JP2016129193A - 電極構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】電極板と金属体とを絶縁層を介して対向させ、電極板をモールド樹脂で封止してなる電極構造体において、電極板と金属体との間における絶縁性の更なる向上に適した構成を実現する。
【解決手段】一方の板面を対向面１１とする金属製平板状の電極板１０と、電極板１０の対向面１１に対向し、電極板１０の対向面１１よりも面積の大きい対向面２１を有する金属体２０と、当該両対向面１１、２１間にて両対向面１１、２１に接触する電気絶縁性の絶縁層３０と、電極板１０の対向面１１の端部１１ａおよび絶縁層３０を封止する電気絶縁性のモールド樹脂４０と、を備え、電極板１０の対向面１１の端部１１ａは、絶縁層３０に接触した状態で金属体２０の対向面２１上に位置しており、モールド樹脂４０のうち電極板１０の対向面１１の端部１１ａに接触する部位は、絶縁層３０よりも比誘電率が高い高比誘電率部４１とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極板と金属体とを絶縁層を介して対向させ、電極板をモールド樹脂で封止してなる電極構造体に関する。

従来より、この種の電極構造体としては、たとえば特許文献１に記載の半導体装置が提案されている。このものにおいては、導電性基材としての電極板は、一方の板面を対向面とする金属よりなる平板状のものであり、金属体は、電極板の対向面に対向し、電極板の対向面よりも面積の大きい対向面を有するヒートシンクである。

そして、溶射により形成された絶縁層は、電極板の対向面と金属体の対向面との間に介在し、当該両対向面に接触している。また、電気絶縁性のモールド樹脂は、金属体の対向面上に設けられて、電極板の対向面の端部および絶縁層を封止している。

ここで、電極板の対向面の端部は、電極板、絶縁層、モールド樹脂という比誘電率の異なる３部材が接触している部分であり、最も電界が集中しやすく、絶縁層を介して電極板と金属体との間の絶縁破壊等が発生しやすい部分である。

そこで、上記特許文献１では、電極板の対向面の端部と電極板の側面との間の角部を、面取りされた面取り部とすることで、電極板の対向面の端部における沿面距離を大きくして、電界集中に対する絶縁耐力の向上を図っている。

特開２０１２―２４４０２６号公報

しかしながら、上述のように、電極板の対向面の端部側を面取り形状とした場合でも、面取り部における電界集中が発生するため、絶縁耐力の向上には限界がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電極板と金属体とを絶縁層を介して対向させ、電極板をモールド樹脂で封止してなる電極構造体において、電極板と金属体との間における絶縁性の更なる向上に適した構成を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一方の板面を対向面（１１）とする金属よりなる平板状の電極板（１０）と、電極板の対向面に対向し、電極板の対向面よりも面積の大きい対向面（２１）を有する金属体（２０）と、電極板の対向面と金属体の対向面との間に介在し、当該両対向面に接触する電気絶縁性の絶縁層（３０）と、金属体の対向面上に設けられて、少なくとも電極板の対向面の端部（１１ａ）および絶縁層を封止する電気絶縁性のモールド樹脂（４０）と、を備える電極絶縁構造体であって、
電極板の対向面の端部は、絶縁層に接触した状態で金属体の対向面上に位置しており、モールド樹脂のうち少なくとも電極板の対向面の端部に接触する部位は、絶縁層よりも比誘電率が高い高比誘電率部（４１）とされていることを特徴とする。

それによれば、電極板、絶縁層、モールド樹脂という比誘電率の異なる３部材が接触し、最も電界が集中しやすい電極板の対向面の端部に接触するモールド樹脂の部分を、絶縁層よりも比誘電率が高い高比誘電率部としているので、当該部分のモールド樹脂の比誘電率を金属製の電極板に近づけることができ、電極板の対向面の端部における電界集中を緩和できる。

よって、本発明によれば、電極板と金属体との間における絶縁性の更なる向上に適した構成を実現することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明の第１実施形態にかかる電極構造体を示す概略断面図である。 図１に示される電極構造体における電界強度の分布状態を模式的に示す図である。 第１実施形態の他の例としての電極構造体を示す概略断面図である。 図３に示される電極構造体における電界強度の分布状態を模式的に示す図である。 第１実施形態における電界集中緩和の効果を具体的に示すグラフである。 本発明の第２実施形態にかかる電極構造体を示す概略断面図である。 第２実施形態の他の例としての電極構造体を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる電極構造体Ｓ１について、図１を参照して述べる。ここでは、限定するものではないが、電極構造体Ｓ１は、パワーカード等の半導体装置に適用されたものとして説明する。

