JP5966414B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体モジュールの封止構造に関するもので、特に、炭化シリコン、チッ化ガリウムを用いたパワー半導体モジュールに関する。

図２に、特許文献１に記載されている、従来用いられているシリコンパワー半導体モジュールの一例の断面構造図を示す。
シリコンパワー半導体モジュール２００は、絶縁層２１と回路パターン２２とを有する銅ベース基板２３に、半田層２４ａによってシリコンパワー半導体素子２５が半田付けされている。そして、さらに半田層２６ｂによってリードフレーム２７が半田付けされ、外部接続端子２８が取り付けられる。

シリコンパワー半導体モジュール２００に搭載されるシリコンパワー半導体素子２５の数は、シリコンパワー半導体モジュール２００の容積によって決まるものであり、この容積に合わせた大きさの銅ベース基板２３に取り付けられる。

このシリコンパワー半導体素子２５が銅ベース基板２３に取り付けられた状態で、ケース２９が取り付けられ、銅ベース基板との接着部を図示しない接着剤でシールして、封止材層３０が充填される。

封止材層３０として使用される材料は、シリコーンゲル材料で、２液混合型の反応材料である。
このシリコーンゲル材料を所定量計量した後、混合・攪拌して、１３．３３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）の真空状態で１０分間１次脱泡し、ケース２９内に注型する。その後、同じく１３．３３Ｐａの真空状態で１０分間２次脱泡した後に、１２０℃で２時間加熱硬化し、フタ３１が取り付けられ、シリコンパワー半導体モジュール２００が完成する。

シリコンパワー半導体モジュール２００は、その後、熱伝導ペーストが塗布された冷却フィンに取り付けられて使用される。
シリコンパワー半導体モジュール２００の動作時は、シリコンパワー半導体素子２５や回路パターン２２に大電流が流れて発熱するため、シリコンパワー半導体素子２５で発生した熱を、銅ベース基板２３から熱伝導ペースト１２を介して冷却フィンに伝熱し、冷却することが重要となる。

特開２００７−１１６１７２号公報

これまで用いられていたシリコンからなるシリコンパワー半導体素子は、今後、電気的特性がより優れた炭化シリコンやチッ化ガリウムのパワー半導体素子（以下で単にパワー半導体素子とも言う）に置き換わる可能性が高い。

炭化シリコンやチッ化ガリウムからなるパワー半導体素子は、シリコンに比べて高温での動作特性が優れているため、炭化シリコンやチッ化ガリウムをパワー半導体素子に使用した場合、パワー半導体素子に流れる電流密度を高めることが可能となる。

しかしながら、パワー半導体素子に高電流密度の電流を流すと、発熱量が増大して、パワー半導体素子を封止する封止材の素子近傍の温度が高温になる。
パワー半導体素子をシリコンから炭化シリコンやチッ化ガリウムに置き換えた場合には、素子温度は２００℃程度、また素子の環境状態により場合によっては２４０℃近くになる。

一方、パワー半導体モジュールの外周温度は、素子近傍に比べて、低い温度になる。
このため、パワー半導体素子近傍の封止材の耐熱性能が大切となり、高温での動作領域においても安定な性能を有する封止材を用いることが重要となってくる。

炭化シリコンパワー半導体素子やチッ化ガリウムパワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールの封止材には、ノンハロゲン化に対応するため、難燃剤として、水酸化アルミニウムなどを添加した封止材が使用される。しかしながらこの場合、封止材は、難燃剤の影響により熱劣化し易くなり、耐熱性の低下という問題が新たに生じる。

本発明の目的は、上述した問題点を解決するため、炭化シリコンやチッ化ガリウムを用いたパワー半導体モジュール（以下で単にパワー半導体モジュールとも言う）の素子近傍の温度と、外周部の温度との両方に適した封止材を使用したパワー半導体モジュールを提供することにある。

