JPH0758282A - パワー半導体モジュール及び車両用インバータ装置 - Google Patents
パワー半導体モジュール及び車両用インバータ装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】必要な高耐圧特性を備え、しかも充分に高い信
頼性を容易にもたせることができる合成樹脂モールドに
よるパワー半導体モジュールを提供すること。 【構成】半導体素子１０４と電極端子１０６が取付けら
れた金属板１０５を、絶縁基板１０２を介して取付基板
１０１に積層し、取付基板１０１の周辺接着部１１３で
合成樹脂製のケース１０９を接着剤１０８で接着して封
止したパワー半導体モジュールにおいて、ゲル状合成樹
脂層１１１と硬質合成樹脂層１１２に加えて、ケースの
接着部１１３の内面から金属板１０５の端面までゴム状
合成樹脂層１１０を設けたもの。 【効果】たゴム状合成樹脂層１１０は、取付基板１０１
からケース１０９が剥離するのを抑えるので、水分の侵
入などを無くすことができ、また、ゴム状合成樹脂層１
１０は弾力性に富むので亀裂発生の虞れが無く、絶縁基
板１０２の表面にも確実に接着するので、この部分での
耐圧特性劣化の虞れは無くなり、従って、高耐圧で、高
信頼性のパワー半導体モジュールを確実に得ることがで
きる。
頼性を容易にもたせることができる合成樹脂モールドに
よるパワー半導体モジュールを提供すること。 【構成】半導体素子１０４と電極端子１０６が取付けら
れた金属板１０５を、絶縁基板１０２を介して取付基板
１０１に積層し、取付基板１０１の周辺接着部１１３で
合成樹脂製のケース１０９を接着剤１０８で接着して封
止したパワー半導体モジュールにおいて、ゲル状合成樹
脂層１１１と硬質合成樹脂層１１２に加えて、ケースの
接着部１１３の内面から金属板１０５の端面までゴム状
合成樹脂層１１０を設けたもの。 【効果】たゴム状合成樹脂層１１０は、取付基板１０１
からケース１０９が剥離するのを抑えるので、水分の侵
入などを無くすことができ、また、ゴム状合成樹脂層１
１０は弾力性に富むので亀裂発生の虞れが無く、絶縁基
板１０２の表面にも確実に接着するので、この部分での
耐圧特性劣化の虞れは無くなり、従って、高耐圧で、高
信頼性のパワー半導体モジュールを確実に得ることがで
きる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、絶縁容器による合成樹
脂封止構造のパワー半導体素子に係り、特に比較的高電
圧の車両用インバータ装置に好適なパワー半導体モジュ
ールに関する。
脂封止構造のパワー半導体素子に係り、特に比較的高電
圧の車両用インバータ装置に好適なパワー半導体モジュ
ールに関する。
【０００２】
【従来の技術】鉄道車両用のインバータ装置など、比較
的高電圧で大電力の装置に使用するダイオード、トラン
ジスタ、ＩＧＢＴ(絶縁ゲート・バイポーラトランジス
タ)、ＧＴＯ(ゲート・ターンオフ・サイリスタ)などの
パワー半導体素子としては、従来から平型素子が主流を
占めていたが、近年、絶縁容器に封入してモジュール化
した、いわゆるパワー半導体モジュールが提案され、使
用されるようになってきており、その例を特開昭６０−
１７８６５０号公報や特開昭６１−２１８１５１号公
報、或いは特開昭６３−１４３８５０号公報などにみる
ことができる。
的高電圧で大電力の装置に使用するダイオード、トラン
ジスタ、ＩＧＢＴ(絶縁ゲート・バイポーラトランジス
タ)、ＧＴＯ(ゲート・ターンオフ・サイリスタ)などの
パワー半導体素子としては、従来から平型素子が主流を
占めていたが、近年、絶縁容器に封入してモジュール化
した、いわゆるパワー半導体モジュールが提案され、使
用されるようになってきており、その例を特開昭６０−
１７８６５０号公報や特開昭６１−２１８１５１号公
報、或いは特開昭６３−１４３８５０号公報などにみる
ことができる。
【０００３】このパワー半導体モジュールの従来例につ
いて図３により説明すると、通常、銅板からなるモジュ
ールの取付基板２０３を備え、これに、ダイオードなど
の半導体素子２０７がモリブデンなどの板を介してロウ
付けされた銅板などからなる通電部２０１を、アルミナ
或いはＡｌＮ(窒化アルミニウム)などのセラミックスか
らなる絶縁板２０２を介してロウ付け接合し、これを合
成樹脂製のケース２０４で封止したものである。
いて図３により説明すると、通常、銅板からなるモジュ
ールの取付基板２０３を備え、これに、ダイオードなど
の半導体素子２０７がモリブデンなどの板を介してロウ
付けされた銅板などからなる通電部２０１を、アルミナ
或いはＡｌＮ(窒化アルミニウム)などのセラミックスか
らなる絶縁板２０２を介してロウ付け接合し、これを合
成樹脂製のケース２０４で封止したものである。
【０００４】このケース２０４は、取付基板２０３の周
辺部に接着して取付けられ、内部には、通電部２０１を
覆うようにしてゲル状合成樹脂２０５が封入される。ま
た、通電部２０１には電極端子が設けてあり、これによ
り、通電部２０１の必要な部分への外部からの接続が行
なえるようになっている。
辺部に接着して取付けられ、内部には、通電部２０１を
覆うようにしてゲル状合成樹脂２０５が封入される。ま
た、通電部２０１には電極端子が設けてあり、これによ
り、通電部２０１の必要な部分への外部からの接続が行
なえるようになっている。
【０００５】半導体素子２０７としては、上記したよう
に、ダイオードなど、必要に応じて任意の素子が搭載さ
れるが、中でもＩＧＢＴは、電圧制御素子であるため制
御が容易であり、且つ電流容量の大きなものが得やすい
上、高い周波数でも動作可能であるなどの利点があるた
め、広く用いられている。
