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)明涉及一種功率半導(dǎo)體模塊，本發(fā)明更具體地涉及一種可以適當(dāng)?shù)赜米髌嚮蝾愃莆锷系墓β兽D(zhuǎn)換設(shè)備的功率半導(dǎo)體模塊。
背景技術(shù)：
：半導(dǎo)體功率設(shè)備用作換流器(iiwerter)、直流/直流轉(zhuǎn)換器、和其它功率轉(zhuǎn)換設(shè)備。半導(dǎo)體功率設(shè)備主要以稱為"功率半導(dǎo)體模塊"的形式而被使用，多個半導(dǎo)體功率設(shè)備安裝在該"功率半導(dǎo)體模塊"內(nèi)。以下參照圖4和圖5說明典型的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)。圖4是示出了功率半導(dǎo)體模塊的橫截面結(jié)構(gòu)，而圖5是示出了建立在功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)的電路。這些半導(dǎo)體功率設(shè)備的示例包括其中導(dǎo)通/截止操作由外部信號控制的晶體管、具有整流特征的二極管、其它設(shè)備。典型的晶體管包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣雙柵雙極晶體管(IGBT)和、圖5是用于將直流轉(zhuǎn)換成三相交變電流的換流器電路的示例。換流器電路100至少包括6個IGBT101和6個二極管102。連接6個IGBT101，以形成橋式電路。每一個二極管102均連接在相應(yīng)的IGBTIOI的集電極和發(fā)射極之間，而正向是從發(fā)射極面向集電極的方向。在圖5的左側(cè)上的上端子103a和下端子103b是直流輸入端子，而在圖5的右側(cè)上的三個端子104a、104b和104c是用于三相交變電流的輸出端子。當(dāng)在換流器電路100內(nèi)增加將被控制的功率時，半導(dǎo)體功率器件內(nèi)所產(chǎn)生的熱量增加。因此，必需將熱量充分地釋放到外面，以防止溫度在半導(dǎo)體器件內(nèi)過度增加。在圖4中所示的功率半導(dǎo)體模塊201中，IGBT101和二極管102—般地被示為半導(dǎo)體功率器件202。通過使用電路板210上的焊料將這些半導(dǎo)體功率器件202接合，該電路板210具有層疊在一起的金屬基板電極211、絕緣基板212和金屬基板213。多個金屬基板電極211設(shè)置成對應(yīng)于半導(dǎo)體功率器件202。鋁線222連接到半導(dǎo)體功率器件202的表面電極，并連接到外部電極223。在電路板210中，金屬基板電極211和金屬基板213由鋁組成，絕緣基板212由氮化鋁組成，并且這些元件相互連接。金屬基板電極211的作用是以流到半導(dǎo)體功率器件202的相當(dāng)?shù)偷膿p耗的電流發(fā)射信號給外部。具有導(dǎo)電性的材料適合于金屬基板電極211。銅和鋁主要用于金屬基板電極211。絕緣基板212的作用是確保金屬基板電極211中每一個和金屬基板213之間的電絕緣。絕緣基板212也用于將半導(dǎo)體功率器件202內(nèi)生成的熱量帶到外部。為此，作為絕緣基板212，具有高絕緣阻抗和高導(dǎo)熱性的材料是必需的。氮化鋁、氮化硅、鋁和類似物通常用于絕緣基板212的材料。通過在大約600。C或更高的高溫下銅焊通常使金屬基板電極211和絕緣基板212接合。當(dāng)在銅焯之后冷卻到室溫時，由于金屬基板電極211和絕緣基板212之間的熱膨脹系數(shù)的不同產(chǎn)生的應(yīng)力而導(dǎo)致翹曲。經(jīng)由絕緣基板212而設(shè)置在與金屬基板電極211相對的側(cè)面上的位置內(nèi)的金屬基板213用于抑制這種翹曲，并且在同一銅焊步驟中接合電路板210內(nèi)的三個元件，即，金屬基板電極21K絕緣基板212和金屬基板213。整個電路板210經(jīng)由焊料224接合到銅底板225。電路板210的構(gòu)成元件的厚度僅為lmm或更薄，而底板225的厚度為幾毫米或更厚。而且，焊料是柔性(flexible)和易于涂開的，并且用于減小底板225與電路板210之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力?；?25經(jīng)由硅脂226連接到鋁散熱片227。