JP3324875B2 - 半導体素子搭載用基板 - Google Patents

半導体素子搭載用基板

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、新規な半導体素子搭載
用基板に関するものである。より詳しくは、サイリスタ
等の半導体素子を搭載した絶縁板に高電圧が印加された
際に生じる部分放電開始電圧または部分放電消滅電圧
(以下、これらを総称して「部分放電電圧」ともいう)
を大幅に高めることにより、部分放電電圧の低下、ある
いは絶縁破壊による半導体素子の損傷を防止することが
可能な半導体素子搭載用基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、大電流、大電圧の制御用の半導体
素子として、サイリスタやトランジスタ、およびダイオ
ード等が広く使用されている。このように大容量が要求
される上記半導体素子を搭載する基板は、部分放電、或
いは発熱による素子破壊を防止するため、放熱特性およ
び絶縁特性の優れた絶縁体を用いることが要求される。
【0003】従来、かかる絶縁基板として、アルミナ基
板(Al)が一般的に使用されていたが、近年、
熱伝導性の優れた絶縁板として窒化アルミニウム(Al
N)がアルミナ基板に代えて使用されるようになってき
た。
【0004】上記の窒化アルミニウムの如き絶縁体より
なる基板には、半導体素子を搭載する部分及び配線パタ
ーンを形成するためのメタライズ層などよりなる導電パ
ターンが露出した状態で形成されるが、大電流、大電圧
の制御用の半導体素子を搭載した場合、これらの独立し
た導電パターン間で部分放電が発生し、半導体素子の駆
動を阻害したり、絶縁板表面において部分放電の発生し
た部分のみ電界の不均一化が生じるため、繰り返し電圧
を印加することで同じ絶縁基板表面での部分放電が発生
し、繰り返す毎に放電開始電圧および放電消滅電圧が低
下するとともに、絶縁基板表面も劣化が繰り返され、つ
いには低電圧において絶縁破壊を引起こす原因ともなる
という問題を有する。
【0005】従来、このような部分放電を防止する手段
として導電パターン間に1本以上の溝を設け、沿面距離
を長くすることで部分放電電圧を高めることにより、大
電圧に対する絶縁破壊による半導体素子の損傷を抑止す
る方法が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の手段により、大電流、大電圧の制御用半導体素
子を搭載して高電圧を印加した場合における部分放電電
圧の抑制効果は不充分であり、更なる改良が望まれてい
た。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記従来の問
題点を解決するためになされたものであり、同一表面或
いは表裏に電気的に独立した導電パターンが形成された
絶縁体よりなる基板の該導電パターンに高電圧を印加し
た際に生じる部分放電開始電圧および部分放電消滅電圧
を高め、大電流、大電圧の制御用半導体素子を部分放電
の発生による損傷を防止するとともに、繰り返し高電圧
を印加しても部分放電電圧が低下することなく、また絶
縁基板も劣化することのない半導体素子搭載用基板を提
供することを目的とするものである。
【0008】本発明者は、上記目的を達成するために鋭
意研究した結果、同一表面或いは表裏に電気的に独立し
た導電パターンが形成された絶縁体よりなる基板の該導
電パターンの他の導電パターンに対向する縁部を絶縁樹
脂で被覆することにより上記目的を達成し得ることを見
い出し、本発明を完成するに至った。
【0009】以下、本発明を添付図面に従ってより具体
的に説明するが、本発明はこれらの添付図面に限定され
るものではない。
【0010】図1は、本発明の半導体素子搭載用基板の
代表的な態様を示す概略図である。
【0011】即ち、本発明は、絶縁体よりなる基板1の
一面或いは表裏に、電気的に独立した少なくとも2
つの導電パターン2、3が形成され、対向する2つの導
電パターン2,3の間に溝5が設けられており、一方の
導電パターンの、他方の導電パターンに対向する縁部の
端辺6は、該溝内に延在し、該溝内で絶縁体4が該縁部
の端辺を被覆するように充填されていることを特徴とす
る半導体素子搭載用基板である。
【0012】本発明において、絶縁体よりなる基板(以
下、絶縁基板ともいう)1は、絶縁性を有する材質より
なるものであれば何ら限定されるものではないが、部分
放電、あるいは発熱による素子破壊を防止するため、放
熱特性および絶縁特性の優れたアルミナ焼結体や酸化ベ
リリウム焼結体等の酸化物系セラミックス、窒化珪素焼
結体、窒化アルミニウム焼結体等の窒化物系セラミック
ス、あるいは酸窒化アルミニウム焼結体等の酸窒化物系
セラミックスが挙げられる。中でも、熱伝導性、環境衛
