JPH08186193A - Circuit substrate and semiconductor device using it - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は回路基板及びそれを用い
た半導体装置に係り、特に、部分放電を抑えることによ
り高信頼性を達成した高耐圧用半導体モジュールの構造
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a circuit board and a semiconductor device using the same, and more particularly to a structure of a high breakdown voltage semiconductor module which achieves high reliability by suppressing partial discharge.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来から、絶縁ゲート型バイポーラトラ
ンジスタ(IGBT),ダイオード,ゲートターンオフ
サイリスタ(GTO),トランジスタ等のパワー半導体
素子を絶縁容器内に密封したパワー半導体モジュールが
知られている。このようなモジュールにおいては、使用
上の簡便性のために、金属製の支持基板部と,電流通電
部とが、電気的に絶縁されている。つまり、支持基板上
に半田あるいは金属ろう材により絶縁基板を搭載し、さ
らに絶縁基板上に半導体素子を搭載する。2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a power semiconductor module in which power semiconductor elements such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a diode, a gate turn-off thyristor (GTO) and a transistor are sealed in an insulating container. In such a module, the metal support substrate portion and the current conducting portion are electrically insulated from each other for the convenience of use. That is, the insulating substrate is mounted on the supporting substrate with solder or a metal brazing material, and the semiconductor element is further mounted on the insulating substrate.
【0003】絶縁基板搭載の方法としては、絶縁基板に
メッキされたメタライズ層を直接形成し、半田等により
接合する方法や、絶縁基板の上下に金属箔を直接接合し
た後支持基板上に搭載する方法がある。後者の方法の場
合、銅箔を金属ろう材により絶縁基板に直接接合する
(Direct Bond Copper略してDBC)基板が用いられ
る。このDBC基板においては、半導体素子が搭載され
る側の銅箔は電気回路を形成する配線も兼ねており、モ
ジュールの主端子間の絶縁耐圧は各主端子を設ける銅箔
の間隔によって決まる。また、モジュール外部との絶縁
耐圧は各銅箔の終端から絶縁基板終端までの距離と絶縁
基板の絶縁容量によって決まる。As a method of mounting the insulating substrate, a method of directly forming a plated metallized layer on the insulating substrate and joining them by soldering or a method of directly joining metal foils on the upper and lower sides of the insulating substrate and then mounting them on a supporting substrate are carried out. There is a way. In the case of the latter method, a substrate in which a copper foil is directly bonded to an insulating substrate by a metal brazing material (Direct Bond Copper, DBC for short) is used. In this DBC substrate, the copper foil on which the semiconductor element is mounted also serves as wiring for forming an electric circuit, and the withstand voltage between the main terminals of the module is determined by the distance between the copper foils provided with the main terminals. The withstand voltage to the outside of the module is determined by the distance from the end of each copper foil to the end of the insulating substrate and the insulation capacitance of the insulating substrate.
【0004】従来のDBC基板では、絶縁基板の表と裏
の金属箔の厚さを適正化することで基板の反りや金属箔
の剥離等の問題を解決する。しかし、DBC基板をモジ
ュールに組み込んだ場合には、モジュール支持基板やモ
ジュール外部への電極取り出し端子等を接合するため応
力バランスが変化する。このため、金属ろう材と絶縁基
板との界面の剥離や絶縁基板の割れ等が生じるという問
題が有る。In the conventional DBC substrate, problems such as the warp of the substrate and the peeling of the metal foil are solved by optimizing the thickness of the front and back metal foils of the insulating substrate. However, when the DBC substrate is incorporated in the module, the stress balance changes because the module support substrate and the electrode lead-out terminals to the outside of the module are joined. Therefore, there is a problem that the interface between the metal brazing material and the insulating substrate is peeled off or the insulating substrate is cracked.
【0005】これらの問題を解決する方法としては、特
開昭60−32343 号公報や特開平5−21641 号公報に記載
の技術がある。特開昭60−32343 号公報は、金属ろう材
に活性金属を添加して銅と活性金属の合金層を形成する
ことにより接合を強固にする技術を開示している。一
方、特開平5−21641号公報は、モジュール外部への電極
取り出し端子接合位置の金属箔と絶縁基板との間にギャ
ップを設け、さらにキャップを設けた部分の金属箔に湾
曲部設けて端子の応力を吸収する技術を開示している。As a method for solving these problems, there are techniques described in JP-A-60-32343 and JP-A-5-21641. Japanese Unexamined Patent Publication No. 60-32343 discloses a technique for strengthening bonding by adding an active metal to a brazing filler metal to form an alloy layer of copper and the active metal. On the other hand, JP-A-5-21641 discloses that a gap is provided between the metal foil at the electrode extraction terminal joining position to the outside of the module and the insulating substrate, and a curved portion is provided on the metal foil at the portion where the cap is provided. A technique for absorbing stress is disclosed.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】これらの従来技術にお
いては、金属箔と絶縁基板を接合するろう材のひけやボ
イドが発生した部分、あるいは金属箔と絶縁基板とのギ
ャップを設けた部分で、絶縁容量成分が発生する。この
絶縁容量成分は、絶縁基板による絶縁容量成分と直列に
接続される。この時モジュールに高い電圧がかかると、
絶縁容量成分が発生した空間層では部分放電(コロナ放
電)が発生する。モジュール使用中における部分放電
は、シリコーンゲルなどのモジュール内充填剤を変質さ
せるので、最終的には絶縁劣化につながる。また、スイ
ッチング時の部分放電はノイズを発生し、このノイズは
特にIGBTなどの絶縁ゲート型素子のモジュールでは
誤動作の原因となる。SUMMARY OF THE INVENTION In these prior arts, in a portion where a sink or a void of a brazing material for joining a metal foil and an insulating substrate is generated, or in a portion where a gap is provided between the metal foil and the insulating substrate, Insulation capacitance component is generated. This insulating capacitance component is connected in series with the insulating capacitance component due to the insulating substrate. If a high voltage is applied to the module at this time,
Partial discharge (corona discharge) occurs in the space layer where the insulating capacitance component is generated. Partial discharge during use of the module deteriorates the filler inside the module such as silicone gel, and eventually leads to deterioration of insulation. Further, the partial discharge at the time of switching causes noise, and this noise causes malfunction especially in the module of the insulated gate type element such as IGBT.
