(57)【要約】【課題】熱伝導性に優れたパワー半導体モジュールとそれを用いたパワーモジュールを提供することを目的とする。【解決手段】パワー半導体モジュールは、半導体素子と、一面に前記半導体素子が搭載された導体板と、前記導体板の側面部を覆い、前記一面に対向する他面の少なくとも一部を露出する樹脂封止部と、前記樹脂封止部の一面及び前記導体板の前記樹脂封止部から露出した前記他面の一部に設けられた酸化イットリウム皮膜と、前記酸化イットリウム皮膜に設けられた絶縁膜と、を備え、前記酸化イットリウム皮膜が、立方晶と単斜晶から成る酸化イットリウム結晶における単斜晶の割合が７％以下であり、波長７５０ｎｍの拡散反射率が８０％以下である。【選択図】図４
2016021450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
一面に前記半導体素子が搭載された導体板と、
前記導体板の側面部を覆い、前記一面に対向する他面の少なくとも一部を露出する樹脂封止部と、前記樹脂封止部の一面及び前記導体板の前記樹脂封止部から露出した前記他面の一部に設けられた酸化イットリウム皮膜と、
前記酸化イットリウム皮膜に設けられた絶縁膜と、を備え、
前記酸化イットリウム皮膜が、立方晶と単斜晶からなる酸化イットリウム結晶における単斜晶の割合が７％以下であり、波長７５０ｎｍの拡散反射率が８０％以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１において、前記絶縁膜は、熱伝導性フィラーを含有する樹脂で構成され、前記酸化イットリウム皮膜の空孔内には、前記熱伝導性フィラーが含有された樹脂が含浸されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項２において、前記熱伝導性フィラー含有樹脂が含侵された前記酸化イットリウム膜の熱伝導率が、５W／（ｍK）以上であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１において、前記酸化イットリウム皮膜の空孔率が５〜１５％であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１において、前記酸化イットリウム皮膜の表面粗さが、最大値が１５μｍ以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１において、前記酸化イットリウム皮膜は、溶射で形成されることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１において、前記酸化イットリウム皮膜および前記絶縁膜の周囲に応力緩和用樹脂層が配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のパワー半導体モジュールと、放熱用部材とを備え、前記放熱用部材は、前記酸化イットリウム皮膜を介して前記パワー半導体モジュールに配置されていることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導性に優れた酸化イットリウム皮膜を用いたパワー半導体モジュールと、それを用いたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車に用いる大容量の車載用モータには、パワー半導体素子のスイッチングを利用した電力変換装置が用いられており、パワー半導体素子は通電により発熱するため、パワー半導体素子を搭載するパワー半導体モジュールには、高い熱伝導性（放熱性）が求められている。
【０００３】
一般に、パワー半導体モジュールと、ヒートシンクなどの放熱用部材との間に、熱伝導率が良好なセラミック絶縁層を配置する構造が知られているが、溶射で形成された絶縁層には空孔が生じ、熱伝導性が低下しやすい。この対応として、絶縁層の空孔に樹脂を含浸させる構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、比較的熱伝導率が高く、溶射による分解や結晶構造の変化が少ない酸化イットリウムを溶射原料の粉末に用いられている（特許文献２参照）。酸化イットリウム粉末はα-アルミナ粉末のように高温で相変化を生じることもなく、窒化アルミ粉末のように高温で分解することもなく、高温で安定して溶射できる比較的熱伝導性の良いセラミックス材料である。
【０００５】
しかしながら、皮膜を形成する粉末として酸化イットリウムを選択した場合、得られる酸化イットリウム皮膜はパワー半導体モジュールとしては充分な熱伝導性を有しておらず、さらなる高熱伝導化が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１４３４３９号公報
【特許文献２】特開２００５−２５６０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような課題を鑑みてなされたものであり、熱伝導性に優れたパワー半導体モジュールとそれを用いたパワー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】
【０００８】
本発明に係るパワー半導体モジュールは、半導体素子と、一面に前記半導体素子が搭載された導体板と、前記導体板の側面部を覆い、前記一面に対向する他面の少なくとも一部を露出する樹脂封止部と、前記樹脂封止部の一面及び前記導体板の前記樹脂封止部から露出した前記他面の一部に設けられた酸化イットリウム皮膜と、前記酸化イットリウム皮膜に設けられた絶縁膜と、を備え、前記酸化イットリウム皮膜が、立方晶と単斜晶から成る酸化イットリウム結晶における単斜晶の割合が７％以下であり、波長７５０ｎｍの拡散反射率が８０％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱伝導性に優れた酸化イットリウム皮膜を用いることで、高熱伝導性のパワー半導体モジュールとそれを用いたパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】パワーモジュールを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は、図１（ａ）におけるＸＶ−ＸＶ断面図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るパワー半導体モジュールの絶縁層の一部である酸化イットリウム皮膜の導体板への形成を説明するための図であり、（ａ）酸化イットリウム皮膜形成前の断面図であり、（ｂ）は酸化イットリウム皮膜形成後の断面図であり、（ｃ）は、図２（ｂ）の酸化イットリウム皮膜の拡大図である。
【図３】図２の導体板側に形成された酸化イットリウム皮膜にフィラーが分散した樹脂層を仮付けする工程を説明するための図であり、（ａ）は全体の断面図であり、（ｂ）は図３（ａ）における絶縁層の拡大図である。
【図４】図３の導体板側に形成された酸化イットリウム皮膜にフィラーが分散した樹脂層を仮付けした後、酸化イットリウム皮膜の孔を樹脂含浸する工程を説明するための図であり、（ａ）は全体の断面図であり、（ｂ）は含浸前の拡大図であり、（ｃ）は含浸後の拡大図である。
【図５】図４の導体板側に形成された酸化イットリウム皮膜にフィラーが分散した樹脂層を仮付けし、酸化イットリウム皮膜の孔内を樹脂含浸した一次封止体と金属製ケースを圧着する工程を説明するための図であり、（ａ）は圧着前の全体の断面図であり、（ｂ）は図５（ａ）における絶縁層の圧着後の拡大図である。
【図６】本発明の実施形態に係るパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は外観の断面図であり、（ｂ）は図６（ａ）における絶縁層の拡大図である。
【図７】本発明の実施形態２に係り、パワーモジュールの絶縁層の一部である酸化イットリウム皮膜の導体板への形成を説明するための図であり、（ａ）は酸化イットリウム皮膜形成前の断面図であり、（ｂ）は酸化イットリウム皮膜形成後の断面図であり、（ｃ）は、図７（ｂ）における酸化イットリウム皮膜の拡大図である。
【図８】図７の導体板側に形成された酸化イットリウム皮膜にフィラーが分散した絶縁膜を仮付けする工程を説明するための図であり、（ａ）は全体の断面図であり、（ｂ）は図８（ａ）における絶縁膜の仮付け前の拡大図であり、（ｃ）は図８（ａ）における絶縁膜の仮付け後の拡大図である。
【図９】本発明の実施形態３に係り、パワーモジュールの絶縁層の一部である酸化イットリウム皮膜の金属製ベース板への形成を説明するための図であり、（ａ）は酸化イットリウム皮膜形成前の断面図であり、（ｂ）はセラミックス形成後の断面図であり、（ｃ）は異なる形状のベース板の場合を示し、（ｄ）は図９（ｃ）に図示されたベース板に酸化イットリウム皮膜を形成した状態の断面図である。
