(57)【要約】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。
2017090267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−４０７０３号公報（第３頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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。
【図２】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３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
【表１】
2017090267.tif 000003
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
【表２】
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【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
【表３】
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【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【符号の説明】
【００７０】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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