JP6820934B2 - パワーモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、パワー半導体素子をシリコ−ンゲル、樹脂等で封止したパワーモジュールの封止構造およびパワーモジュールの製造方法に関するものである。
高電圧又は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（例えば、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、封止部材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、鉄道等、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。このケース構造と呼ばれ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部材としては、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。
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性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、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は圧縮応力になるようにすればよい。内部応力が引張応力になると気泡、剥離を拡大し、進展させる駆動力になるからである。
このシリコーンゲル中の気泡、剥離の発生を抑制することを目的に、ケース内に充填されたシリコーンゲルの上方の空間における気体を加圧された状態で密封することにより、シリコーンゲルを加圧する構成とし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）。
特開２０１３−１４９８１９号（第７頁、第２図）
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、ケース内に充填されたシリコーンゲルの上方の空間における気体を加圧された状態で密封しているため、ケースの密封度が劣化すると、封入気体の圧力が低下し、シリコーンゲルの加圧力が低下するので、絶縁性能が低下してしまうという問題点がある。また、加圧密封構造が必要となるため、モジュールサイズの大型化、生産性の悪化といった問題点がある。
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、気泡の発生および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、表面にパワー半導体素子を搭載した絶縁基板と、絶縁基板の裏面に接合されたベース板と、ベース板に固定され絶縁基板を取り囲むケースと、ケースに固定され密閉領域を形成する蓋と、密閉領域に充填され内部応力が圧縮応力に保たれる充填部材とを備えたことを特徴とするパワーモジュールである。
本発明によれば、シリコーンゲル中の気泡の発生およびシリコーンゲルと絶縁基板との剥離を抑制することができるので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
図１は実施の形態１によるパワーモジュールを示す断面構造の模式図である。 図２は実施の形態１によるパワーモジュールの製造工程を示す断面構造の模式図である。 図３は実施の形態１によるパワーモジュールの製造工程を示す断面構造の模式図である。 図４は実施の形態２によるパワーモジュールを示す断面構造の模式図である。 図５は実施の形態２によるパワーモジュールの製造工程を示す断面構造の模式図である。 図６は実施の形態２によるパワーモジュールの製造工程を示す断面構造の模式図である。 図７は実施の形態２によるパワーモジュールの製造工程を示す断面構造の模式図である。 図８は実施の形態３によるパワーモジュールを示す断面構造の模式図である。 図９は実施の形態４によるパワーモジュールを示す断面構造の模式図である。
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１００を示す断面構造の模式図である。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７、ボンディングワイヤ９、端子１０、ケース部材であるケース３、蓋材である蓋４、充填部材であるシリコーンゲル１１、ハンダ５，８を備える。
絶縁基板２は、ベース板１上にハンダ８を用いて接合されている。よって、ベース板１は絶縁基板２の裏面と接合されることになる。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、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミックス、エポキシ樹脂等による絶縁層２１の両面に銅又は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（表面）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（表面）側の金属板２３に、パワー半導体素子７がハンダ８で接合されている。絶縁基板２の表面にパワー半導体素子７が搭載されることになる。ここでは、接合材料として、ハンダを用いているが、これに限定されるものではなく、導電性の接合材である、焼結銀、焼結銅、導電性接着剤、液相拡散接合技術を用いて接合してもよい。
