JP2017152603A - パワー半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属ベース板及びその上に設けられた部材と封止材との間の接着強度を確保しつつ、金属ベース板及びその上に設けられた部材と封止材とが高温環境下で直接接触することによる封止材の劣化を抑制することにより、絶縁信頼性を向上させたパワー半導体モジュールを提供する。
【解決手段】本発明は、金属ベース板２上に設けられた、絶縁層（絶縁板５）、電極パターン６及びパワー半導体素子４を少なくとも含む部材が封止材１０によって封止されたパワー半導体モジュール１である。このパワー半導体モジュール１において、金属ベース板２及びその上に設けられた部材と封止材１０との間に、フッ素原子含有ポリパラキシレン膜、ポリイミド膜及びポリ尿素膜からなる群から選択される少なくとも１種の気相重合膜１２が形成されている。
【選択図】図１
【解決手段】本発明は、金属ベース板２上に設けられた、絶縁層（絶縁板５）、電極パターン６及びパワー半導体素子４を少なくとも含む部材が封止材１０によって封止されたパワー半導体モジュール１である。このパワー半導体モジュール１において、金属ベース板２及びその上に設けられた部材と封止材１０との間に、フッ素原子含有ポリパラキシレン膜、ポリイミド膜及びポリ尿素膜からなる群から選択される少なくとも１種の気相重合膜１２が形成されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、パワー半導体モジュール及びその製造方法に関する。
パワー半導体モジュールは、一般に、金属ベース板上に設けられた、絶縁層、電極パターン及びパワー半導体素子を少なくとも含む部材が封止材によって封止された構造を有する。この構造は、金属ベース板上に設けられた部材をモールド樹脂としての封止材によって封止したモールド型と、金属ベース板の周囲にケースを設け、ケース内にポッティング材としての封止材を充填することによって部材を封止したケース型とに分類される。
近年、２００℃以上の高温でも動作が可能なパワー半導体素子（例えば、ＳｉＣ、ＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体素子）へのニーズが高まっていることから、高温環境下でも封止材の機能（例えば、絶縁性、密着性など）が低下しないことが要求されている。
また、近年、パワー半導体モジュールの製造において、電極パターンにパワー半導体素子を接合する際に、金属ナノ粒子を用いたダイアタッチ（「ダイボンディング」とも称される）が使用されるようになってきている。これに伴い、電極パターンには、従来のＮｉめっき銅に代わってめっきレスの銅又は銅合金の使用が多くなっている。
また、近年、パワー半導体モジュールの製造において、電極パターンにパワー半導体素子を接合する際に、金属ナノ粒子を用いたダイアタッチ（「ダイボンディング」とも称される）が使用されるようになってきている。これに伴い、電極パターンには、従来のＮｉめっき銅に代わってめっきレスの銅又は銅合金の使用が多くなっている。
しかしながら、めっきレスの銅又は銅合金は、高温環境下において酸化して酸化銅を生成するため、酸化銅のレドックス作用によって電極パターン近傍の封止材が劣化する。実際、シリコーンゲルを封止材として用いた場合、電極パターンとの界面において剥離、ボイドなどの欠陥が生じ易く、絶縁不良の原因となり得る。またエポキシ樹脂のような硬い封止材を用いた場合は、強度の弱い酸化銅が破壊し、剥離が発生する。
上記のような封止材の劣化、あるいは剥離による絶縁不良を防止するために、従来、各種部材に用いられる金属材料の高温環境下における酸化を防止する対策が有効であると考えられているが、十分とは言えない。
上記のような封止材の劣化、あるいは剥離による絶縁不良を防止するために、従来、各種部材に用いられる金属材料の高温環境下における酸化を防止する対策が有効であると考えられているが、十分とは言えない。
他方、液状のコーティング剤を用いて部材と封止材との間にコーティング膜を形成する方法が提案されている。しかしながら、この方法では、部材の表面（特に、垂直表面）にコーティング膜を均一に形成し難いという問題がある。
また、特許文献１には、モールド型の半導体装置において、封止材の耐熱性を向上させると、封止材の耐湿性が低下する傾向にあるため、パワー半導体素子と封止材との間に耐湿性に優れた有機薄膜を形成することにより、耐熱性の高い封止材を用いることを可能にする方法が提案されている。この方法では、有機薄膜として、パラキシレン系モノマーの気相重合によってポリパラキシレン系ポリマーが形成されている。
また、特許文献１には、モールド型の半導体装置において、封止材の耐熱性を向上させると、封止材の耐湿性が低下する傾向にあるため、パワー半導体素子と封止材との間に耐湿性に優れた有機薄膜を形成することにより、耐熱性の高い封止材を用いることを可能にする方法が提案されている。この方法では、有機薄膜として、パラキシレン系モノマーの気相重合によってポリパラキシレン系ポリマーが形成されている。
しかしなら、パラキシレン系モノマーの気相重合では、良好な膜質のポリパラキシレン系ポリマーが得られ難く、ピンホールなどの欠陥が発生し易い。そのため、金属ベース板及びその上に設けられた部材（例えば、電極パターン）と封止材との間に、このポリパラキシレン系ポリマーを形成すると、金属ベース板及びその上に設けられた部材と封止材との間の接着強度が低下し易い。さらに、ポリパラキシレン系ポリマーの膜強度が弱いため、金属ベース板及びその上に設けられた部材と封止材とが直接接触し易くなり、封止材の劣化に伴って絶縁不良が起こるという問題がある。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、金属ベース板及びその上に設けられた部材と封止材との間の接着強度を確保しつつ、金属ベース板及びその上に設けられた部材と封止材とが高温環境下で直接接触することによる封止材の劣化を抑制することにより、絶縁信頼性を向上させた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を目的とする。
