JP6205824B2 - パワーモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、パワーモジュールに関し、詳しくは、セラミック回路基板の沿面をシリコーンゲルで絶縁保護してなるパワーモジュールの耐熱性を高めたものである。
近年、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を主要デバイスとして、パワーモジュールが電力変換装置に広く用いられるようになっている。パワーモジュールは、１つ又は複数のパワー半導体チップを内蔵して変換接続の一部又は全体を構成したものである。
パワーモジュールは一般に、パワー半導体チップがセラミックス絶縁基板上に搭載され、このパワー半導体チップ及びセラミックス絶縁基板がケース内に収容されるとともに当該セラミックス絶縁基板と金属製のベースプレートとがはんだ接合されることにより、当該パワー半導体チップと金属基板又は冷却面との間が電気的に絶縁された構造を持つ。このケース内には、セラミックス絶縁基板の沿面及び当該基板上のパワー半導体チップを絶縁保護するために、低弾性率のシリコーンゲルが充填されている。
従来のパワーモジュールは、１５０℃が動作温度の上限とされていた。しかしながら、車載用パワーモジュールやサーバー用パワーモジュールは、１５０℃を超えるような温度条件で使用される場合があり、例えばＴｊ（チップの接合部温度）が瞬時に１７５℃に達する可能性があり、このような高温で正常に動作することがパワーモジュールに要求されるようになってきている。
１７５℃で１０万時間の動作をＵＬ１５５７の規格で保障するためには、当該規格の表３．１に記載されている加速寿命試験条件のうちの一つを選び、その選択した条件で試験をした場合に製品規格の絶縁破壊耐圧を維持しなければならない。１７５℃で１０万時間の動作に相当する加速寿命試験条件として例えば、ＵＬ１５５７の表３．１より、２００℃、６０００ｈの条件で加熱試験をした場合に、従来のＩＧＢＴパワーモジュールは、ケース内に充填されたシリコーンゲルに絶縁基板の沿面に達するほどのクラックが発生し、絶縁破壊電圧が規格を満足できなかった。
一般的なシリコーンオイルやゴムにおいて、耐熱性を向上させる手段としては、カーボンブラック、酸化鉄、酸化チタン等のフィラーを添加する方法が考えられる。しかし、低粘度でかつ、絶縁性が要求されるＩＧＢＴパワーモジュール用シリコーンゲル材料としては、上記のカーボンブラック、酸化鉄、酸化チタン等の添加による手段は、絶縁性の低下、フィラーの沈降、粘度増大に伴う作業性の低下などのデメリットが発生するため、容易に受け容れられる手段ではない。また、上記の耐熱性向上用フィラーを添加したシリコーンゲルであっても、１７５℃での加速寿命試験条件を達成できるシリコーンゲルは見出されていない。
シリコーン組成物に関し、シリコーンオイルにフラーレンの１種又は２種以上を溶解又は分散してなる耐熱性シリコーン組成物がある（特許文献１）。しかし、特許文献１のシリコーン組成物は、導電性を有するフラーレンを溶解又は分散したものであるから、電気絶縁性の低下のおそれがある。
特開２００５−２０６７６１号公報
本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、ケースに充填されるシリコーンゲルの耐熱性を高め、よって従来は動作保証をし得なかった高温環境下での使用が可能なパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明のパワーモジュールは、１又は２以上のパワー半導体チップと、該パワー半導体チップを収容するケースと、該ケース内に充填され前記パワー半導体チップを封止し、メチル基を具備するシリコーンゲルと、を備え、前記シリコーンゲルが、鉄錯体を２０〜１００質量ｐｐｍ含有する耐熱性シリコーンゲルよりなることを特徴とする。