【0007】本発明は上記の点を考慮してなされたもの
であり、その主な目的は、部分放電の発生を抑えた回路
基板及びそれを用いた半導体装置を提供することにあ
る。The present invention has been made in view of the above points, and its main object is to provide a circuit board in which the occurrence of partial discharge is suppressed and a semiconductor device using the same.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の回路基板は、上
記のような絶縁容量成分を短絡する手段を有する。The circuit board of the present invention has means for short-circuiting the above-mentioned insulating capacitance component.
【0009】具体的には、絶縁板の一表面上に第1の導
電層を設け、そして絶縁板の表面あるいは内部において
第1の導電層に対向する位置に、従って第1の導電層か
ら離して第2の導電層を設ける。さらに、これら第1の
導電層と第2の導電層を、導電体により電気的に接続す
る。Specifically, the first conductive layer is provided on one surface of the insulating plate, and the surface of or inside the insulating plate is opposed to the first conductive layer, and is therefore separated from the first conductive layer. To provide a second conductive layer. Further, the first conductive layer and the second conductive layer are electrically connected by a conductor.
【0010】また、本発明の半導体装置では、上記のよ
うな回路基板の第1の導電層に半導体素子を接合すると
ともに、絶縁基板の他方の表面すなわち第1の導電層の
反対側の表面と導電性の基板とが接合する。Also, in the semiconductor device of the present invention, the semiconductor element is bonded to the first conductive layer of the circuit board as described above, and the other surface of the insulating substrate, that is, the surface opposite to the first conductive layer, is formed. It joins with a conductive substrate.
【0011】[0011]
【作用】本発明の回路基板においては、第1導電層と絶
縁基板との間に、ろう材のひけやボイドが発生したりギ
ャップを設けたりすることにより絶縁容量成分が発生し
ても、第2の導電層及び導電体により絶縁容量成分が短
絡される。従って、絶縁容量成分には電圧が印加されな
いので、部分放電が防止できる。In the circuit board of the present invention, even if an insulating capacitance component is generated due to a sink mark or void of the brazing material or a gap provided between the first conductive layer and the insulating substrate, The insulating capacitance component is short-circuited by the second conductive layer and the conductor. Therefore, since no voltage is applied to the insulating capacitance component, partial discharge can be prevented.
【0012】さらに、このような回路基板を備える本発
明の半導体装置においては、部分放電による充填材の劣
化や半導体素子の誤動作が防止できる。従って、半導体
装置の信頼性が向上する。Further, in the semiconductor device of the present invention provided with such a circuit board, deterioration of the filler due to partial discharge and malfunction of the semiconductor element can be prevented. Therefore, the reliability of the semiconductor device is improved.
【0013】[0013]
【実施例】図1は、本発明の1実施例である、金属箔周
辺に導電体の層を設けた回路基板を搭載する半導体装置
の一部を示す。(a)は断面構造,(b)は等価回路で
ある。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows a part of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, which mounts a circuit board having a conductor layer around a metal foil. (A) is a cross-sectional structure and (b) is an equivalent circuit.
【0014】銅材からなる金属箔102,103を、銀
を主成分とする金属ろう材105によって窒化アルミニ
ウムからなる絶縁板104のそれぞれの表面に接合す
る。ここで、金属箔102は、第1の導電層であり、回
路を形成するための配線となる。金属箔102,10
3,絶縁板104、および金属ろう材105は、いわゆ
るDBC基板117を構成している。さらに、絶縁板1
04と金属箔102が接合されない領域111において
は、金属箔102に対向する絶縁板104の表面に、導
電体の層109すなわち第2の導電層を設ける。ここ
で、導電体の層109は、金属ろう材に接触している。
従って、金属箔102および103は、導電体である金
属ろう材105により電気的に接続されている。Metal foils 102 and 103 made of copper material are bonded to respective surfaces of an insulating plate 104 made of aluminum nitride by a metal brazing material 105 containing silver as a main component. Here, the metal foil 102 is the first conductive layer and serves as wiring for forming a circuit. Metal foil 102,10
3, the insulating plate 104, and the brazing metal 105 constitute a so-called DBC substrate 117. Furthermore, the insulating plate 1
In a region 111 where 04 and the metal foil 102 are not joined, a conductor layer 109, that is, a second conductive layer is provided on the surface of the insulating plate 104 facing the metal foil 102. Here, the conductor layer 109 is in contact with the metal brazing material.
Therefore, the metal foils 102 and 103 are electrically connected by the metal brazing material 105 which is a conductor.
【0015】以上のような構成の回路基板の金属箔10
2上に半導体素子107を半田108によって接合する。
さらに、その金属箔103と金属でできた導電性の支持
基板101とを鉛及び錫を主成分とする半田106によ
って接合する。このような半導体素子を接合した回路基
板を搭載した支持基板は、後述するように密閉したケー
スに納められ、半導体モジュールとなる。なお、本実施
例においては、半導体素子107と支持基板101との
間は、絶縁板104によって絶縁されている。本実施例
は、絶縁板104による絶縁容量成分、すなわち金属箔
102と接合する領域110における絶縁容量成分11
2(CA2)と接合しない領域111における絶縁容量成
分(CA1)のほかに、領域111における金属箔102
と絶縁板104との間の空間による絶縁容量成分113
(Cd)が発生する。CA1とCA2は、金属箔103と導電
体の層109および金属ろう材105により並列に接続
され、この並列回路にCdが導電体の層109および金
属ろう材105により直列に接続される。モジュールに
V1の電圧116が印加されるとき、単にCA1とCA2の
並列回路にCdを直列接続した回路であれば、Cdに電
圧(Vd)がかかる。このとき、Cdを形成する空間が
空気層、あるいは真空層であれば誘電率が小さいためV
dが大きくなり部分放電が発生する。しかしながら、本
実施例では、Cdが金属箔102と導電体の層109及
び金属ろう材105によって短絡されている。従って、
Vdを低減することができるので、部分放電を抑さえる
ことができる。The metal foil 10 of the circuit board having the above structure
The semiconductor element 107 is bonded onto the top surface 2 by solder 108.
