JP2015220238A - パワー半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温での長期動作や温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、高い耐性を有するパワー半導体モジュール及びその製造方法を提供する。
【解決手段】耐熱ケース１８と、パワー半導体装置１５が実装された絶縁配線基板１１と、絶縁配線基板１１に接して該絶縁配線基板１１にて発生した熱を放熱する放熱器１７と、耐熱ケース１８内に充填される耐熱シリコーンゲル１９を有する。更に、耐熱ケース１８内の側壁近傍に配置され、且つ、耐熱シリコーンゲル１９内部に埋設され、耐熱シリコーンゲル１９の硬化時に、該耐熱シリコーンゲル１９の側壁からの遊離を防止する面内応力緩和体２１を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温や過大な温度変化に対して高い耐久性を有するパワー半導体モジュール及びその製造方法に関する。

Ｓｉパワー半導体装置を用いたインバータやコンバータ等の電力変換器は、装置規模が大きく多くの設置スペースを占有するという問題があり、小型化が望まれている。電力変換器が大型化する原因の一つとして、冷却器が大きいことが挙げられる。冷却器は、Ｓｉパワー半導体装置の動作温度の上昇を抑制するために設けられる。即ち、Ｓｉパワー半導体装置は、許容最大動作温度（Ｔjmax）が１２５℃〜１５０℃程度と低く、環境温度との大きな温度差が得られないので、動作中に許容最大動作温度（Ｔjmax）以下の温度に維持するために冷却器が必要とされる。冷却器は、空冷の場合はヒートシンクやファンを備え、水冷の場合は熱交換器（水冷ジャケット）やラジエター、ファン、水循環ポンプ、フィルタ、ホース等を備えるので、装置規模が大型化する。

ここで、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）等のワイドバンドギャップ半導体材料を用いたパワー半導体装置は、２００℃を超える半導体接合温度（Ｔｊ）であっても安定に動作し、且つ、従来のシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いたパワー半導体装置に比べて、オン抵抗が低く、高速スイッチイングが可能であるという優れた特徴を備えている。

この特徴を利用し、シリコン（Ｓｉ）よりも高い半導体接合温度（Ｔｊ）域でパワー半導体モジュールを駆動させれば、内部のパワー半導体装置と外気温度（或いは、ケース温度）との間に大きな温度差が生じて、パワー半導体装置にて生じる熱を効率よくモジュール外に放熱することが可能になる。即ち、高い半導体接合温度域で駆動可能なワイドバンドギャップ・パワー半導体モジュールを実現できれば、モジュールの放熱に必要な冷却器の小型化が達成され、ひいては電力変換器の小型化が実現できるはずである。

ところが、このような次世代パワー半導体モジュールを完成させるためには、ワイドバンドギャップ・パワー半導体装置を用いるだけでは達成が難しい。つまり、高い半導体接合温度Ｔｊに長時間耐えることができ、且つ、大きな温度変動ΔＴｊ（例えば、ΔＴｊ＝環境温度〜２５０℃）に耐えることができるモジュール構造体の実現が必要となる。従来のＳｉ半導体モジュールとして、例えば、非特許文献１に開示されたものが知られている。

Akira Morozumi et al., Proceedings of The 25th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs (Kanazawa, Japan, 2013), pp. 109-112.

しかしながら、従来におけるパワー半導体モジュールでは、高温動作の積算時間が長くなり、且つ、高温と低温の温度変化の繰り返し回数の積算値が増加すると、パワー半導体装置を覆う耐熱シリコーンゲルが、上層側から徐々に硬質化して収縮し、これに起因して、耐熱シリコーンゲルが耐熱ケースから遊離するという問題が発生する。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、高温での長期動作や温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、高い耐性を有するパワー半導体モジュール及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願発明のパワー半導体モジュールは、耐熱ケースと、パワー半導体装置が実装された絶縁配線基板と、絶縁配線基板に接して、該絶縁配線基板にて発生した熱を放熱する放熱器を有する。更に、耐熱ケース内に充填される耐熱シリコーンゲルと、耐熱ケース内の側壁近傍に配置されて耐熱シリコーンゲルの硬化時に、該シリコーンゲルの側壁からの遊離を防止する面内応力緩和体を備える。

本願発明のパワー半導体モジュールの製造方法は、洗浄した絶縁配線基板を用意し、その後、ダイボンドとワイヤボンドとでパワー半導体装置を実装する。ダイボンドよりも低融点のはんだで絶縁配線基板を放熱器に接合する。放熱器の上面に耐熱ケースを接着し、その後、耐熱ケースの内部の適所に面内応力緩和体を設置する。耐熱ケースの内側に耐熱シリコーンゲルの前駆体を流し込み、これをゲル化させる。

本発明によれば、耐熱ケース内に面内応力緩和体を設置しているので、硬化した耐熱シリコーンゲルが耐熱ケースから離間させられる引張応力を緩和することができ、高温での長期動作や温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、高い耐性を有するパワー半導体モジュールを提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す説明図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係るパワー半導体モジュールを示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールを製造する手順を示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールを製造する手順を示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールと、比較例に係るパワー半導体モジュールの、高温放置後の状態を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係るパワー半導体モジュールを製造する手順を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係るパワー半導体モジュールの、高温放置後の状態を示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係るパワー半導体モジュールの、高温放置後の状態を示す説明図である。 本発明の第４実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す説明図である。 本発明の第４実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す説明図である。 本発明の第４実施形態に係るパワー半導体モジュールの、高温放置後の状態を示す説明図である。 本発明の第５実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す説明図である。 本発明の第５実施形態に係るパワー半導体モジュールの、高温放置後の状態を示す説明図である。 本発明の第６実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す説明図である。 本発明の第６実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す説明図である。 比較例に係るパワー半導体モジュールを示す説明図である。 比較例及び各実施形態に係るパワー半導体モジュールの寿命及び故障モードを示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に示す各実施形態では、理解を促進するために、各図に示す厚み方向の寸法を誇張して記載している。即ち、横方向の寸法と縦方向の寸法の比率は実物と一致していない。また、以下に示す各実施形態では、一つのパワー半導体装置を備えたパワー半導体モジュールを例に挙げて説明するが、本発明は一つに限定されず、複数のパワー半導体装置を設けることも可能である。

［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの構成を示す説明図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ’断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）に示すＢ−Ｂ’断面図である。

図１（ｂ）に示すように、第１実施形態に係るパワー半導体モジュール１０００は、電子部品を実装した絶縁配線基板１１と、複数の側壁に囲まれ絶縁配線基板１１を収納する耐熱ケース１８と、絶縁配線基板１１に接して配置され、該絶縁配線基板１１に生じた熱を放熱する放熱器１７を備えている。

絶縁配線基板１１は、例えば、ＳｉＮ、ＡｌＮ、アルミナ等のセラミック板で形成された絶縁板１２を有し、該絶縁板１２の一主面（表面）に、例えば、ＣｕやＡｌなどの板状パターンからなる表面導体１３Ｓ、１３Ｄが設けられている。更に、他の主面（裏面）には、例えば、ＣｕやＡｌ等の平板状の裏面導体１４が設けられている。

