(57)【要約】      （修正有）【課題】高電圧が印加できる回路パターンとこの回路パターンを形成した小型化された絶縁基板と、この絶縁基板を有する半導体装置および高電圧機器を提供する。【解決手段】半導体装置は、絶縁基板３０と、この絶縁基板３０を構成する回路パターン４〜６上に固着される半導体チップであるＩＧＢＴチップ７〜９およびダイオードチップ１０〜１２で構成される。各半導体チップを直列接続したときに、回路パターン４で回路パターン５を取り囲み，回路パターン５で回路パターン６を取り囲むことで、絶縁基板３０を小型化しても中央部の回路パターン６に印加できる電圧を高めることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層と、該絶縁層上に形成された複数の回路パターンを有する絶縁基板において、前記回路パターンのうちｎ個の回路パターン（ｎは２以上の整数）では、ｎ−１番目の回路パターンがｎ番目の回路パターンが取り囲むループ状をなすことを特徴とする絶縁基板。
【請求項２】
絶縁層と、該絶縁層上に形成された複数の回路パターンを有する絶縁基板において、１番目の回路パターンが２番目の回路パターンを取り囲み、２番目の回路パターンが３番目の回路パターンが取り囲み、ｎ−１番目の回路パターンがｎ番目の回路パターンを取り囲むループ状をなすことを特徴とする絶縁基板。
【請求項３】
前記絶縁層を一方の表面に形成した金属ベースを有することを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁基板。
【請求項４】
前記絶縁層がＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3またはＡｌＮのいずれかの無機フィラーを含有したエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁基板。
【請求項５】
前記絶縁層がセラミックス基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁基板。
【請求項６】
前記回路パターンが銅箔で形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁基板。
【請求項７】
前記請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の絶縁基板を用い、前記回路パターンにそれぞれ固着された複数の半導体チップを有し、該半導体チップが回路パターンを介して直列接続され、低電圧が印加される前記回路パターンがそれより１段高電圧が印加される前記回路パターンを取り囲むことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記回路パターンの内で最も高電圧が印加される回路パターンを前記絶縁層の中央部に位置させることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記請求項１〜請求項５のいずれかに一項に記載の絶縁基板を用い、各前記回路パターンにそれぞれ固着された回路部品を有し、該回路部品が回路パターンを介して直列接続され、低電圧が印加される前記回路パターンがそれより１段高電圧が印加される前記回路パターンを取り囲むことを特徴とする高電圧機器。
【請求項１０】
前記回路パターンの内で最も高電圧が印加される回路パターンを前記絶縁層の中央部に位置させることを特徴とする請求項９に記載の高電圧機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁基板と、この絶縁基板に搭載され直列接続された半導体チップや回路部品を有する半導体装置および高電圧機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０は、従来の絶縁基板の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図である。絶縁基板８０は、金属ベース５１と、金属ベース５１上に形成された絶縁膜５２と、絶縁層５２上に形成された回路パターン５３〜５６で構成される。従来の絶縁基板８０では、通常、回路パターン５３〜５６は横一列に並んで配置されている。
金属ベース５１はアルミニウム板や銅板である。また、絶縁層５２は金属ベース５１上に形成されたＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ等の無機フィラーを含有したエポキシ樹脂等である。また、絶縁層２はセラミック基板のような場合もある。絶縁基板８０を構成する回路パターン５３〜５６は銅箔などで絶縁層５２上に形成される。この絶縁基板８０は、金属ベースプリント配線基板と呼ばれるもので、例えば、Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ基板などがある。
