JP3903850B2

JP3903850B2 - インバーターモジュール

Info

Publication number: JP3903850B2
Application number: JP2002168485A
Authority: JP
Inventors: 聡柳浦; 星紀平松; 武敏長谷川; 徹夫溝尻
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2022-06-10
Also published as: JP2004014919A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂封止型インバーターモジュール、特に、絶縁破壊を防止し信頼性を向上させた樹脂封止型インバーターモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）等の素子が搭載されたインバーターモジュールでは、高耐電圧化が望まれている。
図５は、特開２０００−９１４７２号公報に開示されている従来の樹脂封止型半導体パワーモジュールの構成を示す断面模式図である。図５において、２１は銅箔、２２は窒化アルミニウム（以下ＡｌＮという）基板、２３は半導体素子、２４はリード線、２５は放熱板、２６はケース、２７は外部端子用リード線、２８は蓋、２９は開口部、３０はシリコーンゲル、３１は封止材、３２は樹脂被覆物である。
【０００３】
この半導体パワーモジュールは、絶縁性の無機基板であるＡｌＮ基板２２の上面に、その周辺部を残して導体箔である銅箔２１がつけられており、この銅箔２１上に複数の半導体素子２３が配置され、各半導体素子２３が互いにリード線２４を介して接続されている。
ＡｌＮ基板２２の底面は金属製の放熱板２５の中央部に取り付けられ、放熱板２５の周辺部上にはＡｌＮ基板２２の周囲を囲うようにケース２６が取り付けられている。また、ケース２６の内側上部には外部端子用リード線２７と開口部２９とを有する蓋２８が取り付けられている。なお、外部端子用リード線２７はケース内の半導体素子と外部との間で電気的導通をとるための部材である。
【０００４】
また、放熱板２５、ケース２６、蓋２８で囲まれたモジュール内部には、開口部２９を介して絶縁部材であるシリコーンゲル３０が流しこまれ、シリコーンゲル３０の硬化後、開口部２９が封止材３１にて密封されている。
そして、ＡｌＮ基板２２の周囲上とこの周囲部に面した銅箔２１の端部とに樹脂で固められた樹脂被覆物３２が設けられている。樹脂被覆物３２に用いる樹脂（以下被覆樹脂という）としては、シリコーンゲル３０より高い破壊電圧を有し、ＡｌＮ基板２２との良好な接着性を有するエポキシ樹脂やポリエステル樹脂にアルミナ（以下Ａｌ_２Ｏ_３という）の粉末またはＡｌＮの粉末を充填したものが用いられる。
【０００５】
樹脂封止型半導体パワーモジュールに用いられるシリコーンゲル３０は、その破壊電圧が通常の固体絶縁物に比べて低いという性質をもっており、半導体素子２３の端部からＡｌＮ基板２２の端部までの沿面距離が短いと、シリコ−ンゲル３０とＡｌＮ基板２２との界面で沿面の絶縁破壊が起こり易い。また、シリコ−ンゲル３０はＡｌＮ基板２２との接着性が悪いので沿面放電も起こり易い。
しかし、特開２０００−９１４７２号公報に開示されている樹脂封止型半導体パワーモジュールでは、樹脂被覆物３２に用いる被覆樹脂がエポキシ樹脂やポリエステル樹脂にＡｌ_２Ｏ_３（比誘電率約８．３）の粉末またはＡｌＮ（比誘電率は約８．８）の粉末を充填したものであるので、樹脂被覆物３２が、シリコーンゲル９（比誘電率は約２．９）とＡｌＮ基板２（比誘電率は約８．８）との中間の比誘電率を有する部材であり、銅箔２１の端部の電界を緩和し、耐電圧を向上できる。また、特開２０００−９１４７２号公報に開示されている樹脂封止型半導体パワーモジュールでは、導体箔として、銅箔の替りにアルミ箔を用いても同様な効果がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
