WO2017090267A1 - 電力用半導体装置 - Google Patents

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WO2017090267A1
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semiconductor device
power semiconductor
temperature
insulating substrate
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畑中　康道
耕三 原田
啓行 原田
西村　隆
正行 眞舩
山田　浩司
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a silicon gel-sealed power semiconductor device.
  • Semiconductor devices of the type in which the energization path is the vertical direction of the device for the purpose of dealing with high voltage and large current are generally power semiconductor devices (for example, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)). Bipolar transistor, diode, etc.).
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • Bipolar transistor diode, etc.
  • a power semiconductor device in which a power semiconductor element is mounted on a circuit board and packaged with a sealing resin is used in a wide range of fields such as industrial equipment, automobiles, and railways.
  • demands for higher performance of power semiconductor devices such as increased rated voltage and rated current, and expanded operating temperature range (higher temperature, lower temperature) Is growing.
  • a case-type power semiconductor device has a structure in which a power semiconductor element is mounted on a base plate for heat dissipation via an insulating substrate, and a case is bonded to the base plate.
  • the power semiconductor element mounted inside the power semiconductor device is connected to the main electrode.
  • a bonding wire is used to connect the power semiconductor element and the main electrode.
  • an insulating gel filler typified by silicone gel is generally used as a sealing resin for power semiconductor devices.
  • a semiconductor element in a case is sealed or filled with a silicone gel, and the loss elastic modulus of the silicone gel at 25 ° C. and a shear frequency of 0.1 Hz is 1.0 ⁇ 10 3 to 1. It is 0 ⁇ 10 5 dyne / cm 2 and the complex elastic modulus is 1.0 ⁇ 10 6 dyne / cm 2 or less (see Patent Document 1).
  • ⁇ Power semiconductor devices have a wider operating temperature range (higher and lower temperatures). In order to cope with the higher power density of the power semiconductor device, it is essential to operate the power semiconductor element at a high temperature, and the power semiconductor element has shifted from a conventional 150 ° C. operation to a 175 ° C. operation. In addition, the demand for use in a cryogenic environment up to ⁇ 55 ° C. is increasing due to the response to environmental resistance due to the wide use environment of power semiconductor devices. It is necessary to ensure the reliability of the power semiconductor device in the expanded use temperature range from ⁇ 55 ° C. to 175 ° C.
  • a temperature cycle test is performed in the temperature range of ⁇ 55 ° C. on the low temperature side and 175 ° C. on the high temperature side.
  • a crack in the silicone gel sealing material may occur, resulting in a decrease in insulation reliability.
  • the silicone gel having a large thermal expansion coefficient and each member of the power semiconductor device Since the thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient is large, there is a case where a crack occurs in the silicone gel sealing material and the insulation reliability is lowered.
  • This invention was made in order to solve the above-mentioned problems, and by suppressing the occurrence of cracks in the silicone gel sealing material, a silicone gel sealing type capable of improving heat resistance and reliability. A power semiconductor device is obtained.
  • a power semiconductor device includes an insulating substrate having a metal layer formed on an upper surface, a semiconductor element and a main electrode bonded to the upper surface of the metal layer, a metal wiring connecting the metal layer and the semiconductor element, The metal member bonded to the lower surface side of the insulating substrate, the case member surrounding the insulating substrate and contacting the surface of the metal member where the insulating substrate is bonded, and the region surrounded by the metal member and the case member are filled at room temperature.
  • the resin strength is 0.12 MPa or more, the microcrystallization temperature is ⁇ 55 ° C. or less, and the penetration after 1000 hours storage at 175 ° C. is 30 to 50, and the insulating substrate, the metal layer, the semiconductor element, the metal wiring, And a sealing resin for sealing the main electrode.
  • the generation of cracks in the silicone gel sealing material can be suppressed in the temperature cycle test and the high temperature storage test of the power semiconductor device, and it becomes possible to obtain a power semiconductor device with high heat resistance and high reliability.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional structure diagram showing a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram showing a power semiconductor device when a crack is generated in a silicone gel in a temperature cycle test in Embodiment 1 of the present invention. It is a cross-sectional structure schematic diagram which shows the power semiconductor device in Embodiment 3 of this invention.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a power semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a power semiconductor device 100 includes a base plate 1 that is a metal member, an insulating substrate 2, a chip 3 that is a semiconductor element, a bonding wire 4 that is a metal wiring, a main electrode 5, and a case member. 6.
  • a lid 7 as a lid material and a silicone gel 8 as a sealing resin are provided.
  • an insulating substrate 2 is joined to the base plate 1 with solder (not shown), and a chip 3 is joined to the insulating substrate 2 with solder (not shown).
  • the chip 3 is wired with bonding wires 4, and the insulating substrate 2 has the main electrode 5 wired with solder (not shown).
  • a case 6 is bonded to the base plate 1 with an adhesive (not shown), and a lid 7 is bonded to the case 6 with an adhesive (not shown). Further, the insulating substrate 2, the chip 3, the bonding wire 4, and the main electrode 5 disposed in a region surrounded by the base plate 1 and the case 6 are sealed with a silicone gel 8.
  • the base plate 1 can be made of, for example, a composite material made of aluminum and ceramics such as aluminum and an aluminum alloy, copper and a copper alloy, and AlSiC.
  • a composite material made of aluminum and ceramics such as aluminum and an aluminum alloy, copper and a copper alloy, and AlSiC.
  • copper and a copper alloy are preferable from the viewpoint of thermal conductivity
  • an AlSiC composite material is more preferable from the viewpoint of light weight and low thermal expansion.
  • the insulating substrate 2 has metal conductor layers 22 and 23 formed on both surfaces of a ceramic plate 21.
  • a ceramic plate 21 silicon nitride (SN), aluminum nitride (AlN), alumina, or Zr-containing alumina can be used.
  • AlN and SN are preferable from the viewpoint of thermal conductivity, and SN is more preferable from the viewpoint of material strength.
  • the insulating substrate 2 is bonded onto the base plate 1 using solder. As the bonding material, sintered silver or a liquid phase diffusion material can be applied in addition to solder.
  • One insulating substrate 2 may be bonded onto the base plate 1, and a plurality of insulating substrates 2 may be used depending on current density or the like.
  • the conductor layers 22 and 23 may be made of a metal excellent in electrical conduction and thermal conductivity, such as aluminum and aluminum alloy, copper and copper alloy. In particular, it is preferable to use copper from the viewpoints of heat conduction and electric conduction.
  • sintered silver or a liquid phase diffusion material can be applied in addition to the solder.