樹脂殼228固定在底板225的頂部上。外部電極223固定到樹脂殼228，并且從殼體的內(nèi)側(cè)延伸到殼體的外部。當(dāng)功率半導(dǎo)體模塊201正在操作時，大量電流流到半導(dǎo)體功率器件202，因此產(chǎn)生了熱量。當(dāng)把功率半導(dǎo)體模塊201作為整體來看時，局部產(chǎn)生的熱量從電路板210傳送到底板225，在橫向方向上廣泛地分散在底板225的內(nèi)側(cè)，移動遍及底板225，并經(jīng)由散熱片227最終釋放到大氣內(nèi)。硅半導(dǎo)體功率器件的接合區(qū)的上限溫度通常大約為150。C。因此，為功率半導(dǎo)體模塊設(shè)計熱量釋放結(jié)構(gòu)，以使得所安裝的半導(dǎo)體功率模塊202不被加熱到以上上限溫度?；诠璧陌雽?dǎo)體功率器件202的性能基本上達(dá)到理論極限。作為可選物，近年來使用碳化硅(SiC)的半導(dǎo)體功率器件(以下稱為"碳化硅半導(dǎo)體功率器件")已經(jīng)受到了關(guān)注。碳化硅半導(dǎo)體功率器件可以減小損耗，并且硅半導(dǎo)體功率器件能在更高的溫度下操作。為此，減小了熱量生成，可以進(jìn)行高溫操作，并且通過使在使用碳化硅半導(dǎo)體功率器件的功率轉(zhuǎn)換器和功率半導(dǎo)體模塊中散熱片與外部空氣或冷卻劑之間的溫度差更大而減少散熱片的體積。對于應(yīng)用作為用于減小功率半導(dǎo)體模塊和功率轉(zhuǎn)換器的尺寸的非常有用的方法的碳化硅半導(dǎo)體功率器件來說，這些是極有可能的。然而，普通安裝結(jié)構(gòu)不能用于超過200。C的高溫操作，200。C是最佳使用碳化硅半導(dǎo)體功率器件的特性的溫度范圍。假設(shè)在超過200。C的高溫環(huán)境下，或者在最小溫度和最大溫度具有非常大的變化的環(huán)境內(nèi)，利用或存儲使用普通安裝技術(shù)所得到的功率半導(dǎo)體模塊，因為由構(gòu)成材料之間的熱膨脹系數(shù)差產(chǎn)生的熱應(yīng)力變得非常高，并且焊料和其它材料自身具有不足的耐熱性，因此功率半導(dǎo)體模塊將經(jīng)歷致命失效。因此，用于安裝半導(dǎo)體功率器件的普通技術(shù)在硅半導(dǎo)體功率器件的操作溫度范圍內(nèi)是實用的，但是卻不能為在高溫下有效操作的器件，如碳化硅半導(dǎo)體功率器件提供充足的外界耐熱性。在將使用硅半導(dǎo)體功率器件的情況下，所需要的安裝技術(shù)是產(chǎn)生較少熱感應(yīng)阻抗并提供更大的外界耐熱性，從而充分地使用這種器件的特性?，F(xiàn)在參照示出了與本發(fā)明相關(guān)的普通技術(shù)的對比文獻(xiàn)JP09-148491A1和JP2000-216278A1(目前作為專利3,479,738被授權(quán))、JP2000-332170A1和JP10-289968A1。JP09-148491A1中公開的功率半導(dǎo)體基板包括由A1N(氮化鋁)制成的絕緣板，和由CuMo(銅鉬)制成的并放在絕緣板的前表面和后表面上的高熱量輻射復(fù)合材料板。該文獻(xiàn)僅僅示出了基板，并且沒有涉及包括散熱片的布置。所公幵的布置提供了功率半導(dǎo)體內(nèi)提高的導(dǎo)電性和絕緣性。然而，此文獻(xiàn)沒有考慮熱輻射。JP2000-216278A1公開了半導(dǎo)體組合件(package)，類似于JP09-148491的布置，該半導(dǎo)體組合件包括由A1N(氮化硅)制成的絕緣板，和放在絕緣板的前表面和后表面上的高熱量輻射CuMo(銅鉬)復(fù)合材料板。JP2000-332170A1公開了一種半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括由銅(Cu)制成的具有粘接到其一個表面上的陶瓷基板的底板。具有與陶瓷基板類似的熱膨脹系數(shù)的鉬板粘接到與陶瓷基板的位置相對應(yīng)的基板的另一表面。JP10-289968Al涉及一種具有氮化鋁板的功率半導(dǎo)體，該氮化鋁板具有形成于板周圍的無線導(dǎo)電圖案。這種布置由于平衡控制板的前表面和后表面內(nèi)生成的應(yīng)力，從而可以抑制氮化鋁板的表面內(nèi)的應(yīng)力的生成。因此，用于安裝半導(dǎo)體功率器件的傳統(tǒng)技術(shù)在硅半導(dǎo)體功率器件的操作溫度范圍內(nèi)是實用的，但是不能為在高溫下有效操作的器件，如碳化硅半導(dǎo)體功率器件提供充足的外界耐熱性。