インバーターモジュールは、大容量化に伴ない、半導体素子が大形化しており、半導体素子を搭載する絶縁基板も大形にする必要がある。しかし、インバーターモジュールは、容量が大きくなっても、寸法はなるべく小さくコンパクトとしたいため、絶縁基板をあまり大きくすることなく、絶縁基板上での導体箔の占有面積を大きくとり、大形の半導体素子を搭載できるようにしている。すなわち、絶縁基板の端から導体箔までの沿面距離が更に短くなり、より一層の電界緩和が必要となるとともに、より大きな電界集中による絶縁破壊を防止するため、樹脂被覆物を厚くする必要がある。
【０００７】
樹脂被覆物は、半導体素子近傍で用いるため、耐熱性が要求され、被覆樹脂には加熱硬化型の樹脂が用いられる。すなわち、樹脂被覆物は、温度をあげて硬化させる被覆樹脂から形成される。しかし、被覆樹脂が、前記特開２０００−９１４７２号公報に開示されている極性基を多く有するエポキシ樹脂やポリエステル樹脂であると、温度上昇による粘度低下が大きく、硬化時に被覆樹脂が流動し、厚さの大きな樹脂被覆物が形成できない。すなわち、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂の被覆樹脂からなる樹脂被覆物は、厚さが薄いため、導体箔の端部と無機基板の端部までの沿面距離が短く電界集中が大きいインバーターモジュールでは、耐電圧が十分でないとの問題があった。
また、被覆樹脂の硬化温度における粘度を上げるため、被覆樹脂に用いるＡｌ_２Ｏ_３の粉末またはＡｌＮの粉末の充填量を増やすと、被覆樹脂を塗布する時の粘度が高くなり過ぎ塗布性が低下し、塗布に時間を要するとともに、塗布時に気泡を巻き込む。それと、前記被覆樹脂は高チクソ性を有するので、脱泡性が良くなく、この気泡が樹脂被覆物中に残り、インバーターモジュールの運転時にこの部分に放電がおこり絶縁破壊おこるなどの問題があった。
【０００８】
本発明は前記のような課題を解決するためになされたものであり、絶縁基板の端から導体箔までの沿面距離の短くても、気泡のない、十分な厚さの樹脂被覆物を有し、導体箔端部の電界を緩和するとともに、樹脂被覆物での絶縁破壊が防止されたインバーターモジュールを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるの第１のインバーターモジュールは、ベースとなる金属板と、この金属板上に接合された無機基板と、この無機基板の周囲部を露出させるように前記無機基板上に形成された導体箔と、この導体箔上に搭載された半導体素子と、前記金属板の周囲に取付けられた外囲ケースと、この外囲ケース内に充填されたシリコーンゲルと、前記導体箔の外周側面部および前記無機基板の周囲部を被覆する樹脂被覆物とを備えたインバーターモジュールであって、前記樹脂被覆物は、前記導体箔の端部と前記無機基板の端部までの沿面に設けられ、マトリックス樹脂として、シリコーン樹脂を用い、前記マトリックス樹脂１００重量部に対して１０〜５０重量部の充填比率でチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウムおよびチタン酸ストロンチウムとチタン酸カルシウムとの共晶物のうちの少なくとも１種類を充填したものであり、かつ、前記樹脂被覆物の誘電率は前記シリコーンゲルの誘電率より大きいものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるインバーターモジュールの構成を示す断面模式図である。図１において、１，１ａは導体箔、２は無機基板、３は半導体素子、４はリード線、５は放熱板、６はケース、７は外部端子用リード線、８はシリコーンゲル、９は封止材、１０は樹脂被覆物である。
