(57)【要約】  本発明は、基板（２）、前記基板（２）上に形成されたメタル層（３，４，５）および前記メタル層（３，４，５）のエッジ（１２−１６）に沿って置かれたフィールグレーディング手段（１７，２３）を具備する電子デバイスを伴うパワー電子デバイスに関する。前記フィールグレーディング手段（１７）は非線形電気抵抗率を有する。本発明は、このようなパワー電子デバイスを製造する方法にも関する。【選択図】      図１
2013514645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子デバイス（１）を具備してなるパワー電子モジュールであって、前記電子デバイス（１）は、半導体コンポーネント（６）を支えるための絶縁基板（２）、前記基板（２）上に形成された少なくとも１つのメタル層（３，４，５）、および、前記少なくとも１つのメタル層（３，４，５）と前記絶縁基板（２）との間に形成された少なくとも１つのエッジ（１２−１６）に沿って前記基板（２）上に置かれたフィールグレーディング手段（field grading means）（１７）を具備してなり、
前記フィールドグレーディング手段（１７）は非線形電気抵抗率を有することを特徴とするパワー電子モジュール。
【請求項２】
請求項１のパワー電子モジュールにおいて、前記フィールドグレーディング手段（１７，２３）の特性電流密度−電界強度曲線（characteristic current density-electric field strength-curve）（１９）は、スイッチング場強度（switching field strength）にて２よりも大きい非線形係数を示し、好ましくは前記非線形係数にてスイッチング場強度で５よりも大きく、そして、最も好ましくは前記非線形係数にてスイッチング場強度で１０よりも大きいことを特徴とする。
【請求項３】
請求項２のパワー電子モジュールにおいて、前記スイッチング場強度は、前記電子デバイスの最大臨界テスト電圧と前記半導体基板の表面の方向における前記フィールドグレーディング手段（１７）の長さ（Ｌ）との比の半分よりも大きいことを特徴とする。
【請求項４】
請求項１ないし３の１項のパワー電子モジョールにおいて、前記電子デバイス（１）は、高電圧、好ましくは少なくとも８００Ｖおよび／または好ましくは最大で８ｋＶで動作する２つ以上のメタル層（４，５）を具備してなることを特徴とする。
【請求項５】
請求項１ないし４の１項のパワー電子モジョールにおいて、前記フィールドグレーディング手段（１７）または前記フィールドグレーディング手段（１７）の少なくとも１つは接地されていないことを特徴とする。
【請求項６】
請求項１ないし５の１項のパワー電子モジョールにおいて、前記フィールドグレーディング手段（１７）は、前記メタル層（３，４，５）の少なくとも１つの周囲の前記エッジ（１２−１６）の前記長さの少なくとも５０％、好ましくは前記長さの少なくとも８０％、そして、最も好ましくは前記エッジ（１２−１６）の前記長さの少なくとも９０％に沿って置かれていることを特徴とする。
【請求項７】
請求項６のパワー電子モジョールにおいて、前記フィールドグレーディング手段は、前記基板（２）の少なくとも１つのサイド（side）上の全ての前記メタル層（３，４，５）の周囲の前記エッジ（１２−１６）の前記長さの少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％、そして、最も好ましくは少なくとも９０％に沿って置かれていることを特徴とする。
【請求項８】
請求項１ないし７の１項のパワー電子モジョールにおいて、少なくとも２つのメタル層（３，４，５）は前記基板（２）上に形成され、そして、前記フィールドグレーディング手段（１７）は、前記少なくとも２つのメタル層（３，４，５）の各々の少なくとも１つのエッジ（１２−１６）に沿って前記基板（２）上に置かれていることを特徴とする。
【請求項９】
請求項１ないし８の１項のパワー電子モジョールにおいて、前記フィールドグレーディング手段（１７）は、非線形電気抵抗率を有する粒子で満たされた絶縁マトリックスを具備してなることを特徴とする。
【請求項１０】
請求項９のパワー電子モジョールにおいて、前記絶縁マトリックスは、さらに少なくとも１つのフィラー（filler）を具備してなり、ここにおいて、前記フィラーは半導体または高誘電率材料であることを特徴とする。
【請求項１１】
請求項１０のパワー電子モジョールにおいて、前記少なくとも１つのフィラーは、非線形電気抵抗率を有するフィラーに比べて、縮小された粒径を有することを特徴とする。
【請求項１２】
請求項１ないし８の１項のパワー電子モジョールにおいて、前記フィールドグレーディング手段は、前記基板（２）上にボンディングされた、非線形電気抵抗率を有する粒子からなることを特徴とする。
【請求項１３】
請求項９ないし１２の１項のパワー電子モジョールにおいて、前記フィールドグレーディング手段（１７）の前記非線形抵抗率粒子は、ドープ多結晶酸化亜鉛から造られる粒状のマイクロバリスタであることを特徴とする。
【請求項１４】
請求項１ないし１３の１項のパワー電子モジョールにおいて、前記フィールドグレーディング手段はパッシベーション層で封をされていることを特徴とする。
【請求項１５】
請求項１ないし１４の１項のパワー電子モジョールにおいて、前記パワー電子モジュールはＩＧＢＴモジュールであることを特徴とする。