Further, the metal foil 103 and the conductive support substrate 101 made of metal are joined by the solder 106 containing lead and tin as main components. The supporting board on which the circuit board to which such a semiconductor element is bonded is mounted is housed in a sealed case as described later to form a semiconductor module. In this embodiment, the semiconductor element 107 and the support substrate 101 are insulated by the insulating plate 104. In this embodiment, the insulating capacitance component due to the insulating plate 104, that is, the insulating capacitance component 11 in the region 110 to be joined to the metal foil 102 is used.
2 (C A2 ), in addition to the insulating capacitance component (C A1 ) in the region 111 which is not joined, the metal foil 102 in the region 111
Insulation capacitance component 113 due to the space between the insulating plate 104 and the insulating plate 104
(Cd) occurs. C A1 and C A2 are connected in parallel by the metal foil 103, the conductor layer 109 and the metal brazing material 105, and Cd is connected in series to the parallel circuit by the conductor layer 109 and the metal brazing material 105. When the voltage 116 of V1 is applied to the module, the voltage (Vd) is applied to Cd if the circuit is simply a circuit in which Cd is serially connected to the parallel circuit of C A1 and C A2 . At this time, if the space forming Cd is an air layer or a vacuum layer, the dielectric constant is small, so V
d becomes large and partial discharge occurs. However, in this embodiment, Cd is short-circuited by the metal foil 102, the conductor layer 109 and the metal brazing material 105. Therefore,
Since Vd can be reduced, partial discharge can be suppressed.
【0016】図6は、本発明を実施した半導体モジュー
ルの断面を示す。FIG. 6 shows a cross section of a semiconductor module embodying the present invention.
【0017】本実施例において、図1に示した回路基板
の構造を適用している。しかし、金属箔102は2個所
に分かれ、それぞれ金属ろう材105により一枚の絶縁
板104上に接合されている。そして、それぞれの金属
箔102と絶縁板104とが接合されない領域には、導
電体の層109が形成される。この領域の金属箔102
には、それぞれベンド部を有する電極外部取り出し端子
202を半田201によって接合する。一方の(図中右側
の)金属箔102には半導体素子107を半田によって
接合する。そして、半導体素子107と他方の(図中左
側の)金属箔102とは、アルミニウムからなる金属ワ
イヤ601によって配線される。モジュール内部はケー
ス207とケースふた602でケーシングし、このケー
スふたに電極外部取り出し端子202がボルト603に
より固定される。さらに、電極外部取り出し端子202
のベンド部までシリコーンゲル208を充填し、半導体
素子間や配線間における放電や金属ワイヤ601の振動
による劣化を防止している。また、シリコーンゲル20
8とケースふた602の間の空間604は、エポキシ系
のハードレジンを注入して封止するか、ケース207と
ケースふた602間を封止して空気層とする。In this embodiment, the structure of the circuit board shown in FIG. 1 is applied. However, the metal foil 102 is divided into two parts, each of which is bonded onto one insulating plate 104 by a metal brazing material 105. Then, a conductor layer 109 is formed in a region where the metal foil 102 and the insulating plate 104 are not joined. Metal foil 102 in this area
The electrode external lead-out terminals 202 each having a bend portion are joined by solder 201. The semiconductor element 107 is bonded to one (on the right side of the drawing) metal foil 102 by soldering. The semiconductor element 107 and the other (on the left side in the figure) metal foil 102 are wired by a metal wire 601 made of aluminum. The inside of the module is casing with a case 207 and a case lid 602, and the electrode external lead-out terminal 202 is fixed to the case lid with a bolt 603. Further, the electrode external lead terminal 202
The silicone gel 208 is filled up to the bend part to prevent deterioration between semiconductor elements and between wirings due to discharge and vibration of the metal wire 601. In addition, the silicone gel 20
The space 604 between the case 8 and the case lid 602 is filled with an epoxy hard resin for sealing, or the space between the case 207 and the case lid 602 is sealed as an air layer.
【0018】本実施例においては、モジュール動作時の
発熱や、周囲環境(温度変化等)によってケースが膨
張,収縮を繰り返し、電極外部取り出し端子202が上
下に動く。しかし、本実施例では、電極外部取り出し端
子202とDBC基板117の接合部が絶縁板104か
ら浮かせる構造としているため応力が緩和され、絶縁板
104の割れや接合材105,201の剥離が起こりに
くい。また、導電体膜109を設けているので、シリコ
ーンゲル208が端子を接合した浮かし部全面に注入さ
れずボイド503が発生しても、部分放電が発生するこ
とはない。ただし、領域120のように端子を接合した
浮かし部全面にシリコーンゲル208を注入しておけ
ば、シリコーンゲル208による絶縁容量成分が絶縁板
104による絶縁容量成分より大きくすることができ
る。従って、導電体の層109にピンホールなどの欠陥
があっても部分放電が発生することがなく、2重の放電
防止対策ができ不良率を大幅に低減することができる。In the present embodiment, the case repeatedly expands and contracts due to the heat generated when the module operates and the surrounding environment (temperature change, etc.), and the electrode external lead terminal 202 moves up and down. However, in this embodiment, since the joint between the electrode external lead-out terminal 202 and the DBC substrate 117 is structured so as to be floated from the insulating plate 104, stress is relieved, and cracking of the insulating plate 104 and peeling of the bonding materials 105 and 201 are unlikely to occur. . Further, since the conductor film 109 is provided, even if the silicone gel 208 is not injected into the entire surface of the floating portion where the terminals are joined and the void 503 occurs, the partial discharge does not occur. However, if the silicone gel 208 is injected into the entire floating portion where the terminals are joined like the region 120, the insulating capacitance component of the silicone gel 208 can be made larger than the insulating capacitance component of the insulating plate 104. Therefore, even if there is a defect such as a pinhole in the conductor layer 109, partial discharge does not occur, double discharge prevention measures can be taken, and the defect rate can be greatly reduced.