  • Sintered silver or a liquid phase diffusion material has a higher melting temperature than a solder material, and the operating temperature of a power semiconductor device can be increased. Since sintered silver has better thermal conductivity than solder, the heat dissipation of the chip is improved and the reliability is improved. Since the liquid phase diffusion material can be bonded with a lower load than sintered silver, the processability is good, and damage to the chip due to the bonding load can be prevented.
  • the bonding wire 4 can be made of aluminum and aluminum alloy, copper and copper alloy.
  • the main electrode 5 for example, a copper plate having a thickness of 1.0 mm processed into a predetermined shape by etching or die punching can be used.
  • the case 6 and the lid 7 may be formed of a thermoplastic resin molding such as PET (Poly Ethylene Terephthalate) -PBT (Poly Butylene Terephthalate), PPS (Poly Phenylene Sulfide), or a liquid crystal polymer.
  • PET Poly Ethylene Terephthalate
  • PPS Poly Phenylene Sulfide
  • a liquid crystal polymer is preferable from the viewpoint of heat resistance.
  • the case 6 is arranged on the entire circumference of the outer peripheral edge portion of the base plate 1 so as to surround the insulating substrate 2. When there are a plurality of insulating substrates 2, the case 6 collectively surrounds the plurality of insulating substrates 2.
  • the case 6 is bonded to the base plate 1 using an adhesive or the like.
  • the silicone gel 8 is an addition reaction type of a vinyl group of a methyl vinyl siloxane polymer and a methyl hydrogen polymer.
  • the addition reaction type silicone gel is preferable from the viewpoint of ensuring insulation reliability without a reaction by-product such as water and alcohol in a short-time curing and curing reaction.
  • insulating substrates 2 having a size of 5.7 cm ⁇ 4.8 cm are bonded to a base plate 1 having an outer shape of 25 cm ⁇ 14 cm.
  • the height of the case 6 is 4.5 cm, and the silicone gel 8 is sealed in the case 6 with a thickness of 2.7 cm.
  • the lid 7 has a grid-like convex portion, and a part of the convex portion is buried in the silicone gel 8. Since the power semiconductor device 100 is large and the sealing thickness of the silicone gel 8 is thick, the silicone gel 8 itself vibrates greatly in the vibration test. The defect that the bonding wire 4 is disconnected by the vibration of the silicone gel 8 itself occurs. For this reason, the lattice-shaped convex part formed in the lid 7 is inserted into the silicone gel 8 and the silicone gel 8 is fixed, thereby reducing the vibration of the silicone gel 8 and preventing the bonding wire 4 from being disconnected. In addition, when the size of the power semiconductor device 100 is not large and the vibration of the silicone gel 8 is not a problem, there may be no lattice-shaped protrusions.
  • the cured product characteristics of the silicone gel 8 used for sealing the power semiconductor device 100 were measured by the following method.
  • the penetration of the silicone gel 8 cured product was measured with a 1/4 cone (9.38 g) of an automatic penetration tester (RPN-201: manufactured by Hoiso Co., Ltd.).
  • the measuring method was based on JIS-K2235 (consistency test), and the distance to enter the silicone gel of the quarter corn in 5 seconds was measured, and 0.1 mm was taken as one unit.
  • a glass gel having a diameter of 70 mm and a cured product of silicone gel 8 having a thickness of 20 mm was used.
  • the penetration is a measured value indicating the hardness of the silicone gel 8.
  • the silicone gel 8 When the silicone gel 8 is subjected to a thermal history in a temperature cycle test or a high temperature storage test, the silicone gel 8 is hardened and deteriorated. When the curing deterioration progresses and the silicone gel 8 becomes hard (the penetration value becomes small), the silicone gel 8 becomes brittle and causes the silicone gel 8 to crack. In this evaluation, the initial penetration at 175 ° C. after a predetermined time was measured and used as an index of curing deterioration of the silicone gel 8 cured product.
  • the high temperature is the maximum value (upper limit value) on the high temperature side of the operating temperature of the power semiconductor device, and the high temperature storage is holding at this high temperature side temperature.
  • the operating temperature of the power semiconductor device is not the temperature at which the power semiconductor device is actually used, but the operating temperature (temperature range) determined by the design specifications of the power semiconductor device. Will be referred to.
  • the loss elastic modulus of the cured silicone gel varies depending on the measurement frequency, the elastic modulus at a very low frequency under the temperature cycle test conditions and actual use conditions and the loss elasticity in the parallel plate method of the viscoelasticity measuring device There is a discrepancy in the rate measurements.
  • the measurement sample shape is generally measured using a small disk-shaped sample having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 to 6 mm.
  • the silicone gel 8 is injected into the space formed by the case 6 and the base plate 1 and cured. Since the progress of curing deterioration of the silicone gel 8 is affected by oxygen in the atmosphere, the silicone gel 8 surrounded by the disk-shaped silicone gel 8 sample, the case 6 of the power semiconductor device, and the base plate 1 is used. A big difference occurs.
  • the penetration measurement sample is a 20 mm thick silicone gel 8 cured product prepared on a ⁇ 70 mm glass petri dish, and the curing deterioration phenomenon of the silicone gel 8 in the power semiconductor device can be almost reproduced.
  • the penetration after storage at high temperature has a high correlation with the occurrence of cracks in the temperature cycle test in the power semiconductor device, and the penetration after storage at high temperature was used as an index value for the occurrence of cracks in silicone 8. .
  • the microcrystallization temperature of the cured silicone gel 8 was measured by a differential scanning calorimeter (DSC: Differential Scanning Calorimetry) (DSC7000x: manufactured by Hitachi High-Tech Science Co., Ltd.). The measurement conditions were that the temperature was raised from ⁇ 80 ° C. to 100 ° C. at 3 ° C./min in an N 2 atmosphere, and the microcrystallization temperature of the cured silicone gel was determined from the endothermic peak in the low temperature region.
  • DSC Differential Scanning Calorimetry
  • the property of the cured silicone gel 8 is a soft gel at room temperature, but in the low temperature region, the thermal movement of the silicone chain decreases and the silicone gel 8 is partially microcrystallized. Then, below the microcrystallization temperature, the silicone gel 8 is partially microcrystallized and becomes hard and brittle rubber instead of gel. Since the silicone gel 8 is hard and brittle below the microcrystallization temperature, use of the power semiconductor device below the microcrystallization temperature causes cracking of the silicone gel 8. Therefore, it is necessary to set the microcrystallization temperature of the silicone gel 8 to be equal to or lower than the use temperature (low temperature use temperature) on the low temperature side where the power semiconductor device is used.