【請求項１６】
パワー電子モジョールを製造するための方法、特に請求項１ないし１５の１項のパワー電子モジュールを製造するための方法であって、
絶縁基板（２）上に少なくとも１つのメタル層（３，４，５）を形成するステップ、
続いて、前記メタル層（３，４，５）の少なくとも１つのエッジ（１２−１６）上に非線形電気抵抗率を有するフィールドグレーディング手段（１７）を配置するステップを具備してなる方法。
【請求項１７】
請求項１６の方法において、非線形電気抵抗率を有するフィラーと追加の他のフィラーとを絶縁マトリックス内に混合すること、
続いて、前記基板（２）上に前記混合物をニードル・ディスペンシングすること（needle-dispensing）、印刷すること（printing）、ペイントすること（painting）、コートすること（coating）またはスプレーすること（spraying）、
続いて、熱、紫外線放射または他の手段により前記混合物を硬化すること（curing）を特徴とする。
【請求項１８】
請求項１６の方法において、前記基板上に接着剤（adhesive）またはバインダー（binder）を塗布すること、
続いて、前記基板（２）上に非線形誘電率を有するフィラーおよび追加の他のフィラーを置くことかまたはプレスことを特徴とする。
【請求項１９】
請求項１６ないし１８の１項の方法において、前記フィラーをパッシベーション層で封をすることを特徴とする。
【請求項２０】
電子デバイスを製造するための方法であって、
非線形電気抵抗率を有するフィラーと追加の他のフィラーとを絶縁マトリックス内に混合するステップ、
続いて、前記電子デバイスの封止（encapsulation）として前記フィラー／マトリックス混合物（compound）を塗布するステップを具備してなることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分（preamble）による電界グレーディングを伴うパワーエレクトロニクスモジュールおよびそのようなパワーエレクトニクスデバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクスモジュールにおいて、電界増強（electric field enhancements）は、例えば、電極、半導体または金属粒子の先端（tip）およびエッジのように小さな曲率半径を伴う導電性コンポーネントにて起こり得る。そのような電界増強は、部分的な放電および電気絶縁破壊に導く可能性があり、それはパワーエレクトロニクスモジュールの損傷および故障に導く。
【０００３】
このような場増強（field enhancements）を避けるためには、つまり、電界の勾配をゆるくするためには、例えば、先端およびエッジを丸めることにより、コンポーネントの幾何学的形状を変えることができ、それは、効果的、強固(robust)、そして、信頼できる。さらに、この幾何学的なグレーディング（grading）は、電子デバイスに印加される電圧の周波数に影響されない。しかしながら、シャープなエッジを避けることは常に可能であるわけではない。パワー電子デバイスにおいて、例えば、ボンディングまたは鑞付けによるセラミック基板上の銅電極の用途では、電極の３Ｄ湾曲された（3D-bended）幾何学的形状を可能にすることは容易ではない。
【０００４】
また、選択された電気抵抗率または高誘電率を伴う材料は、電界がグレード（grade）される領域内に置くことができることも先行技術から知られている。しかしながら、周知の電界グレーディング戦略は、わずかな効率だけを提供し、または、求められていない副作用、例としては高リーク電流と周波数依存性を示す。
【０００５】
ＵＳ６３１０４０１は、金属セラミック基板の上部および下部のメタライゼーションを埋める高インピーダンス層を有する高電圧モジュールを開示している。このようにして、線形抵抗フィールドのグレーディングは達成される。この種のフィールドグレーディングは、しかし、主に抵抗値の特定の選択に強い感度によって制限される：それは、抵抗率が、いくつかのフィールドグレーディングを提供するために十分に低く、そして、同時にリーク電流を維持するために十分に高く、したがって、損失があり、十分に小さい、狭い抵抗率ウィンドウに対してだけ適用できる。さらに、線形抵抗フィールドグレーディングは、その周波数依存性によって制限され、メタライゼーション端からフィールドグレーディング層への電位の侵入、そして、このようにしてフィールドグレーディングの有効性は電圧信号の周波数に依存することを意味する。例として、ＩＧＢＴモジュールなどのＨＶパワー電子デバイスは、動作中には数ｋＨｚまでの周波数成分が現れるのに対して、５０Ｈｚの周波数での部分放電試験に合格しなければならない。このようにフィールドグレーディング特性は、同時にテストおよび運用条件に最適にすることはできない。
【０００６】
ＵＳ２００１００１４４１３は、電極エッジに接触している高誘電率層を伴う高電圧モジュール用の基板を開示している。このようにして線形屈折フィールドグレーディングは達成される。この線形屈折フィールドグレーディングは、しかし、主に、高誘電率材料がしばしば高い損失および低い耐圧強度を有するという事実によって、制限される。普通の高電圧パワーエレクトロニクス基板に屈折フィールドグレーディングを用いると、通常は、相対的に非常に高い比誘電率εAIN＝８．５−１０を既に有しているＡｌＮセラミックが用いられ、そして、屈折フィールドグレーディングの品質は、主として、誘電率比εlayer／εsubstrateによって決定されるので、フィールドグレーディング手段の誘電率は、特定の高さに選ばれなければならないという、別の問題がある。