【００１４】
すなわち、本実施の形態のインバーターモジュールでは、金属製の放熱板５の上面に、複数の絶縁性の無機基板２を接合し、各無機基板２の上面に、各無機基板２の周辺部を残して、導体箔１または１ａが設けられている。外部端子リード線７が接合された導体箔１ａ以外の各導体箔１上には半導体素子３が配置され、各半導体素子はリード線４により、外部端子リード線７が設けられ導体箔１ａに接続されている。
放熱板５の周辺部には、各無機基板２が内蔵されるように周囲を囲うケース６が取り付けられている。また、放熱板５とケース６とで囲まれたモジュール内部には、少なくともリード線が埋まるまでのシリコーンゲル８が流しこまれ、シリコーンゲル８が硬化後、その上部に封止材９を注入し蓋をする。
また、無機基板２の周囲部上と、この周囲部に面した導体箔１の側面部とが樹脂被覆物１０で被覆されている。
【００１５】
本実施の形態のインバーターモジュールでは、無機基板２として、ＡｌＮの基板やＡｌ_２Ｏ_３の基板が用いられるが、ＩＧＢＴ素子やダイオード素子を搭載している基板には、熱伝導性が優れているＡｌＮの基板が特に好ましい。
本実施の形態のインバーターモジュールでは、樹脂被覆物１０用の被覆樹脂には、マトリックス樹脂として、加熱硬化型で硬化後にエラストマとなるシリコーン樹脂が用いられ、充填剤として、チタン酸化合物の粉末が用いられる。
被覆樹脂のマトリックス樹脂が、加熱硬化型で硬化後にエラストマとなるシリコーン樹脂であるので、樹脂被覆物１０はシリコーンゲルより高い破壊電圧を有し、且つ、無機基板２との接着性が優れている。シリコーン樹脂はエポキシ樹脂やポリエステル樹脂に比べて極性が小さく、粘度の温度依存性が小さいので、塗布時の粘度に対する加熱硬化時の粘度の低下が少ない。すなわち、被覆樹脂は、塗布時における厚さを硬化温度においても保持できるので、所望厚さの樹脂被覆物１０が形成でき、高い絶縁破壊電圧を有するインバーターモジュールが得られる。
【００１６】
本実施の形態のインバーターモジュールでは、導体箔１又は１ａの端部と無機基板２の端部までの沿面距離が０．５〜１．０ｍｍ程度であるので、樹脂被覆物１０の厚さとしては、０．２ｍｍ以上の厚さが必要である。この厚さの上限は、特に限定されないが、被覆樹脂の塗布性の点から、用いる導体箔１または１ａの厚さ以下であることが好ましい。
導体箔１または１ａの厚さとしては、インバーターモジュールの容量によっても変わるが、本実施の形態のような大容量のインバーターモジュールでは、０．３〜０．５ｍｍの導体箔が用いられる。導体箔１または１ａとしては、銅箔やアルミ箔を用いることができるが、酸化防止のため、銅箔にはニッケルめっきをしても良い。
【００１７】
本実施の形態のインバーターモジュールでは、被覆樹脂の充填剤として、高い誘電率を有するチタン酸化合物の粉末が用いられ、マトリックス樹脂１００重量部に対して、１０〜５０重量部の充填比率でも、樹脂被覆物１０の誘電率がシリコーンゲルの誘電率より十分に大きくなり、導体箔１や１ａの端部から無機基板２の端部までの沿面距離が短くても、無機基板２の周囲部に面した導体箔１や１ａの端部での電界を緩和できる。
【００１８】
前記、被覆樹脂の充填剤であるチタン酸化合物としては、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウムおよびチタン酸ストロンチウムとチタン酸カルシウムとの共晶物の内の少なくとも１種類が用いられる。
前記チタン酸化合物の充填比率は、被覆樹脂に用いるシリコーン樹脂の１００重量部に対して、１０〜５０重量部である。充填比率が１０重量部未満であると、得られる樹脂被覆物１０の誘電率が小さく、樹脂被覆物による電界緩和が不十分で、インバーターモジュールの耐電圧が低下する。充填比率が５０重量部より大きいと、被覆樹脂の粘度が高くなり過ぎて、被覆樹脂の塗布性が低下する。
