JPWO2014128899A1 - 樹脂封止型電子制御装置 - Google Patents

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円丈 露野
円丈 露野
宝蔵寺　裕之
裕之 宝蔵寺
内藤　孝
内藤　　孝
一宗 児玉
一宗 児玉
雅徳 宮城
雅徳 宮城
拓也 青柳
拓也 青柳
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Abstract

樹脂封止型電子制御装置の耐湿性を高める。樹脂封止型電子制御装置は、半導体チップ２、チップコンデンサ３チップ抵抗４を備え、接合材５、基板６、ケース７、放熱板８、ガラス皮膜９、第一の封止材１０と、を備え、ガラス皮膜９が、半導体チップ２、チップコンデンサ３、チップ抵抗４等の素子群１及び、接合材５、基板６で形成される電子回路を直接被覆し、さらに第一の封止材１０で封止している事を特徴とする。ガラス皮膜が、水を透過しないため、素子群１周辺の吸水を防止し、吸水による半導体チップ２のリーク電流の増加や、素子群１間のマイグレーションによる絶縁抵抗の低下等の絶縁性能の低下を防止する事ができる。

Description

本発明は、半導体チップやチップ部品等の素子が搭載された基板および基板を樹脂封止した樹脂封止型電子制御装置に関する。
近年、地球温暖化防止のため、自然エネルギーを有効利用した洋上風力発電が注目されている。風力発電には、風車の回転を電力に変換するための電力変換装置やこれを制御する制御装置が必要となる。電力変換装置は、効率の高いパワー半導体のスイッチングを用いる方式が主流であり、半導体素子をゲルや樹脂で封止し絶縁保護している。洋上の雰囲気は、陸上に比べ湿度が高く、塩分を多く含んでいるため、より防湿性に優れた電力変換装置や制御装置が求められている。
また、地球温暖化防止のため、自動車には高燃費化が求められ，モータで駆動する電気自動車や、モータ駆動とエンジン駆動を組み合わせたハイブリッドカーが注目されている。自動車に用いる大容量の車載用モータはバッテリーの直流電圧では駆動や制御が困難であり、昇圧し交流制御するためパワー半導体のスイッチングを利用した電力変換装置が不可欠である。電力変換装置は、効率の高いパワー半導体のスイッチングを用いる方式が主流であり、絶縁保護と小型化を両立するため半導体素子を樹脂で封止している。
一方、パワー半導体は通電により発熱するため冷却構造が重要であり、冷却方式としては水冷方式が主流である。そのため、防水構造が必要とされる。
耐湿性に優れたモールド封止型半導体装置として、リードフレーム上に半導体素子を搭載し、外部接続用端子とワイヤでボンディングした後、半導体素子及びワイヤとその接続部の周囲を常温ガラスでモールド封止する構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−１８３０７１号公報
特許文献１に記載されたモールド封止型半導体装置では、常温ガラスを用い封止している。常温ガラスは、シラノール基の脱水縮合によりＳｉＯ2系のガラスを形成するものだが、ＳｉＯ2系ガラスは、熱膨張率が半導体素子と同等に低いため、熱伝導率の高い銅リードフレームと併用すると熱膨張差による割れが生じる問題がある。
本発明の樹脂封止型電子制御装置は、複数の素子と、複数の素子を搭載する基板と、素子を基板に電気的に接続する接合材料と、複数の素子及び基板を樹脂封止する封止材とを備え、封止材の外周又は内部に、複数の素子及び基板を包囲するガラス皮膜を備え、そのガラス皮膜は、バナジウム及びテルルを含有するガラスを溶融して形成している事を特徴とする。
本発明によれば、封止材の外周又は内部に複数の素子及び基板を包囲するガラス皮膜を形成した構造を有する。ガラス皮膜は、水を透過しないため、半導体チップやチップ部品等の素子周辺の吸水を防止し、吸水による半導体チップのリーク電流の増加や、複数の素子間のマイグレーションによる絶縁抵抗の低下等の絶縁性能の低下を防止する事ができる。
本発明の樹脂封止型電子制御装置の実施形態１の断面図 （Ａ）〜（Ｄ）は、図１（Ａ）、１（Ｂ）に図示された樹脂封止型電子制御装置の製造方法を説明するための断面図。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第一の実施形態の変形例１。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第一の実施形態の変形例２。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第一の実施形態の変形例３。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第二の実施形態の断面図。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第二の実施形態の変形例１。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第二の実施形態の変形例２。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第二の実施形態の変形例３。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第三の実施形態の断面図。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第三の実施形態の変形例１。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第三の実施形態の変形例２。