JP2008016564A - 樹脂封止型パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 長時間バイアス試験におけるリーク電流が抑制でき、温度衝撃試験時に発生する封止樹脂中の気泡が抑制でき、且つボンディングワイヤの断線不良が生じにくい樹脂封止型パワーモジュールを得る。
【解決手段】 放熱ベース板、放熱ベース板に載置され、放熱ベース板に半田接合された絶縁基板、絶縁基板に搭載された半導体素子、半導体素子が搭載された絶縁基板を収納する外装ケース、外装ケース内に充填された封止樹脂を備え、封止樹脂は、針入度（ＪＩＳ Ｋ−２２２０、１／４コーン）が２５以上、３５以下の特性を有するシリコーンエラストマーである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放熱ベース板に載置された絶縁基板に半導体素子を搭載し、外装ケースで覆われた内部を、封止樹脂、特に、封止状態において半導体素子と接着接合される特性を有するシリコーンエラストマーで封止した樹脂封止型パワーモジュールに関する。

従来の樹脂封止型パワーモジュールは、例えば、電極端子と半導体素子の電気的接続用ボンディングワイヤに対する温度衝撃等に起因する機械的ストレスを抑制する為、ケース内を弾性率の低い、針入度（ＪＩＳ Ｋ−２２２０、１／４コーン）６０〜９０の特性を有するシリコーンゲルで封止していた。しかしながら、例えば、高耐圧パワーモジュールでは、高温放置或いは温度衝撃等に起因する熱ストレスを受けると、シリコーンゲル内に気泡が発生し、その為、高耐圧パワーモジュールの絶縁信頼性が著しく損なわれた。

そこで、このような問題を解決する為、シリコーンゲルの針入度を更に低くすることが提案されている。即ち、ボンディングワイヤに対する温度衝撃等に起因する機械的ストレスを抑制することを目的として針入度２０以上、シリコーンゲル内の気泡の発生を抑制することを目的として針入度４０以下、この双方を満たすシリコーンゲル（針入度２０以上、４０以下）で封止することが提案されている。（例えば、特許文献１）

特開平１１−６７９７７号公報

従来の樹脂封止型パワーモジュールは、本願発明者が実施した信頼性試験、具体的には、パワーサイクル寿命試験（半導体素子に通電ＯＮ／ＯＦＦを繰返し、半導体素子の温度変化ΔＴとボンディングワイヤの断線までの繰返しサイクル数で寿命を評価）の検証結果より、針入度２５以下では、ボンディングワイヤに対する機械的ストレスの抑制効果は十分でないことが判明している。又、本願発明者が実施した長時間バイアス試験の検証結果より、針入度３５以上では、封止されている構成部品（絶縁基板、半導体素子、ボンディングワイヤ等）との密着性が不十分となる為、著しく絶縁信頼性が損なわれることも判明している。更に、近年、高耐圧パワーモジュールとして、耐絶縁性６．５ｋＶのものまで製品化され、絶縁信頼性の向上がより一層求められている。

このような中、高耐圧パワーモジュールにおける半導体素子（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）の長時間バイアス試験において、リーク電流の抑制等新たな絶縁信頼性の向上も求められている。

又、近年、パワーモジュールの高温（１５０℃以上）環境下での使用の要求もある中において、例えば、特許文献１に係る樹脂封止型パワーモジュールにおける封止樹脂に用いられているシリコーンゲルでは、その本質的性質に起因し、気泡の抑制は非常に困難である。

本発明は、上述のような課題を解決する為になされたもので、特に高耐圧パワーモジュールとして使用できる樹脂封止型パワーモジュールを提供するものである。具体的には、ボンディングワイヤの接続信頼性を確保し、且つ、絶縁信頼性を著しく向上させる樹脂封止型パワーモジュールを得るものである。

