(57)【要約】【課題】主にパワーモジュールとしての半導体装置において、絶縁耐圧を高くするとともに、長期使用した場合においても部分放電が発生する可能性が低減された半導体装置を提供することである。【解決手段】絶縁基板３と、導体基板２と、半導体チップ１と、封止材１１と、半導電層１２とを備えている。導体基板２は絶縁基板３の一方の主表面上に接続される。半導体チップ１は導体基板２の絶縁基板３と対向する主表面と反対側の主表面上に載置される。封止材１１は絶縁基板３、導体基板２および半導体チップ１を封止する。半導電層１２は絶縁基板３の一方の主表面上の一部と、導体基板２の反対側の主表面の端部と、導体基板２の端面２Ｅとを覆う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性を有する絶縁基板と、
前記絶縁基板の一方の主表面上に接続された導体基板と、
前記導体基板の前記絶縁基板と対向する主表面と反対側の主表面上に載置された半導体チップと、
前記絶縁基板、前記導体基板および前記半導体チップを封止する封止材と、
前記絶縁基板の一方の主表面上の一部と、前記導体基板の前記反対側の主表面の端部と、前記導体基板の端面とを覆う半導電層とを備える、半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁基板と前記導体基板とはロウ材を介在することにより接続され、
前記ロウ材の端面は前記半導電層に覆われる、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導電層は、導電性フィラーが絶縁性高分子に充填された複合体からなる請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記導電性フィラーはカーボンブラックであり、前記絶縁性高分子はエポキシ樹脂である、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導電層は、π電子共役系導電性高分子からなる請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記π電子共役系導電性高分子はポリアニリンまたはポリアセチレンである、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導電層の導電率は１０-10〜１０1Ｓ／ｃｍである、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記絶縁基板はセラミックス材料または有機絶縁シートからなる、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に、絶縁基板を有するパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールは、半導体チップにＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの大電力制御用の半導体素子が搭載されており、その駆動時には１００Ａ以上もの大きな電流が流れる場合がある。このためパワーモジュールは、高信頼性を得るために、駆動時に発生する大量の熱を高効率に放出しながら、外部との高い絶縁性能を確保することが必要である。
【０００３】
パワーモジュールは、絶縁性を有する絶縁基板と、絶縁基板の一方の主表面上に接続された導体基板と、導体基板の絶縁基板と対向する主表面と反対側の主表面に載置された半導体チップとからなる積層構造を有している。またパワーモジュールは、上記の積層構造を封止する封止材と、封止材を外側から囲むように収納するケースとを備えている。このような構造において、絶縁基板および封止材が、半導体チップおよび導体基板に流れる電流をパワーモジュールの外部に漏えいさせないために重要な役割を果たしている。
【０００４】
しかし近年、半導体チップの半導体素子の動作電圧が特に高くなったことに伴い、導体基板と絶縁基板との間の領域、または導体基板と封止材との間の領域で絶縁耐電圧性が劣化し、当該領域で部分放電が起こりやすくなっている。部分放電は絶縁基板などの絶縁破壊を誘発するため、その発生を抑制する必要がある。
【０００５】