本発明によれば、
パワー半導体モジュールであって、
絶縁層と、
前記絶縁層の一方の面と他方の面とにそれぞれ固着された、第１銅ブロックと第２銅ブロックとを備える銅ベース基板と、
前記第１銅ブロックの上にその一方の面が固着された、炭化シリコンまたはチッ化ガリウムを用いた少なくとも１個のパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に対向して配置されたプリント基板と、
前記銅ベース基板と前記プリント基板との間で、かつ第１銅ブロックが前記プリント基板と対向する領域であって、前記プリント基板に接触し、かつ前記パワー半導体素子が固着された前記第１銅ブロックの面よりも狭い領域のみに配置された第１の封止材と、
前記第１の封止材を覆うように配置され、前記パワー半導体モジュールの外形を形成する第２の封止材と、
を備え、
前記第１の封止材がシリコーン系封止材であり、前記第２の封止材がエポキシ系封止材であること、
により、上記の目的が達成される。
また、本発明によれば、
パワー半導体モジュールであって、
絶縁層と、
前記絶縁層の一方の面と他方の面とにそれぞれ固着された、第１銅ブロックと第２銅ブロックとを備える銅ベース基板と、
前記第１銅ブロックの上にその一方の面が導電接合層により固着された、炭化シリコンまたはチッ化ガリウムを用いた少なくとも１個のパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子のそれぞれの他方の面に導電接合層により固着された複数のインプラントピンと、
前記インプラントピンに固着され、前記パワー半導体素子に対向して配置されたプリント基板と、
前記銅ベース基板と前記プリント基板との間で、かつ第１銅ブロックが前記プリント基板と対向する領域であって、前記プリント基板に接触し、かつ前記パワー半導体素子が固着された前記第１銅ブロックの面よりも狭い領域のみに配置された第１の封止材と、
前記第１の封止材を覆うように配置され、前記パワー半導体モジュールの外形を形成する第２の封止材と、
を備え、
前記第１の封止材がシリコーン系封止材であり、前記第２の封止材がエポキシ系封止材であること、
によっても、上記の目的が達成される。

ここで、本発明においては、
第１の封止材の熱変形温度が２４０℃以上であること、
も肝要である。

また、本発明においては、
第２の封止材の熱変形温度が、１７０℃〜２３０℃であること、
が好ましい。
さらに、本発明においては、第２の封止材に難燃剤が添加されていること、
が好ましい。難燃剤としては、水酸化アルミニウムの粉末を用いることができる。

加えて、本発明においては、
第１の封止材の熱膨張係数が４×１０^−６／℃〜１８×１０^−６／℃であり、第２の封止材の熱膨張係数が１．５×１０^−５／℃〜１．８×１０^−５／℃であること、
が好ましい。

さらに加えて、本発明においては、
第１の封止材の銅ベース基板に対する接着強さ、ならびに第２の封止材の第１の封止材に対する接着強さ、ならびに第２の封止材の銅ベース基板に対する接着強さが、それぞれ１０ＭＰａ〜３０ＭＰａであること、
が好ましい。

本発明においては、パワー半導体素子の温度が、場合によっては２４０℃近くにまで上昇する可能性がある。そこで、第１の封止材として、熱変形温度が２４０℃以上の材料を用いることにより、パワー半導体素子上下の導電接合層の熱疲労による熱抵抗の増大を防止でき、信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することが可能となる。この場合、第１の封止材の材料としては、シリコーン系封止材が特に適している。

また、第２の封止材としては、熱変形温度が１７０℃〜２３０℃のエポキシ系封止材を使用する。この第２の封止材は、直接空気に接触するので難燃剤を添加したものであり、熱膨張係数、接着強さが高性能なものである。

本発明においては、半導体素子の近傍に配置される第１の封止材として、熱膨張係数が、４×１０^−６／℃〜１８×１０^−６／℃のシリコーン系材料を使用することにより、半導体素子近傍の銅ベース基板の熱応力を低く抑えることができる。

熱膨張係数については、シリコーン系封止材中に配合する充填材により、変化させることができる。ジルコニアを充填材とすれば、熱膨張係数が４×１０^−６／℃程度の封止材とすることができる。また、アルミナを充填材とすれば、熱膨張が８×１０^−６／℃程度の封止材とすることができる。さらに、シリカを充填材とすれば、熱膨張係数が１８×１０^−６／℃程度の封止材とすることができる。

また、第２の封止材の熱膨張係数としては、１．５×１０^−５／℃〜１．８×１０^−５／℃とすれば、第２の封止材にかかる熱応力を、低く抑えることができる。
さらに、本発明においては、第１の封止材として、銅ベース基板に対する接着強さが１０ＭＰａ〜３０ＭＰａのシリコーン系封止材を用いることにより、パワー半導体素子のガード機能が高くなる。第１の封止材と第２の封止材との接着強さを１０ＭＰａ〜３０ＭＰａとすれば、パワー半導体モジュールの構造物として強固なものを提供可能になる。また、第２の封止材と銅ベース基板との接着強さが１０ＭＰａ〜３０ＭＰａであると、パワー半導体モジュールのガード機能を高くすることができる。

