JPH11297869A - Power semiconductor device - Google Patents

Power semiconductor device

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Publication number
JPH11297869A
JPH11297869A JP9576298A JP9576298A JPH11297869A JP H11297869 A JPH11297869 A JP H11297869A JP 9576298 A JP9576298 A JP 9576298A JP 9576298 A JP9576298 A JP 9576298A JP H11297869 A JPH11297869 A JP H11297869A
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JP
Japan
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power semiconductor
coating film
semiconductor device
insulating substrate
inorganic particles
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Application number
JP9576298A
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Japanese (ja)
Inventor
Taketoshi Hasegawa
武敏 長谷川
Sadamu Matsuda
定 松田
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power semiconductor device which is high in long-term reliability and restrained from deteriorating in withstand voltage performance particularly after it is subjected to a heat cycle test by a method wherein an insulating substrate is enhanced in withstand voltage characteristics. SOLUTION: A coating film 4 is made to contain inorganic particles so as to be lessened in thermal expansion coefficient, whereby the coating film 4 is lessened from varying in volume in a heat cycle. At the same time the relative dielectric constant of the coating films4 is set close to that of an insulating board 1, or silicon carbide which shows non-linear resistance is used as the inorganic particles so as to relax an electric field around an electrode. By this setup, a power semiconductor device excellent in withstand voltage characteristics can be provided.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は,半導体装置に係わ
り、特に高耐電圧の絶縁基板を備えたパワー半導体素子
が収容されてなるパワー半導体装置(以下、パワーモジ
ュールという)に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a power semiconductor device (hereinafter, referred to as a power module) in which a power semiconductor element having an insulating substrate with a high withstand voltage is accommodated.

【0002】[0002]

【従来の技術】パワーモジュールはIGBT(lnsu
lating Gate Bipolar Trans
istor)等の半導体素子が用いられ,高電圧高速ス
イッチングが可能となってきた。パワーモジュールを用
いたインバータ装置は,電車モータの制御,鉄鋼用圧延
ミルモータの制御,電力位相制御用のSVC(Stat
ic Var Compensator)等の高電圧大
電流の電力制御に使用されている。パワーモジュールの
構造は、例えば特開昭60−103649号公報等に開
示されているように、半導体素子からの発熱を外部に伝
達するための金属放熱ベース板上に絶縁基板を介し、そ
の上部に半導体素子が接合され、周囲はプラスチックケ
ースで覆われている。絶縁基板には、パワーモジュール
の出荷試験における1分間交流耐電圧試験において、動
作時に高電圧のスイッチング電圧が印加されるため、絶
縁基板の信頼性が重要となっている。このため、ケース
内部にシリコーンゲル等を封入して絶縁処理が成されて
いる。さらに,絶縁基板の耐電圧性能を向上するための
対策が各種考案されている。例えば,特開平8−511
70、特公平3−51119号公報等がある。
2. Description of the Related Art A power module is an IGBT (Insu).
rating Gate Bipolar Trans
Semiconductor devices such as isolators have been used, and high-voltage high-speed switching has become possible. An inverter device using a power module is an SVC (Stat) for controlling a train motor, a rolling mill motor for steel, and a power phase control.
ic Var Compensator). As disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-103649, a power module has a structure in which an insulating substrate is provided on a metal heat dissipation base plate for transmitting heat generated from a semiconductor element to the outside and an upper portion thereof. The semiconductor element is joined, and the periphery is covered with a plastic case. Since a high switching voltage is applied to the insulating substrate during operation in a one-minute AC withstanding voltage test in a power module shipping test, the reliability of the insulating substrate is important. Therefore, insulation treatment is performed by enclosing silicone gel or the like inside the case. Furthermore, various measures have been devised to improve the withstand voltage performance of the insulating substrate. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-511
70, JP-B-3-51119, and the like.

