JP4088394B2 - 絶縁回路基板およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents
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Description
【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，ＧＴＯ，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(ＡｌＮ)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３６Ｗ／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１０μｍ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１０３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２０１，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２０７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１０２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１０μｍ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３９８Ｗ／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１０μｍ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１０μｍ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１０１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。１０μｍ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１８０１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１９０９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２０ｋＶ／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１０３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。
【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，ＧＴＯ，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(ＡｌＮ)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３６Ｗ／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１０μｍ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１０３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２０１，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２０７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１０２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１０μｍ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３９８Ｗ／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１０μｍ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１０μｍ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１０１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。１０μｍ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１８０１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１９０９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２０ｋＶ／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１０３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。
Claims (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、導体電極板と接合材の露出部分に導電体のコーティングを施した絶縁回路基板において、絶縁基板上にある導体電極板、接合材及びコーティングで構成される導電体の終端厚さが１０μｍ以上であり、導体電極板の端部よりも接合材の端部が外側に配置された導電体の終端の接合材とコーティングを合わせた厚みが１０μｍ以上であることを特徴とする絶縁回路基板。
- 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、導体電極板と接合材の露出部分に導電体のコーティングを施した絶縁回路基板において、絶縁基板上にある導体電極板、接合材及びコーティングで構成される導電体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。
- 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、導体電極板と接合材の露出部分に導電体のコーティングを施した絶縁回路基板において、絶縁基板と接合材の反応層の端部が接合材の端部よりも外側に位置し、導電体のコーティングは反応層の露出部分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１〜３のいずれか一つ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。
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