(57)【要約】【課題】  高耐電圧を有するインバータ装置を得る。【解決手段】  パワー素子６が基板７に接合され、外部取り出し電極３とパワー素子６とは金属ワイヤ８により電気的に接続されている。ベース板５には外囲ケース４が接着され、パワー素子６はシリコーンゲル層１と、この上にはエポキシ樹脂組成物成分（特に硬化剤）の透過を防止する拡散防止樹脂層９と、電極３の固定とパッケージの気密性を保持するためにエポキシ樹脂層２とにより封止されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に実装されたパワー素子、並びにこのパワー素子を封止する、シリコーンゲル層とエポキシ樹脂層とを備えたインバータ装置において、上記パワー素子に設けられたシリコーンゲル層に、上記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を介して上記エポキシ樹脂層が設けられていることを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
ワイヤーボンディング実装されたパワー素子の少なくともワイヤーボンドを埋没するように、シリコーンゲル層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
エポキシ樹脂組成物が酸無水物硬化型であり、拡散防止樹脂層がシリコーンゴム、不飽和ポリエステル樹脂またはアクリレート樹脂からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー素子をシリコーンゲルとエポキシ樹脂とで封止したインバータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
容量や電圧の大きな樹脂封止型パワーモジュール装置（インバータ装置）は、素子をまずシリコーンゲルで封止し、次にエポキシ樹脂で封止する絶縁構造を有している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−６４７５９号公報（第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えばＩＧＢＴ等のパワー素子に高い耐電圧が要求されるようになると、上記パワーモジュール装置のシリコーンゲル層に要求される耐電圧も高くなる。
しかしながら、未だ上記シリコーンゲル層の耐電圧を向上させるための検討はなされていない。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、封止樹脂であるシリコーンゲル層の耐電圧を向上させることにより、高い耐電圧を有するインバータ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る第１のインバータ装置は、基板に実装されたパワー素子、並びにこのパワー素子を封止する、シリコーンゲル層とエポキシ樹脂層とを備えたインバータ装置において、上記パワー素子に設けられたシリコーンゲル層に、上記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を介して上記エポキシ樹脂層が設けられていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の第１のインバータ装置は、基板に実装されたパワー素子、並びにこのパワー素子を封止する、シリコーンゲル層とエポキシ樹脂層とを備えたインバータ装置において、上記パワー素子に設けられたシリコーンゲル層に、上記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を介して上記エポキシ樹脂層が設けられていることを特徴とするもので、高い耐電圧を有するという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図２は、本発明の実施の形態１の比較として示す、従来のインバータ装置の構成図である。
つまり、パワー素子６はセラミックスからなる基板７を介して銅ベース板５に接合され、ベース板５からは、直接またはセラミックス基板７を介して半田付け固定された外部取り出し電極３が立ち上がり、外部取り出し電極３とパワー素子６とはワイヤーボンド８により電気的に接続されている。
