JP4723479B2 - 部分的放電挙動が小さく抑えられた絶縁型電力半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

ここに記載される本発明は、半導体デバイスの分野に関係する。本発明は、特に、独立クレームの前提部分に記載されているような、部分的放電挙動が小さく抑えられた電力半導体モジュールのための製造方法に係る。

電子デバイスまたはモジュールの電極を完全にはブリッジしない電気的放電は、部分的放電と呼ばれている。高電圧（ＨＶ）コンポーネント及び装置、例えば、ＨＶキャパシタ、ＨＶケーブル、ＨＶトランス、ＨＶ絶縁型電力モジュール、特に、電力半導体モジュール等は、特に、部分的放電のために破損し易い。通常、そのような放電の強度は低いが、それらは、進行性の劣化を生じさせ、半導体デバイスまたはモジュールの最終的破壊を引き起こす。

シリコーン・ゲルが充填された絶縁型のＨＶモジュールの中で、部分的放電により損傷を受けされやすいコンポーネントは、シリコーン・ゲルの中に埋め込まれた、メタライゼイション付きのセラミック基板である。これについて一つの理由は、メタライゼイションのエッジでの鋭角構造における、電界の増大である。

それに加えて、モジュールの内部での電気的絶縁を確保する目的で使用されているシリコーン・ゲルは、湿分に対して絶対的なバリアとはならず、且つ、セラミック基板に対するその接着は、しばしば、完全ではない。その結果生ずるゲルの剥離、および／または、湿分の吸収から生ずる気泡の存在、及び、それに伴う当該モジュールの運転中の加熱に起因する蒸発は、深刻な部分的放電現象の原因となる。

これらの問題は、米国特許第６，２０１，６９６Ｂ１号に記載されているように、電気的に絶縁性のポリエステルまたはエポキシ樹脂を用いて、セラミック基板の上に配置されたメタライゼイションの境界部を覆うことによって、部分的には解決することができる。しかしながら、セラミック基板及びメタライゼイションの表面粗さのため、メタライゼイションの境界部近傍のメタライゼイションの下で、キャビティの中に、少量の空気が残される。

この問題については、ＰＣＴ出願−ＷＯ−０１／８７５００Ａ２の中に記載されている。この問題を解決するため、ＷＯ−０１／８７５００Ａ２では、コーティング液をキャビティの中に押し込むために、セラミック基板および／またはメタライゼイションのエッジに配置されたコーティング液に、圧力を加えることを示唆している。

それに加えて、セラミック基板上でのメタライゼイションのレイアウトは、一般的に、エッチング・プロセスで作られ、エッチング・プロセスは、通常、メタルに多くの不均質性を含む境界部を形成し、その不均質性のために、当該モジュールの運転中に、局所的に高い電界密度が生ずることになる。シリコーン・ゲルのコーティングを行うとき、そのようなクリティカルな位置では、接着状態が良好ではなく、しばしば気泡が発生し、部分的放電現象を引き起こす。

本発明の目的は、最初に説明した種類の電力半導体モジュールを製造するための方法を提供することにあり、それによれば、部分的放電の発生が効果的に抑えられる。また、対応する電力半導体モジュールを提供することも、本発明の目的である。

これらの目的は、請求項１による電力半導体モジュールを製造するための方法及び、請求項７による電力半導体モジュールによって達成される。

本発明によれば、請求項１の電力半導体モジュールを製造するための方法においては、非常に少量の低粘度のモノマーまたはオリゴマーが、第一の導電層と電気的絶縁基板の周辺領域とで形成される第一のコーナー部に分散される。分散される量及び粘度は、第一の導電層のエッジの近傍で電気的絶縁基板と第一の導電層の間に存在する全てのキャビティの中に、モノマーまたはオリゴマーが入り込むことができる程度に、十分に小さく選択されなければならない。

好ましくは、粘度ｖとして、１．０Ｐａ−ｓ以下の粘度、好ましくは０．５Ｐａ−ｓ未満の粘度の粘度が選択される。モノマーまたはオリゴマーは、後に重合して、ポリマーを形成する。このポリマーの形成は、時間経過により自動的に生じても良いし、モノマーまたはオリゴマーの物理的または化学的処理によって、生じさせても良い。このようにして、電気的絶縁基板、その上に配置された第一の導電層と、ポリマーとの間に、ガスで満たされたキャビティが残されない。これに加えて、モノマーまたはオリゴマーの重合によって作られる第一の絶縁材料が、導電層の境界部で、湿分に対するバリアとして働く。結果として、得られたモジュールは、例えば高温度に曝すなどの、更なるプロセス・ステップを行う必要無しで、部分的放電性能が小さく抑えられる。

