JP2913247B2 - パワー半導体モジュール及び車両用インバータ装置 - Google Patents
パワー半導体モジュール及び車両用インバータ装置Info
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Description
脂封止構造のパワー半導体素子に係り、特に比較的高電
圧の車両用インバータ装置に好適なパワー半導体モジュ
ールに関する。
的高電圧で大電力の装置に使用するダイオード、トラン
ジスタ、IGBT(絶縁ゲート・バイポーラトランジス
タ)、GTO(ゲート・ターンオフ・サイリスタ)などの
パワー半導体素子としては、従来から平型素子が主流を
占めていたが、近年、絶縁容器に封入してモジュール化
した、いわゆるパワー半導体モジュールが提案され、使
用されるようになってきており、その例を特開昭60−
178650号公報や特開昭61−218151号公
報、或いは特開昭63−143850号公報などにみる
ことができる。
いて図3により説明すると、通常、銅板からなるモジュ
ールの取付基板203を備え、これに、ダイオードなど
の半導体素子207がモリブデンなどの板を介してロウ
付けされた銅板などからなる通電部201を、アルミナ
或いはAlN(窒化アルミニウム)などのセラミックスか
らなる絶縁板202を介してロウ付け接合し、これを合
成樹脂製のケース204で封止したものである。
辺部に接着して取付けられ、内部には、通電部201を
覆うようにしてゲル状合成樹脂205が封入される。ま
た、通電部201には電極端子が設けてあり、これによ
り、通電部201の必要な部分への外部からの接続が行
なえるようになっている。
に、ダイオードなど、必要に応じて任意の素子が搭載さ
れるが、中でもIGBTは、電圧制御素子であるため制
御が容易であり、且つ電流容量の大きなものが得やすい
上、高い周波数でも動作可能であるなどの利点があるた
め、広く用いられている。
圧半導体素子のモジュール化について充分な配慮がされ
いるとはいえず、高耐圧で高信頼性の付与の点で問題が
あった。例えば、鉄道車両用のインバータ装置などへの
適用に際しては、電源電圧が600V、或いは1500
Vなどの高電圧であるため、モジュールの通電部と取付
基板の間には、実効電圧5400V耐圧が耐湿特性など
についての高い信頼性のもとで要求される。
するように、高耐圧特性と高信頼性の両立の面で、充分
な対応が困難なのである。すなわち、まず、特開昭60
−178650号公報の技術では、取付基板203に対
するケース204の接着部が、素子の温度上昇による内
圧増加などにより剥離し易く、また、絶縁板202に対
するゲル状合成樹脂205の接着性不良などもあり、こ
の結果、水分が侵入し、取付基板203とゲル状合成樹
脂205の界面を通って絶縁板202の表面の絶縁耐圧
保持部206、更には半導体素子207にまで達して絶
縁特性や素子特性の劣化を起こし易くなり、従って、充
分な耐圧特性と信頼性の付与が困難なのである。
記載の技術では、絶縁基板及び取付基板と、ケースの間
に硬質の合成樹脂を充填しており、従って、この技術に
よれば、取付基板からのケースの剥離についての問題は
少なくなるが、この充填された硬質の合成樹脂がケース
の角部で亀裂を生じ易く、この亀裂部分で放電が起こる
ようになり、やはり絶縁特性の劣化が避けられないとい
う問題があった。
え、しかも充分に高い信頼性を容易にもたせることがで
きる合成樹脂モールドによるパワー半導体モジュールを
提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記
したパワー半導体モジュールを用いることにより、信頼
性の高い車両用インバータ装置を提供することにある。
と電極端子が取付けられた通電部を、絶縁基板を介して
取付基板に積層し、該取付基板の周辺部に合成樹脂製の
ケースを接着して上記通電部を封止する方式のパワー半
導体モジュールにおいて、上記取付基板に対するケース
の接着部分の内面で、上記取付基板の周辺部から上記絶
縁基板の周辺部の端面を経て、少なくとも上記通電部の
周辺部の端面に至る沿面に、ゴム状合成樹脂の被覆を設
