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功率半導(dǎo)體模塊的制作方法

文檔序號:7231601閱讀:127來源:國知局
專利名稱:功率半導(dǎo)體模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及在以汽車為代表的高溫環(huán)境下使用的大電流控制用半導(dǎo)體裝置,尤其涉及半導(dǎo)體設(shè)備即使在接合溫度為175℃~250℃下工作的情況下,接合部或構(gòu)成部件的耐熱性優(yōu)良,且對于伴隨設(shè)備的開閉的溫度循環(huán)或功率循環(huán)的熱疲勞壽命優(yōu)良的功率半導(dǎo)體模塊。
背景技術(shù)
由對大電流進(jìn)行開關(guān)控制的MOSFET或IGBT的功率設(shè)備、和將開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的逆電壓斷開的二極管構(gòu)成的功率半導(dǎo)體模塊,作為電力變換器用轉(zhuǎn)換器裝置的主要構(gòu)成部件應(yīng)用于從家電到車輛等廣泛的領(lǐng)域。近年來,在汽車領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)控制化急速地發(fā)展過程中,使用該電流控制儀器即功率半導(dǎo)體模塊的環(huán)境也變得嚴(yán)格,設(shè)置場所為不能進(jìn)行充分冷卻的高溫環(huán)境氣體下,或處在控制的電流容量增大的方向。因此,作為功率半導(dǎo)體模塊的性能,要求在溫度變化大的使用環(huán)境中,經(jīng)過長時(shí)間仍能確保正常工作的高可靠性,或經(jīng)得住伴隨大電流通電的從元件散出的發(fā)熱量增大引起的設(shè)備的高溫化的高耐熱性。
作為以往的功率半導(dǎo)體模塊構(gòu)造,公知的結(jié)構(gòu)是在絕緣襯底上將導(dǎo)體板例如由焊錫接合形成,在該導(dǎo)體板上由無鉛焊錫接合功率設(shè)備的鍍有Ni/Au的里面電極,電路面的主電極和主電極用導(dǎo)體引線通過Al或Au的隆起焊盤(bump)接合,控制電極和控制電極用導(dǎo)體引線由Al或Au的金屬線連接,由在環(huán)氧樹脂中填充了二氧化硅的填充材料的模塑(mold)樹脂通過轉(zhuǎn)移成型(transfer mold)法,從而功率半導(dǎo)體模塊以露出絕緣板的底面的狀態(tài)被密封(專利文獻(xiàn)1)。該功率半導(dǎo)體模塊的冷卻由在絕緣襯底下配置的冷卻體進(jìn)行。
此外,公知的結(jié)構(gòu)是,具備功率設(shè)備,其在一側(cè)的主面上具有主電極,并且在另一側(cè)的主面上具有主電極及控制電極;和兩片高熱傳導(dǎo)性絕緣襯底,其以夾著該功率半導(dǎo)體模塊的方式設(shè)置,且在各個(gè)夾著一側(cè)的面上形成有用于與所述功率設(shè)備的電極接合的電極圖案,所述功率設(shè)備的電極和所述高熱傳導(dǎo)性絕緣襯底的電極圖案通過釬焊接合,外部配線連接用的端子以與所述高熱傳導(dǎo)性絕緣襯底面平行且向外部延伸的方式設(shè)置,并在兩片高熱傳導(dǎo)性絕緣襯底之間填充了絕緣性樹脂(專利文獻(xiàn)2)。此外,在該設(shè)備構(gòu)造中,還公開有如下構(gòu)造,在高熱傳導(dǎo)性絕緣襯底上設(shè)置凸部,并將該凸部的前端部與另一側(cè)的高熱傳導(dǎo)性絕緣襯底接合的構(gòu)造。功率半導(dǎo)體模塊的冷卻由在上下的高熱傳導(dǎo)性絕緣襯底的上下配置的冷卻體進(jìn)行。
