(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層および回路層を含む積層基板と、
前記回路層に接合された半導体素子と、
前記積層基板の、前記半導体素子が接合された側とは反対側の面に接合されたベース板と、
前記積層基板の周囲を囲んで前記ベース板の周縁部に配置されたケース枠と、
を備え、
前記ケース枠の内部が、硬質樹脂からなる封止材で封止されている半導体装置であって、
前記ベース板および前記ケース枠の、前記封止材と対向する面に、前記硬質樹脂と接着しないコーティング膜が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記コーティング膜が、テープを貼付することにより形成されたものである請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記封止材と、前記コーティング膜との間に、ゲル状樹脂が充填されている請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ゲル状樹脂が、前記封止材の表面全体を被覆している請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記絶縁層がセラミックからなる請求項１〜４のうちいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項６】
前記硬質樹脂が熱硬化性樹脂である請求項１〜５のうちいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体素子が、ワイドバンドギャップ半導体よりなる請求項１〜６のうちいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項８】
請求項３〜７のうちいずれか一項に記載され、前記封止材と、前記コーティング膜との間に、ゲル状樹脂が充填されている半導体装置の製造方法であって、
前記ケース枠の内部を前記硬質樹脂からなる封止材で封止した後に、前記ゲル状樹脂を、前記ケース枠内に真空中で注型することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特には、高電圧を扱う電力用のパワー半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールにおいては、半導体素子材料として、主としてＳｉが用いられている。また、パワー半導体モジュールのパッケージ内で構成部材を封止する封止材としては、シリコーンゲルのような軟質樹脂が用いられている。
【０００３】
また、ＳｉＣやＧａＮ等を用いたワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体素子は、Ｓｉ半導体素子と比較して耐電圧特性が高い。そのため、ＷＢＧ半導体素子を適用すれば、より高い耐電圧を有するパワー半導体モジュールの実現が可能である。一方で、ＷＢＧ半導体素子を適用したパワー半導体モジュールでは、半導体素子以外の構成部材にも、高い耐電圧特性が必要となる。例えば、パワー半導体モジュールの定格電圧が１０ｋＶを超える場合、ＩＥＣ規格に準拠すると定格の１．５倍程度の耐破壊電圧が必要となる。さらに、構成部材にも定格電圧と同程度の部分放電耐性が必要となる。
【０００４】
特に、積層基板における回路層の周縁部と絶縁層との界面には電界が集中しやすい。そのため、電界が集中した箇所から積層基板の表面に沿って部分放電や絶縁破壊を起こしやすい。これに対し、特許文献１には、積層基板の周縁部を無機粒子を含有させたコーティング膜で被覆したパワー半導体装置が開示されている。しかし、パワー半導体モジュールの定格電圧が高くなると、このようなコーティング膜では耐電圧特性を維持することは難しい。
【０００５】
また、封止材として軟質樹脂を用いたパワー半導体モジュールにＷＢＧ半導体素子を適用すると、構成部材である軟質樹脂にも高い電圧が印加される。このような高い電圧下において軟質樹脂中に一旦放電が起こると、その放電電荷量が微小であっても放電トリーと呼ばれる樹枝状の破壊痕跡が発生する。そして放電電荷量が大きくなり、さらに放電トリーが進展することで、パワー半導体モジュールは絶縁破壊を起こしてしまう。
【０００６】
