WO2013105351A1 - パワーモジュール - Google Patents

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inorganic
power module
metal
resin
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和明 直江
桂司 佐藤
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a power module.
  • Patent Document 1 a wiring conductive plate in which a semiconductor element is arranged on one main surface, a resin insulating layer arranged on the other main surface side of the wiring conductor plate, and the resin insulating layer through the resin insulating layer, An inorganic layer disposed on the opposite side of the wiring conductor plate and joined to the resin insulating layer; and the inorganic insulating layer disposed on the opposite side of the resin insulating layer via the inorganic layer; A power module including a metal heat dissipating member disposed on the opposite side of the inorganic layer via the inorganic insulating layer is described.
  • Patent Document 1 in order to improve the insulation reliability of the power module, the insulation reliability is improved by two insulating layers of an insulating sheet made of an epoxy resin containing a filler and an alumite layer formed on a metal heat dissipating member. ing.
  • the thermal conductivity of a resin sheet made of an organic component or a porous anodized layer is significantly lower than that of a metal conductor plate or a heat radiating member, and there is a problem that it is difficult to reduce the thermal resistance of the power module.
  • an object of the present invention is to provide a power module that reduces thermal resistance while maintaining insulation reliability.
  • the present application includes a plurality of means for solving the above-described problems.
  • a power module comprising: a metal conductor plate bonded to a layer through a resin layer; and a semiconductor element connected to the metal conductor plate by a bonding member.
  • an insulation having a metal cooling plate, an inorganic insulating portion formed on the metal cooling plate and made of an inorganic material, and an inorganic-organic mixed insulating portion containing an organic material in a void of the inorganic material.
  • a power module comprising a layer, a metal conductor plate bonded to the insulating layer via a resin layer, and a semiconductor element connected to the metal conductor plate by a bonding member.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a power module in Example 1.
  • FIG. It is a schematic diagram of Modification 1 of the power module in Embodiment 1.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a third modification of the power module in the first embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a fourth modification of the power module in the first embodiment.
  • FIG. It is a structure explanatory view of an aerosol deposition device.
  • 6 is a schematic diagram of an electronic circuit board in Example 4.
  • FIG. It is a schematic diagram of the inorganic material 20 directly formed on the metal cooling plate 1.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram of the insulating layer 2 which impregnated the space
  • 2 is a scanning electron microscope image of a dense region 210 having no voids in the inorganic material 20. It is a scanning electron microscope image of the area
  • FIG. 1 the schematic diagram of the power module in a present Example is shown.
  • the metal cooling plate 1 that radiates heat from the semiconductor element 6 is made of only inorganic components without containing a resin component, and the insulating layer 2 that insulates the metal cooling plate 1 from the semiconductor element 6 is directly formed without an adhesive layer.
  • the Metal fins for improving heat dissipation may be formed on one surface of the metal cooling plate 1 where the insulating layer 2 is not formed.
  • the inorganic material used for the insulating layer 2 any conventionally known material can be used as long as it is electrically insulating.
  • the insulating layer 2 may be a mixed film or a multilayer film. From the viewpoint of high thermal conductivity, SiC, AlN, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 and the like are desirable. Furthermore, Al 2 O 3 is most desirable in terms of handling in the air and manufacturing cost of the inorganic material. As shown in FIG. 2, the insulating layer 2 may be formed by being divided only into the bonded portion of the metal conductor plate. Thereby, the material used can be reduced and the material cost can be reduced.
  • the insulating layer 2 and the metal conductor plate 4 are bonded via the resin layer 3.
  • the resin layer 3 may be divided and formed only in the bonding portion with the metal conductor plate 4.
  • the material used can be reduced and the material cost can be reduced.
  • the resin include an epoxy resin, a phenol resin, a polyimide resin, a polyamideimide resin, and a silicon resin.
  • a resin coating method any conventionally known method such as a screen printing method, an ink jet method, a roll coater method, or a dispenser method can be used.
  • the resin layer 3 may be formed by placing a sheet-like resin between the insulating layer 2 and the metal conductor plate 4 and bonding them by thermocompression bonding.
  • the resin layer 3 By using a sheet having a desired thickness, it is easy to control the thickness of the resin layer 3.
  • the resin After applying the resin to the insulating layer 2 or the metal conductor plate 4, the resin is applied by heat, UV, laser, etc. with the insulating layer 2 and the metal conductor plate 4 bonded together. It needs to be cured.
  • the metal conductor plate 4 a metal plate made of Al alloy, Cu alloy or the like can be used.
  • the surface of the metal conductor plate 4 may be subjected to a surface treatment such as a plating treatment for rust prevention, a roughening treatment for improving the adhesive strength with the resin layer 3, or an oxidation treatment.
  • the semiconductor element 6 is connected to the metal conductor plate 4 via the bonding member 5.
  • Examples of the semiconductor element 6 include a power semiconductor element such as an IGBT that converts a direct current into an alternating current by a switching operation, and a control circuit semiconductor element for controlling these power semiconductor elements.
  • Examples of the bonding member 5 include solders such as Pb—Sn, Sn—Cu, and Sn—Ag—Cu, metals such as Ag, and resins containing metal fillers.
  • the upper surface of the semiconductor element 6 and the metal conductor plate 4 are connected by a metal wire 7 such as Al. External connection terminals 8 are connected to the metal conductor plate 4.
  • a resin case 9 is bonded around the metal cooling plate, and a sealing agent 10 such as an insulating gel is filled inside.
  • a sealing agent 10 such as an insulating gel is filled inside.
  • the metal cooling plate 1 does not need to be installed only on one side of the semiconductor element 6, and the metal cooling plate 1 may be provided on both sides of the semiconductor element 6 as shown in FIG. 5. Thereby, since a heat radiation area increases rather than providing the metal cooling plate 1 on one side of the semiconductor element 6, thermal resistance can be reduced. Further, as shown in FIG. 6, two metal cooling plates 1 may be joined by a metal plate 12 to form a CAN type shape. Thereby, even if the module is immersed in the cooling medium, the cooling medium can be prevented from entering the module.
  • the insulating layer 2 is formed by an aerosol deposition method.
  • FIG. 7 shows an explanatory diagram of the configuration of the aerosol deposition apparatus.
  • the high pressure gas cylinder 31 is opened, and the carrier gas is introduced into the aerosol generator 33 through the gas carrier pipe 32.
  • fine particles of an inorganic material such as Al 2 O 3 , AlN, Si 3 N 4 for forming an insulating layer are previously placed.
  • the average particle diameter of the fine particles is preferably 0.1 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • Usable carrier gases include inert gases such as argon, nitrogen and helium.
  • the metal cooling plate 1 is fixed to the XY stage 37 in the vacuum chamber 35.
