JP2011151214A

JP2011151214A - ゲル注入器およびそれを用いたパワーモジュールの製造方法

Info

Publication number: JP2011151214A
Application number: JP2010011364A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Kusakabe; 保貴日下部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: JP5136569B2

Abstract

【課題】本発明は、ゲルにより封止される部分に水分や気泡がトラップされることを回避し、さらに当該部分に水分や気泡がトラップされた場合にはこれを除去しパワーモジュールなどの特性ばらつきを抑制することができるゲル注入器およびそれを用いたパワーモジュールの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】チャンバーと、該チャンバーに取り付けられ該チャンバー内部にゲルを注入する注入ノズルと、該チャンバーと接続され該チャンバー内の減圧を行う真空ポンプと、該チャンバーと接続され該チャンバーに超音波振動を与える超音波発生器とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はパワー半導体素子の封止などに用いられるゲルを注入するゲル注入器とそれを用いたパワーモジュールの製造方法に関する。

ケース内に端子やパワー半導体素子を備える構成のパワーモジュールがある。所望の電気的接続を得るために、端子やパワー半導体素子がはんだやワイヤで接続されると当該ケース内部にゲルが注入される。ゲルはケース内の絶縁性を高めることと、ケース内への異物などの侵入を防止することを目的に注入される。絶縁性を高める観点から、ゲルは水分や気泡などの不純物がない状態でパワー半導体素子などを封止することが望ましい。

たとえば、特許文献１にはゲルの中に混入した気泡を効率よく抜くことができる半導体装置についての記載がある。特許文献１には、ゲル状樹脂を覆うように配置される制振部材に貫通孔を設けることが開示されている。そしてこの貫通孔は実質的に円錐台形であり下方ほど断面積が大きい。これによりゲル状樹脂の気泡が貫通孔を抜ける過程でまとまり大きくなる。このようなゲル状樹脂の気泡は、真空装置により前述の貫通孔を経由して抜かれる。従って引用文献１に開示の技術によれば、ゲル状樹脂内の気泡低減効果を得ることができる。また、特許文献２から４にもゲルの品質向上などのための技術についての記載がある。

特開２００３−１５２１３６号公報特開平１１−０４０７０３号公報特開平１０−２７０６０９号公報特開平０８−０４６０９３号公報

特許文献１に開示の技術では、ゲルで封止されるべき部分の気泡や水分の除去が不十分な場合がある。その結果、ゲルで封止されるべき部分に気泡や水分が残存し、製品の品質にばらつきが生じる問題があった。

特に、パワーモジュールのケース内はパワー半導体素子や電極端子、表面に回路（導体）パターンが形成された絶縁基板が配置され、それらは、はんだを使って相互に接続されている。このはんだの表面には「引け巣」などと呼ばれる数十ミクロン程度の溝や穴が生じるため凹凸が多く、鉛フリーはんだを用いる場合は顕著であった。そのような凹凸には水分や気泡がトラップされやすく、絶縁特性などの品質にばらつきが生じやすい問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ゲルで封止されるべき部分の水分や気泡を除去することができるゲル注入器およびそれを用いたパワーモジュールの製造方法を提供することを目的とする。

本願の発明にかかるゲル注入器は、チャンバーと、該チャンバーに取り付けられ該チャンバー内部にゲルを注入する注入ノズルと、該チャンバーと接続され該チャンバー内の減圧を行う真空ポンプと、該チャンバーと接続され該チャンバーに超音波振動を与える超音波発生器とを備えたことを特徴とする。

本願の発明にかかるゲル注入器を用いたパワーモジュールの製造方法は、内部にパワー半導体素子を有するパワーモジュールをチャンバー内に設置する工程と、該チャンバー内を減圧し、かつ該チャンバーに超音波振動を印加する工程と、該減圧および、該超音波振動の印加を継続して、該パワー半導体素子を封止するように該パワーモジュールにゲルを注入する工程と、該ゲルを注入した後さらに所定時間該減圧および、該超音波振動の印加を継続する工程とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、パワーモジュール内部などにトラップされた水分や気泡を除去することができる。

