專利名稱：絕緣襯底和半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有增加的熱輻射能力的絕緣襯底和包括這種絕緣襯底的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
具有能量轉(zhuǎn)換功能的半導(dǎo)體器件被廣泛應(yīng)用于包括諸如家用空調(diào)器和冰箱在內(nèi)的消費裝置和包括諸如逆變器和伺服控制器在內(nèi)的工業(yè)裝置。
在這樣的半導(dǎo)體器件中，因為絕緣襯底的熱阻的減小能顯著地改善熱輻射特性，絕緣襯底正在努力地予以開發(fā)。
有關(guān)這種絕緣襯底的傳統(tǒng)技術(shù)將參照附圖在下面描述。圖5是示出傳統(tǒng)的絕緣襯底500的結(jié)構(gòu)的剖視圖。傳統(tǒng)的絕緣襯底500設(shè)有金屬基底501，絕緣層502和電路圖案503。
金屬基底是鋁板、鋁合金板、銅板、銅合金板等等。
絕緣層502是通過固化包含諸如氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)的無機填充料的環(huán)氧樹脂形成的絕緣層，且通常具有大約為7.0-10.0W/m·k的熱傳導(dǎo)率。
例如，電路圖案503是銅薄膜圖案。
因為它出眾的散熱性能，具有上述三層結(jié)構(gòu)的絕緣襯底500被用作其上安裝諸如功率半導(dǎo)體器件的高熱產(chǎn)生元件的布線襯底。特別是，絕緣襯底500被用作用在電源裝置中的電源電路組件的布線板的襯底。因為如上述的它的熱傳導(dǎo)率大約是7.0-10.0W/m·k，通常可以將絕緣襯底500應(yīng)用到電流容量為約50A或更低的電源電路組件。但是，很難將絕緣襯底500應(yīng)用到電流容量超過約50A的電源電路組件。
另一個與絕緣襯底有關(guān)的傳統(tǒng)技術(shù)將參照附圖在下面描述。圖6(a)是示出普通形式傳統(tǒng)的絕緣襯底600的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖6(b)是示出包括金屬基底基體的傳統(tǒng)絕緣襯底的結(jié)構(gòu)的剖視圖。如圖6a中所示，絕緣襯底600設(shè)有陶瓷基底基體601、第一電路圖案602、第二電路圖案603。
陶瓷基底基體是主要由氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)等制成的板，并具有大約0.2-0.8mm的厚度。在氧化鋁(Al2O3)的情況熱傳導(dǎo)率為大約20W/m·k，在氮化鋁(AlN)的情況熱傳導(dǎo)率為大約160-180W/m·k，及在氮化硅(Si3N4)的情況熱傳導(dǎo)率為大約80W/m·k，因此比類似圖5中示出的絕緣層502的由包含無機填充料的環(huán)氧樹脂制成的絕緣層要高出一個或兩個數(shù)量級。
第一電路圖案602是在陶瓷基底基體601下面形成的圖案。由于是銅或鋁的金屬箔，第一電路圖案602被直接或用釬焊材料連接到陶瓷基底基體601。通常，第一電路圖案602只是不具有電路圖案的固體板體。第一電路圖案602接地。
第二電路圖案603是在陶瓷基底基體601上面形成的圖案。由于是銅或鋁的金屬箔，第一電路圖案602被直接或用釬焊材料連接到陶瓷基底基體601。第二電路圖案是普通的電路圖案。
在電路圖案形成在具有高熱傳導(dǎo)率的陶瓷基底基體601的兩側(cè)的絕緣襯底600中，由裝配在第二電路圖案603上的功率半導(dǎo)體器件(未示出)產(chǎn)生的熱量經(jīng)由陶瓷基底基體601→第一電路圖案602的路徑散發(fā)。這使得更高容量的電源器件和電流容量超過50A的功率半導(dǎo)體器件能夠使用，這用上述的絕緣襯底500不能夠?qū)崿F(xiàn)。
圖6(b)示出了諸如2-3mm厚的銅板的金屬基底基體604經(jīng)由釬料部分605連接到絕緣襯底600的另一種結(jié)構(gòu)(模塊結(jié)構(gòu))。