に、ダイオードなど、必要に応じて任意の素子が搭載さ
れるが、中でもＩＧＢＴは、電圧制御素子であるため制
御が容易であり、且つ電流容量の大きなものが得やすい
上、高い周波数でも動作可能であるなどの利点があるた
め、広く用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、高耐
圧半導体素子のモジュール化について充分な配慮がされ
いるとはいえず、高耐圧で高信頼性の付与の点で問題が
あった。例えば、鉄道車両用のインバータ装置などへの
適用に際しては、電源電圧が６００Ｖ、或いは１５００
Ｖなどの高電圧であるため、モジュールの通電部と取付
基板の間には、実効電圧５４００Ｖ耐圧が耐湿特性など
についての高い信頼性のもとで要求される。
圧半導体素子のモジュール化について充分な配慮がされ
いるとはいえず、高耐圧で高信頼性の付与の点で問題が
あった。例えば、鉄道車両用のインバータ装置などへの
適用に際しては、電源電圧が６００Ｖ、或いは１５００
Ｖなどの高電圧であるため、モジュールの通電部と取付
基板の間には、実効電圧５４００Ｖ耐圧が耐湿特性など
についての高い信頼性のもとで要求される。
【０００７】しかるに、上記従来技術では、以下に説明
するように、高耐圧特性と高信頼性の両立の面で、充分
な対応が困難なのである。すなわち、まず、特開昭６０
−１７８６５０号公報の技術では、取付基板２０３に対
するケース２０４の接着部が、素子の温度上昇による内
圧増加などにより剥離し易く、また、絶縁板２０２に対
するゲル状合成樹脂２０５の接着性不良などもあり、こ
の結果、水分が侵入し、取付基板２０３とゲル状合成樹
脂２０５の界面を通って絶縁板２０２の表面の絶縁耐圧
保持部２０６、更には半導体素子２０７にまで達して絶
縁特性や素子特性の劣化を起こし易くなり、従って、充
分な耐圧特性と信頼性の付与が困難なのである。
するように、高耐圧特性と高信頼性の両立の面で、充分
な対応が困難なのである。すなわち、まず、特開昭６０
−１７８６５０号公報の技術では、取付基板２０３に対
するケース２０４の接着部が、素子の温度上昇による内
圧増加などにより剥離し易く、また、絶縁板２０２に対
するゲル状合成樹脂２０５の接着性不良などもあり、こ
の結果、水分が侵入し、取付基板２０３とゲル状合成樹
脂２０５の界面を通って絶縁板２０２の表面の絶縁耐圧
保持部２０６、更には半導体素子２０７にまで達して絶
縁特性や素子特性の劣化を起こし易くなり、従って、充
分な耐圧特性と信頼性の付与が困難なのである。
【０００８】一方、特開昭６１−２１８１５1号公報に
記載の技術では、絶縁基板及び取付基板と、ケースの間
に硬質の合成樹脂を充填しており、従って、この技術に
よれば、取付基板からのケースの剥離についての問題は
少なくなるが、この充填された硬質の合成樹脂がケース
の角部で亀裂を生じ易く、この亀裂部分で放電が起こる
ようになり、やはり絶縁特性の劣化が避けられないとい
う問題があった。
記載の技術では、絶縁基板及び取付基板と、ケースの間
に硬質の合成樹脂を充填しており、従って、この技術に
よれば、取付基板からのケースの剥離についての問題は
少なくなるが、この充填された硬質の合成樹脂がケース
の角部で亀裂を生じ易く、この亀裂部分で放電が起こる
ようになり、やはり絶縁特性の劣化が避けられないとい
う問題があった。
【０００９】本発明の目的は、必要な高耐圧特性を備
え、しかも充分に高い信頼性を容易にもたせることがで
きる合成樹脂モールドによるパワー半導体モジュールを
提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記
したパワー半導体モジュールを用いることにより、信頼
性の高い車両用インバータ装置を提供することにある。
え、しかも充分に高い信頼性を容易にもたせることがで
きる合成樹脂モールドによるパワー半導体モジュールを
提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記
したパワー半導体モジュールを用いることにより、信頼
性の高い車両用インバータ装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体素子
と電極端子が取付けられた通電部を、絶縁基板を介して
取付基板に積層し、該取付基板の周辺部にケースを接着
して通電部を封止する方式のパワー半導体モジュールに
おいて、取付基板に対するケースの接着部分の内面にゴ
ム状合成樹脂の被覆を設けることにより達成される。
と電極端子が取付けられた通電部を、絶縁基板を介して
取付基板に積層し、該取付基板の周辺部にケースを接着
して通電部を封止する方式のパワー半導体モジュールに
おいて、取付基板に対するケースの接着部分の内面にゴ
ム状合成樹脂の被覆を設けることにより達成される。
【００１１】更に、上記目的は、ゴム状合成樹脂の被覆
を、取付基板の周辺部から絶縁基板の周辺部の端面を経
て少なくとも通電部の周辺部の端面に至る沿面に設ける
ことにより達成される。
を、取付基板の周辺部から絶縁基板の周辺部の端面を経
て少なくとも通電部の周辺部の端面に至る沿面に設ける
ことにより達成される。
【００１２】
【作用】取付基板の周辺部から絶縁基板の周辺部の端面
を経て少なくとも通電部の周辺部の端面に至る沿面に設
けたゴム状合成樹脂は、取付基板に対するケースの接着
部分の内面を覆うので、この部分での剥離を抑えるよう
に働く。従って、ケースの剥離による信頼性の低下の虞
れは無くなる。
を経て少なくとも通電部の周辺部の端面に至る沿面に設
けたゴム状合成樹脂は、取付基板に対するケースの接着
部分の内面を覆うので、この部分での剥離を抑えるよう
に働く。従って、ケースの剥離による信頼性の低下の虞
