半導(dǎo)體裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體裝置，在使半導(dǎo)體模塊的絕緣基板與金屬基底之間的粘接層的形變緩和的同時(shí)，確保半導(dǎo)體裝置的抗振性。在半導(dǎo)體模塊（9）內(nèi)的絕緣基板的電路（3、4）上設(shè)置應(yīng)力緩和層（6、7），將與半導(dǎo)體模塊接觸的金屬基底分割成薄型低剛性的第一金屬基底（11）和增厚高剛性的第二金屬基底（13），并將半導(dǎo)體模塊（9）與第一金屬基底（11）粘接后，使第一和第二金屬基底接合而成為一體。
【專利說明】半導(dǎo)體裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及搭載在例如汽車等移動(dòng)體中的電力轉(zhuǎn)換裝置所使用的半導(dǎo)體裝置，尤其涉及逆變器等所使用的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)以及安裝方法。

【背景技術(shù)】
[0002]圖3是例如電力轉(zhuǎn)換裝置所使用的普通功率半導(dǎo)體模塊的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3中，IGBT (絕緣柵雙極晶體管)等半導(dǎo)體開關(guān)元件(以下也簡(jiǎn)稱為半導(dǎo)體元件)I和續(xù)流二極管2通過焊接與絕緣材料5上的上電路3粘接，絕緣材料5上的下電路4經(jīng)由焊料或燒結(jié)的粘接層10來與形成有翅片12的金屬基底13粘接。
通過將蓋板14固定在金屬基底13上從而構(gòu)成冷卻水路，通過對(duì)翅片12進(jìn)行直接冷卻，從而能降低從半導(dǎo)體元件1、續(xù)流二極管2到冷卻水的熱阻。
[0003]此外，在專利文獻(xiàn)I (日本專利特開2006-4961號(hào)公報(bào))中，省略絕緣基板的下電路，將絕緣基板與剛性較低、較為柔軟的帶翅片的金屬基底相粘接，實(shí)現(xiàn)了熱阻的降低和高可靠性。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)
[0004]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開2006 - 4961號(hào)公報(bào)


【發(fā)明內(nèi)容】

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
[0005]現(xiàn)有的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)如下:即，利用焊接等方法對(duì)半導(dǎo)體元件、續(xù)流二極管進(jìn)行固定從而得到例如氮化硅基板的絕緣基板，并利用焊接等方法將該絕緣基板粘接在銅、招等金屬基底上。
功率半導(dǎo)體模塊因動(dòng)作反復(fù)地進(jìn)行發(fā)熱和冷卻，因此，模塊內(nèi)的各構(gòu)件按照構(gòu)件的線膨脹系數(shù)反復(fù)進(jìn)行線膨脹。
通常，構(gòu)成金屬基底的銅、鋁等金屬與構(gòu)成絕緣基板的氮化硅、氮化鋁等之間，線膨脹系數(shù)有很大不同。
另外，雖然形成在絕緣基板上的電路由銅、鋁等金屬形成，但由于厚度較薄、剛性較低，因此對(duì)絕緣基板的線膨脹幾乎沒有影響。因此，在將絕緣基板與金屬基底粘接起來的焊料層等粘接層上會(huì)發(fā)生最大的熱應(yīng)變。
此外，為了確保焊料層等粘接層的可靠性，需要降低剛性較高的金屬基底的強(qiáng)度，但該情況下，其抗振性會(huì)變差，因此會(huì)產(chǎn)生因金屬基底的強(qiáng)度不足而無(wú)法承受車載振動(dòng)的問題。
[0006]本發(fā)明是為了解決上述問題而完成的，其目的在于提供一種能使具備功率半導(dǎo)體模塊的半導(dǎo)體裝置內(nèi)的金屬基底與絕緣基板之間的粘接層的形變緩和，同時(shí)又能確?？拐裥缘母呖煽啃缘陌雽?dǎo)體裝置。
解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案
