電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電力用半導(dǎo)體裝置，特別地，涉及一種具有安裝有電力用半導(dǎo)體元件的電路基板的電力用半導(dǎo)體裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]設(shè)置在電力模塊內(nèi)的、例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)以及二極管等電力用半導(dǎo)體元件，在使用中產(chǎn)生大量的熱量。因此，安裝電力用半導(dǎo)體元件的電路基板需要承受因熱循環(huán)下的溫度變化而引起的應(yīng)力。另外，為了從電力用半導(dǎo)體元件中有效地去除熱量，對(duì)于作為電路基板的母材的陶瓷，要求較高的導(dǎo)熱性。作為代表性的陶瓷材料存在氮化鋁以及氮化硅。
[0003]氮化鋁陶瓷具有較高的導(dǎo)熱性，但作為材料的機(jī)械強(qiáng)度不一定較高。因此，需要用于緩和上述應(yīng)力的構(gòu)造。
[0004]氮化硅陶瓷具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，所以適于承受上述應(yīng)力。氮化硅陶瓷的導(dǎo)熱性與氮化銷陶瓷相比較差，但近年在不斷地進(jìn)行改善。
[0005]作為與電路基板相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，例如，存在以下2種技術(shù)。
[0006]根據(jù)日本特開2003-78086號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)I)，在作為絕緣層的陶瓷板的表面上，順序地層疊形成有鋁或鋁合金的層、以及銅或銅合金的層。作為與銅或銅合金相比較軟的材料的鋁或鋁合金的層，緩和向陶瓷板施加的熱應(yīng)力。
[0007]根據(jù)日本特開2008-147307號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)，在氮化硅陶瓷板上設(shè)置有銅或銅合金的電路基板。
[0008]專利文獻(xiàn)1:日本特開2003-78086號(hào)公報(bào)
[0009]專利文獻(xiàn)2:日本特開2008-147307號(hào)公報(bào)
[0010]根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)，向電力用半導(dǎo)體裝置的制造中的電路基板上安裝部件，是通過將該部件與銅或銅合金接合而進(jìn)行。但是，根據(jù)上述部件的種類，有時(shí)不適于與銅或銅合金接合，其結(jié)果，電氣接合可靠性變得不充分。特別是，在使用與焊料接合相比更適于在高溫下使用的超聲波接合等直接接合的情況下，如上所述的不適合性容易成為問題。例如，在鋁導(dǎo)線通過超聲波接合與銅圖案接合的情況下，容易因鋁和銅的接合界面的氧化膜導(dǎo)致電氣接合可靠性變得不充分。該問題在電力用半導(dǎo)體元件的使用溫度較高的情況下，需要更加關(guān)注。近年，作為電力用半導(dǎo)體元件的材料，碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)等與硅(Si)相比適于高溫動(dòng)作的材料的應(yīng)用不斷地發(fā)展，為了不損失其優(yōu)點(diǎn)，需要特別改善上述電氣接合可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明就是為了解決上述課題而提出的，其目的在于提供一種能夠提高電氣接合可靠性的電力用半導(dǎo)體裝置。
[0012]本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案的電力用半導(dǎo)體裝置，具有電力用半導(dǎo)體元件、以及安裝有電力用半導(dǎo)體元件的電路基板。電路基板具有絕緣板、接合圖案、電路圖案以及焊盤板。絕緣板由氮化鋁陶瓷制作，具有第I面和與第I面相反的第2面。接合圖案接合在絕緣板的第I面上，由鋁以及鋁合金中的某一種制作。電路圖案接合在絕緣板的第2面上，由鋁以及鋁合金中的某一種制作。焊盤板與電路圖案接合，僅局部地覆蓋電路圖案，由銅以及銅合金中的某一種制作。
[0013]本發(fā)明的其他技術(shù)方案的電力用半導(dǎo)體裝置，具有電力用半導(dǎo)體元件、以及安裝有電力用半導(dǎo)體元件的電路基板。電路基板具有絕緣板、接合圖案、電路圖案以及焊盤板。絕緣板由氮化硅陶瓷制作，具有第I面和與第I面相反的第2面。接合圖案接合在絕緣板的第I面上，由銅以及銅合金中的某一種制作。電路圖案接合在絕緣板的第2面上，由銅以及銅合金中的某一種制作。焊盤板與電路圖案接合，僅局部地覆蓋電路圖案，由鋁以及鋁合金中的某一種制作。
[0014]發(fā)明的效果
[0015]根據(jù)本發(fā)明，能夠提高電力用半導(dǎo)體裝置的電氣接合可靠性。
【附圖說明】
[0016]圖1是概略地表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式I中的電力用半導(dǎo)體裝置的電力模塊的結(jié)構(gòu)的圖，是沿圖2的I 一 I線的剖面圖。
[0017]圖2是沿圖1的II— II線的概略剖面圖。
[0018]圖3是表示對(duì)比例的電力模塊的結(jié)構(gòu)的圖，是沿圖4的III一III線的剖面圖。
[0019]圖4是沿圖3的IV —IV線的剖面圖。
[0020]圖5是概略地表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式2中的電力用半導(dǎo)體裝置的電力模塊的結(jié)構(gòu)的圖，是沿圖6的V — V線的剖面圖。
[0021]圖6是沿圖5的VI—VI線的概略剖面圖。
[0022]標(biāo)號(hào)的說明
[0023]1A、IC焊盤板，2金屬基座板，3焊料層，4A、4C接合圖案，5A、5S絕緣板，6A、6C電路圖案，7接合材料，8電力用半導(dǎo)體元件，8a開關(guān)半導(dǎo)體元件，8b整流半導(dǎo)體元件，9柵極Al導(dǎo)線(導(dǎo)線)，10主Al導(dǎo)線(導(dǎo)線)，11陽極Cu電極(電極)，12陰極Cu電極(電極)，13控制Cu電極(電極)，14殼體，15填充部，16柵極電阻，91、92電力模塊(電力用半導(dǎo)體裝置)，SI下表面(第I面)，S2上表面(第2面)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面，基于附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。在附圖中對(duì)同一或相同的部分標(biāo)注同一參照標(biāo)號(hào)，不重復(fù)進(jìn)行其說明。
[0025]實(shí)施方式1.
