(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基体の一主面上に、所定の間隔を隔てて配列され固着された複数の絶縁板を有し、
２つ以上の前記絶縁板上にまたがり、該絶縁板上に固着されている配線を有する半導体装置の実装構造であって、
前記絶縁板の側面は、該絶縁板の主面とは直角以外の角度をなす部分をもち、
前記導電性基体の一主面と、前記配線の表面との両方に垂直に交差する任意の線分は、必ず、いずれかの前記絶縁板と交差する、
ことを特徴とする半導体装置の実装構造。
【請求項２】
前記複数の絶縁板の少なくとも２つが、第一の絶縁板と、該第一の絶縁板の全外縁を囲む第二の絶縁板である、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項３】
前記絶縁板の側面が、複数枚の絶縁性薄板をずらして積層してなる、段差を有する形状をもつ、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項４】
前記絶縁性薄板の中の、隣接する少なくとも２枚の対向部が、互いに嵌合可能な凸部と凹部の片方ずつをもっている、
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項５】
前記絶縁性薄板の凸部が碇型をなしている、
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の実装構造に関し、特に、電力用半導体装置の実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力用半導体モジュールの内部構造には、たとえば、下記特許文献１に記載されたようなものがある。
【０００３】
すなわち、放熱と電力用半導体モジュール全体の剛性を受け持つ基体（分厚い銅板）の上に絶縁板（セラミック製）があり、その上に配線（たとえば銅箔）がある。そして、これら部材の、対面する各々の面同士ほぼ全面が熱伝導性の高い接着材（たとえば鑞など）で接着されている。
【特許文献１】特開平１１−１２１６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記３つの部材、すなわち、基体部材、絶縁板部材、配線部材は、接着される部材間での熱膨張係数が異なるため、接着面が、あるサイズ以上になると、使用温度範囲によっては個々の接着部に発生した過大な熱応力により、接着面が壊れる。よって、絶縁板のサイズには使用温度範囲に伴う上限があった。どうしても複数の絶縁板にまたがって配線しなければならない場合は、基体と配線間の絶縁距離を保つため、２つの絶縁板上の配線同士をワイヤボンディングで接続するなど、複雑な製造工程が必要であった。
【０００５】
本発明は、このような応力に起因する絶縁板の面積制限の問題を解決し、配線と基体との間の電気絶縁性を保ち、しかも、製造コストのかからない半導体装置の実装構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
導電性基体上に、所定の間隔を隔てて配列され、固着された複数の絶縁板の２つ以上にまたがって、該絶縁板の上に固着されている配線を有し、前記絶縁板の側面は、前記絶縁板の主面とは直角以外の角度をなす部分をもち、前記導電性基体の表面と、前記配線の表面との両方に垂直に交差する任意の線分は、必ず、いずれかの前記絶縁板と交差することを特徴とする半導体装置の実装構造を構成する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、基体と配線の間で高電圧がかかる可能性があり、両者の間を絶縁しなければならない構成において、絶縁板を複数の小規模なものに分割しても、配線と基体との間の電気絶縁性を保てる、という効果があり、これによって、配線と基体との間の電気絶縁性を保ち、しかも、製造コストのかからない半導体装置の実装構造を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態例を説明する。
【０００９】
［第１の実施の形態例］
図１は、本発明の第１の実施の形態例である実装構造を説明する断面図である。図中、１０は導電性基体で、たとえば厚さ３ミリ程度の銅製である。２１、２２、２３は絶縁板で、たとえばセラミック製である。絶縁板２１、２２、２３は、導電性基体１０の一主面（図中、上面）に、導電性基体１０の一主面に沿って、所定の間隔を隔てて配列され固着されている。３０は金属箔からなる配線で、図に示すように複数の絶縁板２１、２２、２３の上にまたがり、絶縁板２１、２２、２３の上に固着されている。
【００１０】
なお、導電性基体１０と絶縁板２１、２２、２３、絶縁板２１、２２、２３と配線３０は然るべき領域で鑞材などによって互いに接着されているが、本発明の本質に関与しないので図示していない。
【００１１】
