JP6540324B2 - 半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体素子を備える半導体モジュール及び該半導体モジュールの製造方法に関する。
パワー半導体素子を備える半導体モジュールは、電力変換効率に優れ、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー分野，ハイブリッド自動車や電気自動車などの車載分野、電気車両などの鉄道分野などで広く用いられている。このような半導体モジュールでは、高電圧が印加されても絶縁破壊しないように、半導体素子だけでなく、絶縁基板にも様々な予防措置が施されている。
例えば、下記の特許文献１には、半導体素子が実装された電源板と、前記電源板を搭載する絶縁基板と、前記半導体素子、電源板、絶縁基板のそれぞれの表面を被覆する充填材と、前記電源板端部と絶縁基板との間の領域のみに配設され、充填材よりも破壊電圧が高く、充填材よりも絶縁基板との接着力が高い沿面破壊防止部材とを備え、絶縁基板に予防措置が施された半導体装置が開示されている。
同文献において、沿面破壊防止部材とは、充填材（例えばシリコーンゲル）に比べて比誘電率が高く、電源板端部の電界集中を緩和する部材であって、具体的には、エポキシ樹脂、酸化アルミニウムの粉末を混入させたエポキシ樹脂、窒化アルミニウムの粉末を混入させたエポキシ樹脂、雲母の粉末を混入させたエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、酸化アルミニウムの粉末を混入させたシリコーンゲル、窒化アルミニウムの粉末を混入させたシリコーンゲル、雲母の粉末を混入させたシリコーンゲルエポキシ樹脂を挙げている。
特許第３７０３９７８号公報
しかしながら、特許文献１に記載された沿面破壊防止部材の比誘電率は、高々８．８（窒化アルミニウム）程度であって、近年の半導体モジュールの高耐圧化要求に鑑みると、その電界緩和効果は十分とは云えず、例えば絶縁基板を薄くしようとしても、電界強度が増大し沿面破壊し易くなることから、薄くできない状況にあり、厚い絶縁基板を使用することによってコスト高になっていた。
本発明の目的は、絶縁基板の主面と、該絶縁基板の主面に配置された導電板の側面と、の交差部における、局所的な電界集中を緩和して、絶縁耐圧を向上させた半導体モジュール、及び該半導体モジュールの製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の半導体モジュールは、絶縁基板、前記絶縁基板の第１の主面上にあって前記絶縁基板の外縁よりも内側に配置された第１の導電板、前記第１の主面に対向する前記絶縁基板の第２の主面上にあって前記絶縁基板の外縁よりも内側に配置された第２の導電板を有する、絶縁回路基板と、前記絶縁基板の第１の主面と前記第１の導電板の側面との交差部を被覆するイオン液体を含むイオンゲルと、前記第１の導電板に接合される半導体素子と、前記絶縁回路基板、前記イオンゲル、及び前記半導体素子を被覆する封止材と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、イオンゲルに含まれるイオン液体は、電圧を印加した時に電位勾配にしたがってイオンゲル内を移動し、絶縁基板の第１の主面と第１の導電板の側面との交差部をなす第１の導電板の表面近傍、及び／又は、絶縁基板の表面近傍において、電気力線を終端するように配置されるので、上記交差部における電界集中が緩和され、絶縁耐圧が向上する。また、絶縁基板の絶縁耐圧が向上したことにより、該絶縁基板を薄くすることが可能となり、製造コストを低減できる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記イオンゲルは、有機カチオンと有機アニオン、もしくは有機カチオンと無機アニオンの組み合わせによって構成される、常温溶融塩のイオン液体を含む、高分子樹脂のゲル材料であることが好ましい。これによれば、イオン液体を構成するカチオン及びアニオンは、常温でも電位勾配にしたがって、高分子樹脂のイオンゲル内を移動することができる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記イオンゲルには、イオンゲルの単位面積あたりの静電容量が、１μＦ／ｃｍ２以上、２０μＦ／ｃｍ２以下となるように、イオン液体が配合されていることが好ましい。これによれば、第１の導電板の表面近傍、又は絶縁基板の表面近傍において電気力線を終端することができる。