パワー半導体素子７は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電力制御用半導体素子、還流ダイオードなどが用いられる。パワー半導体素子７と端子１０とは、線径０．１〜０．５ｍｍのアルミニウム合金製又は銅合金製の線材であるボンディングワイヤ９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９を用いているが、ボンディングリボンでもよい。
端子１０は、銅合金製の板状電極である。端子１０は、ケース３にインサート成型又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３は、ベース板１に対して例えば、接着剤又はネジ等で固定されている。これによって、ケース３は、ベース板１に固定された絶縁基板２を取り囲むことになる。また、ケース３の材料としては、一般的にＰＰＳ（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）樹脂又は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１１がケース３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１１は、パワー半導体素子７およびボンディングワイヤ９がシリコーンゲル１１内に封入される高さまで、充填されている。シリコーンゲル１１は、硬化前は低粘度の液体であり、硬化することでゲル状になる。また、シリコーンゲル１１には、加熱硬化型と室温硬化型があるが、以下では加熱硬化型を用いて説明する。また、加熱硬化型は一液タイプが標準である。
蓋４は、例えば、接着剤又はネジ等でケース３に固定されている。これによって、ベース板１とケース３と蓋４とで密閉領域を形成することになる。また、蓋４は充填部材であるシリコーンゲル１１の上面に密着している。より具体的には、ベース板１とケース３と蓋４とで形成される密閉領域の全域を充填部材であるシリコーンゲル１１で充填することになる。
ここで、シリコーンゲル１１の内部応力は、パワーモジュール１００の使用温度範囲および使用圧力範囲において圧縮応力に保たれている。使用温度範囲としては、例えば、−４０℃から１５０℃、より厳しい用途では−５５℃から１７５℃がある。また、使用用圧力範囲としては、例えば、絶対圧で０．６気圧（４,０００ｍの高地）から１気圧が考えられる。よって、一番厳しい条件下としては、−５５℃、０．６気圧となり、この環境下でも、シリコーンゲル１１の内部応力は圧縮応力が保たれることが必要となる。
もっとも、この例よりも使用温度範囲の低温側がより高い温度であり、使用圧力範囲の低圧側がより高い圧力であるならば、シリコーンゲル１１の内部応力に求められる圧縮応力値はより低い値でも、問題は無いことになる。換言すれば、シリコーンゲル１１の内部応力値は、常に圧縮応力状態に保たれることが重要であり、応力値を一概に数値化することはできるものではない。
また、シリコーンゲル１１の内部応力が圧縮応力になるか引張応力になるかは、外気圧、シリコーンゲル１１の温度、シリコーンゲル１１の体積、シリコーンゲル１１の表面積、シリコーンゲル１１の温度（シリコーンゲル１１の硬化（キュア）温度からの温度変化量）、シリコーンゲル１１の体積膨張率に依存するものである。一般に、温度変化によるシリコーンゲルの高さ変化量ΔＬ、シリコーンゲルの表面積をＳ、シリコーンゲルの体積をＶ、シリコーンゲルの体積膨張率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。これによっても、シリコーンゲル１１の内部応力値を数値化することはできない。
図２、図３は、本実施の形態１によるパワーモジュール１００の製造工程を示す断面構造の模式図である。パワーモジュール１００は、以下の手順で製造することができる。図において、シリコーンゲル１１の上部にある下向きの太い矢印は、圧力がかかり加圧されていることを表現している。また、上下左右から中心に向かう４本の太い矢印は、シリコーンゲル１１の内部応力の状態が、圧縮応力の状態にあることを表現している。
まず、ベース板１と絶縁基板２とをハンダ５で接合する。次に、絶縁基板２の上面（表面）側の金属板２３とパワー半導体素子７とをハンダ８で接合する。このとき、ハンダ５の接合とハンダ８の接合とを同時に実施してもよい。この工程によって、絶縁基板２の表面にはパワー半導体素子７が搭載され、絶縁基板２の裏面にはベース板１が接合されることになる。
次に、接着剤又はネジ等でケース３と絶縁基板２とを固定する。この工程によって、ベース板１にケース３が固定され、ケース３で絶縁基板２を取り囲むことになる。
次に、端子１０とパワー半導体素子７との間をボンディングワイヤ９で接続する。また、パワー半導体素子７とパワー半導体素子７との間をボンディングワイヤ９で接続する。ここで、ボンディングワイヤ９で接続する工程の後に、ケース３と絶縁基板２とを固定する工程を実施してもよい。
次に、圧力容器１２の中で、ケース３とベース板１とで取り囲まれた領域に、充填部材であるシリコーンゲル１１を注入する。硬化前のシリコーンゲル１１は、低粘度の液体状物質である。
