(57)【要約】【課題】シリコーンゲル部の欠陥や剥離がなく、沿面絶縁特性に優れたパワーモジュール半導体装置を提供する。【解決手段】ＧＰＣ（ゲルパーミエ−ションクロマトグラフ）法を用いて測定したベースポリマーの重量平均分子量が３００００〜４００００であるシリコーンゲルでセラミックス絶縁基板の沿面を絶縁保護していることを特徴とするパワーモジュール。【選択図】図１
2010034151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＰＣ（ゲルパーミエ−ションクロマトグラフ）法を用いて測定したベースポリマーの重量平均分子量が３００００〜４００００であるシリコーンゲルでセラミックス絶縁基板の沿面を絶縁保護していることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記シリコーンゲルが、硬化後のＡＳＴＭ  Ｄ１４０３に基づき、測定した針入度が３０〜８０であるシリコーンゲルであることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記シリコーンゲルが、硬化後の０．１Ｈｚの損失係数（ｔａｎδ）が０．１５〜０．２０であるシリコーンゲルであることを特徴とする請求項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、パワーモジュールに関し、より詳しくは、セラミック回路基板の沿面をシリコーンゲルで絶縁保護しているパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)を中心として、パワーモジュールが電力変換装置に広く用いられるようになっている。パワーモジュールは１つまたは複数のパワー半導体デバイスを内蔵して変換接続の一部または全体を構成し、かつ、パワー半導体とベースプレートまたは冷却面との間が電気的に絶縁された構造を持つパワー半導体デバイスである。
【０００３】
従来のパワーモジュールの構造を、一般的なＩＧＢＴパワーモジュールの構造を例にとって説明する。
【０００４】
図１は一般的なＩＧＢＴパワーモジュールの断面図である。図において、１はＩＧＢＴあるいはダイオードチップ等のパワーチップである。パワーチップ１はセラミックス絶縁基板２の上に搭載される。このセラミックス絶縁基板２は金属基板３にはんだ接合されている。端子ケース４はポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂で、外部取り出し金属端子５を固定するためインサート成形されている。セラミックス絶縁基板２の上には、はんだ付けで固定された外部取り出し端子５が立ち上がっている。外部取り出し端子５とパワーチップ１とは金属ワイヤ６により電気的に接続されている。金属基板３には端子ケース４が接着されている。蓋７は端子ケース４と同一の樹脂で構成されている。セラミックス絶縁基板２の沿面及びパワーチップを搭載した基板上のチップを絶縁保護のため、端子ケース４内には低弾性率のシリコーンゲル８が充填されている。
【０００５】
特許文献１には、ケース内に充填された封止樹脂で封止された絶縁基板、半導体素子を有する樹脂封止型パワーモジュールが記載され、封止樹脂として針入度が２５以上、３５以下のシリコーンエラストマーを用いることが記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、２５℃における粘度５０〜１００，０００センチポイズの珪素原子結合アルケニル基含有ジオルガノポリシロキサンと非官能性オルガノポリシロキサンと２５℃における粘度１〜１，０００，０００センチポイズの珪素原子結合アルケニル基含有ジオルガノポリシロキサン及び触媒量のヒドロシリル化触媒からなり、ＪＩＳ  Ａ硬度が０であり、針入度が３００以下、せん断周波数０．１〜１０Ｈｚでのｔａｎδが０．１〜２であるシリコーンゲル組成物を提案しており、この組成物は防振特性及び耐熱性に優れるとしている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１６５６４号公報
