(57)【要約】【課題】発熱状態のパワーデバイスが冷却されても、ゲル層内のボイドの発生を抑制し、ゲル層とエラストマ層との剥離を防止することができる。【解決手段】金属ベース板４とケース壁５とにより形成されるケース、金属ベース板４上に実装された素子基板、素子基板を内部に含むようにケース内を封止した第１封止樹脂層２０、第１封止樹脂層２０の上部に密着した状態でケース内を封止した第２封止樹脂層３０、ケースの開口部６を塞ぐ蓋７、及び蓋７と第２封止樹脂層３０との間で、動作時の温度が第１封止樹脂の硬化温度状態において、第２封止樹脂層３０を第１封止樹脂層２０に向かって押圧するように配置された押さえ機構部４０を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ベース板と、上記金属ベース板の外周部を囲むように設けられたケース壁と、により形成されるケース、
上記金属ベース板上に実装された絶縁基板と、上記絶縁基板上に実装された素子と、上記素子に一端が接続された外部端子とを有する素子基板、
第１封止樹脂を用いて、上記素子基板を内部に含む状態で、かつ、上記外部端子の他端部が外部に露出する状態で、上記ケース内を封止する第１封止樹脂層、
第２封止樹脂を用いて、上記第１封止樹脂層の上部に密着した状態で、かつ、上記外部端子の上記他端部が外部に露出する状態で、上記ケース内を封止する第２封止樹脂層、
上記第２封止樹脂層を介して上記第１樹脂層から離れる方向について、上記第２封止樹脂層と距離を置いて配置され、上記ケース壁に取り付けられることで上記ケースの開口部を塞ぐ蓋、及び
上記蓋と上記第２封止樹脂層との間で、上記第２封止樹脂層の中央部と当接するように配置された押さえ板と、上記蓋と上記押さえ板とを繋ぐ繋材と、を含む第１押さえ部材を有する押さえ機構部
を備え、
上記押さえ機構部は、上記蓋が上記ケース壁に取り付けられた状態であり、かつ、動作時の温度が上記第１封止樹脂の硬化温度状態において、上記押さえ板が、上記第２封止樹脂層を上記第１封止樹脂層に向かって押圧するように配置される
パワーモジュール。
【請求項２】
上記押さえ機構部は、上記ケース壁と接続している上記第２封止樹脂層の上記ケース壁と接続している端面部分の上面と当接するように、上記ケース壁に沿って設けられた第２押さえ部材をさらに備えている
請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
上記第２封止樹脂層の厚みは、１ｍｍ以上に設定されている
請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
上記第１封止樹脂には、針入度が、５０〜９０の樹脂が用いられている
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
上記第２封止樹脂には、ＪＩＳ  ＴＹＰＥ  Ａ硬度が、３０以上９５以下の樹脂が用いられている
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
上記第２封止樹脂層を形成する硬化温度の上限は、上記第１封止樹脂の硬化温度よりも３０℃高い温度で、かつ１５０℃以下に設定されている
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
上記繋材には、エンジニアプラステックであるＰＰＳ、ＰＢＴ、またはＰＥＴが用いられている
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
上記繋材には、スポンジ状、ゴム状、またはばね状のクッション材が用いられている
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項９】
金属ベース板と、上記金属ベース板の外周部を囲むように設けられたケース壁と、により形成されるケース、及び
上記金属ベース板上に実装された絶縁基板と、上記絶縁基板上に実装された素子と、上記素子に一端が接続された外部端子とを有する素子基板
を備えたパワーモジュールにおいて、上記素子基板を、上記ケース内に封止するパワーモジュールの製造方法であって、