本発明の半導体モジュールの製造方法は、絶縁基板、前記絶縁基板の第１の主面上にあって前記絶縁基板の外縁よりも内側に配置された第１の導電板、前記第１の主面に対向する前記絶縁基板の第２の主面上にあって前記絶縁基板の外縁よりも内側に配置された第２の導電板を有する半導体モジュールの製造方法において、前記絶縁基板の第１の主面と前記第１の導電板の側面との交差部に、イオン液体を含むイオンゲルの前駆材料を塗布するイオンゲル塗布工程と、前記イオンゲルの前駆材料を固化させるイオンゲル固化工程と、前記第１の導電板に半導体素子を接合する半導体素子接合工程と、前記絶縁回路基板、前記イオンゲル、及び前記半導体素子を封止材によって被覆する封止材被覆工程と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、前記絶縁基板の第１の主面と前記第１の導電板の側面との交差部を、イオン液体を含むイオンゲルで被覆して、前記絶縁基板の電界集中を緩和して、絶縁耐圧を向上させることができる。
本発明の半導体モジュールの製造方法において、前記塗布工程は、イオン液体を含むイオンゲルの前駆材料をインクジェット法又はディスペンス法によって塗布する塗布工程であることが好ましい。これによれば、前記絶縁基板の第１の主面と前記第１の導電板の側面とが交差してなす段差部に、イオンゲルを確実に塗布することができるので、塗布むらによるピンホールの発生を防止することができる。
本発明によれば、イオンゲルに含まれるイオン液体は、電圧を印加した時に電位勾配にしたがってイオンゲル内を移動し、絶縁基板の第１の主面と第１の導電板の側面との交差部をなす第１の導電板の表面近傍、及び／又は、絶縁基板の表面近傍において、電気力線を終端するように配置されるので、上記交差部における電界集中が緩和され、絶縁耐圧が向上する。また、絶縁基板の絶縁耐圧が向上したことにより、該絶縁基板を薄くすることが可能となり、製造コストを低減できる。
本発明に係る半導体モジュールの一実施形態をあらわす断面図である。 電磁界シミュレーションに用いたシミュレーションモデルを示す図面である。 電磁界シミュレーションによって求めた、絶縁基板１の厚さと、交差部Ａにおける電界強度比との関係をあらわす図面である。 電磁界シミュレーションによって求めた、封止材１４の比誘電率と、交差部Ａにおける電界強度比との関係をあらわす図面である。 本発明に係る半導体モジュールの製造工程の一例をあらわす図面である。 絶縁耐圧評価に用いた半導体モジュールの断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体モジュール、及び半導体モジュールの製造方法について説明する。
図１には、本発明の半導体モジュールの一実施形態をあらわす、断面図が示されている。半導体モジュール１００は、絶縁基板１、絶縁基板１の第１の主面（上面）上にあって絶縁基板１の外縁よりも内側に配置された第１の導電板２、第１の主面に対向する絶縁基板１の第２の主面（下面）上にあって絶縁基板１の外縁よりも内側に配置された第２の導電板３を有する、絶縁回路基板４を備える。また、絶縁基板１の第１の主面と第１の導電板２の側面との交差部Ａ（導体の端部にあたる）は、イオン液体を含むイオンゲル５によって被覆されている。また、第１の導電板２には、はんだ６を介して半導体素子７接合され、第２の導電板３には、はんだ８を介して接合されて伝熱面をなすベース板９が接合されている。また、半導体モジュール１００は、半導体素子７と第１の導電板２（もしくは図示しない他の半導体素子７）との間を電気的に接続するワイヤ１０と、外部接続端子１１を備える。以上は、ケース１２に収容され、ケース１２の内側には封止材１４が充填され、蓋１３によって密閉されている。
半導体モジュール１００において、第１の導電板２は、複数の島状領域に分かれ、半導体素子７や外部接続端子１１が接合されて、電気回路を構成している。また、第２の導電板３は、はんだ８、ベース板９を介して、図示しない冷却器に熱的に接合されている。