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第三の実施形態の変形例３。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第四の実施形態の断面図。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第四の実施形態の変形例１。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第四の実施形態の変形例２。 本発明の樹脂封止型電子制御装置の第四の実施形態の変形例３。 比較例として樹脂封止型電子制御装置の図。 ガラス組成物のＤＴＡ測定で得られるＤＴＡカーブの一例。 本発明の樹脂封止型装置の実施例１の半導体チップ周辺の断面図。
以下、図を参照して、本発明に係る樹脂封止型電子制御装置の実施形態を説明する。
（第一の実施形態）
＜樹脂封止型電子制御装置の構造＞
図１は、本発明の樹脂封止型電子制御装置の一実施の形態の断面図を示し、図２０は半導体チップ周辺の断面図である。
樹脂封止型電子制御装置１００は、半導体チップ２、チップコンデンサ３、チップ抵抗４を備え、接合材５、基板６、ケース７、放熱板８、ガラス皮膜９、第一の封止材１０と、を備え、ガラス皮膜９が、半導体チップ２、チップコンデンサ３、チップ抵抗４等の素子群１及び、接合材５、基板６で形成される電子回路を直接被覆し、さらに第一の封止材１０で封止している事を特徴とする。ガラス皮膜９が、水を透過しないため、素子群１周辺で発生する吸水を防止し、吸水による半導体チップ２のリーク電流の増加や、素子群１を構成する各素子間のマイグレーションによる絶縁抵抗の低下等の絶縁性能の低下を防止する事ができる。また、本実施形態では単純に素子一つ一つをガラス皮膜９で覆うのではなく、連続した一つのガラス皮膜９で基板６の裏面まで被覆された構造となっている。そのため、ガラス皮膜９の接着界面の端から素子群１までの経路を長くすることができ、吸水によるリーク電流の増加防止できる。
素子群１は、電子制御に必要な部品であり、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等の半導体チップやチップ抵抗、チップコンデンサ等のチップ部品である。これらは、複数個用いる事で電気回路を形成して、制御機能を発揮できる。
接合材（１５、１６、２４）は、素子群１と基板６を電気的に接続する導電性部材である。半導体チップ２に対しては、はんだ、導電性ペースト、焼結金属、導電性ガラス等のダイボンディング材２４や、アルミワイヤ１６、アルミリボン１５、銅ワイヤ等のボンディング材を用いる事ができ、チップ部品に対してははんだ、導電性ペースト、焼結金属、導電性ガラス等を用いる事ができる。特に半導体チップ２と基板に形成された配線回路とを接合する際に、銀や銅のナノ粒子または酸化銀や酸化銅を還元して形成された焼結金属の場合には空隙が存在する。そのため、上述したガラス皮膜９を用いることによってアンカー効果が得られ、当該ガラス皮膜９の剥離が防止される。さらに、後述するバナジウム系ガラスを用いた場合には金属との拡散層を形成させることが可能であるため、より接合強度を向上させることが出来る。
基板６には、セラミックスや樹脂等の絶縁体２３と銅配線２０やアルミ配線等の導電性材料を接着したものを用いる事ができる。また、後に記載する変形例のようにリードフレーム等の金属材料単体でも用いる事ができる。
ケース７は、熱可塑性樹脂等の絶縁体を用いる事ができる。また、後に記載する変形例のように金属ケースを用いる事ができるし、トランスファーモールドのように金型を用いて成型しケースを省略する事もできる。
放熱板８は、通常、銅やアルミ等の高熱熱伝導材料を用いるが、省略する事もできる。
第一の封止材１０は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、シリコーンゲル、シアネートエステル等の熱硬化性樹脂を用いる事ができる。
ガラス皮膜９は、環境保全の観点から無鉛ガラスが望ましい。また、熱膨張率は、１２ｐｐｍ/℃以上、２５ｐｐｍ/℃以下が望ましく、１６ｐｐｍ/℃以上、２３ｐｐｍ/℃以下がより望ましい。これは、接合材（１５、１６、２４）、基板６を構成する金属材料には、熱膨張率が１６ｐｐｍ/℃付近の銅や、１９ｐｐｍ/℃付近の銀、２２ｐｐｍ/℃付近のすず、２３ｐｐｍ/℃付近のアルミ等の金属の単体又は合金又は樹脂との複合体が用いられており、これらの部材と密着したガラス皮膜９が温度変化で剥離したり割れたりするのを防止するためである。従って、上記範囲の熱膨張率のガラス皮膜９を用いた場合には、各部材とガラス皮膜９との熱膨張率の差を低減でき、剥離や割れの防止ができるため信頼性が向上する。
ガラス皮膜９の体積抵抗率は１×１０10Ωｍ以上が望ましい。これは、ガラス皮膜９が電気回路を形成する素子や基板と直接接するため、十分な絶縁性を確保するためである。
ガラス皮膜９はバナジウム系ガラスを軟化点以上に加熱し皮膜形成する事が望ましい。これは、バナジウム系ガラスは軟化点以上で銅、アルミ、すず、銀、等の金属と拡散層を形成し密着が良くなるためである。また、軟化点以上に加熱する事でガラスの格子欠陥に起因する水酸基が表面や界面に濃縮し、セラミックス等の酸化物や半導体や樹脂との密着性がよくなる。
ガラス皮膜９に用いるガラスの軟化点は３００℃以下が望ましい。これは、素子群１には、４ｐｐｍ/℃付近のＳｉ、ＳｉＣ半導体チップ、６ｐｐｍ/℃付近のＧａＮ半導体チップや６ｐｐｍ/℃付近のチップ部品を用いるため、軟化点が３００℃をこえると素子群１とガラス皮膜９の熱膨張差が大きく、ガラス皮膜９に亀裂が生じやすくなるためである。