【図１０】図９の金属ベース側に形成された酸化イットリウム皮膜にフィラーが分散した絶縁膜を仮付けして、酸化イットリウム皮膜孔内に樹脂含浸する工程を説明するための図であり、（ａ）は仮付け前の断面図であり、（ｂ）は仮付け後の断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態に係るパワーモジュールの絶縁層が形成された金属製ベースをケース化する工程を説明するための図であり、図１１（ａ）は、図９（ａ）の放熱部に対応する図であり、図１１（ｂ）は、図９（ｃ）の放熱部に対応する図である。
【図１２】本発明の実施形態３に係るパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は、外観の断面図、（ｂ）は、図１２（ａ）における絶縁層の拡大図である。
【図１３】本発明の実施形態４を示し、実施形態１に対応するパワーモジュールの変形例を示す図であり、（ａ）は樹脂層による応力緩和を増大した接着構造の断面図であり、(ｂ)はケース側に段部と凹部を設けた構造の断面図である。
【図１４】本発明の実施形態４を示し、実施形態２に対応するパワーモジュールの変形例を示す図であり、（ａ）は樹脂層による応力緩和を増大した接着構造の断面図あり、(ｂ)はケース側に段部と凹部を設けた構造の断面図である。
【図１５】本発明の実施形態５に係るパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は樹脂封止型の片面冷却パワー半導体モジュールの平面図であり、（ｂ）、（ｃ）は図１４（ａ）におけるＸＸＸＸＩ−ＸＸＸＸＩ断面図であり、（ｂ）は端子を折曲した状態図であり、（ｃ）は端子を折曲する前の状態図である。
【図１６】本発明の実施形態６に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【図１７】実施例と比較例の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明に係るパワー半導体モジュールの一実施形態を説明する。
（実施形態１）
図２に示すように、酸化イットリウム皮膜７１０は絶縁体であり、酸化イットリウムを含む粉体を溶射で作製することができる。溶射による導体板３１５、３２０の温度上昇は小さく、溶融、熱劣化、反りなどの熱変形も小さい。酸化イットリウム皮膜７１０の形成方法は溶射に限らず、酸化イットリウム結晶が含まれる皮膜であり、立方晶と単斜晶から成る酸化イットリウム結晶における単斜晶の割合が７%以下で、かつ皮膜の波長７５０nmにおける拡散反射率が８０%以下である皮膜を形成できる方法であれば、他の方法でもよい。
【００１２】
図２に示すように、酸化イットリウム皮膜７１０は、パワー半導体モジュール３０２の表面に形成される。酸化イットリウムを含む粉末をプラズマ溶射法により形成する場合は、パワー半導体モジュール３０２の温度上昇は１００〜１８０℃程度であるため、一次封止樹脂（樹脂封止部）３４８、金属接合部１６０、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、３３０とダイオード１５６、１６６）は熱劣化しない。よって、２２０〜３００℃の温度範囲でなされるチップ接合を先に行うことができる。これにより、導体板３１５、３２０に溶射した後にチップ接合する場合に比較して、熱膨張係数の小さい酸化イットリウム皮膜７１０と熱膨張係数の大きい導体板３１５、３２０の積層部に発生する熱応力を低減することができる。  
導体板３１５、３２０、一次封止樹脂３４８に形成する酸化イットリウム皮膜７１０は、これらセラミックスが凝固し形成した扁平形状をしており、図２（ｃ）に示すように、扁平体に形成された酸化イットリウム皮膜素材７１１が堆積したような層となる。
【００１３】
酸化イットリウム皮膜７１０は酸化イットリウム皮膜のＵＶ−ＶＩＳ拡散反射スペクトルにおける７５０ｎｍの拡散反射率が８０％以下、好ましくは６５〜７５％であり、かつ、酸化イットリウム皮膜のＸＲＤ分析において酸化イットリウム結晶における立方晶と単斜晶のうち、単斜晶の占める割合が７％以下、好ましくは３〜５％である。酸化イットリウム皮膜のＵＶ-ＶＩＳ拡散反射スペクトルは溶射装置や溶射条件により拡散反射率を変化させることができる。
【００１４】
酸化イットリウム皮膜７１０は下記（式１）で定義される単斜晶の割合（Pm）が７％以下である。式中、Pmは単斜晶の割合、Imは酸化イットリウム皮膜のＸＲＤスペクトルにおける単斜晶（４０２）の強度、Icは酸化イットリウム皮膜のＸＲＤスペクトルにおける立方晶（２２２）の強度をそれぞれ示す。
【００１５】
【数１】
2016021450.tif 000003
【００１６】
拡散反射率とは酸化イットリウム皮膜表面をサンドブラスト等により酸化イットリウム皮膜を露出させ、酸化イットリウム皮膜表面の表面粗さが１００〜１０μmとなるようにし、測定したＵＶ-ＶＩＳ拡散反射率である。
【００１７】
酸化イットリウム皮膜７１０を形成する粉末は、酸化イットリウムを用いることができる。用いる酸化イットリウム粉末は酸化イットリウム粉末のみでも構わないが、酸化イットリウム粉末以外セラミックス粒子が含まれていてもよい。例えばアルミナ粒子等を含んでいてもかまわない。
【００１８】
酸化イットリウム皮膜７１０を形成する粉末は粒子径１０〜５０μｍが望ましい。１０μｍより小さい粒子を用いると空孔率が小さくなり、フィラ分散樹脂が酸化イットリウム皮膜の空孔内に含侵しにくくなり、熱伝導性が悪くなる。５０μｍ以上の粒子を用いると形成される皮膜の表面粗さが悪化する。
【００１９】
酸化イットリウム粉末をプラズマ溶射法により成膜する場合、酸化イットリウム粉末が還元ガス雰囲気化で溶射されると拡散反射率は低くなる。粉末が成膜されるまでに酸素等に触れ酸化される状態にさらされる機会が多いほど、拡散反射率は高くなる。プラズマ溶射により成膜する場合、プラズマジェットを発生させるためのガスに水素ガスを混合させずに溶射した場合、酸化イットリウム粉末の供給することにより溶射する酸化イットリウム皮膜のＵＶ−ＶＩＳ拡散反射スペクトルにおける７５０ｎｍの拡散反射率が８０％以上になる。プラズマジェットを発生させるためのガスに水素ガスを混合したとしても、プラズマジェット周辺部の雰囲気を酸素を含まない不活性雰囲気下もしくは還元雰囲気下にせず、大気下、プラズマトーチから発生したプラズマジェット内にプラズマジェット側部から酸化イットリウム粉末を供給することにより溶射すると、溶射条件により得られる酸化イットリウム皮膜のＵＶ−ＶＩＳ拡散反射スペクトルにおける７５０ｎｍの拡散反射率が８０％を超える。
【００２０】
酸化イットリウム皮膜のＵＶ−ＶＩＳ拡散反射スペクトルにおける７５０ｎｍの拡散反射率が８０％を超えることを抑制するためには、プラズマジェットを発生させるためのガスに水素ガスを混合させてプラズマ溶射する際のプラズマジェット周辺部の雰囲気を酸素を含まない不活性ガス雰囲気下もしくは還元雰囲気下にし溶射を行うか、プラズマジェットを発生させるためのガスに水素ガスを混合させて、プラズマトーチから発生したプラズマジェット内にプラズマジェットの中心軸方向から粉末を供給することにより溶射する必要がある。プラズマトーチから発生したプラズマジェット内にプラズマジェットの中心軸方向から粉末を供給する溶射装置としては、例えばＮｏｒｔｈｗｅｓｔ  Ｍｅｔｔｅｃｈ社製のＡｘｉaｌIIIを用いることができる。
【００２１】
プラズマジェット中で酸化イットリウムの粉末が溶融し基材に衝突することにより急激に冷却され結晶化を生じる。この際に酸化イットリウム粉末が充分に溶解していない場合、形成した酸化イットリウム皮膜は原料酸化イットリウムの結晶構造を反映する。原料酸化イットリウム粉末における酸化イットリウム結晶の立方晶と単斜晶のうち、単斜晶の占める割合が７％以下の原料を用いれば、酸化イットリウム結晶における立方晶と単斜晶のうち、立方晶の占める割合が７％以下である酸化イットリウム皮膜を形成することができる。しかし、この場合、原料酸化イットリウム粉末が充分に溶融していないため形成される酸化イットリウム皮膜の強度が脆く、また、ＵＶ−ＶＩＳ拡散反射スペクトルにおける７５０ｎｍの拡散反射率が８０％を超えてしまう。
【００２２】