半導体モジュール１００において、第２の導電板３は接地されて接地電位とされるか、又は概ね接地電位と云える浮遊電位とされ、回路動作時には、第１の導電板２の特定の島状領域に電圧が印加される。
例えば、半導体素子７をＮチャネルのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とし、第１の導電板２ａは、はんだ６を介して半導体素子７の裏面に配置されたコレクタ電極に接続されているとし、第１の導電板２ｂは、ワイヤ１０を介して半導体素子７のおもて面に配置されたエミッタ電極に接続されているとする。ＩＧＢＴを動作させるためには、エミッタ電極を接地して、コレクタ電極に電圧を印加する。言い換えれば、第１の導電板２ｂを接地して、第１の導電板２ａに電圧を印加する。このため、絶縁基板１の第１の主面とエミッタ電極に接続される第１の導電板２ｂの側面との交差部Ｂにおける電界は零に近いが、絶縁基板１の第１の主面と第１の導電板２ａの側面との交差部Ａは高電界になりうる。例えば、コレクタにインダクタンスによる逆起電力やサージ電圧が印加された時は、電圧が異常に高くなり、交差部Ａを起点として絶縁破壊することがある。
ここで、交差部Ａは、「導体端部」であって、導体端部において高電界となる現象は「電界集中」と呼ばれる。導体表面は等電位面であり、電気力線は等電位面に対して垂直でなければならず、導体端部では、電気力線が垂直になるように電気力線が曲げられ、電気力線の密度が増えるため、幾何学的な理由から導体端部は必ず高電界となる。
本発明によれば、電界集中によって絶縁破壊の起点になり易い、絶縁基板１の第１の主面と、高電圧が印加される第１の導電板２ａの特定島状領域の側面との交差部Ａにイオンゲル５を配置して、交差部Ａに接する絶縁基板１内部の電界集中を緩和し、絶縁基板１の絶縁耐圧を向上させることができる。
ただし、平時は低電圧であっても予期せぬサージ電圧の入力が懸念される場合は、絶縁基板１の第１の主面と、第１の導電板２ｂの島状領域の側面との交差部Ｂにも、イオンゲル５を配置することができる。
さらに、補強のために、絶縁基板１の第２の主面と、第２の導電板３の側面との交差部Ａ’にイオンゲル５を配置してもよい。
以下、半導体モジュール１００を構成する各部の詳細について説明する。
絶縁基板１の材質は、特に限定されないが、誘電損失が低く、電気絶縁性のよい絶縁材料が好ましく用いられる。そのような絶縁材料としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３（比誘電率９．８＠１ＭＨｚ）、ＡｌＮ（比誘電率８．７＠１ＭＨｚ）、ＳｉＮ（比誘電率８．１＠１ＭＨｚ）などが挙げられる。このうち、ＡｌＮとＳｉＮは、熱伝導率が高く、半導体素子７で発生するジュール熱を効率よく放熱できるため、高出力の半導体モジュールでは好適に使用できる。絶縁基板１の厚さの下限は、絶縁耐圧や機械的強度による制限を受ける。本発明によれば、後述するように、イオンゲル５によって絶縁基板１における局所的な電界集中を緩和して絶縁耐圧を向上させることができる。例えば、絶縁基板１の厚さが１ｍｍ以下、例えば０．６２５ｍｍであっても、高電圧動作に耐える。このため、絶縁基板１を１ｍｍよりも薄くして材料コストを低減することができる。
第１の導電板２と第２の導電板３の材質は、特に限定されないが、電気伝導性と熱伝導性に優れた金属材料、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金等が好ましく用いられる（なお、防錆などの目的で、Ｎｉめっきなどの表面処理を施してもよい）。第１の導電板２、第２の導電板３の膜厚は、特に限定されないが、薄くすると電気抵抗が増大し、厚くすると絶縁基板１との接合が難しくなるので、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲内で設定されることが好ましい。絶縁基板１上に第１の導電板２、第２の導電板３を配設する方法も、特に限定されず、例えば直接接合法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、ろう材接合法（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ）などが挙げられ、絶縁基板１に第１の導電板２、第２の３を接合した絶縁回路基板４は、それぞれの接合法に因んで、ＤＣＢ基板、ＡＭＢ基板と呼ばれている。なお、絶縁回路基板４において、第１の導電板２、第２の導電板３は絶縁基板１の外縁よりも内側に配置され、第１の導電板２から絶縁基板１の外縁を回り込み第２の導電板３に至る沿面距離を長くして、沿面放電による沿面破壊を起こし難くくしている。