け、且つ、上記通電部の少なくとも上記半導体素子の表
面を直接覆った状態で、上記ケース内にゲル状合成樹脂
が封入されるようにして達成される。
を経て少なくとも通電部の周辺部の端面に至る沿面に設
けたゴム状合成樹脂は、取付基板に対するケースの接着
部分の内面を覆うので、この部分での剥離を抑えるよう
に働く。従って、ケースの剥離による信頼性の低下の虞
れは無くなる。
ので、ケースの角部でも亀裂発生の虞れが無く、さらに
また、絶縁基板の表面にも確実に接着するので、この部
分での耐圧特性劣化の虞れは無くなる。従って、高耐圧
で、しかも高信頼性のパワー半導体モジュールを確実に
得ることができる。
半導体素子の表面を覆うようにゲル状合成樹脂を封入し
てやることにより、ボンディングワイヤなど半導体素子
との接続部分に、封止用の合成樹脂による熱応力が加わ
る虞れを無くすことができるので、ワイヤ接合部での剥
離発生の虞れが無く、また、ワイヤの腐食なども起こり
難くくなり、さらに信頼性の向上が図れる。
れた絶縁基板の表面での絶縁耐圧保持部における通電部
から取付基板までの沿面距離を少なくとも2mmにする
ことにより、実効電圧5400V以上の絶縁耐力を容易
に付与することができる。
について、図示の実施例により詳細に説明する。図1と
図2は、本発明によるパワー半導体モジュールをダイオ
ードとして実施した場合の一実施例で、図1は断面図、
図2は同じく内部の平面図で、図1のA−A'線による
断面であり、これらの図において、101は取付基板、
102は絶縁基板、103は通電部、104は半導体素
子、105は金属板、106は電極端子、107はAl
ワイヤ、108は接着剤、109は合成樹脂製のケー
ス、110はゴム状合成樹脂層、111はゲル状合成樹
脂層、112は硬質合成樹脂層、113は接着部、そし
て114は絶縁耐圧保持部をそれぞれ表わす。
性に富んだ材料で作られ、その一方の面には、アルミナ
或いはAlN(窒化アルミニウム)などのセラミックスか
らなる絶縁基板102を介して通電部103が、半田や
銀ロウなどのろう材によりロウ付け接合されている。
属板105と、その表面にロウ付けされた半導体素子1
04、それに電極端子106とで構成されている。そし
て、半導体素子104と一方の電極端子106の間は、
複数本のAlワイヤ107でボンディングされている。
なお、このため、図示のように、この一方の電極端子1
06は、絶縁物の台を介して金属板105に取付けてあ
る。そして、Alワイヤ107が複数本用いられている
のは、電流容量を増すためである。
あるが、ここでは、ゲル状合成樹脂層111は除いて示
されている。そして、この図2から明らかなように、こ
の実施例では、半導体素子104が3個搭載され、これ
により電流容量を大きくしたモジュールとなっている。
図では上になる面が台形に作られ、この台形の部分に半
導体素子104がロウ付けされているが、これは、必ず
しも必要条件ではない。また、この金属板105として
は、銅板にモリブデンの板を接合したものを用いても良
いことは、言うまでもない。
ニレン・サルファイト)、或いはPBT(ポリブチレン・
テレフタレート)などの合成樹脂で作られ、取付基板1
01の周辺部にある接着部113に、接着剤108によ
り接着されている。なお、このケース109には電極端
子106が通る孔が設けてあり、この孔に電極端子10
6を挿入した状態で取付基板101に接着し、その後、
電極端子106の外部に出ている部分を折り曲げて図示
の状態に成形するのである。
ケース109の接着を終わった後、内部に、例えばシリ
コーンゴムなどからなるゴム状合成樹脂と、シリコーン
ゲルなどからなるゲル状合成樹脂、それにエポキシ樹脂
などからなる硬質合成樹脂を順次、注入し、それぞれゴ
ム状合成樹脂層110と、ゲル状合成樹脂層111、そ
れに硬質合成樹脂層112を設け、必要な部分への被覆
と封止を行なう。
脂量を、例えば光や音波などにより検出しながら、それ
ぞれ適正な量に制御するようにした注入装置を用いて行
なうのであるが、まず、最初にゴム状合成樹脂を注入し
て、ゴム状合成樹脂層110を形成し、取付基板101
とケース109との接着部113と、絶縁基板102の
