(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極板を接合材によって接合し、回路パターンを形成した絶縁回路基板において、大気圧あるいは減圧気体中において放電させることにより回路パターンの導体端部を溶融，再固化し、前記絶縁基板断面から見た前記導体端部の曲率半径を３μｍ以上にすると共に、前記絶縁基板上面から見た前記導体端部の突起の凹凸の差を５０μｍ以下にしたことを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【請求項２】
絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極板を接合材によって接合し、回路パターンを形成した絶縁回路基板において、該回路パターンに試験電圧に比して低い交流電圧あるいは直流電圧を印加し、大気圧あるいは減圧気体中において放電させることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板の製造方法。
【請求項３】
絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極板を接合材によって接合し、回路パターンを形成した絶縁回路基板において、該回路パターンに大気圧あるいは減圧気体中において交流電圧を印加し、各サイクル毎に放電させることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板の製造方法。
【請求項４】
絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極板を接合材によって接合し、回路パターンを形成した絶縁回路基板において、該回路パターンに大気圧あるいは減圧気体中において直流電圧を印加し、一秒間に一回以上放電させることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板の製造方法。
【請求項５】
絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極板を接合材によって接合し、回路パターンを形成した絶縁回路基板において、該回路パターンに大気圧あるいは減圧気体中において交流電圧あるいは直流電圧を印加し放電させる場合、該回路パターンに直列に抵抗を入れた回路にて電圧を印加し放電させることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の絶縁回路基板の製造方法において、該回路パターンに直列に入れる抵抗の抵抗値が１ｋΩから１０ＭΩの範囲であることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の絶縁回路基板の製造方法において、該回路パターンに大気圧あるいは減圧気体中において印加する電圧の電圧値が１ｋＶから８ｋＶの範囲であることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【請求項８】
絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極板を接合材によって接合し、回路パターンを形成した絶縁回路基板において、レーザを照射することにより回路パターンの導体端部を溶融，再固化し、前記絶縁基板断面から見た前記導体端部の曲率半径を３μｍ以上にすると共に、前記絶縁基板上面から見た前記導体端部の突起の凹凸の差を５０μｍ以下にしたことを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばパワー半導体装置等のパッケージ内部で絶縁を確保する絶縁基板の製造方法に関し、特に絶縁基板に導体電極板を接合材によって接合した複合材の絶縁特性向上を図った絶縁回路基板、およびそれを用いたパワー半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からＩＧＢＴ，ダイオード，ＧＴＯ，トランジスタ等の半導体素子を絶縁容器内に密封して構成した半導体装置が知られている。これらの装置はその耐圧や電流容量に応じて各種インバータ装置等に応用されている。装置の内部と外部は装置内部にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や窒化アルミ（ＡｌＮ）等の絶縁基板を介しベースと電気回路を絶縁する構造として実装の容易性を向上させている。これらの素子の中でもＩＧＢＴは電圧制御型の素子であるので制御が容易であり、大電流の高周波動作が可能であるなどの利点を有している素子である。近年ＩＧＢＴ素子の大容量化が進み、従来のＧＴＯがカバーしていた領域まで性能が向上してきている。