JP2001102521A

JP2001102521A - 絶縁回路基板およびそれを用いた半導体装置

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Publication number: JP2001102521A
Application number: JP27572199A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Koike; 義彦小池; Hideo Shimizu; 英雄清水; Tadao Kushima; 忠雄九嶋; Akira Tanaka; 明田中; Ryuichi Saito; 隆一斉藤; Shigeharu Nonoyama; 茂晴野々山; Tadaaki Kariya; 忠昭苅谷; Yuzuru Kamata; 譲鎌田
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Engineering Consulting Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Engineering Consulting Co Ltd
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2001-04-13
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JP4088394B2

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁回路基板、およびその基板を使用した内部
絶縁型半導体装置の絶縁耐量向上を図る。【解決手段】絶縁回路基板の導電体終端の厚さを１０μ
ｍ以上とする。また、接合材と絶縁基板接触角を９０度
以上にするか、先端を半径５μｍ以上の球状とする。平
面上は終端辺の突起の幅を１０μｍ以上にする。【効果】本発明によれば絶縁回路基板の電界集中を抑え
ることができるので絶縁耐量を向上させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パワー半導体モジ
ュール等のパッケージ内部で絶縁を確保する絶縁回路基
板、およびそれを用いた半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からＩＧＢＴ，ダイオード，ＧＴ
Ｏ，トランジスタ等の半導体素子を絶縁容器内に密封し
て構成した半導体モジュールが知られている。これらの
素子はその耐圧や電流容量に応じて各種インバータ装置
などに応用されている。モジュールの内部と外部はモジ
ュール内部にアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や窒化アルミ(Ａｌ
Ｎ)などの絶縁基板を介しベースと電気回路を絶縁する
構造として実装の容易性を向上させるている。これらの
素子の中でもＩＧＢＴは電圧制御型の素子であるので制
御が容易であり、大電流の高周波動作が可能であるなど
の利点を有している素子である。近年ＩＧＢＴ素子の大
容量化が進み、従来のＧＴＯがカバーしていた領域まで
性能が向上して来ている。モジュールの大電流化に伴
い、モジュール内部で使用する半導体素子の大型化や多
チップ化のためモジュール内部で使用する絶縁板の大面
積化が進んでいる。大面積化の問題を解決するため、特
開平5− 152461号に示す様にモジュール絶縁基板に接
合した導体電極の終端を段部を介して薄肉とする方法
や、特公平7−77989 号に示す様に導体電極板と絶縁基
板を接合する接合材の端部を導体電極板より外側にする
方法などで導体電極、あるいは接合材と絶縁基板界面で
極大になる応力を低減させ、絶縁板の熱サイクルによる
割れの発生を抑える方法が取られていた。また、モジュ
ールの高耐圧化に伴い、モジュール内部の絶縁耐量を高
くする必要がある。特にベースと電気回路との絶縁では
１０ｋＶクラスの耐量も要求されてきている。この問題
を解決するため、一般的に絶縁基板を厚くして電界強度
を緩和する方法や、回路パターンから絶縁基板端部まで
の沿面距離を長くする方法で平均電界強度を下げて対策
していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、絶縁耐
量の向上のためには絶縁劣化の起点となる局部電界強度
を下げる必要がある。絶縁回路基板を半導体装置で使用
する多くの場合は、絶縁回路基板全体をシリコーンゲル
などの有機樹脂で被服する。樹脂で被服した構造では絶
縁破壊の前駆現象として局部的に電界強度が大きい電界
集中部でコロナ放電が発生し、樹脂中にボイドや電気ト
リーを発生させる。電圧が連続して課電される場合は、
放電も連続して発生し、トリーが成長して絶縁劣化に至
る。これらの現象は平成５年の電気学会（予稿集第３分
冊，８０項）などで報告されている。このことからも半
導体装置内部の電界集中をなくすことが必須であること
が判る。半導体装置内部で電圧が課電された場合、電界
が集中場所は絶縁回路基板の沿面部分、より詳細には絶
縁基板の沿面部分に接した導体電極の終端部分になる。
しかし、上記従来技術の絶縁基板の割れに対して対策し
た導体電極終端部の形状を薄肉化する方法や接合材を導
体電極の外側に配置する方法では導体電極間（回路側の
電極間に電圧を課電した場合）や、導体電極と絶縁基板
裏面の電極間（電気回路とベース間に電圧を課電した場
合）の導体電極の終端部形状が薄く鋭角になるため電界
を集中させ絶縁耐量を低下させる問題がある。また、絶
縁基板上の導電体終端で最も絶縁基板に近く、薄い層で
ある接合材の終端形状に関しては局部電界を抑える検討
がされていなかった。