ガラス皮膜９はバナジウム系ガラスが望ましい事を前述したが、成分を酸化物で表したときに、Ｖ2Ｏ5にさらにＴｅＯ2を含有する事が望ましい。ＴｅＯ2を加えた場合にはＶ2Ｏ5はガラスの骨格となる網目構造を形成し、ＴｅＯ2はガラスの軟化点を低温化し、またガラスの結晶化による流動性低下を抑制するためである。流動性に影響が少ないガラスの結晶化率としては１０％以下が望ましい。
結晶化抑制のためには、ＴｅＯ2はガラス皮膜９の総重量に対して１５重量％以上添加することが望ましい。さらに、結晶化を抑制するため、ＢａＯやＷＯを添加しても良い。
さらに、Ａｇ2Ｏを添加するとガラスの軟化点をより低温化し、ガラスの熱膨張率をより増加し、ニッケルめっき１８等の金属ニッケルとの密着を向上する効果がある。Ａｇ2ＯはＶ2Ｏ5の網目に組み込まれる事で金属Ａｇの析出が防止される。一方でＡｇ2Ｏの含有率が高すぎると絶縁性を確保することが難しくなる。そのため金属Ａｇの析出が防止するためにＡｇ2Ｏ含有率をＶ2Ｏ5含有率に対して０より大きくかつＶ2Ｏ5含有率の２．６倍以下にする事が望ましい。さらに、体積抵抗率を１×１０10Ωｍ以上にしてより抵抗率を上昇させるためには、Ａｇ2Ｏ含有率をＶ2Ｏ5含有率に対して０より大きく２．２倍以下にする必要がある。
ガラスの軟化点を３００℃以下とするには、ガラス皮膜９を構成しているガラスの総重量を１００質量％としたときにＡｇ2ＯとＶ2Ｏ5とＴｅＯ2との合計含有率が７５質量％以上とし、さらに網目構造を形成するＶ2Ｏ5の含有量をガラス皮膜９を構成しているガラスの総重量に対して１５重量％以上４０質量％以下にすれば良い。Ｖ2Ｏ5の添加量が４０質量％より多いと網目構造が強固となり軟化点が３００℃より高くなってしまう。一方でＶ2Ｏ5の添加量が１５重量％より少ないと、網目構造が弱くなり耐加水分解性が低下してしまうため、耐水性が低下する。そのため、Ｖ2Ｏ5の含有量をガラス皮膜９を構成しているガラスの総重量に対して１５重量％以上４０質量％以下であることが好ましい。
バナジウム系ガラスの軟化点はＶ2Ｏ5の含有量が影響を与えている。また、バナジウム系ガラスの体積低効率はＡｇ2Ｏ含有量が影響を与えている。一方でバナジウム系ガラスの熱膨張率はＡｇ2ＯとＴｅＯ2の含有量が影響を与えている。バナジウム系ガラスの熱膨張率は通常１０ｐｐｍ/℃以下であるが、Ａｇ2ＯとＴｅＯ2との合計含有率がガラス皮膜９を構成しているガラスの総重量に対して２５重量％以上、Ｖ2Ｏ5の含有量をガラス皮膜９を構成しているガラスの総重量に対して４５質量％以下にすれば熱膨張率を１２ｐｐｍ/℃以上に向上できる。このような比率にすることによってガラス皮膜９の熱膨張係数を１２ｐｐｍ/℃以上にでき、樹脂封止型電子制御装置１００を構成する金属材料との熱膨張率の差が少なくなる。そのため、ガラス皮膜９と当該ガラス皮膜９によって被覆される材料との剥離をより防止することが出来る。なお、Ａｇ2ＯとＴｅＯ2との合計含有率を多くした場合に熱膨張率が大きくなるのは、金属Ａｇや金属Ｔｅの熱膨張率がそれぞれ、約１９ｐｐｍ/℃、約１７ｐｐｍ/℃と金属Ｖの約８ｐｐｍ/℃に比べ大きいためである考えられる。
ガラス皮膜９は、防湿性を発揮するためには膜厚が１μｍ以上あれば良い。しかし、高温高湿環境ではガラス皮膜９の加水分解がゆっくりと進行するため、長期信頼性を確保するには１０μｍ以上の膜厚が望ましい。また、ガラスの使用量を低減するため膜厚は１ｍｍ以下が望ましい。
［樹脂封止型電子制御装置の製造方法］
図２（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、上記一実施の形態の樹脂封止型電子制御装置の製造方法の一例を説明する。
図２（Ａ）に図示されるように、セラミック絶縁層と銅配線２０を有する基板６に複数の半導体チップ２の裏面電極を焼結金属からなるダイボンディング材２４ａで電気的に接続する。焼結金属は、酸化銀とアルコール系溶剤からなるペーストを塗布し、半導体チップを搭載したのち、２５０℃以上に加熱して形成する。一旦形成された焼結金属は、金属の融点付近までの高い耐熱性を有する。
この後、複数のチップコンデンサ３、チップ抵抗４を導電性ペーストからなるダイボンディング材２４ｂ、２４ｃで電気的に接続する。導電性ペーストは、銀粉又は銅粉を樹脂に分散したペーストを塗布し、チップコンデンサ３、チップ抵抗４等を搭載した後、１５０℃で１時間加熱して樹脂成分を硬化させ形成する。一旦硬化した樹脂は、熱分解温度までの耐熱性を有する。
次に、半導体チップ２の上面電極をアルミワイヤ１６で基板６に電気的に接続する。なおアルミワイヤ１６は、銅配線２０に直接接続すると、脆く、腐食しやすいアルミ-銅合金が生じるため、基板の銅配線２０にはニッケルめっきを施している。
次に、平均粒径２μｍ以下の表１に示す組成のガラス粉末を沸点１５０℃以下の低沸点溶剤とこれより少量の沸点２００℃以上の高沸点溶剤を混合した混合溶剤に分散しペースト化する。そして図２（Ｂ）に示すように、当該ペーストを噴霧又は浸漬により塗布することにより、素子群１、接合材（１５、１６、２４）、及び基板６の表面にペースト９ａを形成する。塗布後、低沸点溶剤が揮発する事で濃縮化し、高沸点溶剤が残る事で粉末化を防止し、緻密な膜形成ができる効果がある。なおペースト９ａが、基板６の半導体チップ非搭載面に付着しないようにマスクしておく事が望ましい。