專利文獻(xiàn)1日本特開2004-247383號公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本特開平10-56131號公報(bào)在下側(cè)配置形成了電極圖案的絕緣襯底并搭載功率設(shè)備,由模塑樹脂對將導(dǎo)體引線與功率設(shè)備上面的主電路的電極接合的一面進(jìn)行密封,在此構(gòu)造中,由于功率設(shè)備發(fā)熱時(shí)的散熱路徑偏向下側(cè),因此功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)的溫度分布上下不對稱,此外,因?yàn)殡y以使設(shè)備的上下的部件的熱膨脹率相同,所以在溫度穩(wěn)定的正常狀態(tài)或過渡狀態(tài)中,功率半導(dǎo)體模塊發(fā)生彎曲變形,從而在設(shè)備與導(dǎo)體板的接合部發(fā)生熱變形。該熱變形在功率設(shè)備工作時(shí)反復(fù)發(fā)生,因而存在接合部由于熱疲勞而斷裂的問題。此外,如果發(fā)生彎曲變形,則存在絕緣板與冷卻體之間的密接性變差,冷卻性能降低,功率設(shè)備溫度上升,從而導(dǎo)致設(shè)備的損傷或設(shè)備特性的下降的問題。
另一方面,在以夾著功率設(shè)備的方式配置絕緣配線襯底、功率設(shè)備的上下的電極和絕緣配線襯底的電極圖案通過釬焊接合的功率半導(dǎo)體模塊中,能夠由低熱膨脹率的部件使上下的部件一致,此外,因?yàn)槭菑纳舷聝擅孢M(jìn)行冷卻的構(gòu)造,所以能夠使溫度分布上下對稱。因此,功率半導(dǎo)體模塊不會(huì)產(chǎn)生彎曲變形,并可以減小設(shè)備與電極圖案接合處發(fā)生的熱變形,從而能夠防止因接合部的熱疲勞引起的斷裂。但是,在絕緣配線襯底間填充有絕緣性的樹脂的情況下,由于樹脂的熱膨脹率大于功率設(shè)備的熱膨脹率,因此,如果功率半導(dǎo)體模塊的溫度成為比樹脂的固化溫度即150℃高的175℃~250℃的高溫,則由于樹脂的膨脹,產(chǎn)生上下擴(kuò)大絕緣襯底的力,在功率設(shè)備和上下的電極圖案的接合部產(chǎn)生很大的拉力,從而存在接合部斷裂的問題。這是因?yàn)闃渲酝祈斀^緣配線襯底的方式作用的面積,與支撐絕緣配線襯底的面積、即所述設(shè)備的接合面積相比非常大。另外,為了進(jìn)行兩面冷卻,在功率半導(dǎo)體模塊的上下配置冷卻體,且將這些冷卻體壓緊向上下的高熱傳導(dǎo)性絕緣襯底,從而確保冷卻性能,在該構(gòu)造中,低溫時(shí)支撐按壓力的部件僅為功率設(shè)備,存在應(yīng)力集中,特別是接合面積小的功率設(shè)備的電路面?zhèn)热菀资艿綑C(jī)械損傷的問題。此外,在功率半導(dǎo)體模塊的使用溫度為接近于250℃的溫度下,因?yàn)闊o法獲得樹脂的耐熱性,因此考慮在絕緣配線襯底間注滿絕緣性制冷劑的構(gòu)造,但是在該情況下,尤其對設(shè)備施加的按壓力的問題變得顯著。雖然只要減小按壓力就能防止機(jī)械性的損傷,但是產(chǎn)生了冷卻性能顯著下降的另一問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于提供一種功率半導(dǎo)體模塊,其在絕緣配線襯底上接合且搭載了功率設(shè)備,在該功率半導(dǎo)體模塊中,即使是在功率半導(dǎo)體模塊的使用溫度為175℃~250℃的高溫的情況下,也能夠防止功率半導(dǎo)體模塊的彎曲變形,可以降低功率設(shè)備的接合部產(chǎn)生的熱應(yīng)力,能夠大幅度地改善熱疲勞壽命,并且能夠確保絕緣配線襯底和冷卻體間的密接性,從而維持高的冷卻性能。