【０００４】一方、平均電界強度下げるため絶縁基板を
厚くする方法では絶縁基板の熱伝導が導体電極より小さ
い（例えば、導体電極として一般的に使用される銅の熱
伝導率は３９８Ｗ／ｍＫに対し絶縁基板のアルミナは３
６Ｗ／ｍＫ、ＡｌＮは１７５Ｗ／ｍＫと１／２以下とな
る）ためモジュールの熱抵抗を上昇させてしまう問題が
ある。また、沿面距離を大きくして絶縁耐量を向上させ
る方法ではモジュールが大型になる問題がある。

【０００５】本発明の目的は、絶縁回路基板の導体電極
終端部への電界集中を抑制することで、絶縁基板の厚さ
や沿面距離を大きくしないで絶縁耐量の高い絶縁回路基
板を提供し、この絶縁回路基板を使用することで絶縁耐
量の高い半導体モジュールを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】絶縁耐量の向上のために
は電界の集中をなくし平均的に電界をかける必要があ
る。特に絶縁基板の沿面部分の電界集中を抑える必要が
ある。そのために導体電極を含む導電体終端の厚さを１
０μｍ以上とした。導電体終端厚さが１０μｍ以上の場
合、最大電界強度はほとんど変化せず、最大電界強度を
抑えるためには絶縁基板の厚さを厚くする必要がある。
つまり、最大電界強度を決める主要因が絶縁基板厚さと
なる。一方、導電体終端の厚さが１０μｍより小さくな
ると電界強度が急激に大きくなり絶縁基板の厚さより導
電体終端の厚さが最大電界強度を決める主要因となる。
この結果より導電体の終端の厚さを１０μｍ以上にすれ
ば、絶縁基板厚さや導体電極、接合材などの導電体の厚
さによって最大電界強度が決まり、沿面部分の平均電界
強度とほぼ同じ値とすることができる。これにより絶縁
基板端部での電界集中による絶縁耐量の低下を防ぐこと
ができる。

【０００７】接合材の終端部の厚さを１０μｍ以上にす
るためには接合材と絶縁基板の接触角θが９０度以上に
する必要がある。また、接触角が９０度より小さい場合
は、接合材の終端をエッチング等で１０μｍ以下の薄い
部分を除去するか、半径が５μｍ以上の球状とした。こ
の構造においても電界集中による絶縁耐量の低下を防ぐ
ことができる。

【０００８】導電体終端の形状が１０μｍ以上で電界集
中を抑えることができる原理は平面形状にもそのまま適
用できる。つまり、絶縁基板の沿面部分の導体電極終端
辺を上面から見た時の突起形状の幅を１０μｍ以上とす
ることで電界集中による絶縁耐量の低下を防ぐことがで
きる。

【０００９】絶縁基板の導体電極を接合する接合材、あ
るいは導体電極の一部を絶縁基板内に埋込む構造として
も電界強度の集中を抑えることができる。これは絶縁基
板中では電界の集中が起こりずらい性質を利用したもの
で、電界集中による絶縁耐量の低下を防止できる。ま
た、この構造ではあらかじめ絶縁基板に凹形状を設け、
凹部分に接合材を印刷するので熱処理時に接合材の流れ
出しがない。これにより、接合層と絶縁基板の反応層が
ろう材以外の場所に形成されるのを防ぐこともでき、め
っき等の後処理で絶縁基板表面に薄い導電体領域を作る
ことで電界強度を集中させるようなことがない。