本発明によれば、請求項７の電力半導体モジュールにおいて、ポリイミドが、電気的絶縁基板の周辺領域と前記絶縁基板上に配置された導電層とで形成されるコーナー部の中で、第一の絶縁材料として使用される。ポリイミドは、好ましくは、対応するモノマーまたはオリゴマーの重合により形成される。そのため、この電力半導体モジュールを、コスト効率良く製造することが可能になる。

以下のテクストにおいて、本発明を、実施例を用いて、且つ図面を参照しながら、より詳細に説明する。図面の中で使用されている参照符号は、末尾の参照符号リストの中で、説明されている。

図１ａ−ｅに、本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の例を示す。

図１ａに示されているように、出発点は、電気的に絶縁性のセラミック基板２である。このセラミック基板２の上に、トップ・メタライゼイション層４及びボトム・メタライゼイション層３が配置される。トップ・メタライゼイション層４は、セラミック基板２の上面の一部のみを覆い、その結果、第一のコーナー部２４が、トップ・メタライゼイション層４とセラミック基板２とによって形成される。同様に、ボトム・メタライゼイション層３は、セラミック基板２の底面の一部のみを覆い、その結果、第二のコーナー部２３が形成される。

次いで、図１ｂに示されているように、低粘度ポリイミド・プリカーサ５１が、コーナー部２４に塗布される。好ましくは、ポリイミドのプリカーサ５１は、ポリアミック酸（polyamic acid）を含み、溶媒として、例えＮ−メチル−２ピロリドン（N-methyl-2-pyrrolidone）が使用され、その粘度ｖは、１．０Ｐａ−ｓ以下である。プリカーサ５１の塗布は、好ましくは、滴下分散（drop dispensing）によって行われる。

好ましくは、ポリイミド・プリカーサ５１は、高い毛細引力を有しており、金属とセラミックの双方に対する接着能力を高めるために、接着プロモータ、好ましくはシロキサンベ−スのプロモータが予め配合されている。

極く僅かのプリカーサ５１を塗布することによって、即ち一滴ずつ塗布することによって、小さな気泡が巻き揉まれることを防止することができる。毛管引力により、プリカーサがメタライゼイションとセラミックの間の接合部に沿って分散され、微差なギャップまでもが絶縁材料で満されることが確保される。良好なハンダ継手の場合と同様に、表面張力による分配の結果、プリカーサは凹面形状となる。もし、より大量のプリカーサがコーナー領域の全体に渡って注がれた場合には、メタライゼイション層とセラミック基板の間の微小なギャップから発生した気泡が、閉じ込められることになる。高電圧下の使用の際、そのような気泡は、半導体デバイスのエイジングを加速し、その破壊をもたらす。

次に、ポリイミド プリカーサ５１は、高温に曝すことにより、養生される。代表的には、２００−３５０°Ｃで数十分間、好ましくは約１時間、養生される。この養生の結果、ポリイミド プリカーサ５１は、図１ｃに示すように、ポリイミド・プリカーサ５１に含まれているモノマーおよび／またはオリゴマーの重合により、ポリイミド５を形成する。

後続のステップにおいて、半導体チップ６は、トップ・メタライゼイション層４の上にハンダ付けされる。その結果、図１ｄに示すような構成が得られる。この構成は、以下において、チップ・キャリアと呼ばれる。

次のステップにおいて、図１ｅに示すように、このチップ・キャリアは、ボトム・プレート１１に上に接合される。このステップは、好ましくは、低温ハンダ付けで行われるが、高温ハンダ付けを採用することもできる。

好ましくは、半導体チップ６が取り付けられた後、電力端子および／または接続配線が、半導体および／またはトップ・メタライゼイション層４に取り付けられる。その方法（例えばワイヤ・ボンディング）については、当業者に良く知られている。

次に、ハウジングの側壁１２が、ボトム・プレート１１の上に接着される。その結果得られるモジュール・ハウジングのボトム部は、次に、シリコーン・ゲル８で満たされ、その結果、トップ・メタライゼイション層４、半導体チップ６、セラミック基板２、及びポリイミド５が、このシリコーン・ゲル８によって覆われる。好ましくは、シリコーン・ゲル８は、その後に、高温で硬化される。

