JP6815207B2 - パワー半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体装置及びその製造方法に関し、特に車載用電力変換装置に用いられるパワー半導体装置及びその製造方法に関する。

近年、地球規模での環境や資源問題がクローズアップされており、資源の有効活用、省エネルギー化の推進、地球温暖化ガスの排出を抑制するため、パワー半導体素子を用いた電力変換装置が民生用、車載用、鉄道用、産業用、インフラ用などの分野に利用されている。

例えば車載用で見ると、モータで駆動する電気自動車（ＥＶ）や、モータ駆動とエンジン駆動を組み合わせたハイブリッドカー（ＨＥＶ）などがある。これらＥＶやＨＥＶでは、バッテリーの直流電圧を、パワー半導体素子をスイッチングすることにより、擬似的な交流電圧を作りだし、高効率にモータを駆動できる。

このパワー半導体素子は通電により発熱するため、高い放熱性が求められる。通常、放熱には、フィンを有する金属製の冷却体を用い、電位の安定化や、感電防止を目的としてグラウンド（ＧＮＤ）に接地する。このため、パワー半導体素子と冷却体との間には絶縁部材が必要であり、絶縁部材には優れた熱伝導性と高い絶縁信頼性が必要とされる。

放熱性を向上する手段としては、例えば特許文献１に示されるような、半導体素子を内蔵した回路体と放熱体の間に絶縁層が配置され、半導体素子の発熱を絶縁層を介して放熱体に逃がす構造のパワー半導体装置が知られている。

特許文献１に記載されたパワー半導体装置は、パワー半導体素子を内蔵した回路体と冷却体の間に絶縁シートを配置することで、パワー半導体素子と冷却体の間の熱伝導性と絶縁性を有している。また、冷却体を含む金属ケース部材の構造を工夫することで、冷却体と回路体との離間抑制を図っている。

しかし、絶縁シートと被覆材間の離間に関しての抑制効果は不明である。絶縁シートと被覆材間が離間した場合のパワー半導体装置の絶縁信頼性に対する更なる向上が求められている。

特開２０１６−３９２２４号公報

そこで本発明の課題は、絶縁シートと被覆材間の密着力、接着力を向上させ、絶縁シートと被覆材との離間を抑制し、絶縁信頼性を向上させることである。

上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体装置では、パワー半導体素子を有する回路体と、前記回路体と対向する冷却体と、前記回路体と前記冷却体の間の空間に配置されかつ無機フィラーを含有する絶縁シートと、前記回路体と前記冷却体と前記絶縁シートに接する被覆材と、を備え、前記回路体と前記絶縁シートとの接触面の直角方向から見た場合、前記絶縁シートは前記回路体と前記冷却体よりも小さく形成された辺を有し、前記絶縁シートの前記辺は、前記被覆材が噛み込まれるような凹凸型に形成する。

本発明により、パワー半導体装置の絶縁信頼性を向上させることができる。

比較例としてのパワー半導体装置の断面構造図である。 図１の点線四角部の拡大断面図である。 図２において絶縁シート１１０Ａが冷却体１０８Ａから剥離した状態と、絶縁シート１０８Ｂが回路体１５０から剥離した状態を示す拡大断面図である。 本実施例のパワー半導体装置１００の断面構造図である。 パワー半導体装置１００の絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂの部分に着目した内部平面図である。 絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂの外形に凹凸型を形成するメカニズムを説明するための図であり、絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂを押圧する前の状態を示す。 絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂの外形に凹凸型を形成するメカニズムを説明するための図であり、絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂを押圧した後の状態を示す。 図４の本実施例のパワー半導体装置１００のＢ部の拡大断面図である。 パワー半導体装置１００の回路体１５０の断面構造図である。 実施例及び比較例に対し、温度サイクル試験を実施し、所定サイクル毎にパワー半導体装置の部分放電開始電圧を測定した結果を示す図である。

以下、本実施形態の課題及び原理を説明するために、比較例の図面を用いて説明する。図１は、比較例としてのパワー半導体装置１００の断面構造図である。図２は、図１の点線四角部の拡大断面図である。図３は、図２において絶縁シート１１０Ａが冷却体１０８Ａから剥離した状態と、絶縁シート１１０Ｂが回路体１５０から剥離した状態を示す拡大断面図である。