  • the use temperature on the low temperature side (low temperature specification temperature) is the minimum value (lower limit value) of the use temperature of the power semiconductor device.
  • the room temperature generally means a range of about 20 ° C. to 25 ° C.
  • the resin strength of the cured silicone gel was measured by a shear adhesion test using a sample in which an aluminum plate was bonded with a cured silicone gel using an autograph (AG-IS, manufactured by Shimadzu Corporation).
  • AG-IS manufactured by Shimadzu Corporation
  • a spacer / dam of 20 mm ⁇ 40 mm ⁇ 0.24 mmt is formed on the aluminum plate of the adherend with fluorine tape, about 0.5 g of silicone gel 8 is applied, and the other aluminum plate It was prepared by curing the silicone gel 8 after fixing with a clip.
  • the measurement was performed at room temperature at a tensile speed of 5 mm / min, and the maximum test force was measured. All the fracture modes of the samples after fracture were cohesive fracture of the silicone gel 8. Since the failure mode was cohesive failure of the silicone gel 8, this maximum test force was defined as the resin strength of the silicone gel 8.
  • a temperature cycle test was conducted.
  • the temperature cycle test was conducted using a thermal shock test apparatus.
  • the temperature cycle test was performed for 1000 cycles under the condition of holding at the low temperature side -55 ° C and the high temperature side 175 ° C for 1 hour each. After the completion of 1000 cycles, the presence or absence of cracks in the silicone gel 8 was confirmed by appearance observation.
  • the temperature cycle test was conducted using 10 types of silicone gels having different resin strength, microcrystallization temperature, and penetration after storage at a high temperature of 175 ° C.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional structure diagram showing the power semiconductor device when a crack occurs in the silicone gel in the temperature cycle test in the first embodiment of the present invention.
  • a power semiconductor device 100 includes a base plate 1 that is a metal member, an insulating substrate 2, a chip 3 that is a semiconductor element, a bonding wire 4 that is a metal wiring, a main electrode 5, a case member 6, and a lid that is a lid material. 7. Silicone gel 8 which is sealing resin, and crack 9 are provided. From the figure, when the silicone gel 8 is deteriorated by the temperature cycle test, a crack 9 is generated inside the silicone gel 8 starting from the protruding portion of the lid 7 and the end of the main electrode 5. Due to the crack 9, the reliability of the power semiconductor device 100 is deteriorated.
  • Table 1 shows the prototype specifications and temperature cycle test results of the power semiconductor device using this embodiment.
  • the resin strength of the silicone gel 8 can be increased to 0.12 MPa or more by optimizing the chemical structure and crosslinking density of the silicone gel 8.
  • the chemical structure of the silicone gel 8 is composed of a polymer of dimethylsiloxane, and the resin strength can be improved by using a part of the dimethylsiloxane as diphenylsiloxane.
  • the silicone gel is crosslinked by the addition reaction of the vinyl group of the methylvinylsiloxane polymer and the methylhydrogen polymer.
  • the crosslinking density is 0.3 to 1.3 mol% in terms of the molar fraction of the silicone gel 8 polymer. It is preferable that When the crosslinking density is lower than 0.3 mol%, the resin strength is insufficient and cracks of the silicone gel 8 occur. When it is higher than 1.3 mol%, the silicone gel 8 is hard and brittle, and the silicone gel 8 cracks. appear.
  • the upper limit of the resin strength is preferably 0.6 MPa or less.
  • the silicone gel 8 When the silicone gel 8 receives a thermal history of 175 ° C. in the temperature cycle test, the silicone gel 8 is hardened and deteriorated. When the curing deterioration progresses and the silicone gel 8 becomes hard, the silicone gel 8 becomes brittle and the silicone gel 8 is cracked. It was found that 30 or more was the optimum region when viewed at a penetration of 1000 HR at 175 ° C.
  • the silicone gel 8 in case 10 had a penetration of 70 before the temperature cycle test and a penetration of 20 after 1000 hours of storage at 175 ° C., and cracks occurred in the silicone gel 8 in the temperature cycle test. It is considered that this is because the silicone gel 8 is hardened and deteriorated due to the temperature history of the temperature cycle test, the silicone gel 8 becomes brittle, and cracks of the silicone gel 8 are generated due to thermal stress in the temperature cycle test. Thus, even if the penetration of the silicone gel 8 before the temperature cycle test is a value of 70 and 30 or more, the silicone gel 8 is cracked by the temperature cycle test. From this, it can be seen that not the initial penetration of the silicone gel 8 but the penetration of the silicone gel 8 after high-temperature storage correlates with the occurrence of cracks in the silicone gel 8 in the temperature cycle test.
  • the silicone gel 8 when the penetration of the cured product of the silicone gel 8 is greater than 70, the silicone gel 8 is very soft, so that bubbles are easily generated in the silicone gel 8 when the power semiconductor device receives a thermal history.
  • the insulating properties of the power semiconductor device are deteriorated. Therefore, from the viewpoint of preventing the generation of air bubbles in the silicone gel, 70 or less is preferable in view of the penetration after 1000 HR storage at 175 ° C.
  • the penetration after storing at 175 ° C. at a high temperature can be increased to 30 or more.
  • the heat resistance improver include metal complexes such as titanium, cerium, iron, and nickel, and a single substance or a mixture can be used.
  • a cerium complex and an iron complex are preferred.
  • the property of the silicone gel 8 is a soft gel at room temperature, but in the low temperature region, the thermal motion of the silicone chain is reduced and the silicone gel 8 is partially microcrystallized. Below the microcrystallization temperature, the silicone gel 8 is partially microcrystallized into a hard and brittle rubber instead of a gel. Since the silicone gel 8 is hard and brittle below the microcrystallization temperature, if the power semiconductor device is used below the microcrystallization temperature, it causes cracking of the silicone gel 8. Since the temperature on the low temperature side of the temperature cycle test is ⁇ 55 ° C., the optimum range for the microcrystallization temperature is ⁇ 55 ° C. or less.
  • the microcrystallization temperature can be reduced to ⁇ 55 ° C. or less by optimizing the chemical structure of the silicone gel 8.
  • the chemical structure of the silicone gel 8 is composed of a polymer of dimethylsiloxane. By using a part of this dimethylsiloxane as diphenylsiloxane, the silicone gel polymer cannot be regularly aligned due to steric hindrance of the phenyl group at a low temperature state. Even at a low temperature, the microcrystallization temperature can be reduced to ⁇ 55 ° C. or lower without producing microcrystals.
