JP2014047362A - パワー半導体モジュールおよびパワー半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れ、低コストで製造することができる半導体パワーモジュールの提供。
【解決手段】パワー半導体モジュールは、半導体チップ（ＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６）と、表裏面の一方の面に半導体チップが電気的に接続され、他方の面に放熱面が形成された導体板３１５，３１８と、放熱面が露出するように導体板および半導体チップを封止する封止樹脂３４８と、絶縁層３３３を介して導体板の放熱面に熱的に接触している放熱部３０７Ａ，３０７Ｂと、を備え、絶縁層３３３は、放熱面と対向する放熱部３０７Ａ，３０７Ｂの表面または放熱面に、窒化アルミニウム粒子およびα−酸化アルミニウム粒子の混合物を溶射して形成されたセラミックス溶射膜３３３Ａを有し、セラミックス溶射膜３３３Ａは、窒化アルミニウムの体積割合とα−酸化アルミニウムの体積割合の合計が３０％以上であって、かつ、断面気孔率が１０％以下とされる。
【選択図】図１２

Description

本発明は、電力変換装置等に用いられるパワー半導体モジュール、およびパワー半導体モジュールの製造方法に関する。

省エネルギーの観点から、自動車には高燃費が求められ、モータで駆動する電気自動車や、モータ駆動とエンジン駆動を組み合わせたハイブリッドカーが注目されている。自動車に用いる大容量の車載用モータは、バッテリの直流電圧では駆動や制御が困難であり、昇圧し交流制御するためパワー半導体チップのスイッチングを利用した電力変換装置が不可欠である。また、パワー半導体チップは通電により発熱するため、パワー半導体チップを搭載するパワーモジュールには、高い放熱能力が求められる。

そのため、放熱性能を高めるために、例えば、パワー半導体チップと、パワー半導体チップを搭載する導体板とを、電気的絶縁層を介して金属製の放熱ベースに密着させる構成のパワーモジュールが、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載のパワーモジュールでは、エアロゾルデポジション法により、窒化アルミニウム粒子と酸化アルミニウム粒子とを混合した微粉末を常温で基板に吹き付けることにより、窒化アルミニウム粒子と酸化アルミニウム粒子とから成るセラミックス被膜を形成し、それを絶縁層として用いている。

また、特許文献２には、窒化アルミニウムのコア材を酸化アルミニウムの被服材で覆った粒体をプラズマ溶射法により溶射することにより、窒化アルミニウムと酸化アルミニウムとを含む絶縁層を形成する技術が記載されている。

特開２００６−２７８５５８号公報 特開２００６−６６５５９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のエアロゾルデポジション法は、窒化アルミニウム粒子と酸化アルミニウム粒子との混合粉を堆積させて絶縁層を形成する方法であるため、絶縁層の気孔率が問題となる。気孔率が大きいと絶縁層の熱抵抗が大きくなり、放熱性能が低下する。また、特許文献２に記載のプラズマ溶射法では、窒化アルミニウムのコア材を酸化アルミニウムの被服材で覆った粒体という特殊な溶射材料を用いるため、コストアップ要因となる。

発明に係るパワー半導体モジュールは、半導体チップと、表裏面の一方の面に半導体チップが電気的に接続され、他方の面に放熱面が形成された導体板と、放熱面が露出するように導体板および半導体チップを封止する封止樹脂と、絶縁層を介して導体板の放熱面に熱的に接触している金属ベースと、を備え、絶縁層は、放熱面と対向する金属ベースの表面または放熱面に、窒化アルミニウム粒子およびα−酸化アルミニウム粒子の混合物を溶射して形成されたセラミックス溶射膜を有し、セラミックス溶射膜は、窒化アルミニウムの体積割合とα−酸化アルミニウムの体積割合の合計が３０％以上であって、かつ、断面気孔率が１０％以下であることを特徴とする。
本発明に係るパワー半導体モジュールの製造方法は、半導体チップと、表裏面の一方の面に半導体チップが電気的に接続され、他方の面に放熱面が形成された導体板と、放熱面が露出するように導体板および半導体チップを封止する封止樹脂と、セラミックス溶射膜を有する絶縁層を介して放熱面に熱的に接触している金属ベースと、を備えるパワー半導体モジュールの製造方法であって、窒化アルミニウムの体積割合とα−酸化アルミニウムの体積割合の合計が３０％以上であって、かつ、断面気孔率が１０％以下であるセラミックス溶射膜が形成されるように溶射条件を調整して、放熱面と対向する金属ベースの表面または放熱面に、窒化アルミニウム粒子およびα−酸化アルミニウム粒子の混合物を溶射する第１の工程と、セラミックス溶射膜内に形成された気孔に樹脂を含浸する第２の工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、放熱性に優れた半導体パワーモジュールを低コストで製造することができる。

パワーモジュールの外観斜視図である。 電力変換装置の電気回路構成を説明する図である。 図１のＥ−Ｅ断面図である。 パワーモジュール構造体３０００を示す図である。 図４に示す状態からさらに第１封止樹脂３４８および配線絶縁部６０８を取り除いた状態を示す図である。 一次封止体３０２の分解斜視図である。 パワーモジュール構造体３０００のモジュールケース３０４への封入を説明する図である。 一次封止体３０２の回路図である。 絶縁層３３３の構造を説明する図である。 セラミックス溶射膜３３３Ａの平坦化加工を説明する図である。 樹脂層３３３Ｂの形成方法を説明する図である。 放熱部３０７Ａ，３０７Ｂ側にセラミックス溶射膜３３３Ａが形成されたパワーモジュール３００の断面図である。 放熱部３０７Ａへのセラミックス溶射膜３３３Ａの形成手順を説明する図である。 セラミックス溶射膜３３３Ａの伝熱性能を説明する図である。 セラミックス溶射膜３３３Ａの絶縁性能と伝熱性能との関係を説明する図である。 セラミックス溶射膜３３３Ａを樹脂含浸した場合の絶縁性能を示す図である。 セラミックス溶射膜３３３Ａに樹脂を含浸させる方法の第１の例を説明する図である。 セラミックス溶射膜３３３Ａに樹脂を含浸させる方法の第２の例を説明する図である。 片面冷却パワーモジュール３００の平面図である。 放熱部３０７への接着を説明する図である。 一次封止体３０２を一対の放熱部３０７Ｄで挟持する構成のパワーモジュール３００を示す図である。 プラズマ溶射の概念を説明する図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１はパワーモジュールの外観斜視図である。パワーモジュール３００は、スイッチング素子を含む電子部品がトランスファーモールドされたパワー半導体ユニットを、モジュールケース３０４内に収納したものである。パワーモジュール３００は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の電気車両に搭載される電力変換装置に用いられる。

図２は、電力変換装置の電気回路構成を説明する図である。電力変換装置１４０は、バッテリ１３６の直流電流を交流電流に変換してモータジェネレータ１９２に供給するものである。電力変換装置１４０のインバータ回路１４４には、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）分の上下アーム直列回路１５０が設けられている。図１に示したパワーモジュール３００には、１相分の上下アーム直列回路１５０の半導体素子が設けられている。

上下アーム直列回路１５０は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６と、を有する。それぞれの上下アーム直列回路１５０の中点部分（中間電極１６９）は、交流端子１５９および交流コネクタ１８８を介してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６に接続される。上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は、正極端子（Ｐ端子）１６７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサの電極に電気的に接続されている。下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は、負極端子（Ｎ端子）１６８を介してコンデンサモジュール５００の負極側にコンデンサ電極に電気的に接続されている。