  • the aerosol generator 33 By depressurizing the vacuum chamber 35 with the vacuum pump 38, a pressure difference is generated between the aerosol generator 33 into which the carrier gas is introduced and the vacuum chamber 35. Due to this pressure difference, the aerosol is sent to the nozzle 36 through the transport pipe 34 and is ejected toward the metal cooling plate 1 at a higher speed than the opening of the nozzle.
  • the fine particles in the aerosol collide with and bond to the metal cooling plate 1. Furthermore, the fine particles collide continuously and the fine particles are also bonded to each other, whereby the insulating layer 2 is formed.
  • the insulating layer 2 is formed directly on the metal cooling plate 1, and there is no transition region where the constituent elements of the insulating layer 2 and the metal cooling plate 1 diffused to each other, and the reaction product layer of the insulating layer 2 and the metal cooling plate 1 does not exist at the interface. .
  • An alumite layer used in an insulating layer having a conventional structure has a porous structure in which many fine pores of about 10 to 40 nm are present. This hole causes a decrease in heat conduction of the insulating layer and a decrease in breakdown voltage. Although the pores are sealed by impregnation with the resin component and the insulating properties are improved, the thermal conductivity of the resin is lower than that of alumite, so that the improvement of the thermal conductivity of the insulating layer is limited.
  • the insulating layer 2 formed on the metal cooling plate 1 is dense without a hole of about 10 to 40 nm. Therefore, it is excellent in thermal conductivity as compared with the porous alumite layer.
  • the insulation characteristics are 10 to 20 V / ⁇ m in AL 2 O 3 formed by alumite treatment, whereas in AL 2 O 3 in this example, 50 to 400 V / ⁇ m.
  • the dielectric breakdown voltage of the insulating layer 2 in this example is 5 to 20 times higher than the dielectric breakdown voltage of the insulating layer in the conventional structure.
  • the thickness of the insulating layer 2 can be reduced while maintaining the same insulating characteristics as those of the conventional structure, so that the thermal resistance can be reduced.
  • the insulation voltage required for the power module in this embodiment is 2 to 15 kV. From the dielectric breakdown voltage value of the insulating layer 2, the necessary thickness for the insulating layer 2 is 5 to 300 ⁇ m.
  • a current of several A to several hundred A flows through a metal conductor electrically connected to a semiconductor element.
  • the metal conductor is required to have a specific resistance and a thickness for reducing electric resistance and reducing loss due to Joule heat.
  • forming a thick metal conductor not only lowers the electrical resistance, but also has the effect of diffusing the heat generated by the semiconductor element in the metal conductor to reduce the heat flux, contributing to the reduction of the thermal resistance of the power module.
  • Examples of a method for forming a metal conductor having a thickness of several hundreds ⁇ m or more include a method of forming a metal layer by printing a metal paste, a spraying method, a cold spray method, or a method of attaching a metal plate with a brazing material or an adhesive. .
  • a method for forming a metal conductor of a power module includes a method of forming a metal layer by printing a metal paste, a spraying method, a cold spray method, or a method of attaching a metal plate with a brazing material or an adhesive.
  • an insulating layer having a thickness of 5 to 300 ⁇ m made of only an inorganic component is directly formed on a metal cooling plate as in this embodiment, there are limited methods that can be used as a method for forming a metal conductor of a power module.
  • a metal conductor When a metal conductor is formed by printing a metal paste, electrical conduction of the metal conductor is manifested by physical contact between the metal particles, so that it is difficult to form a metal conductor having a specific resistance equivalent to that of the metal plate. Moreover, when forming a metal conductor by a thermal spraying method, specific resistance becomes larger than a metal plate by the porosity introduced into a metal conductor at the time of formation, or the oxidation of a metal particle. On the other hand, in the cold spray method, it is possible to form a metal conductor with a thickness of about several millimeters that is dense and has a specific resistance equivalent to that of a metal plate.
  • the insulating layer having a thickness of 5 to 300 ⁇ m used in this embodiment is peeled and cracks are introduced during the formation of the metal conductor, so that the insulating properties of the insulating layer are deteriorated.
  • the dielectric breakdown voltage measured by the short time voltage boosting method is 0 to 30 V / ⁇ m, which is compared with the case where no Cu film is formed. As a result, the insulation characteristics are significantly reduced.
  • the specific resistance is smaller than that of a metal conductor formed by printing or spraying, and a thickness of several hundreds of micrometers to a few mm is achieved by processing the metal plate to be affixed in advance. it can.
  • Examples of a method for bonding the insulating layer and the metal plate include an active metal method using a brazing material such as an Ag—Ti system. This method requires a high temperature of about 800 to 1000 ° C. for adhesion.
  • the insulating layer has a thickness of 5 to 300 ⁇ m as in this embodiment, defects such as cracks are introduced into the insulating layer by heating at about 500 ° C.
  • the active metal method cannot be used as a method for bonding the insulating layer and the metal conductor plate.
  • bonding can be performed at 200 ° C. or lower, and a metal conductor can be formed without a decrease in insulating characteristics.
  • insulating layer having a thickness of 5 to 300 ⁇ m consisting of only inorganic components is directly formed on a metal cooling plate
  • the insulating layer 2 and the metal conductor plate 4 are bonded via the resin layer 3, thereby forming a metal conductor required for the power module without deteriorating the insulating characteristics of the insulating layer 2. It becomes possible to do.
  • the present embodiment an example of a power module capable of further reducing the thermal resistance as compared with the first embodiment will be described.
  • the present embodiment is different from the first embodiment in that the insulating layer 2 and the metal conductor plate 1 are joined via a resin layer 3 containing metal particles as a filler.
  • Other configurations have the same functions as the configurations denoted by the same reference numerals shown in FIG. 1 and have not been described.
  • the resin layer 3 interposed between the insulating layer 2 and the metal conductor plate 4 is A conductive material may be used. Therefore, the metal particles can be contained in the resin layer 3 as a filler. As the metal particles, Ag, Cu, Al, Au or the like having excellent thermal conductivity is preferable. By using these metal particles as a filler, a resin layer having a thermal conductivity of 5.0 W / mK or more can be used.
  • the power module of the present embodiment has a resin Since the thermal conductivity of the layer 3 is improved, the thermal resistance can be further reduced as compared with the first embodiment.
  • Embodiments 1 and 2 an example of a power module in which the adhesive strength between the insulating layer 2 and the metal conductor plate 4 is improved as compared with Embodiments 1 and 2 and an increase in thermal resistance can be suppressed even under a temperature cycle will be described.
  • the present embodiment is different from the first embodiment in that the thickness of the resin layer 3 is 5 ⁇ m or more.
  • Other configurations have the same functions as the configurations denoted by the same reference numerals shown in FIG. 1 and have not been described.