  • the proportion of diphenylsiloxane is preferably 4 mol% to 10 mol% in terms of the molar ratio of the silicone gel polymer. If the molar ratio of the silicone gel polymer is less than 4 mol%, the effect of suppressing microcrystallization due to steric hindrance of the phenyl group is small, and the microcrystallization temperature cannot be made ⁇ 55 ° C. or lower. Moreover, when the ratio of diphenylsiloxane exceeds 10 mol%, material cost will become high and it is economically disadvantageous.
  • the physical properties of the silicone gel 8 are such that the resin strength at room temperature is 0.12 MPa or more, the microcrystallization temperature is ⁇ 55 ° C. or less, and the penetration after storage at high temperature. Therefore, the generation of cracks in the silicone gel 8 can be prevented in the temperature cycle, and a highly reliable power semiconductor device can be obtained.
  • Embodiment 2 in the second embodiment, in the first embodiment, two 5 cm ⁇ 4 cm insulating substrates 2 are joined to the base plate 1 having an outer shape of 14 cm ⁇ 10 cm, the case 6 has a height of 4 cm, and the silicone gel 8 has a thickness of 2 cm. It is different that it was sealed with. Even in such a configuration, the reliability of the power semiconductor device 100 can be improved.
  • Table 2 shows the prototype specifications and temperature cycle test results of the power semiconductor device using this embodiment.
  • the physical properties of the silicone gel 8 are such that the resin strength at room temperature is 0.12 MPa or more, the microcrystallization temperature is ⁇ 55 ° C. or less, and the penetration after storage at high temperature. Therefore, the generation of cracks in the silicone gel 8 can be prevented in the temperature cycle, and a highly reliable power semiconductor device can be obtained.
  • Embodiment 3 FIG.
  • the third embodiment is different from the second embodiment in that the base plate 1 is a cooler 10. Since the cooler 10 is directly joined to the power semiconductor device, the thermal resistance is small, the heat dissipation characteristics are improved, and the reliability can be improved.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view showing a power semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
  • a power semiconductor device 200 includes an insulating substrate 2, a chip 3 that is a semiconductor element, a bonding wire 4 that is a metal wiring, a main electrode 5, a case member 6, a lid 7 that is a lid material, and silicone that is a sealing resin.
  • the gel 8 includes a cooler 10 that is a metal member.
  • the cooler 10 can be made of, for example, a composite material made of aluminum and ceramics such as aluminum and aluminum alloy, copper and copper alloy, and AlSiC.
  • aluminum and aluminum alloys are preferable from the viewpoints of thermal conductivity, workability, and light weight.
  • Table 3 shows the prototype specifications and temperature cycle test results of the power semiconductor device using this embodiment.
  • the physical properties of the silicone gel 8 are such that the resin strength at room temperature is 0.12 MPa or more, the microcrystallization temperature is ⁇ 55 ° C. or less, and the penetration after storage at high temperature. Therefore, the generation of cracks in the silicone gel 8 can be prevented in the temperature cycle, and a highly reliable power semiconductor device can be obtained.