ＵＶ−ＶＩＳ拡散反射スペクトルにおける７５０ｎｍの拡散反射率が８０％以下で、かつ、酸化イットリウム結晶における立方晶と単斜晶のうち、単斜晶の占める割合が７％以下である酸化イットリウム皮膜を形成するためには原料酸化イットリウム粉末を充分に溶融させ、基材に衝突する際の急冷による単斜晶の増加を抑制しなければならない。この際、プラズマジェットを発生させるためのガスに水素ガスを混合させて、溶融粉末粒子が大気の触れないよう酸化イットリウム皮膜を形成する必要がある。このためには、プラズマトーチから発生したプラズマジェット内にプラズマジェットの中心軸方向から粉末を供給することにより充分に原料酸化イットリウム粉末を溶融させ、かつ、還元雰囲気にて溶射する方法が効果的である。用いる溶射装置としては、たとえばＮｏｒｔｈｗｅｓｔ  Ｍｅｔｔｅｃｈ社製のＡｘｉaｌIIIを用いることができる。プラズマジェットの中心軸以外から原料の粉末粒子を供給する場合、プラズマジェットを発生させるためのガスに水素ガスを混合させてプラズマ溶射する際のプラズマジェット周辺部の雰囲気を酸素を含まない不活性ガス雰囲気下もしくは還元雰囲気下にし溶射を行う必要があるが、この場合でも、ＵＶ−ＶＩＳ拡散反射スペクトルにおける７５０ｎｍの拡散反射率が８０％以下の酸化イットリウム皮膜を形成することができるが、同時に空孔率を５％〜１５％に制御して、酸化イットリウム結晶における立方晶と単斜晶のうち、単斜晶の占める割合が７％以下である酸化イットリウム皮膜を形成することは難しい。
【００２３】
プラズマ溶射法などにより、酸化イットリウムの粉末を部分的、あるいは完全溶融状態で基材に衝突させることで、酸化イットリウムは導体表面に扁平形状で溶着し、さらに溶着し凝固した溶射素材７１１にも溶着していく。これにより、三次元的には溶射素材７１１同士や、溶射素材７１１と導体板３１５、３２０および一次封止樹脂３４８内のセラミックスフィラーや樹脂に対し、その当接する界面で溶着面を有し強固に接合している。導体板３１５、３２０、３１８、３１９としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏなどの金属、それらの合金、複合体が用いられる。
（酸化イットリウム膜７１０の熱伝導特性）
表１と図１７を用いて、酸化イットリウム膜７１０の熱伝導特性について説明する。表１は、立方晶と単斜晶からなる酸化イットリウム結晶における単斜晶の割合と、酸化イットリウム皮膜の７５０nmにおける拡散反射率と規格化熱伝導率を示している。
【００２４】
【表１】
2016021450.tif 000004
【００２５】
実施例として、厚さ２ｍｍの１５０ｍｍ角のＡｌ板に対してアルミナを用いてサンドブラスト処理した後、粒径３０μｍの酸化イットリウム粒子を試料１〜試料４においては、溶射装置（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ  Ｍｅｔｔｅｃｈ社製のＡｘｉaｌIII）を用いて、８０％Ｎ2、２０％Ｈ2ガスによりプラズマ溶射した。この時、Ａｌ板に形成する酸化イットリウム皮膜の空孔率を８％程度に調整し、冷却時の酸化イットリウム皮膜の割れを防止するために、Ａｌ板は１８０℃に予熱した。試料４は、酸化イットリウム皮膜の６０％に拡散反射率が８０％以下で単斜晶の割合が7％以下の割合の酸化イットリウム皮膜を用い、４０％に拡散反射率が８０％以上で単斜晶の割合が7％以下の割合の酸化イットリウム皮膜を用いて形成した試料である。同様に、比較例として、厚さ２ｍｍの１５０ｍｍ角のＡｌ板に対してアルミナを用いてサンドブラスト処理した後、粒径３０μｍの酸化イットリウム粒子を試料５〜試料１１においては単一のプラズマトーチから発生したプラズマジェット内にプラズマジェットの側部から粉末を供給する溶射装置を用いて、８０％Ｎ2、２０％Ｈ2ガスによりプラズマ溶射した。この時、Ａｌ板に形成する酸化イットリウム皮膜の空孔率を８％程度に制御し、冷却時の酸化イットリウム皮膜の割れを防止するために、Ａｌ板を１８０℃に予熱した。いずれの酸化イットリウム皮膜も膜厚を５０μｍになるようにした。なお、試料５、試料６においてはプラズマ出力を低くし、原料酸化イットリウム粉末が完全に溶融しないようにして溶射した。試料７〜試料１１においてはプラズマ出力や溶射距離を調整し、結晶構造を制御した。試料７、試料９、試料１０は溶射雰囲気をＡｒガスで減圧にした減圧プラズマ溶射により溶射した。
【００２６】
５０μｍのフィラー３０ＶＯＬ％を分散させたエポキシ樹脂シートを用いて、上記のように形成した酸化イットリウム皮膜７１０の空孔内に、アルミナフィラ分散樹脂を含侵させた。フィラー含有樹脂を含侵させた酸化イットリウム膜の熱伝導率は密度計による密度の測定、レーザフラッシュ法による熱拡散率の測定、示差走査熱量測定による比熱容量の測定、断面ＳＥＭによる膜圧の測定をそれぞれ行い、熱伝導率を算出した。熱伝導率は、試料３の酸化イットリウム皮膜単体の熱伝導率を１とした場合の規格化熱伝導率である。ＵＶ-ＶＩＳ拡散反射スペクトルは波長２５０nmの拡散反射率であり、島図製作所製、ＵＶ２４５０を用いて測定した。結晶晶形は式１で示される立方晶と単斜晶から成る酸化イットリウム結晶における単斜晶の割合がであり、ＸＲＤスペクトルはリガク製  ＲＩＮＴ２５００ＨＬを用いて測定した。
【００２７】
拡散反射率が８０％以下で単斜晶の割合が7％以下の割合の試料１〜試料４の規格化熱伝導率は０．８７〜１であり、単斜晶の割合が７％以上であり、かつ、拡散反射率が８０％以上である試料８、試料１１の規格化熱伝導率が０．６９及び０．６であるのと比べて高い値であった。また、単斜晶の割合は７％以下であるものの、拡散反射率９０％以上の試料５、試料６の規格化熱伝導率が０．７１及び０．６５であるのと比べても高い値であった。ここで、試料１１、試料６、試料５を比較すると拡散反射率が９０％以上であっても、単斜晶の割合を少なくすることにより、規格化熱伝導率がそれぞれ、０．６、０．６５、０．７１と向上させることができる。しかし、拡散反射率を８０以下かつ単斜晶の割合を７％以下にした場合の試料１、試料２、試料３の規格化熱伝導率と比較すると、試料１、試料２、試料３の規格化熱伝導率１、０．９３、０．９の方が熱伝導率向上の効果が顕著である。また、拡散反射率が８０％以下であるが、単斜晶の割合が７％以上である試料７、試料９、試料１０においては、単斜晶の割合が少なくなるにつれ、規格化熱伝導率はそれぞれ、０．７３、０．６８、０．６９と向上する。しかし、拡散反射率を８０以下かつ単斜晶の割合を７％以下にした場合の試料１、試料２、試料３の規格化熱伝導率と比較すると、試料１、試料２、試料３の規格化熱伝導率１、０．９３、０．９の方が熱伝導率向上の効果が顕著である。このように、単斜晶の割合が７％以下で、かつ、拡散反射率の値が８０％以下である酸化イットリウム皮膜が高い熱伝導率を示した。
【００２８】
酸化イットリウム皮膜の一部に拡散反射率が８０％以下で単斜晶の割合が7％以下の割合の酸化イットリウム皮膜を用いた試料４の規格化熱伝導率は０．８７と試料５〜試料１１の規格化熱伝導率と比較しても高い値であった。このように、酸化イットリウム皮膜の一部に拡散反射率が８０％以下で単斜晶の割合が7％以下の割合の酸化イットリウム皮膜を用いた試料を用いることによっても熱伝導率向上の効果を得ることができる。
【００２９】
試料５と同じ条件で形成した酸化イットリウム皮膜に対し、さらに、ＹＡＧレーザーによる加熱溶融処理を行った試料は、単斜晶の割合が７％以下であり、拡散反射率が８０％以下であるが、レーザー照射による酸化イットリウム皮膜の溶融に伴う気孔率の低下により熱伝導率の高いフィラが含侵しにくくなったため、規格化熱伝導率は０．６２と低い値であった。
【００３０】
このように酸化イットリウム膜７１０は、従来の酸化イットリウム皮膜を用いた場合に比べ熱伝導性に優れており、パワーモジュールに適用する際、絶縁層の熱抵抗が低下し、パワーモジュールの放熱性を向上することができる。また、従来の酸化イットリウム皮膜を用いた絶縁膜に比べ本発明の酸化イットリウム皮膜も用いた絶縁膜は熱伝導性が良いため、同じ放熱性のパワーモジュールを形成した場合、従来の酸化イットリウム皮膜を用いたモジュールよりも本発明の酸化イットリウム皮膜を用いたモジュールは、絶縁層の厚さを厚くすることができ、パワーモジュールの耐電圧性を向上することができる。
【００３１】
インバータなどのパワーモジュールでは、近年の発熱量の増大にともない、５W/（ｍ・K）以上の熱伝導率が要求されるが、酸化イットリウム膜の適用により、上記熱伝導率を達成することができる。
（絶縁膜７２０の形成方法）
次に、図５を用いて、絶縁膜７２０の形成方法について説明する。
【００３２】
絶縁膜７２０を構成する樹脂には、後に酸化イットリウム皮膜が形成されていないベース板（モジュールケース３０４）側の放熱部３０７Ａおよび３０７Ｂを接着できる性能が必要とされる。そこで、接着性のあるフェノール系、アクリル系、ポリイミド系、ポリアミドイミド系、エポキシ系、シリコン系、ビスマレイミドトリアジン系、シアネートエッセル系を基にした樹脂を用いる。特に、接着性が高いビスマレイミドトリアジン系、ポリアミドイミド系、ポリイミド系、シアネートエッセル系、エポキシ系、フェノール系を基にした樹脂を用いると、接着後に剥離しにくく、モジュールの寿命が高まる。