在這個電路圖案形成在陶瓷基底基體601的兩側(cè)的絕緣襯底中，由裝配在第二電路圖案603的電源半導(dǎo)體器件(未示出)產(chǎn)生的熱量經(jīng)由陶瓷基底基體601→第一電路圖案602→釬料部分605→金屬基底基體604的路徑散發(fā)。這使得更高容量的功率器件和電流容量超過50A的功率半導(dǎo)體器件能夠使用，這用上述的絕緣襯底500不能夠?qū)崿F(xiàn)。
例如，第JP-A-2004-47863號發(fā)明(第26-32段和圖1-3)是另一個有關(guān)旨在改善熱輻射特性的傳統(tǒng)技術(shù)。該引用揭示了通過氣溶膠淀積法在導(dǎo)電襯底一個表面上形成陶瓷層的技術(shù)。
如上所述，包括陶瓷基底基體的絕緣襯底600的使用在電流容量超過50A的應(yīng)用中較佳。
但是，結(jié)合陶瓷基底基體的絕緣襯底600因為以下原因存在昂貴的問題。為制造絕緣襯底600，首先，在高溫通過焙燒形成陶瓷基底基體601，通過揉搓材料粉末和粘合劑在一起形成薄板(稱為“生薄板”(green sheet))。然后，各自為銅箔或鋁箔的第一和第二圖案602和603在高溫時被連接到陶瓷基底基體601以制成絕緣襯底600。照此，包括陶瓷作為材料的絕緣襯底600在形成陶瓷基底基體601方面需要許多制造步驟，導(dǎo)致高價格。
在JP-A-2004-47863的半導(dǎo)體器件中，通過普通的電鍍技術(shù)等形成布線圖案。存在著通過對布線圖案的改進來改善總的熱輻射特性的需要。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到現(xiàn)有技術(shù)的上述問題做出本發(fā)明，因此本發(fā)明的目的是提供因為減少了制造步驟的數(shù)量而價格便宜的以及具有出眾的熱輻射和絕緣性能的絕緣襯底。
本發(fā)明的另一目的是提供使用這種絕緣襯底的半導(dǎo)體器件。
為達(dá)到上面的目的，依據(jù)本發(fā)明第一方面的絕緣襯底包括作為基底構(gòu)件的金屬基底；形成在金屬基底上的室溫沖擊固化膜；和作為形成在絕緣層上的熱噴涂涂層的電路圖案。
依據(jù)本發(fā)明第二方面的絕緣襯底是這樣的，在依據(jù)本發(fā)明第一方面的絕緣襯底中，絕緣層是通過使陶瓷微粒與金屬基底碰撞連接到金屬基底的室溫沖擊固化膜的陶瓷層，陶瓷微粒由氧化硅、氧化鋁、氮化硅、氮化硼和氮化鋁中的至少一種制成。
依據(jù)本發(fā)明第三方面的絕緣襯底是這樣的，在依據(jù)本發(fā)明第二方面的絕緣襯底中，由氧化硅和氧化鋁組成的第一組中的至少一種和由氮化硅、氮化硼、氮化鋁組成的第二材料組中的至少一種制成。
依據(jù)本發(fā)明第四方面的絕緣襯底是這樣的，在依據(jù)本發(fā)明第一個方面的絕緣襯底中，絕緣層是通過使陶瓷微粒與金屬基底碰撞連接到金屬基底的室溫沖擊固化膜的陶瓷層，陶瓷微粒由其表面由氧化鋁涂層形成的氮化硅、氮化硼和氮化鋁中的至少一種制成。
依據(jù)本發(fā)明第五方面的絕緣襯底是這樣的，在依據(jù)本發(fā)明第一方面的絕緣襯底中，絕緣層是通過使陶瓷微粒與金屬基底碰撞連接到金屬基底的室溫沖擊固化膜的陶瓷層，陶瓷微粒由其表面由氧化硅涂層形成的氮化硅、氮化硼和氮化鋁中的至少一種制成。
依據(jù)本發(fā)明第六方面的絕緣襯底是這樣的，在依據(jù)本發(fā)明第一到第四方面的任一絕緣襯底中，電路圖案是通過銅、鋁、鎳、鐵、鈦、鉬中的一種金屬或它們的合金熱噴涂形成的熱噴涂涂層。
依據(jù)本發(fā)明第七方面的絕緣襯底是這樣的，在依據(jù)本發(fā)明第一到第六方面中的任一絕緣襯底中，絕緣層是用氣溶膠淀積法形成的室溫沖擊固化膜。
依據(jù)本發(fā)明第八方面的絕緣襯底是這樣的，在依據(jù)本發(fā)明第一到第七方面中的任一絕緣襯底中，電路圖案是用冷噴涂方法形成的熱噴涂涂層。
依據(jù)本發(fā)明第九方面的半導(dǎo)體器件包括依據(jù)本發(fā)明第一到第八方面的任何一個的絕緣襯底；粘結(jié)到絕緣襯底的金屬基底的樹脂外殼；裝配在絕緣襯底的電路圖案上和放置在樹脂外殼中的功率器件；充滿在樹脂外殼中的絕緣樹脂，從而使絕緣層和絕緣襯底的電路圖案以及功率器件被封入且與外界隔開。
