(57)【要約】【課題】本発明は、耐久性、絶縁性及び放熱性が優れ、高電圧が適用されても高い信頼性を有する絶縁基板及びそれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】セラミックス基板の表面に導電箔を配置した絶縁基板において、セラミックス基板２Ａは複数枚のセラミックス板３を積層した構成とし、積層した各セラミックス板３の層間は絶縁樹脂層４で接合したことを特徴とする。【選択図】      図１
2004266139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の表面に導電箔を配置してなる絶縁基板において、前記セラミックス基板は複数枚のセラミックス板を積層した構成とし、当該積層した各セラミックス板の層間は絶縁樹脂層で接合されていることを特徴とする絶縁基板。
【請求項２】
複数枚積層された前記セラミックス板のうち、前記導電箔を配置した表層のセラミックス板は、複数に分割して配置されていることを特徴とする請求項１記載の絶縁基板。
【請求項３】
セラミックス基板の表面に導電箔を配置してなる絶縁基板において、前記セラミックス基板表面に絶縁樹脂層を設け、前記導電箔は前記絶縁樹脂層を用いて前記セラミックス基板表面に接合されていることを特徴とする絶縁基板。
【請求項４】
前記絶縁樹脂層のうち、前記導電箔を接合している部分のみは絶縁樹脂層に代えて導電性樹脂層であることを特徴とする請求項３記載の絶縁基板。
【請求項５】
複数に分割された前記表層のセラミックス板を接合している部分のみは絶縁樹脂層に代えて導電性樹脂層であることを特徴とする請求項２記載の絶縁基板。
【請求項６】
請求項１、２又は５記載の絶縁基板を用い、前記導電箔上に半導体チップを含む所要の素子が搭載され、所要の配線が施されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項３又は４記載の絶縁基板を用い、前記導電箔上に半導体チップを含む所要の素子が搭載され、所要の配線が施されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電力機器等に使用される絶縁基板及びそれを用いた半導体装置に関わり、特にインバ−タ等に適用する半導体素子、制御回路、回路配線、外部端子及び外部電極端子等を備えたパワ−モジュ−ルのような半導体装置及びそれに使用される絶縁基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体装置として、例えば、次のように構成されたハイブリッドＩＣモジュ−ルがある。単一体からなるセラミックス基板の上面に導電箔パタ−ンが形成されて絶縁基板が構成されている。導電箔パタ−ン上に半導体チップを含む所要の構成部品が搭載されて回路構成が行われた後、外囲器に収容され、絶縁基板裏面がその内底面に接着剤で接着されて組込みが行われている。組込み後、回路部分に封止材料であるシリコ−ン樹脂が充填され、さらに、このシリコ−ン樹脂上に保護用樹脂としてのエポキシ樹脂が充填封止され、外囲器外には外部と接続する端子が導出された構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来の絶縁基板として、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム単一体からなるセラミックス基板の上面に、チタンを用いた活性金属ろう付け法により銅箔を接合して放熱性を高めるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、パワ−モジュ−ルのような半導体装置に使用される絶縁基板の従来例を、模式的に示した図９を用いて説明する。絶縁基板２１は、単一体からなるセラミックス基板２２の両面に、それぞれ導電箔２３が接合され、導電箔２３端部とセラミックス基板２２端部との間には一定の絶縁距離を有する構造となっている。
【０００５】
この種の絶縁基板２１は、省エネダイレクトドライブあるいはインテリジェント・アクチュエ−タ等のインバ−タ制御電力機器等に搭載されるパワ−モジュ−ルのような半導体装置の回路基板として用いられている。
【０００６】
絶縁基板２１は、電気絶縁性を保つために、回路が構成される面の導電箔２３はセラミックス基板２２よりも面積を小さくし、導電箔２３端部からセラミックス基板２２端部の間に電気絶縁的な沿面距離を確保している。このようにして、一定の電気的特性、放熱性を示す半導体装置用絶縁基板を得ている。特に、高電圧で使用される電力機器用半導体装置の場合には、セラミックス基板２２上に接合した導電箔２３端部における高い電界集中に対する防護が重要であり、導電箔２３端部からセラミックス基板２２端部までの絶縁距離を一定以上の長さにしている。
【０００７】
