JPWO2016080034A1 - 信号伝送絶縁デバイス及びパワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

信号伝送絶縁デバイスを、第１コイルと、第１コイルに対向し第１コイルとトランスを構成する第２コイルと、第１コイルと第２コイルとが対向する間の第１の誘電体からなる第１絶縁膜と、第１コイルを囲み第１の誘電体より低抵抗率の第２の誘電体からなる第２絶縁膜と、第２コイルを囲み第１の誘電体より低抵抗率の第３の誘電体からなる第３絶縁膜とを備えたもの、又は第１コイルと、第１コイルに対向し第１コイルとトランスを構成する第２コイルと、第１コイルと第２コイルとが対向する間の第１の誘電体からなる第１絶縁膜と、第１コイルを囲み第１の誘電体より高誘電率の第２の誘電体からなる第２絶縁膜と、第２コイルを囲む第１の誘電体よりも高誘電率の第３の誘電体からなる第３絶縁膜とを備えたものとする。

Description

本発明は、信号伝送絶縁デバイス及びこれを備えたパワー半導体モジュールに関するものである。

従来の薄膜トランス構造を有する信号伝送絶縁デバイスにおいては、半導体基板に設けた凹部の底部に下側コイルを形成し、液状のポリイミド樹脂で凹部を充填し硬化させることで第１絶縁膜を形成して、その上に上側コイルを形成し、第１絶縁膜の厚さを調整することで、下側コイルと上側コイルとの間の絶縁耐圧を確保するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような薄膜トランス構造を有する信号伝送絶縁デバイスでは、上側コイル及び下側コイルに電圧が印加された場合、上側コイル及び下側コイルそれぞれの角部において電界集中が発生する。そして、トランス構造を有する信号伝送絶縁デバイスでは複数の角部があり、印加される電圧が大きくなると上側コイル又は下側コイルのいずれかの角部から絶縁破壊が生じる。一方、特許文献２に記載された信号伝送絶縁デバイスのように、下側コイルの上側コイルに対向する面上に第１絶縁膜よりも誘電率の高い第２絶縁膜を設け、その上に第１絶縁膜及び上側コイルを順次形成した信号伝送絶縁デバイスでは、下側コイルと上側コイルとの間の下側コイル側に第１絶縁膜よりも誘電率の高い第２絶縁膜が下側コイルに接して形成されているため、第２絶縁膜内での電界が小さくなり、第２絶縁膜に接する下側コイルの角部での電界集中を緩和することができる。

特開２００７−１６５３４３号公報 特開２０１０−８０７７４号公報

しかしながら、上述の第２絶縁膜を有する信号伝送絶縁デバイスであっても、薄膜トランス構造の上下コイルに電圧が印加された場合、下側コイルの角部における電界集中は緩和されるものの、第２絶縁膜が下側コイルの上側コイルに対向する面上に配置されているだけなので、電界集中を緩和する効果は十分得られない。また、上側コイルの角部においては依然として電界集中が発生する。ところで、絶縁破壊は電界が集中する最も絶縁が弱い箇所が起点となって開始することが通常である。従って、印加される電圧が大きくなると、電界が集中する絶縁の弱点箇所である上側コイルの角部から絶縁破壊が生じてしまい、絶縁耐圧を向上させることが困難となっていた。そのため、所定の耐圧を確保するためには、上側コイルの角部における電界集中を考慮して必要以上に絶縁膜の厚みを厚くしなくてはならない。しかし、絶縁膜の厚みを必要以上に厚くしすぎると結果として、上側コイルと下側コイルとの間の距離が長くなり、信号の伝送速度あるいは伝送強度といった伝送特性が低下するという問題が生じていた。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、信号の伝送特性の低下を抑制するとともに耐圧を向上させることができる信号伝送絶縁デバイスを提供することを目的とする。

本発明にかかる信号伝送絶縁デバイスは、
第１コイル、
前記第１コイルに対向し前記第１コイルとともにトランスを構成する第２コイル、
前記第１コイルと前記第２コイルとが対向する間に設けられ、第１の誘電体からなる第１絶縁膜、
前記第１コイルの前記第２コイルに対向する第一主面とは反対側の第二主面に接する面と前記第１絶縁膜との間に設けられ、前記第１コイルを埋めて覆う第１の膜、および前記第二主面に接する面で前記第１の膜に隣接して設けられた第２の膜を含み、前記第１の誘電体よりも抵抗率が低い第２の誘電体からなる第２絶縁膜、
前記第２コイルの前記第１コイルに対向する第三主面に接する面と前記第１絶縁膜との間に設けられた第３の膜、および当該第３の膜に前記第三主面に接する面で前記第３の膜に隣接し、前記第２コイルを埋めて覆う第４の膜を含み、前記第１の誘電体よりも抵抗率が低い第３の誘電体からなる第３絶縁膜、
を備えたものである。