実施形態のゲル注入器を説明する図である。実施形態のゲル注入器を用いたパワーモジュールの製造方法を説明するフローチャートである。チャンバー内でパワーモジュールのパワー半導体素子などをゲルで封止する方法を説明する図である。ゲルによりパワー半導体素子などが封止されたパワーモジュールを説明する図である。

実施の形態
実施形態は図１から図４を参照して説明する。なお、同一、対応する構成要素には同一の符号を付して複数回の説明を省略する場合がある。

図１は実施形態のゲル注入器１０の概略図である。ゲル注入器１０はチャンバー１２を備える。チャンバー内部１８はパワーモジュールへのゲル注入が行われる空間である。チャンバー内部１８にゲル注入ができるように、チャンバー１２にはゲル供給装置１５に繋がる注入ノズル１６が取り付けられる。さらに、チャンバー１２にはチャンバー内部１８の減圧を行う真空ポンプ（真空装置）１４が取り付けされる。

チャンバー１２の底部２０には振動伝達部材２２が接続される。振動伝達部材２２は例えば金属材料で形成される。振動伝達部材２２は超音波発生器２４と接続される。よって超音波発生器２４が超音波振動を発生すると、振動伝達部材２２を経由してチャンバー１２（底部２０）が超音波振動する。

図２は実施形態のゲル注入器１０を用いたパワーモジュールの製造方法について説明するフローチャートである。以後、図２に沿って実施形態のパワーモジュールの製造方法について説明する。まず、ステップ５０にてパワーモジュールがチャンバー内部１８の底部２０に設置される。図３には、パワー半導体素子６６などを有するパワーモジュールがチャンバー内部１８の注入ノズル１６下に設置された様子が記載されている。

ここで、実施形態におけるパワーモジュールの主要構成は以下の通りである。金属のベース板６０上に絶縁基板６４が固着される。絶縁基板６４の表裏には金属の導体パターンが設けられており、表面の導体パターン上にＩＧＢＴやダイオードなどのパワー半導体素子６６および金属の電極端子７０が固着される。これらの固着には、多くの場合リフローはんだ付けなどを用いる。また、絶縁基板６４の表面ではパワー半導体素子６６や導体パターンとの間を電気的に接続するため、適宜にアルミなどのワイヤ６８によるワイヤボンディングが行われる。そしてパワー半導体素子６６などが搭載された絶縁基板６４を囲繞する樹脂製のケース６２がベース板６０に接着剤などを用いて固着され、このケース６２内にゲル７２が充填されるものとなっている（図４参照）。

ステップ５０による処理を終えるとステップ５２へと処理が進められる。ステップ５２ではチャンバー内部１８を減圧し、かつチャンバー１２に超音波振動を印加する。チャンバー内部１８の減圧は真空ポンプ１４を稼動させることで行う。減圧はチャンバー内部１８が２５℃、約１３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下となるように行うが特にこれに限定されない。ただし、この条件としては水（液体）が水蒸気（気体）になる環境まで減圧を行うことが水分除去のためには好ましく、例えば２５℃の場合では２５００Ｐａ以下にする必要がある。一方チャンバー１２（底部２０）への超音波振動の印加は、前述のとおり超音波発生器２４により振動伝達部材２２を介して行われる。そして、チャンバー１２（底部２０）に設置されているパワーモジュールにも超音波振動が印加される。超音波振動の振動方向は図３において矢印で示すように水平方向の振動としているが特にこれに限定されない。

ステップ５２による処理を終えるとステップ５４へと処理が進められる。ステップ５４では、前述の減圧を継続し、超音波振動の印加を維持した状態で、パワー半導体素子などを封止するようにパワーモジュールのケース６２内にゲルを注入する。本実施形態では真空ポンプ１４による減圧が進み目標値に到達した段階でゲル注入を行う。ゲルの注入はゲル供給装置１５により制御され注入ノズル１６から行う。ゲルとしては、耐絶縁性、耐熱性、耐寒性に優れるシリコーン樹脂などの高分子化合物が挙げられるが特に限定されない。

