JP2022081337A - モジュール型半導体装置およびモジュール型半導体装置の製造方法 - Google Patents

モジュール型半導体装置およびモジュール型半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ケース内部に実装され封止された回路および部品を備えたモジュール型半導体装置であって、密閉性の高いモジュール型半導体装置およびモジュール型半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】金属ベース基板３の周縁に、樹脂成形されたケース４が接着されている。金属ベース基板３のおもて面を底面とし、ケース４の内壁４ａを側壁とする箱状の凹部９の内部に、半導体チップ１および回路基板２が収納されている。蓋７は、凹部９の開口部を塞ぐ。ケース４と蓋７との間の隙間１２の全周にわたって埋め込まれたシール材層１１でケース４と蓋７とが接着され、凹部９の内部が密閉されている。シール材層１１が、ケース４と蓋７との間の隙間１２から外部へ突出する第１突出部１１ａと、ケース４と蓋７との間の隙間１２から凹部９の内部へ突出する第２突出部と、の少なくとも一方を有することで、ケース４と蓋７との接着面積が大きくなっている。【選択図】図１

Description

この発明は、モジュール型半導体装置およびモジュール型半導体装置の製造方法に関する。
近年、パワー半導体素子としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を実装（搭載）したパワー半導体モジュール（以下、ＩＧＢＴパワーモジュールとする）を中心として、パワー半導体モジュールが電力変換装置に広く用いられるようになっている。パワー半導体モジュールは、ＩＧＢＴやダイオード等のパワー半導体素子を含む複数の回路や部品を１ユニット（機能単位）として集積したモジュール型半導体装置である。
パワー半導体モジュールは、変換（電圧や電流、周波数等の入力信号の変換）や接続（外部部品のオン・オフ）等の機能の一部または全体を構成する１つ以上のパワー半導体素子が形成された半導体チップを内蔵し、当該半導体チップと、金属ベース基板または当該金属ベース基板に接合された冷却ベースと、の間を電気的に絶縁した構造を有する。従来のパワー半導体モジュールの構造について、一般的なＩＧＢＴパワーモジュールを例に説明する。図１０は、従来のモジュール型半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
図１０に示す従来のモジュール型半導体装置１１０は、パワー半導体素子としてＩＧＢＴが形成された半導体チップ１０１を、回路基板１０２に実装したパワー半導体モジュールである。半導体チップ１０１の裏面は、回路基板１０２のおもて面の導電性板１２２にはんだ接合されている。回路基板１０２の裏面の金属箔１２３は、金属ベース基板１０３のおもて面にはんだ接合されている。回路基板１０２は、絶縁基板１２１の両面にそれぞれ導電性板１２２および金属箔１２３を有する積層基板である。
金属ベース基板１０３の周縁には、樹脂成形されたケース１０４が接着されている。金属ベース基板１０３およびケース１０４で囲まれ、金属ベース基板１０３のおもて面を底面とし、金属ベース基板１０３と直交するケース１０４の内壁１０４ａを側壁とする箱状の凹部１０９内に回路基板１０２が収納されている。ケース１０４には、外部接続用端子１０５が一体成形（インサート成形）され固定されている。外部接続用端子１０５は、Ｌ字状の断面形状を有する棒状の配線部材である。
外部接続用端子１０５の一端は、ケース１０４の外部に露出されている。外部接続用端子１０５の他端は凹部１０９内に露出され、ワイヤ１０６により、回路基板１０２のおもて面の導電性板１２２や、半導体チップ１０１のおもて面の表（ひょう）面電極に電気的に接続されている。蓋１０７は、ケース１０４の内壁１０４ａに嵌め合わされて、金属ベース基板１０３のおもて面に対向して配置され、凹部１０９の開口部を塞ぐ。蓋１０７は、ケース１０４を構成する樹脂と同一の樹脂で構成される。
凹部１０９の内部には、シリコーンゲルからなる封止材１０８が充填されている。封止材１０８は、回路基板１０２の側面（絶縁基板１２１の沿面および金属箔１２３の端部）、回路基板１０２のおもて面の半導体チップ１０１や導電性板１２２、およびワイヤ１０６等を覆って電気的に絶縁し、外部環境から機械的、物理的および化学的に保護する。金属ベース基板１０３の裏面には、冷却ベースが接合されている。冷却ベースは、半導体チップ１０１で発生して回路基板１０２を介して伝わる熱を放熱フィン部へ伝導する。
従来のパワー半導体モジュールとして、金属ベース基板の周縁にケースを接着して形成される凹部に半導体チップを収納して封止した構造を有し、金属ベース基板とケースとの接着剤による接着部分と、封止材と、の間に、接着剤による封止材に対する応力を緩和する中間層を設けた半導体モジュールが提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。下記特許文献１では、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物に、シリコーンゴム等の添加粒子を配合することで中間層を形成することが開示されている。
また、下記特許文献１には、中間層の弾性率は、封止材の弾性率より小さく、かつ接着剤の弾性率より大きく、３ＧＰａ～１０ＧＰａ程度であることが開示されている。また、１ＭＰａ～１０ＭＰａ程度の弾性率の低いシリコーンゴム等の添加粒子を樹脂組成物に所定量よりも多く配合すると、中間層の樹脂組成物としての強度が低下するため、弾性率の高い添加粒子（１ＧＰａ～１０Ｐａ程度）を樹脂組成物に配合して添加粒子の配合比を少なくすることで、中間層の強度低下を抑制することが開示されている。
特開２０１８－１９５７２６号公報
近年、電動機駆動用インバータの普及に伴い、パワー半導体モジュールの使用環境は多岐にわたり、硫化水素（Ｈ2Ｓ）等の腐食ガス環境下でインバータを使用する機会が増えている。また、大容量化によりパワー半導体モジュールの発熱量は増加し、高温での使用も増えている。一方、下水処理場、製紙工場、タイヤ製造工場などの加硫・脱硫工程を行う環境では、硫化ガス雰囲気の環境下に、パワー半導体モジュール（上述した図１０示す従来のモジュール型半導体装置１１０）等を含むインバータシステムが設置される。
上述したように従来のモジュール型半導体装置１１０では、凹部１０９の開口部を塞ぐ蓋１０７はケース１０４の内壁１０４ａに嵌め合わされただけであるため、腐食ガス雰囲気の環境下で、ケース１０４と蓋１０７との間の隙間から凹部１０９内に腐食ガスが侵入する。凹部１０９内の回路基板１０２や半導体チップ１０１等の回路および部品を覆うシリコーンゲル（封止材１０８）は気体透過性が高いため、凹部１０９内に侵入した腐食ガスはシリコーンゲルを透過し、シリコーンゲルの下の回路および部品に到達してしまう。
このようにシリコーンゲルを透過した腐食ガスにより、凹部１０９内の回路および部品が腐食して短期間で故障してしまう。ケース１０４と蓋１０７との間の隙間をシール材層（不図示）で埋めることで凹部１０９内への腐食ガスの侵入を防止することができるが、パワー半導体モジュールの発熱や使用環境の高温化による熱応力により、パワー半導体モジュール自体に反りや捻じれが生じて、シール材層に割れが生じ、シール材層の割れが生じた部分から凹部１０９内に水や腐食ガスが侵入してしまうという問題がある。
