JP2023007133A - パワー半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型高密度化と絶縁性の維持と信頼性とを並立したパワー半導体装置を提供する。
【解決手段】
パワー半導体装置は、導体板および前記導体板上に搭載された半導体素子を封止樹脂で封止した回路体と、前記回路体の少なくとも一方の面に対向配置された冷却器と、前記回路体と前記冷却器との間に配置された絶縁部材と、を備え、前記絶縁部材は、前記冷却器に接着されている絶縁シートと、前記絶縁シートにおいて前記回路体側の表面に接着されている導体層と、前記回路体と前記冷却器の間に充填され、前記絶縁シートおよび前記導体層を覆うように形成される電気絶縁性放熱グリースと、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、パワー半導体装置に関する。

本願発明の背景技術として、下記の特許文献１では、パワーモジュールの２つの導体板間に大きい絶縁距離を確保可能にする目的で、冷却器に絶縁シートが接合され、絶縁シートに導体が接合されている構成が開示されている。

特許６１１６４１６号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、半導体素子に流す電流が大電流化した場合、冷却器と絶縁シート間、絶縁シートと導体板間もしくは絶縁シートと接合材間、接合材と半導体素子を搭載する導体板間に応力が発生し、それぞれの界面で剥離や亀裂が発生する課題が生じる。そこで本発明は、小型高密度化と絶縁性の維持と信頼性とを並立したパワー半導体装置を提供することが目的である。

本発明のパワー半導体装置は、導体板および前記導体板上に搭載された半導体素子を封止樹脂で封止した回路体と、前記回路体の少なくとも一方の面に対向配置された冷却器と、前記回路体と前記冷却器との間に配置された絶縁部材と、を備え、前記絶縁部材は、前記冷却器に接着されている絶縁シートと、前記絶縁シートにおいて前記回路体側の表面に接着されている導体層と、前記回路体と前記冷却器の間に充填され、前記絶縁シートおよび前記導体層を覆うように形成される電気絶縁性放熱グリースと、を有する。

小型高密度化と絶縁性の維持と信頼性とを並立したパワー半導体装置を提供できる。

従来技術を採用したパワー半導体装置の断面図である。 図１のＡ部の拡大図である。 本発明のパワー半導体装置の第１の実施形態の断面構造を示す図である。 図３のＢ部の拡大図である。 本発明のパワー半導体装置の第２の実施形態の断面構造を示す図である。 図５のＣ部の拡大図である。 本発明のパワー半導体装置の第３の実施形態の断面構造を示す図である。 本発明のパワー半導体装置の第４の実施形態の断面構造を示す図である。 本発明のパワー半導体装置の第５の実施形態の断面構造を示す図である。 本発明のパワー半導体装置の平面図である。 従来技術と本発明との比較を示す部分放電試験の結果を表す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

（従来技術と課題の説明）
図１は、従来技術を採用したパワー半導体装置の断面図である。図２は、図１のＡの拡大図である。なお、パワー半導体装置１００は、従来技術の構成はパワー半導体装置１００ａとして説明する。

パワー半導体装置の構成について説明する。パワー半導体装置１００ａは、半導体素子１，２と、導体板１１，１２，２１，２２とを有する回路体と冷却器１３，２３とを備えている。パワー半導体装置１００ａでは、冷却器１３，２３の表面には絶縁部材として絶縁シート１４，２４が接着されている。また、絶縁シート（高熱伝導樹脂絶縁シート）１４，２４と回路体の導体板１１，１２との間には、絶縁部材として電気絶縁性グリース１５，２５が設置されている。電気絶縁性グリース１５，２５は、回路体と冷却器１３，２３の間に充填され、絶縁シート１４，２４を覆うように形成されている。

冷却器１３，２３は、回路体が有する半導体素子１，２の発熱を放熱している。また、冷却器１３，２３と絶縁シート１４，２４の間に空気が巻き込まれないように、冷却器１３，２３と絶縁シート１４，２４との接着には真空プレスを用いた。半導体素子１，２は、導体板１１，１２および導体板１１，１２上に搭載され、封止樹脂３で封止（トランスファーモールド）されることで回路体として機能している。絶縁シート１４，２４の回路体側の表面と回路体とは、絶縁シート１４，２４や接合部材で固着されていないことで、絶縁シート１４，２４と回路体の導体板１１，１２側との間、絶縁シート１４，２４と接合材との間において、剥離や亀裂の発生を防止している。