【００３３】
次に、パワー半導体素子から発生する熱をモジュールケース３０４の放熱部３０７Ａおよび３０７Ｂに効率よく伝えるために、高い熱伝導率が必要なので、上記に例示した樹脂７２１（図４（ｂ）参照）に絶縁性のフィラー７２２を分散する。樹脂７２１にフィラー７２２を分散すると絶縁膜７２０の熱伝導率を向上することができる。しかし、フィラー７２２が混入されることにより絶縁膜７２０の粘度が高くなり、酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２への含浸が困難となる。
【００３４】
そこで、本発明の一実施形態では、酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２の孔サイズをフィラー７２２の粒子サイズよりも大きくなるようにして、フィラー７２２が分散した樹脂等の含浸性を向上させている。絶縁膜７２０に混入させるフィラー７２２は絶縁性を有したものがよく、フィラー７２２は、酸化イットリウム皮膜７１０よりも熱伝導率を同等以上に高いものを使用することにより、絶縁層７００の熱伝導率を向上することができる。フィラー７２２は、具体的には、アルミナ、シリカ、マグネシア、ベリリアなどの酸化物、窒化アルミ、窒化珪素、窒化硼素などの窒化物、シリコンカーバイドなど炭化物などの高熱伝導なセラミックスのフィラーがより好ましい。
【００３５】
酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２内にフィラー７２２が含有された樹脂７２１からなる絶縁膜７２０を含浸させる工程を説明する。酸化イットリウム皮膜７１０は、セラミックス充填率が最大９７％程度であり、フィラー７２２が含有された樹脂７２１からなる絶縁膜７２０よりもフィラーの充填率が高いが、三次元的な空孔７１２（図３（ｂ）参照）を有する。そのため、そのままでは絶縁特性や熱伝導率に劣る。さらには、３次元的な空孔７１２が形成されているため、そのままでは温度昇降に伴う熱応力での割れ感受性が高い。
【００３６】
フィラー７２２が含有された樹脂７２１から構成される絶縁膜７２０をシート状に形成し、図４（ｂ）に図示されるよう酸化イットリウム皮膜７１０上に配置すると、毛細管現象により絶縁膜７２０を仮付けした下に存在する酸化イットリウム皮膜７１０の孔内に含浸することが可能である。絶縁膜７２０の空孔７１２内への含浸は、含浸前後、あるいは含浸中に減圧すると、未充填となる領域や含浸前に酸化イットリウム皮膜７１０内に内包されているガスの巻き込みボイドの発生を防止することができる。
【００３７】
また、ディスペンサーなどで酸化イットリウム皮膜７１０に塗布してもよい。絶縁膜７２０を塗布すると、絶縁膜７２０が塗布された領域以外の部分にも流れ、また、酸化イットリウム皮膜７１０の周囲の側部にも流れる。このため、酸化イットリウム皮膜７１０内に内包されている巻き込みボイドの発生を防止することができる。また、絶縁膜７２０の下層の酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２内に含浸できたかどうかを確認しやすい。この時、注入前後や注入中、あるいは含浸後に減圧してもよい。
【００３８】
酸化イットリウム皮膜７１０の孔内にフィラー７２２が混入しやすいように、酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２の孔径（サイズ）は含浸されるフィラー７２２の粒径（サイズ）より大きく形成する。
【００３９】
酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２の孔径は、原料粒子径及び溶射条件である、母材の予熱温度、基材のパス間温度、アーク電流、アーク電圧、溶射距離、粉末粒径により制御できる。酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２の孔径が混入するフィラー７２２の粒径より小さいものであると、酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２内には樹脂のみが含浸されたり、また、樹脂の含侵も難しくなるため、絶縁層７００の熱伝導率が低下する。樹脂とフィラーが含侵し易く、形成した絶縁膜の熱伝導率を高くするため、酸化イットリウム皮膜７１０の空孔を樹脂とフィラーが含侵し易い大きさの貫通孔を形成する必要がある。酸化イットリウム皮膜の空孔率は５〜１５％が望ましい。空孔率が５％よりも小さいとフィラーや樹脂の含侵が難しくなり、絶縁層７００の熱伝導率が低下する。また、空孔率が１５％より大きい場合、絶縁層７００の熱伝導率が低下する。酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２の粒径を大きくするには、酸化イットリウム皮膜７１０と母材との密着性等を十分確保できる範囲内で、母材の予熱、パス間温度、アーク電流、及びアーク電圧を低く、溶射距離を長く、かつ、溶射材の粉末粒径は１０〜５０μｍであることが好ましい。
【００４０】
酸化イットリウム皮膜７１０における空孔率とは、皮膜断面を鏡面研磨した後、ＳＥＭ観察により得られた５０μm×５０μmの範囲の断面図におけるセラミックス断面の空孔率である。
【００４１】
含浸プロセスやその後の溶剤の除去時に加熱する際は、溶射した溶射素材７１１が半硬化状態よりも硬化進行度が進行しない温度や時間とする。また、図４（ｂ）に示すように、仮付けした絶縁膜７２０上に保護フィルム３５２を設けておくと、絶縁膜７２０のモジュールケース３０４接着側表面に熱伝導率を下げる絶縁膜７２０が付着しないため、生産しやすい。
【００４２】
酸化イットリウム皮膜７１０を形成する工程は、フィラー７２２が分散された絶縁膜７２０を含浸する工程の前に少なくとも終えていることが望ましい。また、絶縁膜７２０による酸化イットリウム皮膜７１０への含浸作業を複数回行うとよい。すなわち、酸化イットリウム皮膜７１０を形成する工程と、フィラー分散樹脂を含浸する工程とを、酸化イットリウム皮膜７１０の厚さが所定値に達するまで交互に繰り返す。フィラー分散樹脂を含浸する工程は、上述した如く、酸化イットリウム皮膜７１０上に絶縁膜７２０を形成し、酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２内にフィラー７２２含有樹脂を含浸するものである。この方法は、フィラー７２２が分散された絶縁膜７２０の含浸性が悪い場合等に有効である。
（半導体モジュールとモジュールケースの接合）
図５と図６を用いて、絶縁層７００を介してパワー半導体モジュール３０２とモジュールケース３０４の放熱部３０７Ａと３０７Ｂを接合する工程を説明する。図５（ａ）は、モジュールケース３０４の薄肉部３０４Ａを変形させ熱圧着する前の状態を示す。図６（ａ）は、モジュールケース３０４の放熱部３０７Ａと３０７Ｂを加圧し、薄肉部３０４Ａを変形させ熱圧着し、ニ次封止樹脂３５１で残る空間を封止した状態を示す。
【００４３】
図２に示すようにパワー半導体モジュール３０２の両面に酸化イットリウム皮膜７１０を形成した後、図３に示すように、その酸化イットリウム皮膜７１０の上に絶縁膜７２０を形成し、酸化イットリウム皮膜７１０の内部に樹脂を含浸し、さらに外周部に樹脂層７３０（図６参照）を形成する。酸化イットリウム皮膜７１０の上に絶縁膜７２０を形成し、酸化イットリウム皮膜７１０の内部に樹脂を含浸すると共に外周部に樹脂層７３０を形成する工程は、一度のプロセスで行うことができる。その方法を以下に示す。
【００４４】
パワー半導体モジュール３０２の両面に酸化イットリウム皮膜７１０を形成し、次に、図３に示すように、酸化イットリウム皮膜７１０の上に絶縁シート７２０Ａを配置する。絶縁シート７２０Ａは、樹脂基材内にセラミックス等のフィラーが混入されたシート状の部材であり、この絶縁シート７２０Ａの量は、形成する絶縁膜７２０の量よりも多く設定される。つまり、絶縁シート７２０Ａは、絶縁膜７２０よりも厚く形成される。絶縁シート７２０Ａが形成されたパワー半導体モジュール３０２は、図５に図示されるように、モジュールケース３０４内に挿入される。パワー半導体モジュール３０２をモジュールケース３０４に挿入する場合、接続部３７０でパワー半導体モジュール３０２が接合された補助パワーモジュール６００の配線絶縁部６０８をモジュールケース３０４のフランジ３０４Ｂに固定すると位置合わせできる（図１参照）。
【００４５】