在使用硅半導(dǎo)體功率器件的情況下，所需要的安裝技術(shù)是產(chǎn)生較小的熱感應(yīng)阻抗，并提供更高的外界耐熱性，從而有效地使用這種器件的特性。在圖4中所示的功率半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)中，從半導(dǎo)體功率器件202到外部空氣的通路是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)始于焊料221處，穿過金屬基板電極211、絕緣基板212、金屬基板213、焊料224、底板225和硅脂226，并終止于散熱片227處。這是由減輕組成材料之間的熱膨脹系數(shù)差產(chǎn)生的熱應(yīng)力的目的和在制造過程中受到的限制而產(chǎn)生的。因此，當(dāng)使用碳化硅半導(dǎo)體功率器件構(gòu)造功率半導(dǎo)體模塊時，模塊需要具有的結(jié)構(gòu)是該結(jié)構(gòu)具有從半導(dǎo)體功率器件到外部空氣的簡單通路，并相對于在高溫下有效操作的碳化硅半導(dǎo)體功率器件具有充足的外界耐熱性。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種功率半導(dǎo)體模塊，所述功率半導(dǎo)體模塊包括集成電路板，所述集成電路板具有整體地接合的金屬基板電極、絕緣基板和散熱片；和半導(dǎo)體功率器件，所述半導(dǎo)體功率器件接合到所述電路板的金屬基板電極的頂部，其中在從室溫到接合溫度的溫度范圍內(nèi)，電路板的多個組成材料之間的平均熱膨脹系數(shù)差設(shè)定為2.0ppm/。C或更小。在整個說明書中，術(shù)語"從室溫到接合時間溫度的溫度范圍內(nèi)的電路板的組成材料的平均熱膨脹系數(shù)差"應(yīng)該理解為具有以下解釋的意思。在多個電路板組成材料(金屬基板電極、絕緣基板和散熱片的三層結(jié)構(gòu))的每一個上得到從室溫到接合時間溫度(下文中也稱為"接合溫度"，如，800°C)的溫度范圍內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)，然后得到材料之間的平均熱膨脹系數(shù)差。在本發(fā)明中，熱膨脹系數(shù)差被設(shè)為2.0ppm/。C或更小。從下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式得到"從室溫到接合時間溫度的溫度范圍內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)"在用于功率半導(dǎo)體模塊的實際接合過程中，首先在室溫下根據(jù)預(yù)定位置關(guān)系設(shè)定組成材料。隨后將設(shè)定的材料放置到設(shè)備內(nèi)，此后逐漸增加設(shè)備內(nèi)的溫度，以使其接近于接合時間溫度，并保持該溫度恒定。此后，使設(shè)備內(nèi)的溫度逐漸降低到室溫，并且從設(shè)備取出具有被接合的組成材料的功率半導(dǎo)體。在接合組成材料之后從接合時間溫度到室溫的溫度下降期間，在具有不同熱膨脹系數(shù)的材料之間生成應(yīng)力。所生成的應(yīng)力的大小取決于室溫與接合溫度之間的溫度范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)。考慮到上述問題，作為組成材料之間的熱膨脹系數(shù)差，使用從室溫到接合時間溫度的溫度范圍內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)差。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種功率半導(dǎo)體模塊，所述功率半導(dǎo)體模塊包括集成電路板，所述集成電路板具有整體地接合的金屬基板電極、絕緣基板和散熱片；和半導(dǎo)體功率器件，所述半導(dǎo)體功率器件接合到電路板的金屬基板電極的頂部，其中由最低操作溫度與接合溫度之間的溫差產(chǎn)生的電路板的多個組成材料的膨脹差為2000ppm或更小。在上述功率半導(dǎo)體模塊中，半導(dǎo)體功率器件優(yōu)選地為碳化硅半導(dǎo)體功率器件。在上述功率半導(dǎo)體模塊中，金屬基板電極的材料優(yōu)選地為鉬、鎢、銅鉬或銅鴇。