表面導体１３Ｓ、１３Ｄ、及び裏面導体１４は、直接接合法や活性金属接合法等の方法で絶縁板１２に接合されている。また、表面導体１３Ｄの上面には、スイッチやダイオード等の、縦型のパワー半導体装置１５が設けられている。なお、本実施形態では、縦型のパワー半導体装置１５を示しているが、横型のパワー半導体装置としてもよい。パワー半導体装置１５の裏面（ダイオードの場合はカソード、ＦＥＴの場合はドレイン）は、表面導体１３Ｄに耐熱はんだ（図示省略）ではんだ付けされている。

また、パワー半導体装置１５の表面電極（ダイオードの場合はアノード、ＦＥＴの場合はソース）と絶縁配線基板１１の表面導体１３Ｓを接続するボンディングワイヤ１６が設けられている。

放熱器１７は、絶縁配線基板１１と直接的或いは間接的に接しており、Ｃｕ、Ａｌ、ＣｕＭｏ合金、ＡｌＳｉＣ合金、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ積層材等で形成され、フィン付き平板（ヒートシンク）形状を有している。なお、平板、或いは、熱交換器（水冷ジャケット）を用いることもできる。放熱器１７は、高温はんだ（図示省略）により、絶縁配線基板１１に固着されている。

耐熱ケース１８は、図１（ａ）、（ｃ）に示すように、平面視矩形状をなしており、該耐熱ケース１８の内寸は、縦方向の長さが「ａ」、横方向の長さが「ｄ」とされている。また、図１（ｂ）に示すように、板厚が「ｋ」とされている。更に、上側には、幅「ｗ」、深さ「ｑ」のザグリ２０が形成されている。なお、図１（ｂ）では、図１（ａ）に示す断面Ａ−Ａ’の方向にザグリ２０が形成されることが示されているが、断面Ａ−Ａ’と直交する方向についても、耐熱ケース１８にザグリ２０が形成されている。

耐熱ケース１８は、絶縁配線基板１１、パワー半導体装置１５、及びボンディングワイヤ１６の外周を隙間なく囲むように設けられており、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の耐熱硬質樹脂や、アルミナや他の耐熱セラミック等の耐熱素材で成形されている。また、これら以外の耐熱素材で成形することもできる。耐熱ケース１８の板厚ｋとザグリ幅ｗの具体的な長さとして、ｋ＝５ｍｍ、ｗ＝２．５ｍｍとするのが好適である。ザグリ２０の先端は、図１（ｂ）に示されているように、テーパ形状とされている。

図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、耐熱ケース１８の内部の、絶縁配線基板１１の上側となる領域には、面内応力緩和体２１が設けられ、該面内応力緩和体２１は、耐熱ケース１８の内側に形成されたザグリ２０に支持されている。面内応力緩和体２１の詳細については、後述する。更に、耐熱ケース１８の内部には、耐熱シリコーンゲル１９が充填されている。耐熱シリコーンゲル１９は、絶縁配線基板１１の表面、パワー半導体装置１５、及びボンディングワイヤ１６を封止し、沿面放電の発生を防止する役割を果たしている。更に、例えば、湿度、振動、異物との接触等の外部の影響を防止する役割を果たしている。

面内応力緩和体２１は、耐熱シリコーンゲル１９の硬質化によって生じる収縮応力を緩和する目的で設けられる。面内応力緩和体２１は、図１（ｃ）に示すように、耐熱ケース１８の側壁の内面に沿って近接配置された柱体状の応力緩和素片２１ａと、該応力緩和素片２１ａから側壁の壁面に向けて突起する複数の支持素片２１ｂで構成されている。

そして、各支持素片２１ｂの先端が耐熱ケース１８の側壁の内面に接し、更に、ザグリ２０に支持されて耐熱ケース１８内に固定される。隣接する支持素片２１ｂの間の領域が小開口部２２とされている。また、応力緩和素片２１ａの中央には中央開口部２３が形成されている。

面内応力緩和体２１を形成する応力緩和素片２１ａ及び支持素片２１ｂの断面は矩形状を成しており、この断面の寸法、及び小開口部２２の内寸（＝一辺の長さ）は０．３ｍｍ〜５ｍｍの間の値が望ましく、好ましくは２．５ｍｍである。面内応力緩和体２１は、耐熱ケース１８のザグリ２０に嵌め込まれ、テーパが始まる水平位置で自然に停止する仕組みになっている。

面内応力緩和体２１の材質は、前述した耐熱ケース１８と同様に、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の耐熱硬質樹脂や、アルミナや窒化珪素等の耐熱セラミック素材が適しているが、これら以外の耐熱素材を用いてもよい。

［第１実施形態の変形例の説明］
図２は、第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの変形例を示す説明図であり、図２（ａ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ’断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面図である。なお、上面図は図１（ａ）と同様である。

図２に示すパワー半導体モジュール１０００’は、図１に示したパワー半導体モジュール１０００と対比して、面内応力緩和体２１が、耐熱ケース１８と一体成形されている点で相違する。また、図２（ａ）には、耐熱ケース１８の内面にザグリ２０を形成する例について示しているが、ザグリ２０を設けずに、耐熱ケース１８の平板な側壁から面内応力緩和体２１が展開する構造とすることが可能である。また、面内応力緩和体２１の小開口部２２の形状は、図２（ｂ）に示す如くの正方形以外に、円形や多角形（例えば、六角形、八角形等）としてもよい。

［第１実施形態の製造方法の説明］
次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、第１実施形態に示したパワー半導体モジュール１０００の製造方法について説明する。図３Ａ、図３Ｂは、図１（ｂ）に示したＡ−Ａ’断面図に対応している。製造方法は、以下に示すように第１工程〜第５工程からなる。

第１工程では、図３Ａ（ａ）に示すように、表面導体（１３Ｄ、１３Ｓ）、裏面導体１４が形成された絶縁配線基板１１を用意する。絶縁配線基板１１を、アセトン、エタノール等の有機溶剤で十分に洗浄する。なお、絶縁配線基板１１の作成方法は周知であるので記載を省略する。

第２工程では、図３Ａ（ｂ）に示すように、個別の半導体装置からなるパワー半導体装置１５の表裏面をアセトン、エタノール等の有機溶剤で十分に洗浄する。その後、高耐熱はんだ及びリフロー装置を用いて、パワー半導体装置１５の裏面電極を、表面導体１３Ｄの所定の位置にダイボンド及びワイヤボンドする。この際、パワー半導体装置１５の位置決めを正確に行うために、カーボン位置決め治具を使用するのが望ましい。高耐熱はんだとして融点が３５０℃以上のＡｕＧｅ共晶はんだや、ＺｎＡｌ共晶はんだ等を用いることができる。はんだ付けは真空中でのリフローが望ましい。

次いで、ウェッジボンド装置を用いて、パワー半導体装置１５の表面電極と表面導体１３Ｓをボンディングワイヤ１６（太線Ａｌ等）で接続する。

第３工程では、図３Ａ（ｃ）に示すように、再度高耐熱はんだ及びリフロー装置を用いて、パワー半導体装置１５を搭載した絶縁配線基板１１の裏面導体１４を、放熱器１７にはんだ付けする。ここで使用する高耐熱はんだは、ダイボンドで使用した高耐熱はんだより融点または処理温度が２０℃以上低い接合材料（例えば、ＡｕＳｎ共晶はんだ等、低融点のはんだ）を選定する。

