(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ベース板と、上記金属ベース板上に配設され、電極を有する絶縁基板と、上記絶縁基板上に配設された半導体素子と、上記絶縁基板および上記半導体素子を取り囲むように上記金属ベース板に配設されたケースと、上記金属ベース板と上記ケースに囲まれた空間内に充填されて、上記絶縁基板および上記半導体素子を封止するポッティング封止剤と、を備えたパワー半導体モジュールにおいて、
上記ポッティング封止剤は、シリコーンゲルと、上記シリコーンゲルに添加された、シリコン原子とイオン性基を含む導電性付与剤と、を備え、
上記ポッティング封止剤は、櫛を１ｍｍ間隔で交互に配列してなる櫛形対向電極パターンが窒化ケイ素基板上に形成されている評価基板が上記ポッティング封止剤で封止されている状態で、上記櫛形対向電極パターンの電極間に１ｋＶの直流電圧を印加してから３００秒後の櫛形電極界面リーク電流が、１．５×１０−８Ａ以下、４．２×１０−１０Ａ以上であるパワー半導体モジュール。
【請求項２】
上記ポッティング封止剤は、前記半導体素子の表面の外周縁部にあるガードリングに接している請求項１記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
上記イオン性基は、ビストリフルオロメタンスルホンイミドである請求項１又は請求項２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】
この発明は、ケース内に配設された半導体素子をポッティング封止剤により封止してなるパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体モジュールには、小型のパワー半導体モジュールに多く見られるトランスファー封止型と、中型以上のパワー半導体モジュールに多く見られるポッティング封止型（ケース型とも言う）がある。【０００３】
従来のポッティング封止型のパワー半導体モジュールは、金属ベース板と金属ベース板を囲む枠状のケース壁とからなるケースと、電極を有し、金属ベース板上に固定されてケース内に配設されたセラミック基板と、セラミック基板上に取りつけられた半導体素子と、セラミック基板の電極と半導体素子とを電気的に接続するワイヤと、ケース内に充填されて、ケース内の各部品を封止するポッティング封止剤であるシリコーンゲルと、ケース上部の開口部を塞ぐ蓋と、を備えている。【０００４】
近年、パワー半導体モジュールの高耐電圧化が進んでおり、現在６．５ｋＶ耐圧の製品が電車などに適用されている。素子内リーク電流を小さくして耐電圧を向上する手法として、通常、素子の周囲にガードリングを設け、その部分で電界緩和しながら半導体素子表面での電荷蓄積を小さくする手法がとられていた。また、コストを下げるため、素子サイズを小型化する検討もなされている。素子サイズを小型化する手段として、素子周辺のガードリングを縮小することが考えられるが、その結果、素子内部でのリーク電流が増大することが考えられる。さらに、電圧が高くなると、電荷がワイヤから継続的に放出されるため、ガードリングの形成領域に電荷が蓄積され、十分な電界緩和ができなくなることも課題である。【０００５】
このような状況を鑑み、封止剤より低帯電の絶縁性の低帯電材をワイヤの周囲に配設して、ワイヤから封止剤への電荷注入を抑制し、素子内部で発生するリーク電流の発生を抑制していた（例えば、特許文献１参照）。【０００６】
また、ポッティング封止剤を２層にし、下層（素子、基板側）に半導電性粒子を分散させることで、絶縁抵抗に非線形性を持たせ、電界の高い部分の電界緩和を可能としていた（例えば、特許文献２参照）。【０００７】
また、イオン液体が添加されたイオンゲルを絶縁基板の主面と絶縁基板の主面上に配置された導体板の側面との交差部に塗布し、その後、イオン液体が添加されていないゲルで全体を被覆することで、絶縁基板の沿面の電界を緩和し、その部分での放電の抑制を可能としていた（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−３０５７５７号公報
【特許文献２】特開平１０−２７０６０９号公報