本發(fā)明的第二目的在于提供一種高可靠性的功率半導(dǎo)體模塊,在用絕緣配線襯底夾著功率設(shè)備且接合了功率設(shè)備的電極與電極圖案的功率半導(dǎo)體模塊中,即使是在功率半導(dǎo)體模塊的使用溫度為175℃~250℃的高溫的情況下,也可降低施加在功率設(shè)備的接合部的拉伸方向的熱應(yīng)力,同時(shí)降低由冷卻體的按緊力而產(chǎn)生的對功率設(shè)備的按壓力。
為達(dá)成第一目的,提供一種功率半導(dǎo)體模塊,其結(jié)構(gòu)是,具有功率半導(dǎo)體設(shè)備,其具有在電路面上形成的主電極和控制電極,以及在電路面的相反側(cè)的面上形成的里面電極;陶瓷配線襯底,其在陶瓷襯底的兩面形成金屬圖案,該金屬圖案與所述功率半導(dǎo)體設(shè)備的里面電極接合;引線部件,其在陶瓷襯底的兩面形成金屬圖案,該金屬圖案與所述功率半導(dǎo)體設(shè)備的主電極及控制電極接合;以及熱膨脹率在10ppm/K以下的模塑樹脂,其密封所述陶瓷配線襯底、功率半導(dǎo)體設(shè)備及引線部件,以使所述陶瓷配線襯底的未與功率半導(dǎo)體設(shè)備接合一側(cè)的金屬圖案及所述引線部件的未與功率半導(dǎo)體設(shè)備接合一側(cè)的金屬圖案露出于外部。
通過同樣地構(gòu)成陶瓷配線襯底和引線部件,形成對它們之間用熱膨脹率為10ppm/K以下的模塑樹脂密封的結(jié)構(gòu),從而形成即使模塊在高溫的情況下也能夠抑制其彎曲變形的構(gòu)造。此外,通過在陶瓷配線襯底的相反側(cè)配置低熱膨脹的陶瓷襯底,能夠使功率半導(dǎo)體模塊的縱向構(gòu)造的部件結(jié)構(gòu)在熱膨脹率方面大體上下對稱,從而即使模塊在高溫的情況下也能夠抑制其彎曲變形的產(chǎn)生,能夠防止功率半導(dǎo)體設(shè)備的接合部由于熱疲勞而引起的斷裂。此外,與冷卻體間不會(huì)生成間隙,從而在較寬的溫度區(qū)域可以將冷卻性能維持在高的狀態(tài)。
為達(dá)成第二目的,提供一種功率半導(dǎo)體模塊,其結(jié)構(gòu)是,具備在低熱膨脹陶瓷襯底的兩面形成了電良導(dǎo)體的金屬圖案的陶瓷配線襯底;至少一個(gè)功率半導(dǎo)體設(shè)備;熱膨脹率為2~6ppm/K的絕緣性的無機(jī)部件;熱膨脹率為10ppm/K以下的模塑樹脂部件,所述陶瓷配線襯底配置在所述設(shè)備的上下,且所述設(shè)備的上下的電極,以固相溫度為260℃以上通過屈服強(qiáng)度比金屬圖案的材質(zhì)高的合金相與上下的金屬圖案相接合,在所述半導(dǎo)體設(shè)備的周圍配置所述無機(jī)部件,所述陶瓷配線襯底間的空間被所述模塑樹脂部件充填。
進(jìn)一步,構(gòu)成為由與所述設(shè)備的接合材料相同的合金層將所述無機(jī)部件接合到上下的陶瓷配線襯底上。
由于在陶瓷配線襯底間,除了功率半導(dǎo)體設(shè)備之外,還配置有與所述設(shè)備具有同等的熱膨脹率的絕緣性無機(jī)部件,因此在陶瓷配線襯底之間充填樹脂時(shí)的由樹脂充填的空間變少,功率半導(dǎo)體模塊變成高溫時(shí),由于樹脂膨脹產(chǎn)生的對陶瓷配線襯底的推頂力變小,因此,所述設(shè)備的接合部不會(huì)發(fā)生斷裂。另一方面,在功率半導(dǎo)體模塊變成低溫時(shí),所述設(shè)備和所述無機(jī)部件支撐從外部的冷卻體施加的按壓力,因此實(shí)現(xiàn)壓力的分散,從而能夠降低所述設(shè)備破損的可能性。
此外,在將所述無機(jī)部件接合到上下的陶瓷配線襯底的構(gòu)造中,樹脂膨脹時(shí),利用所述設(shè)備的接合部和所述無機(jī)部件的接合部分擔(dān)承受推頂陶瓷配線襯底的力,因此施加到各接合部的拉伸應(yīng)力變小,從而可以防止接合的斷裂。
