JP6381784B2 - パワーモジュール - Google Patents

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Description

この発明は、パワー半導体素子を樹脂で封止したパワーモジュールの封止構造に関するものである。
高電圧や大電流に対応する目的で通電経路を素子の縦方向としたタイプの半導体素子は、一般的にパワー半導体素子（たとえばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタ、ダイオードなど）と呼ばれている。パワー半導体素子が回路基板上に実装され、封止樹脂によりパッケージングされたパワーモジュールは、産業機器、自動車、鉄道など、幅広い分野において用いられている。近年、パワーモジュールを搭載した機器の高性能化に伴い、定格電圧および定格電流の増加、使用温度範囲の拡大（高温化、低温化）、といったパワーモジュールの高性能化への要求が高まってきている。
パワーモジュールのパッケージ構造は、ケース構造と呼ばれるものが主流である。ケース型のパワーモジュールは、放熱用ベース板上に絶縁基板を介して、パワー半導体素子が実装され、ベース板に対してケースが接着された構造である。パワーモジュール内部に実装された半導体素子は、主電極と接続されている。このパワー半導体素子と主電極との接続には、ボンディングワイヤが用いられている。高電圧印加時の絶縁不良防止の目的で、一般的に、パワーモジュールの封止樹脂としては、シリコーンゲルに代表される絶縁性のゲル状充填剤が用いられる。
従来のパワーモジュールでは、シリコーンゲルの揺動によるボンディングワイヤの破断を防止するために、シリコーンゲルの上面に密着するように挿入される押さえ蓋を有し、押さえ蓋の側面には、外周ケースの内壁と上下動可能に係合する突起が設けられたパワーモジュールが開示されている（例えば、特許文献１）。
また、シリコーンゲル上面を覆い、かつその端部がケースに固定された蓋部を備え、使用が許容される温度範囲において、シリコーンゲルの上面少なくとも８０％以上が蓋部に接するパワーモジュールが開示されている（例えば、特許文献２）。
特開２０００−３１１９７０号公報（第３頁、第１図） 特開２０１４−１３０８７５号公報（第４頁、第１図）
シリコーンゲル中への気体の溶存可能量は、一般的に高温ほど少ない。したがって、パワーモジュールの使用温度範囲が拡がり、シリコーンゲルがより高温で使用されるようになると、シリコーンゲル中に溶けきれなくなった気体が気泡を形成する。このような気泡が発生した箇所では、シリコーンゲルと絶縁基板（配線パターン）との剥離が発生し、シリコーンゲルによる絶縁封止の効果が得られないため、パワーモジュールの絶縁性能が劣化してしまう。
このシリコーンゲル中の気泡や剥離の発生を抑制するためには、シリコーンゲルの内部応力を圧縮応力になるようにすればよい。これは、引張応力は気泡や剥離を拡大、進展させる駆動力になるからである。
しかしながら、特許文献１に記載のパワーモジュールにおいては、押さえ蓋を封止樹脂の上面に密着するように挿入しても、押さえ蓋が外周ケースの内壁に対して上下動が可能であるため、パワー半導体素子が高温で動作する際には封止樹脂が熱膨張して押さえ蓋を容易に押し上げることができるので、気泡の発生を抑止する圧縮応力は発生せず、パワーモジュールの絶縁性能が劣化してしまう。
一方で、特許文献２に記載のパワーモジュールにおいては、蓋部の端部がケースに固定されているために、高温時にはシリコーンゲルが熱膨張して押さえ板を押し上げることができないので、シリコーンゲルの内部応力は圧縮応力となり、気泡の発生は抑止される。しかしながら、低温時には、蓋部の端部がケースに固定されているために、熱収縮しようとするシリコーンゲルが蓋部に引っ張られることで、シリコーンゲルの内部応力が引張応力となる。シリコーンゲルの内部応力が引張応力の状態では、シリコーンゲルに微小な気泡があると、引張応力により気泡が拡大する。また、シリコーンゲルと絶縁基板の界面や、シリコーンゲルとパワー半導体素子との界面や、ゲルとワイヤとの界面に密着力の弱い部分があった場合に、引張応力により、界面の剥離が生じたり、剥離を進展させたりする。このような気泡や剥離が発生した箇所では、シリコーンゲルによる絶縁封止の効果が得られないため、パワーモジュールの絶縁性能が劣化してしまう。
さらに、パワーモジュールの使用電圧がより高電圧になると、気泡や剥離のサイズがより小さくても、絶縁破壊を生じやすくなるため、モジュールの絶縁性能が劣化してしまう。
このように、従来のパワーモジュールにおいては、パワーモジュールの使用温度範囲が拡がり、より高温や低温で使用される場合や、パワーモジュールの使用電圧が高電圧になった場合に、パワーモジュールの絶縁性能が劣化してしまうという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、高温時、低温時や使用電圧が高電圧時の気泡の発生やシリコーンゲルと絶縁基板との剥離を抑制することで、絶縁性能の確保が可能なパワーモジュールを得るものである。
この発明に係るパワーモジュールは、一方の面に半導体素子が搭載された絶縁基板と、前記絶得基板の他方の面に接合されたベース板と、前記絶縁基板を取り囲み、前記ベース板の前記絶縁基板が接合された面と接するケース部材と、前記ベース板と前記ケース部材とで囲まれた領域に充填された前記絶縁基板を封止する封止樹脂と、前記絶縁基板の一方の面側の前記封止樹脂の表面と密着した押さえ板と、前記押さえ板の前記封止樹脂と密着した面の反対面と対向し、前記押さえ板の上方への移動を抑制する位置で前記ケース部材と固着された蓋材とを有するものである。
この発明によれば、モジュール内部の封止樹脂と蓋との間に封止樹脂と密着させた押さえ板を設けたことで、ヒートサイクル時におけるケース内に充填された封止樹脂と絶縁基板との熱応力の発生を緩和することができる。その結果として、ヒートサイクルによるモジュールの信頼性を向上することが可能となる。