  • the power module is required to have operational reliability with respect to the temperature cycle according to the usage environment. Under a temperature cycle, thermal stress is generated due to the difference in coefficient of thermal expansion of each component. Due to this thermal stress, peeling of the component member interface occurs, and the thermal resistance of the power module may increase due to a decrease in the contact area at the interface. In order to suppress the peeling of the interface due to thermal stress, it is necessary to improve the adhesive strength between the constituent members.
  • the adhesion strength between the insulating layer 2 formed on the metal cooling plate 1 and the metal conductor plate 4 was evaluated by a Sebastian tensile test.
  • the metal conductor plate 4 made of Cu having a thickness of 1 mm and the insulating layer 2 made of Al 2 O 3 having a thickness of 10 ⁇ m were bonded.
  • the thickness of the resin layer 3 is 3 ⁇ m, the tensile strength is 2 MPa, whereas when the thickness of the resin layer 3 is 5 ⁇ m or more, the tensile strength is improved to 10 MPa or more.
  • the insulating layer 2 made of only inorganic components formed on the metal cooling plate 1 is bonded to the metal conductor plate 4, the insulating layer 2 and the metal conductor plate 4 are formed by setting the thickness of the resin layer 3 to 5 ⁇ m or more. It is possible to improve the adhesive strength. In the power module according to the present embodiment, since the adhesive strength between the insulating layer and the metal conductor plate is improved, an increase in thermal resistance can be suppressed even under a temperature cycle.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of the power module in the present embodiment.
  • the insulating layer 2 is composed of the inorganic insulating portion 21 and the inorganic / organic mixed insulating portion 22, so that an increase in thermal resistance can be suppressed even under a temperature cycle.
  • An example will be described. While maintaining thermal conductivity in the inorganic insulating part 21, the thermal expansion coefficient is brought close to the resin layer 3 in the inorganic / organic mixed insulating part 22 to suppress exfoliation of the resin layer 3 due to thermal stress. Can be suppressed.
  • the embodiment differs from the first to third embodiments in that the insulating layer 2 is composed of an inorganic insulating portion 21 and an inorganic / organic mixed insulating portion 22.
  • Other configurations have the same functions as the configurations denoted by the same reference numerals shown in FIG. 1 and have not been described.
  • the insulating layer 2 includes an inorganic insulating portion 21 made of only an inorganic material, and an inorganic-organic mixed insulating portion 22 impregnated with an organic material in a gap between the inorganic materials.
  • the conductor plate 4 is adhered.
  • the inorganic / organic mixed insulating portion 22 is formed at least at a part of the interface between the insulating layer 2 and the resin layer 7, and the shape, size, number, and the like of the inorganic / organic mixed insulating portion 22 are limited. Not.
  • the insulating layer 2 includes an inorganic insulating portion 21 made of only an inorganic material and an inorganic / organic mixed insulating portion 22 in which a gap between the inorganic materials is impregnated with an organic material.
  • organic material used for the insulating layer 2 any material can be used as long as it is electrically insulating.
  • an epoxy resin, a phenol resin, a fluorine resin, a silicon resin, a polyimide resin, a polyamideimide resin, and the like can be given.
  • the organic material may contain inorganic particles such as Al 2 O 3 , AlN, TiO 2 , Cr 2 O 3 , SiO 2 , Y 2 O 3 , NiO, ZrO 2 , SiC, TiC, and WC.
  • inorganic particles such as Al 2 O 3 , AlN, TiO 2 , Cr 2 O 3 , SiO 2 , Y 2 O 3 , NiO, ZrO 2 , SiC, TiC, and WC.
  • the inorganic / organic mixed insulating portion 22 is formed at the end of the resin layer 3 in the interface between the insulating layer 2 and the resin layer 3.
  • the peeling of the resin layer 3 due to the temperature cycle progresses from the end.
  • the thermal stress is reduced, The peeling of the resin layer 3 due to the cycle can be effectively suppressed.
  • the manufacturing method of the insulating layer 2 includes the step of directly forming the inorganic material 20 on the metal cooling plate 1 by the aerosol deposition method shown in FIG. 9A and the organic material in the gap of the inorganic material 20 shown in FIG. It consists of a process of impregnating the material.
  • the inorganic material 20 includes a region 210 having no voids and a region 220 having voids, and after impregnation with the organic material, a region composed of only the inorganic material without voids impregnated with the organic material functions as the inorganic insulating portion 21.
  • the region where the organic material is impregnated in the voids of the material functions as the inorganic / organic mixed insulating portion 22.
  • the inorganic material 20 on the metal cooling plate 1 by the aerosol deposition method.
  • a region 220 having a void impregnated with an organic material and a dense region 210 having no void are formed.
  • the presence or absence of voids in the inorganic material 20 can be controlled by changing the particles put into the aerosol generator 33 of the aerosol deposition apparatus. For selection of particles in accordance with the presence or absence of voids, for example, it is effective to evaluate the deformation energy of particles as shown below.
  • the deformation energy evaluation method will be described below using Al 2 O 3 particles as an example. For the evaluation of deformation energy, a particle compression fracture test is used. A schematic diagram of the test apparatus is shown in FIG.
  • FIG. 11 shows a typical load-displacement curve when the particles are subjected to compression failure under the conditions of a planar indenter having a diameter of 20 ⁇ m, a test force of 100 mN, and a load speed of 3.87 mN / sec using a test apparatus.
  • the area shown by filling in FIG. 11 corresponds to the elastic energy accumulated in the particles until deformation. It was defined as deformation energy by dividing this elastic energy by the particle volume obtained from the particle diameter measured with the optical microscope 45 placed on the stage before the test, and used for fine particle evaluation.
  • FIGS. 12 and 13 show the structure of the inorganic material 20 by images obtained by photographing a cross section of the inorganic material using a field emission scanning electron microscope.
  • the lower side of the image is the interface side with the Cu plate, and the upper side of the image is the surface side of the inorganic material 20.
  • AMS-5020F having an average deformation energy of 7.3 ⁇ 10 ⁇ 2 nJ / ⁇ m 3 is used, a dense inorganic material 20 having no voids can be formed as shown in FIG.
  • AKP-20 having an average deformation energy of 1.2 ⁇ 10 ⁇ 1 nJ / ⁇ m 3 is used, as shown in FIG.
  • the width is about 0.5 ⁇ m or less in the direction parallel to the Cu plate interface, the length
  • the inorganic material 20 in which voids of about 1 to 20 ⁇ m are formed at intervals of about 1 to 3 ⁇ m in the thickness direction of the inorganic material 20 can be formed.
  • AA-1.5 having an average deformation energy of 3.3 ⁇ 10 ⁇ 1 nJ / ⁇ m 3 was used, an inorganic material having a thickness of about 2 ⁇ m or more could not be formed.
