JP5354327B2 - Power module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module semiconductor device that does not have defects in a silicone gel part or peeling-off of the silicone gel part, while having superior creepage insulation properties. <P>SOLUTION: A power module has a configuration, wherein the creepage of a ceramic insulating substrate is insulated and protected by a silicone gel, in which the weight-average molecular weight of a base polymer, measured by using a GPC (gel permeation chromatograph) method, is 30,000-40,000. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、パワーモジュールに関し、より詳しくは、セラミック回路基板の沿面をシリコーンゲルで絶縁保護しているパワーモジュールに関する。   The present invention relates to a power module, and more particularly to a power module in which a creeping surface of a ceramic circuit board is insulated and protected with a silicone gel.

近年、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を中心として、パワー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。パワーモジュールは1つまたは複数のパワー半導体デバイスを内蔵して変換接続の一部または全体を構成し、かつ、パワー半導体とベースプレートまたは冷却面との間が電気的に絶縁された構造を持つパワー半導体デバイスである。   In recent years, power modules have been widely used in power conversion devices centering on IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). The power module includes one or more power semiconductor devices to form part or all of the conversion connection, and has a structure in which the power semiconductor and the base plate or the cooling surface are electrically insulated. It is a device.

従来のパワーモジュールの構造を、一般的なIGBTパワーモジュールの構造を例にとって説明する。   A structure of a conventional power module will be described by taking a structure of a general IGBT power module as an example.

図1は一般的なIGBTパワーモジュールの断面図である。図において、1はIGBTあるいはダイオードチップ等のパワーチップである。パワーチップ1はセラミックス絶縁基板2の上に搭載される。このセラミックス絶縁基板2は金属基板3にはんだ接合されている。端子ケース4はポリフェニレンスルファイド(PPS)等の熱可塑性樹脂で、外部取り出し金属端子5を固定するためインサート成形されている。セラミックス絶縁基板2の上には、はんだ付けで固定された外部取り出し端子5が立ち上がっている。外部取り出し端子5とパワーチップ1とは金属ワイヤ6により電気的に接続されている。金属基板3には端子ケース4が接着されている。蓋7は端子ケース4と同一の樹脂で構成されている。セラミックス絶縁基板2の沿面及びパワーチップを搭載した基板上のチップを絶縁保護のため、端子ケース4内には低弾性率のシリコーンゲル8が充填されている。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a general IGBT power module. In the figure, reference numeral 1 denotes a power chip such as an IGBT or a diode chip. The power chip 1 is mounted on the ceramic insulating substrate 2. The ceramic insulating substrate 2 is soldered to the metal substrate 3. The terminal case 4 is made of thermoplastic resin such as polyphenylene sulfide (PPS), and is insert-molded to fix the external lead metal terminal 5. On the ceramic insulating substrate 2, an external lead terminal 5 fixed by soldering stands. The external extraction terminal 5 and the power chip 1 are electrically connected by a metal wire 6. A terminal case 4 is bonded to the metal substrate 3. The lid 7 is made of the same resin as the terminal case 4. The terminal case 4 is filled with a silicone gel 8 having a low elastic modulus in order to insulate and protect the creeping surface of the ceramic insulating substrate 2 and the chip on the substrate on which the power chip is mounted.

特許文献1には、ケース内に充填された封止樹脂で封止された絶縁基板、半導体素子を有する樹脂封止型パワーモジュールが記載され、封止樹脂として針入度が25以上、35以下のシリコーンエラストマーを用いることが記載されている。   Patent Document 1 describes an insulating substrate sealed with a sealing resin filled in a case, and a resin-encapsulated power module having a semiconductor element. The sealing resin has a penetration of 25 or more and 35 or less. The use of a silicone elastomer is described.

また、特許文献2には、25℃における粘度50〜100,000センチポイズの珪素原子結合アルケニル基含有ジオルガノポリシロキサンと非官能性オルガノポリシロキサンと25℃における粘度1〜1,000,000センチポイズの珪素原子結合アルケニル基含有ジオルガノポリシロキサン及び触媒量のヒドロシリル化触媒からなり、JIS A硬度が0であり、針入度が300以下、せん断周波数0.1〜10Hzでのtanδが0.1〜2であるシリコーンゲル組成物を提案しており、この組成物は防振特性及び耐熱性に優れるとしている。   Patent Document 2 discloses that a silicon-bonded alkenyl group-containing diorganopolysiloxane and non-functional organopolysiloxane having a viscosity of 50 to 100,000 centipoise at 25 ° C. and a viscosity of 1 to 1,000,000 centipoise at 25 ° C. It comprises a silicon-bonded alkenyl group-containing diorganopolysiloxane and a catalytic amount of a hydrosilylation catalyst, has a JIS A hardness of 0, a penetration of 300 or less, and a tan δ of 0.1 to 10 Hz at a shear frequency of 0.1 to 10 Hz. No. 2 silicone gel composition is proposed, and this composition is said to be excellent in vibration-proof properties and heat resistance.