【００１９】
本実施の形態のインバーターモジュールでは、被覆樹脂のマトリックス樹脂として、加熱硬化型で硬化後にエラストマとなるシリコーン樹脂が用いられる。加熱硬化型で硬化後にエラストマとなるシリコーン樹脂としては、付加重合により硬化するものと、縮重合により硬化するもがあるが、付加重合により硬化するものが、特に好ましい。縮重合で硬化するシリコーン樹脂は、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂よりは少ないが極性基を含有しており、無機充填剤を充填した時の粘度増加が大きく、塗布性の低下が認められる。また、硬化反応時に、アセトン、アルコール、オキシムなどのガスが発生するので、被覆樹脂を厚く塗布した場合、長時間かけて硬化した時は問題ないが、短時間で硬化した時に樹脂被覆物１０中に気泡が残ることがある。
これに対して、付加重合で硬化するシリコーン樹脂は極性が低く、塗布性が優れているとともに、硬化反応時に前記のようなガスの発生がないので、被覆樹脂を厚く塗布し短時間で硬化しても気泡の発生はなく、絶縁信頼性の優れたインバーターモジュールを、高い生産性で得ることができる。
【００２０】
また、本実施の形態のインバーターモジュールでは、被覆樹脂が、前記加熱硬化型で硬化後にエラストマとなるシリコーン樹脂であり、充填剤が高い誘電率を有するチタン酸化合物の粉末であるので、被覆樹脂を厚く塗布して、塗布した被覆樹脂が気泡を含有しても、真空脱泡処理により、容易に泡を除去できる。そのため、樹脂被覆物１０中に気泡のない絶縁信頼性が高いインバーターモジュールを得ることができる。
【００２１】
次に、本実施の形態のシリコーン樹脂にチタン酸化合物の充填剤を充填した被覆樹脂が、気泡のない厚い樹脂被覆物１２が得られる機構について、図を用いて説明する。
図２は、チタン酸バリウムの粉末を充填した付加重合で硬化するシリコーン樹脂（硬化物の比誘電率が６．５）の粘度との剪断速度との関係を示す図である。図３は、Ａｌ_２Ｏ_３の粉末を充填した付加重合で硬化するシリコーン樹脂（硬化物の比誘電率が４．７）の粘度との剪断速度との関係を示す図である。
Ａｌ_２Ｏ_３の粉末を充填したシリコーン樹脂は、粘度が剪断速度に大きく影響され、高剪断速度では粘度が低いが、低剪断速度では粘度が大きく増大し、高いチクソ性を有する。それに対して、チタン酸バリウムを充填したシリコーン樹脂は、粘度が剪断速度にほとんど影響されず、ほぼ一定である。
【００２２】
ディスペンサなどによる樹脂の塗布性は、高剪断速度における粘度が影響し、樹脂の消泡性は低剪断速度における粘度が影響する。Ａｌ_２Ｏ_３の粉末を充填したシリコーン樹脂とチタン酸バリウムの粉末を充填したシリコーン樹脂とが、高剪断速度における粘度が同様であり塗布性が同じあっても、Ａｌ_２Ｏ_３の粉末を充填したシリコーン樹脂は低剪断速度における粘度が非常に大きくなり、消泡性は大きく低下する。すなわち、Ａｌ_２Ｏ_３の粉末を充填したシリコーン樹脂からなる樹脂被覆物１０には気泡が残ってしまう。それに対して、チタン酸バリウムの粉末を充填したシリコーン樹脂は低剪断速度における粘度も低いので、脱泡が容易で、気泡のない樹脂被覆物１０を得ることができる。
【００２３】
【実施例】
次に、本発明を実施例にて、さらに詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００２４】
実施例１．
本発明の樹脂被覆物の効果を確認するため、図４に示す機能検証モデルを用いて、耐電圧特性を評価した。図４は機能検証モデルの上面（ａ）と横断面（ｂ）との模式図である。但し、上面図（ａ）はシリコーンゲルが半透明であり、その下の銅箔、ＡｌＮ基板等が見えるとして記載している。断面図（ｂ）は上面図（ａ）のｃ−ｃ断面である。