イオンゲル５は、イオン液体を含むゲル状の材料で、絶縁基板１の第１の主面と、第１の導電板２の側面との交差部Ａを、被覆するように配置されている。
イオン液体は、幅広い温度域で液体として存在する、イオンのみからなる常温溶融塩であって、有機カチオンと有機アニオン、もしくは有機カチオンと無機アニオンの組み合わせによって構成されている。
本発明に用いられるイオン液体としては、イミダゾリウム系カチオン、ピリジニウム系カチオン、ピペリジニウム系カチオン等のカチオンと、ホスホネート系アニオン、ボレート系アニオン、スルホネート系アニオン等のアニオンとから構成されるイオン液体が、単位面積あたりの静電容量が大きい構造である理由から適している。
イミダゾリウム系の例としては１−エチル−３−メチルイミダゾリウム ビストリフルオロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩＭ ＴＦＳＩ）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム ビスフルオロスルフォニルイミド（ＥＭＩＭ ＦＳＩ）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム ビスペンタフルオロスルフォニルイミド（ＥＭＩＭ ＢＥＴＩ）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム ジシアナミド（ＥＭＩＭ ＤＣＡ）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート（ＥＭＩＭ ＢＦ４）、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム ビストリフルオロメチルスルフォニルイミド（ＢＭＩＭ ＴＦＳＩ）、ピリジニウム系の例としては、１−ブチル−３−メチルピリジニウム ビストリフルオロメチルスルフォニルイミド（ＢＭＰ ＴＦＳＩ）、ピペリジニウム系の例としてはＮ−メチル−Ｎ−プロピルピペリジニウム ビストリフルオロメタンスルフォニルイミド（ＰＰ１３ ＴＦＳＩ）、等を挙げることができる。
一方、イオン液体を含有させるゲル状材料は、特に限定されず、例えばシリコーンポリマ、ポリ（スチレン−ｂ−メチルメタクリレート−ｂ−スチレン）トリブロック共重合体（ＰＳ−ＰＭＭＡ−ＰＳ）、ポリ（スチレン−ｂ−エチレンオキシドｂ−スチレン）トリブロック共重合体（ＰＳ−ＰＥＯ−ＰＳ）、ポリ（ビニリデンフルオリド−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）共重合体（ＰＶｄＦ−ＨＥＰ）などが挙げられる。また、ポリ（４−ビニルピリジン）（Ｐ4ＶＰ）、ポリ（ジメチルアミノエチルメタクルレート）（ＰＤＭＥＭＡ）、ポリ（ビニルフェノール）（ＰＶＰ）、ポリ（ビニルシナメート）（ＰＶＣＮ）、ポリスチレン（ＰＳ）等の高分子材料に、架橋剤として、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラ（トリフルオロメタンスルフォニル）−ヘキサン−1，６−ジアミン（Ｃ６ＴＦＳＡ）、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラ（トリフルオロメタンスルフォニル）−ドデカン−1、１２−ジアミン（Ｃ１２ＴＦＳＡ）、ビス（トリクロロシリル）ヘキサン等を混合して作成した共重合体を用いても良い。
