專利名稱：半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置，例如一種電源模塊。更具體的，本發(fā) 明涉及一種半導(dǎo)體裝置，包括具有絕緣襯底的電路板、固定在絕緣襯底 第一側(cè)的第一金屬板、以及固定在絕緣襯底第二側(cè)的第二金屬板。半導(dǎo) 體裝置進(jìn)一步包括安裝在第一金屬板上的半導(dǎo)體元件、以及安裝在第二 金屬板上的熱冷卻元件。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體裝置中，由于半導(dǎo)體元件與絕緣襯底的線性膨脹系 數(shù)不同，在半導(dǎo)體元件與絕緣襯底之間的結(jié)合表面處產(chǎn)生熱應(yīng)力。這個 熱應(yīng)力的增加與相距結(jié)合表面中央的距離成比例。這個熱應(yīng)力易于在結(jié) 合表面處產(chǎn)生裂縫，以及絕緣襯底和散熱器的翹曲。上述裂縫或者翹曲 損害熱傳遞性能。
日本未審查專利公開號2004-153075公開了一種包括上述問題的解 決方案的電源模塊。如圖5A中所示，電源模塊包括絕緣襯底101，固定 在絕緣襯底101第一側(cè)上的發(fā)熱元件102，焊接到絕緣襯底101第二側(cè)的 散熱器103，以及用螺絲固定到散熱器103的散熱片104。散熱器103具 有一對板狀的散熱體103a，散熱體103a由具有高熱傳導(dǎo)性的材料例如銅 形成。散熱器103進(jìn)一步具有插入到散熱體103a之間的低熱膨脹系數(shù)材 料105，例如因瓦合金。
在曰本未審查專利公開號2006-294699中提出了一種散熱器120。如 圖5B中所示，散熱器120包括絕緣襯底121，置于絕緣襯底121第一側(cè) 上的發(fā)熱元件122，通過金屬板124固定到絕緣襯底121第二側(cè)的散熱片 123。具有應(yīng)力吸收空間的應(yīng)力松弛構(gòu)件125插入到絕緣襯底121和散熱 片123之間。應(yīng)力松弛構(gòu)件125由具有高熱傳導(dǎo)率的材料形成，并且被 金屬結(jié)合到絕緣襯底121和散熱片123 二者。應(yīng)力松弛構(gòu)件125具有應(yīng) 力松弛孔126。曰本未審查專利公開號2002-176127公開了用于電子零件130的另 一種冷卻結(jié)構(gòu)，以及一種電氣電路器件。如圖5C中所示，除了在電子零 件130和板132之間的電連接部件131，電氣電路器件具有在電子零件 130與板132之間的熱傳導(dǎo)金屬層133。金屬層133相對于金屬層133的 中央被分割成三部分或更多部分。每個被分割部分的一個或多個側(cè)線通 過化學(xué)處理(板處理)被稍微地變圓。在此情況下，化學(xué)處理的應(yīng)用顯 著增加了電氣電路器件的制備時間。目前，需要半導(dǎo)體裝置具有改良的冷卻性能，換句話說，需要從半 導(dǎo)體元件到散熱器的較好的熱傳導(dǎo)性，同時熱應(yīng)力最小化。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是一種半導(dǎo)體裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，半導(dǎo) 體裝置包括電路板。該電路板具有絕緣襯底、固定在絕緣襯底的第一側(cè) 上的第一金屬板、以及固定在絕緣襯底的第二側(cè)上的第二金屬板。這個 半導(dǎo)體裝置進(jìn)一步具有安裝在第一金屬板上的半導(dǎo)體元件，安裝在第二 金屬板上的應(yīng)力減小構(gòu)件，以及固定在應(yīng)力減小構(gòu)件上的熱冷卻元件。 應(yīng)力減小構(gòu)件為板狀并且具有至少一個圓形的角部。不希望本發(fā)明在此被完整概括。相反，結(jié)合附圖，隨后通過以本發(fā) 明的主要實施例的方式描述，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將由下面的描述 而變得明顯。