次に、熱風や赤外線照射でガラスの軟化点以上に加熱し、ペースト９ａを硬化させガラス皮膜９を形成させる。この時の温度プロファイルは、高沸点溶媒の沸点付近で予熱したのち、ピーク温度まで加熱する事が望ましい。なお、ピーク温度については図１９で説明する。溶剤の揮発により膜欠陥が生じるのを防止するためである。このようにして、バナジウム系ガラスを軟化点以上に加熱しガラス皮膜９を形成する事で、金属、セラミックス、半導体、樹脂との密着性に優れるガラス皮膜９を形成することができる。さらに、バナジウム系ガラスにＡｇ2Ｏを添加すると、ニッケルめっき面等の金属ニッケルに対して密着性のあるガラス皮膜９が形成できる効果がある。なお、接合材（１５、１６、２４）はガラス皮膜９と直接接するため、ガラスの軟化点以上の耐熱温度を有する必要がある。そのため、半導体チップ２と銅配線２０との接合部には焼結金属を用いるのが好ましい。
次に、図２（Ｃ）に示すように基板６の半導体チップ搭載面の裏面を、あらかじめケース７とシリコーン接着剤で接着した放熱板８に、はんだ接続する。最後に、図２（Ｄ）に示すようにシリコーンゲル又は、エポキシ樹脂からなる第一の封止材１０をケース内に注入して加熱硬化して樹脂封止型電子制御装置１００が得られる。
上記一実施の形態によれば、ガラス皮膜９は、導電性部材である素子群１、基板６の配線、接合材（１５、１６、２４）を直接被覆し、構成部材との密着性に優れるため、洋上等の塩分を含む湿気環境でも高い信頼性を有する事ができる。
（実施形態１の変形例）
図３および図４に、実施形態１に示した樹脂封止型電子制御装置１００の変形例を示す。
以下に、変形例に示す樹脂封止型電子制御装置１１０の構造および製造方法を説明する。
本変形例が実施形態１と異なる点は、変形例１の樹脂封止型電子制御装置１１０では基板６の替わりとして、リードフレーム５と放熱板８とを高熱伝導樹脂１４で接着して一体としたものを用いている点である。当該リードフレーム５、放熱板８、高熱伝導樹脂１４がそれぞれガラス皮膜９で被覆されている。当該構成にすることによって、基板６の代用品として吸湿性の高い高熱伝導性樹脂１４を用いたとしても、低コストでかつ軽量化され、さらに素子周辺の吸水を防止した樹脂封止型電子制御装置を提供することが可能となる。
また、ガラス皮膜９を形成した後、トランスファーモールドで第一の封止材１０を成型するため、本変形例ではケース７が不要となる。そのため第一の実施形態よりもより低コスト化で軽量化な樹脂封止型電子制御装置１１０を提供することが可能となる。
本変形例に示す樹脂封止型電子制御装置１１０の作成方法を以下に示す。上述したように基板６の替わりに、銅製のリードフレーム５とアルミ製の放熱板８を高熱伝導樹脂１４で接着して一体化したものを用い、複数の半導体チップ２の裏面電極を焼結金属からなるダイボンディング材２４を用いて電気的に接続する。次に、半導体チップ２の上面電極をアルミワイヤ１６でリードフレーム５に電気的に接続する。アルミワイヤ１６は、銅に直接接続すると、脆く、腐食しやすいアルミ-銅合金が生じるため、リードフレーム５にはニッケルめっきを施している。
次に、平均粒径２μｍ以下の表１に示す組成のガラス粉末を溶剤に分散しペースト化し、噴霧又は浸漬によりリードフレーム５、素子群１、高熱伝導樹脂１４、放熱板８の一部に塗布する。
次に、熱風や赤外線照射でガラスの軟化点以上に加熱し、ガラス皮膜９を形成する。このようにして、バナジウム系ガラスを軟化点以上に加熱しガラス皮膜９形成する事で、金属、セラミックス、半導体、樹脂との密着性に優れるガラス皮膜９が形成できる。
次に、第一の封止材１０をトランスファーモールドで成型し、樹脂封止型電子制御装置１１０が得られる。ガラス皮膜９は、導電性部材である素子群１、基板６の配線、接合材（１５、１６、２４）を直接被覆し、構成部材との密着性に優れるため、洋上等の塩分を含む湿気環境でも高い信頼性を有する事ができる。
なお、このとき素子群１から放熱板８の裏面まで一連のガラス皮膜９が形成されているのが好ましい。このような構成にすることによってガラス皮膜９の接着界面から素子群１までの経路を長くすることができ、吸水によるリーク電流の増加防止できるからである。
また、図３に示す封止型電子制御装置１１０では封止材１０の外部に突出しているリードフレーム５の表面までガラス皮膜９が形成されているが、当該リードフレーム５を覆っているガラス皮膜９を封止材１０から突出させないように覆ってもよい。このようにすることによって、ガラス被膜９の接着界面の端を外気と接触させないようにすることが可能となる。そのため、より吸水によるリーク電流の増加防止をすることが可能になる。
図４には第一の実施形態の２つ目の変形例２の樹脂封止型電子制御装置１２０を示す。本変形例２と変形例１と異なる点は、変形例１におけるリードフレーム５と放熱板８を高熱伝導樹脂１４で接着した基板６を半導体チップ２の両面に接合するものである。当該構成にすることによって、放熱性を向上させつつ、低コストでかつ信頼性の高い樹脂封止型電子制御装置１２０を提供することが可能となる。
また本変形例では、チップコンデンサ３及びチップ抵抗４と対向する面にも放熱板８が設けられている。当該構成にすることによって、チップコンデンサ３とチップ抵抗４で発生する熱を上面及び下面の両方から逃がすことが可能になり放熱性が向上する。
続いて、樹脂封止型電子制御装置１２０の製造方法について説明する。本変形例では基板６の替わりに、銅製のリードフレーム５とアルミ製の放熱板８を高熱伝導樹脂１４で接着して一体化にしたものを用い、複数の半導体チップ２の表裏面電極を焼結金属からなるダイボンディング材２４で電気的に接続する。
次に、第一の封止材１０をトランスファーモールドで成型し、樹脂封止型電子制御装置が得られる。ガラス皮膜９は、導電性部材である素子群１、リードフレーム５、接合材（１５、１６、２４）を直接被覆し、さらに高熱伝導性樹脂１４も直接被覆し、構成部材との密着性に優れるため、洋上等の塩分を含む湿気環境でも高い信頼性を有する事ができる。また、チップコンデンサ３及びチップ抵抗４の両面にも放熱板８を設ける事で、より冷却性能に優れる効果がある。
