特許 7503508 パワー半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-12

(45)【発行日】2024-06-20

(54)【発明の名称】パワー半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20240613BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021015673

(22)【出願日】2021-02-03

(65)【公開番号】P2022118878

(43)【公開日】2022-08-16

【審査請求日】2023-05-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000233273

【氏名又は名称】株式会社 日立パワーデバイス

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】楠川 順平

(72)【発明者】

【氏名】井出 英一

(72)【発明者】

【氏名】三間 彬

【審査官】豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－１７７００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１２８８９９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ２３／２８－２３／３１

Ｈ０１Ｌ２５／００－２５／０７

Ｈ０１Ｌ２５／１０－２５／１１

Ｈ０１Ｌ２５／１６－２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁基板と、前記絶縁基板の表面に設けられた半導体素子と、前記半導体素子を封止するゲル状の第１の絶縁材と、を備えるパワー半導体装置において、
前記半導体素子と外部機器とを電気的に接続するための板状端子を有し、
前記板状端子の前記第１の絶縁材に囲まれる部分の全てが、前記第１の絶縁材よりも硬度の高い第２の絶縁材で被覆されていることを特徴とするパワー半導体装置。

【請求項2】

請求項１に記載のパワー半導体装置において、
前記板状端子は一端が前記絶縁基板の表面の電極に接合されていることを特徴とするパワー半導体装置。

【請求項3】

請求項１に記載のパワー半導体装置において、
前記絶縁基板、前記半導体素子および前記第１の絶縁材を収容するケースを有し、
前記板状端子は前記ケースに設けられ、金属ワイヤを介して前記絶縁基板の表面の電極または前記半導体素子の電極と電気的に接続されていることを特徴とするパワー半導体装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
前記半導体素子と前記絶縁基板の電極との接合部が、前記第２の絶縁材で被覆されていることを特徴とするパワー半導体装置。

【請求項5】

請求項４記載のパワー半導体装置において、
前記半導体素子と前記絶縁基板の電極とが焼結金属により接合されていることを特徴とするパワー半導体装置。

【請求項6】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
前記第２の絶縁材は、ポリアミドイミド樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂およびシリコーン樹脂のうちの少なくとも１つであることを特徴とするパワー半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パワー半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、地球規模での環境や資源の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抑制のため、パワー半導体素子のスイッチングを利用したインバータ装置を代表とする高効率な電力変換装置が注目されている。こうした電力変換装置は、冷蔵庫やエアコンなどの家電製品をはじめ、産業機械、ハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＨＥＶ）、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＥＶ）、鉄道、電力および社会インフラ関連機器等に幅広く応用展開されている。

【0003】

電力変換装置は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体素子を内蔵したパワー半導体装置（パワーモジュール）、バスバー、コンデンサ、インダクター、各種センサおよび制御回路等の数多くの部品から構成されている。設置面積の小スペース化や安全性のため、小型で信頼性の高い電力変換装置が求められている。これには、電力変換装置の主要構成部品であるパワー半導体装置の小型化および高信頼化が重要である。

【0004】

パワー半導体装置のパワー半導体素子には、現在、主としてＳｉを材料とするＩＧＢＴやダイオード等が使用されている。パワー半導体装置は、上述した通り小型化および大容量化が進んでおり、これに伴い高温での安定動作が求められている。また、パワー半導体素子には「高耐圧」、「低オン抵抗」および「高速スイッチング」特性も求められており、絶縁破壊電界強度がＳｉの１０倍、バンドギャップがＳｉの３倍の特性を有するＳｉＣが次世代パワー半導体素子として適用され始め、普及が期待されている。この次世代パワー半導体素子ではＳｉデバイスよりもさらに高温での素子の使用が可能となるため、パワー半導体装置には高温動作での高い信頼性が必要である。