この問題を解決するために、たとえば以下の特許文献１においては、絶縁基板の一方の主表面上の一部と、絶縁基板上に載置された導体基板のうち絶縁基板と対向する主表面と反対側の主表面の端部と、導体基板の端面とを覆うように、無機ガラス材が被覆された構成が開示されている。特許文献１には、上記と同じ領域が、無機ガラス材の代わりに金−スズのロウ材などの非鉄金属材料により被覆された構成も併せて開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３４０７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１においては、導体基板の端面などを無機ガラス材で被覆する工程を行なう際に、高い加工温度で処理する必要がある。このため製造工程が複雑でかつコストが高くなる。また絶縁基板にいわゆる有機絶縁シートを用いる場合には、有機絶縁シートの耐熱温度が約２５０℃と比較的低いため、当該耐熱温度より高い温度の処理を要する無機ガラス材を被覆する加工を行なうことはできず、特許文献１に開示される方法が適用できない。
【０００８】
また無機ガラス材は導体基板および封止材との密着性が劣化しやすい。このため長期使用すれば導体基板と無機ガラス材との界面および無機ガラス材と封止材との界面に内部応力による微小クラックが発生し、クラックの発生個所から放電が発生する可能性がある。
【０００９】
さらに特許文献１において金−スズのロウ材などの導電性の非鉄金属材料により導体基板の端面などが被覆された場合においても、上記の無機ガラス材で被覆した場合と同様に、耐熱温度と密着性とによる問題が起こり得る。
【００１０】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、主にパワーモジュールとしての半導体装置において、絶縁耐圧を高くするとともに、長期使用した場合においても部分放電が発生する可能性が低減された半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のマイクロデバイスは、絶縁基板と、導体基板と、半導体チップと、封止材と、ケースと、半導電層とを備えている。導体基板は絶縁基板の一方の主表面上に接続される。半導体チップは導体基板の絶縁基板と対向する主表面と反対側の主表面上に載置される。封止材は絶縁基板、導体基板および半導体チップを封止する。半導電層は絶縁基板の一方の主表面上の一部と、導体基板の上記反対側の主表面の端部と、導体基板の端面とを覆う。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、導体基板の端面などを覆う半導電層の絶縁性により、絶縁耐圧を高くできるとともに、半導電層に高い電圧が加わった際には電流が流れることにより導体基板との間の電位差を小さくし、導体基板の端面などにおける部分放電の発生が抑制できる。このため長期間の使用が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態のパワーモジュールの構成を示す概略平面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した、本実施の形態のパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。
【図３】図２中の点線で囲んだ領域ＩＩＩの構成を示す概略拡大断面図である。
【図４】図３で示す領域の構成を示す概略平面図である。
【図５】図３に示す領域に剥離が発生した状態を示す概略拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
まず本実施の形態の半導体装置の構成としてパワーモジュールの構成について図１および図２を用いて説明する。
【００１５】
図１を参照して、本実施の形態のパワーモジュールは、半導体チップ１，６と、金属回路板２と、絶縁基板３と、金属ベース板４と、ケース５とを主に有している。
【００１６】
半導体チップ１にはＩＧＢＴなどの大電力制御用の半導体素子が搭載されており、半導体チップ１内にはパワーデバイスを構成するための集積回路が形成されている。半導体チップ１を構成する基板は、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドにより形成されることが好ましい。
【００１７】
このようにすれば、たとえばこれがシリコンにより形成された場合に比べて、ここに形成される半導体素子の電力損失が低くなり、半導体素子の消費電力を低減することができる。このためパワーモジュール全体の駆動電力をより低減し高効率化することができる。その結果、パワーモジュールの冷却に用いる放熱フィンを小型化したり、水冷部を空冷部に設計変更することができ、パワーモジュール全体をいっそう小型化することができる。さらに上記炭化珪素などのいわゆるワイドバンドギャップ半導体の基板はシリコンの基板に比べて耐熱性が高いため、より高温で動作させることができる。