特開2008−16564号公報JP 2008-16564 A 特開平8−225743号公報JP-A-8-225743

従来のパワーモジュール半導体装置では、吸湿急加熱される環境において、シリコーンゲル中にクラック、ボイドが発生する。このようなシリコーンゲルを高電圧部品の封止に用いた場合、このクラックやボイドが空気層となって、部分放電が生じ絶縁が低下する。またシリコーンゲルがセラミックス絶縁基板の沿面から剥離し、沿面絶縁が低下するという問題があった。   In the conventional power module semiconductor device, cracks and voids are generated in the silicone gel in an environment where moisture is rapidly absorbed. When such a silicone gel is used for sealing high voltage components, the cracks and voids become an air layer, causing partial discharge and lowering the insulation. Further, there is a problem that the silicone gel peels off from the creeping surface of the ceramic insulating substrate and the creeping insulation is lowered.

この主原因は、ポップコーン現象と同様に、シリコーンゲル内部及びセラミックス絶縁基板との界面に吸湿した水分が、急加熱することで、飛散する際、クラック、ボイドや剥離といったシリコーンゲルの欠陥を生じるためである。従って、パワーモジュール半導体装置の吸湿急加熱における沿面絶縁向上のためには、シリコーンゲル部での構造欠陥発生を防止することが非常に有効である。   Like the popcorn phenomenon, the main cause of this is that moisture absorbed in the silicone gel interior and the interface with the ceramic insulating substrate is heated rapidly, causing defects in the silicone gel such as cracks, voids, and peeling when scattered. It is. Therefore, in order to improve the creeping insulation in the moisture absorption rapid heating of the power module semiconductor device, it is very effective to prevent the occurrence of structural defects in the silicone gel part.

特許文献1におけるように針入度25〜35の場合、パワーモジュールに要求されるP/C(パワーサイクル)寿命を満足させることはできない。また、ワイヤ径が細くなるに従い、HC(冷熱サイクル)で破断寿命短くなることが確認されている。事例のシリコーンエラストマー(ワッカーRT745S)は、ジメチルシリコーンゴムであり、事例のように針入度を7〜27に制御することは困難であり、実現性に乏しい。また、−40℃以下の耐寒性が劣るため、HCでのワイヤ破断を加速させる恐れがある。   When the penetration is 25 to 35 as in Patent Document 1, the P / C (power cycle) life required for the power module cannot be satisfied. Further, it has been confirmed that as the wire diameter becomes thinner, the fracture life is shortened by HC (cooling and heating cycle). The silicone elastomer in the case (Wacker RT745S) is dimethyl silicone rubber, and it is difficult to control the penetration to 7 to 27 as in the case, and the feasibility is poor. Further, since the cold resistance at -40 ° C. or lower is inferior, there is a risk of accelerating wire breakage at HC.

特許文献2は特定の構造のポリオルガノシロキサンを含有する組成物を用いているが、針入度300は実現性に乏しい。即ち、針入度110以上では、縦置きでは、形態を留めることは困難であり、2液性で、調合するには、バラツキが大きすぎて針入度を管理することが事実上できないものである。   Patent Document 2 uses a composition containing a polyorganosiloxane having a specific structure, but a penetration of 300 is poor in feasibility. In other words, when the penetration is 110 or more, it is difficult to keep the form in a vertical position, and it is two-component, and it is practically impossible to manage the penetration due to too large variation for blending. is there.

また、シリコーンゲルの構造欠陥であるセラミックス絶縁基板の沿面からの剥離を防止するためには、セラミックス絶縁基板の沿面にポリイミド、エポキシなどの絶縁塗料を塗布硬化させることが考えられるが、熱膨張差によりもろいセラミックスに亀裂が生じるという危険がある。また、塗布硬化工程が増える上、材料費の上昇、最終製品のコストアップにつながる。   In addition, in order to prevent exfoliation from the creeping surface of the ceramic insulating substrate, which is a structural defect of the silicone gel, it may be possible to apply and harden an insulating paint such as polyimide or epoxy on the creeping surface of the ceramic insulating substrate. There is a risk of cracking in the more brittle ceramics. In addition, the coating and curing process increases, leading to an increase in material costs and an increase in cost of the final product.