制御部１７０は、インバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。

ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５１と、ゲート電極１５４とを備えている。ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用エミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４とを備えている。また、ＩＧＢＴ３２８にはダイオード１５６が電気的に並列に接続されており、ＩＧＢＴ３３０にはダイオード１５８が電気的に並列に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよく、その場合はダイオード１５６やダイオード１５８が不要となる。

コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ端子５０６および負極側コンデンサ端子５０４は、直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６に電気的に接続されている。なお、電力変換装置１４０は、直流正極端子３１４を介して正極側コンデンサ端子５０６と接続され、かつ直流負極端子３１６を介して負極側コンデンサ端子５０４と接続される。

制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、およびモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が、入力情報として入力される。

目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から信号線１８２を介して出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。

制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号として、信号線１７６を介してドライバ回路１７４に出力する。

ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路１７４は、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。

また、制御部１７０は、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、制御部１７０にはセンシング情報が入力されている。例えば、各アームの信号用エミッタ電極１５１および信号用エミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８,３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８,３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８,３３０を過電流から保護する。

上下アーム直列回路１５０の温度情報は、上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８,３３０のスイッチング動作を停止させる。

図３〜８は、パワーモジュール３００の構成を説明するための図である。図３は、図１のＥ−Ｅ断面を示したものである。パワーモジュール３００は、図４に示すパワーモジュール構造体３０００をＣＡＮ型冷却器として機能するモジュールケース３０４の内部に収納したものである。図４はパワーモジュール構造体３０００を示す図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。なお、図４のＥ−Ｅ断面は、図１のＥ−Ｅ断面と同一箇所の断面を表している。

図３に示すように、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿入口３０６を有し、他面に底を有する筒形状をした冷却器である。モジュールケース３０４は、熱伝導性に優れた部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｃ、Ｃｕ−ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃなどの複合材などから形成されている。また、溶接など防水性の高い接合法で、あるいは鍛造、鋳造法などにより、つなぎ目の無い状態でケース状に一体成形されている。

モジュールケース３０４は、挿入口３０６以外に開口を設けない扁平状のケースであり、その挿入口３０６にはフランジ３０４Ｂが設けられている。扁平状ケースの面積の広い対向する２つの面の一方には放熱部３０７Ａが設けられ、他方の面には放熱部３０７Ｂが設けられている。放熱部３０７Ａおよび放熱部３０７Ｂはモジュールケース３０４の放熱壁として機能するものであり、それらの外周面には複数のフィン３０５が均一に形成されている。放熱部３０７Ａおよび放熱部３０７Ｂを囲む周囲の面は、厚さが極端に薄く容易に塑性変形可能な薄肉部３０４Ａとなっている。薄肉部３０４Ａを極端に薄くすることで、放熱部３０７Ａおよび放熱部３０７Ｂをケース内側方向に加圧した際に、容易に変形することができる。なお、モジュールケース３０４の形状は、正確な直方体である必要がなく、図１に示すように角が曲面を形成していても良い。

図４に示すように、パワーモジュール構造体３０００は、一次封止体３０２と補助モールド体６００とから成る。一次封止体３０２と補助モールド体６００とは接続部３７０において接続されている。接続部３７０における金属接合には、たとえばＴＩＧ溶接などを用いることができる。補助モールド体６００に設けられた配線絶縁部６０８を、図１に示すようにネジ３０９によってモジュールケース３０４のフランジ３０４Ｂに固定することにより、モジュールケース３０４内においてパワーモジュール構造体３０００が位置決めされる。

まず、図６および図８を用いて、一次封止体３０２の構成を説明する。図６は一次封止体３０２の構成を示す分解斜視図である。図８は一次封止体３０２の回路図である。なお、図６は、図５に示す状態とする前の工程、すなわち、ボンディングワイヤ３７１による接続が行われる前の状態を示したもので、タイバー３７２が未削除状態と成っている。

図８に示すように、上アーム用ＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極と上アーム用ダイオード１５６のカソード電極は導体板３１５に接続され、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極とダイオード１５６のアノード電極は導体板３１８に接続されている。下アーム用ＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極と下アーム用ダイオード１６６カソード電極は導体板３２０に接続され、ＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極とダイオード１６６のアノード電極は導体板３１９に接続されている。導体板３１８と導体板３２０とは、中間電極１５９を介して接続されている。中間電極１５９により上アーム回路と下アーム回路とが電気的に接続され、図４に示すような上下アーム直列回路が形成される。なお、導体板３１５，３１８，３１９，３２０としては、Ｃｕ，Ａｌ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｍｏ，Ｆｅ，Ｃｏなどの金属、それらの合金、複合体が用いられる。

図６に示す状態では、直流正極側の導体板３１５および交流出力側の導体板３２０と、上アーム用信号接続端子３２７Ｕおよび下アーム用信号接続端子３２７Ｌとは、共通のタイバー３７２に繋がれた状態となっている。これらは、略同一平面状の配置となるように一体的に加工される。上アーム用信号接続端子３２７Ｕには、ＩＧＢＴ３２８の制御電極３２８Ａがボンディングワイヤにより接続される。下アーム用信号接続端子３２７Ｌには、ＩＧＢＴ３３０の制御電極３３０Ａがボンディングワイヤにより接続される。導体板３１５，３２０の半導体チップ（ＩＧＢＴ３２８，３３０、ダイオード１５６，１６６）が接合される部分には、凸状のチップ固着部３２２がそれぞれ形成されている。各半導体チップは、それらのチップ固着部３２２の上に金属接合材１６０によって接合される。金属接合材１６０には、例えば、はんだ材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材等が用いられる。また、金属接合材１６０には錫を主成分としたハンダを用いる事が望ましいが、金、銀、銅のいずれかを主成分としたものやロウ材やペースト等を用いることもできる。

ＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５５，１６６の上には、金属接合材１６０を介して導体板３１８と導体板３１９が略同一平面状に配置され、金属接合される。図４に示したように、導体板３１８には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と上アーム側のダイオード１５６のアノード電極が接合される。導体板３１９には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極と下アーム側のダイオード１６６のアノード電極が接合される。導体板３１５には直流正極接続端子３１５Ｄが形成されている。導体板３２０には交流接続端子３２０Ｄが形成されている。導体板３１９には直流負極接続端子３１９Ｄが形成されている。

上述したように、導体板３１５と導体板３１８の間にＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６を挟み込むと共に、導体板３２０と導体板３１９の間にＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６を挟み込み、導体板３２０と導体板３１８とを中間電極３２９により接続する。さらに、ＩＧＢＴ３２８の制御電極３２８Ａと信号接続端子３２７Ｕとをボンディングワイヤ３７１により接続すると共に、ＩＧＢＴ３３０の制御電極３３０Ａと信号接続端子３２７Ｌとをボンディングワイヤ３７１により接続する。

その後、半導体チップ（ＩＧＢＴ３２８，３３０、ダイオード１５６，１６６）およびボンディングワイヤ３７１を含む部分を封止樹脂３４８により封止する。この封止はトランスファーモールドにより行われる。封止樹脂３４８としては、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができ、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどを含有させ、熱膨張係数を導体板３１５，３２０，３１８，３１９に近づける。これにより、部材間の熱膨張係数差を低減でき、使用環境時の温度上昇にともない発生する熱応力が大幅に低下するため、パワーモジュールの寿命を延ばすことが可能となる。

図６に示すタイバー３７２は、封止樹脂３４８により封止した後に切除される。そして、一次封止体３０２の一辺側に一列に並べられている直流正極接続端子３１５Ｄ、直流負極接続端子３１９Ｄ、交流接続端子３２０Ｄ、信号接続端子３２７Ｕ、３２７Ｌの各端部は、図５のようにそれぞれ同一方向に折り曲げられる。

