JP6057748B2 - パワーモジュールおよびパワーモジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電力用半導体装置部品であるパワーモジュールの封止力向上に関するものである。
一般産業用パワーモジュールでは、ケースの下端にベース板が配置され、ベース板上に基板を介して配置されたパワー素子をシリコーンゲルおよびエポキシ樹脂で封止した構造（例えば、特許文献１参照）と、ケース内にシリコーンゲルを充填した状態で、ケースの上端部に蓋部材を配置した封止構造が主流であった。これらの中でも生産性および品質確保の観点から、シリコーンゲルと蓋部材による封止構造が多く採用される傾向にある。
従来のシリコーンゲルと蓋部材による封止構造では、シリコーンゲルと蓋部材との間に空気層が存在するが、蓋部材は、主にねじ止めまたはスナップフィットを採用しても密閉構造にできないため、外気がシリコーンゲルの表面に接触する。
また、シリコーンゲルは、封止材の中でも比較的湿度およびガスを透過し易い材料であるため、外部環境が高湿状態であったり、パワーモジュールに悪影響を与えるガス成分が存在したりした場合、シリコーンゲルに絶縁性の劣化などの悪影響を与える可能性がある。
従来のシリコーンゲルと蓋部材による封止構造のパワーモジュールでは、その内部を外気にさらさないように密封することはできない。また、シリコーンゲルは温度による膨張収縮量が大きいため、パワーモジュール通電時にはシリコーンゲルが熱膨張し、シリコーンゲルと蓋部材との間に存在する空気を外部へ押し出すが、非稼動時にはシリコーンゲルが収縮し外気を吸い込む。この外気に、例えば、多量の水分および硫化物が含まれていると、シリコーンゲルは透過性が高いため、シリコーンゲルの内側に配置されているパワー素子などの腐食および絶縁性の劣化など悪影響を及ぼし、ひいてはパワーモジュールの品質が低下する恐れがあるという問題があった。
また、例えば特許文献１に記載の構造では、シリコーンゲルとエポキシ樹脂との間、すなわち、シリコーンゲルの上面に、シリコーンゲルの絶縁性を保持するために拡散防止樹脂層が形成されているが、拡散防止樹脂層は、ポッティングまたはディスペンスにより形成されるため、拡散防止樹脂層の形成に際し硬化させる必要がある。
このように、現行量産中の製品に対し密閉性を向上させるための対策を施すには、構造変更が必要となるため、材料開発、金型および図面の変更など、コストと時間を要するという問題もある。
そこで、本発明は、パワーモジュールにおいて、外気との絶縁性能を保持することで品質の低下を抑制することができ、かつ、現行の外形および基本構造を踏襲することで、容易に実施可能な技術を提供することを目的とする。
本発明に係るパワーモジュールは、ケースと、前記ケースの下端部に配置されたベース部材と、前記ベース部材上に配置されたパワー素子と、前記パワー素子を封止するシリコーンゲルと、前記シリコーンゲルの表面を覆い、かつ、前記シリコーンゲルの動きに合わせて可撓する程度に薄いシート部材と、前記ケースの上端部に配置された蓋部材とを備えたものである。
また、本発明に係るパワーモジュールの製造方法は、硬化した前記シリコーンゲルの表面に、前記シート部材を載置する工程を備えたものである。
また、本発明に係る別のパワーモジュールの製造方法は、硬化する前の前記シリコーンゲルの表面に、前記シート部材を載置する工程を備えたものである。
本発明によれば、パワーモジュールは、シリコーンゲルの表面を覆い、かつ、シリコーンゲルの動きに合わせて可撓する程度に薄いシート部材を備えたため、シリコーンゲルが熱膨張・収縮した際も、シート部材は、シリコーンゲルに密着しシリコーンゲルの動きに追従する。これにより、高温時・低温時を問わず外気との高い絶縁性能を保持することができるため、絶縁不良および腐食等の原因となる外部環境からの侵入物質を低減でき、パワーモジュールにおいて品質の低下を抑制することができる。
また、シリコーンゲルの表面にシート部材を配置した構造であるため、シート部材の配置の際にシート部材を硬化させる必要がなく、現行のパワーモジュールの外形および基本構造を踏襲することができ、容易に実施可能である。
また、本発明のパワーモジュールの製造方法によれば、硬化したシリコーンゲルの表面に、シート部材を載置するため、シート部材の配置の際にシート部材を硬化させる必要がなく、現行のパワーモジュールの外形および基本構造を踏襲することができ、容易に実施可能である。
また、本発明の別のパワーモジュールの製造方法によれば、硬化する前のシリコーンゲルの表面に、シート部材を載置するため、シート部材を配置した後シリコーンゲルのみを硬化させればよく、現行のパワーモジュールの外形および基本構造を踏襲することができ、容易に実施可能である。