沿面絶縁向上のためには、セラミックス絶縁基板の沿面にシランカップリング剤を塗布することも考えられるが、耐熱劣化によりシリコーンゲル界面でシランカップリング剤が固化し、剥離にいたるという致命的な問題も抱えている。   In order to improve creepage insulation, it is conceivable to apply a silane coupling agent to the creeping surface of the ceramic insulating substrate, but a fatal problem that the silane coupling agent solidifies at the silicone gel interface due to heat deterioration and leads to peeling. Also have.

また、シリコーンゲルのクラック、ボイドといった欠陥については、シリコーンゲルの強度を向上させることが考えられるが、シリコーンゲルの強度を不適切に高強度化すると、セラミックス絶縁基板との界面で剥離してしまうという問題があった。   In addition, it is conceivable to improve the strength of the silicone gel for defects such as cracks and voids in the silicone gel. However, if the strength of the silicone gel is increased inappropriately, it will peel off at the interface with the ceramic insulating substrate. There was a problem.

本発明の目的は、現有の工程や、従来構造に大きな変更を加えることなく、シリコーンゲルの欠陥であるクラック、ボイドや剥離を抑止するため、シリコーンゲルの強度を制御することにあり、このシリコーンゲルを用いることにより、シリコーンゲル部の欠陥や剥離がなく、沿面絶縁特性に優れたパワーモジュール半導体装置を提供することにある。   The object of the present invention is to control the strength of the silicone gel in order to suppress cracks, voids and peeling, which are defects of the silicone gel, without significantly changing the existing process or the conventional structure. An object of the present invention is to provide a power module semiconductor device having no creeping or peeling of the silicone gel portion and having excellent creepage insulation characteristics by using the gel.

本発明者らは上記の課題を解消するために検討を重ねた結果、吸湿急加熱の環境下で発生するシリコーンゲル中のクラック、ボイドやセラミックス絶縁基板の沿面から剥離してしまう原因は、シリコーンゲルのベースポリマーの重量平均分子量が不適切に小さかったり、大きかったりするためであることを見出した。即ち、シリコーンゲルのベースポリマーの重量平均分子量を最適化することがシリコーンゲル部の欠陥や剥離の抑止に非常に有効であることを見出したのである。   As a result of repeated studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that the cause of peeling from the cracks, voids and creeping surfaces of the ceramic insulating substrate in the silicone gel generated under the environment of moisture absorption and rapid heating is silicone. It has been found that the weight average molecular weight of the gel base polymer is inappropriately small or large. That is, it has been found that optimizing the weight average molecular weight of the base polymer of the silicone gel is very effective in suppressing defects in the silicone gel portion and peeling.

即ち、本発明のパワーモジュールは、GPC(ゲルパーミエ−ションクロマトグラフ)法を用いて測定したベースポリマーの重量平均分子量が30000〜40000であるシリコーンゲルでセラミックス絶縁基板の沿面を絶縁保護していることを特徴とする。   In other words, the power module of the present invention is provided to insulate and protect the creeping surface of the ceramic insulating substrate with a silicone gel whose weight average molecular weight of the base polymer measured by GPC (gel permeation chromatography) is 30000-40000. It is characterized by.

このパワーモジュールは、セラミックス絶縁基板の沿面を絶縁保護しているシリコーンゲルの硬化後のASTM D1403に基づき、測定した針入度が30〜80であることが好ましく、また、このシリコーンゲルの硬化後の0.1Hzの損失係数(tanδ)が0.15〜0.20であることが好ましい。   The power module preferably has a measured penetration of 30 to 80 based on ASTM D1403 after curing of the silicone gel that protects the creeping surface of the ceramic insulating substrate, and after curing of the silicone gel The loss coefficient (tan δ) of 0.1 Hz is preferably 0.15 to 0.20.

本発明のパワーモジュールは、パワー半導体装置の吸湿急加熱試験で不良要因となるゲルの絶縁基板からの剥離やゲル中の構造欠陥発生を抑制できることから、現行パワーモジュール構造を変更することなく、パワーモジュールのセラミックス絶縁基板の沿面絶縁性能の信頼性を向上させることが可能となる。   Since the power module of the present invention can suppress the peeling of the gel from the insulating substrate and the generation of structural defects in the gel, which cause failure in the moisture absorption rapid heating test of the power semiconductor device, the power module can be operated without changing the current power module structure It becomes possible to improve the reliability of the creeping insulation performance of the ceramic insulating substrate of the module.