依據(jù)本發(fā)明第十方面的半導(dǎo)體器件包括依據(jù)本發(fā)明第一到第八方面的任何一個的絕緣襯底；裝配在絕緣襯底的電路圖案上的功率器件；以及形成的熱固性樹脂以使得絕緣襯底的金屬基底的一部分暴露于外界及使絕緣層和絕緣襯底的電路圖案以及功率器件被封入且與外界隔開。
上述方面能夠提供由于減少了制造步驟而價格便宜的以及具有出眾的熱輻射和絕緣性能的絕緣襯底。
本發(fā)明也能夠提供使用這種絕緣襯底的半導(dǎo)體器件。


圖1是示出依據(jù)本發(fā)明實施例的絕緣襯底的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖2(a)-2(d)示出了絕緣襯底的制造方法；圖3是示出依據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖4是示出依據(jù)本發(fā)明另一個實施例的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的剖視圖；
圖5示出傳統(tǒng)的絕緣襯底的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖6(a)是示出普通形式的另一個傳統(tǒng)的絕緣襯底的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖6(b)是示出包括金屬基底基體的另一個傳統(tǒng)絕緣襯底的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
具體實施例方式
依據(jù)本發(fā)明實施例的絕緣襯底和半導(dǎo)體器件在下文中將參照附圖做出描述。圖1是示出依據(jù)本發(fā)明實施例的絕緣襯底的結(jié)構(gòu)的剖視圖。絕緣襯底1設(shè)有金屬基底2，絕緣層3和電路圖案4。
金屬基底是諸如鋁板、鋁合金板、銅板、或銅合金板的金屬板。
絕緣層3是通過氣溶膠淀積法形成的室溫沖擊固化膜(room temperatureshock solidification film)。絕緣層3的厚度考慮到熱阻、絕緣特性等而設(shè)置，并通常設(shè)置為約300-400微米。通過氣溶膠淀積法在結(jié)晶狀態(tài)形成，絕緣層3的熱傳導(dǎo)率變得等于或接近于即使是由任何材料制成的絕緣體本體的熱傳導(dǎo)率。通過氣溶膠淀積法形成絕緣層3的方式將在以后描述。
絕緣層3可以由任何不同種類的材料制成。例如，絕緣層3可以是以這種方式形成的室溫沖擊固化膜氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)中的至少一種的陶瓷微粒是由氣溶膠淀積法室溫沖擊固化的，即，陶瓷微粒通過以微粒表面被激活并且然后彼此結(jié)合的這種方式產(chǎn)生的晶界相被結(jié)合在一起。
在這種情況下，獲得了約1.3-2.0W/m·k(在氧化硅(SiO2)的情況下)、約20W/m·k(在氧化鋁(Al2O3)的情況下)、約80W/m·k(在氮化硅(Si3N4)的情況下)、36-75W/m·k(在氮化硼(BN)的情況下)，或約160-180W/m·k(在氧化硅(SiO2)的情況下)的熱傳導(dǎo)率，從而改善了熱輻射特性。
在這些材料中，氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)適合增加在形成室溫沖擊固化膜的過程中的粘著性。
另一種形成絕緣層的方法是這樣的由氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)組成的第一材料組中的至少一種制成的微粒與由氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)組成的第二材料組中的至少一種制成的微?；旌停⑶?，得到的微粒通過氣溶膠淀積法是室溫沖擊固化的。在這種情況下，由于氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)的微粒牢固地結(jié)合在一起，形成了作為致密陶瓷層的牢固涂層。