在附帶的權(quán)利要求中特別闡述了本發(fā)明具有新穎性的特征。本發(fā)明 及其目標(biāo)和優(yōu)點可以參考下面的實施例以及附帶的附圖而被最好地理 解，在附圖中附圖1是描述了根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體裝置的平面圖； 附圖2是描述了在附圖1中沿著線2-2得到的半導(dǎo)體裝置的截面圖； 附圖3A是描述了根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體裝置的應(yīng)力減小構(gòu)件 的平面圖；附圖3B是描述了在附圖3A中沿著線3B-3B得到的半導(dǎo)體裝置的應(yīng) 力減小構(gòu)件的截面圖；附圖4是描述了本發(fā)明的替代實施的平面圖；附圖5A是描述了一項背景技術(shù)的截面圖； 附圖5B是描述了另一項背景技術(shù)的截面圖；以及 附圖5C是進(jìn)一步描述了其它背景技術(shù)的截面圖。
具體實施方式
根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導(dǎo)體裝置將參考附圖1到3進(jìn)行描述。 如在附圖2中所示，半導(dǎo)體裝置10具有電路板11，安裝在電路板 11上的半導(dǎo)體元件12，以及散熱片13(即，熱冷卻元件)。電路板ll具 有板狀陶瓷襯底14 (即，絕緣襯底)，固定在陶瓷襯底14第一側(cè)14a上 的兩個金屬電路15 (即，第一金屬板)，以及固定在陶瓷襯底14第二側(cè) 14b上的金屬板16 (即，第二金屬板)。散熱片13通過金屬板16和應(yīng)力減小構(gòu)件20固定到陶瓷襯底14。陶 瓷襯底14由電絕緣材料形成，例如氮化鋁、氧化鋁或者氮化硅。金屬電 路15、金屬板16以及散熱片13由良好的熱導(dǎo)體形成，例如鋁、鋁合金 或者銅。如附圖1和2中所示，半導(dǎo)體元件12通過焊接層H安裝到金屬電路 15上。兩個半導(dǎo)體元件12被安裝到每個金屬電路15上。半導(dǎo)體元件12 是電子零件，例如IGBT (絕緣柵雙極晶體管)、MOSFET或者二極管。如附圖2中所示，為了引導(dǎo)例如散熱劑的流體流動，在散熱片13內(nèi) 部形成通道13a。在散熱片13和金屬板16之間插入應(yīng)力減小構(gòu)件20。板狀應(yīng)力減小 構(gòu)件20由具有高熱傳導(dǎo)率的材料構(gòu)成，例如鋁。應(yīng)力減小構(gòu)件20的第 一側(cè)20e對著半導(dǎo)體元件12的到金屬電路15的結(jié)合表面12a。第一側(cè) 20e整體銅焊到金屬板16,并且應(yīng)力減小構(gòu)件20的第二側(cè)20f整體銅焊 到散熱片13。電路板11和散熱片13通過應(yīng)力減小構(gòu)件20連接，因此由 半導(dǎo)體元件12產(chǎn)生的熱量通過電路板11和應(yīng)力減小構(gòu)件20傳導(dǎo)到散熱 片13。應(yīng)力減小構(gòu)件20將在此被具體描述。在附圖3A中，用兩點點劃線 繪制出半導(dǎo)體元件12，陶瓷襯底14以及金屬板16。在頂部-以及-底部方 向上應(yīng)力減小構(gòu)件20的第一側(cè)線20a和第二側(cè)線20b互相面對，并且在 左-以及-右方向上應(yīng)力減小構(gòu)件20的第三側(cè)線20c以及第四側(cè)線20d互相面對。應(yīng)力減小構(gòu)件20的周圍邊緣部分由側(cè)線20a， 20b， 20c和20d， 以及四個角部C構(gòu)成。角部C通過壓力作用而變圓。形成每個角部C的 兩個側(cè)線(第一側(cè)線20a和第四側(cè)線20d，或者第二側(cè)線20b和第四側(cè)線 20d，或者第二側(cè)線20b和第三側(cè)線20c，或者第一側(cè)線20a和第三側(cè)線 20c)由弧形而連接起來。
在這個實施例中，應(yīng)力減小構(gòu)件20是在側(cè)線上30mm的正方形。應(yīng) 力減小構(gòu)件20具有與金屬板16大體相同的平面形狀和尺寸。使角部C 變圓成弧形，優(yōu)選地，直徑為3.5mm到10mm(更優(yōu)選為3.5mm到5mm)。 熱應(yīng)力易于在角部集中。因此，如果直徑小于3.5mm，就不足以減小熱 應(yīng)力。另一方面，如果直徑大于10mm，應(yīng)力減小構(gòu)件20與金屬板16 以及散熱片13的各個結(jié)合表面減小，由此不足以從金屬板16向散熱片 13傳導(dǎo)半導(dǎo)體元件12產(chǎn)生的熱量。注意，如果在形成角部C的線上的 任一點繪制出切線M1，切線M1無法延伸通過熱應(yīng)力構(gòu)件20 (參考附圖 3A)。