【００１０】導電体終端を１０μｍ以上にし、絶縁耐量
が極部電界でなく平均電界強度で決まる構造では、導体
電極の終端形状で電界強度が決まる。そこで、導体電極
終端形状を半径が５μｍ以上の球状として平均電界強度
の低減を図った。球の形状により電界強度は変わるが、
導体電極の厚さの１／２の半径で球状にした時に最も電
界強度を下げることができる。

【００１１】導体電極を絶縁基板上に接合した後めっき
等により表面をコーティングする場合は、導電体のコー
ティング材が直接絶縁基板沿面部分に形成されないよう
にした。また、絶縁基板と接合材の反応層にはめっきが
付着しやすいため完全に除去する構造とした。めっきに
よりコーティングする場合は、薄すぎると凹凸をカバー
できないこと、逆に厚すぎると剥離が生じるなどの問題
があるため厚さを４〜６μｍ程度にする。この厚さの導
電体層が絶縁基板表面に直接付着して４〜６μｍの導電
体層を形成すると電界集中によりコロナ放電が発生し、
連続電圧課電により絶縁破壊が生じる。特に絶縁基板と
接合材の反応層にはめっきが付着されやすいため完全に
除去するか、めっき工程時にコーティングして付着を防
止することで絶縁耐量の低下を防ぐ必要がある。これに
よって電界集中による絶縁耐量の低下を防ぐことができ
る。

【００１２】これらの絶縁回路基板を半導体モジュール
に使用すると電界集中によるコロナ放電の発生電圧を高
くすることができる。半導体モジュール内部の絶縁封止
は多くの場合半導体素子と導体電極間を配線したワイヤ
の劣化を防止するため弾性係数の小さなシリコーンゲル
を使用する。しかし、シリコーンゲルはコロナ放電によ
りボイドなどの欠陥が生じやすい。本発明絶縁回路基板
を使用すれば電界集中によるコロナ放電の発生電圧を高
くすることができるので、ワイヤーに悪影響を与えない
シリコーンゲル封止構造でも絶縁耐量の高い半導体モジ
ュールを製造することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図面を用い
て説明する。

【００１４】図１は本発明の一実施例で絶縁回路基板の
断面図を示す。（ａ）は絶縁回路基板の全体図、（ｂ）
は絶縁基板１０１と導体電極１０３との接合端部の拡大
断面図を示す。絶縁回路基板はＡｌＮ基板からなる絶縁
基板１０１の上下にＣｕ−Ａｇ−Ｔｉ合金ろう材からな
る接合材１０２を介して無酸素銅からなる導体電極１０
３を接合して形成する。半導体モジュールに組込んだ
時、図面の上面はチップを搭載する面で導体電極１０３
をパターニングして電気回路を形成する下面はベースに
接合するために全面に導体電極を形成した構成となる。
電気的に絶縁耐量を必要とする場所は、電気回路内での
絶縁(上面の導体電極パターン間のＡ部)と、モジュール
内部と外部（上下面導体電極間のＢ部）になる。各導体
電極間に課電した場合、電界が最も集中する場所は導体
電極各パターン端のＣ部になる。(ｂ)にＣ部の拡大断面
図を示す。接合材１０２にＣｕ−Ａｇ−Ｔｉ合金ろう材
を使用すると接合のため約８００℃の高温で熱処理して
接合する。熱処理時に絶縁基板に使用したＡｌＮ基板の
Ｎとろう材のＴｉが反応してＴｉＮの層１０４を形成す
る。この層により導体電極板１０３と絶縁基板１０１は
強く接合される。熱処理後、導体電極と接合材の露出部
分は耐腐食性向上等の目的でＮｉめっき105によってコ
ーティングする。この構造で絶縁基板上にある導電体の
終端（本実施例ではろう材とＮｉめっきを合わせた厚
さ）の厚さを１０μｍ以上にすることで電界集中を抑え
た。