【0003】図6は特開平8−51170号公報に記載
の従来例で、従来のパワーモジュール用絶縁基板の断面
構造の模式図を示したものである。図6において、10
1は放熱のための金属ベース板(図示せず)と半導体素
子を電気的に絶縁するための熱伝導性に優れたセラミッ
クからなる絶縁基板で、アルミナや窒化アルミニウム又
は窒化シリコン等が用いられている。102はIGBT
等の高電圧大電流の半導体素子を搭載するための導体パ
ターン、103は金属放熱ベース板への接合のために形
成された導体パターンで通常接地電位となる。104は
高電圧が印加される半導体素子が搭載される導体パター
ン3の端部を被覆する絶縁体である。近年,IGBTを
用いたパワーモジュールは3.3KVから4.5KVク
ラスのものが開発され,それに伴って1.5〜2.5K
Vの高電圧回路に使用される。バワーモジュールの耐電
圧試験電圧は、使用される回路電圧で決定され、6KV
の交流電圧が1分間が課せられている。従って、導体パ
ターン102と接地側の導体パターン103の間は、6
KV・1分間の耐電圧に耐えることが要求される。導体
パターン102の端部は非常に高電界となるため、導体
端部に絶縁体104を被覆して耐電圧性能や部分放電性
能を向上する方策が考えられている。この従来例では、
絶縁体104としてエポキシ樹脂、フェノール樹脂、フ
ッ素系樹脂、シリコン樹脂等を塗布する方法が開示され
ている。
FIG. 6 shows a conventional example described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-51170, and shows a schematic view of a cross-sectional structure of a conventional insulating substrate for a power module. In FIG. 6, 10
Reference numeral 1 denotes an insulating substrate made of ceramic having excellent thermal conductivity for electrically insulating a metal base plate (not shown) for heat dissipation from a semiconductor element, and is made of alumina, aluminum nitride, silicon nitride, or the like. I have. 102 is an IGBT
A conductor pattern 103 for mounting a semiconductor element having a high voltage and a large current, such as a high voltage and a large current, is a conductor pattern formed for bonding to a metal heat dissipation base plate and usually has a ground potential. Reference numeral 104 denotes an insulator that covers an end of the conductor pattern 3 on which a semiconductor element to which a high voltage is applied is mounted. In recent years, power modules using the IGBT have been developed in the class of 3.3 KV to 4.5 KV, and accordingly, 1.5 to 2.5 KV.
Used for V high voltage circuits. The withstand voltage test voltage of the power module is determined by the circuit voltage used and is 6 KV.
AC voltage is imposed for one minute. Therefore, between the conductor pattern 102 and the conductor pattern 103 on the ground side, 6
KV. It is required to withstand a withstand voltage of 1 minute. Since the end of the conductor pattern 102 has a very high electric field, a measure to improve the withstand voltage performance and the partial discharge performance by covering the conductor end with an insulator 104 has been considered. In this conventional example,
A method of applying an epoxy resin, a phenol resin, a fluorine resin, a silicon resin, or the like as the insulator 104 is disclosed.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】以上のように導体パタ
ーン102、接地側導体パターン103、絶縁体104
を含む絶縁基板101は放熱のための金属ベース板上に
多数搭載され、周囲をブラスチックケースで囲い、ケー
ス内部をシリコーンゲルによって封止したパワーモジュ
ールとして使用される。パワーモジュールの性能とし
て、パワー半導体素子の発熱、周囲温度の変化による長
期信頼性、いわゆるヒートサイクル試験(−40℃から
125℃、1000サイクル)に耐えることが要求され
ている。上記ヒートサイクル試験において、絶縁体10
4と絶縁基板101の界面の剥がれが生じ、その空隙内
部での部分放電の発生が生じ、さらに耐電圧性能を著し
く低下させるという欠点があった。
As described above, the conductor pattern 102, the ground-side conductor pattern 103, the insulator 104
Are mounted on a metal base plate for heat dissipation, are surrounded by a plastic case, and are used as a power module in which the inside of the case is sealed with silicone gel. As the performance of the power module, it is required to withstand heat generation of the power semiconductor element and long-term reliability due to a change in ambient temperature, that is, a so-called heat cycle test (−40 ° C. to 125 ° C., 1000 cycles). In the heat cycle test, the insulator 10
At the interface between the substrate 4 and the insulating substrate 101, peeling occurs, and a partial discharge occurs inside the gap, which further impairs the withstand voltage performance.

【0005】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、耐電圧特性が向上したパワーモ
ジュールを提供することを目的とした。
[0005] The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to provide a power module having improved withstand voltage characteristics.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、無機粒子を含
むコーティング膜で電極周縁部を被覆すれば、絶縁基板
の耐電圧特性が向上することを見い出して完成させたも
のであり、表裏面に電気的に独立した電極を有し、下方
の電極を介して放熱ベース板上に搭載され、さらに上方
の電極にパワー半導体素子を接合した絶縁基板をケース
に収容し、該ケース内部をシリコーンゲルで封止してな
るパワー半導体装置において、少なくとも上記上方電極
の周縁部を低熱膨張性を付与する無機粒子を含有させた
コーティング膜で被覆し、上記コーティング膜の熱膨張
を抑制せしめたことを特徴とする。コーティング膜の熱
膨張係数を小さくすることにより、ヒートサイクル試験
に伴うコーティング膜の体積の膨張収縮が抑制される。
さらにコーティング膜の熱膨張係数を電極や絶縁基板の
熱膨張係数に近づけることにより、絶縁基板や電極との
体積変化の不整合性を低減できるため、電極周縁部での
コーティング膜と絶縁基板の界面の剥がれを抑制でき、
ヒートサイクル試験によっても耐電圧特性の低下するこ
とのないパワーモジュールが得られる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been completed by finding that the withstand voltage characteristics of an insulating substrate can be improved by coating the periphery of an electrode with a coating film containing inorganic particles. An insulating substrate having an electrically independent electrode, mounted on a heat dissipation base plate via a lower electrode, and further having a power semiconductor element bonded to an upper electrode is housed in a case, and the inside of the case is silicone gel. In the power semiconductor device sealed by the above, at least the peripheral portion of the upper electrode is coated with a coating film containing inorganic particles imparting low thermal expansion, thereby suppressing the thermal expansion of the coating film. And By reducing the thermal expansion coefficient of the coating film, the expansion and contraction of the volume of the coating film due to the heat cycle test is suppressed.
Furthermore, by bringing the coefficient of thermal expansion of the coating film closer to the coefficient of thermal expansion of the electrode and the insulating substrate, the inconsistency of the volume change with the insulating substrate and the electrode can be reduced. Peeling can be suppressed,
A power module that does not deteriorate in withstand voltage characteristics even by a heat cycle test can be obtained.