本実施形態の電極構造体Ｓ１は、大きくは、電極板１０と、電極板１０に対向して設けられた金属体２０と、電極板１０と金属体２０との間に介在する絶縁層３０と、金属体２０上に設けられて電極板１０および絶縁層３０を封止するモールド樹脂４０と、を備えて構成されている。

電極板１０は、電界が印加される電極として機能するもので、たとえば、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｆｅ（鉄）、およびこれらの合金等の金属よりなる。そして、電極板１０は、一方の板面を対向面１１とする平板状をなしている。

さらに言えば、電極板１０は、表裏の板面の一方を対向面１１とし、当該表裏の板面を連結する側面１２を有する金属製板材として構成されている。ここでは、電極板１０における対向面１１とは反対側の板面は図示しないけれども、当該反対側の板面には、半導体素子等が実装されている。

金属体２０は、ここでは電極板１０からの熱を放熱する機能を有する冷却器として構成されている。このような金属体２０は、たとえば、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｆｅ（鉄）、およびこれらの合金等の金属よりなる。この金属体２０は、電極板１０の対向面１１に対向し、電極板１０の対向面１１よりも面積の大きい対向面２１を有する。

絶縁層３０は、電極板１０と金属体２０との間の電気的絶縁を行う電気絶縁性の層として構成されている。ここでは、絶縁層３０は、エポキシ樹脂等の樹脂に、ＢＮ（窒化ボロン）やアルミナ、あるいはシリカ等のフィラーを含有させて成形された樹脂シートよりなる。

そして、絶縁層３０は、電極板１０の対向面１１と金属体２０の対向面２１との間に介在し、これら両対向面１１、２１に接触している。この絶縁層３０の厚さ、すなわち、電極板１０の対向面１１と金属体２０の対向面２１との距離は、限定するものではないが、たとえば１５０μｍ〜２００μｍ程度とすることができる。

モールド樹脂４０は、このモールド樹脂４０により封止された構成要素を保護する電気絶縁性の樹脂であり、ここでは、モールド樹脂４０により半導体装置Ｓ１がモールドパッケージとして構成されている。

このモールド樹脂４０は、金属体２０の対向面２１上に設けられて、電極板１０の対向面１１の端部１１ａおよび絶縁層３０を封止している。このようなモールド樹脂４０は、たとえばエポキシ樹脂等の樹脂に上記したフィラーを含有させたものを、トランスファー成形、コンプレッション成形、ディスペンス等により形成したものである。

ここで、上述のように、金属体２０の対向面２１は、電極板１０の対向面１１よりも面積が大きいため、電極板１０は金属体２０の対向面２１の外郭の範囲内に位置している。そして、電極板１０の対向面１１の全体が絶縁層３０に接触している。

つまり、電極板１０の対向面１１の端部１１ａは、絶縁層３０に接触した状態で、金属体２０の対向面２１上に位置している。さらに言えば、この電極板１０の対向面１１の端部１１ａは、電極板１０、絶縁層３０、モールド樹脂４０という比誘電率の異なる３部材が接触する部分である。

このような電極構造体Ｓ１において、本実施形態では、モールド樹脂４０のうち電極板１０の対向面１１の端部１１ａに接触する部位を含む、モールド樹脂４０の全体が、絶縁層３０よりも比誘電率が高い高比誘電率部４１とされている。

比誘電率の値を限定するものではないが、たとえば、絶縁層３０の比誘電率は４程度であり、高比誘電率部４１の比誘電率は１０程度とすることができる。このような比誘電率の変更は、たとえば絶縁層３０および高比誘電率部４１を構成する樹脂の種類や、フィラーの種類および量等を調整することにより容易に行える。

ところで、電極板１０の対向面１１の端部１１ａは、上述のように、電極板１０、絶縁層３０、モールド樹脂４０という比誘電率の異なる３部材が接触する部分である。そのため、図２に示されるように、電極板１０の対向面１１の端部１１ａは、最も電界が集中し局所的に高い電界が発生しやすい部分である。

なお、図２に示される電界強度分布は、本発明者の計算によるシミュレーション結果に基づくものであり、強度Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６の順に電界強度が低くなっているものである。図２では、各電界強度Ｄ１〜Ｄ６を、ハッチングの有無やハッチングの種類により区別して表示している。

そして、本実施形態では、この電極板１０の対向面１１の端部１１ａに接触するモールド樹脂４０の部分を、絶縁層３０よりも比誘電率が高い高比誘電率部４１としているので、当該部分のモールド樹脂４０を金属製の電極板１０に近づけることができる。そのため、電極板１０の対向面１１の端部１１ａにおける電界集中を緩和でき、電極板１０と金属体２０との間における絶縁性の更なる向上が図れる。