本発明者らは、上記のような問題を解決すべく鋭意研究を行った結果、気相重合膜の中でもフッ素原子含有ポリパラキシレン膜、ポリイミド膜及びポリ尿素膜の膜質が良好であるという知見に基づき、金属ベース板及びその上に設けられた部材と封止材との間に当該気相重合膜を設けることにより、金属ベース板及びその上に設けられた部材と封止材との間の接着強度を高めることができ、しかも金属ベース板及びその上に設けられた部材と封止材とが直接接触することも防止し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、金属ベース板上に設けられた、絶縁層、電極パターン及びパワー半導体素子を少なくとも含む部材が封止材によって封止されたパワー半導体モジュールであって、前記金属ベース板及び前記部材と前記封止材との間に、フッ素原子含有ポリパラキシレン膜、ポリイミド膜及びポリ尿素膜からなる群から選択される少なくとも１種の気相重合膜が形成されていることを特徴とするパワー半導体モジュールである。
また、本発明は、金属ベース板上に設けられた、絶縁層、電極パターン及びパワー半導体素子を少なくとも含む部材が封止材によって封止されたパワー半導体モジュールの製造方法であって、前記金属ベース板上に設けられた前記部材を前記封止材によって封止する前に、前記金属ベース板上に設けられた前記部材の表面に、気相重合を用いてフッ素原子含有ポリパラキシレン膜、ポリイミド膜及びポリ尿素膜からなる群から選択される少なくとも１種の気相重合膜を形成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である。
本発明によれば、金属ベース板及びその上に設けられた部材と封止材との間の接着強度を確保しつつ、金属ベース板及びその上に設けられた部材と封止材とが高温環境下で直接接触することによる封止材の劣化を抑制することにより、絶縁信頼性を向上させた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ができる。
本発明は、金属ベース板上に設けられた、絶縁層、電極パターン及びパワー半導体素子を少なくとも含む部材が封止材によって封止されたパワー半導体モジュール及びその製造方法である。このパワー半導体モジュールにおいて、金属ベース板及び部材と封止材との間には、フッ素原子含有ポリパラキシレン膜、ポリイミド膜及びポリ尿素膜からなる群から選択される少なくとも１種の気相重合膜が形成されている。この気相重合膜は、金属ベース板上に設けられた部材を封止材によって封止する前に、金属ベース板上に設けられた部材の表面に気相重合を用いて形成される。
以下、本発明のパワー半導体モジュール及びその製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
以下、本発明のパワー半導体モジュール及びその製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係るケース型のパワー半導体モジュールの断面図である。
図１において、パワー半導体モジュール１は、金属ベース板２と、金属ベース板２上に設けられたＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板３と、ＤＢＣ基板３上に接合されたパワー半導体素子４とを備えている。ここで、ＤＢＣ基板３とは、セラミックスなどからなる絶縁板５の両面に、銅又は銅合金から形成された回路層（電極パターン６）直接接合された基板である。金属ベース板２又はパワー半導体素子４とＤＢＣ基板３との間の接合方法は、特に限定されないが、半田接合、金属ナノ粒子を用いたダイアタッチ、金属拡散接合、超音波（ＵＳ）接合などの公知の方法を用いて接合されている。また、パワー半導体素子４の間、及びパワー半導体素子４とＤＢＣ基板３の電極パターン６との間は、ワイヤ７を介して接続されており、ＤＢＣ基板３上には外部との接続を可能にするための外部端子８が設けられている。さらに、金属ベース２上には、ＤＢＣ基板３及びパワー半導体素子４などの部品を囲うようにケース９が設けられており、ケース９内に封止材１０が充填されると共に、ケース９の上部に蓋１１が設けられている。
図１は、本実施の形態に係るケース型のパワー半導体モジュールの断面図である。
図１において、パワー半導体モジュール１は、金属ベース板２と、金属ベース板２上に設けられたＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板３と、ＤＢＣ基板３上に接合されたパワー半導体素子４とを備えている。ここで、ＤＢＣ基板３とは、セラミックスなどからなる絶縁板５の両面に、銅又は銅合金から形成された回路層（電極パターン６）直接接合された基板である。金属ベース板２又はパワー半導体素子４とＤＢＣ基板３との間の接合方法は、特に限定されないが、半田接合、金属ナノ粒子を用いたダイアタッチ、金属拡散接合、超音波（ＵＳ）接合などの公知の方法を用いて接合されている。また、パワー半導体素子４の間、及びパワー半導体素子４とＤＢＣ基板３の電極パターン６との間は、ワイヤ７を介して接続されており、ＤＢＣ基板３上には外部との接続を可能にするための外部端子８が設けられている。さらに、金属ベース２上には、ＤＢＣ基板３及びパワー半導体素子４などの部品を囲うようにケース９が設けられており、ケース９内に封止材１０が充填されると共に、ケース９の上部に蓋１１が設けられている。
上記の構造については当該技術分野において公知であるが、本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材（すなわち、ＤＢＣ基板３、パワー半導体素子４、ワイヤ７、外部端子８）と封止材１０との間に、フッ素原子含有ポリパラキシレン膜、ポリイミド膜及びポリ尿素膜からなる群から選択される少なくとも１種の気相重合膜１２が形成されていることを特徴とする。
この気相重合膜１２は、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材と封止材１０とを直接接触させないようにするために形成されている。この気相重合膜１２は、膜質が良好であるため、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材と封止材１０との間の接着強度を高めることができる。また、この気相重合膜１２の存在により、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材と封止材１０とが直接接触しないため、封止材１０の劣化を抑制することができる。さらに、この気相重合膜１２は、酸素透過性が低いことから、封止材１０を劣化し難くすることができる。その結果、剥離、ボイドなどの欠陥が封止材１０に発生することを抑制することができると共に、封止材１０の密着性も低下し難くすることができる。