シリコーンゲル１１を注入する工程では、圧力容器１２の内部は、加圧によって大気圧よりも高い圧力下に保たれている。具体的には、圧力容器１２内の加圧力は、パワーモジュール１００の使用温度および使用圧力にも依存するが、絶対圧で２気圧以上とすることが望ましい。より具体的には、少なくとも加圧される圧力は、パワーモジュール１００の使用温度範囲および使用圧力範囲において圧縮応力に保たれる圧力になっている。圧力容器１２内で加圧された状態のまま、圧力容器１２内の温度を上昇させることで、シリコーンゲル１１を硬化させ、液状からゲル状へと変化させる。
シリコーンゲル１１は、多くの種類があるが、例えば、６０℃なら２時間、８０℃なら１時間で硬化するものがある。もし、加圧が無ければ、この硬化温度の時にシリコーンゲル１１は、内部応力が０Ｐａとなり、内部応力は硬化温度より低温側で引張応力（プラス）の状態、高温側で圧縮応力（マイナス）の状態になる。
これに対して、加圧下においては、硬化温度の時にシリコーンゲル１１の内部応力は圧縮応力となっている。シリコーンゲル１１の内部応力が圧縮応力のままで硬化したことにより、加圧を解除してもシリコーンゲル１１の内部応力が圧縮応力のままで保持される。
内部応力が圧縮応力の状態にあるシリコーンゲル１１は、圧力容器１２による加圧が解除されると、徐々にクリープ変形することで圧縮応力が緩和される。このため、クリープ変形が生じる前に、蓋４をシリコーンゲル１１の上面に密着させて、例えば、接着剤又はネジで蓋４とケース３とを固定する。この工程で、蓋４をケース３に固定することで密閉領域が形成され、この密閉領域の全域に充填部材であるシリコーンゲル１１が充填されることになる。
ここで、密閉領域の全域とは、実質的に密閉領域の全域になることをいい、作業工程の中で一部の領域にシリコーンゲル１１が充填されていない領域がある場合も含まれている。蓋４をシリコーンゲル１１の上面に密着させて固定することで、シリコーンゲル１１のクリープ変形が抑制されるため、圧縮応力が緩和しないようにすることができる。密閉領域に充填されたシリコーンゲル１１は、内部応力が圧縮状態に保たれることになる。
蓋４をシリコーンゲル１１の上面に密着させて蓋４とケース３とを固定する際に、より望ましくは加圧しながら固定することである。シリコーンゲル１１は気体ではないため、体積を圧縮するには極めて高い圧力が必要となり困難なことである。これに対して、加圧しながら蓋４とケース３とを固定することで、パワーモジュール１００の内部を弾力性のあるシリコーンゲル１１で充満させることは容易なことである。加圧しながら蓋４とケース３とを固定することにより、パワーモジュール１００内に存在する気体を外に逃がせ、残存する気体は圧縮されることで高圧な状態となるからである。
上記では、加圧下においてシリコーンゲル１１を注入したが、大気圧下においてシリコーンゲル１１を注入後に、圧力容器１２内を加圧してシリコーンゲル１１を加熱し硬化してもよい。この場合は、シリコーンゲル１１の注入工程は、圧力容器１２の内部で実施しても、圧力容器１２の外部で実施してもよい。
また、シリコーンゲル１１の注入後又は注入時に、圧力容器１２の内部を大気圧より低い圧力に減圧して保持することで、硬化前にシリコーンゲル１１内に溶け込んでいる気体を減少させることができる。その後、大気圧より高い圧力に加圧してシリコーンゲル１１を加熱し硬化すると、パワーモジュール１００の絶縁性能がより高まる。
例えば、真空ポンプを用いて１００Ｔｏｒｒ（絶対圧）で、１時間もシリコーンゲル１１を真空脱泡すれば、溶け込んでいる気体を十分に脱泡できる。その後、大気圧に戻した際に、初期段階での気体の溶け込みはあるが、気体がシリコーンゲル１１に十分に溶け込むには時間を要するため、減圧による脱泡は効果的である。
パワーモジュール１００の上限使用温度がより高い場合には、シリコーンゲル１１中に存在できる気体量が減少するため、気泡が発生しやすくなる。また、パワーモジュール１００の下限使用温度がより低い場合には、シリコーンゲル１１の熱収縮により、シリコーンゲル１１の内部応力は、圧縮応力が減少し、引張応力が増加する。また、高地環境等、パワーモジュール１００の使用圧力が低い場合にも、圧縮応力が減少し、引張応力が増加する。
そこで、パワーモジュール１００の使用温度範囲および使用圧力範囲において、シリコーンゲル１１の内部応力が圧縮応力に保たれるように、シリコーンゲル１１を硬化させるときの加圧力を設定すればよい。
パワーモジュール１００では、シリコーンゲル１１の内部応力が、パワーモジュール１００の使用温度範囲および使用圧力範囲において、圧縮応力に保たれているため、パワーモジュール１００の温度変化および圧力変化におけるシリコーンゲル１１の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡および剥離の成長を抑制することが可能となる。その結果、シリコーンゲル１１と絶縁基板２との剥離が抑制でき、パワーモジュール１００の絶縁信頼性の向上が可能となる。
以上のように、表面にパワー半導体素子を搭載した絶縁基板と、絶縁基板の裏面に接合されたベース板と、ベース板に固定され絶縁基板を取り囲むケースと、ケースに固定され密閉領域を形成する蓋と、密閉領域の全域に充填され内部応力が圧縮応力に保たれる充填部材とを備えたので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
また、充填部材は、シリコーンゲルであるので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