装置の大容量化に伴い、装置内部で使用する半導体素子の大型化や多チップ化のため装置内部で使用する絶縁基板の大面積化が進んでいる。大面積化の問題を解決するため、特開平5−152461 号に示すように絶縁基板に接合した導体層の終端を段部を介して薄肉とする方法や、特公平7−77989号に示すように導体電極板と絶縁基板を接合する接合材の端部を導体電極板より外側にする方法などで導体電極、あるいは接合材と絶縁基板界面で極大になる応力を低減させ、絶縁基板の熱サイクルによる割れの発生を抑える方法が取られていた。また、装置の高耐圧化に伴い、装置内部の絶縁耐圧を高くする必要がある。特にベースと電気回路との絶縁では１０ｋＶクラスの耐圧も要求されてきている。この要求を解決するため、一般的には絶縁基板を厚くして電界強度を緩和する方法や、回路パターンから絶縁基板端部までの沿面距離を長くする方法で平均電界強度を下げて対策していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、絶縁耐圧を向上させるためには絶縁劣化の起点となる局部電界強度を低減させる必要がある。絶縁回路基板を半導体装置で使用する多くの場合は、絶縁回路基板全体をシリコーンゲル等の有機樹脂で被覆する。樹脂で被覆した構造では絶縁破壊の前駆現象として局部的に電界強度が大きい電界集中部で部分放電が発生し、樹脂中にボイドや電気トリーを発生させる。電圧が連続して課電される場合は、放電も連続して発生し、トリーが成長して絶縁破壊に至る恐れがある。半導体装置内部で電圧が印加された場合、電界が集中する場所は絶縁回路基板の沿面部分、より詳細には絶縁基板の沿面部分に接した導体電極の終端部分になる。しかし、上記従来技術の絶縁基板の割れに対して対策した導体電極終端部の形状を薄肉化する方法や接合材を導体電極の外側に配置する方法では導体電極間（回路側の電極間に電圧を課電した場合）や、導体電極と絶縁基板裏面の電極間（電気回路とベース間に電圧を課電した場合）の導体電極の終端部形状と部分放電開始電圧の関係について検討されていなかった。
【０００４】
一方、平均電界強度を下げるため絶縁基板を厚くする方法では絶縁基板の熱伝導が導体電極よりも小さい（例えば、導体電極として一般的に使用される銅の熱伝導率は３９８Ｗ／ｍＫに対し絶縁基板のアルミナは３６Ｗ／ｍＫ、ＡｌＮは１７５Ｗ／ｍＫと１／２以下となる）ため装置の熱抵抗を上昇させることになる。また、沿面距離を大きくして絶縁耐量を向上させる方法では装置が大型となる。
【０００５】
本発明の目的は、絶縁耐量（部分放電開始電圧および破壊電圧）の高い絶縁回路基板を提供し、この絶縁回路基板を使用することで絶縁信頼性の高いパワー半導体装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明では、絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極板を接合材によって接合し、回路パターンを形成した絶縁回路基板において、大気圧あるいは減圧気体中において放電させることにより回路パターンの導体端部を溶融し、再固化したことを特徴とする。
【０００７】
または、絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極板を接合材によって接合し、回路パターンを形成した絶縁回路基板において、該回路パターンに大気圧あるいは減圧気体中において交流電圧を印加し、ほぼ各サイクル毎に放電させることを特徴とする。
【０００８】
または、絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極板を接合材によって接合し、回路パターンを形成した絶縁回路基板において、該回路パターンに大気圧あるいは減圧気体中において直流電圧を印加し、一秒間に一回以上放電させることを特徴とする。
【０００９】
また、絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極板を接合材によって接合し、回路パターンを形成した絶縁回路基板において、該回路パターンに大気圧あるいは減圧気体中において電圧を印加し放電させる場合、該回路パターンに直列に抵抗を入れた回路にて電圧を印加し放電させることを特徴とする。
【００１０】
または、絶縁基板の片面、あるいは両面に導体電極板を接合材によって接合し、回路パターンを形成した絶縁回路基板において、レーザを照射することにより回路パターンの導体端部を溶融し、再固化したことを特徴とする。
【００１１】