生の観点より窒化アルミニウム焼結体を使用することが
最も好ましい。
【0013】また、絶縁基板の形状としては、四角形、
円形、多角形、楕円形、球状、中空円筒状等、特に限定
されるものではない。
【0014】上記絶縁基板1において、図3に示される
ように導電パターン2、3間に溝5を設けて沿面距離を
長くした構造のものも、本発明の効果には及ばないが、
部分放電電圧をより高める効果はある。かかる溝5は
一般に、溝の深さは絶縁基板の厚みの40〜80%、5
0〜70%の深さとなるように、また、溝の幅は0.5
〜20mm、好ましくは1〜10mmが好適であり、本
発明においても、このような溝を採用することができ
る。
【0015】本発明において、上記絶縁基板には、半導
体素子搭載用の電極及びこれに対応する電極或いは配線
パターンとなる導電パターン2、3が形成される。かか
る導電パターン2、3の形成は、各導電パターンが電気
的に独立(絶縁)し得るように、これらが接触しない程
度の間隔を開けて行えば良い。例えば、該導電パターン
の形成態様としては、図に示すように絶縁基板の同一
表面に間隔をあけて導電パターン2、3を形成しても良
いし、図2〜4に示すように絶縁基板の表裏に導電パタ
ーン2、3を形成しても良い。
【0016】上記導電パターンの間隔は、沿面放電を抑
制するためには長いほどよく、一般的には10mm以上
の間隔を開けて設けることが好ましいが、装置の小型化
等の要求により、その上限は200mm程度に止めるこ
とが好ましい。
【0017】上記導電パターン2、3の形状は、目的に
応じて適宜決定される。例えば、半導体素子搭載用の電
極として導電パターンを設ける場合、四角形、円形、多
角形、楕円形等の形状が一般に採用される。勿論、上記
電極を構成する導電パターンは、単に電極として使用し
ても良い。
【0018】また、導電パターンは、その一部が配線パ
ターンを構成していても良く、この場合、該導電パター
ンは、幅50μm以上、一般には幅60〜1000μm
の線状パターンが一般に採用される。
【0019】また、上記の導電パターンの形成方法は、
公知の方法が特に制限なく採用される。例えば、硬化・
焼成後に導電性を示す硬化性ペーストを印刷によりパタ
ーン形成後、硬化・焼成する厚膜印刷法、導電性金属を
蒸着やスパッタリングによりパターン形成する薄膜法、
活性金属により銅板等の金属板を接合しブリッジカット
法あるいはエッチング法によりパターン形成する活性金
属法、ニッケルあるいは金等を無電解メッキによりパタ
ーン形成する無電解メッキ法など、種々の方法があり目
的に応じて適宜採用される。厚膜印刷法について更に具
体的に示せば、金、金−白金、銀、銀−パラジウム、銀
−白金、銅等を導体とする厚膜ペーストをスクリーン印
刷法によりパターンを印刷し、大気中あるいは窒素雰囲
気中にて500〜1000℃の温度範囲内にて焼成をお
こない、導電パターンを形成する方法が一般に採用され
る。
【0020】本発明において、上記導電パターンは、導
電パターンの少なくとも一方の導電パターンの他方の導
電パターンに対向する縁部の端辺を溝内、好ましくは該
溝の底面に延在せしめ、該溝5に絶縁体を充填すること
により、導電パターンの縁部を絶縁体で被覆することが
重要である。
【0021】即ち、対向する導電パターンの縁部を溝内
絶縁体で被覆することにより、該導電パターンを露出
させた状態で、本発明の目的である部分放電電圧を大幅
に高めることができ、部分放電の低下、あるいは絶縁破
壊による半導体素子の損傷を防止することが可能とな
る。
【0022】尚、本発明において、上記絶縁体で覆われ
る導電パターンは、半導体素子を積層するため、或いは
他の配線と接続する導電パターンであり、その縁部のみ
が絶縁体で被覆される。
【0023】絶縁体による被覆は、図の(a)に示さ
れるように対向する一方の導電パターンの縁部を絶縁体
4で被覆すれば十分であるが、図の(b)に示される
ように対向する両方の導電パターンの縁部を該絶縁体
4、4’で被覆してもよい。
【0024】また、表裏に導電パターンが存在する場合
には、少なくとも一方のパターンの周縁部を絶縁体4で
被覆すればよい。
【0025】上記絶縁体による被覆は、対向する導電パ
ターンの縁部と同等の長さ以上に被覆することが好まし
く、特に導電パターンの周縁部全体を被覆すればより効
果的である。絶縁体の厚みは1μm以上、絶縁特性を高
めるためには、10〜100μm程度が好ましい。
【0026】本発明において、上記絶縁体4、4’の材
質は、絶縁性を有する材質であれば特に制限はないが、
エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機質樹脂、フッ素
系樹脂、シリコン樹脂、あるいはガラス材等の電気絶縁
性材料が好ましく、その形成方法は、厚膜印刷法、塗布