さらに、絶縁基板の表面にパワー半導体素子を接合する工程と、絶縁基板の裏面にベース板を接合する工程と、絶縁基板を取り囲むケースを前記ベース板に固定する工程と、ケースとベース板とで取り囲まれた領域に内部応力が圧縮応力に保たれた充填部材を充填する工程と蓋をケースに固定し密閉領域を形成する工程とを備えたので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２によるパワーモジュール２００を示す断面構造の模式図である。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７、ボンディングワイヤ９、端子１０、ケース部材であるケース３、蓋材である蓋４、第一の充填部材であるシリコーンゲル１１、ハンダ５，８、注入穴１４、第二の充填部材である膨張性樹脂１３を備える。
絶縁基板２は、ベース板１上にハンダ８を用いて接合されている。よって、ベース板１は絶縁基板２の裏面と接合されることになる。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、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミックス又はエポキシ樹脂等による絶縁層２１の両面に銅又は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（表面）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（表面）側の金属板２３に、パワー半導体素子７がハンダ８で接合されている。絶縁基板２の表面にパワー半導体素子７が搭載されることになる。ここでは、接合材料として、ハンダ８を用いているが、これに限定されるものではなく、導電性の接合材である、焼結銀、焼結銅、導電性接着剤、液相拡散接合技術を用いて接合してもよい。
パワー半導体素子７は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの電力制御用半導体素子、還流ダイオードなどが用いられる。パワー半導体素子７と端子１０とは、線径０．１〜０．５ｍｍのアルミニウム合金製又は銅合金製の線材である、ボンディングワイヤ９を介して電気的に接続されている。本実施の形態２では、ボンディングワイヤ９を用いているが、ボンディングリボンでもよい。
端子１０は、銅合金製の板状電極である。端子１０は、ケース３にインサート成型又はアウトサート成型されており、パワーモジュール２００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３は、ベース板１に対して例えば、接着剤又はネジ等で固定されている。これによって、ケース３は、ベース板１に固定された絶縁基板２を取り囲むことになる。ケース３の材料としては、一般的にＰＰＳ樹脂又はＰＢＴ樹脂が用いられる。
パワーモジュール２００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１１がケース３とベース板１とで囲まれる領域の内、パワー半導体素子７を被う領域に充填されている。より具体的には、シリコーンゲル１１は、パワー半導体素子７およびボンディングワイヤ９がシリコーンゲル１１内に封入される高さまで、少なくとも充填されている。シリコーンゲル１１は、硬化前は低粘度の液体であり、硬化することでゲル状になる。また、シリコーンゲル１１には、加熱硬化型と室温硬化型があるが、以下では加熱硬化型を用いて説明する。また、加熱硬化型は一液タイプが標準である。
蓋４は、例えば、接着剤又はネジ等でケース３に固定されている。これによって、ベース板１とケース３と蓋４とで密閉領域を形成することになる。もっとも、蓋４には後で塞がれるが、注入穴１４が形成されている。
蓋４とシリコーンゲル１１の上面とで区切られた領域には、膨張性樹脂１３が充填されている。膨張性樹脂１３としては、発泡性ウレタン樹脂を使用するとよい。発泡性ウレタン樹脂は、発泡性であるため、硬化時に体積が収縮することなく、反対に膨張する膨張性樹脂１３である。これに対して、通常のエポキシ系の樹脂は、硬化時に体積が収縮（硬化収縮）するため、収縮性樹脂は本発明での使用には適さない。
膨張性樹脂１３として、例えば、発泡性ウレタン樹脂であれば、膨張発泡後、硬化工程で発泡することで隙間を充填し、硬化したシリコーンゲル１１よりは高い硬度（剛性がシリコーンゲルより高い）を保持することになる。発泡性ウレタン樹脂のなかでも、特に、硬質発泡ウレタンと称されるものは、硬質性と発泡性とを備えたものである。発泡していても、連続気泡タイプと異なり、気泡が独立タイプであるため、硬質となっている。また、膨張性樹脂蓋４に設けられた注入穴１４は、膨張性樹脂１３によって封をされて、ベース板１とケース３と蓋４とで密閉領域を形成することになる。
ベース板１とケース３と蓋４とで形成される密閉領域の内、パワー半導体素子７を被う領域には第一の充填部材としてシリコーンゲル１１が用いられ、蓋４と接するこの密閉領域の残りの領域の全域を第二の充填部材である膨張性樹脂１３で充填することになる。換言すれば、パワー半導体素子７側がシリコーンゲル１１で、蓋４側が膨張性樹脂１３で充填されることになる。