【特許文献３】特開２００１７−２８１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載のものでは、低帯電材をワイヤの周囲に配設しているが、多数本のワイヤは密集して配線されているため、ワイヤの周囲に低帯電材を配設する作業が煩雑であり、実用的ではなかった。【００１０】
特許文献２に記載のものでは、ポッティング封止剤を２層化する必要があるためコストが高くなるという課題があった。また、半導電性粒子を分散させたポッティング封止剤は絶縁抵抗に非線形性を有するため、電界集中している場所でしか電界緩和できず、しかもある電界を超えると急激に絶縁抵抗が低下するので、モジュール自体の耐電圧低下を起こしてしまう課題があった。さらに、ポッティング封止剤としてエポキシ樹脂を用いているので、半導電性粒子が添加されたエポキシ樹脂における硬化収縮の影響でセラミック基板にクラックを発生させてしまうという課題があった。【００１１】
特許文献３に記載のものでは、イオン液体が添加されていないゲルがイオンゲルを覆っている。そのため、イオンゲルに含まれるイオン液体が、イオン液体が添加されていないゲルに拡散し、イオンゲル中のイオン濃度が徐々に低下し、本来の電界緩和力が失われてしまうという課題があった。また、特許文献３に記載のものにおけるイオンゲルの塗布位置では、半導体素子のガードリング上に蓄積される電荷を減少させることはできない。【００１２】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、絶縁基板のクラック発生およびモジュールの耐電圧低下を抑制でき、ガードリング上での電界集中を抑制し、素子内部空欠層内で発生する素子内リーク電流を低減できるとともに、ポッティング封止剤の電界緩和力を長期的に維持できる、安価な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】
この発明に係るパワー半導体モジュールは、金属ベース板と、上記金属ベース板上に配設され、電極を有する絶縁基板と、上記絶縁基板上に配設された半導体素子と、上記絶縁基板および上記半導体素子を取り囲むように上記金属ベース板に配設されたケースと、上記金属ベース板と上記ケースに囲まれた空間内に充填されて、上記絶縁基板および上記半導体素子を封止するポッティング封止剤と、を備え、上記ポッティング封止剤は、シリコーンゲルと、上記シリコーンゲルに添加された、シリコン原子とイオン性基を含む導電性付与剤と、を備え、上記ポッティング封止剤は、櫛を１ｍｍ間隔で交互に配列してなる櫛形対向電極パターンが窒化ケイ素基板上に形成されている評価基板が上記ポッティング封止剤で封止されている状態で、上記櫛形対向電極パターンの電極間に１ｋＶの直流電圧を印加してから３００秒後の櫛形電極界面リーク電流が、１．５×１０−８Ａ以下、４．２×１０−１０Ａ以上である。
【発明の効果】
【００１４】
この発明に係るパワー半導体モジュールによれば、ポッティング封止剤を２層化する必要がないので、安価となる。シリコーンゲルに含まれる導電性付与剤の濃度が均一であり、拡散によるシリコーンゲル中のイオン濃度の低下がなく、ポッティング封止剤の電界緩和力が長期的に維持される。ポッティング封止剤がゲルであるので、絶縁基板のクラック発生を抑制できる。ポッティング剤がゲルに導電性付与剤を添加して構成されているので、ポッティング封止剤と半導体素子との界面絶縁抵抗が下がり、界面での蓄積電荷量が低減し、素子内部の素子リーク電流を低減できる。また、ポッティング封止剤の導電性は、モジュールの絶縁を低下させるほど大きくなく、むしろ電界集中を緩和させるように作用し、モジュール自体の耐電圧の低下が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の一実施の形態に係るパワー半導体モジュールを示す断面図である。
【図２】この発明の一実施の形態に係るパワー半導体モジュールにおける半導体素子を示す上面図である。
【図３】比較例のパワー半導体モジュールにおけるガードリング周りの電荷蓄積と空乏層境界線の状態を説明する要部断面図である。
【図４】この発明の一実施の形態に係るパワー半導体モジュールにおけるガードリング周りの電荷蓄積と空乏層境界の状態を説明する要部断面図である。
【図５】導電性付与剤が未添加のシリコーンゲルでポッティングされたＩＧＢＴ素子の素子リーク電流を測定した結果を示す図である。