イオンゲル５に正電圧を印加すると、イオンゲルに含まれるイオン液体のアニオンが電位勾配にしたがってイオンゲル内を移動し、第１の導電板２の表面の表面にイオン液体の分子１層分（厚さ数ｎｍ）の厚さの電気二重層が形成される。また、イオンゲルに含まれるイオン液体のカチオンが電位勾配にしたがってイオンゲル内を移動し、絶縁基板１の表面の表面にイオン液体の分子１層分（厚さ数ｎｍ）の厚さのもうひとつの電気二重層が形成される。電気二重層の静電容量は、イオンゲルの本体部分の静電容量よりも圧倒的に大きく、実用上は、イオンゲル５の静電容量は、イオンゲル５の塗布膜厚には依存せず、イオンゲル５に含まれるイオン液体の面密度によって決まると考えてよい。イオンゲル５の単位面積当たりの静電容量が１μＦ／ｃｍ２〜２０μＦ／ｃｍ２となるようにイオン液体を配合すれば、ガウスの法則にしたがって、第１の導電板２の表面から湧き出す電気力線の殆どは、電気二重層をはさんで対向するイオン液体のアニオンによって終端される。同様に絶縁基板１に吸い込まれる電気力線の殆どは、電気二重層をはさんで対向するイオン液体のカチオンによって終端される。
ここで、ガウスの法則とは、ある領域内に電荷が存在すると、その領域内に吸い込まれる（湧き出す）電束は、その領域内の負の（正の）電荷量に等しいという物理法則である。
静電容量が大きいイオンゲルとは、イオン液体を多く含むイオンゲルのことであり、電気二重層にイオン液体が多く集まれば、多くの電気力線を終端することができる。静電容量が１μＦ／ｃｍ２〜２０μＦ／ｃｍ２に対応する十分な量の電荷量が集まれば、第１の導電板２の側面から湧き出す電気力線の大部分を電気二重層によって効率的にシールドすることができる。このようにして、交差点Ａ近傍の電気力線の混雑を減らし、絶縁基板１の電界集中を緩和することができる。
半導体素子７は、特に限定されず、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板等に形成された、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｔｏｒ）や、ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Bａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などのデバイスが挙げられる。半導体モジュール１００において、上記デバイスを単体で用いてもよいが、種類の異なる複数個のデバイスを組み合わせるハイブリッドモジュールとしてもよい。例えば、Ｓｉ基板に形成されたＩＧＢＴ２個と、ＳｉＣ基板に形成されたＳＢＤ２個を組み合わせてインバーター回路を構成することができる。
ベース板９の材質は、特に限定されないが、熱伝導率が高く、はんだ付け等の高温熱処理を経ても反りにくい材料、例えばＣｕ板、Ａｌ−ＳｉＣ板等が好適に用いられる。
ワイヤ１０の材質は、特に限定されず、例えばＡｌ線、Ａｌめっき鋼線、Ｃｕ線等を用いることができる。ワイヤ径も特に限定されないが、大電流用途では、例えば直径３００μｍ〜５００μｍのワイヤが好適に用いられる。もしくは、ワイヤ１０の代わりに、リードフレーム、もしくは配線基板と導電ピンを用いて、電気的に接続し回路を構成してもよい。
ケース１２及び蓋１３の材質は、特に限定されず、例えばＰＰＳ樹脂、ＰＢＳ樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることができる。
封止材１４は、特に限定されず、シリコーンゲル（比誘電率２．８）や、エポキシ樹脂（比誘電率３．５）などの材料を用いることができる。
次に、本発明におけるイオンゲル５の作用効果について詳細に説明する。
まず、イオンゲル５を用いなかった場合の、交差部Ａにおける電界集中の度合いを、電磁界シミュレーションによって解析した結果について説明する。図２に本シミュレーションに用いたシミュレーションモデルを示した。基準となるモデルでは、絶縁基板１の比誘電率ε１を８．１とし、厚さｔ１を１ｍｍとし、絶縁基板１の外縁から測った第１主面側の交差部Ａまでの距離ｄ１を０．７ｍｍとし、絶縁基板１の外縁から測った第２主面側の交差部Ａ’までの距離ｄ２を０．７ｍｍとし、第１の導電板２、第２の導電板３の厚さｔ２、ｔ３を共に０．３ｍｍとし、封止材１４の比誘電率ε１４を３．５とした。上記パラメータを変更したモデルの、交差部Ａにおける電界強度は、基準となるモデルの電界強度を１として相対比で表示した。
図３には、絶縁基板１の厚さｔ１と、交差部Ａにおける電界強度比との関係が示されている。絶縁基板１を薄くしていくと電界強度は増大していくが、絶縁基板１が０．６ｍｍよりも薄くなると、急激に増大することが分かる。