この発明は、上述した従来技術による課題を解消するため、ケース内部に実装され封止された回路および部品を備えたモジュール型半導体装置であって、密閉性の高いモジュール型半導体装置およびモジュール型半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかるモジュール型半導体装置は、次の特徴を有する。半導体チップおよび導電性板を実装した基板の周縁にケースが接着されている。前記ケースは、前記基板の、前記半導体チップおよび前記導電性板を実装した第１主面の周囲を囲む。凹部は、前記基板の前記第１主面を底面とし、前記ケースの内壁を側壁とする箱状であり、内部に前記半導体チップおよび前記導電性板を収納する。封止材は、前記半導体チップおよび前記導電性板を覆う。前記ケースの内部に蓋が配置されている。
前記蓋は、一方の第２主面が前記基板の前記第１主面に対向し、かつ前記基板の前記第１主面との間に前記半導体チップおよび前記導電性板が配置された状態で前記凹部の開口部を塞ぐ。第１接着剤層は、前記ケースと前記蓋との第１隙間を塞いで、前記ケースの内壁と前記蓋の側面とを接着する。前記第１接着剤層は、第１突出部と、第２突出部と、の少なくともいずれか一方を有する。前記第１突出部は、前記ケースの内壁と、前記蓋の他方の第３主面と、に接触した状態で前記第１隙間から外部へ突出する。前記第２突出部は、前記ケースの内壁と、前記蓋の前記第２主面と、に接触した状態で前記第１隙間から前記凹部の内部へ突出する。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置は、上述した発明において、前記蓋の側面に、前記ケースの内壁に接触する第３突出部を有することを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置は、上述した発明において、前記第１隙間の幅は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置は、上述した発明において、前記第１接着剤層の引張弾性率は、１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置は、上述した発明において、前記ケースの内壁の全周にわたって、前記ケースの内壁と直交する方向に前記ケースの内壁から前記凹部の内部へ所定幅で突起する蓋受け部をさらに備える。前記蓋は、前記蓋受け部に載置されることで、前記ケースの内部の所定位置に配置されている。前記第１接着剤層は前記第１突出部のみを有することを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置は、上述した発明において、配線部材および第２接着剤層をさらに備える。前記配線部材は、両端に開放端を有し、前記ケースに一体成形され、前記開放端の一方が前記ケースの外部に露出され、前記開放端の他方が前記半導体チップまたは前記導電性板に電気的に接続されている。前記第２接着剤層は、前記ケースと前記配線部材との第２隙間を塞いで、前記ケースと前記配線部材との対向する表面同士を接着する。前記第２接着剤層は、前記ケースと前記配線部材との対向する各表面にそれぞれ接触した状態で前記第２隙間から外部へ突出する第４突出部を有することを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置は、上述した発明において、前記第１突出部が前記蓋の側面から前記第３主面の上を延在する幅は、１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置は、上述した発明において、前記第１突出部が前記蓋の前記第３主面から離れる方向に前記ケースの内壁に沿って延在する長さは、１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置は、上述した発明において、前記第２突出部が前記蓋の側面から前記第２主面の上を延在する幅は、１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置は、上述した発明において、前記第２突出部が前記蓋の前記第２主面から離れる方向に前記ケースの内壁に沿って延在する長さは、１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置は、上述した発明において、前記第１接着剤層は、縮合反応型のシリコーン系接着剤からなることを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置は、上述した発明において、前記封止材は、シリコーンゲルからなることを特徴とする。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかるモジュール型半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。基板の、半導体チップおよび導電性板を実装した第１主面を底面とし、前記基板の周縁に接着されて、前記第１主面の周囲を囲むケースの内壁を側壁とする箱状の凹部の内部に封止材を封入して、前記凹部の内部に収納された前記半導体チップおよび前記導電性板を前記封止材で覆う第１工程を行う。前記第１工程の後、一方の第２主面が前記基板の前記第１主面に対向し、かつ前記基板の前記第１主面との間に前記半導体チップおよび前記導電性板が配置された状態となる蓋を前記ケースの内部に配置して、当該蓋で前記凹部の開口部を塞ぐ第２工程を行う。
前記ケースと前記蓋との第１隙間を塞いで、前記ケースの内壁と前記蓋の側面とを接着する第１接着剤層を形成する第３工程を行う。前記第３工程では、第１突出部と、第２突出部と、の少なくともいずれか一方を有する前記第１接着剤層を形成する。前記第１突出部は、前記ケースの内壁と、前記蓋の他方の第３主面と、に接触した状態で前記第１隙間から外部へ突出する。前記第２突出部は、前記ケースの内壁と、前記蓋の前記第２主面と、に接触した状態で前記第１隙間から前記凹部の内部へ突出する。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第３工程では、前記第１隙間に第１接着剤を塗布して、前記第１隙間に前記第１接着剤を埋め込むとともに、前記第１隙間から突出して外部に残る前記第１接着剤で前記第１突出部を形成することを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第２工程では、前記ケースの内壁の全周にわたって、前記ケースの内壁と直交する方向に前記ケースの内壁から前記凹部の内部へ所定幅で突起する蓋受け部に前記蓋を載置することで、前記ケースの内部の所定位置に前記蓋を配置することを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１接着剤は、縮合反応型のシリコーン系接着剤であり、前記第１接着剤の粘度は、５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１工程の後、前記第２工程の前に、前記蓋の端部の全周にわたって第２接着剤を塗布する第４工程をさらに含む。前記第３工程では、前記第２工程において前記蓋を前記ケースの内部に配置する際に、前記蓋を前記ケースの内部の所定位置まで押し込むことで、前記第１隙間に前記第２接着剤を埋め込み、かつ前記第１隙間から突出して前記凹部の内部に残る前記第２接着剤で前記第２突出部を形成することを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第２接着剤は、縮合反応型のシリコーン系接着剤である。前記第２接着剤は、５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかるモジュール型半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１隙間の幅は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする。