当業者であれば理解できるように、本発明に基づく方法において、プロセス・ステップを入れ替えることができる。

図２ａ−ｆに、本発明に基づく方法の代替えの実施形態を示す。このケースでは、電気的に絶縁性のセラミック基板２が、第一ステップで、ボトム・プレート１１の上に接合される。この接合は、セラミック基板２とボトム・プレート１１の間に配置されたボトム・メタライゼイション層３によって、もたらされる。

次のプロセス・ステップにおいて、図２ｃに示されているように、トップ・メタライゼイション層４が、セラミック基板２の上面の一部の上に、形成される。それに続くステップにおいて、図２ｄに示されているように、半導体チップ６が、トップ・メタライゼイション層４の上に接合される。次に、図２ｅに示されているように、ポリイミド・プリカーサ５１が、トップ・メタライゼイション層４とセラミック基板２とで形成されるコーナー部２４に塗布される。次に、図２ｆに示されているように、モジュール・ハウジングのボトム部が、ハウジング 側壁１２をボトム・プレート１１に取り付けることによって、形成される。その後、チップ・キャリア（順に、トップ・メタライゼイション層４、半導体チップ６、セラミック基板２、及びポリイミド５を備えている）が、モジュール・ハウジングのボトム部を満たすシリコーン・ゲル８によって覆われる。

本発明に基づく方法の好ましい変形形態において、シリコーン・ゲル８でハウジングのボトム部の中を満たす前に、プライマーが、トップ・メタライゼイション層４、半導体チップ６及びセラミック基板２の、少なくとも一部に塗布される。好ましくは、使用されるプライマーは、低粘度の液体であり、好ましくは、溶媒の中に反応性シリコーン樹脂を含有するものである。プライマーを塗布した後、且つ溶媒が蒸発した後、樹脂の剛性フィルム７が、室温または高温で、大気中の湿分への曝されることにより形成される。この樹脂の剛性フィルム７は、チップ・キャリア及びシリコーン・ゲル８に対して接着すると言う、二つの機能を有している。

好ましくは、シリコーン・ゲル８でハウジングのボトム部を満たす直前に、プライマーが塗布される。しかしながら、チップ・キャリアをプライマーの中に浸漬することによって、効果的に塗布することもできる。この浸漬は、好ましくは、チップ・キャリアがボトム・プレート１１の上に取り付けられた後で行われる。

この方法の他の好ましい変形形態において、セラミック基板２の少なくとも一つの底面の周辺領域が、ボトム・メタライゼイション層３によって覆われることなく、残される。次に、ポリイミド プリカーサが、ボトム・メタライゼイション層３とセラミック基板２の底面の周辺領域とで形成される第二のコーナー部２３に塗布される。

この方法の他の好ましい変形形態において、チップ・キャリアは、ボトム・プレート１１の上には取り付けられない。この変形形態において、チップ・キャリアは、固定手段によって、好ましくは粘着テープまたは粘着フォイルによって、ハウジングのトップ部分に対して保持され、シリコーン・ゲル８が、ハウジングのトップ部分に設けられた孔を介して、チップ・キャリアに充填される。シリコーン・ゲル８の養生の後で、上記粘着テープまたは粘着フォイルが取り除かれる。これによって、セラミック基板２とクーラーの間にボトム・プレート１１を配置することなく、モジュールをクーラーに取り付けることができる。この結果、熱的な接触が改善される。

図３に、本発明に基づく電力半導体モジュールのボトム部を示す。電気的に絶縁性のセラミック基板２の上には、ボトム・メタライゼイション層３及びトップ・メタライゼイション層４が配置されており、このセラミック基板２が、ボトム・プレート１１の上に接合される。このボトム・プレート１１は、電気的に絶縁性の材料からなる側壁１２とともにハウジングのボトム部を構成する。ボトム・メタライゼイション層３とボトム・プレート１１の間には、第一のハンダ層（図３中には示されていない）が配置され、このハンダ層が接合をもたらす。

半導体チップ６は、トップ・メタライゼイション層４の上に、第二のハンダ層（図３中には示されていない）によって取り付けられる。ポリイミド５が、トップ・メタライゼイション層４とセラミック基板２とで形成されるコーナー部２４に塗布される。トップ・メタライゼイション層４、半導体チップ６、セラミック基板２、及びポリイミド５は、シリコーン・ゲル８により覆われる。