本発明のパワーモジュールは、ベースポリマーの重量平均分子量が30000〜40000であるシリコーンゲルでセラミック回路基板の沿面を絶縁保護していることに特徴を有するものであり、本発明のパワーモジュールの構造は、一般的なIGBTパワーモジュールの構造を有するものであってよい。その一例を示すと、このパワーモジュールは、図1に示すように、端子ケース4内に収納された金属基板4の上にセラミックス絶縁基板3がはんだ接合されている。このセラミックス絶縁基板3の上にパワーチップ1が搭載されており、シリコーンゲル8がセラミックス絶縁基板3の沿面を絶縁保護している構造となっている。   The power module of the present invention is characterized in that the creeping surface of the ceramic circuit board is insulated and protected with a silicone gel whose weight average molecular weight of the base polymer is 30,000 to 40,000. The structure of the power module of the present invention is as follows. It may have a general IGBT power module structure. As an example, in this power module, as shown in FIG. 1, a ceramic insulating substrate 3 is soldered on a metal substrate 4 accommodated in a terminal case 4. The power chip 1 is mounted on the ceramic insulating substrate 3 and has a structure in which the silicone gel 8 insulates and protects the creeping surface of the ceramic insulating substrate 3.

本発明のパワーモジュールに用いるシリコーンゲル8は、そのベースポリマーの重量平均分子量が30000〜40000である。なお、このベースポリマーの重量平均分子量は、GPC(ゲルパーミエ−ションクロマトグラフ)法を用いて測定されたポリスチレン換算分子量としての定量値である。   The silicone gel 8 used in the power module of the present invention has a base polymer weight average molecular weight of 30,000 to 40,000. In addition, the weight average molecular weight of this base polymer is a quantitative value as a polystyrene conversion molecular weight measured using GPC (gel permeation chromatography) method.

シリコーンゲルは、ビニル基を持つベースポリマーと水素基を持つ架橋剤を白金などの触媒で付加反応させて、硬化物としており、架橋剤の種類、量で、ゲルの硬さの指標である針入度を制御している。一方、シリコーンゲルそのものの強度の制御がパワーモジュールのシリコーンゲルを用いる上で重要であり、ベースポリマーの分子量を制御することにより、ゲルの強度を制御する。本発明においては、ベースポリマーの重量平均分子量を30000〜40000に制御するとともに、針入度を30〜80に制御することが好ましい。   Silicone gel is a cured product by addition reaction of a base polymer having a vinyl group and a crosslinking agent having a hydrogen group with a catalyst such as platinum. The needle is an indicator of the hardness of the gel based on the type and amount of the crosslinking agent. The degree of entry is controlled. On the other hand, control of the strength of the silicone gel itself is important in using the silicone gel of the power module, and the strength of the gel is controlled by controlling the molecular weight of the base polymer. In the present invention, it is preferable to control the weight average molecular weight of the base polymer to 30,000 to 40,000 and to control the penetration to 30 to 80.

ベースポリマーの重量平均分子量が30000未満であると、強度が不足し、ボイドやクラックが発生しやすくなる。40000を超えると、粘度が高くなり、作業性が劣るようになる。また、狭い隙間への浸透性が悪くなり、浸透しなかった個所で、密着不良となり、剥離不具合の要因となる。   When the weight average molecular weight of the base polymer is less than 30000, the strength is insufficient and voids and cracks are likely to occur. When it exceeds 40,000, the viscosity becomes high and the workability becomes inferior. In addition, the permeability to narrow gaps deteriorates, and in the areas where the penetration has not occurred, poor adhesion occurs, which causes a peeling failure.

また、針入度が30未満では、ジメチルシリコーン特有の耐寒特性により、HC(冷熱サイクル)時に、ワイヤが細ければ細いほど断線しやすくなり、信頼性を確保できなくなる。一方、針入度が80を越えると、形態安定性に劣る。また、機械的強度が低下するため、クラックが発生しやすくなってしまう。また、tanδは、振動を吸収するゲルの性質は減衰性を示し、tanδの大きい組成であることが望まれるが、tanδが0.15未満では、クラックが生じやすく、0.20以上では、基板と剥離しやすくなる。   Also, if the penetration is less than 30, due to the cold resistance characteristic unique to dimethyl silicone, the thinner the wire, the easier it is to break during HC (cooling cycle), making it impossible to ensure reliability. On the other hand, when the penetration exceeds 80, the form stability is poor. Moreover, since mechanical strength falls, it will become easy to generate | occur | produce a crack. In addition, tan δ is desirable to have a composition in which the property of the gel that absorbs vibration exhibits a damping property and a large tan δ. However, if tan δ is less than 0.15, cracks are likely to occur. And easy to peel.