【0019】図2は、本発明を実施した半導体装置にお
ける、電極外部取り出し端子を接合した部分の断面構造
を示す。(a)は電極外部取り出し端子の接合個所が金
属箔の中央に位置する場合、(b)は周辺部に位置する
場合である。FIG. 2 shows a sectional structure of a portion of the semiconductor device embodying the present invention to which the electrode external lead terminal is joined. (A) shows the case where the joining point of the electrode external lead terminal is located in the center of the metal foil, and (b) shows the case where it is located in the peripheral portion.
【0020】いずれの場合も金属箔102と絶縁板10
4との間の空間により絶縁容量成分が発生する。しか
し、金属箔102に対向する絶縁板104の表面に導電
体の層109を形成することにより、空間部の絶縁容量
の両端を短絡することで部分放電を抑さえることができ
る。また、モジュール内部は、ケース207と支持基板
101とで密封し、シリコーンゲル208が充填され
る。このとき、(b)に示すように金属箔102と絶縁
板104との間の空間部にボイド204が発生する場合
がある。このボイド204が金属箔102の端部よりも
外側に広がった場合にも空間層による絶縁容量成分20
5が発生し、絶縁板104による絶縁容量206と直列
に接続される。(b)に示す実施例では、導電体の層1
09が金属箔102の端部よりも外側まで広がってい
る。すなわち、導電体の層109の端部の位置が、金属
箔102の端部と絶縁板104の端部との間の位置に在
る。これにより、ボイド204による絶縁容量成分20
5も短絡(115)することができるので、部分放電の
発生を抑さえることができる。In any case, the metal foil 102 and the insulating plate 10
An insulating capacitance component is generated due to the space between 4 and 4. However, by forming the conductor layer 109 on the surface of the insulating plate 104 facing the metal foil 102, both ends of the insulating capacitance of the space are short-circuited to suppress partial discharge. The inside of the module is sealed with the case 207 and the support substrate 101 and filled with silicone gel 208. At this time, as shown in (b), a void 204 may occur in the space between the metal foil 102 and the insulating plate 104. Even when this void 204 spreads outside the end of the metal foil 102, the insulating capacitance component 20 due to the space layer
5 is generated and is connected in series with the insulating capacitance 206 by the insulating plate 104. In the example shown in (b), the conductor layer 1
09 extends to the outside of the end of the metal foil 102. That is, the position of the end of the conductor layer 109 is located between the end of the metal foil 102 and the end of the insulating plate 104. As a result, the insulating capacitance component 20 due to the void 204
Since 5 can also be short-circuited (115), the occurrence of partial discharge can be suppressed.
【0021】図3は絶縁板内部に導電体膜の層を設けた
実施例を示す。FIG. 3 shows an embodiment in which a conductor film layer is provided inside the insulating plate.
【0022】(a)は本実施例の断面を示す。絶縁板1
04の上下の表面に金属箔102,103を接合材10
5で接合し、絶縁板104内において、半導体素子搭載
側の金属箔102(第1の導電層)に対向するように金
属層301(第2の導電層)を形成する。そして、金属箔
102と金属層301とは、絶縁板内において絶縁板1
04の表面に対して垂直方向に配置した導電体302に
よって電気的に接続される。このとき、絶縁板104内
の絶縁容量成分は、金属層301によって金属箔102
側の絶縁容量成分303と支持基板側の絶縁容量成分1
14とに分かれるが、絶縁容量成分303は金属箔10
2,金属層301および導電体302によって短絡して
いるので実質的な絶縁容量成分は114だけになる。(A) shows a cross section of this embodiment. Insulation plate 1
The metal foils 102 and 103 are bonded to the upper and lower surfaces of the bonding material 04.
5, the metal layer 301 (second conductive layer) is formed in the insulating plate 104 so as to face the metal foil 102 (first conductive layer) on the semiconductor element mounting side. Then, the metal foil 102 and the metal layer 301 are disposed inside the insulating plate so that the insulating plate 1
Electrical connection is made by a conductor 302 arranged in a direction perpendicular to the surface of 04. At this time, the insulating capacitance component in the insulating plate 104 is changed by the metal layer 301 to the metal foil 102.
Side insulation capacitance component 303 and supporting substrate side insulation capacitance component 1
14, but the insulating capacitance component 303 is the metal foil 10.
2. Since it is short-circuited by the metal layer 301 and the conductor 302, the substantial insulating capacitance component is only 114.
【0023】本実施例において絶縁板104が劣化した
場合を(b),(c)に示す。Cases where the insulating plate 104 is deteriorated in this embodiment are shown in (b) and (c).
【0024】(b)は接合材105と絶縁板104の界
面で剥離が起こった場合である。このとき、剥離部30
4の空間部には、絶縁容量成分305が新たに発生す
る。この絶縁容量成分305は、絶縁容量成分303に
直列接続される。しかし金属箔102,金属層301お
よび導電体302によって、このように直列接続された
絶縁容量成分303が短絡されているので、剥離部分で
も部分放電は発生しない。(B) is the case where peeling occurs at the interface between the bonding material 105 and the insulating plate 104. At this time, the peeling unit 30
An insulating capacitance component 305 is newly generated in the space portion of No. 4. The insulation capacitance component 305 is connected in series with the insulation capacitance component 303. However, since the insulating capacitance component 303 thus serially connected is short-circuited by the metal foil 102, the metal layer 301, and the conductor 302, partial discharge does not occur even in the peeled portion.
