(57)【要約】【課題】小型かつ高信頼性の半導体モジュールを得る。【解決手段】絶縁基板３上の回路電極２ａの端を起点として絶縁基板３の端に向かって絶縁基板３上に形成された固体絶縁物１０ａと、回路電極２ａと端部で電気的に接続し、少なくとも固体絶縁物１０ａの一部の上に形成された導電層１１ａとを備える半導体モジュールである。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に形成された回路電極の端を起点として前記絶縁基板の端に向かって前記絶縁基板上に形成された固体絶縁物と、
前記回路電極と電気的に前記回路電極の端で接続し、少なくとも固体絶縁物の一部の上に形成された導電層と、
を備える半導体モジュール。
【請求項２】
導電層が導電塗料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
固体絶縁物を覆うように形成された絶縁封止材を有し、
前記固体絶縁物の比誘電率は、前記絶縁封止材の比誘電率と同じか、または前記絶縁封止材の比誘電率よりも大きいこと
を特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
絶縁基板は、無機材料からなることを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
導電層は、絶縁基板の端に向かって、絶縁基板面からの法線距離が大きくなっていくことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
絶縁基板と回路電極を接合する接合材により回路電極端部に突出部ができている基板において、固体絶縁物の厚さを少なくとも前記接合材の突出部の高さよりも厚くすることを特徴とする請求項1乃至５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載した半導体モジュールを、１個または複数個備えたこと
を特徴とする半導体装置。
【請求項８】
絶縁基板面上に、回路電極の端から絶縁基板の端までを覆うように固体絶縁物を形成する工程と、
前記回路電極の端と電気的に前記回路電極の端で接続し、少なくとも固体絶縁物の一部の上に導電層を形成する工程と、
を備える半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体モジュール及びそれを用いた半導体装置に関するものであり、詳しくは電界緩和構造を有し、小型で高信頼性の半導体モジュール及びそれを用いた半導体装置及び半導体モジュールの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュール、特に印加電圧が高く、電力変換機器等に広く用いられているパワー半導体モジュールは、半導体基板端等での電界集中による局所放電が生じやすく、パワー半導体素子の破壊、誤動作を引き起こすことがある。そのため半導体基板端の電極を設けない絶縁基板部分を広くする等して絶縁破壊を抑制することが必要であり、高信頼性と同時に小型化を達成することは困難である。
【０００３】
この電界集中による局所放電を防止し、半導体モジュールの高い信頼性と同時に小型化を達成するために、半導体基板端近傍において最も電界集中が生じやすい回路電極の下端部分を削り込み、突出させないように加工し、電界集中を防止することで局所放電を回避する手法が提案されている。
【０００４】
この手法を用いた半導体モジュールでは、最も電界集中の起こりやすい半導体基板端の回路電極の下端部分がくぼむように加工し、電界集中に起因する局所放電を抑制する。これにより、半導体モジュールでの半導体素子破壊や誤動作を抑制することができる（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４９１４１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の半導体モジュールでは、回路電極は数１００μｍ程度の厚みしかないため、回路電極端部で安定して高精度に同一形状を得ることは容易ではなく、加工ばらつきを考慮すると余裕を持った電極等の配置が必要であり、小型化が容易でないという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、半導体基板端での回路電極の形状を調整することにより、電界集中に起因する局所放電を再現性よく抑制し、それに起因する半導体素子の誤動作、素子破壊を防ぎ、小型化を図った半導体モジュールを容易に得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体モジュールは、絶縁基板上に形成された回路電極の端を起点として絶縁基板の端に向かって絶縁基板上に形成された固体絶縁物と、回路電極と電気的に回路電極の端で接続し、少なくとも固体絶縁物の一部の上に形成された導電層と、を備えるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体モジュールは、固体絶縁物上に導電層を形成したことにより、半導体基板端での電界集中、局所放電を安定して抑制することができ、小型で信頼性の高い半導体モジュールを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る絶縁基板にパワー半導体素子を実装したパワー半導体基板の平面模式図である。