[0007]本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置包括功率半導(dǎo)體模塊以及金屬基底，所述功率半導(dǎo)體模塊由以下構(gòu)件構(gòu)成:絕緣基板，該絕緣基板具有安裝于絕緣材料的上表面、下表面并由第一金屬材料形成的上電路和下電路；半導(dǎo)體元件，該半導(dǎo)體元件粘接在所述絕緣基板的所述上電路，并與其進(jìn)行電連接，通過通斷的開關(guān)動(dòng)作來控制電流的導(dǎo)通、不導(dǎo)通；以及樹脂殼體，該樹脂殼體用于保護(hù)所述半導(dǎo)體元件和所述絕緣基板，所述金屬基底通過使經(jīng)由粘接層而與所述絕緣基板的所述下電路粘接的粘接面的相反面與冷卻介質(zhì)接觸，從而對(duì)所述功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)的所述半導(dǎo)體元件進(jìn)行冷卻，其特征在于，在所述絕緣基板的所述絕緣材料與所述上電路之間、以及所述絕緣材料與所述下電路之間設(shè)有由第二金屬材料形成的應(yīng)力緩和層。
[0008]此外，一種半導(dǎo)體裝置，包括功率半導(dǎo)體模塊以及金屬基底，所述功率半導(dǎo)體模塊由以下構(gòu)件構(gòu)成:絕緣基板，該絕緣基板具有安裝于絕緣材料的上表面、下表面并由第一金屬材料形成的上電路和下電路；半導(dǎo)體元件，該半導(dǎo)體元件粘接在所述絕緣基板的所述上電路，并與其進(jìn)行電連接，通過通斷的開關(guān)動(dòng)作來控制電流的導(dǎo)通、不導(dǎo)通；以及樹脂殼體，該樹脂殼體用于保護(hù)所述半導(dǎo)體元件和所述絕緣基板，所述金屬基底通過使經(jīng)由粘接層而與所述絕緣基板的所述下電路粘接的粘接面的相反面與冷卻介質(zhì)接觸，從而對(duì)所述功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)的所述半導(dǎo)體元件進(jìn)行冷卻，其特征在于，所述第一金屬材料為銅，并且，所述金屬基底由降低了厚度從而變?yōu)榈蛣傂缘牡谝唤饘倩?、以及增加了厚度從而變?yōu)楦邉傂缘牡诙饘倩讟?gòu)成，經(jīng)由焊料或燒結(jié)的粘接層將所述第一金屬基底與所述絕緣基板的所述下電路相連，并利用接合方法將所述第一金屬基底與所述第二金屬基底接合來一體化。
發(fā)明效果
[0009]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，能獲得一種能使具有功率半導(dǎo)體模塊的半導(dǎo)體裝置內(nèi)的金屬基底與絕緣基板之間的粘接層的形變得到緩和，同時(shí)又能確?？拐裥缘母呖煽啃缘陌雽?dǎo)體裝置。
[0010]關(guān)于本發(fā)明的上述的和其他的目的、特征、效果，可以從以下實(shí)施方式中的詳細(xì)說明及附圖的記載來進(jìn)一步明確。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I的半導(dǎo)體裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的半導(dǎo)體裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是表示現(xiàn)有的半導(dǎo)體裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]下面，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。此外，在各圖中，相同標(biāo)號(hào)表示相同或相當(dāng)?shù)牟糠帧?br> [0013]實(shí)施方式I
圖1是表示本發(fā)明實(shí)施方式I所涉及的半導(dǎo)體裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，功率半導(dǎo)體模塊9通過如下方式構(gòu)成:即，在氮化硅或氮化鋁的絕緣材料5的表面及背面上釬焊有第二金屬材料即純鋁制的緩沖上電路6和緩沖下電路7，并且在該緩沖上電路6和緩沖下電路7上釬焊有第一金屬材料即銅制的上電路3和下電路4，在這樣形成的絕緣基板上，通過焊接或燒結(jié)將半導(dǎo)體開關(guān)元件I和續(xù)流二極管2粘接在上電路3上，并利用樹脂8進(jìn)行密封。
[0014]絕緣基板的下電路4通過焊料或燒結(jié)的粘接層10來與帶翅片的薄型基底11相連，該薄型基底11是通過使厚度薄至例如數(shù)毫米來得到低剛性的第一金屬基底，此外，薄型基底11與較厚且形成有水路的高剛性的第二金屬基底13相接合。
[0015]根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式I的半導(dǎo)體裝置，由于應(yīng)力緩和層即緩沖下電路7為純鋁，因此承受力較低，與焊料或燒結(jié)的粘接層10的承受力同等或在其之下，因此能降低在粘接層10上發(fā)生的熱應(yīng)變。