図４および図１に示すように、補助モールド体６００には、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌが設けられており、これらは、樹脂材料で成形された配線絶縁部６０８によって、相互に絶縁された状態で一体に成型されている。配線絶縁部６０８は各配線を支持するための支持部材としても作用し、配線絶縁部６０８に用いる樹脂材料には、絶縁性を有する熱硬化性樹脂かあるいは熱可塑性樹脂が適している。これにより、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。

直流正極配線３１５Ａの上端には直流正極端子３１５Ｂが形成され、下端には、直流正極接続端子３１５Ｃが直角に折れ曲がるように形成されている。直流負極配線３１９Ａの上端には直流負極端子３１９Ｂが形成され、下端には、直流負極接続端子３１９Ｃが直流正極接続端子３１５Ｃと同方向に折れ曲がるように形成されている。交流配線３２０Ａの上端には交流端子３２０Ｂが形成され、下端には、交流接続端子３２０Ｃが直流正極接続端子３１５Ｃと同方向に折れ曲がるように形成されている。信号配線３２４Ｕ、３２４Ｌの上端には、それぞれ信号端子３２５Ｕ、３２５Ｌが形成されている。一方、信号配線３２４Ｕ、３２４Ｌの下端には、信号接続端子３２６Ｕおよび信号接続端子３２６Ｌが直流正極接続端子３１５Ｃと同方向に折れ曲がるように形成されている。

直流正極接続端子３１５Ｃは、一次封止体３０２側の直流正極接続端子３１５Ｄに接続される。直流負極接続端子３１９Ｃは、一次封止体３０２側の直流負極接続端子３１９Ｄに接続される。交流接続端子３２０Ｃは、一次封止体３０２側の交流接続端子３２０Ｄに接続される。信号接続端子３２６Ｕは、一次封止体３０２側の信号接続端子３２７Ｕに接続される。信号接続端子３２６Ｌは、一次封止体３０２側の信号接続端子３２７Ｌに接続される。

なお、図８の信号接続端子３２７Ｕは図２のゲート電極１５４および信号用エミッタ電極１５５に対応し、図８の信号接続端子３２７Ｌは図２のゲート電極１６４およびエミッタ電極１６５に対応する。また、図８の直流正極分岐端子３１５Ｄは図２の正極端子１５７が対応し、図８の直流負極分岐端子３１９Ｄは図２の負極端子１５８が対応する。

図４に示すようなパワーモジュール構造体３０００が完成したならば、図７（ａ）に示すようにパワーモジュール構造体３０００をモジュールケース３０４に挿入し、補助モールド体６００の配線絶縁部６０８をモジュールケース３０４のフランジ３０４Ｂに固定する。その挿入の際に、一次封止体３０２と放熱部３０７Ａ，３０７Ｂとの間に、電気的な絶縁を図るための絶縁層３３３が設けられる。絶縁層３３３の詳細については後述する。

そして、図７（ｂ）の矢印で示すように放熱部３０７Ａ，３０７Ｂをケース内側に加圧して薄肉部３０４Ａを変形させ、放熱部３０７Ａ，３０７Ｂと一次封止体３０２とを絶縁層３３３により熱圧着する。その後、モジュールケース３０４内に封止樹脂３５１を充填して封止することで、接続部３７０とモジュールケース３０４との間で必要な絶縁距離を安定的に確保することができる。封止樹脂３５１としては、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができる。

（絶縁層３３３の説明）
図９は、絶縁層３３３の構造を説明する図である。図９（ａ）は一次封止体３０２の断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の符号Ｂで示した部分の断面構造を模式的に示したものである。絶縁層３３３は２つの層から成り、セラミックスの粉体をプラズマ溶射して形成されたセラミックス溶射膜３３３Ａの層と、絶縁性の樹脂から成る樹脂層３３３Ｂとを備えている。

プラズマ溶射法によりセラミックス溶射膜３３３Ａを形成する場合は、一次封止体３０２の温度上昇は１００〜１８０℃程度であるため、封止樹脂３４８やＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５６，１６６は熱劣化しない。よって、２２０〜３００℃の温度範囲でなされるチップ接合を先にできる。これにより、リードフレーム（導体板）に溶射した後にチップ接合する場合に比較して、熱膨張係数の小さい溶射膜と熱膨張係数の大きい導体板の積層部に発生する熱応力を低減することができる。

また、セラミックス溶射膜３３３Ａが形成される導体板３１５，３１８，３１９，３２０の処理面、すなわち導体板３１５，３１８，３１９，３２０の放熱面に対し、溶射前にサンドブラストやエッチングにより粗化すると、セラミックス溶射膜３３３Ａの接合強度を向上できる。これらの処理時に、封止樹脂３４８により封止していれば、ＩＧＢＴ３２８，３３０やボンディングワイヤ３７１などに及ぼす物理的、化学的な損傷を防止できるので、複雑なマスキングが不要となり、生産性が向上する。トランスファーモールド後、導体板３１５，３１８，３１９，３２０に封止樹脂３４８が被覆する場合があるが、溶射の前処理であるサンドブラスト処理により除去することも可能である。封止樹脂３４８は導体板よりも熱伝導率が低いため、放熱面から除去できることで放熱性が向上する。

図９（ｂ）に示すように、本実施の形態のセラミックス溶射膜３３３Ａは、酸化アルミニウムの溶射膜の中に窒化アルミニウムの粒子が分散したような構成を有している。一般的に、熱伝導性の良い溶射膜としては酸化アルミニウムの溶射膜が用いられるが、酸化アルミニウムよりも伝熱特性に優れたセラミックス材料として窒化アルミニウムがある。窒化アルミニウムは昇華する物質であるため、温度上昇に伴って液体状態を経ずに気化してしまい、窒化アルミニウムを溶射することができない。

詳細は後述するが、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の粉末に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の粉末を混合し、かつ、所定の溶射条件てプラズマ溶射することにより、酸化アルミニウム粒子は溶融または半溶融状態で被成膜面に入射し、扁平状の酸化アルミニウム扁平体３３３１を積層したような溶射膜が得られることを本発明者は見出した。一方、窒化アルミニウム粒子は溶けることなく被成膜面に入射するが、溶けた酸化アルミニウムがバインダーの役目をするため、窒化アルミニウム粒子３３３２が被成膜面に堆積して行く。なお、図９に示すように、セラミックス溶射膜３３３Ａは、導体板３１５，３１８の露出している面と、その周囲の封止樹脂３４８の表面に形成される。３３３０は溶射膜中に形成された気孔である。

図１０（ａ）は、導体板３１５上に形成されたセラミックス溶射膜３３３Ａを示す図であり、プラズマ溶射により形成されたセラミックス溶射膜３３３Ａの表面は凹凸面となっている。そのため、図１０（ｂ）に示すように、セラミックス溶射膜３３３Ａの厚さが均一化されるように、機械加工等により平坦化加工を施す。導体板３１５の熱はセラミックス溶射膜３３３Ａの厚さ方向に伝達されるが、セラミックス溶射膜３３３Ａの厚さを均一化することによって熱伝達性能の均一化を図ることができる。

図１０（ｂ）に示すように一次封止体３０２の両面にセラミックス溶射膜３３３Ａを形成したならば、そのセラミックス溶射膜３３３Ａの上に樹脂層３３３Ｂを形成する。図１１は、樹脂層３３３Ｂの形成方法を説明する図である。ここでは、予めシート状に形成された樹脂層３３３Ｂを、図１１（ｂ）のようにセラミックス溶射膜３３３Ａの上に貼り付け、仮圧着する。この仮圧着により、樹脂層３３３Ｂの一部が、セラミックス溶射膜３３３Ａの表面付近の気孔内に入り込む。