ここで、シリコーンゲル１１の内部応力は、パワーモジュール２００の使用温度範囲および使用圧力範囲において圧縮応力に保たれている。使用温度範囲としては、例えば、−４０℃から１５０℃、より厳しい用途では−５５℃から１７５℃がある。また、使用用圧力範囲としては、例えば、絶対圧で０．６気圧（４,０００ｍの高地）から１気圧が考えられる。よって、一番厳しい条件下としては、−５５℃、０．６気圧となり、この環境下でも、シリコーンゲル１１の内部応力は圧縮応力が保たれることが必要となる。
もっとも、この例よりも使用温度範囲の低温側がより高い温度であり、使用圧力範囲の低圧側がより高い圧力であるならば、シリコーンゲル１１の内部応力に求められる圧縮応力値はより低い値でも、問題は無いことになる。換言すれば、シリコーンゲル１１の内部応力値は、常に圧縮応力状態に保たれることが重要であり、応力値を一概に数値化することはできるものではない。
また、シリコーンゲル１１の内部応力が圧縮応力になるか引張応力になるかは、外気圧、シリコーンゲル１１の温度、シリコーンゲル１１の体積、シリコーンゲル１１の表面積、シリコーンゲル１１の温度（シリコーンゲル１１の硬化（キュア）温度からの温度変化量）、シリコーンゲル１１の体積膨張率に依存するものである。一般に、温度変化によるシリコーンゲルの高さ変化量ΔＬ、シリコーンゲルの表面積をＳ、シリコーンゲルの体積をＶ、シリコーンゲルの体積膨張率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。これによっても、シリコーンゲル１１の内部応力値を数値化することはできない。
図５、図６、図７は、本実施の形態２による、パワーモジュール２００の製造工程を示す断面構造の模式図である。パワーモジュール２００は、以下の手順で製造することができる。図において、シリコーンゲル１１の上部にある下向きの太い矢印は、圧力がかかり加圧されていることを表現している。また、上下左右から中心に向かう４本の太い矢印は、シリコーンゲル１１の内部応力の状態が、圧縮応力の状態にあることを表現している。
まず、ベース板１と絶縁基板２とをハンダ５で接合する。次に、絶縁基板２の上面（表面）側の金属板２３とパワー半導体素子７とをハンダ８で接合する。このとき、ハンダ５の接合とハンダ８の接合とを同時に実施してもよい。この工程によって、絶縁基板２の表面にはパワー半導体素子７が搭載され、絶縁基板２の裏面にはベース板１が接合されることになる。
次に、接着剤又はネジ等でケース３と絶縁基板２とを固定する。この工程によって、ベース板１にケース３が固定され、ケース３で絶縁基板２を取り囲むことになる。
次に、端子１０とパワー半導体素子７との間をボンディングワイヤ９で接続する。また、パワー半導体素子７とパワー半導体素子７との間をボンディングワイヤ９で接続する。ここで、ボンディングワイヤ９で接続する工程の後に、ケース３と絶縁基板２とを固定する工程を実施してもよい。
次に、圧力容器１２の中で、ケース３とベース板１とで囲われた領域に、第一の充填部材であるシリコーンゲル１１を注入する。パワー半導体素子７、ボンディングワイヤ９等がシリコーンゲル１１に浸されるまで少なくともシリコーンゲル１１を注入する。硬化前のシリコーンゲル１１は、低粘度の液体状物質である。
シリコーンゲル１１を注入する工程では、圧力容器１２の内部は、加圧によって大気圧よりも高い圧力下に保たれている。具体的には、圧力容器１２内の加圧力は、パワーモジュール２００の使用温度および使用圧力にも依存するが、絶対圧で２気圧以上とすることが望ましい。より具体的には、少なくとも加圧される圧力は、パワーモジュール２００の使用温度範囲および使用圧力範囲において圧縮応力に保たれる圧力になっている。圧力容器１２内で加圧された状態のまま、圧力容器１２内の温度を上昇させることで、シリコーンゲル１１を硬化させ、液状からゲル状へと変化させる。
シリコーンゲル１１は、多くの種類があるが、例えば、６０℃なら２時間、８０℃なら１時間で硬化するものがある。もし、加圧が無ければ、この硬化温度の時にシリコーンゲル１１は、内部応力が０Ｐａとなり、内部応力は硬化温度より低温側で引張応力（プラス）の状態、高温側で圧縮応力（マイナス）の状態になる。
これに対して、加圧下においては、硬化温度の時にシリコーンゲル１１の内部応力は圧縮応力となっている。シリコーンゲル１１の内部応力が圧縮応力のままで硬化したことにより、加圧を解除してもシリコーンゲル１１の内部応力が圧縮応力のままで保持される。
次に、注入穴１４を設けた蓋４を接着剤又はネジ等でケース３に固定する。ベース板１とケース３と蓋４とで密閉領域を形成する前段階の工程である。
次に、注入穴１４から、第二の充填部材である膨張性樹脂１３をパワーモジュール２００の内部に注入し、硬化させる。このとき、膨張性樹脂１３は、発泡により膨張しながら、蓋４とシリコーンゲル１１の上面との間の領域を充填して硬化する。膨張性樹脂１３として、例えば、発泡性ウレタン樹脂、特に硬質発泡ウレタンであれば、膨張発泡後、硬化工程で発泡することで隙間を充填し、硬化したシリコーンゲル１１よりは高い硬度（剛性がシリコーンゲルより高い）を保持することになる。
なお、注入穴１４は、蓋４に複数設けてもよい。例えば、蓋４の左右の端となるように二箇所に注入穴１４を設け、左側の注入穴１４を上方に、右側の注入穴１４を下方にして、右側の注入穴１４から膨張性樹脂１３を注入すれば、左側の注入穴１４から気体が抜けて、蓋４とシリコーンゲル１１の上面との間の領域に膨張性樹脂１３を充填することができる。