【０００７】
したがって、改良されたフィールドグレーディング効率を有し、そして、最小のリーク電流および周波数依存性を有するパワーエレクトロニクスモジュールのためのシステムを提供することが、本発明の目的はである。
【発明の概要】
【０００８】
前記問題は、請求項１に係るパワー電子モジュールによって解決される。本発明に係るパワー電子モジュールは、電子デバイスを具備する。前記電子デバイスは、半導体コンポーネントを支えるための絶縁基板、前記基板上に形成された少なくとも１つのメタル層、および、前記少なくとも１つのメタル層と前記絶縁基板との間に形成された少なくとも１つのエッジに沿って前記基板上に置かれたフィールグレーディング手段を具備してなる。前記フィールドグレーディング手段は非線形電気抵抗率（non-linear electrical resistivity）を有する。
【０００９】
前記問題は、請求項１６および２０による方法によっても解決される。パワー電子モジョールを製造するための前記方法は、以下のステップを具備する。絶縁基板上に少なくとも１つのメタル層が形成される。前記メタル層の少なくとも１つのエッジ上に非線形電気抵抗率を有するフィールドグレーディング手段が配置される。
【００１０】
前記フィールドグレーディング手段は、非線形電気材料、つまり、非線電気抵抗率を有する材料から造られる。前記非線形電気材料は、好ましくは、適切なスイッチングフィールド強度（switching field strength）を有するように設計されている。前記スイッチングフィールド強度は、前記材料が絶縁モードから導電モードに切り替わるときの電界強度である。一方では、これは、電子デバイスの通常動作電圧の期間中はフィールドグレーディング手段が絶縁のままで、そして、望ましくないリーク電流を防止することを意味する。一方、フィールドグレーディング手段は、過電圧状態、例えば、テスト時の間中は、局所的に導電性となり、そして、それによって、さもなければ部分放電および絶縁破壊に至るかもしれない場増強を減らす。したがって、効率的な通常作動作と、過電圧時の部分放電および絶縁破壊の除去とは、非線形フィールドグレーディング手段で達成される。
【００１１】
“ローカル導電性（local conductive）”は領域内で導電性を意味し、その中では電界はスイッチングフィールド強度を超える。さらに、“ローカル導電性（local conductive）”は、フィールドグレーディング手段に接触する２つの電極間には多くてもリーク電流が流れることを意味する。フィールドグレーディング手段を通って流れる、このリーク電流は、最大でも、前記同じ電極（electrodes）に接続されるブロッキング状態の半導体チップを通って流れるリーク電流と同じオーダーであるべきである。
【００１２】
線形抵抗フィールドグレーディングに比べて、非線形抵抗フィールドグレーディングを使用しての主な利点は、（１）リーク電流が非常に高い電界強度だけで生じ、作動条件では生じず、そして、（２）フィールドグレーディングの周波数依存性が大幅に改善されることである。この効果は、Rhyner et al., “One-dimensional model for nonlinear stress control in cable terminations”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 4, No. 6, pp. 785-791を参照することによって概説される。この論文では、侵入長（penetration length）Ｉが評価され、それは、フィールドグレーディング材料内の電位がＩ／ｅ比（ｅはオイラー数である）まで減少するメタライゼーション端からの距離に対応する。
【数１】
2013514645.tif 000003
であることが判明した。
【００１３】
ここで、ωは角周波数であり、そして、αは電流密度ｊに対して非線形のべき乗則で定義される非線形係数である。
【数２】
2013514645.tif 000004
Ｅcは臨界スイッチングフィールド強度（critical switching field strength）である。Ｕ0は電圧振幅である。α＝１の線形抵抗材料に対しては、侵入長は、Ｉ〜１／√ｆの周波数の依存性があること、つまり、周波数が高いほど、侵入長は小さくなることが分かる。しかし、α＞＞１の非線形抵抗グレーディングに対しては、周波数依存性は無視でき、そして、前記侵入は印加電圧のみに依存する。特に、リーク電流は前記浸透が電極間の絶縁距離のレベルに達したときにのみ発生する。
【００１４】
発明の特徴（characteristic）であると考えられる他のフィーチャ（features）は、添付の特許請求の範囲にて明らかにされる。
【００１５】
基板上に２つ以上のメタル層を配置し、そして、同じフィールドグレーディング手段によって２つ以上のエッジをカバーすることはさらに有利である。
【００１６】