このシリコーンゲル8のベースポリマーの重量平均分子量は市販の既知の分子量のベースポリマーからなるシリコーンゲルを用いるか、既知の分子量のベースポリマーを複数種ブレンドして所望のベースポリマーの重量平均分子量とすることができる。   As the weight average molecular weight of the base polymer of the silicone gel 8, a commercially available silicone gel made of a base polymer having a known molecular weight is used, or a plurality of base polymers having a known molecular weight are blended to obtain a weight average molecular weight of a desired base polymer. be able to.

本発明で用いるセラミックス絶縁基板3としては、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウムなどからなるものを例示できる。   Examples of the ceramic insulating substrate 3 used in the present invention include those made of silicon nitride, alumina, aluminum nitride or the like.

本発明においては、このシリコーンゲル8がセラミックス絶縁基板3の沿面を絶縁保護している。即ち、セラミックス絶縁基板3の露出している全表面をシリコーンゲル8で被覆することにより絶縁保護している。この被覆としては、セラミックス絶縁基板3、パワーチップ1を含め、端子ケース内に収納されたパワーモジュール構成部品のすべて(もちろん、端子ケースの外部に取り出された外部取り出し端子5の先端は除く)をシリコーンゲル8で封止する方法を例示できる。なお、金属基板4は端子ケースの底の役割をも果たしているので、金属基板4はその上表面の露出部分のみがシリコーンゲル8で覆われている。この金属基板4は放熱板の役割も有しているので熱伝導性に優れた金属、例えば銅やアルミなどが用いられる。   In the present invention, the silicone gel 8 insulates and protects the creeping surface of the ceramic insulating substrate 3. That is, the entire surface of the ceramic insulating substrate 3 exposed is covered with the silicone gel 8 for insulation protection. As this coating, all the power module components housed in the terminal case including the ceramic insulating substrate 3 and the power chip 1 (of course, excluding the tip of the external extraction terminal 5 taken out of the terminal case) A method of sealing with the silicone gel 8 can be exemplified. Since the metal substrate 4 also serves as the bottom of the terminal case, only the exposed portion of the upper surface of the metal substrate 4 is covered with the silicone gel 8. Since the metal substrate 4 also serves as a heat sink, a metal having excellent thermal conductivity, such as copper or aluminum, is used.

以下に、実施例、比較例を用いて、シリコーンゲルのベースポリマーとして重量平均分子量30000〜40000のものを用いた場合に、このシリコーンゲルを用いたパワーモジュールが優れた性能を示すことを説明する。   Below, it demonstrates that the power module using this silicone gel shows the outstanding performance, when a thing with a weight average molecular weight 30000-40000 is used as a base polymer of a silicone gel using an Example and a comparative example. .

まず、実施例、比較例で用いるシリコーンゲルのベースポリマーの重量平均分子量の測定方法を以下に示す。   First, the measuring method of the weight average molecular weight of the base polymer of the silicone gel used in Examples and Comparative Examples is shown below.

GPC分析用試料を、ジクロロメタンで洗浄、完全に乾燥した9ccガラス製スクリュー管からなる試料ビン中にシリコーンゲルのベースポリマー0.01gを入れて、5.0gのトルエン(和光純薬工業株式会社製HPLCグレード)に溶解し、0.2wt%の分析試料溶液とした。   A GPC analysis sample was washed with dichloromethane, and 0.01 g of a silicone gel base polymer was put into a sample bottle consisting of a completely dried 9 cc glass screw tube, and 5.0 g of toluene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). HPLC grade) to obtain a 0.2 wt% analytical sample solution.

ポリスチレン単分散標準(東ソー株式会社製TSKstandardPOLYSTYRENE)として、分子量は、355,000、96,400、37,900、19,600、5,570の5種類を準備し、これらを上記と同様の方法で0.1wt%トルエン溶液となるように調整した。   As polystyrene monodisperse standards (TSK standard POLYSTYRENE manufactured by Tosoh Corporation), five types of molecular weights of 355,000, 96,400, 37,900, 19,600, and 5,570 are prepared, and these are prepared in the same manner as described above. It adjusted so that it might become a 0.1 wt% toluene solution.

GPC装置はWaters社製Waters600Eシステム(検出器:Waters410示差屈折計)、カラムはWaters社製Styragel HR5E2本直列に接続し、同仕様のガードカラムをつけたものを用い、75℃に保温した状態でGPC分析を実施した。   The GPC device is a Waters Waters 600E system (detector: Waters 410 differential refractometer), the column is connected in series with two Waters Styragel HR5Es, and a guard column of the same specification is used, and the temperature is kept at 75 ° C. GPC analysis was performed.

