JP2006140310A

JP2006140310A - 電力用半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2006140310A
Application number: JP2004328374A
Authority: JP
Inventors: Junji Yamada; 順治山田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2006-06-01

Abstract

【課題】激しい振動が電力用半導体装置に加わった場合でもボンディングワイヤ等の破損が発生せず、かつゲル状材料の体積膨張が吸収できる電力用半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】電力用半導体装置が、ベース板と、ベース板上に載置された電力用半導体素子と、電力用半導体素子を囲むようにベース板に固定されたケースと、電力用半導体素子を覆うようにケース内に充填されたゲル状樹脂と、ゲル状樹脂の上面に密着して配置されかつケースに固定された蓋部とを含む。蓋部は、膨張したゲル状樹脂がはみ出す開口部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力用半導体装置およびその製造方法に関し、特に、ケース内にゲル状樹脂が充填された電力用半導体装置およびその製造方法に関する。

従来の電力用半導体装置では、ベース板上に電力用半導体素子が載置され、電力用半導体素子を囲むように外囲ケースが設けられている。外囲ケース内には、電力用半導体素子を封止するようにゲル状充填剤が充填され、更にその上面を覆うように、押さえ蓋が設けられている。押さえ蓋は、上下動可能なように外囲ケースに取り付けられており、ゲル状充填剤の体積変化に応じて上下に動くようになっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３１１９７０号公報

しかしながら、上下動可能なように押さえ蓋を外囲ケースに取り付けると構造が複雑になり、製造コストが高くなるという問題があった。
また、押さえ蓋が上下動するため、激しい振動が電力用半導体装置に加わった場合にはゲル状充填剤が共振し、ゲル状充填剤に封止されたボンディングワイヤ等が破損するという問題もあった。

そこで、本発明は、激しい振動が電力用半導体装置に加わった場合でもボンディングワイヤ等の破損が発生せず、かつゲル状材料の体積膨張が吸収できる電力用半導体装置およびその製造方法の提供を目的とする。

本発明は、ベース板と、ベース板上に載置された電力用半導体素子と、電力用半導体素子を囲むように、ベース板に固定されたケースと、電力用半導体素子を覆うように、ケース内に充填されたゲル状樹脂と、ゲル状樹脂の上面に密着して配置され、かつケースに固定された蓋部とを含み、蓋部が、膨張したゲル状樹脂がはみ出す開口部を備えたことを特徴とする電力用半導体装置である。

また、本発明は、ベース板を準備する工程と、ベース板上に、電力用半導体素子を載置する工程と、電力用半導体素子を囲むように、ベース板にケースを固定する工程と、ケースに、開口部を備えた蓋部を固定する工程と、蓋部に接するまで開口部から液状樹脂を注入する注入工程後に、液状樹脂を硬化させてゲル状樹脂とする硬化工程とを含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法でもある。

本実施の形態にかかる電力用半導体装置では、水分がゲル状樹脂に取り込まれるのを防ぎ、電力用半導体素子の劣化やゲル状樹脂の割れを防止できる。

また、ゲル状樹脂に蓋部が接しており、ゲル状樹脂の共振によるボンディングワイヤ等の破損を防止できる。

更に、温度変化によりゲル状樹脂が熱膨張した場合でも、ゲル状樹脂が開口部から外部にはみ出し、破損を防止できる。

図１は、本実施の形態にかかる、全体が１００で表される電力用半導体装置であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）をＩ−Ｉ方向に見た断面図を示す。
電力用半導体装置１００は、ベース板１を含む。ベース板１は例えば銅からなる。ベース板１の上には、はんだ（図示せず）により絶縁基板２が固定されている。絶縁基板２は、例えば窒化アルミニウムからなる。絶縁基板２の上には、はんだ（図示せず）により電力用半導体素子３が固定されている。電力用半導体素子３は、例えば、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ダイオードなどである。電力用半導体素子３と絶縁基板２上に設けられた回路配線（図示せず）は、アルミニウム等のボンディングワイヤ４で接続されている。

