(57)【要約】【課題】炭化シリコンを基体とする電力半導体素子を、中空のガラス粉体が含有された付加反応型シリコーン樹脂で封止することにより、電力半導体素子から発生される熱を効果的に断熱することのできる電力半導体装置を得ることを目的とする。【解決手段】この発明による電力半導体装置１Ａは、炭化シリコンを基体とする電力半導体素子２と、電力半導体素子２に対向して配置され、電力半導体素子２と外部との電気信号の授受を行う配線パターンが形成されたセラミック基板４と、電力半導体素子２とセラミック基板４との間に介装されて、電力半導体素子２とセラミック基板４との間を電気的に接続する接続球３と、中空のガラス粉体７が含有され、電力半導体素子２、接続球３およびセラミック基板４を封止する付加反応型シリコーン樹脂８と、を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化シリコンを基体とする電力半導体素子と、
上記電力半導体素子に対向して配置され、該電力半導体素子と外部との電気信号の授受を行う配線パターンが形成されたセラミック基板と、
上記電力半導体素子と上記セラミック基板との間に介装されて、該電力半導体素子と該セラミック基板との間を電気的に接続する接続球と、
中空のガラス粉体が含有され、上記電力半導体素子、上記接続球および上記セラミック基板を封止する付加反応型シリコーン樹脂と、
を備えることを特徴とする電力半導体装置。
【請求項２】
筒状の粉体防侵部が、上記接続球を内包し、一側の開口面を上記半導体素子および上記セラミック基板の一方に密接させ、かつ、他側の開口面を上記半導体素子および上記セラミック基板の他方から離間させて配設され、
上記粉体防侵部の他側の開口面と上記半導体素子および上記セラミック基板の他方との間の空隙が上記ガラス粉体の粒径より短く形成されて、上記付加反応型シリコーン樹脂が上記ガラス粉体の侵入が制限された状態で上記粉体防侵部内に充填されていることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項３】
酸化リン、酸化ビスマス、酸化ホウ素および酸化亜鉛の少なくとも一つが上記ガラス粉体の材料に添加されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力半導体装置。
【請求項４】
上記ガラス粉体のかさ密度が０．０５ｇ／ｃｍ３以上０．７ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化シリコン（炭化ケイ素）が基体として用いられる電力半導体素子が搭載される電力半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力半導体装置に搭載される電力半導体素子は、主にシリコン（Ｓｉ）を基体としたものが用いられてきた。また、電力半導体素子は、電力半導体素子に構成される回路の絶縁性を高く維持する必要がある場合、トランスファー成形法などの方法を用いて樹脂により封止される。
【０００３】
また、近年、シリコンに代えてシリコンより高い動作保障温度を有する炭化シリコン（ＳｉＣ）を基体とする電力半導体素子の開発が進められている。炭化シリコンを基体とする電力半導体素子が搭載される電力半導体装置の動作保障温度は１５０℃であって、およそ３００℃までの高温で動作させることができる。
電力半導体装置は、例えば、照明器具およびエアコンといった家電製品に用いられるモータの回転周波数を制御するインバータなどの製品に数多く実装されている。しかしながら、炭化シリコンを基体とする電力半導体素子が搭載された電力半導体装置がインバータに組み込まれる場合、電力半導体装置の周辺に配置される部品は、電力半導体装置全体の温度が上昇されるので高温にさらされ、寿命が短くなるなどの問題が発生する。
【０００４】
そこで、電力半導体装置の周辺に配置される部品の熱による影響をなくすために、電力半導体素子で発生される熱の伝導を抑制した従来の電力半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
