(57)【要約】【課題】高い絶縁信頼性を得ることができる半導体モジュールを得る。【解決手段】ワイヤ９を介して半導体素子６ａの電極に接続される電極層１１ｂを有する中継基板１１の基材の厚さｄ及び比誘電率εが、半導体素子６ａを搭載した絶縁基板４を載置した放熱ベース板２と半導体モジュール１の外部端子１３との間に印加される半導体モジュール１の耐電圧試験電圧Ｖ及び封止樹脂１０の比誘電率εａとの間に、ｄ／ε＞（０．００３６３／εａ）×Ｖ２．３８の関係式を満足するように、中継基板１１の基材を選択する。【選択図】図１
2009147062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱ベース板に載置され、半導体素子を搭載した絶縁基板と、
ワイヤを介して前記半導体素子の電極に接続される電極層を有する中継基板と、
前記放熱ベース板を一側面とし、内部に前記絶縁基板、及び前記中継基板を収納する外装ケースと、
前記絶縁基板、前記半導体素子、及び前記中継基板を前記外装ケース内に封止するための封止樹脂とを備えた半導体モジュールであって、
前記電極層は、前記半導体モジュールの外部端子に接続され、
前記中継基板の基材の厚さｄ（単位ｍｍ）及び比誘電率εが、前記外部端子と前記放熱ベース板との間に印加される前記半導体モジュールの耐電圧試験電圧Ｖ（単位ｋＶ）及び前記封止樹脂の比誘電率εａとの間で、ｄ／ε＞（０．００３６３／εａ）×Ｖ２．３８の関係式を満足することを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記封止樹脂は、シリコーンゲルまたはシリコーンエラストマーであり、
前記中継基板の基材は、ガラスエポキシ樹脂、ＰＰＥ樹脂、及びテフロン（登録商標）樹脂のうちの少なくとも一つで形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、放熱ベース板に載置された絶縁基板に絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとダイオードの半導体素子を搭載し、放熱ベース板と外装ケースとで覆われた内部を、樹脂で封止した半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体モジュールにおいては、例えば、銅等の高熱伝導性の放熱ベース板に載置された多数個の窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという）等の低熱抵抗性のセラミック基板上に半導体素子が多数個搭載され、半導体素子はボンディングワイヤで並列接続している。半導体素子が多数個並列されるので、多数個の半導体素子と外部端子とを接続するために、放熱ベース板上にセラミック基板が中継基板として載置され、多数個の半導体素子の各端子は中継基板にボンディングワイヤで一括接続されている。パワー半導体素子をモジュール化する場合に、多数個のパワー半導体素子の各端子を中継基板であるセラミック基板に一括接続すると、誘電率の高いＡｌＮ等のセラミック基板では、基板上の電極端部の電界が高くなり絶縁信頼性が著しく損なわれる。
【０００３】
そこで、このような問題を解決するために、半導体素子が搭載される絶縁基板や中継基板の電極端部に絶縁耐力の高い樹脂をコーティング処理して絶縁補強がなされていた。半導体素子が搭載される絶縁基板では低熱抵抗性のセラミック基板が必須であるので、電極端部への樹脂コーティング処理は絶縁信頼性向上には最適な方法である。一方、低熱抵抗性がさほど必要でない中継基板は誘電率が低い樹脂材料を用いる方が絶縁信頼性向上には有利である。そこで、主に材料が安価である理由から、樹脂材料の一種であるガラスエポキシ樹脂基板が中継基板に用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２５０２７８号公報（第４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の半導体モジュールでは、中継基板に多数個のパワー半導体素子の各端子を一括接続すると、絶縁信頼性の向上効果は十分でない。