［他の例］
本第１実施形態の他の例としての電極構造体Ｓ２について、図３を参照して述べる。

図３に示される例では、図１の例に比べて、電極板１０の対向面１１の端部１１ａと電極板１０の側面１２との間の角部は、面取りされた面取り部１１ｂとして構成されており、面取り部１１ｂと絶縁層３０との間は、高比誘電率部４１により充填されていることが相違するものである。

この図３の例では、面取り部１１ｂは直線状に面取りしたもの、いわゆるＣ面取りのものとされている。ここで、図３に示されるように、面取り部１１ｂと絶縁層３０とのなす角度、いわゆる面取り角度θは４５°未満が望ましい。本例の場合では面取り角度θは、面取りによる電界集中緩和の効果に極力適した２５°としている。

本例のように、電極板１０の対向面１１の端部１１ａ側に面取り部１１ｂを設けた場合、電極板１０の対向面１１の端部１１ａにおける電界強度分布は、図４のようなものとされる。なお、図４に示される電界強度分布は、本発明者の計算によるシミュレーション結果に基づくものであり、強度Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５の順に電界強度が低くなっているものである。図４では、各電界強度Ｄ１〜Ｄ５を、ハッチングの有無やハッチングの種類により区別して表示している。

図４に示されるように、本例の場合でも、電極板１０の対向面１１の端部１１ａに加えて面取り部１１ｂが、最も高い電界が集中しやすい部分となる。しかし、本例によれば、上記した高比誘電率部４１による電界集中緩和の効果が発揮されるとともに、電極板１０の対向面１１の端部１１ａ側に面取り部１１ｂを設けることで、電界集中に対する絶縁耐力の向上が期待できるから、好ましい。

ここで、本実施形態における上記図１および図３の構成について、電極板１０の対向面１１の端部１１ａにおける電界強度の低減効果について、図５を参照して述べる。この図５の例では、図１の面取り無しの構成と図３の面取り有りの構成とにおいて、高比誘電率部４１を設けた本実施形態の場合と、従来の高比誘電率部４１を設けないモールド樹脂を採用した比較例の場合とについて、シミュレーションにより、当該電界強度を求めたものである。図５では、各場合の電界強度の大きさは相対的なものとしてに示してある。

また、この図５の例では、絶縁層３０の比誘電率を約４、高比誘電率部４１の比誘電率を約１０、比較例のモールド樹脂の比誘電率を絶縁層３０と同等の約４とした。また、絶縁層３０の厚さは１５０μｍ〜２００μｍとし、面取り部１１ｂの面取り角度θは２５°とした。

図５に示されるように、図１の面取り無しの構成と図３の面取り有りの構成との各場合において、本実施形態の高比誘電率部４１による電界強度の低減効果が顕著に表れることがわかった。また、本実施形態の高比誘電率部４１による電界強度の低減効果は、面取り部１１ｂによる電界強度の低減効果よりも大きいことが確認された。

電極板１０の材質や形状等の制約から、電極板１０に対して上記したような面取りを施すことができない場合もあるが、そのような場合でも、本実施形態によれば、高比誘電率部４１の効果により、絶縁耐力を向上させることが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかる電極構造体Ｓ３について、図６を参照して、上記第１実施形態との相違点を中心に述べる。

上記第１実施形態では、モールド樹脂４０の全体が高比誘電率部４１とされていたが、モールド樹脂４０の一部のみ、すなわち、モールド樹脂４０のうち電極板１０の対向面１１の端部１１ａに接触する部位のみが高比誘電率部４１とされていてもよい。図６に示される電極構造体Ｓ３は、上記図３に示される電極構造体Ｓ２において、モールド樹脂４０の構成を一部変形したものである。

具体的には、図６に示される電極構造体Ｓ３においても、電極板１０の対向面１１の端部１１ａ側には面取り部１１ｂが設けられており、面取り部１１ｂと絶縁層３０との間は高比誘電率部４１により充填されている。

さらに、図６の場合、モールド樹脂４０のうち高比誘電率部４１の周囲部分は、高比誘電率部４１よりも比誘電率が低い低比誘電率部４２とされている。この低比誘電率部４２は、具体的には絶縁層３０と同等もしくはそれ以下の比誘電率のものにできる。

