(57)【要約】      （修正有）【課題】吸湿による絶縁性の低下を防止し、長期信頼性が向上したパワーモジュールを提供する。【解決手段】金属板１と、金属板上に配置された絶縁性樹脂基板２と、絶縁性樹脂基板上に配置された配線３と、配線上に実装された半導体チップ４と、金属板、絶縁性樹脂基板、配線及び半導体チップを封止する封止樹脂５とを備え、絶縁性樹脂基板と封止樹脂との間に封止樹脂よりも透湿度の低い樹脂からなる低透湿性コーティング層７が設けられていることを特徴とするパワーモジュールである。金属板の封止樹脂と接する側面の一部１ａにまで延在するように低透湿性コーティング層を設けることで、耐湿性を更に向上させることができる。【選択図】図１
2010267794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板と、金属板上に配置された絶縁性樹脂基板と、絶縁性樹脂基板上に配置された配線と、配線上に実装された半導体チップと、金属板、絶縁性樹脂基板、配線及び半導体チップを封止する封止樹脂とを備え、絶縁性樹脂基板と封止樹脂との間に封止樹脂よりも透湿度の低い樹脂からなる低透湿性コーティング層が設けられていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記低透湿性コーティング層が、前記金属板の前記封止樹脂と接する側面の一部にまで延在するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
金属箔と、金属箔上に配置された絶縁性樹脂基板と、絶縁性樹脂基板上に配置されたヒートスプレッダと、ヒートスプレッダ上に実装された半導体チップと、金属箔、絶縁性樹脂基板、ヒートスプレッダ及び半導体チップをトランスファモールドにより封止する封止樹脂とを備え、絶縁性樹脂基板と封止樹脂との間に封止樹脂よりも透湿度の低い樹脂からなる低透湿性コーティング層が設けられていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項４】
前記低透湿性コーティング層が、ポリオレフィン樹脂又はポリビニルブチラール樹脂からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項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、吸湿による絶縁性の劣化を防止することのできるパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールは、高温、高湿や振動などの影響を受ける厳しい環境の中で使用される。特に、パワーモジュールの耐湿信頼性に対する要求は非常に厳しくなっている。中でも、有機系材料からなる絶縁基板を用い高電圧で動作するパワーモジュールにおいては、吸湿による絶縁性の低下を防止することが非常に重要である。そのため、このようなパワーモジュールの長期信頼性を確保するために、有効な防湿対策を取らなければならない。従来実施されている最も簡単な防湿対策としては、封止樹脂の表面に耐湿性コーティング層を設けることによって、封止樹脂の内部に水分が浸入するのを抑制する方法がある。しかし、そのような耐湿性コーティング層は、断熱層として作用し、パワーモジュール内部の熱を外部へ放出するのを妨げる可能性が高い。
そこで、樹脂モールド部の形状を工夫して防湿性を高めることが提案されている。例えば、特許文献１では、基板と放熱板の上面及び側面から背面までとを封止樹脂でモールドして水分の浸入経路を延長することで、吸湿による劣化を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２８４６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１で提案されるような水分の浸入経路を延長する方法は、防湿対策としては有効である。しかし、放熱効果を更に高めるために放熱板を別の放熱部材に取り付けて使用する場合、放熱板の背面に設けられたモールド部が別の放熱部材との間に隙間を生じさせ、放熱効果が十分に得られないという問題点があった。
