JP2014203978A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、絶縁シートへの水分の浸入を抑制して、信頼性を向上させたパワーモジュールの提供を目的とする。
【解決手段】本発明に係るパワーモジュール１００は、放熱板４と、放熱板４の表面に貼り付けられた絶縁シート３と、絶縁シート３の上に金属パターン２を介して配置された半導体素子１と、半導体素子１を囲むケース６と、を備え、ケース６の底面としての放熱板４は、ケース６に隙間無く固定されており、ケース６内部に充填された封止樹脂５をさらに備え、ケース６の内壁には、絶縁シート３と平面視で重なる突出部６ａが設けられ、突出部６ａの下面６ｂと絶縁シート３の表面との間に第１の隙間１０が形成され、第１の隙間１０には封止樹脂５が充填されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はパワーモジュールに関し、特に樹脂封止されたパワーモジュールに関する。

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環境で使用される。このような厳しい環境でパワーモジュールの内部が吸湿すると、絶縁特性が劣化してしまい、動作電圧でも破壊に至ってしまう恐れがある。

パワーモジュールの長期信頼性を確保するために、使用状況に応じ、有効な防湿対策を講じなければならない。特に、有機系の絶縁シートを使用する場合には、シート自身の耐湿性を向上させると共に、パワーモジュールの構造においても工夫が求められる。

絶縁シートは、金属製の放熱板と半導体素子の間に配置される。絶縁シートは、半導体素子と放熱板とを絶縁する役割と共に、半導体素子からの発熱を効率よく放熱板に伝達する役割を持つため、絶縁性と熱伝導性が共に高いものが望ましい。

例えば、特許文献１では、絶縁シートの材料として、基材の初期厚さに対して８０％以下の厚さに加圧成形したものを用いることにより、絶縁性および熱伝導性を向上させている。

特開２００４−８７７３５号公報

従来のパワーモジュールは、吸湿による絶縁シートの絶縁性の低下に対する対策が不十分であった。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、絶縁シートへの水分の浸入を抑制して、信頼性を向上させたパワーモジュールの提供を目的とする。

本発明に係るパワーモジュールは、放熱板と、放熱板の表面に貼り付けられた絶縁シートと、絶縁シートの上に金属パターンを介して配置された半導体素子と、半導体素子を囲むケースと、を備え、ケースの底面としての放熱板は、ケースに隙間無く固定されており、ケース内部に充填された封止樹脂をさらに備え、ケースの内壁には、絶縁シートと平面視で重なる突出部が設けられ、突出部の下面と絶縁シートの表面との間に第１の隙間が形成され、第１の隙間には封止樹脂が充填されることを特徴とする。

本発明におけるパワーモジュールにおいては、第１の隙間を設け、そこに封止樹脂が充填される。第１の隙間に封止樹脂が充填されることで、絶縁シート表面は封止樹脂で覆われるため、金属パターン端部の下の絶縁シートに水分が浸入することを抑制することが可能である。よって、有機系材料からなる絶縁シートの吸湿による劣化に起因する絶縁性能の低下を防止することができ、これより長期信頼性を向上させることができる。

実施の形態１に係るパワーモジュールの断面図である。 実施の形態２に係るパワーモジュールの断面図である。 実施の形態３に係るパワーモジュールの断面図である。 前提技術に係るパワーモジュールの断面図である。

＜前提技術＞
本発明を実施するための形態を説明する前に、本発明の前提技術について説明する。前提技術に係るパワーモジュール４００の断面図を図４（ａ）に示す。

放熱板４の表面には、絶縁シート３が貼り付けられている。絶縁シート３上には、金属パターン２を介して半導体素子１が配置されている。金属パターン２は半導体素子１の配線を行うためのパターンであり、その材料は例えば銅である。放熱板４は半導体素子１において発生した熱を発散する。絶縁シート３は、金属パターン２と放熱板４とを絶縁するために設けられる。