本発明にかかる信号伝送絶縁デバイスによれば、下側コイルである第１コイルは上下面が平坦に形成された第２絶縁膜に囲まれ、上側コイルである第２コイルは上下面が平坦に形成された第３絶縁膜に囲まれるように形成され、かつ第２絶縁膜及び第３絶縁膜の抵抗率は第１絶縁膜の抵抗率よりも低いか、または第２絶縁膜及び第３絶縁膜の誘電率は第１絶縁膜の誘電率よりも高いので、第２絶縁膜及び第３絶縁膜内での電界が小さくなる。そのため、第２絶縁膜に囲まれた下側コイルの角部及び第３絶縁膜に囲まれた上側コイルの角部での電界集中を緩和することができる。よって、第１絶縁膜の厚みを厚くすることなく絶縁耐圧を向上させることができるため、絶縁耐圧を向上させるとともに信号の伝送特性の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイスの構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイスの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイスの製造フローを示す断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイスの動作波形を示す波形図である。 本発明の実施の形態１に係る信号伝送絶縁デバイスを備えたパワー半導体モジュールを用いたモータ駆動装置を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２にかかる信号伝送絶縁デバイスの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる信号伝送絶縁デバイスの製造フローを示す断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる信号伝送絶縁デバイスの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる信号伝送絶縁デバイスの構造を示す断面図である。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイスの構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａの構成を示す平面図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａの構成を示す断面図である。なお、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図に相当するものである。

図１において、信号伝送絶縁デバイス１ａは、配線が複数周巻き回されたコイル形状の第１コイル４と第２コイル５を備えており、第１コイル４と第２コイル５とは互いに対向しトランスを構成する。なお、図１において、第１コイル４の第２コイル５に重なっている部分については図示省略している。

図２において、信号伝送絶縁デバイス１ａは、Ｓｉ等からなる半導体基板２上にいわゆる薄膜トランス構造９が形成された構造となっている。薄膜トランス構造９は、下側絶縁膜１５、第２絶縁膜６ａ、第１コイル４、第２絶縁膜６ｂ、第１絶縁膜３、第３絶縁膜７ａ、第２コイル５、第３絶縁膜７ｂ及び上側絶縁膜１６から構成されている。半導体基板２の上には、下側絶縁膜１５が形成されており、下側絶縁膜１５の上には、下側コイルである第１コイル４が第２絶縁膜６ａ、６ｂに囲まれるように形成されている。さらに、第２絶縁膜６ｂ上には、第１絶縁膜３を介して上側コイルである第２コイル５が第３絶縁膜７ａと７ｂに囲まれるように形成されており、第３絶縁膜７ｂ上には上側絶縁膜１６が形成されている。

第１絶縁膜３、下側絶縁膜１５、及び上側絶縁膜１６はＳｉＯ_２（酸化珪素）膜から成る絶縁膜であり、第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂはＳｉＯ_２よりも抵抗率の低いＳｉＮ（窒化珪素）膜から成る絶縁膜である。また、第１コイル４と第２コイル５は互いに対向するように形成されており、第１コイル４が第２絶縁膜６ａと６ｂに囲まれるように形成されているのと同様に、第２コイル５も第３絶縁膜７ａと７ｂに囲まれるように形成されている。ここで、第１コイル４の隣り合う周のコイル部分それぞれの間を第２絶縁膜を構成する第１の膜６ｂ（以下では単に第２絶縁膜６ｂと呼ぶ）で埋めて第２絶縁膜を構成する第２の膜６ａ（以下では単に第２絶縁膜６ａと呼ぶ）の下面と第２絶縁膜６ｂの上面を平坦に形成することにより、第１コイル４の角部での電界集中を緩和する効果を高めることができ、第２コイル５の隣り合う周のコイル部分それぞれの間を第３絶縁膜を構成する第４の膜７ｂ（以下では単に第３絶縁膜７ｂと呼ぶ）で埋めて第３絶縁膜７ａを構成する第３の膜（以下では単に第３絶縁膜７ａと呼ぶ）の下面と第３絶縁膜７ｂの上面を平坦に形成することにより第２コイル５の角部での電界集中を緩和する効果を高めることができる。

また、上記のような構成にすることにより、第２絶縁膜６ａと下側絶縁膜１５、第２絶縁膜６ｂと第１絶縁膜３、第３絶縁膜７ａと第１絶縁膜３、第３絶縁膜７ｂと上側絶縁膜１６の膜応力あるいは熱膨張率の違いにより発生するそれぞれの膜への機械的ストレス（例えば、引張応力、圧縮応力など。以下同様）を分散することができるためクラックなどの発生を抑制して絶縁信頼性を向上させることができる。

なお、上記で述べた平坦に形成するとは、例えば第２絶縁膜６ｂの場合で説明すると、第２絶縁膜６ｂの上面が、第１コイル４の真上の部分であるか否かにかかわらず凹凸面を形成することなく、全面にわたって第２絶縁膜６ａの下面と互いにほぼ平行な平面を形成することをいう（以下同様）。第３絶縁膜７ｂ上面と第３絶縁膜７ａ下面との関係についても第２絶縁膜６ｂ上面と第２絶縁膜６ａ下面の関係と同様である（以下同様）。