比誘電率の値を限定するものではないが、たとえば、低比誘電率部４２の比誘電率は４程度であり、高比誘電率部４１の比誘電率は１０程度とすることができる。このような比誘電率の変更は、たとえば低比誘電率部４２および高比誘電率部４１を構成する樹脂の種類や、フィラーの種類および量等を調整することにより容易に行える。

本実施形態のように、最も電界が集中する電極板１０の対向面１１の端部１１ａのみに高比誘電率部４１が配置されていれば、上記した電界集中緩和の効果が発揮されるので、高比誘電率部４１の周囲のモールド樹脂４０は、低比誘電率部４２であってもよい。

［他の例］
本第２実施形態の他の例としての電極構造体Ｓ４について、図７を参照して述べる。

図７に示される例でも、図６の例と同様、モールド樹脂４０のうち電極板１０の対向面１１の端部１１ａに接触する部位のみが高比誘電率部４１とされているが、この高比誘電率部４１が、図６に比べて、電極板１０の外郭からはみ出していることが相違する。

上記図６の例におけるモールド樹脂４０の形状は、高比誘電率部４１および低比誘電率部４２ともに金型成形で形成した場合に典型的に現れる。一方。図７の例におけるモールド樹脂４０の形状は、高比誘電率部４１をポッティングにより形成した場合に典型的に現れる。

ポッティングの場合、金型成形に比べて、高比誘電率部４１の形状を規定しにくいので、高比誘電率部４１は図７に示されるようなはみ出し部分を有する形状になりやすい。しかし、この図７に示される例においても、上記図６に示される例と同様の効果が期待できることはもちろんである。

また、本第２実施形態において、モールド樹脂４０は、高比誘電率部４１のみでもよい。具体的には、上記図６、図７に示される構成において、低比誘電率部４２が省略された構成、すなわち低比誘電率部４２で封止される構成要素は、モールド樹脂４０で封止されていない構成であってもよい。

また、本第２実施形態の構成は、上記図１のような電極板１０に面取り部１１ｂを形成しない場合においても、適用できることは言うまでも無い。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、電極構造体は、パワーカード等の半導体装置に適用されたものとして述べたが、これに限定されるものではない。たとえば、金属体２０も冷却機能だけでなく電極として機能するものであってもよい。具体的にその他の例を挙げるならば、電極板１０および金属体２０としてはリードフレームやヒートシンク等の金属材の中から選択されたものが挙げられる。

また、絶縁層３０としては、上記した成形された樹脂シートよりなるものに限定されるものではなく、たとえば、塗布や蒸着等により形成された樹脂層やセラミック層等であってもよい。

なお、上記図３、図６、図７の例では、面取り部１１ｂは直線状に面取りしたもの、いわゆるＣ面取りのものであったが、これらの例における面取り部１１ｂは曲線状に面取りしたもの、いわゆるＲ面取りのものであってもよい。

また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能であり、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０ 電極板
１１ 電極板の対向面
１１ａ 電極板の対向面の端部
２０ 金属体
２１ 金属体の対向面
３０ 絶縁層
４０ モールド樹脂
４１ モールド樹脂における高比誘電率部

Claims (3)

1. 一方の板面を対向面（１１）とする金属よりなる平板状の電極板（１０）と、
   前記電極板の対向面に対向し、前記電極板の対向面よりも面積の大きい対向面（２１）を有する金属体（２０）と、
   前記電極板の対向面と前記金属体の対向面との間に介在し、当該両対向面に接触する電気絶縁性の絶縁層（３０）と、
   前記金属体の対向面上に設けられて、少なくとも前記電極板の対向面の端部（１１ａ）および前記絶縁層を封止する電気絶縁性のモールド樹脂（４０）と、を備える電極絶縁構造体であって、
   前記電極板の対向面の端部は、前記絶縁層に接触した状態で前記金属体の対向面上に位置しており、
   前記モールド樹脂のうち少なくとも前記電極板の対向面の端部に接触する部位は、前記絶縁層よりも比誘電率が高い高比誘電率部（４１）とされていることを特徴とする電極構造体。
2. 前記電極板の対向面の端部と前記電極板の側面（１２）との間の角部は、面取りされた面取り部（１１ｂ）として構成されており、
   前記面取り部と前記絶縁層との間は、前記高比誘電率部により充填されていることを特徴とする請求項１に記載の電極構造体。
3. 前記モールド樹脂のうち前記高比誘電率部は、前記電極板の対向面の端部に接触する部位のみに配置され、
   前記モールド樹脂のうち前記高比誘電率部の周囲部分は、前記高比誘電率部よりも比誘電率が低い低比誘電率部（４２）とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の電極構造体。

Images