ベース板５には外囲ケース４が接着され、パワー素子６の上部にはシリコーンゲル層１、さらにこの上には電極３の固定とパッケージの気密性を保持するためにエポキシ樹脂層２が充填されることにより、パワー素子６はシリコーンゲル層１とエポキシ樹脂層２とにより封止され、さらにケース蓋１０で蓋をしてインバータ装置が得られている。
【０００９】
図２に示すインバータ装置に、従来インバータ装置に必要とされる耐電圧（６．５ｋＶ）に比べて格段に高い１０．２ｋＶの電圧（６０Ｈｚ、６０秒）をかけると、上記シリコーンゲル層１中に放電痕を認めた。
また、一般的な放電ルートはパワー素子６から最短のグランドであるのに対して上記電圧を印加した場合、図２において、放電ルートが上向きのループ状であり、特にエポキシ樹脂層２に近いシリコーンゲル層１の色が黄白濁し、しかもより上部の着色が濃いということから、エポキシ樹脂組成物成分の影響が大きい、シリコーンゲル層１の上側の耐電圧が低下し上記のように放電が上向きに走ったと推定される。
【００１０】
そこで、上記着色箇所または放電痕の見られる箇所周辺の成分をＦＴ−ＩＲにより解析したところ、エポキシ樹脂組成物の、特に硬化剤成分が検出され、エポキシ樹脂組成物成分がシリコーンゲル層１中に拡散したことにより耐電圧が低下したことが突き止められた。
たとえば、エポキシ樹脂組成物が無水フタル酸を硬化剤とするものであると、硬化前のエポキシ樹脂組成物の上記酸無水物がゲル中に拡散して加水分解した有機酸が検出された。
さらに、上記有機酸がシリコーンゲル層中を拡散し、パワー素子６内の金属を溶解したと考えられる、Ｎａ、ＫまたはＺｎ等の金属イオンもシリコーンゲル層１中から検出された。また、上記金属イオンもシリコーンゲル層中を拡散し、その濃度がエポキシ樹脂層に近いほど高濃度となることからも、上記放電経路を取ることによって耐電圧が低下したことが示唆される。
【００１１】
上記のように、エポキシ樹脂組成物成分のシリコーンゲル層への拡散が耐電圧低下の要因となることは認められるが、エポキシ樹脂は電極を固定することができたり、防湿の機能を有しているため有用であり、他の材料への変更は困難である。
そこで、下記に示すように、本発明の実施の形態においては、シリコーンゲル層１とエポキシ樹脂層２との間にエポキシ樹脂組成物成分が透過しにくい拡散防止樹脂層を設けることにより、シリコーンゲル層１の耐電圧を向上させることができることを見出し本発明に到った。
以下、本発明の実施の形態のインバータ装置について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態１のインバータ装置の構成図であり、図２のインバータ装置において、シリコーンゲル層１とエポキシ樹脂層２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９が設けられたもので、これによりエポキシ樹脂組成物成分の透過を防止することができるので、シリコーンゲル層の絶縁性を損なうことが防止され、インバータ装置の耐電圧が向上する。
本発明の実施の形態に係わる拡散防止樹脂層９には、例えばシリコーンゴム、不飽和ポリエステル樹脂またはアクリレート樹脂の硬化物が用いられるが、上記硬化物の分子構造の網目が上記エポキシ樹脂層２に用いるエポキシ樹脂組成物成分の特に硬化剤（酸無水物）を透過しない程度の大きさであることにより、エポキシ樹脂組成物成分の透過を防止することができる。
【００１３】
さらに、シリコーンゴムは硬化前の状態において、その成分が拡散したとしても、拡散成分がシリコーンゲル層１と同種の成分であるため、シリコーンゲル層の成分に変化を及ぼさず、また極性基も生成しないのでシリコーンゲル層の絶縁性を損なうことが防止できる。
また、不飽和ポリエステル樹脂またはアクリレート樹脂は硬化前の状態においてその成分がシリコーンゲル層１に拡散したとしてもイオン性ではないため、シリコーンゲル層の絶縁性を損なうことが防止できる。
【００１４】
また、上記拡散防止樹脂層はシリコーンゲル組成物を硬化後、上記拡散防止樹脂を注入して硬化することにより形成され、上記拡散防止樹脂層の膜厚は０．５ｍｍ以上が望ましく、０．５ｍｍ未満では穴が発生しやすくなる。
【００１５】