【特許文献２】特開平８−２２５７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のパワーモジュール半導体装置では、吸湿急加熱される環境において、シリコーンゲル中にクラック、ボイドが発生する。このようなシリコーンゲルを高電圧部品の封止に用いた場合、このクラックやボイドが空気層となって、部分放電が生じ絶縁が低下する。またシリコーンゲルがセラミックス絶縁基板の沿面から剥離し、沿面絶縁が低下するという問題があった。
【０００９】
この主原因は、ポップコーン現象と同様に、シリコーンゲル内部及びセラミックス絶縁基板との界面に吸湿した水分が、急加熱することで、飛散する際、クラック、ボイドや剥離といったシリコーンゲルの欠陥を生じるためである。従って、パワーモジュール半導体装置の吸湿急加熱における沿面絶縁向上のためには、シリコーンゲル部での構造欠陥発生を防止することが非常に有効である。
【００１０】
特許文献１におけるように針入度２５〜３５の場合、パワーモジュールに要求されるＰ／Ｃ（パワーサイクル）寿命を満足させることはできない。また、ワイヤ径が細くなるに従い、ＨＣ（冷熱サイクル）で破断寿命短くなることが確認されている。事例のシリコーンエラストマー(ワッカーＲＴ７４５Ｓ)は、ジメチルシリコーンゴムであり、事例のように針入度を７〜２７に制御することは困難であり、実現性に乏しい。また、−４０℃以下の耐寒性が劣るため、ＨＣでのワイヤ破断を加速させる恐れがある。
【００１１】
特許文献２は特定の構造のポリオルガノシロキサンを含有する組成物を用いているが、針入度３００は実現性に乏しい。即ち、針入度１１０以上では、縦置きでは、形態を留めることは困難であり、２液性で、調合するには、バラツキが大きすぎて針入度を管理することが事実上できないものである。
【００１２】
また、シリコーンゲルの構造欠陥であるセラミックス絶縁基板の沿面からの剥離を防止するためには、セラミックス絶縁基板の沿面にポリイミド、エポキシなどの絶縁塗料を塗布硬化させることが考えられるが、熱膨張差によりもろいセラミックスに亀裂が生じるという危険がある。また、塗布硬化工程が増える上、材料費の上昇、最終製品のコストアップにつながる。
【００１３】
沿面絶縁向上のためには、セラミックス絶縁基板の沿面にシランカップリング剤を塗布することも考えられるが、耐熱劣化によりシリコーンゲル界面でシランカップリング剤が固化し、剥離にいたるという致命的な問題も抱えている。
【００１４】
また、シリコーンゲルのクラック、ボイドといった欠陥については、シリコーンゲルの強度を向上させることが考えられるが、シリコーンゲルの強度を不適切に高強度化すると、セラミックス絶縁基板との界面で剥離してしまうという問題があった。
【００１５】
本発明の目的は、現有の工程や、従来構造に大きな変更を加えることなく、シリコーンゲルの欠陥であるクラック、ボイドや剥離を抑止するため、シリコーンゲルの強度を制御することにあり、このシリコーンゲルを用いることにより、シリコーンゲル部の欠陥や剥離がなく、沿面絶縁特性に優れたパワーモジュール半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは上記の課題を解消するために検討を重ねた結果、吸湿急加熱の環境下で発生するシリコーンゲル中のクラック、ボイドやセラミックス絶縁基板の沿面から剥離してしまう原因は、シリコーンゲルのベースポリマーの重量平均分子量が不適切に小さかったり、大きかったりするためであることを見出した。即ち、シリコーンゲルのベースポリマーの重量平均分子量を最適化することがシリコーンゲル部の欠陥や剥離の抑止に非常に有効であることを見出したのである。
【００１７】
即ち、本発明のパワーモジュールは、ＧＰＣ（ゲルパーミエ−ションクロマトグラフ）法を用いて測定したベースポリマーの重量平均分子量が３００００〜４００００であるシリコーンゲルでセラミックス絶縁基板の沿面を絶縁保護していることを特徴とする。
【００１８】