図５には変形例３の樹脂封止型電子制御装置１３０を示す。基板として樹脂絶縁層を有するプリント基板６０を用い、ガラス皮膜９を形成した後、トランスファーモールドで第一の封止材１０を成型した。プリント基板６０を用いるため、低コストで複雑な回路を形成できる。
また、本変形例では図５に示すようにプリント基板６０の上下面に設けられた各素子を一連に繋がっているガラス被膜９で覆うことも可能である。このような構成にすることによって、ガラス皮膜９の接着界面の端から各素子までの経路を長くすることができ、吸水によるリーク電流の増加防止できる。
また、本変形例では発熱の大きい半導体チップ２を樹脂材１３１で被覆し、さらにその外側にガラス被膜９を設けている。このような構成にすることによって、発熱が繰り返されることによって発生する応力をやわらかい樹脂材１３１が吸収することが可能になる。そのため、直接半導体チップ２をガラス皮膜９で被覆するよりも当該ガラス被膜９の剥離が抑制される。
続いて、樹脂封止型電子制御装置１３０の製造方法について説明する。基板には、プリント基板６０を用い、複数のあらかじめ樹脂封止された半導体チップ２、複数のチップコンデンサ３、複数のチップ抵抗４、防水コネクタ１１を導電性ペーストからなるダイボンディング材２４で電気的に接続する。導電性ペーストは、銀粉又は銅粉を樹脂に分散したペーストを塗布し、チップコンデンサ、チップ抵抗等を搭載した後、１５０℃で１時間加熱して樹脂成分を硬化させ形成する。一旦硬化した樹脂は、熱分解温度までの耐熱性を有する。
次に、平均粒径２μｍ以下の表１に示す組成のガラス粉末を溶剤に分散しペースト化し、噴霧又は浸漬によりプリント基板６０の表裏面及び搭載部品に塗布する。
次に熱風や赤外線照射でガラスの軟化点以上に加熱し、ガラス皮膜９を形成する。この際に防水コネクタ１１の表面にもガラス皮膜９を形成するようにする。当該構成によって、防水コネクタの防水性がさらに向上し、より信頼性の高い樹脂封止型電子制御装置１３０を提供することが可能となる。
また、ガラス皮膜９は、導電性部材である素子群１、プリント基板６０の配線、接合材（１５、１６、２４）、及び防水コネクタ１１を直接封止し、密着性に優れるため、洋上等の塩分を含む湿気環境でも高い信頼性を有する事ができる。
また、防水コネクタ１１を有するため、他の装置と電気的に接続しやすい利点もある。
本発明の樹脂封止型電子制御装置は、種々の実施形態を採用することが可能である。
以下に、実施形態２乃至８について説明する。
そして、各実施形態に対して行った各種の試験によって得られた試験結果を、比較例と比較して示し、本発明による効果を具体的に説明することとする。
（第二の実施形態）
実施形態２の樹脂封止型電子制御装置２００が第一の実施形態と異なる点は、実施形態１におけるガラス皮膜９を形成する前に、素子群１、接合材（１５、１６、２４）、及び基板６の表面に絶縁樹脂皮膜１２を形成した点である。
図６は、第二の実施形態の樹脂封止型電子制御装置２００の断面図である。
絶縁樹脂皮膜１２としては、ポリイミド、ボリアミドイミド、アクリル樹脂、シリコーン樹脂等の絶縁性を有し、皮膜形成できる樹脂を用いる事ができる。絶縁樹脂皮膜１２の膜厚は、ガラス皮膜９の体積抵抗率が１×１０10Ωｍ以上の場合は１μｍ未満でも絶縁性能に問題が生じない。
一方、ガラス皮膜９の体積抵抗率が１×１０10Ωｍ未満の場合は、絶縁性確保のため、絶縁樹脂皮膜１２の膜厚は１μｍ以上とし、かつガラス皮膜９は電位が生じる導電性部位から離しておく必要がある。また、ガラス皮膜９の体積抵抗率が１×１０10Ωｍ未満で単一の電位を有する導電性部位に接触する場合は、絶縁性確保のため、絶縁樹脂皮膜１２の膜厚は１００μｍ以上ある事が望ましい。また、絶縁樹脂皮膜１２は比較的高価であり使用量を低減するため膜厚は１ｍｍ以下が望ましい。
本実施形態では、電気回路を形成する素子群１、基板６、接合材（１５、１６、２４）が絶縁樹脂皮膜１２で被覆されており、その上にガラス皮膜９が設けられている。当該構成によって、絶縁樹脂皮膜１２で、素子群１等の熱による膨張や収縮で発生する応力を吸収することが可能となる。そのため体積抵抗率の制約無く、Ａｇ2Ｏ含有率を多くすることが出来る。
従って、Ａｇ2Ｏ含有率の増加により軟化点の低く、かつ熱膨張率を大きくしたガラス皮膜９を使うことができ、プロセスコストを低減できる効果がある。
また、接合材５として、ガラスの軟化点より低温に融点を持つはんだを用いる事ができる。これは、ガラス皮膜９と、素子群１、接合材（１５、１６、２４）、基板６のそれぞれとの間に絶縁樹脂皮膜１２があるため、ガラス皮膜９にはんだが拡散し体積抵抗率が低下するのを防止できるためである。また、第一の実施形態の変形例３とは異なり、全ての素子に絶縁樹皮膜１２を設けている。そのため、チップコンデンサ３やチップ抵抗４の発熱によって発生する素子の膨張や収縮に起因する応力も、絶縁樹皮膜１２で吸収が可能になる。
図７は、実施形態２の変形例１の樹脂封止型電子制御装置２１０の断面図である。図示された樹脂封止型電子制御装置２１０が、実施形態１の変形例１（図３に図示されたもの）と相違する点は、素子群１、接合材（１５、１６、２４）、リードフレーム５の周りに絶縁樹脂皮膜１２を有する点である。
当該構成とすることによって、実施形態１の変形例１の作用・効果に加え、絶縁樹脂皮膜１２で、素子群１等の熱による膨張・収縮で発生する応力を吸収することが可能となるため、ガラス皮膜９の体積抵抗率の制約無くすことが可能となる。