この気相重合膜１２は、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材と封止材１０とを直接接触させないようにするために形成されている。この気相重合膜１２は、膜質が良好であるため、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材と封止材１０との間の接着強度を高めることができる。また、この気相重合膜１２の存在により、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材と封止材１０とが直接接触しないため、封止材１０の劣化を抑制することができる。さらに、この気相重合膜１２は、酸素透過性が低いことから、封止材１０を劣化し難くすることができる。その結果、剥離、ボイドなどの欠陥が封止材１０に発生することを抑制することができると共に、封止材１０の密着性も低下し難くすることができる。
また、気相重合膜１２は、液状のコーティング剤などを用いて形成される膜と異なり、被覆対象物が凹凸構造を有していても均一な膜を表面に形成することができる。特に、金属ベース板２上に設けられる部材は複雑な凹凸構造を有しているため、液状のコーティング剤などを用いて膜を形成することは適切ではない。実際、凹凸構造を有する被覆対象物の表面に液状のコーティング剤を用いて膜を形成すると、被覆対象物の凹部にコーティング剤が溜まり易いため、被覆対象物の凹部では膜が厚くなり、被覆対象物の凸部では膜が薄くなったり、膜が形成されなかったりすることがある。そのため、液状のコーティング剤を用いて形成された膜では、気相重合膜１２と同様の効果は得られない。
ここで、本明細書において「気相重合膜１２」とは、気相重合によって形成される膜のことを意味する。具体的には、「気相重合膜１２」とは、減圧雰囲気下で加熱することによって気化する化合物を原料として用い、気化させた化合物を、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材に吸着させて重合させることによって形成した膜である。気相重合は、原料の気化炉及び成膜炉を少なくとも有する成膜装置を用いて行うことができる。また、気相重合反応において原料の分解（例えば、ラジカル分解）が要求される場合には、原料の分解炉を成膜装置に設けてもよい。
例えば、フッ素原子含有ポリパラキシレン膜を気相重合によって形成する場合、フッ素原子を含有するパラキシレン系ダイマーを原料として用い、この原料を減圧雰囲気下で加熱して気化させ、さらに加熱してラジカル分解させた後、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材に吸着させて重合させればよい。なお、この気相重合における減圧条件及び加熱条件などは、使用する原料の種類に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。
フッ素原子を含有するパラキシレンダイマーとしては、特に限定されないが、下記の化合物を挙げることができる。これらは単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
フッ素原子を含有するパラキシレンダイマーとしては、特に限定されないが、下記の化合物を挙げることができる。これらは単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
また、フッ素原子を含有するパラキシレン系ダイマーとして上記の式（１−１）の化合物を原料として用いた気相重合反応の一例を下記に示す。
上記の反応式からわかるように、式（１−１）の化合物は、減圧雰囲気下で加熱することにより、気化（昇華）してラジカル分解（熱分解）した後、重合反応が進行する。
また一般に、原料を気化させてラジカル分解させた状態では、分子同士の距離が離れ過ぎているために重合反応させることができないが、気化させてラジカル分解させた原料を金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材に吸着させることにより、分子同士の距離が短くなり、重合反応が起こり易くなる。
また一般に、原料を気化させてラジカル分解させた状態では、分子同士の距離が離れ過ぎているために重合反応させることができないが、気化させてラジカル分解させた原料を金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材に吸着させることにより、分子同士の距離が短くなり、重合反応が起こり易くなる。
ポリイミド膜を気相重合によって形成する場合、テトラカルボン酸無水物及びジアミン化合物を原料として用い、この原料を減圧雰囲気下で加熱して気化させた後、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材に吸着させて重合させればよい。なお、この気相重合では、原料のラジカル分解は行わない。また、この気相重合における減圧条件及び加熱条件などは、使用する原料の種類に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。
テトラカルボン酸無水物としては、特に限定されないが、下記の化合物を挙げることができる。これらは単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
テトラカルボン酸無水物としては、特に限定されないが、下記の化合物を挙げることができる。これらは単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
上記の式中、Ｘ２は、ＣＨ２、ＳＯ２、Ｃ＝Ｏ又はＯを表す。
ジアミン化合物としては、特に限定されないが、下記の化合物を挙げることができる。これらは単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
ジアミン化合物としては、特に限定されないが、下記の化合物を挙げることができる。これらは単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
上記の式中、Ｘ２は上記で定義した通りであり、ｎは、１、２又は３である。
また、テトラカルボン酸無水物及びジアミン化合物を原料として用いた気相重合反応の一例を下記に示す。
また、テトラカルボン酸無水物及びジアミン化合物を原料として用いた気相重合反応の一例を下記に示す。
上記の反応式からわかるように、テトラカルボン酸無水物及びジアミン化合物を減圧雰囲気下で加熱することにより、気化（昇華）した後、重合反応が進行する。