表面の絶縁耐圧保持部114とが被覆されるようにす
る。
110の上に注入し、ゲル状合成樹脂層111を形成
し、半導体素子104とワイヤ107、それに電極端子
106などが覆われるようにする。そして、その後、エ
ポキシ樹脂を注入して硬化させることにより硬質合成樹
脂層112を形成して、残った空間を充填し、電極端子
106を固定するのである。
114の近傍を拡大してゴム状合成樹脂層110の充填
状態を示した拡大図で、この実施例における絶縁耐圧
は、通電部103と取付基板101との間の絶縁距離に
よって定まるが、このとき、この絶縁距離が最小になる
のは、通電部103の直下の部分になる。
2があるので、その厚さを、例えば0.635mmとする
ことにより、この部分での絶縁耐圧としては、実効電圧
で10000V以上を容易に得ることができる。
圧を得るために考慮しなければならない部分は、通電部
103と取付基板101との間の沿面距離である。そし
て、この沿面距離をLとすれば、これは、図示したよう
に、通電部103の端部から露出した絶縁基板102の
端部の長さL1と、その厚さL2との和、つまり、L=
L1+L2となる。
合成樹脂層110が被覆されているので、この材質を上
記したように、シリコーンゴムとした場合、沿面距離L
として、2mm以上を設定することにより、実効電圧54
00V以上の絶縁耐圧を安定して得ることができる。従
って、上記したように、絶縁基板102の厚さL2を
0.635mmとした場合には、長さL1として、1.36
5mm以上が与えられるようにしてやればよいことにな
る。
に図4から明らかなように、ゴム状合成樹脂層110
は、ケース109と取付基板101の接着部113をも
覆って設けられており、しかも、その接着強度が高いの
で、モジュールの組立工程、或いは完成品を使用してい
るときでの温度変化によるケース109の内圧変化に際
しても、ケース109と取付基板101の接着部113
で剥離が発生する虞れがほとんど無く、また、多少の剥
離に際しても、ゴム状合成樹脂層110に亀裂を生じる
ことはないから、水分が侵入する虞れは無く、従って、
耐湿性が充分に保持されるので、絶縁特性や素子特性の
劣化が無く、確実に高い信頼性を得ることができる。
110が金属板105の周辺部に限定して設けてあり、
半導体素子104の表面には施されていない。このた
め、温度変化に際して、このゴム状合成樹脂層110に
応力が発生しても、ワイヤ107に応力が与えられるこ
とは無く、従って、ワイヤの剥離による断線故障の虞れ
を充分に除くことができる。
量を厳密に管理する必要があるが、この実施例によれ
ば、金属板105が設けられているので、その厚みを、
例えば1mm以上にしてやれば、半導体素子104の位置
や、この金属板105に対する電極端子106の取付位
置は、絶縁基板102よりも充分に高い位置にすること
ができるので、ゴム状合成樹脂層110の厚さが多少変
動しても問題がなく、従って、ゴム状合成樹脂の注入量
の管理に厳密さが要求されず、適当な注入作業によって
も充分に所期の性能を得ることができるという利点があ
る。
樹脂層110の材質としては、上記したように、シリコ
ーン系の合成樹脂を用いればよいが、ポリイミド系の合
成樹脂を用いて実施してもよい。
111の上に更に硬質合成樹脂層112が封入されてい
るが、本発明は、この硬質合成樹脂層112を省いた構
成にしても実施可能である。
この実施例では、図1、図2の実施例における絶縁基板
102と金属板105に代えて、絶縁基板上に予め金属
板をロウ付けした、いわゆるDBC(ダイレクト・ボン
デッド・カッパー)基板102Aを用いたものである。
体素子104がロウ付けされた金属板が台形になってい
ない平坦な形状になっていて、しかも、その厚さが薄く
なっているので、ゴム状合成樹脂層110の断面の形状
を、図示のように成形したものである。
ワーモジュールとして実施した場合の一実施例で、図6
は断面図で、そのB−B'線による断面で示した平面図
が図7である。この実施例は、例えばインバータ装置の
スイッチング素子として好適なIGBTパワーモジュー
ルであり、このため、特に図7から明らかなように、6
