JP2014120728A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁封止部材（シリコーンゲル）に気泡が存在した場合も部分放電を防止して、高耐圧および高温対応できる高耐圧モジュールなどの半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】セラミック基板５上に固着する導電性薄膜４，６と、導電性薄膜４，６上に固着する金属電極３，７と、導電性薄膜４，６と金属電極３，７に接するシリコーンゲル１３とを有する半導体装置１００において、導電性薄膜４，６が金属電極３，７と導電性薄膜４，６とが固着する界面端部からはみ出しているとともに、導電性薄膜４，６に固着する金属電極３，７の固着側の外周部に連続した窪み１６を設けた構成とする。
【選択図】 図８

Description

この発明は、半導体素子を搭載した絶縁基板を放熱板に搭載した半導体装置に関し、特に高耐圧および高温対応の高耐圧モジュールなどの半導体装置およびその製造方法に関するものである。

図１２は、従来の高耐圧モジュール５００の構成図であり、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＣ部拡大図である。この図１２は、セラミック基板５５の上面および下面にそれぞれ金属電極５７および金属電極５３を直接接合した場合の構成を例示するものである。

この高耐圧モジュール５００において、セラミック基板５５の上面および下面にはそれぞれ例えばＣｕ（銅）からなる金属電極５７および金属電極５３が直接接合されている。セラミック基板５５の下面側の金属電極５３は放熱ベース５１上に半田５２を介して固着されている。セラミック基板５５の上面側の金属電極５７上には半田５８を介して半導体チップ５９が固着されているとともに、半導体チップ５９の電極はボンディングワイヤ６０を介して外部導出端子６１に接続されている。放熱ベース５１には、外部導出端子６１を貫通露出させた樹脂ケース６２が固着されているとともに、樹脂ケース６２内には絶縁封止部材であるシリコーンゲル６３が充填されている。

高耐圧および高温対応の高耐圧モジュールにおいては、１）小型化による絶縁基板沿面距離の縮小、２）高耐圧化による電界強度の上昇の抑制、３）高温対応化による絶縁基板であるセラミック基板５５の厚さの薄化、などが要求される。これらの要求を満たすためには、セラミック基板５５での部分放電の発生を抑制することが求められる。その対策について説明する。

高耐圧モジュールの接続線（ボンディングワイヤ６０）に対する緩衝材およびパッケージ内部の電気絶縁封止物としてシリコーンゲル６３を用いて部分放電の発生を抑制している。

また、高耐圧モジュールのセラミック基板５５と金属電極５３，５７の接合として、直接接合（ＤＣＢ接合：Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ接合）による方法やロー材を用いた方法などが行なわれている。つぎに、これらの接合における部分放電対策について説明する。

特許文献１では、高耐圧モジュールの金属電極と絶縁基板間の部分放電対策として、電極端部の形状を変更して電極形状を適正化することで、部分放電を生じにくくすることが記載されている。

また、特許文献２では、セラミック基板の表面に金属皮膜（導電性薄膜）を形成することで、セラミック基板と金属電極間の部分放電を抑制することが記載されている。
また、特許文献２および特許文献３においては、金属電極下面と絶縁基板の直接接合の剥離部またはボイド（空洞）において発生する部分放電対策として、導電性薄膜（銅皮膜や銅粉末層）を設けることが記載されている。

また、特許文献４においては、放電発生の起点となりうる突起を放電により溶融して尖った部分を無くすことにより電界緩和をさせて部分放電を防止することが示唆されている。

また、特許文献４、５では、絶縁性や部分放電特性に関し十分に高い耐久性をもたせるため、セラミックス基板と金属回路（金属電極）を（活性金属ロー付け法により）ロー材で接合する場合、金属電極からの接合層（ロー材層）のはみ出し長さを２０〜６０μｍに規定することが記載されている。

特開平９−１３５０５７号公報 特開２０００−１５０７１９号公報 特開２０００−２３６０５２号公報 特開２００４−１７２１８２号公報 特開２００５−１１６６０２号公報

しかし、直接接合した場合にはセラミック基板５５と金属電極５３，５７の接合部６７に図１３に示すようなエッチングや剥離により窪み６６が点々と形成され、その点々と形成された窪み６６に気泡６８が残留して部分放電を発生させる場合がある。また、図示しないが、ロー材を介して接合した場合には、セラミック基板５５とロー材間、ロー材と金属電極５３，５７間にそれぞれ端部の剥離、ボイド（空洞）、エッチング過多、接合不良に代表される形状不良があり、特にセラミック基板５５とロー材間の不良部は電界集中部となるため、部分放電の起点となる。金属電極５３，５７、セラミック基板５５、絶縁封止部材（シリコーンゲル６３）が接する３重点箇所７１からの部分放電の発生は、主に３重点箇所７１近傍に気泡６８が先天的もしくは後天的に存在することに起因している。先天的な気泡の発生原因は、図１３に示すような形状不良部における絶縁封止部材（シリコーンゲル６３）の注型不良または脱泡不良である。

また、特許文献１では、先天的に気泡が残存した場合に部分放電を防止する構造については触れていない。
また、特許文献２では、絶縁封止部材（シリコーンゲル）の注型不良が問題となる三重点に関する考察が無く、導電性薄膜（金属皮膜）のはみ出し形状や後天的に発生する気泡については効果を検証していない。

また、特許文献４、５では、導電性薄膜のはみ出し距離（長さ）が規定されていない。
また、前記の特許文献１および特許文献４の対策では、電極の鋭角部を排し、電界集中が起きないように接合端部を丸めているが、ガス空間（気泡）が後天的に発生した場合には部分放電を抑制できない。また、特許文献２および特許文献３に示されている構造改善により、電気的最弱点箇所（電界集中箇所）が金属電極とセラミック基板の接合面から金属電極、セラミック基板および絶縁封止部材（シリコーンゲル）の三重点の箇所に移る。しかし、この３重点箇所からの部分放電については、特許文献２および３の構造改善では対策が十分でない。