れは無くなる。
【００１３】また、このゴム状合成樹脂は弾力性に富む
ので、ケースの角部でも亀裂発生の虞れが無く、さらに
また、絶縁基板の表面にも確実に接着するので、この部
分での耐圧特性劣化の虞れは無くなる。従って、高耐圧
で、しかも高信頼性のパワー半導体モジュールを確実に
得ることができる。
ので、ケースの角部でも亀裂発生の虞れが無く、さらに
また、絶縁基板の表面にも確実に接着するので、この部
分での耐圧特性劣化の虞れは無くなる。従って、高耐圧
で、しかも高信頼性のパワー半導体モジュールを確実に
得ることができる。
【００１４】さらに、本発明では、モジュールの内部の
半導体素子の表面を覆うようにゲル状合成樹脂を封入し
てやることにより、ボンディングワイヤなど半導体素子
との接続部分に、封止用の合成樹脂による熱応力が加わ
る虞れを無くすことができるので、ワイヤ接合部での剥
離発生の虞れが無く、また、ワイヤの腐食なども起こり
難くくなり、さらに信頼性の向上が図れる。
半導体素子の表面を覆うようにゲル状合成樹脂を封入し
てやることにより、ボンディングワイヤなど半導体素子
との接続部分に、封止用の合成樹脂による熱応力が加わ
る虞れを無くすことができるので、ワイヤ接合部での剥
離発生の虞れが無く、また、ワイヤの腐食なども起こり
難くくなり、さらに信頼性の向上が図れる。
【００１５】また、このとき、ゴム状合成樹脂で被覆さ
れた絶縁基板の表面での絶縁耐圧保持部における通電部
から取付基板までの沿面距離を少なくとも２ｍｍにする
ことにより、実効電圧５４００Ｖ以上の絶縁耐力を容易
に付与することができる。
れた絶縁基板の表面での絶縁耐圧保持部における通電部
から取付基板までの沿面距離を少なくとも２ｍｍにする
ことにより、実効電圧５４００Ｖ以上の絶縁耐力を容易
に付与することができる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明によるパワー半導体モジュール
について、図示の実施例により詳細に説明する。図１と
図２は、本発明によるパワー半導体モジュールをダイオ
ードとして実施した場合の一実施例で、図１は断面図、
図２は同じく内部の平面図で、図１のＡ−Ａ'線による
断面であり、これらの図において、１０１は取付基板、
１０２は絶縁基板、１０３は通電部、１０４は半導体素
子、１０５は金属板、１０６は電極端子、１０７はＡｌ
ワイヤ、１０８は接着剤、１０９は合成樹脂製のケー
ス、１１０はゴム状合成樹脂層、１１１はゲル状合成樹
脂層、１１２は硬質合成樹脂層、１１３は接着部、そし
て１１４は絶縁耐圧保持部をそれぞれ表わす。
について、図示の実施例により詳細に説明する。図１と
図２は、本発明によるパワー半導体モジュールをダイオ
ードとして実施した場合の一実施例で、図１は断面図、
図２は同じく内部の平面図で、図１のＡ−Ａ'線による
断面であり、これらの図において、１０１は取付基板、
１０２は絶縁基板、１０３は通電部、１０４は半導体素
子、１０５は金属板、１０６は電極端子、１０７はＡｌ
ワイヤ、１０８は接着剤、１０９は合成樹脂製のケー
ス、１１０はゴム状合成樹脂層、１１１はゲル状合成樹
脂層、１１２は硬質合成樹脂層、１１３は接着部、そし
て１１４は絶縁耐圧保持部をそれぞれ表わす。
【００１７】取付基板１０１は、銅(Ｃu)などの熱伝導
性に富んだ材料で作られ、その一方の面には、アルミナ
或いはＡｌＮ(窒化アルミニウム)などのセラミックスか
らなる絶縁基板１０２を介して通電部１０３が、半田や
銀ロウなどのろう材によりロウ付け接合されている。
性に富んだ材料で作られ、その一方の面には、アルミナ
或いはＡｌＮ(窒化アルミニウム)などのセラミックスか
らなる絶縁基板１０２を介して通電部１０３が、半田や
銀ロウなどのろう材によりロウ付け接合されている。
【００１８】通電部１０３は、銅などの材料からなる金
属板１０５と、その表面にロウ付けされた半導体素子１
０４、それに電極端子１０６とで構成されている。そし
て、半導体素子１０４と一方の電極端子１０６の間は、
複数本のＡｌワイヤ１０７でボンディングされている。
なお、このため、図示のように、この一方の電極端子１
０６はは、絶縁物の台を介して金属板１０５に取付けて
ある。そして、Ａｌワイヤ１０７が複数本用いられてい
るのは、電流容量を増すためである。
属板１０５と、その表面にロウ付けされた半導体素子１
０４、それに電極端子１０６とで構成されている。そし
て、半導体素子１０４と一方の電極端子１０６の間は、
複数本のＡｌワイヤ１０７でボンディングされている。
なお、このため、図示のように、この一方の電極端子１
０６はは、絶縁物の台を介して金属板１０５に取付けて
ある。そして、Ａｌワイヤ１０７が複数本用いられてい
るのは、電流容量を増すためである。
【００１９】図２は、上記したように、内部の平面図で
あるが、ここでは、ゲル状合成樹脂層１１１は除いて示
されている。そして、この図２から明らかなように、こ
の実施例では、半導体素子１０４が３個搭載され、これ
により電流容量を大きくしたモジュールとなっている。
あるが、ここでは、ゲル状合成樹脂層１１１は除いて示
されている。そして、この図２から明らかなように、こ
の実施例では、半導体素子１０４が３個搭載され、これ
により電流容量を大きくしたモジュールとなっている。
【００２０】なお、この実施例では、金属板１０５の、
図では上になる面が台形に作られ、この台形の部分に半
導体素子１０４がロウ付けされているが、これは、必ず
しも必要条件ではない。また、この金属板１０５として
は、銅板にモリブデンの板を接合したものを用いても良
いことは、言うまでもない。
図では上になる面が台形に作られ、この台形の部分に半
導体素子１０４がロウ付けされているが、これは、必ず