溶離液はトルエン(和光純薬工業株式会社製HPLCグレード)を毎分1.0mLの流量で、試料液注入量は100μL、検出はRI(屈折率)、分析時間は30分で実施した。分析ソフトはWaters社製Millennium32−Jを使用した。   The eluent was toluene (HPLC grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) at a flow rate of 1.0 mL / min, the sample solution injection amount was 100 μL, the detection was RI (refractive index), and the analysis time was 30 minutes. As analysis software, Millennium 32-J manufactured by Waters was used.

上記の条件で得られたポリスチレン標準試料のクロマトグラムから、最小二乗法により保持時間と分子量の検量線(3次曲線)を計算し、同検量線とシリコーンゲルベースポリマー試料のクロマトグラムから下記式1により、ポリスチレン換算重量平均分子量を算出した。   From the chromatogram of the polystyrene standard sample obtained under the above conditions, a calibration curve (cubic curve) of retention time and molecular weight is calculated by the method of least squares, and the following formula is calculated from the calibration curve and the chromatogram of the silicone gel base polymer sample: 1, the polystyrene equivalent weight average molecular weight was calculated.

重量平均分子量Mw=Σ(WiMi)/W=Σ(HiMi)/Σ(Hi)・・・・式1
W=高分子の総重量
Wi=i番目の高分子の重量
Mi=i番目の溶出時間における分子量
Hi=i番目の溶出時間における高さ
Weight average molecular weight Mw = Σ (WiMi) / W = Σ (HiMi) / Σ (Hi).
W = total weight of the polymer Wi = weight of the i th polymer Mi = molecular weight at the i th elution time Hi = height at the i th elution time

実施例、比較例に用いたシリコーンゲルの針入度は、未硬化のシリコーンゲル組成物50ccを、容量50ccのビーカーにとり、100℃の熱風乾燥機中で60分加熱して硬化させることにより、シリコーンゲルを得た。室温に冷却した後、ASTM D1403により、1/4コーンを用いて測定した。   The penetration of the silicone gel used in the examples and comparative examples was determined by taking 50 cc of an uncured silicone gel composition in a beaker with a capacity of 50 cc and heating and curing in a hot air dryer at 100 ° C. for 60 minutes. A silicone gel was obtained. After cooling to room temperature, measurements were made using ASTM D1403 using a 1/4 cone.

また、実施例、比較例に用いたシリコーンゲルの損失係数(tanδ)は、コーンプレート上に作製したシリコーンゲルをレオメトリック社製ダイナミックアナライザーにより測定した。   In addition, the loss factor (tan δ) of the silicone gel used in Examples and Comparative Examples was measured with a dynamic analyzer manufactured by Rheometric Co., Ltd. on a silicone gel produced on a cone plate.

また、実施例、比較例に用いたシリコーンゲルの凝集破壊率は、以下のようにして測定した。   Moreover, the cohesive failure rate of the silicone gel used for the Example and the comparative example was measured as follows.

未硬化のシリコーンゲル組成物を、図2に示すような10mm×50mm×0.25mmの窒化珪素製のセラミックス基板2枚を接着面積10mm×10mmで貼り合わせ、100℃で60分加熱して硬化させることにより、せん断接着試験片を得た。   The uncured silicone gel composition is bonded to two 10 mm × 50 mm × 0.25 mm silicon nitride ceramic substrates as shown in FIG. 2 with an adhesive area of 10 mm × 10 mm and cured by heating at 100 ° C. for 60 minutes. By doing so, a shear adhesion test piece was obtained.

このせん断接着試験片を85℃85%1000h吸湿処理し、室温まで放冷した後、125℃の熱板上に8h放置後、室温まで冷却させた後、島津製作所製EZテスターを用いて0.5mm/秒でせん断圧縮強度を測定した。また、そのせん断圧縮により破断した破断面を観察し、凝集破壊を起こして窒化珪素製のセラミックス基板上面にゲルが付着している部分の面積を凝集破壊率として評価した。   The shear adhesion test piece was moisture-absorbed at 85 ° C. and 85% for 1000 h, allowed to cool to room temperature, left on a hot plate at 125 ° C. for 8 h, cooled to room temperature, and then cooled to room temperature using an EZ tester manufactured by Shimadzu Corporation. The shear compressive strength was measured at 5 mm / second. Moreover, the fractured surface fractured by the shear compression was observed, and the area of the portion where the gel was adhered to the upper surface of the silicon nitride ceramic substrate was evaluated as the cohesive failure rate.

また、実施例、比較例に用いたシリコーンゲルのゲル欠陥の評価は以下のようにした。   Moreover, evaluation of the gel defect of the silicone gel used for the Example and the comparative example was performed as follows.