【0005】

高温動作における高い信頼性を実現することを目的とした半導体装置として、例えば特許文献１がある。特許文献１には、絶縁基板１の表面に表面電極パターン２が、裏面に裏面電極パターン３が、それぞれ形成された半導体素子基板４と、表面電極パターン２の表面に接合材７を介して設けられた半導体素子５，６と、半導体素子５，６および表面電極パターン２を覆う第一の封止樹脂１２と、絶縁基板１の表面で、少なくとも表面電極パターン２または裏面電極パターン３が形成されていない部分と第一の封止樹脂１２とを覆う第二の封止樹脂１２０とを備える半導体装置が開示されている。特許文献１において、第二の封止樹脂１２０の弾性率は、第一の封止樹脂１２の弾性率よりも小さいとともに、第一の封止樹脂１２の半導体素子５，６に対応する中央部分が周辺部分よりも厚みが厚くなるように段差が設けられている。

【0006】

特許文献１の構成によれば、絶縁基板１が露出している部分は、第一の封止樹脂１２よりも弾性率が低い第二の封止樹脂１２０で覆われているため、ヒートサイクルが生じた場合、第一の封止樹脂１２よりも低弾性率、すなわち柔らかい第二の封止樹脂１２０の部分で、第一の封止樹脂１２と絶縁基板１との膨張係数の違いにより発生する応力が緩和され、第一の封止樹脂１２の剥離や亀裂が生じ難く、信頼性の高い半導体装置を得ることができるとされている。また、上記段差によって、半導体素子５，６を押さえつける力が強く、接合材７の剥がれを抑制することができ、また、第一の封止樹脂１２と表面電極パターン２とが接する部分の、第一の封止樹脂１２の端部Ｅ点における第一の封止樹脂１２に発生するせん断応力が緩和され、剥離が生じ難くなるとされている。

【0007】

また、特許文献２には、単純な構造で剥離やクラックを抑制した高い信頼性を有する半導体装置として、表面電極３ｂ上に半導体素子１ａ，１ｂが固着された半導体素子基板３と、半導体素子１ａ，１ｂの上面及び表面電極３ｂにそれぞれ接合された複数の主端子５ａ，５ｂと、表面電極３ｂの周辺部に設けた第１のケース４の内部を、半導体素子１ａ，１ｂと半導体素子基板３とを覆うように封止する第１の封止樹脂９とを備えた内部モジュールが複数配置された放熱板１０と、放熱板１０の周辺部に設けられた第２のケース１２の内部を、第１の封止樹脂９と第１のケース４と半導体素子基板３とを覆うように封止する第２の封止樹脂１３と、を備えた半導体装置１００が開示されている。

【0008】

そして、第１のケース４内の表面電極３ｂは、絶縁基板３ａ全体を被覆し、かつ、表面電極３ｂと裏面電極３ｃは、絶縁基板３ａに対して対称に形成されており、複数の主端子５ａ，５ｂは第２の封止樹脂１３の外部に露出するとともに、第２の封止樹脂１３の弾性率が第１の封止樹脂９の弾性率よりも小さい半導体装置１００が開示されている。特許文献２によれば、半導体素子基板３のうち、絶縁基板３ａと封止樹脂が接する部分は封止樹脂としては弾性率が小さい第２の封止樹脂１３となっているため、応力が低減され、この部分での剥離が抑制されるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開２０１３－１６６８４号公報

【文献】特開２０１５－１３０４５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上述した特許文献１および特許文献２は、半導体素子を、比較的硬い第１の封止樹脂（エポキシ系樹脂等）で覆い、その周囲を、第１の封止樹脂よりも柔らかい第２の封止樹脂（シリコーン系やウレタン系）によって覆う構成を有している。このような構成によって、絶縁基板と接触する樹脂が第１の封止樹脂よりも柔らかい第２の封止樹脂となるため、絶縁基板の応力を緩和し、半導体素子がヒートサイクルを受ける場合も封止樹脂に亀裂が入ることや、基板から剥離することを抑制できるとされている。

【0011】

一方、パワー半導体装置において、高温動作によって主端子が加熱されると、主端子と封止樹脂との間に存在するボイド（気泡）や半導体装置外部から封止樹脂を通って侵入してきた水蒸気が加熱されて気化された際に発生するボイドが部分放電の起点となり、半導体装置が絶縁破壊されるおそれがある。上述した特許文献１および特許文献２の技術では、主端子が加熱された際に発生するボイドに起因する部分放電を防止することについては何ら検討されておらず、この点について更なる改善が必要であった。