封止する前工程として、上記ケース内に上記素子基板を実装した状態とする工程と、
第１封止樹脂剤を用いて、上記素子基板を内部に含む状態で、かつ、上記外部端子の他端部が外部に露出する状態で、上記ケース内を封止する第１封止樹脂層を形成する工程と、
上記第２封止樹脂を用いて、上記第１封止樹脂層の上部に密着した状態で、かつ、上記外部端子の上記他端部が外部に露出する状態で、上記ケース内を封止する第２封止樹脂層を形成する工程と、
押さえ機構部が設けられた蓋を上記ケースの開口部を塞ぐように取り付け、上記蓋が上記ケースに取り付けられた状態であり、かつ、動作時の温度が上記第１封止樹脂の硬化温度状態において、上記押さえ機構部により、上記第２封止樹脂層を上記第１封止樹脂層に向かって押圧する工程と
を有する
パワーモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ポッティング封止剤により素子がケース内に封止されているパワーモジュール、及びパワーモジュールの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールには、小型のパワー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。従来のポッティング封止型のパワーモジュールは、金属ベース板を囲むケース壁が取り付けられており、金属ベース板とケース壁とで囲まれるケース下部に、ポッティング封止剤であるシリコーンゲルによりゲル層が形成されている。
【０００３】
ゲル層内部には、金属ベース板に固定されたセラミック基板、セラミック基板上に取り付けられた素子、及び素子と基板との間を接続するワイヤボンドが封止されている。また、ケース上部の開口部は、蓋により塞がれている。
【０００４】
しかしながら、従来のポッティング封止型のパワーモジュールでは、パワーモジュールの大型化に伴って、ケース及び蓋に、歪みや反りが生じてしまう。この結果、ケース壁と蓋との密着性の確保、及びケース内の気密性の確保が困難になってしまうという問題があった。これにより、パワーモジュールの大きさの制限が生じ、製造範囲が狭くなってしまう。
【０００５】
これを解決するために、ゲル層を形成するシリコーンゲルよりも硬度の高いシリコーンゲルを用いて、ゲル層上に、蓋の代わりとなる硬化層をゲル層に密着した状態で形成した半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された半導体装置では、硬化層が低弾性のシリコーンゲルで形成されているので、パワーモジュールが大型化しても、ケース壁と硬化層との密着性、及びケース内の気密性を確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−７１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現在、パワーデバイスの動作温度を上げる開発が進んでおり、デバイスの最大接合温度Ｔｊｍａｘは、現在の主流としては１２５℃から１５０℃であるが、さらに１７５℃へと進化しつつある。さらに、ＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ）デバイスでは、２００℃以上の動作温度でも機能する高温動作化が期待されている。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されている半導体装置では、パワーデバイスの動作中の発熱状態において、下層のゲルが膨張してゲル層の表面が盛り上がって凸状態になる。これに伴って、上層の硬化層も、凸形状に変形してしまう。
【０００９】