上述した発明によれば、第１接着剤層の耐衝撃性を向上させることができ、第１接着剤層に割れが生じることを抑制することができる。
本発明にかかるモジュール型半導体装置およびモジュール型半導体装置の製造方法によれば、ケース内部に実装され封止された回路および部品を備えたモジュール型半導体装置であって、密閉性の高いモジュール型半導体装置を提供することができるという効果を奏する。
実施の形態にかかるモジュール型半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。 実施の形態にかかるモジュール型半導体装置の構造の別例を模式的に示す断面図である。 実施の形態にかかるモジュール型半導体装置の構造の別例を模式的に示す断面図である。 図１の一部を拡大して示す拡大図である。 図２の一部を拡大して示す拡大図である。 図３の一部を拡大して示す拡大図である。 実施の形態にかかるモジュール型半導体装置の別例を蓋７側から見た状態を示す平面図である。 実施例１のシール材層の信頼性を検証した結果を示す図表である。 実施例２のケースと蓋との間の隙間の幅を検証した結果を示す図表である。 従来のモジュール型半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるモジュール型半導体装置およびモジュール型半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（実施の形態）
実施の形態にかかるモジュール型半導体装置の構造について説明する。図１は、実施の形態にかかるモジュール型半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。図２，３は、実施の形態にかかるモジュール型半導体装置の構造の別例を模式的に示す断面図である。図４～６は、それぞれ図１～３の一部を拡大して示す拡大図である。図４～６には、シール材層（第１接着剤層）１１を拡大して示す。図７は、実施の形態にかかるモジュール型半導体装置の別例を蓋７側から見た状態を示す平面図である。
図１～３に示す実施の形態１にかかるモジュール型半導体装置１０ａ～１０ｃは、パワー半導体素子を形成した１つ以上の半導体チップ１を回路基板２に実装（搭載）したパワー半導体モジュールである。半導体チップ１は、パワー半導体素子として例えばＩＧＢＴやダイオード等が形成されている。半導体チップ１には、シリコン（Ｓｉ）や炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの様々な半導体材料を使用可能である。半導体材料の異なる複数の半導体チップ１が１つの回路基板２に実装されてもよい。
例えば、実施の形態１にかかるモジュール型半導体装置１０ａ～１０ｃは、Ｓｉ－ＩＧＢＴが形成された半導体チップ１と、ＳｉＣ－ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ショットキーバリアダイオード）が形成された半導体チップ１と、を回路基板２に実装したハイブリッド半導体モジュールとすることができる。複数の半導体チップ１が同一の回路基板２に実装されていてもよいし、各半導体チップ１がそれぞれ異なる回路基板２に実装されていてもよい。
半導体チップ１の裏面の表（ひょう）面電極（裏面電極）は、回路基板２のおもて面の第１導電性板２２にはんだ等で接合されている。回路基板２の裏面の第２導電性板２３は、金属ベース基板３のおもて面にはんだ等で接合されている。回路基板２は、絶縁基板２１の両面にそれぞれ第１，２導電性板２２，２３を有する積層基板である。第１導電性板２２は、絶縁基板２１のおもて面（第１主面）に所定の回路パターンで形成されている。第２導電性板２３は、絶縁基板２１の裏面の全体に形成された金属箔である。
絶縁基板２１の材料は、電気絶縁性や熱伝導性に優れた材料であり、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などが挙げられる。特に高耐圧用途では、絶縁基板２１の材料は、電気絶縁性および熱伝導率ともに有することがよく、これに限定しないが、例えばＡｌＮやＳｉＮである。第１，２導電性板２２，２３は、加工性に優れた銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属で形成され、その表面が防錆効果を有するニッケル（Ｎｉ）めっき等でめっき処理されていてもよい。
第１，２導電性板２２，２３は、例えば、直接接合（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）法を用いて絶縁基板２１に直接接合されてもよいし、ろう材接合（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ）法を用いてろう材を介して絶縁基板２１に接合されてもよい。図１～３には、絶縁基板２１のおもて面に互いに離れて２つの第１導電性板２２を配置（実装）し、一方の第１導電性板２２（左側）に半導体チップ１を接合し、他方（右側）の第１導電性板２２に外部接続用端子（配線部材）５を電気的に接続した場合を示す。
金属ベース基板３は、熱伝導性に優れたＣｕやＡｌなどの金属で形成された例えば略矩形状の平面形状の放熱板である。金属ベース基板３の表面は、腐食防止効果を有するＮｉ膜やＮｉ合金膜で覆われていてもよい。金属ベース基板３の裏面は、冷却ベース部（不図示）に接合されている。冷却ベースは、半導体チップ１や回路基板２の回路パターン（第１導電性板２２）で発生し、回路基板２を介して伝わる熱を放熱フィン部へ伝導する。放熱フィン部は、複数の放熱フィンを有し、冷却ベース部から伝導された熱を放散する。なお、金属ベース基板３自体が放熱フィン部などの冷却装置であっても良い。
金属ベース基板３の周縁に、樹脂成形されたケース４の下端が接着されている。ケース４は略矩形筒状をなし、金属ベース基板３のおもて面の周囲を囲む。金属ベース基板３のおもて面を底面とし、金属ベース基板３のおもて面と直交するケース４の内壁４ａを側壁とする箱状の凹部９が形成されている。この凹部９の内部に、半導体チップ１および回路基板２等の回路や部品が収納されている。ケース４の材料は、例えばポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂である。