図3に示すように、窒化珪素製セラミックの両面に沿面距離が2mm幅になるように金属パターンを施し、片面は金属板にはんだ付けし、上面には、棒電極を配して試験片を作製した。   As shown in FIG. 3, a metal pattern is applied to both surfaces of a silicon nitride ceramic so that the creepage distance is 2 mm, one side is soldered to a metal plate, and a bar electrode is arranged on the upper surface to place a test piece. Produced.

この試験片を140mmφのシャーレにおき、上面から100ccのシリコーンゲルを充填し、3mmHg以下で、10分間、真空脱泡し、100℃の熱風乾燥機中で60分加熱して硬化させたものを試料とした。   This test piece was placed in a petri dish of 140 mmφ, filled with 100 cc of silicone gel from the top, vacuum degassed for 10 minutes at 3 mmHg or less, and heated and cured in a 100 ° C. hot air dryer for 60 minutes. A sample was used.

この試料10台を85℃85%10h吸湿処理し、室温冷却後、125℃の熱板上に8h放置後、室温まで冷却させた後、ゲル中、セラミック界面を観察し、ボイド、クラック、剥離などのゲル欠陥がないか観察評価し、試料10台中、ゲル欠陥が発生した試料数を調べた。   Ten samples were hygroscopically treated at 85 ° C. and 85% for 10 hours, cooled to room temperature, allowed to stand on a hot plate at 125 ° C. for 8 hours, and then cooled to room temperature. The number of samples in which gel defects occurred was examined in 10 samples.

また、実施例、比較例に用いたシリコーンゲルの沿面絶縁破壊電圧は以下のようにして測定した。   Further, the creeping breakdown voltage of the silicone gel used in Examples and Comparative Examples was measured as follows.

ゲル欠陥の観察に用いた吸湿急加熱試験を実施した試料を用いて、常態で、耐電圧試験機TOSS101(菊水電子工業製)により、カットオフ2mAで、AC2KVから0.5KV刻みで昇電させ、60秒印加中の破壊電圧(背後電極有)を測定した。   Using the sample subjected to the hygroscopic rapid heating test used for the observation of the gel defect, the voltage was raised in a normal state with a withstand voltage tester TOSS101 (manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.) with a cutoff of 2 mA and from AC2 KV to 0.5 KV increments. The breakdown voltage (with back electrode) during application for 60 seconds was measured.

<実施例1〜6、比較例1〜3>
実施例1〜6、比較例1〜3では、それぞれ表1に記載のベースポリマーの重量平均分子量、針入度、tanδのシリコーンゲルを用い、上述の評価方法に従ってこれらのシリコーンゲルにつき、ゲル欠陥を評価し、沿面絶縁破壊電圧を測定した。その結果を表1に示す。
<Examples 1-6, Comparative Examples 1-3>
In Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3, the weight average molecular weight, penetration, and tan δ silicone gel of the base polymer described in Table 1 were used, and these silicone gels were subjected to gel defects according to the evaluation method described above. The creepage breakdown voltage was measured. The results are shown in Table 1.

実施例1〜3で用いたベースポリマー(重量平均分子量31100)はMomentive Performance Materials社製のTSE3051シリーズのベースポリマー(重量平均分子量23800)と重量平均分子量38700)を混合して得た。   The base polymer (weight average molecular weight 31100) used in Examples 1 to 3 was obtained by mixing TSE3051 series base polymer (weight average molecular weight 23800) and weight average molecular weight 38700) manufactured by Momentive Performance Materials.

実施例4〜6で用いたベースポリマー(重量平均分子量38700)は、Momentive Performance Materials社製のTSE3051シリーズのベースポリマー(重量平均分子量38700)を用いた。 Base polymers used in Examples 4-6 (weight average molecular weight 38700) was used Momentive Performance Materials Inc. of TSE305 1 series of base polymer (weight average molecular weight 38700).

比較例1で用いたベースポリマー(重量平均分子量23800)は、Momentive Performance Materials社製のTSE3051シリーズのベースポリマー(重量平均分子量23800)を用いた。   The base polymer (weight average molecular weight 23800) used in Comparative Example 1 was a TSE3051 series base polymer (weight average molecular weight 23800) manufactured by Momentive Performance Materials.

比較例2で用いたベースポリマー(重量平均分子量41100)は、Momentive Performance Materials社製のTSE3051シリーズのベースポリマー(重量平均分子量38700)と、シリコーンベースポリマー(重量平均分子量49700)を混合して得た。   The base polymer (weight average molecular weight 41100) used in Comparative Example 2 was obtained by mixing a base polymer (weight average molecular weight 38700) of TSE3051 series manufactured by Momentive Performance Materials and a silicone base polymer (weight average molecular weight 49700). .

比較例3は、重量平均分子量49700のシリコーンベースポリマーを用いた。   In Comparative Example 3, a silicone base polymer having a weight average molecular weight of 49,700 was used.