【００１５】図２に絶縁回路基板の平面図を示す。
（ａ）は半導体装置に組み込む時の実装形態、（ｂ）は
電界が最も集中しやすい導体電極端のＣ部を拡大した平
面図を示す。絶縁基板１０１上には電気回路を構成する
導体電極板を接合する。実施例ではエミッタ電極２０
１，コレクタ電極２０２，ゲート電極２０３の回路を形
成する。コレクタ電極上にはＩＧＢＴチップ２０４とダ
イオードチップ２０５を配置し、各チップをＡｌワイヤ
２０６によって配線する。この基板の回路側と基板の裏
面側（モジュールのベース側）の絶縁耐量を向上させる
ためには各導体電極の終端部（Ｃ部）の平面形状も検討
する必要がある。（ｂ）にＣ部の拡大平面図を示す。エ
ミッタ電極２０１より接合材１０２を広い面積とするこ
とで、絶縁基板１０１にかかる熱応力を低減させている
が、接合材の終端辺に幅１０μｍ以下の突起２０７があ
ると急激にその部分の電界が大きくなる。そのため化学
エッチングやスパッタエッチングにより突起部先端２０
７を除去し、突起の幅を１０μｍ以上として電界集中に
よる絶縁耐量の低下を防いだ。

【００１６】図３に図１の実施例構造の絶縁回路基板の
接合方法を示す。ＡｌＮ絶縁基板である絶縁基板１０１
の上にＣｕ−Ａｇ−Ｔｉ合金ろう材１０２をパターン印
刷した後、無酸素銅電極である導体電極板１０３をセッ
トし、約８００℃で熱処理する。熱処理時にＡｌＮ基板
１０１中のＮとＣｕ−Ａｇ−Ｔｉ合金ろう材１０２中の
Ｔｉが反応してＴｉＮ層１０４ができる。熱処理時中、
Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉ合金ろう材１０２は最初に印刷した場
所以外にも溶解して流れ出し２０１が起こる。従来、ろ
う材１０２の流れ出しが少ない基板ではこのままＮｉめ
っき１０５をしていた（従来方法−１）ため、ろう材１
０２の終端がテーパ状になり１０μｍ以下の厚さになる
部分があった。本発明では耐ヒートサイクル性向上のた
めに必要な導電体層部分にエッチング用マスク３０２を
し、エッチングすることで流れ出したろう材であるろう
材流出領域３０１を除去する。この時Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉ
合金ろう材１０２と反応層(ＴｉＮ)１０４のエッチング
速度が違うため反応層が残る。絶縁基板１０１中に形成
されたＴｉＮ層１０４には電界が集中しないため従来は
このままＮｉめっき１０５をする方法が取られていた
(従来方法−２)。しかし、ＴｉＮ層１０４上にもＮｉめ
っき１０５が部分的に付着し、導電体としての終端部分
の厚さが１０μｍ以下になる部分があった。本方法では
例えばＴｉＮ層１０４を接合材とは別のエッチング液を
用い、別途除去した後Ｎｉめっき１０５することで導電
体としての終端部分の厚さを１０μｍ以上とすることで
電界集中を抑えた。