【図６】導電性付与剤が添加されたシリコーンゲルでポッティングされたＩＧＢＴ素子の素子リーク電流を測定した結果を示す図である。
【図７】櫛形電極基板を示す上面図である。
【図８】櫛形電極基板の界面絶縁抵抗の測定方法を説明する模式図である。
【図９】櫛形電極基板における櫛形電極界面リーク電流と電圧印加時間との関係を示す図である。
【図１０】評価モジュールにおける金属ベース板に半導体素子が実装された状態を示す上面図である。
【図１１】評価モジュールのモジュール組立体を示す断面図である。
【図１２】評価モジュールに用いられるポッティング封止剤で封止された櫛形電極基板における櫛形電極界面リーク電流と電圧印加時間との関係を示す図である。
【図１３】評価モジュールの評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態．
図１はこの発明の一実施の形態に係るパワー半導体モジュールを示す断面図、図２はこの発明の一実施の形態に係るパワー半導体モジュールにおける半導体素子を示す上面図である。
【００１７】
図１において、パワー半導体モジュール１００は、金属ベース板５と、金属ベース板５上に接合されて配設されたＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）基板３と、ＤＢＣ基板３上に接合されて配設された半導体素子６と、外部と電気的に接続するための複数の外部端子２と、外部端子２、ＤＢＣ基板３、半導体素子６などの部品を取り囲むように金属ベース板５上に取りつけられたケース７と、金属ベース板５とケース７とで構成される空間内に充填されて、ＤＢＣ基板３、半導体素子６などの部品を封止するポッティング封止剤１と、ケース７の上部開口を塞ぐ蓋８と、を備える。
【００１８】
ＤＢＣ基板３は、絶縁基板３ａの両面に、銅又は銅合金で形成された回路層を直接接合して構成されている。絶縁基板３ａは、セラミックス基板などにより構成されている。絶縁基板３ａの上面に配設されている回路網が上電極３ｂであり、絶縁基板３ａの下面に配設されている回路網が下電極３ｃである。半導体素子６は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどパワー半導体素子である。
【００１９】
金属ベース板５とＤＢＣ基板３との接合、ＤＢＣ基板３と半導体素子６との接合には、半田を用いた接合、金属ナノ粒子を用いた接合、金属拡散による接合、超音波による接合などが用いられる。半導体素子６の間、半導体素子６とＤＢＣ基板３の上電極３ｂとの間は、ワイヤボンディングにより、すなわちワイヤ９により電気的に接続されている。
【００２０】
半導体素子６には、ガードリング１１と呼ばれる電界緩和パターンが形成されている。ガードリング１１は、図２に示されるように、半導体素子６の表面の外周縁部を周回するように形成された、互いに離間する複数本の導電性リングにより構成されている。電極１０が、半導体素子６の表面のガードリング１１に囲まれた領域に形成されている。ガードリング１１の本数は、半導体素子６の種類により適宜設定される。さらに、電界緩和用の半導電性のＳｉｎＳｉＮ膜（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ膜）がＣＶＤにより半導体素子６の表面のガードリング１１の導電性リング間に成膜されている。
【００２１】
ポッティング封止剤１は、ゲルに導電性付与剤を添加して構成され、ポッティング封止剤１と半導体素子６との界面絶縁抵抗を下げている。ゲルは、分散質のネットワークにより高い粘性を持ちかつ流動性を失い、系全体としては固体状になったものである。ポッティング封止剤１のゲルは、ワイヤ９に作用する応力が小さく、ワイヤボンディングの長期信頼性を確保する観点から、低弾性率の材料を用いることが好ましく、ここでは、シリコーンゲルを用いている。シリコーンゲルは、付加型でも、縮合型でもよい。また、シリコーンゲルは、ジメチルポリシロキサン系でも、メチルフェニルポリシロキサン系でもよい。
【００２２】