ポリ尿素膜を気相重合によって形成する場合、ジイソシアネート化合物及びジアミン化合物を原料として用い、この原料を減圧雰囲気下で加熱して気化させた後、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材に吸着させて重合させればよい。なお、この気相重合では、原料のラジカル分解は行わない。また、この気相重合における減圧条件及び加熱条件などは、使用する原料の種類に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。
ジイソシアネート化合物としては、特に限定されないが、下記の化合物を挙げることができる。これらは単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
ジイソシアネート化合物としては、特に限定されないが、下記の化合物を挙げることができる。これらは単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
上記の式中、Ｘ１は、Ｈ、Ｆ、Ｃｌ、ＣＨ３又はＣＦ３であり、Ｘ２及びｎは上記で定義した通りである。
ジアミン化合物としては、特に限定されないが、ポリイミド膜の原料として上記で例示したものを用いることができる。
また、ジイソシアネート化合物及びジアミン化合物を原料として用いた気相重合反応の一例を下記に示す。
ジアミン化合物としては、特に限定されないが、ポリイミド膜の原料として上記で例示したものを用いることができる。
また、ジイソシアネート化合物及びジアミン化合物を原料として用いた気相重合反応の一例を下記に示す。
上記の反応式からわかるように、ジイソシアネート化合物は及びジアミン化合物は、減圧雰囲気下で加熱することにより、気化（昇華）した後、重合反応が進行する。なお、気化の際、ジイソシアネート化合物は水酸化物となる。
気相重合膜１２の厚さとしては、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材と封止材１０とを直接接触させないようにすることができる範囲であれば特に限定されないが、一般に１μｍ以上５０μｍ以下、好ましくは１μｍ以上４０μｍ以下、より好ましくは１μｍ以上３０μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下、最も好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。気相重合膜１２の厚さが１μｍ未満であると、ピンホールなどが生じることがある。一方、気相重合膜１２の厚さが５０μｍを超えても効果に違いが見られず、コストが高くなるだけである。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材と封止材１０との間に、上記の気相重合膜１２が形成されていることを特徴としており、それ以外の部材ついては当該技術分野において公知の材料を用いることができる。
金属ベース板２としては、特に限定されないが、銅、アルミ、それらの合金などの各種金属から形成されるベース板が一般に用いられる。
パワー半導体素子４としては、特に限定されないが、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属−酸化物−半導体接合電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などが一般に用いられる。
金属ベース板２としては、特に限定されないが、銅、アルミ、それらの合金などの各種金属から形成されるベース板が一般に用いられる。
パワー半導体素子４としては、特に限定されないが、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属−酸化物−半導体接合電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などが一般に用いられる。
ワイヤ７としては、特に限定されないが、アルミニウムワイヤ、銅ワイヤ、金ワイヤ、銀ワイヤなどが一般に用いられる。
外部端子８としては、特に限定されないが、りん青銅、クロム銅、ベリリウム銅、コルソン銅などの銅合金から一般に形成される。
ケース９及び蓋１１としては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などの樹脂から一般に形成される。
外部端子８としては、特に限定されないが、りん青銅、クロム銅、ベリリウム銅、コルソン銅などの銅合金から一般に形成される。
ケース９及び蓋１１としては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などの樹脂から一般に形成される。
封止材１０としては、パワー半導体モジュール１の種類に応じて適宜設定すればよく、特に限定されないが、シリコーンゲル、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などを用いることができる。その中でも、図１のようなケース型のパワー半導体モジュール１では、シリコーンゲルを用いることが好ましい。これは、シリコーンゲルが低弾性率を有していることから、発生する熱応力が小さく、絶縁板５の割れ、ワイヤ７の断線、接合部の破壊を発生し難くする効果を有するためである。この効果は、大型のパワー半導体モジュール１に適用する場合に特に大きい。他方、シリコーンゲルは、低弾性率であるため、金属材料から形成される部材周辺にボイドが発生し易く、絶縁破壊に繋がる可能性がある。しかしながら、本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、金属ベース板２及び金属ベース板２上に設けられた部材（特に金属材料から形成される部材）とシリコーンゲルとの間に、気相重合膜１２が形成されているため、気泡などの欠陥の発生を抑制することができ、絶縁破壊が起こり難い。
封入材１０として用いられるシリコーンゲルの種類は、特に限定されないが、針入度が４０以上９０以下のシリコーンゲルであることが好ましい。針入度が４０未満であると、ワイヤ７などが細い場合に断線し易くなり、信頼性を確保し難くなることがある。一方、針入度が９０を超えると、クラックなどの欠陥が発生し易くなることがある。
ここで、本明細書において「針入度」とは、ＪＩＳ Ｋ２２０７に従って測定される針入度の値を意味し、針入度の値は１／１０ｍｍが針入度１に相当する。
ここで、本明細書において「針入度」とは、ＪＩＳ Ｋ２２０７に従って測定される針入度の値を意味し、針入度の値は１／１０ｍｍが針入度１に相当する。