絶縁板２１、２２、２３の縁部は、図１中に示すように、複数枚の絶縁性薄板を、ずらして積層してなる、段差を有する形状をもっており、隣り合う絶縁板同士の間は、本構造が製造され、使用される温度範囲において、絶縁板同士が接触しないよう適宜、導電性基体１０の一主面（図中、上面）上、所定の距離を離して配列されている。絶縁板２１、２２、２３の側面は、絶縁板２１、２２、２３の主面とは直角以外の角度をなす部分（図中、導電性基体１０と絶縁板２１、２２、２３との間に存在する、該主面と平行な部分）をもち、導電性基体１０の上面と、配線３０の表面との両方に垂直に交差する任意の線分は、必ず、いずれかの前記絶縁板と交差するように配列されている。
【００１２】
図１中に示すように、厚さが均一な絶縁板２１、２２、２３の縁部が上下に重なり合っている幅Ｌの部分には、絶縁板の製造時や組立時の誤差、ならびに使用温度条件下での熱膨張を考慮し、上下の絶縁板が接触せぬよう、僅かな空隙ｄが設けられている。ちなみに、絶縁板２１、２２、２３のような構造は、セラミックを焼成する前に整形してよいし、図２に示したように、複数枚の絶縁性薄板２１ａと２１ｂとを、互いの縁をずらして、接着材４０によって接着して、絶縁板２１を構成してもよい。絶縁板２２、２３についても同様である。
【００１３】
ここで、図１に示すように、隣接する絶縁板（たとえば２１と２２）の縁部の重なり合った距離をＬ、絶縁板を挟んだ導体１０と配線３０との間の距離（図示していないが絶縁板と導体１０や配線３０とを接着している接着剤の厚みも含む）をｔとすると、距離Ｄ＝（Ｌ＋ｔ）が導電性基体１０と配線３０との間の絶縁耐圧を決める縁面距離となる。たとえば、大気圧下の乾燥空気中で、この値が３ミリ程度でも千Ｖ以上の絶縁耐圧をもつことを実験によって確認している。さらに、空隙に、従来の電力用半導体モジュールに使われているシリコーン・ゲルを充填すれば、さらに高い耐圧が確保できる。
【００１４】
また、導電性基体１０が熱を受けて、図３に示すように導電性基体１０が反ってしまった場合、もしくは、最初から図に示すように湾曲していたり、緩やかにうねっている場合でも、本発明を用いれば、大きな絶縁回路基板を実装することができる。逆に、導電性基体１０が、はじめから、ある程度の可撓性を有する素材からなる場合でも、本発明のような分割絶縁板の構成は、その特性をさまたげない、という効果をもつ。また、従来の絶縁板は導電性基体とその対抗面のほぼ全面で接着されていたが、必ずしも全面で接着している必要はなく、放熱性などに関与する領域のみが接着していればよい。さらに、配線は絶縁板と固着させていない領域で、図３中に示したように、蛇行部５０を持たせるなどすれば、温度変化による応力発生を抑制でき、本発明の効果を妨げないですむ。
【００１５】
なお、絶縁板の縁部の段差は、さらに数段あってもよいし、その場合、図４に示すように段差は必ずしも階段状になっていなくてもよい。図４においては、前記距離Ｄは、Ｄ＝２Ｌ＋ｔとなっている。
【００１６】
なお、絶縁板の縁部２１、２２、２３の側面は、図５に示すように、斜めになっていてもよい。この場合には、絶縁板２１、２２、２３の側面のすべての部分が、絶縁板２１、２２、２３の主面とは直角以外の角度をなす。要は、絶縁板の存在によって、遍く、導電性基体１０から配線３０へ至る縁面距離（図５においてはＤ）が、導体１０と配線３０との間の距離ｔよりも長くなっていれば本発明の範疇であり、そのための絶縁板２１、２２、２３の側面の形状は任意である。従来例において、熱応力低減のために、絶縁板を分割した場合には、この縁面距離Ｄが距離ｔに等しいので、絶縁耐圧は本発明に係る実装構造よりも劣ることになる。
【００１７】
図６は、図５の断面図に対応する平面図であり、図中、導電性基体１０に垂直な平面Ａ−Ａ’もしくはＢ−Ｂ’で切った断面図は、図５に対応する。図６において、ハッチング部４０は、絶縁板２１と導電性基体１０との間の接着部であり、接着材と同じ符号を付してある。
【００１８】
［第２の実施の形態例］
図７、８は、本発明の第２の実施の形態例である実装構造を説明する断面図である。図７は平面図であり、図８は、図７中の導電性基体１０に垂直な平面Ａ−Ａ’で切った断面図である。導電性基体１０に垂直な平面Ｂ−Ｂ’で切った断面も同様である。
【００１９】
なお、ここでも、配線３０は図８に示すように、各絶縁板をまたいで存在しているが、図７では、説明のため、配線３０は図示していない。図２に示すように、絶縁板が複数の絶縁性薄板を積層させた構成である方が説明しやすいので、それを用いる。図７中、左上の絶縁板２１のみ、半透明であるかのように、その下層部を示した。ハッチング部４０は、絶縁性薄板２１a〜２１ｃ、導電性基体１０、ならびに、図示していない配線３０の間を接着する接着部であり、接着材と同じ符号を付してある。実質上、電力用半導体チップなど発熱部は、この領域内の配線上に乗せることになる。
【００２０】
図２に示すように、絶縁板２１、２２、２３を一列に配列する場合には、縁部の階段状の形状は１段分すなわち、絶縁性薄板を２枚積層した構造でよいが、これをこのまま２次元に配列すると、どうしても導電性基体１０と配線３０とが絶縁板の存在なしに対面してしまう部分を生じる。よって、図７に示すように、２次元に絶縁板を配列する場合には、縁部には２段以上の段差状（すなわち絶縁性薄板を３枚以上積層したような）形状を必要とする。なお、図７ならびに図８では、絶縁板の縁は、あたかも絶縁性薄板を同じ方向に同じ量だけずらして積層したような階段形状を示したが、トータルのずらし量は絶縁耐圧に影響するが、個々の段差のずらし量は任意である。