特に、高耐圧半導体パワーモジュールとして、現在、耐圧６．５ｋＶのものまで製品化されており、このような半導体パワーモジュールの耐電圧試験や部分放電試験において、中継基板には十分な絶縁信頼性の向上が得られないという問題点があった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高い絶縁信頼性を得ることができる半導体モジュールを得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る半導体モジュールは、放熱ベース板に載置され、半導体素子を搭載した絶縁基板と、ワイヤを介して半導体素子の電極に接続される電極層を有する中継基板と、放熱ベース板を一側面とし、内部に絶縁基板、及び中継基板を収納する外装ケースと、絶縁基板、半導体素子、及び中継基板を外装ケース内に封止するための封止樹脂とを備えた半導体モジュールであって、電極層は、半導体モジュールの外部端子に接続され、中継基板の基材の厚さｄ（単位ｍｍ）及び比誘電率εが、外部端子と放熱ベース板との間に印加される半導体モジュールの耐電圧試験電圧Ｖ（単位ｋＶ）及び封止樹脂の比誘電率εａとの間で、ｄ／ε＞（０．００３６３／εａ）×Ｖ２．３８の関係式を満足することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る半導体モジュールは、中継基板の基材の厚さｄ及び比誘電率εが、外部端子と放熱ベース板との間に印加される半導体モジュールの耐電圧試験電圧Ｖ及び封止樹脂の比誘電率εａとの間で所定の関係式を満足するように中継基板を選択するので、高い絶縁信頼性を得ることができ、特に耐電圧試験や部分放電試験において優れた絶縁信頼性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１を示す半導体モジュールの模式図である。図１において、半導体モジュール１は、放熱ベース板２にて底面を形成し、外装ケース３にて側面（４面）及び天面を形成してなる箱形形状となっている。なお、放熱ベース板２は、熱伝導性に優れた材料、例えば、銅やＡｌＳｉＣにて形成されている。放熱ベース板２の上に半田５により絶縁基板４が接合されている。絶縁基板４は、例えば、ＡｌＮ等の高絶縁性で且つ、熱伝導性に優れたセラミック４ａを基材とし、表電極層４ｂと裏電極層４ｃとを接合して構成されている。
【００１０】
絶縁基板４の上には、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である半導体素子６ａ（以下、ＩＧＢＴ６ａという）及びダイオードである半導体素子６ｂ（以下、Ｄｉ６ｂという）が半田７により実装されている。ＩＧＢＴ６ａ及びＤｉ６ｂは、一対（正極：コレクタと負極：エミッタ）の電極端子８とワイヤであるボンディングワイヤ９によって電気的に接続されている。ボンディングワイヤ９としては、アルミワイヤなど用いられる。
【００１１】
さらに、放熱ベース板２上に中継基板１１が半田５で接合されている。中継基板１１は、樹脂材料１１ａを基材とし、電極層である表電極層１１ｂと裏電極層１１ｃを接合して構成されている。表電極層１１ｂは電極が分離しており、分離した電極間を接続するようにゲート抵抗１２が実装されている。分離した表電極層１１ｂのうちの一方は、半導体モジュール１の外部端子であるゲート電極端子１３に接続されている。ＩＧＢＴ６ａのゲート電極は、ボンディングワイヤ９を介して表電極層１１ｂに接続されている。このため、ＩＧＢＴ６ａのゲート電極は、ゲート抵抗１２を介してゲート電極端子１３に接合されている。最終的には、絶縁基板４、ＩＧＢＴ６ａ、Ｄｉ６ｂ、及び中継基板１１を封止樹脂１０によって外装ケース３の内部に封止し、半導体モジュール１の内部を封止樹脂１０で絶縁処理している。なお、図１ではＩＧＢＴ６ａ、Ｄｉ６ｂはそれぞれ一対しか示していないが、実際にはこれらが多数個存在し、並列接続されて構成されている。
【００１２】