図４には、封止材１４の比誘電率ε１４と、交差部Ａにおける電界強度比との関係が示されている。封止材１４の比誘電率を高めると交差部Ａにおける電界集中が緩和されるが、比誘電率を２．８から１０まで高めたとしても、電界強度は１から０．７５までしか緩和されないことが分かる。
封止材１４の比誘電率を高くすると電界集中が緩和される理由は、封止材１４の比誘電率の高くすると封止材１４に固有の電気力線の本数が比誘電率に反比例して少なくなり、電気力線の本数が少なくなったところへ、交差部Ａの近くで密集していた電気力線が押し出され、その効果として交差部Ａにおける電気力線の密度が下がり、電界集中が緩和される。よって、イオンゲルのように電気二重層で電気力線をシールドしているわけではなく、電気力線を再分配させているだけであるから、電界緩和効果に乏しいのである。
よって、特許文献１（特許第３７０３９７８号公報）に記載されている、比誘電率が高々８．８程度の沿面破壊防止剤を配置しても、電界緩和の程度は小さく、絶縁基板１を０．６ｍｍまで薄くすることは極めて困難と云える。
これに対し、本発明では、イオン液体を含むイオンゲル５を交差部Ａを覆うようにして配置している。例えば、第１の導電板２が、第２の導電板３よりも高電位となるように電圧を印加すると、電気力線は第１の導電板２から導電板３に向かって延びる。イオン液体のアニオンは第１の導電板２とイオンゲル５がなす界面に移動して、第１の導電板２の表面電荷とアニオンとの分極よる電気二重層をなす。そして、イオン液体のカチオンはイオンゲル５と絶縁基板１がなす界面に移動して、カチオンと絶縁基板１の表面電荷との分極よる電気二重層をなす。イオン液体の配合量が十分であれば、電荷量と電束密度の関係をあらわすガウスの法則にしたがって、第１の導電板２から延びる電気力線の殆どは、第１の導電板２とイオンゲル５がなす界面に移動したアニオンによって終端される。絶縁基板１から延びる電気力線の殆どは、イオンゲル５と絶縁基板１がなす界面に移動したカチオンによって終端される。そして、カチオン及びアニオンは、交差部Ａにおいて電界集中しにくくなるように分布して、交差部Ａにおける電界を大きく緩和することができる。
第１の導電板２が、第２の導電板３よりも低電位となるように電圧を印加した場合は、イオン液体のカチオンは第１の導電板２とイオンゲル５がなす界面に移動して電気二重層をなし、イオン液体のアニオンはイオンゲル５と絶縁基板１がなす界面に移動して電気二重層をなす。イオン液体の配合量が十分であれば、電荷量と電束密度の関係をあらわすガウスの法則にしたがって、第１の導電板２から延びる電気力線の殆どは、第１の導電板２とイオンゲル５がなす界面に移動したカチオンによって終端される。絶縁基板１から延びる電気力線の殆どは、イオンゲル５と絶縁基板１がなす界面に移動したアニオンによって終端される。そして、カチオン及びアニオンは、交差部Ａにおいて電界集中しにくくなるように分布して、交差部Ａにおける電界を大きく緩和することができる。
エポキシ樹脂などの封止材等は、イオン分極や配向分極であり、分子を移動させることはできない。言い換えれば、第１の導電板２、絶縁基板１の極表面に多くの電荷を移動させて、高密度に配置された電荷による、電界シールドを形成することはできない。
イオンゲルが、従来の高比誘電率材料よりも電界緩和能力に優れている理由は、イオンゲルの中をカチオン及びアニオンが移動して、空間電荷分布を自由に変えることができる点と、カチオン又はアニオンの界面集積によって得られる電気二重層の容量として、高比誘電率材料では得られない、１μＦ／ｃｍ２〜２０μＦ／ｃｍ２の高容量が容易に実現できる点にある。よって、第１の導電板２、絶縁基板１の極表面に移動させて、高密度に配置されたイオン液体の電荷による、電界をシールドを形成することができる。
このようにして、イオンゲル５は、導体端部という幾何学的要因から生じる電界集中を緩和し、交差部Ａを起点とし絶縁基板１を破壊電流が貫通する絶縁基板１の絶縁破壊を抑制することができる。そして、同じ作用効果によって、絶縁基板１の外縁を回り込む沿面放電によって起こる沿面破壊をも抑制することができる。