しも必要条件ではない。また、この金属板１０５として
は、銅板にモリブデンの板を接合したものを用いても良
いことは、言うまでもない。
【００２１】ケース１０９は、例えばＰＰＳ(ポリフェ
ニレン・サルファイト)、或いはＰＢＴ(ポリブチレン・
テレフタレート)などの合成樹脂で作られ、取付基板１
０１の周辺部にある接着部１１３に、接着剤１０８によ
り接着されている。なお、このケース１０９には電極端
子１０６が通る孔が設けてあり、この孔に電極端子１０
６を挿入した状態で取付基板１０１に接着し、その後、
電極端子１０６の外部に出ている部分を折り曲げて図示
の状態に成形するのである。
ニレン・サルファイト)、或いはＰＢＴ(ポリブチレン・
テレフタレート)などの合成樹脂で作られ、取付基板１
０１の周辺部にある接着部１１３に、接着剤１０８によ
り接着されている。なお、このケース１０９には電極端
子１０６が通る孔が設けてあり、この孔に電極端子１０
６を挿入した状態で取付基板１０１に接着し、その後、
電極端子１０６の外部に出ている部分を折り曲げて図示
の状態に成形するのである。
【００２２】そして、この実施例では、このようにして
ケース１０９の接着を終わった後、内部に、例えばシリ
コーンゴムなどからなるゴム状合成樹脂と、シリコーン
ゲルなどからなるゲル状合成樹脂、それにエポキシ樹脂
などからなる硬質合成樹脂を順次、注入し、それぞれゴ
ム状合成樹脂層１１０と、ゲル状合成樹脂層１１１、そ
れに硬質合成樹脂層１１２を設け、必要な部分への被覆
と封止を行なう。
ケース１０９の接着を終わった後、内部に、例えばシリ
コーンゴムなどからなるゴム状合成樹脂と、シリコーン
ゲルなどからなるゲル状合成樹脂、それにエポキシ樹脂
などからなる硬質合成樹脂を順次、注入し、それぞれゴ
ム状合成樹脂層１１０と、ゲル状合成樹脂層１１１、そ
れに硬質合成樹脂層１１２を設け、必要な部分への被覆
と封止を行なう。
【００２３】これらの合成樹脂の封入は、注入された樹
脂量を、例えば光や音波などにより検出しながら、それ
ぞれ適正な量に制御するようにした注入装置を用いて行
なうのであるが、まず、最初にゴム状合成樹脂を注入し
て、ゴム状合成樹脂層１１０を形成し、取付基板１０１
とケース１０９との接着部１１３と、絶縁基板１０２の
表面の絶縁耐圧保持部１１４とが被覆されるようにす
る。
脂量を、例えば光や音波などにより検出しながら、それ
ぞれ適正な量に制御するようにした注入装置を用いて行
なうのであるが、まず、最初にゴム状合成樹脂を注入し
て、ゴム状合成樹脂層１１０を形成し、取付基板１０１
とケース１０９との接着部１１３と、絶縁基板１０２の
表面の絶縁耐圧保持部１１４とが被覆されるようにす
る。
【００２４】次に、ゲル状合成樹脂をゴム状合成樹脂層
１１０の上に注入し、ゲル状合成樹脂層１１１を形成
し、半導体素子１０４とワイヤ１０７、それに電極端子
１０６などが覆われるようにする。そして、その後、エ
ポキシ樹脂を注入して硬化させることにより硬質合成樹
脂層１１２を形成して、残った空間を充填し、電極端子
１０６を固定するのである。
１１０の上に注入し、ゲル状合成樹脂層１１１を形成
し、半導体素子１０４とワイヤ１０７、それに電極端子
１０６などが覆われるようにする。そして、その後、エ
ポキシ樹脂を注入して硬化させることにより硬質合成樹
脂層１１２を形成して、残った空間を充填し、電極端子
１０６を固定するのである。
【００２５】図４は、絶縁基板１０２の絶縁耐圧保持部
１１４の近傍を拡大してゴム状合成樹脂層１１０の充填
状態を示した拡大図で、この実施例における絶縁耐圧
は、通電部１０３と取付基板１０１との間の絶縁距離に
よって定まるが、このとき、この絶縁距離が最小になる
のは、通電部１０３の直下の部分になる。
１１４の近傍を拡大してゴム状合成樹脂層１１０の充填
状態を示した拡大図で、この実施例における絶縁耐圧
は、通電部１０３と取付基板１０１との間の絶縁距離に
よって定まるが、このとき、この絶縁距離が最小になる
のは、通電部１０３の直下の部分になる。
【００２６】しかしながら、この部分には絶縁基板１０
２があるので、その厚さを、例えば０.６３５mmとする
ことにより、この部分での絶縁耐圧としては、実効電圧
で１００００Ｖ以上を容易に得ることができる。
２があるので、その厚さを、例えば０.６３５mmとする
ことにより、この部分での絶縁耐圧としては、実効電圧
で１００００Ｖ以上を容易に得ることができる。
【００２７】一方、次に、この実施例で、必要な絶縁耐
圧を得るために考慮しなければならない部分は、通電部
１０３と取付基板１０１との間の沿面距離である。そし
て、この沿面距離をＬとすれば、これは、図示したよう
に、通電部１０３の端部から露出した絶縁基板１０２の
端部の長さＬ１と、その厚さＬ２との和、つまり、Ｌ＝
Ｌ１＋Ｌ２となる。
圧を得るために考慮しなければならない部分は、通電部
１０３と取付基板１０１との間の沿面距離である。そし
て、この沿面距離をＬとすれば、これは、図示したよう
に、通電部１０３の端部から露出した絶縁基板１０２の
端部の長さＬ１と、その厚さＬ２との和、つまり、Ｌ＝
Ｌ１＋Ｌ２となる。
【００２８】そして、この実施例では、ここにはゴム状
合成樹脂層１１０が被覆されているので、この材質を上
記したように、シリコーンゴムとした場合、沿面距離Ｌ
として、２mm以上を設定することにより、実効電圧５４
００Ｖ以上の絶縁耐圧を安定して得ることができる。従
って、上記したように、絶縁基板１０２の厚さＬ２を
０.６３５mmとした場合には、長さＬ１として、１.３６
５mm以上が与えられるようにしてやればよいことにな
る。
合成樹脂層１１０が被覆されているので、この材質を上
記したように、シリコーンゴムとした場合、沿面距離Ｌ