次いで、図６に示すように、放熱部３０７Ａ、３０７ＢをＺ方向に加圧して、薄肉部３０４Ａをケース内側に変形させ、放熱部３０７Ａ、３０７Ｂをパワー半導体モジュール３０２に密着させる。この時、絶縁シート７２０Ａは、パワー半導体モジュール３０２に圧着され絶縁膜７２０が形成される。この圧着の際に、絶縁シート７２０Ａは絶縁膜７２０の厚さまで加圧されるため、絶縁シート７２０Ａの樹脂成分は酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２に含浸されるとともに、酸化イットリウム皮膜７１０の周側部に溢れ出る。酸化イットリウム皮膜７１０の周側部に溢れ出た絶縁シート７２０Ａの樹脂成分により樹脂層７３０（図６（ａ）参照）が形成される。
【００４６】
例えば、絶縁シート７２０Ａはフィラーの混入量が２０ｖｏｌ．％であるとする。そして、フィラー７２２の大きさは、酸化イットリウム皮膜７１０の表面凹部の大きさよりも小さく、酸化イットリウム皮膜７１０内の空孔７１２よりも小さく設定されている。絶縁シート７２０Ａの樹脂成分が酸化イットリウム皮膜７１０内の空孔７１２に含浸されるとともに、周囲の側部に樹脂が流れ出るように加圧し、絶縁シート７２０Ａの樹脂成分が半分に減ったとする。この場合、絶縁シート７２０Ａの樹脂成分のみが周側部に流れ出るものとすると、樹脂層７３０内部にはフィラーは混入されておらず、絶縁膜７２０のフィラー混入率は約４０ｖｏｌ．％程度まで増加することになる。また、絶縁シート７２０Ａの樹脂成分と共に絶縁シート７２０Ａに含有されているフィラー７２２の一部が周方向端部に流れ出るものとすると、樹脂層７３０にもフィラーが混入されることになる。
【００４７】
なお、樹脂層７３０の形成は、絶縁シート７２０Ａを用いる方法でなく、フィラーが混入した樹脂を塗布またはディップ等の方法により酸化イットリウム皮膜７１０上に被着させることもできる。
【００４８】
図６（ａ）に示すように、放熱部３０７Ａおよび３０７Ｂを絶縁膜７２０の面積よりも広くすると、パワー半導体モジュール３０２とモジュールケース３０４の放熱部３０７Ａと３０７Ｂの周側部にフィラーが少なく弾性的な樹脂層７３０で補強された構造となる。パワー半導体モジュール３０２とモジュールケース３０４部材間の熱膨張係数差により、使用環境時の温度上昇にともない絶縁層７００に発生する熱応力は、接着面の周側部で大きくなる。しかし、周側部に弾性的な樹脂層７３０を設けることで絶縁層７００に発生する熱応力を吸収できるため、パワーモジュールの寿命をのばすことが可能となる。このように樹脂層７３０は、導体板３１５、酸化イットリウム皮膜７１０、絶縁膜７２０及び放熱部３０７Ｂからなる積層体の応力緩和用としての機能を有する。
【００４９】
図５（ｂ）に示すように、絶縁シート７２０Ａを仮付けする前の酸化イットリウム皮膜７１０の表面よりも、絶縁膜７２０を形成した後は、絶縁膜７２０の接着面が平坦化されているため、モジュールケース３０４との接着性を向上することができる。
【００５０】
絶縁膜７２０の厚さは、薄いほど熱抵抗が減少し絶縁層の放熱性が向上する。しかし、薄すぎるとモジュールケース３０４の反りや表面粗さを吸収できないため、酸化イットリウム皮膜７１０に含浸しきれずに厚さ方向にはみ出している絶縁膜７２０の最小厚さは、モジュールケース３０４内面の反りや最大表面粗さＲmaxを吸収できる範囲よりも大きくすることが望ましい。絶縁膜７２０の厚さ調整は、シート状で供給することにより簡便となる。絶縁膜７２０の最大厚さは、例えば５〜１００μｍの範囲で調整され、好ましくは１０〜５０μｍの範囲となる。接着後に絶縁膜７２０に混入しているフィラー７２２の体積率は、５〜８０％の範囲とする。ただし、体積率が大きいほど熱伝導率が高くなり放熱性が向上するが、接着強度が劣化するため、好ましくは３０〜６０％の範囲がよい。
【００５１】
また、接着面となるモジュールケース３０４側にサンドブラストやディンプルなどの物理的な粗化処理、エッチング、陽極酸化、化成処理などの化学的な粗化処理、用いる樹脂に対し接着性の高い層とめっきやスパッタやカップリング処理で設けることで相対的に接着強度を向上することができ、絶縁膜７２０に混入させるフィラー７２２の体積率を増加することができる。接着前の絶縁シート７２０Ａのフィラー７２２の含有量が少ない場合でも、接着時の加圧により絶縁膜７２０を含浸した酸化イットリウム皮膜７１０と共にモジュールケース３０４内の薄肉部３０４Ａ方向外周に溢れでるようにすることにより、接着後のフィラー７２２量を大きくすることもできる。モジュールケース３０４との接着時の加圧力を増加することでボイドを排出することが可能である。
【００５２】
上記実施形態においては図示しなかったが、酸化イットリウム皮膜７１０上だけでなく、モジュールケース３０４側にも絶縁膜７２０、あるいは空孔７１２内にフィラー含有樹脂が含浸された酸化イットリウム皮膜７１０と絶縁膜７２０を形成してもよい。
【００５３】
酸化イットリウム皮膜７１０の表面は、凹凸を設けアンカー効果により絶縁膜７２０との接着力を高めている。酸化イットリウム皮膜７１０の表面凹凸は、溶射温度、基材の予熱温度、噴射速度、雰囲気、粉末粒径などの溶射条件で制御できる。また、必要に応じて溶射後に研削や研磨やレーザ照射などの表面加工を施しても良い。ここで、樹脂はセラミックスや金属に比較して著しく熱伝導率が小さく、放熱経路に厚さ１０μｍでも樹脂の硬化層が存在するとモジュール全体の放熱性が低下するため、酸化イットリウム皮膜７１０の凹部に存在する絶縁膜７２０内には、フィラー７２２を存在させることが重要である。
【００５４】
こうして形成した絶縁層７００は、酸化イットリウム皮膜７１０内に、高熱伝導なフィラー７２２が含有された樹脂７２１を含浸させることで放熱性の劣化を防止することができ、また、高い熱伝導率を得ることができる。
【００５５】
導体板３１５や放熱部３０７Ｂに比較して熱膨張係数が小さいセラミックスの内部に、導体板３１５や放熱部３０７Ｂよりも熱膨張係数が大きい樹脂７２１を含浸することで熱膨張係数が導体板３１５や放熱部３０７Ｂに近づき、使用中の温度変化で発生する熱応力が小さくなる。よって、モジュールの信頼性が高まる。
【００５６】
また、図示しないが、導体板３１５、５２０、３１８、３１９（以下、代表して「３１５」とする。）側に第１の絶縁層７００Ａを形成し、モジュールケース３０４の放熱部３０７Ａ、３０７Ｂ（以下、代表して「３０７Ｂ」とする。）側に第２の絶縁層７００Ｂを形成する接合構造とすることもできる。第１の絶縁層７００Ａと第２の絶縁層７００Ｂとは、それぞれの絶縁層７００Ａ、７００Ｂを構成する絶縁膜７２０Ａ、７２０Ｂ同士を接着する。
【００５７】
第１、第２の絶縁層７００Ａ、７００Ｂを構成する各酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２に含浸されるフィラー７２２の混入率を異なるものにすることもできる。この場合、導体板３１５に形成される酸化イットリウム皮膜７１０Ａのセラミックス充填率を、モジュールケース３０４に形成される酸化イットリウム皮膜７１０Ｂよりも大きくすると、絶縁層７００の熱膨張係数は、導体板３１５側からモジュールケース３０４に向かって大きくなる。この時、導体板３１５の熱膨張係数をモジュールケース３０４よりも小さくすれば、熱応力を緩和しさらにモジュールの信頼性を高めることが可能となる。例えば、導体板３１５にＣｕやＣｕ合金を用い、モジュールケース３０４にＡｌやＡｌ合金を用いた構造がよい。あるいは、酸化イットリウム皮膜７１０に含浸させる樹脂を、酸化イットリウム皮膜７１０上に形成する絶縁膜７２０を構成する樹脂７２１とは異なるようにすることもできる。酸化イットリウム皮膜７１０に含浸させる樹脂の熱膨張係数を、絶縁膜７２０を構成する樹脂７２１よりも大きくすれば、絶縁層７００内の熱膨張係数は導体板３１５からモジュールケース３０４に向かって小さくなる。この時、導体板３１５にＣｕやＣｕ合金を用い、モジュールケース３０４にＡｌＳｉＣやＡｌＣとＡｌの複合材を用いた構造とすることが望ましい。
【００５８】
また、絶縁層７００による接着温度や溶射による温度上昇は、ろう材を用いたセラミックス板の接合温度よりもはるかに低い。このため、パワー半導体モジュール３０２作製時の熱応力を低減することができ、酸化イットリウム皮膜７１０の厚さを、シート状部材と同等にまで薄くすることができる。これにより、パワーモジュール絶縁部の放熱性を向上することができる。
【００５９】
