(57)【要約】【課題】冷熱サイクルやパワーモジュール駆動時の繰り返し振動に対する、基板や半導体素子、接続導線等の封止性能に優れ、接続導線の断線等の課題が生じ得ない、パワーモジュールを提供する。【解決手段】基板（回路基板２）の一側面に半導体素子１が搭載され、該基板２と該半導体素子１とを導線３が繋いでいる、パワーモジュール１０であり、少なくとも、基板２の一側面の表面、および、半導体素子１の表面、および、導線３の表面にそれぞれ、封止皮膜８が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一側面に半導体素子が搭載され、該基板と該半導体素子とを導線が繋いでいる、パワーモジュールにおいて、
少なくとも、基板の前記一側面の表面、および、前記半導体素子の表面、および、前記導線の表面にそれぞれ、封止皮膜が形成されている、パワーモジュール。
【請求項２】
前記封止皮膜が、ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂のいずれか一種から形成されている、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記基板は、回路基板、もしくは回路基板と絶縁基板の積層体、もしくは回路基板と絶縁基板と応力緩和基板の積層体、のいずれか一種からなる、請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、封止用のポッティング材が廃された、パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子を搭載したパワーモジュールは、半導体素子表面や回路基板表面等にモールド樹脂体等が成形され、その絶縁性が保証されている。
【０００３】
ここで、パワーモジュールは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板や純アルミニウム板の積層体からなる絶縁基板の一側面に半導体素子がはんだ付けされ、絶縁基板の他側面には半導体素子からの熱を絶縁基板を介して放熱するための冷却器がはんだ付けもしくは接着剤にて接合されている。なお、この冷却器は、板状のヒートシンクのほか、冷水等の冷媒を還流させる機能を備えたもの、さらにはそれらが組み合わされたものなど、多様な形態が存在する。
【０００４】
たとえば、パワーモジュールがハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される場合には、長期に亘り、しかも寒暖差が極めて激しい冷熱サイクルに対してその耐久性の確保が要求される。たとえば、特許文献１に開示の封止樹脂型電子装置では、回路基板とパワー素子を有し、トランスファモールドで一体化した樹脂封止型電子装置が開示されており、この装置は、ポリイミド系またはポリアミドイミド系コーティングを施したパワー素子を使用してモールド樹脂との密着性を向上させることにより、パワー素子部にかかる応力を緩和させる、というものである。
【０００５】
しかし、実際には、ポリイミド系またはポリアミドイミド系コーティングそのものが高剛性であること、全体がモールド樹脂にてポッティングされていること、より、上記冷熱サイクルやパワーモジュール駆動時の繰り返し振動を受けた際に、この高剛性のコーティング層とモールド樹脂体の双方にクラックが生じ易いという課題を有している。モールド樹脂体にクラックが生じると、このクラックを起点として割裂や剥離が助長されたり、クラックを介して外部から水が浸入し、パワーモジュールがショートしてしまう等の問題が生じ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１５６８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、ポッティング材による比較的高剛性のモールド樹脂体が上記クラックを生じ易いという課題を解消するべく、変形性能に富むゲル状のポッティング材、たとえば、常温時においてゲル状のシリコーン樹脂からなるポッティング材にて半導体素子等を封止したパワーモジュールも存在している。このパワーモジュールを図３を参照して説明する。
【０００８】
図３で示すパワーモジュールＰは、半導体素子ａが不図示のはんだ層を介して回路基板ｂ上に固定されるとともに、該半導体素子ａと回路基板ｂが接続導線ｃ（ボンディングワイヤ）にて接続され、回路基板ｂが絶縁基板ｄ上にろう付けされ、絶縁基板ｄは、ヒートシンク板ｅと冷媒還流路ｆ１を具備する還流器ｆとのアルミダイキャスト一体成形体上にろう付けされ、これらがセラミックスや絶縁金属製のケースｈ内に収容され、半導体素子ａや回路基板ｂの上方空間にシリコーン樹脂からなるゲル状ポッティング材ｇが成形され、その全体が構成されている。