この従来の絶縁基板を用いた半導体装置は、通常ポリフェニレンサルファイドあるいはポリブチレンテレフタレ−ト等の絶縁樹脂を用いた絶縁ケ−スと金属放熱板とが組み合わされた外囲器に収められて絶縁基板は金属放熱板上に接合され、絶縁基板上に半導体チップを含む所要の素子を搭載し、金属ワイヤ等で所要の接続を施した上、樹脂封止が行われ、外囲器外には外部接続端子を導出した構造としている。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭６１−４８９４５号公報（第１−２頁、図１）
【０００９】
【特許文献２】
特開昭６０−１７７６３４号公報（第１−２頁、図２）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の構成による絶縁基板の場合には次のような不具合があった。即ち、使用電圧が高くなるにつれて導電箔端部からセラミックス基板端部までの絶縁距離を長くする必要があるため、絶縁基板自体が大きくなり、これによって機械的応力および熱応力のわずかな応力でもセラミックス基板が破壊されやすくなるおそれがあった。また、絶縁基板が大きくなった場合、セラミックス基板と導電箔間の熱膨脹係数の差から発生する熱応力が高まり、熱サイクルによって導電箔がセラミックス基板から剥離するおそれがあった。
【００１１】
これと並んで、高電圧で使用するにあたっては導電箔端部における電界集中が高まり、部分放電の発生に伴う絶縁不良が生じるおそれがあった。この種の絶縁基板の場合、部分放電は半導体装置のノイズ原因になるとともに、長期的な絶縁低下を招く原因ともなる。同様にして、セラミックス基板と導電箔間の剥離も部分放電発生の原因となる。
【００１２】
このように、部分放電は絶縁基板の品質や信頼性低下を招くおそれがあり、半導体装置を使用した大容量のパワ−ユニットは、通常、圧延ライン、半導体製造など大きな工場の電源、車両やエレベ−タ等の産業機器の電源装置に使用されており、半導体装置の動作不良や破壊によるパワ−ユニットの停止がシステムダウンにつながった場合には社会的損害も極めて大きいものとなるおそれがあった。
【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、耐久性、絶縁性及び放熱性が優れ、高電圧が適用されても高い信頼性を有する絶縁基板及びそれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、セラミックス基板の表面に導電箔を配置してなる絶縁基板において、前記セラミックス基板は複数枚のセラミックス板を積層した構成とし、当該積層した各セラミックス板の層間は絶縁樹脂層で接合されていることを要旨とする。
【００１５】
積層した各セラミックス板を接合している絶縁樹脂層により、セラミックス板と導電箔間の熱膨脹係数の差等に起因して生じる熱応力が緩和され、セラミックス板のクラック、セラミックス板からの導電箔の剥離等が抑制される。また、絶縁樹脂層により、絶縁性が高められる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、複数枚積層された前記セラミックス板のうち、前記導電箔を配置した表層のセラミックス板は、複数に分割して配置されていることを要旨とする。
【００１７】
導電箔を配置した表層のセラミックス板を複数に分割することで、セラミックス基板の応力発生がさらに低減する。
【００１８】
請求項３記載の発明は、セラミックス基板の表面に導電箔を配置してなる絶縁基板において、前記セラミックス基板表面に絶縁樹脂層を設け、前記導電箔は前記絶縁樹脂層を用いて前記セラミックス基板表面に接合されていることを要旨とする。
【００１９】
導電箔を絶縁樹脂層を用いてセラミックス基板表面に接合したことで、セラミックス基板と導電箔間の接合部分の応力が緩和されて、セラミックス基板からの導電箔の剥離が抑制される。また、導電箔端部に絶縁樹脂層が密着し、導電箔縁面の微小な凹凸が被覆されることで、部分放電の発生が抑制されて絶縁性が高められる。
【００２０】
請求項４記載の発明は、前記絶縁樹脂層のうち、前記導電箔を接合している部分のみは絶縁樹脂層に代えて導電性樹脂層であることを要旨とする。
【００２１】
導電箔を接合している樹脂層の熱伝導性が向上し、半導体チップ等が搭載される導電箔からの放熱性が高められる。
【００２２】
請求項５記載の発明は、複数に分割された前記表層のセラミックス板を接合している部分のみは絶縁樹脂層に代えて導電性樹脂層であることを要旨とする。
【００２３】
導電箔が配置される分割セラミックス板を接合している樹脂層の熱伝導性が向上し、導電箔からの放熱性が高められる。
【００２４】
請求項６記載の発明は、請求項１、２又は５記載の絶縁基板を用い、前記導電箔上に半導体チップを含む所要の素子が搭載され、所要の配線が施されていることを要旨とする。
【００２５】
熱応力が緩和されて耐久性が高められ、絶縁樹脂層により絶縁性が高められ、また導電箔からの放熱性が高められた絶縁基板を用いることで、信頼性の高い半導体装置を実現することが可能となる。
【００２６】
請求項７記載の発明は、請求項３又は４記載の絶縁基板を用い、前記導電箔上に半導体チップを含む所要の素子が搭載され、所要の配線が施されていることを要旨とする。
【００２７】