【００１８】
金属回路板２は、半導体チップ１を載置するように半導体チップ１の下側に配置された導体基板である。
【００１９】
金属回路板２は、互いに間隔をあけて２つ、同一の層に並ぶように配置されていることが好ましい。なお金属回路板２は銅により形成されることが好ましいが、銅以外の導体材料（金属材料）であるたとえばアルミニウムにより形成されていてもよい。金属回路板２の表面には、たとえば半導体チップ１と電気的に接続するための他の配線または他の回路などが形成されていてもよい。
【００２０】
絶縁基板３は絶縁材料により形成された板状部材であり、金属回路板２および半導体チップ１を載置するように金属回路板２の下側に配置されている。
【００２１】
絶縁基板３は、アルミナまたは窒化アルミニウムなどのセラミックス材料により形成されていてもよいし、いわゆる有機絶縁シートにより形成されていてもよい。ここで有機絶縁シートとは、熱伝導率の高い無機フィラー（アルミナ、窒化アルミニウムまたは窒化ホウ素などのセラミックス材料の粉末）をエポキシ樹脂内に分散および充填させたコンパウンド構造体である。
【００２２】
有機絶縁シートは、以下の手順により形成される。まず無機フィラーとエポキシ樹脂とを混ぜた混合物をシート形状に加工し、そのシートを金属板の上に設置する。さらに上記シートの、金属板と対向する一方の主表面と反対側の主表面上に他の金属板が設置され、当該シートが一方および他方の金属板側の双方からプレスされながら加熱硬化される。当該シートを挟む金属板および他の金属板がエッチングされることにより、これらは金属回路板２および後述する金属回路板１０として形成されてもよい。以上により最終的に形成される、絶縁基板３としての有機絶縁シートの厚みは２０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
金属ベース板４は上記の半導体チップ１、金属回路板２および絶縁基板３を搭載する金属製の板状部材であり、パワーモジュール全体の最下部に設置されることによりパワーモジュール全体を支持している。金属ベース板４は、半導体チップ１の発する熱をパワーモジュールの外部に効率よく放熱する機能を有している。金属ベース板４はたとえば銅により形成されることが好ましいが、これに限らず、必要な程度の放熱性を有する任意の材質を用いることができる。具体的には、金属ベース板４は、銅の代わりにたとえばアルミニウムまたは鉄により形成されてもよいし、アルミニウムと鉄との複合材料により形成されてもよい。
【００２４】
ケース５は、上記の半導体チップ１、金属回路板２、絶縁基板３、金属ベース板４のすべてを平面視における外側からたとえば矩形状に囲む構成を有しており、パワーモジュール全体の側面を覆う構成を有している。ケース５はたとえばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂により形成されることが好ましい。なおケース５はいわゆるトランスファモールド型であってもよい。
【００２５】
以上において、図１においてはすべて矩形の平面形状を有し、平面視において、半導体チップ１、金属回路板２、絶縁基板３、金属ベース板４、ケース５の順に大きくなっているが、このような態様に限られない。
【００２６】
半導体チップ６は、半導体チップ１と同様に、ＩＧＢＴなどの半導体素子が搭載されていてもよいが、たとえば半導体チップ１と半導体チップ６とを電気的に接続する金属（たとえば金）からなるボンディングワイヤ７を介在して、半導体チップ１を電気的に制御するＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの制御素子が搭載されていてもよい。
【００２７】
以上を言い換えれば、図２を参照して、図１のパワーモジュールにおいては、絶縁基板３の一方の主表面（図２の上側の主表面）上に金属回路板２が載置され、金属回路板２の絶縁基板３と対向する主表面と反対側の主表面（図２の上側の主表面）上に半導体チップ１が載置されている。半導体チップ１と金属回路板２とは両者の間に介在するはんだ８により互いに接続されており、金属回路板２と絶縁基板３とは両者の間に介在するロウ材９により互いに接続されている。ただし半導体チップ１と金属回路板２とは、はんだ８の代わりにたとえば銀接合材により接続されてもよい。