【００２５】
機能検証モデルは、長さ５１×幅３６×厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板２の一方の表面に、長さ４９×幅３４×厚さ０．３ｍｍの銅箔１を、ＡｌＮ基板２の周囲に１ｍｍの幅のＡｌＮ基板が露出する沿面絶縁部を設けて接合する。次に、この銅箔１を設けたＡｌＮ基板の３枚を、長さ２０７×幅７０×厚さ３ｍｍの銅板からなる放熱板５に、図４の（ａ）のよう載置し接合する。すなわち、各ＡｌＮ基板２の間隔は１０ｍｍであり、各ＡｌＮ基板２の端から、放熱板５の周囲までの間隔は１７ｍｍである。
次に、付加反重合型シリコーン樹脂｛ＳＥ１７１４：東レ・ダウシリコーン（株）｝１００重量部にチタン酸バリウム粉末｛ＢＴ−ＨＰ７：共立マティリアル（株）｝１０重量部の比率で添加し、３本ロールで混練し、被覆樹脂を調製する。得られた被覆樹脂は、減圧脱泡した後、加圧型ディスペンサを用いて、銅箔１の側端部からＡｌＮ基板２の端部までの部分に、最大厚さ０．３ｍｍで塗布する。塗布された被覆樹脂を、５Ｔｏｒｒの減圧下で１分間の脱泡処理を行い、１２５℃で１時間の加熱処理により硬化し、樹脂被覆物１０とする。
【００２６】
次に、隣接するＡｌＮ基板上の各銅箔１をリード線４で接続する。そして、中央のＡｌＮ基板２上の銅箔１にはさらに外部端子用リード線７を設ける。そして、放熱板５上に、長さ２０７×幅７０×高さ４０ｍｍで板厚が２ｍｍのプラスチックのケース６を接着剤で取り付ける。プラスチックケース６と放熱板５とで形成される箱部にシリコーンゲルを高さ３０ｍｍまで注入し、硬化して、銅箔１と樹脂被覆物１０とが設けられ、各銅箔１がリード線で接続された３個のＡｌＮ基板２を封止する。
このようにして得られた機能検証モデルを用い、機能検証モデルの外部端子用リード線７と放熱板５との間に電圧を印加し、耐電圧特性を測定した。また、樹脂被覆物１０の形状保持性と、樹脂被覆物１０内部の気泡の有無を顕微鏡で観察した。得られた結果は表１に示す。本実施例の機能検証モデルは半導体素子を銅箔上に搭載していないが、本実施例の評価項目については半導体素子を搭載したインバーターモジュールと同様の結果が得られる。
【００２７】
実施例２．
長さ５１×幅３６×厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板２の一方の表面に、長さ５０×幅３５×厚さ０．３ｍｍの銅箔１を、ＡｌＮ基板２の周囲に０．５ｍｍの幅のＡｌＮ基板が露出する沿面絶縁部を設けて接合すること、および、被覆樹脂が、付加反重合型シリコーン樹脂｛ＳＥ１７１４：東レ・ダウシリコーン（株）｝１００重量部にチタン酸バリウム粉末｛ＢＴ−ＨＰ７：共立マティリアル（株）｝１５重量部の比率で添加していること以外、実施例１と同様にして機能検証モデル作製する。得られた機能検証モデルを用い、実施例１と同様にして耐電圧試験と、樹脂被覆物１０の形状保持性と気泡の有無を調べた。得られた結果は表１に示す。
【００２８】
実施例３〜５．
被覆樹脂に用いる充填剤をチタン酸バリウムの粉末に替えて、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウムまたはチタン酸ストロンチウムとチタン酸カルシウムとの共晶物の粉末にした以外、実施例１と同様にして機能検証モデル作製する。得られた機能検証モデルを用い、実施例１と同様にして耐電圧試験と、樹脂被覆物１０の形状保持性と樹脂被覆物１０ボイドの有無を調べた。得られた結果は表１に示す。
【００２９】
比較例１．