個のIGBT半導体素子104Aと、2個のダイオード
半導体素子104Bが搭載されており、ここで半導体素
子104Aがスイッチング素子用で、半導体素子104
Bがフライホィールダイオード用である。
は、図1と図2で説明した実施例と同じで、ゴム状合成
樹脂層110が設けてあり、従って、この実施例によっ
ても、モジュールの組立工程、或いは完成品を使用して
いるときでの温度変化によるケース109の内圧変化に
際しても、ケース109と取付基板101の接着部11
3で剥離が発生する虞れがほとんど無く、また、多少の
剥離に際しても、ゴム状合成樹脂層110に亀裂を生じ
ることはないから、水分が侵入する虞れは無く、このた
め、耐湿性が充分に保持されるので、絶縁特性や素子特
性の劣化が無く、確実に高い信頼性を得ることができ
る。
た実施例の一部を変更した場合の一実施例で、図8は断
面図で、そのC−C'線による断面で示した平面図が図
9である。そして、この図8と図9の実施例が、図1と
図2の実施例と異なる点は、ゴム状合成樹脂層110を
設けた範囲が金属板105の周辺部までに限定されてい
ないで、図示のように、半導体素子104の周辺端部か
ら上面の一部にまで及んでいて、そこにもゴム状合成樹
脂層110Aが設けられている点だけで、その他の構成
は、図1、図2の実施例と同じである。
で説明したように、ダイオード素子であり、従って、そ
の周辺端面にpn接合からなるプレーナーターミネーシ
ョン領域を有する。そして、このプレーナーターミネー
ション領域の厚さ寸法は、素子の耐圧値によって異なっ
ているが、通例、1mm前後であり、この領域で1000
Vから4000Vの素子耐圧を受け持っており、従っ
て、水分などによる影響が著しく、素子耐圧の劣化が極
めて生じ易い。
脂層110が半導体素子104のプレーナーターミネー
ション領域から、その上の面にまで達していて、そこに
ゴム状合成樹脂層110Aが形成されており、従って、
このプレーナーターミネーション領域は水分などの侵入
から充分に保護されることになり、このため、さらに高
い信頼性を得ることができる。
例で、図において、120は仕切部材で、その他の構成
は図1、図2に示した実施例と同じである。
同じ材質の合成樹脂材料により、図で上から見た平面形
状が金属板105とほぼ同じ形状の枠状に作られてお
り、これにより金属板105の周辺部の外側と内側を区
画する働きをするようにしてある。そして、この仕切部
材120は、金属板105の上に載置され、その外側に
ゴム状合成樹脂を選択的に注入してゴム状合成樹脂層1
10を形成することにより、モジュールの中に固定され
るようになっている。
ゲル状合成樹脂を注入して、半導体素子104を含む通
電部全体をゲル状合成樹脂層111で覆い、さらにその
後、硬質合成樹脂層112を形成してモジュールを完成
するのである。
11の注入範囲が限定できるので、熱膨張係数の大きな
ゴム状合成樹脂層110とゲル状合成樹脂層111の総
量(体積)を減らすことができ、この結果、半導体素子
104の発熱による内部温度上昇時での内圧の増加が抑
えられ、半田接合部などへの応力が緩和されることによ
る信頼性の向上が得られる。
例と同様に、半導体素子104の周辺部までゴム状合成
樹脂層110を設けるようにしてもよい。また、硬質合
成樹脂層112を設けないようにして実施してもよい。
かったが、取付基板101と絶縁基板102の表面、そ
れにケース109の内面で、少なくともゲル状合成樹脂
に触れる部分の面を粗く加工しておくようにしてもよ
い。この場合には、ゲル状合成樹脂層との接合状態が良
好になるため、さらに優れた保護特性を得ることができ
る。
樹脂層110が金属板105の周辺部の端面にまで設け
られているが、本発明の実施例としては、取付基板10
1とケース109の接合部108の内面にだけゴム状合
成樹脂層を設け、他の部分には、硬質合成樹脂を被覆し
た構造にしても良い。この実施例の場合には、モジュー
ルの機械的強度が大きく向上するので、後述する縦置き
配置に適したものとすることができる。
よるパワー半導体モジュールによれば、モジュールの内
部で安定した高耐圧絶縁特性と耐湿性が得られているの