應(yīng)力減小構(gòu)件20通過釬料(brazing filler metal)被銅焊到金屬板16 以及散熱片13。釬料是與應(yīng)力減小構(gòu)件20具有相同平面形狀的板狀。換 句話說，釬料的角部是圓形的。
除了應(yīng)力減小構(gòu)件20的角部C之外，應(yīng)力減小構(gòu)件20的周圍邊緣 部分與金屬板16的周圍邊緣部分是同延的。如附圖3B中所示，在水平 方向上，角部C被置于比金屬板16的角部16a更內(nèi)側(cè)處。各個角部C以 及對應(yīng)的角部16a在電路板11的厚度方向上一起形成了臺階結(jié)構(gòu)。各個 角部C都直接在金屬板16之下并且直接在散熱片13之上。因此，應(yīng)力 減小空間S由金屬板16，散熱片13以及角部C形成。
如附圖3A中所示，線Ll延伸通過第一側(cè)線20a和第二側(cè)線20b的 各自中點。線L2延伸通過第三側(cè)線20c和第四側(cè)線20d的各自中點。在 第一側(cè)線20a和第三側(cè)線20c之間形成的角部C相對于線L2與形成在第 二側(cè)線20b和第三側(cè)線20c之間的角部C是對稱的。在第一側(cè)線20a和 第四側(cè)線20d之間形成的角部C相對于線L2與形成在第二側(cè)線20b和第 四側(cè)線20d之間的角部C是對稱的。第一側(cè)線20a和第三側(cè)線20c之間 形成的角部C相對于線Ll與形成在第一側(cè)線20a和第四側(cè)線20d之間的角部C是對稱的。第二側(cè)線20b和第三側(cè)線20c之間形成的角部C相對 于線Ll與形成在第二側(cè)線20b和第四側(cè)線20d之間的角部C是對稱的。每條線L3和L4代表應(yīng)力減小構(gòu)件20的對角線，其延伸通過兩個角 部C。在第一側(cè)線20a和第四側(cè)線20d之間形成的角部C相對于線L3與 在第二側(cè)線20b和第三側(cè)線20c之間形成的角部C是對稱的。在第一側(cè) 線20a和第三側(cè)線20c之間形成的角部C相對于線L4與在第二側(cè)線20b 和第四側(cè)線20d之間形成的角部C是對稱的。當(dāng)上述半導(dǎo)體裝置10被應(yīng)用到，例如，為汽車發(fā)動機(jī)提供功率控制 的控制電路，半導(dǎo)體裝置10根據(jù)汽車驅(qū)動情況控制功率。在這種情況下， 由半導(dǎo)體元件12產(chǎn)生的熱通過金屬電路15、陶瓷襯底14、以及金屬板 16和應(yīng)力減小構(gòu)件20傳導(dǎo)到散熱片13。已經(jīng)傳導(dǎo)到散熱片13的熱被流 過散熱片13中通道13a的流體帶走。換句話說，散熱片13被流體冷卻。 因此，熱被有效帶走，并且半導(dǎo)體元件12被冷卻。當(dāng)熱被傳導(dǎo)到散熱片13時，陶瓷襯底14和散熱片13的溫度升髙， 導(dǎo)致陶瓷襯底14和散熱片13 二者的熱膨脹。另一方面，當(dāng)半導(dǎo)體元件 12停止產(chǎn)生熱量，陶瓷襯底14和散熱片13的溫度下降減小，導(dǎo)致陶瓷 襯底14和散熱片13 二者的熱收縮。在熱膨脹和收縮中，由陶瓷襯底14 和散熱片13的線性膨脹系數(shù)的差異形成熱應(yīng)力。然而，由于應(yīng)力減小構(gòu) 件20的所有角部C都是圓形的，所以降低了影響角部C的熱應(yīng)力。進(jìn)一 步，當(dāng)形成熱應(yīng)力時，應(yīng)力減小構(gòu)件20可在角部16a和散熱片13之間 形成的應(yīng)力減小空間S中變形，從而減小熱應(yīng)力。因此，在應(yīng)力減小構(gòu) 件20和金屬板16之間以及在應(yīng)力減小構(gòu)件20和散熱片13之間，避免 形成裂縫。散熱片13的到電路板11的結(jié)合表面的翹曲也得以避免。根據(jù)本發(fā)明的實施例，可能帶來下面的效果。