本発明に係る樹脂封止型パワーモジュールは、放熱ベース板、放熱ベース板に載置され、放熱ベース板に半田接合された絶縁基板、絶縁基板に搭載された半導体素子、半導体素子が搭載された絶縁基板を収納する外装ケース、外装ケース内に充填された封止樹脂を備え、封止樹脂は、針入度（ＪＩＳ Ｋ−２２２０、１／４コーン）が２５以上、３５以下の特性を有するシリコーンエラストマーである。

本発明に係る樹脂封止型パワーモジュールは、シリコーンゲルと比して接着性が高く、針入度が２５以上、３５以下のシリコーンエラストマーを封止樹脂に用いたことにより、ボンディングワイヤの接続信頼性を損なうことなく、半導体素子のリーク電流の抑制効果を高めることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明を実施する為の実施の形態１における樹脂封止型パワーモジュールを示す模式図である。図１において、１は樹脂封止型パワーモジュールであり、２は放熱ベース板、３は外装ケースである。図１に示す通り、樹脂封止型パワーモジュール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。尚、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。４は放熱ベース板２の上に半田５により接合された絶縁基板である。絶縁基板４は、例えば、窒化アルミ（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を接合して構成されている。絶縁基板４の上には、ＩＧＢＴである半導体素子６ａ（以下、ＩＧＢＴ６ａという）とＤｉｏｄｅである半導体素子６ｂ（以下、Ｄｉｏｄｅ６ｂという）が半田７により実装（搭載）されている。ＩＧＢＴ６ａ及びＤｉｏｄｅ６ｂは、一対（正極及び負極）の電極端子８とボンディングワイヤ９で電気的に接続されている。尚、ボンディングワイヤ９はアルミ材である（以下、アルミワイヤ９という）。

１０は封止樹脂であり、従来と同様の封止方法にて、外装ケース３内にて、絶縁基板４、ＩＧＢＴ６ａ、Ｄｉｏｄｅ６ｂ、ボンディングワイヤ９及び電極端子８の一部を封止している。本実施の形態１における封止樹脂１０は、封止状態において、ＩＧＢＴ６ａ及びＤｉｏｄｅ６ｂと接着接合される特性を有するシリコーンエラストマーである。尚、当該特性、即ち、封止状態において、ＩＧＢＴ６ａ及びＤｉｏｄｅ６ｂと接着接合される特性はシリコーンエラストマーの本質的性質によるものである。

以下、本願発明者が実施した、各種封止樹脂を使用した場合における樹脂封止型パワーモジュールの性能評価試験について説明する。

針入度が異なる複数種類の封止樹脂を用いて、アルミワイヤ９の断線寿命の評価であるパワーサイクル（以下、Ｐ／Ｃという）寿命試験を実施した。具体的には、ＩＧＢＴ６ａに通電ＯＮ／ＯＦＦを繰返し、ＩＧＢＴ６ａの温度変化ΔＴとアルミワイヤ９の断線までの繰返しサイクル数で寿命を評価した。尚、評価した封止樹脂は、シリコーンゲルＳＥ１８１５（東レダウコーニングシリコーン株式会社、針入度９０）、シリコーンゲルＳＥ１８９６（東レダウコーニングシリコーン株式会社、針入度６０）、シリコーンエラストマーＲＴ−７４５Ｓ（旭化成ワッカーシリコーン株式会社、含有成分の配合比により調整した針入度７、１７、２７の３種類）の合計５種類である。

例えば、電車等に用いられるモータにおけるインバータ駆動装置として機能する高耐圧大電力パワーモジュールのＰ／Ｃ寿命は、ΔＴ＝１００Ｋで１０万サイクル以上の信頼性が要求されている。

図２は、針入度の異なる上述した５種類の封止樹脂を各々封止した樹脂封止型パワーモジュール１で得られたＰ／Ｃ寿命試験の結果の相関図である。横軸は封止樹脂の針入度、縦軸はアルミワイヤ９が断線するまでの寿命サイクル数である。上述した要求使用であるΔＴ＝１００Ｋで１０万サイクル以上を満足する為には、図２より、封止樹脂の針入度は約２５以上必要であることが判明した。又、シリコーンエラストマーにおいては、針入度にて約２５を境界とし、約２５を下回るとＰ／Ｃ寿命が急激に低下することが判明した。即ち、上述の高耐圧大電力パワーモジュールに要求されるＰ／Ｃ寿命を満足する為には、封止樹脂の針入度は２５以上が必要である。