  • the insulating layer 2 requires 2 ⁇ m or more, AA-1.5 having a deformation energy of 3.3 ⁇ 10 ⁇ 1 nJ / ⁇ m 3 cannot be used.
  • the film formation efficiency is the ratio of the weight of the inorganic material 20 formed on the metal plate 1 to the weight of the particles colliding with the metal plate 1.
  • the higher the film formation efficiency the smaller the amount of particles and the same volume of the inorganic material 20. Can be formed.
  • the table shows the relationship between the relative values of deformation energy and film formation efficiency. If particles having a low deformation energy, for example, AMS-5020F are used, the inorganic material 20 can be formed at a lower cost.
  • a dense region 210 having no voids is formed on the metal cooling plate 1 using an Al 2 O 3 powder capable of forming a dense inorganic material without voids, for example, AMS-5020F. Form.
  • Al 2 O 3 powder capable of forming an inorganic material having voids for example, AKP-20
  • a region 220 having voids impregnated with an organic material is partially formed on the dense region 210 without voids.
  • the process of impregnating the organic material, for example, epoxy resin into the voids of the inorganic material 20 will be described.
  • an epoxy resin is dropped and applied to the end portion and the surface of the inorganic material 20, the voids in the region 220 having voids impregnated with the organic material are impregnated with the epoxy resin.
  • After applying the epoxy resin leave it for 5-10 minutes, then remove the edge of the inorganic material 20 and the excess epoxy resin on the surface with a squeegee etc., and match the curing conditions of the epoxy resin, for example, at 150 ° C. for about 60 minutes Hold and cure the epoxy resin.
  • the edge part of the inorganic material 20 and the cured epoxy resin remaining on the surface are removed with sandpaper or the like.
  • the insulating layer 2 having the inorganic insulating portion 21 made of only the inorganic material without the void impregnated with the organic material and the inorganic organic insulating portion 22 impregnated with the organic material in the void of the inorganic material is directly applied to the metal plate 1.
  • the insulating layer 2 includes an inorganic insulating portion 21 made of only an inorganic material, and an inorganic / organic mixed insulating portion 22 in which a void of the inorganic material is impregnated with an organic material. It suffices if the inorganic / organic mixed insulating part 22 is formed on at least a part of the interface, and the shape, size, number, etc. of the inorganic / organic mixed insulating part 22 are not limited.
  • a temperature cycle test was conducted with the power module in this example.
  • An inorganic material made of Al 2 O 3 having a thickness of 50 ⁇ m was formed on the Cu plate by an aerosol deposition method.
  • an insulating layer having an inorganic insulating portion and an inorganic-organic mixed insulating portion was formed by impregnating the voids with an epoxy resin.
  • an epoxy resin containing Al 2 O 3 particles was used as a resin layer, and a 1 mm thick Cu plate and an insulating layer were adhered.
  • the interface between the insulating layer and the resin layer was observed with an electronic scanning high-speed ultrasonic analyzer to confirm the presence or absence of peeling.