即使由于陶瓷襯底14和散熱片13的線性膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生了熱應(yīng) 力，應(yīng)力減小構(gòu)件20可在應(yīng)力減小空間S中變形，從而減小熱應(yīng)力。進(jìn) 一步，由于角部C是圓形的，因此在角部C與在日本未審查專利公開號 2006-294699中所示的銳角轉(zhuǎn)角的角部相比，熱應(yīng)力進(jìn)一步降低。因此， 避免了在應(yīng)力減小構(gòu)件20和金屬板16之間以及在應(yīng)力減小構(gòu)件20和散 熱片13之間形成裂縫。也避免了在散熱片13上形成的翹曲。角部C通過擠壓具有高熱傳導(dǎo)率的材料而變圓。這樣，應(yīng)力減小構(gòu)
件20能夠在短時間內(nèi)被容易制造。因此，半導(dǎo)體裝置10能夠在短時間 內(nèi)被制造。在角部通過化學(xué)工藝而變圓的情況(參見，例如，日本未審 查專利公開號2002-176127)，就無法獲得那個優(yōu)勢。
應(yīng)力減小構(gòu)件20的整個第一側(cè)被固定在金屬板16上，產(chǎn)生了從應(yīng) 力減小構(gòu)件20到散熱片13的改良的熱傳導(dǎo)。在應(yīng)力減小構(gòu)件20沒有被 完全固定在金屬板16上的情況(參見，例如，附圖5B中應(yīng)力松弛部件 125在其上具有應(yīng)力松弛孔126)，就無法獲得那個優(yōu)勢。
當(dāng)在應(yīng)力減小構(gòu)件20上增加熱應(yīng)力時，應(yīng)力減小構(gòu)件20可在應(yīng)力 減小空間S中變形，從而能夠減小熱應(yīng)力。
除了應(yīng)力減小構(gòu)件20的角部C之外，應(yīng)力減小構(gòu)件20的周圍邊緣 部分與金屬板16的周圍邊緣部分是同延的。因此，即使角部C為圓形使 得從金屬板16到應(yīng)力減小構(gòu)件20的熱傳導(dǎo)區(qū)域減小，仍然避免了從金 屬板16到應(yīng)力減小構(gòu)件20的熱傳導(dǎo)降低。
每個角部C相對于線L1， L2， L3或者L4是對稱的。因此，熱應(yīng)力 相等地分布到應(yīng)力減小構(gòu)件20的周圍邊緣部分。換句話說，避免了在應(yīng) 力減小構(gòu)件20的任何部分集中熱應(yīng)力。
在本發(fā)明中，下面的替換實施也被包含在內(nèi)。
在優(yōu)選實施例的一個替換實施例中，如附圖3A中所示，凹部或者通 孔22形成在應(yīng)力減小構(gòu)件20的第一側(cè)。
在優(yōu)選實施例的一個替換實施例中，應(yīng)力減小構(gòu)件20具有小于金屬 板16的平面形狀。換句話說，應(yīng)力減小構(gòu)件20被置于金屬板16的周圍 邊緣部分的內(nèi)部。
在優(yōu)選實施例的另一個替換實施例中，角部C的形狀不限于上面提 到的弧形。如附圖4中所示，應(yīng)力減小構(gòu)件20具有從其剪掉直角而形成 的角部20k。同樣，角部C不必相對于線L1， L2， L3或者L4與對應(yīng)的 其他角部C對稱。簡而言之，只要角部C比金屬板16的角部16a更鈍， 任何角部C都適合用于圓形角部。
在優(yōu)選實施例的進(jìn)一步替換實施例中，僅有一個，兩個或者三個角 部C為圓形。
9在上述優(yōu)選實施例中，采用水作為流過散熱片13的流體。可是，在
優(yōu)選實施例的替換實施例中，采用其它液體或者空氣。
在優(yōu)選實施例的替換實施例中，采用沸騰冷卻型散熱片作為散熱器。 在優(yōu)選實施例的另一個替換實施例中， 一個或者多于兩個金屬電路
15置于電路板11上。另外， 一個或者多于兩個半導(dǎo)體元件12置于電路
板11上。
在優(yōu)選實施例的進(jìn)一步替換實施例中，半導(dǎo)體裝置IO也可被應(yīng)用到 除汽車上控制電路之外的其它電路。
因此，本發(fā)明的示例和實施例被認(rèn)為是解釋而不是限制，本發(fā)明不 限于這里提供的細(xì)節(jié)，而且在隨后的權(quán)利要求的范圍內(nèi)可進(jìn)行改進(jìn)。
本專利申請要求基于2007年5月25日提交的第2007-139032號的日 本專利申請的國外優(yōu)先權(quán)，因此以引用的方式將其整個并入本文中，就 像在此被完全闡述一樣。