このパワーモジュールは、セラミックス絶縁基板の沿面を絶縁保護しているシリコーンゲルの硬化後のＡＳＴＭ  Ｄ１４０３に基づき、測定した針入度が３０〜８０であることが好ましく、また、このシリコーンゲルの硬化後の０．１Ｈｚの損失係数（ｔａｎδ）が０．１５〜０．２０であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のパワーモジュールは、パワー半導体装置の吸湿急加熱試験で不良要因となるゲルの絶縁基板からの剥離やゲル中の構造欠陥発生を抑制できることから、現行パワーモジュール構造を変更することなく、パワーモジュールのセラミックス絶縁基板の沿面絶縁性能の信頼性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明のパワーモジュールは、ベースポリマーの重量平均分子量が３００００〜４００００であるシリコーンゲルでセラミック回路基板の沿面を絶縁保護していることに特徴を有するものであり、本発明のパワーモジュールの構造は、一般的なＩＧＢＴパワーモジュールの構造を有するものであってよい。その一例を示すと、このパワーモジュールは、図１に示すように、端子ケース４内に収納された金属基板４の上にセラミックス絶縁基板３がはんだ接合されている。このセラミックス絶縁基板３の上にパワーチップ１が搭載されており、シリコーンゲル８がセラミックス絶縁基板３の沿面を絶縁保護している構造となっている。
【００２１】
本発明のパワーモジュールに用いるシリコーンゲル８は、そのベースポリマーの重量平均分子量が３００００〜４００００である。なお、このベースポリマーの重量平均分子量は、ＧＰＣ（ゲルパーミエ−ションクロマトグラフ）法を用いて測定されたポリスチレン換算分子量としての定量値である。
【００２２】
シリコーンゲルは、ビニル基を持つベースポリマーと水素基を持つ架橋剤を白金などの触媒で付加反応させて、硬化物としており、架橋剤の種類、量で、ゲルの硬さの指標である針入度を制御している。一方、シリコーンゲルそのものの強度の制御がパワーモジュールのシリコーンゲルを用いる上で重要であり、ベースポリマーの分子量を制御することにより、ゲルの強度を制御する。本発明においては、ベースポリマーの重量平均分子量を３００００〜４００００に制御するとともに、針入度を３０〜８０に制御することが好ましい。
【００２３】
ベースポリマーの重量平均分子量が３００００未満であると、強度が不足し、ボイドやクラックが発生しやすくなる。４００００を超えると、粘度が高くなり、作業性が劣るようになる。また、狭い隙間への浸透性が悪くなり、浸透しなかった個所で、密着不良となり、剥離不具合の要因となる。
【００２４】
また、針入度が３０未満では、ジメチルシリコーン特有の耐寒特性により、ＨＣ（冷熱サイクル）時に、ワイヤが細ければ細いほど断線しやすくなり、信頼性を確保できなくなる。一方、針入度が８０を越えると、形態安定性に劣る。また、機械的強度が低下するため、クラックが発生しやすくなってしまう。また、ｔａｎδは、振動を吸収するゲルの性質は減衰性を示し、ｔａｎδの大きい組成であることが望まれるが、ｔａｎδが０．１５未満では、クラックが生じやすく、０．２０以上では、基板と剥離しやすくなる。
【００２５】
このシリコーンゲル８のベースポリマーの重量平均分子量は市販の既知の分子量のベースポリマーからなるシリコーンゲルを用いるか、既知の分子量のベースポリマーを複数種ブレンドして所望のベースポリマーの重量平均分子量とすることができる。
【００２６】
本発明で用いるセラミックス絶縁基板３としては、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウムなどからなるものを例示できる。
【００２７】
本発明においては、このシリコーンゲル８がセラミックス絶縁基板３の沿面を絶縁保護している。即ち、セラミックス絶縁基板３の露出している全表面をシリコーンゲル８で被覆することにより絶縁保護している。この被覆としては、セラミックス絶縁基板３、パワーチップ１を含め、端子ケース内に収納されたパワーモジュール構成部品のすべて（もちろん、端子ケースの外部に取り出された外部取り出し端子５の先端は除く）をシリコーンゲル８で封止する方法を例示できる。なお、金属基板４は端子ケースの底の役割をも果たしているので、金属基板４はその上表面の露出部分のみがシリコーンゲル８で覆われている。この金属基板４は放熱板の役割も有しているので熱伝導性に優れた金属、例えば銅やアルミなどが用いられる。
【実施例】
【００２８】