  • peeling occurs at the interface between the insulating layer and the resin layer, whereas the inorganic insulating portion made only of the inorganic material in the insulating layer and the gap between the inorganic material is organic.
  • peeling does not occur at the interface between the insulating layer and the resin layer, and an increase in thermal resistance under a temperature cycle is suppressed compared to the conventional structure. I confirmed that I can do it.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

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Abstract

　本発明では、絶縁信頼性を保持したまま、熱抵抗を低減させるパワーモジュールを提供することを目的とする。　本発明は、金属冷却板と、前記金属冷却板に形成され、樹脂成分を含まない無機成分からなる絶縁層と、前記絶縁層に樹脂層を介して接着した金属導体板と、前記金属導体板と接合部材によって接続された半導体素子とを備えることを特徴とするパワーモジュールを提供する。

Description

パワーモジュール
　本発明は、パワーモジュールに関する。
　特許文献１には、一方の主面に半導体素子を配置する配線導電板と、前記配線導体板の他方の主面側に配置される樹脂製絶縁層と、前記樹脂製絶縁層を介して前記配線導体板とは反対側に配置され、かつ当該樹脂製絶縁層と接合するための無機層と、前記無機層を介して前記樹脂製絶縁層とは反対側に配置される前記無機絶縁層と、前記無機絶縁層を介して前記無機層とは反対側に配置される金属製放熱部材を備えるパワーモジュールが記載されている。
特開２０１０－２５８３１５号公報
　特許文献１では、パワーモジュールの絶縁信頼性を向上させるため、フィラーを含有したエポキシ樹脂からなる絶縁シートと金属製放熱部材に形成したアルマイト層の２層の絶縁層により、絶縁信頼性を向上させている。しかし、有機成分からなる樹脂シートや多孔質のアルマイト層の熱伝導率は、金属製の導体板や放熱部材に比べ大幅に低く、パワーモジュールの熱抵抗低減が困難である課題がある。
　そこで本発明では、絶縁信頼性を保持したまま、熱抵抗を低減させるパワーモジュールを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、金属冷却板と、前記金属冷却板に形成され、樹脂成分を含まない無機成分からなる絶縁層と、前記絶縁層に樹脂層を介して接着した金属導体板と、前記金属導体板と接合部材によって接続された半導体素子とを備えることを特徴とするパワーモジュールを提供する。
　また、別の一例を挙げるならば、金属冷却板と、前記金属冷却板に形成され、無機材料からなる無機絶縁部と無機材料の空隙に有機材料を含有する無機有機混合絶縁部とを有する絶縁層と、前記絶縁層に樹脂層を介して接着した金属導体板と、前記金属導体板と接合部材によって接続された半導体素子とを備えることを特徴とするパワーモジュールを提供する。
　本発明によりば、絶縁信頼性を保持したまま、熱抵抗を低減させるパワーモジュールを提供することができる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例１におけるパワーモジュールの模式図である。 実施例１におけるパワーモジュールの変形例１の模式図である。 実施例１におけるパワーモジュールの変形例２の模式図である。 実施例１におけるパワーモジュールの変形例３の模式図である。 実施例１におけるパワーモジュールの変形例４の模式図である。 実施例１におけるパワーモジュールの変形例５の模式図である。 エアロゾルデポジション装置の構成説明図である。 実施例４における電子回路基板の模式図である。 金属製冷却板１に直接形成した無機材料２０の模式図である。 無機材料２０の空隙を有機材料で含浸させた絶縁層２の模式図である。 粒子圧縮破壊試験装置の構成説明図である。 粒子を圧縮破壊した場合の代表的な荷重変位曲線である。 無機材料２０における空隙のない緻密な領域２１０の走査形電子顕微鏡像である。 無機材料２０における有機材料を含浸する空隙のある領域２２０の走査形電子顕微鏡像である。
　以下、実施例を図面を用いて説明する。
　図１に、本実施例におけるパワーモジュールの模式図を示す。半導体素子６からの熱を放熱する金属製冷却板１に樹脂成分を含まず無機成分のみからなり、金属製冷却板１と半導体素子６とを絶縁する絶縁層２が、接着層なく直接形成される。金属製冷却板１の絶縁層２が形成されていない一方の面には、放熱性を向上させるための金属フィンが形成されていてもよい。絶縁層２に使用する無機材料としては、電気的に絶縁性であれば従来公知のいずれの材料も使用できる。例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｒＯ２、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＷＣなどが挙げられる。絶縁層２はこれらの混合膜または多層膜とすることもできる。高熱伝導率の点からでは、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等が望ましい。さらに、大気中での取り扱い、及び無機材料の製造コストの点において、Ａｌ２Ｏ３が最も望ましい。絶縁層２は、図２に示すように金属製導体板の接着部のみに分割して形成してもよい。これにより、使用材料を減らすことができ、材料コストを減らすことができる。絶縁層２と金属製導体板４は、樹脂層３を介して接着される。樹脂層３は、図３に示すように金属製導体板４との接着部のみに分割して形成されてもよい。これにより、使用材料を減らすことができ、材料コストを減らすことができる。樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコン樹脂等が挙げられる。樹脂の塗布方法として、スクリーン印刷法、インクジェット法、ロールコーター法、ディスペンサー法など従来公知のいずれの方法も使用できる。また、樹脂層３は、絶縁層２と金属製導体板４の間にシート状の樹脂を設置し熱圧着により接着させることで形成してもよい。所望の厚みをもつシートを用いることで、樹脂層３の厚み制御が容易になる。使用する樹脂の種類に応じて、樹脂を絶縁層２または金属製導体板４に塗布した後、絶縁層２と金属製導体板４を貼り合せた状態で、熱、ＵＶ、レーザーなどにより樹脂を硬化させる必要がある。金属製導体板４として、Ａｌ合金、Ｃｕ合金などからなる金属板を利用できる。金属導体板４の表面は、防錆のためのめっき処理、樹脂層３との接着力向上のための粗面化処理、酸化処理等の表面処理がされていてもよい。半導体素子６は、接合部材５を介して金属製導体板４に接続される。半導体素子６としては、スイッチング動作によって直流電流を交流電流に変換するＩＧＢＴなどのパワー半導体素子や、これらのパワー半導体素子を制御するための制御回路用半導体素子が挙げられる。また、接合部材５としては、Ｐｂ－Ｓｎ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系などのはんだ、Ａｇなどの金属、及び金属フィラー入り樹脂などが挙げられる。半導体素子６上面と金属製導体板４はＡｌなどの金属ワイヤ７により接続される。金属製導体板４には外部接続端子８が接続される。金属製冷却板の周囲には樹脂ケース９が接着され、絶縁性ゲル剤などの封止剤１０が内部に充填される。また、図４に示すように、金属製冷却板の冷却面以外をモールド樹脂１１により封止してもよい。これにより、各モジュール部材の接続部の応力集中が緩和され、接続部の剥離を抑止でき、モジュール動作の温度サイクル信頼性が向上する。金属製冷却板１は、半導体素子６の一面側のみに設置されている必要ななく、図５に示すように、金属冷却板１が半導体素子６の両面側に設けられていてもよい。これにより、半導体素子６の片側に金属冷却板１を設けるよりも放熱面積が増加するため、熱抵抗を低減させることができる。さらに、図６に示すように２つの金属冷却板１が金属板１２により接合され、ＣＡＮ型の形状をなしていてもよい。これにより、モジュールを冷却媒体に浸しても冷却媒体がモジュールの中に侵入するのを防止することができる。