図１１は、従来の半導体装置の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図である。これは図１０の絶縁基板８０を用いて製作した従来の半導体装置の例である。
この半導体装置は、図１０に示す絶縁基板８０と、この絶縁基板８０を構成する回路パターン５４〜５６上にコレクタ側が固着されたＩＧＢＴチップ５７〜５９およびアノード側が固着されたダイオードチップ６０〜６２と、回路パターン５３〜５５とＩＧＢＴチップ５７〜５９のエミッタ側とを配線するアルミワイヤ６３〜６５と、回路パターン５３〜５５とダイオード６０〜６２のアノード側とを配線するアルミワイヤ６６〜６８で構成される。
図１２は図１１の半導体装置内の回路図である。ＩＧＢＴチップ５９とダイオードチップ６２は逆並列に接続され、図示しないＩＧＢＴチップ５８とダイオードチップ６１およびＩＧＢＴチップ５７とダイオードチップ６０は逆並列に接続されている。この逆並列に接続されたものが３個直列接続されている。金属ベース５１と回路パターン５３をグランドＧＮＤとし、各ＩＧＢＴチップ５７〜５９と各ダイオード６０〜６２にそれぞれＥの電圧が印加された場合、ＩＧＢＴチップ５９と各ダイオード６２の組が固着する回路パターン５６には最高電圧である３Ｅの電圧が印加される。ＩＧＢＴチップ５７のエミッタとダイオード６０のアノードはグランド電位ＧＮＤとする。
【０００３】
特許文献１に電力変換時の発生損失が少ないため耐圧の小さい半導体素子（半導体チップ）を直列に接続した回路が記載されている。このように、半導体素子を直列に接続することで高電圧の出力を得ることができる。
しかし、このような回路構成になると、直列に接続された半導体素子の最上段の素子には、グランド電位ＧＮＤを基準にして高電圧が印加されることになる。
図１１に示すように、同一の絶縁層５２上に回路パターン５４〜５６を形成し、その回路パターン５４〜５６上に半導体チップ（ＩＧＢＴチップ５７〜５９とダイオードチップ６０〜６２）を搭載し、半導体チップ同士をそれぞれ直列接続することで従来の高耐圧の半導体装置を製作してきた。
図１３は、従来の別の半導体装置の要部平面図である。図１１と違うのは、絶縁層５２が回路パターン５４〜５６毎に分かれている点である。
図１４は、従来の高電圧機器の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図である。これは図１１のＩＧＢＴチップ５７〜５９を抵抗体７１〜７３に置き換えて、ダイオードチップ６０〜６２を削除した場合である。この図では高電圧機器を構成する絶縁基板８０とチップ状の抵抗体７１〜７３を示した例である。
【特許文献１】特開２００１−２７４３２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１１および図１４のような従来の半導体装置や高電圧機器においては、高電圧が印加される回路パターン５６は左端に位置し、金属ベース５１をグランド電位ＧＮＤとすると、このグランド電位ＧＮＤを基準として回路パターン５６に３Ｅという高電圧が印加される。この高電圧印加に耐えるように絶縁層５２上の距離（絶縁距離）を十分大きくとる必要がある。
図１５は、絶縁層５２の端部から回路パターン５６へ向っての距離Ｘと印加できる電圧Ｖの関係を示す図である。この距離Ｘは空間または界面上の絶縁距離を示す。
図１５から分かるように、電圧Ｖと距離Ｘの関係は線形ではなく、飽和傾向を示す。そのため、印加できる電圧Ｖを高くすると距離Ｘを十分大きくとらなければならない。また、距離Ｘをどんなに大きくしても印加できる電圧Ｖは飽和するため、印加できる電圧Ｖを一定値以上に高くすることはできない。
図１１および図１４において、各半導体チップ５７〜６２にそれぞれＥの電圧を印加すると、グランドＧＮＤを基準として、回路パターン５７に印加される電圧はＥであり、回路パターン５８に印加される電圧は２Ｅであり、回路パターン５９に印加される電圧は最高電圧である３Ｅとなる。
【０００５】
図１５から印加できる電圧Ｖが３Ｅとなる距離Ｘを求めるとＷとなる。このＷが従来構造における絶縁距離となる。このＷは図１５のＶ−Ｘ曲線で飽和傾向を示す領域に位置するため大きな値になる。Ｗが大きくなると、絶縁基板３０が大きくなり、半導体装置や高電圧機器が大きくなる。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、高電圧が印加できる回路パターンとこの回路パターンを形成した小型化された絶縁基板と、この絶縁基板を有する半導体装置および高電圧機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するために、