發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明,通過在功率半導(dǎo)體設(shè)備的上下配置低熱膨脹的陶瓷襯底,并在該襯底間配置熱膨脹率在10ppm/K以下的低熱膨脹部件,即使在功率半導(dǎo)體模塊的使用溫度成為175℃~250℃的高溫的情況,也能夠防止在陶瓷配線襯底上接合搭載有功率設(shè)備的功率半導(dǎo)體模塊的彎曲變形,降低功率設(shè)備的接合部產(chǎn)生的熱應(yīng)力,從而大幅度地改善熱疲勞壽命,并且能夠提供可以確保陶瓷配線襯底和冷卻體間的密接性從而維持高的冷卻性能的功率半導(dǎo)體模塊。
進(jìn)一步的,通過在設(shè)備的周圍配置熱膨脹率為2~8ppm/K的無機(jī)部件,在由陶瓷配線襯底夾著功率半導(dǎo)體設(shè)備且接合了功率設(shè)備的電極與電極圖案的功率半導(dǎo)體模塊中,即使在功率半導(dǎo)體模塊的使用溫度為170℃~250℃的高溫的情況下,可以降低施加在功率設(shè)備的接合部的拉伸方向的熱應(yīng)力,同時(shí)可以降低由冷卻體的壓緊力而產(chǎn)生的對功率設(shè)備的按壓力,從而能夠提供高度可靠的功率半導(dǎo)體模塊。


圖1是本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的一個(gè)實(shí)施例;圖2是圖1的功率半導(dǎo)體模塊的俯視圖;圖3是組裝了圖1的功率半導(dǎo)體模塊的一變換器裝置的一個(gè)構(gòu)成例;圖4是本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的另一實(shí)施例;圖5是本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的另一實(shí)施例;圖6是本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的另一實(shí)施例;圖7是圖6的功率半導(dǎo)體模塊的實(shí)際安裝的一個(gè)實(shí)施例。
圖中,1-IGBT芯片;2-二極管芯片;3、9-低熱膨脹陶瓷襯底;4、5、6、10、11-金屬圖案;8、12-陶瓷配線襯底;13、14、15、16-無機(jī)部件;17-高溫焊錫;21、22、23-金屬引線;25-控制電極;26-主電極。
具體實(shí)施例方式
以下,參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1表示由各一個(gè)功率晶體管設(shè)備和二極管設(shè)備構(gòu)成的本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的一個(gè)實(shí)施例。(a)是模塊的剖面圖,(b)是上側(cè)陶瓷配線襯底的設(shè)備側(cè)的面的金屬圖案的透視圖,(c)是去除了上側(cè)配線襯底和樹脂時(shí)的俯視圖,(d)是下側(cè)配線襯底的俯視圖。圖中,利用由SnSbAgCu構(gòu)成的高溫焊錫17,將IGBT芯片1和二極管芯片2接合在陶瓷配線襯底8上,該陶瓷配線襯底8在低熱膨脹陶瓷襯底3的上下形成有由Cu構(gòu)成的金屬圖案4、5、6。對金屬圖案4、5、6的表面實(shí)施了厚度約5μm的無電解Ni-P鍍層,對各芯片的Al電極的表面也實(shí)施同樣的無電解Ni-P鍍層。無電解Ni-P鍍層彼此之間由Sn-35Sb-11Ag-9Cu的合金接合。這些芯片的上側(cè)的電極經(jīng)由Ti/Ni層,通過和下面同樣的由SnSbAgCu形成的高溫焊錫,接合于在上側(cè)的低熱膨脹陶瓷襯底9上形成的由Cu構(gòu)成的金屬圖案10。在金屬圖案上與下側(cè)同樣地實(shí)施無電解Ni-P鍍層。