いずれにしても、前記特許文献１〜５では、充填される絶縁封止部材（シリコーンゲル）に存在する気泡に対して、部分放電を防止する方策については示唆されていない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、絶縁封止部材（シリコーンゲル）に気泡が存在した場合も部分放電を防止して、高耐圧および高温対応できる高耐圧モジュールなどの半導体装置およびその製造方法を提供することである。

前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、絶縁基材と、該絶縁基材上に固着する導電性薄膜と、該導電性薄膜上に固着する導電体と、前記導電性薄膜と前記導電体とに接する絶縁封止部材とを有する半導体装置において、前記導電性薄膜が前記導電体と前記導電性薄膜との界面端部からはみ出しているとともに、前記界面端部と接する領域に存在する前記絶縁封止部材に含まれる気泡の前記絶縁基材表面に対して平行する方向の大きさより、前記界面端部からはみ出した前記導電性薄膜のはみ出し箇所の長さ（Ｌ１）が長い構成とする。

この構成によれば、導電体と導電性薄膜との界面端部と接する領域に存在する絶縁封止部材に含まれる気泡の絶縁基材表面に対して平行する方向の大きさより、界面端部からはみ出した導電性薄膜のはみ出し箇所の長さ（Ｌ１）が長いことにより、導電体、導電性薄膜および絶縁封止部材で構成される三重点の箇所に存在する気泡に起因する部分放電を確実に抑制することができる。

また、特許請求の範囲の請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記導電体の外周部のうち前記導電性薄膜との固着側に連続した窪みが設けられているとよい。

この構成によれば、導電体の外周部のうち導電性薄膜との固着側に連続した窪みが設けられていることにより、窪みが設けられていない場合に対して導電性薄膜の先端部での電界強度をより低くすることができる。

また、特許請求の範囲の請求項３に記載の発明によれば、絶縁基材と、該絶縁基材上に固着する導電性薄膜と、該導電性薄膜上に固着する導電体と、前記導電性薄膜と前記導電体とに接する絶縁封止部材とを有する半導体装置において、前記導電性薄膜が前記導電体と前記導電性薄膜との界面端部からはみ出しているとともに、前記導電体の外周部のうち前記導電性薄膜との固着側に連続した窪みが設けられている構成とする。

この構成によれば、導電性薄膜が導電体と導電性薄膜との界面端部からはみ出していることにより、導電体、導電性薄膜および絶縁封止部材で構成される三重点の箇所に存在する気泡に起因する部分放電を効果的に抑制することができ、さらに、導電体の外周部のうち導電性薄膜との固着側に連続した窪みが設けられていることにより、窪みが設けられていない場合に対して導電性薄膜の先端部での電界強度をより低くすることもできる。

また、特許請求の範囲の請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明において、前記導電性薄膜がさらに前記導電体の外周部からもはみ出しているとよい。
導電体の外周部のうち導電性薄膜との固着側に設けられた窪みの内部において気泡内に電界が加わると、気泡が電界の影響により放電するような形状に変形する可能性が有る。この点に関し、上記構成によれば、導電性薄膜がさらに導電体の外周部からもはみ出していることにより、窪みの内部には一切電界が発生しないため、窪みの内部において気泡が電界の影響により放電するような形状に変形する可能性を無くすことができるので、導電体、導電性薄膜および絶縁封止部材で構成される三重点の箇所に存在する気泡に起因する部分放電を抑制する効果をより高めることができる。

また、特許請求の範囲の請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明において、前記導電体の外周部からはみ出した前記導電性薄膜のはみ出し箇所の長さ（Ｌ２）が４０μｍ以下であるとよい。

この構成によれば、導電体の外周部からはみ出した導電性薄膜のはみ出し箇所の長さ（Ｌ２）が４０μｍ以下であることにより、導電性薄膜の先端部での電界強度を十分に低くすることができる。

また、特許請求の範囲の請求項６に記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記はみ出し箇所の長さ（Ｌ２）が２０μｍ以下であるとよい。
この構成によれば、導電体の外周部からはみ出した導電性薄膜のはみ出し箇所の長さ（Ｌ２）が２０μｍ以下であることにより、導電性薄膜の先端部での電界強度をさらに低くすることができる。

また、特許請求の範囲の請求項７に記載の発明によれば、請求項５または６に記載の発明において、前記窪みの深さ（Ｔ）が４０μｍ以下であるとよい。
この構成によれば、窪みの深さ（Ｔ）が４０μｍ以下であることにより、窪みからの気泡の脱泡が良好に行なわれるようにすることができる。

また、特許請求の範囲の請求項８に記載の発明によれば、請求項７に記載の発明において、前記窪みの開口部の高さ（Ｈ）が２０μｍ以下であるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項９に記載の発明によれば、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発明において、前記導電性薄膜と前記導電体との固着が、直接接合で行なわれるか、もしくはロー材接合で行なわれるとよい。

また、特許請求の範囲の請求項１０に記載の発明によれば、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発明において、前記絶縁封止部材がシリコーンゲルであり、前記絶縁基材がセラミック基板であり、前記導電体が銅製の金属電極であり、前記導電性薄膜が銅薄膜であるとよい。

また、特許請求の範囲の請求項１１に記載の発明によれば、請求項２〜請求項１０のいずれか一項に記載する半導体装置の製造方法において、前記導電体の前記導電性薄膜との接合部付近の外周部全域に連続して深さ（Ｔ）が４０μｍ以下の窪みを形成し、直接接合もしくはロー材を介する接合により前記接合部を形成し、前記導電性薄膜が前記接合部の端部からはみ出すとともに、前記導電性薄膜のはみ出し箇所の長さ（Ｌ２）が前記導電体の外周部から４０μｍ以下であるようにした製造方法とする。