還有一種形成了絕緣層3的方法是這樣的把其表面預(yù)先用氧化鋁(Al2O3)涂層形成的氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)中的至少一種的陶瓷微粒，借助氣溶膠淀積法將那些微粒噴涂在金屬基底2上碰撞進行室溫沖擊固化。在這種情況下，作為表面涂層的氧化鋁(Al2O3)和作為子晶的氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)，或氮化鋁(AlN)彼此牢固地結(jié)合，由此形成致密的室溫沖擊固化膜。
還有一種形成了絕緣層3的方法是這樣的把其表面預(yù)先用氧化硅(SiO2)涂層形成的氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)中的至少一種的陶瓷微粒，借助氣溶膠淀積法將那些微粒噴涂在金屬基底2上碰撞進行室溫沖擊固化。在這種情況下，作為表面涂層的氧化硅(SiO2)和作為子晶的氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)，或氮化鋁(AlN)彼此牢固地結(jié)合，由此形成致密的室溫沖擊固化膜。
電路圖案4是期望的電路圖案，該電路圖案是通過將銅、鋁、鎳、鐵、鈦和鉬中的一種金屬用冷噴涂方法熱噴涂形成在絕緣層3上的熱噴涂涂層。形成電路圖案4的材料可以是上述金屬中的一種的合金。電路圖案4是熱噴涂涂層具有此優(yōu)點因為熱噴涂涂層的表面與絕緣層緊密接觸，即使涂層較薄也能提供較高的電流密度。
能夠使電路圖案4變薄的特征有助于改善熱輻射特性。
接下來，將參照附圖描述絕緣襯底1的制造方法。圖2(a)-2(d)示出了絕緣襯底1的制造方法。
圖2(a)示出了通過氣溶膠淀積法在預(yù)先形成的金屬基底上形成絕緣層的絕緣層成形過程。更具體地說，圖2(a)示出了通過把陶瓷微粒噴涂在金屬基底2上的氣溶膠淀積法正在形成絕緣層的狀態(tài)。金屬基底2四周的區(qū)域覆蓋掩膜5。掩膜5的厚度與所需絕緣層3的厚度接近。
氣溶膠淀積法是一種以這樣的方式形成涂層的技術(shù)作為材料的微粒和超細(xì)微粒與諸如氦或空氣的的氣體相混和以形成氣溶膠，并且從噴嘴發(fā)射氣溶膠使之與襯底相撞，藉此微粒和超細(xì)微粒通過室溫沖擊固化淀積在襯底上。
使用在這個實施例中的微粒和超細(xì)微粒是如通過機械研磨(粒子直徑0.1-2微米)產(chǎn)生的粉末的陶瓷微粒。對氣溶膠淀積法的說明將在假設(shè)陶瓷微粒由氧化鋁(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)中的一種組成的情況下繼續(xù)。
裝置由氣溶膠形成室和膜形成室組成。通過真空泵膜形成室內(nèi)部的壓力被降低到50Pa到1Kpa。通過攪拌作為材料的干陶瓷粒子和氣體相混和在氣溶膠形成室中形成氣溶膠。由于是干的，陶瓷粒子不會粘進大粒子中。
裝置在上述狀態(tài)被啟動，在該裝置中由兩個室之間的壓力差引起的氣流運送的陶瓷微粒被傳送到膜成形室。在氣溶膠成形室和膜成形室之間設(shè)置有粉碎機和分選機。當(dāng)陶瓷微粒通過粉碎機時，粘著的粒子被粉碎成陶瓷微粒，且具有小直徑的陶瓷微粒被允許通過分選機。依靠這些措施，僅具有小直徑的個別陶瓷微粒被傳送到膜成形室。這些陶瓷微粒通過槽狀噴嘴并從而被加速到100m/s。被加速的陶瓷微粒被噴涂在金屬基底2上。
直徑在5納米到1微米范圍之間的陶瓷微粒以高速與金屬基底2相碰撞。其中直徑小于大約幾十納米的陶瓷微粒被使用，它們互相結(jié)合(如下所述它們中的一部分被壓碎或變形)，藉此形成致密的陶瓷層。其中直徑在大約幾十納米到1微米范圍之間的陶瓷微粒被使用，它們被壓碎或變形成厚度(尺寸)在0.5-20納米范圍之間的數(shù)片，并且被壓碎的片互相結(jié)合，從而形成致密的陶瓷層。在這個陶瓷層中，陶瓷片相互結(jié)合得如此致密以致沒有晶界可辨別。陶瓷層能夠在室溫形成，就是說，不需要溫度的增加。
陶瓷微粒可以由氧化硅、氧化鋁、氮化硅、氮化硼和氮化鋁中的一種制成。使用以這種方式至少一種材料制成的陶瓷微粒使形成如此致密以致沒有晶界可辨別的絕緣層成為可能。