在各芯片的周圍,配置由Si3N4陶瓷形成且在上下面實(shí)施了Ti/Ni的金屬噴鍍的絕緣性無機(jī)部件13、14、15、16,以填埋被陶瓷配線襯底8、12夾著的空間,并將該等無機(jī)部件13、14、15、16通過與各芯片的接合材料相同的SnSbAgCu高溫焊錫接合于兩配線襯底的金屬圖案。Si3N4陶瓷的熱膨脹率約為3ppm/K,與IGBT或二極管芯片的熱膨脹率大體相等。在上下的陶瓷配線襯底的金屬圖案上,接合有作為外部輸入輸出端子的由Cu形成的金屬引線(輸入端子、控制端子、輸出端子)21、22、23。以高比率地配合低熱膨脹的無機(jī)填充劑以使熱膨脹率為10ppm/K以下的熱固化性的模塑樹脂,形成為金屬引線的一部分和陶瓷配線襯底的外側(cè)的金屬圖案6、11的面露出的狀態(tài)。IGBT芯片的電路側(cè)的電極由主電極26和控制電極25形成,各個(gè)電極與被絕緣分離了的各個(gè)金屬圖案4、5接合。圖2是從上觀察圖1的功率半導(dǎo)體模塊的圖。在由樹脂模塑了的上面,實(shí)施了無電解Ni-P鍍層后的金屬圖案11露出于表面,且輸入端子21、控制端子22、輸出端子23從樹脂突出地形成。圖3表示將兩個(gè)圖2的功率半導(dǎo)體模塊組合,從而構(gòu)成將直流變換為變動(dòng)波形的變換器結(jié)構(gòu)。如果準(zhǔn)備兩組該結(jié)構(gòu),則得到將直流電流變換為交流電流的變換器裝置。
根據(jù)本實(shí)施例,因?yàn)闃?gòu)成為將陶瓷配線襯底配置在功率半導(dǎo)體設(shè)備的上下,以使構(gòu)成部件的熱膨脹率上下對稱,因此不會(huì)產(chǎn)生大的彎曲變形,在設(shè)備的周邊配置具有與設(shè)備同等的熱膨脹率的無機(jī)部件,從而能夠使作用于陶瓷配線襯底間的壓縮或拉伸的力分散到設(shè)備或其接合部以外,其結(jié)果是,能夠降低模塊在從低溫變動(dòng)到高溫時(shí)的在設(shè)備的接合部處產(chǎn)生的熱變形,從而能夠得到熱疲勞壽命的大幅的提高,和曝露在超過200℃的溫度時(shí)的耐熱性。此外,使用Sn-35Sb-11Ag-9Cu合金作為接合材料,通過使用Ni或者無電解Ni-P作為接合面的金屬噴鍍結(jié)構(gòu),能夠防止化合物在高溫成長受到抑制或在高溫下的強(qiáng)度降低,即使經(jīng)過長時(shí)間曝露在高溫下的情況時(shí),接合部也不會(huì)有強(qiáng)度方面的劣化,從而能夠提供高溫可靠性優(yōu)良的功率半導(dǎo)體模塊。
圖4表示功率半導(dǎo)體模塊的上側(cè)的電連接導(dǎo)體與下側(cè)的陶瓷配線襯底的構(gòu)成部件相同的本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的另一實(shí)施例。(a)是功率半導(dǎo)體模塊的剖面圖,(b)是從模塊去除了模塑樹脂時(shí)的俯視圖。圖中,在AlN的低熱膨脹陶瓷襯底63的兩面形成由Al制成的金屬圖案64、65、66、67、68、69,并對其表面實(shí)施無電解Ni-P鍍層。在金屬圖案64、65上,一對一對地接合搭載IGBT芯片和二極管芯片,且以夾著各個(gè)芯片的方式配置并接合搭載Si3N4的無機(jī)部件62。在其上,配置覆蓋一對的芯片和無機(jī)部件的小尺寸的陶瓷配線襯底75,芯片及無機(jī)部件與配線襯底75的金屬圖案72接合。芯片上的陶瓷配線襯底75的下側(cè)的金屬圖案,通過從陶瓷襯底71向外露出地形成的導(dǎo)體部件73、76,與下側(cè)的陶瓷配線襯底70的金屬圖案連接。此外,在下側(cè)的襯底的金屬圖案上接合有作為外部輸入輸出端子的金屬引線77、78、79、80、81。在下側(cè)的陶瓷配線襯底的一側(cè)上形成有熱固化性的模塑樹脂,該模塑樹脂的高度直到稍微覆蓋上側(cè)的陶瓷配線襯底為止,且其熱膨脹率被調(diào)整到10ppm/K以下。