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係るパワーモジュールの断面図である。図１に示すように、パワーモジュールは、ケース２と、ベース板７（ベース部材）と、パワー素子であるチップ６と、シリコーンゲル８と、シート部材９と、蓋部材１とを備えている。
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係るパワーモジュールの断面図である。図１に示すように、パワーモジュールは、ケース２と、ベース板７（ベース部材）と、パワー素子であるチップ６と、シリコーンゲル８と、シート部材９と、蓋部材１とを備えている。
ベース板７は、ケース２の下端部に配置され、ベース板７の上面に半田付けされた絶縁基板５を介して、チップ６が半田付けされて固定されている。シリコーンゲル８は、ケース２内に充填され、チップ６と、チップ６に接合されたワイヤー４と、絶縁基板５などを封止する。
シート部材９は、シリコーンゲル８の表面８ａに配置され、シリコーンゲル８の表面８ａを覆っている。シート部材９は、例えば、高耐熱およびガス高絶縁性を有するポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂により形成され、また、シリコーンゲル８の動き（より具体的には、シリコーンゲル８の熱膨張・収縮）に合わせて可撓する程度に薄いシート状に形成されている。蓋部材１は、ケース２の上端部に配置され、例えばケース２に対してネジ止めされており、シート部材９およびシリコーンゲル８の表面を覆っている。
次に、実施の形態１に係るパワーモジュールの製造方法について簡単に説明する。図２は、パワーモジュールの製造方法を示す図である。ベース板７に絶縁基板５が半田付けにより固定され、絶縁基板５上にチップ６が半田付けにより固定される。ワイヤー４を接合してチップ６が実装された後、ベース板７とケース２が固定される。次に、ケース２内にチップ６およびワイヤー４が埋没する高さまでシリコーンゲル８が充填されてシリコーンゲル８を硬化させる。図２に示すように、シリコーンゲル８の硬化後、シート部材９は、硬化したシリコーンゲル８の表面８ａに載置され、ケース２の上端部に蓋部材１が取り付けられる。
次に、実施の形態１に係るパワーモジュールの作用および効果について、前提技術と対比しながら説明する。図３は、シリコーンゲル８の動きにシート部材９が追従した状態を示す図である。図５は、前提技術に係るパワーモジュールの断面図であり、シリコーンゲル８の動きを示す図である。なお、図３と図５では、シリコーンゲル８が上下動した状態を２点鎖線で示している。
先ず、前提技術に係るパワーモジュールについて説明する。図５に示すように、前提技術に係るパワーモジュールは、実施の形態１に係るパワーモジュールに対してシート部材９が設けられていない構成である。蓋部材１とケース２の間には隙間があるため、外気を遮断することができない。
このため、シリコーンゲル８の熱膨張・収縮によってシリコーンゲル８が上下動することで、蓋部材１とケース２の間の隙間から外気が取り込まれ、シリコーンゲル８の表面８ａ全域に外気が接触する。この外気に、例えば多量の水分および硫化物が含まれていると、シリコーンゲル８は透過性が高いため、シリコーンゲル８の内側に配置されているチップ６などの腐食および絶縁性の劣化など悪影響を及ぼし、ひいてはパワーモジュールの品質が低下する恐れがあるという問題があった。
これに対して、実施の形態１に係るパワーモジュールは、図３に示すように、シリコーンゲル８の表面を覆うようにシート部材９が配置されているため、外気は、シリコーンゲル８の表面８ａの外周部以外にはほとんど接触しない。また、シート部材９は、熱膨張収縮率の高いシリコーンゲル８の表面８ａに張り付いた状態でシリコーンゲル８の上下動に追従する。これにより、パワーモジュール内に入り込んだ外気が、高湿度および硫化物を含んでいても、シリコーンゲル８の内側に配置されているチップ６などへの影響を最小限に止めることができる。
また、実施の形態１に係るパワーモジュールの製造に際し、前提技術である現行の構造に対して、硬化したシリコーンゲル８の表面にシート部材９を載置するだけでよいため、パワーモジュールの外形の変更および金型の変更、図面の大幅な変更が不要となり、作業も短時間かつ容易に行うことができる。