[0026]參照?qǐng)D1以及圖2，電力模塊91 (電力用半導(dǎo)體裝置)具有電路基板以及安裝在該電路基板上的電力用半導(dǎo)體元件8。
[0027]具體地說，電力用半導(dǎo)體元件8具有如IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)那樣的開關(guān)半導(dǎo)體元件8a以及如電力用二極管那樣的整流半導(dǎo)體元件8b。電路基板具有絕緣板5A、接合圖案4A、電路圖案6A以及焊盤板1C。
[0028]絕緣板5A由氮化鋁陶瓷制作。絕緣板5A具有下表面SI (第I面)和上表面S2 (與第I面相反的第2面)。
[0029]接合圖案4A接合在絕緣板5A的下表面SI上。接合圖案4A由鋁或鋁合金制作。電路圖案6A接合在絕緣板5A的上表面S2上。電路圖案6A由鋁或鋁合金制作。接合圖案4A以及電路圖案6A與絕緣板5A的接合，能夠通過鋁直接接合(DBA:Direct BondedAluminum)或活性金屬纖焊(AMB:Active Metal Brazing)進(jìn)行。
[0030]焊盤板IC由銅或銅合金制作。焊盤板IC與電路圖案6A接合。該接合能夠通過在真空中對(duì)絕緣板5A以及焊盤板IC高溫加壓而實(shí)現(xiàn)的固相擴(kuò)散接合進(jìn)行。焊盤板IC僅局部地覆蓋電路圖案6A。焊盤板IC與后述的電極不同，不向殼體14外凸出，而是收容在殼體14內(nèi)。優(yōu)選焊盤板IC具有平坦的板狀形狀。
[0031]在焊盤板IC上接合有電力用半導(dǎo)體元件8，在本實(shí)施方式中，在I個(gè)焊盤板IC上接合有多個(gè)電力用半導(dǎo)體元件8。優(yōu)選電力用半導(dǎo)體元件8各自的接合是通過使用含有銀的接合材料7的接合而進(jìn)行的。
[0032]此外，在預(yù)先準(zhǔn)備的電路基板上進(jìn)行電力用半導(dǎo)體元件8的安裝。即，在用于電路基板制造的接合工序完成后，安裝電力用半導(dǎo)體元件8。因此可以認(rèn)為，上述的通過高溫加壓實(shí)現(xiàn)的固相擴(kuò)散接合等接合工序的條件不會(huì)對(duì)電力用半導(dǎo)體元件8及其可能附帶的導(dǎo)線等產(chǎn)生影響，能夠以較大的自由度進(jìn)行選擇。另外，在該接合中彼此接合的部件通常是容易接合的板狀部件。另外，各自的接合面積比較大。因此，該接合雖然是鋁或鋁合金與銅或銅合金之間的異種接合，但還是比較容易確保接合可靠性。
[0033]電力模塊91具有直接接合在焊盤板IC上的、由銅或銅合金中的某一種制作的電極。優(yōu)選這些電極通過超聲波接合而接合在焊盤板IC上。具體地說，電力模塊91具有陽極Cu電極11、陰極Cu電極12以及控制Cu電極13。這些電極是從殼體14的內(nèi)部延伸至外部的電極，即外部電極。
[0034]電力模塊91具有柵極Al導(dǎo)線9以及主Al導(dǎo)線10，它們作為由鋁以及鋁合金制作的導(dǎo)線。柵極Al導(dǎo)線9以及主Al導(dǎo)線10各自的一端與電力用半導(dǎo)體元件8接合。另外，柵極Al導(dǎo)線9以及主Al導(dǎo)線10各自的另一端與電路圖案6A直接接合，優(yōu)選通過固相擴(kuò)散接合進(jìn)行接合，例如通過超聲波接合進(jìn)行接合。
[0035]電力模塊91也可以具有與電路圖案6A連接的、柵極電阻16等無源部件。柵極電阻16例如可以通過焊料層3進(jìn)行接合。
[0036]電力模塊91具有金屬基座板2、殼體14以及填充部15。此外，為了使圖容易觀察，圖中省略了填充部15的形狀。金屬基座板2通過與接合圖案4A接合而安裝在電路基板上。該接合例如也可以通過焊料層3而進(jìn)行。殼體14在金屬基座板2上對(duì)安裝有電力用半導(dǎo)體元件8的電路基板進(jìn)行收容。殼體14的安裝能夠使用螺釘或硅橡膠進(jìn)行。填充部15由填充在殼體14內(nèi)的絕緣體構(gòu)成，在電路基板上，對(duì)電力用半導(dǎo)體元件8進(jìn)行封裝。填充部15的材料例如是硅膠。
[0037]參照?qǐng)D3及圖4，對(duì)比例的電力模塊99分別取代上述的接合圖案4A、絕緣板5A和電路圖案6A，而具有接合圖案4C、絕緣板5S和電路圖案6C。接合圖案