【0007】また、上記コーティング膜は、熱硬化性エ
ポキシ樹脂、ポリイミド樹脂及びシリコーン樹脂から選
ばれたいずれか1つの樹脂と、誘電性を付与するシリカ
(SiO2)又はアルミナ(Al23)のいずれかの無
機粒子を含むことが好ましい。コーティング膜の熱膨張
係数を小さくできるとともに、比誘電率を高めることが
できるため、電極周縁部の電界を緩和でき、高い耐電圧
を有するパワーモジュールが得られる。
The coating film is made of one of a thermosetting epoxy resin, a polyimide resin and a silicone resin, and silica (SiO 2 ) or alumina (Al 2 O 3 ) for imparting dielectric properties. It is preferable to include any of the inorganic particles. Since the coefficient of thermal expansion of the coating film can be reduced and the relative dielectric constant can be increased, the electric field at the peripheral portion of the electrode can be reduced, and a power module having a high withstand voltage can be obtained.

【0008】また、上記コーティング膜は、上記無機粒
子として、炭化ケイ素(SiC)粉末を含むことが好ま
しい。コーティング膜の熱膨張係数が小さくなるだけで
なく、非線形抵抗性が付与されるため、電極周縁部の電
界を緩和でき、高い耐電圧を有するパワーモジュールが
得られる。
Further, it is preferable that the coating film contains silicon carbide (SiC) powder as the inorganic particles. Not only is the coefficient of thermal expansion of the coating film reduced, but also non-linear resistance is imparted, so that the electric field at the peripheral edge of the electrode can be reduced and a power module with high withstand voltage can be obtained.

【0009】また、上記SiC粒子の平均粒子径は、
0.l〜2μmの範囲にあることが好ましく、この範囲
にあれば、より効果的に上記コーティング膜に非線形抵
抗性を付与できるため、耐電圧を一層向上させることが
できる。
The average particle size of the SiC particles is as follows:
0. The thickness is preferably in the range of 1 to 2 μm. In this range, the non-linear resistance can be more effectively imparted to the coating film, so that the withstand voltage can be further improved.

【0010】また、上記コーティング膜は、上記無機粒
子を5〜60体積%含むことが好ましい。無機粒子の含
有量が、上記範囲にあれば、絶縁基板に近い熱膨張率及
び誘電率、又は非線形抵抗性が付与され、ヒートサイク
ル試験によっても耐電圧特性の低下することがなく、ま
た高い耐電圧を有するパワーモジュールが得られる。
The coating film preferably contains the inorganic particles in an amount of 5 to 60% by volume. When the content of the inorganic particles is within the above range, a thermal expansion coefficient and a dielectric constant close to those of the insulating substrate, or non-linear resistance is imparted, and the withstand voltage characteristics are not reduced even by the heat cycle test, and the high withstand voltage is also high. A power module having a voltage is obtained.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施の形態に
ついて、図面を用いて説明する。 <第1の実施形態>図1は本発明の第1の実施形態にお
けるパワーモジュールに用いられる絶縁基板の模式平面
図である。さらに、図2(a)は本発明の第1の実施形
態におけるパワーモジュールに用いられる絶縁基板の模
式断面図、そして図2(b)は電極端部の拡大模式断面
図である。図1と2において、絶縁基板1は金属からな
る放熱ベース板(図示せず)と半導体素子(図示せず)
を電気的に絶縁するための熱伝導性に優れたセラミック
スからなる。コレクタ電極2はIGBT等の高電圧大電
流の半導体素子と半田接合するために形成された電極
で、銅板を絶縁基板1にロー付けして形成する。接地電
極3は、金属からなる放熱ベース板への接合のために形
成した電極で、通常接地電位となる。そして、電界の集
中するコレクタ電極2の周縁部、及び絶縁基板の表裏面
端部を被覆するようにコーティング膜4を形成する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. <First Embodiment> FIG. 1 is a schematic plan view of an insulating substrate used for a power module according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2A is a schematic sectional view of an insulating substrate used in the power module according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2B is an enlarged schematic sectional view of an electrode end. 1 and 2, an insulating substrate 1 is composed of a heat dissipation base plate (not shown) made of metal and a semiconductor element (not shown).
Made of ceramics having excellent thermal conductivity to electrically insulate ceramics. The collector electrode 2 is an electrode formed to be soldered to a high-voltage large-current semiconductor element such as an IGBT, and is formed by brazing a copper plate to the insulating substrate 1. The ground electrode 3 is an electrode formed for bonding to a heat dissipation base plate made of a metal, and usually has a ground potential. Then, a coating film 4 is formed so as to cover the peripheral portion of the collector electrode 2 where the electric field is concentrated and the front and back edges of the insulating substrate.