第４工程では、図３Ｂ（ｄ）に示すように、放熱器１７に所定の形状に加工した耐熱ケース１８を耐熱接着剤で接着し、耐熱ケース１８のザグリ２０に所定の形状に加工した面内応力緩和体２１を適所に嵌め、テーパの位置まで平行に押し込む。

第５工程では、図３Ｂ（ｅ）に示すように、耐熱ケース１８の内側に耐熱シリコーンゲル１９の前駆体を少なくとも面内応力緩和体２１の高さよりも高い位置まで流し込み、所定の熱処理条件（大抵は熱処理温度と雰囲気、時間が指定されている）でゲル化させる。こうして、図１に示したパワー半導体モジュール１０００が完成する。

［第１実施形態の効果の説明］
次に、第１実施形態に係るパワー半導体モジュール１０００の効果について説明する。ここで、第１実施形態と対比するために、本発明を適用しないパワー半導体モジュール、即ち、比較例に係るパワー半導体モジュールを図１５を参照して説明する。

図１５に示すパワー半導体モジュール９０００は、最新のＳｉパワー半導体モジュール（前述した非特許文献１）を基礎にして、これを耐熱化することを目的として構成したものであり、図１５（ａ）は上面図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）に示すＡ−Ａ’断面図である。そして、図１と同様に、絶縁配線基板１０１と、耐熱ケース１０８、及び放熱器１０７を備えている。絶縁配線基板１０１は、その一主面に表面導体１０３Ｓ、１０３Ｄが設けられ、他の主面に裏面導体１０４が設けられている。表面導体１０３Ｄの上面にはパワー半導体装置１０５が設けられ、該パワー半導体装置１０５は、ボンディングワイヤ１０６により、表面導体１０３Ｓと接続されている。そして、耐熱ケース１０８の内部には、耐熱シリコーンゲル１０９が充填されている。

即ち、図１５に示すパワー半導体モジュール９０００は、図１に示したパワー半導体モジュール１０００と対比して、面内応力緩和体２１、及びこれを支持するためのザグリ２０が設けられていない点で相違する。

以下、図１５に示す比較例に係るパワー半導体モジュール９０００と、図１に示す第１実施形態に係るパワー半導体モジュール１０００を対比して、本実施形態の効果を説明する。なお、構成がほぼ同一である変形例に係るパワー半導体モジュール１０００’（図２参照）の効果についても、第１実施形態と同一であるので、ここでは区別せずに説明する。

図４は、十分長い間高温で放置した後（例えば、２５０℃、５００時間）、或いは非常に高い温度を含む冷熱サイクルを繰り返し実行した後（例えば、−４０℃〜２５０℃、５００サイクル）の、（ａ）比較例のパワー半導体モジュール９０００、及び（ｂ）第１実施形態のパワー半導体モジュール１０００の、耐熱シリコーンゲル（１０９、１９）の変化を示している。なお、図４（ａ）、（ｂ）では、放熱器（１０７、１７）を省略している。

試験前の耐熱シリコーンゲル１０９及び１９は、同一の材料から成っていて、性質に違いはない。図中の１０９Ｈ、１９Ｈは、耐熱シリコーンゲル１０９、１９の上部層に加熱で硬化時に出現した硬質シリコーン樹脂層（変質層）である。これら硬質シリコーン樹脂層１０９Ｈ、１９Ｈは、耐熱シリコーンゲル１０９と１９が高熱状態で熱分解、或いは酸素（または水蒸気）と反応して生成した変質層であり、この状態ではゲルと呼ぶことはできない。

放置時間の経過と共に、硬質シリコーン樹脂層１０９Ｈ、１９Ｈは徐々に厚くなり、収縮しながら硬くなる。その結果、耐熱ケースと硬質シリコーン樹脂層界面との間に引張り応力を発生させる。これは、硬質シリコーン樹脂層１０９Ｈ、１９Ｈが無理に四方に引き伸ばされて、耐熱ケース１０８、１８に張り付いている状態に対応する。

図４（ａ）に示す比較例のパワー半導体モジュール９０００の構造においては、高温放置の時間経過と共に、引張り応力の上昇が速く進み、引張り応力が硬質シリコーン樹脂層１０９Ｈの耐熱ケース１０８の側壁への接着力を上回った際に、硬質シリコーン樹脂層１０９Ｈが耐熱ケース１０８の側壁から遊離して、一気に縮み、これが引き金となって空隙１１０が絶縁配線基板まで進展し、封止機能が崩壊するという問題を起こしていた。

これに対して、図４（ｂ）に示すように、面内応力緩和体２１が骨格として硬質シリコーン樹脂層１９Ｈに埋設されている第１実施形態に係るパワー半導体モジュール１０００の構造においては、面内応力緩和体２１があたかもコンクリートの鉄筋のように作用して、耐熱ケース近傍の硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの収縮を抑えている。この作用により、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離する時期を十分に遅らせることができる。つまり、長寿命化を図ることができる。

また、面内応力緩和体２１を埋設した耐熱シリコーンゲル１９の上層部が、後の高温加熱により耐熱シリコーンゲルが変性してできる硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの前駆体層とされている。従って、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離することを遅らせることができる。

更に、面内応力緩和体２１が、耐熱ケース１８の側壁の内面に沿って近接配置された柱体状の応力緩和素片２１ａと、この応力緩和素片２１ａから壁面に向けて突起する複数の支持素片２１ｂから成るので、面内応力緩和体２１により硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが堅固に固定され、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離することを遅らせることができる。

また、面内応力緩和体２１は、耐熱ケース１８の側壁の内面に接しているので、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈと耐熱ケース１８の側壁との接着性を強固に維持することができ、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離することを遅らせることができる。

更に、応力緩和素片２１ａは、断面矩形状を成し、断面の一辺は０．３ｍｍ〜５ｍｍの範囲とすることにより、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離することをより一層遅らせることができる。

また、面内応力緩和体２１の材質を、耐熱硬質樹脂、または耐熱セラミックとすることにより、該面内応力緩和体２１を強固に構成することができ、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離することを遅らせることができる。

更に、面内応力緩和体２１の材質を、ポリフェニレンサルファイド、またはポリエーテルエーテルケトンとすることにより、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離することをより一層遅らせることができる。

また、耐熱ケース１８の材質を、耐熱硬質樹脂または耐熱セラミックとすることにより、耐熱ケース１８を強固に構成することができ、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離することを遅らせることができる。

更に、耐熱ケース１８の材質を、ポリフェニレンサルファイド、または、ポリエーテルエーテルケトンとすることにより、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離することをより一層遅らせることができる。

また、面内応力緩和体２１が、耐熱ケース１８に支持されるので、面内応力緩和体２１の設置を容易に行うことができ、構成を簡素化することができる。

更に、第１実施形態の変形例では、耐熱ケース１８と面内応力緩和体２１が同一の材料で一体形成されるので、耐熱ケース１８と面内応力緩和体２１の接続をより強固にすることができ、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離することをより一層遅らせることができる。

なお、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが面内応力緩和体２１から遊離する不良は、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８側壁から遊離する不良以前には起こらない。これは面内応力緩和体２１の梁の背面に形成された硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが、当該界面の収縮応力（硬質シリコーン樹脂層を引き剥がそうとする力）に対抗する力を発生させ、当該界面の接着力に加勢するからである。