【図２】実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの断面模式図である。
【図３】実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【図４】実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの半導体基板端での電界強度と導電層の長さの関係を示す図である。
【図５】実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【図６】実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの固体絶縁物の形成方法を示す模式図である。
【図７】実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【図８】実施の形態４に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【図９】実施の形態５に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【図１０】実施の形態６に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【図１１】実施の形態６に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【図１２】実施の形態６に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【図１３】実施の形態６に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【図１４】実施の形態６に係るパワー半導体モジュールの接合材突出部の電界強度と導電層長さの関係を示す図である。
【図１５】実施の形態７に係るパワー半導体モジュールの断面模式図である。
【図１６】実施の形態７に係るパワー半導体モジュールの回路電極間の拡大断面模式図である。
【図１７】実施の形態８に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【図１８】実施の形態８に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【図１９】実施の形態９に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【図２０】実施の形態９に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態の説明及び各図において、同一の符号を付した部分は、同一又は相当する部分を示すものである。
【００１２】
また、実施の形態において、半導体基板とは、絶縁基板面に回路電極を形成し、さらに１個または複数の半導体素子を実装したものを言う。さらに半導体基板に接続端子、放熱板等を付け、単独で機能を有する電子部品の状態としたものを半導体モジュールと呼び、特にパワー半導体モジュールという場合には、絶縁基板面に回路電極を形成し、さらに１個または複数のパワー半導体素子を実装してパワー半導体基板を得て、このパワー半導体基板を封止樹脂に浸漬し、接続端子等を取り付け、リッドにパッケージした状態としたものを示している。
【００１３】
さらに、半導体モジュール、パワー半導体モジュールを、１個または複数個用いて単独で操作、使用できるようにしたものを、それぞれ、半導体装置、パワー半導体装置と呼ぶ。
【００１４】
実施の形態１．
図１〜３を用いて、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの構成を説明する。本実施の形態では、半導体モジュールのうち、特に高電圧を印加するパワー半導体モジュールについて説明するが、パワー半導体モジュールよりも耐圧が低い通常の半導体素子を用いた半導体モジュールでも同様の効果がある。すなわち、低電圧であっても小型化により高電界となる場合があるが、本発明により基板端での電界集中、局所放電を安定して抑制し、小型で高信頼性の半導体モジュールが容易に得られるという効果を有する。