以下に、実施例、比較例を用いて、シリコーンゲルのベースポリマーとして重量平均分子量３００００〜４００００のものを用いた場合に、このシリコーンゲルを用いたパワーモジュールが優れた性能を示すことを説明する。
【００２９】
まず、実施例、比較例で用いるシリコーンゲルのベースポリマーの重量平均分子量の測定方法を以下に示す。
【００３０】
ＧＰＣ分析用試料を、ジクロロメタンで洗浄、完全に乾燥した９ｃｃガラス製スクリュー管からなる試料ビン中にシリコーンゲルのベースポリマー０．０１ｇを入れて、５．０gのトルエン（和光純薬工業株式会社製ＨＰＬＣグレード）に溶解し、０．２wt％の分析試料溶液とした。
【００３１】
ポリスチレン単分散標準（東ソー株式会社製ＴＳＫｓｔａｎｄａｒｄＰＯＬＹＳＴＹＲＥＮＥ）として、分子量は、３５５，０００、９６，４００、３７，９００、１９，６００、５，５７０の５種類を準備し、これらを上記と同様の方法で０．１ｗｔ％トルエン溶液となるように調整した。
【００３２】
ＧＰＣ装置はＷａｔｅｒｓ社製Ｗａｔｅｒｓ６００Ｅシステム（検出器：Ｗａｔｅｒｓ４１０示差屈折計）、カラムはＷａｔｅｒｓ社製Ｓｔｙｒａｇｅｌ  ＨＲ５Ｅ２本直列に接続し、同仕様のガードカラムをつけたものを用い、７５℃に保温した状態でＧＰＣ分析を実施した。
【００３３】
溶離液はトルエン（和光純薬工業株式会社製ＨＰＬＣグレード）を毎分１．０ｍＬの流量で、試料液注入量は１００μＬ、検出はＲＩ（屈折率）、分析時間は３０分で実施した。分析ソフトはＷａｔｅｒｓ社製Ｍｉｌｌｅｎｎｉｕｍ３２−Ｊを使用した。
【００３４】
上記の条件で得られたポリスチレン標準試料のクロマトグラムから、最小二乗法により保持時間と分子量の検量線（３次曲線）を計算し、同検量線とシリコーンゲルベースポリマー試料のクロマトグラムから下記式１により、ポリスチレン換算重量平均分子量を算出した。
【００３５】
重量平均分子量Ｍｗ＝Σ（ＷｉＭｉ）／Ｗ＝Σ（ＨｉＭｉ）／Σ（Ｈｉ）・・・・式１
Ｗ＝高分子の総重量
Ｗｉ＝ｉ番目の高分子の重量
Ｍｉ＝ｉ番目の溶出時間における分子量
Ｈｉ＝ｉ番目の溶出時間における高さ
【００３６】
実施例、比較例に用いたシリコーンゲルの針入度は、未硬化のシリコーンゲル組成物５０ｃｃを、容量５０ｃｃのビーカーにとり、１００℃の熱風乾燥機中で６０分加熱して硬化させることにより、シリコーンゲルを得た。室温に冷却した後、ＡＳＴＭ  Ｄ１４０３により、１／４コーンを用いて測定した。
【００３７】
また、実施例、比較例に用いたシリコーンゲルの損失係数（ｔａｎδ）は、コーンプレート上に作製したシリコーンゲルをレオメトリック社製ダイナミックアナライザーにより測定した。
【００３８】
また、実施例、比較例に用いたシリコーンゲルの凝集破壊率は、以下のようにして測定した。
【００３９】
未硬化のシリコーンゲル組成物を、図２に示すような１０ｍｍ×５０ｍｍ×０．２５ｍｍの窒化珪素製のセラミックス基板２枚を接着面積１０ｍｍ×１０ｍｍで貼り合わせ、１００℃で６０分加熱して硬化させることにより、せん断接着試験片を得た。
【００４０】
このせん断接着試験片を８５℃８５％１０００ｈ吸湿処理し、室温まで放冷した後、１２５℃の熱板上に８ｈ放置後、室温まで冷却させた後、島津製作所製ＥＺテスターを用いて０．５ｍｍ／秒でせん断圧縮強度を測定した。また、そのせん断圧縮により破断した破断面を観察し、凝集破壊を起こして窒化珪素製のセラミックス基板上面にゲルが付着している部分の面積を凝集破壊率として評価した。
【００４１】
また、実施例、比較例に用いたシリコーンゲルのゲル欠陥の評価は以下のようにした。
【００４２】
図３に示すように、窒化珪素製セラミックの両面に沿面距離が２ｍｍ幅になるように金属パターンを施し、片面は金属板にはんだ付けし、上面には、棒電極を配して試験片を作製した。
【００４３】
この試験片を１４０ｍｍφのシャーレにおき、上面から１００ｃｃのシリコーンゲルを充填し、３ｍｍＨｇ以下で、１０分間、真空脱泡し、１００℃の熱風乾燥機中で６０分加熱して硬化させたものを試料とした。
【００４４】
この試料１０台を８５℃８５％１０ｈ吸湿処理し、室温冷却後、１２５℃の熱板上に８ｈ放置後、室温まで冷却させた後、ゲル中、セラミック界面を観察し、ボイド、クラック、剥離などのゲル欠陥がないか観察評価し、試料１０台中、ゲル欠陥が発生した試料数を調べた。