また、特許請求の範囲の請求項１２に記載の発明によれば、請求項１１に記載の発明において、前記導電性薄膜が、スパッタ、蒸着もしくは粉末吹付けにより前記絶縁基材の表面に形成されるとよい。
（作用）
本発明の作用について図１４を用いて説明する。図１４は、気泡６８内で放電が起こるメカニズムについて説明する図であり、同図（ａ）は導電性薄膜５６が無い場合の図、同図（ｂ）は導電性薄膜５６があり、気泡６８の大きさが導電性薄膜５６より大きい場合の図、同図（ｃ）は気泡６８の大きさと導電性薄膜５６の大きさが同じ場合の図である。なお、図１４では、本発明における絶縁基材をセラミック基板とするとともに、導電体を金属電極としている。

図１４（ａ）において、気泡６８内の電位差Ｖと距離Ｌがパッシェンミニマム（Ｖが約３５０Ｖ，Ｌが８μｍ）を越えた場合に気泡６８内で放電が生じる。つまり、金属電極５７とセラミック基板５５との界面端部と接する領域における気泡６８の大きさが８μｍまで大きくなり、気泡６８の表面におけるセラミック基板５５の表面と平行する方向（Ｘ方向）での両端部の間の電位差Ｖが約３５０Ｖ以上になったとき、放電が発生する。Ｅｘはセラミック基板５５の表面と平行する方向（Ｘ方向）での電界強度である。ｍとｋの間の距離が気泡６８の横方向の大きさである。

図１４（ｂ）において、金属電極５７から導電性薄膜５６の先端部７０までの長さに、パッシェンミニマムである８μｍを加えた長さより気泡６８の大きさが大きくなったとき、気泡６８は放電を起こす。本発明では、余裕を見てこの８μｍをゼロと見なして、図１４（ｃ）のように、金属電極５７から導電性薄膜５６の先端部７０までの長さと気泡６８の大きさが一致したところで、放電が開始されるとした。

そのため、後述する実施例１で示すように金属電極７に窪み１６を設け、金属電極７と導電性薄膜６との接合部１７の端部１９（窪み１６の底部）からの導電性薄膜６のはみ出し箇所の長さ（第１のはみ出し箇所の長さＬ１）を気泡１８より大きくすることで、確実に気泡１８内の放電は抑制される。その具体的な窪み１６の大きさと導電性薄膜６のはみ出し箇所の長さ（第１のはみ出し箇所の長さＬ１）が実施例１に例示されている。勿論、導電性薄膜６のはみ出し箇所の長さは金属電極７の外周部１５から導電性薄膜６の先端部２０までの長さ（第２のはみ出し箇所の長さＬ２）でも規定できる。

この発明によれば、絶縁基材と、該絶縁基材上に固着する絶導電性薄膜と、該導電性薄膜上に固着する導電体と、前記導電性薄膜と前記導電体とに接する絶縁封止部材とを有する半導体装置において、前記導電性薄膜が前記導電体と前記導電性薄膜との界面端部からはみ出しているとともに、前記界面端部と接する領域に存在する前記絶縁封止部材に含まれる気泡の前記絶縁基材表面に対して平行する方向の大きさより、前記界面端部からはみ出した前記導電性薄膜のはみ出し箇所の長さ（Ｌ１）が長い構成としたことにより、導電体、導電性薄膜および絶縁封止部材で構成される三重点の箇所に存在する気泡に起因する部分放電を確実に抑制することができ、その結果、高耐圧モジュールの高耐圧化および高温化を図ることができる。

また、この発明によれば、絶縁基材と、該絶縁基材上に固着する導電性薄膜と、該導電性薄膜上に固着する導電体と、前記導電性薄膜と前記導電体とに接する絶縁封止部材とを有する半導体装置において、前記導電性薄膜が前記導電体と前記導電性薄膜との界面端部からはみ出しているとともに、前記導電体の外周部のうち前記導電性薄膜との固着側に連続した窪みが設けられている構成としたことにより、導電体、導電性薄膜および絶縁封止部材で構成される三重点の箇所に存在する気泡に起因する部分放電を効果的に抑制することができ、さらに窪みが設けられていない場合に対して導電性薄膜の先端部での電界強度をより低くすることもでき、その結果、高耐圧モジュールの高耐圧化および高温化を図ることができる。

高耐圧モジュールの要部断面図であり、（ａ）金属電極３，７と絶縁基板（セラミック基板５）の接合にロー材２２を用いた場合の図、（ｂ）は直接接合した場合の図である。 高耐圧モジュールの絶縁基板（セラミック基板５）とロー材２２を用いた金属電極７との接合部１７の接合状態を示し、（ａ）は理想的な接合状態の模式図、（ｂ）は実際的な接合状態の模式図である。 高耐圧モジュールの絶縁基板（セラミック基板５）と金属電極７を直接接合したときの接合状態を示し、（ａ）は理想的な接合状態の模式図、（ｂ）は実際的な接合状態の模式図である。 絶縁封止部材であるシリコーンゲル１３の封止および脱泡工程後窪み１６に気泡１８が残存している状態の図である。 金属電極７と導電性薄膜６を接合した状態の要部断面図であり、（ａ）は直接接合の場合の図、（ｂ）はロー材２２による接合の場合の図である。 各構造における電界集中部での電界強度を調査するために用いた電界解析形状の模式図である。 図６の各構造と電界集中部の電界強度の関係をシミュレーションした図である。 この発明の第１実施例の半導体装置１００の構成図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。 この発明の第２実施例の半導体装置の要部断面図である。 この発明の第３実施例に係る図１の半導体装置の製造方法を示す図であり、（ａ）および（ｂ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。 この発明の第４実施例に係る図２の半導体装置の製造方法を示す図であり、（ａ）および（ｂ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。 従来の高耐圧モジュール５００の構成図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ部拡大図である。 直接接合した場合にセラミック基板５５と金属電極５３，５７の接合部６７に窪み６６が点々と形成された状態の要部断面図である。 気泡６８内で放電が起こるメカニズムについて説明する図であり、（ａ）は導電性薄膜５６が無い場合の図、（ｂ）は導電性薄膜５６があり、気泡６８の大きさが導電性薄膜５６より大きい場合の図、（ｃ）は気泡６８の大きさと導電性薄膜５６の大きさが同じ場合の図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。また、以下の説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分または要素には、共通する参照符号が付されている。