内部応力が圧縮応力の状態にあるシリコーンゲル１１は、圧力容器１２による加圧が解除されると、徐々にクリープ変形することで圧縮応力が緩和される。このため、クリープ変形が生じる前に、シリコーンゲル１１の上面と蓋４との間隙を膨張性樹脂１３で充填する。膨張性樹脂１３による充填によって、シリコーンゲル１１のクリープ変形が抑制されるため、圧縮応力が緩和しないようにすることができる。
上記では、加圧下においてシリコーンゲル１１を注入したが、大気圧下においてシリコーンゲル１１を注入後に、圧力容器１２内を加圧してシリコーンゲル１１を加熱し硬化してもよい。この場合は、シリコーンゲル１１の注入工程は、圧力容器１２の内部で実施しても、圧力容器１２の外部で実施してもよい。
また、シリコーンゲル１１の注入後又は注入時に、圧力容器１２の内部を大気圧より低い圧力に減圧して保持することで、硬化前にシリコーンゲル１１内に溶け込んでいる気体を減少させることができる。その後、大気圧より高い圧力に加圧してシリコーンゲル１１を加熱し硬化すると、パワーモジュール２００の絶縁性能がより高まる。
例えば、真空ポンプを用いて１００Ｔｏｒｒ（絶対圧）で、１時間もシリコーンゲル１１を真空脱泡すれば、溶け込んでいる気体を十分に脱泡できる。その後、大気圧に戻した際に、初期段階での気体の溶け込みはあるが、気体がシリコーンゲル１１に十分に溶け込むには時間を要するため、減圧による脱泡は効果的である。
また、蓋４をケース３に固定する工程の後、注入穴１４よりシリコーンゲル１１を注入し、加圧下で硬化させ、その後、膨張性樹脂１３を充填してもよい。
パワーモジュール２００の上限使用温度がより高い場合には、シリコーンゲル１１中に存在できる気体量が減少するため、気泡が発生しやすくなる。また、パワーモジュール２００の下限使用温度がより低い場合には、シリコーンゲル１１の熱収縮により、シリコーンゲル１１の内部応力は、圧縮応力が減少し、引張応力が増加する。また、高地環境等、パワーモジュール２００の使用圧力が低い場合にも、圧縮応力が減少し、引張応力が増加する。
そこで、パワーモジュール２００の使用温度範囲および使用圧力範囲において、シリコーンゲル１１の内部応力が圧縮応力に保たれるように、シリコーンゲル１１を硬化させるときの加圧力を設定すればよい。
パワーモジュール２００では、シリコーンゲル１１の内部応力が、パワーモジュール２００の使用温度範囲および使用圧力範囲において、圧縮応力に保たれているため、パワーモジュール２００の温度変化および圧力変化におけるシリコーンゲル１１の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡および剥離の成長を抑制することが可能となる。その結果、シリコーンゲル１１と絶縁基板２との剥離が抑制でき、パワーモジュール２００の絶縁信頼性の向上が可能となる。
以上のように、表面にパワー半導体素子を搭載した絶縁基板と、絶縁基板の裏面に接合されたベース板と、ベース板に固定され絶縁基板を取り囲むケースと、ケースに固定され密閉領域を形成する蓋と、密閉領域の全域に充填され内部応力が圧縮応力に保たれる充填部材とを備えたので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
また、充填部材は、第一の充填部材と第二の充填部材とを有し、第一の充填部材は、シリコーンゲルで密閉領域の内、パワー半導体素子を被う領域に充填され、蓋と接する密閉領域の残りの領域の全域を第二の充填部材で充填するので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
さらに、第二の充填部材は、膨張性樹脂であるので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
また、膨張性樹脂は、発泡性ウレタン樹脂であるので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
さらに、絶縁基板の表面にパワー半導体素子を接合する工程と、絶縁基板の裏面にベース板を接合する工程と、絶縁基板を取り囲むケースを前記ベース板に固定する工程と、ケースとベース板とで取り囲まれた領域に内部応力が圧縮応力に保たれた充填部材を充填する工程と蓋をケースに固定し密閉領域を形成する工程とを備えたので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。
実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３によるパワーモジュール３００を示す断面構造の模式図である。図８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７、ボンディングワイヤ９、端子１０、ケース部材であるケース３、蓋材である蓋４、充填部材であるシリコーンゲル１１、ハンダ５，８、プリント基板１５を備える。
本実施の形態３は、実施の形態１に対して、プリント基板１５を備えたことが異なる。プリント基板１５の材料としては、例えば、ＧＦＲＰ（ガラスエポキシ樹脂）がある。また、図において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文、図面の全図において共通することである。さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。