として、２mm以上を設定することにより、実効電圧５４
００Ｖ以上の絶縁耐圧を安定して得ることができる。従
って、上記したように、絶縁基板１０２の厚さＬ２を
０.６３５mmとした場合には、長さＬ１として、１.３６
５mm以上が与えられるようにしてやればよいことにな
る。
【００２９】また、この実施例では、図１、図２、それ
に図４から明らかなように、ゴム状合成樹脂層１１０
は、ケース１０９と取付基板１０１の接着部１１３をも
覆って設けられており、しかも、その接着強度が高いの
で、モジュールの組立工程、或いは完成品を使用してい
るときでの温度変化によるケース１０９の内圧変化に際
しても、ケース１０９と取付基板１０１の接着部１１３
で剥離が発生する虞れがほとんど無く、また、多少の剥
離に際しても、ゴム状合成樹脂層１１０に亀裂を生じる
ことはないから、水分が侵入する虞れは無く、従って、
耐湿性が充分に保持されるので、絶縁特性や素子特性の
劣化が無く、確実に高い信頼性を得ることができる。
に図４から明らかなように、ゴム状合成樹脂層１１０
は、ケース１０９と取付基板１０１の接着部１１３をも
覆って設けられており、しかも、その接着強度が高いの
で、モジュールの組立工程、或いは完成品を使用してい
るときでの温度変化によるケース１０９の内圧変化に際
しても、ケース１０９と取付基板１０１の接着部１１３
で剥離が発生する虞れがほとんど無く、また、多少の剥
離に際しても、ゴム状合成樹脂層１１０に亀裂を生じる
ことはないから、水分が侵入する虞れは無く、従って、
耐湿性が充分に保持されるので、絶縁特性や素子特性の
劣化が無く、確実に高い信頼性を得ることができる。
【００３０】一方、この実施例では、ゴム状合成樹脂層
１１０が金属板１０５の周辺部に限定して設けてあり、
半導体素子１０４の表面には施されていない。このた
め、温度変化に際して、このゴム状合成樹脂層１１０に
応力が発生しても、ワイヤ１０７に応力が与えられるこ
とは無く、従って、ワイヤの剥離による断線故障の虞れ
を充分に除くことができる。
１１０が金属板１０５の周辺部に限定して設けてあり、
半導体素子１０４の表面には施されていない。このた
め、温度変化に際して、このゴム状合成樹脂層１１０に
応力が発生しても、ワイヤ１０７に応力が与えられるこ
とは無く、従って、ワイヤの剥離による断線故障の虞れ
を充分に除くことができる。
【００３１】なお、このめには、ゴム状合成樹脂の注入
量を厳密に管理する必要があるが、この実施例によれ
ば、金属板１０５が設けられているので、その厚みを、
例えば１mm以上にしてやれば、半導体素子１０４の位置
や、この金属板１０５に対する電極端子１０６の取付位
置は、絶縁基板１０２よりも充分に高い位置にすること
ができるので、ゴム状合成樹脂層１１０の厚さが多少変
動しても問題がなく、従って、ゴム状合成樹脂の注入量
の管理に厳密さが要求されず、適当な注入作業によって
も充分に所期の性能を得ることができるという利点があ
る。
量を厳密に管理する必要があるが、この実施例によれ
ば、金属板１０５が設けられているので、その厚みを、
例えば１mm以上にしてやれば、半導体素子１０４の位置
や、この金属板１０５に対する電極端子１０６の取付位
置は、絶縁基板１０２よりも充分に高い位置にすること
ができるので、ゴム状合成樹脂層１１０の厚さが多少変
動しても問題がなく、従って、ゴム状合成樹脂の注入量
の管理に厳密さが要求されず、適当な注入作業によって
も充分に所期の性能を得ることができるという利点があ
る。
【００３２】ところで、この実施例におけるゴム状合成
樹脂層１１０の材質としては、上記したように、シリコ
ーン系の合成樹脂を用いればよいが、ポリイミド系の合
成樹脂を用いて実施してもよい。
樹脂層１１０の材質としては、上記したように、シリコ
ーン系の合成樹脂を用いればよいが、ポリイミド系の合
成樹脂を用いて実施してもよい。
【００３３】また、上記実施例では、ゲル状合成樹脂層
１１１の上に更に硬質合成樹脂層１１２が封入されてい
るが、本発明は、この硬質合成樹脂層１１２を省いた構
成にしても実施可能である。
１１１の上に更に硬質合成樹脂層１１２が封入されてい
るが、本発明は、この硬質合成樹脂層１１２を省いた構
成にしても実施可能である。
【００３４】次に、図５は、本発明の他の一実施例で、
この実施例では、図１、図２の実施例における絶縁基板
１０２と金属板１０５に代えて、絶縁基板上に予め金属
板をロウ付けした、いわゆるＤＢＣ(ダイレクト・ボン
デッド・カッパー)基板１０２Ａを用いたものである。
この実施例では、図１、図２の実施例における絶縁基板
１０２と金属板１０５に代えて、絶縁基板上に予め金属
板をロウ付けした、いわゆるＤＢＣ(ダイレクト・ボン
デッド・カッパー)基板１０２Ａを用いたものである。
【００３５】そして、この結果、この実施例では、半導
体素子１０４がロウ付けされた金属板が台形になってい
ない平坦な形状になっていて、しかも、その厚さが薄く
なっているので、ゴム状合成樹脂層１１０の断面の形状
を、図示のように成形したものである。
体素子１０４がロウ付けされた金属板が台形になってい
ない平坦な形状になっていて、しかも、その厚さが薄く
なっているので、ゴム状合成樹脂層１１０の断面の形状
を、図示のように成形したものである。
【００３６】次に、図６と図７は、本発明をＩＧＢＴパ
ワーモジュールとして実施した場合の一実施例で、図６
は断面図で、そのＢ−Ｂ'線による断面で示した平面図
が図７である。この実施例は、例えばインバータ装置の
スイッチング素子として好適なＩＧＢＴパワーモジュー
ルであり、このため、特に図７から明らかなように、６
個のＩＧＢＴ半導体素子１０４Ａと、２個のダイオード