本実施の形態における中継基板１１の樹脂材料１１ａは、その特性がｄ／ε＞（０．００３６３／εａ）×Ｖ２．３８の関係式を満足することである。ここで、ｄは樹脂材料１１ａの厚さ（単位ｍｍ）、εは樹脂材料１１ａの比誘電率、εａは封止樹脂１０の比誘電率、Ｖは電圧（単位ｋＶ）である。この特性について、本願発明者が実施した試験結果に基づいて、以下に説明する。
【００１３】
高耐圧の半導体モジュールは、電車や産業用大型モータの速度制御等に多く使用されている。現在の最も高電圧の半導体モジュールとして、６．５ｋＶ−ＩＧＢＴモジュールが実用化されている。このような、高電圧の半導体モジュールでは、ＩＥＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）における、ＩＥＣ−６１２８７−１（Ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ  ｉｎｓｔａｌｌｅｄ  ｏｎ  ｂｏａｒｄ  ｒｏｌｌｉｎｇ  ｓｔｏｃｋ−  Ｐａｒｔ  １：Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ａｎｄ  ｔｅｓｔ  ｍｅｔｈｏｄｓ、１９９５）で規定された耐電圧試験及び部分放電試験が要求されている。図２にＩＥＣ−６１２８７−１の耐電圧試験及び部分放電試験の試験条件を示す。図２に示すように、この試験では、外部端子である電極端子８及びゲート電極端子１３を一括にした部分と接地電位である放熱ベース板２との間に耐電圧試験電圧としの高電圧が課せられる。例えば、６．５ｋＶの半導体モジュールの場合、１０．２ｋＶの１分間耐電圧試験が課せられる。また、部分放電試験は前課電条件として、６．９ｋＶを１分間印加後、５．１ｋＶを３０秒間印加した試験終了前５秒間に１０ｐＣ以上の部分放電が発生しないことが条件となっている。
【００１４】
１０．２ｋＶ−１分間の耐電圧試験において、一旦部分放電が発生すると、より低い試験電圧の部分放電試験においても部分放電が発生することが知られており、望ましくは１分間耐電圧試験で１０ｐＣ以上の部分放電を発生させないことが必要となる。半導体素子６ａ、６ｂが搭載されている低熱抵抗性の絶縁基板４の基材であるセラミック４ａは誘電率が高く、表電極層４ｂの電極端部の電界は非常に高くなり、部分放電開始電圧を高くすることは非常に困難である。従って、従来はセラミック４ａ及び表電極層４ｂの端部の高電界がかかる部分に絶縁耐圧の高い樹脂をあらかじめコーティングして部分放電開始電圧の向上を図っていた。この樹脂コーティングは半導体モジュールの製造プロセスの増大等で製品のコストアップにつながる。そこで、放熱性をあまり要求されない中継基板１１には誘電率の低い樹脂材料１１ａを使用したほうが、部分放電開始電圧を向上させるためには、材料が安価であるとともに、樹脂コーティングプロセスも必要でないので、半導体モジュールを安価に製造できる利点がある。
【００１５】
ここで、樹脂材料１１ａの誘電率及び厚さが異なる中継基板１１を数種類用意し、封止樹脂１０にシリコーンゲル（東レダウコーニングシリコーン（株）；ＳＥ１８８５）を用いて封止した評価用モジュールを作製し、部分放電開始電圧を測定した。評価した樹脂材料の種類を表１に示す。基板ＡはセラミックＡｌＮで厚さが０．６３５ｍｍ、基板ＢはセラミックＡｌＮで厚さが１ｍｍであり、従来の低熱抵抗性の材料である。基板Ｃはガラスエポキシ樹脂材料で、厚さは１ｍｍ、基板Ｄは同じくガラスエポキシ樹脂で厚さが１．６ｍｍである。基板ＥはＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）樹脂で厚さは１ｍｍ、そして基板Ｆはテフロン（登録商標）樹脂で厚さは１ｍｍである。表１には各基板の比誘電率も示している。
【００１６】
【表１】
2009147062.tif 000003
【００１７】
図３は、表１に示す比誘電率及び厚さの異なる中継基板１１をシリコーンゲルで封止した評価モジュールの部分放電開始電圧（Ｖｉ）の平均値（Ｘ）とＸ−３σ値（σは標準偏差）を、横軸にｄεａ／εで整理した結果である。この結果から、信頼性余裕を考慮したＸ−３σ値の部分放電開始電圧Ｖｉ（ｘ−３σ）は式（１）で表現できる。
Ｖｉ（ｘ−３σ）＝１０．６×（ｄεａ／ε）０．４２  ・・・  （１）
【００１８】