ステップ５４による処理を終えるとステップ５６へと処理が進められる。ステップ５６では、ゲル注入後一定時間（例えば５分間程度）前述の減圧および超音波振動の印加を継続する。上述のステップを終えると図４に記載のようにゲル７２がケース６２内部に充填されたパワーモジュールが形成される。なお、パワーモジュールの組立て完成までには、以降、ゲル７２を硬化させるための加熱処理が行われた後、ゲル７２の上部を覆うエポキシ樹脂の充填・硬化や蓋の装着などが通常必要とされる。

本実施形態のゲル注入器およびそれを用いたパワーモジュールの製造方法によれば、パワーモジュール内部の凹凸などにトラップされた水分や気泡を低減することができる。すなわち、パワーモジュール内部の凹凸などにトラップされた水分や気泡は超音波発生器２４からの超音波振動により振動する。この振動は、真空ポンプ１４による減圧作用に伴った水分や気泡の除去を促進する。よって当該凹凸にトラップされた水分や気泡を低減できるから、パワーモジュールの品質ばらつきを回避できる。

実施形態においてゲル注入前にパワーモジュールに対し超音波印加を行う（ステップ５２）のは、パワーモジュールの凹凸にトラップされた水分を除去するためである。つまり、ゲル注入前においても、真空装置による水分除去は超音波振動によって促進される。

また、実施形態においてゲル注入後にパワーモジュールに対して超音波印加を行う（ステップ５６）のは、ゲルをパワーモジュールに接触させたことで生じる結露を除去するためである。一般に、パワーモジュールはゲル注入器による処理の前に熱乾燥が行われるため、ゲル注入開始時点で室温であるゲルに比べてやや高い温度（例えば、室温２５℃の場合で、約３０〜４０℃程度）状態にパワーモジュールはある。したがって、ゲルとパワーモジュールには温度差があるため両者が接触すると当該温度差と減圧下で残った空気に含まれる水分により微小な結露が生じ、この結露はゲル中に吸収される可能性がある。しかし、本実施形態によればパワーモジュールにゲルを注入したあとも減圧および超音波振動の印加を継続する。よって上述の微小な結露によりゲル中に吸収された水分も除去することができる。

このように、チャンバー内を減圧することに加えて、パワーモジュールに超音波振動を印加し、水分や気泡の除去を促進することが本発明の特徴である。よって本発明はゲルにより素子などを封止する場合に広く応用できる。

本実施形態では真空ポンプ１４による減圧が進み目標値に到達した段階でゲル注入を行うこととした。しかしながら、チャンバー１２内の圧力が目標値に到達したあと一定時間ゲル注入開始を延長してもよい。これによりゲル注入前の確実な水分除去ができる。

１０ゲル注入器、１２チャンバー、１４真空ポンプ、１５ゲル供給装置、１６注入ノズル、１８チャンバー内部、２２振動伝達部材、２４超音波発生器

Claims

チャンバーと、
前記チャンバーに取り付けられ前記チャンバー内部にゲルを注入する注入ノズルと、
前記チャンバーと接続され前記チャンバー内の減圧を行う真空ポンプと、
前記チャンバーと接続され前記チャンバーに超音波振動を与える超音波発生器とを備えたことを特徴とするゲル注入器。
内部にパワー半導体素子を有するパワーモジュールをチャンバー内に設置する工程と、
前記チャンバー内を減圧し、かつ前記チャンバーに超音波振動を印加する工程と、
前記減圧および、前記超音波振動の印加を継続して、前記パワー半導体素子を封止するように前記パワーモジュールにゲルを注入する工程と、
前記ゲルを注入した後さらに所定時間前記減圧および、前記超音波振動の印加を継続する工程とを備えたことを特徴とするパワーモジュールの製造方法。