本発明の半導体モジュール１００の製造方法は、例えば図５に示されるように、絶縁回路基板４を準備する絶縁回路基板準備工程Ｓ１と、絶縁基板１の第１主面と第１の導電板２の側面との交差部Ａにイオン液体を含むイオンゲルの前駆材料を塗布するイオンゲル塗布工程Ｓ２と、前記イオンゲルの前駆材料を固化させてイオンゲル５とするイオンゲル固化工程Ｓ３と、前記第１の導電板２に半導体素子７を接合する半導体素子接合工程Ｓ４（第２の導電板３とベース板９との接合、およびワイヤ１０のボンディングを含む）と、前記絶縁回路基板、前記イオンゲル、及び前記半導体素子を封止材によって被覆する封止材被覆工程Ｓ５と、を備えることができる。
イオンゲル５の形成方法は、特に限定されず、例えばイオン液体と、ゲル状材料、有機溶媒（アセトン、エチルアセテート、トルエンなど）を混合して調製した、イオンゲルの前駆材料を、絶縁基板１の第１主面と第１の導電板２の側面との交差部Ａに、ディスペンス法やインクジェット法などの塗布法で膜形成した後、加熱固化することが好ましい。これによれば、イオンゲルを確実に塗布することができるので、塗布むらによるピンホールの発生を防止することができる。イオンゲル５の膜厚は、例えば、０．１〜２ｍｍが好ましく、０．１〜１．０ｍｍがより好ましい。０．１ｍｍより薄いと、交差部Ａを完全に覆うことが難しくなる。
以下に実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これらの実施例は本発明の範囲を限定するものではない。
［実施例１］
図６には、絶縁耐圧評価サンプル２００の断面図が示されている。厚さ１ｍｍのＡｌＮ絶縁基板１の両面に、それぞれ厚さ０．２ｍｍのＡｌの第１の導電板２及び第２の導電板３を有する、絶縁回路基板４（電気化学工業株式会社製、デンカＡｌＮプレート）を用いた。この絶縁回路基板４の、絶縁基板１の外縁と第１の導電板２との最短距離（第１の額縁長）は、１．５ｍｍで、絶縁基板１の外縁と第２の導電板３との最短距離（第２の額縁長）は０．５ｍｍである。次に、イオン液体として１−エチル−３−メチルイミダゾリウム ビストリフルオロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩＭ ＴＦＳＩ）１質量部と、ゲル材料としてポリ（スチレン−ｂ−メチルメタクリレート−ｂ−スチレン）トリブロック共重合体（ＰＳ−ＰＭＭＡ−ＰＳ）５質量部と、溶媒としてエチルアセテート１５質量部を混合したイオンゲル前駆材料を調製し、インクジェット印刷機を用いて、絶縁基板１の第１主面と第１の導電板２の側面との交差部Ａを被覆するように塗布し、１００℃で加熱固化させて、交差部Ａにイオンゲル５を形成した。次に、絶縁回路基板４を、Ｓｎ−４０Ｐｂはんだ（ニホンハンダ株式会社製）を介して、Ａｌ−ＳｉＣのベース板９（電気化学工業製、アルシンク）上に接合し、外部接続端子１１を有するケース１２に収納し、ケース１２にシリコーンゲルの封止材１４（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン製、ＴＳＥ３０５１ＳＫ）を充填し１００℃で１時間加熱して固化させた後、ケース１２に蓋１３を接着剤で接着し、絶縁耐圧評価サンプル２００とした。なお、本サンプルは絶縁耐圧の評価に限定して使用するので、半導体素子は配設しなかった。
［実施例２］
絶縁回路基板４（電気化学工業株式会社製、デンカＡｌＮプレート）のＡｌＮ絶縁基板厚さを０．６２５ｍｍしたこと以外は実施例１と同様に作製した。
［実施例３］
絶縁回路基板４（電気化学工業株式会社製、デンカＳＮプレート）に厚さ０．６２５ｍｍのＳｉＮ絶縁基板を用いたこと以外は実施例１と同様に作製した。
［比較例１］
交差部Ａにはイオンゲル５を配設せず、ＡｌＮ絶縁基板１の厚さは０．６２５ｍｍとした。その他は実施例１と同様に作製した。
［絶縁耐圧評価方法］
上記の絶縁基板１の第１の主面に配置された第１の導電板２と、絶縁基板の第２の主面に配置された第２の導電板３との間に、周波数５０Ｈｚ、振幅６ｋＶの交流電圧を１分間印加し、絶縁破壊しなかったものを合格、絶縁破壊したものを不合格とした。
［評価結果］