ケース４には、１つ以上の外部接続用端子５が一体成形（例えばインサート成形）され固定されている。各外部接続用端子５は、凹部９内の異なる回路や部品の電位を外部へ引き出すための棒状の配線部材であり、例えばＬ字状の断面形状を有する。外部接続用端子５のＬ字状をなす一方の直線部は金属ベース基板３のおもて面に対して直立した状態でケース４にインサート成形され、その開放端（外部接続用端子５の一端）はケース４の上端（金属ベース基板３側に対して反対側の端部）から凹部９の外部に露出されている。
外部接続用端子５のＬ字状をなす他方の直線部は金属ベース基板３のおもて面に平行に延在し、その開放端（外部接続用端子５の他端）は凹部９内に露出されている。外部接続用端子５の他端は、ワイヤ６により、半導体チップ１のおもて面の表（ひょう）面電極（おもて面電極）や、回路基板２の第１導電性板２２に電気的に接続されている。ワイヤ６は、例えばアルミニウムボンディングワイヤ（金属細線）である。ワイヤ６に代えて、例えばボンディングワイヤよりも幅広のリード（導電体）が配置されていてもよい。
また、ケース４には、ケース４の上端付近において内壁４ａの全周にわたって、突起状の蓋受け部１３が設けられていてもよい。蓋受け部１３は、後述する蓋７を所定位置で保持する機能を有する。蓋受け部１３は、蓋７の端部を保持可能な所定幅で、ケース４の内壁４ａと直交する方向に凹部９内へ突起している。蓋受け部１３は、ケース４の内壁４ａの全周にわたって略矩形枠状に設けられていてもよいし、ケース４の内壁４ａの同じ高さ位置（金属ベース基板３のおもて面から同じ距離）に選択的に設けられていてもよい。
蓋７は、蓋受け部１３の上面（金属ベース基板３側に対して反対側の面）に接して配置され、蓋受け部１３によってケース４の内壁４ａの所定位置に保持されている。蓋７は、金属ベース基板３のおもて面に対向し、凹部９の開口部を塞ぐ。蓋７は、図１等に示すように、凹部９の内部に設けられることが好ましい。蓋７が凹部９内（ケース４の内側）に配置され、かつ後述するシール材層１１の材料として所定の機械特性を有するシール材を用いることにより、熱応力によるケース４（モジュール）の変形に対してシール材層１１での割れや剥離などを防ぐことができる。
蓋７は、ケース４の内寸（凹部９の幅）とほぼ同じ幅か、またはケース４の内寸よりも若干狭い幅の略矩形状の平面形状を有する。なお、蓋７とケース４の線膨張係数は１×１０-5／Ｋ～５×１０-5／Ｋの範囲とすることが、シール材層１１に加わる熱応力の点から好ましい。また、蓋７は、ケース４を構成する樹脂と同一の樹脂で構成されることが好ましい。蓋７とケース４とが同一の種類の樹脂部材であると、ケース４の線膨張係数と蓋７の線膨張係数とは同程度になり、シール材層１１に加わる熱応力を低減することができるので好ましい。蓋７の側面７ｃは、シール材層１１を介してケース４の内壁４ａに接着されている。
凹部９の内部には、後述するように弾性率の低いシリコーンゲルからなる封止材８が充填されるが、封止材８に代えてエポキシ樹脂等を充填してもよい。その場合は、凹部９内の半導体チップ１や回路基板２、ワイヤ６等の回路および部品上に、これらの回路および部品を覆うように、図示省略するプライマー（ｐｒｉｍｅｒ）層が積層されていてもよい。プライマー層は、下層の金属（半導体チップ１のおもて面電極や、回路基板２の第１導電性板２２）やワイヤ６などの導電性配線部材と封止材との密着性を向上させる機能や、応力を緩和する機能や、下層への後述する封止材８の吸収を防止する機能を有する。プライマー層は、例えばポリアミド、ポリイミド、またはポリアミドイミドを含む樹脂からなる層である。
凹部９の内部には、弾性率の低いシリコーンゲルからなる封止材８が充填されている。具体的には、封止材８の弾性率は、１００ＭＰａ以下程度であることが好ましい。凹部９の内部での配線接続がワイヤーボンディングである場合、封止材８の弾性率が上記範囲を超えると、ワイヤ６が切断する虞があるため好ましくない。封止材８は、回路基板２の側面（絶縁基板２１の沿面および第２導電性板２３の端部）、回路基板２のおもて面の半導体チップ１や第１導電性板２２、およびワイヤ６等の回路および部品を覆って保護するとともに、外部環境と電気的に絶縁し、外部環境から機械的、物理的および化学的に保護する。封止材８は、蓋７の、金属ベース基板３に対向する面（以下、下面（第２主面）とする）７ｂに接していてもよい。
なお、封止材８の表面にはうねりや凹凸が生じる場合があり、その場合は、蓋７は封止材８と接する部分と空気層を介在する部分が混在することになる。このため、蓋７に加わる下側（封止材８側）からの応力は均一ではなくなるので、蓋７と封止材８の間に０．１ｍｍから１ｍｍの厚さの空気層を介して蓋７を設けても良い。また、封止材８から直接蓋７に加わる応力より、空気層を介して受ける応力の方が低いのでこの点においては空気層を介した方が好ましい。
シール材層１１は、蓋７の、金属ベース基板３側に対して反対側の面（以下、上面（第３主面）とする）７ａから、ケース４と蓋７との間の隙間（第１隙間）１２に埋め込まれて、ケース４の内壁４ａと蓋７の側面（端部）７ｃとの間に介在する。シール材層１１は、ケース４と蓋７との間の隙間１２を当該隙間１２の全周にわたって塞ぐ。このシール材層１１を介してケース４の内壁４ａと蓋７の側面７ｃとが接着され、凹部９の内部が密閉されている。シール材層１１は、蓋受け部１３に接触（粘着）していてもよい。
また、シール材層１１は、ケース４と蓋７との間の隙間１２の全周にわたって、ケース４の内壁４ａおよび蓋７の上面７ａに接して、ケース４と蓋７との間の隙間１２から外部へ突出する第１突出部１１ａを有する。シール材層１１の第１突出部１１ａは、蓋７の上面７ａから離れる方向（上方）に、ケース４の内壁４ａに沿ってケース４の内壁４ａ上を延在し、蓋７の上面７ａから所定高さ（長さ）ｈａで突出している。シール材層１１の第１突出部１１ａは、ケース４の内壁４ａから離れる方向に、蓋７の上面７ａに沿って蓋７の側面７ｃから上面７ａ上を所定幅ｗ１ａで延在している（図４参照）。
シール材層１１に第１突出部１１ａを設けることで、凹部９の内部の密閉性が確保される。シール材層１１の第１突出部１１ａの高さｈａおよび幅ｗ１ａは、それぞれ例えば１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下程度の範囲内であることがよい。シール材層１１の第１突出部１１ａの高さｈａおよび幅ｗ１ａを上記下限値以上とすることで、凹部９の内部の密閉性をさらに向上させることができる。シール材層１１の第１突出部１１ａの高さｈａおよび幅ｗ１ａが上記上限値を超えると、凹部９の内部の密閉性が低くなるため、好ましくない。具体的には、熱応力によるケース４（モジュール）の変形に対して、外部に露出したシール材層１１に加わる歪が大きくなり、シール材層１１がケース４や蓋７から剥離しやすくなるためである。
シール材層１１の材料には、例えば、シーリングに用いられる接着剤を使用することができる。シーリングとは、継ぎ目や隙間に接着剤となる所定材料を充填して当該継ぎ目や隙間を塞ぐことで、密閉性（例えば気密性および水密性）を向上させることである。そして、シール材層１１の材料は、例えば、加熱することなく、１０℃以上５０℃以下程度の温度で硬化する室温硬化型の接着剤（樹脂）であることが好ましい。その理由は、加熱硬化型の接着剤（樹脂）を加熱して硬化させる際に、封止材８が膨張したり、蓋７と封止材８との間の空間が膨張したりすることで、ケース４の内圧が上昇するからである。