この発明の実施の形態１によるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの低温時を示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの高温時を示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態２によるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの低温時を示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの高温時を示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの蓋を示す平面構造模式図である。 この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの他の蓋を示す平面構造模式図である。 この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの他の蓋を示す平面構造模式図である。 この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの他の蓋を示す平面構造模式図である。 この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの他の蓋を示す平面構造模式図である。 この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの他の蓋を示す平面構造模式図である。 この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの他の蓋を示す平面構造模式図である。 この発明の実施の形態３におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの押さえ板を示す平面構造模式図である。 この発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの他の押さえ板を示す平面構造模式図である。 この発明の実施の形態４におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態４におけるパワーモジュールの他の蓋と押さえ板とを示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態４におけるパワーモジュールの他の蓋と押さえ板とを示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態４におけるパワーモジュールの他の蓋と押さえ板とを示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態５におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態５におけるパワーモジュールの他の蓋と押さえ板とを示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態６におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。
以下に本発明の半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図１において、パワーモジュール１００は、ベース板１、絶縁基板２、半導体素子であるパワー半導体素子３、ボンディングワイヤ４、端子５、ケース部材であるケース６、蓋材である蓋７、封止樹脂であるシリコーンゲル８、押さえ板９、ハンダ１１，１２を備える。
絶縁基板２は、絶縁基板２の下面（他方の面）側をベース板１上にハンダ１１を用いて接合されている。絶縁基板２は、絶縁層２１と金属板２２、２３とを備えている。絶縁基板２は、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムや窒化珪素等のセラミックスやエポキシ樹脂等による絶縁層２１の両面に銅やアルミニウムなどの金属板２２、２３を張り合わせた構造となっている。絶縁基板２の上面（一方の面）側となる金属板２３には配線パターンが形成されている。この上面側の金属板２３に、パワー半導体素子３がハンダ１２で接合されている。ここでは、接合材料として、はんだを用いているが、これに限定されるものではなく、焼結銀、導電性接着剤、液相拡散接合技術を用いて接合しても良い。
パワー半導体素子３は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電力制御用半導体素子や還流ダイオードなどが用いられる。パワー半導体素子３と端子５とは、線径０．１〜０．５ｍｍのアルミニウム合金製もしくは銅合金製の線材である、ボンディングワイヤ４を介して電気的に接続されている。本実施の形態１では、ボンディングワイヤ４を用いているが、ボンディングリボンでも良い。端子５は、銅製の板状電極である。端子５は、ケース６にインサート成型もしくはアウトサート成型されており、パワーモジュール１００の外部との電流および電圧の入出力に用いられる。ケース６は、ベース板１に対して接着剤（図示せず）で接着されている。ケース６の材料としては、一般的にＰＰＳ（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Sｕｌｆｉｄｅ）樹脂やＰＢＴ（Ｐｏｌｙ Ｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔａｌａｔｅ）樹脂が用いられる。
パワーモジュール１００の内部における絶縁性を確保する目的で、シリコーンゲル８がケース６とベース板１とで囲まれる領域内に充填されている。シリコーンゲル８は、パワー半導体素子３およびボンディングワイヤ４がシリコーンゲル８内に封入される高さまで、充填されている。
充填されたシリコーンゲル８の表面（上面）に、押さえ板９が密着して設置されている。さらに、ケース６の上部に蓋７が設置されている。蓋７によって、パワーモジュール１００の内部と外部とを分離し、粉じん等がパワーモジュール１００の内部に侵入することを防いでいる。蓋７は接着剤（図示せず）もしくはネジ（図示せず）でケース６に固定されている。ここで、シリコーンゲル８の表面とは、シリコーンゲル８の絶縁基板２の一方の面と接する反対面である。
図２は、この発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの低温時を示す断面構造模式図である。図３は、この発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの高温時を示す断面構造模式図である。図２は、モジュール１００の温度が常温以下に低下した場合のモジュール１００の内部を示す断面構造模式図である。図３は、モジュール１００の温度がシリコーンゲル８の硬化温度以上に上昇した場合のモジュール１００の内部を示す断面構造模式図である。