導電性付与剤は、シリコーンゲルと相溶する必要があるので、シリコーン変性イオン性液体が好ましい。つまり、導電性付与剤は、シリコン原子と、イオン性基と、を含んでいる。シリコーン変性イオン性液体は、硬化前のシリコーンゲルと相溶するが、シリコーンゲルが硬化すると、半導体素子および基板の表面に集まる特性を持つ。そこで、ポッティング封止剤１の体積絶縁抵抗を過度に下げることなく、ポッティング封止剤１と半導体素子およびポッティング封止剤１と基板との界面絶縁抵抗だけを下げることができるので、シリコーン変性イオン性液体の添加量が少なくてすむ。
【００２３】
ポッティング封止剤１はシリコーンゲルに導電性付与剤を添加して構成されているので、ポッティング封止剤１は絶縁抵抗に非線形を有していない。そこで、特許文献２で課題となっている非導電性粒子を分散させることに起因するモジュール自体の耐電圧低下の発生を抑制することができる。また、ポッティング封止剤１は、モジュールの絶縁を低下させるほど大きくなく、むしろ電界集中を緩和するように作用する。これにより、モジュール自体の耐電圧低下を抑制することができる。
【００２４】
金属ベース板５とケース７とで構成される空間内に充填されたポッティング封止剤１は、イオン性液体を含まないゲルにより覆われていない。また、ポッティング封止剤１中の導電性付与剤の濃度は均一である。そのため、ポッティング封止剤１中の導電性付与剤の濃度の低下が抑制され、電界緩和力が長期的に維持される。
【００２５】
なお、シリコーン変性していない導電性付与剤は、シリコーンゲルと相溶しないため、分離してしまう。例えば、シリコーン変性していない導電性付与剤であるイオン性液体のエンスタットＰＲ−ＩＬ１（化研産業株式会社の製品名）をシリコーンゲルに添加した場合、シリコーンゲルと相溶しなかった。
【００２６】
つぎに、本発明に係るパワー半導体モジュールによる素子内リーク電流の低減効果、および耐電圧向上について図３および図４を参照しつつ説明する。図３は比較例のパワー半導体モジュールにおけるガードリング周りの電荷蓄積と空乏層境界線の状態を説明する要部断面図、図４はこの発明の一実施の形態に係るパワー半導体モジュールにおけるガードリング周りの電荷蓄積と空乏層境界の状態を説明する要部断面図である。
【００２７】
比較例のパワー半導体モジュール２００では、図３に示されるように、アルミ電極１２、Ｐ層１３、Ｎ−層１４、Ｎ＋層１５、ＳｉＯ2、ＰＳＧおよびＳｉｎＳｉＮからなる層間膜１６により構成された半導体素子６が、導電性付与剤が添加されていないポッティング封止剤としてのシリコーンゲル２０により封止されている。本願のパワー半導体モジュール１００では、図４に示されるように、同様に構成された半導体素子６が、導電性付与剤をシリコーンゲルに添加してなるポッティング封止剤１により封止されている。なお、シリコーンゲル２０は、ポッティング封止剤１を構成するシリコーンゲルと同じものである。
【００２８】
比較例のパワー半導体モジュール２００では、電荷がワイヤから継続的に放出されるため、ワイヤ９から放出されてガードリング１１の領域に到達した電荷が移動せず、蓄積される。つまり、図３に示されるように、アルミ電極１２からなるガードリング１１の領域において、＋可動イオン１７および−可動イオン１８からなる電荷が、半導体素子６とシリコーンゲル２０との界面に蓄積される。この蓄積された電荷が、空欠層境界１９を外側に押し込む。これにより、半導体素子６の素子内部空欠層内で発生する素子内リーク電流が大きくなる。また、空欠層境界１９の変形が、ガードリング１１を構成するアルミ電極１２間の電界の不均一、すなわち電界集中を招く。電界が集中した部分では、絶縁破壊を発生する可能性がある。
【００２９】
本出願人が検討したところ、ＳｉｎＳｉＮ膜の電気抵抗の温度依存性が大きいため、低温で電気抵抗が上がることが確認された。そこで、比較例のパワー半導体モジュール２００では、低温となり、ＳｉｎＳｉＮ膜が高抵抗となると、ワイヤ９から放出されてガードリング１１の領域に到達した電荷が移動せず、電荷の蓄積が促進される。これにより、低温域では、半導体素子６の素子内部空欠層内で発生する素子内リーク電流が一層大きくなってしまう。
【００３０】