【0012】ここで、第1の実施形態のパワーモジュー
ルに用いられる絶縁性基板は、電気的に絶縁性であり、
かつ熱伝導性に優れた材料であれば、従来公知の何れの
材料も使用でき、例えば、アルミナ等の酸化物系セラミ
ックス、又は窒化アルミニウムや窒化シリコン等の窒化
物系セラミックス等が挙げられる。
Here, the insulating substrate used in the power module of the first embodiment is electrically insulating.
As long as the material has excellent thermal conductivity, any conventionally known material can be used, and examples thereof include oxide ceramics such as alumina and nitride ceramics such as aluminum nitride and silicon nitride.

【0013】また、第1の実施形態のパワーモジュール
のコーティング膜に用いられる樹脂としては、エポキシ
樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂及びフッ素樹脂
等が挙げられる。
The resin used for the coating film of the power module according to the first embodiment includes an epoxy resin, a silicone resin, a polyimide resin and a fluororesin.

【0014】また、第1の実施形態のパワーモジュール
のコーティング膜に用いられる無機粒子としては、シリ
カ、アルミナ、炭酸カルシウム、ドロマイト、タルク、
フッ化アルミニウム及びフッ化カルシウム等が挙げられ
る。上記無機粒子の平均粒径は、10〜20μmの範囲
にあることが好ましい。また、上記無機粒子の含有量
は、少な過ぎると十分な耐電圧が得られず、また多過ぎ
るとコーティング膜の成膜性が低下するため、5〜60
体積%が好ましい。
The inorganic particles used in the coating film of the power module of the first embodiment include silica, alumina, calcium carbonate, dolomite, talc, and the like.
Examples include aluminum fluoride and calcium fluoride. The average particle size of the inorganic particles is preferably in the range of 10 to 20 μm. Further, when the content of the inorganic particles is too small, a sufficient withstand voltage cannot be obtained, and when the content is too large, the film formability of the coating film is reduced.
% By volume is preferred.

【0015】以上のように、本発明の第1の実施形態に
おいては、少なくとも、電界の集中するコレクタ電極2
周縁部を被覆するように無機粒子を含むコーティング膜
4を形成すると、コーティング膜4の熱膨張係数と絶縁
基板1及び電極2と3の熱膨張係数との差が小さくなる
ため、ヒートサイクル試験時において、コーティング膜
5と絶縁基板1及び電極2、3との界面の剥がれが生じ
ることを防ぐことができる。
As described above, in the first embodiment of the present invention, at least the collector electrode 2 where the electric field is concentrated.
When the coating film 4 containing the inorganic particles is formed so as to cover the peripheral portion, the difference between the thermal expansion coefficient of the coating film 4 and the thermal expansion coefficient of the insulating substrate 1 and the electrodes 2 and 3 becomes small. In this case, peeling of the interface between the coating film 5 and the insulating substrate 1 and the electrodes 2 and 3 can be prevented.

【0016】<第2の実施形態>本発明の第2の実施形
態においては、無機粒子としてコーティング膜の比誘電
率を高めるシリカ又はアルミナを用いた以外は、第1の
実施形態と同様に構成される。
<Second Embodiment> A second embodiment of the present invention has the same configuration as the first embodiment except that silica or alumina for increasing the relative dielectric constant of the coating film is used as the inorganic particles. Is done.

【0017】以上のように構成された第2の実施形態の
パワーモジュールは、コーティング膜4の比誘電率を高
め、絶縁基板とコーティング膜との比誘電率の差を小さ
くすることにより、電界の集中するコレクタ電極周縁部
の電界を緩和できるため、耐電圧を高くすることができ
る。
In the power module of the second embodiment configured as described above, the relative permittivity of the coating film 4 is increased, and the difference in the relative permittivity between the insulating substrate and the coating film is reduced, so that the electric field of the electric field is reduced. Since the concentrated electric field at the periphery of the collector electrode can be reduced, the withstand voltage can be increased.