プリント基板１５には、パワー半導体素子７の制御回路、保護回路等が実装されている。このような、制御回路および保護回路を内蔵したパワーモジュール３００は、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）と呼ばれる。当然のことながら、プリント基板１５は、パワー半導体素子７と電気的に接続している。また、プリント基板１５は、ベース板１とケース３と蓋４とで形成される密閉領域に設置されている。
以上のように構成されたパワーモジュール３００では、シリコーンゲル１１の内部応力が、パワーモジュール３００の使用温度範囲および使用圧力範囲において、圧縮応力に保たれているため、パワーモジュール３００の温度変化および圧力変化におけるシリコーンゲル１１の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡および剥離の成長を抑制することが可能となる。その結果、シリコーンゲル１１と絶縁基板２との剥離が抑制でき、パワーモジュール３００の絶縁信頼性の向上が可能となる。
また、シリコーンゲル１１の内部応力がパワーモジュール３００の使用温度範囲および使用圧力範囲において、圧縮応力に保たれており、かつ、パワーモジュール３００の内部がシリコーンゲル１１で充填されているため、パワーモジュール３００の使用時における温度変化および圧力変化によって、シリコーンゲル１１が膨張収縮できないため、プリント基板１５が反ったり変形したりすることが抑制される。これによって、パワーモジュール３００の信頼性が向上する。
以上のように、表面にパワー半導体素子を搭載した絶縁基板と、絶縁基板の裏面に接合されたベース板と、ベース板に固定され絶縁基板を取り囲むケースと、ケースに固定され密閉領域を形成する蓋と、密閉領域にパワー半導体素子と電気的に接続するプリント基板と、密閉領域の全域に充填され内部応力が圧縮応力に保たれる充填部材とを備えたので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
また、充填部材は、シリコーンゲルであるので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４によるパワーモジュール４００を示す断面構造の模式図である。図９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７、ボンディングワイヤ９、端子１０、ケース部材であるケース３、蓋材である蓋４、充填部材であるシリコーンゲル１１、ハンダ５，８、注入穴１４、膨張性樹脂１３、プリント基板１５を備える。
本実施の形態４は、実施の形態２において、プリント基板１５を備えたことが異なる。プリント基板１５の材料としては、例えば、ＧＦＲＰ（ガラスエポキシ樹脂）がある。
プリント基板１５には、パワー半導体素子７の制御回路、保護回路等が実装されている。このような、制御回路又は保護回路を内蔵したパワーモジュール３００は、ＩＰＭと呼ばれる。当然のことながら、プリント基板１５は、パワー半導体素子７と電気的に接続している。また、プリント基板１５は、ベース板１とケース３と蓋４とで形成される密閉領域に設置されている。
パワーモジュール４００では、シリコーンゲル１１の内部応力が、パワーモジュール４００の使用温度範囲および使用圧力範囲において、圧縮応力に保たれているため、パワーモジュール４００の温度変化および圧力変化におけるシリコーンゲル１１の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡および剥離の成長を抑制することが可能となる。その結果、シリコーンゲル１１と絶縁基板２との剥離が抑制でき、パワーモジュール４００の絶縁信頼性の向上が可能となる。
また、シリコーンゲル１１の内部応力がパワーモジュール４００の使用温度範囲および使用圧力範囲において、圧縮応力に保たれており、かつ、パワーモジュール４００の内部がシリコーンゲル１１と膨張性樹脂１３とで充填されているため、パワーモジュール４００の使用時における温度変化および圧力変化によって、シリコーンゲル１１と膨張性樹脂１３とが膨張収縮できないため、プリント基板１５が反ったり変形したりすることが抑制される。これによって、パワーモジュール４００の信頼性が向上する。
以上のように、表面にパワー半導体素子を搭載した絶縁基板と、絶縁基板の裏面に接合されたベース板と、ベース板に固定され絶縁基板を取り囲むケースと、ケースに固定され密閉領域を形成する蓋と、密閉領域にパワー半導体素子と電気的に接続するプリント基板と、密閉領域の全域に充填され内部応力が圧縮応力に保たれる充填部材とを備えたので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
また、充填部材は、第一の充填部材と第二の充填部材とを有し、第一の充填部材は、シリコーンゲルで密閉領域の内、パワー半導体素子を被う領域に充填され、蓋と接する密閉領域の残りの領域の全域を第二の充填部材で充填するので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
さらに、第二の充填部材は、膨張性樹脂であるので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
また、膨張性樹脂は、発泡性ウレタン樹脂であるので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