すなわち、従来の電力半導体装置は、炭化シリコンが基体として用いられる電力半導体素子が搭載されたユニットと、該ユニット内に充填された樹脂と、ユニットのパッケージ部より熱伝導率が低い材質からなり、ユニットを被う外側パッケージ部とを備えている。外側パッケージ部が低熱伝導率の材料からなるため、電力半導体素子で発生される熱の伝導が抑制（断熱）され、外側パッケージ部の表面温度の上昇が抑えられていた。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−４７８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の電力半導体装置において、外側パッケージ部の材料は熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・ｋ）程度のエポキシ樹脂であり、この場合、外側パッケージの表面温度を十分に低く抑えるためには、外側パッケージ部の厚さを厚く設計しなくてはならず、電力半導体装置が大型化するという問題があった。
また、外側パッケージ部の厚さを薄く設計した場合には、電力半導体装置が小型化される一方で、断熱性が十分に得られないので、電力半導体装置の周辺に電子部品などの機器が配置されると、高温にさらされて機器の寿命が短くなるという従来の問題が発生する。
【０００８】
この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、炭化シリコンを基体とする電力半導体素子を、中空のガラス粉体が含有された付加反応型シリコーン樹脂で封止することにより、電力半導体素子から発生される熱を効果的に断熱することのできる電力半導体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】
【０００９】
この発明による電力半導体装置は、炭化シリコンを基体とする電力半導体素子と、電力半導体素子に対向して配置され、電力半導体素子と外部との電気信号の授受を行う配線パターンが形成されたセラミック基板と、電力半導体素子とセラミック基板との間に介装されて、電力半導体素子とセラミック基板との間を電気的に接続する接続球と、中空のガラス粉体が含有され、電力半導体素子、接続球およびセラミック基板を封止する付加反応型シリコーン樹脂と、を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、中空のガラス粉体が含有された付加反応型シリコーン樹脂により電力半導体素子、接続球、セラミック基板が封止されているので、炭化シリコンを基体とする電力半導体素子から発生される熱が効果的に断熱され、電力力半導体装置１Ａの小型化を図ることができるとともに、電力半導体装置の周辺に電子部品などの機器を配置してもその寿命を短くさせることがなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力半導体装置のふた部を考慮しない上面図、図２は図１においてふた部を考慮したＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
【００１２】
図１および図２において、電力半導体装置１Ａは、電力半導体素子としてのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２、接続球３、セラミック基板４、基台５、信号送受電極６ａ〜６ｃ、中空のガラス粉体７が含有された付加反応型シリコーン樹脂８、ゴム９および筐体１０を有している。
なお、図１および図２では、一部のガラス粉体のみを誇張して図示しているが、付加反応型のシリコーン樹脂８に均一に含有されている。
【００１３】
筐体１０は、有底の筒状に形成される主部１１と、主部１１の開口面を覆うふた部１２とを有している。
そして、セラミック基板４と平板状の基台５とが筐体１０内で対向して配置され、それらの間にＩＧＢＴ２およびＩＧＢＴ２上に配置される３つの接続球３が挟持されている。
なお、基台５は、詳細には説明しないが、ガラス粉体７が含有された付加反応型シリコーン樹脂８を型に流し込み、あらかじめ矩形平板状に硬化された基板が用いられる。