図８は、第二の実施形態の変形例２の樹脂封止型電子制御装置２２０の断面図である。図示された樹脂封止型電子制御装置２２０が、実施形態１の変形例２（図４に図示されたもの）と相違する点は、素子群１、接合材（１５、１６、２４）、リードフレーム５の周りに絶縁樹脂皮膜１２を有する点である。
当該構成とすることによって、第一の実施形態の変形例２の作用・効果に加え、絶縁樹脂皮膜１２で、素子群１等の熱による膨張・収縮で発生する応力を吸収することが可能となるため、ガラス皮膜９の体積抵抗率の制約無くすことが可能となる。
また、本変形例では絶縁樹脂皮膜１２を放熱板８の裏面まで設け、その絶縁樹脂皮膜１２を覆うようにガラス皮膜９を設ける構成となっている。そのため、吸水に弱い絶縁樹脂皮膜１２が完全にガラス皮膜９に覆われる形となり、防水性の高い樹脂封止型電子制御装置２２０を提供することが可能となる。
図９は、第二の実施形態の変形例３の樹脂封止型電子制御装置２３０の断面図である。図示された樹脂封止型電子制御装置２３０が、実施形態１の変形例３（図５に図示されたもの）と相違する点は、素子群１、接合材（１５、１６、２４）、防水コネクタ１１の周りに絶縁樹脂皮膜１２を有する点である。
当該構成とすることによって、実施形態１の変形例３の作用・効果に加え、絶縁樹脂皮膜１２で、素子群１等の熱による膨張・収縮で発生する応力を吸収することが可能となるため、ガラス皮膜９の体積抵抗率の制約無くすことが可能となる。 また、本変形例では特に発熱の大きい半導体チップ２を樹脂材１３１で被覆し、その外側に絶縁樹脂被膜１２を設け、さらにその外側にガラス皮膜９を設ける構成となっている。このような構成にすることによって、発熱が繰り返されることによって発生する応力を、やわらかい樹脂材１３１と絶縁樹脂被膜１２の２つにより吸収することが可能になる。そのため、直接半導体チップ２を樹脂材１３１で被覆したものをガラス皮膜９で被覆するよりも、当該ガラス被膜９の剥離が抑制される。
（第三の実施形態）
第三の実施形態の樹脂封止型電子制御装置（３００、３１０、３２０、３３０）は、第一の実施形態におけるガラス皮膜９を形成する前に素子群１、接合材（１５、１６、２４）全体を包囲する第二の封止材１３を形成した点が第一の実施形態と異なる。
図１０は、実施形態３の樹脂封止型電子制御装置３００の断面図である。素子群１の全体には素子群１を包囲する第二の封止材１３を有し、当該第二の封止材１３の外周にガラス皮膜９を設けている。
第二の封止材１３としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の絶縁性を有し、チキソ性により形状を保持できる樹脂を用いる事ができる。樹脂封止１３が複数の素子群１を包囲するため、ガラス被覆する外周は凹凸の少ない表面となる。このため、ガラス被覆時に欠陥が生じにくいという効果がある。また、ガラス皮膜９形成時の割れを防止するため、第二の封止材１３の熱膨張率はガラス皮膜９と同等である事が望ましい。
さらに、ガラス被覆９は第一の封止材１０で保護されており、外部からの接触がないため、ガラス皮膜９の膜厚が１００μｍ以下と薄くても割れや欠けが生じず信頼性に優れる効果がある。
本実施形態のように、全ての素子を第二の封止材１３で覆うことによって、第二の実施形態よりも広範に封止材を設けることができ、熱拡散がより促進されより放熱性が向上する。
また、ガラス皮膜９が直接素子群１と接触することがないため、当該ガラス皮膜９の体積抵抗について気にする必要が無くなる。そのため、Ａｇ2Ｏ含有率が多く軟化点の低いガラス皮膜９を使用することができ、プロセスコストを低減することが可能となる。
さらにガラス皮膜９の軟化点を低下させることが可能になるため、ガラス皮膜９を作成する際の加熱による第二の封止材１３の劣化を抑制することが可能となる。
図１１は、第三の実施形態の変形例１の樹脂封止型電子制御装置３１０の断面図である。図示された樹脂封止型電子制御装置３１０が、実施形態１の変形例１（図３に図示されたもの）と相違する点は、素子群１全体を包囲する第二の封止材１３を有し、当該第二の封止材１３の外周にガラス皮膜９を設けた点である。
当該構成とすることによって、実施形態１の変形例１の作用・効果に加えて次のような作用効果が追加される。
全ての素子を第二の樹脂材で覆うことによって実施形態２よりも広範に樹脂材が設けられ、熱拡散がより促進されより放熱性が向上する。
また、ガラス皮膜９が直接素子群１と接触することがないため、当該ガラス皮膜９の体積抵抗について気にする必要が無くなる。そのため、Ａｇ2Ｏ含有率が多く軟化点の低いガラス皮膜９を使用することができ、プロセスコストを低減することが可能となる。
図１２は、第三の実施形態の変形例２の樹脂封止型電子制御装置３２０の断面図である。図示された樹脂封止型電子制御装置３２０が、実施形態１の変形例２（図４に図示されたもの）と相違する点は、素子群１全体を包囲する第二の封止材１３を有し、当該第二の封止材１３の外周にガラス皮膜９を設けている点である。
当該構成とすることによって、実施形態１の変形例２の作用・効果に加えて次のような作用効果が追加される。
全ての素子を第二の樹脂材で覆うことによって実施形態２よりも広範に樹脂材が設けられ、熱拡散がより促進されより放熱性が向上する。
また、ガラス皮膜９が直接素子群１と接触することがないため、当該ガラス皮膜９の体積抵抗について気にする必要が無くなる。そのため、Ａｇ2Ｏ含有率が多く軟化点の低いガラス皮膜９を使用することができ、プロセスコストを低減することが可能となる。
また、本変形例ではガラス皮膜９を放熱板８の裏面まで設けず、放熱板８の表面を露出させる構成となっている。そのため、放熱板８に伝達される熱を直接外気に逃がすことが可能であり、第一の実施形態の変形例３よりも放熱性が向上する。
