(57)【要約】【課題】ケースに充填されるシリコーンゲルの耐熱性を高め、よって高温環境下で使用が可能なパワー半導体モジュールを提供する【解決手段】パワー半導体モジュール１は、パワー半導体素子２と、パワー半導体素子２が搭載された絶縁基板３と、パワー半導体素子２及び絶縁基板３が収容された樹脂ケース６と、樹脂ケース６内に注入されたシリコーンゲル１１と、樹脂ケース６内で樹脂ケース６及びシリコーンゲル１１の間に設けられ、シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシート１２と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、該パワー半導体素子が搭載された絶縁基板と、該パワー半導体素子及び該絶縁基板が収容された樹脂ケースと、該樹脂ケース内に注入されたシリコーンゲルと、該樹脂ケース内で該樹脂ケース及び該シリコーンゲルの間に設けられ、シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシートと、を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記シリコーンゲルが、ポリジメチルシロキサン構造を主骨格とし、硬化後の針入度がＪＩＳ  Ｋ２２２０準拠で２０〜１２０（１／１０ｍｍ）である請求項１記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシートが、ＪＩＳ  Ａ硬度で３８以下である請求項１又は２記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシートの厚さが０．５ｍｍ以上である請求項１記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシートが、前記樹脂ケースの内側の側面に形成されている請求項１記載のパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールに関する。詳しくは、パワー半導体チップが搭載された絶縁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半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＧＢＴ（InsulatedGate Bipolar Transistor）を主な半導体素子として、パワー半導体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。パワー半導体モジュールは、１個又は複数個のパワー半導体チップが樹脂ケース内に内蔵されて電力変換、接続の一部又は全体を構成するものである。
【０００３】
パワー半導体モジュールは一般に、ＩＧＢＴチップやダイオードチップ等のパワー半導体チップがセラミックス等よりなる絶縁基板上に搭載され、このパワー半導体チップ及び絶縁基板が樹脂ケース内に収容されるとともに、当該絶縁基板と金属基板とがはんだにより接合されている。当該パワー半導体チップと金属基板との間は電気的に絶縁されている。樹脂ケースは金属基板の周縁と接着固定され、樹脂ケース内には、絶縁基板の沿面及び当該絶縁基板上のパワー半導体チップを絶縁保護するために、低弾性率のシリコーンゲルが充填されている。樹脂ケースは、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂よりなる。樹脂ケースの上部には、当該樹脂ケースと同一の樹脂で構成されている蓋が取り付けられる。
【０００４】
パワー半導体モジュールの構造に関して、半導体素子とワイヤとをシリコーンゲルで覆い、更に電力回路基板と制御回路基板との間をシリコーンゴムフォームで充填した半導体装置がある（特許文献１）。また、金属基板に対する樹脂ケースの接着部分の内面にゴム状合成樹脂の被覆を設けたパワー半導体モジュールがある（特許文献２）。更に、パワー半導体素子を封止するシリコーンゲル層と、エポキシ樹脂層との間に、エポキシ樹脂組成物成分の透過を防止する拡散防止樹脂層が設けられたインバータ装置がある（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平４−１０９５５０号公報
【特許文献２】特開平７−５８２８２号公報
【特許文献３】特開２００５−５７８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１〜３に記載されたパワー半導体モジュールの構造は、いずれも、シリコーンゲルとパワー半導体モジュールの構成部材との相互反応の影響を抑制するには不十分であり、シリコーンゲルの劣化抑制には、なお改善の余地があった。
【０００７】