根據(jù)本實(shí)施例,因?yàn)樵谠O(shè)備的上下配置有熱膨脹率被調(diào)整到大體相等的低熱膨脹的陶瓷配線襯底,所以在具有設(shè)備的區(qū)域內(nèi)不會(huì)發(fā)生彎曲變形,由于配線襯底自身也是低熱膨脹,所以在設(shè)備的接合部不會(huì)發(fā)生大的熱變形,從而能夠提供高可靠性的功率半導(dǎo)體模塊。此外,由于對上下的陶瓷配線襯底進(jìn)行接合、加固,使得除設(shè)備之外即使是低熱膨脹的無機(jī)部件也形成一體,因此按壓力或特別在樹脂膨脹時(shí)產(chǎn)生的拉力不會(huì)全部作用在設(shè)備的接合部,從而具有防止接合部或設(shè)備的損傷的效果。并且,雖然局部上還具有陶瓷配線襯底和樹脂上下不對稱的區(qū)域,但因?yàn)榭梢允箻渲哪K芎穸茸儽〉郊s為設(shè)備和上部的陶瓷配線襯底的厚度量,因此能夠減小模塊整體的彎曲變形,使冷卻體貼緊在下側(cè)的陶瓷配線襯底上,在冷卻的實(shí)際安裝構(gòu)造的情況下,能夠減小兩者間產(chǎn)生的間隙,從而具有能夠防止冷卻性能大幅下降的優(yōu)點(diǎn)。
圖5表示在圖4的功率半導(dǎo)體模塊的構(gòu)造中,在上側(cè)的陶瓷配線襯底上配置尺寸與下側(cè)的陶瓷配線襯底相等的低熱膨脹陶瓷襯底,且由樹脂模塑形成的功率半導(dǎo)體模塊的剖面結(jié)構(gòu)。圖中,在由AlN的陶瓷襯底和Al金屬圖案構(gòu)成的陶瓷配線襯底91上,接合搭載功率半導(dǎo)體設(shè)備和低熱膨脹的無機(jī)部件,并在其上接合搭載有小尺寸的電連接用的陶瓷配線襯底。在其上,空有間隙地配置AlN的陶瓷襯底93,以覆蓋該陶瓷襯底的方式形成有模塑樹脂92。
根據(jù)本實(shí)施例,通過在模塊的上側(cè)配置低熱膨脹的陶瓷襯底,能夠形成熱膨脹率上下對稱的結(jié)構(gòu),從而能夠提供防止功率半導(dǎo)體模塊的彎曲變形、并防止冷卻性能下降或配線襯底和設(shè)備的接合部的熱疲勞壽命下降的高可靠性的功率半導(dǎo)體模塊。此外,在本實(shí)施例中,雖然將低熱膨脹性的陶瓷襯底埋設(shè)在模塑樹脂中,但是也可以采用陶瓷襯底的一側(cè)面從模塑樹脂露出到外部的結(jié)構(gòu)或在模塑樹脂上粘接陶瓷襯底的結(jié)構(gòu)。
圖6表示構(gòu)成部件不使用低熱膨脹率的樹脂而構(gòu)成的本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的另一實(shí)施例。圖中,以夾著功率半導(dǎo)體設(shè)備101、102的方式接合配置陶瓷配線襯底104、105,在設(shè)備的周圍配置低熱膨脹的無機(jī)部件103且將其接合固定于上下的陶瓷配線襯底。該接合體被封入到在上下配置了高熱傳導(dǎo)部件107、108的氣密容器106中。氣密容器上設(shè)置有多個(gè)輸入輸出端子111、113,該多個(gè)輸入輸出端子111、113通過陶瓷部件109、110與氣密容器電絕緣。此外,在氣密容器內(nèi),封入有SF6等絕緣性氣體或高沸點(diǎn)的絕緣性液體。圖7是表示通過冷卻板加壓實(shí)際安裝圖6的半導(dǎo)體模塊的狀態(tài)的圖。圖中,多個(gè)電輸入輸出端子111、112、113、114、115以從氣密容器向左右突出的方式被陶瓷部件絕緣而形成。由冷卻板116、117夾著氣密容器施加壓緊壓力,從而由高熱傳導(dǎo)部件107、108夾著內(nèi)部的接合體而固定。