なお、仮圧着された樹脂層３３３Ｂは、前述した図７に示す工程において、一次封止体３０２をモジュールケース３０４に収納した後、樹脂層３３３Ｂと放熱部３０７Ａ，３０７Ｂとの接着のために最終的な圧着作業が行われる。そのため、図１１（ｂ）に示す仮圧着においては、樹脂成分が半硬化状態（例えば、樹脂成分の硬化度が約８０％以下である状態）となるように圧着時の温度条件および加圧条件を設定する。

樹脂層３３３Ｂの反対側の表面には、作業しやすいように保護フィルム３５２が設けられている。この保護フィルム３５２は、図７に示す工程で一次封止体３０２をモジュールケース３０４に収納する際には取り外される。保護フィルム３５２には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレートなどが用いられる。

樹脂層３３３Ｂは、樹脂層３３３Ｂには充分な接着性と高い熱伝導性が要求される。そのため、樹脂層３３３Ｂを構成する樹脂には、接着性のあるフェノール系，アクリル系，ポリイミド系，ポリアミドイミド系，エポキシ系，シリコン系，ビスマレイミドトリアジン系，シアネートエッセル系を基にした樹脂等が用いられる。特に、接着性が高いビスマレイミドトリアジン系，ポリアミドイミド系，ポリイミド系，シアネートエッセル系，エポキシ系，フェノール系を基にした樹脂を用いるのが好ましく、接着後に剥離し難くパワーモジュールの寿命が高まる。

一般的に、樹脂層３３３Ｂの熱伝導性向上のために、樹脂層３３３Ｂに良熱伝導性のフィラーが混入される。樹脂層３３３Ｂに混入させるフィラーは絶縁性を有したものが良く、アルミナ，シリカ，マグネシア，ベリリアなどの酸化物、窒化アルミ，窒化珪素，窒化硼素などの窒化物、シリコンカーバイドなど炭化物などの高熱伝導なセラミックスのフィラーがより好ましい。

なお、上述した例では、一次封止体３０２の導体板３１５，３１８側にセラミックス溶射膜３３３Ａを形成する場合について説明したが、図１２，１３のように、モジュールケース３０４の放熱部３０７Ａ，３０７Ｂの内周面にセラミックス溶射膜３３３Ａを形成しても良い。

図１２に示すモジュールケース３０４は、ケース枠体と一対のケース側面部とで構成されている。ケース枠体は、肉厚のフランジ３０４Ｂと枠部３０４Ｄとから成る。一対のケース側面部３０４Ｃの一方（図示左側）は、フィン３０５が形成された放熱部３０７Ａと、その周囲を囲む薄肉部３０４Ａとから成る。他方のケース側面部３０４Ｃは、フィン３０５が形成された放熱部３０７Ａと、その周囲を囲む薄肉部３０４Ａとから成る。薄肉部３０４Ａをケース枠体に金属接合することにより、モジュールケース３０４が形成されている。

絶縁層３３３において、セラミックス溶射膜３３３Ａは放熱部３０７Ａ，３０７Ｂの内周面側に形成され、樹脂層３３３Ｂは導体板３１５，３１８側に形成されている。図１３（ａ）に示すように、フィン３０５が形成された放熱部３０７Ａと薄肉部３０４Ａとを有するケース側面部３０４Ｃを用意し、放熱部３０７Ａの内周面側、すなわち、フィン３０５が形成されている面とは逆の面側にセラミックス溶射膜３３３Ａを形成する。なお、薄肉部３０４Ａに溶射膜３３３Ａが形成されないようにマスキング処理が施される。

その後、図１３（ｂ）に示すように樹脂層３３３Ｂを形成する。なお、樹脂層３３３Ｂの形成方法としては、上述した樹脂シート３３３２を用いる方法の他に、液状のフィラーが混入された樹脂を塗布、噴霧、ディップする手法を用いても良い。そして、絶縁層３３３が形成されたケース側面部３０４Ｃを枠部３０４Ｄに接合することにより、モジュールケース３０４が形成される。

（溶射条件の説明）
ところで、前述したように、窒化アルミニウムは昇華する物質であるため、温度上昇に伴って液体状態を経ずに気化してしまい、窒化アルミニウムを溶射することができない。しかしながら、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の粉末に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の粉末を混合し、かつ、所定の溶射条件てプラズマ溶射することにより、酸化アルミニウムの膜中に窒化アルミニウム粒子が埋設されたような状態の、すなわち、図９（ｂ）のように酸化アルミニウムの溶射膜中に窒化アルミニウム粒子３３３２が分散した状態のセラミックス溶射膜３３３Ａが形成される。

図２２は、プラズマ溶射の概念を説明する図である。プラズマジェットＰを発生するためのプラズマ溶射ガン４００には、電源装置４０１から電源が供給される。溶射材料粉末４０２（酸化アルミニウム粒子と窒化アルミニウム粒子との混合粉末）は、プラズマジェットＰ中に投入される。プラズマジェットＰ中に投入された溶射材料粉末４０２は、高温および高速のプラズマジェットＰによって加速および加熱されて飛行粒子となる。飛行粒子は溶融粒子であったり固体粒子であったりする。この飛行粒子は基材４０３の表面に高速で入射し、基材表面に溶射膜４０４が形成される。溶射の際には、プラズマ溶射ガン４００を、基材４０３に対して平行なＴ方向にトラバース駆動させる。

プラズマ溶射を行う際の主な条件としては、図２２に示すような条件がある。施工条件は、主にプラズマ溶射ガン４００に関する条件であり、電圧、電流、トラバース速度、溶射距離、溶射材料粉末４０２の供給速度等である。粉末条件は溶射材料粉末４０２に関する条件であり、混合比率、混合方法、粒径、純度等である。飛行粒子条件はプラズマジェットにより加速および加熱された材料粒子（飛行粒子）に関する条件であり、ここでは、飛行粒子の温度が条件としてあげられる。また、基材条件は、溶射中の基材４０３の温度や、溶射を行う前の前処理の条件等がある。

これらの条件の内、窒化アルミニウム粒子の昇華を防止して、図９（ｂ）に示すような窒化アルミニウムと酸化アルミニウムとを含むセラミックス溶射膜３３３Ａを形成するためには、少なくとも飛行粒子の温度を２０００〜２２００℃とする必要がある。実際的には、そのような温度条件が満足されるように施工条件（加熱源であるプラズマ溶射ガン４００、電源装置４０１）を調整することになる。特に、セラミックス溶射膜３３３Ａを形成するには、溶射距離を一般的な溶射距離と比べて短く設定すること（例えば、５０mm程度）が重要である。

（セラミックス溶射膜３３３Ａの構成に関する説明）
図１４，１５は、セラミックス溶射膜３３３Ａの特性を説明する図である。図１４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に添加する酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の添加量と断面気孔率との関係、および、前記添加量とセラミックス溶射膜中の（ＡｌＮ＋α−Ａｌ２Ｏ３）の割合を示したものである。