パワーモジュール４００の筐体として半導体素子１を囲むケース６と、放熱板４表面の絶縁シート３とは、接着層７により接着されている。より詳しくは、ケース６の内壁には、絶縁シート３と平面視で重なる突出部６ａが設けられており、突出部６ａの下面６ｂと、絶縁シート３とは、接着層７により接着されている。接着層７に用いられる接着剤は、例えばシリコーン系樹脂接着剤である。

また、ケース６には、外部接続端子１６が埋め込まれており、半導体素子１と外部接続端子１６とは、ワイヤ１５で接続されている。ケース６内部には、封止樹脂５が充填されている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）中の破線部分を拡大した図である。距離Ｌａは、金属パターン２端面からケース６内壁までの距離である。距離Ｌｂは、金属パターン２端面から接着層７の端までの距離である。

半導体装置４００を高温高湿の環境下で使用する場合、金属パターン２端部直下の絶縁シート３に水分が浸入すると、通常の使用範囲であっても、絶縁シート３が破壊する恐れがある。

金属パターン２端部直下の絶縁シート３に水分が浸入する経路は２つある。第１の経路は、封止樹脂５表面からの経路である。第２の経路は、半導体装置４００の底面における放熱板４とケース６の界面、接着層７、封止樹脂５と絶縁シート３の界面を通る経路である。第１の経路よりも第２の経路の距離がより短いため、第２の経路からの水分の浸入が特に問題となる。

第２の経路について説明する。ケース６と金属放熱板４とは、密着していても空隙があるので、水分が浸入しやすい。絶縁シート３とケース６とのを接続する接着層７については、シリコーン系樹脂接着剤を使用するのが一般的である。しかし、シリコーン系樹脂接着材は通常透湿性を持つので、水分を通しやすい。実際のパワーモジュールでは寸法上の制限があるため、ケース６と放熱板４との界面から、金属パターン２端面までの距離を十分長く設計することができない。

従って、パワーモジュール４００は、高温高湿状態で接着層７を経由して絶縁シート３に水分が浸入しやすいため、吸湿による絶縁シート３の絶縁性能が低下することによりパワーモジュール４００の故障につながる恐れがあった。

＜実施の形態１＞
＜構成＞
図１に、本実施の形態におけるパワーモジュール１００の構成を示す。前提技術として図４（ａ），（ｂ）に示したパワーモジュール４００と比較しながら、本実施の形態におけるパワーモジュール１００の特徴を説明する。

本実施の形態では、前提技術と異なり、ケース６と放熱板４とを接着層７（図４）によらず固定する。本実施の形態では、放熱板４の側面に突起４ａが形成されている。また、ケース６の内壁には、この突起と嵌合する溝６ｃが形成されている。この突起４ａと溝６ｃとが嵌合することにより、放熱板４はケース６に隙間無く固定される。

また、本実施の形態では、ケース６の内壁に設けられた、絶縁シート３と平面視で重なる突出部６ａの下面６ｂは、絶縁シート３に接しておらず、突出部６ａの下面６ｂと絶縁シート３との間には第１の隙間１０が形成されている。第１の隙間１０には封止樹脂５が充填されている。また、突出部６ａの下面６ｂは、絶縁シート３表面に対して傾斜している。その他の構成は前提技術（図４）と同じであるため、説明を省略する。

一般に、パワーモジュールの動作時、金属パターン２と放熱板４との間に高電圧が印加される。よって、絶縁シート３の絶縁性を常に確保することが重要である。しかし、有機系材の絶縁シート３は水分を吸湿しやすいため、高温高湿状態での吸湿による絶縁性の低下が問題である。特に、水分が金属パターン２の端部下の絶縁シート３まで到達すると、絶縁シート３の絶縁性が急激に低下し、場合によっては破壊してしまうこともある。