次に、上述の５種類の封止樹脂に、ＳＥ１８９６（東レダウコーニングシリコーン株式会社、針入度６０）の架橋密度を調整して針入度を４０にしたＳＥ１８９６Ａを加えた計６種類の封止樹脂を各々封止した樹脂封止型パワーモジュール１を用いて、ＩＧＢＴ６ａの長時間バイアス試験におけるリーク電流を調べた。尚、ＩＧＢＴ６ａは６．５ｋＶ耐圧のものを用いた。試験は常温（２５℃）でＩＧＢＴ６ａのゲートバイアス電圧を０Ｖとし、コレクタとエミッタ間に６．５ｋＶの８０％の電圧である５．２ｋＶの直流電圧を印加し、エミッタを流れるリーク電流を測定した。３時間印加した時点の１チップ当たりのリーク電流は小ければ小さいほど良い。

図３は、上述の通り測定された、針入度の異なる６種類の封止樹脂を各々封止した樹脂封止型パワーモジュール１で得られたＩＧＢＴ６ａの長時間バイアス試験によるリーク電流と封止樹脂の針入度との関係を示す相関図である。横軸は封止樹脂の針入度、縦軸はリーク電流である。図３より、封止樹脂の針入度は約３５を境界とし、約３５を超えるとリーク電流が急激に増大することが判明した。この要因は、架橋密度の低いシリコーンゲル（ＳＥ１８８５、ＳＥ１８９６、ＳＥ１８９６Ａ）では、シリコーンエラストマー（ＲＴ−７４５Ｓ）と比して分子量が小さい為、ＩＧＢＴ６ａの沿面電界緩和層の高電界領域でリークが発生した為と考えられる。又、シリコーンエラストマーと比して針入度の大きいシリコーンゲルは、ＩＧＢＴ６ａとの境界において、本質的性質により粘着接合している為、接合界面が不安定になっており、この接合界面の不安定状態も一因と考えられる。

一方、シリコーンエラストマー（ＲＴ−７４５Ｓ）の架橋密度は、シリコーンゲル（ＳＥ１８８５、ＳＥ１８９６、ＳＥ１８９６Ａ）と比して高い為、ＩＧＢＴ６ａの沿面電界緩和層の高電界領域で発生するリーク電流は小さかったと考えられる。即ち、電気絶縁性が高いシリコーンエラストマーを封止樹脂に用いた場合、発生するリーク電流の抑制効果が大きいと結論付けられる。更に、シリコーンエラストマーは、ＩＧＢＴ６ａとの境界において、接合界面が強固になっており、この接合界面が強固な状態もリーク電流が抑制される一因と考えられる。

しかしながら、図３より明らかなように、シリコーンエラストマーの針入度が約３５を超えると、リーク電流は急激に大きくなる。この要因は、ＩＧＢＴ６ａとの界面状態の変化、即ち、ＩＧＢＴ６ａとの接合界面の状態が接着から粘着へと変化する為と考えられる。従って、ＩＧＢＴ６ａの長時間バイアス試験におけるリーク電流を抑制する為には、封止樹脂の針入度は３５以下が必要である。

次に、上述のＰ／Ｃ寿命試験で使用した各種封止樹脂と同じ５種類の針入度の封止樹脂を各々封止した樹脂封止型パワーモジュール１を用いて、温度衝撃試験（以下、Ｈ／Ｃ試験という）における封止樹脂の内部の気泡の発生状態を目視にて調べた。具体的には、高温放置（１２５℃／３０分）、低温放置（−４０℃／３０分）を１サイクルとした繰り返し試験を、樹脂封止型パワーモジュール１の信頼性保障の目標値１２５０サイクルまで実施した。試験においては、適宜、途中経過の状態も調べた。尚、信頼性保障の目標値１２５０サイクルは、電車等に用いられるモータにおけるインバータ駆動装置として機能する高耐圧大電力パワーモジュールに要求される信頼性である。