これらにより、導体電極端部の鋭角形状により電界が集中し放電が発生する部分ではその放電エネルギーにより温度が上昇、また、レーザを照射した部分ではレーザのエネルギーにより温度が上昇、導体電極端部の導体金属を溶融し、導体電極端部の鋭角形状を変形し滑らかにすることができる。詳しくは、絶縁回路基板の上面から見た場合、導体電極端部の鋭角形状を持った凹凸が溶融，再固化することにより減少、絶縁回路基板の断面を見た場合、導体電極端部の突起形状の曲率半径が溶融，再固化することにより大きくすることができる。これらの結果、導体電極端部の電界集中を抑制し部分放電発生の開始電圧を高くすることができる。
【００１２】
大気圧および減圧気体中において電圧を印加，放電させるのは半導体素子の耐圧よりも低い電圧で放電させることができるので、絶縁回路基板単体のみならず半導体装置組み立て時においても電圧を印加，放電させることができる。その場合、シリコーンゲル等の有機樹脂をコートする前に電圧を印加，放電させれば良い。また、比較的低い電圧による放電でも、放電エネルギーが放電部近傍に集中するので導体金属を溶融変形するのに十分な効果を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施例と比較例について図面を用いて説明する。
【００１４】
図１は本発明の一実施例で絶縁回路基板の製造方法を示す。本実施例の製造工程は、図１に示す工程(ａ）から工程(ｅ）を有する。まず工程（ａ）ではＡｌＮ絶縁基板１にＣｕ箔からなる電極板３を接合するため、例えばＣｕ−Ａｇ−Ｔｉ合金からなるろう材２をパターン印刷により塗布する。次に工程（ｂ）でＣｕ箔３をセット後ウエイトなどで荷重をかけながら約８００℃で熱処理して接合する。熱処理時にＡｌＮ絶縁基板１中のＮとＣｕ−Ａｇ−Ｔｉ合金ろう材２の中の  Ｔｉが反応してＴｉＮ反応層４ができる。このＴｉＮ反応層４は熱処理中、Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉ合金ろう材２の最初の印刷領域以外にも溶解して流れ出したろう材５の部分でも形成される。ろう材の流れ出したろう材５が少ない基板ではこのまま工程（ｄ）のＮｉメッキ６をする。また、流れ出し５の多い基板では耐ヒートサイクル性を向上させるために必要な導電体層部分にマスクをし、流れ出したろう材５をエッチングし除去する。この時Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉ合金ろう材２とＴｉＮ反応層４のエッチング速度が異なるため反応層が残る場合がある。この構造で工程（ｄ）のＮｉメッキ６を施すとＴｉＮ反応層４上にもＮｉメッキ６が部分的に付着し、導体終端にＮｉメッキだけの薄い層７が形成される。
【００１５】
以下、工程（ｄ）までで製造された絶縁回路基板を比較例と称する。
【００１６】
図２に比較例、つまり工程（ｄ）終了後の絶縁回路基板、また図３にその絶縁回路基板の導体電極端部の拡大図を示す。両図ともに（ａ）は絶縁回路基板の断面図、(ｂ)は絶縁回路基板の上方から見た平面図である。工程(ｄ)によりＴｉＮ反応層４上にもＮｉメッキ６が部分的に付着し、導体電極端部にＮｉメッキだけの薄い層７が形成される。導体電極端部の詳細を見ると、例えば図３(ａ)のようにＮｉメッキだけの薄い層先端の導体電極端部１１ａの曲率半径は３μｍ以下になる場合がある。図２（ｂ）の上面図はろう材がはみ出した領域の形状を示す。ろう材終端の形状は接合時のろう材の流れ出し、エッチングでの形状で決定する。そのため凹凸の無い平坦な形状に加工することが困難で、例えば１１ｂのように導体電極端部が突起形状を持つ凹凸１２になる。例えば、図３(ｂ)のように導体電極端部の凹凸の差ｄは５０μｍ以上となる場合がある。このような形状で半導体装置に組み込み試験電圧を印加すると、導体電極端部の突起形状先端１１ａ，１１ｂ等の電界の集中する部分から部分放電が発生し、シリコーンゲル等の有機封止樹脂中にトリー１３やボイド１４が発生し劣化が進行する可能性があった。ここで、試験電圧とは製品出荷前に行う絶縁耐圧試験等で印加される最高電圧のことである。
【００１７】
本発明の実施例の方法では図１の（ｅ）に示す部分の工程を追加した。つまり、絶縁回路基板を半導体装置に組み込む前に、大気中あるいは減圧気体中において回路パターンに電源８によって電圧を印加，放電１０させ、その放電エネルギーにより導体電極端部の鋭角形状を溶融，再固化することにより滑らかに変形させた。なお、回路パターンに直列に接続した抵抗９は放電時に流れる放電電流を抑制し、放電による回路パターン間の短絡現象（短絡による炭化導電路形成）の防止や導体電極端部の溶融程度を制御するために使用する。
【００１８】