なお、本実施の形態では、第１絶縁膜３、下側絶縁膜１５、及び上側絶縁膜１６にＳｉＯ_２を用いることとしているが、これに限定されるものではなく、第１絶縁膜３、下側絶縁膜１５、及び上側絶縁膜１６にはポリイミドまたはパリレン等の他の材料を用いることとしてもよく、同一の材料であっても異なる材料であっても構わない。また、第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂにＳｉＮを用いることとしているが、第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂには第１絶縁膜３に用いた誘電体よりも抵抗率の低い他の絶縁材料を用いることとすればよく、第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂは同一の材料であっても異なる材料であっても構わない。

次に、本発明の実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａの製造方法について説明する。図３は、本発明の実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａの製造フローを示す断面図である。

図３（ａ）において、Ｓｉ等からなる半導体基板２上に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相法）法によりＳｉＯ_２からなる下側絶縁膜１５となる絶縁膜１７を形成し、その上にＳｉＮにより第２絶縁膜６ａを形成する。そして、この第２絶縁膜６ａ上に、スパッタ蒸着法により、アルミニウムなどの金属膜８ａを形成する。

図３（ｂ）において、金属膜８ａをエッチングして第１コイル４を形成する。そして、第１コイル４を囲うように第１コイル４の隣り合う周のコイル部分それぞれの間と第１コイル４の第２コイル５に対向する面上に、ＣＶＤ法を用いてＳｉＮからなる絶縁膜６ｃをまず形成する。

図３（ｃ）において、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃｈａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈ：化学機械研磨）法により、先に形成しておいた第２絶縁膜６ｃの上面（図３（ｂ）参照）を研磨し平坦にして第２絶縁膜６ｂを形成し、その上に上面が平坦な第１絶縁膜３を形成する。

以上により、第１絶縁膜３の上に平坦な第３絶縁膜７ａを形成する準備が整うので、その後、第１絶縁膜３上にＳｉＮからなる第３絶縁膜７ａを形成し、第３絶縁膜７ａ上に、スパッタ蒸着法により、金属膜８ｂを形成する。

図３（ｄ）において、金属膜８ｂをエッチングして第２コイル５を形成する。そして、第２コイル５の隣接する周のコイル部分の間と第２コイル５の上面を覆うように第３絶縁膜７ｂを形成する。具体的には、ＣＭＰ法により、形成した第３絶縁膜７ｂの上面を研磨して、上面が平坦な第３絶縁膜７ｂを形成し、その後、その上に上側絶縁膜１６を形成する。以上の工程により、図２に示した信号伝送絶縁デバイス１ａを得ることができる。

本発明の実施の形態１では、以上のような構成としたことにより、第１コイル４と第２コイル５との間に電位差が生じた場合に、薄膜トランス構造９を有する信号伝送絶縁デバイス１ａでは第１コイル４と第２コイル５の複数の角部において電界集中が発生することとなるが、第１コイル４と第２コイル５の角部を囲うように第１絶縁膜３よりも抵抗率の低い第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂが形成されており、第１絶縁膜３よりも抵抗率の低い第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂの内部の電界が緩和される。そこで、電界集中が生じる第１コイル４及び第２コイル５それぞれの角部が、電界が緩和される第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂに囲まれているため、当該角部における電界集中が緩和される。その結果、第１コイル４及び第２コイル５側の双方での電界集中が緩和されるため、絶縁膜の厚さを厚くすることなく、すなわち第１コイル４と第２コイル５との距離を長くすることなく絶縁耐圧を向上させることができる。よって、絶縁耐圧を向上させるとともに信号の伝送速度あるいは伝送強度といった伝送特性の低下を抑制することができる。

図１において、実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａは、第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂには、第１絶縁膜３に用いた誘電体よりも抵抗率の低い誘電体を用いるが、第１絶縁膜３、第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂの組合せは、ＳｉＯ_２膜とＳｉＮ膜とに限らず、第２絶縁膜６ａ、６ｂと第３絶縁膜７ａ、７ｂとに用いた誘電体が第１絶縁膜３に用いた誘電体よりも抵抗率が低い組み合わせとなるように、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ポリイミド、パリレン等の誘電体から適宜選択することができる。

また、本実施の形態のように、第２絶縁膜６ａ、６ｂと第３絶縁膜７ａ、７ｂに相対的に抵抗率の低い絶縁材料を用いると、薄膜トランス構造９を構成する第１コイル４の隣り合うコイル間、又は第２コイル５の隣り合うコイル間において、第２絶縁膜６ａ、６ｂ又は第３絶縁膜７ａ、７ｂを介して電気的に短絡することで、トランスとしての機能を失ってしまう恐れがある。そこで、第２絶縁膜６ａ、６ｂと第３絶縁膜７ａ、７ｂは、第１コイル４の隣り合うコイル間又は第２コイル５の隣り合うコイル間において電気的に短絡しない抵抗率以上の抵抗率とする。