上記のような構成を有する実施の形態１のパワー半導体モジュール１によれば、金属ベース板２及びその上に設けられた部材と封止材１０との間の接着強度を確保しつつ、金属ベース板２及びその上に設けられた部材と封止材１０とが高温環境下で直接接触することによる封止材１０の劣化を抑制することができるため、パワー半導体モジュール１の絶縁信頼性を向上させることができる。
実施の形態２．
図２は、本実施の形態に係るパワー半導体モジュールの断面図である。なお、本実施の形態に係るパワー半導体モジュールの基本的な構成は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１と同じであるため、相違点のみ説明する。
図２において、パワー半導体モジュール２０は、金属ベース板２と、金属ベース板２上に設けられた絶縁層２１と、絶縁層２１上に設けられた電極パターン６と、電極パターン６上に接合されたパワー半導体素子４とを備えている。電極パターン６は、銅又は銅合金から形成されている。絶縁層２１は、絶縁有機材料などを用いて金属ベース板２上に形成されている。絶縁層２１と電極パターン６との間、及び電極パターン６とパワー半導体素子４との間の接合方法は、特に限定されないが、半田接合、金属ナノ粒子を用いたダイアタッチ、金属拡散接合、超音波（ＵＳ）接合などの公知の方法を用いて接合されている。また、パワー半導体素子４の間、パワー半導体素子４と電極パターン６との間は、ワイヤ７を介して接続されている。また、電極パターン６は、バスバーなどのＵＳ接合部材２２を介して外部との接続を可能にするための外部端子８と接続されている。さらに、金属ベース２上には、絶縁層２１、電極パターン６、パワー半導体素子４などの部品を囲うようにケース９が設けられており、ケース９内に封止材１０が充填されると共に、ケース９の上部に蓋１１が設けられている。
図２は、本実施の形態に係るパワー半導体モジュールの断面図である。なお、本実施の形態に係るパワー半導体モジュールの基本的な構成は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１と同じであるため、相違点のみ説明する。
図２において、パワー半導体モジュール２０は、金属ベース板２と、金属ベース板２上に設けられた絶縁層２１と、絶縁層２１上に設けられた電極パターン６と、電極パターン６上に接合されたパワー半導体素子４とを備えている。電極パターン６は、銅又は銅合金から形成されている。絶縁層２１は、絶縁有機材料などを用いて金属ベース板２上に形成されている。絶縁層２１と電極パターン６との間、及び電極パターン６とパワー半導体素子４との間の接合方法は、特に限定されないが、半田接合、金属ナノ粒子を用いたダイアタッチ、金属拡散接合、超音波（ＵＳ）接合などの公知の方法を用いて接合されている。また、パワー半導体素子４の間、パワー半導体素子４と電極パターン６との間は、ワイヤ７を介して接続されている。また、電極パターン６は、バスバーなどのＵＳ接合部材２２を介して外部との接続を可能にするための外部端子８と接続されている。さらに、金属ベース２上には、絶縁層２１、電極パターン６、パワー半導体素子４などの部品を囲うようにケース９が設けられており、ケース９内に封止材１０が充填されると共に、ケース９の上部に蓋１１が設けられている。
上記の構造については当該技術分野において公知であるが、本実施の形態のパワー半導体モジュール２０は、絶縁層２１上に設けられた部材（すなわち、電極パターン６、パワー半導体素子４、ワイヤ７、外部端子８、ＵＳ接合部材２２）と封止材１０との間に、フッ素原子含有ポリパラキシレン膜、ポリイミド膜及びポリ尿素膜からなる群から選択される少なくとも１種の気相重合膜１２が形成されていることを特徴とする。
上記のような構成を有する本実施の形態のパワー半導体モジュール２０は、絶縁層２１上に設けられた部材の金属（特に、銅又は銅合金）が高温環境下において酸化することを抑制することができるため、剥離、ボイドなどの欠陥が封止材１０に発生することを抑制することができると共に、封止材１０の密着性も低下し難くすることができる。
上記のような構成を有する本実施の形態のパワー半導体モジュール２０は、絶縁層２１上に設けられた部材の金属（特に、銅又は銅合金）が高温環境下において酸化することを抑制することができるため、剥離、ボイドなどの欠陥が封止材１０に発生することを抑制することができると共に、封止材１０の密着性も低下し難くすることができる。
上記のような構成を有する実施の形態２のパワー半導体モジュール２０によれば、金属ベース板２及びその上に設けられた部材と封止材１０との間の接着強度を確保しつつ、金属ベース板２及びその上に設けられた部材と封止材１０とが高温環境下で直接接触することによる封止材１０の劣化を抑制することができるため、パワー半導体モジュール２０の絶縁信頼性を向上させることができる。
以下、実施例及び比較例によって本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
実施例１では、気相重合膜１２としてフッ素原子含有ポリパラキシレン膜を用いた図１のパワー半導体モジュール１を作製した。
まず、ケース９内に封止材１０を充填してケース９の上部に蓋１１を設ける前の組立品を作製した。すなわち、金属ベース板２である銅板上に、窒化ケイ素からなる絶縁板５の両面にめっきレスの銅からなる電極パターン６が形成されたＤＢＣ基板３を半田接合した後、ＤＢＣ基板３上に、パワー半導体素子４であるＩＧＢＴ及びＦＷＤを半田接合すると共に外部端子８をＵＳ接合した。次に、パワー半導体素子４とＤＢＣ基板３の電極パターン６との間をワイヤボンディングし、ＤＢＣ基板３及びパワー半導体素子４などの部品を囲うように金属ベース２上にＰＰＳ製のケース９を接着剤によって接着した。
（実施例１）
実施例１では、気相重合膜１２としてフッ素原子含有ポリパラキシレン膜を用いた図１のパワー半導体モジュール１を作製した。
まず、ケース９内に封止材１０を充填してケース９の上部に蓋１１を設ける前の組立品を作製した。すなわち、金属ベース板２である銅板上に、窒化ケイ素からなる絶縁板５の両面にめっきレスの銅からなる電極パターン６が形成されたＤＢＣ基板３を半田接合した後、ＤＢＣ基板３上に、パワー半導体素子４であるＩＧＢＴ及びＦＷＤを半田接合すると共に外部端子８をＵＳ接合した。次に、パワー半導体素子４とＤＢＣ基板３の電極パターン６との間をワイヤボンディングし、ＤＢＣ基板３及びパワー半導体素子４などの部品を囲うように金属ベース２上にＰＰＳ製のケース９を接着剤によって接着した。