【００２８】
図２に示すように、絶縁基板３の上記一方の主表面と反対側の主表面（図２の下側の主表面）上には、ロウ材９を介在して金属回路板１０が接続されている。図２において金属回路板２は基本的に金属回路板２と同様の材質、厚みおよび平面積であり、金属回路板２と同様に互いに間隔をあけて２つ並ぶように配置されている。しかし金属回路板１０は２つの金属回路板２のそれぞれと図２の上下方向に関して互いに対向するように、１つの大きな金属回路板１０として構成されている。このような構成とすることにより、金属回路板１０からの放熱性が高められる。金属回路板１０は、金属ベース板４の図２の上側の主表面上に、はんだ８を介在して接続されている。
【００２９】
このように本実施の形態のパワーモジュールにおいては、半導体チップ１と、金属回路板２と、絶縁基板３と、金属ベース板４とが積層された積層構造が形成されているが、図２に示すように２つの金属回路板２，１０が図の上下方向に積層されていてもよい。このように金属回路板を多数設ければ、金属回路板２，１０の金属としての高い熱伝導性により、半導体チップ１の発する熱をパワーモジュールの外側に放出する機能を高めることができる。ただし金属回路板は必ずしも２層以上積層された構成を要するわけではなく、たとえば金属ベース板４と絶縁基板３とがロウ材９により直接接続された構成を有していてもよい。
【００３０】
金属ベース板４の図２における下側の主表面上には、一般公知の放熱用の部材としての放熱フィン１３が接続されてもよい。このようにすれば、半導体チップ１の発する熱を外部の放出する機能がいっそう高められる。
【００３１】
半導体チップ１、金属回路板２，１０および絶縁基板３などは、封止材１１によりその外側から封止されている。封止材１１は図１に示されないが、他の各部材と同様にたとえば矩形の平面形状を有している。封止材１１はシリコーンゲルまたはエポキシ樹脂によりなる絶縁性の部材である。
【００３２】
封止材１１はシリコーンゲルまたはエポキシ樹脂がケース５内に注入され、半導体チップ１などを封止することにより形成される。つまり封止材１１はケース５内に収納されており、これにより半導体チップ１、金属回路板２，１０などもすべてケース５内に収納されている。封止材１１は、半導体チップ１、金属回路板２，１０、絶縁基板３および金属ベース板４の表面（はんだ８またはロウ材９により接着される部分を除く）と密着するようにこれらを封止している。また封止材１１はケース５の内側の表面とも密着している。
【００３３】
図２および図３を参照して、金属回路板２の端面２Ｅと、金属回路板２の（絶縁基板３と対向する下側の主表面と反対側である）上側の主表面の（右側の）端部とを覆うように、半導電層１２が形成されている。半導電層１２は上記の他、金属回路板２と絶縁基板３との間のロウ材９の端面９Ｅと、絶縁基板３の上側の主表面の一部の領域（絶縁基板３の上側の主表面のうちロウ材９に覆われた領域に隣接する領域の一部）とを覆っている。
【００３４】
半導電層１２は、その導電率が１０-10〜１０1Ｓ／ｃｍであり、電流をよく流す一般的に導電性とされる物質（たとえば金属）よりも導電率が低く、電流をほとんど流さない一般的に絶縁性とされる物質（たとえば樹脂）よりも導電率が高い。半導電層１２はたとえばいわゆる導電性フィラーが絶縁性高分子に充填された複合体からなることが好ましい。
【００３５】
導電性フィラーとは、絶縁性材料（ここでは絶縁性高分子）に導電性を付与する素材である。導電性フィラーとしてはたとえばカーボンブラックまたは金属粒子が用いられる。また絶縁性高分子としてはたとえばエポキシ樹脂、ポリイミドまたはシリコーンゲルが用いられる。一例として、封止材１１と半導電層１２の絶縁性高分子とがともにエポキシ樹脂からなるなど同一の材質からなるものであってもよい。この場合、封止材１１と半導電層１２とは導電性フィラーの充填の有無において相違する。
【００３６】
半導電層１２は、上記の導電性フィラーが絶縁性高分子に充填された複合体の代わりに、いわゆるπ電子共役系導電性高分子からなるものであってもよい。半導電層１２は、導電性フィラーおよび絶縁性高分子の複合体からなるにせよ、π電子共役系導電性高分子からなるにせよ、有機系材料からなる。
【００３７】