Abstract

電力用半導体装置の温度サイクルや高温保存においてシリコーンゲルのクラック発生を防止し、耐熱性や信頼性の高い電力用半導体装置を得る。上面に金属層２２が形成された絶縁基板２と、金属層２２の上面に接合された半導体素子３および主電極５と、金属層２２と半導体素子３とを接続する金属配線４と、絶縁基板２の下面側に接合された金属部材１と、絶縁基板２を取り囲み、金属部材１の絶縁基板２が接合された面と接するケース部材６と、金属部材１とケース部材６とで囲まれた領域に充填され、室温での樹脂強度が０．１２ＭＰａ以上、微結晶化温度は-５５℃以下、１７５℃で１０００時間保存後の針入度は３０以上５０以下であり、絶縁基板２と金属層２２と半導体素子３と金属配線４と主電極５とを封止する封止樹脂８とを備える。

Description

電力用半導体装置
　この発明は、シリコーンゲル封止型の電力用半導体装置に関する。
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電力用半導体装置は、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、電力用半導体装置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）、といった電力用半導体装置の高性能化への要求が高まってきている。
　電力用半導体装置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。ケース型の電力用半導体装置は、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。電力用半導体装置内部に実装されたパワー半導体素子は、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、電力用半導体装置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。
　従来の電力用半導体装置では、ケース内の半導体素子をシリコーンゲルにより封止もしくは充填しており、シリコーンゲルの２５℃、せん断周波数０.１Ｈｚにおける損失弾性率が１.０×１０３～１.０×１０５ｄｙｎｅ／ｃｍ2であり、かつ、複素弾性率が１.０×１０６ｄｙｎｅ／ｃｍ2以下である（特許文献1参照）。
特開平１１－４０７０３号公報（第３頁、第１図）
　電力用半導体装置は、使用温度範囲が拡大（高温化、低温化）している。電力用半導体装置の高電力密度化に対応するためには、パワー半導体素子の高温動作化が必須であり、パワー半導体素子は従来の１５０℃動作から１７５℃動作へ移行している。また、電力用半導体装置の使用環境の広がりによる耐環境性への対応から、－５５℃までの極低温環境での使用要求が高まっている。この拡大した－５５℃から１７５℃までの使用温度範囲で電力用半導体装置の信頼性を確保する必要がある。
　電力用半導体装置の－５５℃から１７５℃までの温度範囲における信頼性確認のための加速試験として、低温側－５５℃、高温側１７５℃の温度範囲で温度サイクル試験が実施される。しかし、シリコーンゲルで封止した電力用半導体装置は、温度サイクル試験や高温保存試験において、シリコーンゲル封止材のクラックが発生して絶縁信頼性が低下することがある。特に、電車用などの大型の半導体装置を低温側－５５℃、高温側１７５℃の温度範囲で温度サイクル試験を行った場合、熱膨張係数が大きいシリコーンゲルと電力用半導体装置の各部材との熱膨張係数の差に起因する熱応力が大きいためシリコーンゲル封止材にクラックが発生して絶縁信頼性が低下するという問題点が発生する場合があった。
　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、シリコーンゲル封止材のクラック発生を抑制することで、耐熱性や信頼性の向上が可能なシリコーンゲル封止型の電力用半導体装置を得るものである。
　この発明に係る電力用半導体装置は、上面に金属層が形成された絶縁基板と、金属層の上面に接合された半導体素子および主電極と、金属層と半導体素子とを接続する金属配線と、絶縁基板の下面側に接合された金属部材と、絶縁基板を取り囲み金属部材の絶縁基板が接合された面と接するケース部材と、金属部材とケース部材とで囲まれた領域に充填され、室温での樹脂強度が０．１２ＭＰａ以上、微結晶化温度は-５５℃以下、１７５℃で１０００時間保存後の針入度は３０以上５０以下であり、絶縁基板と金属層と半導体素子と金属配線と主電極とを封止する封止樹脂と、を備えたことを特徴とする。
　この発明によれば、電力用半導体装置の温度サイクル試験や高温保存試験においてシリコーンゲル封止材料のクラック発生を抑制でき、耐熱性や信頼性の高い電力用半導体装置を得ることが可能となる。
この発明の実施の形態１における電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態1における温度サイクル試験でシリコーンゲルにクラックが発生した場合の電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。 この発明の実施の形態３における電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す断面模式図である。図において、電力用半導体装置１００は、電力用半導体装置１００は、金属部材であるベース板１、絶縁基板２、半導体素子であるチップ３、金属配線であるボンディングワイヤ４、主電極５、ケース部材６、蓋材である蓋７、封止樹脂であるシリコーンゲル８を備える。
　図１に示すように、ベース板１に絶縁基板２がはんだ（図示せず）で接合され、絶縁基板２上にはチップ３がはんだで（図示せず）で接合されている。チップ３にはボンディングワイヤ４で配線され、絶縁基板２は主電極５がはんだで（図示せず）配線されている。ベース板１にケース６が接着剤（図示せず）で接着されており、ケース６には蓋７が接着剤（図示せず）で接着されている。更に、ベース板１とケース６とで囲まれた領域内に配置された絶縁基板２、チップ３、ボンディングワイヤ４および主電極５がシリコーンゲル８で封止されている。
　ベース板１は、例えば、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銅および銅合金、ＡｌＳｉＣなどのアルミニウムとセラミックスからなる複合材料を用いることができる。特に、熱伝導性の点から銅および銅合金が好ましく、軽量で低熱膨張の点からＡｌＳｉＣ複合材料がより好ましい。
　絶縁基板２は、セラミック板２１の両面に金属の導体層２２，２３が形成されている。セラミック板２１としては、窒化ケイ素（ＳＮ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、アルミナ、Ｚｒ含有アルミナを用いることができる。特に、熱伝導性の点からＡｌＮ、ＳＮが好ましく、材料強度の点からＳＮがより好ましい。絶縁基板２は、はんだを用いてベース板１上に接合される。接合材としては、はんだ以外に焼結銀や液相拡散材料が適用可能である。ベース板１上へは、１枚の絶縁基板２を接合しても良く、電流密度等により複数枚の絶縁基板２を用いても良い。
　導体層２２，２３は、電気伝導、熱伝導性に優れた金属、例えば、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銅および銅合金を用いることができる。特に、熱伝導、電気伝導の観点から銅を用いるのが好ましい。