従って、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あり、吸湿による絶縁性の低下が防止され、長期信頼性が向上したパワーモジュールを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るパワーモジュールは、金属板と、金属板上に配置された絶縁性樹脂基板と、絶縁性樹脂基板上に配置された配線と、配線上に実装された半導体チップと、金属板、絶縁性樹脂基板、配線及び半導体チップを封止する封止樹脂とを備え、絶縁性樹脂基板と封止樹脂との間に封止樹脂よりも透湿度の低い樹脂からなる低透湿性コーティング層が設けられていることを特徴とするものである。
また、本発明に係るパワーモジュールは、金属箔と、金属箔上に配置された絶縁性樹脂基板と、絶縁性樹脂基板上に配置されたヒートスプレッダと、ヒートスプレッダ上に実装された半導体チップと、金属箔、絶縁性樹脂基板、ヒートスプレッダ及び半導体チップをトランスファモールドにより封止する封止樹脂とを備え、絶縁性樹脂基板と封止樹脂との間に封止樹脂よりも透湿度の低い樹脂からなる低透湿性コーティング層が設けられていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、低透湿性コーティング層を絶縁性樹脂基板と封止樹脂との間に設けたことにより、吸湿による絶縁性の低下が防止され、長期信頼性が向上し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】
【０００７】
【図１】本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの模式断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係るパワーモジュールの模式断面図である。
【図３】実施例１及び比較例１で得られたパワーモジュールの評価結果である
【図４】実施例２及び比較例２で得られたパワーモジュールの評価結果である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの模式断面図である。図１において、実施の形態１に係るパワーモジュールは、金属板１と、金属板１上に密着して配置された絶縁性樹脂基板２と、絶縁性樹脂基板２上に密着して配置された配線３と、配線３上に実装された半導体チップ４と、金属板１、絶縁性樹脂基板２、配線３及び半導体チップ４を封止する封止樹脂５と、これらを囲うように取り付けられたケース６とを備えており、絶縁性樹脂基板２と封止樹脂５との間には、封止樹脂５よりも透湿度の低い樹脂からなる低透湿性コーティング層７が設けられている。この低透湿性コーティング層７は、封止樹脂５の外に露出しないように形成されている。
【０００９】
このように、低透湿性コーティング層７を絶縁性樹脂基板２と封止樹脂５との間に設けることで、封止樹脂５の大気と接する表面５ａからの絶縁性樹脂基板２への水分の浸入が抑制され、長期信頼性が向上したパワーモジュールとすることができる。より詳細には、封止樹脂５の大気と接する表面５ａから浸入した水分は、低透湿性コーティング層７を通過するか又は低透湿性コーティング層７と配線３との界面３ａから絶縁性樹脂基板２内に浸入することになると考えられるが、低透湿性コーティング層７の透湿度が封止樹脂５と比べて低いので、水分が絶縁性樹脂基板２内に浸入するまでに時間が掛かり、吸湿による絶縁性樹脂基板２の電気的特性の劣化が起こり難くなる。
【００１０】
また、この低透湿性コーティング層７を、図１に示されるように、金属板１の上面と下面とで挟まれた側面の一部１ｂにまで延在するように設けることで、絶縁性樹脂基板２への水分の浸入が更に抑制されるので、パワーモジュールの耐湿信頼性を更に高めることができる。より詳細には、金属板１とケース６との界面６ａから浸入した水分は、封止樹脂５と金属板１との界面１ａ及び低透湿性コーティング層７と金属板１との界面１ｂに沿って絶縁性樹脂基板２内に浸入するか又は封止樹脂５と金属板１との界面１ａ、封止樹脂５と低透湿性コーティング層７との界面７ａ及び低透湿性コーティング層７と配線３との界面３ａに沿って絶縁性樹脂基板２内に浸入することになると考えられるが、水分の侵入経路上に低透湿性コーティング層７が長く形成されているので、水分が絶縁性樹脂基板２内に浸入するまでにはかなりの時間が掛かり、吸湿による絶縁性樹脂基板２の電気的特性の劣化が更に起こり難くなる。