パワーモジュールの絶縁封止に用いられるシリコーンゲル８の硬化温度は、通常、６０〜８０℃である。また、パワーモジュールの絶縁封止に用いられるシリコーンゲル８の線膨脹係数は、通常、３００〜４００ｐｐｍ／Ｋである。一方、パワーモジュール１００に使用される他の構成部材の線膨脹係数は、３〜２５ｐｐｍ／Ｋであり、シリコーンゲル８の線膨脹係数は、パワーモジュール１００に使用される他の構成部材と比較して、数十〜百数十倍、大きい値である。
したがって、ケース６内部に充填したシリコーンゲル８を硬化し封止工程を完了させた後、パワーモジュール１００の温度が常温まで下がると、シリコーンゲル８は他の構成部材よりも大きく熱収縮する。このとき、シリコーンゲル８の表面高さは硬化時よりも低くなる（図１参照）。
パワーモジュール１００の温度が常温よりも低くなると、図２に示すように、シリコーンゲル８の表面高さは、さらに低くなる。
一方、パワーモジュール１００の温度が硬化温度より高くなると、シリコーンゲル８は他の構成部材よりも大きく熱膨張するため、図３に示すように、シリコーンゲル８の表面高さは、硬化時の位置よりも高くなる。
ここで、温度変化によるシリコーンゲル８の高さ変化量ΔＬ、シリコーンゲル８の表面積をＳ、シリコーンゲル８の体積をＶ、シリコーンゲル８の体積膨張率β、温度変化量ΔＴとすると、ΔＬ＝Ｖ×β×ΔＴ×１／Ｓの関係が成り立つ。シリコーンゲル８の蓋７側の表面と蓋７との間隔をΔＬよりも小さくすることで、パワーモジュール１００が硬化温度よりも高い高温動作時に押さえ板９が蓋７に当たることでシリコーンゲル８の内部応力が圧縮応力となる。そのため、蓋７と押さえ板９との間隔（距離）は、ΔＬよりも小さく設定する必要ある。例えば、パワーモジュール１００の動作温度が１５０℃以上において、押さえ板９が蓋７に当たるようにΔＬを設定すれば良い。
具体的には、硬化温度６０℃、線膨脹係数４００ｐｐｍ／Ｋのシリコーンゲル８を使用し、シリコーンゲル８の高さが１０ｍｍのパワーモジュール１００において、Ｖ／Ｓ＝１０ｍｍ、β＝３×４００ｐｐｍ／Ｋであることより、パワーモジュールの温度が１５０℃以上でシリコーンゲル８の内部応力が圧縮応力となるためには、シリコーンゲル８の蓋７側の表面と蓋７との間隔はΔＬ≦（１０ｍｍ）×（４００×１０−６Ｋ−１）×（（１５０−６０）℃）＝１．０８ｍｍ、であれば良い。
このようなパワーモジュール１００において、パワーモジュール１００の温度が低温になった場合には、シリコーンゲル８の熱収縮によって、押さえ板９がベース板１に向かって引き下げられる。このとき、押さえ板９は、ケース６や蓋７に固定されてはいないので、シリコーンゲル８の熱収縮に応じて押さえ板９は下側（ベース板１側）に凸状に湾曲することもできる。その結果、シリコーンゲル８には熱応力はほとんど発生せず、シリコーンゲル８の内部応力が引張応力となることを緩和できる。したがって、パワーモジュール１００の温度が低温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、絶縁基板２とシリコーンゲル８との剥離が抑制され、パワーモジュールの絶縁劣化を抑制する効果がある。
また、パワーモジュール１００の温度が高温になった場合には、シリコーンゲル８の熱膨張によって、押さえ板９が蓋７に向かって押し上げられる。このとき、蓋７はケース６に固定されているため、押さえ板９は蓋７に当たるまで押し上げられると、押さえ板９はこれ以上蓋７の方向には移動できず、押さえ板９の位置が固定される。この状態では、シリコーンゲル８はこれ以上熱膨張できなくなり、シリコーンゲル８の内部応力は、圧縮応力となる。シリコーンゲル８の内部応力が圧縮応力となることで、パワーモジュール１００の温度が高温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、絶縁基板２とシリコーンゲル８との剥離が抑制され、パワーモジュールの絶縁劣化を抑制する効果がある。
さらに、押さえ板９は、ケース６内において蓋７よりも大きさが小さく、温度変化によるシリコーンゲル８の変形に伴い、ケース６内で断面における上下方向に対して変形（湾曲）可能で、上下方向に対して可動可能な大きさであることが望ましい。
以上のように構成されたパワーモジュール１００では、封止樹脂と蓋との間に、封止樹脂に密着させて押さえ板を配置したことで、パワーモジュール１００の温度変化における封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡や剥離の成長を抑制することが可能となる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる。
実施の形態２．
本実施の形態２においては、実施の形態１において、蓋７に押さえ板９の蓋７と対向する面に突起１０を形成したことが異なる。このように蓋７の押さえ板９と対向する面に突起１０を形成した場合においても、封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡や剥離の成長を抑制することができる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる。
図４は、この発明の実施の形態４によるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図４において、パワーモジュール２００は、ベース板１、絶縁基板２、半導体素子であるパワー半導体素子３、ボンディングワイヤ４、端子５、ケース部材であるケース６、蓋材である蓋７、封止樹脂であるシリコーンゲル８、押さえ板９、第一の突起部である突起１０、ハンダ１１，１２を備える。
シリコーンゲル８の表面（上面）に、押さえ板９が密着して設置されている。さらに、ケース６の上部に蓋７が設置されている。蓋７は接着剤（図示せず）もしくはネジ（図示せず）でケース６に固定されている。
蓋７の押さえ板９と対向する面には、押さえ板９に対向する方向に、複数の突起１０が形成されている。
その他の部分の構成については、実施の形態１と同様の構成である。