【０００９】
このゲル状ポッティング材ｇによっても、パワーモジュールＰを構成する半導体素子ａや回路基板ｂ、絶縁基板ｄ等の絶縁性の確保、防塵や防湿が担保される。
【００１０】
しかし、たとえば上記するパワーモジュールＰの駆動時の繰り返し振動の際に（Ｘ方向）、このゲル状ポッティング材ｇには振動に起因する慣性力が作用し、ゲル状ポッティング材ｇが大きく遊動することが本発明者等によって特定されている。この遊動作用（Ｘ方向）により、ゲル状ポッティング材ｇに剥離が生じたり、その一部が飛散するといった課題が生じ得ることも同様に特定されている。さらには、遊動したゲル状ポッティング材ｇにより、接続導線ｃに引張力や圧縮力、ねじり等の外力Ｑが作用し、この外力Ｑによって接続導線ｃが断線してしまい、インバータの停止に繋がるといった危険性も危惧される。
【００１１】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、冷熱サイクルやパワーモジュール駆動時の繰り返し振動に対する、基板や半導体素子、接続導線等の封止性能に優れ、接続導線の断線等の課題が生じ得ない、パワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成すべく、本発明によるパワーモジュールは、基板の一側面に半導体素子が搭載され、該基板と該半導体素子とを導線が繋いでいる、パワーモジュールにおいて、少なくとも、基板の前記一側面の表面、および、前記半導体素子の表面、および、前記導線の表面にそれぞれ、封止皮膜が形成されているものである。
【００１３】
本発明において、「基板」とは、回路基板、もしくは回路基板と絶縁基板の組み合わせ、もしくは回路基板と絶縁基板と応力緩和基板の組み合わせなど、のすべてを総称するものである。また、この絶縁基板は、たとえば純アルミニウムからなる基板と窒化アルミニウムからなる基板とを積層してなる積層体（ＤＢＡ）であってもよいことは勿論のことである。
【００１４】
また、このパワーモジュールは、上記基板の下方に、ヒートシンク板や、ヒートシンク板と冷媒還流路を具備する冷却器とのアルミダイキャスト一体成形体を具備するものであってもよく、さらには、半導体素子、上記基板、ヒートシンク板等の積層体が絶縁素材（セラミックス、熱硬化性もしくは熱可塑性の樹脂素材、アルミニウムやその合金素材など）のケース内に収容されるものであっても、ケースレス構造のものであってもよい。
【００１５】
いずれにせよ、単数もしくは複数の半導体素子が基板の一側面（たとえば上面）と導線（もしくはボンディングワイヤ）を介して繋がれており、これらの表面、すなわち、基板の前記一側面の表面と、前記半導体素子の表面と、前記導線の表面にそれぞれ、封止皮膜が形成されているものであり、図３で示す従来構造のごときゲル状ポッティング材は勿論のこと、比較的高剛性のポッティング樹脂材の存在しない構造を呈するものである。なお、一般には、一つの回路基板上に比較的多数の半導体素子が載置され、これらの半導体素子と回路基板を繋ぐ導線も多数存在するものである。
【００１６】
ここで、封止皮膜は、ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂のいずれか一種から形成されるのがよい。
【００１７】
本発明者等の検証によれば、これらの素材からなる封止皮膜は、そのヤング率も比較的低く、したがって、これらの素材が硬化してなる封止皮膜も比較的低剛性であることから、パワーモジュール駆動時の繰り返し振動の際でもクラックや剥離は生じ難いことが分かっている。なお、耐熱性をも勘案すれば、３５０℃以上の耐熱性を有するシリコーン系樹脂からなる封止皮膜が好ましい。
【００１８】
さらに本発明者等は、車両に作用し得る周波数帯域条件下（振動範囲条件下）において、一定加速度にて加振された加振実験であって、かつ、車両に搭載されたパワーモジュールが受け得る温度範囲である０℃以下〜約１００℃の温度範囲にて冷熱サイクルを与えた加振実験をおこなっている。その加振実験の後に導線のシェア強度を測定した結果、従来構造のゲル状ポッティング材では、導線がすぐに破断したのに対して、上記ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂のいずれか一種からなる封止皮膜にて封止された導線は、そのシェア強度がいずれも３０００Ｎ以上の極めて高い強度を呈することが実証されている。
【００１９】