なお、第１の導体板１１、第２の導体板１２として銅板を用い、はんだなどの接合部材（図示せず）を介して、第１の導体板１１の一方の面にパワー半導体素子（ＩＧＢＴ）１を、第２の導体板１２の一方の面にパワー半導体素子（ダイオード）２を接合する。また、冷却器１３，２３は必ずしも回路体を両面で挟む構成でなく、回路体の一方の面だけを冷却するように冷却器１３，２３を設置してもよい。

続いて、ＩＧＢＴ１のゲート端子と制御端子導体との間をワイヤー（図示なし）で電気的に接続し、その後、パワー半導体素子１，２の反対側の面にも接合部材を介して、第３の導体板２１と第４の導体板２２とを接合した。そして、トランスファーモールドによって、導体板のパワー半導体素子との接合面の反対側の面が露出するように、パワー半導体および導体板を封止樹脂３で絶縁封止し、回路体を完成させた。冷却器１３、２３は、内部に水路を形成したアルミニウム製の冷却器を用いた。

なお、導体板のパワー半導体素子との接合面の反対側の面が封止樹脂で覆われた場合、研削で封止樹脂を取り除いてもよい。導体板のパワー半導体素子との接合面の反対側の面を露出させるのは放熱性を高めるためである。

しかしながら、従来構造の装置では、図２に示すように、絶縁シート１４，２４と回路体の導体板１１，１２との間の電気絶縁性グリース１５，２５中に空気溜まりであるボイド４（気泡）が存在する場合、導体板１１，１２と冷却器１３，２３との間に印加された電圧による電界が、比誘電率の小さいボイド４や空気溜まりに集中し、高電圧が印加された場合にはボイド４や空気溜まりで部分放電が発生する可能性がある。

この部分放電が継続的に発生する状態で半導体装置１００ａを使用し続けると、絶縁シート１４，２４が絶縁破壊される可能性がある。また、絶縁シート１４，２４の厚さを厚くすることで部分放電を抑制することは可能であるが、熱抵抗が増加し、半導体素子１，２で発生した熱を放熱することができなくなる。つまり電圧に対する絶縁性と放熱性とを両立させるためには、半導体装置において、半導体素子に流す電流を大電流化して温度上昇が大きくなった場合に、冷却器１３，２３、絶縁樹脂シート１４，２４、導体板１１，１２の各材料の熱膨張係数の差によって、冷却器１３，２３と絶縁樹脂シート１４，２４、絶縁樹脂シート１４，２４と導体板１１，１２、それぞれの間に応力が発生し、発熱と冷却の繰り返しの温度サイクルによって、それぞれの界面に剥離が発生するのを防ぐ必要がある。

（第１の実施形態）
図３は本発明のパワー半導体装置の第１の実施形態の断面構造を示す図、図４は図３のＢの拡大図である。なお、パワー半導体装置の平面から見た構成を説明に用いるために図１０を説明で使用する。

本発明の実施形態では、基本構造は従来技術と同様である。従来技術と異なる点は、絶縁シート１４，２４が冷却器１３，２３に接着する面とは反対側の面に導体層（導体箔）１６，２６が形成されている点である。導体層１６，２６は、それぞれ回路体の第１から第４の導体板１１，１２，２１，２２と対向する位置に形成されており、銅箔のエッチングにより、図１０で示すような形状に加工されている。本実施形態では、回路体の導体板の外周形状と、絶縁シート１４，２４の表面に形成された導体層の外周形状はほぼ同じ形状に加工されている。

このようにすることで、図２で前述したようにボイド４が発生したとしても、導体層１６，２６によって部分放電を以下で説明するように防止することができ、絶縁シート１４，２４の劣化および絶縁破壊を抑制し、装置の絶縁信頼性を確保できる。また、これに伴い、絶縁シート１４，２４の薄肉化による高放熱化も実現可能となるため、放熱性の向上ならびに小型高密度化にも貢献できる。

（本発明の原理）
回路体の導体板１１，１２，２１，２２と冷却器１３，２３との間に課せられた電圧は、絶縁シート１４，２４と電気絶縁性グリース１５，２５の容量比で分圧される。そして、絶縁シート１４，２４の回路体側表面に接着された導体層１６，２６の電位は、その分圧された電圧と同電位となる。よって放熱グリース１５，２５中にボイド４や空気溜まりが存在しても、導体層１６，２６は分圧された電位に固定されるので、ボイド４や空気溜まりへの電界集中を抑制でき、部分放電を防止できる。