図１は、高耐圧モジュールの要部断面図であり、同図（ａ）金属電極３，７（以下では「導電体」とも称する）と絶縁基板（セラミック基板５）（以下では「絶縁基材」とも称する）の接合にロー材２２を用いた場合の図、同図（ｂ）は直接接合した場合の図である。これらの図は絶縁基板断面形状の模式図である。図１（ａ）ではロー材２２下の下地金属は図示されていない。この高耐圧モジュールでは、厚さ数ｍｍ以下の絶縁基板５の両面間に数ｋＶの電圧が加わることがあり、絶縁基板には高い絶縁性が要求される。

図２は、高耐圧モジュールの絶縁基板（セラミック基板５）とロー材２２を用いた金属電極７との接合部１７の接合状態を示し、同図（ａ）は理想的な接合状態の模式図、同図（ｂ）は実際的な接合状態の模式図である。

図２（ｂ）において、金属電極７の外周部１５より、ロー材２２が突出しており、ロー材２２の表面には多くの凹凸が存在する。また、ロー材２２と金属電極７の接合部１７には、エッチングにより隙間２３が形成されている。

図３は、高耐圧モジュールの絶縁基板（セラミック基板５）と金属電極７を直接接合したときの接合状態を示し、同図（ａ）は理想的な接合状態の模式図、同図（ｂ）は実際的な接合状態の模式図である。

図３（ｂ）の金属電極７の外周部１５で接合部１７付近の外周部１５ａには、金属電極７のエッチング過多により、所々に（点々と）直径数十μｍの窪み１６が形成されている。エッチング処理されない場合には図３（ａ）のように窪み１６は形成されない。

図４は、絶縁封止部材であるシリコーンゲル１３の封止および脱泡工程後窪み１６に気泡１８が残存している状態の図である。
図５は、金属電極７と導電性薄膜６を接合した状態の要部断面図であり、同図（ａ）は直接接合の場合の図、同図（ｂ）はロー材２２による接合の場合の図である。

図中の符号として、Ｌ１は接合部１７の端部１９からの導電性薄膜６のはみ出し箇所の長さであり、Ｌ２は金属電極７の外周部１５からの導電性薄膜６のはみ出し箇所の長さである。また、Ｔは窪み１６の深さであり、１５は金属電極７の外周部である。

図６は、各構造における電界集中部での電界強度を調査するために用いた電界解析形状の模式図である。図６ではシリコーンゲル１３は図示されていない。大文字（Ａ）〜（Ｈ）の断面図は気泡が存在しない場合、小文字（ａ）〜（ｈ）はそれぞれ大文字（Ａ）〜（Ｈ）の構造において気泡が存在する場合を示す。導電性薄膜６の厚さは２μｍとしている。また、この図６では気泡１８については実際の形状を模擬して描いている。各構造は以下の通りである。なお、以下の（Ａ）〜（Ｈ）の各構造についての説明では金属電極７を単に電極と称し、導電性薄膜６を単に薄膜と称す。
（Ａ）電極外周端（外周部１５）と薄膜端部（先端部２０）とが一致している構造。
（Ｂ）電極外周端よりの薄膜はみ出し長（第２のはみ出し箇所の長さＬ２）が２０μｍである構造。
（Ｃ）電極外周端よりの薄膜はみ出し長（第２のはみ出し箇所の長さＬ２）が４０μｍである構造。
（Ｄ）電極の外周部のうち薄膜との接合側に高さ２０μｍ、深さＴ（長さ）４０μｍの窪み１６が有り、電極接合端部と薄膜端部とが一致している（薄膜の第１のはみ出し箇所の長さＬ１は０μｍである）構造。

（Ｅ）電極の外周部のうち薄膜との接合側に高さ２０μｍ、深さＴ（長さ）４０μｍの窪み１６が有り、電極接合端部よりの薄膜はみ出し長（第１のはみ出し箇所の長さＬ１）が２０μｍである（電極外周端からの第２のはみ出し箇所の長さＬ２は−２０μｍである）構造。

（Ｆ）電極の外周部のうち薄膜との接合側に高さ２０μｍ、深さＴ（長さ）４０μｍの窪み１６が有り、電極接合端部よりの薄膜はみ出し長（第１のはみ出し箇所の長さＬ１）が４０μｍである（電極外周端からの第２のはみ出し箇所の長さＬ２は０μｍであって、電極外周部と薄膜端部とが一致している）構造。

（Ｇ）電極の外周部のうち薄膜との接合側に高さ２０μｍ、深さＴ（長さ）４０μｍの窪み１６が有り、電極接合端部よりの薄膜はみ出し長（第１のはみ出し箇所の長さＬ１）が６０μｍである（電極外周端からの第２のはみ出し箇所の長さＬ２は２０μｍである）構造。

（Ｈ）電極の外周部のうち薄膜との接合側に高さ２０μｍ、深さＴ（長さ）４０μｍの窪み１６が有り、電極接合端部よりの薄膜はみ出し長（第１のはみ出し箇所の長さＬ１）が８０μｍである（電極外周端からの第２のはみ出し箇所の長さＬ２は４０μｍである）構造。