本発明の実施例である炭化シリコンパワー半導体モジュールの断面図である。 従来のシリコンパワー半導体モジュールの断面図である。

本発明において肝要な点は、第１の封止材として熱変形温度を２４０℃以上
の材料を用いることである。これにより、前述したように、炭化シリコンやチッ化ガリウムの発熱温度が仮に２４０℃近くまで上昇した場合にも、第１の封止材の耐熱性能が高いので、その熱変形を防止し、パワー半導体モジュール全体としても、その構造に歪などが生じることはない。

第１の封止材としては、シリコーン系封止材を用いることが好ましく、第２の封止材をもシリコーン系封止材とすることも考えられる。しかしながら、第２の封止材もシリコーン系封止材とすると、価格も高くなるほか、シリコーンに含まれている溶媒を抜ききることができない。したがって、第２の封止材には、シリコーン系封止材とは別の、エポキシ系の封止材料を用いることが好ましい。

本発明では、第２の封止材の熱変形温度を１７０℃〜２３０℃としている。第１の封止材により、パワー半導体素子の発熱が吸収されれば、下限は１７０℃で十分である。ただし第１の封止材で、パワー半導体素子の熱が十分に吸収されない場合も有り得る。その場合には、第２の封止材の熱変形温度は、最大で、２３０℃が必要である。

本発明においては、熱膨張係数については、第１の封止材の熱膨張係数はパワー半導体素子の熱膨張係数に合わせてある。また、第２の封止材の熱膨張係数は銅ベース基板の銅の熱膨張係数に合わせてある。これにより、熱がかかった場合の、パワー半導体モジュールにおける、不均一な応力の発生、形状の変形を防止している。

本発明においては、異種の材料が接触する箇所は、第１の封止材と基板、第２の封止材と第１の封止材、第２の封止材と基板、の３箇所である。これら３箇所の部分の接着強さを、それぞれ１０ＭＰａ〜３０ＭＰａにすることにより、部材同士の剥離、モジュールの破壊を防止することができる。１０ＭＰａは剥離するか否かの限界値であり、３０ＭＰａはモジュールが破壊するか否かの限界値である。
［実施例］
図１は、本発明の実施例である、炭化シリコンパワー半導体モジュール１００の断面構造図である。図１により、炭化シリコンパワー半導体モジュール１００の構成について説明する。

絶縁層１の両面に銅ブロック２と銅ブロック３とを配置した銅ベース基板の上面に、導電接合層５ａにより、炭化シリコンパワー半導体素子６が複数個、搭載されて取り付けられ、さらに、炭化シリコンパワー半導体素子６の上面に導電接合層７ｂにより、インプラントピン８を有するインプラント方式のプリント基板９（以下で単にプリント基板とも言う）が取り付けられる。

ここで、インプラントピン８について説明すると、インプラントピン８の大きさは、例えば直径１２０μｍ、長さ３００μｍであり、各パワー半導体素子６に対して、最大で１１個程度が配置される。

インプラントピン８は、プリント基板９の図示しない導電パターンに固着されている。プリント基板９と銅ブロック３との間隔は１ｍｍ程度であり、最も狭いところでは、２００μｍ程度である。プリント基板９は、例えばエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる。

さらに外部接続端子１０を取り付け、銅ベース基板４とインプラント方式のプリント基板９との間の炭化シリコンパワー半導体６の近傍に第１の封止材１１をディスペンサーにより注入形成し、図示しない金型内の載置して、第２の封止材１２により封止し、炭化シリコンパワー半導体モジュール１００が完成する。

第１の封止材１１として使用されるのは、シリコーン系封止材料であってジルコニアを８０ｗｔ％添加した耐熱封止材料である。
第１の封止材１１の乾燥・硬化条件は、以下のとおりである。
先ず、室温、８時間で溶媒成分を乾燥させ、その後に、１００℃２時間で溶媒成分を蒸発させ、さらにその後１８０℃２時間で硬化を行う。これにより、耐熱性能が高くて接着性能が良好な第１の封止材１１を形成することができる。