或者，陶瓷微?？梢杂裳趸韬脱趸X組成的第一材料組中的至少一種與由氮化硅、氮化硼、氮化鋁組成的第二材料組中的至少一種制成。其中陶瓷微粒由通過從兩組材料的每一組選擇至少一種材料確定的材料制成，第一組的陶瓷微粒和第二組的陶瓷微?；ハ嗬喂痰亟Y(jié)合，藉此能夠形成如此致密以致沒有晶界可辨別的絕緣層。
作為另一種選擇，可以使用由氮化硅、氮化硼和氮化鋁中的至少一種制成的和其表面由氧化鋁涂層形成的陶瓷微粒或由氮化硅、氮化硼和氮化鋁中的至少一種制成的和其表面由氧化硅涂層形成的陶瓷微粒。在表面由氧化鋁涂層或氧化硅涂層形成的陶瓷微粒中，氧化鋁或氧化硅與由氮化硅、氮化硼或氮化鋁制成的陶瓷微粒牢固地結(jié)合，藉此能夠形成如此致密以致沒有晶界可辨別的絕緣層。
例如，陶瓷微粒可以是這樣的以使得具有1-100納米厚度的氧化鋁或氧化硅涂層形成在由氮化硅、氮化硼或氮化鋁制成的并具有5納米到1微米的粒子直徑的子晶填料的表面上。期望使用氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)和氮化硅(Si3N4)。特別期望使用作為主要材料的具有高熱傳導(dǎo)率的氮化鋁(AlN)。
這樣形成的絕緣層是陶瓷粒子致密地相互結(jié)合的陶瓷層。因此，即使厚度降低到幾個微米到100微米絕緣層3也具有想得到的擊穿電壓。
根據(jù)絕緣層3的膜形成率，使用直徑在幾十個納米到1微米的范圍中的陶瓷微粒是有利的。在陶瓷微粒的噴涂被執(zhí)行規(guī)定的時間后最后形成如圖2(b)所示的絕緣層3。
上面的絕緣層3的形成具有以下優(yōu)點(1)增加的絕緣擊穿電壓在氣溶膠淀積方法中，在室溫能形成膜并且使亞微細(xì)粒級的陶瓷微粒以可與聲速相比的速度與襯底碰撞。因此，新活化的表面(active fresh surface)被暴露的陶瓷微粒互相結(jié)合，藉此能夠形成是非常致密的絕緣膜的陶瓷微粒層。在膜的內(nèi)部沒有孔隙，這樣形成的絕緣層3展示了比傳統(tǒng)焙燒方法形成的陶瓷襯底中的絕緣層大約高十倍的每單位長度擊穿電壓。
(2)降低的熱阻因為每單位長度擊穿電壓是增加的，絕緣層3能夠做的更薄并且因此整個絕緣層3的熱阻能夠被降低。
如上述項(1)和(2)所描述的，改善的絕緣性能和降低的熱阻都能夠得到保證。此外，絕緣層3能夠在力學(xué)含義上牢固地粘結(jié)到金屬基底2。
在形成絕緣層3后，作為熱噴涂涂層的電路圖案4形成在絕緣層3上。
圖2(c)示出了電路圖案形成過程，即，在用前述過程已經(jīng)形成的絕緣層上通過冷噴涂方法形成電路圖案4的過程。圖(2)示出了用冷噴涂方法在形成在金屬基底2的絕緣層3上噴涂金屬粉末的狀態(tài)。絕緣層3被掩膜6覆蓋。掩膜6形成與所需電路圖案相應(yīng)的許多孔，并與電路圖案4的厚度接近。
冷噴涂方法，是一種熱噴涂技術(shù)，是溫度比熱噴涂材料的熔點或軟化溫度更低的氣體的超聲流，并且熱噴涂材料的粒子被放入流中，且從而被加速。造成仍然在固相的粒子以高速與基底構(gòu)件相撞，藉此在基底構(gòu)件上形成涂層?？梢酝ㄟ^等離子噴涂法、火焰噴涂法、高速火焰噴涂法等替代冷噴涂法形成電路圖案4。
在冷噴涂法中，用于加熱和加速熱噴涂材料的粒子的工作氣體的溫度可以非常低。更具體地說，對比等離子噴涂中工作氣體的溫度要高達(dá)2000-8000℃的情況，工作氣體的溫度可以是大約為室溫到600℃。熱噴涂粒子不是非常熱并因此在它們?nèi)蕴幱诠滔嗟臓顟B(tài)使之與基底構(gòu)件相撞。合成的能量在基底構(gòu)件和粒子中產(chǎn)生塑性變形，結(jié)果是形成涂層。因此，可以使制造設(shè)備比傳統(tǒng)的情況更簡單，這也對降低制造成本有用。同樣就所形成的電路圖案的傳導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)率而言，這個實施例的制造方法比其它制造方法是有利的。
至于所使用的裝置，高壓工作氣體從諸如集氣筒的氣源供應(yīng)到每一粉末供應(yīng)裝置和氣體加熱器。該氣體是空氣、氦氣、氮氣等等。
部分操作的氣體分流供應(yīng)到粉末供應(yīng)裝置，并作為運載氣體與熱噴涂粉末一起流到熱噴槍。