次に、定量評価について説明する。第１実施形態の効果を定量的に評価するために、外形の寸法が、縦約２５ｍｍ、横約４０ｍｍ、高さ約２５ｍｍとした耐熱ケースを備えた本実施形態に係るパワー半導体モジュール１０００、及び変形例に係るパワー半導体モジュール１０００’と、比較例のパワー半導体モジュール９０００とを用意し、２５０℃の環境に放置する試験を実施した。

この試験では、樹脂封止系（耐熱ケース１８、１０８、耐熱シリコーンゲル１９、１０９、面内応力緩和体２１）の故障を判定した。耐熱ケース１８、１０８と面内応力緩和体２１はＰＰＳ樹脂であり、耐熱シリコーンゲル１９、１０９は、２つの樹脂メーカの３種類のサンプルＡ、Ｂ、Ｃである。試験する個数は、各サンプルでそれぞれ５個とし、３個目のサンプルに不良が生じた時点を寿命と定義した。樹脂封止系以外の構成は同一とした。そして、予め決められた時間に加熱を中断し、室温で不良の発生を判定した。

比較例（図１５）の構成で、サンプルＡ、Ｂ、Ｃを用いた場合には、樹脂封止系は全て耐熱シリコーンゲル（硬質シリコーン樹脂層を含む）が耐熱ケースから遊離して、界面間隙が生じる故障モードで故障が発生した（但し、Ａ、Ｂ、Ｃの故障発生時間（＝寿命）は異なる）。

一方、本実施形態及び変形例のパワー半導体モジュール１０００、１０００’では、このような界面間隙故障は観察されず、耐熱ケース中央開口部に位置する硬質シリコーン樹脂層に亀裂が生じるという別の故障モードが観察され、この時点を寿命とした。

図１６は、比較例の樹脂封止系の寿命を１００として正規化したときの、本実施形態及び変形例のパワー半導体モジュール１０００、１０００’と比較例のパワー半導体モジュール９０００の樹脂封止系の寿命の比較を示している。図１６に示す結果から、第１実施形態及び変形例のパワー半導体モジュール１０００、１０００’の寿命が長いことが理解される。また、本実施形態及び変形例のパワー半導体モジュール１０００と１０００’の樹脂封止系の寿命は実験誤差の範囲内で同等であることも理解される。

以上の結果から、サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、いずれの樹脂封止系の場合においても、本実施形態のパワー半導体モジュール１０００、１０００’は、比較例のパワー半導体モジュール９０００のような従来のモジュールで起こっていた「耐熱シリコーンゲルが耐熱ケースから遊離して、封止機能が崩壊する」という問題を解決するとともに、寿命の大幅な延長を達成していると言うことができる。

［第２実施形態の説明］
次に、第２実施形態について説明する。前述した第１実施形態（図１）及び変形例（図２）では、耐熱シリコーンゲル１９の内部に面内応力緩和体２１を埋設することにより、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが形成された場合でも、耐熱シリコーンゲル１９が耐熱ケース１８から遊離することを防止する構成とした。この際、面内応力緩和体２１を耐熱ケース１８にて支持していた。第２実施形態に係るパワー半導体モジュールでは、面内応力緩和体２１を放熱器１７で支持する。

以下、第２実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００の構成を、図５Ａ、図５Ｂを参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態にて示した図１と同一構成の部分については、同一符号を付して構成説明を省略する。

図５Ａ、図５Ｂは、第２実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００の構成を示す説明図であり、図５Ａ（ａ）は上面図、図５Ａ（ｂ）は図５Ａ（ａ）に示すＡ−Ａ’断面図、図５Ｂ（ｃ）は図５Ａ（ｂ）に示すＢ−Ｂ’断面図、図５Ｂ（ｄ）は図５Ｂ（ａ）に示すＣ−Ｃ’断面図である。

図５Ａ（ｂ）に示すように、第２実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００は、前述した第１実施形態と同様に、絶縁配線基板１１と、耐熱ケース１８と、放熱器１７を備えている。ここで、耐熱ケース１８の内面には、ザグリは設けられていない点で第１実施形態で示した図１と相違する。

図５Ｂ（ｃ）に示すように、面内応力緩和体２１は、耐熱ケース１８の内面に接している。更に、面内応力緩和体２１の４つの隅部には開口部が形成され、この開口部に円柱形状の支柱２４がネジ止めされて設けられている。該支柱２４は、図５Ｂ（ｄ）に示すように、面内応力緩和体２１から放熱器１７に連通しており、該放熱器１７の４つの隅部に設けられる位置決め用の浅溝に挿入されている。換言すれば、面内応力緩和体２１は、放熱器１７に立設された４本の支柱２４に支持されて固定されている。

耐熱ケース１８の内部には、面内応力緩和体２１を埋めるように、耐熱シリコーンゲル１９が充填されている。耐熱シリコーンゲル１９が加熱して形成される硬質シリコーン樹脂層の厚みの中央付近に、面内応力緩和体２１が設置されるように、支柱２４の長さ、或いは耐熱シリコーンゲル１９の深さが調整される。

また、耐熱ケース１８、面内応力緩和体２１、及び支柱２４の材質は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の耐熱硬質樹脂、アルミナや他の耐熱セラミック等の耐熱素材が適しているが、これら以外の耐熱素材を用いてもよい。

［第２実施形態の製造方法の説明］
次に、第２実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００の製造方法について説明する。なお、絶縁配線基板１１を製造する第１工程、パワー半導体装置１５を実装する第２工程、及び放熱器１７を設ける第３工程は、第１実施形態で示した図３Ａ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と同一であるので、説明を省略する。

以下、図６（ｄ）、（ｅ）を参照して、第４工程、及び第５工程について説明する。図６（ｄ）、（ｅ）は、図５Ｂ（ｄ）のＣ−Ｃ’断面図に対応している。なお、図６（ｄ）、（ｅ）は、Ｃ−Ｃ’断面図であるので、絶縁配線基板１１やパワー半導体装置１５は見えていない。

図６（ｄ）に示す第４工程では、放熱器１７に所定の形状に加工した耐熱ケース１８を耐熱接着剤（図示省略）で接着する。更に、耐熱ケース１８の内部に、支柱２４を取り付けた面内応力緩和体２１を嵌めこむ。このとき、支柱２４の先端が放熱器１７の浅溝に収まるようにする。

図６（ｅ）に示す第５工程では、耐熱ケース１８の内部に耐熱シリコーンゲル１９の前駆体を、少なくとも面内応力緩和体２１の高さよりも高い位置まで流し込む。その後、所定の熱処理条件（大抵は熱処理温度と雰囲気、時間が指定されている）で耐熱シリコーンゲル１９の前駆体をゲル化させると、第２実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００が完成する。

［第２実施形態の効果の説明］
次に、第２実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００の効果について説明する。図７は、図５Ａ（ａ）のＡ−Ａ’断面図を示しており、十分長い時間高温で放置した後（例えば２５０℃、５００時間）、或いは非常に高い温度を含む冷熱サイクルを繰り返し実行した後（例えば、−４０℃〜２５０℃、５００サイクル）の、パワー半導体モジュール２０００の状態を示している。