フィールドグレーディング手段の電流−電圧特性は、２よりも大きな非線形係数、特に５よりも大きく、そして、好ましくは、スイッチングフィールド強度の領域内では１０よりも大きな非線形性係数を示す。したがって、はっきり定義されたスイッチングフィールド強度にて、絶縁モードと導電モードとの間の急峻な遷移は達する。大きな非線形係数は、リーク電流を削減し、そして、周波数によって多くは影響されない侵入長を提供する。
【００１７】
スイッチングフィールド強度が、電子デバイスの最大臨界テスト電圧（maximum critical test voltage）と前記基板の表面に平行かつ前記エッジから離れて去る方向のフィールドグレーティング手段の長さとの比の半分よりも大きいことは、有利である。
【００１８】
フィールドグレーディング手段が、高絶縁破壊強度（insulating high breakdown strength）マトリクス、および、フィラー材料（filler material）、特にマイクロバリスタ（microvaristor filler）フィラーを具備することはさらに有利である。マイクロバリスタフィラーは、バリスタ特性、つまり、非線形電気抵抗を示す粒状の材料である。好ましくは、非線形充フィラーは、１００μｍよりも小さく、好ましくは＜５０μｍ、そして、最も好ましくは＜３０μｍの粒径を有するＺｎＯおよび／またはドープＺｎＯ粒子を具備する。非線形電気抵抗フィールドグレーディングは、非線形充填材料（filling material）により達成される。好ましくは、フィールドグレーディング手段は、層として配置されている。しかし、基板のカプセル化がフィールドグレーディング手段であることも可能性である。
【００１９】
好ましくは、前記高絶縁破壊強度マトリクスは少なくとも１つのさらなるフィラーを具備し、ここで、前記フィラーは、半導体または高誘電率材料である。前記少なくとも１つのさらなるフィラーが、マイクロバリスタフィラーに比べて、縮小された粒径を有することはさらに有利である。
【００２０】
好ましくは、半導体の充填材料は、１μｍ未満から１０μｍまでの好ましいサイズの範囲内にあるＳｎＯ2 、ＳｉＣ、ドープＳｎＯ2 、カーボンブラックまたは他の形態のカーボンおよび／またはコーティングされたマイクロマイカ粒子を具備する、半導体のフィラー材料の粉末である。非線形粒子間、つまり、マイクロバリスタ粒子間の自由区間は、半導体の充填材料で満たされていても構わない。したがって、フィールドグレーディングは、に非線形粒子間の空きスペースでも、特に、大きなマイクロバリスタ粒子が十分に十分に近くに達し得ない、メタルエッジの近傍においても、最適化されることができる。半導体のフィラー材料により、抵抗フィールドグレーディングは、非線形抵抗フィールドに加えて、局所的に実現される。しかし、半導体フィラー材がパーコレーション（percolation）のしきい値の下に維持されるように、半導体フィラーの量は制限されなければならない。
【００２１】
フィールドグレーディング手段は、高誘電率（=high-ε）材料によっても充填することができ、または、高誘電率（＝high-ε）材料を追加して充填されることもできる。high-ε充填材料は、好ましくは、１μｍ未満から１０μｍまでの有利なサイズの範囲内にあるＴｉＯ2 、ＢａＴｉＯ3 または他のチタン酸塩の粉末である。high-ε充填材料の粒子は、非線形粒子間の空きスペースを埋めるために使用され得る。フィールドグレーディング特性は、特にメタルエッジの近傍内においては、非線形粒子間の空きスペースにおいてもそれ故に局所的に局所的に向上させることができる。high-εフィラー材料の故に、非線形抵抗フィールドグレーディングに加えて、屈折フィールドグレーディングが実現される。
【００２２】
また、半導体のフィラー材料とhigh-εフィラー材料との混合物（mixture）は、非線形粒子間の空きスペース内に用い得る。この場合、非線形抵抗フィールドグレーディング、抵抗フィールドグレーディングおよび屈折フィールドグレーディングの有利な混合物が達成される。フィールドグレーティング特性はさらに向上される。
【００２３】
小さな半導体充填材料粒子および小さなhigh-ε充填材料粒子に起因して、フィールドグレーディングは必要なところはどこでも達成され得り；シャープおよび／または先の尖ったエッジおよび先端（peaks）においてでもある。
【００２４】
フィールドグレーディング手段がパッシベーション層により環境に対してシールドされることはさらに有利である。
【００２５】
好ましい実施形態では、フィールドグレーディング手段は、非線形充填材料、または、非線形充填材料と半導体の充填材料、および／または、high-ε充填材料のいずれかが埋め込まれたマトリックス（例えば、高強度絶縁層（high strength insulating layer）例えばポリイミドおよび／または電気絶縁ゲルまたは高融点または低融点ガラス）を具備する。
【００２６】
フィールドグレーディング手段は、（１）前記マイクロバリスタフィラーおよび/または前記少なくとも１つのさらなるフィラーを液体ポリマーマトリックス内に混合することにより、（２）ニードル・ディスペンシング（needle-dispensing）、印刷（printing）、ペインティング、コーティングまたはスプレーによって基板上に前記混合物を塗布すること、および、（３）熱、紫外線放射または他の手段により前記混合物を硬化すること（curing）により有利に実現される。
【００２７】