π電子共役系導電性高分子としてはたとえばポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェンおよびポリアルキルチオフェンからなる群から選択される少なくとも１種が用いられることが好ましい。π電子共役系導電性高分子を構成する上記のポリアニリンなど自体は導電性が低いが、ここに適切なドーパントを加えることにより、上記の導電率を有する半導電層１２としての性質を持たせることができる。このためここではπ電子共役系導電性高分子とは上記のベースとしてのポリアニリンなどの部材にドーパントを加えることにより導電性が制御されたものを指すものとする。
【００３８】
ここで半導電層１２の供給方法について説明する。半導電層１２は、その原材料に応じて、原材料を塗布するだけで形成される場合と、原材料を塗布した後加熱することにより形成される場合とがある。
【００３９】
たとえば半導電層１２として導電性フィラーが絶縁性高分子（エポキシ樹脂）に充填された複合体を用いる場合には原材料の塗布後に加熱されるが、その加熱の温度および時間の条件は、絶縁性高分子（エポキシ樹脂）の硬化条件により決定され、一般的には２５０℃未満かつ数時間以下の条件で加熱される。
【００４０】
またたとえば半導電層１２としてπ電子共役系導電性高分子が用いられる場合、ドーパントが加えられる基の部材（溶媒）の種類に応じて、加熱が必要な場合と不要な場合とが存在し、かつ加熱を行なう場合における加熱の条件も変化する。加熱を行なう場合の温度範囲は２００℃以下であり、加熱時間は数分間から数時間の範囲である。
【００４１】
以上より、半導電層１２の種類にかかわらず、半導電層１２の原材料の塗布後の加熱温度は２５０℃未満である。
【００４２】
以上のように、基本的に粘着性を有する原材料を塗布することにより形成される半導電層１２は、図２および図３の断面図において概ね山型の形状を有している。
【００４３】
ここで半導電層１２の寸法について説明する。図２および図３において半導電層１２は、金属回路板２の上側の主表面２Ｓのうち端面２Ｅに近い領域（つまり主表面２Ｓの端部）のみを覆うように形成されている。この場合、たとえば図２および図３の左右方向における半導電層１２の全体の厚みはたとえば１ｍｍ以下であることが好ましい。金属回路板２の端面２Ｅの近くすなわち端部において金属回路板２の上側の主表面２Ｓ上を覆う半導電層１２の、図２および図３の左右方向における半導電層１２の厚みはたとえば２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
また半導電層１２は、主表面２Ｓを、端面２Ｅから、半導体チップ１の載置される領域の近くの領域までを覆うように形成されてもよい。また半導電層１２は、絶縁基板３の上側の主表面３Ｓのうちロウ材９の端面９Ｅに近い領域のみを覆うように形成されている。しかし半導電層１２は、主表面３Ｓを、ロウ材の端面９Ｅから、ロウ材の端面９Ｅと絶縁基板３の端面３Ｅとの中間の位置までを覆うように形成されてもよい。
【００４５】
図４を参照して、半導電層１２は半導体チップ１を囲み、金属回路板２の端面２Ｅ、およびロウ材９の端面９Ｅの全体を周回しながら覆うように（言い換えれば平面視において金属回路板２およびロウ材９の周囲の全体を覆うように）、形成されている。しかし半導電層１２は、金属回路板２の端面２Ｅおよびロウ材９の端面９Ｅの一部のみを覆うように形成されてもよい。言い換えれば半導電層１２は、たとえば平面視における金属回路板２およびロウ材９の外縁部に相当する端面２Ｅ，９Ｅが平面視において延びる方向に関して、半導電層１２が形成される領域と形成されない領域とが交互に現れるように断続的に形成されていてもよい。
【００４６】
次に、図５を用いて半導電層１２が形成されない場合の課題を考察しつつ、本実施の形態の作用効果について説明する。
【００４７】
図５を参照して、金属回路板２の端面２Ｅおよびロウ材９の端面９Ｅは、金属回路板２の主表面２Ｓおよび絶縁基板３の主表面３Ｓに対して非常に小さい角度（鋭角）の形状を有する。特に金属回路板２の端面２Ｅのうちロウ材９に最も近い図５の下側の端である下端２ｂが、主表面２Ｓに対して非常に小さい鋭角を有する。金属回路板２には図５の上下方向の厚みが存在するため、金属回路板２の端面２Ｅのうちロウ材９から最も離れた図５の上側の端である上端２ａも、下端２ｂと同様に主表面２Ｓに対して小さい鋭角を有する。これは通常、金属回路板２のエッチング加工においては非等方的にエッチングが進行し、図５の上下方向のみならず左右方向についてもエッチングが進行するためである。特に図５の金属回路板２の下端２ｂにおける浸食が顕著であり、この部分の角度が主表面２Ｓに対して非常に尖った鋭角となる。