【００１７】図４に導体終端厚さと最大電界強度の関係
を示す。導電体終端厚さが１０μｍ以上の場合、最大電
界強度はほとんど変化せず、最大電界強度を抑えるため
には絶縁基板の厚さを厚くする必要がある。つまり、最
大電界強度を決める主要因が絶縁基板厚さとなる。一
方、厚さが１０μｍより小さくなると電界強度が急激に
大きくなり絶縁基板の厚さより終端の厚さが最大電界強
度を決める主要因となる。図１の実施例構造ではＡｌＮ
基板の厚さを０.６３５mm ，導体電極の厚さを０.３mm
，接合材の厚さを０.０２mm ，Ｎｉめっきの厚さを０.
００５mm として、導電体終端に配置する材料を変えた
試験をした。その結果、導体電極を終端に配置した場合
と接合材を終端に配置した場合で絶縁耐量は変わらなか
ったが、０.００５mm のＮｉめっきの層を終端に配置す
ると絶縁耐量は低下した。この結果から導体電極の終端
の厚さを平均電界強度が電界の支配的要因になる１０μ
ｍ以上とすることで絶縁性を向上させる。また、この傾
向は絶縁基板の厚さを変えても変わらない。

【００１８】図５に導体絶縁基板厚さを変えた時の最大
電界強度を示す。導体電極膜の終端の厚さが同じでも絶
縁基板を厚くすると最大電界強度が低下し、１mm以下で
ほぼ安定する。しかし、絶縁基板の熱伝導率は銅が３９
８Ｗ／ｍＫに対しＡｌＮが１７５Ｗ／ｍＫ、アルミナは
３６Ｗ／ｍＫと１／２以下と低いため、モジュールに内
蔵した時の熱抵抗を考慮すると絶縁基板を厚くするのは
極力避け、導体終端の厚さを制御し最大電界強度を下げ
ることで絶縁耐量を向上させる方が望ましい。

【００１９】図６は本発明の実施例で、接合時流れたろ
う材をエッチングによって除去し、Ｎｉめっきをした構
造を示す。（ａ）は本発明の方法でろう材の１０μｍ以
下の領域をエッチングしＮｉめっきをした構造、（ｂ）
は従来方法で流れたろう材上にそのままＮｉメッキをし
た構造を示す。ろう材の流出の少ない材料や条件を選定
してもろう材終端はテーパーの付く構造となることが多
い。そのためエッチング等の加工を加えなければ１０μ
ｍ以上の形状にすることは難しい。

【００２０】図７，図８は本発明の実施例で、図７は接
合材１０２と導体電極１０３の終端を同じ位置にする構
造、図８は接合材１０２が導体電極１０３より内側に配
置された構造を示す。いずれも流出したろう材と、ろう
材と絶縁基板の反応層を除去することで導電体終端を１
０μｍ以上にし、電界集中を抑えられる。

【００２１】図９に絶縁基板にアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や
ベリリア（ＢｅＯ），窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）等９０１
を使用した例を示す。（ａ）は本発明の方法でろう材の
１０μｍ以下の領域をエッチングしＮｉめっきをした構
造、（ｂ）は従来方法で流れたろう材上にそのままＮｉ
メッキをした構造を示す。これらの絶縁基板では接合材
１０２との反応層が形成されない。しかし、接合材の流
れ出し部分で同様な問題が生じるため本発明により絶縁
耐量を向上することができる。

【００２２】図１０はめっき処理がない場合の実施例を
示す。（ａ）は本発明の方法でろう材の１０μｍ以下の
領域をエッチングした構造、（ｂ）は従来方法で流れた
ろう材上にそのままにした構造を示す。ろう材の終端が
テーパー状になっていれば同様な問題が生じるため本発
明により絶縁耐量を向上することができる。

【００２３】図１１にろう材の終端形状について示す。
熱処理による接合では接合材と絶縁基板の接触角はほと
んどの場合９０度より小さいテーパー形状になる。この
場合では必ず導電体厚さが１０μｍ以下の領域ができ
る。本発明では（ａ）に示すような接触角θを化学エッ
チングにより９０度以上とした。また、接触角度が９０
度より小さい（ｂ）の場合でも接合材１０２の先端を化
学エッチングやスパッタエッチングにより半径５μｍ以
上の球状にした。これにより最大電界強度を下げること
で絶縁耐量を向上させる方が望ましい。