　チップ３と絶縁基板２との接合は、はんだ以外に焼結銀や液相拡散材料が適用可能である。焼結銀や液相拡散材料は、はんだ材料に比較して溶融温度が高く、電力用半導体装置の動作温度の高温化が可能となる。焼結銀は熱伝導性がはんだより良好なため、チップの放熱性が向上して信頼性が向上する。液相拡散材料は、焼結銀より低荷重で接合できるためプロセス性が良好で、接合荷重によるチップへのダメージが防止可能となる。
　ボンディングワイヤ４は、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銅および銅合金を用いることができる。
　主電極５は、例えば、厚み１.０ｍｍの銅板を、エッチングや金型打ち抜きなどで所定の形状に加工したものが使用可能である。
　ケース６や蓋７は、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙ　Ｅｔｈｙｌｅｎｅ　Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）－ＰＢＴ（Ｐｏｌｙ　Ｂｕｔｙｌｅｎｅ　Ｔｅｒｅｐｈｔａｌａｔｅ）、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ　Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Sｕｌｆｉｄｅ）、液晶ポリマーなどの熱可塑性樹脂の成型物を用いることができる。特に、絶縁性、難燃性の点からＰＰＳが好ましく、耐熱性の点から液晶ポリマーが好ましい。ケース６は、絶縁基板２を取り囲むように、ベース板１の外周縁部の全周に配置される。絶縁基板２が複数枚ある場合、ケース６は、一括して複数枚の絶縁基板２を取り囲んでいる。ケース６は、ベース板１に接着材等を用いて接着されている。
　シリコーンゲル８は、メチルビニルシロキサンポリマーのビニル基とメチルハイドロジェンポリマーの付加反応型である。付加反応型のシリコーンゲルは、短時間硬化、硬化反応で水やアルコールなどの反応副生成物がなく絶縁信頼性確保の観点で好ましい。
　電力用半導体装置１００は、外形２５ｃｍ×１４ｃｍのベース板１に、５．７ｃｍ×４．８ｃｍの絶縁基板２を８枚接合している。ケース６高さは４．５ｃｍで、ケース６内にはシリコーンゲル８が２．７ｃｍの厚さで封止されている。
　また、蓋７には格子状の凸部が形成されており、凸部一部がシリコーンゲル８中に埋没している。電力用半導体装置１００が大きく、シリコーンゲル８の封止厚が厚いため、振動試験において、シリコーンゲル８自体が大きく振動する。このシリコーンゲル８自体の振動でボンディングワイヤ４が断線する不良が発生する。このため、蓋７に形成した格子状の凸部をシリコーンゲル８に挿入させ、シリコーンゲル８を固定することによりシリコーンゲル８の振動を低減して、ボンディングワイヤ４の断線を防止している。なお、電力用半導体装置１００の大きさが大きくなく、シリコーンゲル８の振動が問題ない場合は、格子状の凸部がなくても良い。
　電力用半導体装置１００の封止に用いたシリコーンゲル８の硬化物特性は以下に示す方法で測定した。
　シリコーンゲル８硬化物の針入度測定は、自動針入度試験器(ＲＰＮ－２０１：離合社製)の１／４ コーン(９．３８ｇ)により行った。測定方法はＪＩＳ－Ｋ２２３５(ちょう度試験)に準拠し、５秒間での１／４ コーンのシリコーンゲルへ進入する距離を計測し、０．１ｍｍを１単位とした。測定サンプルは、Φ７０ｍｍのガラスシャーレに２０ｍｍ厚でシリコーンゲル８硬化物を作製したものを用いた。測定方法からもわかるように針入度はシリコーンゲル８の硬さ示す測定値である。シリコーンゲル８は温度サイクル試験や高温保存試験で熱履歴を受けるとシリコーンゲル８が硬くなる硬化劣化が発生する。硬化劣化が進みシリコーンゲル８が硬くなると（針入度の値が小さくなる）、シリコーンゲル８が脆くなりシリコーンゲル８のクラック発生の要因となる。本評価では、初期、１７５℃で所定時間後の針入度を測定して、シリコーンゲル８硬化物の硬化劣化の指標とした。ここで、高温とは、電力用半導体装置の使用温度の高温側の最大値（上限値）のことであり、高温保存とは、この高温側の温度で保持することである。また、本明細書において電力用半導体装置の使用温度とは、実際に電力用半導体装置が使用される際の温度ではなく、電力用半導体装置の設計仕様で定められている使用温度（温度範囲）を指すこととする。
　シリコーンゲル８硬化物の硬さを示す指標としては、針入度以外に粘弾性測定装置のパラレルプレート法で測定する損失弾性率がある。
　粘弾性測定装置のパラレルプレート法での損失弾性率測定の周波数は、０．１Ｈｚ～１．０Ｈｚである。周波数は次式で表せるので、周波数ｆ（Ｈｚ）＝１／Ｔ（ｓｅｃ）、０．１Ｈｚ～１．０Ｈｚは１～１０秒の周期での弾性率測定となる。実際の温度サイクル試験は低温側、高温側各１時間保持する２時間周期の条件で行うので、約０．００００６９Ｈｚ（＝１／１４４００ｓｅｃ）での試験である。シリコーンゲル硬化物の損失弾性率は測定周波数に依存して変化するため、温度サイクル試験条件や実使用条件での非常に低い周波数での弾性率と粘弾性測定装置のパラレルプレート法での損失弾性率測定値には乖離がある。
　また、測定サンプル形状は一般的に、直径２０ｍｍ、厚さ５～６ｍｍの小さな円板形状のサンプルを用いて測定する。実電力用半導体装置では、ケース６とベース板１とで形成された空間部分にシリコーンゲル８を注入して硬化している。シリコーンゲル８の硬化劣化の進行は、大気中の酸素の影響を受けるため、円板形状のシリコーンゲル８単体サンプルと電力用半導体装置のケース６とベース板１とで囲われたシリコーンゲル８では大きな違いが発生する。一方、針入度測定用のサンプルはΦ７０ｍｍのガラスシャーレに２０ｍｍ厚でシリコーンゲル８硬化物を作製したもので、電力用半導体装置でのシリコーンゲル８の硬化劣化現象がほぼ再現できる。
　以上の理由から、高温保存後の針入度は電力用半導体装置での温度サイクル試験でのクラック発生との相関が高く、高温保存後の針入度をシリコーン８のクラック発生の指標値とした。
　シリコーンゲル８硬化物の微結晶化温度は示差走査熱量計(ＤＳＣ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ)(ＤＳＣ７０００ｘ:日立ハイテクサイエンス社製）により行った。測定条件は、Ｎ２雰囲気下３℃／ｍｉｎで－８０℃から１００℃まで昇温して、低温領域の吸熱ピークからシリコーンゲル硬化物の微結晶化温度を求めた。
　シリコーンゲル８硬化物の性状は、室温では柔らかいゲル状であるが、低温領域ではシリコーン鎖の熱運動が減少してシリコーンゲル８が部分的に微結晶化する。そして、微結晶化温度以下では、シリコーンゲル８は部分的に微結晶化してゲル状ではなく硬くて脆いゴム状となる。微結晶化温度以下ではシリコーンゲル８が硬く脆いため、微結晶化温度以下で電力用半導体装置を使用するとシリコーンゲル８のクラック発生の要因となる。そのため、シリコーンゲル８の微結晶化温度は、電力用半導体装置を使用する低温側の使用温度（低温使用温度）以下に設定しておく必要がある。なお、低温側の使用温度（低温仕様温度）とは、電力用半導体装置の使用温度の最小値（下限値）である。また、室温とは、一般的に２０℃から２５℃程度の範囲のことである。
　シリコーンゲル硬化物の樹脂強度測定は、オートグラフ（ＡＧ－ＩＳ　島津製作所社製）を用い、アルミ板をシリコーンゲル硬化物で接着したサンプルでの剪断接着試験で行った。剪断接着試験サンプルは、フッ素テープで被着体のアルミ板に２０ｍｍ×４０ｍｍ×０．２４ｍｍｔのスペーサ兼ダムを形成して、約０．５ｇのシリコーンゲル８を塗布して、もう一方のアルミ板で挟み込んでクリップで固定後シリコーンゲル８を硬化することにより作製した。測定は室温で引張速度５ｍｍ／ｍｉｎで行い最大試験力を測定した。破断後サンプルの破壊モードはいずれもシリコーンゲル８の凝集破壊であった。破壊モードがシリコーンゲル８の凝集破壊であったため、この最大試験力をシリコーンゲル８の樹脂強度とした。