硬化後の第１の封止材１１の物性は、熱変形温度が２４０℃で、熱膨張係数が４×１０^−６／℃、銅ベース基板４に対する接着強さが２３ＭＰａである。
ここで、第１の封止材１１の熱変形温度が２４０℃以上であると、第１の封止材１１の熱特性に対する変曲点が高くなり、パワー半導体素子６の上下の導電接合層５ａ、７ｂの、熱疲労による熱抵抗の増大を防止できるので、耐熱性能が高く、信頼性の高い、パワー半導体モジュールを得ることができる。

パワー半導体素子６の温度は、炭化シリコンが材料の場合には、２４０℃近くにまでなる場合が有るので、第１の封止材の熱変形温度は、最低でも２４０℃が必要である。
さらに、第１の封止材１１の、上記した熱膨張係数は、パワー半導体素子６の熱膨張係数と同等であるので、パワー半導体素子６の上下の導電接合層５ａ、７ｂの熱疲労による熱抵抗の増大を防止し、信頼性の高いパワー半導体モジュールを実現することができる。

加えて、第１の封止材１１の銅ブロック２、３に対する接着強さが１０ＭＰａであることにより、パワー半導体素子６を銅ベース基板４に強固に接着できるので、パワー半導体素子６の上下の導電接合層５ａ、７ｂの熱抵抗の増大を防止し、信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することができる。したがって、本発明のパワー半導体モジュールは、パワーサイクルやヒートショック試験などの負荷試験において、高い信頼性を備えることが確認される。ヒートショック試験において、サイクル数の増加とともにパワー半導体モジュールの熱抵抗が増加する傾向は少ない。

さて、炭化シリコンパワー半導体モジュール１００の第２の封止材１２による封止方法は、液状トランスファアー成形用の上下型（図示せず）によって作られるキャビティに収納され成形温度１６０℃に昇温させて、保温状態で待機する。トランスファー成形用の上下型には、第２の封止材のポット部とランナー部とが設けられている。なお、ここで、キャビティ、ポット部、ランナー部とは、上下型に設けられている、樹脂を収容するポット、樹脂封止すべきパワー半導体素子６が収容されるキャビティ、およびポットに収容された樹脂をキャビティに導くための樹脂の通り道であるランナーのことである。

第２の封止材１２として使用されるのは、環状脂肪族系のエポキシ樹脂と酸無水物硬化剤の混合組成物で、シリカ充填材が８５ｗｔ％に、難燃剤として水酸化アルミニウムの粉末が配合された１液状型の成形封止材料である。

硬化後の材料物性としては、第２の封止材の熱変形温度が２００℃で、熱膨張係数が１．５×１０^−５／℃、第１のシリコーン系封止材に対する接着強さが２５ＭＰａと、強固な接着性を示す。なお、この時の第２の封止材の銅ベース基板４への接着強さは１０ＭＰａである。したがって、第２の封止材１２と銅ベース基板４との剥離は生じない。なお、上述したように第２の封止材１２の熱変形温度は１７０℃〜２３０℃としたが、第１の封止材１１において温度が十分低下した場合は、第２の封止材１２の熱変形温度が１００℃程度の材質であっても問題はない。

液状封止材によるトランスファー成形方法としては、環状脂肪族系のエポキシ樹脂と酸無水物硬化剤からなる１液状型の成形封止材料を予め１３．３３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）の真空状態で１０分間１次脱泡した後にシリンダー容器に注入する。その後、シリンダー容器から金型内のポット部に必要量注入し、その後、上下金型の型締めを行い、成形封止材料はポット部からランナー部を経由して金型キャビティに圧入されて炭化シリコンパワー半導体モジュールの成形は完了する。成形条件は上下金型の型締め圧は１５０ｋｇ／ｃｍ^２（１４．７ＭＰａ）で１６０℃でのゲル化時間は１分、硬化時間は３分である。

第２の封止材１２の熱変形温度は、パワー半導体素子６の発熱が通常、第１の封止材１１で吸収され、パワー半導体素子６の外側はそれほど高温にはならないので、それほどの耐熱性能も要求されず、比較的安価なエポキシ系封止材を用いることができる。

第２の封止材１２の熱膨張係数については、銅ベース基板４の銅の熱膨張係数に合わせている。このようにすれば、モジュール全体として不均一な応力がかかることはない。
このように、液状封止材において液状エポキシ樹脂を使用することにより、銅ベース基板４とインプラント方式のプリント基板９との間に、予め注入形成し、乾燥・硬化してあるシリコーン系の第１の封止材の外周部に、第２の封止材１２の充填が行えると同時に、短時間での成形が可能となり、生産性と信頼性の高いパワー半導体モジュール１００を実現することができる。