前提技術（図４）では、前述の通り、接着層７として透湿性のあるシリコーン系樹脂接着材を使用する。つまり、前述した第２の経路において、接着層７の端部までは容易に水分が到達する。よって、放熱板４とケース６との界面部から半導体素子１の配線を行う金属パターン２までの実質的な界面の長さは、距離Ｌａとなる。

実際に製造されるパワーモジュール４００では、水分の浸入経路の長さは、この距離Ｌａよりも短くなるのが常である。図４（ｂ）に示した部分拡大図に示すように、製造の際、封止樹脂５側に向かって接着層７がはみ出すように接着を行う。これは、接着層７がはみ出さない状態では、封止樹脂５と、ケース６と、接着層７との間にボイドや隙間が発生する可能性があり、この領域で部分放電が起こる恐れがあるためである。よって、前提技術においては、実質的な界面の長さは、距離Ｌａより短い距離Ｌｂとなってしまう。

一方、本発実施の形態では、図１に示すように、突出部６ａの下面６ｂと絶縁シート３との間には、第１の隙間１０が形成され、第１の隙間１０には封止樹脂５が充填されている。つまり、突出部６ａの下面６ｂと絶縁シート３との間に接着層７（図４）が存在しない。よって、放熱板４とケース６との界面部から、半導体素子１の配線を行う金属パターン２までの実質的な界面距離は、絶縁シート３と封止樹脂５とが接触する界面の距離Ｌｃである。

この界面の距離Ｌｃは、パワーモジュール１００が高温高湿状態で使用される場合の水分の浸入経路の実質的な長さである。前提技術におけるパワーモジュール４００と、本実施の形態におけるパワーモジュール１００の外観寸法を同じとした場合、距離Ｌｃは、距離Ｌｂよりも遥かに長くとることができる。

本実施の形態におけるパワーモジュール１００では、前提技術としてのパワーモジュール４００おける接着層７の使用を不要とする共に、絶縁シート３表面を封止樹脂５で覆う。これにより、金属パターン２端部の下の絶縁シート３への水分の浸入経路の距離を、半導体装置の外観寸法を増加させないまま、より長くとることができる。

次に、放熱板４とケース６との勘合部分について説明する。図１に示す通り放熱板４の側面には、断面がＶ字状の突起４ａが設けられている。また、ケース６の内壁には、断面がＶ字状の溝６ｃが設けられている。この突起４ａと溝６ｃとが嵌合することにより、放熱板４がケース６に隙間無く固定され、封止樹脂５を充填する際に、封止樹脂５の漏洩を防ぐことができる。なお、放熱板４に突起４ａの代わりに断面がＶ字状の溝を設け、ケース６内壁に溝６ｃの代わりに断面がＶ字状の突起を設けても同様の効果を得ることが可能である。また、嵌合部分の突起４ａおよび溝６ｃの断面形状をＶ字状ではなく、例えば円状としてもよい。

放熱板４としては、パワーモジュール１００に使用可能なものであればよく、例えば、銅及びその複合材、アルミニウム及びその複合材等を使用することができる。絶縁シート３としては、パワーモジュール１００に使用可能なものであればよく、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂中に高熱伝導性無機充填剤（例えば、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等）が分散された絶縁性樹脂シートを使用することができる。金属パターン２としては、パワーモジュールに使用可能なものであればよく、例えば、金、銅、アルミニウム等からなる。半導体素子１としては、パワーモジュール１００に使用可能なものであればよく、例えば、ＧＴＯサイリスタ、ＩＧＢＴ、ダイオード等を使用することができる。ケース６としては、パワーモジュール１００に使用可能なものであればよく、例えば、熱可塑性樹脂からなるものを使用することができる。封止樹脂５としては、パワーモジュール１００に使用可能なものであればよく、例えば、エポキシ樹脂等を使用することができる。封止樹脂５は、絶縁シート３およびケース６との密着性がよく、吸湿率の低いものが望ましい。