本発明の実施の形態に係わるシリコーンゲル層１に用いるシリコーンゲル組成物は、気泡発生防止および内部応力緩和のため針入度９０〜３０の付加硬化反応型のものが好ましく、注入は減圧注入または注入後減圧脱泡するのが気泡発生防止のため好ましい。また、注入後６０℃〜１７０℃の温度範囲で、３０分〜２時間加熱することによってシリコーンゲル層を形成させる。
本発明の実施の形態に係わるエポキシ樹脂層２に用いるエポキシ樹脂組成物としては、硬化温度、価格、電気特性、低粘度の観点から、酸無水物硬化型またはアミン硬化型のものが用いられ、その弾性率は０．０５ｋｇ／ｍｍ２以上であるのが好ましい。
【００１６】
なお、図１に示すインバータ装置は以下のようにして製造する。
まず、銅ベース板５に基板７を半田付けする。次に、パワー素子６を基板７上に半田付けし、ワイヤーボンド８で結線して実装した後、ベース板５とケース４を接着し、電極３を半田付けする。
次に、ワイヤーボンド８が完全に埋没する高さまでシリコーンゲル組成物を注入し硬化してシリコーンゲル層１を得、上から上記拡散防止樹脂を充填し硬化して拡散防止樹脂層９を形成する。このように、弾性率の小さいシリコーンゲル層をワイヤーボンド８が完全に埋没する高さまで設けているので、熱応力による上記ワイヤの切断を防止できる。
さらに上からエポキシ樹脂組成物を注入し硬化してエポキシ樹脂層２を得、ケース蓋１０で蓋をして本発明の実施の形態のインバータ装置を得る。
【００１７】
本発明の実施の形態に係わるベース板５には、通常銅、銅合金、アルミ合金またはそれらの表面に金属メッキを施した金属板を用いる。また、高価ではあるが、モリブデン、カーボンファイバー入りアルミ合金を用いることが可能である。
また、本発明の実施の形態に係わる基板としてはアルミナ、窒化珪素または窒化アルミの両面に電極が形成されたもので、電極にはニッケル系メッキもしくは金メッキを施した銅パターンまたはアルミパターンを用いる。
【００１８】
また、本発明の実施の形態に係わるパワー素子とはＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴもしくはＦＷダイオード素子などのバイポーラまたはＭＯＳ系パワーデバイスを意味し、それらはベアチップ状態で基板に半田または樹脂ダイボンド剤を用いて実装される。
樹脂ダイボンド剤を用いる場合は、４．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率のものが好ましく、配線は基板に形成されたパターン、ワイヤーボンドまたは金属メッキされた金属バーによって行われ、金属バーの実装は通常ケース接着後に行われる。金属バーは金メッキされた銅もしくは銅合金、アルミ、ニッケルメッキされた銅、銅合金もしくは鋼、または亜鉛等が用いられる。
【００１９】
また、本発明の実施の形態に係わるケース４材およびその蓋１０材としてはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）または不飽和ポリエステル等の樹脂を用いる。これらのケースに電極や配線を埋め込むことも可能で、その場合、上記金属バーは不要となる。
ケースとベース板の接着はシリコーンゴムやエポキシ系接着剤が用いられ、ケースとベース板を接着した後、外部端子形成のための金属バーを基板に接合するが、接合は半田または樹脂ダイボンド剤で行う。
蓋に金属バーを先に固定し、蓋をした後金属バーを基板に接合する工程も可能であり、その場合蓋に封止剤を注入する穴が開いている必要がある。
【実施例】
【００２０】
実施例１．
図３は性能検証用ワンチップモジュールの構成図であり、７０ｍｍ×５０ｍｍの上記ワンチップモジュールを用いて図４に示す本発明の実施例のインバータ装置を製造した。
つまり、上記モジュールにシリコーンゲル組成物｛商品名：ＳＥ１８８５Ｍ，東レ・ダウコーニング・シリコーン（株）製｝を、上記モジュールのワイヤーボンド８が完全に埋没するように（パワー素子上面８ｍｍ厚）減圧中で注入し、常圧に戻した後、８０℃で１時間硬化させてシリコーンゲル層１を形成した。
次に、その上からシリコーンゴム｛商品名：ＳＥ１８１６ＣＶ，東レ・ダウコーニング・シリコーン（株）製｝を２ｍｍ厚注入し、１００℃で１時間硬化させて拡散防止樹脂層９を形成した。