一方、発熱状態のパワーデバイスが冷却されると、下層のゲルは、収縮するが、凸形状に変形した硬化層が、平面形状に戻るまでには、時間がかかってしまう。これにより、ゲルが硬化層に引っ張られて負圧状態になってしまい、ゲル層内にボイドが発生する恐れがあるとともに、ゲル層と硬化層との界面が剥離してしまう恐れがあった。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、発熱状態のパワーデバイスが冷却されても、ゲル層内のボイドの発生を抑制し、ゲル層とゲル層上に形成される層との剥離を防止することができるパワーモジュール、及びパワーモジュールの製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明によるパワーモジュールは、金属ベース板と、金属ベース板の外周部を囲むように設けられたケース壁と、により形成されるケース、金属ベース板上に実装された絶縁基板と、絶縁基板上に実装された素子と、素子に一端が接続された外部端子とを有する素子基板、第１封止樹脂を用いて、素子基板を内部に含む状態で、かつ、外部端子の他端部が外部に露出する状態で、ケース内を封止する第１封止樹脂層、第２封止樹脂を用いて、第１封止樹脂層の上部に密着した状態で、かつ、外部端子の他端部が外部に露出する状態で、ケース内を封止する第２封止樹脂層、第２封止樹脂層を介して第１樹脂層から離れる方向について、第２封止樹脂層と距離を置いて配置され、ケース壁に取り付けられることでケースの開口部を塞ぐ蓋、及び蓋と第２封止樹脂層との間で、第２封止樹脂層の中央部と当接するように配置された押さえ板と、蓋と押さえ板とを繋ぐ繋材と、を含む第１押さえ部材を有する押さえ機構部を備え、押さえ機構部は、蓋がケース壁に取り付けられた状態であり、かつ、動作時の温度が第１封止樹脂の硬化温度状態において、押さえ板が、第２封止樹脂層を第１封止樹脂層に向かって押圧するように配置される。
【００１２】
また、この発明によるパワーモジュールの製造方法は、金属ベース板と、金属ベース板の外周部を囲むように設けられたケース壁と、により形成されるケース、及び金属ベース板上に実装された絶縁基板と、絶縁基板上に実装された素子と、素子に一端が接続された外部端子とを有する素子基板を備えたパワーモジュールにおいて、素子基板を、ケース内に封止するパワーモジュールの製造方法であって、封止する前工程として、ケース内に素子基板を実装した状態とする工程と、第１封止樹脂剤を用いて、素子基板を内部に含む状態で、かつ、外部端子の他端部が外部に露出する状態で、ケース内を封止する第１封止樹脂層を形成する工程と、第２封止樹脂を用いて、第１封止樹脂層の上部に密着した状態で、かつ、外部端子の他端部が外部に露出する状態で、ケース内を封止する第２封止樹脂層を形成する工程と、押さえ機構部が設けられた蓋をケースの開口部を塞ぐように取り付け、蓋がケースに取り付けられた状態であり、かつ、動作時の温度が第１封止樹脂の硬化温度状態において、押さえ機構部により、第２封止樹脂層を第１封止樹脂層に向かって押圧する工程とを有する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によるパワーモジュール、及びパワーモジュールの製造方法では、ケースを塞ぐ蓋に設けられ、ケース内のゲル層上に形成したエラストマ層を上方からゲル層に向かって押さえつける押さえ機構部を備えて構成されている。これにより、発熱状態、および発熱状態から冷却された状態のいずれにおいても、ゲル層が変形することを抑制でき、この結果、ゲル層内にボイドが発生してしまうことを抑制するとともに、ゲル層とゲル層上に形成される層との剥離を防止することができるパワーモジュール、及びパワーモジュールの製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールを示す断面図である。
【図２】ケース中にゲル層を形成した状態のパワーモジュールの構造の単純モデルを示す断面図である。
【図３】ケース中にゲル層を形成し、エラストマ層でゲル層上をオーバーコートした状態のパワーモジュールの構造の単純モデルを示す断面図である。
【図４】繋材として押さえ板と異なる材質の部材を用いたパワーモジュールを示す断面図である。
【図５】ケース中に形成されたゲル層及びエラストマ層上に、押さえ機構部が載せられた状態のパワーモジュールの構造の単純モデルを示す断面図である。
【図６】ゲルをポッティングする前の状態のパワーモジュールを示す断面図である。
【図７】図６のパワーモジュールに、ゲル層を形成した状態を示す断面図である。