【００１５】
図１は、実施の形態１に係るパワー半導体素子を実装したパワー半導体基板の平面模式図である。また、図２は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの断面模式図、図３は実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの端部の拡大断面模式図である。
【００１６】
パワー半導体基板１ａは、図１に示すように、回路パターンを例えば写真製版法を用いて形成した回路電極２ａ、２ｂが絶縁基板３の両面に形成され（裏面の回路電極２ｂは図１には図示せず）、回路電極２ａ上にパワー半導体素子４が実装されている。本実施の形態では、絶縁基板３は絶縁性セラミックである窒化アルミニウムからなり、回路電極２ａ、２ｂは銅箔によって形成されている。
【００１７】
パワー半導体モジュール５は、図２に断面模式図を示すように、図１で説明したパワー半導体基板１ａの裏面をはんだ６によりアルミニウムからなる放熱用の金属ベース基板７に取り付け、さらに、導電性のリッド８でパワー半導体基板１ａの全面を覆い、シリコーンゲルからなる絶縁封止材９にパワー半導体基板１ａを浸漬して得る。事前にパワー半導体基板１ａを外部回路等と接続する接続端子（図示せず）をリッド８の外部に取り出しておき、この接続端子を他の電子回路等と接続して使用する。なお、絶縁基板３の表面側に形成された回路電極２ａ上にはパワー半導体素子４が実装されているので、パワー半導体素子の動作に応じて高電圧が印加されることとなる。一方、絶縁基板３の裏面側に形成された回路電極２ｂは、はんだ６を介して金属ベース基板７に接続しているので、回路電極２ｂは金属ベース基板７と電気的に接続されて同電位となっている。
【００１８】
図２の破線Ａで示した領域を拡大し、図３に示す。図３は、パワー半導体モジュール５の端部の拡大断面模式図で、図３を用いて、本実施の形態における電界集中、局所放電を抑制する方法を具体的に説明する。
【００１９】
絶縁基板３の上面端部の回路電極２ａが形成されていない部分に、シリコーンゴムからなる固体絶縁物１０ａが形成され、その上に導電性ペースト（銀ペースト）を用いて導電層１１ａが長さｄｍｍの範囲で塗布し乾燥することにより形成されている。導電層１１ａは、回路電極２ａの端部で回路電極２ａと電気的に接続している。なお、固体絶縁物１０ａは、シリコーン系樹脂を塗布して硬化させることにより形成される。また、導電層１１ａは導電性ペーストを焼成してもよいが、その場合は、下地となるシリコーンゴムの耐熱性を考慮して焼成温度を設定する。
【００２０】
さらに、固体絶縁物１０ａは部分放電劣化の原因となるボイドをその中に含まないように形成することが信頼性の観点から重要である。従来は、回路電極２ａ断面の削り取った部分の下に固体絶縁物１０ａを塗布する必要があったため、ボイドを含みやすく、ボイドなしで固体絶縁物１０ａを塗布することは非常に困難であった。しかし本実施の形態において、絶縁基板３上に固体絶縁物１０ａを形成し、その後に導電層１１ａを形成するため、固体絶縁物１０ａの形成は特に阻害されることはなく、ボイドの発生を抑制した固体絶縁物１０ａを容易に形成することができる。従って、ボイドの発生が抑制された高信頼性のパワー半導体モジュール５を得ることができるという特長を有する。
【００２１】
本実施の形態で用いた窒化アルミニウムからなる絶縁基板３の厚みは０．５ｍｍ、比誘電率は９である。回路電極２ａ、２ｂは銅箔からなり、厚みは両面とも０．４ｍｍである。さらに、金属ベース基板７とパワー半導体基板１ａを接続するはんだ６の厚みは０．１ｍｍとした。絶縁基板３上に形成した固体絶縁物１０ａと絶縁封止材９はいずれもシリコーン系樹脂を硬化したものであり、その比誘電率はいずれも３であった。従って、もし導電層１１ａが設けられていなければ、絶縁基板３と回路電極２ａと固体絶縁物１０ａとの三重点（トリプルジャンクション）の近傍に電界集中が発生しやすく、絶縁基板３と絶縁封止材９との界面方向において局所放電が発生しやすい構造となっている。本実施の形態では、固体絶縁物１０ａの上に導電層１１ａを設ける構成としたので、三重点近傍での電界が緩和され、局所放電の発生を抑制できる。
【００２２】
実際に、はんだ６及び金属ベース基板７を介して回路電極２ｂをグランドに接地すると共に、回路電極２ａに１ｋＶの電圧を印加し、絶縁基板３と接するそれぞれ上下の回路電極２ａ、２ｂの端部である回路電極端部（図中の丸で表示）１２、１３での電界強度を求めた。回路電極端部１２は絶縁基板３と回路電極２ａと固体絶縁物１０ａとの三重点であり、回路電極端部１３は絶縁基板３と回路電極２ｂと絶縁封止材９との三重点となっている。導電層１１ａは、導電層１１ａを形成しない時（導電層１１ａの長さｄ＝０ｍｍ）から導電層１１ａの長さｄ＝２ｍｍまでの範囲で検討を行なった。
