JPH10270609A - パワー半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

パワー半導体装置及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコーン樹脂の亀裂や界面剥離の発生を防
止し、信頼性の高いパワー半導体装置及びその製造方法
を提供する。 【解決手段】 ベース板１上に絶縁基板２を介して接合
されたパワー半導体素子３、及びパワー半導体素子と間
隔を隔てて設けられた制御基板５をケース２３内に収容
し、前記パワー半導体素子及び制御基板をシリコーン樹
脂層で封止するパワー半導体装置において、前記シリコ
ーン樹脂層が、前記制御基板のパワー半導体素子側端面
または前記制御基板と前記パワー半導体素子との間を界
面２８として前記パワー半導体素子側の第１のシリコー
ン樹脂層９１と前記制御基板側の第２のシリコーン樹脂
層９２との２層に分かれている。また、前記制御基板は
前記ベース板またはケースに弾性的に支持されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に係り、特にケースの内部で樹脂封止された
パワー半導体素子を備えるパワー半導体装置（以下、パ
ワーモジュールと称す）及びその製造方法に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】図１４（ａ）は例えば刊行物（「トラン
ジスタ技術ＳＰＥＣＩＡＬ」Ｎｏ．５４（特集パワー・
エレクトロニクス入門）、ＣＱ出版社、１９９６，Ｐ．
９４）に記載された従来のパワーモジュールを示す側面
断面図であり、パワーモジュールの長手方向に平行で、
かつベース板に対して直角に、パワーモジュールをほぼ
２等分に分割する断面で切断されている。図１４（ｂ）
はパワー半導体素子３を中心とする、絶縁基板およびそ
の周辺部分を拡大して示す側面断面図である。図におい
て、１は放熱のための金属製ベース板、２はベース板１
上に固定されたセラミックからなる絶縁基板であり、両
面に金属パターン２ａが接合されている。３は金属パタ
ーン２ａ上に接合されたパワー半導体素子、３ａはパワ
ー半導体素子の電極であり、図１４（ｂ）ではパワー半
導体素子３から突出して形成されている外付けの場合を
示しているが、パワー半導体素子３に埋め込まれている
場合もある。３ｂはパワー半導体素子３を絶縁基板２上
の金属パターン２ａに接合する接合層、４はパワー半導
体素子３間を結線するアルミワイヤー、５はパワー半導
体素子３の制御用半導体素子５ａを搭載する制御基板、
６は制御基板５をパワー半導体素子３の上方にこれと間
隔を隔てて固定し、かつ、パワー半導体素子３と結線す
るための中継端子、７は電極取り出し用端子８とパワー
半導体素子３とを結線する電極、８はケース２３上部に
取り付けられた電極取り出し用端子、９はパワー半導体
素子３及び制御基板５を覆って封止するシリコーン樹脂
層、１０はケース２３の上部を封止し、外部と遮断する
エポキシ樹脂層、１１はエポキシ樹脂層１０とシリコー
ン樹脂層９の間の気層、１５はケース２３上部の開口部
に接着される蓋、２３はベース板１に固定されるケース
である。
【０００３】次にその製造方法について説明する。セラ
ミックからなる絶縁基板２の両面に、銅等を材質とする
金属板をろう付けし、エッチングにより金属パターン２
ａを形成後、金属パターン表面にニッケルメッキを行
う。この絶縁基板２を放熱のために金属製ベース板１上
に半田リフローで固定する。次に、両面に電極３ａが形
成されたパワー半導体素子３を絶縁基板２の金属パター
ン２ａ上に半田接合する。次に、金属パターン２ａ及び
パワー半導体素子３にアルミワイヤー４をボンディング
し、金属パターン２ａ間、パワー半導体素子３間、及び
金属パターン２ａとパワー半導体素子３との間を結線す
る。ケース２３に電極取り出し用端子８、電極７、及び
あらかじめ中継端子６を取り付けた制御基板５を取り付
ける。次に、電極７と中継端子６に半田ペーストを付け
た状態で、ケース２３をベース板１にシリコーン接着剤
で接着し、電極７と中継端子６を半田ペーストを挟んで
金属パターン２ａに接触させる。続いて、パワーモジュ
ール全体を約１７０℃に加熱して前記半田ペーストを溶
かし、電極７と中継端子６を金属パターン２ａに半田付
けする。次に、約０．１Torrに減圧した状態で、ケース
２３の上面に設けた開口部からシリコーン樹脂９を制御
基板５より上まで注入後、約０．１Torrのまま１時間脱
泡する。その後、１２５℃を１時間保持してシリコーン
樹脂９を硬化させる。次に、常圧で、ケース２３の上面
に設けた開口部からエポキシ樹脂１０を注入し、１２５
℃を３時間保持して硬化する。シリコーン樹脂９の線膨
張係数がエポキシ樹脂１０のそれより大きいため、エポ
キシ樹脂１０の硬化後、温度が室温に戻る際に気層１１
ができる。次に、開口部に蓋１５をシリコーン接着剤で
接着しケース２３を密閉する。
【０００４】次にその作用について説明する。パワーモ
ジュールの作動中は、パワー半導体素子３や絶縁基板２
上の金属パターン２ａには最大３kV以上の高電圧が印加
されるが、従来のパワーモジュールは、シリコーン樹脂
９でパワー半導体素子３や絶縁基板２を封止することに
より、短い沿面長で沿面絶縁耐圧を確保している。ま
た、熱伝導性の高い窒化アルミニウムなどのセラミック
を絶縁基板２の材料として使うことにより、パワー半導
体素子３からの発熱を、効率的に金属ベース板１へと放
熱する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来のパワーモジュー
ルで封止材として使用していたシリコーン樹脂９は、線
膨張係数が9.6×10-4/℃であるのに対し、絶縁基板２は
4.5×10-6/℃、パワー半導体素子３は4.2×10-6/℃であ
り、シリコーン樹脂９の線膨張係数の方が絶縁基板２や
パワー半導体素子３の１００倍以上である。このため、
パワーモジュールの運転に伴うヒートサイクルによっ
て、絶縁基板２やパワー半導体素子３とシリコーン樹脂
９との界面での剥離やシリコーン樹脂９の亀裂破壊が生
じるという問題点があった。なお、ヒートサイクルの条
件は、例えば−４０℃から１２５℃である。また、前記
のように制御基板５がパワー半導体素子３の上方に固定
されているため、ヒートサイクルに伴ってシリコーン樹
脂９が膨張または収縮する際に制御基板５がシリコーン
樹脂９の変形の障害となり、界面剥離がいっそう生じや
すく、さらに制御基板５の端部から亀裂が進展するとい
う欠点があった。界面剥離が生じた部位に高電圧が印加
されると、部分放電（微少放電）が生じ、放電に起因す
るノイズにより半導体素子が誤動作し、さらには絶縁破
壊に至るという問題があった。
【０００６】本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、シリコーン樹脂の亀裂や界面剥離
の発生を防止し、信頼性の高いパワー半導体装置及びそ
の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】第１の発明に係るパワー
モジュールは、ベース板上に絶縁基板を介して接合され
たパワー半導体素子、及び該パワー半導体素子と間隔を
隔てて設けられた制御基板をケース内に収容し、前記パ
ワー半導体素子及び制御基板をシリコーン樹脂層で封止
するパワー半導体装置において、前記シリコーン樹脂層
が、前記制御基板のパワー半導体素子側端面または前記
制御基板と前記パワー半導体素子との間を界面として前
記パワー半導体素子側の第１のシリコーン樹脂層と前記
制御基板側の第２のシリコーン樹脂層との２層に分かれ
ているものである。
【０００８】第２の発明に係るパワーモジュールは、ベ