【００２４】図１２（ａ）に接合材１０２を絶縁基板１
０１中に埋込んだ実施例を示す。接合層１０２を埋込む
ため絶縁基板１０１はあらかじめ凹構造にしておき、そ
の部分に接合材１０２をパターン印刷する。次に導体電
極１０３を重ね熱処理することで複合材を形成する。形
成された複合材の表裏の電極に電圧を課電した場合の最
大電界強度を１００％とした電界強度分布模式図を図中
に示す。比較のため（ｂ）は接合材を埋込まない場合
（ｃ）は接合材を埋込まず、１０μｍ以下の導電体領域
がある従来構造の例を示す。絶縁基板中は電界がほぼ均
等に分割されるので接合材の下部ではどの構造でも裏面
電極までの絶縁基板の厚さ方向で電界がほぼ均等にな
る。沿面部分では導体部分が絶縁材に埋込まれていれば
絶縁基板の端部までの間でほぼ均等に電界が分割され
る。絶縁基板から出ると導電体膜の形状によって電界分
布が影響を受ける。接合材が埋込まれていない構造では
より絶縁基板を出た直後に影響を受けるため導体電極側
に電界が集中し、電界強度が高くなる傾向にある。１０
μｍ以下の導電体領域があるとその分布はより顕著に先
端に集中する。これらの結果から判るように接合材に導
電体層の一部を絶縁基板に埋込むことで絶縁耐圧をより
向上させることができる。図１２では接合材102だけを
埋込んだ実施例を示したが、導体電極１０３を１０μｍ
以上絶縁基板101から突出させその一部を埋込むか、完
全に埋込んでも同じ効果がある。但し、この方法では絶
縁基板１０１が厚くなるため熱抵抗との相関で最適条件
を選ぶ必要がある。また、この方法では接合材領域をあ
らかじめ凹構造にしているので熱処理中の接合材流れ出
しも抑えることができ、接合材１０２を印刷した場所以
外の反応層１０４もできないのでエッチング工程を省略
しても絶縁耐量を低下させることがない利点もある。

【００２５】図１３は絶縁基板中に形成されたＴｉＮ等
の反応層をエッチングしないでそのまま残した実施例を
示す。前述したように絶縁基板中では電界がほぼ均等に
分割されるので絶縁基板１０１中に反応層１０４があっ
ても電界集中に対して影響が少ない。問題はＮｉめっき
等の後処理で反応層１０４上、つまり絶縁基板表面より
上面に導電体膜が形成されることで電界が集中すること
にある。そこで、めっき処理中に反応層上部をコーティ
ングしめっきの生成を抑えることで電界集中をさせない
構造とした。また、熱サイクル時に応力が最も集中する
接合材と絶縁基板界面部分をエッチングすることがない
の耐ヒートサイクル性が向上する利点もある。

【００２６】図１４は接合層以外の部分に形成された反
応層上に別の導電体層を形成した実施例を示す。絶縁基
板上の導電体層終端が１０μｍ以上あれば電界集中を抑
えられるので反応層上に例えば反応層を形成しないろう
材１４０１を塗布するなどして先に形成された反応層を
厚くすることで導電体終端を１０μｍ以上にし、電界集
中を抑えた。

【００２７】図１５，図１６は導電体層の終端を球状に
した実施例を示す。接合材の先端の電界集中を緩和でき
れば次に導電体層の終端形状によって平均電界強度が変
わる。機械加工時のばりのような厚さ１０μｍ以下の鋭
角な突起があると接合材先端と同様に電界集中による絶
縁劣化が起こる。導体膜先端の形状を加工する方法とし
接合前の銅板の終端を半径５μｍ以上の球状にしたり図
１６に示すように銅板の終端を折り返して球状の半径を
より大きくする方法がある。