本発明のパワーモジュールにおいては、上記金属錯体が、オクチル酸鉄であることが特に好ましい。更に、本発明のパワーモジュールにおいては、シリコーンゲルが、二液付加硬化型シリコーンゲルであること、また、耐熱性シリコーンゲルが、針入度が５０〜１２０であることが好ましい。
本発明のパワーモジュールは、２００℃、６０００時間の加速寿命試験後の絶縁耐圧が６ｋＶ以上の特性を有するものである。また、本発明のパワーモジュールは、パワー半導体チップがＩＧＢＴを含む構成とすることができる。
本発明のパワーモジュールによれば、シリコーンゲルに、金属が鉄及び白金からなる群より選ばれる金属錯体の少なくとも１種を含有する耐熱性シリコーンゲルよりなるものを用いることにより、絶縁性や作業性を低下させることなくパワーモジュールの耐熱性を向上させることができ、よって高温環境下で信頼性の高いパワーモジュールを使用することが可能になる。
本発明のパワーモジュールの一実施形態の模式的な断面図である。 シリコーンゲルに対する鉄錯体の添加量と、５％熱減量温度との関係を示すグラフである。 実施例におけるパワーモジュールの評価用試料を示す模式的な断面図である。
以下、本発明のパワーモジュールの実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
図１に模式的な断面図で示す、本発明のパワーモジュールの一実施形態であるＩＧＢＴパワーモジュール１０は、パワー半導体チップとしてのＩＧＢＴチップ１１を有している。このＩＧＢＴチップ１１は、銅箔１２ａ等のパターンにより回路が形成されているセラミックス絶縁基板１２上に搭載される。図中、ＩＧＢＴチップ１１は１個が示されているが、２個以上のＩＧＢＴチップ１１をセラミックス絶縁基板１２上に配設することもできる。また、ＩＧＢＴチップ１１以外の半導体チップ例えばＦＷＤチップをセラミックス絶縁基板１２上に加えて配設することもできる。更に、パワー半導体チップは図示した本実施形態ではＩＧＢＴチップであるが、本発明のパワーモジュールは、当該ＩＧＢＴチップに限られず、パワーＭＯＳＦＥＴチップ等、他のパワー半導体チップを用いることもできる。
セラミックス絶縁基板１２は、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム等を基板とし、金属製のベースプレート１３にはんだ接合されている。このベースプレート１３の周縁にケース１４が接着固定されている。ケース１４は、ＩＧＢＴチップ１１及びセラミックス絶縁基板１２を収容するように設けられる。このケース１４は、例えばポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂からなる。セラミックス絶縁基板１２の上にパターン形成された銅箔１２ａに外部取り出し用端子１５が接続されるとともに、ＩＧＢＴチップ１１と電気的に接続している金属ワイヤ１６が接続されることにより、ＩＧＢＴチップ１１と外部取り出し用端子１５とが電気的に接続されている。ケース１４の蓋１７は、ケース１４と同一の樹脂よりなり、外部取り出し用端子１５が突出するようにしてケース１４を密閉する。このケース１４内に収容されたセラミックス絶縁基板１２の沿面及びセラミックス絶縁基板１２上に搭載されたＩＧＢＴチップ１１の絶縁保護のために、ケース１４内には低弾性率のシリコーンゲル１８が充填されている。
本実施形態のＩＧＢＴパワーモジュール１０は、シリコーンゲル１８が、金属が鉄及び白金からなる群より選ばれる金属錯体の少なくとも１種を含有する耐熱性シリコーンゲルよりなる。