ベース板１の上には、電力用半導体素子３を囲むように、ケース５が固定されている。ケース５は、水平断面が略矩形の筒状体であり、例えばＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）からなる。ベース板１とケース５との接着には、例えばシリコーン系接着剤（東芝シリコン社製「ＲＴＶシリコーン」）が用いられる。

ケース５内には、電力用半導体素子３を覆うようにゲル状樹脂６が充填されている。ゲル状樹脂６は、少なくとも、絶縁基板２、電力用半導体素子３、およびボンディングワイヤ４を埋め込むように充填される。ゲル状樹脂６としては、例えばシリコーン樹脂が用いられる。

ゲル状樹脂６の上部は、蓋部７で覆われる。蓋部７には凸部７ａが設けられており、ケース５に設けられた凹部５ａと嵌合して蓋部７をケース５に固定する。かかる固定方法では、接着剤がいらなくなるとともに、接着剤の硬化に必要な時間も不要となる。

また、蓋部７には開口部７ｂが設けられている。ここでは、開口部７ｂは、ケース５の内壁に沿って蓋部７の周辺部に設けられているが、スリット状の開口部７ｂを蓋部７に設けることもできる。開口部７ｂの面積は、ケース５の内側の水平断面積の約１０％以下であり、好適には約５％である。

ここでは、ケース５と蓋部７とは、接着剤を用いずに凹部５ａと凸部７ａとを噛み合わせて固定したが、凹部５ａや凸部７ａを設けずに接着剤で固定しても構わない。接着剤には、例えばシリコーン系接着剤（東芝シリコン社製「ＲＴＶシリコーン」）が用いられる。この場合、ケース５と蓋部７とを固着する位置を自由に選択できるため、ケース５や蓋部７を、異なった種類の電力用半導体装置と共用できる。

なお、ケース５と蓋部７とは、膨張係数が等しくなるように、同じ材料から形成することが好ましい。

ゲル状樹脂６は、その上面が蓋部７に接するようにケース５内に充填されている。実際には、後述するように、蓋部７を固定した後に開口部７ｂからゲル状樹脂６が充填される。
このように、ゲル状樹脂６と蓋部７とが接触することにより、ゲル状樹脂６の上面の９０％以上が蓋部７と接触した状態で覆われる。この結果、ゲル状樹脂６中に大気中の水分が取り込まれるのを防止して、かかる水分による電力用半導体素子３の劣化を防止できる。また、かかる水分が１００℃以上になり体積膨張することによるゲル状樹脂６の割れ等も防止できる。

以上のように、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００では、ゲル状樹脂６の上面の約９０％以上を、耐湿性の蓋部７が接するように覆うことにより、大気中の水分がゲル状樹脂６に取り込まれるのを防止できる。この結果、ゲル状樹脂６に封止された電力用半導体素子３やボンディングワイヤ４の劣化、ゲル状樹脂６の割れを防止できる。

また、ゲル状樹脂６に蓋部７が接した状態で、蓋部７がケース５に固着されているため、外部から電力用半導体装置１００に大きな振動が加えられてもゲル状樹脂６は共振せず、共振によるボンディングワイヤ４等の破損を防止できる。

更に、蓋部７に開口部７ｂが設けられているため、温度変化によりゲル状樹脂６が熱膨張した場合でも、ゲル状樹脂６が開口部７ｂから外部にはみ出すことができ、ゲル状樹脂６の体積膨張による電力用半導体装置１００の破損を防止できる。

次に、図２を参照しながら、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００の製造方法について説明する。電力用半導体装置１００の製造方法は、以下の工程１〜５を含む。

工程１：図２（ａ）に示すように、例えば銅からなる、略矩形のベース板１を準備する。

工程２：図２（ｂ）に示すように、ベース板１の上に、はんだ（図示せず）を用いて、例えば窒化アルミニウムからなる絶縁基板２を固定する。絶縁基板２の上には、はんだ（図示せず）により、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ダイオード等の電力用半導体素子３を固定する。更に、アルミニウム等のボンディングワイヤ４により、電力用半導体素子３と絶縁基板２上に設けられた回路配線（図示せず）とを接続する。

