまま印加される表面金属基板部、および、高圧電源の電源電圧に近い高い電圧が印加される表面金属基板部では、当該表面金属基板と絶縁基板とゲル状絶縁物との交点（三重点）（Ａ２部）から発生する部分放電が問題となるので、このような部分放電が発生、進展しにくくなり、高圧モジュールの絶縁性能を向上させることができるようにするため、本発明は有効に適用することができる。そして、この点は後述の実施例２〜３も同様である。

図３は本発明の実施例２による高圧モジュール１０１Ｃの構成を示す図であり、高圧モジュール１０１Ｃの断面構造を模式的に示している。
実施例２による高圧モジュール１０１Ｃは、図２で説明した高圧モジュール１０１Ｂに対して、ゲル状絶縁物を加圧する手段として、外囲ケース内のゲル状絶縁物の上部空間における気体を加圧された状態で密封する構成の代わりに、封止板をゲル状絶縁物に接触させてゲル状絶縁物に押し付け力を加えた状態で封止板を筐体に固定する構成を備えている点で異なっている。高圧モジュール１０１Ｃは上記以外の点では高圧モジュール１０１Ｂと同様であるので、以下では図２の高圧モジュール１０１Ｂと異なる点について説明する。

高圧モジュール１０１Ｃでは、図３に示されるように、ケース８Ｃの内周側は下段部と上段部との２段構造となっており、下段部より大きく開口した上段部は封止板３１Ｂと嵌合可能に形成されており、この上段部の内周壁面に沿って、封止板取り付け台３３Ａが複数配置されている。封止板取り付け台３３Ａには上面側に開口するネジ穴４６が形成されている。

高圧モジュール１０１Ｃにおいて、封止板３１Ｂの下面側は、中央部分の全体にわたって形成された下方に凸となる形状の突出部３１Ｂｂと、突出部３１Ｂｂの周辺に形成された周縁部３１Ｂａとの２段構造となっている。周縁部３１Ｂａには、封止板取り付け台３３Ａのネジ穴４６に対向する位置に、貫通穴４４が形成されている。

封止板３１Ｂの貫通穴４４にボルト４５を差込み、封止板取り付け台３３Ａのネジ穴４６にネジ込んでネジ締めを行ない、封止板３１Ｂをケース８Ｃ側、すなわち筐体５１Ｃ側に固定することで、封止板３１Ｂの突出部３１Ｂｂの底面４２をゲル状絶縁物６に接触させてゲル状絶縁物６に対する押し付けを行う。

このように、実施例２による高圧モジュール１０１Ｃでは、封止板３１Ｂの突出部３１Ｂｂの底面４２をゲル状絶縁物６に接触させてゲル状絶縁物６に押し付け力を加えた状態で封止板３１Ｂを筐体５１Ｃ側に固定する構成を備えていることにより、ゲル状絶縁物６が加圧された状態となるので、ゲル状絶縁物６中に空隙が残存、発生しないようにすることができ、ゲル状絶縁物６中で部分放電が発生、進展しにくくなり、高圧モジュールの絶縁性能を向上させることができる。ここで、ゲル状絶縁物６は、形状変形するゲル状のものであれば、どのようなものでも、押し付け力を加えることにより空隙をなくして絶縁性能を向上させる効果を奏することができる。

また、本発明では、ゲル状絶縁物６に押し付け力を加えることにより、ゲル状絶縁物と絶縁基板の間、および、ゲル状絶縁物と金属基板（銅電極）の間に残存した大きな空隙を消滅させ、高圧モジュールにおける絶縁の初期欠陥を取り除くことができる。これによる絶縁性能の向上効果として、本発明者の実験によれば、例えば、空隙が残存している初期欠陥有りのサンプルでは通常サンプルに対して絶縁破壊電圧が30％程度になるが、本発明の対策を施すことにより、90％以上に回復するという実験結果が得られている。また、加圧力を上げていけば、さらなる特性向上も期待できる。

なお、ゲル状絶縁物６に対する加圧による絶縁性能の向上効果を十分なものとする上で、突出部３１Ｂｂの凸形状、突出寸法などを調整してゲル状絶縁物６に対する押し付け力を０．１５ＭＰａ以上にすることが好適である。絶縁性能向上効果を得るために必要な加圧のレベルはゲル状絶縁物６の材料によるが、本発明者が用いた材料では０．１５ＭＰａ以上の押し付け力で絶縁性能向上効果が得られている。

図４は本発明の実施例３による高圧モジュール１０１Ｄの構成を示す図であり、高圧モジュール１０１Ｄの断面構造を模式的に示している。
実施例３による高圧モジュール１０１Ｄは、ゲル状絶縁物を加圧する手段として、封止板をゲル状絶縁物に接触させてゲル状絶縁物に押し付け力を加えた状態で封止板を筐体に固定する構成を備えている点で、図３で説明した高圧モジュール１０１Ｃと同様であるが、封止板のゲル状絶縁物に対向する面から突出する突出部を局所的に設けた点で異なっている。高圧モジュール１０１Ｄは上記以外の点では高圧モジュール１０１Ｃと同様であるので、以下では図３の高圧モジュール１０１Ｃと異なる点について説明する。