回路体１５０と冷却体１０８Ａ及び冷却体１０８Ｂとの間に絶縁シート１１０Ａと絶縁シート１１０Ｂが配置される。回路体１５０と絶縁シート１１０Ａとの接触面の直角方向から見た場合、絶縁シート１１０Ａと回路体１５０はほぼ等しいか、もしくは絶縁シート１１０Ａは回路体１５０よりも大きく形成された辺を有していた。

絶縁シート１１０Ａの回路体１５０との接触面と、絶縁シート１１０Ａの冷却体１０８Ａとの接触面に直角方向になる絶縁シート１１０Ａの外形側面には、被覆材（例えばポッティング樹脂）が形成される。

絶縁シート１１０Ａの外形は、パワー半導体装置１００に必要なサイズの絶縁シートよりもより大きなサイズの絶縁シートから、パワー半導体装置に必要なサイズの絶縁シートに切断されるため、絶縁シートの外形は、一般的に凹凸のない直線状の形状を有している。

このような絶縁シートの外形が略直線形状であると、絶縁シート１１０Ａ、１１０Ｂと被覆材１１１の接合する力が小さくなり、絶縁シート１１０Ａ、１１０Ｂの外形側面と被覆材１１１との間で離間（図２の１２０Ａ及び１２０Ｂ）する可能性が高くなる。

また、絶縁シート１１０Ａ、１１０Ｂの外形側面と被覆材１１１との間で、もし離間が生じた場合、その離間が絶縁シート１１０Ａ、１１０Ｂと回路体１５０、絶縁シート１１０Ａ、１１０Ｂと冷却体１０８Ａ、１０８Ｂ間の離間（図３の１２１と１２２）に広がる可能性がある。

絶縁シート１１０Ａ、１１０Ｂは放熱性を高めるため薄く形成されるが、回路体１５０と冷却体１０８Ａ、１０８Ｂ間の絶縁の役割を担っており、絶縁シート１１０Ａ、１１０Ｂと回路体１５０との間、絶縁シート１１０Ａ、１１０Ｂを冷却体１０８Ａ、１０８Ｂとの間が離間した場合、その離間した空間で、部分放電を発生させる場合もある。

そこで本実施形態では、回路体１５０と絶縁シート１１０Ａ、１１０Ｂとの接触面の直角方向から見た場合、絶縁シート１１０Ａ、１１０Ｂは回路体１５０と冷却体１０８Ａ、１０８Ｂよりも小さく形成された辺を有し、絶縁シート１１０Ａ、１１０Ｂの前記辺は、被覆材１１１が噛み込まれるような凹凸型に形成している。

実施例について、図４から図９を用いながら説明する。

図４は、本実施例のパワー半導体装置１００の断面構造図である。図５は、パワー半導体装置１００の絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂの部分に着目した内部平面図である。図６は、絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂの外形に凹凸型を形成するメカニズムを説明するための図であり、絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂを押圧する前の状態を示す。図７は、絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂの外形に凹凸型を形成するメカニズムを説明するための図であり、絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂを押圧した後の状態を示す。図８は、図１の本実施例のパワー半導体装置１００のＢ部の拡大断面図である。また、図９は、パワー半導体装置１００の回路体１５０の断面構造図である。

実施例のパワー半導体装置の作製方法について以下説明する。

まず図９を用いて、回路体１５０の作製方法について説明する。

パワー半導体素子１０１は、導体板１０２Ａ及び導体板１０２Ｂに接合材１０３Ａ及び接合材１０３Ｂを介して固着される。 導体板１０２Ａ及び導体板１０２Ｂは、例えば銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成されている。 接合材１０３Ａ及び接合材１０３Ｂは、主に半田が使用されるが、樹脂中に銀などの金属粉を分散させた導電ペーストなども使われる。 パワー半導体素子１０１としては、ＩＧＢＴやダイオードがあり、現状主にＳｉデバイスが使用されているが、ＳｉＣなどのデバイスを用いることができる。

そして、パワー半導体素子１０１と導体板１０２Ａと導体板１０２Ｂを封止樹脂１０６を用いてトランスファーモールド等の技術により封止し、回路体１５０が完成する。

封止樹脂１０６としては、通常エポキシ樹脂を主体とする樹脂が使用され、他の部材との熱応力を小さくするため、熱膨張率の調整のためシリカやアルミナなどのフィラーを樹脂中に分散させたものが使われる。