図５は、この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの低温時を示す断面構造模式図である。図６は、この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの高温時を示す断面構造模式図である。図５は、モジュール２００の温度が常温以下に低下した場合のモジュール２００の内部を示す断面構造模式図である。図６は、モジュール２００の温度がシリコーンゲル８の硬化温度以上に上昇した場合のモジュール２００の内部を示す断面構造模式図である。
パワーモジュールの絶縁封止封途に用いられるシリコーンゲル８の硬化温度は、通常、６０〜８０℃である。また、パワーモジュールの絶縁封止封途に用いられるシリコーンゲル８の線膨脹係数は、通常、３００〜４００ｐｐｍ／Ｋである。一方、パワーモジュール１００に使用される他の構成部材の線膨脹係数は、３〜２５ｐｐｍ／Ｋであり、シリコーンゲル８の線膨脹係数は、パワーモジュール２００に使用される他の構成部材と比較して、数十〜百数十倍、大きい値である。
したがって、ケース６内部に充填したシリコーンゲル８を硬化し封止工程を完了させた後、パワーモジュール１００の温度が常温まで下がると、シリコーンゲル８は他の構成部材よりも大きく熱収縮する。このとき、シリコーンゲル８の表面高さは硬化時よりも低くなる。
パワーモジュール２００の温度が常温よりも低くなると、図５に示すように、シリコーンゲル８の表面高さは、さらに低くなる。
一方、パワーモジュール２００の温度が硬化温度より高くなると、シリコーンゲル８は他の構成部材よりも大きく熱膨張するため、図６に示すように、シリコーンゲル８の表面高さは、硬化時の位置よりも高くなる。
このようなパワーモジュール２００において、パワーモジュール２００の温度が低温になった場合には、シリコーンゲル８の熱収縮によって、押さえ板９がベース板１に向かって引き下げられる。このとき、押さえ板９は、ケース６や蓋７に固定されてはいないので、シリコーンゲル８の熱収縮に応じて押さえ板９は下側（ベース板１側）に凸状に湾曲することもできる。その結果、シリコーンゲル８には熱応力はほとんど発生せず、シリコーンゲル８の内部応力が引張応力となることを緩和できるしたがって、パワーモジュール２００の温度が低温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、絶縁基板２とシリコーンゲル８との剥離が抑制され、パワーモジュールの絶縁劣化を抑制する効果がある。
また、パワーモジュール２００の温度が高温になった場合には、シリコーンゲル８の熱膨張によって、押さえ板９が蓋７に向かって押し上げられる。このとき、蓋７はケース６に固定されているため、蓋７に形成した突起１０に押さえ板９が当たるまで押さえ板９が押し上げられると、押さえ板９はこれ以上蓋７の方向には移動できず、押さえ板９の位置が固定される。この状態では、シリコーンゲル８はこれ以上熱膨張できなくなり、シリコーンゲル８の内部応力は、圧縮応力となる。シリコーンゲル８の内部応力が圧縮応力となることで、パワーモジュール１００の温度が高温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、絶縁基板２とシリコーンゲル８との剥離が抑制され、パワーモジュールの絶縁劣化を抑制する効果がある。
図７は、この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの蓋を示す平面構造模式図である。図７において、蓋７はモジュール２００の内部の押さえ板９に対向する面に突起１０を設けている。図８は、この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの他の蓋を示す平面構造模式図である。図９は、この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの他の蓋を示す平面構造模式図である。図１０は、この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの他の蓋を示す平面構造模式図である。図１１は、この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの他の蓋を示す平面構造模式図である。図１２は、この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの他の蓋を示す平面構造模式図である。図１３は、この発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの他の蓋を示す平面構造模式図である。図７から図１３において、蓋７はモジュール２００の内部の押さえ板９に対向する面に突起１０を設けている。図７から図１３において、蓋７に設けた突起１０の形状が異なっている。図７、図１０および図１１は、突起１０を格子状に設けている。図７は、突起１０が複数のストライプ状の組み合わせである。図１０は、突起１０が十字状である。図１１は、突起１０が蓋７の中央部から放射状に広がる形状である。図８、図１２および図１３は、突起１０を点状に設けている。図８は、突起１０が四角形状である。図１２、図１３は、突起１０が円状である。図９は、突起１０を六角形によるハニカム構造としている。
図４のパワーモジュール２００の断面構造においては、突起１０を複数としたが、突起１０によって押さえ板９の上昇を防げることができれば、突起１０の数は１つであっても良い。押さえ板９の面内方向サイズが大きく、板厚が薄い場合には、押さえ板９の剛性が低くなるため、押さえ板９が突起１０に押し当てられたときに、押さえ板９が反りやすくなる。押さえ板９が反ると、押さえ板９による押さえ効果が軽減するため、シリコーンゲル８の圧縮応力が減少してしまう。この場合には、図７から図１３に示したように、複数の突起１０を形成すること、また、複数の突起１０の設置間隔を狭くすることによって、押さえ板９が突起１０に押し当てられたときに、押さえ板９の反りを抑制することができる。突起１０の数および設置間隔は、押さえ板９の反りが問題無い程度に、適切に設定すれば良い。
また、蓋７に突起１０を設けることで、シリコーンゲル８の充填高さがばらついたときにおいても、突起１０と押さえ板９とが当たることで均一にシリコーンゲル８を押すことが可能となる。さらに、蓋７に突起１０を設けることで、蓋７自体の剛性も向上し、蓋７が撓みにくくなるという効果も得られる。
また、突起１０の形状としては、押さえ板９が突起１０に押し当てられたときに、押さえ板９の移動と反りが発生しない形状であれば良い。