根據(jù)本實(shí)施例,因?yàn)闃?gòu)成部件全部為無機(jī)部件,所以可以將模塊的耐熱性提高到250℃以上,從而能夠提供高耐熱性的功率半導(dǎo)體模塊。此外,即使以較強(qiáng)的力壓緊外面的冷卻體,因?yàn)樵谠O(shè)備周圍配置的無機(jī)部件支撐壓力,所以能夠防止設(shè)備的損傷。此外,由于功率半導(dǎo)體模塊的接合體和氣密容器的金屬部件沒有接合,所以不會(huì)由于兩者的熱膨脹率的差產(chǎn)生的熱應(yīng)力而對模塊造成損傷,能夠提供可以在250℃以上的高溫區(qū)域使用且可靠性高的功率半導(dǎo)體模塊。
權(quán)利要求
1.一種功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,具有功率半導(dǎo)體設(shè)備,其具有在電路面上形成的主電極和控制電極,以及在電路面的相反側(cè)的面上形成的里面電極;陶瓷配線襯底,其在陶瓷襯底的兩面形成金屬圖案,該金屬圖案與所述功率半導(dǎo)體設(shè)備的里面電極接合;引線部件,其在陶瓷襯底的兩面形成金屬圖案,該金屬圖案與所述功率半導(dǎo)體設(shè)備的主電極及控制電極接合;以及熱膨脹率在10ppm/K以下的模塑樹脂,其密封所述陶瓷配線襯底、功率半導(dǎo)體設(shè)備及引線部件,以使所述陶瓷配線襯底的未與功率半導(dǎo)體設(shè)備接合一側(cè)的金屬圖案及所述引線部件的未與功率半導(dǎo)體設(shè)備接合一側(cè)的金屬圖案露出于外部。
2.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,在所述陶瓷配線襯底和所述引線部件之間配置有熱膨脹率為2~6ppm/K的絕緣性的部件。
3.如權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,在所述絕緣性的部件的與所述陶瓷配線襯底對置的面、及所述絕緣性的部件的與所述引線部件對置的面上分別形成金屬層,該金屬層、所述陶瓷襯底及引線部件利用焊錫材料接合。
4.如權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,所述絕緣性的部件的厚度與所述功率半導(dǎo)體設(shè)備的厚度大體相同。
5.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,所述配線襯底和所述里面電極,及所述引線部件、主電極和控制電極具有比所述金屬圖案的材質(zhì)更高的屈服強(qiáng)度,且通過熔點(diǎn)在260℃以上的焊錫材料接合。
6.如權(quán)利要求5所述的功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,所述焊錫材料為SnSbAgCu焊錫。
7.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,構(gòu)成所述配線襯底及引線部件的陶瓷襯底為Si3N4。
8.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,具有與所述陶瓷配線襯底同等尺寸的陶瓷襯底被埋設(shè)在所述模塑樹脂中,或粘接在模塑樹脂上。
9.一種功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,具備在陶瓷襯底的兩面形成了金屬圖案的陶瓷配線襯底;至少一個(gè)功率半導(dǎo)體設(shè)備;熱膨脹率為2~8ppm/K的絕緣性的無機(jī)部件;熱膨脹率為10ppm/K以下的模塑樹脂部件,所述陶瓷配線襯底配置在所述設(shè)備的上下,且所述設(shè)備的上下的電極通過固相溫度為260℃以上的合金相與上下的金屬圖案相接合,在所述半導(dǎo)體設(shè)備的周圍配置所述無機(jī)部件,所述陶瓷配線襯底間的空間被所述模塑樹脂部件充填。