入出力端子１０４は、その一部が封止樹脂１０６から突出する。

続いて図４から図８を用いてパワー半導体装置１００の作製方法について説明する。図４においてケース１０９は、外周に放熱フィン１０７を形成した冷却体１０８Ａ及び冷却体１０８Ｂと、側壁部と、回路体１５０を挿入するための挿入口を形成するシール部と、から構成する。

ケース１０９の内部に、回路体１５０の導体板１０２Ａ及び導体板１０２Ｂが露出している面の両面に絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂを配置した状態で回路体１５０を挿入する。

ここで、冷却体１０８Ａ、冷却体１０８Ｂ、絶縁シート１１０Ａ、絶縁シート１１０Ｂと回路体１５０の配置関係について説明する。図４のように、回路体１５０と絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂとの接触面の直角方向から見た場合、絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂは回路体１５０と冷却体１０８Ａ及び冷却体１０８Ｂよりも小さく形成された辺を有するようにする。

図５を用いて、接触面の直角方向から見た場合の配置関係について説明する。最外周の破線１０８Ａ’及び１０８Ｂ’は冷却体１０８Ａ及び１０８Ｂの外周形状を示す。実線１５０Ａは、回路体１５０の絶縁シート１１０Ａ又は絶縁シート１１０Ｂとの接触面の外周形状を示す。

内周側の破線１１０Ａ’及び１１０Ｂ’は、プレスにより押圧する前の絶縁シート１１０Ａ又は絶縁シート１１０Ｂの外周形状を示す。また、最内周側の点線は、導体板１０２Ａ及び１０２Ｂが封止樹脂１０６から露出した状態を示す。

絶縁シートの外形１１０Ａ’、１１０Ｂ’は、冷却体の内壁面外形１０８Ａ’、１０８Ｂ’と回路体１５０の絶縁シートとの接触面１５０Ａよりも小さくなるように形成する。

また、プレスにより押圧する前の絶縁シート１１０Ａの外周形状１１０Ａ’及びプレスにより押圧する前の絶縁シート１１０Ｂの外周形状１１０Ｂ’は、導体板１０２Ａ及び１０２Ｂの外形よりも大きくなるように形成する。

ケース１０９内に回路体１５０と絶縁シート１１０Ａ及び絶縁シート１１０Ｂを上記所定の位置に配置させた後、これらを真空プレス機にセットし、冷却体１０８Ａ及び１０８Ｂの放熱フィン１０７側を高温下で押圧する。これにより、冷却体１０８Ａと絶縁シート１１０Ａの間と、絶縁シート１１０Ａと回路体１５０との間と、冷却体１０８Ｂと絶縁シート１１０Ｂの間と、さらに絶縁シート１１０Ｂと回路体１５０との間とを接着させる。この押圧の工程により、絶縁シート１１０Ａまたは絶縁シート１１０Ｂの外形には、図５に示すような凹凸形状１１０Ａ’’及び１１０Ｂ’’が形成される。

図６及び図７を用いて絶縁シート１１０Ａ及び１１０Ｂの外周に形成される凹凸形状１１０Ａ’’及び１１０Ｂ’’の形成メカニズムを説明する。

図６及び図７は、冷却体１０８Ａまたは冷却体１０８Ｂの押圧する方向から見た絶縁シート１１０（絶縁シート１１０Ａ又は１１０Ｂ）の表面模式図である。

図６は押圧する前、図７は押圧後の状態を表しており、それぞれの図において図の下側の辺が絶縁シート１１０の外周形状の状態を表している。

図６及び図７において絶縁シート１１０は、樹脂１３２中に粒度が異なる無機フィラー１３１を分散含有させたもので構成される。

無機フィラー１３１としては、パワー半導体素子１０１の発熱を冷却体１０８Ａ及び１０８Ｂに放熱するため、熱伝導性が良いものが好ましく、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などが使用できる。

図６において、押圧の工程では、樹脂１３２が硬化する前の状態である絶縁シート１１０に熱を加え、樹脂１３２の粘度を低下させる。樹脂１３２の粘度が下がった状態で、冷却体１０８Ａまたは冷却体１０８Ｂのフィン放熱１０７側の面を押圧する。