で、電力装置などに組み込んだとき、従来の平型素子な
どのように、素子外部に必要とした絶縁構造が不要にな
り、このため、システム構成が単純化され、組立が簡略
化されると共に、保守も容易になるという利点が得られ
る。例えば、車両用インバータ装置に本発明のパワー半
導体モジュールを適用した場合には、従来の平型素子で
必要とした圧接構造及び圧接組立工程が不要になる。
体モジュールMを、インバータ装置などのシステムに適
用した場合の配置状態を示す一実施例で、図において、
HSはヒートシンクである。なお、101は、上記した
ように、パワー半導体モジュールMの取付基板である。
従来のパワー半導体モジュールでは、通常、モジュール
の取付基板を下にして水平に配置している。従って、こ
の場合には、取付基板の底面は、重力方向に対して直角
に配置されている。
のように、パワー半導体モジュールMの取付基板101
が、縦になっているヒートシンクSMの取付面に固定さ
れていて、取付基板101の底面は、重力方向と平行に
なっている。
面が重力方向と平行にして配置した場合、従来技術によ
るモジュールでは、半田接合された通電部など、モジュ
ール内部の構成部品がゲル状合成樹脂で被覆されている
だけなので、重力による力が半田接合部分に対して剪断
応力として常時作用した結果、半田のクリープにより接
合部で亀裂が発生する虞れがあり、信頼性の低下につな
がってしまう。
ルMの場合には、上記したように、ゴム状合成樹脂層1
10が設けてあるため、これによる固定作用が得られる
ことになり、モジュール内部の構成部品の固定が充分に
与えられている。そこで、この結果、半田接合された通
電部などでの重力による剪断応力の発生が充分に抑えら
れるので、縦配置した場合でも充分に高い信頼性を保つ
ことができ、従って、本発明によるパワー半導体モジュ
ールを用いた場合には、縦配置により車両用インバータ
装置を充分に小型化することができる。
取付基板とケースの接着部分での剥離発生が充分に抑え
られるので、水分の侵入などによる絶縁耐圧特性や素子
特性の劣化を生じすることがなくなり、高い信頼性を備
えた高耐圧半導体装置を容易にモジュール化することが
できる。
例を示す断面図である。
る。
である。
図である。
る。
る。
状態の一例を示す説明図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体素子と電極端子が取付けられた通
電部を、絶縁基板を介して取付基板に積層し、該取付基
板の周辺部に合成樹脂製のケースを接着して上記通電部
を封止する方式のパワー半導体モジュールにおいて、 上記取付基板に対する上記ケースの接着部分の内面で、
上記取付基板の周辺部から上記絶縁基板の周辺部の端面
を経て、少なくとも上記通電部の周辺部の端面に至る沿
面に、ゴム状合成樹脂の被覆が設けられ、 且つ、上記通電部の少なくとも上記半導体素子の表面を
直接覆った状態で、上記ケース内にゲル状合成樹脂が封
入され ていることを特徴とするパワー半導体モジュー
ル。 - 【請求項2】 請求項1の発明において、 上記ゴム状合成樹脂の被覆が、少なくとも上記半導体素
子のプレーナーターミネーション領域にまで達している
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 【請求項3】 請求項1の発明において、 上記沿面の長さが少なくとも2mmになるように構成さ
れていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 【請求項4】 請求項1乃至請求項3の何れか1項の発
明によるパワー半導体モジュールを用いて構成したこと
を特徴とする車両用インバータ装置。
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JP5199684A JP2913247B2 (ja) | 1993-08-11 | 1993-08-11 | パワー半導体モジュール及び車両用インバータ装置 |
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