半導体素子１０４Ｂが搭載されており、ここで半導体素
子１０４Ａがスイッチング素子用で、半導体素子１０４
Ｂがフライホィールダイオード用である。
ワーモジュールとして実施した場合の一実施例で、図６
は断面図で、そのＢ−Ｂ'線による断面で示した平面図
が図７である。この実施例は、例えばインバータ装置の
スイッチング素子として好適なＩＧＢＴパワーモジュー
ルであり、このため、特に図７から明らかなように、６
個のＩＧＢＴ半導体素子１０４Ａと、２個のダイオード
半導体素子１０４Ｂが搭載されており、ここで半導体素
子１０４Ａがスイッチング素子用で、半導体素子１０４
Ｂがフライホィールダイオード用である。
【００３７】そして、この実施例でも、その他の構成
は、図１と図２で説明した実施例と同じで、ゴム状合成
樹脂層１１０が設けてあり、従って、この実施例によっ
ても、モジュールの組立工程、或いは完成品を使用して
いるときでの温度変化によるケース１０９の内圧変化に
際しても、ケース１０９と取付基板１０１の接着部１１
３で剥離が発生する虞れがほとんど無く、また、多少の
剥離に際しても、ゴム状合成樹脂層１１０に亀裂を生じ
ることはないから、水分が侵入する虞れは無く、このた
め、耐湿性が充分に保持されるので、絶縁特性や素子特
性の劣化が無く、確実に高い信頼性を得ることができ
る。
は、図１と図２で説明した実施例と同じで、ゴム状合成
樹脂層１１０が設けてあり、従って、この実施例によっ
ても、モジュールの組立工程、或いは完成品を使用して
いるときでの温度変化によるケース１０９の内圧変化に
際しても、ケース１０９と取付基板１０１の接着部１１
３で剥離が発生する虞れがほとんど無く、また、多少の
剥離に際しても、ゴム状合成樹脂層１１０に亀裂を生じ
ることはないから、水分が侵入する虞れは無く、このた
め、耐湿性が充分に保持されるので、絶縁特性や素子特
性の劣化が無く、確実に高い信頼性を得ることができ
る。
【００３８】次に、図８と図９は、図１と図２で説明し
た実施例の一部を変更した場合の一実施例で、図８は断
面図で、そのＣ−Ｃ'線による断面で示した平面図が図
９である。そして、この図８と図９の実施例が、図１と
図２の実施例と異なる点は、ゴム状合成樹脂層１１０を
設けた範囲が金属板１０５の周辺部までに限定されてい
ないで、図示のように、半導体素子１０４の周辺端部か
ら上面の一部にまで及んでいて、そこにもゴム状合成樹
脂層１１０Ａが設けられている点だけで、その他の構成
は、図１、図２の実施例と同じである。
た実施例の一部を変更した場合の一実施例で、図８は断
面図で、そのＣ−Ｃ'線による断面で示した平面図が図
９である。そして、この図８と図９の実施例が、図１と
図２の実施例と異なる点は、ゴム状合成樹脂層１１０を
設けた範囲が金属板１０５の周辺部までに限定されてい
ないで、図示のように、半導体素子１０４の周辺端部か
ら上面の一部にまで及んでいて、そこにもゴム状合成樹
脂層１１０Ａが設けられている点だけで、その他の構成
は、図１、図２の実施例と同じである。
【００３９】半導体素子１０４は、図１、図２の実施例
で説明したように、ダイオード素子であり、従って、そ
の周辺端面にｐｎ接合からなるプレーナーターミネーシ
ョン領域を有する。そして、このプレーナーターミネー
ション領域の厚さ寸法は、素子の耐圧値によって異なっ
ているが、通例、１mm前後であり、この領域で１０００
Ｖから４０００Ｖの素子耐圧を受け持っており、従っ
て、水分などによる影響が著しく、素子耐圧の劣化が極
めて生じ易い。
で説明したように、ダイオード素子であり、従って、そ
の周辺端面にｐｎ接合からなるプレーナーターミネーシ
ョン領域を有する。そして、このプレーナーターミネー
ション領域の厚さ寸法は、素子の耐圧値によって異なっ
ているが、通例、１mm前後であり、この領域で１０００
Ｖから４０００Ｖの素子耐圧を受け持っており、従っ
て、水分などによる影響が著しく、素子耐圧の劣化が極
めて生じ易い。
【００４０】しかるに、この実施例では、ゴム状合成樹
脂層１１０が半導体素子１０４のプレーナーターミネー
ション領域から、その上の面にまで達していて、そこに
ゴム状合成樹脂層１１０Ａが形成されており、従って、
このプレーナーターミネーション領域は水分などの侵入
から充分に保護されることになり、このため、さらに高
い信頼性を得ることができる。
脂層１１０が半導体素子１０４のプレーナーターミネー
ション領域から、その上の面にまで達していて、そこに
ゴム状合成樹脂層１１０Ａが形成されており、従って、
このプレーナーターミネーション領域は水分などの侵入
から充分に保護されることになり、このため、さらに高
い信頼性を得ることができる。
【００４１】次に、図１２は、本発明の更に別の一実施
例で、図において、１２０は仕切部材で、その他の構成
は図１、図２に示した実施例と同じである。
例で、図において、１２０は仕切部材で、その他の構成
は図１、図２に示した実施例と同じである。
【００４２】仕切部材１２０は、例えばケース１０９と
同じ材質の合成樹脂材料により、図で上から見た平面形
状が金属板１０５とほぼ同じ形状の枠状に作られてお
り、これにより金属板１０５の周辺部の外側と内側を区
画する働きをするようにしてある。そして、この仕切部
材１２０は、金属板１０５の上に載置され、その外側に
ゴム状合成樹脂を選択的に注入してゴム状合成樹脂層１
１０を形成することにより、モジュールの中に固定され
るようになっている。
同じ材質の合成樹脂材料により、図で上から見た平面形
状が金属板１０５とほぼ同じ形状の枠状に作られてお
り、これにより金属板１０５の周辺部の外側と内側を区
画する働きをするようにしてある。そして、この仕切部
材１２０は、金属板１０５の上に載置され、その外側に