CTE(T):溫度T下的熱在上述功率半導(dǎo)體模塊中，絕緣基板的材料優(yōu)選地為氮化鋁或氮化娃。在上述功率半導(dǎo)體模塊中，散熱片的材料優(yōu)選地為金屬/碳復(fù)合材料、金屬/碳化硅復(fù)合材料、鎢、鉬、銅鉬或銅鉤。在上述功率半導(dǎo)體模塊中，通過使用具有250。C或更高的熔點的無鉛焊料優(yōu)選地接合半導(dǎo)體功率器件和電路板，在從室溫到接合時間溫度的時間范圍內(nèi)，半導(dǎo)體功率器件與電路的組成材料之間的平均熱膨脹系數(shù)差為5ppm/。C或更小。無鉛焊料優(yōu)選為金錫合金。在上述功率半導(dǎo)體模塊中，金屬線接合到半導(dǎo)體功率器件的表面電路板的表面；并且在從室溫到所述接合溫度的溫度范圍內(nèi)，將金屬線和半導(dǎo)體功率器件的組成材料之間的平均熱膨脹系數(shù)差保持在5ppm/。C或更小，并且在從室溫到接合溫度的所述溫度范圍內(nèi)，將金屬線和電路板的組成材料之間的平均熱膨脹系數(shù)差保持在5ppm/。C或更小。本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊提供的優(yōu)點如下所述。首先，相比傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體模塊，本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊可以在更高的溫度下操作。當(dāng)安裝碳化硅半導(dǎo)體功率器件時，系統(tǒng)可以在超過200。C的溫度下操作，在200。C處最佳使用了碳化硅的高溫操作特性。與傳統(tǒng)的器件相比，當(dāng)將根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)用于硅器件時，可以實現(xiàn)具有更高可靠性和可以在更高溫度下操作的功率半導(dǎo)體模塊。第二，因為通過在更高溫度下操作可以增加散熱片與外部空氣或冷卻劑之間的溫差，因此可以顯著地減小散熱片的體積。通過安裝低損耗碳化硅半導(dǎo)體功率器件可以迸一步減小尺寸。第三，因為集成電路板的結(jié)構(gòu)非常簡單，并且可以在一個接合過程中制造集成電路板，因此有助于減小制造成本和實現(xiàn)更低的成本。以下通過僅參照附圖的示例詳細(xì)說明本發(fā)明的一些優(yōu)選的實施例，其中圖l是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的縱剖視圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的縱剖視圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的縱剖視圖4是示出了典型的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的縱剖視圖；以及圖5是示出了建立在傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)的橋式電路的電路圖。具體實施例方式以下參照圖l說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的功率半導(dǎo)體模塊，圖l是示出了根據(jù)第一實施例的功率半導(dǎo)體模塊的主要部件的縱剖面。在圖1中所示的功率半導(dǎo)體模塊10中，電路板11包括金屬基板電極14、絕緣基板15和散熱片12的集成。碳化硅半導(dǎo)體功率器件經(jīng)由鉛焊料16連接到每一個金屬基板電極14。形成碳化硅半導(dǎo)體功率器件13的上電極的每一個金屬基板電極14經(jīng)由金屬線19和與模塊內(nèi)的電路布置相對應(yīng)的外部電極18連接在一起。耐熱樹脂殼17更進(jìn)一步設(shè)置在散熱片12上。金屬基板電極14對應(yīng)于功率半導(dǎo)體模塊10內(nèi)的電路布置而被形成圖案?？梢栽谏崞?2上設(shè)置多個絕緣基板15。金屬基板電極14的材料可以是鉬(Mo)，而絕緣基板15的材料可以是例如氮化鋁(A1N)。散熱片12可以由例如銅/碳復(fù)合材料(CuC)制成。金屬線19例如是鋁線。如上布置的功率半導(dǎo)體模塊10設(shè)有散熱集成電路板11，該散熱集成電路板ll的結(jié)構(gòu)僅具有三層。