本願のパワー半導体モジュール１００では、ポッティング封止剤１が半導体素子６の表面および半導体素子６の表面の外周縁部にあるガードリング１１に接している。そこで、シリコーンゲルに添加された導電性付与剤が半導体素子６の表面に集まり、半導体素子６とポッティング封止剤１との間の界面絶縁抵抗が下がっている。これにより、ワイヤ９から放出されてガードリング１１の領域に到達した電荷が速やかに移動し、電界の蓄積が緩和される。つまり、図４に示されるように、ガードリング１１を構成するアルミ電極１２間の領域において、半導体素子６とポッティング封止剤１との界面に蓄積される電荷が、緩和され、少なくなる。そこで、空欠層境界１９が正常な形を保持し、素子内部空欠層内で発生する素子内リーク電流の増大が抑制される。
【００３１】
また、仮に低温となっても、低温となることに起因するＳｉｎＳｉＮ膜の抵抗の上昇は、半導体素子６とポッティング封止剤１との間の界面絶縁抵抗の低下により補完される。そこで、半導体素子６とポッティング封止剤１との界面に蓄積される電荷が、緩和され、少なくなる。これにより、低温域でも、素子内部空欠層内で発生する素子内リーク電流の増大が抑制される。
【００３２】
つぎに、半導体素子であるＩＧＢＴ素子の素子リーク電流を測定した結果を図５および図６に示す。図５は導電性付与剤が未添加のシリコーンゲルでポッティングされたＩＧＢＴ素子の素子リーク電流を測定した結果を示す図、図６は導電性付与剤が添加されたシリコーンゲルでポッティングされたＩＧＢＴ素子の素子リーク電流を測定した結果を示す図である。なお、素子リーク電流の測定は、室温で１チップで行った。ここでの評価は、素子内リーク電流だけを分けて測定して行うものではない。すなわち、ここでの素子リーク電流は、素子内リーク電流を包含している。
【００３３】
ポッティング封止剤として導電性付与剤が未添加のシリコーンゲルを用いた場合、図５に示されるように、電圧印加後約１ｆｓで、素子リーク電流が２０ｍＡを超えていた。一方、ポッティング封止剤として導電性付与剤が添加されたシリコーンゲルを用いた場合、図６に示されるように、素子リーク電流は約５ｍＡを超えることがなかった。このように、ポッティング封止剤として導電性付与剤をゲルに添加して、ポッティング封止剤と素子との界面絶縁抵抗を下げることで、素子リーク電流を低減できることが確認された。
【００３４】
ここで、ゲルに添加する導電性付与剤の最適値は、導電性付与剤の化学構造、ゲルの化学構造などによって異なるため、最適値を添加量で規定することは困難となる。そこで、本出願人は、セラミック基板の表面に櫛形対向電極パターンを形成した櫛形電極基板をポッティング封止剤で封止する構成におけるポッティング封止剤と基板との界面絶縁抵抗（電流値）で導電性付与剤の最適値を規定することに着眼した。また、界面絶縁抵抗が過度に低くなると、ポッティング封止剤と基板との界面で電流が流れて、絶縁不良を引き起こすことになる。そこで、本出願人は、導電性付与剤の最適添加量の範囲を添加量ではなく、導電性付与剤の添加後のポッティング封止剤と基板との界面絶縁抵抗の範囲で規定できると判断した。
【００３５】
つぎに、ポッティング封止剤と基板との界面絶縁抵抗の範囲について検討する。図７は櫛形電極基板を示す上面図、図８は櫛形電極基板の界面絶縁抵抗の測定方法を説明する模式図、図９は櫛形電極基板における櫛形電極界面リーク電流と電圧印加時間との関係を示す図である。
【００３６】
評価基板である櫛形電極基板２１は、図７に示されるように、絶縁基板２２の一面に銅を接合して構成されたＤＢＣ基板の一面にニッケルめっきを施し、エッチングによりパターニングして、櫛形対向電極パターン２３を形成して、作製される。そこで、櫛形対向電極パターン２３はニッケルと銅の２層構造となっている。絶縁基板２２は、４５．２ｍｍ×３４ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化ケイ素基板である。櫛形対向電極パターン２３は、一対の電極の櫛が１ｍｍ離間して交互に配列されたパターンである。
【００３７】
界面絶縁抵抗の測定は、図８に示されるように、櫛形電極基板２１がケース２４内に収納され、ポッティング封止剤２５により封止された状態で行った。そして、櫛形電極基板２１の櫛形対向電極パターン２３の各電極引き出し部２３ａから引き出された電極線２７，２８がハイレジスタンスメータ２６に接続される。そして、電極線２７，２８に１ｋＶの直流電圧を印加して、櫛形電極基板２１とポッティング封止剤２５の櫛形電極界面リーク電流を測定し、その結果を図９に示す。図９では、ＳＥ−１８８５（東レ・ダウコーニング株式会社の製品名）にＸ−４０−２４５０（信越化学工業の製品名）を０．００００５重量％添加してなるポッティング封止剤２５を用いた場合を実線で示し、ポッティング封止剤２５としてシリコーンゲルのみを用いた場合を点線で示した。なお、ＳＥ−１８８５は、硬化してシリコーンゲルとなる。また、Ｘ−４０−２４５０は、イオン性液体をシリコーン変性したイオン性基含有シリコーンオリゴマー（シリコーン変性イオン性液体）であり、イオン性基はビストリフルオロメタンスルホンイミドであり、導電性付与剤として機能する。