ース板上に絶縁基板を介して接合されたパワー半導体素
子、及び該パワー半導体素子と間隔を隔てた位置で前記
ベース板とほぼ平行な部分を有し、前記パワー半導体素
子と電極取り出し用端子とを電気的に接続する電極をケ
ース内に収容し、前記パワー半導体素子及び前記電極の
平行部分をシリコーン樹脂層で封止するパワー半導体装
置において、前記シリコーン樹脂層が、前記電極の平行
部分のパワー半導体素子側端面または前記パワー半導体
素子と前記電極の平行部分との間を界面として前記パワ
ー半導体素子側の第１のシリコーン樹脂層と前記電極の
平行部分側の第２のシリコーン樹脂層との２層に分かれ
ているものである。
【０００９】第３の発明に係るパワーモジュールは、第
１のシリコーン樹脂層の方が第２のシリコーン樹脂層よ
り硬化温度の高いシリコーン樹脂で形成されているもの
である。
【００１０】第４の発明に係るパワーモジュールは、第
１のシリコーン樹脂層として硬化温度が運転に伴うヒー
トサイクルの最高温度近傍であるシリコーン樹脂を用
い、第２のシリコーン樹脂層として硬化温度がヒートサ
イクルの中間温度近傍であるシリコーン樹脂を用いたも
のである。
【００１１】第５の発明に係るパワーモジュールは、第
１のシリコーン樹脂層の方が第２のシリコーン樹脂層よ
り体膨張係数の小さいシリコーン樹脂で形成されている
ものである。
【００１２】第６の発明に係るパワーモジュールは、第
２のシリコーン樹脂層には気泡が分散されているもので
ある。
【００１３】第７の発明に係るパワーモジュールは、第
１と第２のシリコーン樹脂層の間に中間層を設けたもの
である。
【００１４】第８の発明に係るパワーモジュールは、中
間層は液体層を有するものである。
【００１５】第９の発明に係るパワーモジュールは、液
体としてフッ素系不活性液体、合成絶縁油、または鉱油
を用いたものである。
【００１６】第１０の発明に係るパワーモジュールは、
中間層は固体層を有するものである。
【００１７】第１１の発明に係るパワーモジュールは、
固体としてフッ素系化合物を用いたものである。
【００１８】第１２の発明に係るパワーモジュールは、
中間層はシリコーン樹脂中に中空充填材が分散した中空
充填材層を有するものである。
【００１９】第１３の発明に係るパワーモジュールは、
第１または第２のシリコーン樹脂層のうちの少なくとも
一方には、そのシリコーン樹脂よりも線膨張係数の小さ
い充填材が分散されているものである。
【００２０】第１４の発明に係るパワーモジュールの製
造方法は、ベース板上に絶縁基板を介して接合されたパ
ワー半導体素子、及び該パワー半導体素子の上方にこれ
と間隔を隔てて設けられた制御基板をケース内に収容
し、前記パワー半導体素子と制御基板をシリコーン樹脂
層で封止するパワー半導体装置の製造方法において、前
記制御基板の下端面または前記制御基板と前記パワー半
導体素子との間の高さまでシリコーン樹脂を注入し硬化
して第１のシリコーン樹脂層を形成する第１工程、該第
１のシリコーン樹脂層の上に前記制御基板の上までシリ
コーン樹脂を注入し硬化して第２のシリコーン樹脂層を
形成する第２工程を順に施すものである。
【００２１】第１５の発明に係るパワーモジュールの製
造方法は、第２工程において、予め攪拌して空気を混入
させたシリコーン樹脂を注入し硬化して気泡が分散した
第２のシリコーン樹脂層を形成するものである。
【００２２】第１６の発明に係るパワーモジュールの製
造方法は、第１工程において、シリコーン樹脂に該シリ
コーン樹脂より比重の小さい中空充填材を混入させたも
のを注入し硬化して、下部に第１のシリコーン樹脂層
を、上部にシリコーン樹脂中に中空充填材が分散した中
空充填材層をそれぞれ形成するものである。
【００２３】第１７の発明に係るパワーモジュールは、
ベース板上に絶縁基板を介して接合されたパワー半導体
素子、及び該パワー半導体素子と間隔を隔てて設けられ
た制御基板をケース内に収容し、前記パワー半導体素子
と制御基板をシリコーン樹脂層で封止するパワー半導体
装置において、前記制御基板は前記ベース板またはケー
スに弾性的に支持されているものである。
【００２４】第１８の発明に係るパワーモジュールは、
ベース板またはケースに固定された棚を備え、制御基板
は該棚に弾性体を介して固定されているものである。
【００２５】第１９の発明に係るパワーモジュールは、
ベース板またはケースに固定された弾性支持部材を備
え、制御基板は該弾性支持部材に固定されているもので
ある。
【００２６】第２０の発明に係るパワーモジュールは、
ベース板上に絶縁基板を介して接合されたパワー半導体
素子、及び該パワー半導体素子と間隔を隔てて設けられ
た制御基板をケース内に収容するパワー半導体装置にお
いて、前記パワー半導体素子をシリコーン樹脂層で封止
し、前記制御基板を気泡が分散された樹脂発泡体層で封
止したものである。
【００２７】第２１の発明に係るパワーモジュールは、
ベース板上に絶縁基板を介して接合されたパワー半導体
素子、及び該パワー半導体素子と間隔を隔てて設けられ
た制御基板をケース内に収容するパワー半導体装置にお
いて、前記パワー半導体素子を絶縁性樹脂中に導電性充
填材が分散した半導電性保護層で封止し、前記制御基板
をシリコーン樹脂層で封止したものである。
【００２８】第２２の発明に係るパワーモジュールは、
導電性充填材としてシリコンカーバイドを用いたもので
ある。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、図を参照しつつ、本発明の
実施の形態について詳しく説明する。ここで扱うシリコ
ーン樹脂は、ポリシロキサン構造を主鎖に持ち、ヒドロ
シリル化反応または脱水、脱アルコール、脱酢酸、脱オ
キシム、脱アミド、脱アミノキシ、脱アセトンなどによ
る縮合反応により架橋される熱硬化性の樹脂をさす。そ
の主な性質を下表に示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】特に、以下の実施の形態で具体的一例とし
て用いられるシリコーン樹脂Ａ、Ｂ、Ｃの主な性質を下
表に示す。なお、シリコーン樹脂Ａ、Ｂ、及びＣはそれ
ぞれ東レ・ダウコーニング・シリコーン（株）製の商品
名ＣＹ５２−２８４、ＳＥ１８８６Ａ／Ｂ、及びＳＥ１
８８５Ａ／Ｂであり、これらのシリコーン樹脂は耐寒性
及び難燃性の点でも優れている。
【００３２】
【表２】
【００３３】実施の形態１．図１は本発明の実施の形態
１によるパワーモジュールの構成を示す側面断面図であ
り、パワーモジュールの長手方向に平行でかつベース板
に対して直角に、パワーモジュールをほぼ２等分に分割
する断面で切断されている。図において、１は放熱のた
めの金属製ベース板、２はベース板１上に固定された絶
縁基板で、窒化シリコンまたはアルミナなどのセラミッ
クからなる。絶縁基板２にはその両面に金属パターン２
ａが接合されている。３は金属パターン２ａ上に接合さ
れたパワー半導体素子、４はパワー半導体素子３間、金
属パターン２ａ間、及びパワー半導体素子３と金属パタ
ーン２ａとの間を結線するアルミワイヤー、５はパワー
半導体素子３の駆動回路や保護回路を形成する制御用半
導体素子５ａを搭載する制御基板、６は制御基板５をパ
ワー半導体素子３の上方にこれと間隔を隔てて固定し、
かつ、パワー半導体素子３と結線するための中継端子、
７は電極取り出し用端子８とパワー半導体素子３とを電
気的に接続する電極、８はケース２３に取り付けられた
電極取り出し用端子、９１は制御基板５より下部を封止
するパワー半導体素子３側の第１のシリコーン樹脂層、
９２は制御基板５の上部を封止する制御基板５側の第２
のシリコーン樹脂層であり、第１のシリコーン樹脂層９
１は第２のシリコーン樹脂層９２より硬化温度の高いシ
リコーン樹脂で形成されている。１０はケース２３内部