電路板ll具有被簡化的結(jié)構(gòu)，但是卻擁有半導(dǎo)體功率器件B的主要功能，g卩，允許電流流動的電功能，用于提供各個金屬基板電極14之間和金屬基板電極14與散熱片之間的絕緣的絕緣功能，以及用于將碳化硅半導(dǎo)體功率器件13生成的熱量輻射到外面的熱輻射功能。因此，與傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)相比，可以減小熱感應(yīng)阻抗，并且可以簡化制造過程。例如，在800。C或更高溫度下銅焊金屬基板電極14、絕緣基板15和散熱片12。本發(fā)明中的用于金屬基板電極14、絕緣基板15和散熱片12內(nèi)的材料在從室溫到800。C的溫度范圍內(nèi)具有以下平均熱膨脹系數(shù)鉬(MO):6.0ppm/。C，氮化鋁(A1N):5.5ppm/°C，和銅/碳復(fù)合材料(CuC):5.7ppm/°C。組成元件的材料之間的熱膨脹系數(shù)的最大差僅為0.5ppm/。C。在將鋁和銅用于基板、散熱片和其它部件內(nèi)的傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，組成元件的材料的熱膨脹系數(shù)之間的差達(dá)到10-20ppm/。C。與傳統(tǒng)的模塊相比，由于上述組成元件的材料的熱膨脹系數(shù)之間的差，可以在根據(jù)本實施例的功率半導(dǎo)體模塊10中實現(xiàn)非常高的外界溫度特性。設(shè)有碳化硅半導(dǎo)體功率器件13的功率半導(dǎo)體模塊10即使當(dāng)在200。C或更高溫度下被重復(fù)使用時也可以正常操作。鉬(Mo)的電阻率大約是鋁的電阻率的兩倍，但是考慮到厚度和其它屈素，在低損耗的情況可以充分滿足允許大電流流動的功能。在根據(jù)第一實施例的功率半導(dǎo)體模塊10中，與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體功率器件相比，在所安裝的碳化硅半導(dǎo)體功率器件13中損失可以減小一半或更多，并且因為可以進(jìn)行更高溫度操作，因此可以使外部空氣與散熱片12之間的溫差達(dá)到兩倍，或者極大地增加外部空氣與散熱片12之間的溫差。散熱片12的尺寸(體積)由此可以顯著地減小到大約傳統(tǒng)模塊的尺寸的1/5。根據(jù)上文，根據(jù)第一實施例的功率半導(dǎo)體模塊io是具有以下三個特征的模塊結(jié)構(gòu)。第一，電路板ll具有簡單而又多功能的結(jié)構(gòu)，金屬基板電極14、絕緣基板15和散熱片12集成于該結(jié)構(gòu)中。第二，因為電路板ll內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力非常低，所安裝的碳化硅半導(dǎo)體功率器件13可以在超過200。C的溫度下操作，并且在具有高溫差的環(huán)境內(nèi)提供了高可靠性，在該高溫差內(nèi)，功率半導(dǎo)體模塊的維修溫度和存儲溫度非常低，如-40°C。第三，與傳統(tǒng)的模塊相比，因為碳化硅半導(dǎo)體功率器件13具有低損耗，并且可以增加散熱片12與外部空氣之間的溫差，所以可以顯著地減小散熱片12的體積。表l示出了對于包括根據(jù)上述第一實施例的電路板ll的各種電路板結(jié)構(gòu)在-40。C到200。C的溫度范圍內(nèi)實施的溫度循環(huán)試驗的部分結(jié)果。表l:電路板的溫度循環(huán)測試結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>從在第一實施例中所采用的電路板ll的結(jié)構(gòu)開始，當(dāng)在從室溫到600-800°C(600-800。C是普通電路板接合溫度)的溫度范圍下的組成材料之間平均熱膨脹系數(shù)差小時，在長期溫度循環(huán)試驗中沒有觀察到異常性。另一方面，損壞在初期產(chǎn)生于平均熱膨脹系數(shù)差在使用鋁、銅或類似物的組成材料之間非常大的結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱循環(huán)試驗中。損壞在初期還發(fā)生在沒有使用鋁和銅，而是使用諸如CuMo/Al203/CuC的結(jié)構(gòu)中。當(dāng)比較Mo/AlN/CuC和CuMo/Al2(VCuC時，在從室溫到接合溫度的溫度范圍內(nèi)，Mo/AlN/CuC組成材料的平均熱膨脹系數(shù)差更小，但是在從室溫到200。