図４は、上述の通り測定された、針入度の異なる５種類の封止樹脂で封止した樹脂封止型パワーモジュール１で得られたＨ／Ｃ試験における封止樹脂中に発生する気泡の規模と封止樹脂の針入度との関係を示す相関図である。横軸は封止樹脂の針入度、縦軸は目視によって観察された気泡発生の状態を示すもので、「発生無」とは目視では確認されなかったことを意味する。「発生大」は至る所、例えば外装ケース３と放熱ベース板２の接着部分、放熱ベース板２と絶縁基板４の接合半田部分等から、最大でφ１０ｍｍ程度の気泡が観察されたことを意味する。「発生中」は「発生大」より少なく、気泡の大きさは、約φ２ｍｍ以下であったことを意味する。

図４に示す通り、封止樹脂の針入度が約３５を超えると急激に気泡の発生が大きくなることが判明した。この要因は、シリコーンエラストマー（ＲＴ−７４５Ｓ）と比して、針入度が大きく、延いては、架橋密度の低いシリコーンゲル（ＳＥ１８８５、ＳＥ１８９６）では気泡の発生を抑制することが困難であるからと考えられる。

一方、シリコーンエラストマー（ＲＴ−７４５Ｓ）の架橋密度は、シリコーンゲル（ＳＥ１８８５、ＳＥ１８９６）と比して高い（結果的に針入度も低くなる）為、気泡の発生の抑制効果があることが判明した。即ち、Ｈ／Ｃ試験時の封止樹脂で発生する気泡を抑制する為には、封止樹脂の針入度は３５以下が必要である。

以上、図２〜図４に示す相関図（各試験結果）より、針入度が２５以上、３５以下であり、且つ、当該針入度の範囲においては、封止状態において半導体素子と接着接合される特性を有するシリコーンエラストマーを封止樹脂として使用することにより、従来の製造プロセスを変更することなく、樹脂封止型パワーモジュール１のアルミワイヤ９の断線寿命を損なわず、且つＩＧＢＴ６ａのバイアス試験におけるリーク電流を抑制し、更には、Ｈ／Ｃ試験における封止樹脂中に発生する気泡を抑制できる高絶縁信頼性の樹脂封止型パワーモジュールが提供できる。

本発明を実施する為の実施の形態１における樹脂封止型パワーモジュールを示す模式図である。 針入度の異なる５種類の封止樹脂で封止した樹脂封止型パワーモジュール１で得られたＰ／Ｃ寿命試験の結果の相関図である。 針入度の異なる６種類の封止樹脂で封止した樹脂封止型パワーモジュール１で得られたＩＧＢＴ６ａの長時間バイアス試験によるリーク電流と封止樹脂の針入度との関係を示す相関図である。 針入度の異なる５種類の封止樹脂で封止した樹脂封止型パワーモジュール１で得られたＨ／Ｃ試験における封止樹脂中に発生する気泡の規模と封止樹脂の針入度との関係を示す相関図である。

符号の説明

１ 樹脂封止型パワーモジュール
２ 放熱ベース板
３ 外装ケース
４ 絶縁基板
６ａ ＩＧＢＴ（半導体素子）
６ｂ Ｄｉｏｄｅ（半導体素子）
１０ 封止樹脂（シリコーンエラストマー）

Claims (1)

1. 放熱ベース板、前記放熱ベース板に載置され、前記放熱ベース板に半田接合された絶縁基板、前記絶縁基板に搭載された半導体素子、
   前記半導体素子が搭載された絶縁基板を収納する外装ケース、
   前記外装ケース内に充填された封止樹脂を備え、
   前記封止樹脂は、針入度が２５以上、３５以下の特性を有するシリコーンエラストマーであることを特徴とする樹脂封止型パワーモジュール。

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