の電極取り出し用端子８側を封止し外部と遮断する硬質
樹脂からなる封止層、１１は第２のシリコーン樹脂層９
２と硬質樹脂封止層１０との間に形成された気層、１５
はケース２３上部の開口部に接着する蓋である。２３は
ケースであり、直方体の箱体状に形成されており、か
つ、電極取り出し用端子８、電極７、制御基板５が取り
付けられ、ベース板１に接着されて一体となるように形
成されている。２８は第１のシリコーン樹脂層９１と第
２のシリコーン樹脂層９２との界面であり、この図では
制御基板５の下端面すなわちパワー半導体素子３側の端
面が界面２８となっている。
【００３４】シリコーン樹脂に求められる条件は、
（１）電気的絶縁体で、絶縁耐圧が１５ｋＶ／ｍｍ程度
以上である、（２）ヒートサイクルの温度範囲で化学変
化せず安定である、（３）硬化条件がパワー半導体素子
３等に有害な影響を与えず、かつ作業性が良い、（４）
ケース２３内に収容されている部品と接着性が良い、等
である。上記条件（３）から硬化温度の値としては、−
４０℃〜１２５℃が望ましい。具体的には、前記シリコ
ーン樹脂Ａ〜Ｃを挙げることができる。シリコーン樹脂
Ａ〜Ｃを使う利点は、絶縁特性が高く、かつ、耐寒性及
び難燃性に優れているため結晶化点が極めて低く、ゲル
としての特性を一般のゲルよりも約４０℃も低い−８０
℃程度まで保持し、また、パワー半導体素子３等で異常
発熱が生じても火炎を発することがないことである。
【００３５】硬質樹脂封止層１０は、ケース２３の上部
を封止すると共に、電極取り出し用端子８を固定するた
めに用いられる。従って、封止層１０を形成する硬質樹
脂に求められる条件は、（１）ケース２３内部に収容さ
れる軟質樹脂などと化学変化を生じることがない、
（２）硬化条件がパワー半導体素子３等に有害な影響を
与えない、（３）ケース２３内に収容されているパワー
半導体素子３や電極７などの部品に対する熱応力が小さ
い、（４）ケース２３内に収容されている部品と接着性
が良い、等である。具体的には、エポキシ樹脂または充
填材を含むエポキシ樹脂（以下、単にエポキシ樹脂とい
う）を挙げることができる。このようなエポキシ樹脂を
用いることの利点はケース２３との接着力が強いことで
ある。
【００３６】次にその製造方法について説明する。セラ
ミックからなる絶縁基板２の両面に、銅等を材質とする
金属板をろう付けし、エッチングにより金属パターン２
ａを形成後、金属パターン２ａ表面にニッケルメッキを
行う。この絶縁基板２を金属製ベース板１上に半田リフ
ローで固定する。次に、絶縁基板２の金属パターン２ａ
上にパワー半導体素子３を半田接合する。次に、金属パ
ターン２ａ及びパワー半導体素子３にアルミワイヤー４
をボンディングし、金属パターン２ａ間、パワー半導体
素子３間、及び金属パターン２ａとパワー半導体素子３
との間を結線する。ケース２３に電極取り出し用端子
８、電極７及び、あらかじめ中継端子６を取り付けた制
御基板５を取り付ける。次に、電極７と中継端子６に半
田ペーストを付けた状態で、ケース２３をベース板１に
シリコーン接着剤で接着し、電極７と中継端子６を半田
ペーストを挟んで金属パターン２ａに接触させる。続い
て、パワーモジュール全体を約１７０℃に加熱して、前
記半田ペーストを溶かし、電極７と中継端子６を金属パ
ターン２ａに半田付けする。
【００３７】次に、約０．１Torrに減圧した状態で、ケ
ース２３上部の開口部から前記シリコーン樹脂Ａ９１を
制御基板５の下端面まで注入後、約０．１Torrのまま１
時間脱泡する。その後、１２５℃を１時間保持してシリ
コーン樹脂Ａ９１を硬化させる。次に、約０．１Torrに
減圧した状態で、シリコーン樹脂Ｃ９２を制御基板５の
上部に注入し、約０．１Torrで１時間脱泡の後、７０℃
を１時間保持して硬化させる。次に、常圧で、ケース２
３上部の開口部からエポキシ樹脂を注入した後、１２５
℃を３時間保持して硬化しエポキシ樹脂からなる封止層
１０を形成する。次に、開口部に蓋１５をシリコーン接
着剤で接着しケース２３を密閉する。
【００３８】次にその効果について説明する。従来のパ
ワーモジュールでは、シリコーン樹脂９を絶縁基板２、
パワー半導体素子３、及び制御基板５が浸る高さまで注
入して硬化したが、本実施の形態では、制御基板５の上
下を２層に分けて第１、第２のシリコーン樹脂層９１、
９２で封止したため、１層当たりのシリコーン樹脂の量
が減り、ヒートサイクルの際に、各層の重心に向かう膨
張収縮の応力が界面で逆向きになり打ち消し合うため、
応力緩和が図られる。また、第１のシリコーン樹脂層９
１の方が第２のシリコーン樹脂層９２より硬化温度の高
いシリコーン樹脂で形成されているので、ヒートサイク
ルの最高温度（１２５℃）で、第１のシリコーン樹脂層
９１の体積膨張が減少し制御基板５端部での応力緩和が
図られ、亀裂が防止される。さらに、第２のシリコーン
樹脂層９２の硬化温度を第１のシリコーン樹脂層９１の
それより低くしたため、ヒートサイクルの最高温度（１
２５℃）において、第２のシリコーン樹脂層９２の膨張
の応力の方が大きくなり、第１のシリコーン樹脂層９１
の膨張を抑える働きがある。また、第１のシリコーン樹
脂層９１の硬化温度を１２５℃としたため、ヒートサイ
クルの温度範囲（最高が１２５℃）では制御基板５より
上まで膨張することがなく、制御基板５端部での亀裂は
生じない。さらに、本実施の形態のように、第２のシリ
コーン樹脂層９２の硬化温度を７０℃とすると、ヒート
サイクルの温度範囲の中心に近くなるため、１２５℃
（最高温度）〜−４０℃（最低温度）での制御基板５端
部での応力が小さくなり、亀裂を防止できるという効果
がある。
【００３９】なお、上記実施の形態において、図２に示
すように、第１、第２のシリコーン樹脂層９１、９２の
界面２８を制御基板５の下端面より下に設けても、同様
に応力緩和を図ることができる。さらに、制御基板５の
端部で第２のシリコーン樹脂９２に亀裂が生じても、第
１のシリコーン樹脂層９１まで進展しないため、絶縁基
板２やパワー半導体素子３には影響が及ばないという効
果がある。
【００４０】また、上記実施の形態では、制御基板５が
ベース板１に平行に配置された横置きの場合に２層のシ
リコーン樹脂層９１、９２で封止する場合を示したが、
図３に示すように、制御基板５がベース板１に垂直に配
置される縦置きの場合は、制御基板５の下端面を界面２
８としてシリコーン樹脂を２層９１、９２に封止すると
よく、制御基板５と中継端子６の接合部には第２のシリ
コーン層９２の力しかかからないので、応力緩和を図る
ことができる。さらに、第１、第２のシリコーン樹脂層
９１、９２の界面２８を制御基板５の下端面より下に設
けても、同様に応力緩和を図ることができる。
【００４１】なお、上記実施の形態では第１のシリコー
ン樹脂層９１として硬化温度が１２５℃であるシリコー
ン樹脂Ａを用い、第２のシリコーン樹脂層９２として硬
化温度が７０℃であるシリコーン樹脂Ｃを用いた場合に
ついて説明したが、第１のシリコーン樹脂層９１として
硬化温度が１２５℃であるシリコーン樹脂Ｂを用いても
よく、同様の効果が得られる。さらに、これに限るもの
ではなく、同一のシリコーン樹脂を用いた場合にも、２
層に分けたことにより１層当たりのシリコーン樹脂の量
が減り、ヒートサイクルの際に、各層の重心に向かう膨
張収縮の応力が界面で逆向きになり打ち消し合うため、
応力緩和が図られる。
【００４２】実施の形態２．図４は本発明の実施の形態
２によるパワーモジュールの構成を示す側面断面図であ
る。上記実施の形態１では、パワー半導体素子３と間隔
を隔てて設けられた制御基板５をケース２３内に収容し
たパワーモジュールについて説明したが、本実施の形態
では制御基板５をケース２３の外部に設置する、また
は、ケース２３の内部に収容するがシリコーン樹脂で封