CUOO。C是溫度循環(huán)試驗的最高溫度)的溫度范圍內(nèi)，CuMo/Al2(VCuC平均熱膨脹系數(shù)更小。溫度循環(huán)試驗結(jié)果顯示Mo/AlN/CuC沒有異常性，而CuMo/Al2CyCuC在試驗中被早早地?fù)p壞。以上結(jié)果顯而易見的是對電路板結(jié)構(gòu)的外界耐熱性的影響，從室溫到接合溫度的溫度范圍內(nèi)組成材料的平均熱膨脹系數(shù)差應(yīng)該大于從室溫到操作溫度的溫度范圍內(nèi)材料的平均熱膨脹系數(shù)差，并且從以上結(jié)果顯而易見的是接合溫度與室溫之間的熱膨脹系數(shù)必需大約為2ppm/。C或更小。除了以上表l中所述的材料的示例，銅/鉬復(fù)合材料可以用于金屬基板電極14，而碳化硅鋁或類似物可以用于散熱片12。只要所選擇的材料從室溫到接合時間溫度的溫度范圍內(nèi)材料之間的平均熱膨脹系數(shù)為2ppm/。C或更小，就可以使用任何材料。如果在較低的溫度下執(zhí)行接合，則允許較大的熱膨脹系數(shù)差。對于這種情況的判據(jù)是由接合溫度和存儲環(huán)境溫度或操作最低溫度之間的差產(chǎn)生的組成材料的膨脹比的差。在表l中的示例中，接合溫度是800。C，而操作最低溫度是-40。C。W/SiN/CuC具有電路板的組成材料的膨脹比的最大差，同時具有良好的溫度循環(huán)試驗結(jié)果，并且該值為1300ppm。相反，CuMo/Al203/CuC具有電路板的組成材料的膨脹比的最小差，該電路板在溫度循環(huán)試驗中被早早地?fù)p壞，并且該值為2000ppm?；谶@些事實，顯然，當(dāng)操作最大溫度超過200。C并且存儲環(huán)境溫度或操作最低溫度為0。C或更小時，由接合溫度與存儲環(huán)境溫度或操作最低溫度之間的差產(chǎn)生的組成材料的膨脹比的差優(yōu)選地為2000ppm或更小。接下來參照圖2說明根據(jù)本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的第二實施例，圖2示出了根據(jù)第二實施例的功率半導(dǎo)體模塊20的主要部件的縱剖面。在圖2中，與圖1中所示的部件相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。在圖2中所示的功率半導(dǎo)體模塊20中，其結(jié)構(gòu)集成有散熱片12的電路板11設(shè)為具有根據(jù)碳化硅半導(dǎo)體功率器件13中的每一個而制備的絕緣基板15和金屬基板電極14的板部。通過使用AuSn焊料(高溫?zé)o鉛焊料)21將碳化硅半導(dǎo)體功率器件13固定到金屬基板電極14的頂部。除了上面的結(jié)構(gòu)不同之外，其它結(jié)構(gòu)與第一實施例所述的結(jié)構(gòu)相同。在根據(jù)第一實施例的功率半導(dǎo)體模塊10中，通過使用通常已知的焊料16將碳化硅半導(dǎo)體功率器件13接合到金屬基板電極14的頂部。然而，模塊必需與全球所追求的使用無鉛結(jié)構(gòu)的趨勢相一致。在目前的情況下，在超過200。C的溫度環(huán)境下可以確保充足的長期可靠性的無鉛焊料無法得到。從熔點方面來說，AuSn、硅化金和類似物是可能的可選物，但是與傳統(tǒng)的焊料相比，這些焊料堅硬。因此，當(dāng)用這些焊料將半導(dǎo)體功率器件與過去主要使用的鋁、銅和其它金屬基板電極14接合在一起的時候，焊料與半導(dǎo)體功率器件之間的邊界，或者焊料與金屬基板電極之間的邊界由于溫度循環(huán)而剝離，半導(dǎo)體功率器件被損壞，并且發(fā)生其它有害的現(xiàn)象。在第二實施例中，即使當(dāng)使用AuSn焊料21時也可以實現(xiàn)外界耐高溫性，這是由于碳化硅半導(dǎo)體器件13和集成電路板11的金屬基板電極14之間的小平均熱膨脹系數(shù)差。該差在大約300。C時為3ppm/。C或更小，300。C是AuSn21焊料的接合溫度。表2示出了通過使用AuSn焊料將碳化硅半導(dǎo)體功率器件接合到兩種不同類型的電路板結(jié)構(gòu)，并在-40。C到200。C的溫度范圍內(nèi)執(zhí)行溫度循環(huán)試驗的結(jié)果。