【0012】

本発明は、上記事情に鑑み、主端子が加熱された際に、主端子と封止樹脂との間に発生するボイドや半導体装置外部から封止樹脂を通って侵入してきた水蒸気によって発生するボイドを起点とする部分放電を防止し、小型で信頼性の高いパワー半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成するための本発明の一態様は、絶縁基板と、絶縁基板の表面に設けられた半導体素子と、半導体素子を封止するゲル状の第１の絶縁材と、を備えるパワー半導体装置において、半導体素子と外部機器とを電気的に接続するための板状端子を有し、板状端子の第１の絶縁材に囲まれる部分の全てが、第１の絶縁材よりも硬度の高い第２の絶縁材で被覆されていることを特徴とするパワー半導体装置である。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、主端子と封止樹脂との間に発生するボイドや半導体装置外部から封止樹脂を通って侵入してきた水蒸気によって発生するボイドを起点とする部分放電を防止し、小型で信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明のパワー半導体装置の第１の実施形態を示す断面模式図

【図2】本発明のパワー半導体装置の第２の実施形態を示す断面模式図

【図3】比較例１（従来の第１の例）のパワー半導体装置の断面模式図

【図4】図３の主端子とその周囲の拡大図

【図5】比較例２（従来の第２の例）のパワー半導体装置の断面模式図

【図6】図５のパワー半導体装置において主端子間で発生する電流リークを示す図

【図7】図３の回路電極との接合部周囲の断面拡大図

【図8】本発明のパワー半導体装置の第３の実施形態を示す断面模式図

【発明を実施するための形態】

【0016】

［第１の実施形態］
図１は本発明のパワー半導体装置の第１の実施形態を示す断面模式図である。図１に示すパワー半導体装置１００Ａは、絶縁回路基板１と、パワー半導体素子（単に「半導体素子」とも称する。）２と、絶縁回路基板１およびパワー半導体素子２を封止するゲル状の第１の絶縁材８とを有する。絶縁回路基板１およびパワー半導体素子２は樹脂ケース７に収容されており、樹脂ケース７の内部に第１の絶縁材８が充填され、樹脂ケース蓋９で密閉されることで封止されている。

【0017】

絶縁回路基板１は、絶縁基板１Ａを有し、絶縁基板１Ａの一方の面に回路電極１Ｂが、もう一方の面に裏面電極１Ｃが、それぞれろう材（図示なし）を介して接合されている。裏面電極１Ｃは、はんだ等の接合材３によって放熱ベース６に固定されている。回路電極１Ｂには、はんだや焼結金属などの接合材３によってパワー半導体素子２が固定されている。

【0018】

放熱ベース６および絶縁回路基板１は、パワー半導体素子２で発生した熱を効率良く逃がす必要がある。このため放熱ベース６には、アルミニウム（Ａｌ）やアルミニウムと炭化ケイ素の複合材料（Ａｌ－ＳｉＣ）等が使用されている。また絶縁回路基板１の絶縁基板１Ａには、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等が、回路電極１Ｂにはアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等が使用されている。

【0019】

回路電極１Ｂのパワー半導体素子２が搭載されていない部分には主端子５が接合され、パワー半導体素子２と主端子５とが、回路電極１Ｂもしくは回路電極１Ｂおよび金属ワイヤ４を介して電気的に接続される。主端子５は、装置内外に電力を伝達するための板状の金属端子であり、回路電極１Ｂと接合されていない方の端部がケースの外側で図示しない外部機器と接続されており、パワー半導体装置１００Ａの入出力端子となる。この他、図示しないが、半導体装置１００Ａは制御端子および補助端子を有する。

【0020】

本発明の半導体装置１００Ａは、主端子５が板状の部材からなる板状端子であり、板状端子の第１の絶縁材８に囲まれる部分の全てが、第１の絶縁材８よりも硬度の高い第２の絶縁材１０で被覆されている。このような構成とすることで、主端子５が加熱された際に、主端子５と第１封止樹脂８との間に発生するボイドや半導体装置１００Ａの外部から第１の封止樹脂８を通って侵入してきた水蒸気によって発生するボイドを起点とする部分放電を防止することができる。