【0025】(c)は絶縁板104の中で割れ308が
発生した場合である。割れ308が発生した領域307
では、金属層301と半導体素子側の金属箔102の間
の絶縁容量成分303が、割れにより直列に接続される
3つの絶縁容量成分309,310,311に分断され
る。特に、絶縁容量成分310は割れにより発生した空
間層なので、この場所での部分放電が起こる可能性が大
きい。しかし、このように直列接続された絶縁容量成分
は金属箔102,金属層301および導電体302によ
って短絡されるので、部分放電が発生することはない。
なお、(c)では、絶縁板表面に対し平行に近い方向に
割れが発生した場合を示したが、垂直な方向に割れが発
生した場合にも、同様に部分放電が防止される。(C) is a case where a crack 308 occurs in the insulating plate 104. Area 307 where crack 308 occurred
Then, the insulation capacitance component 303 between the metal layer 301 and the metal foil 102 on the semiconductor element side is divided into three insulation capacitance components 309, 310, 311 connected in series by cracking. In particular, since the insulating capacitance component 310 is a space layer generated by cracking, there is a high possibility that partial discharge will occur at this location. However, since the insulating capacitance components thus connected in series are short-circuited by the metal foil 102, the metal layer 301 and the conductor 302, partial discharge does not occur.
In addition, in (c), the case where the crack is generated in the direction nearly parallel to the surface of the insulating plate is shown. However, even when the crack is generated in the direction perpendicular to the insulating plate, the partial discharge is similarly prevented.
【0026】(b),(c)で示した欠陥は半導体素子搭
載側の金属箔102の近傍で発生したものである。しか
し、実際には、絶縁板104のモジュール支持基板側で
も同じ劣化が起こる場合がある。この場合には、絶縁板
104内に、支持基板側の金属箔103と電気的に接続
された金属層を設ければ、部分放電を防止できる。The defects shown in (b) and (c) are generated near the metal foil 102 on the semiconductor element mounting side. However, in reality, the same deterioration may occur on the module supporting substrate side of the insulating plate 104. In this case, if a metal layer electrically connected to the metal foil 103 on the supporting substrate side is provided in the insulating plate 104, partial discharge can be prevented.
【0027】図4は金属層を絶縁板内に形成した場合の
各部の寸法を説明する図である。FIG. 4 is a view for explaining the dimensions of each part when the metal layer is formed in the insulating plate.
【0028】モジュール内の絶縁確保のためには断面方
向では絶縁板104の厚さ,横方向では絶縁板104の
沿面距離を確保する必要がある。そのためモジュール支
持基板との絶縁はその容量に応じて沿面距離Loを確保
する必要がある。しかし、絶縁板内すなわちバルクの絶
縁耐力は表面よりも大きいので、絶縁板104内の金属
層301の端部と絶縁板104の端部との距離L1は絶
縁板104の厚さ以上であれば絶縁上の問題はない。例
えば、モジュール支持基板との絶縁容量を6kVとした
場合、沿面距離では1mm/kVの目安からLoは6mm必
要になる。しかし、絶縁板内部ではL1は1mmで十分で
ある。これにより、図2で述べたモジュールに充填した
シリコーンゲル208のボイド204による絶縁容量成
分205を短絡できる領域を広くすることができ、部分
放電の発生を抑えることができる。In order to secure insulation in the module, it is necessary to secure the thickness of the insulating plate 104 in the cross-sectional direction and the creepage distance of the insulating plate 104 in the lateral direction. Therefore, it is necessary to secure the creepage distance Lo according to the capacitance of the insulation from the module supporting board. However, since the dielectric strength in the insulating plate, that is, in the bulk is larger than that on the surface, the distance L1 between the end of the metal layer 301 in the insulating plate 104 and the end of the insulating plate 104 is equal to or larger than the thickness of the insulating plate 104. There are no insulation problems. For example, when the insulation capacitance with the module supporting board is 6 kV, Lo requires 6 mm in terms of the creepage distance of 1 mm / kV. However, L1 of 1 mm is sufficient inside the insulating plate. As a result, it is possible to widen the area where the insulating capacitance component 205 due to the void 204 of the silicone gel 208 filled in the module described in FIG. 2 can be widened, and the occurrence of partial discharge can be suppressed.
【0029】図5は、絶縁板の表面に設けた導電体の層
の上に金属箔を接合する実施例である。FIG. 5 shows an embodiment in which a metal foil is bonded onto a conductor layer provided on the surface of an insulating plate.
【0030】絶縁板104と金属箔102,103との
接合には銀を主成分とする金属ろう材105を用いる。
このろう材は、硬ろう材であるため、熱サイクル時のモ
ジュール各部の膨張収縮による機械的疲労劣化が比較的
少ない。しかし、接合の際にはろう材のひけ501やボ
イド503を皆無にすることは難しい。これらの欠陥が
モジュール内に存在すると、絶縁容量成分502,50
4となり部分放電発生の原因となる。本実施例では、絶
縁板104の表面に欠陥の少ない緻密な導電体の層10
9を形成することにより、金属箔102,導電体の層1
09およびこれらの間の接合材105で接合材のボイド
やひけによる絶縁容量成分を短絡することができる。こ
れにより部分放電の発生を抑さえることができる。A metal brazing material 105 containing silver as a main component is used for joining the insulating plate 104 and the metal foils 102 and 103.
Since this brazing material is a hard brazing material, mechanical fatigue deterioration due to expansion and contraction of each part of the module during thermal cycling is relatively small. However, it is difficult to eliminate the sink mark 501 and the void 503 of the brazing material at the time of joining. When these defects are present in the module, the insulation capacitance components 502, 50
4 is a cause of partial discharge. In this embodiment, the dense conductor layer 10 with few defects is formed on the surface of the insulating plate 104.
By forming 9, the metal foil 102, the conductor layer 1
09 and the bonding material 105 between them can short-circuit the insulating capacitance component due to voids or sink marks of the bonding material. As a result, the occurrence of partial discharge can be suppressed.
【0031】図7は、本発明を実施した図1の構成を持
つ半導体モジュールを、インバータ装置に組み込んだと
きの端子接続部の断面を示す。FIG. 7 shows a cross section of a terminal connecting portion when the semiconductor module having the structure of FIG. 1 embodying the present invention is incorporated in an inverter device.