また、前記マイクロバリスタフィラーおよび／または前記少なくとも１つのさらなるフィラーは基板上に置かれてもまたはプレスされても構わない。この場合、フィラーを固定するために最初に接着剤（adhesive）を基板上に塗布することができる。それから絶縁マトリックス（insulating matrix）が後で塗布され、そして、前記フィラーベッド（filler-bed）を浸透する。
【００２８】
基板上のフィラーを薄いパッシベーション膜で、特にポリマーで、好ましくはポリイミドで封をする（seal）ことは特に有利である。これは、マイクロバリスタ粒子、例えば、ＺｎＯ粒子がそれらの電気的特性に影響を与える可能性のある環境条件から保護されるという利点がある。
【００２９】
例えば、銅の表面を活性にするために、ＨＶ基板は、モジュールのベースプレート（base plate）上への基板のはんだ付けの期間中に還元性雰囲気にさらされる。還元性雰囲気は、フィラー粒子との化学反応を生じさ得り、そして、このようにしてマイクロバリスタ能力低下につながり得るフィラー粒子の電気的特性を変更する。ガラス層もまたパッシベーションとして使用され得る。
【００３０】
別の実施形態では、フィールドグレーディング手段は、
（１）電極のエッジのすぐ右の粒径が１μｍ未満から１０μｍまでの半導体またはhigh-εフィラーの局所化された層、および、（２）前記第１の層をカバーしている非線形抵抗フィールドグレーティング層の第２の層を具備している。
【００３１】
以下の図面に示された実施形態を参酌する記載で本発明はさらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、発明のパワー電子モジョールのグレーディング手段を伴う電子デバイスの第１の実施形態の断面の一部を示す。
【図２】図２は、フィールドグレーディング手段の特性抵抗率−電界強度曲線を示す。
【図３】図３は、発明のパワー電子モジョールのグレーディング手段を伴う電子デバイスの第２の実施形態の断面の一部を示す。
【図４】図４は、図１に係る電子デバイスを伴うパワー電子モジュールの一部を示す。
【図５】図５は、発明のパワー電子モジョールのグレーディング手段を伴う電子デバイスの第３の実施形態の断面の一部を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１および４は、本発明の第１の実施形態に係るパワー電子モジョール４２の一部としての電子デバイス１の一部の断面を示す。図４にだけ示されるように、電子デバイス１は、パワー電子モジュール４２のプラスティックケース（plastic casing）内に取り囲まれている。電子デバイス１は、絶縁基板２、好ましくは窒化アルミニウムＡｌＮのようなセラミック基板を具備する。絶縁基板２は、絶縁基板２の第１のサイド（side）上のメタル層３と前記第１のサイドと反対側の第２のサイド上の複数のメタル層４，５とによって挟まれている。しかしながら、本発明は、メタル層３，４および５の数によって制限されない。１つだけのメタル層を伴う絶縁基板２も可能である。メタル層３，４および５は、通常、銅（Ｃｕ）で実現される。メタル層４および５は、例えば、半導体のチップ６、ボンドワイヤ７、電流負荷運搬（current load-carrying）端子、制御端子、導電トラックまたは抵抗などの受動素子の電極とすることができ得る。例えば、半導体チップ６は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）およびダイオードなどのパワー半導体である。図４に示されるようなパワー電子モジョールは、半導体コンポーネント６としてのＩＧＢＴを伴う電子デバイス１に基づく。このようなパワー電子モジュールは一般にＩＧＢＴモジュールと呼ばれている。半導体チップ６は、はんだ層８によってメタル付け（soldering）層５上に固定することができる。
【００３４】
電子デバイス１は、通常、第１のサイド上のメタル層３によって、別のはんだ層９を介して、ヒートシンクとして用いられるベースプレート１０に結合される。電子デバイス１は、軟誘電体（soft dielectric）１１内に封入され、それは通常シリコーンゲルである。シリコーンゲルによる封止の代わりに、他の誘電体ゲル、不活性ガスまたは誘電体液による封止も可能である。
【００３５】
より高い電流能力のために、いくつかのこのような基板２が同じベースプレート１０上に通常はんだ付けされ、そして、並列に接続される。プラスティックケース４０は軟誘電体１２を含む全ての基板を囲み、そして、端子だけが外側からアクセスできる。
【００３６】
パワー半導体モジュールの一部としての電子デバイス１の導電性金属層４および５は、普通は、非常に高い電圧で動作され、代表的には、少なくとも１００Ｖ、より好ましくは少なくとも８００Ｖ、そして、最も好ましくは８００Ｖと８ｋＶとの間である。したがって、強い電界増強は、代表的には、絶縁セラミック２の第２のサイド上のメタル層４，５の少なくとも１つが非常に高い電圧レベルにあり、そして、第１のサイド上のメタル層３が接地されていることから、メタル層３，４および５と基板２との間のエッジ１２，１３，１４，１５および１６に特に現れる。これは、それらのエッジでの部分放電の点火に導き得り、そして、その結果として、電子デバイスの電気絶縁破壊に導き得る。
【００３７】