法、ディスペンサー法、スプレー法など種々の方法を採
用することができる。
【0027】
【発明の効果】 本発明において、前記溝5を設けて延面
距離を延長し、図1に示すように、導電パターン2の端
辺を該溝5内、好ましくは該溝の底面に延在せしめ、該
溝5に絶縁体4を充填することにより、導電パターン2
の縁部を絶縁体で被覆することにより、本発明の半導体
素子搭載用基板は、該導電パターンを露出した状態で該
導電パターン上に大容量のサイリスタ等の制御用半導体
素子を搭載することができ、また、高電圧を印加して
も、部分放電開始電圧または部分放電消滅電圧を高める
ことができるため、半導体素子の損傷を防止することが
でき、また繰り返し高電圧を印加しても劣化しないとい
う、極めて優れた特性を有するものである。
【0028】
【実施例】以下に本発明を具体的に説明するために実施
例を示すが、本発明は実施例によって何ら限定されるも
のではない。
【0029】尚、実施例、比較例において部分放電開始
時及び部分放電消滅時におけるスレッショルド電荷量は
3(PC)にて行った。
【0030】参考例1 図2に示すように、φ100mm×3mmtの窒化アル
ミニウム基板1の表裏に銀ペーストをスクリーン印刷、
乾燥後、850℃にて大気中で焼成することにより導電
パターン(電極)2、3を形成した。次いで、該導電パ
ターンのうち、片側の導電パターン2の周縁部にエポキ
シ系絶縁樹脂をスクリーン印刷した後、乾燥、硬化させ
て絶縁体4を該導電パターンの縁より2mmの幅で被覆
した。
【0031】得られた基板を図6に示す部分放電測定機
(三菱電線工業(株)製)にて、図7に示す電圧上昇/
下降パターンにより表裏の電極間に10000Vの電圧
を印加してその電圧上昇時および下降時に発生する放電
開始電圧および放電消滅電圧の測定を行った。
【0032】結果を表1に示した。
【0033】実施例に示すようにφ100mm×
3mmtの窒化アルミニウム基板1の表面に深さ2m
m、幅2mmの溝5を設け、その両面に銀ペーストをス
クリーン印刷、乾燥後、850℃大気中焼成により導電
パターン2、3を形成した。この場合、導電パターン2
の形成は溝部5にも銀ペースト6を延長して塗布し、8
50℃大気中焼成をおこない図に示すように形成した。
次いで、ディスペンサーによりシリコン樹脂を溝内に充
填し、乾燥後硬化させることにより、導電パターン2の
周縁部を絶縁体4によって被覆した。
【0034】得られた基板を参考例1と同様の方法によ
り、放電開始電圧および放電消滅電圧を測定した。結果
を表1に示した。
【0035】比較例1 比較例として、図5に示すようにφ100mm×3mm
tの窒化アルミニウム基板1の両面に銀ペースト2を実
施例1と同様の印刷パターンによりスクリーン印刷し、
850℃大気中焼成をおこなった。この基板を実施例1
と同様の方法により、放電開始電圧および放電消滅電圧
を測定し、結果を表1に併せて示した。
【0036】
【表1】
【0037】表1に示す結果から明らかなように、実施
1の放電開始電圧および放電消滅電圧は、比較例1の
従来の方法や参考例1に示す方法と比較して、格段に
い放電開始電圧および放電消滅電圧を得られた。すなわ
ち、10000Vの高電圧を印加しても部分放電が発生
しないという優れた結果が得られた。
【0038】以上の結果より実施例に示した半導体素子
搭載用基板は、従来の基板以上の特性を発揮することが
可能であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例を示す概略図である。
【図2】 本発明における絶縁体被覆の状況を示す一例
断面図である。
【図3】 本発明における溝の構造を説明するための
面図である。
【図4】 本発明における絶縁体被覆の状況を示す平面
図である。
【図5】 本発明の一比較例を示す断面図である。
【図6】 本発明の効果を確認するための部分放電測定
機の回路図である。
【図7】 本発明の効果を確認するための電圧を印可さ
せた際の電圧上昇/下降パターンである。
【符号の説明】
1 絶縁体よりなる基板 2 導電パターン 3 導電パターン 4 絶縁体 4’絶縁体 5 溝 6 導電パターン延在部

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁体よりなる基板の同一面或いは表裏
    に、電気的に独立した少なくとも2つの導電パターン
    が形成され、対向する2つの導電パターンの間に溝が設
    けられており、一方の導電パターンの、他方の導電パタ
    ーンに対向する縁部の端辺は、該溝内に延在し、該溝内
    で絶縁体が該縁部の端辺を被覆するように充填されてい
    ことを特徴とする半導体素子搭載用基板。
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