また、素子近傍に配置する第１の封止材１１としては、直接空気に接しないため、酸素劣化が少ない状況から、難燃剤を添加しない封止材を使用して、耐熱性能を高めることができる。また、第２の封止材１２としては、パワー半導体モジュール１００の外周で直接空気に接することから、難燃剤（水酸化アルミニウムの粉末）を添加した封止材を使用することにより、酸化劣化に対して強い構造を提供することができる。

なお、本実施例では、パワー半導体素子６が炭化シリコンの場合を説明したが、パワー半導体素子６がチッ化ガリウムの場合も同様である。

１ 絶縁層
２ 銅ブロック
３ 銅ブロック
４ 銅ベース基板
５ａ 導電接合層
６ 炭化シリコンパワー半導体素子
７ｂ 導電接合層
８ インプラントピン
９ インプラント方式プリント基板
１０ 外部端子
１１ 第１の封止材
１２ 第２の封止材
１３ 取付け金具
１００ 炭化シリコンパワー半導体モジュール
２１ 絶縁層
２２ 回路パターン
２３ 銅ベース基板
２４ａ 半田層
２５ シリコンパワー半導体素子
２６ｂ 半田層
２７ リードフレーム
２８ 外部接続端子
２９ ケース
３０ 封止材
３１ フタ
２００ シリコンパワー半導体モジュール

Claims (7)

1. パワー半導体モジュールであって、
   絶縁層と、
   前記絶縁層の一方の面と他方の面とにそれぞれ固着された、第１銅ブロックと第２銅ブロックとを備える銅ベース基板と、
   前記第１銅ブロックの上にその一方の面が固着された、炭化シリコンまたはチッ化ガリウムを用いた少なくとも１個のパワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子に対向して配置されたプリント基板と、
   前記銅ベース基板と前記プリント基板との間で、かつ第１銅ブロックが前記プリント基板と対向する領域であって、前記プリント基板に接触し、かつ前記パワー半導体素子が固着された前記第１銅ブロックの面よりも狭い領域のみに配置された第１の封止材と、
   前記第１の封止材を覆うように配置され、前記パワー半導体モジュールの外形を形成する第２の封止材と、
   を備え、
   前記第１の封止材がシリコーン系封止材であり、前記第２の封止材がエポキシ系封止材であること、
   を特徴とするパワー半導体モジュール。
2. パワー半導体モジュールであって、
   絶縁層と、
   前記絶縁層の一方の面と他方の面とにそれぞれ固着された、第１銅ブロックと第２銅ブロックとを備える銅ベース基板と、
   前記第１銅ブロックの上にその一方の面が導電接合層により固着された、炭化シリコンまたはチッ化ガリウムを用いた少なくとも１個のパワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子のそれぞれの他方の面に導電接合層により固着された複数のインプラントピンと、
   前記インプラントピンに固着され、前記パワー半導体素子に対向して配置されたプリント基板と、
   前記銅ベース基板と前記プリント基板との間で、かつ第１銅ブロックが前記プリント基板と対向する領域であって、前記プリント基板に接触し、かつ前記パワー半導体素子が固着された前記第１銅ブロックの面よりも狭い領域のみに配置された第１の封止材と、
   前記第１の封止材を覆うように配置され、前記パワー半導体モジュールの外形を形成する第２の封止材と、
   を備え、
   前記第１の封止材がシリコーン系封止材であり、前記第２の封止材がエポキシ系封止材であること、
   を特徴とするパワー半導体モジュール。
3. 第１の封止材の熱変形温度が２４０℃以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
4. 第２の封止材の熱変形温度が、１７０℃〜２３０℃であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
5. 第２の封止材に難燃剤が添加されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
6. 第１の封止材の熱膨張係数が４×１０−６／℃〜１８×１０−６／℃であり、第２の封止材の熱膨張係数が１．５×１０−５〜１．８×１０−５／℃であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
7. 第１の封止材の銅ベース基板に対する接着強さ、ならびに第２の封止材の第１の封止材に対する接着強さ、ならびに第２の封止材の銅ベース基板に対する接着強さが、それぞれ１０ＭＰａ〜３０ＭＰａであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。