小文字（ａ）〜（ｈ）は、（Ａ）〜（Ｈ）の条件に加えて、気泡１８が３重点箇所２１付近に存在する場合を示している。
図７は、図６の各構造と電界集中部の電界強度の関係をシミュレーションした図である。図中の縦軸は１ｋＶ印加時の電界集中部１０μｍ間のＸ方向の平均の電界強度Ｅｘであり、横軸は各構造である。シミュレーションは、直径５０μｍで高さ２０μｍの円筒状擬似気泡（実際の気泡形状をモデル化）が３重点箇所２１付近に存在する場合について行なった。

また、図中の大文字（Ａ）〜（Ｈ）に対する電界強度としては、３重点周辺の電界集中部１０μｍ間の沿面方向電界平均値をプロットした。小文字（ａ）〜（ｈ）に対する電界強度としては、３重点に存在する気泡１８内の電界集中部１０μｍ間の沿面方向電界平均値をプロットした。

図７において、導電性薄膜６と金属電極７の間には、図４のような先天的な気泡１８が存在する可能性があるが、図５および図６に示すようにセラミック基板５に導電性薄膜６を施すとともに、図６（Ｇ），（Ｈ）の構造とした場合には、セラミック基板５の表面に対して平行する方向の大きさが５０μｍの気泡１８が存在していても、図６（ｇ），（ｈ）に示されるように、気泡１８が同電位の導体に囲まれるため、図７（ｇ），（ｈ）に示されるように、気泡１８に印加される電気的ストレス（電界強度）は極めて小さくなっている。一方、図６（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ）の構造とした場合には、セラミック基板５の表面に対して平行する方向の大きさが５０μｍの気泡１８が存在していると、図７（ｄ），（ｅ），（ｆ）に示されるように、気泡１８が導電性薄膜６よりはみ出すため、薄膜６先端の電界が気泡１８内に発生し、気泡１８内の電界強度が周辺より高くなる。これは、図６（Ｂ），（Ｃ）の構造においてセラミック基板５の表面に対して平行する方向の大きさが５０μｍの気泡１８が存在していると、図６（ｂ），（ｃ）に示されるように、気泡１８が導電性薄膜６よりはみ出すため、薄膜６先端の電界が気泡１８内に発生し、気泡１８内の電界強度が周辺より高くなることと同様な理由によるものである。

図７（ｇ）、（ｈ）に示すように、想定される３重点箇所２１に残存する気泡１８の直径（横方向の大きさ）に対して、電極接合端部（金属電極７と導電性薄膜６との接合端部）からの導電性薄膜６のはみ出し箇所の長さ（第１のはみ出し箇所の長さＬ１）をより長くすることによって、気泡１８に印加される電気的ストレス（電界強度）を十分に小さくすることができるので、これにより、部分放電の発生を抑制し、電気絶縁性能を向上させることができる。

また、窪み１６を設けることによる副次的な効果として、窪み１６があることで、絶縁封止部材（シリコーンゲル１３）の注型工程において、大きなボイド径（空洞径）が許容できるため、絶縁封止部材（シリコーンゲル１３）の注型不良の許容度を大きくできて、製造歩留まりを改善することが可能となる。

前記の気泡１８内の電界強度は、絶縁封止部材（シリコーンゲル１３）と気泡１８内ガスの比誘電率の差により、気泡１８が無い場合より強くなる。導電性薄膜６のはみ出し長（第１のはみ出し箇所の長さＬ１）が擬似気泡直径を越える条件（ｇ）および（ｈ）においては、気泡１８の表面に電界が集中しないことが図７により示されている。また、（Ｂ）、（Ｃ）の構造においても、気泡１８の直径が電極接合端部からの導電性薄膜６のはみ出し箇所の長さ（第１のはみ出し箇所の長さＬ１）を超えなければ、気泡１８内の電界は集中しないと予測できる。つまり、部分放電の発生を抑制できる電極接合端部からの導電性薄膜６のはみ出し箇所の長さ（第１のはみ出し箇所の長さＬ１）は、気泡１８の大きさを考慮して決めることができる。なお、導電性薄膜６のはみ出し箇所の長さは、気泡１８の大きさと窪み１６の大きさとを考慮して、電極外周端よりの導電性薄膜６のはみ出し箇所の長さ（第２のはみ出し箇所の長さＬ２）で規定することもできる。

つぎに、実施の形態の具体的内容を以下の実施例で説明する。
＜実施例１＞
図８は、この発明の第１実施例の半導体装置１００の構成図であり、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部拡大図である。この図１２は、金属電極３，７と導電性薄膜４，６とを直接接合した場合の構成を例示するものである。

この半導体装置１００において、絶縁基板であるセラミック基板５の上面および下面にはそれぞれ例えばスパッタなどでＣｕ（銅）からなる導電性薄膜６および導電性薄膜４が形成されている。セラミック基板５の上面側および下面側の導電性薄膜６および導電性薄膜４にはそれぞれ例えばＣｕ（銅）からなる金属電極７および金属電極３が直接接合されている。セラミック基板５の下面側の金属電極３は放熱ベース１上に半田２を介して固着されている。セラミック基板５の上面側の金属電極７上には半田８を介して半導体チップ９が固着されているとともに、半導体チップ９の電極はボンディングワイヤ１０を介して外部導出端子１１に接続されている。放熱ベース１には、外部導出端子１１を貫通露出させた樹脂ケース１２が固着されているとともに、樹脂ケース１２内には絶縁封止部材であるシリコーンゲル１３が充填されている。前記の導電性薄膜４，６とセラミック基板５とで導電パターン付絶縁基板１４を構成する。