【0032】各モジュールは、ボルト708により冷却
フィン709に固定される。各モジュールの端子間の配
線には、ボルト603で固定された金属板702を使用
する。各モジュールの高さの違いや、モジュールの温度
上下によるケース207,ケースふた602の膨張収縮
により、電極外部取り出し端子202には引っ張り応力
705が掛かる。これに対し、一般に、電極外部取り出
し端子202の一部に湾曲部(ベンド)を設けて応力を
緩和する。本実施例のように、金属箔102における絶
縁板104と接合しない部分に電極外部取り出し端子2
02を接合すれば、部分放電が防止されるのみならず、
金属箔102のたわみによって応力を緩和できる。従っ
て、電極外部取り出し端子202と金属箔102との接
合部の信頼性を向上させるとともに、新たな応力緩和構
造が加わったことで、各モジュールの高さおよび金属板
702の寸法公差を大きく取ることができる。Each module is fixed to a cooling fin 709 by a bolt 708. A metal plate 702 fixed with bolts 603 is used for wiring between terminals of each module. A tensile stress 705 is applied to the electrode external lead-out terminal 202 due to the difference in height of the modules and the expansion and contraction of the case 207 and the case lid 602 due to the temperature rise and fall of the modules. On the other hand, generally, a curved portion (bend) is provided in a part of the electrode external lead terminal 202 to relieve the stress. As in the present embodiment, the electrode external lead-out terminal 2 is provided at a portion of the metal foil 102 that is not joined to the insulating plate 104.
If 02 is joined, not only can partial discharge be prevented,
The stress can be relieved by the bending of the metal foil 102. Therefore, the reliability of the joint between the electrode external lead-out terminal 202 and the metal foil 102 is improved, and the height of each module and the dimensional tolerance of the metal plate 702 are increased by adding a new stress relaxation structure. You can
【0033】以上の実施例において、より確実に部分放
電を抑えるためには、導電体の層は、ピンホールなどの
欠陥や剥離が起こらないように形成する必要が有る。膜
の形成方法として蒸着法あるいはメタライズが適してい
るが、剥離をなくすために絶縁板と導電体の層との密着
性をより強くするにはメタライズが好ましい。しかし、
欠陥がなく、密着性が良好であればこれらの方法に限ら
なくともよい。また、膜の材質としては、Au/Pt/
Ti/AlN,Pt/Ti/AlNのような積層膜でも
よいし、あるいはTiNのような単体の膜でもよい。ま
た、絶縁板との密着性などを考慮すると、WあるいはM
o−Mn合金などのメタライズ膜が好ましいが、それら
に限定される必要はない。さらに各メタライズ膜上にN
i等の緻密なめっきを施せば、ピンホールなどの欠陥を
なくすことができる。In the above embodiments, in order to suppress the partial discharge more reliably, it is necessary to form the conductor layer so that defects such as pinholes and peeling do not occur. A vapor deposition method or metallization is suitable as a film forming method, but metallization is preferable in order to enhance adhesion between the insulating plate and the conductor layer in order to prevent peeling. But,
If there is no defect and the adhesion is good, the method is not limited to these. The material of the film is Au / Pt /
A laminated film such as Ti / AlN or Pt / Ti / AlN may be used, or a single film such as TiN may be used. Also, considering the adhesion with the insulating plate, W or M
Metallized films such as o-Mn alloys are preferred, but need not be limited to them. Furthermore, N on each metallized film
Defects such as pinholes can be eliminated by performing precise plating such as i.
【0034】なお、絶縁板,金属箔および接合材などの
材料は各実施例において述べたもののみならず、絶縁板
には各種の絶縁体を、金属箔および接合材などには各種
の導電体を用いることができる。また、絶縁板と金属箔
は、金属ろう材を用いずに、金属箔を絶縁板と接触させ
ながら焼成することにより接合してもよい。また、絶縁
板の支持基板側の表面に金属箔を付けずに、絶縁板を接
合材により直接支持基板に接合してもよい。The materials such as the insulating plate, the metal foil, and the bonding material are not limited to those described in each embodiment, but various insulating materials are used for the insulating plate, and various conductive materials are used for the metal foil and the bonding material. Can be used. Further, the insulating plate and the metal foil may be joined together by firing the metal foil while contacting the metal foil with the insulating plate, without using the metal brazing material. Further, the insulating plate may be directly bonded to the supporting substrate by a bonding material without attaching the metal foil to the surface of the insulating plate on the supporting substrate side.
【0035】次に、本発明を実施した半導体装置を用い
た電力変換装置の実施例について説明する。Next, an embodiment of a power conversion device using the semiconductor device embodying the present invention will be described.
【0036】図8は、本発明を適用した半導体モジュー
ルを用いたインバータ装置の一実施例の主回路を示す。
本実施例は、直列多重インバータ装置であり、いわゆる
中性点クランプ方式の3層インバータ装置である。FIG. 8 shows a main circuit of an embodiment of an inverter device using a semiconductor module to which the present invention is applied.
The present embodiment is a series multiple inverter device, which is a so-called neutral point clamp type three-layer inverter device.
【0037】本インバータ装置では、一対の直流端子4
43および444、並びに相数に等しい3個の交流端子
457〜459を備え、直流端子に直流電源を接続し、
IGBT470〜481をスイッチングすることにより、直流電力
を交流電力に変換して交流端子に出力する。直流端子間
には、直列に接続されたフィルタコンデンサ460と46
1が接続される。IGBTの組470と471,472
と473,474と475,476と477,478と
479,480と481、がそれぞれ直列に接続され、
それぞれの接続点と、フィルタコンデンサ460と46
1の接続点との間にはクランプダイオード494〜49
9が接続される。2個のIGBTの組、例えば直列に接続さ
れたIGBT470 と471の組およびIGBT476 と477の組
が、さらに直列に接続され、その両端は直流端子間に接
続される。また、2組のIGBTの組の接続点から交流端子
が取り出される。なお、IGBT470〜481には、それぞれ負
荷電流を還流させるためのダイオード482〜493を
逆並列に接続する。In this inverter device, a pair of DC terminals 4
43 and 444, and three AC terminals 457 to 459 equal to the number of phases, a DC power source is connected to the DC terminal,
By switching the IGBTs 470 to 481, DC power is converted into AC power and output to the AC terminal. Filter capacitors 460 and 46 connected in series are connected between the DC terminals.