以上のように、実施の形態１に係るパワーモジュールでは、パワーモジュールは、シリコーンゲル８の表面８ａを覆い、かつ、シリコーンゲル８の動きに合わせて可撓する程度に薄いシート部材９を備えたため、シリコーンゲル８が熱膨張・収縮した際も、シート部材９は、シリコーンゲル８に密着しシリコーンゲル８の動きに追従する。これにより、高温時・低温時を問わず外気との高い絶縁性能を保持することができるため、絶縁不良および腐食等の原因となる外部環境からの侵入物質を低減でき、パワーモジュールにおいて品質の低下を抑制することができる。また、外部環境からの侵入物質を低減することで絶縁不良および腐食を抑制できるため、パワーモジュールの長期使用が可能となる。
また、シリコーンゲル８の表面８ａにシート部材９を配置した構造、より具体的には、硬化したシリコーンゲル８の表面８ａにシート部材９を載置した構造であるため、シート部材９の配置の際にシート部材９を硬化させる必要がなく、現行のパワーモジュールの外形および基本構造を踏襲することができ、容易に実施可能である。
また、シート部材９は、高耐熱およびガス高絶縁性のポリフェニレンサルファイド樹脂により形成されたため、パワーモジュールにおける外気との絶縁性能を一層高めることができる。
なお、シート部材９は、ポリフェニレンサルファイド樹脂以外の合成樹脂およびゴムなどを含む樹脂、非鉄金属を含む金属、セラミック系材料、もしくはガラス系材料により形成されてもよい。この場合も、上記と同様の効果が得られる。また、シート部材９は、樹脂、金属、セラミック系材料、およびガラス系材料から複数種類を混合した材料により形成されてもよい。この場合も、上記と同様の効果が得られる。
さらに、シート部材９は、吸湿性および吸ガス性の高い合成樹脂およびゴムなどを含む樹脂（例えば、シリコーンゴム）により形成されてもよい。この場合、パワーモジュールにおける外気との絶縁性能を一層高めることができる。
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係るパワーモジュールについて説明する。図４は、実施の形態２に係るパワーモジュールの断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
次に、実施の形態２に係るパワーモジュールについて説明する。図４は、実施の形態２に係るパワーモジュールの断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
実施の形態２では、硬化する前のシリコーンゲル８の表面８ａに、シート部材９が載置され、その後、シリコーンゲル８を硬化させる。図４に示すように、シリコーンゲル８が硬化した状態では、シート部材９はシリコーンゲル８の表面８ａに載置されている。すなわち、シリコーンゲル８においてシート部材９が載置されている部分は、シート部材９の厚みの分だけ凹みが形成されているため、シート部材９の表面とシリコーンゲル８の外周部（より具体的には、シート部材９が載置されていない部分）の表面は、ほぼ同じ高さである。
以上のように、実施の形態２に係るパワーモジュールでは、硬化する前のシリコーンゲル８の表面８ａに、シート部材９を載置することで製造するため、シート部材９を配置した後シリコーンゲル８のみを硬化させればよく、現行のパワーモジュールの外形および基本構造を踏襲することができ、容易に実施可能である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 蓋部材、２ ケース、６ チップ、７ ベース板、８ シリコーンゲル、８ａ シリコーンゲルの表面、９ シート部材。
Claims (7)
- ケースと、
前記ケースの下端部に配置されたベース部材と、
前記ベース部材上に配置されたパワー素子と、
前記パワー素子を封止するシリコーンゲルと、
前記シリコーンゲルの表面を覆い、かつ、前記シリコーンゲルの動きに合わせて可撓する程度に薄いシート部材と、
前記ケースの上端部に配置された蓋部材と、
を備えた、パワーモジュール。 - 前記シート部材は、樹脂、金属、セラミック系材料、もしくはガラス系材料により形成された、請求項１記載のパワーモジュール。
- 前記シート部材は、樹脂、金属、セラミック系材料、およびガラス系材料から複数種類を混合した材料により形成された、請求項１記載のパワーモジュール。
- 前記シート部材は、高耐熱およびガス高絶縁性の樹脂により形成された、請求項１記載のパワーモジュール。
- 前記シート部材は、吸湿性および吸ガス性の高い樹脂により形成された、請求項１記載のパワーモジュール。
- 請求項１記載のパワーモジュールの製造方法であって、
硬化した前記シリコーンゲルの表面に、前記シート部材を載置する工程を備えた、パワーモジュールの製造方法。 - 請求項１記載のパワーモジュールの製造方法であって、
硬化する前の前記シリコーンゲルの表面に、前記シート部材を載置する工程を備えた、パワーモジュールの製造方法。
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