【００３８】
図９から、ポッティング封止剤２５として、導電性付与剤がシリコーンゲルに添加された封止剤を用いた場合、電圧印加後、櫛形電極界面リーク電流は、時間と共に小さくなった後、ほぼ一定の値に安定していることがわかった。これにより、少量の導電性付与剤の添加で界面絶縁抵抗が下がることがわかった。
また、図９から、ポッティング封止剤２５として、導電性付与剤が未添加のシリコーンゲルを用いた場合、電圧印加直後では大きな櫛形電極界面リーク電流が流れ、その後櫛形電極界面リーク電流が徐々に小さくなり、３００秒後にほぼ一定の値に安定することがわかった。すなわち、経時変化を考慮して、３００秒後の櫛形電極界面リーク電流値で界面絶縁抵抗値を判断することが好ましい。これにより、吸収電流の影響を受けることなく、界面絶縁抵抗値を判断できる。
【００３９】
以下、導電性付与剤の添加量を変えてパワー半導体モジュールを作製し、それらの性能を評価した結果を説明する。図１０は評価モジュールの金属ベース板に半導体素子が実装された状態を示す上面図、図１１は評価モジュールのモジュール組立体を示す断面図、図１２は評価モジュールに用いられるポッティング封止剤で封止された櫛形電極基板における櫛形電極界面リーク電流と電圧印加時間との関係を示す図、図１３は評価モジュールの評価結果を示す図である。
【００４０】
金属ベース板５は、１９０ｍｍ×１４０ｍｍ×３ｍｍの銅板を用いた。ＤＢＣ基板３は、５１ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍの窒化ケイ素からなる絶縁基板３ａの両面に銅により形成された回路網が直接接合されたものを用いた。ＤＢＣ基板３に搭載する半導体素子６は、ＩＧＢＴ６ａとＦＷＤ（Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）６ｂを用いた。ポッティング封止剤１のゲルには、硬化してシリコーンゲルとなるＳＥ−１８８５を用いた。導電性付与剤は、Ｘ−４０−２４５０を用いた。
【００４１】
そして、図１０に示されるように、６枚のＤＢＣ基板３を金属ベース板５上に実装し、ＩＧＢＴ６ａとＦＷＤ６ｂとを各ＤＢＣ基板３に３つずつ実装した。ワイヤボンディングによりＤＢＣ基板３間などを電気的に接続した。図１１に示されるように、枠状のケース７を、ＤＢＣ基板３を取り囲むように、金属ベース板５に取りつけて、モジュール組立体１１０を作製した。
【００４２】
ＳＥ−１８８５のＡ液とＢ液とを２００ｇずつ計量し、攪拌混合した。ついで、Ｘ−４０−２４５０の所定量を攪拌混合されたＳＥ−１８８５に添加し、２分間減圧脱泡した。ついで、Ｘ−４０−２４５０が添加されたＳＥ−１８８５をモジュール組立体に減圧注入し、１００℃のオーブンに入れて１時間加熱し、Ｘ−４０−２４５０が添加されたＳＥ−１８８５を硬化させた。この固化物がポッティング封止剤１であり、ＳＥ−１８８５の固化物がシリコーンゲルである。ついで、モジュール組立体１１０の上部開口を蓋８で塞ぎ、図１に示されるパワー半導体モジュール１００と同等の評価モジュールを作製した。ここでは、Ｘ−４０−２４５０の添加量を、０．１ｗｔ％、０．０５ｗｔ％、０．００５ｗｔ％、０．００１ｗｔ％、０．０００５ｗｔ％、０．０００１ｗｔ％、０．００００５ｗｔ％、０．００００１ｗｔ％、０．０００００１ｗｔ％とした９種類の評価モジュールを作製した。
【００４３】
室温での素子リーク電流と交流による部分放電との２項目で評価モジュールの評価を行い、その評価結果を図１３に示した。素子リーク電流の評価は、室温で、評価モジュールに５２００ＶのＤＣ電圧を印加して素子リーク電流を計測して行った。そして、図５および図６の検討結果を考慮して、素子リーク電流の計測値が２０ｍＡ未満の場合を合格とした。部分放電の評価は、評価モジュールに印加する電圧を、５ｋＶステップで、３０秒インターバルで昇圧させ、放電電荷を計測して行った。そして、放電電荷の計測値が１０ｐＣ以上になる電圧が１１．５ｋＶ以下の場合を合格とした。また、放電が発生しない場合でも、すなわち電圧が１１．５ｋＶ以下の場合でも、電流値が５０ｍＡ以上であれば、絶縁試験不合格とした。