ケース４の内圧が上昇することによって、加熱硬化型の接着剤が硬化する前に、当該接着剤と蓋７およびケース４との間に隙間ができてしまい、ケース４の密閉性を損なうという問題が生じる。特に封止材８がシリコーンゲルの場合、封止材８の線膨張係数が大きいことで、蓋７と封止材８との間の空間の内圧が上昇し、ケース４の密閉性は低下する。このため、上述したようにシール材層１１の材料は室温硬化型の接着剤であることが好ましい。具体的には、シール材層１１の材料は、空気中の湿気と反応して硬化する縮合反応型のシリコーン系接着剤を用いてもよく、例えば信越化学工業（登録商標）のシリコーン系接着剤ＫＥ－４９４８－Ｇ（商標）が挙げられる。
シール材層１１の材料をタックフリータイム（指触乾燥時間）の短い室温硬化型の縮合反応型接着剤とすることで、シール材層１１の材料を所定箇所に塗布した後に当該材料を硬化するための熱処理を必要としない。このため、シール材層１１を短時間で形成することができるとともに、製造工程を簡略化することができる。シール材層１１の引張弾性率は、例えばシリコーン系接着剤に、原子同士または分子同士の架橋密度を高くする添加剤（架橋剤）を適量添加することで調整可能である。シール材層１１の添加剤は、例えばアセトキシ基、アルコキシ基、およびケトキシム基等を有する多官能シラン化合物である。
シール材層１１の材料の粘度は、例えば、室温（２５℃程度）で５０Ｐａ・ｓ（パスカル・秒）以上３００Ｐａ・ｓ以下程度の範囲内であることがよい。シール材層１１の材料の粘度が上記範囲内であればシール材層１１の材料を飛散させたり、シール材層１１の材料が垂れ落ちたり、シール材層１１の内部に空孔を形成することなく、シール材層１１を所定の箇所に形成できる。特に、シール材層１１の材料が室温硬化型の接着剤である場合、シール材層１１の材料が短時間に硬化するので、シール材層１１を所定の箇所へ形成するためには、シール材層１１の材料の粘度が上述の範囲内であることが好ましい。
ケース４と蓋７との間の隙間１２の幅ｗ２は、例えば１ｍｍ以上３ｍｍ以下程度の範囲内であることがよい。シール材層１１の材料の粘度と、ケース４と蓋７との間の隙間１２の幅ｗ２と、を上記条件とすることで、シール材層１１が所定位置に配置され、かつシール材層１１の所定形状が維持されるため、凹部９の内部の密閉性を確実に確保することができる。
モジュール型半導体装置１０ａ～１０ｃのケース４と蓋７との間の隙間１２にシール材層１１を埋め込む場合、シール材層１１の引張弾性率は、例えば、１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下程度の範囲内であることがよい。シール材層１１の引張弾性率を上記数値範囲内にすることで、機械的衝撃（応力）や熱的衝撃によってシール材層１１に割れが生じることを防止することができるため、凹部９の内部の密閉性を確保することができる。耐衝撃性を要求されない用途での使用であれば、シール材層１１の引張弾性率を６０ＭＰａ以下程度の範囲内まで高くしてもよい。
シール材層１１を形成するには、例えば、凹部９の内部に収納された半導体チップ１や回路基板２等の回路および部品を封止材８で封止した後、蓋７を蓋受け部１３の上面に接触させて所定位置に配置して凹部９の開口部を塞ぐ。その後、ケース４と蓋７との間の隙間１２の全周に、上方（蓋７の上面７ａ側）からシール材層１１の材料を塗布して埋め込めばよい。ケース４と蓋７との間の隙間１２はシール材層１１で埋め込まれ、シール材層１１の材料の、ケース４と蓋７との間の隙間１２に埋め込まれずに残る部分が当該隙間１２から上方に扇状の断面形状で突出する第１突出部１１ａとなる。
シール材層１１の材料に加熱により硬化する材料を用いる場合、シール材層１１の材料を塗布した後に、例えば、８０℃以上１５０℃以下程度の範囲内の温度の熱処理を、１０分間以上１時間以下程度の範囲で行う。このようなシール材層１１を硬化するための熱処理を行う場合、パワー半導体モジュール内部の圧力変動によりシール材層１１に欠陥が発生する。このため、上述したように、シール材層１１の材料は、シール材層１１の材料を硬化するための熱処理を必要としない材料であることが望ましい。
シール材層１１は、第１突出部１１ａに代えて、ケース４と蓋７との間の隙間１２の全周にわたって、ケース４の内壁４ａおよび蓋７の下面７ｂに接して、ケース４と蓋７との間の隙間１２から凹部９の内部へ突出する第２突出部１１ｂを有していてもよい（図２，５参照）。シール材層１１の第２突出部１１ｂは、蓋７の下面７ｂから離れる方向（下方）に、ケース４の内壁４ａに沿ってケース４の内壁４ａ上を延在し、蓋７の下面７ｂから所定高さ（長さ）ｈｂで突出している。シール材層１１の第２突出部１１ｂは、ケース４の内壁４ａから離れる方向に、蓋７の下面７ｂに沿って蓋７の側面７ｃから蓋７の下面７ｂ上を所定幅ｗ１ｂで延在している。
この場合、シール材層１１を形成するには、例えば、蓋７の取付時に、予め蓋７の下面７ｂの端部の全周にシール材層１１の材料を塗布してから、蓋７をケース４の内壁４ａに嵌め合わせて所定位置まで下方（金属ベース基板３側）に押し込めばよい。これにより、シール材層１１の材料がケース４と蓋７との間の隙間１２に下方から埋め込まれ、シール材層１１の材料の、ケース４と蓋７との間の隙間１２に埋め込まれずに残る部分が当該隙間１２から凹部９の内部に扇状の断面形状で突出する第２突出部１１ｂとなる。
シール材層１１は、第１，２突出部１１ａ，１１ｂともに有していてもよい（図３，６参照）。この場合、シール材層１１を形成するには、上述したように第２突出部１１ｂが形成されるように蓋７をケース４の内壁４ａに嵌め合わせた後、ケース４と蓋７との間の隙間１２の全周に、上方（蓋７の上面７ａ側）からシール材層１１の材料を塗布すればよい。ケース４と蓋７との間の隙間１２に上方および下方からそれぞれ埋め込まれたシール材層１１の材料は互いに接触してもよいし、離れていてもよい。
シール材層１１が第２突出部１１ｂを有する場合、蓋受け部１３を設けなくても良い（図２，３，５，６参照）。シール材層１１の第２突出部１１ｂの高さ（下方に突出する高さ）ｈｂおよび幅ｗ１ｂそれぞれの好ましい数値範囲は、シール材層１１の第１突出部１１ａの高さ（上方に突出する高さ）ｈａおよび幅ｗ１ａそれぞれの好ましい数値範囲と同じである。シール材層１１の第１，２突出部１１ａ，１１ｂの寸法は、上述した好ましい数値範囲を満たしていればよく、略同じ寸法であってもよいし、異なる寸法であってもよい。
上述したように、シール材層１１の第１，２突出部１１ａ，１１ｂは、シール材層１１を形成するために塗布された材料のうち、ケース４と蓋７との間の隙間１２に埋め込まれずに蓋７の上面７ａ上および下面７ｂ上にそれぞれ残る部分で形成される。このため、後述するように、シール材層１１の第１，２突出部１１ａ，１１ｂは、ケース４と蓋７との間の隙間１２の幅ｗ２と、シール材層１１の材料の粘度と、をそれぞれ所定条件にすることで、所定形状に形成することができる。
ケース４と蓋７との間の隙間１２だけでなく、凹部９の内部と外部との間に生じた他の隙間（不図示：第２隙間）にも、シール材層１１と同じ構成でシール材層（不図示：第１接着剤層）が設けられてもよい。凹部９の内部と外部との間に生じた他の隙間とは、例えば、ケース４と外部接続用端子５との間に生じた隙間である。ケース４と外部接続用端子５との間の隙間にシール材層が形成される場合、当該シール材層は、第１突出部１１ａと略同じ条件で、ケース４の上端および外部接続用端子５の表面それぞれから離れる方向に扇状の断面形状で突出する突出部（第４突出部）を有する。ケース４および外部接続用端子５にも熱応力が生じ、ケース４と外部接続用端子５との間に隙間などを生じやすいが、ケース４と外部接続用端子５との間の隙間に埋め込むシール材層を本実施の形態１の形状や機械特性にすることにより、当該シール材層の剥離や割れなどを抑制して、ケース４の密閉性を保つことができる。