図４に、実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａの動作波形を示す。図４において、図４（ａ）は入力矩形波電気信号を示し、図４（ｂ）は出力パルス電気信号を示す。また、縦軸は各信号の電圧を示し、横軸は時間を示している。例えば、図４（ａ）に示すように、第１コイル４又は第２コイル５のいずれか一方に対して矩形波電気信号Ｖｉｎが入力され、入力された矩形波電気信号Ｖｉｎの立上りと立下りに対応して、他方のコイルに周波数Ｆのパルス電気信号Ｖｏｕｔが出力される。かかる場合、図４（ｂ）に示す周期をＴ［sec］、すなわち周波数Ｆ＝１／Ｔ[Ｈｚ]とすると、パルス電気信号Ｖｏｕｔが出力される間に、第１コイル４又は第２コイル５の隣り合うコイル間が電気的に短絡しないためには、隣り合うコイル間の時定数τ[sec]が式（１）を満たす必要がある。
τ＞１／Ｆ （１）

時定数τは抵抗率ρ[Ωｍ]と比誘電率ε_ｒ、真空の誘電率ε_０[F/ｍ]を用いて、式（２）によって求まる。
τ＝ρ×ε_ｒ×ε_０ （２）

式（１）と式（２）から、第２絶縁膜６ａ、６ｂと第３絶縁膜７ａ、７ｂの抵抗率ρは数式（３）を満たすように選択すればよい。
ρ＞１／（Ｆ×ε_ｒ×ε_０） （３）

また、第１絶縁膜３の下面側と上面側には、それぞれの全面に第２絶縁膜６ｂと第３絶縁膜７ａとが設けられているため、第１絶縁膜３の反り等の変形を効果的に抑制することができる。

さらに、第１絶縁膜３では圧縮応力が発生し、第２絶縁膜６ｂ及び第３絶縁膜７ａでは引張応力が発生するように、すなわち、第１絶縁膜３で発生する応力と第２絶縁膜６ｂ及び第３絶縁膜７ａとで発生する応力とが打ち消し合うように、各絶縁膜を形成することが望ましい。これにより、各絶縁膜同士で発生する応力が打ち消し合うため、半導体基板２あるいは各絶縁膜の反り変形を低減することができる。なお、各絶縁膜で発生する応力は絶縁膜を形成する際の温度あるいはガスの流量、さらには絶縁膜の膜厚といった複合的な条件によって定まるため、膜を積層する際に応力を計測しながらこれらの条件を調整し製造すればよい。また、第１絶縁膜３では引張応力が発生し、第２絶縁膜６ｂ及び第３絶縁膜７ａでは圧縮応力が発生するように形成することとしてもよい。

なお、本実施の形態では金属膜８ａ及び金属膜８ｂをそれぞれスパッタ蒸着法により形成することしたが、これに限定されるものではなく、熱蒸着法あるいは電子ビーム蒸着法等を用いて形成することとしてもよい。また、半導体基板２はＳｉに限定されるものでなくＳｉＣ等の他の半導体基板でもよく、金属膜８ａ及び金属膜８ｂはいずれもアルミニウムに限定されるものではなくＣｕ等の他の材料を用いることができる。

また、本発明の実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａは、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）をはじめとするパワー半導体モジュールに用いることができる。以下、本発明の実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａを備えたパワー半導体モジュールを、モータ駆動装置に用いた場合について説明する。図５は、本発明の実施の形態１に係る信号伝送絶縁デバイス１ａを備えたパワー半導体モジュール５０を用いたモータ駆動装置１００を示すブロック図である。

図５において、モータ駆動装置１００は、パワー半導体モジュール５０及びモータ３０から構成され、図示しない駆動用電源から出力される電力をパワー半導体モジュール５０によって適宜変換することでモータ３０を駆動することができる。

パワー半導体モジュール５０は、制御部１０（「制御回路」ともいう。）、信号伝送絶縁デバイス１ａ、駆動回路１１、パワー半導体装置２１、及びセンサ２２から構成される。駆動回路１１は、制御部１０から信号伝送絶縁デバイス１ａを介して入力される制御信号１２によって動作し、パワー半導体装置２１に駆動信号１３を出力する。パワー半導体装置２１はＩＧＢＴあるいはＭＯＳＦＥＴ等の半導体装置であり、駆動信号１３に基づいてスイッチング動作を行う。一方、センサ２２は、パワー半導体装置２１のチップ温度あるいは通流する電流を計測し、センサ信号１４を駆動回路１１及び制御部１０に出力する。制御部１０は、センサ２２から信号伝送絶縁デバイス１ａを介して入力されるセンサ信号１４等に基づいて駆動回路１１に制御信号１２を出力し、パワー半導体装置２１を制御する。そして、制御部１０がパワー半導体装置２１の動作を制御することで、インバータ回路として所定の電力変換が行われモータ３０を駆動することができる。なお、制御部１０と駆動回路１１又はセンサ２２との信号の入出力は、パワー半導体モジュール５０に設けられた信号伝送絶縁デバイス１ａを介して行われる。

また、センサ２２がパワー半導体装置２１への過電流を計測した場合、あるいはパワー半導体装置２１のチップ温度が所定の値以上に上昇したことを計測した場合には、駆動回路１１はパワー半導体装置２１への駆動信号１３の出力を停止し、パワー半導体装置２１を保護する。このような構成とすることで、パワー半導体モジュール５０に設けられた駆動回路１１及びセンサ２２によってパワー半導体装置２１を保護することが可能となるため、パワー半導体モジュール５０が保護機能を有することとなり高機能化される。