在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，即，A1/A1N/A1中的試驗中早期就觀察到了異常，但是在本實施例的結(jié)構(gòu)中，即，Mo/AlN/CuC的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)10000次循環(huán)時也沒有觀察到異常。表2:對于AuSn的溫度循環(huán)試驗結(jié)果結(jié)構(gòu)結(jié)果Mo/AlN/CuCIOOOO次循環(huán)沒有異常A1/A1N/A1在IOO到IOOO次循環(huán)芯片裂開從結(jié)果中顯而易見的是在本實施例的結(jié)構(gòu)中，只要確保充足的可靠性，難于在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中使用的AuSn焊料可以甚至用于惡劣的溫度環(huán)境中。這是由于在碳化硅半導(dǎo)體功率器件與集成電路板之間熱膨脹系數(shù)差小的原因。為了能夠使用現(xiàn)有器件，并且由于其它考慮的原因，碳化硅半導(dǎo)體功率器件13的焊料接合的適當(dāng)?shù)纳舷逌囟仍O(shè)為大約400。C?？紤]到上述試驗結(jié)果和接合溫度大約是集成電路板的一半，因此在從室溫到接合時間溫度的溫度范圍內(nèi)，碳化硅半導(dǎo)體功率器件13和集成電路板11的組成材料之間的平均熱膨脹系數(shù)差被認(rèn)為優(yōu)選地大約為5ppm/。C或更小。在根據(jù)第二實施例的功率半導(dǎo)體模塊20中，所安裝的碳化硅半導(dǎo)體功率器件13即使在無鉛結(jié)構(gòu)中也在超過200。C的溫度下操作，并且在具有高溫度差的環(huán)境中提供了高可靠性。這些環(huán)境包括功率半導(dǎo)體模塊的操作溫度和存儲溫度非常低，如-40。C的環(huán)境。接下來參照圖3說明根據(jù)本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的第三實施例。圖3是示出了根據(jù)第三實施例的功率半導(dǎo)體器模塊30的主要部件的縱剖視圖。在圖3中，與圖2中所示的部件相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。在圖3中所示的功率半導(dǎo)體模塊30中，其結(jié)構(gòu)是集成有散熱片12的電路板ll被設(shè)為板部，該板部具有用與上述第一和第二實施例相同的方式根據(jù)碳化硅半導(dǎo)體功率器件13所制備的絕緣基板15和金屬基板電極14。通過使用AuSn焊料(高溫?zé)o鉛焊料)21將碳化硅半導(dǎo)體功率器件13接合并固定到金屬基板電極14的頂部，而通過板狀CuMo金屬線32提供從碳化硅半導(dǎo)體功率器件13的表面到外部的電連接。使用AuSn焊料33將金屬線32和碳化硅半導(dǎo)體功率器件13的表面接合。除以上結(jié)構(gòu)不同之外，其它結(jié)構(gòu)與第二實施例中所述的結(jié)構(gòu)相同。在根據(jù)第三實施例的功率半導(dǎo)體模塊30中，通過使用金屬線32可以使外界耐熱性增加從而超過上述第一和第二實施例的外界耐熱性，該外界耐熱性強，并且具有的熱膨脹系數(shù)接近于碳化硅半導(dǎo)體功率器件13和集成電路板ll的熱膨脹系數(shù)。在上述第一和第二實施例中，示出了在其內(nèi)鋁線19用于提供從碳化硅半導(dǎo)體功率器件13的表面到外部的連接的示例。然而，在碳化硅功率器件13的溫度為250。C或更高的惡劣條件下利用鋁線19不能確?？煽啃浴？紤]了此事實，使用由CuMo組成的堅固板狀金屬線32代替本實施例中的鋁線19。例如，典型的CuMo線結(jié)構(gòu)寬lmm，厚0.2mm。AuSn焊料33用于接合碳化硅半導(dǎo)體功率器件13。與鋁線相比較，CiiMo金屬線因為強度和耐熱性高，并且熱膨脹系數(shù)接近于碳化硅半導(dǎo)體功率器件13和集成電路板11的熱膨脹系數(shù)，因此確保高溫操作下的高可靠性。在本實施例的功率半導(dǎo)體模塊30中，即使當(dāng)在碳化硅半導(dǎo)體功率器件13的溫度達(dá)到250。C的環(huán)境下重復(fù)操作模塊時，己經(jīng)確認(rèn)也正常操作。出于與所述的碳化硅半導(dǎo)體功率器件13和集成電路板11的接合相同的理由，在從室溫到接合時間溫度的溫度范圍內(nèi)金屬線32和碳化硅半導(dǎo)體功率器件13的組成材料之間的平均熱膨脹系數(shù)差優(yōu)選地為5ppm/。C或更小。