図７に示すように、耐熱シリコーンゲル１９の上部には、高温加熱によって生じた硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが形成されている。また、耐熱ケース１８内部の壁面近傍に配置された面内応力緩和体２１が、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈに埋設された構造となっていることが判る。この構造は、前述した第１実施形態の効果の説明で示した図４（ｂ）と同一の構造である。従って、第２実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００は、第１実施形態で示したパワー半導体モジュール１０００と同様に、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈ（耐熱シリコーンゲル１９）が耐熱ケース１８から遊離して、封止機能が崩壊するという問題を解決でき、長寿命化を図ることができる。発明者らの実験によると、前述した第１実施形態と同様の条件で２５０℃放置試験を実施したところ、第１実施形態と同等の試験結果が得られた。

即ち、第２実施形態では、面内応力緩和体２１が、放熱器１７に立設された複数の支柱２４により支持されるので、面内応力緩和体２１を堅固に固定することができ、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離することを遅らせることができる。

［第３実施形態の説明］
次に、第３実施形態に係るパワー半導体モジュールについて説明する。前述した第１実施形態（図１）及び変形例（図２）では、耐熱シリコーンゲル１９の内部に、応力緩和素片２１ａ、及び該応力緩和素片２１ａから耐熱ケース１８の壁面に向けて突起する支持素片２１ｂからなる面内応力緩和体２１を埋設する構成とした。

これに対して、第３実施形態に係るパワー半導体モジュールでは、周囲部が耐熱ケース１８の壁面に接する基体リング２５、及び該基体リング２５に対して直交する向き（上下方向）に複数設けられる応力緩和柱２６からなる面内応力緩和体２１を用いている点で相違する。更に、図８Ａ（ｂ）に示すように、耐熱ケース１８の内部壁面に形成されるザグリ２０がテーパ状に形成されていない点で相違する。

以下、第３実施形態に係るパワー半導体モジュール３０００の構成を、図８Ａ、図８Ｂを参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態にて示した図１と同一構成の部分については、同一符号を付して構成説明を省略する。

図８Ａ（ａ）は、第３実施形態に係るパワー半導体モジュール３０００の上面図、図８Ａ（ｂ）は図８Ａ（ａ）に示すＡ−Ａ’断面図、図８Ｂ（ｃ）は図８Ａ（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面図、図８Ｂ（ｄ）は図８Ｂ（ｃ）に示すＣ−Ｃ’断面図、図８Ｂ（ｅ）は図８Ｂ（ｃ）に示すＤ−Ｄ’断面図である。なお、図８Ｂ（ｃ）では、放熱器１７を省略している。

図８Ａ（ｂ）、図８Ｂ（ｃ）に示すように、耐熱ケース１８の内部壁面には、面内応力緩和体２１を支持するためのザグリ２０が設けられている。ザグリ２０は、略直角に切り欠かれている。また、面内応力緩和体２１は、耐熱ケース１８内部のザグリ２０が形成された側壁に内接している。面内応力緩和体２１は、耐熱ケース１８の内部壁面に接する矩形リング形状をなす基体リング２５と、円柱形状をなし基体リング２５に対して直交する方向（耐熱ケース１８の上下方向）に立設される複数の応力緩和柱２６から構成されている。また、基体リング２５と各応力緩和柱２６は一体化して形成されている。

そして、応力緩和柱２６が、耐熱ケース１８内部に形成される硬質シリコーン樹脂層１９Ｈによる応力を緩和する。応力緩和柱２６は、円柱、或いは四角以上の角を有する多角柱であることが望ましい。基体リング２５の厚み、応力緩和柱２６の直径、応力緩和柱２６と耐熱ケース１８との距離、隣接する応力緩和柱２６との距離は、いずれも０．３ｍｍ〜５ｍｍの間の値が望ましく、好ましくは、２．５ｍｍとするのがよい。また、応力緩和柱２６の高さは、高温長期加熱で形成される硬質シリコーン樹脂層の厚みの中に収まるように調整される。

耐熱ケース１８、及び面内応力緩和体２１の材質は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の耐熱硬質樹脂、アルミナや他の耐熱セラミック等の耐熱素材が適しているが、これら以外の耐熱素材を用いてもよい。

耐熱ケース１８の内側には、面内応力緩和体２１を埋めるように、耐熱シリコーンゲル１９が充填されている。面内応力緩和体２１の基体リング２５の（垂直方向）位置が高温による長期加熱で形成される硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの厚み中央付近に位置するように、耐熱シリコーンゲル１９の深さが調節される。なお、応力緩和柱２６の少なくとも一部が硬質シリコーン樹脂層１９Ｈ（耐熱シリコーンゲル１９）に埋まっていれば、本実施形態の効果は発生するが、全体が完全に埋まっている方がより顕著な効果を達成できる。

なお、第３実施形態に係るパワー半導体モジュール３０００の製造方法は、前述した第１実施形態で示した第１工程〜第５工程と同一であるので、詳細な説明を省略する。

［第３実施形態の効果の説明］
次に、第３実施形態に係るパワー半導体モジュール３０００の効果を説明する。図９は、図８Ａ（ｂ）に対応しており、十分長い時間高温で放置した後（例えば、２５０℃、５００時間）、或いは非常に高い温度を含む冷熱サイクルを繰り返し実行した後（例えば、−４０℃〜２５０℃、５００サイクル）の、第３実施形態のパワー半導体モジュール３０００の状態を示している。

図９に示すように、耐熱シリコーンゲル１９の上部には、高温加熱によって生じた硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが形成されている。そして、耐熱ケース１８内部の壁面近傍に設けられた面内応力緩和体２１、即ち、基体リング２５及び応力緩和柱２６が硬質シリコーン樹脂層１９Ｈに埋設された構造として存在する。従って、面内応力緩和体２１が、鉄筋コンクリートの鉄筋のような役割を果たして、耐熱ケース１８内部の硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの収縮応力を緩和し、耐熱ケース１８の内部壁面から硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが遊離し難くしている。つまり、第３実施形態に係るパワー半導体モジュール３０００は、比較例のパワー半導体モジュール９０００（図１５）のような従来のモジュールで起こっていた「耐熱シリコーンゲルが耐熱ケースから遊離して、封止機能が崩壊する」という問題を解決するとともに、寿命の大幅な延長を達成していると言うことができる。

次に、定量評価について説明する。前述した第１実施形態の定量評価で示した条件と同一の条件、同一の耐熱シリコーン樹脂サンプルＡ、Ｂ、Ｃで、２５０℃放置試験を実施したところ、前述した図１６に記載した試験結果が得られた。第３実施形態に係るパワー半導体モジュール３０００では、どの耐熱樹脂サンプルを用いた場合も、比較例と比べると寿命は著しく長くなり、第１実施形態で示したパワー半導体モジュール１０００と同様に、耐熱ケース１８と、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの界面に間隙ができる故障は観察されず、耐熱ケース１８の中央開口部に位置する硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが裂けるという故障が生じた。つまり、第３実施形態では、界面に間隙ができる故障の寿命が延びた結果、次に長い寿命であった故障モード「樹脂層のひび割れ」が顕在化したとも解釈できる。

即ち、第３実施形態では、面内応力緩和体２１は、耐熱ケース１８の側壁の内面に接する矩形リング形状の基体リング２５と、該基体リング２５に対して、耐熱ケース１８の上下方向に立設され、基体リング２５と一体化された応力緩和柱２６を備えるので、面内応力緩和体２１をより堅固に形成することができ、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離することを遅らせることができる。