また、硬化前の粘性が低い封止樹脂５を使用する場合、放熱板４とケース６との勘合機構のみでは封止樹脂の漏洩を完全に防止するできないことがある。この場合、放熱板４とケース６との嵌合部分に樹脂接着材を塗布してもよい。また、放熱板４とケース６との勘合部分にオーリングを挿入してもよい。

＜耐久性の比較実験＞
本実施の形態におけるパワーモジュール１００（図１）の耐久性能を調べるために、前提技術としてのパワーモジュール４００（図４）との耐久性の比較実験を行った。

まず、パワーモジュール１００の詳細について説明する。放熱板４として、側面にＶ字突起を設けた１００ｍｍ×４５ｍｍ×３ｍｍ（厚さ）の銅板を用いた。この放熱板４の上に、エポキシ樹脂中に高熱伝導性無機充填剤を分散させた半硬化状態の絶縁シート３を設置した。この絶縁シート３の上に、パターン形状に予め成形した厚さ１ｍｍの銅製の金属パターン２を設置した。

その後、高温でプレス加圧することによって絶縁シート３を硬化させると共に、これらを一体化させた。次に、絶縁シート３上に配置された金属パターン２上に半導体素子１としてパワー半導体素子を実装した。そして、放熱板４を、Ｖ字凹みを設けたポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂製のケース６に隙間なく固定した。その後、ケース６内に封止樹脂５を充填し、１５０℃で２時間かけて硬化を行い、図１に示すパワーモジュール１００を作製した。封止樹脂５の高さは１０ｍｍである。距離Ｌｃは７ｍｍである。なお、３つのパワーモジュール１００を作成した。

次に、パワーモジュール４００の詳細について説明する。放熱板４として、１００ｍｍ×４５ｍｍ×３ｍｍ（厚さ）の銅板を用いた。この放熱板４の上に、エポキシ樹脂中に高熱伝導性無機充填剤を分散させた半硬化状態の絶縁シート３を設置した。この絶縁シート３の上に、パターン形状に予め成形した厚さ１ｍｍの銅製の金属パターン２を設置した。

その後、高温でプレス加圧することによって絶縁シート３を硬化させると共に、これらを一体化させた。次に、絶縁シート３上に配置された金属パターン２上に半導体素子１としてパワー半導体素子を実装した。次に、放熱板４上に配置された絶縁シート３を、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂製のケース６と接着して接着層７が形成される。接着にはシリコーン接着樹脂を用いる。１５０℃で５分間加熱処理を行い、シリコーン接着樹脂を硬化させた。その後、ケース６内に封止樹脂５を充填し、１５０℃で２時間かけて硬化を行い、図４に示すパワーモジュール４００を作製した。封止樹脂５の高さは８ｍｍである。距離Ｌａは２ｍｍ、距離Ｌｂは約１ｍｍである。なお、３つのパワーモジュール４００を作成した。

作製した３つのパワーモジュール１００と３つのパワーモジュール４００に対して高温高湿バイアス試験を行った。試験は、８５℃、８５％ＲＨの条件下で、絶縁シート３に１０００Ｖの直流電圧を印加して実施した。破壊までの時間は寿命とする。前提技術における３つのパワーモジュール４００の破壊までの時間は、それぞれ５００時間、６００時間、９００時間であった。本実施の形態における３つのパワーモジュール１００の破壊までの時間は、それぞれ２３００時間、２６００時間、２４００時間であった。よって、本実施の形態のパワーモジュール１００の方がより寿命が長いことが確認された。

＜効果＞
本実施の形態におけるパワーモジュール１００は、放熱板４と、放熱板４の表面に貼り付けられた絶縁シート３と、絶縁シート３の上に金属パターン２を介して配置された半導体素子１と、半導体素子１を囲むケース６と、を備え、ケース６の底面としての放熱板４は、ケース６に隙間無く固定されており、ケース６内部に充填された封止樹脂５をさらに備え、ケース６の内壁には、絶縁シート３と平面視で重なる突出部６ａが設けられ、突出部６ａの下面６ｂと絶縁シート３の表面との間に第１の隙間１０が形成され、第１の隙間１０には封止樹脂５が充填されることを特徴とする。