図１４に示す特性は、以下のようなサンプルに関して得られたものである。なお、ここでは、図１３に示すように、Ａｌの放熱部３０７Ａ上にセラミックス溶射膜３３３Ａを形成する場合について考える。まず、厚さ２ｍｍ、縦横が各１５０ｍｍの正方形のＡｌ板を用意し、Ａｌ板の表面に対して酸化アルミニウムによるサンドブラスト処理を施す（前処理）。その後、粒径１０〜３０μｍ程度の窒化アルミニウム粒子と酸化アルミニウム粒子（α−酸化アルミニウム粒子）との混合粉末を用いて、出力４０ｋＷにて大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）をした。この時、Ａｌ板に形成する溶射膜の気孔率を抑制し、冷却時の溶射膜の割れを防止するために、Ａｌ板を１８０℃に予熱した。

なお、本実施の形態では、ＡＰＳ溶射法を用いたが、減圧プラズマ溶射法（ＬＰＰＳ、ＶＰＳ）、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、ウォームスプレー等の溶射法であっても構わない。

このような工程を経て製作したセラミックス溶射膜に対して、断面気孔率の測定と、Ｘ線回折による相の同定を行った。図１４において、横軸は、原粉末中における酸化アルミニウムの割合である、酸化アルミニウム粉末の添加量(質量％)を示している。例えば、左端の０％の場合には原粉末は全て窒化アルミニウムであり、右端の１００％の場合には原粉末は全て酸化アルミニウムである。なお、窒化アルミニウム粉末だけで溶射を行った場合には、溶射膜を形成することができなかった。

図１４において、白色の菱形は断面気孔率に関するデータであり、黒色の矩形は体積割合に関するデータである。また、図１４の左側の縦軸は断面気孔率（％）を示し、右側の縦軸は溶射膜中における窒化アルミニウムの体積割合（Vol％）とα−酸化アルミニウムの体積割合（Vol％）との合計を示している。なお、断面気孔率の縦軸は、理解しやすさを重要視して図示上側を０点とした。また、断面気孔率は、画像解析ソフトを用いて、組織の濃淡を２値化処理して算出した。

ところで、酸化アルミニウムには高熱伝導率のα−酸化アルミニウムと低熱伝導率のγ−酸化アルミニウムとがあり、温度が上昇するとα相からγ相へと変態する。なお、溶射材料として使用される酸化アルミニウム粒子はα−酸化アルミニウムである。また、窒化アルミニウムは、熱伝導率の点でα−酸化アルミニウムよりも優れている。すなわち、右側の縦軸の値が大きいほどセラミックス溶射膜３３３Ａの熱伝導率は大きくなる。なお、各相の体積割合は、断面組織観察から体積に換算する方法、Ｘ線回折のピーク強度比から推測する方法などがある。Ｘ線回折で相の同定を行う場合、窒化アルミニウムの結晶面は（１００）面、α−酸化アルミニウムの結晶面は（１１３）面、γ−酸化アルミニウムの結晶面は（４００）面である。

（断面気孔率）
図１４の断面気孔率のデータ（白色の菱形）を見ると、酸化アルミニウム（α−酸化アルミニウム）の添加量を０％から増加したとき、添加量がある範囲を越えると断面気孔率は急激に低下する。さらに、酸化アルミニウムの添加量をラインＬ１で示す添加量よりも大きくすると、断面気孔率は１０％を下回った。

ラインＬ１よりも左側の領域（図１４で固相リッチと示す領域）では、酸化アルミニウムが粒子状態（固体状態）で存在する割合が大きく、溶射過程において十分に偏平することなく基材上に堆積したものと考えられる。その結果、気孔は十分に埋まることなく残存し、断面気孔率は１０％よりも大きくなった。すなわち、熱伝導率が良くない。

一方、酸化アルミニウム粉末の添加量をラインＬ１の右側の領域（液相リッチと示す領域）まで増加させると、酸化アルミニウムは固体（粒子状態）から液体への変態を起こし、酸化アルミニウム粒子は溶射過程において十分に偏平し、その状態で基材上に堆積した。その結果、気孔は埋まり、気孔率は１０％以下になった。図１４の断面気孔率のデータを見ると、添加量がラインＬ１の位置よりも大きければ断面気孔率は５〜１０％の範囲で推移し、熱伝導率への影響が小さい領域となっている。すなわち、５〜１０％という数値は、セラミックス溶射膜３３３Ａの断面気孔率として最適な範囲を示している。逆に、添加量がラインＬ１の位置よりも小さくなると、断面気孔率は階段状に大きく変化して１６〜１７％程度の値となる。断面気孔率が１６〜１７％と大きいと、熱伝導率低下への影響が顕著になる。

（体積割合）
上述したように、温度が上昇すると、α−酸化アルミニウムはγ−酸化アルミニウムへと変態する。さらに、図１４の体積割合に関するデータ（黒色の矩形）から分かるように、酸化アルミニウム粉末の添加量を増やすと、酸化アルミニウムはα相からγ相へと変態しやすくなる。このことは、溶射膜に対するＸ線回折による相の同定で把握できる。そのため、図１４に示すように、酸化アルミニウム（α−酸化アルミニウム）粉末の添加量が小さい領域では、体積割合は３０％を大きく上回っているが、酸化アルミニウム粉末の添加量を増加すると体積割合は徐々に減少し、ラインＬ２で示す添加量付近から急激に減少する。ラインＬ２は、体積割合が３０％となるところの添加量を示している。

このように、ラインＬ２の右側と左側とでは、体積割合の推移のしかたが大きく異なっており、ラインＬ２の左側においては、３０％以上の体積割合で推移している。逆に、ラインＬ２の右側では、体積割合は急激に低下して３０％を大きく下回ってしまう。α相からγ相への変態があるため、セラミックス溶射膜３３３Ａはα−酸化アルミニウム、γ−酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムから構成される。そのため、セラミックス溶射膜３３３Ａの熱伝導率は、これらの割合に依存しており、高熱伝導相であるα−酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとの合計の体積割合が大きいほど熱伝導率が大きくなる。すなわち、窒化アルミニウムとα−酸化アルミニウムを溶射して得られるセラミックス溶射膜３３３Ａにおいて、体積割合が３０％以上となる領域は、熱伝導率の観点から最適な範囲を示している。

上述のように、断面気孔率および体積割合の両者ともセラミックス溶射膜３３３Ａの熱伝導率に影響を及ぼす。そして、図１４のラインＬ１よりも左側の領域では、断面気孔率の影響で熱伝導率が悪化し、ラインＬ２の右側では体積割合の影響で熱伝導率が悪化する。よって、セラミックス溶射膜３３３Ａが好適な熱伝導率となるためには、セラミックス溶射膜３３３Ａにおける断面気孔率を１０％以下とし、かつ、窒化アルミニウムとα−酸化アルミニウムの合計の体積割合を３０％以上とすることが好ましい。

なお、断面気孔率は酸化アルミニウム粒子の溶融状態に影響され、体積割合は酸化アルミニウム粒子の温度による変態に影響される。そのため、上述した飛行粒子条件（飛行粒子の温度）は断面気孔率および体積割合に影響することになるが、基本的にはセラミックス溶射膜３３３Ａが形成されることが最も優先されるため、上述した温度２０００〜２２００℃はそのような観点から設定されている。

このように、断面気孔率および体積割合は温度等の溶射条件にも影響されるが、図４に示すように主に酸化アルミニウムの添加量（混合比率）によって決まる。そのため、断面気孔率が１０％を下回る添加量、および、体積割合が３０％を越える添加量については、予め試験的に溶射を行って決定することになる。一例として、上述したサンプル作成条件における好適な混合比は、４０〜６２mass％であった。

このように、酸化アルミニウム粉末と窒化アルミニウム粉末との混合物を用いて溶射を行う場合、酸化アルミニウム粉末の添加量を図１４のラインＬ１とラインＬ２との間の値とすることで、断面気孔率が１０％以下で、かつ、窒化アルミニウムの体積割合とα−酸化アルミニウムの体積割合の合計が３０％以上であるセラミックス溶射膜３３３Ａを形成することができる。すなわち、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとから成るセラミックス溶射膜３３３Ａとして、伝熱特性に関して最適な溶射膜を得ることができる。