発明者の研究によれば、鉄錯体、白金錯体などの金属錯体をシリコーンゲルに添加すると、耐熱性の指標である熱分解温度が向上する。図２に、シリコーンゲルに対する鉄錯体の添加量と、熱分解温度としての５％熱減量温度との関係をグラフで示す。図２から分かるように、鉄錯体をシリコーンゲルに添加することにより熱分解温度が向上しており、シリコーンゲルの耐熱性が向上するといえる。１７５℃以上の高温下では、通常のシリコーンゲルはシリコーンゲルのメチル基にラジカルが発生して再架橋するようになるためにクラックが発生すると考えられる。これに対し、鉄錯体、白金錯体などの金属錯体は、ラジカルをトラップする機能があるために、金属が鉄及び白金からなる群より選ばれる金属錯体の少なくとも１種を含有させたシリコーンゲルは、再架橋による硬化劣化を抑止することができると考えられる。また、金属が鉄及び白金からなる群より選ばれる金属錯体の少なくとも１種は、シリコーンゲルとの相溶性がよく、しかも絶縁性にも優れている点でも、他の耐熱性向上のための添加剤、例えばカーボンブラック、酸化鉄、酸化チタン等に比べて優れている。
金属が鉄及び白金からなる群より選ばれる金属錯体の少なくとも１種は、他の金属の金属錯体と比べて、上述したラジカルをトラップしてシリコーンゲルの再架橋による硬化劣化を抑止する効果を有することから、本発明においてシリコーンゲルに含有させる金属錯体としている。鉄又は白金に対する配位子の化合物は、例えばオクチル酸、ナフテン酸、ステアリン酸、β-ジケトン、環状ジエン化合物等が挙げられるが、特に限定されるものではない。金属が鉄及び白金からなる群より選ばれる金属錯体の少なくとも１種の具体例としては、鉄錯体についてはオクチル酸鉄や、ナフテン酸鉄、ステアリン酸鉄等が挙げられる。白金錯体については特開２００３−２１３１３２号公報に記載されているようなβ-ジケトン白金錯体や環状ジエン化合物を配位子に持つ白金錯体金属錯体がある。例えばβ-ジケトン白金錯体としては、例えば、トリメチル(アセチルアセトナト)白金錯体、トリメチル(2,4-ペンタンジオネ−ト)白金錯体、トリメチル(3,5-ヘプタンジオネート)白金錯体、トリメチル(メチルアセトアセテート)白金錯体、ビス(2,4-ペンタンジオナト)白金錯体、ビス(2,4-へキサンジオナト)白金錯体、ビス(2,4-へプタンジオナト)白金錯体、ビス(3,5-ヘプタンジオナト)白金錯体、ビス(1-フェニル-1,3-ブタンジオナト)白金錯体、ビス(1,3-ジフエニル-1,3-プロパンジオナト)白金錯体等が挙げられる。また、環状ジエン化合物を配位子に持つ白金錯体としては、例えば、(1,5-シクロオクタジエニル)ジメチル白金錯体、(1,5-シクロオクタジエニル)ジフエニル白金錯体、(1,5-シクロオクタジエニル)ジプロピル白金錯体、(2,5-ノルボラジエン)ジメチル白金錯体、(2,5-ノルボラジエン)ジフェニル白金錯体、(シクロペンタジエニル)ジメチル白金錯体、(メチルシクロペンタジエニル)ジエチル白金錯体、(トリメチルシリルシクロペンタジエニル)ジフェニル白金錯体、(メチルシクロオクタ-1,5-ジエニル)ジエチル白金錯体、(シクロペンタジエニル)トリメチル白金錯体、(シクロペンタジエニル)エチルジメチル白金錯体、(シクロペンタジエニル)アセチルジメチル白金錯体、(メチルシクロペンタジエニル)トリメチル白金錯体、(メチルシクロペンタジエニル)トリヘキシル白金錯体、(トリメチルシリルシクロペンタジエニル)トリメチル白金錯体、(ジメチルフエニルシリルシクロペンタジエニル)トリフェニル白金錯体、(シクロペンタジエニル)ジメチルトリメチルシリルメチル白金錯体等が挙げられる。これらの金属錯体のなかでもオクチル酸鉄は、上記効果が顕著であるために、耐熱性向上のためにシリコーンゲルに含有させる金属錯体として好ましい。
金属錯体の含有量は、シリコーンゲルが、金属錯体を２０〜１００質量ｐｐｍ含有する量とする。金属錯体の含有量が２０質量ｐｐｍに満たないと、本発明で所期したクラック抑制効果が十分ではなく、含有量が１００質量ｐｐｍを超えると、シリコーンゲル中で均一分散せず、凝集、沈降する場合があり、かつ、絶縁耐圧も低下することから、２０〜１００質量ｐｐｍの範囲とする。