図１３は、実施形態３の変形例３の樹脂封止型電子制御装置３３０の断面図である。図示された樹脂封止型電子制御装置３３０が、実施形態１の変形例３（図５に図示されたもの）と相違する点は、素子群１全体を包囲する第二の封止材１３を有し、当該第二の封止材１３の外周にガラス皮膜９を設けている点である。
当該構成とすることによって、第一の実施形態の変形例３の作用・効果に加えて次のような作用効果が追加される。
全ての素子を第二の封止材で覆うことによって第二の実施形態よりも広範に樹脂材が設けられ、熱拡散がより促進されより放熱性が向上する。
また、ガラス皮膜９が直接素子群１と接触することがないため、当該ガラス皮膜９の体積抵抗について気にする必要が無くなる。そのため、Ａｇ2Ｏ含有率が多く軟化点の低いガラス皮膜９を使用することができ、プロセスコストを低減することが可能となる。
また、本変形例では特に発熱の大きい半導体チップ２を樹脂材１３１で被覆し、その外側に第二の封止材１３を設け、さらにその外側にガラス皮膜９を設ける構成となっている。このような構成にすることによって、発熱が繰り返されることによって発生する応力を、やわらかい樹脂材１３１と当該樹脂材１３１よりもさらにやわらかい第二の封止材１３の２つにより吸収することが可能になる。そのため、ガラス被膜９の剥離が抑制される。
（第四の実施形態）
第四の実施形態の樹脂封止型電子制御装置（４００、４１０、４２０、４３０）は、第一の実施形態におけるガラス皮膜９を樹脂封止型電子制御装置（４００、４１０、４２０、４３０）の最外周に形成したものである。
図１４は、第四の実施形態の樹脂封止型電子制御装置４００の断面図である。樹脂封止型電子制御装置４００の最外周にはガラス皮膜９が設けられている。
ガラス皮膜９は最外周に露出している。そのため外部からの接触による割れを防ぐ必要がり、ガラス皮膜９の膜厚は１００μｍより大きい事が望ましい。また、ガラスの使用量を低減するため膜厚は１ｍｍ以下が望ましい。
当該構成にすることによって、樹脂封止型電子制御装置４００全体をガラス皮膜９で覆っているので、水分等が樹脂封止型電子制御装置４００内に入り込むことが無くなる。従って、実施形態１の作用効果に加えて、上記作用効果が追加されるためより信頼性が向上した樹脂封止型電子制御装置４００を提供することが可能となる。
図１５は、第四の実施形態の変形例１の樹脂封止型電子制御装置４１０の断面図である。図示された樹脂封止型電子制御装置４１０が、実施形態１の変形例１（図３に図示されたもの）と相違する点は、最外周にガラス皮膜９を設けている点である。
当該構成とすることによって、第一の実施形態の変形例１の作用・効果に加えて次のような作用効果が追加される。
樹脂封止型電子制御装置４１０全体をガラス皮膜４１０で覆っているので、水分等が樹脂封止型電子制御装置４１０内に入り込むことが無くなり、より信頼性の高い樹脂封止型電子制御装置４１０を提供することが可能となる。
図１６は、第四の実施形態の変形例２の樹脂封止型電子制御装置４２０の断面図である。図示された樹脂封止型電子制御装置４２０が、実施形態１の変形例２（図４に図示されたもの）と相違する点は、最外周にガラス皮膜９を設けている点である。
当該構成とすることによって、第一の実施形態の変形例２の作用・効果に加えて次のような作用効果が追加される。
樹脂封止型電子制御装置４２０全体をガラス皮膜４２０で覆っているので、水分等が樹脂封止型電子制御装置４２０内に入り込むことが無くなり、より信頼性の高い樹脂封止型電子制御装置４２０を提供することが可能となる。
図１７は、第四の実施形態の変形例３の樹脂封止型電子制御装置４３０の断面図である。図示された樹脂封止型電子制御装置４３０が、実施形態１の変形例３（図５に図示されたもの）と相違する点は、最外周にガラス被膜９を設けている点である。
当該構成とすることによって、第一の実施形態の変形例３の作用・効果に加えて次のような作用効果が追加される。
樹脂封止型電子制御装置４３０全体をガラス皮膜４３０で覆っているので、水分等が樹脂封止型電子制御装置４３０内に入り込むことが無くなり、より信頼性の高い樹脂封止型電子制御装置４３０を提供することが可能となる。
なお、上述した実施形態１〜４の樹脂封止型電子制御装置（１００、２００、３００、４００）は、水中に没して使用することが可能である。水中に没する事で放熱板８以外の部分も水冷されるため冷却性能が向上する効果がある。また、素子群１がガラス皮膜９で包囲されているため、素子周辺は吸水せず信頼性に優れる効果がある。
-比較例-
比較例は図１８に図示する構造を有する。図示された樹脂封止型電子制御装置５００が、本発明のものと相違する点は、ガラス被覆が無い点である。
水中に没すると、第一の封止材１０が吸湿し、封止材の体積抵抗率が低下し、半導体素子のリーク電流が増加による誤作動が生じた。
[試験評価]
（ガラスの作製）
表１に示す組成を有するガラスを作製した。表中の組成は、各成分の酸化物換算における質量比率で表示してある。出発原料としては、（株）高純度化学研究所製の酸化物粉末（純度９９.９％）を用いた。
表１に示した質量比で各出発原料粉末を混合し、白金るつぼに入れた。混合にあたっては、原料粉末への余分な吸湿を避けることを考慮して、金属製スプーンを用いて、るつぼ内で混合した。
原料混合粉末が入ったるつぼをガラス溶融炉内に設置し、加熱・融解した。１０℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、設定温度（７００〜９００℃）で、融解しているガラスを撹拌しながら１時間保持した。その後、るつぼをガラス溶融炉から取り出し、あらかじめ１５０℃に加熱しておいた黒鉛鋳型にガラスを鋳込んだ。次に、鋳込まれたガラスを、あらかじめ歪取り温度に加熱しておいた歪取り炉に移動し、１時間保持により歪を除去した後、１℃／ｍｉｎの速度で室温まで冷却した。室温まで冷却したガラスを粉砕し、表に示した組成を有するガラスの粉末を作製した。