さらに、突起１０は、蓋７と一体的に形成しても良く、別体として突起１０を形成し、押さえ板９の反りが問題にならない蓋７の位置に配置しても良い。
以上のように構成されたパワーモジュール２００では、封止樹脂と蓋との間に、封止樹脂に密着させて押さえ板を配置したことで、パワーモジュール２００の温度変化における封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡や剥離の成長を抑制することが可能となる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる。
また、蓋７に突起１０を設けたことで、シリコーンゲル８のケース６内における充填高さがばらついたときにおいても、押さえ板９の片当たりを抑制でき、シリコーンゲル８に対して均一に圧縮応力を発生させることが可能となる。
さらに、蓋７に筋状に突起１０を設けることで、蓋７のたわみが抑制され、蓋７の剛性を向上させることが可能となる。
実施の形態３．
本実施の形態３においては、実施の形態２において、蓋７に形成した突起１０を、押さえ板９の蓋７と対向する面に形成したことが異なる。このように押さえ板９の蓋７と対向する面に突起１３を形成した場合においても、封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡や剥離の成長を抑制することができる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる。
図１４は、この発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの断面構造模式図である。図１４において、パワーモジュール３００は、ベース板１、絶縁基板２、半導体素子であるパワー半導体素子３、ボンディングワイヤ４、端子５、ケース部材であるケース６、蓋材である蓋７、封止樹脂であるシリコーンゲル８、押さえ板９、第二の突起部である突起１３、ハンダ１１，１２を備える。
シリコーンゲル８の表面（上面）に、押さえ板９が密着して設置されている。さらに、ケース６の上部に蓋７が設置されている。蓋７は接着剤（図示せず）もしくはネジ（図示せず）でケース６に固定されている。
押さえ板９の上側には、蓋７に対向する方向に、複数の突起１３が形成されている。
その他の部分の構成については、実施の形態１と同様の構成である。
このようなパワーモジュール３００において、パワーモジュール３００の温度が低温になった場合には、シリコーンゲル８の熱収縮によって、押さえ板９がベース板１に向かって引き下げられる。このとき、押さえ板９は、ケース６や蓋７に固定されてはいないので、シリコーンゲル８の熱収縮に応じて押さえ板９は下側（ベース板１側）に凸状に湾曲することもできる。その結果、シリコーンゲル８には熱応力はほとんど発生せず、シリコーンゲル８の内部応力が引張応力となることを緩和できるしたがって、パワーモジュール３００の温度が低温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、絶縁基板２とシリコーンゲル８との剥離が抑制され、パワーモジュールの絶縁劣化を抑制する効果がある。
また、パワーモジュール３００の温度が高温になった場合には、シリコーンゲル８の熱膨張によって、押さえ板９が蓋７に向かって押し上げられる。このとき、蓋７はケース６に固定されているため、蓋７に形成した突起１０に押さえ板９が当たるまで押さえ板９が押し上げられると、押さえ板９はこれ以上蓋７の方向には移動できず、押さえ板９の位置が固定される。この状態では、シリコーンゲル８はこれ以上熱膨張できなくなり、シリコーンゲル８の内部応力は、圧縮応力となる。シリコーンゲル８の内部応力が圧縮応力となることで、パワーモジュール３００の温度が高温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、絶縁基板２とシリコーンゲル８との剥離が抑制され、パワーモジュールの絶縁劣化を抑制する効果がある。
図１５は、この発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの蓋の平面構造模式図である。図１６は、この発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの他の蓋の平面構造模式図である。図１５、図１６において、押さえ板９に設けた突起１３の形状が異なっている。
本実施の形態３では、突起１３を複数としたが、突起１３によって押さえ板９の上昇を防げることができれば、突起１３の数は１つであっても良い。突起１３の数および設置間隔は、押さえ板９の反りが問題無い程度に、適切に設定すれば良い。また、突起１３の形状としては、突起１３が蓋７に押し当てられたときに、押さえ板９の移動と反りが発生しない形状であれば良い。また、実施の形態１で示した蓋７の突起１０と同様の形状を用いて、突起１３を形成しても、図１５、図１６に示した突起１３と同様の効果が得られる。
また、突起１３の数および設置面積を多くすることによって、押さえ板９の剛性が高まるため、押さえ板９の反りを抑制することができる。このため、パワーモジュール３００の温度が高温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、パワーモジュールの絶縁劣化を発生させない効果が高まる。
さらに、突起１３は、押さえ板９と一体的に形成しても良く、別体として突起１３を形成し、押さえ板９の反りが問題にならない位置に配置しても良い。
以上のように構成されたパワーモジュール３００では、封止樹脂と蓋との間に、封止樹脂に密着させて押さえ板を配置したことで、パワーモジュール３００の温度変化における封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡や剥離の成長を抑制することが可能となる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる
また、押さえ板９に突起１３を設けたことで、シリコーンゲル８のケース６内における充填高さがばらついたときにおいても、蓋７に対して押さえ板９の片当たりを抑制でき、シリコーンゲル８に対して均一に圧縮応力を発生させることが可能となる。
さらに、押さえ板９に筋状に突起１３を設けることで、押さえ板９のたわみが抑制され、押さえ板９の剛性を向上させることが可能となる。
実施の形態４．