【0018】<第3の実施形態>本発明の第3の実施形
態においては、無機粒子としてコーティング膜に非線形
抵抗特性を付与する炭化ケイ素(SiC)を用い、炭化
ケイ素の平均粒子径を0.1〜2μmとした以外は、第
1の実施形態と同様に構成される。
<Third Embodiment> In a third embodiment of the present invention, silicon carbide (SiC) which gives a non-linear resistance characteristic to a coating film is used as the inorganic particles, and the average particle diameter of the silicon carbide is set to 0.1. The configuration is the same as that of the first embodiment except that the thickness is set to 1 to 2 μm.

【0019】以上のように構成された第3の実施形態の
パワーモジュールは、コーティング膜4に、高電界で抵
抗が低下する非線形抵抗性を付与することにより、電界
の集中するコレクタ電極周縁部の抵抗を低下させ、電界
を緩和することができるため、耐電圧を高くすることが
できる。
In the power module of the third embodiment configured as described above, the coating film 4 is provided with a non-linear resistance whose resistance is reduced by a high electric field, so that the peripheral portion of the collector electrode where the electric field is concentrated is provided. Since the resistance can be reduced and the electric field can be reduced, the withstand voltage can be increased.

【0020】[0020]

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明す
るが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
い。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

【0021】実施例1.絶縁基板に熱伝導性の良い厚さ
0.635mmの窒化アルミ板を用い、両面に厚さ0.
2mmの鋼板をロー付けしたものを用いた。電極端から
絶縁基板端部までの沿面距離は2mmとした。基準試料
として、コーティングをしないもの(比較例1:試料
A)、図1に示すコーティング材として、ポリイミド樹
脂(日立化成製:PIQ−4400)を塗布したもの
(比較例2:試料B)、そして無機粒子としてシリカ粒
子(龍森製:ヒュズレックスRD−8)を20重量%含
むポリイミド樹脂(日立化成製:PIQ−4400)を
塗布したもの(実施例1:試料C)を、それぞれ350
℃、15分の条件で加熱硬化させた。これをケースに設
置し、全体をシリコーンゲル(東レ製:SE1885A
/B)で封止し、70℃、2時間で加熱硬化させた。
EXAMPLE 1 A 0.635 mm thick aluminum nitride plate having good thermal conductivity was used as an insulating substrate, and both surfaces were formed to a thickness of 0.035 mm.
A 2 mm steel plate brazed was used. The creepage distance from the end of the electrode to the end of the insulating substrate was 2 mm. As a reference sample, one without coating (Comparative Example 1: Sample A), as a coating material shown in FIG. 1, one coated with a polyimide resin (Hitachi Chemical: PIQ-4400) (Comparative Example 2: Sample B), and A coating of a polyimide resin (PIQ-4400, manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.) containing 20% by weight of silica particles (Hysurex RD-8, manufactured by Tatsumori) as inorganic particles (Example 1: Sample C) was applied to each of 350 samples.
The composition was cured by heating at 15 ° C. for 15 minutes. This is set in a case and the whole is silicone gel (SE1885A manufactured by Toray)
/ B) and cured by heating at 70 ° C. for 2 hours.

【0022】コレクタ電極2と接地電極3に交流電圧を
印加し,絶縁破壊電圧を求めた。図2は結果の一例で、
コーティング膜無しの場合(試料A)と比較している。
本発明(試料C)を含め、コーティングを施した絶縁基
板(試料B)の破壊電圧は高く、バラツキも小さい。一
方、コーティングを施してない絶縁基板(試料A)の破
壊電圧はバラツキが大きい。パワーモジュールとして使
用した場合には、絶縁基板が多数使用されるのでモジュ
ール全体の耐電圧性能はバラツキの最低破壊電圧で決定
されるため、試料Aのような特性は耐電圧の信頼性が十
分でないことが分かる。
An AC voltage was applied to the collector electrode 2 and the ground electrode 3 to determine a dielectric breakdown voltage. Figure 2 shows an example of the results.
This is compared with the case without the coating film (sample A).
The breakdown voltage of the coated insulating substrate (Sample B) including the present invention (Sample C) is high and the variation is small. On the other hand, the breakdown voltage of the uncoated insulating substrate (sample A) has large variations. When used as a power module, since a large number of insulating substrates are used, the withstand voltage performance of the entire module is determined by the minimum breakdown voltage that varies, so that characteristics such as sample A do not have sufficient withstand voltage reliability. You can see that.