【0021】

上述した本発明の効果について、従来の半導体装置の構成と比較しながら詳述する。図３は比較例１（従来の第１の例）のパワー半導体装置の断面模式図であり、図４は図３の主端子とその周囲の拡大図である。図３のような構造におけるパワー半導体装置１００Ｃにおいて、パワー半導体素子２に流す電流を大きくして高温動作させると、絶縁回路基板１に接続されている主端子５も加熱されて温度が上昇する。主端子５の表面には、ミクロに見ると凹凸が形成されている。また、主端子５は、銅等の金属板を切断して作製されるため、切断面は表面よりもさらに凹凸が大きく形成されている。主端子５の一部と、主端子５と絶縁回路基板１との接合部は第１の絶縁材（シリコーンゲル）８によって封止されているが、シリコーンゲルは主端子５に化学的に接着した状態ではなく、密着した状態で封止されているので、主端子５の表面の凹凸部分には、シリコーンゲル８が存在しないボイドが存在する場合がある。

【0022】

また、シリコーンゲル８は水滴をはじき、吸湿しにくい材料であるが、水蒸気を透過しやすい材料である。このため、高温高湿下にパワー半導体装置１００Ｃが置かれる場合、シリコーンゲル８を透過した水蒸気成分が主端子５との界面に到達、蓄積し、主端子５が加熱されると、界面に蓄積された水分が気化し、図４に示すように、主端子５の周囲のシリコーンゲル８中にボイド１１が発生することがある。主端子５と放熱ベース６間には電圧が印加され、シリコーンゲル８の比誘電率が約３．０、ボイド（空気）の比誘電率が１．０であるため、ボイドに高い電圧が分担されることとなり、印加電圧が高い場合、ボイド内で部分放電が発生する恐れがある。また、印加電圧が高く、部分放電が継続的に発生する場合、主端子５と放熱ベース６間が絶縁破壊に至る可能性もある。

【0023】

本発明のパワー半導体装置１００Ａにおいては、主端子５のゲル状の第１の絶縁材８に囲まれる（封止される）部分の全てが、第１の絶縁材８よりも硬度の高い第２の絶縁材１０で被覆されているのが特徴である。第２の絶縁材１０としては、ゲル状の第１の絶縁材８より硬度が高い樹脂であれば良く、特に限定するものでないが、主端子５と強固に接着する樹脂が好ましい。図１に示すパワー半導体装置１００Ａにおいては、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）を用いた。ＰＡＩ以外としては、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂およびシリコーン樹脂等を使用することができる。ゲル状の第１の絶縁材８はゲル状で柔らかく、このため水分が気化された場合にボイドが形成しやすい。第２の絶縁材１０は、ゲルよりも硬度が高い樹脂なので、例え第２の絶縁材１０と主端子５との界面に水分が蓄積したとしても、ボイドとして膨らまない。

【0024】

上記構成によって、本実施形態のパワー半導体装置１００Ａでは、パワー半導体装置の設置される環境が高温高湿な状態にあっても、主端子５の第１の絶縁材８に囲まれる部分の全てが第２の絶縁材１０で被覆され、主端子５と第２の絶縁材１０が接着されているため、ゲル状の第１の絶縁材８を透過した水蒸気が、第２の絶縁材１０を透過せず、主端子５と第２の絶縁材１０の界面に蓄積しない。また、主端子５の表面の凹凸と第２の絶縁材１０との間にボイドが存在していたとしても、第２の絶縁材１０が硬い材料であるので、主端子５の加熱によってボイドが膨らむことはない。よって、主端子５が加熱された時もボイドの形成は抑えられる。ボイドの形成がないので、主端子５と放熱ベース６間に高電圧が印加された場合でも、部分放電の発生は無い。