従って、本実施の形態におけるパワーモジュール１００においては、第１の隙間１０を設け、そこに封止樹脂５が充填される。よって、透湿性を有する接着層７（図４）の代わりに封止樹脂５が充填されることにより、絶縁シート３表面が封止樹脂５で覆われるため、金属パターン２端部の下の絶縁シート３への水分の浸入を抑制することが可能である。よって、有機系材料からなる絶縁シート３の吸湿による劣化に起因する絶縁性能の低下を防止することができ、これより長期信頼性を向上させることができる。

また、本実施の形態におけるパワーモジュール１００において、ケース６の内壁と放熱板４の側面とが嵌合して、ケース６は放熱板４に隙間なく固定されることを特徴とする。

従って、ケース６と放熱板４とを嵌合させて固定することにより、放熱板４にケース６を固定するための接着層７（図４）が不要となる。接着層７が不要となることにより、絶縁シート３の表面を封止樹脂５で覆うことが可能となる。よって、接着層７の変わりに封止樹脂５で絶縁シート３の表面を覆うことにより、絶縁シート３の吸湿による劣化に起因する絶縁性能の低下を防止することができる。

また、本実施の形態におけるパワーモジュール１００において、突出部６ａの下面６ｂは、絶縁シート３表面に対して傾斜していることを特徴とする。

従って、突出部６ａの下面６ｂを絶縁シート３表面に対して傾斜させ、封止樹脂５を隙間１０の奥まで充填することにより、有機系材料からなる絶縁シート３の吸湿による劣化に起因する絶縁性能の低下を防止することができる。よって、長期信頼性を向上させることができる。

＜実施の形態２＞
図２に、本実施の形態におけるパワーモジュール２００の構成を示す。実施の形態１（図１）との違いは、ケース６の内壁から突出する突出部６ａの下面６ｂの構成である。本実施の形態において、突出部６ａの下面６ｂは、絶縁シート３と平行である。その他の構成は前提技術（図４）と同じであるため、説明を省略する。本実施の形態の構成においても、実施の形態１で述べた効果と同様の効果を得ることが可能である。

＜効果＞
本実施の形態におけるパワーモジュール２００において、突出部６ａの下面６ｂと絶縁シート３表面とが平行であることを特徴とする。従って、封止樹脂５を隙間１０の奥まで充填することにより、有機系材料からなる絶縁シート３の吸湿による劣化に起因する絶縁性能の低下を防止することができる。よって、長期信頼性を向上させることができる。

＜実施の形態３＞
図３に、本実施の形態におけるパワーモジュール３００の構成を示す。本実施の形態におけるパワーモジュール３００は、実施の形態１（図１）におけるパワーモジュール１００と比較して、第２の隙間１１をさらに備える。また、ケース６と放熱板４との嵌合部分の構成が異なる。その他の構成は実施の形態１（図１）と同じであるため、説明を省略する。

パワーモジュール３００において、ケース６の内壁と放熱板４との間には、突出部６ａの下面６ｂの付け根から放熱板４を鉛直方向に削る方向に第２の隙間１１が形成されている。図３に示すように、第１の隙間１０と第２の隙間１１は繋がっており、第２の隙間１１には、第１の隙間１０と同様、封止樹脂５が充填されている。

次に、放熱板４とケース６との嵌合部分について説明する。第２の隙間１１の外側に隣接して、放熱板４には凸部４ｂが設けられている。また、ケース６には凸部４ｂと嵌合する位置に凹部６ｄが設けられている。放熱板４の凸部４ｂとケース６の凹部６ｄとが嵌合することによって、ケース６は放熱板４に隙間なく固定される。