1 is connected. IGBT pairs 470 and 471,472
, 473, 474, 475, 476 and 477, 478 and 479, 480 and 481 are respectively connected in series,
Each connection point and filter capacitors 460 and 46
Clamp diodes 494 to 49 between the connection point of 1 and
9 is connected. Two sets of IGBTs, for example, a set of IGBTs 470 and 471 and a set of IGBTs 476 and 477 connected in series, are further connected in series, and both ends thereof are connected between DC terminals. Further, the AC terminal is taken out from the connection point of the two IGBT groups. The IGBTs 470 to 481 are respectively connected in reverse parallel with diodes 482 to 493 for circulating a load current.
【0038】ここで、逆並列に接続されるIGBTとダ
イオードの組、例えばIGBT470 とダイオード482、が
1個のモジュール内に納められている。各モジュール
は、図6に示した構造を持っており、IGBTとダイオ
ードがそれぞれ1個ずつ金属箔上に接合される。金属箔
は、IGBTとダイオードを逆並列に接続するための回
路配線となるように、パターンニングされている。Here, a set of an IGBT and a diode connected in anti-parallel, for example, an IGBT470 and a diode 482, is housed in one module. Each module has the structure shown in FIG. 6, and one IGBT and one diode are bonded onto the metal foil. The metal foil is patterned so as to form a circuit wiring for connecting the IGBT and the diode in antiparallel.
【0039】本実施例においては、部分放電によるIG
BTの誤動作が防止できるので、インバータ装置の信頼
性を向上することができる。特にIGBTのような電圧
制御型スイッチング素子のモジュールでは制御用信号が
小さいのでその効果が大きい。また、部分放電によるノ
イズが低周波数領域で発生するため、モジュール制御信
号の他に、インバータの周辺に近接した通信系の送信,
受信システムなどへの影響も抑えることができるという
効果もある。In this embodiment, the IG by partial discharge is used.
Since the malfunction of the BT can be prevented, the reliability of the inverter device can be improved. In particular, in a module of a voltage control type switching element such as an IGBT, the control signal is small, so that the effect is large. In addition, since noise due to partial discharge occurs in the low frequency region, in addition to the module control signal, transmission of communication systems close to the periphery of the inverter,
There is also an effect that the influence on the receiving system and the like can be suppressed.
【0040】図9は、本発明を適用した半導体モジュー
ルを用いたインバータ装置の他の実施例の主回路を示
す。本インバータ装置も前実施例と同様に、一対の直流
端子543および544、並びに相数に等しい3個の交
流端子557〜559を備え、直流端子に直流電源を接
続し、IGBT545〜550 をスイッチングすることによ
り、直流電力を交流電力に変換して交流端子に出力す
る。直流端子間には、直列接続されたIGBTの組54
5と546,547と548,549と550の各両端
が接続される。各IGBTの組における2個のIGBT
の直列接続点からは、交流端子が取り出される。また、
各IGBTには負荷電流を還流させるためのダイオード
が逆並列に接続される。本実施例においても、逆並列に
接続されるIGBTとダイオードの1組が1個のモジュ
ール内に納められている。本実施例も前実施例のインバ
ータ装置と同様の作用効果を持っている。FIG. 9 shows a main circuit of another embodiment of an inverter device using a semiconductor module to which the present invention is applied. This inverter device is also provided with a pair of DC terminals 543 and 544 and three AC terminals 557 to 559 having the same number of phases as in the previous embodiment. A DC power supply is connected to the DC terminals to switch the IGBTs 545 to 550. As a result, the DC power is converted into AC power and output to the AC terminal. A series of IGBTs 54 connected in series between the DC terminals.
Both ends of 5 and 546, 547 and 548, 549 and 550 are connected. Two IGBTs in each IGBT set
An AC terminal is taken out from the series connection point of. Also,
A diode for circulating a load current is connected in antiparallel to each IGBT. Also in this embodiment, one set of the IGBT and the diode connected in antiparallel is housed in one module. This embodiment also has the same effects as the inverter device of the previous embodiment.
【0041】なお、上記実施例のインバータ装置では、
スイッチング素子としてIGBTを用いたが、IGBT
に限らず、GTO,トランジスタ,MOSFETなど、他のス
イッチングを用いてもよい。またモジュールの構成は上
記インバータ装置のものに限らず、複数個のスイッチン
グ素子および複数個のダイオードを1個のモジュールに
納めてもよい。In the inverter device of the above embodiment,
Although the IGBT is used as the switching element, the IGBT
However, other switching such as GTO, transistor, MOSFET, etc. may be used. Further, the configuration of the module is not limited to that of the above inverter device, and a plurality of switching elements and a plurality of diodes may be accommodated in one module.
【0042】[0042]
【発明の効果】本発明によれば、モジュール内部での部
分放電の発生を抑さえることができ、モジュールの絶縁
劣化不良を防止することができる。さらに部分放電によ
るノイズの発生を抑さえることにより半導体装置の誤動
作を防止することができる。According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of partial discharge inside the module and prevent defective insulation deterioration of the module. Further, by suppressing the generation of noise due to partial discharge, malfunction of the semiconductor device can be prevented.
【図1】本発明の一実施例である、金属箔周辺に導電体
の層を設けた回路基板を搭載する半導体装置の一部を示
す。FIG. 1 shows a part of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, in which a circuit board having a conductor layer provided around a metal foil is mounted.
【図2】本発明を実施した半導体装置における、電極外
部取り出し端子を接合した部分の断面構造を示す。FIG. 2 shows a cross-sectional structure of a portion of the semiconductor device embodying the present invention to which an electrode external lead terminal is joined.
【図3】絶縁板内部に導電体膜の層を設けた実施例を示
す。FIG. 3 shows an embodiment in which a conductor film layer is provided inside an insulating plate.
【図4】金属層を絶縁板内に形成した場合の各部の寸法
を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the dimensions of each part when a metal layer is formed in an insulating plate.