ここで、制御部１０側ではモータ駆動装置１００の中でも相対的に低い電圧の信号が流れるため、制御部１０はモータ駆動装置１００の中でも低電位となる。一方、駆動回路１１あるいはパワー半導体装置２１などのインバータ回路の主回路ではモータ駆動装置１００の中でも相対的に高い電圧の信号が流れるため、駆動回路１１あるいはパワー半導体装置２１などのインバータ回路の主回路はモータ駆動装置１００の中でも高電位となる。その結果、制御部１０と駆動回路１１又はパワー半導体装置２１などのインバータ回路の主回路との間には、数百から数千ボルトの電位差が生じることとなり、この電位差によって駆動回路１１又はパワー半導体装置２１などのインバータ回路の主回路側から制御部１０側へと電流が流れると制御部１０の素子が破壊されてしまうことがあった。

そこで、図５に示すように、信号伝送絶縁デバイス１ａを介して制御部１０と駆動回路１１又はパワー半導体装置２１などのインバータ回路との信号の伝送を行うことにより、制御部１０と駆動回路１１又はパワー半導体装置２１などのインバータ回路の主回路との間において絶縁を保つとともにセンサ信号１４あるいは制御信号１２の伝送を行うことができる。

上述したように、信号伝送絶縁デバイス１ａは絶縁耐圧を向上させるとともに信号の伝送特性の低下を抑制することができるため、所定の絶縁耐圧が設定された場合には、信号伝送絶縁デバイス１ａは他の信号伝送絶縁デバイスよりも信号の伝送速度あるいは伝送強度といった伝送特性が高いものとなる。そのため、実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａをパワー半導体モジュール５０に適用することにより、制御部１０と駆動回路１１又はパワー半導体装置２１などのインバータ回路の主回路との間の絶縁性を維持するとともに、制御信号１２あるいはセンサ信号１４の伝送特性の向上させることができる。そして、伝送特性の向上により制御遅れ等が低減されるため、パワー半導体装置２１をより高速で動作させることができる。その結果、パワー半導体モジュール５０は、絶縁破壊に対する安全性を損なうことなく、かつ、高速での応答等が可能なパワー半導体モジュールとなる。すなわち、高品質で安全性の高いパワー半導体モジュールとなる。

なお、本実施の形態では、パワー半導体モジュール５０内にセンサ２２を設けることで保護機能を有するパワー半導体モジュール５０としたが、これに限定されるものではなく、センサが設けられてなく保護機能を有さないパワー半導体モジュールであっても構わない。そのような場合でも、パワー半導体モジュールは信号伝送絶縁デバイス１ａを備えることによって駆動回路と制御部との絶縁を行うとともに制御信号１２等の伝送特性を向上させることが可能となり、高速動作等が可能となる。

実施の形態２．
本発明の構成は、実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａの構成に限定されるものでなく、他の構成とすることもできる。特に、半導体基板２が導電性で、かつ第１コイル４と半導体基板２が接地されている場合、第１コイル４の半導体基板２に面した角部での電界集中の発生が抑えられるため、第１コイル４の下側に設ける第２絶縁膜６ａの構成を省略して製造時の工程数を削減することができ、生産コストを低減することができる。そこで、実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａとは異なる構成について説明する。なお、以下において、本発明の実施の形態１と相違する第２絶縁膜の部分について説明し、同一または対応する他の部分についての説明は省略する。

まず、実施の形態２にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｂの構成について説明する。図６は、本発明の実施の形態２にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｂの構成を示す断面図である。図６において、図２と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。

図６において、実施の形態２にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｂは、実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａと比較して第２絶縁膜６ａの部分を省略したことが相違する。第１コイル４は下側絶縁膜１５上に配置され、第２絶縁膜６ｂは、第１コイル４の第２コイル５に面した角部を囲うように、隣接する周のコイル部分それぞれの間と第１コイル４の第２コイル５と向かい合う面上に設けられている。

ここで、第１コイル４の隣り合う周のコイル部分それぞれの間を第２絶縁膜６ｂで埋めて第２絶縁膜６ｂの上面を平坦に形成することにより第１コイル４の角部での電界集中を緩和する効果を高めることができ、第２コイル５の隣り合う周のコイル部分それぞれの間を第３絶縁膜７ｂで埋めて第３絶縁膜７ａの下面と第３絶縁膜７ｂの上面を平坦に形成することにより第２コイル５の角部での電界集中を緩和する効果を高めることができる。

また、上記のように平坦に形成することにより、第２絶縁膜６ｂと第１絶縁膜３、第３絶縁膜７ａと第１絶縁膜３、第３絶縁膜７ｂと上側絶縁膜１６の膜応力あるいは熱膨張率の違いにより発生するそれぞれの膜への機械的ストレスを分散することができるためクラックなどの発生を抑制して絶縁信頼性を向上させることができる。

次に、本発明の実施の形態２にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｂの製造方法について説明する。図７は、本発明の実施の形態２にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｂの製造フローを示す断面図である。