【0025】

上述した構成を有するパワー半導体装置１００Ａは、以下の手順で作製される。パワー半導体素子２は、例えばＩＧＢＴ等のスイッチング動作可能な素子やダイオードであり、はんだや焼結金属などの接合材３を介して絶縁回路基板１の回路電極１Ｂに接合する。そして、パワー半導体素子２の、絶縁回路基板１の回路電極１Ｂに接合されていないもう一方の面にある電極と、絶縁回路基板１の回路電極１Ｂのうちパワー半導体素子２が接合されていない回路電極１Ｂとの間を金属ワイヤ４で接続する。次に、パワー半導体素子２が搭載された絶縁回路基板１を放熱ベース６にはんだ等の接合材を介して接合する。その後、放熱ベースの外周部に樹脂ケース７を接着剤等を介して取付け、主端子５を絶縁回路基板１の回路電極１Ｂの表面に接合する。主端子５の表面に、第２の絶縁材１０を塗布し、乾燥する。そして、最後に樹脂ケース７の内側にゲル状の第１の絶縁材８（シリコーンゲル）を注入硬化させ、樹脂ケース蓋９を被せてパワー半導体装置１００Ａが完成する。

【0026】

ここで、上述した特許文献１および特許文献２と本発明の構成について比較する。特許文献１においては、ケース側板１１に配置された主端子（端子１４）は、第二の封止樹脂（シリコーンゲル）１２０で封止されており、図３および図４に示した構成のように、シリコーンゲルにボイドが発生する可能性があるが、このボイドの発生に関しての記載は無く、ボイドの発生による部分放電の防止についての対策はなされていない。

【0027】

図５は比較例２（従来の第２の例）のパワー半導体装置の断面模式図であり、図６は図５のパワー半導体装置において主端子間で発生する電流リークを示す図である。図５のパワー半導体装置１００Ｄの構成は、特許文献２に相当する構成であり、絶縁回路基板１と主端子５の接合部とその近傍は第１の絶縁材８（特許文献２の第２の封止樹脂１３）よりも弾性率が高い第２の絶縁材１０（特許文献２の第１の封止樹脂９）で覆われている。主端子５の第２の絶縁材１０で覆われていない箇所は第１の絶縁材８で覆われている。すなわち、主端子５の第１の絶縁材８と接触する部分において、第２の絶縁材１０で覆われていない部分が存在し、主端子５の表面のボイド発生を完全には防止できない。

【0028】

また、図６に示すように、図の左側の主端子５と図の右側の主端子５との間に第１の絶縁材８と第２の絶縁材１０の界面が形成されており、このように界面が形成されると界面に水分が蓄積し、図の左側の主端子５と図の右側の主端子５との間で電流がリークする（図６中矢印１４で図示）という問題も発生する可能性がある。これに対し、本発明では、主端子５の第１の絶縁材８に囲まれる部分の全てが第２の絶縁材１０で被覆されるため、仮に図６のように図の左側の主端子５と図の右側の主端子５との間に第１の絶縁材８と第２の絶縁材１０の界面が形成されこの界面に水分が蓄積していたとしても、水分が蓄積する部分においては主端子５は第２の絶縁材１０で被覆されているため図６で発生するような電流のリークを防止できる。

【0029】

［第２の実施形態］
図２は本発明のパワー半導体装置の第２の実施形態を示す断面模式図である。本実施形態に係るパワー半導体装置１００Ｂにおいては、主端子５の第１の絶縁材８に囲まれる部分の全てに加えて、パワー半導体素子２と絶縁回路基板１の回路電極１Ｂとの接合部が、第１の絶縁材８よりも硬度の高い第２の絶縁材１０で被覆されていることが特徴である。

【0030】

図７はパワー半導体素子２と絶縁回路基板の回路電極１Ｂとの接合材３に銅や銀等の焼結金属を用いた場合の断面模式図である。焼結金属は、金属粉末を融点よりも低い温度で加熱することにより固まる焼結体で、多孔質である。このため、接合材３に焼結金属を用いた場合、第１の絶縁材８と接合材３の間に水分が蓄積し、接合材３の周囲でボイド１１が発生する可能性がある。