【００４５】
また、実施例、比較例に用いたシリコーンゲルの沿面絶縁破壊電圧は以下のようにして測定した。
【００４６】
ゲル欠陥の観察に用いた吸湿急加熱試験を実施した試料を用いて、常態で、耐電圧試験機ＴＯＳＳ１０１（菊水電子工業製）により、カットオフ２ｍＡで、ＡＣ２ＫＶから０．５ＫＶ刻みで昇電させ、６０秒印加中の破壊電圧（背後電極有）を測定した。
【００４７】
＜実施例１〜６、比較例１〜３＞
実施例１〜６、比較例１〜３では、それぞれ表１に記載のベースポリマーの重量平均分子量、針入度、ｔａｎδのシリコーンゲルを用い、上述の評価方法に従ってこれらのシリコーンゲルにつき、ゲル欠陥を評価し、沿面絶縁破壊電圧を測定した。その結果を表１に示す。
【００４８】
実施例１〜３で用いたベースポリマー（重量平均分子量３１１００）はMomentive Performance Materials社製のＴＳＥ３０５１シリーズのベースポリマー（重量平均分子量２３８００）と重量平均分子量３８７００)を混合して得た。
【００４９】
実施例４〜６で用いたベースポリマー（重量平均分子量３８７００）は、Momentive Performance Materials社製のＴＳＥ３０５１ＳＫシリーズのベースポリマー（重量平均分子量３８７００）を用いた。
【００５０】
比較例１で用いたベースポリマー（重量平均分子量２３８００）は、Momentive Performance Materials社製のＴＳＥ３０５１シリーズのベースポリマー（重量平均分子量２３８００）を用いた。
【００５１】
比較例２で用いたベースポリマー（重量平均分子量４１１００）は、Momentive Performance Materials社製のＴＳＥ３０５１シリーズのベースポリマー（重量平均分子量３８７００）と、シリコーンベースポリマー（重量平均分子量４９７００）を混合して得た。
【００５２】
比較例３は、重量平均分子量４９７００のシリコーンベースポリマーを用いた。
【００５３】
なお、針入度およびｔａｎδの調整は硬化条件を調節することにより行った。
【００５４】
【表１】
2010034151.tif 000003
【００５５】
基板として、アルミナからなるセラミック基板を用い、セラミック基板の一方の面には回路パターン、他方の面にはベタパターンを銅箔により形成した。回路パターンには、ＩＧＢＴとＦＷＤをはんだ接合し、回路パターンと外部導出端子との間、ＩＧＢＴ（ＦＷＤ）と外部導出端子との間をワイヤボンディングし、樹脂製のケースに格納し、表面をシリコーンゲルで封止して、パワーモジュールを得た。このパワーモジュール半導体装置につき、そのモジュール性能を調べたところ、良好な性能を有するものであることが確認された。
【００５６】
本発明で得られたパワーモジュール半導体装置は、実施例に示すとおり、吸湿急加熱試験で、沿面絶縁破壊電圧が高く維持されており、ゲル欠陥が認められなかった。それに対して、比較例１では、沿面絶縁破壊電圧が低下しシリコーンゲル内にボイドやクラックが発生した。また、比較例２、３はシリコーンゲル内にボイドやクラックが認められないが、窒化珪素製セラミック絶縁基板面で剥離が認められ、沿面絶縁破壊電圧は、重量平均分子量が高くなるのに伴い、増大する傾向を示した。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】一般的なＩＧＢＴパワーモジュールを示す模式断面図である。
【図２】接着試験テスト用試験片を示す図である。
【図３】絶縁破壊電圧及びゲル外観評価用試料を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  パワーチップ
２  セラミックス絶縁基板
３  金属基板
４  端子ケース
５  金属端子
６  金属ワイヤ
７  蓋
８  シリコーンゲル
９  窒化珪素セラミック基板
１０  シリコーンゲル
１１  シリコーンゲル
１２  セラミックス絶縁基板
１３  引き出し電極
１４  金属板
１５  ガラスシャーレ
【図１】
2010034151.tif 000004
【図２】
2010034151.tif 000005
【図３】
2010034151.tif 000006