（１）絶縁層と、該絶縁層上に形成された複数の回路パターンを有する絶縁基板において、前記回路パターンのうちｎ個の回路パターン（ｎは２以上の整数）では、ｎ−１番目の回路パターンがｎ番目の回路パターンを取り囲むループ状をなす絶縁基板とする。
（２）絶縁層と、該絶縁層上に形成された複数の回路パターンを有する絶縁基板において、１番目の回路パターンが２番目の回路パターンを取り囲み、２番目の回路パターンが３番目の回路パターンが取り囲み、ｎ−１番目の回路パターンがｎ番目の回路パターンを取り囲むループ状をなす絶縁基板とする。
（３）前記絶縁層を一方の表面に形成した金属ベースを有する絶縁基板とする。
（４）前記絶縁層がＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3またはＡｌＮのいずれかの無機フィラーを含有したエポキシ樹脂であるとよい。
（５）前記絶縁層がセラミックス基板であるとよい。
（６）前記回路パターンが銅箔で形成されるとよい。
（７）前記（１）〜（６）のいずれかに記載の絶縁基板を用い、前記回路パターンにそれぞれ固着された複数の半導体チップを有し、該半導体チップが回路パターンを介して直列接続され、低電圧が印加される前記回路パターンがそれより１段高電圧が印加される前記回路パターンを取り囲む構成の半導体装置とする。
（８）前記（７）の回路パターンの内で最も高電圧が印加される回路パターンを前記絶縁層の中央部に位置させるとよい。
（９）前記（１）〜（６）のいずれかに記載の絶縁基板を用い、各前記回路パターンにそれぞれ固着された回路部品を有し、該回路部品が回路パターンを介して直列接続され、低電圧が印加される前記回路パターンがそれより１段高電圧が印加される前記回路パターンを取り囲む構成の高電圧機器とする。
（１０）前記（９）の回路パターンの内で最も高電圧が印加される回路パターンを前記絶縁層の中央部に位置させるとよい。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、ドーナッツ状（リング状）の回路パターンを形成した絶縁基板とすることで、内側に形成される回路パターンの印加できる電圧を高めることができる。
また、直列接続される回路部品や半導体チップが固着した回路パターンを有する半導体装置や高電圧機器において、高電圧が印加される回路パターンを低電圧が印加される回路パターンで取り囲むことで、絶縁基板を小さくし、小型の半導体装置や高電圧機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態を以下の実施例で説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は、この発明の第１実施例の絶縁基板の構成図で、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。この絶縁基板３０は、金属ベース１と絶縁層２および回路パターン３〜６で構成される。金属ベース１上に絶縁層２が形成され、絶縁層２上に回路パターン３〜６が形成されている。１番目の回路パターン４が２番目の回路パターン５を取り囲み、２番目の回路パターン５が中央部の３番目の回路パターン６を取り囲んでいる。回路パターン４と回路パターン５はループ状（ドーナッツ状）となっている。また、回路パターン３は図では回路パターン４を取り囲んでいないが取り囲む場合もある。
前記の金属ベース５１はアルミニウム板や銅板である。また、この絶縁層２は金属ベース１上に形成されたＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ等の無機フィラーを含有したエポキシ樹脂等である。この絶縁基板３０は、金属ベースプリント配線基板と呼ばれるもので、例えば、Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ基板などがある。
また、絶縁基板３０を構成する回路パターン３〜６は銅箔などで絶縁層２上に形成される。
【実施例２】
【００１０】
図２は、この発明の第２実施例の半導体装置の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図である。これは図１の絶縁基板３０を用いて製作した半導体装置の例である。
この半導体装置は、図１の絶縁基板３０と、この絶縁基板３０を構成する回路パターン４〜６上にコレクタ側が固着されるＩＧＢＴチップ７〜９およびアノード側が固着されるダイオードチップ１０〜１２と、回路パターン３〜５とＩＧＢＴチップ７〜９とを配線するアルミワイヤ１３〜１５と、回路パターン３〜５とダイオード１０〜１２とを配線するアルミワイヤ１６〜１８で構成される。尚、ＩＧＢＴチップとダイオードチップを総称して半導体チップと称する。