作為主流的大多數(shù)工作氣體通過由電爐等直接或間接加熱的線圈形管道流動，在此期間它的溫度被增加。工作氣體然后被供應(yīng)到熱噴槍，并通過超聲波噴嘴加速且從噴嘴噴出。
工作氣體并不總是熱的。但是，加熱工作氣體是有利的因為它增加了粒子速度并促進粒子的塑性變形。
熱噴涂以上述狀態(tài)開始，因此熱噴涂粉末從超聲噴嘴與工作氣體一起噴出。
在圖2(c)中示出的冷噴涂中，使用其直徑在1.0-50.0微米范圍中的金屬粒子。粒子材料的例子為銅、鋁、鐵、鈦和鉬。通常，銅或鋁用于這個實施例的情況下的布線板的形成。這種金屬粒子從距離絕緣層3處10-50mm的位置以500-900mm/s的速度經(jīng)由掩膜6噴涂到絕緣層3上。金屬粒子淀積在絕緣層3上，藉此在絕緣層上形成作為圖2(d)中示出的電路圖案的熱噴涂層。為了得到所需的膜厚度，噴涂在給定的時間完成?？紤]電流密度設(shè)置電路圖案4的厚度并且通常設(shè)置在約30-500微米。
通過上述制造過程制造出具有三層結(jié)構(gòu)的絕緣襯底。
根據(jù)上面的制造方法，陶瓷絕緣層3能夠直接在金屬基底2上形成并且電路圖案4能夠在陶瓷絕緣層3上形成。因此，制造步驟的數(shù)量大為減少，因而制造成本比制造陶瓷布線板的傳統(tǒng)方法大幅降低。此外，氣溶膠淀積法和冷噴涂法都不需要加熱到高溫，這對降低制造成本也有用。
此外，絕緣層3和電路圖案4在熱輻射特性方面都得到改善，藉此絕緣襯底1能夠在熱輻射性能上勝過傳統(tǒng)的金屬基底印刷布線板并被給予能與陶瓷相比的高的熱傳導(dǎo)率。此外，依靠高的絕緣阻抗，絕緣襯底1使高輸出功率粉末設(shè)備能夠使用。
在上面的制造方法中，通過氣溶膠淀積法以這種方式可以形成絕緣層3，使得通過調(diào)節(jié)掩膜5的開口3將陶瓷連續(xù)地粘結(jié)到金屬基底1的一個主要表面和側(cè)面的一部分。這種結(jié)構(gòu)在獲得高的絕緣體擊穿電壓方面是有利的，因為在絕緣層3和的電路圖案4和金屬基底2之間的漏電距離增加了。
接下來，將參照附圖描述使用上述絕緣襯底的半導(dǎo)體器件。圖3是示出依照本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
半導(dǎo)體器件10是半導(dǎo)體組件并且設(shè)有絕緣襯底1、樹脂外殼11、引線端子12、絕緣樹脂13、功率器件14和鋁線15。如圖1所示，絕緣襯底1由金屬基底2，通過氣溶膠淀積法在金屬基底2上形成的陶瓷絕緣層3，和通過冷噴涂法在絕緣層3上形成的金屬電路圖案4組成。
半導(dǎo)體器件10具有供應(yīng)電能的功能。由樹脂(環(huán)氧樹脂、PPS、PBT等等)制成的且與引線端子構(gòu)成整體的樹脂外殼11被粘結(jié)到絕緣襯底1，藉此形成了容納空間。功率器件14的背電極和引線端子12安裝(連接并固定)在絕緣襯底1的電路圖案4上，功率器件14的其它電極經(jīng)鋁線15連接到電路圖案4。由樹脂外殼11形成的容納空間充滿著由具有高熱傳導(dǎo)率的硅樹脂膠體、環(huán)氧樹脂等制成的絕緣樹脂13，藉此電源電路被封入。樹脂外殼11的開口部分用由與樹脂外殼11相同的樹脂(環(huán)氧樹脂、PPS、PBT等等)制成的蓋子16覆蓋。
通過在另一印刷電路板等等上面形成控制功率器件14的控制電路和將該印刷電路板放入上述容納空間可以構(gòu)成智能功率模塊。
如圖3的圓形放大部分中所示，絕緣層3可以是將陶瓷連續(xù)地粘結(jié)到一個主要表面和粘結(jié)到金屬基底2的側(cè)面部分。這種結(jié)構(gòu)在獲得高的絕緣體擊穿電壓方面是有利的，因為在絕緣層3上的電路圖案4和金屬基底2之間的漏電距離增加了。
功率器件14是作為用諸如IGBT(絕緣柵型雙極晶體管)或FWD(續(xù)流二極管)的開關(guān)器件舉例說明的功率半導(dǎo)體器件，并被安裝在電路圖案4上以形成電源電路。如需要，也可將電阻、電容、線圈等安裝到電路圖案4。通常，由于功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)生熱量，特別是，開關(guān)器件的開關(guān)操作產(chǎn)生熱量，這種電源電路的溫度會變高。但是，在半導(dǎo)體器件10中，所產(chǎn)生的熱量經(jīng)具有出色冷卻性能的絕緣襯底1和固定到絕緣襯底1的金屬基底2的散熱片被散發(fā)。