10.如權(quán)利要求9所述的功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,熱膨脹率為10ppm/K以下的低熱膨脹金屬部件接合在功率半導(dǎo)體設(shè)備的電路面?zhèn)鹊闹麟姌O和控制電極上,所述設(shè)備和陶瓷配線襯底間,及所述低熱膨脹金屬部件和另一方的陶瓷配線襯底間由具有比金屬圖案的材質(zhì)的屈服強(qiáng)度更高的機(jī)械特性的合金層接合。
11.如權(quán)利要求9所述的功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,以所述功率半導(dǎo)體設(shè)備為中心,形成上下的構(gòu)成部件大致對稱的構(gòu)造。
12.一種功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,由如下部分構(gòu)成在陶瓷襯底的兩面形成了金屬圖案的陶瓷配線襯底;至少一個(gè)功率半導(dǎo)體設(shè)備;熱膨脹率為2~8ppm/K以下的絕緣性的無機(jī)部件;氣密容器,其具有被無機(jī)的絕緣材料電屏蔽的多個(gè)電輸入輸出部;以及絕緣性的氣體或者液體的制冷劑,該功率半導(dǎo)體模塊的構(gòu)造為所述陶瓷配線襯底配置在所述功率半導(dǎo)體設(shè)備的上下,電極和金屬圖案由熔點(diǎn)在260℃以上的合金層接合,在所述半導(dǎo)體設(shè)備的周圍配置所述無機(jī)部件,這些構(gòu)成部件內(nèi)置于所述氣密容器內(nèi),在該氣密容器內(nèi)充填所述制冷劑,所述金屬圖案和所述電輸入輸出部電連接。
13.如權(quán)利要求12所述的功率半導(dǎo)體模塊,其特征在于,位于陶瓷配線襯底的上下的氣密容器的構(gòu)成部件,由厚度在1mm以上的、且以Cu或Al為主要構(gòu)成元素的金屬板形成。
14.一種變換器裝置,其特征在于,將權(quán)利要求12所述的功率半導(dǎo)體模塊夾在高熱傳導(dǎo)板間而進(jìn)行疊層,并經(jīng)由在上下端配置的高熱傳導(dǎo)板施加按壓力進(jìn)行組裝。
15.如權(quán)利要求14所述的變換器裝置,其特征在于,在高熱傳導(dǎo)板和功率半導(dǎo)體模塊間配置有低屈服應(yīng)力的高熱傳導(dǎo)部件。
全文摘要
在模塊溫度為175℃~250℃的高溫的情況下,存在陶瓷配線襯底和設(shè)備的接合部或設(shè)備上部電極和電連接導(dǎo)體的接合部的溫度循環(huán)或功率循環(huán)可靠性降低的問題。此外在壓緊冷卻構(gòu)造體進(jìn)行安裝的構(gòu)造中,如果為確保冷卻性能而提高按壓力,則存在設(shè)備因應(yīng)力而損傷的問題。因而本發(fā)明目的在于提供即使功率半導(dǎo)體模塊的使用溫度在175℃~250℃的高溫的情況下,設(shè)備或接合部不發(fā)生機(jī)械性損傷,且高溫保持可靠性和溫度循環(huán)可靠性優(yōu)良的功率半導(dǎo)體模塊及變換器裝置。在設(shè)備的上下配置低熱膨脹的陶瓷襯底,且在陶瓷襯底間配置熱膨脹率為10ppm/K以下的部件。進(jìn)而,在設(shè)備的周圍配置熱膨脹率為2~8ppm/K的無機(jī)部件。
文檔編號H01L25/18GK101075606SQ200710104919
公開日2007年11月21日 申請日期2007年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
發(fā)明者梶原良一, 鈴木和弘, 石井利昭, 伊藤和利 申請人:株式會(huì)社日立制作所
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