次に、上記で得られた組立品において、ケース９内を封止材１０で封止する際に封止材１０と接する部分の表面に気相重合膜１２を形成した。すなわち、例えば、封止材１０と接しない部分（例えば、金属ベース板２の裏側表面、外部端子８の上部表面にテフロン（登録商標）テープを貼付けてマスキングした後、図３に示すような、原料の気化炉及び分解炉、並びに成膜炉を有する成膜装置の成膜炉内に組立品を配置した。次に、気化炉内に原料である１０ｇのテトラフルオロパラキシレン環状ダイマー（４，５，７，８，１２，１３，１５、１６オクタフルオロ［２，２］パラシクロフェン）を入れ、気化炉内を１Ｔｏｒｒ（約１３３Ｐａ）、１００℃に設定して原料を気化させた。次に、分解炉内を０．５Ｔｏｒｒ（約６７Ｐａ）、７５０℃に設定し、気化炉内で気化させた原料を分解炉内に誘導してラジカル分解させた。ラジカル分解によって開裂して励起状態となった原料を、４０ｍＴｏｒｒ（約５Ｐａ）、室温（２５℃）に設定した成膜炉に誘導した。そして、この状態を３時間保持することにより、励起状態となった原料を組立品の表面に吸着させて重合し、厚さが３μｍのフッ素原子含有ポリパラキシレン膜を形成した。その後、テフロン（登録商標）テープを組立品から除去した。
次に、ケース９内に封止材１０である２液混合型のシリコーンゲルを注入し、８０℃で１時間硬化させることにより、針入度が６５のシリコーンゲルで封止した。その後、ケース９の上部にＰＰＳ製の蓋１１を配置することにより、パワー半導体モジュール１を得た。
次に、ケース９内に封止材１０である２液混合型のシリコーンゲルを注入し、８０℃で１時間硬化させることにより、針入度が６５のシリコーンゲルで封止した。その後、ケース９の上部にＰＰＳ製の蓋１１を配置することにより、パワー半導体モジュール１を得た。
（実施例２）
実施例２では、気相重合膜１２としてポリイミド膜を用いた図１のパワー半導体モジュール１を作製した。
まず、実施例１と同様にして組立品を作製してテフロン（登録商標）テープでマスキングを行った後、図４に示すような、原料の気化炉及び成膜炉を有する成膜装置の成膜炉内に組立品を配置した。成膜装置は、気化炉を２つ有しており、気化炉（１）にピロメリット酸無水物、気化炉（２）に４，４’−オキシジアニリンを入れた。次に、各気化炉内を１ｍＰａ、１２０℃に設定して、これらの原料を気化させた。次に、成膜炉内を１ｍＰａ、２００℃に設定し、気化炉内で気化させた原料を成膜炉内に誘導した。そして、この状態を２時間保持することにより、気化炉内で気化させた原料を組立品の表面に吸着させて重合し、厚さが２μｍのポリイミド膜を形成した。その後、テフロン（登録商標）テープを組立品から除去した。次に、実施例１と同様にして、シリコーンゲルを注入した後、ケース９の上部に蓋１１を配置することにより、パワー半導体モジュール１を得た。
実施例２では、気相重合膜１２としてポリイミド膜を用いた図１のパワー半導体モジュール１を作製した。
まず、実施例１と同様にして組立品を作製してテフロン（登録商標）テープでマスキングを行った後、図４に示すような、原料の気化炉及び成膜炉を有する成膜装置の成膜炉内に組立品を配置した。成膜装置は、気化炉を２つ有しており、気化炉（１）にピロメリット酸無水物、気化炉（２）に４，４’−オキシジアニリンを入れた。次に、各気化炉内を１ｍＰａ、１２０℃に設定して、これらの原料を気化させた。次に、成膜炉内を１ｍＰａ、２００℃に設定し、気化炉内で気化させた原料を成膜炉内に誘導した。そして、この状態を２時間保持することにより、気化炉内で気化させた原料を組立品の表面に吸着させて重合し、厚さが２μｍのポリイミド膜を形成した。その後、テフロン（登録商標）テープを組立品から除去した。次に、実施例１と同様にして、シリコーンゲルを注入した後、ケース９の上部に蓋１１を配置することにより、パワー半導体モジュール１を得た。
（実施例３）
実施例３では、気相重合膜１２としてポリ尿素膜を用いた図１のパワー半導体モジュール１を作製した。
まず、実施例１と同様にして組立品を作製してテフロン（登録商標）テープでマスキングを行った後、図４に示すような、原料の気化炉及び成膜炉を有する成膜装置の成膜炉内に組立品を配置した。成膜装置は、気化炉を２つ有しており、気化炉（１）に４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、気化炉（２）に４，４’−ジアミノジフェニルメタンを入れた。次に、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネートを入れた気化炉内を６５ｍＰａ、９３℃、４，４’−ジアミノジフェニルメタンを入れた気化炉を６５ｍＰａ、１３５℃にそれぞれ設定し、これらの原料を気化させた。次に、成膜炉内を６５ｍＰａ、６５℃に設定し、気化炉内で気化させた原料を成膜炉内に誘導した。そして、この状態を３時間保持することにより、気化炉内で気化させた原料を組立品の表面に吸着させて重合し、厚さが２μｍのポリ尿素膜を形成した。その後、テフロン（登録商標）テープを組立品から除去した。次に、実施例１と同様にして、シリコーンゲルを注入した後、ケース９の上部に蓋１１を配置することにより、パワー半導体モジュール１を得た。
実施例３では、気相重合膜１２としてポリ尿素膜を用いた図１のパワー半導体モジュール１を作製した。
まず、実施例１と同様にして組立品を作製してテフロン（登録商標）テープでマスキングを行った後、図４に示すような、原料の気化炉及び成膜炉を有する成膜装置の成膜炉内に組立品を配置した。成膜装置は、気化炉を２つ有しており、気化炉（１）に４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、気化炉（２）に４，４’−ジアミノジフェニルメタンを入れた。次に、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネートを入れた気化炉内を６５ｍＰａ、９３℃、４，４’−ジアミノジフェニルメタンを入れた気化炉を６５ｍＰａ、１３５℃にそれぞれ設定し、これらの原料を気化させた。次に、成膜炉内を６５ｍＰａ、６５℃に設定し、気化炉内で気化させた原料を成膜炉内に誘導した。そして、この状態を３時間保持することにより、気化炉内で気化させた原料を組立品の表面に吸着させて重合し、厚さが２μｍのポリ尿素膜を形成した。その後、テフロン（登録商標）テープを組立品から除去した。次に、実施例１と同様にして、シリコーンゲルを注入した後、ケース９の上部に蓋１１を配置することにより、パワー半導体モジュール１を得た。
（比較例１）
比較例１では、気相重合膜１２がない図１のパワー半導体モジュール１を作製した。