これに対し、耐熱性および耐圧性の高い熱硬化性エポキシ樹脂等の硬質樹脂よりなる封止材を用いる技術が知られている。この場合、微小放電が発生しても放電トリーの進展が抑制されるため、絶縁破壊に対し十分な寿命が得られる。しかし、硬質樹脂を用いた封止材の場合、樹脂自体の熱硬化時の硬化収縮応力や、他の構成部材との熱膨張係数の差異に起因する残留応力が大きい。このため、硬化収縮応力や残留応力により、積層基板等の構成部材の割れが生じるおそれがあった。特に、積層基板の絶縁層がセラミックで構成される場合は、硬化収縮応力や残留応力により積層基板に割れが生じるおそれがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２９７８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、積層基板の割れを抑制して、信頼性を向上した半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、絶縁層および回路層を含む積層基板と、前記回路層に接合された半導体素子と、前記積層基板の、前記半導体素子が接合された側とは反対側の面に接合されたベース板と、前記積層基板の周囲を囲んで前記ベース板の周縁部に配置されたケース枠と、を備え、前記ケース枠の内部が、硬質樹脂からなる封止材で封止されている半導体装置であって、
前記ベース板および前記ケース枠の、前記封止材と対向する面に、前記硬質樹脂と接着しないコーティング膜が設けられていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記封止材と、前記コーティング膜との間に、ゲル状樹脂が充填されている上記本発明の半導体装置の製造方法であって、
前記ケース枠の内部を前記硬質樹脂からなる封止材で封止した後に、前記ゲル状樹脂を、前記ケース枠内に真空中で注型することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、積層基板の割れを抑制して、信頼性の高い半導体装置およびその製造方法を実現することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１のパワー半導体モジュールを示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施形態２のパワー半導体モジュールを示す模式的な断面図である。
【図３】参考例１のパワー半導体モジュールを示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の半導体装置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。
なお、本出願の記載に用いられている「電気的かつ機械的に接続されている」という用語は、対象物同士が直接接合により接続されている場合に限られず、はんだや金属焼結材などの導電性の接合材を介して対象物同士が接続されている場合も含むものとする。
【００１４】
（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す模式的な断面図である。本実施形態のパワー半導体モジュール１０は、積層基板１１、半導体素子１２，１３、ベース板１４およびケース枠１５を備えており、ケース枠１５の内部が硬質樹脂からなる封止材１６で封止されている。また、図示するパワー半導体モジュール１０は、さらに、ボンディングワイヤ１７および外部端子１８を備えている。パワー半導体モジュール１０は、例えば、スイッチング素子と還流ダイオードが逆並列に接続された回路を有している。この場合、図１では半導体素子１２としてスイッチング素子を、半導体素子１３としてダイオードを示している。なお、半導体素子１２および半導体素子１３はそれぞれ、複数個よりなる場合もある。
【００１５】
積層基板１１は、絶縁層１１ａと、回路層１１ｂと、を少なくとも含み、図示する例ではさらに、金属層１１ｃを有している。回路層１１ｂは、絶縁層１１ａのおもて面、換言すれば主面に配置されている。金属層１１ｃは、絶縁層１１ａの裏面に配置されている。すなわち、図示する積層基板１１は、回路層１１ｂ、絶縁層１１ａおよび金属層１１ｃが順次積層されてなる。積層基板１１は、例えば、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板やＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｂｌａｚｉｎｇ）基板等を用いることができる。
【００１６】
絶縁層１１ａは、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の絶縁性セラミックの他、樹脂材料よりなるものであってもよい。絶縁層が樹脂よりなる場合、高い耐電圧特性を実現するためには絶縁層の厚さを厚くする必要があり、その結果、半導体素子からベース板への放熱性が低くなる。そのため、絶縁層１１ａはセラミックが適している。
【００１７】