導体板３１５と放熱部３０７Ｂとを接着する際、上述した通り、酸化イットリウム皮膜７１０は、導体板３１５あるいは放熱部３０７Ｂに接合し、あるいは空孔７１２内に含浸されたフィラー７２２同士が溶着し一定の強度を有しているため、接着時の加圧力を増加することができる。加圧力を増加することでボイドの少ない接着層にすることができる。絶縁シートでは、加圧力を増加すると、絶縁層７００の厚さ変化が大きくなるため、絶縁層７００の層厚を小さくすることができない。絶縁層７００は、耐電圧が確保できる最小の厚さとすればよく、従来では、この最小の厚さにすることができなかった。本発明における一実施形態では、絶縁層７００の厚さを十分に薄くすることが可能であり、かつ、パワー半導体モジュール３０２の絶縁性能、放熱性の劣化を防止することが可能である。
【００６０】
次に、パワー半導体モジュール３０２の他の実施形態を説明する。
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２に係り、パワーモジュールの絶縁層の一部である酸化イットリウム皮膜の導体板への形成を説明するための図であり、（ａ）は酸化イットリウム皮膜形成前の断面図であり、（ｂ）は酸化イットリウム皮膜形成後の断面図であり、（ｃ）は図７（ｂ）における酸化イットリウム皮膜の拡大図である。
【００６１】
図８は、図７の導体板側に形成された酸化イットリウム皮膜にフィラーが分散した絶縁膜を仮付けする工程を説明するための図であり、（ａ）は全体の断面図であり、（ｂ）は図８（ａ）における絶縁膜の仮付け前の拡大図であり、（ｃ）は図８（ａ）における絶縁膜の仮付け後の拡大図である。
【００６２】
実施形態２として示すパワー半導体モジュール３０２では、図８（ｃ）に図示されるように、絶縁層７００が、フィラー含有樹脂７４０が含浸された第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａと、この第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａ上に形成された第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂとを有する点に特徴を有する。第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂ上には、実施形態１と同様に、モジュールケース３０４の放熱部３０７Ａ、３０７Ｂに接着される絶縁膜７２０が形成されている。
【００６３】
第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａおよび第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂは絶縁体であり、７１０Ａまたは７１０Ｂのいずれか一方の酸化イットリウム皮膜がＵＶ−ＶＩＳ拡散反射スペクトルにおける７５０ｎｍの拡散反射率が８０％以下であり、かつ、酸化イットリウム皮膜のＸＲＤ分析において酸化イットリウム結晶における立方晶と単斜晶のうち、立方晶の占める割合が９５％以上である酸化イットリウム皮膜であることが望ましい。他方の酸化イットリウム皮膜は酸化イットリウムでもよいし、酸化イットリウム以外のアルミナ、シリカ、マグネシア、ベリリアなどの酸化物、窒化アルミ、窒化珪素、窒化硼素などの窒化物、シリコンカーバイドなどの炭化物といった高熱伝導なセラミックスの粉体から選ばれ、これら単体組成、酸化物と窒化物あるいは炭化物との複合組成、あるいは混合粉末を用いて形成した酸化イットリウム皮膜でも構わない。酸化イットリウム皮膜による導体板３１５、３２０や放熱部３０７Ａ、３０７Ｂの温度上昇は小さく、溶融、熱劣化、反りなどの熱変形も小さいため、導体板３１５、３２０はパワー半導体素子が接合された導体板形状、さらには樹脂で封止された状態に形成した後に、酸化イットリウム皮膜７１０を形成することができる。図７を用いて本発明の実施形態２として示すパワー半導体モジュール３０２の製造方法を説明する。
【００６４】
図７（ａ）は、トランスファーモールド後のパワー半導体モジュール３０２の断面を示しており、図７（ｂ）は導体板３１５、３２０、３１８、３１９（以下、代表して「３１５」とする。）側に第１および第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ａ、７１０Ｂを形成した後の断面図であり、図７（ｃ）は図７（ｂ）における導体板３１５、３２０と第１および第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ａおよび第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂを拡大した模式図を表している。
【００６５】
上記に述べたように、酸化物やセラミックス粉末をプラズマ溶射法により形成する場合は、パワー半導体モジュール３０２の温度上昇は１００〜１８０℃程度であるため、一次封止樹脂３４８、金属接合部１６０、ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６は熱劣化しない。よって、２２０〜３００℃の温度範囲でなされるチップ接合を先に行うことができる。これにより、導体板に溶射した後にチップ接合する場合に比較して、熱膨張係数の小さい酸化イットリウム皮膜と熱膨張係数の大きい導体板の積層部に発生する熱応力を低減することができる。
【００６６】
導体板３１５に第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａ、第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂを形成し、この後、第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａを構成する酸化イットリウム皮膜素材７１１ａ間に形成された空孔７１２ａ内及び第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂを構成する酸化イットリウム皮膜素材７１１ｂ間に形成された空孔７１２ｂ内に、樹脂基材７４１内にフィラー７４２が分散されたフィラー含有樹脂７４０を含浸する。フィラー含有樹脂７４０の含浸は、実施形態１に示した方法により行うことができる。すなわち、フィラー含有樹脂７４０を樹脂シート状に形成し、加熱圧着により第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａの空孔７１２ａ内及び第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂの空孔７１２ｂ内に含浸させる。あるいは、塗布またはディップ等により、フィラー含有樹脂７４０を第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａの空孔７１２ａ内及び第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂの空孔７１２ｂ内に含浸させるようにしてもよい。
【００６７】
また、第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａを形成する導体板３１５の処理面に対し、酸化イットリウム皮膜形成前にサンドブラストやエッチングにより粗化すると、第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａの接合強度を向上することができる。また、第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂを形成する第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａの処理面に対し、酸化イットリウム皮膜形成前にサンドブラストやエッチングにより粗化すると、第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂの接合強度を向上することができる。
【００６８】
工程の順番は、第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａを形成する工程、第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂを形成する工程、フィラー分散樹脂を含浸する工程の順で行うのが望ましい。これらの工程の間に、その他の工程を取り入れてもよいし、第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａを形成する工程、第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂを形成する工程を繰り返し行ってもよい。
（実施形態３）