好ましくは、ポリイミドは、高い相対誘電率（即ち、εｒ＞３．０）を有している。好ましくは、ポリイミドは、高い温度安定性および／または高い絶縁耐力を有していて、例えば、少なくとも３００°Ｃまでの温度、１５ｋＶ／ｍｍまでの電界に耐えることができる。好ましくは、ポリイミドは、湿分の吸収が少ない。

図４に、本発明に基づく電力モジュールの好ましい実施形態のボトム部を示す。プライマーを大気中の湿分および／または高温に曝すことにより、樹脂の剛性フィルム７が形成され、この剛性フィルム７は、セラミック基板２、半導体チップ６、ポリイミド５、及びトップ・メタライゼイション層４の周辺領域の上面と、シリコーン・ゲル８との間に配置される。

図５に、本発明に基づく電力モジュールの他の好ましい実施形態のボトム部を示す。この実施形態においては、ポリイミド９が、ボトム・メタライゼイション層３とセラミック基板２の底面の周辺領域とで形成される第二のコーナー部２３にも、第三の絶縁材料として配置される。このことにより、更に、モジュール内での部分的放電が小さく抑えられる。

図６に、本発明に基づく電力モジュールの他の好ましい実施形態を示す。この実施形態は、樹脂の剛性フィルム７及びポリイミド９の双方を有し、ポリイミド９は第二のコーナー部２３に配置されている。この図に示されているのは、ハウジングのトップ・プレート１３、第一の電力端子１５、第二の電力端子１６、及び当該モジュールの電気的接続のための制御端子１７である。第一及び第二の電力端子１５、１６は、それぞれ、トップ・メタライゼイション層４及び半導体チップ６の第一の主電極に接触し、これに対して、制御端子１７は、半導体チップ６のゲート・パッドに接触している。全ての端子は、トップ・プレート１３に設けられた開口の中を通る。

本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の例を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の例を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の例を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の例を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の例を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の例を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の他の実施形態の例を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の他の実施形態の例を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の他の実施形態の例を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の他の実施形態の例を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の他の実施形態の例を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールを製造する方法の他の実施形態の例を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールのボトム部を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールのボトム部の好ましい実施形態を示す。 本発明に基づく電力半導体モジュールのボトム部の他の好ましい実施形態を示す図。 本発明に基づく電力半導体モジュールの他の好ましい実施形態を示す。

符号の説明

１１・・・ボトム・プレート、１２・・・ハウジングの側壁、１３・・・トップ・プレート、１５・・・第一の電力端子、１６・・・第二の電力端子、１７・・・制御端子、２・・・電気的絶縁基板（セラミック基板）、２４・・・第一のコーナー部、２３・・・第二のコーナー部、３・・・第二の導電層（ボトム・メタライゼイション層）、４・・・第一の導電層（トップ・メタライゼイション層）、５・・・第一の電気的絶縁材料（ポリイミド）、５１・・・第一の電気的絶縁材料（ポリイミド）のプリカーサ、６・・・半導体チップ、７・・・樹脂の剛性層、８・・・第二の電気的に絶縁性の材料（シリコーン・ゲル）、９・・・第三の電気的絶縁材料（ポリイミド）。

Claims (10)