請求項６記載の発明と略同様の作用がある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。本実施の形態では、図１において、絶縁基板１Ａを構成するセラミックス基板２Ａが、２枚のセラミックス板３、３を積層して構成され、その２枚のセラミックス板３、３の層間が絶縁樹脂層４で接合されている。セラミックス基板２Ａの両面には、それぞれ、導電箔５が接合されている。一面の導電箔５は、半導体チップを含む所要の素子等が搭載される回路面となり、他面の導電箔５は、金属放熱板等に接合されて放熱面となる。
【００３０】
セラミックス板３の材質は、熱伝導性の高い窒化アルミニウムが用いられるが、その他、同様に熱伝導性の高い窒化ケイ素等も用いられる。また、セラミックス板３の積層枚数は、２枚以上の複数枚であればよい。
【００３１】
絶縁樹脂層４として用いる絶縁樹脂には、熱硬化性縁樹としてはエポキシ樹脂が適しているが、その他、全芳香属ポリイミド、シリコ−ン樹脂等を用いてもよい。また、熱可塑性縁樹としてはポリフェニレンサルファイド、熱可塑性ポリイミド、ポリエ−テルエ−テルケトン、液晶ポリマ−、シンディオタクティックポリスチレン等のエンジニリングプラスチック、さらには、これらのうち２つ以上の組み合わせによるポリマ−アロイを用いてもよい。
【００３２】
これら絶縁樹脂には充填剤としてガラス繊維、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素等、あるいはこれらのうち複数を組み合わせて添加してもよい。さらに、低応力化剤としてシリコ−ン、ゴム、ポリオレフィン等の粒子あるいはオイル等を加えてもよい。また、難燃剤として臭素系、塩素系等のハロゲン系難燃剤、りん系難燃剤、無機系難燃剤等を添加してもよく、これらに加え、例えばシラン等のカップリング剤、離型剤として各種ワックス類、カ−ボンブラック等の顔料のうち少なくとも１つを加えて用いてもよい。
【００３３】
図２は、上述した第１の実施の形態の絶縁基板１Ａと比較例として前記図９に示した従来の絶縁基板について、温度差２１５℃の熱サイクル試験を実施した結果を示している。同図の特性は、温度差２１５℃の熱サイクル回数の増加に伴うクラック及び剥離の発生率の変化を示したものであり、クラック及び剥離の発生は超音波探傷法によって検出したものである。同図の特性から明らかなように、本実施の形態の絶縁基板１Ａは従来の絶縁基板に比べ、熱サイクルに対する耐久性が格段に向上していることが分かる。
【００３４】
上述したように、本実施の形態の絶縁基板１Ａによれば、積層した各セラミックス板層間の絶縁樹脂層４により、セラミックス板３と導電箔５間の熱膨脹係数の差等に起因して生じる熱応力が緩和され、セラミックス板３のクラック、セラミックス板３からの導電箔５の剥離等が抑制され、また、絶縁樹脂層４により、絶縁性が高められて、高電圧が適用されても高い信頼性が得られる。
【００３５】
図３には、本発明の第２の実施の形態を示す。本実施の形態の絶縁基板１Ｂは、セラミックス基板２Ｂを構成する複数枚積層されたセラミックス板のうち、導電箔５が形成された表層のセラミックス板が複数３ａ、３ｂ、…に分割して配置されている。本実施の形態の絶縁基板１Ｂは、このように構成にすることで、セラミックス基板２Ｂの応力発生をさらに低減することができる。
【００３６】
図４には、本発明の第３の実施の形態を示す。本実施の形態の絶縁基板１Ｃは、セラミックス基板２Ｃの表面に絶縁樹脂層４が設けられ、セラミックス基板２Ｃ表層側の導電箔５は、この絶縁樹脂層４により接合されている。本実施の形態の絶縁基板１Ｃは、このように構成にすることで、セラミックス基板２Ｃと導電箔５の接合部分の応力が緩和されてセラミックス基板２Ｃからの導電箔５の剥離が抑制される。また導電箔５端部に絶縁樹脂層４が密着し、導電箔５縁面の微小な凹凸が被覆されることで、部分放電の発生が抑制されて絶縁性を高めることができる。
【００３７】
図５には、本発明の第４の実施の形態を示す。本実施の形態の絶縁基板１Ｄは、上記第３の実施の形態の構成において、セラミックス基板２Ｃの表面に設けられた絶縁樹脂層４のうち、導電箔５を接合している部分のみは絶縁樹脂層に代えて導電性樹脂層６としている。導電性樹脂層６の部分は、絶縁樹脂に導電性粒子を充填することで作製される。その絶縁樹脂には、熱硬化性縁樹としてはエポキシ樹脂が適しているが、その他、全芳香属ポリイミド、シリコ−ン樹脂等を用いてもよい。また、熱可塑性縁樹としてはポリフェニレンサルファイド、熱可塑性ポリイミド、ポリエ−テルエ−テルケトン、液晶ポリマ−、シンディオタクティックポリスチレン等のエンジニリングプラスチック、さらには、これらのうち２つ以上の組み合わせによるポリマ−アロイを用いてもよい。これら絶縁樹脂に充填剤として銀、アルミニウムなどの金属粒子あるいはカ−ボン粒子といった導電性粒子、またこれら複数を組み合わせて添加することで、導電性樹脂層６とする。
【００３８】
本実施の形態の絶縁基板１Ｄは、このように構成にすることで、上記第３の実施の形態における応力緩和作用及び部分放電発生の抑制作用に加えて、さらに導電箔５を接合した樹脂層の熱伝導性が向上し、半導体チップ等が搭載される導電箔５からの放熱性を高めることができる。