止しないパワーモジュールに関するものであり、さら
に、半導体素子３と電極取り出し用端子８とを電気的に
接続する電極７は、パワー半導体素子３と間隔を隔てた
位置でベース板１とほぼ平行な部分７ａを有している。
実施の形態１では、第１、第２のシリコーン樹脂層９
１、９２の界面２８を制御基板５の下端面または制御基
板５とパワー半導体素子３との間に設けたが、本実施の
形態ではヒートサイクルに伴う膨張収縮で応力歪みが集
中する、電極７のベース板１とほぼ平行な部分７ａの下
端面に樹脂層の界面２８を設けている。
【００４３】このように、ヒートサイクルに伴う膨張収
縮で応力歪みが集中する電極の平行部分７ａの下端面に
第１、第２のシリコーン樹脂層９１、９２の界面２８を
設けたので、ヒートサイクルの際に、各層の重心に向か
う膨張収縮の応力が界面で逆向きになり打ち消し合うた
め応力緩和が図られる。なお、界面２８は電極７の平行
部分７ａよりパワー半導体素子３側に設けてもよく、シ
リコーン樹脂層を２層９１、９２に分けたことにより、
１層当たりのシリコーン樹脂の量が減り、ヒートサイク
ルの際に、各層の重心に向かう膨張収縮の応力が界面で
逆向きになり打ち消し合うため、応力緩和が図られる。
さらに、平行部分７ａの近傍で亀裂が生じても第１のシ
リコーン樹脂層９１にまで進展せず、絶縁基板２やパワ
ー半導体素子３には影響が及ばない。
【００４４】実施の形態３．次に、本発明の実施の形態
３によるパワーモジュールについて説明する。全体の構
成は実施の形態１で示した図１〜３と同様である。実施
の形態１では、第１と第２のシリコーン樹脂層９１、９
２の硬化温度を変えて応力の低減を図ったが、第１のシ
リコーン樹脂層９１に第２のシリコーン樹脂層９２より
体膨張係数の小さいシリコーン樹脂を用いてもよい。
【００４５】具体的には、絶縁特性および耐寒性も考慮
して、例えば第１のシリコーン樹脂層９１としてはシリ
コーン樹脂Ｂが、第２のシリコーン樹脂層９２としては
シリコーン樹脂Ａ及びＣが望ましい。封止の手順は、第
１のシリコーン樹脂層９１として体膨張係数の小さいシ
リコーン樹脂を制御基板５の下端面以下まで注入・硬化
させた後、第２のシリコーン樹脂層９２として体膨張係
数の大きいシリコーン樹脂を注入・硬化させる。
【００４６】本実施の形態では、第１のシリコーン樹脂
層９１を体膨張係数の小さいシリコーン樹脂としたた
め、絶縁基板２やパワー半導体素子３での界面剥離が防
止される。もし、制御基板５端部にシリコーン樹脂の亀
裂破壊が生じても、２層に分けているので第１のシリコ
ーン樹脂層９１まで進展しないため、絶縁基板２やパワ
ー半導体素子３にまで影響が及ばない。
【００４７】実施の形態４．図５は本発明の実施の形態
４によるパワーモジュールの構成を示す側面断面図であ
り、図において、１３は気泡２５が分散された樹脂層で
ある樹脂発泡体層である。樹脂発泡体としては、（１）
ヒートサイクル（−４０℃〜１２５℃）で安定した層を
形成する、（２）シリコーン樹脂と化学反応を起こさな
いことである。具体的な例としては、表３の配合比によ
るウレタン樹脂発泡体や、発泡剤（商品名：ビニホール
ＡＣ、セルラー、ネオセルボン、ユニホール：共に永和
化成工業（株）製）を例えば熱硬化性樹脂や熱可塑性樹
脂に混入したものが挙げられる。
【００４８】
【表３】
【００４９】なお、熱硬化性樹脂としては、例えばウレ
タン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、フェノ
ール樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド等が挙げられ、熱
可塑性樹脂としては、例えばポリフェニレンオキシド、
ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、ポリカーボ
ネイト、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチ
レン）樹脂、ポリサルホン、ポリ塩化ビニル、ポリスチ
レン等が挙げられる。これらの樹脂発泡体は、発泡の際
に可燃ガスが生じないため、特別の処置をとることなく
組み立て過程の安全性が確保されるという利点がある。
制御基板５の下方すなわちパワー半導体素子３をシリコ
ーン樹脂層９で封止した後、樹脂発泡体を制御基板５の
上まで注入し、加熱発泡させる。本実施の形態では、制
御基板５の周囲に気泡２５を分散させたので、運転に伴
うヒートサイクルによる変位を気泡２５が吸収するため
応力緩和が図れ、亀裂や界面剥離が防止される。なお、
気泡２５が存在しても絶縁上の問題は生じない。
【００５０】実施の形態５．図６は本発明の実施の形態
５によるパワーモジュールの構成を示す側面断面図であ
る。上記実施の形態４では、樹脂発泡体を用いて気泡２
５を形成したが、あらかじめ攪拌して空気を混入させた
シリコーン樹脂を注入・硬化して気泡２５を形成しても
よい。新たな材料を用いることなく、容易に気泡２５を
形成できるという利点がある。本実施の形態では、制御
基板５の周囲の第２のシリコーン樹脂層９２に気泡が分
散されているので、運転に伴うヒートサイクルによる変
位を気泡２５が吸収するため、亀裂や界面剥離が防止さ
れる。
【００５１】実施の形態６．図７は本発明の実施の形態
６によるパワーモジュールの構成を示す側面断面図であ
る。図において、１９は絶縁性樹脂中に導電性充填材が
分散した半導電性保護層であり、絶縁基板２及びパワー
半導体素子３の周囲を半導電性保護層１９で覆って封止
している。このように構成することにより、導電性充填
材どうしが絶縁性樹脂を隔てて近接するので、電界非線
形抵抗特性を示す。このため、電界集中が生じた部位で
電流が流れ、電界緩和作用が生じる。この半導電性保護
層１９は、導電性充填材であるシリコンカーバイドとメ
チルエチルケトンを主成分とする溶剤との混合物をエポ
キシ樹脂に混入したものを、絶縁基板２及びパワー半導
体素子３の周囲を覆うように注入し硬化させて形成す
る。エポキシ樹脂を用いる利点は、絶縁基板２との密着
性が高いことである。また、シリコンカーバイドは入手
し易く、上述の電界非線形抵抗特性が優れている。本実
施の形態では、半導電性保護層１９により絶縁基板２や
パワー半導体素子３の沿面が強固となり、剥離が防止で
きる。また、電界が緩和され、部分放電が抑制される効
果がある。
【００５２】実施の形態７．図８は本発明の実施の形態
７によるパワーモジュールの構成を示す側面断面図であ
る。図において、１７は第１のシリコーン樹脂層９１の
上に形成された液体層であり、本実施の形態では、この
液体層１７と気層１１とで第１と第２のシリコーン樹脂
層９１、９２の間の中間層を構成している。液体層１７
の材質として必要な条件は、（１）電気的絶縁体で、絶
縁耐圧が空気と同程度以上（３ｋＶ／ｍｍ以上）であ
る、（２）ヒートサイクル（−４０℃〜１２５℃）で安
定した層を形成する、（３）シリコーン樹脂と化学反応
を起こさないことである。具体的な例としては、フッ素
系不活性液体（例えば商品名：フロリナートＦＣ−４
０，ＦＣ−４３，ＦＣ−７０，ＦＣ−７１：住友スリー
エム（株）製：絶縁耐圧１５ｋＶ／ｍｍ、沸点１５５〜
２５３℃）、シリコーン油（２４ｋＶ／ｍｍ、引火点３
０６℃ ）などの合成絶縁油、鉱油（２０〜３０ｋＶ／
ｍｍ、引火点１３０〜３２０℃）が挙げられる。これら
の液体は絶縁特性に優れ、かつ入手しやすいという利点
がある。
【００５３】パワー半導体素子３側を第１のシリコーン
樹脂層９１で封止した後、上記液体を注入する。次に、
第２のシリコーン樹脂層９２となるシリコーン樹脂を注
入し硬化すると、シリコーン樹脂の方が上記液体より比
重が軽いのでシリコーン樹脂層９２が液体層１７の上に
形成される。本実施の形態では、２層のシリコーン樹脂