【0023】次に、図3は試料A、B、Cそれぞれの絶
縁基板を、−40℃〜125℃での繰り返しヒートサイ
クル試験を1000サイクル課した後の絶縁破壊電圧を
示したものである。試料Aの破壊電圧は低いものが多く
なっている。また,従来のコーティングを施した試料B
の破壊電圧も低いものが現れている。これは、コーティ
ング膜と絶縁基板の熱膨張係数の差が大きいため、ヒー
トサイクルによってコーティング膜と絶縁基板の界面に
剥離が生じ、破壊電圧を低下させる欠陥が発生したもの
である。一方、本発明の試料Cの破壊電圧は、初期値
(図2)に比べ若干低下しているが、低い破壊電圧を示
す大きなバラツキはない。シリカを添加することによっ
て、コーティング膜の熱膨張係数が小さくなった効果が
現れている。
FIG. 3 shows the dielectric breakdown voltage of each of the insulating substrates A, B, and C after 1000 repetitive heat cycle tests at -40.degree. C. to 125.degree. The breakdown voltage of sample A is often low. In addition, the sample B with the conventional coating
Some have a low breakdown voltage. This is because the difference between the thermal expansion coefficients of the coating film and the insulating substrate is large, so that the interface between the coating film and the insulating substrate is peeled off by the heat cycle, and a defect that lowers the breakdown voltage occurs. On the other hand, although the breakdown voltage of Sample C of the present invention is slightly lower than the initial value (FIG. 2), there is no large variation indicating a low breakdown voltage. Addition of silica has the effect of reducing the thermal expansion coefficient of the coating film.

【0024】実施例2.絶縁基板に熱伝導性の良い厚さ
0.635mmの窒化アルミ(AlN)板を用い、両面
に厚さ0.2mmの鋼板をロー付けしたものを用いた。
電極端面から絶縁基板端面までの沿面距離は2mmとし
た。図1に示すコーティング材として、エポキシ樹脂
(長瀬チバ製:CY205/HY−905)にシリカ充
填材(龍森製:RD−8)を添加したもの(実施例1:
試料C1)、およびアルミナ充填材(不二見研摩材:マ
ロキサイト−2)をエポキシ樹脂に対して50体積%配
合したもの(実施例2:試料D)を塗布し、130℃で
2時間加熱硬化した。これらをケースに設置し、全体を
シリコーンゲル(東レ製:SE1885A/B)で封止
し、70℃、2時間で加熱硬化させた。
Example 2 A 0.635 mm thick aluminum nitride (AlN) plate having good thermal conductivity was used as an insulating substrate, and a 0.2 mm thick steel plate was brazed on both sides.
The creepage distance from the electrode end face to the insulating substrate end face was 2 mm. As a coating material shown in FIG. 1, an epoxy resin (manufactured by Chise Nagase: CY205 / HY-905) to which a silica filler (RD-8 manufactured by Tatsumori) was added (Example 1:
Sample C1) and a mixture of alumina filler (Fujimi abrasive: Maloxite-2) at 50% by volume with respect to the epoxy resin (Example 2: Sample D) were applied and heat-cured at 130 ° C. for 2 hours. . These were set in a case, the whole was sealed with silicone gel (SE1885A / B, manufactured by Toray Industries, Inc.), and cured by heating at 70 ° C. for 2 hours.

【0025】コレクタ電極2と接地電極3に交流電圧を
印加し、絶縁破壊電圧を求めた。図4は結果の一例で、
エポキシ樹脂のみのコーティング膜の特性(比較例2:
試料B1)と比較している。エポキシ樹脂のみの場合の
比誘電率は約3、シリカ充填エポキシ樹脂のそれは約
4.5、アルミナ充填エポキシ樹脂の比誘電率は約6.
2である。充填材を添加したエポキシ樹脂コーティング
膜を有する絶縁基板は、その比誘電率が高くなるほど破
壊電圧は高くなる傾向にあった。
An AC voltage was applied to the collector electrode 2 and the ground electrode 3 to determine a dielectric breakdown voltage. FIG. 4 shows an example of the result.
Characteristics of coating film made of epoxy resin only (Comparative Example 2:
It is compared with the sample B1). The relative permittivity of only epoxy resin is about 3, that of silica-filled epoxy resin is about 4.5, and that of alumina-filled epoxy resin is about 6.
2. An insulating substrate having an epoxy resin coating film to which a filler has been added tends to have a higher breakdown voltage as its relative dielectric constant increases.

【0026】実施例3.絶縁基板に熱伝導性の良い厚さ
0.635mmの窒化アルミ板を用い、両面に厚さ0.
2mmの鋼板をロー付けしたものを用いた。電極端面か
ら絶縁基板端面までの沿面距離は2mmとした。図1に
示すコーティング材として、エポキシ樹脂(長瀬チバ
製:CY205/HY−905)に3種類のSiC粒子
(フジミ製:#1000、#10000、#3000
0)をエポキシ樹脂に対して50体積%配合したものを
それぞれ塗布し、130℃、2時間の条件で加熱硬化さ
せた。これらをケースに設置し、全体をシリコーンゲル
(東レ製:SE1885A/B)で封止し、70℃、2
時間で加熱硬化させた。
Example 3 A 0.635 mm thick aluminum nitride plate having good thermal conductivity was used for the insulating substrate, and the thickness of the aluminum nitride plate was 0.1 mm on both sides.
A 2 mm steel plate brazed was used. The creepage distance from the electrode end face to the insulating substrate end face was 2 mm. As the coating material shown in FIG. 1, three types of SiC particles (Fujimi: # 1000, # 10000, # 3000) are applied to an epoxy resin (CY205 / HY-905, manufactured by Chise Nagase).
A mixture of 0) and 50% by volume with respect to the epoxy resin was respectively applied, and was cured by heating at 130 ° C. for 2 hours. These are set in a case, the whole is sealed with silicone gel (manufactured by Toray: SE1885A / B),
Heat cured for hours.