被覆樹脂のマトリックス樹脂に、ビスフェノール型エポキシ樹脂｛エピコート８２８：ジャパンエポキシ（株）｝５２．４重量％と、液状酸無水物硬化剤｛ＨＮ２２００：日立化成工業(株)｝４７．１重量％と、２−エチル−４−メチルイミダゾール触媒０．５重量％とからなるものを用いて被覆樹脂を調製し、被覆樹脂の硬化温度を１５０℃で１時間とした以外、実施例１と同様にして、機能検証モデル作製する。得られた機能検証モデルを用い、実施例１と同様にして耐電圧試験と、樹脂被覆物１０の形状保持性と樹脂被覆物１０ボイドの有無を調べた。得られた結果は表１に示す。
【００３０】
比較例２〜３．
被覆樹脂に用いる充填剤をチタン酸バリウムの粉末に替えて、Ａｌ_２Ｏ_３またはＡｌＮの粉末にした以外、実施例１と同様にして機能検証モデル作製する。得られた機能検証モデルを用い、実施例１と同様にして耐電圧試験と、樹脂被覆物１０の形状保持性と樹脂被覆物１０ボイドの有無を調べた。得られた結果は表１に示す。
【００３１】
表１から明らかなように、比較例１の被覆樹脂にエポキシ樹脂を用いたものは、硬化時に流失し、樹脂被覆物の厚さが０．１ｍｍより薄くなり、耐電圧が低下した。また、比較例２〜３のように、マトリイクス樹脂が付加反重合型シリコーン樹脂であっても、充填剤がＡｌ_２Ｏ_３またはＡｌＮの粉末であると、要求の厚さの樹脂被覆物は形成できるが、樹脂被覆物中に気泡を含有し、やはり耐電圧が低下した。
それに対して、実施例にあるチタン酸化合物を充填した付加重合型シリコーン樹脂の被覆樹脂を用いたインバーターモジュールは、樹脂被覆物が電界集中に耐える厚さを有し、気泡を含有せず、高い誘電率を有するので、導体箔である銅箔周囲から無機絶縁基板端の部分までの距離が短くても、電界緩和が可能であり、絶縁信頼性の高いコンパクトで大容量なインバーターモジュールである。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【発明の効果】
本発明に係わるインバーターモジュールは、導体箔周囲から無機絶縁基板端の部分までの距離が短くても、電界緩和が可能であり、絶縁信頼性の高いコンパクトで大容量のインバーターモジュールである。さらに気泡を含有しない樹脂被覆物を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１におけるインバーターモジュールの構成を示す断面模式図である。
【図２】チタン酸バリウムの粉末を充填した付加重合で硬化するシリコーン樹脂の粘度との剪断速度との関係を示す図である。
【図３】Ａｌ_２Ｏ_３の粉末を充填した付加重合で硬化するシリコーン樹脂の粘度との剪断速度との関係を示す図である。
【図４】実施例における機能検証モデルの上面（ａ）と横断面（ｂ）との模式図である。
【図５】従来の樹脂封止型半導体パワーモジュールの構成を示す断面模式図である。
【符号の説明】
１，１ａ導体箔、２無機基板、３半導体素子、４リード線、５放熱板、６ケース、７外部端子用リード、８シリコーンゲル、９封止材、１０樹脂被覆物、２１銅箔、２２ＡｌＮ基板、２３半導体素子２５放熱板、３２樹脂被覆物。

Claims

ベースとなる金属板と、この金属板上に接合された無機基板と、この無機基板の周囲部を露出させるように前記無機基板上に形成された導体箔と、この導体箔上に搭載された半導体素子と、前記金属板の周囲に取付けられた外囲ケースと、この外囲ケース内に充填されたシリコーンゲルと、前記導体箔の外周側面部および前記無機基板の周囲部を被覆する樹脂被覆物とを備えたインバーターモジュールであって、
前記樹脂被覆物は、前記導体箔の端部と前記無機基板の端部までの沿面に設けられ、
マトリックス樹脂として、シリコーン樹脂を用い、前記マトリックス樹脂１００重量部に対して１０〜５０重量部の充填比率でチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウムおよびチタン酸ストロンチウムとチタン酸カルシウムとの共晶物のうちの少なくとも１種類を充填したものであり、かつ、
前記樹脂被覆物の誘電率は前記シリコーンゲルの誘電率より大きいことを特徴とするインバーターモジュール。