【００２８】図１７は導電体膜を積層構造にした実施例
を示す。絶縁基板１０１と導電体層１０３を接合した界
面の耐熱サイクル向上のために導電体層として使用する
銅板と絶縁基板との間に干渉層１３０１を設ける構造が
ある。この場合も導電体層１０３と干渉層１７０１の界
面や接合層１０２の先端が１０μｍ以下の鋭角な部分が
あると接合材先端と同様に電界集中による絶縁劣化が起
こる。図１５にも示したように積層構造の先端を球状に
すると電界集中を抑えることができる。

【００２９】図１８は導電体層をメッシュ状にした実施
例を示す。絶縁基板１０１に接合材１０２をパターン印
刷した後複数の穴のある導体電極１８０１をセットして
熱処理する。熱処理時に接合材１０２は導体電極１８０
１の穴１８０２に溶け出して絶縁基板１０１に固定され
る。この実施例では接合材のほとんどの量を導体電極中
に吸収するため接合材の厚さを薄く、かつ印刷した領域
以外への流出を抑えることができる。これによりエッチ
ングなどの処理を行わなくても接合材の先端形状を制御
できる。

【００３０】図１９は本発明の絶縁回路基板を半導体装
置に使用した実施例を示す。絶縁基板１０１に導体電極
１０３を図示して接合材で絶縁基板上下に接合した絶縁
回路基板上に半導体素子１９０１を半田１９０２によっ
て接続する。次にＡｌワイヤ１９０３によって絶縁基板
上の電気回路を形成する。次に半田１９０４によって金
属ベース１９０５に絶縁基板を接合、端子１９０７と樹
脂製のケース蓋1908が一体になった端子ブロック１９０
９を半田１９０６によって絶縁基板上の電気回路に接続
する。次に樹脂製のケース１９１０を取付け、ケース内
をシリコーンゲル１９１１とエポキシ樹脂１９１２で封
止して半導体装置を作製する。完成した半導体装置の絶
縁は、端子１９０７とベース１９０５間に電圧１９１４
をかけて試験する。この時の絶縁は絶縁基板の厚さ，絶
縁基板の沿面，シリコーンゲルのバルクの３箇所で保持
される。シリコーンゲルの絶縁耐量は約１５ｋＶ／mm、
絶縁基板で例えばＡｌＮ板バルクの絶縁耐量は約２０ｋ
Ｖ／mm。それぞれの厚さやベースまでの距離を１mm以上
確保すれば１０ｋＶ程度の絶縁は十分確保できる。しか
し、絶縁基板沿面の導体電極の終端構造が１０μｍ以下
の厚さ、あるいは１０μｍ以下の鋭角な突起があるとそ
の部分の局部電界強度が大きく、５ｋＶ程度でもコロナ
放電が発生、連続して電圧を課電すると絶縁破壊に至
る。本発明の終端構造をとれば局部電界の集中がないの
で１０ｋＶでもコロナ放電の発生がなく、絶縁劣化を起
こすことはない。

【００３１】図２０に本発明の絶縁回路基板で絶縁基板
の裏面側（ベース側）に導体電極がない場合の基板を半
導体装置に使用した実施例を示す。装置の内部構成は図
１９とほぼ同じであるが、絶縁基板１０１に導体電極１
０３を図示して接合材で絶縁基板上面だけに接合し、裏
面側は絶縁基板を露出させた半導体装置の構成になる。
この構造では絶縁基板を直接冷却できるので熱抵抗を下
げられる利点がある。しかし、絶縁基板の強度が弱いた
め比較的小型の装置にしか適用できない。完成した半導
体装置の絶縁は、端子１９０７と取付けフィン２００１
間に電圧1914をかけて試験する。この時の絶縁耐量も図
１９と同じで絶縁基板の厚さ，絶縁基板の沿面，シリコ
ーンゲルのバルクの３箇所で保持される。すなわち、本
発明の絶縁回路基板の導体電極終端構造をとれば局部電
界の集中がなく絶縁耐量の高い装置を提供することがで
きる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば絶縁回路基板の電界集中
を抑えることができるので絶縁耐量を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図２】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例平面
図。