（軟化点の評価）
上記で得られた各ガラス粉末に対して、示差熱分析（ＤＴＡ）により軟化点Ｔｓを測定した。ＤＴＡ測定は、参照試料（α−アルミナ）および測定試料の質量をそれぞれ６５０ｍｇとし、大気中５℃／ｍｉｎの昇温速度で行い、第２吸熱ピークのピーク温度を軟化点Ｔｓとして求めた（図１９参照）。結果を表１に併記する。
（熱膨張率の評価）
上記で得られた各ガラス粉末を軟化点以上に加熱し、高さ１０ｍｍの試験片を作成し、熱機械分析装置（ＴＭＡ）を用い測定した。大気中５℃／ｍｉｎの昇温速度で行った。結果を表１に併記する。
Figure 2014128899
 （熱膨張率の評価）
上記で得られた各ガラス粉末を軟化点以上に加熱し、高さ１０ｍｍの試験片を作成し、熱機械分析装置（ＴＭＡ）を用い測定した。大気中５℃／ｍｉｎの昇温速度で行った。熱膨張率は室温から２００℃の傾きから算出した。結果を表１に併記する。
本発明の樹脂封止型電子制御装置は、上述した各実施形態を、適宜、組み合わせて適用することも可能である。
その他、発明の趣旨の範囲内で、種々、変形して適用することが可能であり、要は、封止材の外周又は内部に複数の素子及び基板を包囲するガラス皮膜を形成した構造であればよい。
以上、本発明を実施することによって、下記の効果が得られる。
素子群１、接合材（１５、１６、２４）、基板６にバナジウム系ガラスを溶融させ、直接皮膜形成することで、半導体、金属、セラミックス、樹脂等の樹脂封止型電子制御装置の構成材料との密着性が良くなり信頼性が向上する効果がある。
これは、バナジウム系ガラスが軟化し低粘度化する事で金属との接触面に拡散層を形成し密着が良くなるためである。また、バナジウム系ガラスが軟化する事でガラスの格子欠陥に起因する水酸基が表面や界面に濃縮し、セラミックス等の酸化物や半導体や樹脂との密着性が良くなるためである。
さらに、バナジウム系ガラスにテルルや銀を添加する事でガラスの軟化点を３００℃以下に低下できるため、樹脂封止型電子制御装置の構成材料との熱膨張差による熱応力が低減し、ガラス皮膜の割れを防止できる効果がある。
また、バナジウム系ガラスのテルルと銀の配合率を調整する事で熱膨張率を向上し、樹脂封止型電子制御装置の構成材料である銅やアルミ又は封止材の熱膨張率に近づけて、温度変化に対する信頼性を向上できる効果がある。
１ 素子
２ 半導体チップ
３ チップコンデンサ
４ チップ抵抗
５ 接合材
６ 基板
７ ケース
８ 放熱板
９ ガラス皮膜
１０ 第一の封止材
１１ コネクタ
１２ 絶縁樹脂皮膜
１３ 第二の封止材
１４ 高熱伝導樹脂
１５ アルミリボン
１６ アルミワイヤ
１７ チップアルミ電極
１８ チップニッケルめっき電極
１９ ポリイミドパシベーション膜
２０ 基板銅配線
２１ 配線ニッケルめっき
２２ 基板絶縁体
２３ 絶縁体
２４ ダイボンディング材

Claims (9)

  1. 複数の半導体素子と、
    前記複数の半導体素子を搭載する基板と、
    前記基板及び複数の半導体素子を封止する樹脂と、を有する電子制御装置において、
    前記半導体素子及び基板の一部はバナジウム及びテルルを含有するガラス皮膜で覆われていることを特徴とする電子制御装置。
  2. 請求項１に記載の電子制御装置において、
    前記ガラス皮膜と前記半導体素子とは樹脂材を介して接続されており、
    前記ガラス皮膜と前記基板とは樹脂材を介して接続されていることを特徴とする電子制御装置。
  3. 請求項２に記載の電子制御装置において、
    前記ガラス皮膜の最表面には樹脂材が直接接していることを特徴とする電子制御装置。
  4. 請求項１に記載の電子制御装置において、
    前記ガラス皮膜は前記半導体素子及び前記基板と直接接していることを特徴とする電子制御装置。
  5. 請求項１乃至４に記載の電子制御装置において、
    前記ガラス被覆は、Ａｇ2ＯとＶ2Ｏ5とＴｅＯ2との合計含有率が、総重量に対して７５質量％以上であることを特徴とする電子制御装置。
  6. 請求項１乃至４いずれかに記載の電子制御装置において、前記ガラス被覆は、ＴｅＯ2を総重量に対して１５重量％以上含有していることを特徴とする電子制御装置。
  7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電子制御装置において、
    前記ガラス被覆は、Ａｇ2ＯとＶ2Ｏ5とＴｅＯ2との合計含有率が、総重量に対して７５質量％以上であり、
    Ｖ2Ｏ5を総重量に対して１５重量％以上４０質量％以下含有していることを特徴とする電子制御装置。
  8. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電子制御装置において、
    前記ガラス被覆は、Ａｇ2ＯとＶ2Ｏ5とＴｅＯ2との合計含有率が、総重量に対して７５質量％以上であり、
    Ａｇ2ＯとＴｅＯ2との合計含有率が総重量に対して２５重量％以上であることを特徴とする電子制御装置。
  9. 請求項１乃至４に記載の電子制御装置において、前記ガラス被覆は、Ａｇ2ＯとＶ2Ｏ5とＴｅＯ2との合計含有率が、総重量に対して７５質量％以上であり、
    Ａｇ2Ｏ含有率がＶ2Ｏ5含有率に対して２．６倍以下であることを特徴とする電子制御装置。
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