絶縁シート１１０の外周形状１１０Ａ’及び１１０Ｂ’は冷却体１０８Ａまたは冷却体１０８Ｂの内壁面と回路体１５０の絶縁シート１１０との接触面よりも小さく形成されているため、絶縁シート１１０の外周形状１１０Ａ’及び１１０Ｂ’にも押圧がかかり、粘度が低下した状態の樹脂１３２に、絶縁シート１１０の外形方向に流れようとする力（ここでこの力を掃流力と呼ぶ）が働く。

この掃流力は、絶縁シート１１０の樹脂１３２の粘度と押圧する圧力で制御することができ、粘度が低く、圧力が高いほど掃流力を大きくすることができる。

この掃流力に対し、樹脂１３２中に分散させた無機フィラー１３１には抵抗力が働き、この抵抗力はフィラー１３１の粒径と重量に比例し、大きな無機フィラー１３１ほど抵抗力が大きくなる。掃流力から抵抗力を差し引いた力が絶縁シート１１０の外形方向へ樹脂１３２が流れる力となる。

図７は、押圧後の絶縁シート１１０の状態を表している。樹脂１３２や小さな無機フィラー１３１が分布している部分はより外形方向に押し出され、大きな無機フィラー１３１が分布している部分は押し出されず、結果として押圧後、絶縁シート１１０の外形に凹凸型を形成させることができる。

無機フィラー１３１の大きさによって掃流力に対する抵抗力が変化し、その差分が大きいほどより絶縁シート１１０の外形に形成される凹凸が大きくなる。このため、凹凸を形成するためには絶縁シート１１０中に粒径１０μｍ以上のフィラーを含有することが好ましい。

プレス押圧の状態で絶縁シート１１０の硬化がなされるまで所定時間保持した後、プレス機から回路体１５０、絶縁シート１１０、ケース１０９が一体形成されたものを取り出し、ケース１０９の端子側の開口部分から被覆材１１１（ポッティング樹脂）を流し込み、ケース１０９の内部空間に被覆材１１１を充填形成させる。

この時、絶縁シート１１０の外形の凹凸形状部分にも、図４に示される被覆材１１１が形成される。図９は、図４に示す本実施例のパワー半導体装置のＢ部における断面図である。図８に示されるように、樹脂１３２や小さな無機フィラー１３１が押圧された絶縁シート１１０の外形に被覆材１１１が噛み込まれるように形成される。

その後、高温槽内に置き、所定の条件で被覆材１１１を硬化させ、パワー半導体装置１００が完成する。

（温度サイクル試験）
実施例と図１に示した比較例のパワー半導体装置とを比較することにより本実施形態の効果を検証した。具体的には、パワー半導体装置１００の温度サイクル試験（ΔＴ＝１６５度）を実施し、所定サイクル毎の部分放電試験を実施することで評価した。

絶縁シート１１０の外形と被覆材１１１の離間が、絶縁シート１１０と冷却体１０８Ａ又は１０８Ｂとの離間、または絶縁シート１１０と回路体１５０との離間に進展し、その離間部に高電圧が印加されると部分放電という現象が生じる。

部分放電試験は、パワー半導体装置１００の全ての入出力端子１０４（交流出力端子１０４Ａ、直流出力端子１０４Ｂ、制御端子１０４Ｃ）を同電位となるよう短絡し、部分放電試験機にて入出力端子１０４とケース１０９との間に交流電圧を印加し、徐々に電圧を上昇させ部分放電の電荷量が５ｐＣを超えた時の電圧を部分放電開始電圧とした。なお、印加電圧の最大は２．５ｋＶｒｍｓとして、２．５ｋＶｒｍｓで部分放電が発生しないサンプルについては、グラフ化するため便宜上部分放電電圧を２．５ｋＶｒｍｓとした。

図１０に、実施例及び比較例に対し。温度サイクル試験を実施し、所定サイクル毎にパワー半導体装置の部分放電開始電圧を測定した結果を示す。図１０において、横軸は温度サイクルのサイクル数、縦軸は各温度サイクル時点での部分放電開始電圧を表す。

図１０から分かるように、実施例及び比較例のパワー半導体装置において、温度サイクル１５００サイクル経過時点では、印加電圧の最大値２．５ｋＶｒｍｓにおいても部分放電の発生は無かった。しかし、比較例では、温度サイクル２０００サイクル経過後において部分放電開始電圧は２．３ｋＶｒｍｓに低下した。その後も比較例においては、試験サイクルの経過と伴に部分放電開始電圧が低下した。この部分放電開始電圧の低下は、絶縁シート１１０の外形部と被覆材１１１との界面が離間し、その部分を起点として冷却体１０８Ａ又は１０８Ｂと絶縁シート１１０の離間に進展、その離間した空間に電界が集中し、部分放電が発生したためである。比較例では、絶縁シート１１０の外形部が直線形状であり、被覆材の密着（接着）強度が弱く、そのために離間が発生した。