このＶｉ（ｘ−３σ）値は９９．７％の信頼限界で部分放電が発生しない値であり、この電圧以下では殆ど部分放電は発生しないことを示している。従って、ＩＥＣ−６１２８７−１における耐電圧試験電圧（Ｖ）で部分放電を発生させないための樹脂材料１１ａの厚さｄ及び比誘電率εの関係は、式（１）のＶｉ（ｘ−３σ）を耐電圧試験電圧（Ｖ）に置き換え、式を整理すると、式（２）のように表される。
ｄ／ε＞（０．００３６３／εａ）Ｖ２．３８  ・・・  （２）
【００１９】
このように、式（２）を用いることによって、耐電圧試験時の電圧Ｖ及び封止樹脂１０の比誘電率εａから、部分放電を発生させないための、樹脂材料１１ａの厚さｄ及び比誘電率εを決めることができるので、高い絶縁信頼性の半導体モジュールを得ることができる。
【００２０】
一例として、封止樹脂１０として、高耐圧の半導体モジュールに常用されているシリコーンゲルの比誘電率（εａ＝２．７）を式（２）代入すると、樹脂材料１１ａのｄ／εの条件は式（３）のように表される。
ｄ／ε＞０．００１３４×Ｖ２．３８  ・・・  （３）
【００２１】
図４は、式（３）に基づく耐電圧試験電圧（Ｖ）と樹脂材料１１ａのｄ／εとの関係を表すグラフである。図４において、縦軸が樹脂材料１１ａのｄ／ε、横軸が耐電圧試験電圧（Ｖ）である。例えば、６．５ｋＶの耐圧が必要とされる半導体モジュールの耐電圧試験電圧である１０．２ｋＶにおいて部分放電を発生させないためには、ｄ／ε＞０．３３とする必要がある。
【００２２】
具体的に、表１に示す従来のＡｌＮ（ε＝８．９）であれば、耐電圧試験時に部分放電を発生させないためには、その厚さ（ｄ）は２．９ｍｍ以上必要であり、実用的でないことが分かる。一方、安価なガラスエポキシ樹脂（ε＝４．８）であっても、耐電圧試験時に部分放電を発生させない樹脂材料１１ａの厚さ（ｄ）は１．６ｍｍ以上であり、十分実用的である。さらに、比誘電率の低いＰＰＥ樹脂やテフロン（登録商標）樹脂などを使用した場合には樹脂材料１１ａの厚さをもっと薄くすることができる。例えば、比誘電率が最も低いテフロン（登録商標）樹脂では、耐電圧試験時に部分放電を発生させない樹脂材料１１ａの厚さ（ｄ）は０．８６ｍｍ以上でよい。なお、本実施の形態では、封止樹脂１０としてシリコーンゲルを用いて外装ケース３の内部を封止しているが、シリコーンエラストマーなど別の封止材を用いても同様の効果を得ることができる。
【００２３】
以上のように、図３及び図４に示す各試験結果より、低熱抵抗性がさほど必要でない中継基板１１の樹脂材料１１ａとして、式（３）から求められる樹脂材料の１１ａの厚さと比誘電率との比の条件式を満足できる材料を選定することによりＩＥＣ−６１２８７−１で規定された耐電圧試験、部分放電試験において部分放電を発生させることなく、且つ安価な中継基板が提供でき、半導体モジュールの絶縁信頼性の向上に有益である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態１における半導体モジュールの模式図である。
【図２】ＩＥＣ−６１２８７−１の耐電圧試験及び部分放電試験の試験条件である。
【図３】この発明の実施の形態１における部分放電開始電圧（Ｖｉ）の平均値（Ｘ）及びＸ−３σ値（σは標準偏差）とｄεａ／εとの関係を表すグラフである。
【図４】この発明の実施の形態１における耐電圧試験電圧（Ｖ）と樹脂材料１１ａのｄ／εとの関係を表すグラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１  半導体モジュール、２  放熱ベース板、３  外装ケース、４  絶縁基板、５，７  半田、６ａ  半導体素子（ＩＧＢＴ）、６ｂ  半導体素子（Ｄｉ）、８  電極端子、９  ボンディングワイヤ、１０  封止樹脂、１１  中継基板、１１ａ  樹脂材料、１１ｂ  表電極層、１１ｃ  裏電極層、１２  ゲート抵抗、１３  ゲート電極端子。
【図１】
2009147062.tif 000004
【図２】
2009147062.tif 000005
【図３】
2009147062.tif 000006
【図４】
2009147062.tif 000007