回路層１１ｂおよび金属層１１ｃは、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の導電性金属よりなる。回路層１１ｂには、所定の回路パターンが形成されている。接合材との接合強度を高めるために、回路層１１ｂおよび金属層１１ｃの表面には、必要に応じてＮｉ−Ｐめっき、Ａｕめっき、Ａｇめっき等のめっき膜を形成してもよい。
【００１８】
半導体素子１２、半導体素子１３は、おもて面に図示しない電極を有しており、裏面が回路層１１ｂに、接合材１９によって固定されている。接合材１９としては、例えば、鉛を含まない錫系のはんだ材を用いることができる。本実施形態では、半導体素子１２、半導体素子１３は、おもて面と裏面のそれぞれに電極が配置された縦型の半導体素子であり、裏面の電極が回路層１１ｂに電気的かつ機械的に接続されている。もっとも、半導体素子１２、半導体素子１３は、縦型のものに限られず、半導体素子１２、半導体素子１３のおもて面に複数種類の電極が配置された横型の半導体素子であってもよい。
【００１９】
半導体素子１２は、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。半導体素子１３は、例えば、還流ダイオード（ＦＷＤ）やショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）である。半導体素子１２および半導体素子１３は、Ｓｉ半導体よりなるものでもよいし、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のＷＢＧ半導体よりなるものでもよい。特に、ＷＢＧ半導体を適用することにより、定格電圧が１０ｋＶ以上の高い耐電圧特性を備えたパワー半導体モジュールを実現できる。半導体素子１２がＩＧＢＴの場合、裏面の電極はコレクタ電極であり、おもて面の電極はエミッタ電極およびゲート電極である。半導体素子１２がパワーＭＯＳＦＥＴである場合は、裏面の電極はドレイン電極であり、おもて面の電極はソース電極およびゲート電極である。半導体素子１３では、裏面の電極はカソード電極であり、おもて面の電極はアノード電極である。
【００２０】
配線部材であるボンディングワイヤ１７は、例えば、半導体素子１２および半導体素子１３のおもて面電極と、積層基板１１の回路層１１ｂとの間を、電気的に接続する。ボンディングワイヤ１７は、ＡｌやＣｕ等の金属よりなる。なお、パワー半導体モジュール１０の配線部材は、ボンディングワイヤ１７に限られず、例えば、ＡｌやＣｕ等よりなるリードフレームを用いて、はんだ接合により接続してもよい。また、パワー半導体モジュール１０の配線部材は、プリント基板と、複数の導電ポストとを組み合わせたものであってもよい。
【００２１】
外部への電極取出し用の外部端子１８は、その一端が、積層基板１１の回路層１１ｂに、はんだ接合、超音波接合またはレーザー溶接等により、電気的かつ機械的に接続されている。外部端子１８は、Ｃｕ等の金属よりなり、リード等の形状のものを用いることができる。この外部端子１８の接合にはんだ接合を用いる場合、ベース板１４と積層基板１１との接合あるいは積層基板１１と半導体素子１２，１３との接合の前、または、それらと同時に接合してもよい。また、外部端子１８を超音波接合またはレーザー溶接により接合する場合、ベース板１４と積層基板１１との接合あるいは積層基板１１と半導体素子１２，１３との接合の前に接合しておいてもよい。
【００２２】
積層基板１１の金属層１１ｃには、ベース板１４が、接合材１９によって固定されている。接合材１９としては、例えば、回路層１１ｂと半導体素子１２および半導体素子１３との固定に用いられるのと同様の、鉛を含まない錫系のはんだ材を用いることができる。金属層１１ｃとベース板１４との接合は、回路層１１ｂと半導体素子１２および半導体素子１３との接合と同じ工程で行ってもよいし、また、別の工程で行ってもよい。
【００２３】
ベース板１４は、例えば、ＣｕやＡｌ等の熱伝導性の高い金属、または、Ａｌ−ＳｉＣ等の金属−セラミック複合材よりなる。ベース板１４は、例えば、矩形状である。金属層１１ｃと接合するベース板１４の接合面には、必要に応じてＮｉ−Ｐめっき、Ａｕめっき、Ａｇめっき等のめっき膜を形成してもよい。これにより、接合材１９の接合強度を高めることができる。特に、Ａｌ−ＳｉＣ複合材は、はんだとの濡れ性が低いため、ベース板１４と金属層１１ｃとをはんだ接合する場合には、事前にめっき処理をすることが有効である。
【００２４】
枠形状であるケース枠１５は、ベース板１４の周縁部に、図示しない接着剤により接着固定されて、積層基板１１の周囲を囲んでいる。ケース枠１５は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等の耐熱性および耐トラッキング性が高い樹脂よりなる。また、ケース枠１５は、酸化アルミニウムなどのセラミックからなるものとしてもよい。ケース枠１５の外面には、ベース板１４と外部端子１８との間の沿面距離を確保して絶縁を図るために、ひだ状の凹凸を設けることができるが、図中ではこの凹凸を省略している。また、ケース枠１５の上部には、樹脂で形成された蓋を設けることができるが、図中ではこの蓋も省略している。