また近年、ＩＧＢＴパワー半導体モジュールは、高温連続動作が要求されるようになってきている。高温連続動作の保障として、例えば、ＵＬ１５５７の表３．１に記載されている加速寿命試験条件のうちの一つを保証温度により選び、その選択した条件でＩＧＢＴパワー半導体モジュールに対して試験を行い、試験の合格基準としての当該製品規格の絶縁破壊耐圧を維持し得ることが求められる。
【０００８】
当該試験における絶縁破壊耐圧が低下する要因の一つとしては、高温下におけるシリコーンゲルの硬化劣化が挙げられる。シリコーンゲルの硬化劣化が進行すると、ＩＧＢＴパワー半導体モジュール内部において応力が集中する箇所等からシリコーンゲルのクラックが発生し、それが絶縁基板の沿面に達すると絶縁破壊耐性の維持が困難となる。
【０００９】
このようなシリコーンゲルの硬化劣化を抑制するために、耐熱性添加剤をシリコーンゲルに添加して、シリコーンゲルの耐熱性を高める方策がある。しかし、シリコーンゲル単体では十分な耐熱性を有するものであっても、２００℃以上の高温時においては、ＩＧＢＴパワー半導体モジュールの構成部材の影響によって硬化劣化が加速され、シリコーンゲル単体が本来有する耐熱性が発現しないことがある。この現象は、シリコーンゲルのベースポリマーの分子構造として最も一般的な、ポリジメチルシロキサン構造を持つシリコーンゲルに顕著に見られる。
【００１０】
上記理由により、シリコーンゲル単体での評価で十分な耐熱性を有する結果が得られても、シリコーンゲルをパワー半導体モジュールの製品に適用してＵＬ１５５７に基いて評価する場合、加速寿命試験条件で試験を行った後に、製品規格の絶縁破壊耐性を維持できないことが起こり得る。
【００１１】
この問題を解決する手段としては、パワー半導体モジュールの構成部材との相互反応の影響が小さいシリコーンゲル（例えば、ベースポリマーのポリジメチルシロキサン構造の側鎖に耐熱性の高い官能基を導入して、ベースポリマー自体に耐熱性を持たせたもの）に変更する方法がある。しかし、ベースポリマー構造を変更すると、シリコーンゲルの性質が大きく変わるため、これまで問題のなかった点で意図しないデメリット（例えば、ゲル気泡の増加など）が発生する可能性がある。また、シリコーンゲルの材料費が高くなる可能性が高く、更に、新たなシリコーンゲルの材料の探索、開発等に要する時間やコストも発生し、容易に受け容れられる手段ではない。
【００１２】
本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、シリコーンゲルとパワー半導体モジュールの構成部材との相互反応の影響を抑制し、よってシリコーンゲルの劣化を抑制することができるパワー半導体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】
【００１３】
本発明の第１の態様のパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子と、該パワー半導体素子が搭載される絶縁基板と、該パワー半導体素子及び該絶縁基板が収容された樹脂ケースと、該樹脂ケース内に注入されたシリコーンゲルと、該樹脂ケース内で該樹脂ケース及び該シリコーンゲルの間に設けられ、シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシートと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１の態様のパワー半導体モジュールによれば、シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシートが樹脂ケース内で樹脂ケース及びシリコーンゲルの間に設けられることから、このシートが、樹脂ケースの樹脂組成物から生成される低分子分解物と、シリコーンゲルとの相互反応を抑制し、よってシリコーンゲルの硬化劣化を抑制して、ひいては半導体パワーモジュールの高温連続動作を保障し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のパワー半導体モジュールの一実施形態の模式的な断面図である。
【図２】実施例における針入度の測定用試料を示す模式的な断面図である。
【図３】実施例における各試料の２００℃に放置した経時時間と、相対針入度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明のパワー半導体モジュールの実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００１７】
図１に本発明のパワー半導体モジュールの一実施形態の模式的な断面図を示す。図１のパワー半導体モジュール１は、パワー半導体素子の一例としてＩＧＢＴチップ２が用いられているＩＧＢＴパワー半導体モジュールである。もっとも、本発明のパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体素子は、ＩＧＢＴチップ２に限定されない。ダイオードチップやパワーＭＯＳＦＥＴチップ等、他のパワー半導体チップを用いることもできる。
【００１８】