窒化アルミニウムの体積割合とα−酸化アルミニウムの体積割合の合計が３０％以上であることは、Ｘ線回折ピーク強度から測定することができ、窒化アルミニウムの（１００）面のピーク強度、α−酸化アルミニウムの（１１３）面のピーク強度およびγ−酸化アルミニウムの（４００）面のピーク強度の合計値に対する、窒化アルミニウムの（１００）面のピーク強度およびα−酸化アルミニウムの（１１３）面のピーク強度の合計値の比率が３０％以上となる。Ｘ線回折により、各相の存在割合を再現性良く把握できるので、大量生産時のばらつき低減や特性保証をすることができる。

上述した例では、窒化アルミニウムと酸化アルミニウムの混合粉末を用いることで、窒化アルミニウム、α−酸化アルミニウムおよびγ−酸化アルミニウムから成るセラミックス溶射膜３３３Ａを形成したが、酸化アルミニウム以外の添加物をさらに添加しても良い。ただし、添加物としては、γ−酸化アルミニウムよりも高熱伝導率相を形成するものが望ましい。例えば、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ジルコニア（Ｚｒ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、および窒化珪素等（Ｓｉ３Ｎ４）等の少なくとも１種類を追加した場合、α−酸化アルミニウムを添加した場合と同様の効果を発揮して、高熱伝導率相の増加、気孔率の低減に寄与する。

図１５はセラミックス溶射膜３３３Ａの絶縁性能と伝熱性能との関係を説明する図である。この場合も、図１４の場合と同様に、基材として厚さ２ｍｍの１５０ｍｍ角のＡｌ板に対して酸化アルミニウムを用いてサンドブラスト処理し、その後、窒化アルミニウム粒子と酸化アルミニウム粒子との混合粉末を出力４０ｋＷにてプラズマ溶射した。このときの溶射膜の断面気孔率は４％であった。なお、断面気孔率は、画像解析ソフトを用いて組織の濃淡を２値化処理して算出した。

図１５の横軸は溶射膜の膜厚であり、左側の縦軸は厚さ８０μｍの溶射膜単体の絶縁破壊電圧（本実施形態で最低限必要とされる絶縁破壊電圧）を１とした場合の規格化絶縁破壊電圧、右側の縦軸は厚さ２００μｍの溶射膜単体の熱伝導率（本実施形態で最低限必要とされる熱伝導率）を１とした場合の規格化熱伝導率である。なお、セラミックス溶射膜３３３Ａは、図９に示すように酸化アルミニウム扁平体３３３１および窒化アルミニウム粒子３３３２が積層された膜であるため、溶射膜の表面は凹凸形状を成している。そのため、本実施の形態におけるセラミックス溶射膜３３３Ａの厚さは、研削等による平坦化後の厚さを意味している。

図１５において、白色の三角形が絶縁破壊電圧のデータであり、黒色の丸印が熱伝導率に関するデータである。セラミックス溶射膜３３３Ａの厚さが増加すると、絶縁破壊電圧も大きくなり、絶縁性能が向上する。一方、熱伝導率は厚さが増加するにつれて小さくなり、伝熱性能が低下する。そのため、絶縁性能と伝熱性能とを両立させるためには、例えば、セラミックス溶射膜３３３Ａの厚さを８０μｍ以上、２００μｍ以下に設定するのが好ましい。

図１４，１５に関する上述の例では、放熱部３０７Ａ，３０７Ｂと同様の材質であるＡｌ板にセラミックス溶射膜を形成して、その特性を計測したが、導体板３１５，３１８および封止樹脂３４８側にセラミックス溶射膜を形成した場合についても、それに対応したサンプルを制作して特性を調べた。この場合、基材として厚さ２ｍｍの１５０ｍｍ角のＣｕ板、および樹脂板に対して酸化アルミニウムを用いてサンドブラスト処理した後、窒化アルミニウムと酸化アルミニウム粒子の混合粉末を出力４０ｋＷにてプラズマ溶射した。なお、実際に導体板３１５，３１８および封止樹脂３４８側にセラミックス溶射膜を形成する場合には、熱変形能や融点等が導体板と樹脂とで異なるが、入熱量の調整などを行うことにより、マスキング無しで一連の走査の中で溶射することができる。もちろん、マスキングを用いて個別に溶射するようにしても構わない。

ところで、溶射粒子の積層過程において、基材と粒子が最初に接する第一層は、熱伝達特性に影響を及ぼすので、溶射膜全体の特性を大きく支配する。この接触状態を向上させる方法として、濡れ性を高めるために、基材の温度を上昇させることがある。これにより、基材表面の吸着物質が脱離し、また濡れ性の向上効果により、接触状態が向上する。

しかし、その一方で、基材温度を高めることで基材の熱変形が加速され、基材の変形により、モジュールを組み立てる際の寸法公差に影響を与える。さらに、基材が樹脂の場合には、固体で衝突する窒化アルミニウム粒子が樹脂基材表面を研削し、ブラスト処理を起こすおそれがある。

窒化アルミニウム粒子が樹脂基材表面を研削してしまうことに関しては、酸化アルミニウムを添加することにより、溶射中に液相の酸化アルミニウム粒子が樹脂基材上で積層し、固体粒子に対する緩衝材としての効果を発揮する。この効果により、樹脂基材へのセラミックス溶射膜３３３Ａの形成が可能になる。

このように、本実施の形態では、パワーモジュール３００は、半導体チップ（ＩＧＢＴ３２８，３３０、ダイオード１５６，１６６）と、表裏面の一方の面に半導体チップが電気的に接続され、他方の面に放熱面が形成された導体板３１５，３１８，３１９，３２０と、放熱面が露出するように導体板および半導体素子を封止する封止樹脂３４８と、絶縁層３３３を介して導体板の放熱面に熱的に接触している金属ベース３０７Ａ，３０７Ｂと、を備えている。そして、絶縁層３３３は、放熱面と対向する金属ベース３０７Ａ，３０７Ｂの表面、または導体板の放熱面に、窒化アルミニウム粒子およびα−酸化アルミニウム粒子の混合物を溶射して形成されたセラミックス溶射膜３３３Ａを有し、セラミックス溶射膜３３３Ａは、窒化アルミニウムの体積割合とα−酸化アルミニウムの体積割合の合計が３０％以上であって、かつ、断面気孔率が１０％以下とされている。

上述のように、窒化アルミニウムは固体から液体を経ずに気体となる昇華する物質であるため、窒化アルミニウムの溶射膜を形成することはできなかった。しかし、窒化アルミニウム粒子と溶射可能なα−酸化アルミニウム粒子とを混合した混合粉を用いることにより、窒化アルミニウムとα−酸化アルミニウムとから成る高熱伝導率を有するセラミックス溶射膜を形成することができた。本発明の絶縁層３３３では、窒化アルミニウを含むセラミックス溶射膜の形成を可能にした。そのセラミックス溶射膜は、酸化アルミニウム粉末単体を用いた溶射膜よりも熱伝導特性に優れており、パワーモジュールに適用する際、絶縁層の熱抵抗が低下し、パワーモジュールの放熱性を向上できる。