また、放熱グリース１５，２５の厚さが極めて薄く、回路体の導体板１１，１２，２１，２２と絶縁シート１４，２４表面に形成された導体層１６，２６が接触し、電気的に同電位となる場合も考えられる。この場合、絶縁シート１４，２４と導体層１６，２６が密着されて接着されているのでボイド４の存在は無く、部分放電が発生するための空間が無いので部分放電は発生しない。

（第２の実施形態）
図５は、本発明のパワー半導体装置の第２の実施形態の断面構造を示す図である。図６は、図５のＣ部の拡大図である。

本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、絶縁シート１４，２４の表面に形成される導体層１６，２６の外周縁が、回路体の導体板１１，１２，２１，２２それぞれの表面（封止樹脂３から露出している部分）の外周縁よりも、距離Ｘ分外周側に形成されていることである。このようにすることで、電気絶縁性グリース１５，２５中に形成されるボイド４が回路体の導体板１１，１２，２１，２２の外周に位置した場合（図６参照）や、冷却器１３，２３と回路体とが位置ずれした場合に、前述した本発明の効果が低減してしまうことを防止できる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明のパワー半導体装置の第３の実施形態の断面構造を示す図である。

本実施形態が第１および第２の実施形態と異なる点は、導体層１６、２６が絶縁シート１４，２４に埋め込まれるように接着されている点である。なお、導体層１６、２６の外周縁が、回路体の導体板１１，１２，２１，２２それぞれの表面の外周縁よりも、距離Ｘ分外周側に形成されている点は第２の実施形態と同様である。このようにすることで、高電圧印加時の導体層１６、２６の端部での部分放電の発生を抑制できる。

（第４の実施形態）
図８は、本発明のパワー半導体装置の第４の実施形態の断面構造を示す図である。

本実施形態が第１～第３の実施形態と異なる点は、絶縁シート１４，２４の回路体側表面に接着される導体層１６、２６のそれぞれの端部に、回路体の封止樹脂３よりも低弾性の絶縁性樹脂１７、２７を設けて被覆している点である。なお、導体層１６、２６の外周縁が、回路体の導体板１１，１２，２１，２２それぞれの表面の外周縁よりも、距離Ｘ分外周側に形成されている点は第２の実施形態と同様である。

本実施形態の低弾性の絶縁性樹脂１７，２７にはシリコーン接着材を使用したが、封止樹脂３よりも低弾性の絶縁性樹脂１７，２７であれば特にシリコーンに限らない。このようにすることで、導体層１６，２６の絶縁シート１４，２４からの剥離と、電気絶縁性放熱グリース１５，２５のポンプアウトが抑制できる。

（第５の実施形態）
図９は、本発明のパワー半導体装置の第５の実施形態の断面構造を示す図である。

本実施形態が第１～第４の実施形態と異なる点は、絶縁シート１４，２４の回路体側表面に接着される導体層１６，２６の端部と、冷却器１３，２３の表面に接着される絶縁シート１４，２４の端部の両方を、回路体の封止樹脂３よりも低弾性の絶縁性樹脂１７，２７で被覆した点である。なお、導体層１６，２６の外周縁が、回路体の導体板１１，１２，２１，２２それぞれの表面の外周縁よりも、距離Ｘ分外周側に形成されている点は第２の実施形態と同様である。このようにすることで、導体層１６，２６の絶縁シート１４，２４からの剥離と、絶縁シート１４，２４の冷却器１３，２３からの剥離、及び電気絶縁性放熱グリース１５，２５のポンプアウトが抑制できる。

図１１は、従来技術と本発明との比較を示す部分放電試験の結果を表す図である。

図１１の横軸は試験電圧、縦軸は部分放電の放電電荷量を表す。この部分放電試験は、部分放電測定装置を用い、回路体の導体板全てが同電位となるよう、導体板に電気的に接続されている入出力端子を全て短絡し、全端子と冷却器との間に交流電圧を０Ｖから印加し、徐々に電圧を上昇させ、部分放電が発生する電圧（部分放電開始電圧）を測定した。なお、比較例は従来構成例であり、実施例１～５は前述した第１～第５の実施形態である。