各半導体チップ７〜１２の各回路パターン４〜６への固着は図示しないはんだなどで行なわれる。このＩＧＢＴチップ７〜９およびダイオードチップ１０〜１２は、例えば１２００Ｖ程度の耐圧を有している。回路パターン４は回路パターン５を取り囲み、回路パターン５は回路パターン６を取り囲んでいる。図２（ａ）では回路パターン６は絶縁層２のほぼ中央部に配置される。回路パターン４のＩＧＢＴチップ７とダイオードチップ１０が配置される箇所と、回路パターン５のＩＧＢＴチップ８とダイオードチップ１１が配置される箇所は、中央に配置する回路パターン６を挟んでそれぞれ反対側に配置されている。
金属ベース１をグランド電位ＧＮＤとした場合、各半導体チップ７〜１２にそれぞれＥの電圧を印加すると、回路パターン６には最高電圧（３Ｅ）が印加される。
ＩＧＢＴチップ７〜９はボンディングされたアルミワイヤ１３〜１５で直列接続されており、ダイオードチップ１０〜１２はボンディングされたアルミワイヤ１６〜１８でそれぞれ直列接続されている。
金属ベース１と回路パターン３をグランド電位ＧＮＤとし、各ＩＧＢＴチップ７〜９と各ダイオードチップ１０〜１２にそれぞれＥの電圧を印加する。金属ベース１を基準とすると、回路パターン４にはＥが印加され、回路パターン５には１段高電圧の２Ｅが印加され、回路パターン６にはさらに１段高電圧の３Ｅが印加される。
すなわち、回路パターン４〜６では、低電圧が印加される回路パターンをこれより１段高い電圧が印加される回路パターンを取り囲む。
絶縁層２の端部を原点（０）とし、この端部から回路パターン６の方向へ向っての距離をＸとする。回路パターン４の端部までの距離をａとし、回路パターン４、５の配線に当たる狭い箇所の幅をそれぞれｂとし、回路パターン４と回路パターン５の間の間隔および回路パターン５と回路パターン６の間隔をそれぞれｃとすると、原点から回路パターン６の端部までの距離をＬとすると、Ｌ＝ａ＋２ｂ＋２ｃとなる。
例えば、各半導体チップの耐圧を１２００Ｖとした場合、半導体チップが３個直列接続されているので、半導体装置としての定格電圧は１２００Ｖ×３＝３６００Ｖとなる。また、絶縁基板３０（絶縁層２）の大きさは５０ｍｍ（横）×２５ｍｍ（縦）程度である。
図３は、絶縁層の外周端部（原点）からの距離Ｘと印加できる電圧Ｖの関係を示す図である。縦軸の電圧Ｖは、金属ベース１をグランド電位ＧＮＤとして絶縁層の外周端部（原点）から回路パターン６へ向っての印加できる電圧を示す。回路パターン６に印加できる電圧Ｖ＝３Ｅとした場合、距離Ｘはａ＋ｂ＋ｃ＋ｂ＋ｃ＝ａ＋２ｂ＋２ｃとなる。この値をＬとすると、本構造の距離Ｌは従来構造の距離Ｗよりも小さくなる。これは、ａ、ｃの範囲がＶ−Ｘ曲線においてほぼ直線的な依存性を示す領域にあるからである。尚、一例として、図３では図２のａとｃは等しく、ｂはｃの３分の２の大きさとした。
このように、距離Ｌを小さくできるので、絶縁基板３０も小さくできて半導体装置を小型化することができる。さらにｂを狭くすることで絶縁基板３０を一層小型化ができる。  
また、図３では半導体チップ７〜１２が固着している回路パターン４〜６を３個としたが、回路パターンの数を増やし、ｎ番目の回路パターンをｎ−１番目の回路パターンで取り囲みループ状とすることで、印加できる電圧Ｖは回路パターンの数にほぼ比例して増大させることができる。そのため従来構造では印加できる電圧Ｖに限界があったが、本構造にすることでその限界をなくすることができる。
また、回路パターン３をグランド電位ＧＮＤにしないで、回路パターン３にＥ0の電圧が印加された場合には、回路パターン４にはＥ0＋Ｅの電圧が印加され、回路パターン６にはＥ0＋３Ｅの電圧が印加される。そうすると、図示しないが、ａは図３の点線に沿ってΔａだけ増大するので、回路パターン６の端部までの距離ＸはＬ＋Δａとなる。一方、従来構造においては、図示しないが、Ｗは図３の点線に沿ってΔＷだけ増大するので、回路パターン５６の端部までの距離ＸはＷ＋ΔＷとなる。ΔａよりΔＷが大きくなるので、回路パターン３、５３がグランド電位ＧＮＤにある場合より、さらに小型化が図れることになる。
また、さらにＥ0が大きくなると、Ｖ＝Ｅ0＋３Ｅの線（図示せず）は図３の点線と交わらなくなり、従来構造ではＷをいくら大きくしても、Ｖ＝Ｅ0＋３Ｅの電圧が得られないことになる。
図４は、金属ベース１の裏面に冷却体１９を固着した場合の半導体装置の要部断面図である。図２との違いは、金属ベース１の裏面に冷却体１９が固着している点である。冷却体１９を付けることで冷却効率を高めることができるので、大容量の半導体装置とすることができる。
図５は、絶縁層をセラミックス基板とした場合の半導体装置の要部断面図である。これは、絶縁層２であるセラミックス基板上に回路パターン３〜６を形成して絶縁基板（絶縁基板３０に相当する）とし、回路パターン４〜６上に半導体チップ７〜１２を固着した半導体装置である。この絶縁基板には金属ベース１や冷却体１９は付いていないので、冷却効率が小さい。そのため、この半導体装置は比較的小容量のものとなる。