基台５は、その一面を主部１１の底面に向けて配置されている。また、ＩＧＢＴ２がその一面を基台５の他面側の中央部に合わせ、セラミック基板４と対向するように配置されている。さらに、３つの接続球３がＩＧＢＴ２の他面とセラミック基板４の一面との間に介装されている。
【００１４】
そして、セラミック基板４の他面の一端側には、他面から垂直に突出する信号送受電極６ａ〜６ｃが取り付けられている。信号送受電極６ａ〜６ｃの取り付けは、セラミック基板４にあらかじめ形成された電極（図示せず）に高温半田などで取り付けられる。
【００１５】
そして、弾力性を有する厚肉平板状で低熱伝導率のゴム９が、筐体１０のふた部１２の一面側に重ね合わせるように取り付けられ、ふた部１０は、一面側を主部１１の底面に向け、主部１１にネジ（図示せず）により、強固に固定されている。このとき、セラミック基板４の他面がゴム９に押圧される。これにより、基台５、接続球３、ＩＧＢＴ２、セラミック基板４が筐体１０内部で安定保持されている。
このとき、ゴム９の一端側はカットされており、セラミック基板４の一端側の他面とは接触していない。
【００１６】
また、ふた部１２の一端側には、信号送受電極６ａ〜６ｃを挿通させるための孔（図示せず）が形成されており、信号送受電極６ａ〜６ｃのそれぞれの先端は、ふた部１２の外部まで突出されている。
【００１７】
そして、筐体１０の内部、つまりは、ＩＧＢＴ２、接続球３、セラミック基板４および基台５が、ガラス粉体７が含有された付加反応型シリコーン樹脂８により封止されている。
ＩＧＢＴ２は、炭化シリコンを基体としている。そして、ＩＧＢＴ２は直方体状に形成され、他面には、あらかじめ、ゲート電極１３、エミッタ電極１４およびコレクタ電極１５がスパッタなどの周知の技術により形成されている。そして、エミッタ電極１４およびコレクタ電極１５の間に電圧が印加された状態で、ゲート電極１３への電圧を制御することにより、エミッタ電極１４とコレクタ電極１５に流れる電流を制御できるようになっている。
【００１８】
また、セラミック基板４としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）基板が用いられる。
また、セラミック基板４には、あらかじめ、ＩＧＢＴ２の他面に形成されているゲート電極１３、エミッタ電極１４およびコレクタ電極１５のそれぞれと対向する位置に接続電極１６ａ〜１６ｃが形成されている。そして、接続球３は、ゲート電極１３、エミッタ電極１４およびコレクタ電極１５のそれぞれと対向する接続電極１６ａ〜１６ｃに接するように配置されている。
【００１９】
また、セラミック基板４において、接続電極１６ａ〜１６ｃのそれぞれの近傍にはスルーホール１７ａ〜１７ｃが形成されている。さらに、スルーホール１７ａ〜１７ｃには銅などによるメッキが施されて、一面側と他面側の間が導通されている。また、セラミック基板４の一面側には、電力半導体素子２と外部との電気信号の授受を行うための配線パターンが形成されている。すなわち、スルーホール１７ａ〜１７ｃのそれぞれの内壁と接続電極１６ａ〜１６ｃとを接続する配線パターン（図示せず）が形成され、セラミック基板４の他面側では、スルーホール１７ａ〜１７ｃの内壁と信号送受電極６ａ〜６ｃとを接続するように、かつ交差することなく配線パターン（図示せず）が形成されている。これにより、ＩＧＢＴ２のゲート電極１３、エミッタ電極１４およびコレクタ電極１５と筐体１０の外部との間で電気信号の授受を行うことが出来る。
【００２０】
そして、接続球３は、その材料に銅などが用いられ、さらに、表面に錆防止としてニッケルなどの金属メッキが施されたものが使用される。また、接続球３の直径は、セラミック基板４と基台５との間を絶縁状態が保たれる長さであれば特に限定されるものではないが、ＩＧＢＴ２の出力電力に応じて数百μｍ〜数ｍｍのものが用いられる。
また、接続球３は、セラミック基板４を介してゴム９により押圧されている。そして、接続球３が、それぞれ数十Ｎ以上の力で押圧されるように、ゴム９のサイズ、材質が決定されている。
【００２１】
上記のように、接続球３を介してＩＧＢＴ２とセラミック基板４とを接続することにより、ＩＧＢＴ２を炭化シリコンが１５０℃以上、さらには３００℃になるような条件で高温動作させた場合でも、セラミック基板４とＩＧＢＴ２との間の接続不良を起こすことがなくなる。