【００１１】
一方、低透湿性コーティング層７を設けない場合には、封止樹脂５の大気と接する表面５ａ及び金属板１とケース６との界面６ａから浸入した水分は、絶縁性樹脂基板２内に容易に浸入して、絶縁性樹脂基板２の絶縁性を低下させることとなる。
【００１２】
実施の形態１に係るパワーモジュールでは、半導体チップ４からの熱は、配線３、絶縁性樹脂基板２及び金属板１を通して外部に放出される。更に、このパワーモジュールにおいて、絶縁性樹脂基板２が配置された金属板１の上面に対向する下面には、従来技術のようなモールド部は設けられていないので、この面に別の放熱部材を取り付けることで放熱効果を高めることができる。
【００１３】
金属板１としては、パワーモジュールに使用可能なものであればよく、例えば、銅及びその複合材、アルミニウム及びその複合材等を使用することができる。
絶縁性樹脂基板２としては、パワーモジュールに使用可能なものであればよく、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂中に高熱伝導性無機充填剤（例えば、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等）が分散された絶縁性樹脂シートを使用することができる。
配線３としては、パワーモジュールに使用可能なものであればよく、例えば、金、銅、アルミニウム等からなるものを使用することができる。
半導体チップ４としては、パワーモジュールに使用可能なものであればよく、例えば、ＧＴＯサイリスタ、ＩＧＢＴ、ダイオド等を使用することができる。
ケースとしては、パワーモジュールに使用可能なものであればよく、例えば、熱可塑性樹脂からなるものを使用することができる。
封止樹脂５としては、パワーモジュールに使用可能なものであればよく、例えば、シリコーンゲル、エポキシ樹脂等を使用することができる。好ましいシリコーンゲルは、針入度（ＪＩＳ Ｋ２２２０）４５〜９０ｍｍ／１０及び粘度（２５℃）３８０ｍＰａ・ｓ〜２，１００ｍＰａ・ｓの特性を有するものである。
【００１４】
低透湿性コーティング層７は、封止樹脂５よりも透湿度の低い樹脂で形成する必要があり、好ましくは封止樹脂５よりも透湿度の１桁以上低い樹脂で形成する。また、この低透湿性コーティング層７に用いる樹脂は、水分の浸入をより抑制するという理由で、金属板１、絶縁性樹脂基板２及び封止樹脂５との密着性に優れるものであることが好ましい。ポリオレフィン樹脂及びポリビニルブチラール樹脂は、透湿度が低く、絶縁性樹脂基板２への水分の浸入を遅らせる効果が高いため、低透湿性コーティング層７の形成に用いる材料として好ましい。
また、低透湿性コーティング層７の好ましい層厚さは、使用する樹脂の種類等によって変わる。より具体的には、封止樹脂５としてシリコーンゲル又はエポキシ樹脂を用いる場合、ポリオレフィン樹脂又はポリビニルブチラール樹脂を用いて１０μｍ〜２００μｍの層厚さとなるように低透湿性コーティング層７を形成することが望ましい。低透湿性コーティング層７の形成方法としては、特に制限されないが、スクリーン印刷法、スピンコート法、はけ塗り法、ディッピング法等が挙げられる。
【００１５】
実施の形態１によれば、低透湿性コーティング層７を絶縁性樹脂基板２と封止樹脂５との間に設けることにより絶縁性樹脂基板２への水分の侵入を遅らせることができるので、高温高湿環境下で使用しても吸湿による絶縁性の低下が顕著に抑制され、長期的に高い信頼性が確保されたパワーモジュールとすることができる。