蓋７の側面７ｃに突出部（第３突出部）７ｄが設けられていてもよい（図７参照）。例えば、略矩形状の平面形状の蓋７の４辺の端部のそれぞれに１つずつ突出部７ｄが設けられている。また、突出部７ｄは、蓋７の各辺の中央部に配置されることが好ましい。そして、突出部７ｄは、蓋７の平面部（上面７ａ、下面７ｂ）と平行に外側（ケース４の内壁４ａ側）に張り出すように設けられる。蓋７は、突出部７ｄにおいて、ケース４の内壁４ａに接し、ケース４の内壁４ａに嵌め合わされる。
蓋７の側面７ｃの突出部７ｄの平面形状は、円弧上の１点でケース４の内壁４ａに接する円弧状（すなわち半円状）であることがよい。これにより、蓋７の側面７ｃの突出部７ｄにかかる応力を低減することができる。熱応力によるケース４（モジュール）の変形に応じて、シール材層１１には、蓋７の側面７ｃ側からの圧縮応力および蓋７の側面７ｃ側への引張応力が加わるとともに、捻じれるように曲げ応力が加わるが、蓋７の側面７ｃに突起部７ｄが存在することで、シール材層１１に加わるこれらの応力を低減することができる。
ケース４の内壁４ａと蓋７の側面７ｃの突出部７ｄ（ケース４との接触点以外の部分）との間の隙間には、シール材層１１が充填される。蓋７の側面７ｃの突出部７ｄは、図１～３に示すモジュール型半導体装置１０ａ～１０ｃのすべてに適用可能である。蓋７の側面７ｃの突出部７ｄの上面（蓋７の上面７ａ側の面）や下面（蓋７の下面７ｂ側の面）にシール材層１１の第１，２突出部１１ａ，１１ｂが形成されていてもよい。蓋７の側面７ｃの突出部７ｄの下面（金属ベース基板３に対向する面）が蓋受け部１３や封止材８に接していてもよい。
（実施例１）
シール材層１１について、図１のパワー半導体モジュール（モジュール型半導体装置１０ａ）を試作して、後述の信頼性を評価した。具体的には、シール材層１１の引張弾性率について検証した。図８は、実施例１のシール材層の信頼性を検証した結果を示す図表である。実施例１、比較例および参照例について、衝撃試験、ヒートサイクル試験および腐食ガス試験にて信頼性を評価した結果を図８に示す。実施例１は、上述した図１，４に示す実施の形態１にかかるモジュール型半導体装置１０ａである。比較例が実施例１と異なる点はシール材層の材料である。実施例１および比較例は、それぞれ引張弾性率の異なる材料でシール材層を形成した複数の試料を用意した。
実施例１の試料１～４のシール材層１１は、それぞれ引張弾性率１ＭＰａ、２０ＭＰａ、５０ＭＰａおよび６０ＭＰａのシリコーン系接着剤（常温での粘度１２０Ｐａ・ｓ）で形成した。比較例の試料１，２のシール材層は、それぞれ引張弾性率２５００ＭＰａのエポキシ樹脂、および引張弾性率９０ＭＰａのポリウレタン樹脂で形成した。参照例は従来のモジュール型半導体装置１１０（図１０参照）であり、シール材層を設けていない（シール無し）以外の構成は実施例１と同様である。
シール材層の引張弾性率は、ラップシェア試験(ＪＩＳ（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ：日本産業規格）のＫ６８５０等)にて、ひずみ－応力曲線を測定し、その傾きから算出した。実施例１の試料１～４および比較例の試料１，２ともに、シール材層の材料の硬化は、シール材層の各材料ごとの所定の標準硬化条件で行った。
衝撃試験では、落下衝撃試験機を用いて、加速度（衝撃の強さの指標）を５００Ｇとし、衝撃の作用時間（パルス幅）を１．０ｍｓとした衝撃パルス（正弦波形）の衝撃を互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ各方向にそれぞれ３回ずつ加えた後、シール材層の割れなどを顕微鏡で観察した。ヒートサイクル試験では、－４５℃から１５５℃までの温度変化を常温を介して３００回繰り返した。腐食ガス試験では、半導体チップ（ＩＧＢＴチップ）を通電したまま、１０００ｐｐｍの濃度の硫化水素（Ｈ2Ｓ）雰囲気に３０日間放置した。
図８に示す結果から、実施例１においては、試料１～４のいずれにおいてもパワー半導体モジュール内部（凹部９の内部）への腐食ガス流入を抑制することができ、パワー半導体モジュール内部の半導体チップ１や回路基板２等が腐食しないことが確認された（腐食ガス試験「ＯＫ」）。また、試料１～４のいずれにおいても周囲温度の変化（熱的衝撃）による問題は生じなかった（ヒートサイクル試験「ＯＫ」）。しかし、実施例１の試料４（シール材層１１の引張弾性率が６０ＭＰａ）においては、機械的衝撃によりシール材層１１と被着体（ケース４または蓋７）との間に非常に小さな欠陥（数μｍのひび割れか、またはシール材層１１の剥離など）が発生した（衝撃試験「△」）。但し、この欠陥はヒートサイクル試験や腐食ガス試験をしても問題のない程度であった。
したがって、機械的衝撃性が要求されない用途であれば、シール材層１１の引張弾性率が６０ＭＰａ以下程度であってもよく、車載などの機械的衝撃性が要求される用途での使用の場合には、シール材層１１の引張弾性率は５０ＭＰａ以下（衝撃試験「ＯＫ」）とすることがより好ましいことが確認された。一方、比較例では、実使用において、機械的衝撃や周囲温度の変化によりシール材層と被着体の間に欠陥が発生し（シール材層の割れやひび）、パワー半導体モジュール内部の密閉性を十分に得られず、腐食抑制効果が得られないことが確認された（衝撃試験、ヒートサイクル試験および腐食ガス試験ともに「ＮＧ」）。
また、参照例では、蓋１０７がケース１０４の内壁１０４ａに嵌め合わされただけであるため、腐食ガス試験において、ケース１０４と蓋１０７との間の隙間から凹部１０９内に腐食ガスが侵入し、半導体チップ１０１や回路基板１０２等が腐食することが確認された（衝撃試験「ＯＫ」、ヒートサイクル試験「ＯＫ」、腐食ガス試験「ＮＧ」）。なお、図８の衝撃試験において、「ＯＫ」はシール材層に割れやひびが生じなかったことであり、「△」は衝撃性が要求されない用途でシール材層に割れやひびが生じなかったことであり、「ＮＧ」はシール材層に割れやひびが生じたことである。
図８のヒートサイクル試験において、「ＯＫ」はシール材層に割れやひびが生じなかったことであり、「ＮＧ」はシール材層に割れやひびが生じたことである。腐食ガス試験において「ＯＫ」は、パワー半導体モジュール内部の密閉性を確保することができ、パワー半導体モジュール内部の回路および部品が腐食しなかったことであり、腐食ガス試験において「ＮＧ」は、パワー半導体モジュール内部に腐食ガスが侵入して、パワー半導体モジュール内部の回路および部品が腐食したことである。
（実施例２）
ケース４と蓋７との間の隙間１２の幅ｗ２を、図９に示すように１ｍｍから５ｍｍまでに種々変更した図１のパワー半導体モジュールを試作して検証した。図９は、実施例２のケースと蓋との間の隙間の幅を検証した結果を示す図表である。ケース４と蓋７との間の隙間１２の幅ｗ２が大きすぎる場合、シール材層１１の材料（シール材）がケース４と蓋７との間の隙間１２へ流れ込んで、シール材層１１の第１，２突出部１１ａ，１１ｂの所定形状を維持することが困難となる。また、ケース４と蓋７との間の隙間１２にシール材層１１の材料が流れ込んでしまうと、シール材層１１が所定位置に形成されない。