前記の導電性薄膜４，６と固着する金属電極３，７の固着側（接合側）の外周部１５ａに連続した窪み１６を形成する。この窪み１６の大きさは、深さＴが４０μｍ以下であり、開口部の高さＨが４０μｍ以下である。なお、窪み１６の深さＴは５μｍ以上、４０μｍ以下とすることがより好適である。また、窪み１６の開口部の高さＨは５μｍ以上、４０μｍ以下とすることがより好適である。

この窪み１６の断面形状は、先端を丸めたＶ字状をしている。前記の窪み１６の深さＴが４０μｍ超では金属電極３，７と導電性薄膜４，６の直接接合箇所である接合部１７の面積が小さくなり、また気泡１８の脱泡が良好に行なわれなくなる可能性がある。窪み１６の深さＴの範囲として、脱泡をさらに良好に行なうために、窪み１６の深さＴを２０μｍ以下とするとよい。

また、導電性薄膜４，６の外形寸法は、金属電極３，７の導電性薄膜４，６との固着側の外形寸法より大きくして、金属電極３，７と導電性薄膜４，６の接合部１７の端部１９（窪み１６の底部）からの導電性薄膜４，６のはみ出し箇所の長さ（第１のはみ出し箇所の長さ）Ｌ１をは０μｍ超にする。しかし、第１のはみ出し箇所の長さＬ１が短くなると、小さな気泡に対してのみ部分放電を抑制するようになるため、第１のはみ出し箇所の長さＬ１を窪み１６の深さＴより長くする（金属電極３，７の外周部の大きさより導電性薄膜４，６の大きさを大きくする）ことがより好適である。

なお、窪み１６の内部において気泡１８内に電界が加わると、気泡１８が電界の影響により放電するような形状に変形する可能性が有る。この点に関し、上記のように、第１のはみ出し箇所の長さＬ１を窪み１６の深さＴより長くし、導電性薄膜４，６が金属電極３，７の外周部１５（外周端）からもはみ出している構成とすれば、窪み１６の内部には一切電界が発生しないため、窪み１６の内部において気泡１８が電界の影響により放電するような形状に変形する可能性を無くすことができるので、金属電極３，７、導電性薄膜４，６およびシリコーンゲル１３で構成される三重点の箇所に存在する気泡１８に起因する部分放電を抑制する効果をより高めることができる。

また、金属電極３，７の外周部１５からの導電性薄膜４，６のはみ出し箇所の長さ（第２のはみ出し箇所の長さ）Ｌ２を４０μｍ以下とする。第２のはみ出し箇所の長さＬ２を４０μｍ超にして第１のはみ出し箇所の長さＬ１（＝窪み１６の深さＴ＋第２のはみ出し箇所の長さＬ２）を８０μｍ超にしても、８０μｍ超の大きさの気泡１８の存在確率は極めて小さいので部分放電の抑制効果は変わらない。また第２のはみ出し箇所の長さＬ２が長くなると導電性薄膜４，６の先端部２０での電界強度が高くなるので、第２のはみ出し箇所の長さＬ２は４０μｍ以下とするとよい。なお、第２のはみ出し箇所の長さＬ２は５μｍ以上、４０μｍ以下とすることがより好適である。

なお、上述のように、部分放電の発生要因となる気泡には先天的な気泡と後天的な気泡とがある。注型不良または脱泡不良による先天的な気泡の発生は、注型工程及び脱泡工程の施工条件の改善により効果的に抑制することが可能であるが、先天的な気泡の発生を抑制しても、後天的な気泡が問題となる。

後天的な気泡としてはシリコーンゲル６３内の放電により初期的に発生する気泡１８の大きさが問題となるが、このような初期の気泡の大きさは最大で７０μｍ程度であることが知られている（例えば非特許文献１：T. M. Do et al， “Streamers and Partial Discharge Mechanisms in Silicone Gel Under Impulse and AC Voltages”， IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， Vol. 15, No.6， pp.1526-1534， December 2008.）。

このため、注型工程及び脱泡工程の施工条件の改善により先天的気泡の発生を効果的に抑制できた場合には、上記のように８０μｍ超の大きさの気泡１８の存在確率は極めて小さくなると考えられる。

また、６０μｍ以下の大きさの気泡が存在する場合、窪み１６の深さＴを４０μｍとしたとき、第２のはみ出し箇所の長さＬ２は２０μｍ以下（第１のはみ出し箇所の長さＬ１は６０μｍ以下）とするとよい。また、第２のはみ出し箇所の長さＬ２を２０μｍとするとともに、窪み１６の深さＴを２０μｍにすると、部分放電を抑制できる気泡１８の大きさは４０μｍ以下となる。このように、導電性薄膜４，６の第１のはみ出し箇所の長さＬ１より小さな気泡に対して部分放電を抑制する効果が出てくる。

そのため、本発明での部分放電の抑制効果と気泡１８の脱泡効果との両方の効果が発揮されるのは、窪み１６の深さＴを４０μｍ以下とするとともに、導電性薄膜４，６の第２のはみ出し箇所の長さＬ２を４０μｍ以下（第１のはみ出し箇所の長さＬ１は８０μｍ以下）とした場合である。また、より大きな効果が発揮されるのは、窪み１６の深さＴを４０μｍとするとともに、導電性薄膜４，６の第２のはみ出し箇所の長さＬ２を４０μｍ（第１のはみ出し箇所の長さＬ１は８０μｍ）とした場合である。多少効果が落ちるが、窪み１６の深さＴを４０μｍとするとともに、導電性薄膜４，６の第２のはみ出し箇所の長さＬ２を２０μｍ以下（第１のはみ出し箇所の長さＬ１は６０μｍ以下）にしてもよい。