図７（ａ）において、Ｓｉ等からなる半導体基板２上に、ＣＶＤ法により下側絶縁膜１５を形成する。そして、下側絶縁膜１５上に、スパッタ蒸着法により、アルミニウムなどの金属膜８ａを形成する。

図７（ｂ）において、金属膜８ａをエッチングして第１コイル４を形成する。そして、第１コイル４の第２コイル５に面した角部を囲うように、第１コイル４の隣接する周のコイル部分それぞれの間と第１コイル４の第２コイル５と向かい合う面上に、ＣＶＤ法により第２絶縁膜６ｂとなる絶縁膜６ｃを形成する。

図７（ｃ）において、ＣＭＰ法により第２絶縁膜６ｃの上面を研磨して平坦にし第２絶縁膜６ｂを形成して、その上に上面が平坦な第１絶縁膜３を形成する。さらに、第１絶縁膜３上に第３絶縁膜７ａを形成する。その後、第３絶縁膜７ａ上に、スパッタ蒸着法により、金属膜８ｂを形成する。

図７（ｄ）において、金属膜８ｂをエッチングして第２コイル５を形成する。そして、第２コイル５を囲うように、第２コイル５の隣接する周のコイル部分の間と第２コイル５の上面に第３絶縁膜を形成し、ＣＭＰ法で研磨して上面が平坦な第３絶縁膜７ｂを形成し、その上に上側絶縁膜１６を形成する。

実施の形態２では、以上のような構成とすることにより、第１コイル４と第２コイル５との間に電位差が生じた場合に、薄膜トランス構造９を有する信号伝送絶縁デバイス１ｂでは第１コイル４と第２コイル５の複数の角部において電界集中が発生することとなるが、第１コイル４と第２コイル５の角部を囲うように第１絶縁膜３よりも抵抗率の低い第２絶縁膜６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂが形成されており、第１絶縁膜３よりも抵抗率の低い第２絶縁膜６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂの内部の電界が緩和される。また、半導体基板２が導電性で、かつ第１コイル４と半導体基板２が接地されている場合、第１コイル４の半導体基板２に面した角部での電界も緩和される。そこで、電界集中が生じる第１コイル４及び第２コイル５それぞれの角部が、電界が緩和される第２絶縁膜６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂに囲まれているため、当該角部における電界集中が緩和される。その結果、第１コイル４及び第２コイル５側の双方での電界集中が緩和されるため、絶縁膜の厚さを厚くすることなく、すなわち第１コイル４と第２コイル５との距離を長くすることなく絶縁耐圧を向上させることができるので、絶縁耐圧を向上させるとともに信号の伝送速度あるいは伝送強度といった伝送特性の低下を抑制することができる。

また、実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａと比較して、第２絶縁膜６ａの部分の製造が不要となることから、製造時の工程数を削減することができ、生産コストを低減することができる。

さらに、実施の形態１と同様に、実施の形態２にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｂをパワー半導体モジュールに適用することにより、高品質で安全性の高いパワー半導体モジュールを提供することができる。

尚、本発明の実施の形態２では、本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。

実施の形態３．
実施の形態３にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｃの構成について説明する。図８は、本発明の実施の形態３にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｃの構成を示す断面図である。図８において、図２と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示している。また、本実施の形態は、実施の形態１と比較して、第２絶縁膜６ａ、６ｂ、第３絶縁膜７ａ、７ｂの構成で相違するため、以下においては当該相違点についてのみ説明し、他の構成については説明を省略する。

図８において、実施の形態３にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｃは、第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂには、第１絶縁膜３に用いた誘電体よりも誘電率の高い誘電体を用いる。例えば、第１絶縁膜３としてＳｉＯ_２膜を用いる場合には、第２絶縁膜６ａ、６ｂと第３絶縁膜７ａ、７ｂとしてＳｉＮ膜を用いることができる。なお、第１絶縁膜３、第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂの組合せは、ＳｉＯ_２膜とＳｉＮ膜とに限らず、第２絶縁膜６ａ、６ｂと第３絶縁膜７ａ、７ｂとに用いた誘電体が第１絶縁膜３に用いた誘電体よりも誘電率が高い組み合わせとなるように、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ポリイミド、パリレン等の誘電体から適宜選択することができる。

なお、本発明の実施の形態３にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｃの製造方法については、実施の形態１にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａの製造方法と同じである。

実施の形態３では、以上のような構成とすることにより、第１コイル４と第２コイル５との間に電位差が生じた場合に、薄膜トランス構造９を有する信号伝送絶縁デバイス１ｃでは第１コイル４と第２コイル５の複数の角部において電界集中が発生することとなるが、第１コイル４と第２コイル５の角部を囲うように第１絶縁膜３よりも誘電率の高い第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂが形成されており、第１絶縁膜３よりも誘電率の高い第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂの内部の電界が緩和される。そこで、電界集中が生じる第１コイル４及び第２コイル５それぞれの角部が、電界が緩和される第２絶縁膜６ａ、６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂに囲まれているため、当該角部における電界集中が緩和される。その結果、第１コイル４及び第２コイル５側の双方での電界集中が緩和されるため、絶縁膜の厚さを厚くすることなく、すなわち第１コイル４と第２コイル５との距離を長くすることなく絶縁耐圧を向上させることができるので、絶縁耐圧を向上させるとともに信号の伝送速度あるいは伝送強度といった伝送特性の低下を抑制することができる。