【図８】図７のパワーモジュールに、エラストマ層を形成した状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールを示す断面図である。なお、図１の矢印Ａ方向を上下方向として説明する。また、パワーモジュールの具体的な例としては、インバータモジュールが挙げられる。
【００１６】
図１に示すように、パワーモジュール１では、両面に電極パターン２ａ、２ｂが形成された複数の絶縁基板３が、はんだ８により、金属ベース板４の上面に取り付けられている。金属ベース板４には、銅製またはアルミ製の板が用いられている。なお、銅製の板を用いる場合には、金属ベース板４にメッキ加工が施されていてもよい。
【００１７】
また、金属ベース板４は、金属ベース板４の外周部を囲むように設けられたケース壁５に取り付けられている。図１では、ケース壁５の下端部が、金属ベース板４の上面に固定されている。このような構成により、金属ベース板４及びケース壁５により、内部が空洞のケースが形成されている。また、ケース壁５の上端部側に形成されているケースの開口部６は、蓋７により塞がれる。
【００１８】
蓋７は、図示しないねじにより、ケース壁５に固定されている。なお、蓋７は、ケース壁５に固定されていればよく、ねじ止めの代わりに、嵌合されることで固定されていてもよい。
【００１９】
本実施の形態１における絶縁基板３は、絶縁材料としてセラミックを用いたセラミック絶縁基板を用いている。また、絶縁基板３の両面に形成された電極パターン２ａ、２ｂは、銅電極またはアルミ電極で形成されている。なお、銅電極は、メッキ加工されていてもよい。絶縁基板３のそれぞれは、はんだ８を用いて金属ベース板４に実装される。
【００２０】
また、複数の絶縁基板３は、素子９が電気的に接続された第１絶縁基板３ａと、外部端子１０の一端部１０ａが接合されている第２絶縁基板３ｂと含んで構成されている。第１絶縁基板３ａと第２絶縁基板３ｂとの個数は、設計時に所望の数に決められている。図１では、第１絶縁基板３ａ及び第２絶縁基板３ｂは、それぞれ２つずつ設けられている。
【００２１】
素子９は、電極パターン２ａ上にダイアタッチを用いて接着されている。ダイアタッチ材としては、例えば、はんだ、金属ペースト、導電性接着剤、ＡＣＦ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｆｉｌｍ：異方性導電膜）が挙げられる。
【００２２】
外部端子１０は、外部との電気的な接続を行うための配線部材であり、外部端子１０の他端部１０ｂは、蓋７に設けられた複数（図１では、２つ）の端子用孔７ａからケース外に出ている。第１絶縁基板３ａ上に配置された素子９は、外部との電気的な接続を行うために、外部端子１０の一端部１０ａが接続されている第２絶縁基板３ｂに、ワイヤボンド１１により電気的に接続されている。なお、図１では、示されていないが、素子９同士も、ワイヤボンド１１により電気的に接続されることもある。
【００２３】
以下、電極パターン２ａ、２ｂが設けられた絶縁基板３、素子９、外部端子１０の一端部１０ａ、及びワイヤボンド１１が接続されたもののすべてを含む総称を、素子基板とする。ケースの下部は、内部に素子基板を含むようにして、ゲル（第１封止樹脂）により、封止されている。従って、ケースの下部には、ゲルによりゲル層（第１封止樹脂層）２０が形成されている。
【００２４】
ゲルには、例えば、低弾性のシリコーン系の付加型２液混合タイプで、かつ針入度が５０〜９０のものを用いている。ゲルの針入度が５０よりも低い硬いゲルは、動作温度１７５℃以上のヒートサイクル温度間隔が広いパワーモジュール１には使いにくく、ゲルの熱膨張によりワイヤボンド１１の長期信頼性が、評価基準の期間よりも著しく低下するため、適切でない。そこで、本実施の形態１では、針入度５０〜９０のシリコーンゲルを、少なくとも素子基板全体が封止される量だけ注入し、加熱により架橋させて、ゲル層２０としている。
【００２５】