したがって、非線形電気抵抗率を有する、本発明のフィールドグレーディング１７は、電子デバイス１を部分放電から守るために、エッジ１２から１６に配置される。
【００３８】
各メタル層および絶縁基板２の周囲の全てのエッジをフィールドグレーティング手段１７でカバーすることは有利である。メタル層３，４，５は、半導体チップ６、ボンドワイヤ７、電流負荷運搬端子、制御端子、および／または受動素子の互いの幾何学的配置（geometric arrangement）または他の理由に起因して、各メタル層の全てのエッジをカバーすることは妨げられ得る。しかしながら、各メタル層の周囲のエッジの一部だけまたはいくつかのメタル層をカバーすることはそれでもやはり有利である。特に、メタル層３，４，５の周囲のエッジの長さの少なくとも５０％、より好ましくは５０％、そして、最も好ましくはメタル層３，４，５の周囲のエッジの長さの９０％をカバーすることが有利である。
【００３９】
第１の実施形態に係るフィールドグレーディング手段１７は、バリスタ特性を有する粒状材料（granular material）から造られるから、または、少なくともバリスタ特性を有する粒状材料を具備する。それは、フィールドグレーディング手段１７の粒状材料の抵抗率が、電界強度の関数として非線形抵抗性の挙動を示すことである。
【００４０】
図２は、バリスタ特性を有する材料のそのような特性抵抗率−電界強度曲線（characteristic resistivity-electric field strength-curve）１９を示す。一般に、バリスタ特性を有する材料は、バリスタタイプ材料とも呼ばれる。このようなバリスタタイプ材料は、絶縁性のままであり、つまり、低電界強度では高抵抗を示す。バリスタタイプ材料は、さらに、スイッチング場強度Ｅcにて遷移を示し、そして、スイッチング場強度Ｅcよりも高い電界強度で導電となる。、スイッチング場強度Ｅcは、抵抗率が劇的に減少する点として定義される。より正確には、スイッチング場強度Ｅcは特性抵抗率−電界強度曲線１９のターニングポイントである。破線の縦線２０および２１の間の図２に示されるスイッチング領域の遷移挙動は、非線形係数αを有するρ〜Ｅ(1-α)およびｊ〜Ｅαによって特徴付けられ、ここで、ρは電気抵抗率、ｊは電流密度、Ｅは電界強度を示している。バリスタ材料は、スイッチング領域の外側では多かれ少なかれ一定のオーミック抵抗率を示す。
【００４１】
スイッチング場強度Ｅcは、好ましくは０．５×Ｕmax／Ｌよりも大きく、特に部分放電または電気絶縁破壊に関しての臨界テストの期間中の最大電圧であるＵmaxを伴うと０．５×Ｕmax／Ｌよりも大きい。電圧Ｕmaxは、電子デバイスの最大臨界テスト電圧とも呼ばれる。長さＬは、図１に示されており、そして、基板２の表面に平行な方向かつ前記エッジに垂直な方向におけるフィールドグレーティング手段１７の寸法である。Ｅcに対しての前記条件は、電圧降下のかなりの部分がフィールドグレーティング手段１７に沿って起こることを保証し、そして、このようにして効果的なフィールドグレーディングを提供する。したがって、部分放電および電気絶縁破壊は防止される。前記関係は式（１）を参酌することにより理解することができ、式（１）は、α＞＞１の場合、侵入長Ｉは最大電圧Ｕmaxに依存して線形であることを示している。
【００４２】
例として、６．５ｋＶ ＩＧＢＴモジュールに対してのＩＥＣ６１２８７絶縁テスト手順は、Ｕmax＝５．１＊√２＝７．２ｋＶのＡＣピーク電圧にて部分放電テストを予言する。メタル層５のエッジ１６と絶縁基板２のエッジ１８との間の自由縁（free border）典型的には２ｍｍである。したがって、絶縁基板２のメタライザーション自由縁上にフィールドグレーティング手段１７を適用すると、長さＬは通常２ｍｍに制限される。その結果として、１．８ｋＶ／ｍｍ（＝０．５×Ｕmax／Ｌ）を超えるスイッチング場強度を伴うフィールドグレーティング手段は、絶縁基板２のメタライザーション自由縁に沿って電界をグレーディングするのに適しているであろう。
【００４３】
本発明の第１に実施形態に係るフィールドグレーディング手段１７に対しては、２よりも大きく、特に５よりも大きく、そして、好ましくは１０よりも大きい非線形係数αを有する材料が選択される。非線形係数αが大きいほど、材料のスイッチング範囲は小さくなる。よって、特性抵抗率−電界強度曲線１９がステップ関数に近づき、そして、スイッチング場強度Ｅcは良く定義される（well-defined）ことになる。大きな非線形係数αはまたリーク電流を低減し、そして、周波数に大きくは影響されない侵入長を提供する。
【００４４】
周波数依存性は重要である、というのは其れは通常は５００Ｈｚにて行われるテストの結果の、パワー電子モジュールが動作中にさらされるもっと高い周波数成分への転写（transferability）を、保証するからである。
【００４５】
第１の実施形態に係るフィールドグレーディング手段１７は、バリスタ特性を有する粒状材料がフィラーとして埋め込まれた絶縁マトリックスを具備する。このようなフィラーはマイクロバリスタフィラー（microvaristor filler）とも呼ばれる。マイクロバリスタは好ましくは粒状のドープ酸化亜鉛（doped polycrystalline zinc oxide）（ＺｎＯ）である。このようなＺｎＯは高非線形係数を有し、そして、ＺｎＯのスイッチング場強度のような特性は、特定のドーピングおよび処理によって大きく適合されることができる。しかしながら、ドープされた酸化スズ（ＳｎＯ２）または炭化珪素（ＳｉＣ）またはカーボンブラックのような他の粒子もフィールドグレーディング手段１７のためのバリスタフィラーとして同様に使用し得る。