すなわち、気相重合膜１２を形成しないこと以外は、実施例１〜３と同様にしてパワー半導体モジュール１を得た。
比較例１では、気相重合膜１２がない図１のパワー半導体モジュール１を作製した。
すなわち、気相重合膜１２を形成しないこと以外は、実施例１〜３と同様にしてパワー半導体モジュール１を得た。
（比較例２）
比較例２では、気相重合膜１２としてポリパラキシレン膜を用いた図１のパワー半導体モジュール１を作製した。
まず、実施例１と同様にして組立品を作製してテフロン（登録商標）テープでマスキングを行った後、図３に示すような、原料の気化炉及び分解炉、並びに成膜炉を有する成膜装置の成膜炉内に組立品を配置した。次に、気化炉内にｐ−キシレン（モノマー）を入れ、気化炉内を１０Ｔｏｒｒ（約１３３３Ｐａ）、６０℃に設定して原料を気化させた。次に、分解炉内を１Ｔｏｒｒ（約１３３Ｐａ）、１１００℃に設定し、気化炉内で気化させた原料を分解炉内に誘導してラジカル分解させた。ラジカル分解によって開裂して励起状態となった原料を、０．５Ｔｏｒｒ（約６７Ｐａ）、５℃に設定した成膜炉に誘導した。そして、この状態を１５時間保持することにより、励起状態となった原料を組立品の表面に吸着させて重合し、ポリパラキシレン膜を形成した。形成されたポリパラキシレン膜は、厚さが不均一であり、不透明白色であった。その後、テフロン（登録商標）テープを組立品から除去した。次に、実施例１と同様にして、シリコーンゲルを注入した後、ケース９の上部に蓋１１を配置することにより、パワー半導体モジュール１を得た。
比較例２では、気相重合膜１２としてポリパラキシレン膜を用いた図１のパワー半導体モジュール１を作製した。
まず、実施例１と同様にして組立品を作製してテフロン（登録商標）テープでマスキングを行った後、図３に示すような、原料の気化炉及び分解炉、並びに成膜炉を有する成膜装置の成膜炉内に組立品を配置した。次に、気化炉内にｐ−キシレン（モノマー）を入れ、気化炉内を１０Ｔｏｒｒ（約１３３３Ｐａ）、６０℃に設定して原料を気化させた。次に、分解炉内を１Ｔｏｒｒ（約１３３Ｐａ）、１１００℃に設定し、気化炉内で気化させた原料を分解炉内に誘導してラジカル分解させた。ラジカル分解によって開裂して励起状態となった原料を、０．５Ｔｏｒｒ（約６７Ｐａ）、５℃に設定した成膜炉に誘導した。そして、この状態を１５時間保持することにより、励起状態となった原料を組立品の表面に吸着させて重合し、ポリパラキシレン膜を形成した。形成されたポリパラキシレン膜は、厚さが不均一であり、不透明白色であった。その後、テフロン（登録商標）テープを組立品から除去した。次に、実施例１と同様にして、シリコーンゲルを注入した後、ケース９の上部に蓋１１を配置することにより、パワー半導体モジュール１を得た。
（比較例３）
比較例３では、気相重合膜１２の代わりに、ポリアミドイミドを１５質量％含む液状のコーティング剤（溶剤は、Ｎ−メチルピドリドン５０質量部、キシレン３５質量部、メチルエチルケトン１５質量部である）を用いてコーティング膜を形成した図１のパワー半導体モジュール１を作製した。
コーティング剤はスプレーを用いて塗布し、８０℃で１時間、１２５℃で１時間、１６０℃で２時間順次乾燥させることによってコーティング膜を形成した。形成されたコーティング膜は、厚さが不均一であり、コーティング膜が形成されない部分も確認された。その後、実施例１〜３と同様にしてパワー半導体モジュール１を得た。
比較例３では、気相重合膜１２の代わりに、ポリアミドイミドを１５質量％含む液状のコーティング剤（溶剤は、Ｎ−メチルピドリドン５０質量部、キシレン３５質量部、メチルエチルケトン１５質量部である）を用いてコーティング膜を形成した図１のパワー半導体モジュール１を作製した。
コーティング剤はスプレーを用いて塗布し、８０℃で１時間、１２５℃で１時間、１６０℃で２時間順次乾燥させることによってコーティング膜を形成した。形成されたコーティング膜は、厚さが不均一であり、コーティング膜が形成されない部分も確認された。その後、実施例１〜３と同様にしてパワー半導体モジュール１を得た。
上記の実施例１〜３及び比較例１〜３で得られたパワー半導体モジュール１について、部分放電試験を行った。
部分放電試験は、作製直後のパワー半導体モジュール１、及び温度４０℃、相対湿度９０％の雰囲気で２日間放置した後のパワー半導体モジュール１に対して行った。具体的には、これらのパワー半導体モジュール１を室温のホットプレート上に載せ、３℃／分の速度で１７５℃まで昇温させて４８時間保持した後、室温まで冷却し、部分放電を測定した。部分放電の評価については、放電電荷量が１０ｐＣ以上となった際に放電開始とみなした。その結果を表１に示す。なお、表１では、作製直後のパワー半導体モジュール１の評価結果を「作製直後」、温度４０℃、相対湿度９０％の雰囲気で２日間放置した後のパワー半導体モジュール１を「２日放置後」と表す。
部分放電試験は、作製直後のパワー半導体モジュール１、及び温度４０℃、相対湿度９０％の雰囲気で２日間放置した後のパワー半導体モジュール１に対して行った。具体的には、これらのパワー半導体モジュール１を室温のホットプレート上に載せ、３℃／分の速度で１７５℃まで昇温させて４８時間保持した後、室温まで冷却し、部分放電を測定した。部分放電の評価については、放電電荷量が１０ｐＣ以上となった際に放電開始とみなした。その結果を表１に示す。なお、表１では、作製直後のパワー半導体モジュール１の評価結果を「作製直後」、温度４０℃、相対湿度９０％の雰囲気で２日間放置した後のパワー半導体モジュール１を「２日放置後」と表す。
表１に示されているように、実施例１〜３のパワー半導体モジュール１は、作製直後及び２日放置後のいずれにおいても、部分放電開始電圧が１５ｋＶを超え、絶縁性が高いことが確認された。
一方、比較例１のパワー半導体モジュール１は、２日放置後の部分放電開始電圧が低下してしまい、絶縁性が低下することが確認された。そこで、比較例１のパワー半導体モジュール１を分解して内部を調査したところ、封止材１０中に気泡が発生しており、特に、電極パターン６の周辺に気泡が多く見られた。作製直後のパワー半導体モジュール１では、このような気泡は見られなかったことから、電極パターン６が酸化し、それにより封止材１０の分解が生じ、気泡が発生したと考えられる。
また、比較例２のパワー半導体モジュール１は、作製直後及び２日放置後のいずれにおいても、部分放電開始電圧が小さく、絶縁性が低いことが確認された。これは、ポリパラキシレン膜の膜質が十分でなく、ピンホールなどの欠陥が生じていたためであると考えられる。