前記のように金属電極３，７に窪みを形成し、導電性薄膜４，６の第１のはみ出し箇所の長さＬ１を気泡１８の大きさより長くすることで、３重点箇所２１にある気泡１８を起点に部分放電することを抑制することができる。そして、部分放電を抑制できるため、セラミック基板５を薄くすることができ、これにより熱抵抗を小さくできるので、高温対応が可能となる。

また、窪み１６を設けることで、部分放電で発生する後天的な大きい気泡による部分放電を抑制できる。
また、第２のはみ出し箇所の長さＬ２を２０μｍ以下とすることで、導電性薄膜４，６を従来より小さくでき、これによりセラミック基板５を小さくできる。その結果、高耐圧モジュールの小型化を図ることができる。

また、導電性薄膜４，６の第２のはみ出し箇所の長さＬ２を短くすることで、導電性薄膜４，６の先端部１９の電界強度を弱めることができ、これにより高耐圧化および高温化を図ることができる。

また、窪み１６を設けることで、含有する気泡１８の大きさを大きくできるので、製造歩留まりを改善できる。
以上のことから、実施例１により、次の効果が奏される。

１）シリコーンゲル１３による絶縁封止を施す高耐圧モジュールの小型化および高耐圧化および高温対応を可能にできる。
２）窪み１６を有する金属電極３，７、導電性薄膜４，６、および絶縁封止部材（シリコーンゲル１３）で構成されるくさび状の３重点箇所２１からの部分放電の抑制ができる。

３）先天的または後天的な気泡発生による電気的最弱点（部分放電の起点となる気泡）の発生の抑制ができる。
４）絶縁封止部材（シリコーンゲル１３）の被覆不良を低減できる。

尚、３重点箇所とは、３つの部材が接触する箇所をいう。
＜実施例２＞
図９は、この発明の第２実施例の半導体装置の要部断面図である。この図は図８（ｂ）に相当する図である。実施例２の実施例１との違いは、金属電極３，７と導電性薄膜４，６との接合をロー材２２を用いて行なう点である。効果は実施例１と同じである。
＜実施例３＞
図１０は、この発明の第３実施例に係る図１の半導体装置の製造方法を示す図であり、同図（ａ）および同図（ｂ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。

図１０（ａ）において、まず、導電パターンである導電性薄膜４，６が形成されている導電パターン付基板１４と、金属電極３，７を用意する。続いて、前記の金属電極３，７の底部の端部に、図８（ｂ）に示すような、例えば、開口部の高さ２０μｍ、深さ４０μｍの窪み１６を形成する。この窪み１６は金属電極３，７の全周にわたり面取り加工もしくはプレス加工を行うことで一様に形成する。続いて、図示しない支持板に下側の金属電極３を載置し、この下側の金属電極３上に導電性薄膜４、６が形成されたセラミック基板５を載置し、上側の導電性薄膜６に上側の金属電極７を載置する。このとき、導電性薄膜４，６は金属電極３，７の外周部から４０μｍの長さ（第２のはみ出し箇所の長さＬ２）ではみ出すように金属電極３，７を配置する。続いて、高温炉に入れ５００℃で金属電極３，７と、導電性薄膜４，６を直接接合（ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）接合）する。続いて、セラミック基板５の下面の金属電極３と放熱ベース１を半田２で接合する。

図１０（ｂ）において、金属電極７上に半導体チップ９を半田８で固着し、半導体チップ９と外部導出端子１１、半導体チップ９同士、半導体チップ９と導電性薄膜６をそれぞれボンディングワイヤ１０を介して接続する。樹脂ケース１２を被せて、絶縁封止部材であるシリコーンゲル１３を充填する。充填に当たっては、シリコーンゲル１３の気泡１８を脱泡しながら樹脂ケース１２に注入して行なう。シリコンゲル１３と金属電極３，７と導電性薄膜４，６の３つの部材が接触する箇所が３重点２１の箇所となる。

図８（ｂ）に示すように、３重点の箇所で金属電極３，７の窪み１６に位置する気泡１８の大きさが、導電性薄膜４，６の第２のはみ出し箇所の長さＬ２である４０μｍと窪み１６の深さＴである４０μｍをプラスした８０μｍより小さければ、気泡１８が導電性薄膜４，６からはみ出さないため、気泡１８内の電界強度は極めて小さくなり、部分放電は起こらない。つまり、部分放電を抑制するためには気泡１８の大きさより導電性薄膜４，６の長さを長くすることが重要である。

前記の導電性薄膜４，６と接合する金属電極３，７の接合部１７の端部１９を、予め全周にわたり面取り加工もしくはプレス加工することで、金属電極３，７と導電性薄膜４，６間に図８（ｂ）に示されるような窪み（空隙）が一様に形成される。

この実施例３では、セラミック基板５上の導電性薄膜４，６と金属電極３，７を直接接合する際に、金属電極３，７の大きさ（投影形状）より大きく、金属電極３，７から４０μｍ以内のはみ出し長さ（第２のはみ出し箇所の長さＬ２）をもつ導電性薄膜４，６を用いる。導電性薄膜４，６は、例えばスパッタ、蒸着、粉末吹付けによりセラミック基板５の表面に形成される。
＜実施例４＞
図１１は、この発明の第４実施例に係る図２の半導体装置の製造方法を示す図であり、同図（ａ）および同図（ｂ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。実施例３との違いは、金属電極３，７と導電性薄膜４，６の接合をロー材２２を用いて行なう点である。

図１１（ａ）において、セラミック基板５（窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板、アルミナ基板）に対し、あらかじめパターンを切ったマスクを用いて、セラミック基板５の上面と下面にスパッタにより０．０５μｍから０．１μｍのＴｉコンタクトメタルを形成する。その上に、１μｍから５μｍの導電性薄膜４，６（Ｃｕ膜）を形成する。この際、スパッタで形成した上面に形成する導電性薄膜６，８のはみ出し長さ（第２のはみ出し箇所の長さＬ２）が、ロー材２２（銀ろう材）の大きさより１０μｍ以上長く、４０μｍ以下の長さになるようにする。この第２のはみ出し箇所の長さＬ２は電界集中の程度を小さくするために２０μｍ以下にしてもよい。