図４に本発明の一実施例の絶縁回路基板を、図５にその導体電極端部の拡大図を示す。両図ともに（ａ）は絶縁回路基板の断面図、（ｂ）は絶縁回路基板の上方からみた平面図である。また、図６に本発明の絶縁回路基板の回路パターンに商用電源周波数（５０Ｈｚ）の交流電圧１６を印加し、ほぼ各サイクル毎に放電１７させた電圧波形例を示す。ここでサイクルとは交流電圧の一周期のことを意味する。本発明では絶縁回路基板のパターン間、あるいは表裏の導体電極パターン間に交流電圧１６を印加し、図６のようにほぼ各サイクル毎に放電１７させ、その放電エネルギーによって導体電極端部の突起形状１１ａ，１１ｂを溶融，再固化することにより滑らかにした。(０.６３５mm厚の絶縁基板の場合、表裏電極間に３ｋＶ〜５ｋＶの交流電圧を３０秒〜５分間印加し、ほぼ各サイクルごとに放電させた。印加電圧は小さく、放電頻度が少ない場合は効果小さくなる）つまり、図５（ａ）の断面拡大図においては図３（ａ）の比較例の絶縁回路基板に比較し、導体電極端部１１ａの曲率半径を大きくし例えば１５ａのように３μｍ以上とした。図４（ｂ）の平面図おいては、導体電極端部の突起形状１１ｂを持つ凹凸１２を少なくし、１５ｂのような滑らかな形状にした。つまり詳細には、図５（ｂ）のように導体電極端部の凹凸の差ｄを５０μｍ以下になるようにした。
図７は電極端部曲率半径と部分放電開始電圧の関係を示している。本発明を実施し、電極端部曲率半径を３μｍ以上にすれば部分放電開始電圧が向上し、試験電圧では部分放電の発生はなかった。したがって、電極端部曲率半径は３μｍ以上にすることが望ましい。また、図７のように電極端部曲率半径を大きくすればするほど、電界集中が緩和され部分放電開始電圧が向上するので、さらに望ましくは電極端部曲率半径を５μｍ以上にすることが望ましい。
【００１９】
図８に電極端部突起の凹凸の差と部分放電開始電圧の関係を示している。電極端部突起凹凸の差を５０μｍ以下にすれば部分放電開始電圧が向上し、試験電圧では部分放電の発生はなかった。したがって、電極端部突起凹凸の差を５０μｍ以下にすることが望ましい。また、図８のように電極端部突起凹凸の差を小さくすればするほど、部分放電開始電圧が向上するので、さらに望ましくは３０μｍ以下にすることが望ましい。
【００２０】
このように本実施例では放電による溶融，再固化により電極端部形状が滑らかになることで、導体電極端部の電界集中を緩和し、局部電界強度を低下することができ、部分放電開始電圧を高くすることができる。
【００２１】
この放電エネルギーにより導体電極端部を溶融するのは商用電源周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の交流電圧に限られたことでなく、どの周波数の交流電圧においても、あるいは直流電圧印加においても同様な効果が得られる。
【００２２】
図９に交流電圧印加による放電頻度と処理効果（部分放電開始電圧）、図１０に直流電圧印加による１秒あたりの放電回数と処理効果（部分放電開始電圧）との関係を示す。図９のように交流電圧では放電させることにより部分放電開始電圧が向上するが、効果を得るには１サイクル当たり０.２ 回以上放電させることが望ましい。さらに望ましくはほぼ各サイクル毎（０.８ 回／サイクル以上の意味）に放電されることが望ましい。また直流電圧の場合、交流電圧の約１.４ 倍の電圧値を印加し、放電させれば、図１０のように部分放電開始電圧が向上する。効果を得るには１秒当たり０.２ 回以上が望ましく、さらに望ましくは１秒当たり１回以上放電させることが望ましい。
【００２３】
図１１は大気中および減圧気体中において電圧を印加，放電させる場合の気圧と放電最低電圧の関係について示している。絶縁基板厚０.６３５mm の場合、減圧中、例えば１０００Ｐａでは約１ｋＶで放電が発生するが、大気中(１.０１３×１０5Ｐａ)では約３ｋＶ以上にならないと放電が発生しない。
【００２４】
図１２は気圧と放電による効果（半導体組み立て後の部分放電開始電圧）について示している。図１２を見ると、大気中では効果が大きいのに対し減圧中では効果が小さくなる。これは減圧中では放電形態が低電流グロー放電の領域に移行するためであり、このため、気圧の範囲としては１０3 Ｐａ以上が望ましく、さらに望ましくは１０4 Ｐａから大気圧までが望ましい。
【００２５】
また、使用する気体としては空気，窒素，アルゴンなどがあげられる。放電による熱でメッキ７の表面が酸化されるため窒素，アルゴン等の不活性ガス中で処理することが望ましいが空気中で処理する場合には、処理時間（回路パターンに電圧を印加する時間）を１０分以下にすれば良い。
【００２６】