【００２５】
パワー半導体モジュール１０のケース枠１５の内部には、硬質樹脂よりなる封止材１６が注入されて、固化されている。この封止材１６が、内部に収容された積層基板１１、半導体素子１２、半導体素子１３、ボンディングワイヤ１７および外部端子１８と接して、これらを封止している。封止材１６を硬質樹脂からなるものとしたことで、シリコーンゲルよりなる封止材に比べて、パワー半導体モジュール１０の耐熱性、耐電圧特性を向上させることができる。
【００２６】
ここで、硬質樹脂としては、例えば、絶縁性および耐熱性が高いエポキシ系の熱硬化性樹脂を用いることができる。もっとも、硬質樹脂は、エポキシ系樹脂に限定されるものではなく、絶縁性および耐熱性を有し、パワー半導体モジュール１０における接合材１９以外の部材との密着強度が高い硬質樹脂であればよい。硬質樹脂としては、例えば、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、マレイミド樹脂、シアネート系樹脂（シアネートエステル樹脂）やこれらの混合樹脂を用いることもできる。また、封止材１６の放熱性を高めるために、硬質樹脂中に熱伝導性の高い絶縁材料のフィラーを添加してもよい。フィラーとしては、例えば、アルミナや窒化ボロン等が適用できる。硬質樹脂としては、例えば、曲げ弾性率が１ＧＰａ以上の樹脂を用いることができる。
【００２７】
ベース板１４およびケース枠１５の、封止材１６と対向する面には、コーティング膜２０が設けられている。すなわち、ベース板１４の、積層基板１１が接合される側のおもて面のうち、積層基板１１が接合される領域およびケース枠１５を接着する領域以外の領域と、ケース枠１５の内周面のうち少なくとも封止材１６により封止される領域に、コーティング膜２０を設ける。このコーティング膜２０としては、封止材１６を構成する硬質樹脂と接着しないものを用いる。このようなコーティング膜２０を設けることで、ケース枠１５の内部を封止した際に、封止材１６がコーティング膜２０に接着しない。そのため、実質的に、封止材１６とベース板１４およびケース枠１５とが、未接着の状態となる。これにより、封止材１６を構成する硬質樹脂が熱硬化する際に、線膨張係数の異なるベース板１４やケース枠１５との接着による応力が発生せず、封止材１６内部の残留応力が低減できる。そのため、封止材１６の内部で封止されている積層基板１１の割れを抑制することができる。ここで、未接着部分の隙間は、接着されないために生ずる微小な隙間である。未接着部分の隙間の間隔としては、例えば、１００μｍ以下程度である。
【００２８】
コーティング膜２０としては、封止材１６を構成する硬質樹脂が接着しない材料であればよく、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、ポリイミド樹脂などの有機材料でもよいし、セラミックや金属からなるものでもよい。コーティング膜２０としては、ベース板１４およびケース枠１５に対し高い密着強度を有するものを用いることが好ましい。コーティング膜２０は、例えば、ベース板１４およびケース枠１５の、封止材１６と対向する面に、ＰＴＦＥやポリイミド等からなるテープを貼付することにより形成することができる。コーティング膜２０の厚みについては、特に制限されず、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度とすることができる。ベース板１４へのコーティング膜２０の形成は、積層基板１１をベース板１４に接合した後に行うことができる。また、コーティング膜２０の材料が耐熱性を有する場合には、積層基板１１をベース板１４に接合する前にコーティング膜２０を形成することも可能である。また、ケース枠１５には、あらかじめコーティング膜２０を形成しておく。そして、コーティング膜２０を形成したベース板１４に、このケース枠１５を接着材を用いて接着することにより、ベース板１４およびケース枠１５の、封止材１６と対向する面に、コーティング膜２０を設けることができる。
【００２９】
（実施形態２）
図２は、実施形態２のパワー半導体モジュールを示す模式的な断面図である。本実施形態のパワー半導体モジュール３０は、封止材１６と、ベース板１４およびケース枠１５の表面のコーティング膜２０との間に、ゲル状樹脂２１が充填されている以外の点は、実施形態１のパワー半導体モジュール１０と同様の構成を有する。よって、共通する点の説明は省略し、以下ではゲル状樹脂２１に係る部分について重点的に説明する。