【図３】本発明を適用した絶縁回路基板の製造プロセ
ス。

【図４】導電体終端厚さと最大電界強度の関係。

【図５】絶縁基板厚さと最大電界強度の関係。

【図６】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図７】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図８】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図９】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図１０】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図１１】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図１２】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図１３】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図１４】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図１５】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図１６】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図１７】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例断面
図。

【図１８】本発明を適用した絶縁回路基板の実施例。

【図１９】本発明を適用した絶縁回路基板を適用した半
導体装置の断面構造。

【図２０】本発明を適用した絶縁回路基板を適用した半
導体装置の断面構造。

【符号の説明】

１０１…絶縁基板、１０２…接合材、１０３…導体電極
板、１０４…反応層（ＴｉＮ）、１０５…Ｎｉめっき、
２０１…エミッタ電極、２０２…コレクタ電極、２０３
…ゲート電極、２０４…ＩＧＢＴチップ、２０５…ダイ
オードチップ、２０６，１９０３…Ａｌワイヤ、２０７
…接合材の鋭角部分、３０１…ろう材流出領域、３０２
…エッチング用マスク、９０１…ＡｌＮ以外の絶縁基
板、1401…ろう材、１７０１…干渉層、１８０１…穴付
き導体電極板、１８０２…導体電極板穴、１９０１…半
導体素子、１９０２，１９０４，１９０６…半田、1905
…ベース、１９０７…端子、１９０８…蓋、１９０９…
端子ブロック、１９１０…ケース、１９１１…シリコー
ンゲル、１９１２…エポキシ樹脂、２００１…冷却フィ
ン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者清水英雄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 (72)発明者九嶋忠雄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 (72)発明者田中明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 (72)発明者斉藤隆一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 (72)発明者野々山茂晴茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立事業所内 (72)発明者苅谷忠昭茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立事業所内 (72)発明者鎌田譲東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地日立エンジニアリングコンサルティング株式会社内Ｆターム(参考） 5E338 AA01 AA02 AA18 BB75 CC04 CD01 EE11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極
板を接合材によって接合した絶縁回路基板において、絶
縁基板上にある導体電極、あるいは接合材の終端厚さが
１０μｍ以上であることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項２】絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極
板を接合材によって接合した絶縁回路基板において、絶
縁基板上にある導体電極、あるいは接合材が絶縁基板に
接触する角度が９０度以上であることを特徴とする絶縁
回路基板。
【請求項３】請求項２において、導体電極、あるいは接
合材の先端が半径５μｍ以上の球状になっていることを
特徴とする絶縁回路基板。
【請求項４】絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極
板を接合材によって接合した絶縁回路基板において、絶
縁基板上にある導体電極、あるいは接合材の終端辺にあ
る突起の幅が１０μｍ以上であることを特徴とする絶縁
回路基板。
【請求項５】絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極
板を接合材によって接合した絶縁回路基板において、接
合材、あるいは導体電極の一部を絶縁基板の最上面より
内側に配置したことを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項６】絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極
板を接合材によって接合した絶縁回路基板において、導
体電極板の終端形状の半径が５μｍ以上の球状であるこ
とを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項７】請求項６において、導体電極板の終端が折
りかえされていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項８】絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極
板を接合材によって接合した絶縁回路基板において、導
体電極板と接合材の表面に導電体のコーティングを施
し、導電体のコーティングが絶縁基板および絶縁基板と
接合材の反応層に接合されていないことを特徴とする絶
縁回路基板。
【請求項９】絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極
板を接合材によって接合した絶縁回路基板において、絶
縁基板露出部分上面に絶縁基板と接合材の反応層が除去
されていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項１０】請求項１〜９に記載の絶縁回路基板をモ
ジュールの内部絶縁に使用した半導体装置。