続いて、導電性薄膜４，６にパターンを切ったマスク（金属電極と同じ大きさの開口部を有するマスク）を用いて、ロー材２２を導電性薄膜４，６の下面と上面に塗布し、図示しない支持板に下側の金属電極３を載置し、ロー材２２と下側の金属電極３を位置合わせする。続いて、上側のロー材２２に上側の金属電極７を載置する。５００℃以上の高温に上げて上面および下面の導電性薄膜４，６と上側および下側の金属電極３，７（Ｃｕ電極）とをロー材２２を介して接合する。前記の金属電極７のＢ部には図９で示す窪み１６が形成されている。続いて、セラミック基板５の下面の金属電極３と放熱ベース１を半田２で接合する。

つぎに、図１１（ｂ）において、金属電極７上に半田８を介して半導体チップ９を載置し、リフロー炉内で金属電極７と半導体チップ９とを半田８を介して接合する。続いて、半導体チップ９と外部導出端子１１をボンディングワイヤ１０で接続し、エポキシ樹脂からなる樹脂ケース１２を放熱ベース１に固定する。続いて、シリコーンゲル（絶縁封止部材）として、予め１／５気圧以下にて前脱泡を行ったシリコーンゲル１３を樹脂ケース１２内に充填し、充填後１／５気圧以下にて後脱泡を行う。常圧に戻した後、所定の硬化条件にてシリコーンゲル１３の硬化を行う。樹脂ケース１２がモールド型のケースの場合も同じである。

なお、図９に示すように、前記の導電性薄膜４，６と接合する金属電極３，７の接合部１７の端部１９を、予め全周にわたり面取り加工もしくはプレス加工することで、金属電極３，７と導電性薄膜４，６間にロー材２２を挟んで窪み１６（空隙）が一様に形成される。

また、セラミック基板５の導電性薄膜４，６と金属電極３，７を接合するロー材２２をセラミック基板５に塗布する前に、金属電極３，７より４０μｍ以内（ここでは、２０μｍの例を挙げる）のはみ出し長さ（第２のはみ出し箇所の長さＬ２）をもつ導電性薄膜４，６を用意して、その後ロー材２２を介して金属電極３，７と導電性薄膜４，６を接合する。この導電性薄膜４，６は、例えばスパッタ、蒸着、粉末吹付けによりセラミック基板５の表面に形成する。

１ 放熱ベース
８ 半田
３，７ 金属電極
４，６ 導電性薄膜
５ セラミック基板
９ 半導体チップ
１０ ボンディングワイヤ
１１ 外部導出端子
１２ 樹脂ケース
１３ シリコーンゲル
１４ 導電パターン付絶縁基板
１５ 外周部
１５ａ 接合部付近の外周部
１６ 窪み
１７ 接合部
１８ 気泡
１９ 接合部の端部
２０ 導電性薄膜の先端部
２１ ３重点箇所
２２ ロー材
Ｌ１ 第１のはみ出し箇所の長さ
Ｌ２ 第２のはみ出し箇所の長さ
Ｔ 窪み１６の深さ
Ｈ 窪み１６の開口部の高さ
Ｌ 電子の走行距離

Claims (12)

1. 絶縁基材と、該絶縁基材上に固着する導電性薄膜と、該導電性薄膜上に固着する導電体と、前記導電性薄膜と前記導電体に接する絶縁封止部材とを有する半導体装置において、
   前記導電性薄膜が前記導電体と前記導電性薄膜との界面端部からはみだしているとともに、
   前記界面端部と接する領域に存在する前記絶縁封止部材に含まれる気泡の前記絶縁基材表面に対して平行する方向の大きさより、前記界面端部からはみ出した前記導電性薄膜のはみ出し箇所の長さが長いことを特徴とする半導体装置。
2. 前記導電体の外周部のうち前記導電性薄膜との固着側に連続した窪みが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 絶縁基材と、該絶縁基材上に固着する導電性薄膜と、該導電性薄膜上に固着する導電体と、前記導電性薄膜と前記導電体とに接する絶縁封止部材とを有する半導体装置において、
   前記導電性薄膜が前記導電体と前記導電性薄膜との界面端部からはみ出しているとともに、
   前記導電体の外周部のうち前記導電性薄膜との固着側に連続した窪みが設けられている、
   ことを特徴とする半導体装置。
4. 前記導電性薄膜がさらに前記導電体の外周部からもはみ出していることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記導電体の外周部からはみ出した前記導電性薄膜のはみ出し箇所の長さが４０μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記はみ出し箇所の長さが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記窪みの深さが４０μｍ以下であることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置。
8. 前記窪みの開口部の高さが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記導電性薄膜と前記導電体との固着が、直接接合で行なわれるか、もしくはロー材接合で行なわれることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体装置。
10. 前記絶縁封止部材がシリコーンゲルであり、前記絶縁基材がセラミック基板であり、前記導電体が銅製の金属電極であり、前記導電性薄膜が銅薄膜であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体装置。
11. 請求項２〜請求項１０のいずれか一項に記載する半導体装置の製造方法において、前記導電体の前記導電性薄膜との接合部付近の外周部全域に連続して深さが４０μｍ以下の窪みを形成し、直接接合もしくはロー材を介する接合により前記接合部を形成し、前記導電性薄膜が前記接合部の端部からはみ出すとともに、前記導電性薄膜のはみ出し箇所の長さが前記導電体の外周部から４０μｍ以下であるようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 前記導電性薄膜が、スパッタ、蒸着もしくは粉末吹付けにより前記絶縁基材の表面に形成されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。