シール材層１１が所定位置（ケース４と蓋７との間の隙間１２と、蓋７の上面７ａもしくは下面７ｂまたはその両方と）に形成されないと、シール材層１１とケース４の内壁４ａとの接触面（以下、シール面積とする）と、シール材層１１と蓋７の上面７ａもしくは下面７ｂとの接触面積（シール面積）またはその両方と、が変動し、シール材層１１の信頼性を正しく評価することができないため、シール材層１１を所定形状に維持する必要がある。シール材層１１の形状維持には、シール材層１１の材料の粘度が影響する。
シール材層１１の材料の粘度が高いほど、シール材層１１の形状維持に優れているが、その反面、作業性が損なわれる。そこで、上述した図１，４に示す実施の形態１にかかるモジュール型半導体装置１０ａ（以下、実施例２とする）について、ケース４と蓋７との間の隙間１２の幅ｗ２と、シール材層１１の材料の粘度と、を種々変更して複数の試料を作製し、シール材層１１のシール面積を確認することで、ケース４と蓋７との間の隙間１２の幅ｗ２の最大許容幅を検証した結果を図９に示す。
実施例２は、実施例１のシール材層１１と同じシリコーン系接着剤（常温での粘度１２０Ｐａ・ｓ）でシール材層１１を形成した試料１と、この試料と同じシリコーン系接着剤を８０℃で加温して意図的に増粘させ、塗布作業に支障のない３００Ｐａ・ｓ程度の粘度に調整したシリコーン系接着剤でシール材層１１を形成した試料２と、を用意した。これら実施例２の試料１，２はそれぞれ、ケース４と蓋７との間の隙間１２の幅ｗ２を１ｍｍ、３ｍｍおよび５ｍｍとした３つの試料を作製した。
図９に示す結果から、ケース４と蓋７との間の隙間１２の幅ｗ２が３ｍｍ以下の場合、実施例２の試料１のシール材層１１（材料の常温での粘度１２０Ｐａ・ｓ）および実施例２の試料２のシール材層１１（材料を増粘させた粘度３００Ｐａ・ｓ）ともに所定形状に維持され、所定のシール面積が得られることが確認された（形状維持「ＯＫ」）。一方、ケース４と蓋７との間の隙間１２の幅ｗ２が５ｍｍの場合、実施例２の試料２では、シール材層１１が変形し、試料１と比べて、シール材層１１のシール面積が若干小さくなることが確認された（形状維持「△」）。
したがって、パワー半導体モジュール内部（凹部９の内部）の密閉性を確保するには、ケース４と蓋７との間の隙間１２の幅ｗ２は３ｍｍ以下程度であることが好ましいことが確認された。すなわち、ケース４と蓋７との間の隙間１２を１ｍｍ以上３ｍｍ以下程度とし、シール材層１１の材料の粘度を１２０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下程度にすることが好ましく、この条件であれば、所定位置に所定形状のシール材層１１を形成することができる。
図９において「ＯＫ」は、シール材層１１の所定形状が維持され、シール材層１１の所定のシール面積を確保することができたことである。「△」は、シール材層１１が若干変形し、所定位置からズレが生じ、シール材層１１の所定のシール面積が若干小さくなることである。図示省略するが、上述した図２，３に示す実施の形態１にかかるモジュール型半導体装置１０ｂ，１０ｃにおいても実施例１，２と同様の効果が得られる。
以上、説明したように、実施の形態によれば、パワー半導体モジュール内部と外部との間に生じた隙間(ケースと蓋との間の隙間や、ケースと外部接続用端子との間の隙間)に所定の物性を有するシール材層を埋め込むことで、パワー半導体モジュール内部を密閉する。シール材層は、パワー半導体モジュール内部と外部との間に生じた隙間から外部へ突出する第１突出部、もしくは、パワー半導体モジュール内部と外部との間に生じた隙間からパワー半導体モジュール内部へ突出する第２突出部、またはその両方を有する。
パワー半導体モジュール内部と外部との間に生じた隙間にシール材層を設けることで、当該隙間をシール材層で塞ぐことができ、パワー半導体モジュール内部を密閉することができる。そして、シール材層が第１，２突出部の少なくとも一方を有することで、シール材層の耐衝撃性を向上させることができ、シール材層に割れが生じることを抑制することができる。これによって、外部からパワー半導体モジュール内部への腐食ガス侵入を低減することができ、パワー半導体モジュールの耐腐食ガス性を向上させることができる。
また、実施の形態によれば、パワー半導体モジュール内部に半導体チップ等の回路および部品を実装して封止した後に、パワー半導体モジュール内部と外部との間に生じている隙間にシール材層を形成する。このため、既存のパワー半導体モジュールに適用したとしても、パワー半導体モジュールの構成部材や実装条件を再検討する必要がなく、既存のパワー半導体モジュールの性能や信頼性を維持することができ、かつ既存のパワー半導体モジュールに簡便かつ安価に耐腐食ガス性を付加することができる。
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
以上のように、本発明にかかるモジュール型半導体装置およびモジュール型半導体装置の製造方法は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用されるパワー半導体モジュールに有用であり、特に腐食ガス環境下でインバータシステムを用いるパワー半導体モジュールに適している。
１ 半導体チップ
２ 回路基板
３ 金属ベース基板
４ ケース
４ａ ケースの内壁
５ 外部接続用端子
６ ワイヤ
７ 蓋
７ａ 蓋の上面
７ｂ 蓋の下面
７ｃ 蓋の側面
７ｄ 蓋の側面の突出部
８ 封止材
９ 凹部
１０ａ～１０ｃ モジュール型半導体装置
１１ シール材層
１１ａ シール材層の第１突出部
１１ｂ シール材層の第２突出部
１２ ケースと蓋との間の隙間
１３ 蓋受け部
２１ 回路基板の絶縁基板
２２ 回路基板の第１導電性板
２３ 回路基板の第２導電性板
ｈａ シール材層の第１突出部の高さ
ｈｂ シール材層の第２突出部の高さ
ｗ１ａ シール材層の第１突出部の幅
ｗ１ｂ シール材層の第２突出部の幅
ｗ２ ケースと蓋との間の隙間の幅
ケース４と蓋７との間の隙間１２だけでなく、凹部９の内部と外部との間に生じた他の隙間（第２隙間）にも、シール材層１１と同じ構成でシール材層（第２接着剤層）が設けられてもよい。凹部９の内部と外部との間に生じた他の隙間とは、例えば、ケース４と外部接続用端子５との間に生じた隙間１５である。ケース４と外部接続用端子５との間の隙間１５にシール材層１４が形成される場合、当該シール材層１４は、第１突出部１１ａと略同じ条件で、ケース４の上端および外部接続用端子５の表面それぞれから離れる方向に扇状の断面形状で突出する突出部（第４突出部）１４ａを有する。ケース４および外部接続用端子５にも熱応力が生じ、ケース４と外部接続用端子５との間に隙間１５などを生じやすいが、ケース４と外部接続用端子５との間の隙間１５に埋め込むシール材層１４を本実施の形態１の形状や機械特性にすることにより、当該シール材層１４の剥離や割れなどを抑制して、ケース４の密閉性を保つことができる。

Claims (19)

  1. 半導体チップおよび導電性板を実装した基板と、
    前記基板の周縁に接着されて、前記基板の、前記半導体チップおよび前記導電性板を実装した第１主面の周囲を囲むケースと、
    前記基板の前記第１主面を底面とし、前記ケースの内壁を側壁とする箱状であり、内部に前記半導体チップおよび前記導電性板を収納する凹部と、