【００２１】
［第３の実施の形態例］
次に、さらに別の実施の形態例について説明する。実際、上記のような構造を組み立てる場合、導電性基体上に絶縁板を配置する工程で、１つ１つを位置合わせしてゆく作業がある。そこで、図９に示すように、絶縁板に位置あわせ用の凸部（６０で例示）と、これと嵌合可能な凹部（６１で例示）を設けると、これを簡便に行うことができる。図９は、この様子を示した絶縁板の平面図である。この場合に、隣接する２枚の絶縁性薄板の対向部が、互いに嵌合可能な凸部と凹部の片方ずつをもっている。図中の破線と一点鎖線は、それぞれ、上段の絶縁性薄板２１ａの下に位置する、中段の絶縁性薄板２１ｂの縁と、下段の絶縁性薄板２１ｃの縁を示している。なお、図では、段差の上段の絶縁性薄板のみに凹凸部を配したが、下段の絶縁性薄板に形成しても、あるいは全絶縁性薄板に及んで凹凸部があってもよい。また、図では説明のため、凸部６０と凹部６１のサイズを大きく描いたが、実際には必要最小限度の大きさでよい。
【００２２】
さらに、この凸部６０と凹部６１は、図１０に示すように、凸部６０は碇型を呈し、凹部６１はこれと嵌合可能な形状をもち、両者が嵌合して、配線３０（図示せず）の主面に沿った方向の外力によっては、隣接する絶縁板が分離しないようにしてもよい。とくに、絶縁板を複数の絶縁性薄板を積層して形成する場合、絶縁板自体の組み立て工程において、前記上段でも下段でもない、中間の段の絶縁性薄板にこのような形状を適用することにより、導電性基体１０上に実装する前に必要な絶縁板全体を一体化でき、すぐれた可搬性を獲得する。
【００２３】
［第４の実施の形態例］
次に、さらに別の実施の形態例について、図１１を使って説明する。導電性基体１０の表面にあって、中央の絶縁板２１の全周縁（全外縁）を、額縁形状の絶縁板２２が、所定の間隔を隔てて、囲っている。さらに、絶縁板２２の全外縁を同じく額縁形状の絶縁板２３が、所定の間隔を隔てて、囲っている。なお、図中の導電性基体１０に垂直な平面Ａ−Ａ’、または、Ｂ−Ｂ’で切った断面図は図１と同様である。なお、図１１においても、絶縁板形状の説明のため、配線３０は図示していない。
【００２４】
熱膨張係数差によって接合部にかかる応力は、接合の中心から外へ向かう方向にかかり、それと直角な方向にはあまりかからない。よって、図１１において、絶縁板２２や２３が絶縁板２１よりも大きな外形をもっていても、それ自体が幅の狭い額縁状をしている限りは、接合部に発生する応力は比較的小さい。よって、このような形態例が有効となる。
【００２５】
なお、図１１においては、絶縁板２１を長方形、絶縁板２２、２３を額縁形状としたが、もちろん、図１２に示すように、絶縁板２１は円形、絶縁板２２、２３が円環平板状であってよい。また、それぞれの縁部の形状には、上記の実施の形態例がそのまま適用できる。たとえば、図１２における導電性基体１０に垂直な平面Ａ−Ａ’で切った断面図は図１と同様である。
【００２６】
以上のように、本発明によれば、基体と配線の間で高電圧がかかる可能性があり、両者の間を絶縁しなければならない構成において、配線の面積が大きく、そのまま配線と絶縁板、絶縁板と基体を固着させると、熱膨張係数差によって接合部に発生する応力が心配な構成において、絶縁板を複数の小規模なものに分割しても、配線と基体との間の電気絶縁性を保てる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施の形態例を説明する断面図である。
【図２】第１の実施の形態例を説明する断面図である。
【図３】第１の実施の形態例の一効果を説明する断面図である。
【図４】第１の実施の形態例を説明する断面図である。
【図５】第１の実施の形態例を説明する断面図である。
【図６】図５の断面図に対応する平面図である。
【図７】第２の実施の形態例を説明する平面図である。
【図８】図７の平面図に対応する断面図である。
【図９】第３の実施の形態例を説明する平面図である。
【図１０】第３の実施の形態例を説明する平面図である。
【図１１】第４の実施の形態例を説明する平面図である。
【図１２】第４の実施の形態例を説明する平面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０：導電性基体、２１、２２、２３：絶縁板、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２３ａ、２３ｂ：絶縁性薄板、３０：配線、４０：接着材または接着部、５０：蛇行部、６０：凸部、６１：凹部。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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