　絶縁層２はエアロゾルデポジション法により形成する。エアロゾルデポジション装置の構成説明図を図７に示す。高圧ガスボンベ３１を開栓し、搬送ガスがガス搬送管３２を通してエアロゾル発生器３３に導入させる。エアロゾル発生器３３にはあらかじめ絶縁層を形成するＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の無機材料の微粒子を入れておく。微粒子の平均粒径は、０．１μｍ～５μｍが好ましい。搬送ガスと混合されることで、当該微粒子を含むエアロゾルが発生する。使用可能な搬送ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガスが挙げられる。金属製冷却板１は真空チャンバー３５内のＸＹステージ３７に固定する。真空チャンバー３５を真空ポンプ３８により減圧することで、搬送ガスが導入されるエアロゾル発生器３３と真空チャンバー３５間には圧力差が生まれる。この圧力差により、エアロゾルは、搬送管３４を通してノズル３６へと送られ、金属冷却板１に向けてノズルの開口より高速で噴出される。エアロゾル中の微粒子は、金属製冷却板１に衝突し、結合する。さらに微粒子が連続的に衝突し、微粒子同士も結合することで、絶縁層２が形成される。絶縁層２は金属冷却板１に直接形成され、絶縁層２と金属冷却板１の構成元素が相互に拡散した遷移領域や、絶縁層２と金属冷却板１の反応生成層は界面に存在しない。
　従来構造の絶縁層で使用されるアルマイト層は、１０～４０ｎｍ程度の微細な孔が多数存在する多孔質な組織を有する。この孔は絶縁層の熱伝導の低下、絶縁破壊電圧の低下を招く。樹脂成分の含浸により、孔が封じられ、絶縁特性は向上するものの、樹脂の熱伝導率は、アルマイトに比べ低いため、絶縁層の熱伝導率向上は限定的である。本実施例におけるパワーモジュールでは、金属冷却板１に形成される絶縁層２には１０～４０ｎｍ程度の孔がなく緻密である。そのため、多孔質のアルマイト層に比べ、熱伝導率に優れる。絶縁層２は緻密であるため、樹脂層３の樹脂成分が、絶縁層２内部にまで含浸し、絶縁層２の熱伝導率が低下することはない。また、絶縁特性は、短時間昇圧法により測定した絶縁破壊電圧で比較すると、アルマイト処理により形成したＡＬ２Ｏ３では１０～２０Ｖ/μｍであるのに対し、本実施例におけるＡＬ２Ｏ３では５０～４００Ｖ/μｍである。本実施例における絶縁層２の絶縁破壊電圧は、従来構造における絶縁層の絶縁破壊電圧より５～２０倍高い。本実施例におけるパワーモジュールでは、従来構造と同等の絶縁特性を保持したまま、絶縁層２の厚みを低減することが可能であるため、熱抵抗を低減することができる。本実施例におけるパワーモジュールで必要とされる絶縁電圧は２～１５ｋＶであり、絶縁層２の絶縁破壊電圧値から、絶縁層２に必要な厚みは５～３００μｍである。
　パワーモジュールにおいて、半導体素子と電気的に接続される金属導体には数Ａ～数１００Ａ程度の電流が流れる。金属導体には、電気抵抗を低くしジュール熱による損失を低減するための比抵抗と厚みが求められる。また、金属導体を厚く形成することは、電気抵抗を低くするだけでなく、半導体素子の発熱を金属導体内で拡散させ熱流束を小さくする効果があり、パワーモジュールの熱抵抗低減にも寄与する。パワーモジュールでは使用電流と発熱拡散の観点から、厚さが数１００μｍ～数ｍｍ、比抵抗はＡｌ合金板材と同等の３μΩ・ｃｍ以下である導体の使用が望ましい。
　厚みが数１００μｍ以上の金属導体の形成方法としては、金属ペーストの印刷、溶射法、コールドスプレー法等による金属層形成による手法、または、ろう材や接着剤により金属板貼り付けによる手法が挙げられる。しかし、本実施例のように、金属製冷却板に無機成分のみからなる厚み５～３００μｍの絶縁層を直接形成した場合、パワーモジュールの金属導体形成方法として使用できる方法は限られる。
　金属ペーストの印刷により金属導体を形成する場合、金属導体の電気伝導は金属粒子間の物理的な接触で発現するため、金属板と同等の比抵抗をもつ金属導体の形成が困難である。また、溶射法で金属導体を形成する場合、形成時に金属導体中に導入される気孔や、金属粒子の酸化により、比抵抗は金属板より大きくなる。一方、コールドスプレー法では、緻密で金属板と同等の比抵抗をもつ厚さ数ｍｍ程度の金属導体形成が可能である。しかし、本実施例で使用する厚み５～３００μｍの絶縁層に対しては、金属導体形成中に、絶縁層の剥離、クラック導入を引き起こすため、絶縁層の絶縁特性が低下する。本実施例におけるＡＬ２Ｏ３にコールドスプレー法により厚み３００μｍのＣｕ膜を形成した場合、短時間昇圧法により測定した絶縁破壊電圧は、０～３０Ｖ/μｍとなり、Ｃｕ膜を形成しない場合に比べ、絶縁特性は大幅に低下する。
　金属板を絶縁層に貼り付ける場合、印刷や溶射法により形成した金属導体と比較して比抵抗が小さい上、貼り付ける金属板をあらかじめ加工しておくことで数１００μｍ～数ｍｍの厚みを実現できる。パワーモジュールの金属導体として最も望ましい。絶縁層と金属板を接着する方法としては、Ａｇ－Ｔｉ系などのろう材を用いた活性金属法が挙げられる。当該手法では、接着に８００～１０００℃程度の高温を必要とする。しかし、本実施例のように、絶縁層が厚み５～３００μｍである場合、約５００℃以上の加熱により、絶縁層にクラックなどの欠陥が導入され、絶縁特性と熱伝導率の低下を招く。従って絶縁層と金属導体板の接着方法として、活性金属法を使用することはできない。一方、絶縁層と金属板をエポキシ樹脂等の樹脂を介して接着すれば、熱硬化の場合、２００℃以下で接着可能であり、絶縁特性の低下なく、金属導体が形成できる。
　上述のように、金属製冷却板に無機成分のみからなる厚み５～３００μｍの絶縁層を直接形成した場合、パワーモジュールの金属導体形成方法として使用できる方法は限られる。本実施例のように、絶縁層２と金属製導体板４を、樹脂層３を介して接着することにより、絶縁層２の絶縁特性の低下なく、パワーモジュールに必要とされる金属導体を形成することが可能となる。
　本実施例では、実施例１と比較して、さらに熱抵抗の低減が可能なパワーモジュールの例を説明する。本実施例では、実施例１と比較して、絶縁層２と金属製導体板１が金属粒子をフィラーとして含む樹脂層３を介して接合される点で異なる。その他構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。