金屬線32和集成電路板11之間熱膨脹系數(shù)差也是重要的，而且出于相同的理由，使用AuSn焊料34，并且在接合時將熱膨脹系數(shù)差類似優(yōu)選地保持在5ppm/。C或更小。任何焊料35可以用于金屬線32和外電極18之間的接合。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到的，可以代替CuMo而使Mo用于金屬線32。工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明在制造具有碳化硅半導(dǎo)體功率器件的功率半導(dǎo)體模塊中尤其有用，該碳化硅半導(dǎo)體功率器件具有充分的耐熱性，因此可以在相對高溫下有效地操作。權(quán)利要求1.一種功率半導(dǎo)體模塊，包括集成電路板，所述集成電路板具有整體地接合的金屬基板電極、絕緣基板和散熱片；和半導(dǎo)體功率器件，所述半導(dǎo)體功率器件接合到所述電路板的所述金屬基板電極的頂部，其中在從室溫到接合時間溫度的溫度范圍內(nèi)，所述電路板的多個組成材料之間的平均熱膨脹系數(shù)差為2.0ppm/℃或更小。2.—種功率半導(dǎo)體模塊，包括集成電路板，所述集成電路板具有整體地接合的金屬基板電極、絕緣基板和散熱片；和半導(dǎo)體功率器件，所述半導(dǎo)體功率器件接合到所述電路板的所述金屬基板電極的頂部，其中由最低操作溫度與接合溫度之間的溫差產(chǎn)生的所述電路板的多個組成材料的膨脹差為2000ppm或更小。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中所述半導(dǎo)體功率器件包括碳化硅半導(dǎo)體功率器件。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中所述金屬基板電極由從包括鉬、鴿、銅鉬和銅鴇的組中選擇的材料制成。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中所述絕緣基板由從包括氮化鋁和氮化硅的組中選擇的材料制成。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中所述散熱片由從包括金屬/碳復(fù)合材料、金屬/碳化硅復(fù)合材料、鎢、鉬、銅鉬和銅鉤的組中選擇的材料制成。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中通過使用具有250。C或更高熔點的無鉛焊料接合所述半導(dǎo)體功率器件和所述電路板，并且在從所述室溫到所述接合時間溫度的時間范圍內(nèi)，所述半導(dǎo)體功率器件與所述電路的所述多個組成材料之間的平均熱膨脹系數(shù)差為5ppm/。C或更小。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中所述無鉛焊料包括金錫合金。9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中金屬線接合到所述半導(dǎo)體功率器件的表面和所述電路板的表面；以及在從所述室溫到所述接合溫度的所述溫度范圍內(nèi)，將所述金屬線和所述半導(dǎo)體功率器件的多個組成材料之間的平均熱膨脹系數(shù)差保持在5ppm/。C或更小，并且在從所述室溫到所述接合時間溫度的所述溫度范圍內(nèi)，將所述金屬線和所述電路板的多個組成材料之間的平均熱膨脹系數(shù)差保持在5ppm/。C或更小。全文摘要本發(fā)明公開了一種功率半導(dǎo)體模塊(10)，所述功率半導(dǎo)體模塊(10)具有集成電路板(11)，所述集成電路板(11)具有被接合的金屬基板電極(14)、絕緣基板(15)和散熱片(12)。碳化硅半導(dǎo)體功率器件(13)接合到電路板的金屬基板電極的頂部。在從室溫到接合時間溫度的溫度范圍內(nèi)，電路板的多個組成材料之間的平均熱膨脹系數(shù)差為2.0ppm/℃或更小，并且由操作溫度和接合溫度之間的差產(chǎn)生的電路板的組成材料之間的膨脹差為2000ppm或更小。文檔編號H01L23/373GK101443910SQ20078001722公開日2009年5月27日申請日期2007年4月25日優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日發(fā)明者東谷義彥,岡本憲治,加藤武士,大串健次,齋藤吉三,野中賢一申請人:本田技研工業(yè)株式會社