実施形態１では、酸化イットリウム皮膜をパワー半導体素子が搭載された導体板側に形成する構造であった。酸化イットリウム皮膜をモジュールケースの放熱部側に形成することもできる。
【００６９】
以下、図９〜図１２を用いて、酸化イットリウム皮膜を放熱部側に形成する実施形態を例示する。
【００７０】
図９は、本発明の実施形態３に係り、パワーモジュールの絶縁層の一部である酸化イットリウム皮膜の金属製ベース板への形成を説明するための図であり、（ａ）は酸化イットリウム皮膜形成前の断面図、（ｂ）は酸化イットリウム皮膜形成後の断面図であり、（ｃ）は異なる形状のベース板の場合を示し、（ｄ）は（ｃ）に図示されたベース板に酸化イットリウム皮膜を形成した状態の断面図である。
【００７１】
図１０は、図９の金属ベース側に形成された酸化イットリウム皮膜にフィラーが分散した絶縁膜を仮付けして、酸化イットリウム皮膜孔内に樹脂含浸する工程を説明するための図であり、（ａ）は仮付け前の断面図であり、（ｂ）は仮付け後の断面図である。
【００７２】
図１１は、本発明の実施形態に係るパワーモジュールの絶縁層が形成された金属製ベースをケース化する工程を説明するための図であり、図１１（ａ）は、図９（ａ）の放熱部に対応する図であり、図１１（ｂ）は、図９（ｃ）の放熱部に対応する図である。
【００７３】
図１２は、本発明の実施形態３に係るパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は、外観の断面図、（ｂ）は、図１２（ａ）における絶縁層の拡大図である。
【００７４】
図９（ａ）に図示された３０７は、図１２（ａ）に図示されるパワーモジュール３００のモジュールケース（放熱用部材）３０４の放熱部３０７Ａ、３０７Ｂに対応する部材であり、以下では、ベース板という。ベース板３０７は、実施形態１に示す放熱板３０７Ａ、３０７Ｂと同様に多数の放熱用のフィン３０５を有しており、内面側がモジュールケース３０４の内側に突き出している以外は、ベース板３０７は放熱板３０７Ａ、３０７Ｂと同一である。
【００７５】
以下、絶縁層７００を放熱部側に形成する方法を説明する。
【００７６】
まず、ベース板３０７の上面に酸化イットリウム皮膜７１０を形成する。上述した如く、溶射時の被溶射体の温度上昇は１００〜２００℃程度であるため、酸化イットリウム皮膜７１０は、モジュールケース３０４のベース板３０７をフィン３０５や薄肉部３０４Ａが形成された状態で形成することが可能である。フィン３０５や薄肉部３０４Ａが形成されたベース板３０７は、鋳造や鍛造や機械加工にて作製できる。材質には、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｃ、Ｃｕ−ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃなどの複合材などから構成される。ベース板３０７に酸化イットリウム皮膜７１０が形成された状態を図９（ｂ）に図示されている。酸化イットリウム皮膜７１０は、薄肉部３０４Ａに形成しないようにマスキングされる。
【００７７】
次に、図１０（ａ）に図示されるように、酸化イットリウム皮膜７１０が形成されたベース板３０７に、フィラー７２２が混入した絶縁膜７２０を酸化イットリウム皮膜７１０上に仮付けする。絶縁膜７２０を仮付けするには、樹脂シートの状態、あるいは液状にして塗布、噴霧、ディップする手法がある。この時、図１０（ｂ）に示すように、仮付けされた絶縁膜７２０に保護フィルム３５２を貼り付け、保護フィルム７２０上から加圧し、絶縁膜７２０を酸化イットリウム皮膜７１０に押し付ける。これにより、酸化イットリウム皮膜７１０に絶縁膜を含浸すると共に酸化イットリウム皮膜７１０と絶縁膜７２０を接合する。この工程において、ベース板３０７は、酸化イットリウム皮膜７１０と絶縁膜７２０が形成された中央領域が薄肉部７０４Ａより上方に突き出しているため、作業が容易となる。
【００７８】
酸化イットリウム皮膜７１０と絶縁膜７２０の仮付けは、モジュールケース３０４の表裏両面の放熱部３０７Ａ、３０７Ｂに対して行う。
【００７９】
次に、図１１（ａ）に図示されるように、放熱部３０７Ａ、３０７Ｂをケース本体３０４Ｃの開口部３０４ｄの周縁部に接合する。接合前に保護フィルム３５２を剥離しておく。放熱部３０７Ａ、３０７Ｂの周縁部は、それぞれ、周縁部に可撓性を有する薄肉部３０４Ａとされており、この薄肉部３０４Ａの周縁端部を金属接合することでケース本体３０４Ｃに一体化されたモジュールケース３０４が作製される。金属接合は、絶縁層７００から離れた薄肉部３０４Ａの外側をレーザ溶接、摩擦攪拌接合など熱影響領域が小さい手法を用いてなされる。熱影響部が小さい手法を選択することで、樹脂接着部３３３ｂや含浸部３３３ｃの硬化進行度が維持できる。また、詳細は後述する（実施形態４参照）が、ケース状にした状態で、図１０に示した酸化イットリウム皮膜７１０にフィラー含有樹脂を含浸することも可能である。
【００８０】
次に、実施形態１に示した手法で絶縁層７００を介してパワー半導体モジュール３０２とモジュールケース３０４の放熱部３０７Ａと３０７Ｂを接着し、残る空間にニ次封止樹脂３５１を封止する。これにより、図１２に示す本発明の一例である絶縁層７００を有するパワーモジュール３００が完成する。
【００８１】
導体板３１５やベース板３０７に比較して熱膨張係数が小さい酸化イットリウムの内部に、導体板３１５やベース板３０７よりも熱膨張係数大きい樹脂を含浸することで熱膨張係数が導体板３１５やベース板３０７に近づき、使用中の温度変化で発生する熱応力が小さくなり、パワー半導体モジュール３０２の信頼性が向上する。また、セラミックス充填率が高い酸化イットリウム皮膜７１０がモジュールケース３０４側に存在するため、モジュールケース３０４をＣｕやＣｕ合金で導体板３１５、３２０、３１８、３１９をＡｌやＡｌ合金とすると、絶縁層７００内による熱応力の緩和が生じ、さらに信頼性が高くなる。また、導体板３１５、３２０、３１８、３１９、がＣｕやＣｕ合金の場合は、モジュールケース３０４をＡｌ−ＣやＡｌ−ＳｉＣなどのＣｕよりも低熱膨張な材料とすればよい。
【００８２】
また、溶接部となる薄肉部３０４Ａには易溶接材のＡｌやＣｕとなるように複合化してもよい。さらに、含浸させる樹脂３３３ｃの熱膨張係数を樹脂３３３Ｂよりも大きくすれば、絶縁層７００内の熱膨張係数は導体板３１５、３１８、３１９、３２０からモジュールケース３０４に向かって大きくなる。この時、導体板３１５、３１８、３１９、３２０にＣｕやＣｕ合金を用い、モジュールケース３０４にＡｌやＡｌ合金を用いた構造にすると、熱応力が連続的に傾斜され緩和される。
【００８３】
ベース板３０７は、中央部が薄肉部３０４Ａより突き出している形状に限らない。図９（ｃ）に図示されたベース板３０７は、実施形態１と同様、中央部上面が薄肉部３０４Ａと平坦な形状を有する。図９（ｄ）は、図９（ｃ）に図示された形状のベース板３０７に酸化イットリウム皮膜７１０を形成した状態の断面図である。この構造のベース板３０７を用いて作成したモジュールケース３０４の断面図を図１１（ｂ）に示す。放熱部３０７Ａの上面には、酸化イットリウム皮膜７１０が形成されている。上記放熱部３０７Ａの形状は、一例を示したものに過ぎず、放熱部３０７Ａは他に、種々の形状を採用することができる。
【００８４】
また、上述の実施形態３では、実施形態１と同様に、酸化イットリウム皮膜７１０が単層である構造として例示した。しかし、実施形態２と同様に、フィラー含有樹脂層３４０が含浸された第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａと、この第１の酸化イットリウム皮膜７１０Ａ上に形成された第２の酸化イットリウム皮膜７１０Ｂを形成するようにしてもよい。
（実施形態４）
図１３は、本発明の実施形態４を示し、図１３（ａ）は樹脂層による応力緩和を増大した接着構造の断面図あり、図１３(ｂ)はケース側に段部と凹部を設けた構造の断面図である。図１３（ａ）、３９（ｂ）は、実施形態１に示した構造に対応する。図１４は、本発明の実施形態４を示し、図１４（ａ）樹脂層による応力緩和を増大した接着構造の断面図あり、図１４(ｂ)はケース側に段部と凹部を設けた構造の断面図である。
【００８５】
パワーモジュール３００は求められる機能に必要な部材で構成されるため、様々な熱膨張係数の部材を積層した構造となる。このように、様々な熱膨張係数の部材を接合や接着すると、応力が端部に集中し端部から剥離が発生、進展していく。これに対し、酸化イットリウム皮膜７１０の外周に設けられた弾性的な樹脂層７３０の面積を増大すれば、応力緩和による端部剥離の発生や進展を抑制することが可能である。また、導体板３１５、３２０、３１８、３１９の外周を封止する一次封止樹脂３４８は、導体板３１５、３２０、３１８、３１９よりも熱伝導率がはるかに低いため、その領域では絶縁層７００の熱伝導率は低くても、パワー半導体モジュール３０２モジュールの放熱性は変化しない。