セラミックス溶射膜中においては窒化アルミニウムは粒子状であるが、α−酸化アルミニウム粒子は溶融した状態で被成膜面に入射するため、単に窒化アルミニウム粒子を堆積させた場合に比べて気孔率を小さくすることができた。さらに、気孔率を１０％以下とすることで、好適な熱伝導率が得られた。また、α−酸化アルミニウムは温度上昇によりγ−酸化アルミニウムに変化するため、α−酸化アルミニウム粒子の混合比を大きくするとα−酸化アルミニウムがγ−酸化アルミニウムに変化して、窒化アルミニウムとα−酸化アルミニウムとを合わせた体積割合が減少することが分かった。そして、その体積割合が３０％以上のときに好適な熱伝導率が得られた。

すなわち、窒化アルミニウム粒子およびα−酸化アルミニウム粒子の混合物を溶射して形成されるセラミックス溶射膜の気孔率を１０％以上とし、かつ、窒化アルミニウムの体積割合とα−酸化アルミニウムの体積割合の合計を３０％以上とすることで、高熱伝導率を有するセラミックス溶射膜を得ることができる。さらに、それをパワーモジュールの絶縁層に用いることで、パワーモジュールの放熱性能の向上を図ることができる。また、パワーモジュールに適用した際に、隣接する導体板と連続的に施工することができ、製造工数の削減および製造コスト低減を図ることができる。

すなわち、窒化アルミニウムの体積割合とα−酸化アルミニウムの体積割合の合計が３０％以上であって、かつ、断面気孔率が１０％以下であるセラミックス溶射膜が形成されるように溶射条件を調整して、放熱面と対向する金属ベースの表面または放熱面に、窒化アルミニウム粒子およびα−酸化アルミニウム粒子の混合物を溶射する。そして、その溶射条件としては、窒化アルミニウム粒子およびα−酸化アルミニウム粒子の混合物におけるα−酸化アルミニウム粒子の混合比率と、溶射時における混合物の加熱温度とがあげられる。上述した例では、混合比率は４０〜６２mass％に設定される。また、加熱温度は２０００〜２２００℃であって、図２２に示した飛行粒子の温度が２０００〜２２００℃となるように加熱源（溶射ガン４００，電源装置４０１）の溶射施工条件を調整する。

さらにまた、図１５に示すように、セラミックス溶射膜３３３Ａの厚さを８０μｍ以上２００μｍ以下とすることで、絶縁性能と伝熱性能とを両立させることができる。

−第２の実施の形態−
上述した第１の実施の形態では、絶縁層３３３の構成は、セラミックス溶射膜３３３Ａの上に樹脂層３３３Ｂを積層する構造とした。この場合、セラミックス溶射膜３３３Ａの表面付近の気孔３３３０内には樹脂が入り込むが、全体的には、セラミックス溶射膜３３３Ａ単体の伝熱性能と樹脂層３３３Ｂの伝熱性能とによって絶縁層３３３の伝熱性能が決まる。

ところで、溶射膜内の気孔３３３０は、セラミックス溶射膜３３３Ａの伝熱性能の低下を招く。セラミックス溶射膜３３３Ａ内の気孔３３３０は、図１４に示したように、できる限り小さくしても４％程度残っており、気孔３３３０の伝熱性能への影響は無視できない。また、気孔３３３０によって溶射膜３３３Ａ内に三次元的な貫通孔が形成されるため、そのままでは温度昇降に伴う熱応力での割れ感受性が高いという問題がある。

そこで、第２の実施の形態では、セラミックス溶射膜３３３Ａの気孔３３３０内に樹脂を含浸させるようにした。図１６は、セラミックス溶射膜３３３Ａを樹脂含浸した場合の絶縁性能を示す図である。黒色三角形は含浸した場合のデータを示し、白色三角形は含浸していない場合のデータを示している。縦軸は、膜厚が１００μｍで、かつ、含浸をしていないセラミックス溶射膜３３３Ａの絶縁破壊電圧を１としたときの規格化絶縁破壊電圧である。

なお、この場合も、図１４の場合と同様に、基材として厚さ２ｍｍの１５０ｍｍ角のＡｌ板に対して酸化アルミニウムを用いてサンドブラスト処理し、その後、窒化アルミニウムと酸化アルミニウム粒子の混合粉末を出力４０ｋＷにてプラズマ溶射した。このときの溶射膜の断面気孔率は４％であった。そして、作製したセラミックス溶射膜３３３Ａに対して、エポキシ系樹脂を含浸すると、断面気孔率は１．０％以下にまで低下した。その結果、セラミックス溶射膜３３３Ａの絶縁破壊電圧は、含浸をしない場合に比べて大きくなった。例えば、膜厚１００μｍの場合には、含浸すると絶縁破壊電圧が３倍程度まで大きくなる。

このように、樹脂を含浸することによって断面気孔率が低下するため、セラミックス溶射膜３３３Ａの絶縁破壊電圧が向上する。そのため、パワーモジュールに適用する際に、絶縁層３３３の厚さをより薄くでき、その結果、熱抵抗が低下し、パワーモジュールの放熱性を向上させることができる。

図１７，１８は、セラミックス溶射膜３３３Ａに樹脂を含浸させる方法を例示したものである。図１７は第１の例を説明する図である。図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、図１１（ａ）および図１１（ｂ）で示した樹脂層３３３Ｂの形成手順に関して、図９（ａ）の符号Ｆで示す部分について示したものである。また、図１７（ｃ）は樹脂含浸後を示したものである。

セラミックス溶射膜３３３Ａの形成領域は樹脂層３３３Ｂの形成領域よりも大きく設定されており、符号Ｆで示した絶縁層３３３の縁部分においては、セラミックス溶射膜３３３Ａが露出している。そして、この露出領域Ｙから樹脂３３３Ｃを含浸する。含浸に用いる樹脂３３３Ｃには、例えば、樹脂層３３３Ｂを構成する樹脂成分と同じ樹脂が用いられる。なお、減圧状態にして含浸作業を行うことにより、気孔３３３０内の残留ガスが含浸用樹脂３３３Ｃ内に巻き込まれてボイドが発生したり、未充填領域が発生したりするのを防止することができる。また、ディスペンサーなどを用いて、樹脂３３３Ｃを露出領域Ｙから注入するようにしても良い。

図１８は、第２の例を説明する図である。先ず、図１８（ａ）に示すように、放熱部３０７Ａ上にセラミックス溶射膜３３３Ａを形成し、セラミックス溶射膜３３３Ａの上に樹脂層３３３Ｂを形成するための樹脂シート３３３４を配置する。樹脂シート３３３４は樹脂３３３Ｃにフィラーを混入させたものであり、樹脂シート３３３４の量は、形成される樹脂層３３３Ｂの量よりも多く設定される。

次いで、図１８（ｂ）に示すように、放熱部３０７Ａを一次封止体３０２方向に加圧し、樹脂シート３３３４を一次封止体３０２に圧着して樹脂層３３３Ｂを形成する。この圧着の際に、樹脂シート３３３４は樹脂層３３３Ｂの厚さまで加圧されるため、樹脂シート３３３４の樹脂成分（樹脂３３３Ｃ）はセラミックス溶射膜３３３Ａの気孔３３３０に含浸されるとともに、セラミックス溶射膜３３３Ａの周囲に溢れ出る。

この場合、樹脂シート３３３４の樹脂成分がセラミックス溶射膜３３３Ａ内の気孔３３３０に含浸されるとともに、図１８（ｂ）に示すように樹脂成分が周囲に流れ出るので、樹脂層３３３Ｂのフィラー混入率は樹脂シート３３３４のフィラー混入率よりも大きくなる。