絶縁耐圧の評価結果を表１に示した。実施例１によって、厚さ１ｍｍのＡｌＮ基板１で絶縁破壊評価に合格したことを確認し、実施例２で、ＡｌＮ基板１の厚さを０．６２５ｍｍと薄くしたが、絶縁基板１の第１主面と第１の導電板２の側面との交差部Ａにイオンゲル５を配置したことにより電界集中が緩和され、絶縁基板１は絶縁破壊せず、絶縁破壊評価に合格した。しかしながら、比較例１では、交差部Ａにイオンゲル５が配置されていないために電界集中が十分緩和されず、厚さ０．６２５ｍｍのＡｌＮ基板１の絶縁破壊評価は不合格であった。また、実施例３では、厚さ０．６２５ｍｍのＳｉＮ基板１を用い、絶縁基板１の第１主面と第１の導電板２の側面との交差部Ａにイオンゲル５を配置することによって、絶縁基板１を０．６２５ｍｍまで薄くしても、絶縁破壊評価に合格することを確認した。よって、交差部Ａにイオンゲル５を配置することによって、絶縁基板を厚さ０．６２５ｍｍまで薄くすることができた。
１ 絶縁基板
２，２ａ，２ｂ 第１の導電板
３ 第２の導電板
４ 絶縁回路基板
５ イオンゲル
６ はんだ
７ 半導体素子
８ はんだ
９ ベース板
１０ ワイヤ
１１ 外部接続端子
１２ ケース
１３ 蓋
１４ 封止材
１００ 半導体モジュール
２００ 絶縁耐圧評価サンプル
Ａ，Ｂ 絶縁基板１の第１主面と第１の導電板２の側面との交差部
Ａ’ 絶縁基板１の第２主面と第２の導電板３の側面との交差部

Claims (5)

  1. 絶縁基板、前記絶縁基板の第１の主面上にあって前記絶縁基板の外縁よりも内側に配置された第１の導電板、前記第１の主面に対向する前記絶縁基板の第２の主面上にあって前記絶縁基板の外縁よりも内側に配置された第２の導電板を有する、絶縁回路基板と、
    前記絶縁基板の第１の主面と前記第１の導電板の側面との交差部を被覆するイオン液体を含むイオンゲルと、
    前記第１の導電板に接合される半導体素子と、
    前記絶縁回路基板、前記イオンゲル、及び前記半導体素子を被覆する封止材と、
    を備え、
    前記イオンゲルは、有機カチオンと有機アニオン、もしくは有機カチオンと無機アニオンの組み合わせによって構成される、常温溶融塩のイオン液体を含む、高分子樹脂のゲル材料からなり、
    前記イオンゲルには、該イオンゲルの単位面積あたりの静電容量が、１μＦ／ｃｍ 2 以上、２０μＦ／ｃｍ 2 以下となるように、前記イオン液体が配合されていることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記イオン液体は、イミダゾリウム系カチオンを含む、請求項１記載の半導体モジュール。
  3. 絶縁基板、前記絶縁基板の第１の主面上にあって前記絶縁基板の外縁よりも内側に配置された第１の導電板、前記第１の主面に対向する前記絶縁基板の第２の主面上にあって前記絶縁基板の外縁よりも内側に配置された第２の導電板を有する半導体モジュールの製造方法において、
    前記絶縁基板の第１の主面と前記第１の導電板の側面との交差部に、イオン液体を含むイオンゲルの前駆材料を塗布するイオンゲル塗布工程と、
    前記イオンゲルの前駆材料を固化させるイオンゲル固化工程と、
    前記第１の導電板に半導体素子を接合する半導体素子接合工程と、
    前記絶縁回路基板、前記イオンゲル、及び前記半導体素子を封止材によって被覆する封止材被覆工程と、
    を備え、
    前記イオンゲルは、有機カチオンと有機アニオン、もしくは有機カチオンと無機アニオンの組み合わせによって構成される、常温溶融塩のイオン液体を含む、高分子樹脂のゲル材料からなり、
    前記イオンゲルには、該イオンゲルの単位面積あたりの静電容量が、１μＦ／ｃｍ 2 以上、２０μＦ／ｃｍ 2 以下となるように、前記イオン液体が配合されることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  4. 前記イオン液体は、イミダゾリウム系カチオンを含む、請求項３記載の半導体モジュール。
  5. 前記塗布工程において、イオン液体を含むイオンゲルの前駆材料をインクジェット法又はディスペンス法によって塗布する請求項３又は４記載の半導体モジュールの製造方法。
JP2015146103A 2015-07-23 2015-07-23 半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法 Active JP6540324B2 (ja)

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