ＩＧＢＴチップ２は、絶縁基板３上に搭載されている。図１に示す本実施形態では、パワー半導体素子としてＩＧＢＴチップ２の一個が図示されているが、２個以上のＩＧＢＴチップ２が絶縁基板３上に搭載される構成とすることもできる。また、ＩＧＢＴチップ２以外の半導体素子、例えばＦＷＤ（Free Wheeling Diode）チップがＩＧＢＴチップ２と共に絶縁基板３上に搭載される構成とすることもできる。
【００１９】
絶縁基板３は、セラミックスよりなる絶縁層３ａと、この絶縁層３ａの一方の面に積層され、銅箔等よりなる回路パターンが形成されている導電層３ｂと、この絶縁層３ａの他方の面に積層され、銅箔等よりなる導電層３ｃとからなる。絶縁層３ａは、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム等のセラミックス材料が用いられる。
ＩＧＢＴチップ２と絶縁基板３の導電層３ｂとは、はんだ４により接合されている。また、絶縁基板３の導電層３ｃに対向させて金属基板５が設けられている。この絶縁基板３の導電層３ｃと金属基板５とは、はんだ４により接合されている。金属基板５の周縁に、樹脂ケース６が接着剤（図示せず）により固定されている。
【００２０】
金属基板５の上方、かつ樹脂ケース６で囲まれた空間にＩＧＢＴチップ２及び絶縁基板３が収容されている。樹脂ケース６は、例えばポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂からなる。図示した樹脂ケース６は、外部取り出し用端子８がインサート成型により一体化されている。この外部取り出し用端子８とＩＧＢＴチップ２の電極とが金属ワイヤ９により電気的に接続されている。また、ＩＧＢＴチップ２の別の電極と絶縁基板３における回路パターンが形成された導電層３ｂとが、金属ワイヤ９により電気的に接続されている。
【００２１】
樹脂ケース６の上端には蓋１０が設けられ、樹脂ケース６内を密閉可能にしている。蓋１０は、樹脂ケース６と同じ樹脂で構成されている。この樹脂ケース６内に、ＩＧＢＴチップ２と絶縁基板３を覆うようにシリコーンゲル１１が注入されている。シリコーンゲル１１は、樹脂ケース６内に収容された絶縁基板３の沿面及び絶縁基板３上に搭載されたＩＧＢＴチップ２の絶縁保護のために用いられる。
【００２２】
樹脂ケース６内において当該樹脂ケース６の側面とシリコーンゲル１１との間に、シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシート１２が設けられている。
【００２３】
発明者は、シリコーンゲル１１の硬化劣化の原因を鋭意検討し、その結果、パワー半導体モジュール１の構成部材の中で、樹脂ケース６に用いられる樹脂材が、シリコーンゲル１１の硬化劣化に影響することを突き止めた。また、従来のＩＧＢＴパワー半導体モジュールにおいては、２００℃以上の高温下に放置することで、樹脂ケース６に用いられる樹脂材から生成した低分子分解物のＲ−Ｏ・（ラジカル）が劣化加速成分となって、シリコーンゲル１１のベースポリマーのジメチル基の水素を引き抜き、−ＣＨ２・（ラジカル）が生成され、この−ＣＨ２・（ラジカル）同士の結合により架橋が誘引され、シリコーンゲル１１の硬化劣化を加速されることが判明した。
【００２４】
したがって、シリコーンゲル１１の硬化劣化を抑制する一つの方策としては、樹脂ケース６を組み立て前に加熱（予備加熱）することにより、組み立て後での上記低分子分解物の発生を抑制することが考えられる。しかし、この予備加熱の方策はシリコーンゲル１１の硬化劣化の観点では有効であるが、樹脂ケース６の樹脂材そのものの劣化（例えば、強度劣化や絶縁性劣化）を誘発してしまう。また、予備加熱時の温度が、パワー半導体モジュールの加速寿命試験の温度以下では、当該加速寿命試験時に低分子分解物が発生するのを抑制できないため好ましくない。
【００２５】
本実施形態のパワー半導体モジュール１は、樹脂ケース６内において当該樹脂ケース６の側面とシリコーンゲル１１との間に、シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシート１２が設けられている。シート１２が設けられることにより、樹脂ケース６の樹脂材から樹脂ケース６内に放出される酸素ラジカルの発生を抑制する構造とすることができる。
【００２６】
シート１２は、樹脂ケース６内において当該樹脂ケース６の側面とシリコーンゲル１１とが直接的に接触しないように、樹脂ケース６の側面に設けられる。樹脂ケース６とシリコーンゲル１１の間に両者が接触しないようシート１２を挟むことにより、樹脂ケース６の樹脂材とシリコーンゲル１１との相互反応を抑制して、シリコーンゲル１１の硬化劣化を抑制する。これに対して、特許文献１〜３に記載されたパワー半導体モジュールは、樹脂ケース内において当該樹脂ケースの側面に、本実施形態のパワー半導体モジュール１におけるシート１２が設けられていないので、樹脂ケースの樹脂材から酸素ラジカルが発生し、樹脂ケースの樹脂材とシリコーンゲルとが相互反応し得る。よって、特許文献１〜３に記載されたパワー半導体モジュールは、シリコーンゲルの硬化劣化の抑制は不十分であった。