【００３９】
図６には、本発明の第５の実施の形態を示す。本実施の形態の絶縁基板１Ｅは、前記第２の実施の形態の構成において、分割された表層のセラミックス板３ａ、３ｂを接合している部分のみは絶縁樹脂層に代えて導電性樹脂層６としている。導電性樹脂層６部分の作製法は、上記第４の実施の形態の場合と同様である。本実施の形態の絶縁基板１Ｅは、このように構成にすることで、前記第２の実施の形態における応力発生の低減作用に加えて、さらに導電箔５が形成されている分割セラミックス板３ａ、３ｂを接合している樹脂層の熱伝導性が向上し、導電箔５からの放熱性を高めることができる。
【００４０】
図７には、本発明の第６の実施の形態を示す。本実施の形態の半導体装置１０Ａは、前記第１、第２又は第５の実施の形態の絶縁基板を用いて半導体装置１０Ａが構成されている。図７では、第１の実施の形態の絶縁基板１Ａを用いた例が示されている。図７において、外部接続端子７が備えられた絶縁ケ−ス８と金属放熱版９とが組合わされて外囲器が構成されている。絶縁基板１Ａは、上面の導電箔５に半導体チップ１１を含む所要の素子が搭載され、裏面の導電箔５が金属放熱版９に接合されて外囲器に組込まれている。組込み後、金属ワイヤ１２による上面の導電箔５と外部接続端子７間のボンディング接続等の所要の接続配線が施され、さらに、シリコ−ン樹脂、エポキシ樹脂等の封止材１３による充填封止が行われて半導体装置１０Ａが構成されている。
【００４１】
本実施の形態の半導体装置１０Ａは、このように構成にすることで、熱応力が緩和されて耐久性が高められ、絶縁樹脂層により絶縁性が高められ、また導電箔からの放熱性が高められた絶縁基板を回路基板として用いることにより、信頼性の高い半導体装置が実現される。
【００４２】
図８には、本発明の第７の実施の形態を示す。本実施の形態の半導体装置１０Ｂは、前記第３又は第４の実施の形態の絶縁基板を用いて半導体装置１０Ｂが構成されている。図８では、第３の実施の形態の絶縁基板１Ｃを用いた例が示されている。半導体装置１０Ｂにおける絶縁基板１Ｃ以外の部分の構成は、上記第６の実施の形態と略同様である。本実施の形態の半導体装置１０Ａは、このように構成にすることで、上記第６の実施の形態の半導体装置と略同様の作用・効果がある。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、２及び３記載の発明によれば、樹脂層により熱応力が緩和されて耐久性が優れ、また絶縁樹脂層により絶縁性が高められて、高電圧が適用されても高い信頼性を有する絶縁基板を提供することができる。
【００４４】
請求項４及び５記載の発明によれば、上記効果に加えてさらに、導電樹脂層により放熱性が高められ、高電圧が適用されても一層高い信頼性を有する絶縁基板を提供することができる。
【００４５】
請求項６及び７記載の発明によれば、耐久性、絶縁性及び放熱性が優れた絶縁基板を用いることで、高電圧が適用されても高い信頼性を有する半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である絶縁基板の断面図である。
【図２】上記第１の実施の形態における熱サイクル試験結果を比較例とともに示す特性図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態である絶縁基板の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態である絶縁基板の断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態である絶縁基板の断面図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態である絶縁基板の断面図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態である半導体装置の断面図である。
【図８】本発明の第７の実施の形態である半導体装置の断面図である。
【図９】従来の絶縁基板の断面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ  絶縁基板
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｅ  セラミックス基板
３  セラミックス板
３ａ、３ｂ  分割されたセラミックス板
４  絶縁樹脂層
５  導電箔
６  導電性樹脂層
１０Ａ、１０Ｂ  半導体装置
１１  半導体チップ
１２  配線接続用の金属ワイヤ
【図１】
2004266139.tif 000003
【図２】
2004266139.tif 000004
【図３】
2004266139.tif 000005
【図４】
2004266139.tif 000006
【図５】
2004266139.tif 000007
【図６】
2004266139.tif 000008
【図７】
2004266139.tif 000009
【図８】
2004266139.tif 000010
【図９】
2004266139.tif 000011