本実施の形態４においては、実施の形態２，３において、蓋７あるいは押さえ板９のいずれかに形成した突起を、蓋７と押さえ板９との両方に対向する位置に形成したことが異なる。このように押さえ板９の蓋７と対向する面に突起１３を形成した場合においても、封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡、剥離の発生を抑制することができる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる。
図１７は、この発明の実施の形態４のパワーモジュールの断面構造模式図である。図１７において、パワーモジュール４００は、ベース板１、絶縁基板２、半導体素子であるパワー半導体素子３、ボンディングワイヤ４、端子５、ケース部材であるケース６、蓋材である蓋７、封止樹脂であるシリコーンゲル８、押さえ板９、第一の突起部である突起１０、ハンダ１１，１２、第二の突起部である突起１３を備える。
図１８は、この発明の実施の形態４におけるパワーモジュールの他の蓋と押さえ板とを示す断面構造模式図である。図１８において、蓋７はモジュール４００の内部の押さえ板９に対向する面に突起１０を設けている。また、押さえ板９は蓋７に対向する面に突起１３を設けている。図１９は、この発明の実施の形態４におけるパワーモジュールの他の蓋と押さえ板とを示す断面構造模式図である。図２０は、この発明の実施の形態４におけるパワーモジュールの他の蓋と押さえ板とを示す断面構造模式図である。図１８から図２０において、蓋７と押さえ板９とに設けた突起１０，１３の形状が異なっている。蓋７と押さえ板９との組み合わせは、突起１０と突起１３とが対向する位置に配置されれば良く、図１８、図１９、図２０における蓋７と押さえ板９とのいずれの組み合わせでも良い。
シリコーンゲル８の表面（上面）に、押さえ板９が密着して設置されている。さらに、ケース６の上部に蓋７が設置されている。蓋７は接着剤（図示せず）もしくはネジ（図示せず）でケースに固定されている。
押さえ板９の上側には、蓋７に対向する方向に、複数の突起１０が形成されている。さらに、蓋７の下側には、押さえ板９に形成した複数の突起１０に対向する位置に、複数の突起１３が形成されている。
その他の部分の構成については、実施の形態１と同様の構成である。
このようなパワーモジュール４００において、パワーモジュール４００の温度が低温になった場合には、シリコーンゲル８の熱収縮によって、押さえ板９がベース板１に向かって引き下げられる。このとき、押さえ板９は、ケース６や蓋７に固定されてはいないので、シリコーンゲル８の熱収縮に応じて押さえ板９は下側（ベース板１側）に凸状に湾曲することもできる。その結果、シリコーンゲル８には熱応力はほとんど発生せず、シリコーンゲル８の内部応力が引張応力となることを緩和できる。したがって、パワーモジュール４００の温度が低温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、絶縁基板２とシリコーンゲル８との剥離が抑制され、パワーモジュールの絶縁劣化を抑制する効果がある。
また、パワーモジュール４００の温度が高温になった場合には、シリコーンゲル８の熱膨張によって、押さえ板９が蓋７に向かって押し上げられる。このとき、蓋７はケース６に固定されているため、蓋７に形成した突起１０に押さえ板９が当たるまで押さえ板９が押し上げられると、押さえ板９はこれ以上蓋７の方向には移動できず、押さえ板９の位置が固定される。この状態では、シリコーンゲル８はこれ以上熱膨張できなくなり、シリコーンゲル８の内部応力は、圧縮応力となる。シリコーンゲル８の内部応力が圧縮応力となることで、パワーモジュール４００の温度が高温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、絶縁基板２とシリコーンゲル８との剥離が抑制され、パワーモジュールの絶縁劣化を抑制する効果がある。
本実施の形態４では、突起１０および突起１３を複数としたが、突起１０および突起１３によって押さえ板９の上昇を防げることができれば、突起１０および突起１３の数は１つであっても良い。突起１０および突起１３の数および設置間隔は、押さえ板９の反りが問題無い程度に、適切に設定すれば良い。また、突起１０および突起１３の形状としては、突起１０が突起１３に押し当てられたときに、押さえ板９の移動と反りが発生しない形状であれば良い。
また、突起１０と突起１３とを異なる大きさにしておけば、シリコーンゲル８が熱膨張により押さえ板９を蓋７側へ持ち上げた場合の突起１０に対して突起１３が位置ずれを起こした場合にも対応ができる。
さらに、突起１０の数および設置面積を多くすることによって、押さえ板９の剛性が高まるため、押さえ板９の反りを抑制することができる。このため、パワーモジュール４００の温度が高温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、パワーモジュールの絶縁劣化を発生させない効果が高まる。
また、突起１０は、蓋７と一体的に形成しても良く、別体として突起１０を形成し、押さえ板９の反りが問題にならない蓋７の位置に形成しても良い。
さらに、突起１３は、押さえ板９と一体的に形成しても良く、別体として突起１３を形成し、押さえ板９の反りが問題にならない位置に配置しても良い。
以上のように構成されたパワーモジュール４００では、封止樹脂と蓋との間に、封止樹脂に密着させて押さえ板を配置したことで、パワーモジュール４００の温度変化における封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡や剥離の成長を抑制することが可能となる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる。
また、蓋７に突起１０、押さえ板９に突起１３を設けたことで、シリコーンゲル８のケース６内における充填高さがばらついたときにおいても、蓋７に対して押さえ板９の片当たりを抑制でき、シリコーンゲル８に対して均一に圧縮応力を発生させることが可能となる。
さらに、蓋７に筋状に突起１０を設けたことで、蓋７のたわみが抑制され、蓋７の剛性を向上させることができる。また、押さえ板９に筋状に突起１３を設けることで、押さえ板９のたわみが抑制され、押さえ板９の剛性を向上させることが可能となる。
実施の形態５．