層９１、９２の間に液体層１７を形成してシリコーン樹
脂層９１、９２を分離したため、応力緩和の効果がさら
に向上する。また、ヒートサイクルの際にシリコーン樹
脂層９１、９２が分離して気層１１が形成され、応力を
吸収する効果がある。さらに、制御基板５端部でシリコ
ーン樹脂９２に亀裂破壊が生じても、液体層１７で停止
するため、絶縁基板２やパワー半導体素子３にまで影響
が及ばない。
【００５４】実施の形態８．図９は本発明の実施の形態
８によるパワーモジュールの構成を示す側面断面図であ
る。図において、１２は第１のシリコーン樹脂層９１の
上に形成された固体層であり、本実施の形態では、この
固体層１２と気層１１とで第１と第２のシリコーン樹脂
層９１、９２の間の中間層を構成している。固体層１２
に求められる条件は、（１）シリコーン樹脂と剥離しや
すい、（２）シリコーン樹脂と化学反応しない、（３）
厚さが１ｍｍ程度であっても破れたりしないことであ
る。具体的には、フッ素系化合物、例えば、2,2,2−ト
リフルオロエチルメタクリレート、β−（パフルオロオ
クチル）エチルメタクリレート等が挙げられる。これら
のフッ素系化合物層は、離型性の点で優れている。
【００５５】パワー半導体素子３側を第１のシリコーン
樹脂層９１で封止した後、フッ素系化合物を第１のシリ
コーン樹脂層９１上に注入し１００℃で硬化させる。そ
の後、シリコーン樹脂を制御基板５の上まで注入し硬化
させて第２のシリコーン樹脂層９２を形成する。
【００５６】本実施の形態では、２層のシリコーン樹脂
層９１、９２の間に固体層１２を形成してシリコーン樹
脂層９１、９２を分離したため、応力緩和の効果がさら
に向上する。また、ヒートサイクルの際にシリコーン樹
脂層９１、９２が分離して気層が形成され、応力を吸収
する効果がある。また、制御基板５端部にシリコーン樹
脂９２の亀裂破壊が生じても、固体層１２で停止するた
め、絶縁基板２やパワー半導体素子３にまで影響が及ば
ない。さらに、固体層１２はモジュールが傾斜したり振
動が加わったりしても、液体のように低い方に移動して
偏ることがないという利点がある。
【００５７】実施の形態９．図１０は本発明の実施の形
態９によるパワーモジュールの構成を示す側面断面図で
ある。図において、２４は第１のシリコーン樹脂層９１
に用いられるシリコーン樹脂より比重の小さい中空充填
材、２６は第１のシリコーン樹脂層９１の上部に形成さ
れ、シリコーン樹脂に中空充填材２４が分散した中空充
填材層である。
【００５８】制御基板５の下方の第１のシリコーン樹脂
層９１を形成する時、シリコーン樹脂に予めこれより比
重の軽い中空充填材２４を混入させておき、比重の違い
を利用して、上部に中空充填材２４を凝集し、硬化し
て、下部に第１のシリコーン樹脂層９１を、上部にシリ
コーン樹脂中に中空充填材２４が分散した中空充填材層
２６をそれぞれ形成する。続いて、シリコーン樹脂を制
御基板５の上まで注入し硬化する。中空充填材２４が凝
集した層２６は引っ張り強さが低下するため、第２のシ
リコーン樹脂層９２の硬化収縮時に亀裂が入る。この時
に気層１１ができる場合もある。次に、エポキシ樹脂を
注入・硬化し硬質樹脂封止層１０を形成する。エポキシ
樹脂の硬化収縮時、及びヒートサイクル時に、中空充填
材層２６の亀裂がさらに進展し気層１１が形成される。
中空充填材２４に求められる条件は、（１）電気的絶縁
体で、絶縁耐圧が３ｋＶ／ｍｍ以上である、（２）シリ
コーン樹脂よりも比重が小さい、（３）シリコーン樹脂
と化学反応を起こさないことである。具体的な例として
は、ガラスバルーン、セルスターＺ（共に商品名：東海
工業（株））を挙げることができる。
【００５９】本実施の形態では、中空充填材層２６の存
在により第１、第２のシリコーン樹脂層９１、９２の間
に気層１１が形成されるので、運転に伴うヒートサイク
ルによる歪みが気層１１で吸収され、応力緩和が図られ
るため界面剥離が防止される。また、制御基板５端部の
軟質樹脂に亀裂破壊が生じても、気層１１で停止するた
め、絶縁基板２やパワー半導体素子３にまで影響が及ば
ない。
【００６０】実施の形態１０．図１１は本発明の実施の
形態１０によるパワーモジュールの構成を示す側面断面
図である。図において、１８はシリコーン樹脂よりも線
膨張係数の小さい充填材であり、この図では第１、第２
のシリコーン樹脂層９１、９２の両方に分散されてい
る。上記実施の形態３では、体膨張係数の小さいシリコ
ーン樹脂を用いて線膨張係数の低減を図ったが、シリコ
ーン樹脂に線膨張係数の小さな充填材１８を混入しても
よい。充填材１８に求められる条件は、（１）電気的絶
縁性が高く、絶縁耐圧が１５ｋＶ／ｍｍ程度である、
（２）シリコーン樹脂と化学反応を起こさないことであ
る。具体的な例としては、シリカ、アルミナ等の無機質
充填材を挙げることができる。これらは、部分放電に曝
されても侵食されにくいという利点を持つ。球状のシリ
カ（直径１０μｍ）を５０vol.％添加したシリコーン樹
脂を、第１、第２のシリコーン樹脂層９１、９２に使用
した。この結果、線膨張係数は9.6×10-4／℃から2.0×
10-4／℃に低下した。本実施の形態では、シリコーン樹
脂にこれより線膨張係数の小さな充填材１８を混入した
ので、シリコーン樹脂層の線膨張係数が絶縁基板２やパ
ワー半導体素子３や制御基板５のそれに近づくため、界
面剥離や亀裂が防止される。なお、少なくとも第１のシ
リコーン樹脂層９１が充填材を分散したものである場合
が効果的であるが、第２のシリコーン樹脂層９２のみが
充填材を分散したものであってもよい。
【００６１】実施の形態１０において充填材として以下
のものを用いても同様の効果を奏する。金属酸化物（Ｔ
ｉＯ2、ＬｉＯ2、ＺｎＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＦｅＯ、Ｓ
ｎＯ、Ｓｂ2Ｏ3）、金属窒化物（ＢＮ、ＡｌＮ）、金属
水酸化物（ＣａＯＨ、ＭｇＯＨ、Ａｌ（ＯＨ）3）、金
属有機酸塩（ＣａＣＯ3、ＭｇＣＯ3、ＺｎＣＯ3、Ｂａ
ＣＯ3、ＣａＳＯ4、ＢａＳＯ4）、金属無機酸塩（Ｃａ
ＳｉＯ3、ＣａＴｉＯ3、ＭｏＳ、Ｚｎ（ＢＯ3）2）、有
機高分子量体（ポリスチレン、ポリアクリル、ポリフェ
ノール、ポリブタジエン）。上記の材料は、入手しやす
く、容易に加工できるという利点を持つ。この中でも、
特に有機高分子量体は比重がシリコーン樹脂とほぼ同じ
であるため、シリコーンゲル層の中で均一に分布すると
いう利点を持つ。形状は、球状、粒状、板状、針状、枝
状、中空状を用いる。球状のものが最も手に入りやすい
という利点がある。
【００６２】なお、上記各実施の形態３〜１０では、ベ
ース板１と平行に配置された制御基板５をケース１内に
収容するタイプのパワーモジュールについて説明した
が、図３に示したように制御基板５がベース板１に垂直
に配置されている場合や、図４に示したように電極７に
ベース板１と平行な部分７ａを有する場合にも上記各実
施の形態３〜１０を適用でき、同様の効果が得られるの
は言うまでもない。
【００６３】実施の形態１１．図１２は本発明の実施の
形態１１によるパワーモジュールの構成を示す側面断面
図である。図において、２０はケース２３に取り付けら
れた棚、２１は両端が棚２０及び制御基板５に固定され
た弾性体、２２は制御基板５と中継端子６とを結線する
ケーブル、２７は中継端子６と一体成形しベース板１上
に固定された内壁である。上記各実施の形態では、シリ
コーン樹脂を２層とするなど軟質樹脂による封止層に工
夫をして応力緩和を図ったが、制御基板５をベース板１
またはケース２３に弾性的に支持することによって応力
緩和してもよい。
【００６４】製造方法について従来と異なる点を主に説
明する。棚２０を設けた内壁２７を中継端子６と一体成
形する。続いて、中継端子６に半田ペーストをつけた状