1. − 第一の導電層（４）を、電気的絶縁基板（２）の上面の少なくとも一部の上に、前記電気的絶縁基板（２）の上面の少なくとも一つの周辺領域が当該第一の導電層（４）で覆われることなく残されるように、配置し；
   − 第一の絶縁材料（５）のプリカーサ（５１）を、前記第一の導電層（４）と前記電気的絶縁基板（２）の前記周辺領域とで形成される第一のコーナー部（２４）に、配置し；
   − 前記第一の絶縁材料（５）のプリカーサ（５１）を重合させて、第一の絶縁材料（５）を形成し；
   − 半導体チップ（６）を前記第一の導電層（４）の上に接合し；
   − 前記電気的絶縁基板（２）をボトム・プレート（１１）の上に接合し；
   − 前記半導体チップ（６）、前記電気的絶縁基板（２）、前記第一の導電層（４）及び前記第一の電気的絶縁材料（５）を、第二の電気的絶縁材料（８）で少なくとも部分的に覆う；ステップを備えた電力半導体モジュールを組み立てるための方法において、
   下記構成を備えたことを特徴とする方法：
   − 前記第一の電気的絶縁材料（５）のプリカーサ（５１）は、重合してポリイミドを形成するモノマーまたはオリゴマーであり；
   − 前記プリカーサ（５１）が、前記導電層（４）と前記電気的絶縁基板の間にエア・ギャップが閉じ込められることがないように、前記第一の導電層（４）と前記電気的絶縁基板（２）の前記周辺領域との接合部に塗布されていて；
   − 前記プリカーサは、それが前記接合部に沿って分散するような低い粘度を有し；
   − 前記第一の導電層（４）と前記電気的絶縁基板（２）の前記周辺領域とにより形成される前記コーナー領域に配置される前記プリカーサ（５１）の表面は、凹面形状を形成する。
2. 下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
   滴下分散のメカニズムが、プリカーサ（５１）の液滴を、前記第一の導電層（４）と前記電気的絶縁基板（２）の前記周辺領域との接合部に塗布するために用いられ、且つ、
   前記プリカーサは、前記接合部に沿って、毛管引力により分散される。
3. 下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
   前記電気的絶縁基板（２）は、前記第二の電気的絶縁材料（８）が取り付けられる前に、ボトム・プレート（１１）の上に接合される。
4. 更に下記ステップを備えた請求項１から３のいずれか１項に記載の方法：
   − 少なくとも一つの第二の導電層（３）を、前記電気的絶縁基板（２）の少なくとも一つの底面の周辺領域が選択的に露出されるように、前記ボトム・プレート（１１）と前記電気的絶縁基板（２）の底面の少なくとも一部の間に配置し；
   − 第三の電気的絶縁材料のプリカーサを、第二の導電層（３）と前記電気的絶縁基板（２）の底面の周辺領域とで形成される第二のコーナー部（２３）の中に配置する。
5. 下記特徴を備えた請求項４に記載の方法：
   前記第三の電気的絶縁材料のプリカーサは、前記第一の電気的絶縁材料のプリカーサと同一である。
6. 下記特徴を備えた請求項１から５のいずれか１項に記載の方法：
   前記第二の絶縁材料が取り付けられる前に、前記半導体チップ（６）、前記電気的絶縁基板（２）、前記第一の導電層（４）、及び前記第一の電気的絶縁材料（５）を少なくとも部分的に覆うように、プライマーが配置される。
7. − 電気的絶縁基板（２）と；
   − 前記電気的絶縁基板（２）の上面の周辺領域の少なくとも一つが選択的に露出されるように、前記電気的絶縁基板（２）の上面の少なくとも一部分の上に配置された第一の導電層（４）と；
   − 前記導電層（４）上に接合された少なくとも一つの電力半導体チップと；
   − ボトム・プレート（１１）上に接合された電気的絶縁基板（２）と；
   − 前記第一の導電層（４）と前記電気的絶縁基板（２）の前記周辺領域とで形成されたコーナー領域に配置された第一の電気的絶縁材料（５）と；
   − 前記電力半導体チップ、前記電気的絶縁基板（２）、前記第一の導電層（４）、及び前記第一の電気的絶縁材料（５）を、少なくとも部分的に包む第二の絶縁材料（８）と；を備えた電力半導体モジュールにおいて、
   下記構成を備えたことを特徴とする電力半導体モジュール：
   − 前記第一の電気的絶縁材料（５）はポリイミドであり；且つ、
   − 前記第一の導電層（４）と前記電気的絶縁基板（２）の周辺領域とで形成されたコーナー領域に配置された前記第一の電気的絶縁材料（５）の表面は、凹面の形状である。
8. 下記特徴を備えた請求項７に記載の電力半導体モジュール：
   前記電気的絶縁基板（２）は、ボトム・プレート（１１）の上に載せられている。
9. 下記特徴を備えた請求項７または８に記載の電力半導体モジュール：
   少なくとも一つの第二の導電層（３）が、前記電気的絶縁基板（２）の少なくとも一つの底面の周辺領域が選択的に露出されるように、前記ボトム・プレート（１１）と前記電気的絶縁基板（２）の底面の少なくとも一部の間に配置され、且つ、
   第三の絶縁材料（９）が、前記第二の導電層（３）と前記電気的絶縁基板（２）の底面の周辺領域とで形成される第二のコーナー部（２３）の中に配置されている。
10. 下記特徴を備えた請求項７から９のいずれか１項に記載の電力半導体モジュール：
    樹脂の剛性層（７）が、前記第二の電気的絶縁材料（８）と、前記半導体チップ（６）、前記絶縁基板（２）、前記第一の導電層（４）及び前記第一の電気的絶縁材料（５）との間に、設けられている。

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