本実施の形態５においては、実施の形態２において、シリコーンゲル８上に配置した押さえ板９を、複数個の押さえ板９に変更したことが異なる。このように複数個の押さえ板９とし、蓋７の押さえ板９と対向する面に突起１０を形成した場合においても、封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡、剥離の発生を抑制することができる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる。
図２１は、この発明の実施の形態５のパワーモジュールの断面構造模式図である。図２１において、パワーモジュール５００は、ベース板１、絶縁基板２、半導体素子であるパワー半導体素子３、ボンディングワイヤ４、端子５、ケース部材であるケース６、蓋材である蓋７、封止樹脂であるシリコーンゲル８、押さえ板９、第一の突起部である突起１０、ハンダ１１，１２を備える。
シリコーンゲル８の表面（上面）に、複数個の押さえ板９が密着して設置されている。これらの複数個に分割された押さえ板９は、シリコーンゲル８を介して絶縁基板２上の金属板２３に形成された配線パターンに対応するように配置されている。ケース６の上部に蓋７が設置されている。蓋７は接着剤（図示せず）もしくはネジ（図示せず）でケースに固定されている。蓋７に形成された突起１０は、複数個の押さえ板９に対応する位置に配置される。
その他の部分の構成については、実施の形態１と同様の構成である。
このようなパワーモジュール５００において、パワーモジュール５００の温度が低温になった場合には、シリコーンゲル８の熱収縮によって、押さえ板９がベース板１に向かって引き下げられる。このとき、押さえ板９は、ケース６や蓋７に固定されてはいないので、シリコーンゲル８の熱収縮に応じて押さえ板９は下側（ベース板１側）に凸状に湾曲することもできる。その結果、シリコーンゲル８には熱応力はほとんど発生せず、シリコーンゲル８の内部応力が引張応力となることを緩和できるしたがって、パワーモジュール５００の温度が低温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、絶縁基板２とシリコーンゲル８との剥離が抑制され、パワーモジュールの絶縁劣化を抑制する効果がある。
また、パワーモジュール５００の温度が高温になった場合には、シリコーンゲル８の熱膨張によって、押さえ板９が蓋７に向かって押し上げられる。このとき、蓋７はケース６に固定されているため、蓋７に形成した突起１０に押さえ板９が当たるまで押さえ板９が押し上げられると、押さえ板９はこれ以上蓋７の方向には移動できず、押さえ板９の位置が固定される。この状態では、シリコーンゲル８はこれ以上熱膨張できなくなり、シリコーンゲル８の内部応力は、圧縮応力となる。シリコーンゲル８の内部応力が圧縮応力となることで、パワーモジュール５００の温度が高温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、絶縁基板２とシリコーンゲル８との剥離が抑制され、パワーモジュールの絶縁劣化を抑制する効果がある。
図２２は、この発明の実施の形態５におけるパワーモジュールの他の蓋と押さえ板とを示す断面構造模式図である。図２２において、蓋７はモジュール４００の内部の複数個配置された押さえ板９に対向する面に押さえ板９に対応する位置に突起１０を設けている。
以上のように構成されたパワーモジュール５００では、封止樹脂と蓋との間に、封止樹脂に密着させて押さえ板を配置したことで、パワーモジュール５００の温度変化における封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡や剥離の成長を抑制することが可能となる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる。
また、蓋７に突起１０を設けたことで、シリコーンゲル８のケース６内における充填高さがばらついたときにおいても、押さえ板９の片当たりを抑制でき、シリコーンゲル８に対して均一に圧縮応力を発生させることが可能となる。
さらに、蓋７に筋状に突起１０を設けることで、蓋７のたわみが抑制され、蓋７の剛性を向上させることが可能となる。
また、押さえ板９を分割して複数個として気泡、剥離の抑制が必要な箇所に配置することで、シリコーンゲル８に発生する圧縮応力を制御することが可能となる。
実施の形態６．
本実施の形態６においては、実施の形態２において、蓋７に形成した突起１０に変えて、ばね１４を備えたことが異なる。このように突起１０に変えて、ばね１４を形成した場合においても、封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡や剥離の成長を抑制することができる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる。
図２３は、この発明の実施の形態６のパワーモジュールの断面構造模式図である。図２３において、パワーモジュール６００は、ベース板１、絶縁基板２、半導体素子であるパワー半導体素子３、ボンディングワイヤ４、端子５、ケース部材であるケース６、蓋材である蓋７、封止樹脂であるシリコーンゲル８、押さえ板９、弾性部であるばね１４、ハンダ１１，１２を備える。
シリコーンゲル８の表面（上面）に、押さえ板９が密着して設置されている。さらに、ケース６の上部に蓋７が設置されている。蓋７は接着剤（図示せず）もしくはネジ（図示せず）でケースに固定されている。
蓋７の下側には、押さえ板９に対向する方向に、複数のばね１４が固定されている。ここでばね１４としては、Ｓ字ばねを用いる。
その他の部分の構成については、実施の形態１と同様の構成である。
このようなパワーモジュール６００において、パワーモジュール６００の温度が低温になった場合には、シリコーンゲル８の熱収縮によって、押さえ板９がベース板１に向かって引き下げられる。このとき、押さえ板９は、ケース６や蓋７に固定されてはいないので、シリコーンゲル８の熱収縮に応じて押さえ板９は下側（ベース板１側）に凸状に湾曲することもできる。その結果、シリコーンゲル８には熱応力はほとんど発生せず、シリコーンゲル８の内部応力が引張応力となることを緩和できる。したがって、パワーモジュール６００の温度が低温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、絶縁基板２とシリコーンゲル８との剥離が抑制され、パワーモジュールの絶縁劣化を抑制する効果がある。