また、図示を省略するが、図１に示した面内応力緩和体２１、即ち、図１（ｃ）にて説明したように、応力緩和素片２１ａと該応力緩和素片２１ａから外側に向けて突起する支持素片２１ｂを有する面内応力緩和体２１に、図８Ａ（ｂ）に示したように、耐熱ケース１８の上下方向に立設された応力緩和柱２６を設けることにより、面内応力緩和体２１をより強固に構成することができる。こうすることにより、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが耐熱ケース１８の側壁から遊離することをより一層遅らせることができる。

［第４実施形態の説明］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図１０Ａ、図１０Ｂは、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００の構成を示す説明図であり、図１０Ａ（ａ）は上面図、図１０Ａ（ｂ）は図１０Ａ（ａ）に示すＡ−Ａ’断面図、図１０Ｂ（ｃ）は図１０Ａ（ａ）に示すＢ−Ｂ’断面図、図１０Ｂ（ｄ）は図１０Ａ（ｂ）に示すＣ−Ｃ’断面図である。

第４実施形態に係るパワー半導体モジュールは、前述した第１実施形態と対比して樹脂封止系、即ち、耐熱ケース１８の内面構造、耐熱シリコーンゲル１９、及び面内応力緩和体２１のみが相違しており、それ以外の構成は、第１実施形態と同様であるので、同一部分には同一符号を付して構成説明を省略する。図１０Ａ（ｂ）に示すように、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００は、耐熱ケース１８の内部壁面に、ザグリ２０が形成されている。この際、第１実施形態と異なり、テーパは形成されていない。

更に、図１０Ｂ（ｃ）、（ｄ）に示すように、ザグリ２０の底面２１ｄには、複数の応力緩和柱２１ｃが立設されている。具体的には、ザグリ２０の底面２１ｄから上方に向けて複数の応力緩和柱２１ｃが立設され、該応力緩和柱２１ｃは、耐熱ケース１８と一体構造とされている。そして、ザグリ２０の底面２１ｄ、及び複数の応力緩和柱２１ｃにより、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００の面内応力緩和体２１が構成されている。

応力緩和柱２１ｃは、パワー半導体モジュール４０００の製造後の高温の使用で生じる硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの厚みの中に位置するように、設置位置や長さが調整される。即ち、図１０Ｂ（ｃ）に示すように、応力緩和柱２１ｃの上面よりも高くなるように、耐熱シリコーンゲル１９が充填されている。

面内応力緩和体２１を構成する応力緩和柱２１ｃは、円柱、或いは四角形以上の多角柱であることが望ましい。応力緩和柱２１ｃの直径、該応力緩和柱２１ｃから耐熱ケース１８の内面までの距離、及び、互いに隣接する応力緩和柱２１ｃどうしの距離（柱と柱の距離）は、いずれも０．３ｍｍ〜５ｍｍの間の値が望ましく、好ましくは２．５ｍｍとするのがよい。

面内応力緩和体２１を含む耐熱ケース１８の材質は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の耐熱硬質樹脂や、アルミナやその他の耐熱セラミック等の耐熱素材が適しているが、これら以外の耐熱素材を用いてもよい。

なお、面内応力緩和体２１の少なくとも一部が硬質シリコーン樹脂層１９Ｈ（耐熱シリコーンゲル１９）に埋まっている場合、即ち、応力緩和柱２１ｃの上部が耐熱シリコーンゲル１９の上面よりも上方に突出している場合でも、本実施形態の効果は発生するが、全体が完全に埋まっている方がより顕著な効果を達成できる。

［第４実施形態の製造方法の説明］
次に、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００の製造方法について説明する。なお、絶縁配線基板１１を製造する第１工程、パワー半導体装置１５を実装する第２工程、及び放熱器１７を設ける第３工程は、第１実施形態で示した図３Ａ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と同一であるので、説明を省略する。

以下、第４工程、及び第５工程について説明する。第４工程では、図１０Ａ（ａ）、（ｂ）に示すように、内面に面内応力緩和体２１が形成された耐熱ケース１８を用意し、放熱器１７に耐熱接着剤（図示省略）を用いて接着する。

第５工程では、耐熱ケース１８の内側に耐熱シリコーンゲル１９の前駆体を、少なくとも応力緩和柱２１ｃの上面が埋設されるまで注入し、所定の熱処理条件（大抵は熱処理温度と雰囲気、時間が指定されている）でゲル化させる。その結果、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００が完成する。

［第４実施形態の効果の説明］
次に、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００の効果について説明する。図１１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１０Ｂ（ｃ）、（ｄ）に対応しており、十分長い時間高温で放置した後（例えば、２５０℃、５００時間）、或いは非常に高い温度を含む冷熱サイクルを繰り返し実行した後（例えば、−４０℃〜２５０℃、５００サイクル）の、パワー半導体モジュール４０００の状態を示している。

図１１に示すように、耐熱シリコーンゲル１９の上部には、高温加熱によって変性した硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが形成されている。

また、耐熱ケース１８内部の壁面近傍に垂直に立設された複数の応力緩和柱２１ｃが、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈに埋設された構造となっていることが判る。従って、応力緩和柱２１ｃを含む面内応力緩和体２１が、鉄筋コンクリートの鉄筋のような役割を果たして、耐熱ケース１８近傍の硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの収縮応力を緩和し、耐熱ケース１８から硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが遊離することを防止する。つまり、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００は「耐熱シリコーンゲルが耐熱ケースから遊離して、封止機能が崩壊する」という問題を解決するとともに、寿命の大幅な延長を達成することができる。

実際に、第１実施形態で示した「定量評価」と同一の条件、同一の耐熱シリコーン樹脂サンプルＡ、Ｂ、Ｃで２５０℃放置試験を実施したところ、第３実施形態に示したパワー半導体モジュール３０００とほぼ同等の寿命が得られた。故障モードは、第３実施形態と同様に、面内応力緩和体２１の中央開口部２３に位置する硬質シリコーン樹脂層１９Ｈに亀裂が入る故障モードであった。

［第５実施形態の説明］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。前述した第１〜第４実施形態では、樹脂封止系（耐熱ケース１８、耐熱シリコーンゲル１９、面内応力緩和体２１）の耐熱寿命が長寿命化するので、耐熱ケース１８から耐熱シリコーンゲル１９（硬質シリコーン樹脂層１９Ｈ）が遊離するという故障モードを解決した。これに代わり、面内応力緩和体２１の中央開口部２３（図１（ｃ）参照）に位置する硬質シリコーン樹脂層１９Ｈに亀裂が入るという、新たな故障モードが顕在化して、これが樹脂封止系の寿命を決定するようになった。

第５実施形態に係るパワー半導体モジュールでは、中央開口部２３に存在する硬質シリコーン樹脂層１９Ｈに亀裂が生じるという故障モードの発生時期を遅らせ、樹脂封止系の耐熱寿命をより一層長寿命化することを目的としている。以下、詳細に説明する。

図１２は、第５実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００の構成を示す説明図であり、図１２（ａ）は上面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示すＡ−Ａ’断面図、図１２（ｃ）は図１２（ｂ）に示すＢ−Ｂ’断面図である。

図１２において、面内応力緩和体２１’以外の構成は、前述した第１実施形態と同一であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。図１２（ｂ）に示すように、耐熱ケース１８の内面には、面内応力緩和体２１’を支持するためのザグリ２０が形成されている。ザグリ２０の底部はテーパ状に形成されている。耐熱ケース１８は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の耐熱硬質樹脂や、アルミナやその他の耐熱セラミック等の耐熱素材で成形されるが、これら以外の耐熱素材を用いてもよい。