【００２７】
シート１２は、シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなる。シリコーンゴム又はシリコーン樹脂は、柔軟性があり、樹脂ケース６の内部側面を覆う効果が高く、かつ、接触するシリコーンゲルとの間に隙間が形成し難いためである。シート１２としてエポキシ樹脂等のリジッドな樹脂を用いると、樹脂に含まれる硬化剤がシリコーンゲルへ浸透して絶縁性が低下したり、シリコーンゲル１１との間に隙間が形成したりする場合があり、好ましくない。
【００２８】
樹脂ケース６は、シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシート１２が形成される側面が、端子８や、必要に応じて樹脂ケース６の材料で形成された梁等を有しているので、必ずしも平坦ではない。したがって、複雑な形状を有する樹脂ケース６の側面に密着するように、好ましくは付加硬化型のシリコーンゴム（例えば、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製  ＴＳＥ３２５等）等を用いてシート１２を形成するとよい。
【００２９】
シリコーンゲル１１は、ベースポリマーがポリジメチルシロキサン構造を主骨格とするものが好ましい。ポリジメチルシロキサン構造を主骨格とするシリコーンゲルは、パワー半導体モジュール１の樹脂ケース６内に注入、充填されるシリコーンゲル１１として一般的であるためである。
シリコーンゲル１１は、硬化後の針入度がＪＩＳ  Ｋ２２２０準拠で２０〜１２０（１／１０ｍｍ）であることが好ましい。針入度が２０に満たないと金属ワイヤ９の材料、線径にもよるが、金属ワイヤ９が断線し易くなり、信頼性を確保するのが難しくなる。また、針入度が１２０を超えると形状安定性に劣り、また、機械的強度が低下するのでクラックが発生し易くなってしまう。
【００３０】
シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシート１２は、シリコーンゲル１１と接触する部分の樹脂ケース６の全面を欠陥なく被覆するために、０．５ｍｍ以上の厚さであることが好ましい。また、シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシート１２は、シリコーンゲル１１の役割、すなわち、絶縁性や金属ワイヤ９の応力緩和等を妨げないように、樹脂ケース６内において絶縁基板３の端部やＩＧＢＴチップ２や金属ワイヤ９に接触しないような厚さを上限とすることが望ましい。
【００３１】
シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシート１２は、ＪＩＳ  Ｋ６２５３準拠のＡ硬度で３８以下であることが望ましい。硬度がこの範囲であると、シート１２とシリコーンゲル１１との隙間を生じさせないようにできる。
【００３２】
シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシート１２は、好ましくは、樹脂ケース６の側面に貼り合わさられるか、又は樹脂ケース６の側面に塗布された後に硬化されることにより、樹脂ケース６の側面に密着して形成される。もっとも、樹脂ケース６とシリコーンゲル１１とが非接触になるような他の態様を排除するものではない。
【００３３】
シリコーンゴム又はシリコーン樹脂よりなるシート１２の材料は、以下に述べる実施例で示される材料に限定されない。シリコーンゲル１１が注入される樹脂ケース６の内側の側面に貼り合わせ、又は塗布、硬化させることによりシートとして形成することが可能であれば、公知のいかなる材料も使用できる。
【実施例】
【００３４】
以下に示す実施例及び比較例では、パワー半導体モジュールを高温保持して、シリコーンゲルの劣化加速条件下における当該シリコーンゲルの硬化劣化の程度を定量評価するために、シリコーンゲルの硬さと高い相関のある針入度の測定を行った。測定結果の評価は、針入度半減期、すなわち、硬さが倍になる時間を指標とした。なお、パワー半導体モジュールの製品では、針入度の測定が困難であるため、図２に示す試料を用いて針入度の測定を行い、効果の検証を行った。
【００３５】
図２に試料２０を断面図で示す。図２において、試料２０は、パワー半導体モジュールの樹脂ケースに用いられる材料と同じ材料からなる樹脂板２１（長辺１５ｍｍ、短辺１０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）と、この樹脂板２１の全面にわたって覆われたシリコーンゴムシート２２と、この樹脂板２１及びシリコーンゴムシート２２を収容するガラスシャーレ２３（内径９０ｍｍ）と、このガラスシャーレ２３内に注入されるシリコーンゲル２４とからなる。
【００３６】