【００２３】
図４は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの回路電極端部１２、１３での電界強度と導電層１１ａの長さｄの関係を示す図である。図４は縦軸に回路電極端部１２、１３での電界強度、横軸は導電層１１ａの長さｄを示している。なお、電界の方向は、回路電極端部１２では絶縁基板３と固体絶縁物１０ａとの界面方向、回路電極端部１３では絶縁に板３と絶縁封止材９との界面方向である。黒丸は回路電極端部１２の近傍の電界強度を示し、白丸は回路電極端部１３の近傍の電界強度を示している。導電層１１ａが短い時は、上面の回路電極端部１２での電界強度が大きく、上面の回路電極端部１２の近傍で電界集中が生じ、局所放電が起こりやすい状態になっていることが分かる。
【００２４】
導電層１１ａが１ｍｍ以上になると、反対に下面の回路電極端部１３での電界強度が相対的に大きくなり、下面の回路電極端部１３の近傍で電界が集中し、局所放電が起こりやすい状態になっている。導電層１１ａの長さが１ｍｍ程度の時は、上下の回路電極２の電界強度が略同じになり、いずれの回路電極端部１２、１３でも電界集中は生じておらず、局所放電は起こりにくい状態にあることがわかる。
【００２５】
本実施の形態のパワー半導体モジュール５において、導電層１１ａの長さをｄ＝０．７〜１．３ｍｍ、好ましくは約１ｍｍとすると、回路電極端部１２、１３の電界強度を低くすることができ、電界集中、局所放電を安定して抑制することができるため、放電による誤動作や素子破壊がなく、高信頼性で小型のパワー半導体モジュール５を得ることができる。
【００２６】
本実施の形態においては、金属ベース基板７に取り付け、シリコーン系樹脂からなる絶縁封止材９にパワー半導体基板１ａを浸漬して、リッド８で覆ったパワー半導体モジュール５について説明したが、これに限定するものではない。プリント配線板に１個又は複数の珪素半導体からなる通常の半導体素子を実装し、リッド８や絶縁封止材９を用いない半導体モジュールであっても、絶縁基板３上の回路電極２ａ端に固体絶縁物１０ａと導電層１１ａを形成することで、回路電極端部１２、１３での電界集中、局所放電を安定して抑制することができるため、放電による誤動作、素子破壊がなく、高信頼性で小型の半導体モジュールを得ることができる。また、回路電極端部１２、１３を突出させないように、角を削り取る微細な加工が不要であるため、安価に高信頼性のパワー半導体モジュール５を得ることができる特長も有する。
【００２７】
本実施の形態では、窒化アルミニウム製の絶縁基板３を用いたが、特に限定するものではなく、有機材料、無機材料のいずれの絶縁基板であっても用いることができる。また本実施の形態では、０．５ｍｍの厚みの絶縁基板３を用いたが、絶縁基板の厚みは特に限定するものではなく、十分な絶縁特性を有し、基板全体として一定の強度を維持することができればよく、０．１ｍｍ以上であれば用いることができる。
【００２８】
本実施の形態においては、絶縁封止材９、固体絶縁物１０ａ共に比誘電率３のシリコーン系樹脂を用いたが、特に限定するものではなく、シリコーン系樹脂の他に、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂等充填又は塗布することができる樹脂であれば用いることができる。
【００２９】
また絶縁封止材９、固体絶縁物１０ａの比誘電率は特に限定するものではないが、半導体基板近傍での電界集中を抑制する観点からは、固体絶縁物１０ａの比誘電率は、絶縁封止材９の比誘電率と比べ、少なくとも小さくないことが好ましい。なお、本実施の形態では、絶縁封止材９を用いたパワー半導体モジュールについて述べたが、前述のように、通常の半導体モジュールであっても同様の効果が得られる。その場合、絶縁封止材９を用いず、半導体基板周囲は空気層（比誘電率≒１）となる。
【００３０】
さらに、導電層１１ａは導電性ペースト（銀ペースト）を用いたが特に限定するものではなく、導電層１１ａ内を電荷がスムーズに移動できる程度、例えば１Ωｃｍ以下の比抵抗の導電層１１ａを形成することができればよく、導電性ペーストを塗布、硬化する方法、導電性テープを貼付する方法等を用いることができる。ただし導電性テープを用いた場合、回路電極２ａの端部との間で電気的な導通を確保するために、導電性の接着剤等を用いる必要がある場合もある。
【００３１】