至于半導(dǎo)體器件10的制造方法，首先，將功率器件14裝配在由氣溶膠淀積法和冷噴涂法形成的絕緣襯底1的電路圖案4上。然后，用硅樹脂粘結(jié)劑等將樹脂外殼11安裝在絕緣襯底1的周圍上。引線端子被插入并因此與樹脂外殼11構(gòu)成整體。然后，所需的功率器件14經(jīng)鋁線15被電氣連接到電路圖案4以形成電源電路。類似地，引線端子12經(jīng)鋁線15連接到電路圖案4的引線部分。然后，諸如硅樹脂膠體或環(huán)氧樹脂的絕緣樹脂13被噴射到電源電路上以絕緣和保護功率器件14等和它們的臨近部分。最后，將樹脂蓋16粘結(jié)到樹脂外殼11的開口部分。
如上所述半導(dǎo)體器件被作為智能功率模塊構(gòu)成，在上面的過程中在粘結(jié)樹脂蓋16之前在另一塊印刷電路板等等上面形成控制功率器件14的控制電路并且將該印刷電路板放入容納空間。在半導(dǎo)體器件的內(nèi)部當(dāng)中，印刷電路板能夠以不同方式連接到電源電路和引線端子，這些方式舉例如下電線粘結(jié)法和設(shè)有供內(nèi)部連接的引線端子，通過印刷電路板的連接通孔插入并焊接到印刷電路板的方法。但是這些方法的詳細(xì)說明予以省略。
接下來，以下將參照附圖描述依據(jù)本發(fā)明另一個實施例的半導(dǎo)體器件。圖4是示出依據(jù)另一個實施例的半導(dǎo)體器件的剖視圖。該半導(dǎo)體器件20不同于上述半導(dǎo)體器件之處在于，未使用殼結(jié)構(gòu)和用絕緣樹脂22實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)。該半導(dǎo)體器件以下面的方式形成。功率器件23和引線端子21安裝(連接和固定)在絕緣襯底1的絕緣層3上的電路圖案4上，并然后通過使用鋁線作連接。密封樹脂被施加到裝配了功率器件23的金屬基底側(cè)，以使得沒有形成絕緣層3的金屬基底2的其它表面暴露，藉此形成絕緣樹脂模22。如圖1所示，絕緣襯底1由通過氣溶膠淀積法在金屬基底2上形成的陶瓷絕緣層3和通過冷噴涂法在絕緣層3上形成的金屬電路圖案4組成。
由于其開關(guān)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱量，功率器件的溫度變高。因此，在半導(dǎo)體器件20中，絕緣襯底1的金屬基底2的一個表面(即沒有形成絕緣層3的表面)暴露在熱輻射的環(huán)境下。在絕緣襯底1的電路圖案4上形成包括為功率半導(dǎo)體器件等的功率器件23的電源電路，并且在引線端子21向外引出的狀態(tài)下將具有高熱傳導(dǎo)率的環(huán)氧樹脂等施加到絕緣層3、絕緣襯底1的電路圖案4以及功率器件23以形成絕緣樹脂模22。絕緣襯底1的金屬基底2暴露在外界中，這改善了冷卻性能。
如圖4的圓形放大部分中所示，絕緣層3可以是將陶瓷連續(xù)地粘結(jié)到金屬基底2的一個主要表面或側(cè)面2a。這種結(jié)構(gòu)在獲得高的絕緣體擊穿電壓方面是有利的，因為在絕緣層3上的電路圖案4和金屬基底2之間的漏電距離增加了。
半導(dǎo)體器件20的制造方法如下。首先，將功率器件23和引線端子21焊接到預(yù)先形成的絕緣基底1的電路圖案4上。然后，用超聲波鍵合通過鋁線24把功率器件23、電路圖案4和引線端子31電氣地相互連接，藉此完成電源電路。
然后，所得到的結(jié)構(gòu)設(shè)置在與轉(zhuǎn)移成型機器(transfer molding machine)的相連的模具中。模具的溫度保持在170-180℃。通過預(yù)熱，片狀的環(huán)氧樹脂用柱塞被注入模具中。該環(huán)氧樹脂包括從氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、氮化鋁(AlN)和氮化硼(BN)組成的組中選擇的一種或多種填充物，并具有0.5-5.0W/m·k的熱傳導(dǎo)率。