【0031】

このため、本発明の第２の実施形態に係るパワー半導体装置１００Ｂにおいては、図２に示すように、主端子５の第１の絶縁材８に囲まれる部分の全てに加えて、パワー半導体素子２と絶縁回路基板１の回路電極１Ｂとの接合部を、第１の絶縁材８よりも硬度の高い第２の絶縁材１０で被覆した。このような構成とすることで、本実施形態のパワー半導体装置１００Ｂでは、パワー半導体装置の設置される環境が高温高湿な状態にあっても、主端子５と絶縁回路基板１の回路電極１Ｂとの接合部およびパワー半導体素子２と絶縁回路基板１の回路電極１Ｂとの接合部が第２の絶縁材１０で被覆されて接着されているため、第１の絶縁材８を透過した水蒸気が、第２の絶縁材１０を透過せず、主端子５と第２の絶縁材１０の界面、および、主端子５と絶縁回路基板１の回路電極１Ｂとの接合部と第２の絶縁材１０の界面、および、パワー半導体素子２と絶縁回路基板１の回路電極１Ｂの接合部と第２の絶縁材１０の界面に蓄積しない。よって主端子５およびパワー半導体素子２が加熱された際も、図７に示すようなボイド１１の形成は抑えられる。ボイド１１の形成がないので、主端子５と放熱ベース６間、パワー半導体素子２の電極間、回路電極１Ｂと他の回路電極１Ｂ間に高電圧が印加された場合でも部分放電１２の発生は無い。

【0032】

［第３の実施形態］
図８は本発明のパワー半導体装置の第３の実施形態を示す断面模式図である。図８は、図１の主端子５の位置を変更した変形例に相当する。図８に示すパワー半導体装置１００Ｅは、絶縁回路基板１、パワー半導体素子２および第１の絶縁材８を収容する樹脂ケース７を有している。主端子５は樹脂ケース７に設けられ、金属ワイヤ４を介して絶縁基板１Ａの表面の回路電極１Ｂまたはパワー半導体素子２の電極と電気的に接続されている。そして、主端子５の第１の絶縁材８に囲まれる部分の全てが、第１の絶縁材８よりも硬度の高い第２の絶縁材１０で被覆されている。このように、板状端子である主端子５が樹脂ケース７に設けられている場合であっても、主端子５の第１の絶縁材８に囲まれる部分の全てを、第１の絶縁材８よりも硬度の高い第２の絶縁材１０で被覆することで、本発明の効果を得ることができる。

【0033】

さらに、図示しないが、上述した第２の実施形態のように、パワー半導体素子２と絶縁回路基板１の回路電極１Ｂとの接合部が、第１の絶縁材８よりも硬度の高い第２の絶縁材１０で被覆されていても良い。このような構成でも、本発明の効果を得ることができる。

【実施例】

【0034】

［パワー半導体装置の作製および試験・評価］
次に、本発明の実施形態に係るパワー半導体装置のサンプルを作製し、評価を行った。以下では、本発明によるパワー半導体装置の絶縁信頼性についての効果を検証するため、第１、第２の実施形態でそれぞれ説明したパワー半導体装置１００Ａ，１００Ｂと、第１、第２の比較例でそれぞれ説明したパワー半導体装置１００Ｃ，１００Ｄとを作製し、それぞれに高温高湿での加湿処理後、ホットプレート上で加熱し、ボイドの発生状態観察と部分放電試験、端子間の絶縁抵抗測定を実施した結果を説明する。

【0035】

なお、前述のように本発明の目的は、主端子５がゲル状の第１の絶縁材８で封止されたパワー半導体装置が高温高湿環境に設置された場合の、主端子５周囲で発生する第１の絶縁材８中のボイドの発生、部分放電の発生を防止することである。そのため本試験では、パワー半導体装置１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄのそれぞれに対して、ケース蓋を取付けず、第１の絶縁材８を水蒸気が透過しやすいように、またパワー半導体装置の内部のボイド発生状態を観察できるようにした。