本実施の形態においては、パワー半導体モジュール５に着目し、その小型化の検討を行なったが、パワー半導体モジュール５で小型化を達成することができれば、複数のパワー半導体モジュール５を組み合わせたパワー半導体装置においても、小型化することができることは言うまでもない。例えば、パワー半導体モジュールを組み合わせ、インバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等のパワー半導体装置においても、小型化が可能である。
【００３２】
実施の形態２．
実施の形態１では、導電層１１ａはその断面が直線となるように形成されていたが、実施の形態２では、導電層１１ｂが、絶縁基板３の端に向かって、絶縁基板３面からの法線距離が大きくなっていくように湾曲している点が実施の形態１と相違し、それに伴い、固体絶縁物１０ｂの形状が異なっているが、それ以外は実施の形態１と同様である。
【００３３】
実施の形態１では、導電層１１ａを設けることにより三重点である回路電極端部１２近傍の電界を緩和できるので、三重点に起因する局所放電を抑制できるが、一方、設けられた導電層１１ａの先端近傍の電界集中に起因する局所放電が起こる可能性がある。もちろん、導電層１１ａの先端近傍の電界集中は、三重点である回路電極端部１２近傍の電界集中に比べると影響は小さいことは言うまでも無いが、導電層１１ａの先端近傍の影響を低減できれば、さらに小型化が可能になる。そこで、実施の形態２では、導電層１１ｂが絶縁基板３の端に向かって、絶縁基板３面からの法線距離が大きくなるように湾曲させるようにした。ここで、法線距離とは、絶縁基板３の面の法線方向についての絶縁基板３の面から導電層１１ｂまでの距離を呼ぶ。
【００３４】
これにより、導電層１１ｂによる三重点の電界緩和に加えて、導電層１１ｂの先端近傍から回路電極２ｂへの沿面距離を長くすることにより、より回路基板２ａ端での電界集中を抑制し、局所放電を回避することができるため、小型化のパワー半導体モジュール５を得ることができる。ここで、沿面距離とは、導電層１１ｂの先端を起点として絶縁封止材９と固定絶縁物１０ｂとの界面と絶縁封止材９と絶縁基板３との界面とに沿った距離を示している
【００３５】
導電層１１ｂが絶縁基板３面からの法線距離が大きくなるように湾曲していることにより、より回路電極２端での電界集中を抑制し、局所放電を回避することができるため、小型化のパワー半導体モジュール５を得ることができる。
【００３６】
図５、図６を用いて本発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール５の構成及び製造方法を説明する。図５は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュール５の端部の拡大断面模式図であり、図３と同様に、図２の破線で囲んだＡの部分を拡大して示している。図６は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュール５の固体絶縁物１０ｂの形成方法を示す模式図である。
【００３７】
パワー半導体基板１ｂの端部にシリコーン樹脂からなる固体絶縁物１０ｂが形成される。この時、図６に示すように、シリコーン樹脂を半導体基板１ｂ上に盛り上げて塗布し、その硬化の過程において、シリコーン樹脂に硬化用の型１４を押し当てて、固体絶縁物１０ｂが所定の盛り上がった形状となるように調整する。
【００３８】
図６に示した方法を用いて所定の盛り上がった形状の固体絶縁物１０ｂを形成し、その上に導電ペーストを用いて導電層１１ｂを形成した。導電層１１ｂは、膜厚はほぼ均一であるが、先に記したように、絶縁基板３面から遠ざかるように湾曲しており、本実施の形態では、導電層１１ｂの長さはｄ＝１ｍｍで、回路電極２ａ面よりも０．２ｍｍ上方向に湾曲するように形成した。
【００３９】
本実施の形態のパワー半導体モジュール５において、導電層１１ｂを形成すると共にその導電層１１ｂをパワー半導体基板１ｂからの法線距離を大きくするように湾曲させるようにしたので、三重点である回路電極端部１２、すなわち回路電極２ａ端での電界強度を安定して低くすることができ、かつ、導電層１１ｂの先端から回路電極２ｂまでの界面に沿った沿面距離を長くすることができる。その結果、局所放電の発生を十分に抑制でき、パワー半導体モジュール５の大きさを小型化することができる。
【００４０】
本実施の形態においては硬化用の型１４は、テフロン（登録商標）製の型を用いたが、特に限定するものではなく、所定の形状の固体絶縁物１０ｂを形成することができ、シリコーン樹脂が硬化し、固体絶縁物１０ｂが形成された後、容易に取り除けることができるものであれば用いることができる。
【００４１】