図１３に本発明の絶縁回路基板の回路パターンに印加する電圧，電流および処理時間（電圧印加時間）とその効果についての関係を示す。図１３（ａ）では回路パターンに印加する電圧と部分放電開始電圧の関係を示している。回路パターンに印加する電圧を高くすれば、放電頻度が増加し導体電極端部が溶融しやすくなるため効果が大きくなり、部分放電開始電圧が向上する。図１３では絶縁基板厚が０.６３５mm 、大気中での結果を示しているが、この場合電圧は３ｋＶ以上で放電が発生し電圧の上昇につれて効果が大きくなる。なお、図１１から示されるように減圧中では約１ｋＶから放電が発生し、同じように電圧の上昇とともに効果が大きくなる。しかし、８ｋＶ以上では場合によっては絶縁基板にダメージを及ぼすことがある。このため回路パターン印加する電圧の電圧値は１ｋＶから８ｋＶの範囲であることが望ましい。
【００２７】
次に図１３（ｂ）では放電電流と部分放電開始電圧の関係を示している。回路抵抗を小さくし、放電電流を大きくすれば効果が大きくなる。しかし、放電電流を大きくしすぎると逆に基板の沿面部分が放電による炭化し、効果が得られなくなる。このため、回路パターンに直列に入れる抵抗の抵抗値が１ｋΩから１０ＭΩの範囲であることが望ましい。
【００２８】
図１３（ｃ）は処理時間（電圧印加時間）とその効果の関係を示している。図のように処理時間が長くなるほど高い効果が得られることになる。しかし、ある程度処理時間が長くなれば、突起形状１１ａ，１１ｂも減少し効果は飽和する。また、処理時間が長くなれば、空気中では導体電極表面が酸化し半田濡れ性が低下するため処理時間は１０分以下、好ましくは１〜５分間程度が望ましい。しかし、不活性ガスを使用する場合酸化が防げるためこの限りでない。
【００２９】
また、導体電極端部を溶融するのは放電エネルギーを利用するものによるだけでなく、レーザを照射し、そのエネルギーにより導体電極端部を溶融，再固化しても良い。使用するレーザとしては、炭酸ガス(ＣＯ2）レーザ，ＹＡＧレーザ, エキシマレーザ等があげられる。レーザの出力は、導体電極端部のみを溶融できればよいので数百ワット程度で十分で、エネルギー密度が１０5Ｗ／cm2以下となるように導体電極端部に照射する。エネルギー密度が高く１０6Ｗ／cm2以上になると溶融した導体が飛散し、絶縁基板にも悪影響を及ぼすことがある。また、レーザによる溶融で回路パターン表面の酸化が大きい場合には、不活性ガスでシールドし酸化を防止すれば良い。
【００３０】
上記のように、導体電極端部の突起形状を滑らかにし、電界集中を抑制し部分放電開始電圧を高くすることができ、絶縁信頼性の高い絶縁回路基板、およびそれを使用したパワー半導体装置を提供できる。必要に応じて、絶縁基板の厚さや沿面距離を大きくすれば、さらに絶縁耐量を上げることも可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、絶縁回路基板の導体電極端部の突起形状を滑らかにし、電界集中を抑制し部分放電開始電圧を高くすることができ、絶縁信頼性の高い絶縁回路基板、およびそれを使用したパワー半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明するための製造工程である。
【図２】比較例の絶縁回路基板の断面図および平面図である。
【図３】比較例の絶縁回路基板導体電極端部の拡大断面図および拡大上面図である。
【図４】本発明を適用した一実施例の絶縁回路基板の断面図および平面図である。
【図５】本発明を適用した一実施例絶縁回路基板導体電極端部の拡大断面図および拡大上面図である。
【図６】本発明の一実施例の絶縁回路基板の回路パターンに交流電圧印加，放電させた時の電圧波形例である。
【図７】電極端部曲率半径と部分放電開始電圧の関係を示す図である。
【図８】電極端部突起凹凸の差と部分放電開始電圧の関係を示す図である。
【図９】交流電圧印加時の１サイクル当りの放電回数と部分放電開始電圧の関係を示す図である。
【図１０】直流電圧印加時の１秒当りの放電回数と部分放電開始電圧の関係を示す図である。
【図１１】気圧と放電最低電圧の関係を示す図である。
【図１２】気圧と放電による効果（部分放電開始電圧）の関係を示す図である。
【図１３】本発明の一実施例の各種処理条件とその効果(部分放電開始電圧)の例である。
【符号の説明】
１…絶縁基板、２…接合（ろう）材、３…Ｃｕ箔、４…反応層、５…接合（ろう）材流れ出し領域、６…メッキ、７…メッキだけの薄い層、８…電源、９…抵抗、１０…放電、１１ａ…基板断面から見た導体電極端部、１１ｂ…基板上面から見た導体電極端部、１２…導体電極端部凹凸、１３…トリー、１４…ボイド、１５ａ…基板断面から見た放電後の導体電極端部、１５ｂ…基板上面から見た放電後導体電極端部、１６…交流電圧、１７…放電電圧波形。
【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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