    前記半導体チップおよび前記導電性板を覆う封止材と、
    前記ケースの内部に配置され、一方の第２主面が前記基板の前記第１主面に対向し、かつ前記基板の前記第１主面との間に前記半導体チップおよび前記導電性板が配置された状態で前記凹部の開口部を塞ぐ蓋と、
    前記ケースと前記蓋との第１隙間を塞いで、前記ケースの内壁と前記蓋の側面とを接着する第１接着剤層と、
    を備え、
    前記第１接着剤層は、
    前記ケースの内壁と、前記蓋の他方の第３主面と、に接触した状態で前記第１隙間から外部へ突出する第１突出部と、
    前記ケースの内壁と、前記蓋の前記第２主面と、に接触した状態で前記第１隙間から前記凹部の内部へ突出する第２突出部と、
    の少なくともいずれか一方を有することを特徴とするモジュール型半導体装置。
  2. 前記蓋の側面に、前記ケースの内壁に接触する第３突出部を有することを特徴とする請求項１に記載のモジュール型半導体装置。
  3. 前記第１隙間の幅は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のモジュール型半導体装置。
  4. 前記第１接着剤層の引張弾性率は、１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載のモジュール型半導体装置。
  5. 前記ケースの内壁の全周にわたって、前記ケースの内壁と直交する方向に前記ケースの内壁から前記凹部の内部へ所定幅で突起する蓋受け部をさらに備え、
    前記蓋は、前記蓋受け部に載置されることで、前記ケースの内部の所定位置に配置されており、
    前記第１接着剤層は前記第１突出部のみを有することを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載のモジュール型半導体装置。
  6. 両端に開放端を有し、前記ケースに一体成形され、前記開放端の一方が前記ケースの外部に露出され、前記開放端の他方が前記半導体チップまたは前記導電性板に電気的に接続された配線部材と、
    前記ケースと前記配線部材との第２隙間を塞いで、前記ケースと前記配線部材との対向する表面同士を接着する第２接着剤層と、
    をさらに備え、
    前記第２接着剤層は、前記ケースと前記配線部材との対向する各表面にそれぞれ接触した状態で前記第２隙間から外部へ突出する第４突出部を有することを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載のモジュール型半導体装置。
  7. 前記第１突出部が前記蓋の側面から前記第３主面の上を延在する幅は、１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載のモジュール型半導体装置。
  8. 前記第１突出部が前記蓋の前記第３主面から離れる方向に前記ケースの内壁に沿って延在する長さは、１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１～７のいずれか一つに記載のモジュール型半導体装置。
  9. 前記第２突出部が前記蓋の側面から前記第２主面の上を延在する幅は、１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１～８のいずれか一つに記載のモジュール型半導体装置。
  10. 前記第２突出部が前記蓋の前記第２主面から離れる方向に前記ケースの内壁に沿って延在する長さは、１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１～９のいずれか一つに記載のモジュール型半導体装置。
  11. 前記第１接着剤層は、縮合反応型のシリコーン系接着剤からなることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一つに記載のモジュール型半導体装置。
  12. 前記封止材は、シリコーンゲルからなることを特徴とする請求項１～１１のいずれか一つに記載のモジュール型半導体装置。
  13. 基板の、半導体チップおよび導電性板を実装した第１主面を底面とし、前記基板の周縁に接着されて、前記第１主面の周囲を囲むケースの内壁を側壁とする箱状の凹部の内部に封止材を封入して、前記凹部の内部に収納された前記半導体チップおよび前記導電性板を前記封止材で覆う第１工程と、
    前記第１工程の後、一方の第２主面が前記基板の前記第１主面に対向し、かつ前記基板の前記第１主面との間に前記半導体チップおよび前記導電性板が配置された状態となる蓋を前記ケースの内部に配置して、当該蓋で前記凹部の開口部を塞ぐ第２工程と、
    前記ケースと前記蓋との第１隙間を塞いで、前記ケースの内壁と前記蓋の側面とを接着する第１接着剤層を形成する第３工程と、
    を含み、
    前記第３工程では、
    前記ケースの内壁と、前記蓋の他方の第３主面と、に接触した状態で前記第１隙間から外部へ突出する第１突出部と、
    前記ケースの内壁と、前記蓋の前記第２主面と、に接触した状態で前記第１隙間から前記凹部の内部へ突出する第２突出部と、
    の少なくともいずれか一方を有する前記第１接着剤層を形成することを特徴とするモジュール型半導体装置の製造方法。
  14. 前記第３工程では、前記第１隙間に第１接着剤を塗布して、前記第１隙間に前記第１接着剤を埋め込むとともに、前記第１隙間から突出して外部に残る前記第１接着剤で前記第１突出部を形成することを特徴とする請求項１３に記載のモジュール型半導体装置の製造方法。
  15. 前記第２工程では、前記ケースの内壁の全周にわたって、前記ケースの内壁と直交する方向に前記ケースの内壁から前記凹部の内部へ所定幅で突起する蓋受け部に前記蓋を載置することで、前記ケースの内部の所定位置に前記蓋を配置することを特徴とする請求項１４に記載のモジュール型半導体装置の製造方法。
  16. 前記第１接着剤は、縮合反応型のシリコーン系接着剤であり、
    前記第１接着剤の粘度は、５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする請求項１４または１５に記載のモジュール型半導体装置の製造方法。
  17. 前記第１工程の後、前記第２工程の前に、前記蓋の端部の全周にわたって第２接着剤を塗布する第４工程をさらに含み、
    前記第３工程では、前記第２工程において前記蓋を前記ケースの内部に配置する際に、前記蓋を前記ケースの内部の所定位置まで押し込むことで、前記第１隙間に前記第２接着剤を埋め込み、かつ前記第１隙間から突出して前記凹部の内部に残る前記第２接着剤で前記第２突出部を形成することを特徴とする請求項１３または１４に記載のモジュール型半導体装置の製造方法。
  18. 前記第２接着剤は、縮合反応型のシリコーン系接着剤であり、
    前記第２接着剤は、５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする請求項１７に記載のモジュール型半導体装置の製造方法。
  19. 前記第１隙間の幅は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１３～１８のいずれか一つに記載のモジュール型半導体装置の製造方法。
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