【００２２】
また、シリコーン樹脂は、エポキシ樹脂より高い耐熱性を有しており、付加反応型（加熱硬化型）と縮合反応型（室温硬化型）に大別される。
付加反応型シリコーン樹脂８は、あらかじめ白金が添加されており、白金触媒の作用で、主鎖の炭素と炭素の２重結合が架橋剤と反応することで硬化される。反応によって、副生成物を生じないので、付加反応型シリコーン樹脂８の硬化時にボイドを発生させることがない。本発明において、付加反応型シリコーン樹脂８は、筐体１０の内部に流し込んで封止する必要性およびガラス粉体７を均一に分散させる必要性があるため、ある程度の粘性をもちつつも流動性を有し、さらに加熱硬化時に接着性を有するものが用いられる。
付加反応型シリコーン樹脂８は、ボイドを発生することがないので良好な接着性と絶縁性が得られる。そのため、ＩＧＢＴ２を封止するシリコーン樹脂として、付加反応型シリコーン樹脂８を用いている。
【００２３】
一方、縮合反応型シリコーン樹脂は、硬化時に、水やアルコールが生成される。水やアルコールが、シリコーン樹脂にボイドを発生させる要因となる。ボイドが形成されるとシリコーン樹脂は、絶縁性および接着性が阻害されるので電力半導体装置の故障などにつながる。
これ以降、付加反応型シリコーン樹脂８を単にシリコーン樹脂８と記載する。
【００２４】
ガラス粉体７は、ガラス製かつ中空のカプセル内部に、絶縁性が高く、かつシリコーン樹脂８より熱伝導率の低いガスが充填されたものである。例えばガスは空気でもよい。シリコーン樹脂８より低熱伝導率のガスが充填されているので、ガラス粉体７が含有されたシリコーン樹脂８は、シリコーン樹脂８単体のものよりさらに断熱性が高められる。なお、筐体１０の内部をシリコーン樹脂８により封止しないほうが断熱性は高まるが、ＩＧＢＴ２のエミッタ電極１４やコレクタ電極１５などの間で確実な絶縁性を得るためには、シリコーン樹脂８による封止が必要になる。
【００２５】
ガラス粉体７のガラス製のカプセル内部に充填されるガスの圧力は特に規定するものではないが、常圧から大きく減圧されたり、または加圧されたりした場合にはガラス製のカプセルに大きな負荷がかかるので好ましくない。
【００２６】
また、ガラス粉体７は、シリコーン樹脂８に均一に分散されることが要求される。そのためには、ガラス粉体７の粒径は数μｍ〜数百μｍのものが望ましい。ガラス粉体７の粒径は、数μｍより小さくなると、ガラス粉体７の製造が困難であり、さらにシリコーン樹脂８に混合したときに均一に分散させることが難しくなる。一方、粒径の直径が数百μｍより大きくなると、シリコーン樹脂８に混合したときに、ガラス粉体７同士がぶつかり合ったりして均一に分散させることが難しくなる。
【００２７】
ガラス粉体７をシリコーン樹脂８に分散させる方法は特に問わないが、ボールミル、自転公転式攪拌機および３本ロールなどを使用して容易に分散することができる。
また、ガラス粉体７とシリコーン樹脂８との間の接着力を上げるために、あらかじめシリコーン樹脂８にカップリング剤を添加しておいてもよい。
ガラス粉体７は、シリコーン樹脂８を１００重量部としたときに１０重量部から９００重量部が添加される。
【００２８】
１０重量部より少ないと、十分な断熱硬化が得られず、９００重量部より多いと、シリコーン樹脂８が少なすぎて、接着強度が低下する。また、より好ましくは、３０重量部から６００重量部の添加量である。
そして、筐体１０内にガラス粉体７が含有されたシリコーン樹脂８を流し込んで充填し、熱硬化させることにより、ＩＧＢＴ２を含む筐体１０内部が封止されている。
【００２９】
次に、ガラス粉体７の添加が絶縁破壊電圧に及ぼす影響を調べた。
評価は、電力半導体装置１Ａにおいて、ガラス粉体７の添加量を変化させ、信号送受電極６ａと信号送受電極６ｂの間隔を１ｍｍとして、それらの間のＡＣ部分放電電圧を調べた。なお、ＡＣ部分放電電圧は、値が大きいほど好ましい。
【００３０】