　本実施例におけるパワーモジュールでは、無機成分からなる絶縁層２の膜厚に応じて２～１５ｋＶの絶縁が可能であるため、絶縁層２と金属製導体板４の間に介在する樹脂層３は導電性材料でも良い。そのため、金属粒子をフィラーとして樹脂層３に含有させることができる。金属粒子としては、熱伝導率の優れたＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕなどが好ましい。これらの金属粒子をフィラーとすることで、５．０Ｗ/ｍＫ以上の熱伝導率を有する樹脂層を使用できる。Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＯ２などのセラミック粒子をフィラーとし、熱伝導率が１．０～２．０Ｗ/ｍＫ程度の樹脂層を使用した構造に比べ、本実施例のパワーモジュールでは、樹脂層３の熱伝導率が向上するため、実施例１と比較して、さらに熱抵抗を低減できる。
　本実施例では、実施例１、２と比較して、絶縁層２と金属製導体板４の接着強度が向上し、温度サイクル下でも熱抵抗の上昇を抑制できるパワーモジュールの例を説明する。本実施例では、実施例１と比較して、樹脂層３の厚みが５μｍ以上である点で異なる。その他構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。
　パワーモジュールは使用環境に応じた温度サイクルに対する動作信頼性が求められる。温度サイクルの下では、各構成部材の熱膨張率の差に起因した熱応力が発生する。この熱応力により、構成部材界面の剥離が生じ、界面での接触面積の減少からパワーモジュールの熱抵抗が上昇する可能性がある。熱応力による界面の剥離を抑制するためには、構成部材間の接着強度を向上させる必要がある。
　金属製冷却板１に形成された絶縁層２と金属製導体板４の接着強度をセバスチャン型引張試験により評価した。樹脂層３にＡｇ粒子を含有した樹脂ペーストを用いて、厚み１ｍｍのＣｕからなる金属製導体板４と膜厚１０μｍのＡｌ２Ｏ３からなる絶縁層２を接着した。樹脂層３の厚みが３μｍの場合、引張強度が２ＭＰａであるのに対し、樹脂層３の厚みが５μｍ以上の場合、引張強度は１０ＭＰａ以上に向上した。金属製冷却板１に形成された無機成分のみからなる絶縁層２を金属製導体板４と接着する場合、樹脂層３の厚みを５μｍ以上にすることで、絶縁層２と金属製導体板４の接着強度を向上することが可能である。本実施例におけるパワーモジュールでは、絶縁層と金属製導体板の接着強度が向上するため、温度サイクル下でも熱抵抗の上昇を抑制することができる。
　図８に本実施例におけるパワーモジュールの模式図を示す。本実施例では、実施例１乃至３と比較して、絶縁層２を無機絶縁部２１と無機有機混合絶縁部２２とで構成することにより、温度サイクル下でも熱抵抗の上昇を抑制できるパワーモジュールの例を説明する。無機絶縁部２１で熱伝導性を確保したまま、無機有機混合絶縁部２２で熱膨張係数を樹脂層３に近づけ、熱応力による樹脂層３の剥離を抑制することで、温度サイクル下でも熱抵抗の上昇を抑制できる。実施例では、実施例１乃至３と比較して、絶縁層２を無機絶縁部２１と無機有機混合絶縁部２２とで構成する点で異なる。その他構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。
　金属製冷却板１に直接形成された絶縁層２に無機絶縁部２１のみしか存在しないパワーモジュールでは、金属製導体板４が樹脂層３を介して絶縁層２に接着した場合、温度サイクルにより、絶縁層２と樹脂層３の界面で剥離が進展し、界面での接触面積の減少からパワーモジュールの熱抵抗が上昇する課題がある。
　本実施例におけるパワーモジュールでは、絶縁層２に無機材料のみからなる無機絶縁部２１と無機材料の空隙に有機材料が含浸した無機有機混合絶縁部２２が存在し、樹脂層３を介して、金属製導体板４が接着している。絶縁層２と樹脂層３の界面の少なくとも一部に無機有機混合絶縁部２２を形成することで、温度サイクルによる樹脂層３の剥離を抑制することができる。なお、本実施例では、絶縁層２と樹脂層７の界面の少なくとも一部に無機有機混合絶縁部２２が形成されていれば良く、無機有機混合絶縁部２２の形状、サイズ、個数等は限定されない。
　絶縁層２には、無機材料のみからなる無機絶縁部２１と無機材料の空隙に有機材料が含浸した無機有機混合絶縁部２２が存在する。絶縁層２に使用する有機材料としては、電気的に絶縁性であればいずれの材料も使用できる。例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フッ素系樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などが挙げられる。有機材料には、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｒＯ２、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＷＣなどの無機粒子を含有してもよい。無機粒子の含有により、有機材料の熱膨張係数は低減する。有機材料の熱膨張係数が絶縁層２に使用する無機材料よりも大きく、樹脂層３よりも小さい場合、温度変化による導体性配線３の剥離を効果的に抑制することができる。例えば、無機材料にＡｌ２Ｏ３（熱膨張係数７×１０－６/℃）、樹脂層にエポキシ（熱膨張係数２５×１０－６～３０×１０－６/℃）を使用した場合、熱膨張係数を１０～２０×１０－６/℃程度に調整した有機材料を使用することが望ましい。
　無機有機混合絶縁部２２の形成箇所は、絶縁層２と樹脂層３との界面のうち、樹脂層３の端部を含むことが望ましい。温度サイクルによる樹脂層３の剥離は、その端部より進展する。無機絶縁部２１よりも熱膨張係数が高い無機有機混合絶縁部２２を樹脂層３の端部に形成し、樹脂層３との熱膨張係数差を小さくすることで、熱応力を低減し、温度サイクルによる樹脂層３の剥離を効果的に抑制することができる。
　絶縁層２の製造方法は、図９（ａ）に示すエアロゾルデポジション法により無機材料２０を金属製冷却板１に直接形成する工程と、図９（ｂ）に示す無機材料２０の空隙に有機材料を含浸させる工程からなる。無機材料２０には空隙の無い領域２１０と空隙のある領域２２０が存在し、有機材料の含浸後、有機材料が含浸する空隙が無く無機材料のみからなる領域が無機絶縁部２１として機能し、無機材料の空隙に有機材料が含浸した領域が無機有機混合絶縁部２２として機能する。
　まず、エアロゾルデポジション法により無機材料２０を金属製冷却板１に直接形成する過程を説明する。無機材料２０には、有機材料を含浸する空隙のある領域２２０と、空隙の無い緻密な領域２１０を形成する。無機材料２０の空隙の有無は、エアロゾルデポジション装置のエアロゾル発生器３３に入れる粒子を変えることで制御することができる。空隙の有無に合わせた粒子の選択には、例えば以下に示すような粒子の変形エネルギーを評価することが有効である。変形エネルギーの評価方法に関して、Ａｌ２Ｏ３粒子を例に以下に記す。変形エネルギーの評価には、粒子の圧縮破壊試験を利用する。試験装置の模式図を図１０に示す。ステージ４１により、ステージ４１に設置した粒子４２は、加圧圧子４３により試験力を加えたときの粒子４２の変位量を計測する場所４４と、光学顕微鏡４５により粒子４２の形状と径を計測する場所４６の間を移動することができる。試験装置を用いて、直径２０μｍの平面圧子、試験力１００ｍＮ、負荷速度３．８７ｍＮ／ｓｅｃの条件で粒子を圧縮破壊した場合の代表的な荷重変位曲線を図１１に示す。図１１の塗りつぶしで示す面積は、変形までに粒子に蓄積される弾性エネルギーに相当する。試験前にステージに設置された光学顕微鏡４５で測定した粒子径より求めた粒子体積で、この弾性エネルギーを除することで変形エネルギーと定義し、微粒子評価に用いた。