【００４８】
半導体チップ１の半導体素子を駆動させた際には金属回路板２に高電圧が印加される。すると上記の上端２ａおよび下端２ｂの鋭角部分の電界強度が非常に強くなり、当該部分における金属回路板２および絶縁基板３の間、ならびに金属回路板２およびこれを密着するように覆う封止材１１の間において部分放電が発生するしきい値電圧が低くなる。
【００４９】
またそもそも、半導体素子の駆動時には半導体チップ１の発熱量が大きくなり、金属回路板２のうち特にこれに接触する絶縁基板３および封止材１１との境界において大きな熱応力が加わる。この熱応力はパワーモジュールを構成するたとえば金属回路板２と絶縁基板３とロウ材９と封止材１１とのそれぞれを構成する材質間の熱膨張係数の差に起因する。
【００５０】
この熱応力またはにより上記の鋭角部である上端２ａおよび下端２ｂにおいては金属回路板２と絶縁基板３および／または封止材１１との剥離１４（図５参照）が発生しやすくなり、この剥離１４はそれが発生した部分における金属回路板２と絶縁基板３または封止材１１との間の部分放電を発生させる原因になる。部分放電が継続的に発生すると、絶縁基板３が経時劣化を起こし、最終的に絶縁破壊に至り、絶縁基板３が外部と電気的に絶縁する機能を果たさなくなる可能性がある。
【００５１】
さらに、たとえば金属回路板２と封止材１１との界面には、パワーモジュールの製造過程において微小なボイドが発生する場合もある。このボイドが発生しやすい箇所は上端２ａおよび下端２ｂの近くなど、使用時に電界集中が起こりやすい箇所と一致し、半導体素子の駆動時に部分放電が発生しやすい箇所と一致する傾向がある。つまりボイドは剥離１４と同様に部分放電を発生しやすい一因となる。
【００５２】
そこで本実施の形態のように半導電層１２が形成される。このようにすれば、金属回路板２の特に上端２ａおよび下端２ｂが半導電層１２に覆われるため、上端２ａおよび下端２ｂにおける電界集中が緩和できる。
【００５３】
一方半導体チップ１の駆動時における金属回路板２の電位が非常に高くなったときには半導電層１２にも大きな電圧が加わることにより電流が流れ始める。これにより半導電層１２は、これに接触する導電性部材である金属回路板２およびロウ材９との電位差が小さくなる（ほぼ等しくなる）。したがって上端２ａおよび下端２ｂの近くの領域など半導電層１２が覆う領域にたとえ剥離１４が存在しても、上記のように電位差が小さくなることから、部分放電の発生が抑制できる。
【００５４】
このように半導電層１２は部分放電の発生を抑制するように機能することができる。部分放電の抑制により、たとえば絶縁基板３および封止材１１における絶縁破壊を抑制することができ、パワーモジュールの寿命をより長くさせることができる。
【００５５】
半導電層１２の機能は、これが導電性フィラーと絶縁性高分子との複合体により形成された場合においても、これがπ電子共役系導電性高分子により形成された場合においても同様に発揮される。前者の場合、たとえば導電性フィラーがカーボンブラックであり、絶縁性高分子がエポキシ樹脂であることにより、上記の機能が十分に発揮される。また後者の場合、π電子共役系導電性高分子がポリアニリンまたはポリアセチレンであることにより、上記の機能が十分に発揮される。
【００５６】
半導電層１２は金属回路板２の端面２Ｅなどを覆うことにより、上記のように金属回路板２と絶縁基板３および封止材１１との間での部分放電を抑制することができる。また半導電層１２は金属回路板２の下側の主表面上のロウ材９の端面９Ｅを覆うことにより、ロウ材９と絶縁基板３および封止材１１との間での部分放電を抑制することができる。
【００５７】
次に半導電層１２は、たとえば無機ガラス材に比べて、金属回路板２および封止材１１との密着性が良好である。これは半導電層１２が有機系材料であるためであり、特に半導電層１２がエポキシ樹脂などの樹脂材料を用いて形成されることにより、上記の密着性が非常に改善される。
【００５８】
その結果、半導体素子の駆動時の発熱によりたとえば半導電層１２と封止材１１との間に大きな熱応力が発生しても、半導電層１２は封止材１１などから剥離しにくくなる。剥離が発生しにくいことにより、金属回路板２の耐電圧が向上し、部分放電の発生を抑制することができる。
【００５９】
次に、たとえば金属回路板２などが無機ガラス材で覆われる加工は、絶縁基板３に用いられるたとえば有機絶縁シートの耐熱温度よりも高い温度で処理する必要が生じる。しかし本実施の形態においては無機ガラス材の代わりに半導電層１２が被覆されており、半導電層１２の形成時には有機絶縁シートの耐熱温度よりも高い温度での処理が不要になる。