ガラス粉体７を含まないシリコーン樹脂８では、ＡＣ部分放電電圧は、１０ｋＶであった。シリコーン樹脂８を１００重量部としたときに、ガラス粉体７が３０重量部添加されたもので１０ｋＶ、１００重量部添加されたもので８ｋＶ、６００重量部添加されたもので４ｋＶ、１０００重量部添加されたもので３ｋＶであった。ガラス粉体７の添加量が増加されるほどＡＣ部分放電電圧は低くなるので、ガラス粉体７の添加量を制限する必要性が生じる。
例えば、家電製品では２ｋＶ以上のＡＣ部分放電電圧があれば問題ないが、その倍の４ｋＶ以上あれば、製品としての信頼性は十分に確保されると判断される。よって、ガラス粉体７の添加量が６００重量部以下であれば実用的と考えられる。
【００３１】
次に、電力半導体装置１ＡのＩＧＢＴ２からの発熱に対して、以下のガラス粉体７の添加量および粒径にて、断熱効果を評価した。
ここで、ＩＧＢＴ２を封止するガラス粉体７が含有されたシリコーン樹脂８を封止材料と定義する。
電力半導体装置１Ａにおいて、シリコーン樹脂８を１００重量部としたときに、粒径５０μｍのガラス粉体７が１００重量部添加された封止材料により筐体１０の内部を封止した。また、ＩＧＢＴ２とセラミック基板４との間は、直径１ｍｍの接続球３で接続されている。
【００３２】
そして、ＩＧＢＴ２の炭化シリコンが２００℃となる条件で電力半導体装置１Ａを連続高温動作させた。筐体１０の外側表面の温度上昇が飽和したときの温度を測定すると、１５０℃であることが確認された。一方、比較のためにガラス粉体７を含まないシリコーン樹脂８で筐体１０の内部を封止した電力半導体装置についても同様の試験を行った結果、筐体の外側の温度は１９０℃となることが確認された。
【００３３】
つまり、封止材料で筐体１０の内部、すなわちＩＧＢＴ２を封止することにより、ＩＧＢＴ２から発生される熱を効果的に断熱できることが確認された。また、ＩＧＢＴ２を封止していた従来の材料、例えばエポキシ樹脂による封止に比べて３０％程度、封止材料の厚さを薄くしても従来の封止材料と同等の断熱性が得られた。
【００３４】
続けて、製品試験の信頼性試験の一つであるヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験は、電力半導体装置１Ａを−４０℃の大気中に３０分放置した後、２００℃に温度を一気に上昇させて３０分放置し、さらに−４０℃に温度を一気に下げるという一連の動作を１０００サイクル行った。その結果、試験終了前後の電力半導体装置１Ａの電気的特性に変化はなかった。
【００３５】
一般に、Ｓｉを基体とした電力半導体素子に形成された電極からの信号の取り出しや、電力半導体素子での電極間の接続などは、アルミや金などのワイヤボンドが用いられるケースが主であった。しかしながら、炭化シリコンを基体とする電力半導体素子においては、高温動作時と停止時とでの温度差が大きいため、ワイヤと半導体素子の熱膨張係数の差による熱応力が大きくなって、ワイヤボンドの信頼度が低下される。
電力半導体装置１Ａにおいては、接続球３、セラミック基板４を介してＩＧＢＴ２のゲート電極１３、エミッタ電極１４およびコレクタ電極１５から信号をＩＧＢＴ２の外部に取り出しているのでヒートサイクル試験においての信頼性が十分確保されているものと判断される。
【００３６】
また、封止材料には、例えば酸化リンなどの金属酸化物を充填剤として添加させてもよい。充填剤は封止材料の線膨張係数を調整する目的で封止材料に添加される。
ここで、線膨張係数は材料固有のものであり、セラミック基板４とＩＧＢＴ２における線膨張係数の差は小さいものとなっている。そして、充填剤は、封止材料の膨張係数と、セラミック基板４やＩＧＢＴ２の膨張係数との差が小さくなるように添加させる。
【００３７】
このとき、例えばＩＧＢＴ２が動作と停止を繰り返した時に、セラミック基板４とＩＧＢＴ２および封止材料は、同様に熱膨張、熱収縮される。従って、充填剤が添加された封止材料は、セラミック基板４やＩＧＢＴ２から剥離されにくくなる。つまりは、ＩＧＢＴ２が動作と停止を繰り返したときの熱変動に対して、電力半導体装置１Ａの信頼性を向上させることができる。
なお、充填剤としては、酸化金属酸化物の他、金属水酸化物、金属有機酸塩および金属無機酸塩などを用いてもよい。
【００３８】