態で、内壁２７をベース板１にシリコーン接着剤で接着
し、中継端子６を半田ペーストを挟んで金属パターン２
ａに接触させる。続いて、全体を約１７０℃に加熱し
て、前記半田ペーストを溶かし、中継端子６を金属パタ
ーン２ａに半田付けする。次に、棚２０上に弾性体２１
を乗せ、その上に制御基板５を乗せる。ケース２３に電
極取り出し用端子８、電極７を取り付けた後、電極７に
半田ペーストをつけた状態で、ケース２３をベース板１
にシリコーン接着剤で接着し、電極７を半田ペーストを
挟んで金属パターン２ａに接触させる。続いて、パワー
モジュール全体を約１７０℃に加熱して、前記半田ペー
ストを溶かし、電極７を金属パターン２ａに半田付けす
る。次に、中継端子６と制御基板５との間を長さに裕度
を持たせたケーブル２２でケース２３の開口部から半田
付けする。次に、ケース２３内部の制御基板５を覆う高
さまでシリコーン樹脂９で封止する。さらに、エポキシ
樹脂からなる封止層１０を形成し、開口部に蓋１５を接
着してケース２３を密閉する。
【００６５】ここで、弾性体２１に必要な条件は、シリ
コーン樹脂９と反応しないことである。具体的には、シ
リコーン樹脂の塊を用いれば新たな材料が必要ないとい
う利点がある。本実施の形態では、制御基板５を棚２０
の上の弾性体２１で支持し、かつ、中継端子６と制御基
板５との間を長さに裕度を持たせたケーブル２２で結線
したので、制御基板５をシリコーン樹脂９の膨張収縮に
応じて自由に動かしてヒートサイクルによる歪みを制御
基板５が移動することによって吸収し、界面剥離や亀裂
を防止できるという効果がある。
【００６６】なお、実施の形態１１において、実施の形
態１で説明したように、制御基板５とパワー半導体素子
３との間でシリコーン樹脂を２層９１、９２に分けて封
止してもよく、１層当たりのシリコーン樹脂の量が減
り、ヒートサイクルの際に、各層９１、９２の重心に向
かう膨張収縮の応力が界面で逆向きになり打ち消し合う
ため、いっそう応力緩和の効果が大きくなる。さらに、
実施の形態３〜１０の何れかと併用してもよく、応力緩
和の効果が増大する。
【００６７】実施の形態１２．図１３は本発明の実施の
形態１２によるパワーモジュールの構成を示す側面断面
図である。図において、１４はベース板１またはケース
２３に固定された弾性支持部材であり、この例ではベー
ス板１に固定された内壁２７とベース板１との隅で硬化
させた支持用シリコーン樹脂である。製造方法は、ベー
ス板１に内壁２７を接着した後、ベース板１を斜めにし
て内壁２７の隅にシリコーン樹脂９を注入し硬化させて
シリコーン樹脂からなる弾性支持部材１４を形成する。
次に、制御基板５を前記弾性支持部材１４にのせた後、
中継端子６と制御基板５との間を長さに裕度を持たせた
ケーブル２２で結線する。本実施の形態においても上記
実施の形態１１と同様の効果が得られる。さらに、本実
施の形態では、制御基板５を内壁２７の隅で硬化させた
支持用シリコーン樹脂１４で支持したため、運転に伴う
ヒートサイクルにおいても、実施の形態１１のように棚
２０が障害となることはなく、これに起因する界面剥離
や亀裂が防止されるという効果がある。
【００６８】
【発明の効果】以上のように、第１の発明によれば、ベ
ース板上に絶縁基板を介して接合されたパワー半導体素
子、及び該パワー半導体素子と間隔を隔てて設けられた
制御基板をケース内に収容し、前記パワー半導体素子及
び制御基板をシリコーン樹脂層で封止するパワー半導体
装置において、前記シリコーン樹脂層が、前記制御基板
のパワー半導体素子側端面または前記制御基板と前記パ
ワー半導体素子との間を界面として前記パワー半導体素
子側の第１のシリコーン樹脂層と前記制御基板側の第２
のシリコーン樹脂層との２層に分かれているので、１層
当たりのシリコーン樹脂の量が減り、ヒートサイクルの
際に、各層の重心に向かう膨張収縮の応力が界面で逆向
きになり打ち消し合うため、応力緩和が図られる。さら
に、制御基板のパワー半導体素子側端面を界面とした場
合には制御基板端部で亀裂が発生し難く、界面を制御基
板のパワー半導体素子側端面よりパワー半導体素子側に
した場合には制御基板端部で亀裂が生じても第１のシリ
コーン樹脂層にまで進展せず、絶縁基板やパワー半導体
素子には影響が及ばない。
【００６９】第２の発明によれば、ベース板上に絶縁基
板を介して接合されたパワー半導体素子、及び該パワー
半導体素子と間隔を隔てた位置で前記ベース板とほぼ平
行な部分を有し、前記パワー半導体素子と電極取り出し
用端子とを電気的に接続する電極をケース内に収容し、
前記パワー半導体素子及び前記電極の平行部分をシリコ
ーン樹脂層で封止するパワー半導体装置において、前記
シリコーン樹脂層が、前記電極の平行部分のパワー半導
体素子側端面または前記電極の平行部分と前記パワー半
導体素子との間を界面として前記パワー半導体素子側の
第１のシリコーン樹脂層と前記電極の平行部分側の第２
のシリコーン樹脂層との２層に分かれているので、１層
当たりのシリコーン樹脂の量が減り、ヒートサイクルの
際に、各層の重心に向かう膨張収縮の応力が界面で逆向
きになり打ち消し合うため、応力緩和が図られる。さら
に、電極の平行部分のパワー半導体素子側端面を界面と
した場合には平行部分端部で亀裂が発生し難く、電極の
平行部分のパワー半導体素子側端面よりパワー半導体素
子側にした場合には電極の平行部分端部で亀裂が生じて
も第１のシリコーン樹脂層にまで進展せず、絶縁基板や
パワー半導体素子には影響が及ばない。
【００７０】第３の発明によれば、第１のシリコーン樹
脂層の方が第２のシリコーン樹脂層より硬化温度の高い
シリコーン樹脂で形成されているので、ヒートサイクル
の高温度で、第１のシリコーン樹脂層の体積膨張が減少
し制御基板端部での応力緩和が図られ、亀裂が防止され
る。さらに、第２のシリコーン樹脂層の硬化温度を第１
のシリコーン樹脂層のそれより低くしたため、ヒートサ
イクルの高温度において、第２のシリコーン樹脂層の膨
張の応力の方が大きくなり、第１のシリコーン樹脂層の
膨張を抑える働きがある。
【００７１】第４の発明によれば、第１のシリコーン樹
脂層として硬化温度が運転に伴うヒートサイクルの最高
温度近傍であるシリコーン樹脂を用い、第２のシリコー
ン樹脂層として硬化温度がヒートサイクルの中間温度近
傍であるシリコーン樹脂を用いたので、第１のシリコー
ン樹脂層の硬化温度を最高温度近傍としたため、ヒート
サイクルの温度範囲では制御基板より上まで膨張するこ
とがなく、制御基板端部での亀裂は生じない。さらに、
第２のシリコーン樹脂層の硬化温度を中間温度近傍とす
ると、ヒートサイクルの温度範囲での制御基板端部の応
力が小さくなり、亀裂を防止できるという効果がある。
【００７２】第５の発明によれば、第１のシリコーン樹
脂層の方が第２のシリコーン樹脂層より体膨張係数の小
さいシリコーン樹脂で形成されているので、パワー半導
体素子や絶縁基板での界面剥離が防止される。
【００７３】第６の発明によれば、第２のシリコーン樹
脂層には気泡が分散されているので、運転に伴うヒート
サイクルによる変位を気泡が吸収するため応力緩和が図
れ、亀裂や界面剥離を防止できる。
【００７４】第７の発明によれば、第１と第２のシリコ
ーン樹脂層の間に中間層を設けたので、応力緩和が図
れ、また、制御基板端部でシリコーン樹脂に亀裂破壊が
生じても、中間層で停止するため、絶縁基板やパワー半
導体素子にまで影響が及ばない。
【００７５】第８の発明によれば、中間層は液体層を有
するので、ヒートサイクルの際に第１、第２のシリコー
ン樹脂層が分離して液体層の上に気層が形成され易く、
応力を吸収する効果がある。
【００７６】第９の発明によれば、液体としてフッ素系
不活性液体、合成絶縁油、または鉱油を用いたので、入
手し易く、しかも絶縁特性に優れている。