なお、基板の一側面の表面、半導体素子の表面、導線の表面のそれぞれに封止皮膜を形成する方法は、上記素材溶剤が収容された容器内に、これらの部材が組み付けられたパワーモジュールの少なくとも皮膜形成部位を浸漬させる方法や、これらの溶剤をディスペンサー等で吹き付ける方法などにより、容易に形成することができる。
【００２０】
上記する本発明のパワーモジュールによれば、極めて薄層（たとえば、数μｍ〜数十μｍの厚み）の封止皮膜にてパワーモジュール構成部材の所望部位の表面が封止されていることから、従来のポッティング材に比して封止材料を格段に少量とすることができ、製造コストの大幅な削減を図ることができる。また、極めて薄層の封止皮膜にて封止することから、従来構造のパワーモジュールに比してパワーモジュールの全体重量を格段に軽量化することができる。
【００２１】
さらに、この封止皮膜は、比較的低剛性でかつ薄層であり、所望の変形性能もしくは可撓性があることから、クラックは生じ難く、剥離の虞もなく、封止性能に優れたパワーモジュールの提供に寄与できるものである。
【００２２】
本発明のパワーモジュールは、上記のごとく封止性能に優れ、軽量で、しかも安価に製造できることから、高性能で可及的に低コストな製造が要求される、近時のハイブリッド車や電気自動車に車載されるインバータ等への適用に最適である。
【発明の効果】
【００２３】
以上の説明から理解できるように、本発明のパワーモジュールによれば、パワーモジュールの所定部材の表面を薄層の封止皮膜にて封止したことにより、材料コストに起因する製造コストを安価とでき、全体重量を軽量とでき、クラックや剥離等が生じ難い、封止性能に優れたパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のパワーモジュールを示した模式図である。
【図２】加振実験後のパワーモジュール（実施例および比較例）の接続導線のシェア強度試験結果である。
【図３】従来のパワーモジュールを示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のパワーモジュールを模式的に示した図である。
【００２６】
このパワーモジュール１０は、ヒートシンク板５と、冷水もしくは冷風、冷油などの冷媒が流れる冷媒還流路６１を具備する冷却器６と、のアルミダイキャスト一体成形体の上に絶縁基板４がろう付けされ、この絶縁基板４の上に回路基板２がろう付けされ、回路基板２の上に不図示のはんだ層を介して複数の半導体素子１，…が固定され、これらの積層体が、絶縁素材のケース７内に収容されて大略構成されている。
【００２７】
なお、絶縁基板４は、２枚の純アルミニウム板の間に窒化アルミニウム板が介在された、いわゆるＤＢＡからなるものであってもよい。
【００２８】
半導体素子１と回路基板２は、多数の導線３（ボンディングワイヤ）にて接続されている。
【００２９】
また、少なくとも、半導体素子１の表面、導線３の表面（周囲）、および回路基板２の表面には、数μｍ〜数十μｍ程度の薄層の封止皮膜８が形成されている。より具体的には、図１で示すパワーモジュール１０では、絶縁基板４の一部の表面にも封止皮膜８が形成されている。
【００３０】
この封止皮膜８は、ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂のいずれか一種から形成されるものであり、ポリオレフィン系樹脂としては、ポリエチレンやポリプロピレン、ポリα−オレフィンなど、アクリル系樹脂としては、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリメタクリル酸エステル樹脂、アクリル酸エステルなどを挙げることができる。なお、それらのヤング率は、ポリオレフィン系樹脂が８０ＭＰａ程度、アクリル系樹脂が１６０ＭＰａ程度、シリコーン系樹脂が１００ＭＰａ程度であり、これらが薄層の封止皮膜に形成された際には、変形性能に富んだ皮膜となる。
【００３１】
ここで、封止皮膜の形成方法を概説すると、各構成部材を組み付けてパワーモジュール１０の全体構成を形成後、少なくとも皮膜形成部位を、上記皮膜用溶剤が収容された容器内に浸漬させ（ディッピング）、取り出して乾燥させることにより、図示のごとき封止皮膜８が形成できる。また、その他の方法として、皮膜用溶剤をディスペンサー等で吹き付ける方法などであってもよい。
【００３２】