【0027】コレクタ電極2と接地電極3に交流電圧を
印加し、絶縁破壊電圧を求めた。図5は結果の一例で、
3種類のSiCを添加したエポキシ樹脂の破壊電圧を比
較したものである。粒径の粗い#1000は低い電圧で
抵抗値が低下するため、SiC添加エポキシ樹脂の熱破
壊が生じ、結果的に低い電圧で破壊した。粒径が2μm
以下の#10000、#30000はコレクタ電極2周
縁部での電界の緩和が効果的に働いている。
An AC voltage was applied to the collector electrode 2 and the ground electrode 3 to determine a dielectric breakdown voltage. FIG. 5 shows an example of the result.
It is a comparison of breakdown voltages of epoxy resins to which three types of SiC are added. Since the resistance value of # 1000 having a coarse particle diameter decreases at a low voltage, thermal destruction of the SiC-added epoxy resin occurred, and as a result, the resin was broken at a low voltage. Particle size 2μm
In the following # 10000 and # 30000, relaxation of the electric field at the peripheral portion of the collector electrode 2 is effectively working.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上のように、本発明に係るパワー半導
体装置は、コレクタ電極周縁部を無機粒子を含むコーテ
ィング膜で被覆するため、コーティング膜の熱膨張係数
が低下し、熱膨張が抑制されるとともに、絶縁基板とコ
ーティング膜との熱膨張係数の差を小さくでき、ヒート
サイクル試験において耐電圧低下の原因となるコーティ
ング膜の絶縁基板からの剥離の発生を防ぐことができ、
長期信頼性に優れたパワー半導体装置を提供することが
できる。
As described above, in the power semiconductor device according to the present invention, since the periphery of the collector electrode is covered with the coating film containing inorganic particles, the coefficient of thermal expansion of the coating film is reduced and the thermal expansion is suppressed. In addition, the difference in the coefficient of thermal expansion between the insulating substrate and the coating film can be reduced, and peeling of the coating film from the insulating substrate, which causes a decrease in withstand voltage in a heat cycle test, can be prevented.
A power semiconductor device having excellent long-term reliability can be provided.

【0029】また、本発明のパワー半導体装置は、上記
無機粒子として、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2
3)のいずれかを用いることによりコーティング膜の
熱膨張係数を低下させるとともに,コーティング膜の比
誘電率を大きくできるため、高熱伝導性の絶縁基板の比
誘電率(9前後)に近付けることができ、コレクタ電極
周縁部の電界を緩和する効果が得られる。この結果,破
壊電圧の向上が可能で信頼性の高いパワー半導体装置を
提供できる。
Further, in the power semiconductor device of the present invention, silica (SiO 2 ), alumina (Al 2
By using any one of O 3 ), the thermal expansion coefficient of the coating film can be reduced and the relative dielectric constant of the coating film can be increased, so that the relative dielectric constant of the insulating substrate having high thermal conductivity (about 9) can be obtained. As a result, the effect of reducing the electric field at the periphery of the collector electrode can be obtained. As a result, it is possible to provide a highly reliable power semiconductor device capable of improving the breakdown voltage.

【0030】また、本発明のパワー半導体装置は、上記
無機粒子に、非線形抵抗性を持った炭化ケイ素(Si
C)粒子を用いることにより、コレクタ電極周縁部の電
界を緩和する効果が得られ、高い破壊電圧のパワー半導
体装置を提供できる。
Further, in the power semiconductor device of the present invention, the inorganic particles may be made of silicon carbide (Si) having nonlinear resistance.
C) By using particles, an effect of alleviating the electric field at the periphery of the collector electrode is obtained, and a power semiconductor device with a high breakdown voltage can be provided.

【0031】また、本発明のパワー半導体装置は、上記
無機粒子として、非線形抵抗性を持った炭化ケイ素(S
iC)粒子において、粒径範囲が0.1μmから2μm
のものを用いることにより、コレクタ電極周縁部の電界
緩和に有効な、特に高い破壊電圧のパワー半導体装置を
提供できる。
Further, in the power semiconductor device of the present invention, as the inorganic particles, silicon carbide having non-linear resistance (S
iC) In the particles, the particle size range is from 0.1 μm to 2 μm.
By using such a power semiconductor device, it is possible to provide a power semiconductor device having a particularly high breakdown voltage, which is effective for alleviating the electric field at the peripheral portion of the collector electrode.