この実施の形態１によれば、ＩＧＢＴ２、接続球３およびセラミック基板４が、中空のガラス粉体７が含有された付加反応型シリコーン樹脂８（封止材料）によって封止されている。さらに、ガラス粉体７のカプセル内部は低熱伝導率であるガスが充填されている。従って、封止材料によってＩＧＢＴ２、接続球３およびセラミック基板４を封止することにより、ＩＧＢＴ２から発生される熱を効果的に断熱することができる。これにともない、従来のＩＧＢＴ２の封止材料より封止材料を薄く設計できるので電力半導体装置１Ａの小型化を図ることができる。さらに、電力半導体装置１Ａとの距離を短くして電子部品などの機器を配置させても寿命を短くさせることがなくなる。
【００３９】
また、ＩＧＢＴ２とセラミック基板４との間に介装された接続球３を介して、ゲート電極１３、エミッタ電極１４およびコレクタ電極１５における電気信号の入出力を行っている。これにより、接続球３とゲート電極１３、エミッタ電極１４およびコレクタ電極１５との接続状態の信頼性は高く維持することができるので、ＩＧＢＴ２を高温で動作させたりしても、接続不良が発生することを防止できる。
また、封止材料に充填剤を添加させることにより、ＩＧＢＴ２が動作と停止を繰り返したときの熱変動に対して、電力半導体装置１Ａの信頼性を向上させることができる。
【００４０】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る電力半導体装置のふた部を考慮しない上面図、図４は図３においてふた部を考慮したＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。
なお、図３および図４において、図１および図２と同一又は相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４１】
図３および図４において、電力半導体装置１Ｂは、粉体防侵部１８を有している。粉体防侵部１８は、断面楕円の筒状に形成される。そして、粉体防侵部１８の一側の開口面はセラミック基板４に密着させ、かつ、他側の開口面はＩＧＢＴ２から離間させて配設されている。また、粉体防侵部１８は、３つの接続球３を内包する位置に配置されている。また、粉体防侵部１８の一側の端面とＩＧＢＴ２との間の空隙１９が、ガラス粉体７の粒径より短い長さで形成されている。
【００４２】
これにより、筐体１０の内部に封止材料を充填する際、ガラス粉体７は空隙１９を通過することができない。従って、ガラス粉体７の粉体防侵部１８内への侵入が制限され、シリコーン樹脂８のみが、粉体防侵部１８内に浸入して充填される。ここで、粉体防侵部１８内の領域を樹脂領域２０とする。
【００４３】
また、ゲート電極１３、エミッタ電極１４、コレクタ電極１５およびそれらに接続される接続球３の周辺では特に優れた絶縁性が要求される。樹脂領域２０では、シリコーン樹脂８に比べて絶縁性の劣るガラス粉体７の侵入が制限されているので、良好な絶縁性が得られる。一方、ガラス粉体７はシリコーン樹脂８より断熱性に優れているので、樹脂領域２０の断熱性は、ガラス粉体７を含む封止樹脂が充填された領域に比べて低下する。そして、ＩＧＢＴ２で発生される熱は、若干セラミック基板４に伝導しやすくなる。しかし、セラミック基板４は、樹脂領域２０と接する部分以外は低伝導率の封止材料やゴムで覆われているため、筐体１０の表面温度は殆ど上昇されない。
【００４４】
この実施の形態２では、良好な絶縁性が必要とされるゲート電極１３、エミッタ電極１４、コレクタ電極１５およびそれらに接続される接続球３を内包するように、粉体防侵部１８が設けられている。
従って、この実施の形態２によれば、粉体防侵部１８の内部には、ガラス粉体７の侵入のみが制限されるので、粉体防侵部１８の内部をシリコーン樹脂８で充填することができる。よって、ＩＧＢＴ２で発生される熱を効果的に断熱しつつ、良好な絶縁性が必要とされる領域の絶縁性を確保することができる。
【００４５】
なお、この実施の形態２では、粉体防侵部１８は、断面楕円形状に、かつセラミック基板４と一体に形成されるものとして説明したが、断面楕円の筒状に形成されるものに限定されるものではなく、粉体防侵部１８は、円筒や、断面四角形の筒状などに形成されていてもよい。さらに、セラミック基板４に一体に形成される必要もなく、ＩＧＢＴ２側に一体に形成してもよい。この場合、粉体防侵部１８の他端側の端面とセラミック基板４との間に空隙１９が形成される。