【００３０】
実施形態１において説明したように、図示するパワー半導体モジュール３０においては、ベース板１４およびケース枠１５の、封止材１６と対向する面に、コーティング膜２０が設けられている。そして、封止材１６と、ベース板１４およびケース枠１５とが、未接着の状態となっている。本実施形態においては、封止材１６とコーティング膜２０との間の、この未接着部分に存在する微小な隙間に、ゲル状樹脂２１が充填されている。未接着部分にゲル状樹脂２１を充填することで、未接着部分における封止材１６の酸化劣化を抑制することができる。この場合、ゲル状樹脂２１は、図２に示すように、封止材１６の表面全体を被覆していることが好ましい。これにより、封止材１６の酸化劣化の抑制効果をより確実に得ることができる。
【００３１】
ゲル状樹脂２１としては、封止材１６とベース板１４およびケース枠１５との間の未接着部分に充填可能な熱硬化性の絶縁樹脂であって、硬化後において、封止材１６を構成する硬質樹脂よりも柔軟な材料であれば、いかなるものを用いてもよい。ゲル状樹脂２１としては、例えば、シリコーン系樹脂などの軟質樹脂を用いることができる。ゲル状樹脂２１としては、例えば、熱硬化によりゲル化させた際の貯蔵弾性率が１０００Ｐａ以下の樹脂を用いることができる。
【００３２】
本実施形態のパワー半導体モジュール３０は、実施形態１のパワー半導体モジュール１０を作製した後、封止材１６とコーティング膜２０との間の未接着部分にゲル状樹脂２１を充填することにより、製造することができる。この際、ゲル状樹脂２１の充填を真空中で行うと、未接着部分の空気が十分脱泡されるため、好ましい。具体的にはまず、作製された実施形態１のパワー半導体モジュール１０を、液体状態のゲル状樹脂２１とともに真空チャンバー内に載置する。次に、真空チャンバー内の真空度が好ましくは１０００Ｐａ以下、より好ましくは１００Ｐａ以下となるまで、真空引きを行う。次に、パワー半導体モジュールのケース枠１５内の封止材１６の表面に、液体状態のゲル状樹脂２１を注型する。次に、パワー半導体モジュールを真空チャンバーから取り出すか、または真空チャンバー内の圧力を上げる。すると、生じた圧力差により未接着部分の空気が十分脱泡されると同時に、この未接着部分に液体状態のゲル状樹脂２１が充填される。そして、パワー半導体モジュール全体を加熱することにより、液体状態のゲル状樹脂２１を、熱硬化によりゲル化させる。
【００３３】
このように、ゲル状樹脂２１の充填を真空中で行うことで、ゲル状樹脂２１を大気中で注型した後に真空脱泡しただけでは十分に入り込まないような、未接着部分の微小な隙間に、液体状態のゲル状樹脂２１が確実に充填される。これにより、硬化後のゲル状樹脂２１内で微小ボイド等の空隙の発生が抑制されて、この空隙に起因する部分放電の発生を抑制することができる。
【００３４】
以上より、本発明の実施形態においては、封止材の硬質樹脂が硬化する際に、線膨張係数の異なるベース板やケース枠と接着されることによる応力が発生せず、封止材内部の残留応力等を低減できる。よって、本発明の実施形態は、特に、ＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体素子を用いたパワー半導体装置において、定格電圧が１０ｋＶを超える場合でも信頼性の高い高耐圧なパワー半導体装置が実現できる点で有用である。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例を用いて、本発明の実施形態をより具体的に説明する。
【００３６】
（参考例１）
図３に、参考例であるパワー半導体モジュール１１０の模式的な断面図を示す。パワー半導体モジュール１１０は、積層基板１１１、半導体素子１１２，１１３、ベース板１１４、封止材１１７などから構成される。積層基板１１１は、セラミックからなる絶縁層１１１ａ、回路層１１１ｂおよび金属層１１１ｃよりなる。積層基板１１１の回路層１１１ｂには、半導体素子１１２，１１３および外部端子１１６が、導電性の接合材１１９により電気的かつ機械的に接続されている。また、金属板１１１ｃとベース板１１４とが、接合材１１９により接合されている。さらに、ベース板１１４にはケース枠１１８が接着固定され、この枠１１８内に封止材１１７が注入、固化されている。さらにまた、ボンディングワイヤ１１５により、半導体素子１１２，１１３のおもて面電極と回路層１１１ｂとの間が、電気的に接続されている。
絶縁層１１１ａとしては、セラミックを用いた。ベース板１１４にはＣｕを用い、ケース枠１１８にはＰＰＳ樹脂を用いた。半導体素子１１２，１１３としては、ＳｉＣよりなるスイッチング素子およびダイオードを用いた。封止材１１７としては、熱硬化性のエポキシ樹脂を用いた。
【００３７】