【００８６】
図１３（ａ）および図１４（ａ）は酸化イットリウム皮膜７１０上に形成する絶縁膜７２０の供給量を増加して応力緩和を増大した構造の例である。接着時の加圧を増加して、絶縁膜７２０から溢れた樹脂層７３０により接着用フィレットを形成させる。樹脂層７３０は、放熱部３０７Ａ、３０７Ｂの周側部の側面および薄肉部３０４Ａの根元部に回り込み、接着力が増大すると共に応力緩和機能が増大する。絶縁膜７２０の供給量を増加することに代えて、絶縁膜７２０上に別の樹脂層を形成して樹脂を増量するようにしてもよい。図１３（ａ）は、樹脂層７３０が薄肉部３０４Ａの中間部まで回り込んだ構造であり、図１４（ａ）は樹脂層７３０が薄肉部３０４Ａまで達していない構造である。
【００８７】
図１３（ｂ）は、放熱部３０７Ａ、３０７Ｂの外周部の一部あるいは全周に段部３４８ａおよび凹部３４８ｂを設けた構造である。図１４（ｂ）は、モジュールケース３０４の放熱部３０７Ａ、３０７Ｂの外周部の全周あるいは一部に凹部３０４ａおよび段部３０４ｂを設けた構造である。段部３４８ａ、３０４ｂや凹部３４８ｂ、３０４ａを設けることにより、段部３４８ａ、３０４ｂや凹部３４８ｂ、３０４ａ内に樹脂が充填され、接着力を増大することができる。また、アンカー効果が生じるので、応力の緩和効果が大きくなる。
【００８８】
また、モジュールケース３０４の挿入口３０６側において、一次封止樹脂３４８に段部３４８ａを形成したり（図１３（ｂ）参照）、放熱板３０７Ａ、３０７Ｂに凹部３０４ａまたは段部３０４ｂを形成したりすることによりパワー半導体モジュール３０２の表面と放熱部３０７Ａ、３０７Ｂとの厚さ方向の間隙が増大する。この間隙から樹脂を侵入させることにより、パワー半導体モジュール３０２とモジュールケース３０４の放熱部３０７Ａと３０７Ｂを仮付け、あるいは接着した状態で酸化イットリウム皮膜７１０にフィラー含有樹脂の含浸を行うことが容易となる。また、いずれの例でも、残る空間はニ次封止樹脂３５１で封止される。
（実施形態５）
図１５は、本発明の実施形態５に係るパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は樹脂封止型の片面冷却パワー半導体モジュールの平面図であり、（ｂ）、（ｃ）は、図１５（ａ）におけるＸＸＸＸＩ−ＸＸＸＸＩ断面図であり、図１５（ｂ）は端子を折曲した状態図であり、図１５（ｃ）は端子を折曲する前の状態図である。
【００８９】
この配置では、導体板３１８と３２０が同電位となり一枚の導体板で形成できる（以下、導体板３１８と称す）。
【００９０】
ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６の表面主電極は、複数の金属ワイヤ３７２あるいは金属リボン３７２により接続され、さらに導体板３１８、３１９に接続される。ワイヤやリボンの材質は、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金の単体および複合材である。ＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６の裏面電極は、金属接合部１６０により導体板３１５に金属接合される。導体板３１５、３１８とベース板３０７は、絶縁層７００を介して接合される。ＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６の裏面電極は、金属接合部１６０により導体板３１８に金属接合される。導体板３１５、３１８、３１９と金属ベース３０７は、絶縁層７００を介して接合される。
【００９１】
図１５（ｂ）に図示されるように、金属ベース３０７側に酸化イットリウム皮膜７１０が形成されており、パワー半導体素子から発熱した熱が導体板３１５、絶縁層７００、金属ベース３０７を通り効率良く外部に放熱される。ここでは、金属ベース３０７側に酸化イットリウム皮膜７１０を設け、導体板３１５、３１８、３１９側を絶縁膜７２０で接合した例を示したが、導体板３１５、３１８、３１９側に酸化イットリウム皮膜７１０を設け、金属ベース３０７側に絶縁膜７２０を設けてもよい。
【００９２】
酸化イットリウム皮膜７１０上に絶縁膜７２０を設けて、酸化イットリウム皮膜７１０の空孔７１２内にフィラー含有樹脂を含浸した後、図１５（ｃ）に示すように、パワー半導体モジュール３０２のパワー半導体素子裏面を導体板３１５に接合する。また、ワイヤやタイバー３７２を表面電極にワイヤボンディングした後に、一次封止樹脂３４８により封止する。このように、一次封止樹脂３４８により封止することで、絶縁層７００に接合する際、導体板３１５と放熱部３０７Ｂに与える加圧力による機械的な損傷を防止することができる。また、この例では、ベース板３０７側に酸化イットリウム皮膜７１０を形成したが、導体板３１５、３１８、３１９側に酸化イットリウム皮膜７１０を形成する場合には、酸化イットリウム皮膜形成工程におけるパワー半導体モジュール３０２機械的な損傷を防止することができる。
（実施形態６）
上記各実施形態では、パワー半導体モジュール３０２を多数のフィン３０５を有する放熱部３０７Ａ、３０７Ｂにより冷却する構造であった。しかし、他の冷却器により冷却するようにすることもできる。
【００９３】
図１６は、本発明の実施形態６を示す図であり、冷却器を備えたパワーモジュール３００の断面図である。
【００９４】
パワー半導体モジュール３０２は、実施形態５に示した構造と同一である。絶縁層７００はフィラー含有樹脂が含浸された酸化イットリウム皮膜７１０と、この酸化イットリウム皮膜７１０上に形成された絶縁膜７２０を含んでおり、絶縁膜７２０に、冷却器３８０が密着して配置されている。冷却器３８０内には、冷媒流路３８１が形成されていて、ここを冷媒が流れることにより、パワー半導体モジュール３０２が冷却される。
【００９５】
他の構成は、実施形態５と同様であり、対応する構成に同一の符号を付して説明を省略する。
【００９６】
なお、図１６では、パワー半導体モジュール３０２の片面のみに冷却器３８０を配置した構造として例示した。しかし、冷却器３８０は、パワー半導体モジュール３０２の両面に配置する構造とすることもできる。
【００９７】
また、実施形態１〜５に示したパワーモジュール３００においても、パワー半導体モジュール３０２を冷却する放熱部３０７Ａ、３０７Ｂに代えて、図１６に図示された冷却器３８０を用いることもできる。
【符号の説明】
【００９８】
３００      パワーモジュール
３０２      パワー半導体モジュール
３０４      モジュールケース（放熱用部材）
３０４Ａ    薄肉部
３０４ａ    凹部
３０４ｂ    段部
３０５      フィン
３０７      ベース板
３０７Ａ、３０７Ｂ      放熱部
３１５、３１８、３１９、３２０      導体板
３４８      一次封止樹脂（樹脂封止部）
３４８ａ    段部
３４８ｂ    凹部
３５１      二次封止樹脂
３５２      保護フィルム
３８０      冷却器
３８１      冷媒流路
７００      絶縁層
７１０      酸化イットリウム皮膜
７１０Ａ    第１の酸化イットリウム皮膜
７１０Ｂ    第２の酸化イットリウム皮膜
７１１、７１１ａ、７１１ｂ    溶射素材
７１２、７１２ａ、７１２ｂ    空孔
７２０      絶縁膜
７２０Ａ    絶縁シート
７２１      樹脂
７２２      フィラー
７３０      樹脂層
７４０      フィラー含有樹脂層
【図１】
2016021450.tif 000005
【図２】
2016021450.tif 000006
【図３】
2016021450.tif 000007
【図４】
2016021450.tif 000008
【図５】
2016021450.tif 000009
【図６】
2016021450.tif 000010
【図７】
2016021450.tif 000011
【図８】
2016021450.tif 000012
【図９】
2016021450.tif 000013
【図１０】
2016021450.tif 000014
【図１１】
2016021450.tif 000015
【図１２】
2016021450.tif 000016
【図１３】
2016021450.tif 000017
【図１４】
2016021450.tif 000018
【図１５】
2016021450.tif 000019
【図１６】
2016021450.tif 000020
【図１７】
2016021450.tif 000021