此外，由于利用樹脂殼體8對(duì)絕緣材料5進(jìn)行密封，因此絕緣材料5的線膨脹變大，從而能降低在粘接層10上發(fā)生的熱應(yīng)變。
[0016]此外，通過使薄型基底11的厚度為數(shù)毫米來使其具有低剛性，從而能降低在粘接層10上發(fā)生的熱應(yīng)變。
而且，通過對(duì)較厚而具有較高剛性的第二金屬基底13和薄型基底11進(jìn)行焊接、摩擦攪拌接合或螺釘固定，從而能提高抗振性，并能在緩和粘接層10的形變的同時(shí)確保半導(dǎo)體裝置的抗振性。
另外，在普通的逆變器等電力轉(zhuǎn)換裝置中，由于排列有多個(gè)功率半導(dǎo)體模塊9，因此，若不僅使薄型基底11與剛性較高的第二金屬基底13的接合部位與水路15的外周相接合，還將相鄰的功率半導(dǎo)體模塊9之間的薄型基底11與水路15的中央部相接合，則能進(jìn)一步確保較高的抗振性。
[0017]實(shí)施方式2
圖2是表示本發(fā)明實(shí)施方式2所涉及的半導(dǎo)體裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖2所示，功率半導(dǎo)體模塊9通過如下方式構(gòu)成:即，在氮化硅或氮化鋁薄板的絕緣材料5的表面及背面釬焊有厚度為Imm左右的第一金屬材料即銅制的上電路3和下電路4，在這樣形成的的絕緣基板上，通過焊料或燒結(jié)將半導(dǎo)體開關(guān)元件I和續(xù)流二極管2粘接在上電路3上，并利用樹脂殼體8進(jìn)行密封。
[0018]絕緣基板的下電路4通過焊料或燒結(jié)的粘接層10來與帶翅片12的薄型基底11相連，該薄型基底11是通過使厚度薄至數(shù)毫米來得到低剛性的第一金屬基底，此外，薄型基底11與較厚且形成有水路的高剛性的第二金屬基底13相接合。
[0019]根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明實(shí)施方式2的半導(dǎo)體裝置，能獲得下述出色的作用效果。
(1)為了降低功率半導(dǎo)體模塊的熱阻，需要使上電路3和下電路4由銅制成。這里，當(dāng)上電路3和下電路4的厚度較薄時(shí)，對(duì)絕緣材料5的線膨脹幾乎不產(chǎn)生影響，但如實(shí)施方式2那樣增厚到Imm左右時(shí)，絕緣材料5的線膨脹變大，從而能降低在粘接層10上發(fā)生的熱應(yīng)變。
此外，由于利用樹脂8對(duì)絕緣材料5進(jìn)行密封，因此絕緣材料5的線膨脹變大，從而能降低在粘接層10上發(fā)生的熱應(yīng)變。
(2)此外，通過使薄型基底11的厚度為數(shù)毫米來使其具有低剛性，從而能降低在粘接層10上發(fā)生的熱應(yīng)變。
而且，通過對(duì)較厚而具有較高剛性的第二金屬基底13和薄型基底11進(jìn)行焊接、摩擦攪拌接合或螺釘固定，從而能提高抗振性，并能在緩和粘接層10的形變的同時(shí)，確保半導(dǎo)體裝置的抗振性。
另外，由于在普通的逆變器等電力轉(zhuǎn)換裝置中排列有多個(gè)功率半導(dǎo)體模塊9，因此，若不僅使薄型基底11與剛性較高的第二金屬基底13的接合部位與水路15的外周相接合，還將相鄰的半導(dǎo)體功率模塊9之間的薄型基底11與水路15的中央部相接合，則能進(jìn)一步確保較高的抗振性。
[0020]另外，在上述實(shí)施方式1、2中，在將第一金屬基底即薄型基底11與剛性較高的第二金屬基底13接合后再連接功率半導(dǎo)體模塊的下電路4的情況下，需要在逆變器尺寸、形狀上下功夫，因此，設(shè)備會(huì)變得大型化、復(fù)雜化，尤其是在焊接的情況下，熱容量會(huì)變大，接合會(huì)變得極為困難，但通過先對(duì)薄型基底11和功率半導(dǎo)體模塊9的下電路4進(jìn)行接合或者連接，能大大提高工作性，并能選擇可靠性較高的連接方法。
標(biāo)號(hào)說明
[0021]I半導(dǎo)體開關(guān)元件 2續(xù)流二極管
3上電路 4下電路 5絕緣材料
6緩沖上電路(應(yīng)力緩和層)
7緩沖下電路(應(yīng)力緩和層)
8樹脂殼體 9功率半導(dǎo)體模塊 10粘接層
11薄型基底(第一金屬基底)
12翅片
13第二金屬基底 15水路