【００１１】
尚、図２、図４および図５では、半導体チップ７〜１２をアルミワイヤ１３〜１８で配線した例を説明したが、リードフレームなどの接続導体を用いて配線する場合もある
【実施例３】
【００１２】
図６は、この発明の第３実施例の高電圧機器の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図である。ここではチップ状の抵抗体２１〜２３が回路パターン４〜６に搭載された例を示した。抵抗体の両端に端子がある場合は、アルミワイヤに相当する位置に抵抗体を配置して、各回路パターン３〜６の間を跨ぐように端子を接続するとよい。
また、直列接続された半導体チップなどの電子部品や抵抗体およびコンデンサなどの電気部品を本発明の絶縁基板に形成された回路パターンに固着（搭載）して電気的な回路を構成し、高電圧電力変換装置などの高電圧機器を製作することができる。
【実施例４】
【００１３】
図７は、この発明の第４実施例の絶縁基板の構成図で、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。図１との違いは、回路パターン６が絶縁層２の中央部でなく端（ここでは左端）に位置している点である。
【実施例５】
【００１４】
図８は、この発明の第５実施例の半導体装置の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
図２との違いは、回路パターン６を絶縁層２の中央部ではなく、絶縁層２の端（ここでは左端）に位置させ、各回路パターン４〜６上に半導体チップ７〜１２を固着した点である。このように配置した回路パターン４〜６を用いても、第２実施例と同様の効果が得られる。
【実施例６】
【００１５】
図９は、この発明の第６実施例の高電圧機器の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。図６との違いは、回路パターン６を絶縁層２の中央部ではなく、絶縁層２の端に位置させ、回路パターン４〜６上に抵抗体２１〜２３を固着した点である。このように配置した回路パターン４〜６を用いても、第３実施例と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の第１実施例の絶縁基板の構成図で、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図２】この発明の第２実施例の半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図
【図３】絶縁層の端部（原点）から距離Ｘと印加できる電圧Ｖの関係を示す図
【図４】金属ベース１の裏面に冷却体１９を固着した場合の半導体装置の要部断面図
【図５】絶縁層２をセラミックス基板とした場合の半導体装置の要部断面図
【図６】この発明の第３実施例の高電圧機器の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図
【図７】この発明の第４実施例の絶縁基板の構成図で、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図８】この発明の第５実施例の半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図９】この発明の第６実施例の高電圧機器の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図１０】従来の絶縁基板の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図
【図１１】従来の半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図
【図１２】図１１の半導体装置内の回路図
【図１３】従来の別の半導体装置の要部平面図
【図１４】従来の高電圧機器の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線で切断した要部断面図
【図１５】絶縁層５２の端部から回路パターン５６へ向っての距離Ｘと印加できる電圧Ｖの関係を示す図
【符号の説明】
【００１７】
１    金属ベース
２    絶縁層
３〜６  回路パターン
７〜９  ＩＧＢＴチップ（半導体チップ）
１０〜１２  ダイオードチップ（半導体チップ）
１３〜１８  アルミワイヤ
１９    冷却体
２１〜２３  抵抗体（チップ状）
３０    絶縁基板
【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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