試験結果を見ると、試験電圧が１（任意単位）となる電圧において、部分放電が発生し始めた。これは、電気絶縁性グリース中のボイドで部分放電が発生したものと考える。これに対し、実施例１から実施例５のグラフは、いずれのパワー半導体装置においても試験電圧１（任意単位）を超えて１．６であっても部分放電は発生しなかった。つまり本発明の実施形態を採用することで、電気絶縁性グリース中にボイドや空気溜まりが存在しても、それらの部への電界集中が緩和でき、結果として部分放電電圧が向上できることが確認できた。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）パワー半導体装置１００は、導体板１１，１２および導体板１１，１２上に搭載された半導体素子１，２を封止樹脂３で封止した回路体と、回路体の少なくとも一方の面に対向配置された冷却器１３，２３と、回路体と冷却器１３，２３との間に配置された絶縁部材と、を備えている。このパワー半導体装置１００の絶縁部材は、冷却器１３，２３に接着されている絶縁シート１４，２４と、絶縁シート１４，２４において回路体側の表面に接着されている導体層１６，２６と、回路体と冷却器１３，２３の間に充填され、絶縁シート１４，２４および導体層１６，２６を覆うように形成される電気絶縁性放熱グリース１５，２５と、を有する。このようにしたことで、小型高密度化と絶縁性の維持と信頼性とを並立したパワー半導体装置１００を提供できる。

（２）導体層１６，２６の外周縁は、封止樹脂３から露出している導体板１１，１２表面の外周縁よりも外周側に形成されている。このようにしたことで、導体板１１，１２，２１，２２の外周にボイド４が形成されたり、冷却器１３，２３と回路体とが位置ずれしたりすることを防止できる。

（３）導体層１６，２６は、絶縁シート１４，２４に埋め込まれて接着されている。このようにしたことで、高電圧印加時の導体層１６，２６の端部での部分放電の発生を抑制できる。

（４）導体層１６，２６の端部が、回路体の封止樹脂３よりも低弾性の絶縁性樹脂１７，２７で覆われている。このようにしたことで、導体層１６，２６の絶縁シート１４，２４からの剥離と、電気絶縁性放熱グリース１５，２５のポンプアウトが抑制できる。

（５）導体層１６，２６の端部および絶縁シート１４，２４の端部が、回路体の封止樹脂３よりも低弾性の絶縁性樹脂１７，２７で被覆されている。このようにしたことで、導体層１６，２６の絶縁シート１４，２４からの剥離と、電気絶縁性放熱グリース１５，２５のポンプアウトが抑制できる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

１００：パワー半導体装置
１：パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）
２：パワー半導体素子（ダイオード）
３：封止樹脂
４：ボイド（空間）、空気溜まり
１１：第１の導体板
１２：第２の導体板
１３：第１の冷却器
１４：絶縁シート
１５：電気絶縁性グリース
１６：導体層
１７：絶縁性樹脂
２１：第３の導体板
２２：第４の導体板
２３：第２の冷却器
２４：絶縁シート
２５：電気絶縁性グリース
２６：導体層
２７：絶縁性樹脂

Claims (5)

1. 導体板および前記導体板上に搭載された半導体素子を封止樹脂で封止した回路体と、
   前記回路体の少なくとも一方の面に対向配置された冷却器と、
   前記回路体と前記冷却器との間に配置された絶縁部材と、を備え、
   前記絶縁部材は、前記冷却器に接着されている絶縁シートと、前記絶縁シートにおいて前記回路体側の表面に接着されている導体層と、前記回路体と前記冷却器の間に充填され、前記絶縁シートおよび前記導体層を覆うように形成される電気絶縁性放熱グリースと、を有する
   パワー半導体装置。
2. 請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
   前記導体層の外周縁は、前記封止樹脂から露出している前記導体板表面の外周縁よりも外周側に形成されている
   パワー半導体装置。
3. 請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
   前記導体層は、前記絶縁シートに埋め込まれて接着されている
   パワー半導体装置。
4. 請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
   前記導体層の端部が、前記回路体の封止樹脂よりも低弾性の絶縁性樹脂で覆われている
   パワー半導体装置。
5. 請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
   前記導体層の端部および前記絶縁シートの端部が、前記回路体の封止樹脂よりも低弾性の絶縁性樹脂で被覆されている
   パワー半導体装置。

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