【００７７】第１０の発明によれば、中間層は固体層を
有するので、第８の発明の効果に加えて、固体層はパワ
ー半導体装置が傾斜したり振動が加わったりしても、液
体のように低い方に移動して偏ることがないという利点
がある。
【００７８】第１１の発明によれば、固体としてフッ素
系化合物を用いたので、離型性に優れており、シリコー
ン樹脂層との間に気層ができ易い。
【００７９】第１２の発明によれば、中間層はシリコー
ン樹脂中に中空充填材が分散した中空充填材層を有する
ものであるので、中空充填材層の存在により第１、第２
のシリコーン樹脂層の間に気層が形成されるので、運転
に伴うヒートサイクルによる歪みが気層で吸収され、応
力緩和が図られるため界面剥離が防止される。また、制
御基板端部に樹脂の亀裂破壊が生じても、気層で停止す
るため、絶縁基板やパワー半導体素子にまで影響が及ば
ない。
【００８０】第１３の発明によれば、第１または第２の
シリコーン樹脂層のうちの少なくとも一方には、そのシ
リコーン樹脂よりも線膨張係数の小さい充填材が分散さ
れているので、シリコーン樹脂の線膨張係数が低下し、
界面剥離や亀裂を防止できる効果がある。
【００８１】第１４の発明によれば、ベース板上に絶縁
基板を介して接合されたパワー半導体素子、及び該パワ
ー半導体素子の上方にこれと間隔を隔てて設けられた制
御基板をケース内に収容し、前記パワー半導体素子と制
御基板をシリコーン樹脂層で封止するパワー半導体装置
の製造方法において、前記制御基板の下端面または前記
制御基板と前記パワー半導体素子との間の高さまでシリ
コーン樹脂を注入し硬化して第１のシリコーン樹脂層を
形成する第１工程、該第１のシリコーン樹脂層の上に前
記制御基板の上までシリコーン樹脂を注入し硬化して第
２のシリコーン樹脂層を形成する第２工程を順に施すの
で、シリコーン樹脂層を２層に分けることができ、１層
当たりのシリコーン樹脂の量が減り、ヒートサイクルの
際に、各層の重心に向かう膨張収縮の応力が界面で逆向
きになり打ち消し合うため、応力緩和されたパワー半導
体装置が得られる。さらに、制御基板のパワー半導体素
子側端面を界面とした場合には制御基板端部で亀裂が発
生し難く、界面を制御基板のパワー半導体素子側端面よ
りパワー半導体素子側にした場合には制御基板端部で亀
裂が生じても第１のシリコーン樹脂層にまで進展せず、
絶縁基板やパワー半導体素子には影響が及ばない。
【００８２】第１５の発明によれば、第２工程におい
て、予め攪拌して空気を混入させたシリコーン樹脂を注
入し硬化して気泡が分散した第２のシリコーン樹脂層を
形成するので、新たな材料を用いることなく、容易に気
泡を形成できる。
【００８３】第１６の発明によれば、第１工程におい
て、シリコーン樹脂に該シリコーン樹脂より比重の小さ
い中空充填材を混入させたものを注入し硬化して、下部
に第１のシリコーン樹脂層を、上部にシリコーン樹脂中
に中空充填材が分散した中空充填材層をそれぞれ形成す
るので、第１と第２のシリコーン樹脂層の間に中空充填
材層を容易に形成できる。
【００８４】第１７の発明によれば、ベース板上に絶縁
基板を介して接合されたパワー半導体素子、及び該パワ
ー半導体素子と間隔を隔てて設けられた制御基板をケー
ス内に収容し、前記パワー半導体素子と制御基板をシリ
コーン樹脂層で封止するパワー半導体装置において、前
記制御基板は前記ベース板またはケースに弾性的に支持
されているので、ヒートサイクルによる歪みを制御基板
が移動することによって吸収し、界面剥離や亀裂を防止
できるという効果がある。
【００８５】第１８の発明によれば、ベース板またはケ
ースに固定された棚を備え、制御基板は該棚に弾性体を
介して固定されているので、製造の手順をあまり増やす
ことなく、制御基板を弾性的に支持することができる。
【００８６】第１９の発明によれば、ベース板またはケ
ースに固定された弾性支持部材を備え、制御基板は該弾
性支持部材に固定されているので、第１８の発明に比べ
て、棚が障害となることはなく、これに起因する界面剥
離や亀裂が防止されるという効果がある。
【００８７】第２０の発明によれば、ベース板上に絶縁
基板を介して接合されたパワー半導体素子、及び該パワ
ー半導体素子と間隔を隔てて設けられた制御基板をケー
ス内に収容するパワー半導体装置において、前記パワー
半導体素子をシリコーン樹脂層で封止し、前記制御基板
を気泡が分散された樹脂発泡体層で封止したので、運転
に伴うヒートサイクルによる変位を気泡が吸収するため
応力緩和が図れ、亀裂や界面剥離を防止できる。
【００８８】第２１の発明によれば、ベース板上に絶縁
基板を介して接合されたパワー半導体素子、及び該パワ
ー半導体素子と間隔を隔てて設けられた制御基板をケー
ス内に収容するパワー半導体装置において、前記パワー
半導体素子を絶縁性樹脂中に導電性充填材が分散した半
導電性保護層で封止し、前記制御基板をシリコーン樹脂
層で封止したので、電界が緩和され、部分放電が抑制さ
れる効果がある。
【００８９】第２２の発明によれば、導電性充填材とし
てシリコンカーバイドを用いたので、入手し易くしかも
電界を効果的に緩和できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１によるパワーモジュー
ルの構成を示す側面断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態１によるパワーモジュー
ルの構成の他の例を示す側面断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態１によるパワーモジュー
ルの構成のさらに他の例を示す側面断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態２によるパワーモジュー
ルの構成を示す側面断面図である。
【図５】 本発明の実施の形態４によるパワーモジュー
ルの構成を示す側面断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態５によるパワーモジュー
ルの構成を示す側面断面図である。
【図７】 本発明の実施の形態６によるパワーモジュー
ルの構成を示す側面断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態７によるパワーモジュー
ルの構成を示す側面断面図である。
【図９】 本発明の実施の形態８によるパワーモジュー
ルの構成を示す側面断面図である。
【図１０】 本発明の実施の形態９によるパワーモジュ
ールの構成を示す側面断面図である。
【図１１】 本発明の実施の形態１０によるパワーモジ
ュールの構成を示す側面断面図である。
【図１２】 本発明の実施の形態１１によるパワーモジ
ュールの構成を示す側面断面図である。
【図１３】 本発明の実施の形態１２によるパワーモジ
ュールの構成を示す側面断面図である。
【図１４】 従来例のパワーモジュールの構成を示す側
面断面図である。
【符号の説明】
１ ベース板、 ２ 絶縁基板、 ２ａ 金属パター
ン、 ３ パワー半導体素子、 ３ａ パワー半導体素
子の電極、 ３ｂ 接合層、 ４ アルミワイヤ、 ５
制御基板、 ５ａ 制御用半導体素子、 ６ 中継端
子、 ７ 電極、８ 電極取り出し用端子、 ９ シリ
コーン樹脂層、 ９１ 第１のシリコーン樹脂層、 ９
２ 第２のシリコーン樹脂層、 １０ 硬質樹脂封止
層、 １１気層、 １２ 固体層、 １３ 樹脂発泡体
層、 １４ 弾性支持部材、 １５ 蓋、 １７ 液体
層、 １８ 充填材、 １９ 半導電性保護層、 ２０
棚、 ２１ 弾性体、 ２２ ケーブル、 ２３ ケー
ス、 ２４ 中空充填材、 ２５ 気泡、 ２６ 中空
充填材層、 ２７ 内壁、 ２８ シリコーン樹脂層の