【0036】

本試験では、パワー半導体装置１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄのそれぞれに対応する各サンプルを、温湿度条件８５℃８５％Ｒ．Ｈ．（相対湿度）の高温高湿槽内に配置し、１０００時間加湿処理を実施した。１０００時間の加湿処理後、高温高湿槽から各サンプルを取り出し、最初に２つの主端子５間の絶縁抵抗の測定を実施した。絶縁抵抗計にて端子間に５００Ｖを印加し、主端子間の絶縁抵抗の１分値を測定した。

【0037】

絶縁抵抗測定後、直ちにサンプルをホットプレート上に置き、１２０℃で１５分間加熱した。加熱しながらサンプルの主端子５およびパワー半導体素子２と絶縁回路基板１の回路電極１Ｂとの接合材３の周囲から発生するボイドを目視で観察した。

【0038】

そして、加熱後すぐに部分放電測定装置を用いて、主端子５と制御端子、補助端子を全て短絡し、全端子と放熱ベース間に交流電圧を印加し、交流電圧を０Ｖから徐々に上昇させたときに、各サンプルで部分放電が発生する電圧（部分放電開始電圧）を測定した。ここで、部分放電が発生したと判断する閾値は１０ｐＣとした。なお、部分放電の試験電圧は最大７ｋＶｒｍｓ（実効値）とした。

【0039】

表１は、本発明の実施形態および比較例による各パワー半導体装置のボイド発生状態観察、部分放電試験、絶縁抵抗の測定結果をまとめたものである。表１に示すように、第１の実施形態のパワー半導体装置１００Ａに対応するサンプル（実施例１）、第２の実施形態のパワー半導体装置１００Ｂに対応するサンプル（実施例２）において、主端子５周囲及びパワー半導体素子２周囲での第１の絶縁材８中のボイドの発生がないことを確認した。これに対し、第１の比較例のパワー半導体装置１００Ｃに対応するサンプル（比較例１）、第２の比較例のパワー半導体装置１００Ｄに対応するサンプル（比較例２）において、主端子５周囲で第１の絶縁材８中にボイドが発生していた。

【0040】

部分放電試験においては、実施例１、実施例２、比較例２において試験電圧最大の７ｋＶｒｍｓでの部分放電の発生は無かった。これに対し、比較例１においては５．６ｋＶｒｍｓで部分放電が発生した。これは、主端子５周囲に発生したボイドを起点とする部分放電であると考えられる。

【0041】

主端子５間の絶縁抵抗測定においては、実施例１、実施例２、比較例１では絶縁抵抗はそれぞれ１０^１０Ω以上の高い抵抗値を示した。これに対し、比較例２では４．６×１０^３Ωと低い抵抗値であった。これは、主端子５間の第１の絶縁材８および第２の絶縁材１０の界面にリークが発生したことによるものと考えられる。

【0042】

【表1】

【0043】

以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。パワー半導体装置１００Ａ，１００Ｂは、主端子５のゲル状の第１の絶縁材８に囲まれる部分の全てが第１の絶縁材８よりも硬度の高い第２の絶縁材１０で被覆されている。このようにしたので、主端子５と第１の絶縁材８との界面に蓄積する水分を抑制、ボイドの発生を抑制、さらには部分放電の発生を抑制でき、小型で信頼性に優れたパワー半導体装置１００Ａ，１００Ｂを提供することができる。

【0044】

以上、説明した通り、本発明によれば、主端子が加熱された際に、主端子と封止樹脂との間に発生するボイドや半導体装置外部から封止樹脂を通って侵入してきた水蒸気によって発生するボイドを起点とする部分放電を防止し、小型で信頼性の高いパワー半導体装置を提供できることが示された。

【0045】

以上説明した実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0046】

１…絶縁回路基板、１Ａ…絶縁基板、１Ｂ…回路電極、１Ｃ…裏面電極、２…パワー半導体素子、３…接合材、４…金属ワイヤ、５…主端子、６…放熱ベース、７…樹脂ケース、８…第１の絶縁材、９…樹脂ケース蓋、１０…第２の絶縁材、１１…ボイド（気泡）、１２…部分放電、１３…絶縁破壊、１４…電流リーク、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ…パワー半導体装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】