さらに、絶縁基板の表面にパワー半導体素子を接合する工程と、絶縁基板の裏面にベース板を接合する工程と、絶縁基板を取り囲むケースを前記ベース板に固定する工程と、ケースとベース板とで取り囲まれた領域に内部応力が圧縮応力に保たれた充填部材を充填する工程と蓋をケースに固定し密閉領域を形成する工程とを備えたので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
実施の形態５．
本実施の形態５は、実施の形態１において、低温下で蓋４とケース３とを固定する工程としたことが異なる。
実施の形態１では、蓋４をシリコーンゲル１１の上面に密着させて蓋４とケース３とを固定する際に、加圧しながら固定する工程としたが、本実施の形態５では、低温下で蓋４とケース３とを固定する工程とする。
シリコーンゲル１１は気体ではないため、体積を圧縮するには極めて高い圧力が必要となる。これに対して、シリコーンゲル１１の体積膨張率βは他の部材の体積膨張率と比べて非常に大きいので、低温下においてシリコーンゲル１１の体積は大きく収縮するため、極めて高い圧力を必要とすること無く、容易に蓋４とケース３とを固定することができる。これによって、容易にパワーモジュール１００の内部を弾力性のあるシリコーンゲル１１で充満させることができる。温度を常温に戻すと、蓋４によって押さえつけられるためにシリコーンゲル１１は体積膨張できないため、その内部応力は圧縮応力に保たれる。
パワーモジュール１００では、シリコーンゲル１１の内部応力が、パワーモジュール１００の使用温度範囲および使用圧力範囲において、圧縮応力に保たれているため、パワーモジュール１００の温度変化および圧力変化におけるシリコーンゲル１１の膨張、収縮に伴う応力変化による気泡および剥離の成長を抑制することが可能となる。その結果、シリコーンゲル１１と絶縁基板２との剥離が抑制でき、パワーモジュール１００の絶縁信頼性の向上が可能となる。
以上のように、表面にパワー半導体素子を搭載した絶縁基板と、絶縁基板の裏面に接合されたベース板と、ベース板に固定され絶縁基板を取り囲むケースと、ケースに固定され密閉領域を形成する蓋と、密閉領域の全域に充填され内部応力が圧縮応力に保たれる充填部材とを備えたので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
また、充填部材は、シリコーンゲルであるので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを得ることができる。
さらに、絶縁基板の表面にパワー半導体素子を接合する工程と、絶縁基板の裏面にベース板を接合する工程と、絶縁基板を取り囲むケースを前記ベース板に固定する工程と、ケースとベース板とで取り囲まれた領域に内部応力が圧縮応力に保たれた充填部材を充填する工程と蓋をケースに固定し密閉領域を形成する工程とを備えたので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。
また、低温下で蓋とケースとを固定したので、絶縁性能の信頼性が高いパワーモジュールを製造することができる。
なお、図は模式的なものであり、示された構成要素の正確な大きさなどを反映するものではない。また、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。
上述した実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上述した実施形態の範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより発明を形成してもよい。
１ ベース板、２ 絶縁基板、７ パワー半導体素子、９ ボンディングワイヤ、１０ 端子、３ ケース、４ 蓋、１１ シリコーンゲル、５，８ ハンダ、２１ 絶縁層、２２ 金属板、２３ 金属板、１２ 圧力容器、１３ 膨張性樹脂、１４ 注入穴、１５ プリント基板、１００，２００，３００，４００ パワーモジュール。

Claims (4)

  1. 表面にパワー半導体素子を搭載した絶縁基板と、
    前記絶縁基板の裏面に接合されたベース板と、
    前記ベース板に固定され前記絶縁基板を取り囲むケースと、
    前記ケースに固定され密閉領域を形成する蓋と、
    前記密閉領域の全域に充填される充填部材と
    を備え、
    前記充填部材は、第一の充填部材と第二の充填部材とを有し、前記第一の充填部材は、シリコーンゲルで前記密閉領域の内、前記パワー半導体素子を被う領域に充填され、前記蓋と接する前記密閉領域の残りの領域の全域を前記第二の充填部材で充填し、前記蓋は、前記第二の充填部材を介して前記第一の充填部材の内部応力が圧縮応力に保たれるように前記ケースに固定されることを特徴とするパワーモジュール。
  2. 請求項１に記載のパワーモジュールであって、
    前記密閉領域に前記パワー半導体素子と電気的に接続するプリント基板をさらに備えたことを特徴とするパワーモジュール。
  3. 請求項１に記載のパワーモジュールであって、
    前記第二の充填部材は、膨張性樹脂であることを特徴とするパワーモジュール。
  4. 請求項３に記載のパワーモジュールであって、
    前記膨張性樹脂は、発泡性ウレタン樹脂であることを特徴とするパワーモジュール。
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