鉄錯体又は白金錯体は、シリコーンゲルの付加反応を促進するため、一液性シリコーンゲルの場合、ポットライフが短くなる可能性がある。このため金属が鉄及び白金からなる群より選ばれる金属錯体の少なくとも１種を添加するシリコーンゲルとしては、主剤と硬化剤の２成分からなる、二液性シリコーンゲルであることが好ましく、特に両者を付加反応によって硬化させることができる二液付加硬化型シリコーンゲルであることが好ましい。
シリコーンゲルに本発明に従って上記金属錯体を２０〜１００質量ｐｐｍ含有してなる耐熱性シリコーンゲルは、硬化させた後のゲルの針入度が、ＪＩＳ Ｋ２２２０に準拠した針入度で５０〜１２０（１／１０ｍｍ）であることが好ましい。針入度が５０に満たないとワイヤの材料、線径にもよるが、ワイヤが断線し易くなり、信頼性を確保するのが難しくなる。一方、針入度が１２０を超えると、形状安定性に劣り、また、機械的強度が低下するのでクラックが発生し易くなってしまう。
金属錯体を含有させるシリコーンゲルについては上記要件を満たすことが好ましく、それ以外の要件については特に限定されない。シリコーンゲルの組成は、パワーモジュール用として既知のシリコーンゲルを用いることができ、例えば、
Figure 0006205824
 で表されるジメチル型、
Figure 0006205824
 で表されるフェニルメチル型、又は
Figure 0006205824
 で表される分岐型の基本骨格を有するシリコーンゲルを用いることができる。これらのシリコーンゲルはいずれも、メチル基を具備するシリコーンゲルである。シリコーンゲルの具体例には、ダウコーニング社製のｓｙｌｇａｒｄ５２７（二成分付加硬化型シリコーンゲル）がある。上記ｓｙｌｇａｒｄ５２７はジメチル型のシリコーンゲルである。
上記金属錯体を含有させたシリコーンゲル１８をケース１４内に充填させた本実施形態のパワーモジュール１０は、１７５℃で１０万時間の動作保証温度に対応する加速寿命試験である２００℃、６０００時間の加速寿命試験後であってもクラックが発生せず、６ｋＶ以上の絶縁耐圧を具備している。
以下に、本発明の実施例を示すが、使用するシリコーンゲル及びシリコーンゲルに添加する金属錯体は、以下に述べる実施例に限定されない。シリコーンゲルに金属錯体を添加することが可能であれば、公知のいかなる材料も使用できる。
シリコーンゲルとして二成分付加硬化型シリコーンゲルを、鉄錯体としてオクチル酸鉄をそれぞれ用いた。このシリコーンゲルに、オクチル酸鉄を種々の添加量で添加して種々の耐熱性シリコーンゲルを調製した。
また、図３に示す、パワーモジュールを模擬した試験片を作製した。図３の試験片２０は、窒化アルミニウム製のセラミックス絶縁基板２２の両面に沿面距離が１．５ｍｍになるように金属パターン２２ａを施し、そのセラミックス絶縁基板２２の片面は金属製のベースプレート２３にはんだ付けしている。また、セラミックス絶縁基板２２にケース材を接着してケース２４を形成している。ケース２４内でセラミックス絶縁基板２２上の金属パターン２２ａに金属端子２５を接続するとともにアルミワイヤー２６を配した。ケース２４の蓋２７はシリコーンゴム製とした。
この試験片２０に、上述した二成分付加硬化型シリコーンゲルに種々の量でオクチル酸鉄を添加した耐熱性シリコーンゲルを４０ｃｍ３充填し、０．２気圧以下で３分間、真空脱泡し、次いで８０℃の熱風乾燥機中で６０分加熱して硬化させ、実施例１〜４、比較例１〜３の試料とした。
二成分付加硬化型シリコーンゲルに添加したオクチル酸鉄の量は、以下のとおりである。
（実施例１）
オクチル酸鉄を２０質量ｐｐｍ添加した。
（実施例２）
オクチル酸鉄を５０質量ｐｐｍ添加した。
（実施例３）
オクチル酸鉄を７５質量ｐｐｍ添加した。