図１で示すパワーモジュール１０と、図３で示す従来構造のパワーモジュールＰを比較するとその構造の相違はより明瞭となるが、図３で示すゲル状ポッティング材ｇに代わって、図１のようにパワーモジュール１０では、所望の構成部材表面を数μｍ〜数十μｍ程度の薄層の封止皮膜８にて封止したことにより、パワーモジュール１０の全体重量は格段に軽量化される。さらに、ゲル状ポッティング材に比して封止皮膜８を形成する際の素材量は格段に少なくて済むことから、その製造コストを格段に廉価とできる。
【００３３】
しかも、図３で示すように、パワーモジュール駆動時にゲル状ポッティング材ｇに作用する慣性力によって導線ｃに齎される外力Ｑは、図１で示すパワーモジュール１０には生じ得ない。そのため、供用期間において導線３が駆動時の振動にて破断等される虞はなく、変形性能に富む封止皮膜８にクラックや剥離等が生じる虞もないことから、耐久性の高いパワーモジュール１０となる。
【００３４】
[加振実験後のパワーモジュール（実施例および比較例）を構成する導線のシェア強度を測定した実験と、その結果]
本発明者等は、図１で示すパワーモジュール（実施例）と、図３で示すパワーモジュール（比較例）を試作し、振動台を具備する恒温槽内に、これらのパワーモジュールをそれぞれ載置し、一定加速度で、しかも、車両に作用し得る周波数帯域条件下で、およそ２００時間加振する実験をおこなった。ここで、実施例および比較例の各パワーモジュールは、複数の半導体素子を有し、これらの半導体素子と回路基板を繋ぐ接続導線は、およそ６０本にも及んでいる。また、実施例は、封止皮膜の素材（ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂）ごとに３ケースのパワーモジュールを試作している。
【００３５】
実験は、治具にて振動台を平面位置および垂直位置に変化させ、平面２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）と鉛直方向（Ｚ方向）でパワーモジュールを加振するものとし、これらの加振実験で、以下で説明するシェア強度結果の最も厳しい結果を図２に示している。
【００３６】
この実験ではさらに、恒温槽内の温度を、０℃以下〜約１００℃の温度範囲（車両に搭載されたパワーモジュールが受け得る温度範囲）の冷熱サイクル変動温度としている。したがって、本実験は、冷熱サイクルと、可変周波数下での加振と、が同時に付与された、極めて厳しい条件下での加振実験となっている。
【００３７】
２００時間の実験後、実施例および比較例の各パワーモジュールを恒温槽内から取り出し、次いで、シェアテスターのテスト刃をパワーモジュールを構成するたとえば全本数の導線に順次引っ掛け、導線ごとに、破断する際のシェア強度（耐久）を測定した。
【００３８】
図２にそのシェア強度試験結果を示している。なお、図中、棒グラフの頂点は、被測定対象の全導線の平均値を示すものであり、その上下の実線レンジは、測定結果の最大値から最小値までのレンジを示したものである。
【００３９】
図２より、ゲル状ポッティング材を具備する比較例のパワーモジュールは、加振の途中で多数の導線が破断するとともに、ポッティング材も飛散する結果となった。
【００４０】
一方、ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂からなる封止皮膜を有する各実施例のパワーモジュールでは、２００時間経過後において、全導線が破断することなく、しかも、何等の不具合も生じていなかった。
【００４１】
シェア試験の結果は、図２で示すようにいずれの実施例も、それらの導線が３０００Ｎ以上の極めて高いシェア強度を有することが実証された。これは、比較例のように過度の外力が導線に作用しなかったこと、薄層で変形性能に富む封止皮膜を具備する導線は、十分な変形性能を有しており、繰り返し振動を受けてもその内部に歪みや内部応力（せん断応力等）がほとんど蓄積しなかったこと、などがその理由であると考えられる。
【００４２】
以上より、本発明のパワーモジュールは、可及的に廉価に製造でき、しかも高耐久で軽量なパワーモジュールである。この高性能かつ高耐久で、軽量なパワーモジュールは、搭載機器に高い性能と高い耐久性、重量低減を要求する近時のハイブリッド車や電気自動車等に車載されるインバータ等への適用に最適である。
【００４３】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１…半導体素子、２…回路基板、３…導線、４…絶縁基板、５…ヒートシンク板、６…冷却器、７…ケース、８…封止皮膜、１０…パワーモジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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