【００４６】
実施の形態３．
ガラス材料にあらかじめ金属酸化物を添加させて形成されたガラス粉体７が、シリコーン樹脂８に含有された封止材料を用意した。例えば、金属酸化物として酸化リンを添加させた。さらに、電力半導体装置１Ａにおいて、筐体１０を封止する封止材料が、酸化リンが添加されたものとされていないものとを用意した。そして、ＩＧＢＴ２が２００℃となるような条件で高温動作させたときの、封止材料の状態をそれぞれ評価した。
【００４７】
その結果、ガラス粉体７の材料に金属酸化物があらかじめ添加された封止材料は、そうでないものに比べて、より長時間、ＩＧＢＴ２を高温動作させても封止材料の劣化が認められなかった。つまり、金属酸化物をガラス粉体７の材料にあらかじめ添加させたガラス粉体７が含有された封止材料で、筐体１０の内部を封止することにより、高温動作に対してより高い信頼性を有する電力半導体装置１Ａを得られる。
【００４８】
金属酸化物の添加量は、ガラス粉体７のガラス成分を１００重量部としたとき、１０重量部から８０重量部添加されているのが好ましい。８０重量部より多い添加量では、中空ガラス粉体７の加工性に欠ける。また、１０重量部より少ない添加量では高温動作に対する信頼性向上の効果が小さい。
なお、金属酸化物として、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化リン（Ｐ２Ｏ５）および酸化鉛（ＰｂＯ）を用いても同様の効果が得られた。
【００４９】
また、ガラス粉体７に金属酸化物を添加したことにより、封止材料の熱分解温度に変化がないかを熱重量分析により調べた。ガラス粉体７はシリコーン樹脂８を１００重量部としたとき１５０重量部添加されている。
封止材料の熱分解温度は、金属酸化物が添加されていないガラス粉体７のもので４５０℃であった。また、酸化リン、酸化ビスマス、酸化ホウ素、酸化亜鉛が添加されたガラス粉体７が含有されたものでも熱分解温度が４５０℃であることが確認された。
【００５０】
しかしながら、酸化鉛が添加されたガラス粉体７のものでは、熱分解温度が４００℃となった。
信頼性の観点から、ガラス粉体７に添加される金属酸化物は、酸化リン、酸化ビスマス、酸化ホウ素および酸化亜鉛であることが望ましい。
【００５１】
この実施の形態３によれば、ガラス粉体７の材料に、酸化リン、酸化ビスマス、酸化ホウ素および酸化亜鉛のいずれかを含む金属酸化物をあらかじめ添加させることにより、封止材料が長時間高温にさらされても劣化されにくくなる。従って、上記金属酸化物がガラス粉体７に添加された封止材料により封止された電力半導体装置１Ａでは、ＩＧＢＴ２をより長い時間高温動作させても、発生される熱を効果的に断熱することができる状態に維持することができる。
なお、金属酸化物は、酸化リン、酸化ビスマス、酸化ホウ素、酸化亜鉛の中から複数を混合して用いてもよい。
【００５２】
実施の形態４．
実施の形態１の電力半導体装置１Ａにおいて、ガラス粉体７のかさ密度が、封止材料の断熱性に与える影響について検討する。
【００５３】
ガラス粉体のかさ密度は、０．０１〜１．０ｇ／ｃｍ３のものが容易に製造できる。かさ密度は、ガラス粉体７におけるカプセルの壁の体積とカプセル内部の空間の体積との割合によって変動される。
ガラス粉体７のかさ密度が、０．０５ｇ／ｃｍ３より小さい場合、ガラス粉体７の強度が０．２ＭＰａより小さくなって、電力半導体装置１Ａが振動したり、落下したりしたときに割れやすくなる。
【００５４】
また、ガラス粉体７のかさ密度が、０．７ｇ／ｃｍ３より大きくなると、ガラス粉体７の強度は強化される一方で、カプセルの壁の体積が大きくなりすぎて絶縁性の高い空気の体積が減少されるで、ＩＧＢＴ２から発生される熱の断熱効果が低下する。
従って、ガラス粉体７のかさ密度は、０．０５ｇ／ｃｍ３以上で、かつ０．７ｇ／ｃｍ３以下が望ましい。
【００５５】
この実施の形態４によれば、ガラス粉体７のかさ密度を０．０５ｇ／ｃｍ３以上で、かつ０．７ｇ／ｃｍ３以下になるようにしたので、ＩＧＢＴ２から発生される断熱効果を維持しつつ、電力半導体装置１Ａの振動や落下などの衝撃に対しても十分な強度が維持される封止材料を得ることが出来る。つまりは電力半導体装置１Ａの耐衝撃性が向上される。