ゴム状合成樹脂を選択的に注入してゴム状合成樹脂層１
１０を形成することにより、モジュールの中に固定され
るようになっている。
【００４３】そして、この後、仕切部材１２０の内側に
ゲル状合成樹脂を注入して、半導体素子１０４を含む通
電部全体をゲル状合成樹脂層１１１で覆い、さらにその
後、硬質合成樹脂層１１２を形成してモジュールを完成
するのである。
ゲル状合成樹脂を注入して、半導体素子１０４を含む通
電部全体をゲル状合成樹脂層１１１で覆い、さらにその
後、硬質合成樹脂層１１２を形成してモジュールを完成
するのである。
【００４４】この実施例によれば、ゲル状合成樹脂層１
１１の注入範囲が限定できるので、熱膨張係数の大きな
ゴム状合成樹脂層１１０とゲル状合成樹脂層１１１の総
量（体積)を減らすことができ、この結果、半導体素子
１０４の発熱による内部温度上昇時での内圧の増加が抑
えられ、半田接合部などへの応力が緩和されることによ
る信頼性の向上が得られる。
１１の注入範囲が限定できるので、熱膨張係数の大きな
ゴム状合成樹脂層１１０とゲル状合成樹脂層１１１の総
量（体積)を減らすことができ、この結果、半導体素子
１０４の発熱による内部温度上昇時での内圧の増加が抑
えられ、半田接合部などへの応力が緩和されることによ
る信頼性の向上が得られる。
【００４５】なお、この実施例でも、図８、図９の実施
例と同様に、半導体素子１０４の周辺部までゴム状合成
樹脂層１１０を設けるようにしてもよい。また、硬質合
成樹脂層１１２を設けないようにして実施してもよい。
例と同様に、半導体素子１０４の周辺部までゴム状合成
樹脂層１１０を設けるようにしてもよい。また、硬質合
成樹脂層１１２を設けないようにして実施してもよい。
【００４６】ところで、以上の説明では、特に言及しな
かったが、取付基板１０１と絶縁基板１０２の表面、そ
れにケース１０９の内面で、少なくともゲル状合成樹脂
に触れる部分の面を粗く加工しておくようにしてもよ
い。この場合には、ゲル状合成樹脂層との接合状態が良
好になるため、さらに優れた保護特性を得ることができ
る。
かったが、取付基板１０１と絶縁基板１０２の表面、そ
れにケース１０９の内面で、少なくともゲル状合成樹脂
に触れる部分の面を粗く加工しておくようにしてもよ
い。この場合には、ゲル状合成樹脂層との接合状態が良
好になるため、さらに優れた保護特性を得ることができ
る。
【００４７】また、上記実施例においては、ゴム状合成
樹脂層１１０が金属板１０５の周辺部の端面にまで設け
られているが、本発明の実施例としては、取付基板１０
１とケース１０９の接合部１０８の内面にだけゴム状合
成樹脂層を設け、他の部分には、硬質合成樹脂を被覆し
た構造にしても良い。この実施例の場合には、モジュー
ルの機械的強度が大きく向上するので、後述する縦置き
配置に適したものとすることができる。
樹脂層１１０が金属板１０５の周辺部の端面にまで設け
られているが、本発明の実施例としては、取付基板１０
１とケース１０９の接合部１０８の内面にだけゴム状合
成樹脂層を設け、他の部分には、硬質合成樹脂を被覆し
た構造にしても良い。この実施例の場合には、モジュー
ルの機械的強度が大きく向上するので、後述する縦置き
配置に適したものとすることができる。
【００４８】以上の説明から明らかなように、本発明に
よるパワー半導体モジュールによれば、モジュールの内
部で安定した高耐圧絶縁特性と耐湿性が得られているの
で、電力装置などに組み込んだとき、従来の平型素子な
どのように、素子外部に必要とした絶縁構造が不要にな
り、このため、システム構成が単純化され、組立が簡略
化されると共に、保守も容易になるという利点が得られ
る。例えば、車両用インバータ装置に本発明のパワー半
導体モジュールを適用した場合には、従来の平型素子で
必要とした圧接構造及び圧接組立工程が不要になる。
よるパワー半導体モジュールによれば、モジュールの内
部で安定した高耐圧絶縁特性と耐湿性が得られているの
で、電力装置などに組み込んだとき、従来の平型素子な
どのように、素子外部に必要とした絶縁構造が不要にな
り、このため、システム構成が単純化され、組立が簡略
化されると共に、保守も容易になるという利点が得られ
る。例えば、車両用インバータ装置に本発明のパワー半
導体モジュールを適用した場合には、従来の平型素子で
必要とした圧接構造及び圧接組立工程が不要になる。
【００４９】次に、図１１は、本発明によるパワー半導
体モジュールＭを、インバータ装置などのシステムに適
用した場合の配置状態を示す一実施例で、図において、
ＨＳはヒートシンクである。なお、１０１は、上記した
ように、パワー半導体モジュールＭの取付基板である。
従来のパワー半導体モジュールでは、通常、モジュール
の取付基板を下にして水平に配置している。従って、こ
の場合には、取付基板の底面は、重力方向に対して直角
に配置されている。
体モジュールＭを、インバータ装置などのシステムに適
用した場合の配置状態を示す一実施例で、図において、
ＨＳはヒートシンクである。なお、１０１は、上記した
ように、パワー半導体モジュールＭの取付基板である。
従来のパワー半導体モジュールでは、通常、モジュール
の取付基板を下にして水平に配置している。従って、こ
の場合には、取付基板の底面は、重力方向に対して直角
に配置されている。
【００５０】しかして、この図１１の実施例では、図示
のように、パワー半導体モジュールＭの取付基板１０１
が、縦になっているヒートシンクＳＭの取付面に固定さ
れていて、取付基板１０１の底面は、重力方向と平行に
なっている。
のように、パワー半導体モジュールＭの取付基板１０１
が、縦になっているヒートシンクＳＭの取付面に固定さ
れていて、取付基板１０１の底面は、重力方向と平行に