ゲル層２０では、パワーモジュールの動作温度によって、ゲル内に負の圧力が発生し、ゲル内にボイド（気泡）が発生する恐れがある。ボイドが発生すると、絶縁不具合を引き起こす恐れがあり、パワーモジュールの信頼性を低下させてしまう。ボイドが発生する現象に関し、図２を用いて説明する。図２は、ケース中にゲル層２０を形成した状態のパワーモジュール１の構造の単純モデルを示す断面図である。
【００２６】
図２（ａ）は、ゲル硬化直後における、ゲル通常硬化温度でのゲルの状態であり、ゲルに応力はかかっていない状態を示している。しかしながら、その後、高温状態に置かれ、図２（ａ）の状態よりも温度が上昇すると、ゲルの熱膨張率は、図２（ａ）の状態よりも大きくなり、ゲルは、体積を増やそうとする。しかしながら、金属ベース板４及びケース壁５により、ゲル層２０は、上部以外は拘束されている。この結果、図２（ｂ）に示すように、ゲル層２０は、上方に向かって凸型に変形する。
【００２７】
従って、ゲル層２０は、図２（ｂ）に示す矢印の方向に圧力が発生し、膨張する。このとき、ゲル層２０の中央底部付近では、上方向へのゲルの変形の影響が大きく、底部付近のゲルが持ち上がりやすくなりボイドが形成される恐れがある。
【００２８】
一方、図２（ａ）の状態よりも温度が下降すると、ゲルの体積は、図２（ａ）の状態よりも収縮する。しかしながら、金属ベース板４及びケース壁５により、ゲル層２０は、上部以外は拘束されている。この結果、図２（ｃ）に示すように、ゲル層２０は、下方に向かって凹型に変形する。
【００２９】
従って、ゲル層２０は、図２（ｃ）に示す矢印の方向に負の圧力が発生し、収縮する。このとき、ゲル層２０の両端部付近では、ゲルの変形の影響が大きく負圧となる。しかし、この場合には、温度が低いため、図２（ｂ）の膨張時と比較すると、ボイドが発生しにくい。
【００３０】
従って、ゲル内のボイドの発生を抑制するには、ゲル通常硬化温度よりも温度が高い状態において、ゲル層２０の凸型変形を抑制する必要がある。
【００３１】
ここで、ボイドの発生を抑制するために、例えば、ゴムなどの弾性率の高い樹脂をゲル層２０としてポッティングした場合、熱膨張によりワイヤボンド１１の切断、ケースの割れが発生してしまう恐れがある。
【００３２】
そこで、本実施の形態１におけるパワーモジュールでは、図１に示すように、ゲル層２０の上に、ゲル層２０に密着した状態で、エラストマ層（第２封止樹脂層）３０が形成されている。エラストマ（第２封止樹脂）は、ゲルよりも弾性率の高い、ゴム材に相当する。
【００３３】
より具体的には、エラストマには、ＪＩＳ  ＴＹＰＥ  Ａ硬度３０以上９５以下のものを用いる。ここで、硬度が３０よりも低い場合、ゲルを押さえ込む力が所望の力よりも小さく、エラストマ層３０を設ける効果が少なくなってしまう。一方、硬度が９５よりも高い場合、ゲルの動きに対する追従性に欠け、熱膨張によりケース壁５にダメージを与える可能性があるので好ましくない。
【００３４】
また、エラストマ層３０の膜厚（厚み）は、１ｍｍ以上が好ましい。エラストマ層３０の膜厚が、１ｍｍよりも薄い場合には、ゲル層２０を押さえる力が所望の力よりも弱くなり、エラストマ層３０を設ける効果が少なくなってしまう。
【００３５】
なお、エラストマ層３０は、ゲル層２０の上部を覆うことで、ゲル層２０の粘性に伴う、ゲル表面への埃の付着防止の役割も果たしている。
【００３６】
ここで、ゲル層２０上にエラストマ層３０が形成された状態で、温度が、ゲル通常硬化温度よりも高くなった状態を、図３を用いて説明する。図３は、ケース中にゲル層２０を形成し、エラストマ層３０でゲル層２０上をオーバーコートした状態のパワーモジュールの構造の単純モデルを示す断面図である。
【００３７】
図３（ａ）は、ゲル通常硬化温度でのゲルの状態であり、ゲル及びエラストマに応力はかかっていない状態を示している。このとき、図３（ａ）の状態よりも温度が上昇すると、図２（ｂ）と同様、図３（ｂ）に示すように、ゲル層２０は、上方に向かって凸型に変形しようとする。
【００３８】
しかしながら、ゲル層２０の上部は、エラストマ層３０により、ゲルの変形が抑制される。これにより、ゲル内のボイド抑制の効果が期待される。
【００３９】