面内応力緩和体２１’は、耐熱ケース１８のザグリ２０に嵌め込まれとき、耐熱ケース１８のザグリ２０の側壁に外縁が接し、且つ、ザグリ２０のテーパが始まる水平位置で支持される構成とされている。面内応力緩和体２１’の材質は、耐熱ケース１８と同様にポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の耐熱硬質樹脂や、アルミナや他の耐熱セラミック等の耐熱素材が適しているが、これら以外の耐熱素材を用いてもよい。

第５実施形態で用いる面内応力緩和体２１’は、第１実施形態で用いた面内応力緩和体２１に対して、中央開口部２３（図１参照）の領域に格子枠が形成されている点で相違している。即ち、第１実施形態で示した面内応力緩和体２１は、図１（ｃ）に示したように、矩形状の応力緩和素片２１ａと、該応力緩和素片２１ａの外側に突起する支持素片２１ｂからなり、応力緩和素片２１ａの内側は中央開口部２３となっていた。

これに対して、第５実施形態では、図１２（ｃ）に示すように、応力緩和柱２１ｆが格子状に配置されて面内応力緩和体２１’を形成している。即ち、耐熱ケース１８の開口部全体を覆うように、応力緩和柱２１ｆが格子状に設けられている。そして、その隙間部分が小開口部２２とされている。小開口部２２の一辺、及び高さは０．３ｍｍ〜５ｍｍの間の値が望ましく、好ましくは２．５ｍｍとするのがよい。

また、耐熱ケース１８の内部には、面内応力緩和体２１’を埋めるように、耐熱シリコーンゲル１９が充填されている。面内応力緩和体２１’の高さ方向の位置は、耐熱シリコーンゲル１９が長期高温加熱されたとき成長する硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの最大厚み中央付近に位置するようザグリ２０の位置や耐熱シリコーンゲル１９の注入量が調節される。なお、「硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの最大厚み」とは、前述した第１〜第４実施形態に係るパワー半導体モジュールが、寿命を迎えるときまでに成長する硬質シリコーン樹脂層の厚みを示している。

また、第５実施形態の変形例として、耐熱ケース１８と面内応力緩和体２１’を同一の材料とする選択が可能である場合には、耐熱ケース１８と面内応力緩和体２１’を一体成型する構成としてもよい。

なお、第５実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００の製造方法は、前述した第１実施形態と同一であるので製造方法の説明を省略する。

［第５実施形態の効果の説明］
第１〜第４実施形態が寿命を迎えるときに共通して観察される「硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが裂ける」という故障モードは、材料力学的には、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈが自らの収縮応力に対抗しきれなくなり、自らが裂けることで収縮応力を開放するプロセスであると考えられる。また、これらの亀裂（故障）は、常に中央開口部２３（図１（ｃ）、図４（ｂ）参照）で起こって、面内応力緩和体の骨格（＝鉄筋コンクリートの“鉄筋”に相当）に近接する小開口部２２では発生しないという実験事実は、耐熱ケース１８からの硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの遊離を防ぐ面内応力緩和体の骨格構造が「硬質シリコーン樹脂層が裂ける」という故障の解決にも有効であることを示唆している。

図１３は、十分長い時間高温で放置した後（例えば、２５０℃、５００時間）、或いは非常に高い温度を含む冷熱サイクルを繰り返して実行した後（例えば、−４０℃〜２５０℃、５００サイクル）の、第５実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００の状態を示しており、図１３（ａ）は上面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）に示すＡ−Ａ’断面図、図１３（ｃ）は図１３（ｂ）に示すＢ−Ｂ’断面図である。

そして、図１３から理解されるように、第５実施形態においては、面内応力緩和体２１’の骨格格子構造が耐熱ケース１８近傍のみならず、硬質シリコーン樹脂層１９Ｈ全面に埋設されている。従って、前述した第１〜第４実施形態で示した中央開口部２３（図１（ｃ）、図４（ｂ）参照）に存在する硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの収縮応力をも緩和することができることが判る。この作用により、第５実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００は、第１〜第４実施形態の故障モードであった「硬質シリコーン樹脂層が裂ける」不良の発生時期、即ち、寿命を延長することができるという効果が得られる。

このように、第５実施形態では、面内応力緩和体２１’が、耐熱ケース１８の、上面開口部全体に亘って配置されているので、耐熱ケース１８の側壁近傍のみならず、耐熱ケース１８の開口部全体を強固に固定することができ、開口部全体の硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの収縮応力を緩和することができる。

実際に、第１実施形態の「定量評価」に記載した内容と同一の条件、同一の耐熱シリコーン樹脂サンプルＡ、Ｂ、Ｃで２５０℃放置試験を実施したところ、図１６に記載したように、第１〜第４実施形態で示したパワー半導体モジュールの寿命を大きく超える長寿命が得られた。また、第５実施形態の故障モードは、第３実施形態と同様に、面内応力緩和体２１の中央開口部２３に存在する硬質シリコーン樹脂層１９Ｈに亀裂が入る故障モードであった。

［第６実施形態の説明］
次に、本発明の第６実施形態について説明する。図１４Ａ、図１４Ｂは、第６実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００構成を示す説明図であり、図１４Ａ（ａ）は上面図、図１４Ａ（ｂ）は図１４Ａ（ａ）に示すＡ−Ａ’断面図、図１４Ａ（ｃ）は図１４Ａ（ｂ）に示すＣ−Ｃ’断面図である。また、図１４Ｂ（ｄ）は図１４Ａ（ｃ）に示すＢ−Ｂ’断面図、図１４Ｂ（ｅ）は図１４Ｂ（ｄ）に示すＤ−Ｄ’断面図である。

そして、第６実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００では、前述した第５実施形態と対比して、樹脂封止系の面内応力緩和体２１’の応力緩和作用をより一層強化して、樹脂封止系の耐熱寿命をより長寿命化する。

第６実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００は、前述した第５実施形態と対比して、樹脂封止系（耐熱ケース１８、耐熱シリコーンゲル１９、面内応力緩和体２１’）のみが相違し、それ以外の構成は第５実施形態と同一構成である。即ち、第６実施形態では、図１４Ａ（ｂ）に示すように、耐熱ケース１８の内面にザグリ２０が形成されている。但し、第５実施形態と異なり、ザグリ２０はテーパ状とされていない。また、図１４Ａ（ｃ）に示すように、耐熱ケース１８の内部には、面内応力緩和体２１’が設けられている。該面内応力緩和体２１’は、前述した第５実施形態と同様に、応力緩和柱２１ｆが格子状に形成されている。更に、これに加えて第６実施形態では、格子状の応力緩和柱２１ｆの縦と横が交差する部位に、それぞれ突起部２１ｅが立設されている。即ち、図１４Ａ（ｂ）、及び図１４Ｂ（ｅ）に示すように、応力緩和柱２１ｆの上下方向に向けて円柱形状の突起部２１ｅが形成されている。

耐熱ケース１８は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の耐熱硬質樹脂や、アルミナやその他の耐熱セラミック等の耐熱素材で成形されるが、これら以外の耐熱素材を用いてもよい。