【００５６】
なお、各実施の形態では、セラミック基板４としてアルミナ基板を用いるものとして説明したが、アルミナ基板を用いるものに限定されるものではなく、窒化ケイ素（ＳｉＮ）基板、窒化アルミ（ＡｌＮ）基板、窒化ホウ素（ＢＮ）基板、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）基板などを用いてもよい。
【００５７】
また、基台５には、中空のガラス粉体７が含有された付加反応型シリコーン樹脂８を硬化させた基板を用いるものとして説明したが、熱伝導を厳しく抑える必要のない場合は、セラミック基板やアルミ板など他の材料を用いてもよい。
また、信号送受電極６ａ〜６ｃは、セラミック基板４に接続して筐体１０の外部に引き出されるものとして説明したが、信号送受電極６ａ〜６ｃを外部に引き出すルートは限定されるものではない。例えば、基台５にセラミック基板４を用い、基台５とＩＧＢＴ２との間に接続球３を配置し、基台５から信号送受電極６ａ〜６ｃを筐体１０の外部に引き出すなどしてもよい。
【００５８】
また、１つの筐体１０の内部に１つのＩＧＢＴ２を配置させて、封止材料により封止するものとして説明したが、１つの筐体１０の内部に１つのＩＧＢＴ２を配置させるものに限定されるものではなく、複数のＩＧＢＴ２を配置させてもよい。
また、ゴム９が、セラミック基板４を押圧するものとして説明したが、ゴム９を用いるものに限定されるものではなく、ばねなどを用いてもよい。
【００５９】
また、電力半導体装置１Ａは、ゴム９が固着された筐体１０の内部に封止材料を流し込んで硬化させることにより、ＩＧＢＴ２、接続球３、セラミック基板４を封止するものとして説明したが、筐体１０の代わりにＩＧＢＴ２、接続球３、セラミック基板４を覆う型を用意しておき、封止材料を型の内部に流し込んで封止させた後、型を取り外してもよい。つまり、電力半導体素子２、接続球３およびセラミック基板４の封止材料による封止後に、別工程にて筐体１０を、電力半導体素子２、接続球３およびセラミック基板４を覆うように配設させてもよい。筐体１０の配設時に、シリコーン樹脂８を介してセラミック基板４と対向するように、かつ、シリコーン樹脂８をセラミック基板４側に押圧するようにゴム９を配置させれば、ＩＧＢＴ２、接続球３およびセラミック基板４は安定保持される。なお、シリコーン樹脂８は、硬化後も弾力性を有しているので、ゴム９による押圧力は、セラミック基板４へ伝達される。
【００６０】
また、接続球３の材料は銅を用いるものとして説明したが銅に限定されるものではなく、導電性およびＩＧＢＴ２の動作保障温度において耐熱性があれば他の金属や導電性物質を用いてもよい。
また、電力半導体素子には、ＩＧＢＴ２を用いるものとして説明したが、ＧＴＯサイリスタ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ  Ｏｆｆ  Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）およびダイオードなどに本発明を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電力半導体装置のふた部を考慮しない上面図である。
【図２】図１においてふた部を考慮したＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る電力半導体装置のふた部を考慮しない上面図である。
【図４】図３においてふた部を考慮したＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１Ａ，１Ｂ  電力半導体装置、２  ＩＧＢＴ（電力半導体素子）、３  接続球、４  セラミック基板、７  ガラス粉体、８  付加反応型シリコーン樹脂、１８  粉体防侵部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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