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體裝置，包括功率半導(dǎo)體模塊以及金屬基底， 所述功率半導(dǎo)體模塊由以下構(gòu)件構(gòu)成:絕緣基板，該絕緣基板具有安裝于絕緣材料的上表面、下表面并由第一金屬材料形成的上電路和下電路；半導(dǎo)體元件，該半導(dǎo)體元件粘接在所述絕緣基板的所述上電路上，并與其進(jìn)行電連接，通過通斷的開關(guān)動(dòng)作來控制電流的導(dǎo)通、不導(dǎo)通；以及樹脂殼體，該樹脂殼體用于保護(hù)所述半導(dǎo)體元件和所述絕緣基板， 所述金屬基底通過使經(jīng)由粘接層而與所述絕緣基板的所述下電路粘接的粘接面的相反面與冷卻介質(zhì)接觸，從而對(duì)所述功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)的所述半導(dǎo)體元件進(jìn)行冷卻， 所述半導(dǎo)體裝置的特征在于， 在所述絕緣基板的所述絕緣材料與所述上電路之間、以及所述絕緣材料與所述下電路之間設(shè)有由第二金屬材料形成的應(yīng)力緩和層。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述金屬基底由降低了厚度從而變?yōu)榈蛣傂缘牡谝唤饘倩?、以及增加了厚度從而變?yōu)楦邉傂缘牡诙饘倩讟?gòu)成，經(jīng)由所述粘接層將所述第一金屬基底與所述絕緣基板的所述下電路相連，并利用接合方法將所述第一金屬基底與所述第二金屬基底接合來一體化。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第一金屬材料為銅，所述第二金屬材料為鋁。
4.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第一金屬基底的厚度為數(shù)毫米。
5.如權(quán)利要求1至4的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 利用釬焊來進(jìn)行所述應(yīng)力緩和層與所述絕緣材料的粘接、以及所述應(yīng)力緩和層與所述上電路、下電路的粘接，利用焊料或燒結(jié)的粘接層來進(jìn)行所述金屬基底與所述下電路的連接。
6.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第一金屬基底與所述第二金屬基底的接合方法為焊接或摩擦攪拌接合或螺釘。
7.一種半導(dǎo)體裝置，包括功率半導(dǎo)體模塊以及金屬基底， 所述功率半導(dǎo)體模塊由以下構(gòu)件構(gòu)成:絕緣基板，該絕緣基板具有安裝于絕緣材料的上表面、下表面并由第一金屬材料形成的上電路和下電路；半導(dǎo)體元件，該半導(dǎo)體元件粘接在所述絕緣基板的所述上電路上，并與其進(jìn)行電連接，通過通斷的開關(guān)動(dòng)作來控制電流的導(dǎo)通、不導(dǎo)通；以及樹脂殼體，該樹脂殼體用于保護(hù)所述半導(dǎo)體元件和所述絕緣基板， 所述金屬基底通過使經(jīng)由粘接層而與所述絕緣基板的所述下電路粘接的粘接面的相反面與冷卻介質(zhì)接觸，從而對(duì)所述功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)的所述半導(dǎo)體元件進(jìn)行冷卻， 所述半導(dǎo)體裝置的特征在于， 所述第一金屬材料為銅，并且，所述金屬基底由降低了厚度從而變?yōu)榈蛣傂缘牡谝唤饘倩?、以及增加了厚度從而變?yōu)楦邉傂缘牡诙饘倩讟?gòu)成，經(jīng)由焊料或燒結(jié)的粘接層將所述第一金屬基底與所述絕緣基板的所述下電路相連，并利用接合方法將所述第一金屬基底與所述第二金屬基底接合來一體化。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述絕緣基板的上電路及下電路的厚度實(shí)質(zhì)上為I毫米，所述第一金屬基底的厚度為數(shù)毫米。
9.如權(quán)利要求7或8所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第一金屬基底與所述第二金屬基底的接合方法為焊接或摩擦攪拌接合或螺釘。
10.如權(quán)利要求2或7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 在將所述功率半導(dǎo)體模塊與所述第一金屬基底粘接后，利用接合方法將所述第一金屬基底與所述第二金屬基底接合來一體化。
【文檔編號(hào)】H01L25/18GK104241208SQ201310633346
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月18日
【發(fā)明者】石井　隆一, 范之 別芝 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社