工程３：図２（ｃ）に示すように、ベース１の上には、電力用半導体素子４を囲むように、例えばＰＰＳからなるケース５を固定する。固定には、例えばシリコーン系接着剤（東芝シリコン社製「ＲＴＶシリコーン」）を用いる。ケース５は筒状体であり、蓋部７と嵌合する凹部５ａが内壁に設けられている。

工程４：図２（ｄ）に示すように、ケース５に蓋部７を取り付ける。具体的には、ケース５の内壁に設けられた凹部５ａと、蓋部７の周囲に設けられた凸部７ａとを嵌合させて、ケース５に蓋部７を取り付ける。

なお、凹部５ａや凸部７ａを用いる代わりに、例えばシリコーン系接着剤（東芝シリコン社製「ＲＴＶシリコーン」）で両者を接着しても良い。この場合、後述する液状樹脂の硬化工程（約１２５℃）で同時に接着剤も硬化させることができる。

工程５：図２（ｅ）に示すように、蓋部７に設けられた開口部７ｂから、例えばシリコーン樹脂等の液状樹脂を注入する。好適には、蓋部７に設けられた複数の開口部７ｂのうち、一の開口部７ｂから空気を排出しつつ、他の開口部７ｂから液状樹脂を注入する。
液状樹脂は、絶縁基板２、電力用半導体素子３、およびボンディングワイヤ４を封止し、上面が蓋部７の裏面に接するまで注入する。

続いて、液状樹脂を例えば１２５℃に加熱し、硬化させて、ゲル状樹脂６とする。ケース５と蓋部７とを接着剤で固定する場合は、かかる工程で接着剤も同時に硬化する。
以上の工程で、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００が完成する。

本実施の形態にかかる電力用半導体装置である。本実施の形態にかかる電力用半導体装置の製造工程の断面図である。

符号の説明

１ベース板、２絶縁基板、３電力用半導体素子、４ボンディングワイヤ、５ケース、５ａ凹部、６ゲル状樹脂、７蓋部、７ａ凸部、７ｂ開口部、１００電力用半導体装置。

Claims

ベース板と、
該ベース板上に載置された電力用半導体素子と、
該電力用半導体素子を囲むように、該ベース板に固定されたケースと、
該電力用半導体素子を覆うように、該ケース内に充填されたゲル状樹脂と、
該ゲル状樹脂の上面に密着して配置され、かつ該ケースに固定された蓋部とを含み、
該蓋部が、膨張した該ゲル状樹脂がはみ出す開口部を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
上記開口部の開口面積が、上記ケース内部の水平断面積の１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
上記開口部が、上記ケースの内壁と上記蓋部の周囲との間に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
上記ケースの内壁に設けられた凹部と、上記蓋部の周囲に設けられた凸部とが嵌合して、該ケースに該蓋部を固定したことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
上記ケースと上記蓋部とを、接着剤で固着したことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
上記ケースと上記蓋部とが、同一材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
ベース板を準備する工程と、
該ベース板上に、電力用半導体素子を載置する工程と、
該電力用半導体素子を囲むように、該ベース板にケースを固定する工程と、
該ケースに、開口部を備えた蓋部を固定する工程と、
該蓋部に接するまで該開口部から液状樹脂を注入する注入工程後に、該液状樹脂を硬化させてゲル状樹脂とする硬化工程とを含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
上記注入工程が、上記蓋部の備える複数の上記開口部のうち、一の開口部から空気を排出しつつ、他の開口部から上記液状樹脂を注入する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置の製造方法。
上記硬化工程が、上記液状樹脂を硬化させて上記ゲル状樹脂とする温度で、上記ケースに上記蓋部を固定した接着剤を同時に硬化させる工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置の製造方法。