（実施例４）
オクチル酸鉄を１００質量ｐｐｍ添加した。
（比較例１）
オクチル酸鉄を未添加（添加量０質量ｐｐｍ）。
（比較例２）
オクチル酸鉄を１０質量ｐｐｍ添加した。
（比較例３）
オクチル酸鉄を１２０質量ｐｐｍ添加した。
（評価方法）
各試料を２００℃の熱風乾燥機中に６０００時間放置した後、熱風乾燥機から試料を取り出し、室温まで冷却した後、目視による外観異常の有無の観察と絶縁耐圧の測定を実施した。目視観察は、シリコーンゲルにクラックの発生がなかったものを正常と判定した。
絶縁耐圧試験は、全ての実施例及び比較例において次の条件で実施した。
測定温度：２５℃、
カットオフ電流：５ｍＡ、
昇圧条件：ＡＣ２．０ｋＶから１０秒ごとに０．２ｋＶ昇圧。
（評価結果）
表１に、実施例１〜４及び比較例１〜３の評価結果を示す。なお、表１には、オクチル酸を添加したシリコーンゲルについて、絶縁性、シリコーンゲル中のオクチル酸の沈降性及び針入度を評価した結果を併せて示している。このシリコーンゲルの絶縁性については、（ヒューレットパッカード社製、ハイレジスタンスメーター４３３９Ａ）により評価し、１０１３Ωｃｍ以上の場合を○印、１０１３Ωｃｍ未満の場合を×印で評価した。また、オクチル酸の沈降性については、５０ｃｍ３ビーカにゲルを５０ｃｍ３採取し、２４ｈ放置後の外観を目視観察し、ビーカ底部に添加剤の沈降が無いか確認して、沈降のない場合を○印、沈降がある場合を×印で評価した。更に、シリコーンゲルの針入度については、上述した８０℃の熱風乾燥機中で６０分加熱して硬化させた後のシリコーンゲルについてＪＩＳ Ｋ２２２０に準拠して、１／４コーンにより評価した。
Figure 0006205824
表１に示すとおり、オクチル酸鉄を２０〜１００質量ｐｐｍ添加した場合は、２００℃、６０００時間後の試料にクラックが発生しておらず、しかも絶縁耐圧が一般の耐圧試験機の測定上限である１０ｋＶと良好であった。
これに対して、オクチル酸鉄を未添加又は１０質量ｐｐｍで添加した比較例１、比較例２は、２００℃、６０００時間後の試料にクラックが発生しており、絶縁耐圧も低かった。また、オクチル酸鉄を１２０質量ｐｐｍ添加した比較例３は、オクチル酸鉄がシリコーンゲル内で均一分散しておらず、沈降が生じていた。
１０ パワーモジュール
１１ ＩＧＢＴチップ
１２ セラミックス絶縁基板
１３ ベースプレート
１４ ケース
１５ 金属端子
１６ 金属ワイヤ
１７ 蓋
１８ シリコーンゲル

Claims (6)

  1. １又は２以上のパワー半導体チップと、該パワー半導体チップを収容するケースと、該ケース内に充填され前記パワー半導体チップを封止し、メチル基を具備するシリコーンゲルと、を備え、
    前記シリコーンゲルが、鉄錯体を２０〜１００質量ｐｐｍ含有する耐熱性シリコーンゲルよりなることを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記鉄錯体が、オクチル酸鉄である請求項１記載のパワーモジュール。
  3. 前記シリコーンゲルが、二液付加硬化型シリコーンゲルである請求項１又は２記載のパワーモジュール。
  4. 前記耐熱性シリコーンゲルが、針入度が５０〜１２０である請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  5. ２００℃、６０００時間の加速寿命試験後の絶縁耐圧が６ｋＶ以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  6. 前記パワー半導体チップが、ＩＧＢＴを含む請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
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