パワー半導体モジュール全体を１８０℃で１２０分間加熱することにより、エポキシ樹脂を熱硬化させた。得られたパワー半導体モジュール１１０においては、封止材１１７のエポキシ樹脂と、ベース板１１４およびケース枠１１８とが接着されていた。
【００３８】
（実施例１）
図１に示すような、実施形態１に記載のパワー半導体モジュール１０を作製した。絶縁層１１ａ、ベース板１４、ケース枠１５、半導体素子１２，１３および封止材１６の条件については、参考例１と同様とした。
【００３９】
また、ベース板１４およびケース枠１５の、封止材１６と対向する面には、耐熱性のＰＴＦＥテープ（厚み１００μｍ）を用いて、コーティング膜２０を形成した。得られたパワー半導体モジュール全体を１８０℃で１２０分間加熱することにより、エポキシ樹脂を熱硬化させた。得られたパワー半導体モジュール１０においては、封止材１６のエポキシ樹脂と、ベース板１４およびケース枠１５の表面のコーティング膜２０とが、未接着の状態となっていた。
【００４０】
（実施例２）
図２に示すような、実施形態２に記載のパワー半導体モジュール３０を作製した。絶縁層１１ａ、ベース板１４、ケース枠１５、半導体素子１２，１３、封止材１６およびコーティング膜２０については、実施例１と同様とした。
【００４１】
また、ケース枠１５内の封止材１６の表面に、真空中で、液体状態のゲル状樹脂（シリコーン樹脂）を注型した。具体的には、エポキシ樹脂である封止材１６を熱硬化させたパワー半導体モジュール３０を、液体状態のゲル状樹脂２１とともに真空チャンバー内に載置し、真空チャンバー内を真空引きして、内部の真空度を５０Ｐａとした。その後、ケース枠１５内の封止材１６の表面に、液体状態のゲル状樹脂２１を注型して、パワー半導体モジュール全体を真空チャンバーから取り出した。真空中から常圧下に戻されることで、液体状態のゲル状樹脂２１は、封止材１６の表面全体を被覆するとともに、封止材１６と、ベース板１４およびケース枠１５の表面のコーティング膜２０との間に浸入し、内部のエアが脱泡されるとともに、未接着部分に完全に充填された。その後、パワー半導体モジュール全体を１５０℃で３０分間加熱することで、ゲル状樹脂２１を、熱硬化によりゲル化させた。
【００４２】
上記で得られた各実施例のパワー半導体モジュールにおいては、いずれも、封止材内部の残留応力は低く、これに起因する絶縁層の割れや、封止材と他構成部材との間における界面剥離の発生はなかった。
【００４３】
また、上記で得られた各パワー半導体モジュールを用いて、熱冷サイクル（−４０℃〜１７５℃）前後で絶縁評価を行った。絶縁評価は、部分放電試験により行った。具体的には、ベース板を接地電位とし、外部端子間を短絡して、外部端子側に商用周波数６０Ｈｚの交流電圧を印加して実施した。交流電圧を０Ｖから徐々に１５ｋＶまで上昇させて、放電電荷量が１ｐＣ以上の部分放電の発生の有無により、評価を行った。
【００４４】
結果は、印加電圧１５ｋＶで部分放電が生じない場合を○、放電電荷量１ｐＣ以上の部分放電が発生した場合を×で示し、部分放電が発生した段階で、熱冷サイクル試験を中止した。その結果を、下記の表１中に示す。
【００４５】
【表１】
0006540326.tif 000002
【００４６】
参考例１の場合、１サイクル後に放電が発生した。調べたところ、ベース板１１４と硬質樹脂からなる封止材１１７とが剥離し、ベース板１１４と積層基板１１１とを接合しているはんだ材１１９および積層基板１１１の回路層１１１ｂの側面と、硬質樹脂からなる封止材１１７とが剥離していた。さらに、積層基板１１１における絶縁層１１１ａの端部に応力が集中し、セラミックからなる絶縁層１１１ａに割れが発生していた。
【００４７】
これに対し、実施例１の構造では、１００サイクルまで部分放電発生がなく、本実施例の効果が確認できた。実施例１では、２００サイクルで部分放電が発生しているが、これは、硬質樹脂の表面で酸化劣化が進展し、ベース板１４と積層基板１１とを接合している接合材１９および積層基板１１の回路層１１ｂの側面と、硬質樹脂からなる封止材１６との間で、剥離が発生したことが原因と考えられる。
【００４８】
また、実施例２の構造では、３００サイクルまで部分放電発生がなく、最も良好な効果が得られた。
【符号の説明】
【００４９】
１０，３０  パワー半導体モジュール
１１  積層基板
１１ａ  絶縁層
１１ｂ  回路層
１１ｃ  金属層
１２，１３  半導体素子
１４  ベース板
１５  ケース枠
１６  封止材
１７  ボンディングワイヤ
１８  外部端子
１９  接合材
２０  コーティング膜
２１  ゲル状樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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