さらに、実施の形態１ないし２と同様に、実施の形態３にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｃをパワー半導体モジュールに適用することにより、高品質で安全性の高いパワー半導体モジュールを提供することができる。

実施の形態４．
実施の形態４にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｄの構成について説明する。図９は、本発明の実施の形態４にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｄの構成を示す断面図である。図９において、図６と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示している。また、本実施の形態は、実施の形態２と比較して、第２絶縁膜６ｂ、第３絶縁膜７ａ、７ｂの構成で相違するため、以下においては当該相違点についてのみ説明し、他の構成については説明を省略する。

図９において、実施の形態４にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｄは、第２絶縁膜６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂには、第１絶縁膜３に用いた誘電体よりも誘電率の高い誘電体を用いる。例えば、第１絶縁膜３としてＳｉＯ_２膜を用いる場合には、第２絶縁膜６ｂと第３絶縁膜７ａ、７ｂとしてＳｉＮ膜を用いることができる。なお、第１絶縁膜３、第２絶縁膜６ｂ、及び第３絶縁膜７ａ、７ｂの組合せは、ＳｉＯ_２膜とＳｉＮ膜とに限らず、第２絶縁膜６ｂと第３絶縁膜７ａ、７ｂとに用いた誘電体が第１絶縁膜３に用いた誘電体よりも誘電率が高い組み合わせとなるように、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ポリイミド、パリレン等の誘電体から適宜選択することができる。

本発明の実施の形態４にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｄの製造方法については、実施の形態２にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｂの製造方法と同じである。

実施の形態４では、以上のような構成とすることにより、第１コイル４と第２コイル５との間に電位差が生じた場合に、薄膜トランス構造９を有する信号伝送絶縁デバイス１ｄでは第１コイル４と第２コイル５の複数の角部において電界集中が発生することとなるが、第１コイル４と第２コイル５の角部を囲うように第１絶縁膜３よりも誘電率の高い第２絶縁膜６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂが形成されており、第１絶縁膜３よりも誘電率の高い第２絶縁膜６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂの内部の電界が緩和される。また、半導体基板２が導電性で、かつ第１コイル４と半導体基板２が接地されている場合、第１コイル４の半導体基板２に面した角部での電界も緩和される。そこで、電界集中が生じる第１コイル４及び第２コイル５それぞれの角部が、電界が緩和される第２絶縁膜６ｂ及び第３絶縁膜７ａ、７ｂに囲まれているため、当該角部における電界集中が緩和される。その結果、第１コイル４及び第２コイル５側の双方での電界集中が緩和されるため、絶縁膜の厚さを厚くすることなく、すなわち第１コイル４と第２コイル５との距離を長くすることなく絶縁耐圧を向上させることができるので、絶縁耐圧を向上させるとともに信号の伝送速度あるいは伝送強度といった伝送特性の低下を抑制することができる。

また、実施の形態１又は３にかかる信号伝送絶縁デバイス１ａ、１ｃと比較して、第２絶縁膜６ａの製造が不要となることから、製造時の工程数を削減することができ、生産コストを低減することができる。

さらに、実施の形態１ないし３と同様に、実施の形態４にかかる信号伝送絶縁デバイス１ｄをパワー半導体モジュールに適用することにより、高品質で安全性の高いパワー半導体モジュールを提供することができる。

なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ａ １ｂ １ｃ １ｄ 信号伝送絶縁デバイス、２ 半導体基板、３ 第１絶縁膜、４ 第１コイル、５ 第２コイル、６ａ ６ｂ ６ｃ 第２絶縁膜、７ａ ７ｂ 第３絶縁膜、８ａ ８ｂ 金属膜、９ 薄膜トランス構造、１０ 制御部、１１ 駆動回路、１２ 制御信号、１３ 駆動信号、１４ センサ信号、１５ 下側絶縁膜、１６ 上側絶縁膜、１７ 絶縁膜、２１ パワー半導体装置、２２ センサ、３０ モータ、５０ パワー半導体モジュール、１００ モータ駆動装置。

Claims (11)