また、パワーモジュール６００の温度が高温になった場合には、シリコーンゲル８の熱膨張によって、押さえ板９が蓋７に向かって押し上げられる。このとき、蓋７はケース６に固定されているため、押さえ板９が、蓋７に形成したばね１４に当たり、ばねの反発力がゲルの膨張力を上回るまで押さえ板９が押し上げられると、押さえ板９はこれ以上蓋７の方向には移動できず、押さえ板９の位置が固定される。すると、シリコーンゲル８はこれ以上熱膨張できなくなり、シリコーンゲル８の内部応力は、圧縮応力となる。シリコーンゲル８の内部応力が圧縮応力となることで、パワーモジュール６００の温度が高温になっても、気泡や剥離の成長を抑制でき、パワーモジュールの絶縁劣化を発生させない効果がある。
本実施の形態６では、ばね１４を複数としたが、ばね１４によって押さえ板９の上昇を防げることができれば、ばね１４の数は１つであっても良い。ばね１４の数および設置間隔は、押さえ板９の反りが問題無い程度に、適切に設定すれば良い。
また、本実施の形態６では、ばね１４はＳ字ばねとしたが、Ｓ字ばねに制限されることはなく、コイルばね、板ばね、等の反発力のあるばねを用いても良い。
さらに、本実施の形態６では、ばね１４は蓋７に固定した構成としたが、ばね１４は、押さえ板の上側に、蓋７に対向する向きに固定した構成としても良い。蓋７と押さえ板９との間にばね１４が挿入されていれば同様の効果を得ることができる。
以上のように構成されたパワーモジュール６００では、封止樹脂と蓋との間に、封止樹脂に密着させて押さえ板を配置したことで、パワーモジュール６００の温度変化における封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡や剥離の成長を抑制することが可能となる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる。
また、蓋７にばね１４を配置したことで、ばね１４の弾性により、シリコーンゲル８に対して均一に圧縮応力を発生させることが可能となる。
実施の形態７．
本実施の形態７においては、実施の形態１から６において、押さえ板９を重量物としたことが異なる。このように押さえ板９を重量物とした場合においても、封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡や剥離の成長を抑制することができる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる。
重量物である押さえ板９は、ＣｕもしくはＣｕ合金製とした。その他の部分の構成については、実施の形態１と同様の構成である。
このような構成としたことで、重量物である押さえ板９の重量による押し下げ力がシリコーンゲル８の上面に常時印加されるため、シリコーンゲル８内部の圧縮応力がより増加する。これによって、パワーモジュール１００の温度が高温になっても、シリコーンゲル８内部には圧縮応力が発生し続けるので、気泡や剥離の成長を抑制でき、絶縁基板２とシリコーンゲル８との剥離が抑制され、パワーモジュールの絶縁劣化を抑制する効果がある。
なお、重量物とは、シリコーンゲル８の上面に配置することで、シリコーンゲル８内部に対して絶縁基板２に向かってその重量により圧縮応力を発生させることができる材料、材質で形成された物（押さえ板９）のことである。
ここでは、押さえ板９は、ＣｕもしくはＣｕ合金製としたが、必ずしもこれらの材質に限定されることはなく、シリコーンゲル８と比較して、密度が相対的に高い材質を使っても良い。Ａｌ、Ａｌ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金等の金属が適している。また、これら金属同士や樹脂との複合部材であってもよい。
以上のように構成されたパワーモジュール１００では、封止樹脂と蓋との間に、封止樹脂に密着させて重量物である押さえ板を配置したことで、パワーモジュール１００の温度変化における封止樹脂の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡や剥離の成長を抑制することが可能となる。その結果、封止樹脂と絶縁基板との剥離が抑制でき、パワーモジュールの絶縁信頼性の向上が可能となる。
また、パワーモジュール２００，３００，４００，５００，６００のいずれの構造に適用した場合においても、同様の効果を奏するものである。
１ ベース板、２ 絶縁基板、３ パワー半導体素子、４ ボンディングワイヤ、５ 端子、６ ケース、７ 蓋、８ シリコーンゲル、９ 押さえ板、１０，１３ 突起、１１，１２ はんだ、１４ ばね、２１ 絶縁層、２２ 金属板、２３ 金属板、１００，２００，３００，４００，５００，６００ パワーモジュール。

Claims (6)

  1. 一方の面に半導体素子が搭載された絶縁基板と、
    前記絶縁基板の他方の面に接合されたベース板と、
    前記絶縁基板を取り囲み、前記ベース板の前記絶縁基板の他方の面と接合された面と接するケース部材と、
    前記ベース板と前記ケース部材とで囲まれた領域に充填され、前記絶縁基板を封止する封止樹脂と、
    前記封止樹脂の前記絶縁基板の一方の面の反対面に密着した押さえ板と、
    前記押さえ板の前記封止樹脂と密着した面の反対面と対向し、前記押さえ板の上方への移動を抑制する位置で前記ケース部材と固着された蓋材と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記蓋材は、前記押さえ板と対向する面側に第一の突起部を有することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 前記押さえ板は、前記蓋材と対向する面側に第二の突起部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記押さえ板は、前記蓋材と対向する面側に第二の突起部を有し、前記第二の突起部と前記第一の突起部とは、それぞれが対向して配置されたことを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。
  5. 前記第一の突起部は、ばねであることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。
  6. 前記押さえ板は、重量物であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
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