また、比較例３のパワー半導体モジュール１も同様に、作製直後及び２日放置後のいずれにおいても、部分放電開始電圧が小さく、絶縁性が低いことが確認された。これは、コーティング膜の膜質が十分でなく、厚さが不均一であると共に、コーティング膜が形成されない部分が生じていたためであると考えられる。
一方、比較例１のパワー半導体モジュール１は、２日放置後の部分放電開始電圧が低下してしまい、絶縁性が低下することが確認された。そこで、比較例１のパワー半導体モジュール１を分解して内部を調査したところ、封止材１０中に気泡が発生しており、特に、電極パターン６の周辺に気泡が多く見られた。作製直後のパワー半導体モジュール１では、このような気泡は見られなかったことから、電極パターン６が酸化し、それにより封止材１０の分解が生じ、気泡が発生したと考えられる。
また、比較例２のパワー半導体モジュール１は、作製直後及び２日放置後のいずれにおいても、部分放電開始電圧が小さく、絶縁性が低いことが確認された。これは、ポリパラキシレン膜の膜質が十分でなく、ピンホールなどの欠陥が生じていたためであると考えられる。
また、比較例３のパワー半導体モジュール１も同様に、作製直後及び２日放置後のいずれにおいても、部分放電開始電圧が小さく、絶縁性が低いことが確認された。これは、コーティング膜の膜質が十分でなく、厚さが不均一であると共に、コーティング膜が形成されない部分が生じていたためであると考えられる。
以上の結果からわかるように、本発明によれば、高温環境下における封止材１０の機能低下を抑制することにより、信頼性の高いパワー半導体モジュール１，２０及びその製造方法を提供することができる。
１、２０ パワー半導体モジュール、２ 金属ベース板、３ ＤＢＣ基板、４ パワー半導体素子、５ 絶縁板、６ 電極パターン、７ ワイヤ、８ 外部端子、９ ケース、１０ 封止材、１１ 蓋、１２ 気相重合膜、２１ 絶縁層、２２ ＵＳ接合部材。
Claims (15)
- 金属ベース板上に設けられた、絶縁層、電極パターン及びパワー半導体素子を少なくとも含む部材が封止材によって封止されたパワー半導体モジュールであって、
前記金属ベース板及び前記部材と前記封止材との間に、フッ素原子含有ポリパラキシレン膜、ポリイミド膜及びポリ尿素膜からなる群から選択される少なくとも１種の気相重合膜が形成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 前記気相重合膜の厚さが１μｍ以上５０μｍ以下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。
- 前記電極パターンが、銅又は銅合金から形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記封止材が、針入度４０〜９０のシリコーンゲルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記パワー半導体モジュールが、前記金属ベース板の周囲にケースが設けられたケース型のパワー半導体モジュールであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記部材が、前記金属ベース板上に設けられた前記絶縁層と、前記絶縁層上に設けられた前記電極パターンと、前記電極パターン上に設けられた前記パワー半導体素子とを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記部材が、前記金属ベース板上に設けられたＤＢＣ基板と、前記ＤＢＣ基板上に設けられた前記パワー半導体素子とを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
- 金属ベース板上に設けられた、絶縁層、電極パターン及びパワー半導体素子を少なくとも含む部材が封止材によって封止されたパワー半導体モジュールの製造方法であって、
前記金属ベース板上に設けられた前記部材を前記封止材によって封止する前に、前記金属ベース板上に設けられた前記部材の表面に、気相重合を用いてフッ素原子含有ポリパラキシレン膜、ポリイミド膜及びポリ尿素膜からなる群から選択される少なくとも１種の気相重合膜を形成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。 - 前記フッ素原子含有ポリパラキシレン膜が、フッ素原子を含有するパラキシレン系ダイマーを原料とした気相重合により形成され、前記ポリイミド膜が、テトラカルボン酸無水物及びジアミン化合物を原料とした気相重合により形成され、前記ポリ尿素膜が、ジイソシアネート化合物及びジアミン化合物を原料とした気相重合により形成されることを特徴とする請求項８に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
- 前記気相重合膜の厚さが１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項８又は９に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
- 前記電極パターンが、銅又は銅合金から形成されていることを特徴とする請求項８〜１０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。
- 前記封止材が、針入度４０〜９０のシリコーンゲルであることを特徴とする請求項８〜１１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。
- 前記パワー半導体モジュールが、前記金属ベース板の周囲にケースが設けられたケース型のパワー半導体モジュールであることを特徴とする請求項８〜１２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。
- 前記部材が、前記金属ベース板上に設けられた前記絶縁層と、前記絶縁層上に設けられた前記電極パターンと、前記電極パターン上に設けられた前記パワー半導体素子とを含むことを特徴とする請求項８〜１３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。
- 前記部材が、前記金属ベース板上に設けられたＤＢＣ基板と、前記ＤＢＣ基板上に設けられた前記パワー半導体素子とを含むことを特徴とする請求項８〜１３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。
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