　信頼性評価は、温度サイクル試験を実施した。温度サイクル試験は、冷熱衝撃試験装置を用いて実施した。温度サイクル試験は、低温側－５５℃、高温側１７５℃で各１時間保持する条件で１０００サイクル行った。１０００サイクル完了後、シリコーンゲル８のクラックの有無を外観観察で確認した。
　温度サイクル試験は、樹脂強度、微結晶化温度、１７５℃高温保存後の針入度の異なる１０種類のシリコーンゲルを用いて行った。
　図２は、この発明の実施の形態1における温度サイクル試験でシリコーンゲルにクラックが発生した場合の電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、電力用半導体装置１００は、金属部材であるベース板１、絶縁基板２、半導体素子であるチップ３、金属配線であるボンディングワイヤ４、主電極５、ケース部材６、蓋材である蓋７、封止樹脂であるシリコーンゲル８、クラック９を備える。図より、シリコーンゲル８が温度サイクル試験により劣化すると、蓋７の突出部や主電極５の端部を起点として、シリコーンゲル８内部にクラック９を発生させる。このクラック９により、電力用半導体装置１００の信頼性が劣化する。
　表１は、本実施の形態を用いた電力用半導体装置の試作仕様と温度サイクル試験結果である。
　表１の温度サイクル試験結果において、温度サイクル後にシリコーンゲル８にクラックが観察されない場合は「○」、シリコーンゲル８のクラックが観察された場合「×」で示した。
　温度サイクル試験結果と樹脂強度、微結晶化温度、１７５℃高温保存後の針入度の特性値を考察の結果、樹脂強度、微結晶化温度、１７５℃高温保存後の針入度はいずれも、温度サイクル試験でのシリコーンゲル８のクラック発生と相関があることがわかった。樹脂強度、微結晶化温度、１７５℃高温保存後の針入度のそれぞれの特性値には最適領域があり、この３つの最適領域の重なった領域でシリコーンゲル８のクラックが防止可能であることがわかった。
　表１に示したケース１～１０の１７５℃で１０００時間高温保存した針入度測定サンプルは、いずれのサンプルにおいてもシリコーンゲル８にクラック発生はみられなかった。しかし、ケース１～６、ケース１０の場合、温度サイクル試験において、シリコーンゲル８にクラックが発生した。このことより、シリコーンゲル８のクラック評価としては、温度サイクル試験の方が厳しく、高温保存試験でクラック防止可能な最適領域よりも温度サイクル試験でのクラック防止可能な最適領域はより限定されることがわかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　樹脂強度に関しては、０．１２ＭＰａ以上が最適領域である。微結晶化温度に関しては、－５５℃以下が最適領域である。高温保存後の針入度に関しては、３０以上が最適領域である。この３項目の特性値が最適領域である、ケース７,８,９において温度サイクル試験でシリコーンゲル８のクラックが防止可能であった。電力用半導体装置の温度サイクルにおいてシリコーンゲル封止材料のクラック発生が防止でき、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
　シリコーンゲル８の樹脂強度が不足すると、熱応力によりシリコーンゲル８にクラックが発生する。樹脂強度に関しては、０．１２ＭＰａ以上が最適領域である。
　シリコーンゲル８の樹脂強度は、シリコーンゲル８の化学構造、架橋密度の適正化により樹脂強度を０．１２ＭＰａ以上にすることが可能である。シリコーンゲル８の化学構造としては、ジメチルシロキサンのポリマーからなるが、このジメチルシロキサンの一部をジフェニルシロキサンとすることにより樹脂強度を向上可能である。
　また、シリコーンゲルは、メチルビニルシリキサンポリマーのビニル基とメチルハイドロジェンポリマーの付加反応により架橋するが、架橋密度は、シリコーンゲル８のポリマー中のモル分率で０．３から１．３ｍｏｌ％であることが好ましい。０．３ｍｏｌ％より架橋密度が低い場合は、樹脂強度が不足しシリコーンゲル８のクラックが発生し、１．３ｍｏｌ％より高い場合は、シリコーンゲル８が硬く、脆くなり、シリコーンゲル８のクラックが発生する。
　樹脂強度は高い方が熱応力により発生するシリコーンゲル８のクラックの防止には有効であるが、樹脂強度を高くしていくと高温保存での硬化劣化が発生しやすくなり、１７５℃で１０００ＨＲ保存後の針入度を３０以上にすることが困難となる。樹脂強度と１７５℃で１０００ＨＲ保存後の針入度のバランスを保持可能な領域で考えると、樹脂強度の上限は０．６ＭＰａ以下が好ましい。
　シリコーンゲル８は温度サイクル試験で１７５℃の熱履歴を受けるとシリコーンゲル８が硬くなる硬化劣化が発生する。硬化劣化が進みシリコーンゲル８が硬くなると、シリコーンゲル８が脆くなりシリコーンゲル８のクラック発生が発生する。１７５℃で１０００ＨＲ保存後の針入度で見ると３０以上が最適領域であることがわかった。
　ケース１０のシリコーンゲル８は、温度サイクル試験前の針入度は７０で、１７５℃で１０００時間保存後の針入度は２０で、温度サイクル試験でシリコーンゲル８にクラックが発生した。これは、温度サイクル試験の温度履歴によりシリコーンゲル８の硬化劣化が進行して、シリコーンゲル８が脆くなり、温度サイクル試験での熱応力によりシリコーンゲル８のクラックが発生したと考えられる。このように、温度サイクル試験前のシリコーンゲル８の針入度が７０と３０以上の値でも、温度サイクル試験により、シリコーンゲル８にクラックが発生する。このことから、初期のシリコーンゲル８の針入度ではなく、高温保存後のシリコーンゲル８の針入度が温度サイクル試験でのシリコーンゲル８のクラック発生と相関があることがわかる。
　但し、シリコーンゲル８硬化物の針入度が７０より大きくなるとシリコーンゲル８が非常に柔らかいため電力用半導体装置が熱履歴を受けた場合にシリコーンゲル８中に気泡が発生しやすくなる。シリコーンゲル８に気泡が発生すると電力用半導体装置の絶縁特性が低下するため、シリコーンゲルの気泡発生を防止する観点から、１７５℃で１０００ＨＲ保存後の針入度で見ると７０以下が好ましい。
　シリコーンゲルに耐熱性向上剤を添加することにより１７５℃高温保存後の針入度を３０以上にすることが可能である。耐熱性向上剤としては、チタン、セリウム、鉄、ニッケルなどの金属錯体があり、単体または混合物が使用可能である。１７５℃高温保存後の針入度の変化を防止するためには、セリウム錯体、鉄錯体が好ましい。
　シリコーンゲル８の性状は、室温では柔らかいゲル状であるが、低温領域ではシリコーン鎖の熱運動が減少してシリコーンゲル８が部分的に微結晶化する。微結晶化温度以下では、シリコーンゲル８は部分的に微結晶化してゲル状ではなく硬くて脆いゴム状となる。微結晶化温度以下ではシリコーンゲル８が硬く脆いため、微結晶化温度以下で電力用半導体装置を使用するとシリコーンゲル８のクラックの発生の要因となる。温度サイクル試験の低温側の温度は－５５℃であるため、微結晶化温度は－５５℃以下が最適領域である。
　シリコーンゲル８の化学構造の適正化により微結晶化温度を－５５℃以下にすることが可能である。シリコーンゲル８の化学構造は、ジメチルシロキサンのポリマーからなるが、このジメチルシロキサンの一部をジフェニルシロキサンとすることにより、低温状態でフェニル基の立体障害によりシリコーンゲルポリマーが規則的に整列できなくなり、低温でも微結晶を生成することなく微結晶化温度を－５５℃以下にすることが可能となる。
　ジフェニルシロキサンの割合は、シリコーンゲルポリマーのモル比で、４ｍｏｌ％から１０ｍｏｌ％であることが好ましい。シリコーンゲルポリマーのモル比で、４ｍｏｌ％未満であるとフェニル基の立体障害による微結晶化の抑制効果が少なく、微結晶化温度を－５５℃以下にすることできない。また、ジフェニルシロキサンの割合が１０ｍｏｌ％より多くすると材料コストが高くなり、経済的に不利である。