これに対し、実施例では、温度サイクル４０００サイクル経過後も２．５ｋＶｒｍｓでの部分放電の発生は無かった。実施例では絶縁シート１１０の外形部に凹凸型を有し、その部分に被覆材１１１が噛み込むように形成されるため、絶縁シート１１０と被覆材１１１との密着（接着）強度が高くできる。

これにより、パワー半導体装置１００の動作、停止による温度変化によって生じる可能性のある絶縁シート１１０と被覆材１１１の離間を防止できる。この離間防止により、部分放電の発生を防止でき、信頼性の高いパワー半導体装置１００を得ることができる。

１００…パワー半導体装置、１０１…パワー半導体素子、１０２Ａ…導体板、１０２Ｂ…導体板、１０３Ａ…接合材、１０３Ｂ…接合材、１０４…入出力端子、１０４Ａ…交流出力端子、１０４Ｂ…直流入力端子、１０４Ｃ…制御端子、１０５…金属細線、１０６…封止樹脂、１０７…放熱フィン、１０８Ａ…冷却体、１０８Ａ’ …冷却体１０８Ａの外周形状、１０８Ｂ’ …冷却体１０８Ｂの外周形状、１０８Ｂ…冷却体、１０９…ケース、１１０Ａ…絶縁シート、１１０Ｂ…絶縁シート、１１０Ａ’ …プレスにより押圧する前の絶縁シート１１０Ａの外周形状、１１０Ｂ’ …プレスにより押圧する前の絶縁シート１１０Ｂの外周形状、１１０Ａ’’ …凹凸形状、１１０Ｂ’’ …凹凸形状、１１１…被覆材、１２０Ａ…絶縁シートと被覆材の離間、１２０Ｂ…絶縁シートと被覆材の離間、１２１…冷却体と絶縁シートの離間、１２２…回路体と絶縁シートの離間、１３１…無機フィラー１３２…樹脂、１５０…回路体、１５０Ａ…回路体１５０と絶縁シート１１０Ａ又は絶縁シート１１０Ｂとの接触面の外周形状

Claims (4)

1. パワー半導体素子を有する回路体と、
   前記回路体と対向する冷却体と、
   粒径が１０μｍよりも大きい大径フィラーと該大径フィラーよりも粒径が小さい小径フィラーとを含む無機フィラーが樹脂中に分散含有され、前記回路体と前記冷却体の間の空間に配置された絶縁シートと、
   前記回路体と前記冷却体と前記絶縁シートに接する被覆材と、を備え、
   前記回路体と前記絶縁シートとの接触面の直角方向から見た場合、前記絶縁シートは前記回路体と前記冷却体よりも小さく形成された辺を有し、
   前記絶縁シートの前記辺は、前記大径フィラーが分布している部分において前記接触面に沿う方向へ陥没する凹部が形成され、前記被覆材が噛み込まれるような凹凸型に形成されるパワー半導体装置。
2. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、
   前記回路体と前記絶縁シートとの接触面の直角方向から見た場合、前記絶縁シートは前記回路体の導体板よりも大きく形成された辺を有しているパワー半導体装置。
3. 請求項１または２に記載のパワー半導体装置において、
   前記小径フィラーは、少なくとも粒径が前記大径フィラーの半分以下であるパワー半導体装置。
4. 粒径が１０μｍよりも大きい大径フィラーと該大径フィラーよりも粒径が小さい小径フィラーとを含む無機フィラーを樹脂中に分散含有させた絶縁シートを、パワー半導体素子を有する回路体と冷却体により挟む第１工程と、
   未硬化状態の前記絶縁シートに熱を加えて当該絶縁シートを構成する樹脂の粘度を低下させた状態で、前記回路体又は前記冷却体を加圧することで、前記大径フィラーが分布している部分の間から当該樹脂と前記小径フィラーを流し出すことで前記絶縁シートの辺に凹凸型を形成する第２工程と、
   前記絶縁シートの前記凹凸型に被覆材を充填する第３工程と、を備えるパワー半導体装置の製造方法。

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