【００４６】
ドープ多結晶ＺｎＯで造られたマイクロバリスタフィラーは、粒状サイズ（granulation size）、つまり、１００μｍ未満、好ましくは５０μｍ未満、そして、最も好ましくは３０μｍ未満の直径を有する粒子に基づく。小さな粒状サイズは好ましい、というのは、このようにして粒子は、電子デバイス１の臨界エッジ１２−１６に、それらのエッジ１２−１６の電界をグレードする（grade）ために、近づくことができるからである。
【００４７】
好ましい実施形態において、電界ができるだけエッジ１２−１６に近くグレードされるべき問題は、フィールドグレーディング特性を有する前記マトリックスに追加のフィラーを加えることでも解決することができる。マイクロまたはサブミクロンスケールの粒子は、屈折または線形の抵抗フィールドグレーディングのために存在する。
【００４８】
ＢａＴｉＯ3 は屈折のフィールドグレーディングのための高誘電率（high-ε）フィラー材料の一例であり、そして、ＳｎＯ2 またはカーボンブラックまたは被覆マイクロマイカ（coated micro-mica）は線形抵抗フィールドグレーディングのために用いることができる。マイクロバリスタおよびより小さいサイズの半導体および／またはhigh-ε／フィラーの混合物は、エッジ１２−１６の近傍での部分放電を防止することができる。１μｍ未満から１０μｍまでの有利なサイズ範囲内の追加のフィラーが用いられる。半導体フィラーの量に注目するしなければならない。半導体フィラーはパーコレーションしきい値の下に維持するべきである。それ以外の場合は、半導体フィラーは複数のマイクロバリスタ粒子を橋渡し、そして、複数のマイクロバリスタ粒子の非線形抵抗効果（non-linear resistance-effect）をバイパスする。高誘電率は、絶縁マトリックスの１つよりも高い相対的な誘電率、そして、好ましくは絶縁性基板の１つよりも高い相対的な誘電率を意味し、特に１０よりも高い相対的な誘電率を意味する。
【００４９】
図１および４は、例示的に過ぎない、長さＬを有するフィールドグレーディング手段１７を示す。フィールドグレーディング手段１７の形状は、図示された形状には限定されない。長さＬは、フィールドグレーディング手段１７のエンド（end）での部分放電または電気絶縁破壊を防止するために大きくあるべきである（ここで、“エンド”は位置ｘ＝Ｌ、ｘはフィールドグレーディング手段に沿ったメタライザーション端からの距離を示す）。
【００５０】
図１に示されるように、１つよりも多くのフィールドグレーディング手段１７がエッジ１２−１６に配置される。図示されるように、メタル層４，５に対してのエッジ１３−１６に配置されている、基板２の第２のサイド上のフィールドグレーディング手段１７は、基板２の第１のサイド上の接地されたメタル層３にはコンタクトしない。一般には、フィールドグレーディング手段１７の少なくとも１つは接地されない。
【００５１】
さらに、複数のメタル層のいくつかのエッジに沿ってだけフィールドグレーディング手段を配置することが可能であることに留意すべきである。
【００５２】
図３は、第２の実施形態に係る電子デバイス１の一部の断面を示す。図３に係るこの電子デバイスは、本発明に係るパワー半導体モジュールにおいて、図１に係る電子デバイスと同様にして用いることができる。簡単のために、第１の実施形態の手段と同じ第２およびさらなる実施形態の手段は同じ参照番号を示し、それらの重複記載は省略する。第２の実施形態に係るフィールドグレーディング手段１７は、基板２上の２つのメタル層４および５の間に置かれる。このフィールドグレーディング手段１７はメタル層４およびメタル層５にコンタクトする。フィールドグレーディング手段１７は、メタル層４のエッジ１４に沿って、および、メタル層５のエッジ１５に沿って、置かれている。これは、２つのエッジ１４および１５に対してフィールドグレーディング手段１７の１つの層だけが必要であるという利点を有する。加えて、基板２とグレーディング手段との間のエッジが本発明の第１の実施形態と同様に防止される。フィールドグレーディング手段１７は、さらに、基板２の第１のサイドと第２のサイドとを接続する、第２のサイド上の基板２の前記側面に最も近いメタル層５のエッジ１６から基板２の第１のサイド上のメタル層３のエッジ１２までの基板２の１つの側面（side surface）を、取り囲む。よって、基板２の全てのエッジはフィールドグレーディング手段１７によってカバーされる。その結果、基板２の全てのエッジでの可能性がある放電および高い場強度は防止される。加えて、フィールドグレーディング手段１７の長さは、低スイッチング電界を用いることができるように、増加する。
【００５３】