　粒子の変形エネルギー評価には、市販のＡｌ２Ｏ３粉末を用いた。用いたＡｌ２Ｏ３粉末種は、ＡＭＳ－５０２０Ｆ、ＡＫＰ－２０、ＡＡ－１．５である。各粉末の粒子７個の変形エネルギーを測定し、平均変形エネルギーを評価した。結果を表１に示す。金属製冷却板１にＣｕ、搬送ガスにＮ２、ガス流量２Ｌ/ｍｉｎ、開口部１０ｍｍ×０．４ｍｍのノズル３６を使用して成膜した場合、平均変形エネルギーの違いにより得られる無機材料２０の組織が変化する。図１２、１３に電界放出形走査形電子顕微鏡を用いて無機材料断面を撮影した像により無機材料２０の組織を示す。像の下側がＣｕ板との界面側、像の上側が無機材料２０の表面側である。平均変形エネルギーが７.３×１０－２ｎＪ/μｍ３のＡＭＳ－５０２０Ｆを用いた場合、図１１に示すように、緻密で空隙のない無機材料２０を形成できる。一方、平均変形エネルギーが１.２×１０－１ｎＪ/μｍ３のＡＫＰ－２０を用いた場合、図１２に示すように、Ｃｕ板界面と平行な方向に幅約０．５μｍ以下、長さ約１～２０μｍの空隙が、無機材料２０の厚み方向に約１～３μｍの間隔で形成された無機材料２０を形成できる。しかし、平均変形エネルギーが３．３×１０－１ｎＪ/μｍ３のＡＡ－１．５を用いた場合、約２μｍ以上の厚みの無機材料を形成できなかった。絶縁層２が２μｍ以上必要な場合、変形エネルギーが３．３×１０－１ｎＪ/μｍ３のＡＡ－１．５を使用することはできない。
　また、変形エネルギーが低い粒子ほど金属板１への成膜効率が高い。成膜効率とは、金属板１に形成された無機材料２０の重量の金属板１に衝突した粒子重量に対する比であり、成膜効率が高いほど、少ない粒子量で、同じ体積の無機材料２０を形成できることを意味する。表に変形エネルギーと成膜効率の相対値の関係を示す。変形エネルギーの低い粒子、例えば、ＡＭＳ－５０２０Ｆを用いれば、より低コストで無機材料２０を形成できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　本実施例におけるパワーモジュールの製造では、まず緻密で空隙のない無機材料を形成できるＡｌ２Ｏ３粉末、例えば、ＡＭＳ－５０２０Ｆを用いて、金属製冷却板１上に空隙の無い緻密な領域２１０を形成する。次に、空隙のある無機材料を形成できるＡｌ２Ｏ３粉末、例えば、ＡＫＰ－２０を用いて、空隙の無い緻密な領域２１０上の一部に、有機材料を含浸する空隙のある領域２２０を形成する。このとき、ＸＹステージ３７を動かし、ノズル３６と金属板１の相対位置を変えることで、空隙の無い緻密な領域２１０と有機材料を含浸する空隙のある領域２２０それぞれの形状と形成箇所を制御できる。
　続いて、無機材料２０の空隙に有機材料、例えばエポキシ樹脂を含浸させる過程を説明する。無機材料２０の端部、及び表面にエポキシ樹脂を滴下し塗布すると、有機材料を含浸する空隙のある領域２２０の空隙はエポキシ樹脂で含浸される。エポキシ樹脂塗布後、５～１０分間放置してから、無機材料２０の端部、及び表面の余分なエポキシ樹脂をスキージ等で除去し、エポキシ樹脂の硬化条件に合わせ、例えば１５０℃で６０分程度保持し、エポキシ樹脂を硬化させる。最後に無機材料２０の端部、及び表面に残り硬化したエポキシ樹脂をサンドペーパー等で除去する。
　以上の方法より、有機材料の含浸する空隙が無く無機材料のみからなる無機絶縁部２１と、無機材料の空隙に有機材料の含浸した無機有機絶縁部２２を有する絶縁層２を金属板１に直接形成できる。なお、本実施例では、絶縁層２に、無機材料のみからなる無機絶縁部２１と無機材料の空隙に有機材料が含浸した無機有機混合絶縁部２２が存在し、絶縁層２と樹脂層３の界面の少なくとも一部に無機有機混合絶縁部２２が形成されていれば良く、無機有機混合絶縁部２２の形状、サイズ、個数等は限定されない。
　本実施例におけるパワーモジュールで温度サイクル試験を行った。Ｃｕ板上に、エアロゾルデポジション法で厚み５０μｍのＡｌ２Ｏ３からなる無機材料を形成した。続いて、エポキシ樹脂で空隙を含浸することで、無機絶縁部と無機有機混合絶縁部を有する絶縁層を形成した。更に樹脂層として、Ａｌ２Ｏ３粒子を含有したエポキシ樹脂を用いて、厚み１ｍｍのＣｕ板と絶縁層を接着させた。また、従来構造として、Ｃｕ板上に、エアロゾルデポジション法で無機絶縁部のみしか存在しない厚み５０μｍのＡｌ２Ｏ３を形成し、Ａｌ２Ｏ３粒子を含有したエポキシ樹脂を用いて、厚み１ｍｍのＣｕ板と接着させたパワーモジュールも作製した。温度サイクル条件は、温度を－４０℃として３０分保持した後に、１２５℃まで温度を上げて３０分保持し、これを１００サイクル繰り返した。
　温度サイクル試験後、絶縁層と樹脂層の界面を電子スキャン式高速超音波解析装置により観察し、剥離の有無を確認した。絶縁層に無機絶縁部のみしか存在しない従来のパワーモジュールでは、絶縁層と樹脂層の界面に剥離が発生するのに対し、絶縁層に無機材料のみからなる無機絶縁部と無機材料の空隙に有機材料が含浸した無機有機混合絶縁部が存在する本実施例のパワーモジュールでは、絶縁層と樹脂層の界面に剥離は発生せず、従来構造に比べ、温度サイクル下での熱抵抗の上昇が抑制できることを確認した。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１　　金属製冷却板
２　　絶縁層
３　　樹脂層
４　　金属製導体板
５　　接合部材
６　　半導体素子
７　　金属ワイヤ
８　　外部接続端子
９　　樹脂ケース
１０　封止材
１１　モールド樹脂
２１　無機絶縁部
２２　無機有機混合絶縁部
２０　無機材料
２１０　空隙のない緻密な領域
２２０　有機材料を含浸する空隙のある領域
３１　高圧ガスボンベ
３２、３４　搬送管
３３　エアロゾル発生器
３５　真空チャンバー
３６　ノズル
３７　ＸＹステージ
３８　真空ポンプ
４１　ステージ
４２　粒子
４３　加圧圧子
４４　粒子の変位量を計測する場所
４５　光学顕微鏡
４６　粒子の形状と径を計測する場所

Claims (10)

  1. 　金属冷却板と、
    　前記金属冷却板に形成され、樹脂成分を含まない無機成分からなる絶縁層と、
    　前記絶縁層に樹脂層を介して接着した金属導体板と、
    　前記金属導体板と接合部材によって接続された半導体素子とを備えることを特徴とするパワーモジュール。
  2. 　前記絶縁層と、前記金属導体板と、前記半導体素子とを樹脂により封止することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 　前記金属冷却板を半導体素子の両面側に設けることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  4. 　前記絶縁層の厚みが５～３００μｍであることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  5. 　前記絶縁層がＡｌ２Ｏ３を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のパワーモジュール。
  6. 　前記樹脂層に金属粒子を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のパワーモジュール。
  7. 　前記樹脂層の厚みが５μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のパワーモジュール。
  8. 　金属冷却板と、
    　前記金属冷却板に形成され、無機材料からなる無機絶縁部と無機材料の空隙に有機材料を含有する無機有機混合絶縁部とを有する絶縁層と、
    　前記絶縁層に樹脂層を介して接着した金属導体板と、
    　前記金属導体板と接合部材によって接続された半導体素子とを備えることを特徴とするパワーモジュール。
  9. 　前記絶縁層の端部の少なくとも一部が前記無機有機絶縁層で形成されたことを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール。
  10. 　前記無機有機絶縁層に含有される有機材料が無機粒子を含有することを特徴とする請求項８乃至９のいずれかに記載のパワーモジュール。
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