なお、上述した第１および第２の実施の形態では、ＣＡＮ型のモジュールケース３０４内に一次封止体３０２を挿入して樹脂封止したパワーモジュールについて説明したが、本発明は、図１９，２０に示すように片面冷却パワーモジュールにも同様に適用することができる。図１９は片面冷却パワーモジュール３００の平面図であり、パワーモジュール３００の封止樹脂３４８内に封止されている半導体チップと導体板の配置を示したものである。

図１９に示す配置では、導体板３１８、３２０が同電位となり一枚の導体板で形成できる（以下、導体板３１８と称す）。ＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５６，１６６の表面主電極は、複数の金属ワイヤあるいは金属リボンにより接続され、さらに導体板３１８，３１９に接続される。ワイヤやリボンの材質は、Ａｌ，Ａｌ合金、Ｃｕ，Ｃｕ合金の単体および複合材である。ＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６の裏面電極は、金属接合材１６０により導体板３１５に金属接合される。導体板３１５，３１８と放熱部３０７は、絶縁層３３３を介して接合される。ＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６の裏面電極は、金属接合材１６０により導体板３１８に金属接合される。導体板３１５，３１８，３１９と放熱部３０７は、絶縁層３３３を介して接合される。

図２０（ａ）は、図１９の破線で示した部分の断面図である。半導体チップから発熱した熱が導体板３１５、絶縁層３３３、放熱部３０７を通り効率良く外部に放熱される。ここでは、放熱部３０７側にセラミックス溶射膜３３３Ａを設け、導体板３１５，３１８，３１９側を樹脂層３３３Ｂで接合した例を示したが、導体板３１５，３１８，３１９側に溶射膜３３３Ａを設け、放熱部３０７に樹脂層３３３Ｂを設けても良い。

図２０（ｂ）に示すように、高熱伝導なフィラーを分散した樹脂層３３３Ｂは、絶縁層３３３と当接する導体板３１５，３１８，３１９の底面積よりも大きく、セラミックス溶射膜３３３Ａの面積よりも小さい面積とし、放熱部３０７に仮付けする。その後、樹脂層３３３Ｂが仮付けされていないセラミックス溶射膜３３３Ａの余白部を利用して樹脂を含浸する。なお、積層体の周方向端部に樹脂３３３Ｃの部分が形成されるように樹脂の含浸を行う。含浸後、図２０（ｂ）の矢印で示すように圧着して一体化する。

図２１は、一次封止体３０２を一対の放熱部３０７Ｄで挟持する構成のパワーモジュール３００を示す図である。このような構成のパワーモジュールにも上述した構造の絶縁層３３３を適用することができる。放熱部３０７Ｄ内には冷媒流路３０７０が形成されていて、ここを冷媒が流れる。放熱部３０７Ｄの片面に樹脂が含浸されたセラミックス溶射膜３３３Ａが形成され、そのセラミックス溶射膜３３３Ａに積層するように樹脂層３３３Ｂが形成されている。積層体の周方向端部には樹脂部３３３Ｃが設けられている。なお、セラミックス溶射膜３３３Ａを一次封止体３０２側に形成するようにしても良い。

このように、第２の実施の形態では、上述した第１の実施の形態における作用効果に加えて、セラミックス溶射膜３３３Ａの気孔３３３０に樹脂を含浸することで、絶縁層３３３の熱伝導率をさらに向上させることができる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１５６，１６６：ダイオード、３００：パワーモジュール、３０２：一次封止体、３０４：モジュールケース、３０７Ａ，３０７Ｂ：放熱部、３１５，３１８，３１９，３２０：導体板、３２８，３３０：ＩＧＢＴ、３３３：絶縁層、３３３Ａ：セラミックス溶射膜、３３３Ｂ：樹脂層、３４８：封止樹脂、３３３０：気孔、３３３１：酸化アルミニウム扁平体、３３３２：窒化アルミニウム粒子、４００：プラズマ溶射ガン、４０１：電源装置

Claims (10)

1. 半導体チップと、
   表裏面の一方の面に前記半導体チップが電気的に接続され、他方の面に放熱面が形成された導体板と、
   前記放熱面が露出するように前記導体板および前記半導体チップを封止する封止樹脂と、
   絶縁層を介して前記導体板の放熱面に熱的に接触している金属ベースと、を備え、
   前記絶縁層は、前記放熱面と対向する前記金属ベースの表面または前記放熱面に、窒化アルミニウム粒子およびα−酸化アルミニウム粒子の混合物を溶射して形成されたセラミックス溶射膜を有し、
   前記セラミックス溶射膜は、窒化アルミニウムの体積割合とα−酸化アルミニウムの体積割合の合計が３０％以上であって、かつ、断面気孔率が１０％以下であるパワー半導体モジュール。
2. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
   前記セラミックス溶射膜の気孔に樹脂が含浸されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
3. 請求項２に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
   前記セラミックス溶射膜の厚さが８０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
   前記セラミックス溶射膜は、窒化アルミニウム粒子と、α−酸化アルミニウム粒子と、γ−酸化アルミニウムよりも熱伝導率の高いセラミックス粒子との混合物を溶射して形成されることを特徴とするパワー半導体モジュール。
5. 請求項４に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
   前記セラミックス粒子は、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粒子、酸化ジルコニア（Ｚｒ２Ｏ３）粒子、炭化ケイ素（ＳｉＣ）粒子、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粒子の少なくとも１種類を含むことを特徴とするパワー半導体モジュール。
6. 請求項１または２に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
   前記セラミックス溶射膜のＸ線回折ピーク強度は、
   窒化アルミニウムの（１００）面のピーク強度、α−酸化アルミニウムの（１１３）面のピーク強度およびγ−酸化アルミニウムの（４００）面のピーク強度の合計値に対する、窒化アルミニウムの（１００）面のピーク強度およびα−酸化アルミニウムの（１１３）面のピーク強度の合計値の比率が３０％以上であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
7. 半導体チップと、表裏面の一方の面に前記半導体チップが電気的に接続され、他方の面に放熱面が形成された導体板と、前記放熱面が露出するように前記導体板および前記半導体チップを封止する封止樹脂と、セラミックス溶射膜を有する絶縁層を介して前記放熱面に熱的に接触している金属ベースと、を備えるパワー半導体モジュールの製造方法であって、
   窒化アルミニウムの体積割合とα−酸化アルミニウムの体積割合の合計が３０％以上であって、かつ、断面気孔率が１０％以下であるセラミックス溶射膜が形成されるように溶射条件を調整して、前記放熱面と対向する前記金属ベースの表面または前記放熱面に、窒化アルミニウム粒子およびα−酸化アルミニウム粒子の混合物を溶射する第１の工程と、
   前記セラミックス溶射膜内に形成された気孔に樹脂を含浸する第２の工程と、を有するパワー半導体モジュールの製造方法。
8. 請求項７に記載のパワー半導体モジュールの製造方法において、
   前記溶射条件には、窒化アルミニウム粒子およびα−酸化アルミニウム粒子の混合物におけるα−酸化アルミニウム粒子の混合比率と、溶射時における前記混合物の加熱温度とが含まれることを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
9. 請求項８に記載のパワー半導体モジュールの製造方法において、
   前記混合比率を４０〜６２mass％に設定するとともに、前記加熱温度を２０００〜２２００℃に設定し、溶射される前記混合物の温度が前記加熱温度となるように加熱源の溶射施工条件を調整することを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
10. 請求項７乃至９のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールの製造方法において、
    前記第１の工程と前記第２の工程との間に、前記セラミックス溶射膜の表面を研磨または研削により平坦化する工程をさらに設け、
    前記第２の工程では、前記平坦化された表面から前記樹脂を含浸することを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。

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