　以上のように構成された電力用半導体装置１００では、シリコーンゲル８の物性値を室温での樹脂強度が０．１２ＭＰａ以上、微結晶化温度が－５５℃以下、および高温保存後の針入度が３０以上としたので、温度サイクルにおいてシリコーンゲル８のクラック発生が防止でき、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることが可能となる。
実施の形態２．
　実施の形態２は、実施の形態１において、外形１４ｃｍ×１０ｃｍのベース板１に、５ｃｍ×４ｃｍの絶縁基板２が２枚接合され、ケース６高さは４ｃｍでシリコーンゲル８が２ｃｍの厚さで封止したことが異なる。このような構成にした場合においても、電力用半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。
　表２は、本実施の形態を用いた電力用半導体装置の試作仕様と温度サイクル試験結果である。
　表２の温度サイクル試験結果において、温度サイクル後にシリコーンゲル８のクラックが観察されない場合は「○」、シリコーンゲル８のクラックが観察された場合「×」で示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　温度サイクル試験結果と樹脂強度、微結晶化温度、１７５℃高温保存後の針入度の特性値を考察の結果、樹脂強度、微結晶化温度、１７５℃高温保存後の針入度はいずれも、温度サイクル試験でのシリコーンゲル８のクラック発生と相関があることがわかった。樹脂強度、微結晶化温度、１７５℃高温保存後の針入度のそれぞれの特性値には最適領域があり、この３つの最適領域の重なった領域でシリコーンゲル８のクラックが防止可能であることがわかった。
　樹脂強度に関しては、０．１２ＭＰａ以上が最適領域である。微結晶化温度に関しては、－５５℃以下が最適領域である。高温保存後の針入度に関しては、３０以上が最適領域である。この３項目の特性値が最適領域である、ケース１７,１８,１９において温度サイクル試験でシリコーンゲル８のクラックが防止可能であった。電力用半導体装置１００の温度サイクルにおいてシリコーンゲル８封止材料のクラック発生が防止でき、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
　以上のように構成された電力用半導体装置１００では、シリコーンゲル８の物性値を室温での樹脂強度が０．１２ＭＰａ以上、微結晶化温度が－５５℃以下、および高温保存後の針入度が３０以上としたので、温度サイクルにおいてシリコーンゲル８のクラック発生が防止でき、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることが可能となる。
実施の形態３．
　本実施の形態３は、実施の形態２において、ベース板１を冷却器１０としたことが異なる。電力用半導体装置に対して冷却器１０が直接接合されているため、熱抵抗が小さく放熱特性が向上して信頼性が向上することができる。
　図３は、この発明の実施の形態３における電力用半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、電力用半導体装置２００は、絶縁基板２、半導体素子であるチップ３、金属配線であるボンディングワイヤ４、主電極５、ケース部材６、蓋材である蓋７、封止樹脂であるシリコーンゲル８、金属部材である冷却器１０を備える。
　冷却器１０は、例えば、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銅および銅合金、ＡｌＳｉＣなどのアルミニウムとセラミックスからなる複合材料を用いることができる。特に、熱伝導性、加工性、軽量の点からアルミニウムおよびアルミニウム合金が好ましい。
　表３は、本実施の形態を用いた電力用半導体装置の試作仕様と温度サイクル試験結果である。
　表３の温度サイクル試験結果において、温度サイクル後にシリコーンゲル８のクラックが観察されない場合は「○」、シリコーンゲル８のクラックが観察された場合「×」で示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　温度サイクル試験結果と樹脂強度、微結晶化温度、１７５℃高温保存後の針入度の特性値を考察の結果、樹脂強度、微結晶化温度、１７５℃高温保存後の針入度はいずれも、温度サイクル試験でのシリコーンゲル８のクラック発生と相関があることがわかった。樹脂強度、微結晶化温度、１７５℃高温保存後の針入度のそれぞれの特性値には最適領域があり、この３つの最適領域の重なった領域でシリコーンゲル８のクラックが防止可能であることがわかった。
　樹脂強度に関しては、０．１２ＭＰａ以上が最適領域である。微結晶化温度に関しては、－５５℃以下が最適領域である。高温保存後の針入度に関しては、３０以上が最適領域である。この３項目の特性値が最適領域である、ケース２７,２８,２９において温度サイクル試験でシリコーンゲル８のクラックが防止可能であった。
　以上のように構成された電力用半導体装置２００では、シリコーンゲル８の物性値を室温での樹脂強度が０．１２ＭＰａ以上、微結晶化温度が－５５℃以下、および高温保存後の針入度が３０以上としたので、温度サイクルにおいてシリコーンゲル８のクラック発生が防止でき、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることが可能となる。
　１　ベース板、２　絶縁基板、３　チップ、４　ボンディングワイヤ、５　主電極、６　ケース、７　蓋、８　シリコーンゲル、９　シリコーンゲルクラック、１０　冷却器、２１　セラミックス板、２２，２３　導体層、１００，２００　電力用半導体装置。

Claims (5)

  1. 上面に金属層が形成された絶縁基板と、
    前記金属層の上面に接合された半導体素子および主電極と、
    前記金属層と前記半導体素子とを接続する金属配線と、
    前記絶縁基板の下面側に接合された金属部材と、
    前記絶縁基板を取り囲み前記金属部材と接着されたケース部材と、
    前記金属部材と前記ケース部材とで囲まれた領域に充填され、室温での樹脂強度は０．１２ＭＰａ以上、微結晶化温度は-５５℃以下、１７５℃で１０００時間保存後の針入度は３０以上５０以下であり、前記絶縁基板と前記金属層と前記半導体素子と前記金属配線と前記主電極とを封止する封止樹脂と、
    を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
  2. 前記封止樹脂は、ジフェニルシロキサンの割合が前記封止樹脂中のモル分率で、４ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下、メチルビニルシリキサンのビニル基とメチルハイドロジェンシロキサンとの付加反応による架橋密度が、前記封止樹脂中のモル分率で０．３ｍｏｌ％以上１．３ｍｏｌ％以下、および鉄錯体の耐熱性向上剤を配合したシリコーンゲルであることを特徴とする請求項1記載の電力用半導体装置。
  3. 前記金属部材は、冷却用フィンを有する冷却器であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
  4. 前記絶縁基板は、前記ベース板に複数個接合され前記複数の絶縁基板を一括して前記ケース部材で取り囲んだことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  5. 前記封止樹脂の上面を覆い、前記封止樹脂に挿入される凸部を有し、前記ケース部材と固着された蓋材を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
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