界面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平松 星紀 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 柳浦 聡 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ベース板上に絶縁基板を介して接合され
    たパワー半導体素子、及び該パワー半導体素子と間隔を
    隔てて設けられた制御基板をケース内に収容し、前記パ
    ワー半導体素子及び制御基板をシリコーン樹脂層で封止
    するパワー半導体装置において、前記シリコーン樹脂層
    が、前記制御基板のパワー半導体素子側端面または前記
    制御基板と前記パワー半導体素子との間を界面として前
    記パワー半導体素子側の第１のシリコーン樹脂層と前記
    制御基板側の第２のシリコーン樹脂層との２層に分かれ
    ていることを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 【請求項２】 ベース板上に絶縁基板を介して接合され
    たパワー半導体素子、及び該パワー半導体素子と間隔を
    隔てた位置で前記ベース板とほぼ平行な部分を有し、前
    記パワー半導体素子と電極取り出し用端子とを電気的に
    接続する電極をケース内に収容し、前記パワー半導体素
    子及び前記電極の平行部分をシリコーン樹脂層で封止す
    るパワー半導体装置において、前記シリコーン樹脂層
    が、前記電極の平行部分のパワー半導体素子側端面また
    は前記パワー半導体素子と前記電極の平行部分との間を
    界面として前記パワー半導体素子側の第１のシリコーン
    樹脂層と前記電極の平行部分側の第２のシリコーン樹脂
    層との２層に分かれていることを特徴とするパワー半導
    体装置。
  3. 【請求項３】 第１のシリコーン樹脂層の方が第２のシ
    リコーン樹脂層より硬化温度の高いシリコーン樹脂で形
    成されていることを特徴とする請求項１または２記載の
    パワー半導体装置。
  4. 【請求項４】 第１のシリコーン樹脂層として硬化温度
    が運転に伴うヒートサイクルの最高温度近傍であるシリ
    コーン樹脂を用い、第２のシリコーン樹脂層として硬化
    温度がヒートサイクルの中間温度近傍であるシリコーン
    樹脂を用いたことを特徴とする請求項３記載のパワー半
    導体装置。
  5. 【請求項５】 第１のシリコーン樹脂層の方が第２のシ
    リコーン樹脂層より体膨張係数の小さいシリコーン樹脂
    で形成されていることを特徴とする請求項１または２記
    載のパワー半導体装置。
  6. 【請求項６】 第２のシリコーン樹脂層には気泡が分散
    されていることを特徴とする請求項１または２記載のパ
    ワー半導体装置。
  7. 【請求項７】 第１と第２のシリコーン樹脂層の間に中
    間層を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の
    パワー半導体装置。
  8. 【請求項８】 中間層は液体層を有するものであること
    を特徴とする請求項７記載のパワー半導体装置。
  9. 【請求項９】 液体としてフッ素系不活性液体、合成絶
    縁油、または鉱油を用いたことを特徴とする請求項８記
    載のパワー半導体装置。
  10. 【請求項１０】 中間層は固体層を有するものであるこ
    とを特徴とする請求項７記載のパワー半導体装置。
  11. 【請求項１１】 固体としてフッ素系化合物を用いたこ
    とを特徴とする請求項１０記載のパワー半導体装置。
  12. 【請求項１２】 中間層はシリコーン樹脂中に中空充填
    材が分散した中空充填材層を有するものであることを特
    徴とする請求項７記載のパワー半導体装置。
  13. 【請求項１３】 第１または第２のシリコーン樹脂層の
    うちの少なくとも一方には、そのシリコーン樹脂よりも
    線膨張係数の小さい充填材が分散されていることを特徴
    とする請求項１または２記載のパワー半導体装置。
  14. 【請求項１４】 ベース板上に絶縁基板を介して接合さ
    れたパワー半導体素子、及び該パワー半導体素子の上方
    にこれと間隔を隔てて設けられた制御基板をケース内に
    収容し、前記パワー半導体素子と制御基板をシリコーン
    樹脂層で封止するパワー半導体装置の製造方法におい
    て、前記制御基板の下端面または前記制御基板と前記パ
    ワー半導体素子との間の高さまでシリコーン樹脂を注入
    し硬化して第１のシリコーン樹脂層を形成する第１工
    程、該第１のシリコーン樹脂層の上に前記制御基板の上
    までシリコーン樹脂を注入し硬化して第２のシリコーン
    樹脂層を形成する第２工程を順に施すことを特徴とする
    パワー半導体装置の製造方法。
  15. 【請求項１５】 第２工程において、予め攪拌して空気
    を混入させたシリコーン樹脂を注入し硬化して気泡が分
    散した第２のシリコーン樹脂層を形成することを特徴と
    する請求項１４記載のパワー半導体装置の製造方法。
  16. 【請求項１６】 第１工程において、シリコーン樹脂に
    該シリコーン樹脂より比重の小さい中空充填材を混入さ
    せたものを注入し硬化して、下部に第１のシリコーン樹
    脂層を、上部にシリコーン樹脂中に中空充填材が分散し
    た中空充填材層をそれぞれ形成することを特徴とする請
    求項１４記載のパワー半導体装置の製造方法。
  17. 【請求項１７】 ベース板上に絶縁基板を介して接合さ
    れたパワー半導体素子、及び該パワー半導体素子と間隔
    を隔てて設けられた制御基板をケース内に収容し、前記
    パワー半導体素子と制御基板をシリコーン樹脂層で封止
    するパワー半導体装置において、前記制御基板は前記ベ
    ース板またはケースに弾性的に支持されていることを特
    徴とするパワー半導体装置。
  18. 【請求項１８】 ベース板またはケースに固定された棚
    を備え、制御基板は該棚に弾性体を介して固定されてい
    ることを特徴とする請求項１７記載のパワー半導体装
    置。
  19. 【請求項１９】 ベース板またはケースに固定された弾
    性支持部材を備え、制御基板は該弾性支持部材に固定さ
    れていることを特徴とする請求項１７記載のパワー半導
    体装置。
  20. 【請求項２０】 ベース板上に絶縁基板を介して接合さ
    れたパワー半導体素子、及び該パワー半導体素子と間隔
    を隔てて設けられた制御基板をケース内に収容するパワ
    ー半導体装置において、前記パワー半導体素子をシリコ
    ーン樹脂層で封止し、前記制御基板を気泡が分散された
    樹脂発泡体層で封止したことを特徴とするパワー半導体
    装置。
  21. 【請求項２１】 ベース板上に絶縁基板を介して接合さ
    れたパワー半導体素子、及び該パワー半導体素子と間隔
    を隔てて設けられた制御基板をケース内に収容するパワ
    ー半導体装置において、前記パワー半導体素子を絶縁性
    樹脂中に導電性充填材が分散した半導電性保護層で封止
    し、前記制御基板をシリコーン樹脂層で封止したことを
    特徴とするパワー半導体装置。
  22. 【請求項２２】 導電性充填材としてシリコンカーバイ
    ドを用いたことを特徴とする請求項２１記載のパワー半
    導体装置。
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