本実施の形態においては、導電層１１ｂを回路電極２面よりも０．２ｍｍ上方向に湾曲させたが、この湾曲の大きさは特に限定するものではなく、少なくとも導電層１１ｂが回路電極２ａ面よりも絶縁基板３面から遠ざかっていれば効果があり、パワー半導体モジュール５の小型化に有効である。
【００４２】
実施の形態３．
実施の形態２では、膜厚がほぼ均一な導電層１１ｂが、湾曲して絶縁基板３面からの法線距離を大きくするように形成されたが、実施の形態３では、図７に示すように、導電層１１ｃが湾曲し、かつ先端が太く、かつ曲率半径が大きくなっている点が実施の形態２と相違し、それ以外は実施の形態２と同様である。
【００４３】
本実施の形態では、導電層１１ｃが湾曲して、絶縁基板３面からの法線距離が大きくなっており、かつその先端が太く、曲率半径が大きくなっており、鋭角となった部分がないため電界の集中が起こりにくい。そのため、回路電極２ａ端での電界強度が安定して低く、導電層１１ｃの先端から回路電極２ｂまでの界面に沿った界面距離を長く、さらに導電層１１ｃの先端近傍の電界集中を抑制できる。従って、パワー半導体モジュール５の大きさをさらに一層小型化することができる。
【００４４】
実施の形態４．
実施の形態１では、固体絶縁物１０ａの厚みはほぼ均一であったが、実施の形態４では、図８に示すように、回路電極２ａ端で固体絶縁物１０ｄが厚く、その他の部分では薄くなっている点で相違し、それ以外は実施の形態１と同様である。
【００４５】
本実施の形態では、導電層１１ｄと絶縁基板３の距離が小さい。従って、回路電極２ａ端の電界強度の改善効果は実施の形態１の場合より大きく、導電層１１ｄを形成しないパワー半導体モジュール５と比べ小型化を達成することができる。
【００４６】
実施の形態５．
実施の形態１では、固体絶縁物１０ａの厚みはほぼ回路電極２ａの厚みと同じであったが、実施の形態５では、図９に示すように、固体絶縁物１０ｅが薄く、導電層１１ｅが回路電極２の厚み方向の中間で接続している点で相違し、それ以外は実施の形態１と同様である。
【００４７】
本実施の形態では、導電層１１ｅと絶縁基板３の距離が小さい。従って、回路電極２ａ端の電界強度の改善効果は実施の形態１の場合よりも大きく、導電層１１ｅを形成しないパワー半導体モジュール５と比べ小型化を達成することができる。
【００４８】
実施の形態６
実施の形態１から実施の形態５については、回路電極２ａと絶縁基板３との接合部の回路電極端部は垂直であると仮定したが、実際にはエッチングの処理条件に依存し、回路電極端部の形状は垂直にはなりにくい。
【００４９】
回路電極２ａと絶縁基板３とは金属含有のロウ材の接合材１５により接合される。その後、回路電極２ａ上にマスクを形成し、エッチング処理により電極パターンを形成する。このときのエッチングの処理条件によっては、接合材１５を十分に除去することができず、図１０に示すように回路電極２ａの端部から接合材１５が突出した状態になる。
【００５０】
また、このとき接合材１５のエッチングの深さは位置によりバラつくため、突出が大きい箇所と小さい箇所ができる。そのため、絶縁基板３上の接合材１５の端辺は上から見ると直線とはならず、凹凸を有する。したがって、接合材１５の端辺の接合材突出部１６に電界が集中しやすくなる。
【００５１】
エッチングの処理条件によっては、図１１に示したモジュール端部の拡大断面模式図のように、電極２ａの端部よりも内側にまで接合材がエッチングされることもある。このような場合も、その他の部分と比べ相対的に最も突出した、電極２ａと接合材１５との界面部分の接合材突出部１６に電界が集中する。
【００５２】
そこで図１０に示した構造に対しては、図１２に示すように、固体絶縁物１０ｆが接合材突出部１６を覆うように、固体絶縁物１０ｆを接合材突出部１６の位置よりも高い位置まで形成し、固体絶縁膜１０ｆ上に導電層１１ｆを形成する。また、図１１に示した構造に対しては、図１３に示すように、回路電極２ａと接合材１５との界面部分の接合材突出部１６を覆うように、固体絶縁物１０ｇが接合材１５よりも厚くなるように形成し、その固体絶縁物１０ｇ上に導電層１１ｇを形成する。
【００５３】
本実施の形態では、接合材突出部１６の高さが低く、絶縁基板３に非常に近いので、導電層１１ｆ、１１ｇも実施の形態１等と比較して、低い位置に形成している。そのため、導電層１１ｆ、１１ｇの長さが短くても、接合材突出部１６の電界強度を大きく緩和することができる。ただし、固体絶縁物１０ｆ、１０ｆの高さが接合材突出部１６よりも低くなり、固体絶縁物１０ｆ、１０ｇ上に接合材突出部１６が露出すると、電界強度緩和の効果は得られない。それ以外は、実施の形態１と同様に、導電層１１ｆ、１１ｇが長くなると接合材突出部１６の電界強度の緩和の効果がさらに大きくなると考えられる。
【００５４】