なっている。
【００５１】そして、このように、取付基板１０１の底
面が重力方向と平行にして配置した場合、従来技術によ
るモジュールでは、半田接合された通電部など、モジュ
ール内部の構成部品がゲル状合成樹脂で被覆されている
だけなので、重力による力が半田接合部分に対して剪断
応力として常時作用した結果、半田のクリープにより接
合部で亀裂が発生する虞れがあり、信頼性の低下につな
がってしまう。
面が重力方向と平行にして配置した場合、従来技術によ
るモジュールでは、半田接合された通電部など、モジュ
ール内部の構成部品がゲル状合成樹脂で被覆されている
だけなので、重力による力が半田接合部分に対して剪断
応力として常時作用した結果、半田のクリープにより接
合部で亀裂が発生する虞れがあり、信頼性の低下につな
がってしまう。
【００５２】一方、本発明によるパワー半導体モジュー
ルＭの場合には、上記したように、ゴム状合成樹脂層１
１０が設けてあるため、これによる固定作用が得られる
ことになり、モジュール内部の構成部品の固定が充分に
与えられている。そこで、この結果、半田接合された通
電部などでの重力による剪断応力の発生が充分に抑えら
れるので、縦配置した場合でも充分に高い信頼性を保つ
ことができ、従って、本発明によるパワー半導体モジュ
ールを用いた場合には、縦配置により車両用インバータ
装置を充分に小型化することができる。
ルＭの場合には、上記したように、ゴム状合成樹脂層１
１０が設けてあるため、これによる固定作用が得られる
ことになり、モジュール内部の構成部品の固定が充分に
与えられている。そこで、この結果、半田接合された通
電部などでの重力による剪断応力の発生が充分に抑えら
れるので、縦配置した場合でも充分に高い信頼性を保つ
ことができ、従って、本発明によるパワー半導体モジュ
ールを用いた場合には、縦配置により車両用インバータ
装置を充分に小型化することができる。
【００５３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
取付基板とケースの接着部分での剥離発生が充分に抑え
られるので、水分の侵入などによる絶縁耐圧特性や素子
特性の劣化を生じすることがなくなり、高い信頼性を備
えた高耐圧半導体装置を容易にモジュール化することが
できる。
取付基板とケースの接着部分での剥離発生が充分に抑え
られるので、水分の侵入などによる絶縁耐圧特性や素子
特性の劣化を生じすることがなくなり、高い信頼性を備
えた高耐圧半導体装置を容易にモジュール化することが
できる。
【図１】本発明によるパワー半導体モジュールの一実施
例を示す断面図である。
例を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ'線から見た内部の平面図であ
る。
る。
【図３】パワー半導体モジュールの従来例を示す断面図
である。
である。
【図４】本発明の一実施例の一部を拡大して示した断面
図である。
図である。
【図５】本発明の第二の実施例を示す断面図である。
【図６】本発明の第三の実施例を示す断面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ'線から見た内部の平面図であ
る。
る。
【図８】本発明の第四の実施例を示す断面図である。
【図９】図８のＣ−Ｃ'線から見た内部の平面図であ
る。
る。
【図１０】本発明の第五の実施例を示す断面図である。
【図１１】本発明によるパワー半導体モジュールの配置
状態の一例を示す説明図である。
状態の一例を示す説明図である。
１０１ 取付基板 １０２ 絶縁基板 １０３ 通電部 １０４ 半導体素子 １０５ 金属板 １０６ 電極端子 １０７ ワイヤ １０８ 接着剤 １０９ ケース １１０ ゴム状合成樹脂層 １１１ ゲル状合成樹脂層 １１２ 硬質合成樹脂
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 脇澤 祐二 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内
Claims (6)
- 【請求項１】 半導体素子と電極端子が取付けられた通
電部を、絶縁基板を介して取付基板に積層し、該取付基
板の周辺部に合成樹脂製のケースを接着して上記通電部
を封止する方式のパワー半導体モジュールにおいて、上
記取付基板に対する上記ケースの接着部分の内面にゴム
状合成樹脂の被覆が設けられていることを特徴とするパ
ワー半導体モジュール。 - 【請求項２】 請求項１の発明において、上記ゴム状合
成樹脂の被覆が、上記取付基板の周辺部から上記絶縁基
板の周辺部の端面を経て少なくとも上記通電部の周辺部
の端面に至る沿面に設けられていることを特徴とするパ
ワー半導体モジュール。 - 【請求項３】 請求項１又は請求項２の発明において、
上記通電部の少なくとも上記半導体素子の表面を覆うよ
うにして上記ケース内にゲル状合成樹脂が封入されてい
ることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 【請求項４】 請求項２の発明において、上記ゴム状合
成樹脂の被覆が、少なくとも上記半導体素子のプレーナ
ーターミネーション領域にまで達していることを特徴と
するパワー半導体モジュール。 - 【請求項５】 請求項２の発明において、上記沿面の長
さが少なくとも２mmになるように構成されていることを
特徴とするパワー半導体モジュール。 - 【請求項６】 請求項１乃至請求項５の発明によるパワ
ー半導体モジュールを用いて構成したことを特徴とする
車両用インバータ装置。
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