【００４４】
Ｘ−４０−２４５０の添加量を変えた９種類のポッティング封止剤１により図７に示される櫛形電極基板２１を封止し、図８に示される測定方法により、櫛形電極基板２１における櫛形電極界面リーク電流を測定し、その測定結果を図１２に示す。また、櫛形電極基板２１に電圧を印加してから３００秒後の櫛形電極界面リーク電流の測定値を図１３に示した。この櫛形電極界面リーク電流の測定値は、ポッティング封止剤１を用いた界面の絶縁抵抗を電流値で表したものである。
【００４５】
図１２から、導電性付与剤であるＸ−４０−２４５０の添加量が多くなるほど、櫛形電極界面リーク電流が大きくなることがわかった。すなわち、導電性付与剤であるＸ−４０−２４５０の添加量を多くするほど、界面の絶縁抵抗が低くなることが確認できた。
【００４６】
図１３から、導電性付与剤であるＸ−４０−２４５０の添加量が０．００００１ｗｔ％以上であると、素子リーク電流が２０ｍＡ未満であったが、添加量が０．０００００１ｗｔ％以下となると、素子リーク電流が２０ｍＡ以上となることがわかった。これは、添加量を０．０００００１ｗｔ％以下とすることで、界面絶縁抵抗が低くなりすぎ、ワイヤ９から放出されてガードリング１１の領域に到達した電荷が蓄積されて、素子リーク電流が増加したものと、推考される。
【００４７】
図１３から、導電性付与剤であるＸ−４０−２４５０の添加量が０．００５ｗｔ％より多くなると、部分放電および絶縁不良が発生することがわかった。これは、添加量を０．００５ｗｔ％より多くすることで、界面絶縁抵抗が高くなりすぎ、ゲルと半層体素子との界面、基板の沿面などで電流がリークしたことによるものと、推考される。
【００４８】
これらのことから、導電性付与剤であるＸ−４０−２４５０の添加量を、０．００５Ｗｔ％以下、０．００００１ｗｔ％以上とすることが好ましい。また、Ｘ−４０−２４５０の添加量が０．００５Ｗｔ％のとき、櫛形電極界面リーク電流は１．５×１０-8Ａであり、Ｘ−４０−２４５０の添加量が０．００００１Ｗｔ％のとき、櫛形電極界面リーク電流は４．２×１０-10Ａであった。
【００４９】
しかし、導電性付与剤の添加量の最適値は、導電性付与剤の化学構造、ゲルの化学構造などによって異なる。そこで、櫛形電極界面リーク電流が、１．５×１０-8Ａ以下、４．２×１０-10Ａ以上となるように、導電性付与剤の添加量を調整すればよい。
【００５０】
ここでは、導電性付与剤としてＸ−４０−２４５０を用いたが、導電性付与剤は、Ｘ−４０−２４５０に限定されず、シリコーンゲルと相溶するイオン性液体、すなわちシリコーン変性イオン性溶液であればよい。
【００５１】
また、ゲルとしてシリコーンゲルを用いたが、ゲルはシリコーンゲルに限定されず、低弾性率のゲルであればよい。この場合、導電性付与剤は、ゲルと相溶するイオン性液体を用いればよく、必ずしもシリコーン変性している必要はない。
【符号の説明】
【００５２】
１  ポッティング封止剤、３  絶縁基板、５  金属ベース板、６  半導体素子、７  ケース、１１  ガードリング、２１  櫛形電極基板（評価基板）、２２  絶縁基板（窒化ケイ素基板）、２３  櫛形対向電極パターン。
【要約】
本発明によるパワー半導体モジュールは、金属ベース板と、上記金属ベース板上に配設され、電極を有する絶縁基板と、上記絶縁基板上に配設された半導体素子と、上記絶縁基板および上記半導体素子を取り囲むように上記金属ベース板に配設されたケースと、上記金属ベース板と上記ケースに囲まれた空間内に充填されて、上記絶縁基板および上記半導体素子を封止するポッティング封止剤と、を備え、上記ポッティング封止剤は、シリコーンゲルと、上記ゲルに添加された、シリコン原子とイオン性基を含む導電性付与剤と、を備える。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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