図示されない別の実施形態は、ＦＩＧ．１に示された実施形態とＦＩＧ．３に示された実施形態との組合せである。図１に示された実施形態では、第２のサイド上メタル層４，５は必ずしもフィールドグレーディング手段１７によって互いには接続されない。言い換えれば、２つ以上のフィールドグレーディング手段１７が基板２の第２のサイド上に設けられる。図３に示される実施形態では、フィールドグレーディング手段１７は、さらに、基板２の第１のサイドと第２のサイドとを接続する、第２のサイド上の基板２の前記側面に最も近いメタル層５のエッジ１６から基板２の第１のサイド上のメタル層３のエッジ１２までの基板２の１つの側面を、取り囲む。図５に示される第３の実施形態は、図１に示される第１の実施形態と似ている。第３の実施形態に係るフィールドグレーディング手段１７は、基板２上の２つのメタル層４および５の間に置かれている。このフィールドグレーディング手段１７は、図３に示された第２の実施形態と同様に、メタル層４およびメタル層５にコンタクトする。フィールドグレーディング手段１７は、メタル層４のエッジ１４に沿って、および、メタル層５のエッジ１５に沿って、置かれる。これは、２つのエッジ１４および１５に対してフィールドグレーディング手段１７の１つの層だけが必要であるという利点を有する。加えて、基板２とグレーディング手段との間のエッジが本発明の第１の実施形態と同様に部分的に防止される。
【００５４】
本発明の別の実施形態では、１つのフィールドグレーディング手段が基板２の両サイド上の全てのメタル層４，５および３を取り囲む。その結果、高い電界強度を引き起こすメタル層４および５のエッジもどき（edges like）ならびに半導体チップ６のエッジさえもフィールドグレーディング手段によってカバーされ、そして、これらの場所でのの部分放電の見込み（probability）は少なくなる。
【００５５】
さらなる実施形態では、マイクロバリスタフィラーは、第１および第２の実施形態で示された余分な層の代わりに、封入する軟誘電体１１中にも混入することができる。よって、この実施形態では、フィールドグレーディング手段は、非線形抵抗性を示す軟誘電体で形成される。
【００５６】
第１または第２の実施形態に係る電子デバイス１は、第１のステップでは、基板２上にメタル層３，４および５をボンディングすることにより製造される。これは、例えば、活性金属ろう付け（active metal brazing）または銅直接接合（direct copper bonding）の技術によって行うことができる。
【００５７】
第２のステップでは、フィールドグレーディング手段１７は基板２上に塗布される。フィールドグレーディング手段１７を製造し、実現し、そして、塗布するためのいくつの技術がある。第１の例では、マイクロバリスタフィラーは、マトリックスの液体ベース成分（liquid base components）、例えば、ポリイミドのベース成分に混ぜられる。前記混合物は、次にニードル・ディスペンシング・プロセスによってエッジ１２−１６に沿って基板２上に塗布され、そして、最後に、熱、ＵＶ放射または他の手段によって前記混合物は硬化される。代替的には、ステップ２において、前記混合物は、エッジ１２−１６に沿って、印刷、ペインティング、コーティングまたはスプレーされ、そして、硬化されることもできる。
【００５８】
また、第１のステップでは、接着剤（adhesive）または結合材（binder）と共に基板は用意することができ、そして、マイクロバリスタフィラーおよび可能なら追加のフィラーは、お互いに混ぜることができ、そして、第２のステップで、エッジ１２−１６に沿って置かれる。
【００５９】
前記マイクロバリスタ粒子、つまり、マイクロバリスタフィラー粒子の前記層がポリマーマトリックスによって十分に埋め込まれないなら、第３のステップで、薄いパッシベーション層例えばポリマ−膜で前記粒子を封止することが有利である。もしマイクロバリスタフィラー粒子が封止されないと、それらは環境と、特にベースプレート１０上の基板のはんだの期間中に適用される還元雰囲気と反応する。この化学反応は、マイクロバリスタフィラー粒子の電気的特性を変えることができ、そして、それによってフィールドグレーディングの能力は減少する。パッシベーション層として可能なポリマーはポリイミドである。また、ガラスなどの非ポリマー（non-polymeric）封止層も可能である。
【００６０】
既に触れたように、フィールドグレーディング手段１７は、層として、または、封止（encapsulation）つまり封止材料中にフィラーを加えることによって実現することができる。代替のシリコーンゲルへの封止は他の誘電体ゲルまたは誘電体液または不活性ガスである。
【００６１】
本発明は、特定の好ましい実施形態および例を参照して詳細に説明されてきたが、、異なるタイプのフィールドグレーディング手段を可能とする特許請求の範囲によってカバーされる本発明の精神および範囲内で、変形および変更は有効である
【符号の説明】
【００６２】
１…電子デバイス、２…絶縁基板、３，４，５…メタル層、６…チップ、７…ワイヤ、８…はんだ層、９…別のはんだ層、１０…ベースプレート、１１…軟誘電体、１２−１６…エッジ、１７…フィールドグレーディング手段、１８…エッジ、１９…場強度曲線、２４…エッジ、４０…プラスティックケース、４２…パワー電子モジュール、Ｅc…スイッチング場強度、２０，２１…縦線、ρ…電気抵抗率、Ｅ…電界強度、α…非線形係数、ｊ…電流密度、Ｕmax…臨界テストの期間中の最大電圧、Ｌ…フィールドグレーディング手段１７の寸法、ε…誘電率。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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