本実施例では、樹脂板２１の材料として東レ株式会社製ＰＰＳ樹脂Ａ３１０Ｍを用い、この樹脂板２１の全面に、シリコーンゴムシート２２の材料としてモメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製ＴＳＥ３２５（付加硬化型シリコーンゴム）を塗布・硬化させた。この際、複数の樹脂板２１に対して、塗布量を種々に変更することにより、シリコーンゴムシート２２の膜厚を種々に変更した複数のシリコーンゴムシート２２を用意した。各シリコーンゴムシート２２の硬度は、ＪＩＳ  Ｋ６２５３準拠のＡ硬度で１２であった。
【００３７】
表面にシリコーンゴムシート２２が形成された樹脂板２１をガラスシャーレ２３に入れた。このガラスシャーレ２３内に、シリコーンゲル２４としてモメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製ＴＳＥ３０５１ＳＫを４０ｃｍ３充填し、０．２気圧以下で３分間、真空脱泡し、１００℃の熱風乾燥機中で６０分間加熱して硬化させ、試料とした。試料のシリコーンゲル２４は、針入度が、ＪＩＳ  Ｋ２２２０に準拠した針入度で６５（１／１０ｍｍ）であった。
【００３８】
各実施例における樹脂板２１の全面に形成したシリコーンゴムシート２２の種類及び厚さは、以下のとおりである。
【００３９】
（実施例１）
モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製ＴＳＥ３２５（付加硬化型シリコーンゴム）を厚さ３．０ｍｍで形成した。
（実施例２）
モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製ＴＳＥ３２５（付加硬化型シリコーンゴム）を厚さ１．５ｍｍで形成した。
（実施例３）
モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製ＴＳＥ３２５（付加硬化型シリコーンゴム）を厚さ１．０ｍｍで形成した。
（実施例４）
モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製ＴＳＥ３２５（付加硬化型シリコーンゴム）を厚さ０．５ｍｍで形成した。
（実施例５）
モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製ＴＳＥ３２５（付加硬化型シリコーンゴム）を厚さ０．３ｍｍで形成した。
（実施例６）
モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製ＴＳＥ３２５（付加硬化型シリコーンゴム）を厚さ０．１ｍｍで形成した。
（比較例１）
シリコーンゴムを塗布・硬化しなかった。すなわち、シリコーンゴムシートの厚さは０ｍｍであった。
【００４０】
実施例及び比較例の試料は、２００℃の熱風乾燥機中に放置した。各試料は所定時間毎に取り出し、室温まで冷却させた後に針入度測定を実施して針入度の経時変化を調査した。
【００４１】
表１に、実施例１〜６及び比較例１の評価結果を示す。表１には、参考例としてシリコーンゲル単体における針入度も示した。表１に示す通り、シリコーンゴムシート２２が形成されている実施例１〜６は、シリコーンゴムシート２２を有しない比較例１に比べて、針入度半減期が長くなっていて、シリコーンゴムシート２２がシリコーンゲル２４の硬化劣化を抑制していることが分かる。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
シリコーンゴムシート２２の厚さが０．３ｍｍ以下である実施例５及び実施例６は、比較例１に対する針入度半減期が長くなる時間が少ない。これは、シリコーンゴムシート２２の厚さが０．３ｍｍ以下では、樹脂板２１の全面に欠陥なく被覆させることが難しく、そのため意図した効果がわずかであったものと考えられる。
【００４４】
シリコーンゴムシート２２の厚さが０．５〜３ｍｍである実施例１〜４は、シリコーンゲル単体とほぼ同程度の針入度半減期となり、シリコーンゲルの硬化劣化の加速を抑制することが可能であることを確認した。
【００４５】
図３に、各実施例、比較例の試料について、２００℃に放置した経時時間と、相対針入度との関係をグラフで示す。各実施例は、比較例に比べて経時時間に対する相対針入度の低下が少なく、硬化劣化が少ないことが分かる。特にシリコーンゴムシート２２の厚さが０．５〜３ｍｍである実施例１〜４は、実施例５、６と比べても相対針入度の低下が少ない。
【符号の説明】
【００４６】
１  パワー半導体モジュール
２  ＩＧＢＴチップ
３  絶縁基板
４  はんだ
５  金属基板
６  樹脂ケース
８  外部取り出し用金属端子
９  金属ワイヤ
１０  蓋
１１  シリコーンゲル
１２  シート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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