【００１６】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係るパワーモジュールの模式断面図である。図２において、実施の形態２に係るパワーモジュールは、金属箔８と、金属箔８上に密着して配置された絶縁性樹脂基板２と、絶縁性樹脂基板２上に密着して配置されたヒートスプレッダ９と、ヒートスプレッダ９上にはんだを介して実装された半導体チップ４と、金属箔８、絶縁性樹脂基板２、ヒートスプレッダ９及び半導体チップ４をトランスファモールドにより封止する封止樹脂５と、ボンディングワイヤ１０を介して半導体チップ４に電気的に接続された端子１１と、ヒートスプレッダ９上にはんだを介して接合された端子１１とを備えており、ヒートスプレッダ９と接しない絶縁性樹脂基板２の上面と封止樹脂５との間に封止樹脂５よりも透湿度の低い樹脂からなる低透湿性コーティング層７が設けられている。この低透湿性コーティング層７は、封止樹脂５の外に露出しないように形成されている。
【００１７】
このように、低透湿性コーティング層７を、ヒートスプレッダ９と接しない絶縁性樹脂基板２の上面と封止樹脂５との間に設けることで、封止樹脂５の大気と接する表面５ａからの絶縁性樹脂基板２への水分の浸入が抑制され、長期信頼性が向上したパワーモジュールとすることができる。より詳細には、封止樹脂５の大気と接する表面５ａから浸入した水分は、低透湿性コーティング層７を通過するか又は絶縁性樹脂基板２の上面と下面とで挟まれた側面２ａから絶縁性樹脂基板２内に浸入することになると考えられるが、絶縁性樹脂基板２の上面と下面とで挟まれた側面２ａの表面積は小さい上に、低透湿性コーティング層７の透湿度が封止樹脂５と比べて低いので、水分が絶縁性樹脂基板２内に浸入するまでに時間が掛かり、吸湿による絶縁性樹脂基板２の電気的特性の劣化が起こり難くなる。
【００１８】
一方、低透湿性コーティング層７を設けない場合には、封止樹脂５の大気と接する表面５ａから浸入した水分は、絶縁性樹脂基板２内に容易に浸入して、絶縁性樹脂基板２の絶縁性を低下させることとなる。
【００１９】
実施の形態２に係るパワーモジュールでは、半導体チップ４からの熱は、ヒートスプレッダ９、絶縁性樹脂基板２及び金属箔８を通して外部に放出される。更に、このパワーモジュールにおいて、絶縁性樹脂基板２が配置された金属箔８の上面に対向する下面には、従来技術のようなモールド部は設けられていないので、この面に別の放熱部材を取り付けることで放熱効果を高めることができる。
【００２０】
金属箔８としては、パワーモジュールに使用可能なものであればよく、例えば、銅箔、アルミニウム箔等を使用することができる。
絶縁性樹脂基板２、半導体チップ４及び低透湿性コーティング層７としては、実施の形態１で例示したものと同様のものを使用することができる。
封止樹脂５としては、パワーモジュールに使用可能であり且つトランスファモールド法で成形可能なものであればよく、例えば、エポキシ樹脂等を使用することができる。
【００２１】
実施の形態２によれば、低透湿性コーティング層７を、ヒートスプレッダ９と接しない絶縁性樹脂基板２の上面と封止樹脂５との間に設けることにより絶縁性樹脂基板２への水分の侵入を遅らせることができるので、高温高湿環境下で使用しても吸湿による絶縁性の低下が顕著に抑制され、長期的に高い信頼性が確保されたパワーモジュールとすることができる。
【実施例】
【００２２】
〔実施例１〕
４０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの銅板上に、エポキシ樹脂中に高熱伝導性無機充填剤を分散させた半硬化状態の絶縁性樹脂シートを設置し、この絶縁性樹脂シート上に、パターン形状に予め形成した厚さ１ｍｍの銅配線板を設置した後、高温でプレス加圧することによって絶縁性樹脂シートを硬化させると共に、これらを一体化させた。銅配線板の配置されていない絶縁性樹脂シートの表面（上面及び側面）と銅板の側面の一部とに、ポリオレフィン樹脂からなる厚さ１００μｍの低透湿性コーティング層を形成した（コーティングに用いた材料の２５℃における粘度は２３０ｍＰａ・ｓ、硬化条件は７０℃で３０分間）。なお、銅板の側面に形成された低透湿性コーティング層は、絶縁性樹脂シートと銅板との界面から１ｍｍの幅で延在していた。また、低透湿性コーティング層の透湿度は６ｇ／ｍ2・２４時間である。