しかしながら、エラストマ層３０に用いるエラストマは、ゲルに比べて弾性率が高いため、硬化温度が上昇した場合、ある程度、高温でのゲルの変形を抑制可能ではあるものの、エラストマ層３０の平面方向の熱膨張分がたわみとなり、上方に向かって凸型に変形してしまう場合がある。
【００４０】
さらに、エラストマ層３０が、凸型に変形した場合には、ケース壁５との接着が少ない分、ケース壁５から剥がれやすくなってしまう。従って、エラストマ層３０がケース壁５から剥がれてしまった場合には、エラストマ層３０を設けた意味がなくなってしまう。
【００４１】
そこで、本発明では、図１に示すように、蓋７とエラストマ層３０との間に、押さえ機構部４０が設けられている。本実施の形態１における押さえ機構部４０は、蓋７に設けられた第１押さえ部材４１と、ケース壁５に設けられた第２押さえ部材４２とを有している。
【００４２】
第１押さえ部材４１は、蓋７から下方に距離を置いて設けられた押さえ板４１ａと、蓋７と押さえ板４１ａとを繋ぐ繋材４１ｂとを有している。
【００４３】
蓋７と押さえ板４１ａとの距離は、蓋７をケースに取り付けたとき、押さえ板４１ａの下面が、エラストマ層３０の上面中央部と当接する距離に設定されている。より具体的には、蓋７をケースに取り付けたとき、押さえ板４１ａの下面が、エラストマ層３０に１ｍｍ以上食い込まない距離で当接するように設定されている。
【００４４】
押さえ板４１ａの形状は、応力集中を防止するため、円形、楕円形、または、角部を丸くした（角部にＲをつけた）４角形以上の多角形が好ましい。また、押さえ板４１ａの大きさは、開口部６の面積の１／２以下に設定している。これは、押さえ板４１ａの大きさが、開口部６の面積の１／２を超える場合には、押さえ板４１ａに押さえられていない部分に、ゲル層２０の熱膨張による変形が集中し、エラストマ層３０が傷つく恐れがあるからである。
【００４５】
押さえ板４１ａには、絶縁性の部材、例えば、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ  Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ  Ｓｕｌｆｉｄｅ  Ｒｅｓｉｎ：ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（Ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ：ポリブチレンテレフタレート）、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ：ポリエチレンテレフタレート）等のエンジニアプラステックを用いることが好ましい。
【００４６】
なお、本実施の形態１では、外部端子１０が、押さえ板４１ａにより押さえられていないエラストマ層３０の部分からケース壁５の外に出る構成を備えているが、押さえ板４１ａに貫通穴を設け、この貫通穴に外部端子１０を通した後、ケース壁５外に外部端子１０が出る構成としてもよい。
【００４７】
繋材４１ｂは、蓋７と押さえ板４１ａとを繋ぐことが可能な部材であれば、特に限定されない。本実施の形態１では、押さえ板４１ａを上方に投影したとき、押さえ板４１ａの領域内に収まる筒状の部材を繋材４１ｂとして用いている。また、繋材４１ｂは、押さえ板４１ａと同じ材質の部材を用いて形成されている。
【００４８】
なお、繋材４１ｂは、押さえ板４１ａと同じ材質の部材に限るものではない。図４は、繋材４１ｂとして押さえ板４１ａと異なる材質の部材を用いたパワーモジュール１を示す断面図である。図４に示すように、繋材４１ｂには、押さえ板４１ａを上方に投影したとき、押さえ板４１ａの領域内に収まるクッション材が用いられている。クッション材としては、例えば、スポンジ状、ゴム状、またはばね状のものが挙げられる。
【００４９】
さらに、本実施の形態１では、図１に示すように、ケース壁５の内壁からケース内に突出する突起として、第２押さえ部材４２を備えている。第２押さえ部材４２は、ケース壁５の内壁部の近傍において、エラストマ層３０の上面と当接する位置に設けられている。なお、第２押さえ部材４２とエラストマ層３０とが当接している部分は、接着されていてもよい。