【図5】絶縁板の表面に設けた導電体の層の上に金属箔
を接合する実施例である。FIG. 5 is an example in which a metal foil is bonded onto a conductor layer provided on the surface of an insulating plate.
【図6】本発明を実施した半導体モジュールの断面を示
す。FIG. 6 shows a cross section of a semiconductor module embodying the present invention.
【図7】本発明を実施した図1の構成を持つ半導体モジ
ュールを、インバータ装置に組み込んだときの端子接続
部の断面を示す。FIG. 7 shows a cross section of a terminal connecting portion when the semiconductor module having the configuration of FIG. 1 according to the present invention is incorporated in an inverter device.
【図8】本発明を適用した半導体モジュールを用いたイ
ンバータ装置の一実施例の主回路を示す。FIG. 8 shows a main circuit of an embodiment of an inverter device using a semiconductor module to which the present invention is applied.
【図9】本発明を適用した半導体モジュールを用いたイ
ンバータ装置の他の実施例の主回路を示す。FIG. 9 shows a main circuit of another embodiment of an inverter device using a semiconductor module to which the present invention is applied.
101…支持基板、102,103…金属箔、104…
絶縁板、105…金属ろう材、106,108,201
…半田、107…半導体素子、109…導電体の層、1
17…DBC基板、202…電極外部取り出し端子、2
07…ケース、208…シリコーンゲル、301…金属
層、302…導電体、601…金属ワイヤ、602…ケ
ースふた、603,708…ボルト、702…金属板、
709…冷却フィン。101 ... Support substrate, 102, 103 ... Metal foil, 104 ...
Insulating plate, 105 ... Metal brazing material, 106, 108, 201
... solder, 107 ... semiconductor element, 109 ... conductor layer, 1
17 ... DBC substrate, 202 ... Electrode external extraction terminal, 2
07 ... Case, 208 ... Silicone gel, 301 ... Metal layer, 302 ... Conductor, 601 ... Metal wire, 602 ... Case lid, 603, 708 ... Bolt, 702 ... Metal plate,
709 ... Cooling fin.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 山田 一二 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 東村 豊 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 栗原 保敏 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 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Ryuichi Saito 7-1-1, Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Hitachi Ltd. Hitachi Research Laboratory (72) Inventor, Koji Yamada 7-chome, Omika-cho, Hitachi No. 1-1 Hitachi, Ltd. Hitachi Research Laboratory (72) Inventor Yutaka Higashimura 7-1, 1-1 Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi Ltd. Hitachi Research Laboratory (72) Inventor Yasutoshi Kurihara Hitachi, Ibaraki Prefecture No. 1-1 Omika-cho, Oita-shi, Hitachi Co., Ltd. Hitachi Research Laboratory
Claims (10)
電層と、 第1の導電層と第2の導電層を電気的に接続する導電体
と、を有することを特徴とする回路基板。1. An insulating plate, a first conductive layer provided on one surface of the insulating plate, a second conductive layer provided at a position facing the first conductive layer of the insulating plate, and a first conductive layer. And a conductor that electrically connects the second conductive layer.
記第2の導電層との間に介在する誘電体を有することを
特徴とする回路基板。2. The circuit board according to claim 1, further comprising a dielectric material interposed between the first conductive layer and the second conductive layer.
の位置が、前記第1の導電層の端部の位置、あるいは前
記第1の導電層の端部と前記絶縁板の端部との間の位置
に在ることを特徴とする回路基板。3. The position of the end of the second conductive layer is the position of the end of the first conductive layer, or the end of the first conductive layer and the end of the insulating plate. A circuit board which is located between the parts.
タングステンのメタライズ層,モリブデンとマンガンを
含むメタライズ層,タングステンのメタライズ層にメッ
キを施した層,モリブデンとマンガンを含むメタライズ
層にメッキを施した層のいずれかであることを特徴とす
る回路基板。4. The first conductive layer according to claim 1, wherein
A circuit board comprising a metallized layer of tungsten, a metallized layer containing molybdenum and manganese, a layer plated with a metallized layer of tungsten, or a layer plated with a metallized layer containing molybdenum and manganese.
と、 第1の導電層と第2の導電層を電気的に接続する導電体
と、を有することを特徴とする回路基板。5. An insulating plate, a first conductive layer provided on one surface of the insulating plate, a second conductive layer provided on the insulating plate away from the first conductive layer, and a first conductive layer. And a conductor electrically connecting the second conductive layer, the circuit board.
電層と、 第1の導電層と第2の導電層を電気的に接続する導電体
と、を有する回路基板と、 回路基板の第1の導電層に接合する半導体素子と、 回路基板の絶縁板の他方の表面と接合する導電性の基板
と、を備えることを特徴とする半導体装置。6. An insulating plate, a first conductive layer provided on one surface of the insulating plate, a second conductive layer provided at a position facing the first conductive layer of the insulating plate, and a first conductive layer. A circuit board having a conductor electrically connecting the layer and the second conductive layer, a semiconductor element bonded to the first conductive layer of the circuit board, and the other surface of the insulating plate of the circuit board A conductive substrate, and a semiconductor device.
極端子を設けることを特徴とする半導体装置。7. The semiconductor device according to claim 6, wherein an electrode terminal is provided on the first conductive layer.
と、 第1の導電層と第2の導電層を電気的に接続する導電体
と、を有する回路基板と、 回路基板の第1の導電層に接合する半導体素子と、 回路基板の絶縁板の他方の表面と接合する導電性の基板
と、を備えることを特徴とする半導体装置。8. An insulating plate, a first conductive layer provided on one surface of the insulating plate, a second conductive layer provided on the insulating plate away from the first conductive layer, and a first conductive layer. A circuit board having a conductor electrically connecting the second conductive layer, a semiconductor element bonded to the first conductive layer of the circuit board, and a conductivity bonded to the other surface of the insulating plate of the circuit board. And a substrate of.
用インバータ装置。9. A power inverter device using the semiconductor device according to claim 6.
力用インバータ装置。10. A power inverter device using the semiconductor device according to claim 8.
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- 1994-12-28 JP JP6326633A patent/JPH08186193A/en active Pending
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