なお、針入度およびtanδの調整を行った。
In addition, the adjustment of the needle penetration and tanδ was Tsu line.

Figure 0005354327
Figure 0005354327

基板として、アルミナからなるセラミック基板を用い、セラミック基板の一方の面には回路パターン、他方の面にはベタパターンを銅箔により形成した。回路パターンには、IGBTとFWDをはんだ接合し、回路パターンと外部導出端子との間、IGBT(FWD)と外部導出端子との間をワイヤボンディングし、樹脂製のケースに格納し、表面をシリコーンゲルで封止して、パワーモジュールを得た。このパワーモジュール半導体装置につき、そのモジュール性能を調べたところ、良好な性能を有するものであることが確認された。   A ceramic substrate made of alumina was used as a substrate, and a circuit pattern was formed on one surface of the ceramic substrate and a solid pattern was formed on the other surface with a copper foil. The circuit pattern is soldered with IGBT and FWD, wire bonded between the circuit pattern and the external lead-out terminal, and between the IGBT (FWD) and the external lead-out terminal, and stored in a resin case, and the surface is made of silicone Sealed with gel to obtain a power module. As a result of examining the module performance of this power module semiconductor device, it was confirmed that it had good performance.

本発明で得られたパワーモジュール半導体装置は、実施例に示すとおり、吸湿急加熱試験で、沿面絶縁破壊電圧が高く維持されており、ゲル欠陥が認められなかった。それに対して、比較例1では、沿面絶縁破壊電圧が低下しシリコーンゲル内にボイドやクラックが発生した。また、比較例2、3はシリコーンゲル内にボイドやクラックが認められないが、窒化珪素製セラミック絶縁基板面で剥離が認められ、沿面絶縁破壊電圧は、重量平均分子量が高くなるのに伴い、増大する傾向を示した。   As shown in the Examples, the power module semiconductor device obtained in the present invention maintained a high creepage breakdown voltage in the moisture absorption rapid heating test, and no gel defects were observed. On the other hand, in Comparative Example 1, the creeping breakdown voltage was lowered and voids and cracks were generated in the silicone gel. In Comparative Examples 2 and 3, no voids or cracks were observed in the silicone gel, but peeling was observed on the surface of the silicon nitride ceramic insulating substrate, and the creeping breakdown voltage increased as the weight average molecular weight increased. It showed an increasing trend.

一般的なIGBTパワーモジュールを示す模式断面図である。It is a schematic cross section showing a general IGBT power module. 接着試験テスト用試験片を示す図である。It is a figure which shows the test piece for an adhesion test test. 絶縁破壊電圧及びゲル外観評価用試料を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows a dielectric breakdown voltage and the sample for gel external appearance evaluation.

符号の説明Explanation of symbols

1 パワーチップ
2 セラミックス絶縁基板
3 金属基板
4 端子ケース
5 金属端子
6 金属ワイヤ
7 蓋
8 シリコーンゲル
9 窒化珪素セラミック基板
10 シリコーンゲル
11 シリコーンゲル
12 セラミックス絶縁基板
13 引き出し電極
14 金属板
15 ガラスシャーレ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power chip 2 Ceramic insulating substrate 3 Metal substrate 4 Terminal case 5 Metal terminal 6 Metal wire 7 Lid 8 Silicone gel 9 Silicon nitride ceramic substrate 10 Silicone gel 11 Silicone gel 12 Ceramic insulating substrate 13 Lead electrode 14 Metal plate 15 Glass petri dish

Claims (3)

GPC(ゲルパーミエ−ションクロマトグラフ)法を用いて測定したベースポリマーの重量平均分子量が30000以上40000以下であるシリコーンゲルでセラミックス絶縁基板の沿面を絶縁保護していることを特徴とするパワーモジュール。 A power module, wherein a creeping surface of a ceramic insulating substrate is insulated and protected with a silicone gel having a weight average molecular weight of 30000 or more and 40000 or less of a base polymer measured by a GPC (gel permeation chromatography) method. 前記シリコーンゲルが、硬化後のASTM D1403に基づき、測定した針入度が30〜80であるシリコーンゲルであることを特徴とする請求項1記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1, wherein the silicone gel is a silicone gel having a measured penetration of 30 to 80 based on ASTM D1403 after curing. 前記シリコーンゲルが、硬化後の0.1Hzの損失係数(tanδ)が0.15〜0.20であるシリコーンゲルであることを特徴とする請求項1または2に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1, wherein the silicone gel is a silicone gel having a loss factor (tan δ) of 0.1 Hz after curing of 0.15 to 0.20.
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