【００５０】
これにより、エラストマ層３０とケース壁５との接着力を向上させることができる。また、第２押さえ部材４２は、ケース壁５の内周に沿って設けられており、ゲル層２０とケース壁５とが接着された部分に、ゲルの膨張による応力が集中することを防止することもできる。
【００５１】
なお、第２押さえ部材４２は、複数の突起が、ケース壁５の内周に沿って互いに距離を置いて配置されていてもよい。また、第２押さえ部材４２は、ケース壁５から突出する突起に限らず、ケース壁５自体に段差を付けて構成されていてもよい。
【００５２】
ここで、ゲル層２０及びエラストマ層３０の上に、押さえ機構部４０が設けられた状態で、温度が、ゲル通常硬化温度よりも高くなった状態を、図５を用いて説明する。図５は、ケース中に形成されたゲル層２０及びエラストマ層３０上に、押さえ機構部４０が載せられた状態のパワーモジュールの構造の単純モデルを示す断面図である。なお、図５には、繋材４１ｂは、図示されていない。
【００５３】
図５（ａ）は、ゲル通常硬化温度におけるゲルの状態であり、ゲル及びエラストマに応力はかかっていない状態を示している。このとき、図５（ａ）の状態よりも温度が上昇すると、図３（ｂ）と同様、図５（ｂ）に示すように、ゲル層２０は、上方に向かって凸型に変形しようとする。
【００５４】
しかしながら、ゲル層２０及びエラストマ層３０は、押さえ機構部４０で押さえられているため、図５（ｂ）の下向きの矢印に示すような力がエラストマ層３０に加わる。また、パワーモジュールが大きく、開口部６が広い場合、蓋７が下方にたわむことが考えられ、図５（ｂ）の下向きの矢印に示すような力がさらに強くなっている。これにより、熱膨張によるエラストマ層３０の凸型への変形を抑制することができる。従って、ゲル内の圧力が上昇し、ゲル内のボイドの発生が抑制されることになる。
【００５５】
次に、本実施の形態１におけるパワーモジュールの製造方法について図１及び図６〜図８を用いて説明する。図６は、ゲルをポッティングする前の状態のパワーモジュール１を示す断面図である。また、図７は、図６のパワーモジュール１に、ゲル層２０を形成した状態を示す断面図である。さらに、図８は、図７のパワーモジュール１に、エラストマ層３０を形成した状態を示す断面図である。なお、図１のパワーモジュール１が、パワーモジュール１の完成形である。
【００５６】
先ず、図６において、両面に電極パターン２ａ、２ｂが形成された絶縁基板３の電極パターン２ｂを、はんだ８を用いて金属ベース板４に取り付ける。次に、所望の電極パターン２ａ上に、ダイアタッチを用いて素子９を取り付けるとともに、所望の電極パターン２ａ上に、外部端子１０の一端部１０ａを取り付ける。
【００５７】
電極パターン２ａ上に、素子９及び外部端子１０を取り付けた後、素子９が設けられた絶縁基板３と、外部端子１０が設けられた絶縁基板３とをワイヤボンド１１で、電気的に接続する。
【００５８】
次に、上記の状態になった金属ベース板４に、あらかじめ第２押さえ部材４２が形成されたケース壁５を接着剤により取り付けることにより、図６に示す、ゲルがポッティングされる前のパワーモジュール１が得られる。
【００５９】
次に、素子基板を封止することができる量のゲルを、ケース内に注入して加熱し、ポッティングすることで、図７に示すように、ケースの下部にゲル層２０を形成する。
【００６０】
次に、ケースの下部にゲル層２０を形成した後、ゲル層２０の上方からエラストマを注入して硬化し、図８に示す、ゴム状のエラストマ層３０を形成する。注入するエラストマの量は、上下方向について、ゲル層２０の上端部の位置から第２押さえ部材４２の下端部の位置までを封止可能な量として設定されている。
【００６１】
また、エラストマ層３０を形成するときの硬化温度の上限は、ゲル通常硬化温度よりも３０℃高い温度で、かつ１５０℃以下としている。これは、硬化温度が１５０℃よりも高いと、ゲルが熱膨張で凸型に変形した状態に合わせてエラストマ層３０が形成されてしまう恐れがあるためである。即ち、エラストマ層３０が上方に向かって凸型に湾曲して形成されてしまうと、ゲル層２０内にボイドが発生する要因になる恐れがあるためである。