高圧モジュール１０１Ｄにおいて、封止板３１Ｃの下面側は、中央部分の全体にわたって形成された下方に凸となる形状の第１の突出部３１Ｃｂと、第１の突出部３１Ｃｂの底面、すなわちゲル状絶縁物６に対向する面から更に局所的に下方に突出するように形成された第２の突出部３１Ｃｃと、第１の突出部３１Ｃｂの周辺に形成された周縁部３１Ｃａとの３段構造となっている。図３の高圧モジュール１０１Ｃと同様に、周縁部３１Ｃａには、封止板取り付け台３３Ａのネジ穴４６に対向する位置に、貫通穴４４が形成されている。

封止板３１Ｃの貫通穴４４にボルト４５を差込み、封止板取り付け台３３Ａのネジ穴４６にネジ込んでネジ締めを行ない、封止板３１Ｃをケース８Ｃ側、すなわち筐体５１Ｃ側に固定することで、封止板３１Ｃの第２の突出部３１Ｃｃの底面４７をゲル状絶縁物６に接触させてゲル状絶縁物６に対する押し付けを行なうが、第２の突出部３１Ｃｃが局所的に設けられていることにより、ゲル状絶縁物６に対して押し付け力が局所的に加えられる。

このように、実施例３による高圧モジュール１０１Ｄでは、封止板３１Ｃのゲル状絶縁物６に対向する面に局所的に設けた第２の突出部３１Ｃｃの底面４７をゲル状絶縁物６に接触させてゲル状絶縁物６に押し付け力を加えた状態で封止板３１Ｃを筐体５１Ｃ側に固定する構成を備えていることにより、ゲル状絶縁物６が局所的に加圧された状態とすることができる。このため、高圧モジュール１０１Ｄでは、第２の突出部３１Ｃｃの形成位置を調整してゲル状絶縁物６に対する加圧箇所を任意に設定することができることから、例えば回路基板部４における半導体素子の配置構成などに対応し、高圧モジュールの絶縁破壊原因として特に問題となる箇所でゲル状絶縁物６が十分に加圧されるようにして、部分的かつ効果的にゲル状絶縁物６による絶縁性能を向上させることできる。

そして、例えば、図４のように、封止板３１Ｃの下面側のうち、表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物６との交点（三重点）（Ａ２部）の上方に相当する位置に、第２の突出部３１Ｃｃを形成した構成とすれば、Ａ２部におけるゲル状絶縁物６に対する押し付け力が特に大きくなるので、Ａ２部におけるゲル状絶縁物６が特に強く加圧された状態となる。これにより、上記構成では、高圧モジュールの絶縁破壊原因として特に問題となるＡ２部におけるゲル状絶縁物６中に空隙を残存、発生させないようにして、ゲル状絶縁物６中での部分放電の発生、進展を効果的に抑止し、高圧モジュールの絶縁性能を向上させることができる。

１：絶縁基板
２：表面金属基板
３：裏面金属基板
４：回路基板部
５，５Ａ：半導体素子
６：ゲル状絶縁物（シリコーンゲル）
７：アース板
８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ：ケース
９：リード部
９ａ：外部端子部
９ｂ：接続リード部
９ｃ：内部端子部
１０：ボンディングワイヤ
１１：接合部材
１２：気体
３１，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ：封止板
３２：突部
３３，３３Ａ：封止板取り付け台
３４：穴
３５：加圧バルブ
３６：加圧気体供給配管
３７：締め付け器具
３８：密閉用ゴム
３９，４０：溝
４１：上段部の底面
４２：突出部の底面
４３：周縁部の底面
４４：貫通穴
４５：ボルト
４６：ネジ穴
４７：突出部の底面
５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ：筐体
５２，５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ：外囲ケース
１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０１Ｄ：高圧モジュール
２０１：高圧電源（ＨＶ）

Claims (4)

1. 絶縁基板の表面に表面金属基板が接合されるとともに前記絶縁基板の裏面に接地電位とされる裏面金属基板が接合された回路基板部と、
   前記表面金属基板上に搭載された半導体素子と、
   前記回路基板部および前記半導体素子の周囲に配設された外囲ケースと、
   少なくとも前記回路基板部および前記半導体素子を覆うように前記外囲ケース内に充填されたゲル状絶縁物とを備えた高圧モジュールにおいて、
   前記外囲ケース内の前記ゲル状絶縁物の上部空間における気体を加圧された状態で密封することにより、前記ゲル状絶縁物を加圧してなる
   ことを特徴とする高圧モジュール。
2. 請求項１に記載の高圧モジュールにおいて、
   前記気体として窒素を用いたことを特徴とする高圧モジュール。
3. 絶縁基板の表面に表面金属基板が接合されるとともに前記絶縁基板の裏面に接地電位とされる裏面金属基板が接合された回路基板部と、
   前記表面金属基板上に搭載された半導体素子と、
   前記回路基板部および前記半導体素子の周囲に配設された外囲ケースと、
   少なくとも前記回路基板部および前記半導体素子を覆うように前記外囲ケース内に充填されたゲル状絶縁物とを備えた高圧モジュールにおいて、
   前記外囲ケースは上端側に開口部を有する筐体と該筐体の上端側に設けられる封止板とからなり、
   前記封止板を前記ゲル状絶縁物に接触させて前記ゲル状絶縁物に押し付け力を加えた状態で前記封止板を前記筐体に固定することにより、前記ゲル状絶縁物を加圧してなる
   ことを特徴とする高圧モジュール。
4. 請求項３に記載の高圧モジュールにおいて、
   前記封止板の前記ゲル状絶縁物に対向する面から突出する突出部を局所的に設けたことを特徴とする高圧モジュール。