環(huán)氧樹脂從注射起幾十秒內(nèi)固化。在環(huán)氧樹脂固化后立即將該結(jié)構(gòu)從模具中取出，并且，環(huán)氧樹脂然后在恒溫室中接受后固化。從而形成絕緣樹脂模。
如此半導(dǎo)體器件20被完成以使得金屬襯底2從絕緣襯底1暴露于外界，并且絕緣襯底1的絕緣層3和電路圖案4以及功率器件23被絕緣樹脂模22封入和與外界隔開。
根據(jù)該實施例的每一半導(dǎo)體器件10和20作為電源電路模塊已經(jīng)在上面作了描述，本發(fā)明可應(yīng)用于不僅設(shè)有電源電路模塊而且設(shè)有控制電路模塊的半導(dǎo)體器件。
由于通過具有出眾的絕緣性能、抗?jié)裥院妥柚垢g氣體功能的環(huán)氧樹脂等等，內(nèi)部的電路被封入且與外界隔開，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件10和20防止了因灰塵引入或吸濕導(dǎo)致的絕緣性能的變差，同時也防止了因暴露于諸如氫化硫的腐蝕氣體導(dǎo)致的電子元件的電極腐蝕。
能夠降低因功率器件14或23錯誤的電氣操作或短路產(chǎn)生電弧或火化的可能性，這避免了整個設(shè)備被燒引起火災(zāi)。
除上述優(yōu)點外，本發(fā)明同時提供了高可靠性的半導(dǎo)體器件。
權(quán)利要求
1.一種絕緣襯底，包括作為基底構(gòu)件的金屬基底；絕緣層，其為形成在所述金屬基底上的室溫沖擊固化膜；以及電路圖案，其為形成在所述絕緣層上的熱噴涂涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的絕緣襯底，其特征在于所述絕緣層是通過使陶瓷微粒與金屬基底碰撞連接到金屬基底的室溫沖擊固化膜的陶瓷層，所述陶瓷微粒由氧化硅、氧化鋁、氮化硅、氮化硼和氮化鋁中的至少一種制成。
3.如權(quán)利要求2所述的絕緣襯底，其特征在于所述絕緣襯底由氧化硅和氧化鋁組成的第一組中的至少一種及由氮化硅、氮化硼、氮化鋁組成的第二材料組中的至少一種制成。
4.如權(quán)利要求1所述的絕緣襯底，其特征在于所述絕緣層是通過使陶瓷微粒與金屬基底碰撞連接到金屬基底的室溫沖擊固化膜的陶瓷層，所述陶瓷微粒由其表面由氧化鋁涂層形成的氮化硅、氮化硼和氮化鋁中的至少一種制成。
5.如權(quán)利要求1所述的絕緣襯底，其特征在于所述絕緣層是通過使陶瓷微粒與金屬基底碰撞連接到金屬基底的室溫沖擊固化膜的陶瓷層，所述陶瓷微粒由其表面由氧化硅涂層形成的氮化硅、氮化硼和氮化鋁中的至少一種制成。
6.如權(quán)利要求1所述的絕緣襯底，其特征在于所述電路圖案是通過銅、鋁、鎳、鐵、鈦和鉬中的一種金屬或它們的合金的熱噴涂形成的熱噴涂涂層。
7.如權(quán)利要求1所述的絕緣襯底，其特征在于所述絕緣層是用氣溶膠淀積法形成的室溫沖擊固化膜。
8.如權(quán)利要求1所述的絕緣襯底，其特征在于所述電路圖案是用冷噴涂方法形成的熱噴涂涂層。
9.一種半導(dǎo)體器件，包括如權(quán)利要求1-8中任一權(quán)項所述的絕緣襯底；粘結(jié)到所述絕緣襯底的金屬基底的樹脂外殼；安裝在所述絕緣襯底的電路圖案上并放置在所述樹脂外殼中的功率器件；以及絕緣樹脂，充滿在所述樹脂外殼中，從而使所述絕緣層和所述絕緣襯底的電路圖案以及所述功率器件被封入并與外界隔開。
10.一種半導(dǎo)體器件，包括如權(quán)利要求1-8中任一權(quán)項所述的絕緣襯底；安裝在所述絕緣襯底的電路圖案上的功率器件；以及熱固性絕緣樹脂，其形成使得所述絕緣襯底的金屬基底的一部分向外界暴露，并使所述絕緣層和所述絕緣襯底的電路圖案以及所述功率器件被封入且與外界隔開。
全文摘要
一種絕緣襯底設(shè)有作為基底構(gòu)件的金屬基底；用氣溶膠淀積法形成在金屬基底上的室溫沖擊固化膜；和用冷噴涂法形成在絕緣層上的熱噴涂涂層的電路圖案。一種半導(dǎo)體器件包含這種絕緣襯底，從而提高了熱輻射特性。
文檔編號H01L23/14GK1783473SQ20051012871
公開日2006年6月7日 申請日期2005年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月25日
發(fā)明者岡本健次 申請人:富士電機控股株式會社