權(quán)利要求
1、 一種半導(dǎo)體裝置，包括電路板，包括絕緣襯底、固定在該絕緣襯底的第一側(cè)上的第一金屬 板、以及固定在絕緣襯底的第二側(cè)上的第二金屬板； 安裝在該第一金屬板上的半導(dǎo)體元件；固定在該第二金屬板上的應(yīng)力減小構(gòu)件，該應(yīng)力減小構(gòu)件為板狀并 且具有圓形角部；以及固定在該應(yīng)力減小構(gòu)件上的熱冷卻元件。
2、 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中該應(yīng)力減小構(gòu)件由具有高熱導(dǎo)率的材料形成。
3、 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體裝置，其中該應(yīng)力減小構(gòu)件的第一側(cè) 對著半導(dǎo)體元件的到該第一金屬板的結(jié)合表面，并且該應(yīng)力減小構(gòu)件的整個該第一側(cè)被固定在該第二金屬板上。
4、 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中該應(yīng)力減小構(gòu)件的該角部 和該第二金屬板的對應(yīng)角部一起在該電路板的厚度方向上形成了臺階結(jié) 構(gòu)。
5、 如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其中除了該應(yīng)力減小構(gòu)件的該 角部之外，該應(yīng)力減小構(gòu)件的周圍邊緣部分與該第二金屬板的周圍邊緣 部分是同延的。
6、 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體裝置，其中該應(yīng)力減小構(gòu)件的第一側(cè) 對著該半導(dǎo)體元件的到該第一金屬板的結(jié)合表面，并且在該應(yīng)力減小構(gòu) 件的該第一側(cè)上形成凹部。
7、 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體裝置，其中該應(yīng)力減小構(gòu)件是具有四 個側(cè)線的正方形，并且標(biāo)準(zhǔn)線延伸通過該第一側(cè)線以及對面的該第二側(cè) 線的各自中點，并且在該第一側(cè)線和該第三側(cè)線之間形成的該圓形角部 相對于該標(biāo)準(zhǔn)線與形成在該第一側(cè)線和該第四側(cè)線之間的另一個圓形角 部是對稱的。
8、 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中該應(yīng)力減小構(gòu)件是具有四 個側(cè)線的正方形，并且在該第一側(cè)線和鄰接的該第四側(cè)線之間形成的該圓形角部與形成在該第二側(cè)線和該第三側(cè)線之間的另一個圓形角部相對 于連接其余兩個角部的對角線是對稱的。
9、 一種制造半導(dǎo)體裝置的方法，包括步驟通過壓力作用使應(yīng)力減小構(gòu)件的角部變圓；在絕緣襯底的第一側(cè)上固定第一金屬板；在該絕緣襯底的第二側(cè)上固定第二金屬板；在該第一金屬板上安裝半導(dǎo)體元件；在該第二金屬板上固定該應(yīng)力減小構(gòu)件；以及在該應(yīng)力減小構(gòu)件上固定熱冷卻元件；其中應(yīng)力減小構(gòu)件是板狀的，并且由具有高熱導(dǎo)率的材料形成。
全文摘要
一種半導(dǎo)體裝置，所述半導(dǎo)體裝置包括電路板。該電路板具有絕緣襯底、固定在絕緣襯底第一側(cè)上的金屬電路、以及固定在該絕緣襯底第二側(cè)上的金屬板。該半導(dǎo)體裝置進(jìn)一步具有安裝在該金屬電路上的半導(dǎo)體元件、固定在該金屬板上的應(yīng)力減小構(gòu)件、以及固定在該應(yīng)力減小構(gòu)件上的散熱片。應(yīng)力減小構(gòu)件是板狀的并且具有圓形角部。
文檔編號H01L23/373GK101312183SQ20081012771
公開日2008年11月26日 申請日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者森昌吾, 熊野明子 申請人:株式會社豐田自動織機(jī)