【００６０】
具体的には、上記のように半導電層１２の供給時には２５０℃未満に加熱され、これは有機絶縁シートの耐熱温度よりも低い。したがって、たとえば絶縁基板３としての有機絶縁シートが熱により劣化する可能性を低減することができる。
【００６１】
次に、パワーモジュールにおいて絶縁基板３は放熱性と絶縁性とを備えることが必要であるが、本実施の形態においては絶縁基板３がセラミックス材料により形成されるため、放熱性および絶縁性の双方を高めることができる。また絶縁基板３が有機絶縁シートにより形成される場合においても、特にこれを薄く形成することにより放熱性を高めることができる。また有機絶縁シートについても、絶縁性が高く、割れにくいという利点がある。
【実施例１】
【００６２】
上記の実施の形態に従ったサンプル１が以下の手順により形成された。まず上記の絶縁基板３として、平面視において３５ｍｍ×３５ｍｍの正方形状を有し、（図２の上下方向に関する）厚みが０．６ｍｍであるアルミナ製の基板が準備された。絶縁基板３の一方の主表面上に、平面視において３０ｍｍ×３０ｍｍの正方形状を有し、（図２の上下方向に関する）厚みが０．５ｍｍである銅製の金属回路板２が、ロウ材９により接続された。
【００６３】
金属回路板２の端面２Ｅを覆うように半導電層１２が形成された。半導電層１２は、金属回路板２の図２における端面２Ｅから図２の左右方向に１ｍｍ以内の領域の上側の主表面２Ｓ上を覆い、かつ端面２Ｅから図２の左右方向に１ｍｍ以内の領域の絶縁基板３の上側の主表面３Ｓ上を覆うように形成され、かつ端面２Ｅから図２の左右方向の厚みが平均１００μｍとなるように形成された。半導電層１２はエポキシ樹脂にカーボンブラックが添加されたものである。
【００６４】
金属回路板２の上側の主表面２Ｓ上に半導体チップ１が、はんだ８により接続された。また絶縁基板３の金属回路板２が接続される一方の主表面と反対側の他方の主表面にはロウ材９により銅製の金属ベース板４が接続された。この金属ベース板４は平面視において４０ｍｍ×４０ｍｍの正方形状を有し、（図２の上下方向に関する）厚みが３ｍｍである。
【００６５】
次に、ＰＰＳにより形成されたケース５の内部に、上記の積層構造がセットされ、両者はシリコーン接着樹脂により接着された。その後、ケース５内にエポキシ樹脂が充填され、これが熱硬化することにより封止材１１が形成され、これによりパワーモジュールのサンプル１が形成された。封止材１１は図２の上下方向に関する高さが約１０ｍｍとなるように形成された。
【００６６】
以上のサンプル１の比較例としてのパワーモジュールのサンプル２が、基本的に上記のサンプル１と同様の手順により形成されたが、サンプル２は半導電層１２が形成されていない点においてサンプル１と異なっている。
【００６７】
以上のサンプル１およびサンプル２がそれぞれ３台ずつ形成され、それらが高温バイアス試験に投入された。ここではこれらのサンプルが１５０℃の環境に置かれた状態で、それぞれに搭載された半導体素子が駆動され、それぞれの金属回路板２の端面２Ｅ近くにおける絶縁破壊までの時間（寿命）を測定した。その結果を表１に示す。
【００６８】
【表１】
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【００６９】
表１においては比較例であるサンプル２の３台それぞれの寿命の平均値を１．００したときの各サンプルの寿命の相対値を示している。表１に示すように、本実施例であるサンプル１の３台はいずれも寿命が３を超えた。このことから、本実施の形態の半導電層１２により、パワーモジュールの寿命を向上させることができることがわかった。
【００７０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７１】
１，６  半導体チップ、２，１０  金属回路板、２Ｅ，９Ｅ  端面、２Ｓ，３Ｓ  主表面、３  絶縁基板、４  金属ベース板、５  ケース、７  ボンディングワイヤ、８  はんだ、９  ロウ材、１１  封止材、１２  半導電層、１３  放熱フィン、１４  剥離。
【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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