面内応力緩和体２１’は、耐熱ケース１８の内面に形成されたザグリ２０に嵌め込まれたとき、底部で自然に支持されるように形成されている。面内応力緩和体２１’の材質は、耐熱ケース１８と同様に、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の耐熱硬質樹脂や、アルミナやその他の耐熱セラミック等の耐熱素材が適しているが、これら以外の耐熱素材を用いてもよい。応力緩和柱２１ｆの隙間部分は、小開口部２２とされており、該小開口部２２の一辺、高さは０．３ｍｍ〜５ｍｍの間の値が望ましく、好ましくは２．５ｍｍとするのがよい。

耐熱ケース１８の内側には、面内応力緩和体２１’を埋めるように、耐熱シリコーンゲル１９が充填されている。面内応力緩和体２１’を設置する高さは、耐熱シリコーンゲル１９が長期高温加熱されたとき成長する硬質シリコーン樹脂層１９Ｈの最大厚み中央付近に位置するようザグリ２０の位置や耐熱シリコーンゲル１９の注入量が調節される。

また、第６実施形態の変形例として、耐熱ケース１８と面内応力緩和体２１’を同一の材料とする選択が許される場合には、耐熱ケース１８と面内応力緩和体２１’を一体成型する構成にすることもできる。

なお、第６実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００の製造方法は、前述した第１実施形態で示した第１工程〜第５工程と同様であるので、詳細な説明を省略する。

［第６実施形態の効果の説明］
第６実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００では、前述した第５実施形態と同様に、格子状の応力緩和柱２１ｆが設けられ、これに加えて、応力緩和柱２１ｆが形成する平面と直交する方向に円柱形状の突起部２１ｅが立設されている。従って、突起部２１ｅが存在することにより、より一層、収縮方向の応力を緩和させることができ、第５実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００よりも、高温動作寿命を長寿命化することが可能となる。

実際に、第１実施形態の「定量評価」にて記載と内容と同一条件、同一耐熱シリコーン樹脂サンプルＡ、Ｂ、Ｃで２５０℃放置試験を実施したところ、図１６に記載したように、前述の第５実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００の寿命を更に超える長寿命化が確認された。第６実施形態の故障モードは小開口部２２の硬質シリコーン樹脂層１９Ｈに亀裂が入る故障モードであった。

以上、本発明のパワー半導体モジュール、及びその製造方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

１１ 絶縁配線基板
１２ 絶縁板
１３Ｓ、１３Ｄ 表面導体
１４ 裏面導体
１５ パワー半導体装置
１６ ボンディングワイヤ
１７ 放熱器
１８ 耐熱ケース
１９ 耐熱シリコーンゲル
１９Ｈ 硬質シリコーン樹脂層
２０ ザグリ
２１、２１’ 面内応力緩和体
２１ａ 応力緩和素片
２１ｂ 支持素片
２１ｃ 応力緩和柱
２１ｄ 底面
２１ｅ 突起部
２１ｆ 応力緩和柱
２２ 小開口部
２３ 中央開口部
２４ 支柱
２５ 基体リング
２６ 応力緩和柱
１１０ 空隙
１０００、１０００’ パワー半導体モジュール
２０００ パワー半導体モジュール
３０００ パワー半導体モジュール
４０００ パワー半導体モジュール
５０００ パワー半導体モジュール
６０００ パワー半導体モジュール

Claims (17)

1. 複数の側壁に囲まれた耐熱ケースと、
   パワー半導体装置が実装され、前記耐熱ケースの底部に配置された絶縁配線基板と、
   前記絶縁配線基板と直接的或いは間接的に接して、該絶縁配線基板にて発生した熱を放熱する放熱器と、
   前記耐熱ケース内に充填される耐熱シリコーンゲルと、
   前記耐熱ケース内の前記側壁の近傍に配置され、且つ、前記耐熱シリコーンゲルの内部に埋設され、前記耐熱シリコーンゲルの硬化時に、該耐熱シリコーンゲルの前記側壁からの遊離を防止する面内応力緩和体と、
   を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 前記面内応力緩和体を埋設した耐熱シリコーンゲルの上層部が、後の高温加熱により耐熱シリコーンゲルが変性してできる硬質シリコーン樹脂層の前駆体層であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記面内応力緩和体は、
   前記耐熱ケースの側壁の内面に沿って近接配置された柱体状の応力緩和素片と、前記応力緩和素片から壁面に向けて突起する複数の支持素片から成ること
   を特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記応力緩和素片に、前記耐熱ケースの上下方向に立設された応力緩和柱を備えたこと
   を特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
5. 前記面内応力緩和体は、前記耐熱ケースの側壁の内面に接していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
6. 前記応力緩和素片は、断面矩形状を成し、断面の一辺は０．３ｍｍ〜５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
7. 前記面内応力緩和体の材質は、耐熱硬質樹脂、または耐熱セラミックであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
8. 前記面内応力緩和体の材質は、耐熱硬質樹脂であり、更に、該耐熱硬質樹脂は、ポリフェニレンサルファイド、またはポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする請求項７に記載のパワー半導体モジュール。
9. 前記耐熱ケースの材質は、耐熱硬質樹脂または耐熱セラミックであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
10. 前記耐熱ケースの材質は、耐熱硬質樹脂であり、更に、該耐熱硬質樹脂は、ポリフェニレンサルファイド、または、ポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする請求項９に記載のパワー半導体モジュール。
11. 前記面内応力緩和体は、前記耐熱ケースに支持されていることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
12. 前記耐熱ケースと前記面内応力緩和体は、同一の材料で一体形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
13. 前記面内応力緩和体は、前記放熱器に立設された複数の支柱により支持されることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
14. 前記面内応力緩和体は、前記耐熱ケースの側壁の内面に接する矩形リング形状の基体リングと、該基体リングに対して、前記耐熱ケースの上下方向に立設され、前記基体リングと一体化された応力緩和柱と、
    からなることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
15. 前記面内応力緩和体は、前記耐熱ケースの、上面開口部全体に亘って配置されていることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
16. 洗浄した絶縁配線基板を用意する第１工程と、
    前記第１工程の後に、ダイボンドとワイヤボンドとでパワー半導体装置を実装する第２工程と、
    前記第２工程の後、前記ダイボンドよりも低融点のはんだで絶縁配線基板を放熱器に接合する第３工程と、
    前記第３工程の後、前記放熱器の上面に耐熱ケースを耐熱接着剤で接着し、その後、前記耐熱ケースの内部の適所に面内応力緩和体を設置する第４工程と、
    前記第４工程の後、前記耐熱ケースの内側に耐熱シリコーンゲルの前駆体を少なくとも面内応力緩和体の高さよりも高い位置まで流し込み、所定の熱処理条件で前記前駆体をゲル化させる第５工程と、
    を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
17. 洗浄した絶縁配線基板を用意する第１工程と、
    前記第１工程の後に、ダイボンドとワイヤボンドとでパワー半導体装置を実装する第２工程と、
    前記第２工程の後、前記ダイボンドよりも低融点のはんだで、絶縁配線基板を放熱器に接合する第３工程と、
    前記第３工程の後、面内応力緩和体と一体成型した耐熱ケースを耐熱接着剤で前記放熱器に接着する第４工程と、
    前記第４工程の後、前記耐熱ケースの内側に耐熱シリコーンゲルの前駆体を少なくとも面内応力緩和体の高さよりも高い位置まで流し込み、所定の熱処理条件で前記前駆体をゲル化させる第５工程と、
    を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。

Images