さらに、上からエポキシ樹脂組成物｛商品名：ＸＮＲＨ５００２，長瀬ケムテックス（株）製｝を３ｍｍ厚注入し、１５０℃で１時間硬化させてエポキシ樹脂層２を形成して図４に示すインバータ装置を得た。
【００２１】
実施例２．
実施例１で用いたのと同じテスト用ワンチップモジュールにシリコーンゲル組成物｛商品名：ＴＳＥ３０５１，ＧＥ東芝シリコーン（株）製｝を上記モジュールのワイヤーボンドが完全に埋没するように（パワー素子上面から８ｍｍ厚）減圧中で注入し、常圧に戻した後、１５０℃で１時間硬化させてシリコーンゲル層１を形成した。
次に、その上から不飽和ポリエステル樹脂｛商品名：２０７５，日本ユピカ（株）製｝を２ｍｍ厚注入し、室温で１時間硬化させて拡散防止樹脂層９を形成した。
さらに、エポキシ樹脂組成物｛商品名：Ｒ−４１０−ＲＡ／ＨＢ，菱電化成工業（株）｝を３ｍｍ厚注入し、１５０℃で１時間硬化させてエポキシ樹脂層２を形成することにより、図４に示す本発明の実施例のインバータ装置を得た。
【００２２】
実施例３．
実施例１で用いたのと同じテスト用ワンチップモジュールにシリコーンゲル組成物｛商品名：ＳＥ１８８５Ｍ，東レ・ダウコーニング・シリコーン（株）製｝を上記モジュールのワイヤーボンドが完全に埋没するように（パワー素子上面から８ｍｍ厚）減圧中で注入し、常圧に戻した後、８０℃で１時間硬化させてシリコーンゲル層１を形成した。
次に、この上からエポキシアクリレート樹脂｛商品名：８１０４，日本ユピカ（株）製｝を２ｍｍ厚注入し、８０℃で２０分間加熱硬化させて拡散防止樹脂層９を形成した。
さらに、エポキシ樹脂組成物｛商品名：製ＸＮＲＨ５００２，長瀬ケムテックス（株）製｝を３ｍｍ厚注入し、１５０℃で１時間硬化させてエポキシ樹脂層２を形成することにより、図４に示す本発明の実施例のインバータ装置を得た。
【００２３】
比較例１．
実施例１において、拡散防止樹脂層となるシリコーンゴムを注入しない他は実施例１と同様にしてインバータ装置を得た。
【００２４】
比較例２．
実施例２において、拡散防止樹脂層となる不飽和ポリエステル樹脂を注入しない他は実施例２と同様にしてインバータ装置を得た。
【００２５】
評価結果
上記実施例および比較例で作製したインバータ装置を、１２５℃で表中に示す期間放置後、１０．２ｋＶの電圧を６０Ｈｚで６０秒間まで印加して、上記各インバータ装置の耐電圧を評価した結果を表１に示す。表中、「初期」とは上記放置処理を施す前、「良好」とは絶縁破壊が発生しないことを示す。なお測定は放冷後、室温で行った。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表に示すように、本発明の実施例のインバータ装置は、１２５℃で９０日間放置した後に上記電圧を印加しても絶縁破壊は起らず、高い耐電圧を有することが証明された。
一方、比較例１、２のインバータ装置では初期の耐電圧は実施例と同程度であったが、１２５℃で３０日間放置した後に上記電圧を印加すると、共に絶縁破壊が起り放電痕を調査したところいずれもシリコーンゲル層中であることがわかった。
また、上記放電ルートが上向きのループ上であることからエポキシ成分の影響が大きいシリコーンゲル層の上側の耐電圧が低下し、放電が上向きに走ったと推定される。
なお、１２５℃で９０日間放置した後に上記電圧を印加しても実施例１〜３のシリコーンゲル層は透明であったが、絶縁破壊した比較例１、２のシリコーンゲル層は白濁しており、特にエポキシ樹脂に近い上部の濁度が濃かった。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１のインバータ装置の構成図である。
【図２】従来のインバータ装置の構成図である。
【図３】本発明の実施例に係わる性能検証用ワンチップＩＧＢＴ素子の構成図である。
【図４】本発明の実施例のインバータ装置の構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  シリコーンゲル層、２  エポキシ樹脂層、６  パワー素子、７  基板、８  ワイヤーボンド、９  拡散防止樹脂層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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