なお、放熱板４には凸部４ｂに代えて凹部を設け、ケース６には凹部６ｄに代えて凸部を設けても、同様に、ケース６を放熱板４に固定することが可能である。

図３に示すように、パワーモジュール３００における水分の浸入経路の距離は、距離Ｌｃ，Ｌｄ，Ｌｅの和で表される。距離Ｌｃについては、実施の形態１で説明した通りである。距離Ｌｄは、第２の隙間１１の放熱板４鉛直方向の深さである。距離Ｌｅは、第２の隙間１１の幅である。つまり、パワーモジュール３００においては、水分の浸入経路の距離が、距離Ｌｄと距離Ｌｅの和だけパワーモジュール１００，２００よりも長い。

＜効果＞
本実施の形態におけるパワーモジュール３００において、ケース６の内壁と放熱板４との間には、突出部６ａの下面６ｂの付け根から放熱板４を鉛直方向に削る第２の隙間１１が形成され、第１の隙間１０と第２の隙間１１は繋がっており、第２の隙間１１には封止樹脂５が充填されることを特徴とする。

従って、封止樹脂５が充填される第２の隙間１１を設けたことにより、水分が金属パターン２端部の下の絶縁シート３に到達するまでの経路を、より長くとることが可能である。よって、有機系材料からなる絶縁シート３の吸湿による劣化に起因する絶縁性能の低下をより確実に防止することができ、これより長期信頼性をより向上させることができる。

また、本実施の形態におけるパワーモジュール３００において、第２の隙間１１の外側に隣接して、放熱板４に凹部もしくは凸部４ｂが設けられ、ケース６と凹部または凸部４ｂとが嵌合して、ケース６は放熱板４に隙間なく固定されることを特徴とする。

従って、第２の隙間１１の外側で放熱板４とケース６とを嵌合させる構成とすることで、第２の隙間１１を設けることが可能となる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 半導体素子、２ 金属パターン、３ 絶縁シート、４ 放熱板、４ａ 突起、４ｂ 凸部、５ 封止樹脂、６ ケース、６ａ 突出部、６ｂ 下面、６ｃ 溝、６ｄ 凹部、７ 接着層、１０ 第１の隙間、１１ 第２の隙間、１５ ワイヤ、１６ 外部接続端子、Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，Ｌｅ 距離。

Claims (6)

1. 放熱板と、
   前記放熱板の表面に貼り付けられた絶縁シートと、
   前記絶縁シートの上に金属パターンを介して配置された半導体素子と、
   前記半導体素子を囲むケースと、
   を備え、
   前記ケースの底面としての前記放熱板は、前記ケースに隙間無く固定されており、
   前記ケース内部に充填された封止樹脂をさらに備え、
   前記ケースの内壁には、前記絶縁シートと平面視で重なる突出部が設けられ、
   前記突出部の下面と前記絶縁シートの表面との間に第１の隙間が形成され、
   前記第１の隙間には前記封止樹脂が充填されることを特徴とする、
   パワーモジュール。
2. 前記ケースの内壁と前記放熱板との間には、前記突出部の下面の付け根から前記放熱板を鉛直方向に削る第２の隙間が形成され、
   前記第１の隙間と前記第２の隙間は繋がっており、
   前記第２の隙間には前記封止樹脂が充填され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。
3. 前記ケースの内壁と前記放熱板の側面とが嵌合して、前記ケースは前記放熱板に隙間なく固定され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。
4. 前記第２の隙間の外側に隣接して、前記放熱板に凹部もしくは凸部が設けられ、
   前記ケースと前記凹部または前記凸部とが嵌合して、前記ケースは前記放熱板に隙間なく固定されることを特徴とする、
   請求項２に記載のパワーモジュール。
5. 前記突出部の下面は、前記絶縁シート表面に対して傾斜していることを特徴とする、
   請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュール。
6. 前記突出部の下面と前記絶縁シート表面とが平行であることを特徴とする、
   請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュール。

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