【0032】また、本発明のパワー半導体装置は、上記
コーティング膜が、上記無機粒子を5〜60体積%含む
ことにより、コレクタ電極周縁部の電界緩和に有効で、
特に高い破壊電圧のパワー半導体装置を提供できる。
In the power semiconductor device according to the present invention, since the coating film contains 5 to 60% by volume of the inorganic particles, the power semiconductor device is effective in alleviating the electric field at the periphery of the collector electrode.
In particular, a power semiconductor device having a high breakdown voltage can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の実施形態1のパワー半導体装置の絶
縁基板構造を示す模式平面図(a)と、模式断面図(b)
及び拡大模式断面図(c)である。
FIG. 1 is a schematic plan view (a) and a schematic cross-sectional view (b) showing an insulating substrate structure of a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
And an enlarged schematic sectional view (c).

【図2】 本発明の実施例1の効果を調べた絶縁破壊電
圧の試験結果を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a test result of a dielectric breakdown voltage obtained by examining an effect of the first embodiment of the present invention.

【図3】 本発明の実施例1の効果を調べた絶縁破壊電
圧の試験結果を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a test result of a dielectric breakdown voltage obtained by examining the effect of the first embodiment of the present invention.

【図4】 本発明の実施例2の効果を調べた絶縁破壊電
圧の試験結果を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a test result of a dielectric breakdown voltage obtained by examining an effect of the second embodiment of the present invention.

【図5】 本発明の実施例3の効果を調べた絶縁破壊電
圧の試験結果を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a test result of a dielectric breakdown voltage obtained by examining an effect of the third embodiment of the present invention.

【図6】 従来の絶縁基板構造を示す模式断面図であ
る。
FIG. 6 is a schematic sectional view showing a conventional insulating substrate structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 絶縁基板、 2 導体パターン(コレクタ電極)、
3 導体パターン(接地電極)、 4 コーティング
膜。
1 insulating substrate, 2 conductor pattern (collector electrode),
3 Conductor pattern (ground electrode) 4 Coating film

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 表裏面に電気的に独立した電極を有し、
下方の電極を介して放熱ベース板上に搭載され、さらに
上方の電極にパワー半導体素子を接合した絶縁基板をケ
ースに収容し、該ケース内部をシリコーンゲルで封止し
てなるパワー半導体装置において、 少なくとも上記上方電極の周縁部を低熱膨張性を付与す
る無機粒子を含有させたコーティング膜で被覆し、上記
コーティング膜の熱膨張を抑制せしめたことを特徴とす
るパワー半導体装置。
Claims: 1. An electrode having electrically independent electrodes on the front and back surfaces,
In a power semiconductor device, which is mounted on a heat dissipation base plate via a lower electrode and further accommodates an insulating substrate in which a power semiconductor element is joined to an upper electrode in a case, and the inside of the case is sealed with silicone gel, A power semiconductor device, wherein at least a peripheral portion of the upper electrode is coated with a coating film containing inorganic particles imparting low thermal expansion properties to suppress thermal expansion of the coating film.
【請求項2】 上記コーティング膜が、熱硬化性エポキ
シ樹脂、ポリイミド樹脂及びシリコーン樹脂から選ばれ
た少なくとも1つの樹脂と、シリ力又はアルミナ粒子の
少なくともいずれかの無機粒子を含むことを特徴とする
請求項1記載のパワー半導体装置。
2. The method according to claim 1, wherein the coating film includes at least one resin selected from a thermosetting epoxy resin, a polyimide resin, and a silicone resin, and at least one of inorganic particles such as silica or alumina particles. The power semiconductor device according to claim 1.
【請求項3】 上記コーティング膜が、熱硬化性エポキ
シ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂から選ばれた
少なくとも1つの樹脂と、非線形抵抗性を付与する炭化
ケイ素粒子を含むことを特徴とする請求項1記載のパワ
ー半導体装置。
3. The coating film according to claim 1, wherein the coating film includes at least one resin selected from a thermosetting epoxy resin, a polyimide resin, and a silicone resin, and silicon carbide particles imparting nonlinear resistance. A power semiconductor device as described in the above.
【請求項4】 上記炭化ケイ素粒子の平均粒子径が0.
l〜2μmの範囲であることを特徴とする請求項3に記
載のパワー半導体装置。
4. The silicon carbide particles having an average particle size of 0.1.
The power semiconductor device according to claim 3, wherein the power semiconductor device has a range of 1 to 2 m.
【請求項5】 上記コーティング膜が、無機粒子を5〜
60体積%含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれ
か1つに記載のパワー半導体装置。
5. The method according to claim 1, wherein the coating film comprises inorganic particles of 5 to 5.
The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the power semiconductor device contains 60% by volume.
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