【００６２】
最後に、あらかじめ第１押さえ部材４１が設けられた蓋７を、ケースの開口部６を塞ぐように、ケース壁５の上端部にねじ等により固定する。以上により、図１に示す、本実施の形態１のパワーモジュール１が完成する。
【００６３】
次に、本発明の図１及び図４に示すパワーモジュール１と、押さえ機構部４０が無い状態のパワーモジュールと、エラストマ層３０及び押さえ機構部４０が無い状態のパワーモジュールと、の信頼性評価試験を実施した結果を、下記表１に基づいて説明する。
【００６４】
【表１】
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【００６５】
なお、表１の（Ｉ）〜（ＩＶ）は、それぞれ、以下のものを示している。
（Ｉ）：図１に示すパワーモジュール１。
（ＩＩ）：図４に示すパワーモジュール１。
（ＩＩＩ）：エラストマ層３０はあるが、押さえ機構部４０が無い状態のパワーモジュール。
（ＩＶ）：エラストマ層３０及び押さえ機構部４０が両方とも無い状態のパワーモジュール。
【００６６】
また、評価は、各モジュールを、６０℃８５％Ｒ．Ｈ．の恒温恒湿槽に３日間投入し、その後、室温で２時間放置して冷却した後、１７５℃に加熱したホットプレート上に１時間載せた状態で行った。また、ゲル及びエラストマには、ボイドの観察を容易にするために、全てクリア仕様のものを用いた。また、ボイドの観察は、押さえ板４１ａで押さえられていない部分のゲル内で実施した。
【００６７】
この信頼性評価試験は、６０℃８５％環境にモジュールが置かれているときに実装部品表面に吸着した水がホットプレート上で急加熱されることにより、ゲル内にボイドを形成しようとするメカニズムを利用して評価している。このメカニズムは、実モジュールにおけるボイド発生メカニズムの１つと考えられる。
【００６８】
表１の結果から、従来構造のパワーモジュールでは、ゲル層２０内でボイドが発生していたが、本発明の図１及び図４に示すパワーモジュールでは、ゲル層２０内でボイドが発生せず、ボイドが抑制されることが実証された。
【００６９】
このような本実施の形態１におけるパワーモジュールでは、金属ベース板とケース壁とで囲まれるケース内に形成された素子基板を内部に含むゲル層の上に、ゲル層に密着してエラストマ層を形成するとともに、エラストマ層を上方からゲル層に向かって押さえる押さえ機構部が、ケース内に設けられている。
【００７０】
このような構成を備えることで、パワーモジュールの動作温度が上昇し、ゲル層のゲルの体積が膨張した場合にも、押さえ機構部によりエラストマ層が押さえられているため、ゲル層が上方に凸型に変形することを抑制することができる。この結果、ゲル内のボイドの発生を抑制することができる。また、ボイドが発生したとしても、押さえ機構部によりゲル内の圧力を高くしているので、発生したボイドの拡大を抑え、小さいサイズのボイドのままの状態で保持することができる。
【００７１】
また、パワーモジュールが発熱状態から冷却されたとき、押さえ機構部によりエラストマ層が凸型に変形することが抑制されている。この結果、エラストマ層がケース壁から剥離してしまうことを防止することができる。
【００７２】
なお、上記実施の形態１では、押さえ機構部４０が、第２押さえ部材４２及び第１押さえ部材４１を有しているが、第１押さえ部材４１のみでも、本発明の効果を得ることができる。これは、熱膨張により、ゲルの中央が凸型になるゲルの変形を抑制することで、ボイドの形成が抑制される効果が得られるためである。
【符号の説明】
【００７３】
１  パワーモジュール、３  絶縁基板、４  金属ベース板、５  ケース壁、６  開口部、７  蓋、９  素子、１０  外部端子、２０  ゲル層（第１封止樹脂層）、３０  エラストマ層（第２封止樹脂層）、４０  押さえ機構部、４１  第１押さえ部材、４１ａ  押さえ板、４１ｂ  繋材、４２  第２押さえ部材。
【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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