1. 第１コイル、
   前記第１コイルに対向し前記第１コイルとともにトランスを構成する第２コイル、
   前記第１コイルと前記第２コイルとが対向する間に設けられ、第１の誘電体からなる第１絶縁膜、
   前記第１コイルの前記第２コイルに対向する第一主面とは反対側の第二主面に接する面と前記第１絶縁膜との間に設けられ、前記第１コイルを埋めて覆う第１の膜、および前記第二主面に接する面で前記第１の膜に隣接して設けられた第２の膜を含み、前記第１の誘電体よりも抵抗率が低い第２の誘電体からなる第２絶縁膜、
   前記第２コイルの前記第１コイルに対向する第三主面に接する面と前記第１絶縁膜との間に設けられた第３の膜、および当該第３の膜に前記第三主面に接する面で前記第３の膜に隣接し、前記第２コイルを埋めて覆う第４の膜を含み、前記第１の誘電体よりも抵抗率が低い第３の誘電体からなる第３絶縁膜、
   を備えたことを特徴とする信号伝送絶縁デバイス。
2. 第１コイル、
   前記第１コイルに対向し前記第１コイルとともにトランスを構成する第２コイル、
   前記第１コイルと前記第２コイルとが対向する間に設けられ、第１の誘電体からなる第１絶縁膜、
   前記第１コイルの前記第２コイルに対向する第一主面とは反対側の第二主面に接する面と前記第１絶縁膜との間に設けられ、前記第１コイルを埋めて覆う第１の膜、および前記第二主面に接する面で前記第１の膜に隣接して設けられた第２の膜を含み、前記第１の誘電体よりも誘電率が高い第２の誘電体からなる第２絶縁膜、
   前記第２コイルの前記第１コイルに対向する第三主面に接する面と前記第１絶縁膜との間に設けられた第３の膜、および当該第３の膜に前記第三主面に接する面で前記第３の膜に隣接し、前記第２コイルを埋めて覆う第４の膜を含み、前記第１の誘電体よりも誘電率が高い第３の誘電体からなる第３絶縁膜、
   を備えたことを特徴とする信号伝送絶縁デバイス。
3. 第１コイル、
   前記第１コイルに対向し前記第１コイルとともにトランスを構成する第２コイル、
   前記第１コイルと前記第２コイルとが対向する間に設けられ、第１の誘電体からなる第１絶縁膜、
   前記第１コイルの前記第２コイルに対向する第一主面とは反対側の第二主面に接する面と前記第１絶縁膜との間に設けられ、前記第１コイルを埋めて覆う第１の膜、および前記第二主面に接する面で前記第１の膜に隣接して設けられた第２の膜を含み、前記第１の誘電体よりも抵抗率が低い第２の誘電体からなる第２絶縁膜、
   前記第２コイルの前記第１コイルに対向する第三主面に接する面と前記第１絶縁膜との間に設けられた第３の膜、および当該第３の膜に前記第三主面に接する面で前記第３の膜に隣接し、前記第２コイルを埋めて覆う第４の膜を含み、前記第１の誘電体よりも抵抗率が低い第３の誘電体からなる第３絶縁膜、
   を備え、
   前記第１絶縁膜に隣接する前記第１の膜の前記第１絶縁膜側の面を平坦に形成するとともに、前記第４の膜の、前記第３の膜に接する面とは反対側の面を平坦に形成したことを特徴とする信号伝送絶縁デバイス。
4. 第１コイル、
   前記第１コイルに対向し前記第１コイルとともにトランスを構成する第２コイル、
   前記第１コイルと前記第２コイルとが対向する間に設けられ、第１の誘電体からなる第１絶縁膜、
   前記第１コイルの前記第２コイルに対向する第一主面とは反対側の第二主面に接する面と前記第１絶縁膜との間に設けられ、前記第１コイルを埋めて覆う第１の膜、および前記第二主面に接する面で前記第１の膜に隣接して設けられた第２の膜を含み、前記第１の誘電体よりも誘電率が高い第２の誘電体からなる第２絶縁膜、
   前記第２コイルの前記第１コイルに対向する第三主面に接する面と前記第１絶縁膜との間に設けられた第３の膜、および当該第３の膜に前記第三主面に接する面で前記第３の膜に隣接し、前記第２コイルを埋めて覆う第４の膜を含み、前記第１の誘電体よりも誘電率が高い第３の誘電体からなる第３絶縁膜、
   を備え、
   前記第１絶縁膜に隣接する前記第１の膜の前記第１絶縁膜側の面を平坦に形成するとともに、前記第４の膜の、前記第３の膜に接する面とは反対側の面を平坦に形成したことを特徴とする信号伝送絶縁デバイス。
5. 前記第１コイルの前記第２コイルに対して第一主面とは反対側の第二主面に接する部分に設けられた前記第２の膜が省略されている、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の信号伝送絶縁デバイス。
6. 圧縮応力が生じた前記第１絶縁膜と、
   引張応力が生じた前記第２絶縁膜及び前記第３絶縁膜と、
   を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の信号伝送絶縁デバイス。
7. 引張応力が生じた前記第１絶縁膜と、
   圧縮応力が生じた前記第２絶縁膜及び前記第３絶縁膜と、
   を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の信号伝送絶縁デバイス。
8. 前記第１の誘電体はＳｉＯ_２である、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の信号伝送絶縁デバイス。
9. 前記第２の誘電体はＳｉＮである、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の信号伝送絶縁デバイス。
10. 前記第３の誘電体はＳｉＮである、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の信号伝送絶縁デバイス。
11. パワー半導体装置、
    前記パワー半導体装置を駆動する駆動回路、
    前記駆動回路と前記パワー半導体装置を制御する制御回路との間の信号を伝送するとともに、前記駆動回路と前記制御回路とを絶縁する請求項１から１０のいずれか１項に記載の信号伝送絶縁デバイス、
    を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。

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