次に、絶縁性樹脂シート上に配置された銅配線板上にパワー半導体チップを実装した。これらを５０ｍｍ×４０ｍｍ×高さ１０ｍｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂製ケースに入れた後、ケース内にシリコーンゲルをポッティング封止し、続いて、１５０℃で２時間の硬化を行い、図１に示されるようなパワーモジュールを作製した。なお、ここで使用したシリコーンゲルの透湿度は厚さ１００μｍで１０００ｇ／ｍ2・２４時間（ＪＩＳ  Ｚ  ０２０８）である。
【００２３】
〔比較例１〕
低透湿性コーティング層を形成しないこと以外は実施例１と同様にしてパワーモジュールを作製した。
【００２４】
＜信頼性評価＞
実施例１及び比較例１のパワーモジュールを３個ずつ用意し、高温高湿バイアス試験を行った。試験は、８５℃及び８５％ＲＨの条件下で、絶縁性樹脂シートに１，０００Ｖの直流電圧を１００時間印加して実施した。試験結果を図３に示す。比較例１のパワーモジュールでは、絶縁性樹脂シートに流れるリーク電流が１００時間経過後に初期より５桁も増加した。それに対して、実施例１のパワーモジュールでは、絶縁性樹脂シートに流れるリーク電流が１００時間経過後に初期より３桁しか増加しなかった。
【００２５】
〔実施例２〕
２０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ３ｍｍの銅製ヒートスプレッダ上に、パワー半導体チップをはんだ材を用いて実装した。その際、ヒートスプレッダには、はんだ材を用いて端子を接合した。また、パワー半導体チップはボンディングワイヤを介して端子に電気的に接続した。２５ｍｍ×３５ｍｍ×厚さ０．１ｍｍの銅箔上に、エポキシ樹脂中に高熱伝導性無機充填剤を分散させた半硬化状態の絶縁性樹脂シートを形成した後、この絶縁性樹脂シートのヒートスプレッダを設置しない部分にポリオレフィン樹脂からなる厚さ１００μｍの低透湿性コーティング層を形成した（コーティングに用いた材料の２５℃における粘度は２３０ｍＰａ・ｓ、硬化条件は７０℃で３０分間）。これをトランスファー成型機内の金型上に設置し、その上にパワー半導体チップを実装したヒートスプレッダを設置した後、エポキシ樹脂を金型に流し込んで全体を覆うように封止し、続いて、後硬化を行い、図２に示されるようなパワーモジュールを作製した。最終的なパワーモジュールのパッケージサイズは、３０ｍｍ×４０ｍｍ×高さ８ｍｍであった。なお、ここで使用したエポキシ樹脂は、ガラス転移温度１６０℃及び熱膨張係数１４×１０-6／Ｋを有する。
【００２６】
〔比較例２〕
低透湿性コーティング層を形成しないこと以外は実施例２と同様にしてパワーモジュールを作製した。
【００２７】
＜信頼性評価＞
実施例２及び比較例２のパワーモジュールのパワーモジュールを３個ずつ用意し、高温高湿バイアス試験を行った。試験は、８５℃及び８５％ＲＨの条件下で、絶縁性樹脂シートに１，０００Ｖの直流電圧を５００時間印加して実施した。試験結果を図４に示す。比較例２のパワーモジュールでは、絶縁性樹脂シートに流れるリーク電流が５００時間経過後に初期より４桁も増加した。それに対して、実施例２のパワーモジュールでは、絶縁性樹脂シートに流れるリーク電流が５００時間経過後に初期より１桁しか増加しなかった。
【符号の説明】
【００２８】
１  金属板、１ａ  封止樹脂と金属板との界面、１ｂ  低透湿性コーティング層と金属板との界面、２  絶縁性樹脂基板、２ａ  絶縁性樹脂基板の上面と下面とで挟まれた側面、３  配線、３ａ  低透湿性コーティング層と配線との界面、４  半導体チップ、５  封止樹脂、５ａ  封止樹脂の大気と接する表面、６  ケース、６ａ  金属板とケースとの界面、７  低透湿性コーティング層、７ａ  封止樹脂と低透湿性コーティング層との界面、８  金属箔、９  ヒートスプレッダ、１０  ボンディングワイヤ、１１  端子。
【図１】
2010267794.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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