図１２の構造について、接合材突出部１６の電界強度と導電層１１ｆの長さの関係を計算により求めた。ここで、接合材１５の厚みを０．０５ｍｍ、電極２ａから接合材突出部１６までの長さを０．１ｍｍ、固体絶縁物の厚みを０．０４ｍｍとして、その他のパラメータは実施の形態１での計算（図４）と同様の値を用いた。
【００５５】
計算結果を図１４に示す。実施の形態１での計算結果からは、電界強度を１０％緩和するためには導電層１１ｆの長さを約０．５ｍｍ長くすることが必要であった。しかし図１４に示した本実施の形態での計算に於いては、導電層１１ｆの長さが、０．１〜０．１５ｍｍ長くなったとき、電界強度を１０％程度緩和することができることがわかった。本計算結果は、各構成材料の厚み、長さ、誘電率等によって変化し、計算対象が変化すれば異なった結果となることは言うまでもない。
【００５６】
実施の形態７．
図１５にパワー半導体モジュールの断面模式図を示す。図に示すように、１つの絶縁基板３上に２つ以上の回路電極２ｃ、２ｄが搭載される場合がある。回路電極２ｃ、２ｄの端部の電界集中を緩和する点では、実施の形態６までと同様だが、回路電極２ｃと回路電極２ｄの間の絶縁性も確保する必要があるため、導電層を長くしすぎると、対向する回路電極に接近し、回路電極間の耐圧が低下する点が危惧される。
【００５７】
回路電極２ｃと回路電極２ｄの間の電極端部分において、実施の形態６で検討を行った構造を用いた。図１５の破線Ｂで示した領域を拡大して、図１６に示す。実施の形態６（図１２、１３）で示したように、固体絶縁膜１０ｆ、１０ｇの厚みが薄く、接合材１５と同程度の厚みであり、導電層１１ｆ、１１ｇの高さを下げることができる。そのため、導電層１１ｆ，１１ｇの長さが短く、回路電極２ｃと回路電極２ｄの間の絶縁性に影響を与えない場合でも、電界強度緩和の効果は十分に得ることができ、パワー半導体モジュールの小型化を達成することができる。
【００５８】
一例として、実施の形態６で計算結果を示した条件では（図１４）、導電層１１ｆの長さが、回路電極２ａから接合材突出部１６までの距離と同程度（約０．１ｍｍ）の場合、導電層１１ｆの長さが０．１ｍｍ変化すると、電界強度を１０％緩和することができた。すなわち、回路電極２ｃと回路電極２ｄの間隔をほとんど狭くすることがないため、回路電極間の絶縁性に影響を与えないで、接合材突出部１６の電界強度を緩和することができる。
【００５９】
実施の形態８．
実施の形態６の図１２に示した構造において、導電層１１ｆを長くすると、接合材突出部１６の電界強度が緩和される（図１４）が、同時に導電層１１ｆの先端部分に電界が集中する。本実施の形態においては、実施の形態２の図５に示した導電層１１ｂと同様に、図１７、図１８に示すように、導電層１１ｉ、１１ｊを湾曲させ、絶縁基板３面からの法線距離を大きくする点が実施の形態６と相違し、それ以外の構成は実施の形態６と同様である。
【００６０】
本実施の形態に示した構造の半導体基板では、接合材突出部１６の電界強度を緩和することができると同時に、導電層１１ｉ、１１ｊの先端部分の電界集中も回避することができ、導電層１１ｉ、１１ｊを形成しないパワー半導体モジュール５と比べ小型化を達成することができる。
【００６１】
実施の形態９．
実施の形態６の図１２に示した構造では、固体絶縁物１０ｆの厚みはほぼ均一であったが、本実施の形態においては、図１９、２０に示すように、電極２ａ端部で固体絶縁物１０ｋ、１０ｍの膜厚が厚く、絶縁基板３の端部に向けて徐々に薄くなる点で相違する。ただし、接合材突出部１６の位置では、接合材突出部１６の高さよりも固体絶縁物１０ｋ、１０ｍの方が厚く、固体絶縁物１０ｋ、１０ｍが接合材突出部１６を覆うように形成することが必要である。
【００６２】
本実施の形態に示した構造の半導体基板では、接合材突出部１６の電界強度を緩和することができると同時に、導電層１１ｋ、１１ｍの先端部分の電界集中も回避することができ、導電層１１ｋ、１１ｍを形成しないパワー半導体モジュール５と比べ小型化を達成することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１ａ〜１ｅ  半導体基板、２ａ〜２ｄ  回路電極、３  絶縁基板、４  半導体素子、５  パワー半導体モジュール、６  はんだ、７  金属ベース基板、８  リッド、９  絶縁封止材、１０ａ〜１０ｋ  固体絶縁物、１０ｍ  固体絶縁物、１１ａ〜１１ｋ  導電層、１１ｍ  導電層、１２  回路電極端部、１３  回路電極端部、１４  硬化用の型、１５  接合材、１６  接合材突出部。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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