本發(fā)明涉及一種在控制大電流、高電壓的電力變換裝置等中使用的電力用半導(dǎo)體模塊。

背景技術(shù)：

在以混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車等為代表的使用馬達(dá)的機(jī)器中，一直期望節(jié)能效果優(yōu)異的電力變換裝置。在該電力變換裝置中廣泛使用有搭載了例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣柵雙極型晶體管)等電力用(以下，稱為功率)功率半導(dǎo)體元件的功率半導(dǎo)體模塊。為了將向功率半導(dǎo)體元件通入大電流時(shí)產(chǎn)生的熱量有效地進(jìn)行散熱，要求功率半導(dǎo)體模塊為連接于冷卻器、小型且散熱性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)。

例如，下述的專利文獻(xiàn)1所公開(kāi)的半導(dǎo)體模塊具備在陶瓷基板的兩個(gè)面配置金屬層而成的絕緣電路基板。在絕緣電路基板的一側(cè)的主表面上接合有多個(gè)功率半導(dǎo)體元件，在另一側(cè)的主表面上接合有金屬制的厚的散熱基板。該絕緣電路基板被容納于樹(shù)脂殼體中，注入凝膠狀樹(shù)脂，從而構(gòu)成功率半導(dǎo)體模塊。并且，該半導(dǎo)體模塊通過(guò)螺栓和螺母隔著散熱油脂被固定于冷卻器。

另一方面，在下述的專利文獻(xiàn)2中公開(kāi)了在將樹(shù)脂密封模塊與冷卻器進(jìn)行焊料接合后，在焊料接合部的周圍區(qū)域的縫隙中填充密封樹(shù)脂而成的半導(dǎo)體模塊。

此外，在下述的專利文獻(xiàn)3中公開(kāi)了如下半導(dǎo)體模塊，該半導(dǎo)體模塊具備：金屬塊、通過(guò)焊料層接合于該金屬塊上的半導(dǎo)體元件、對(duì)上述金屬塊與上述半導(dǎo)體元件進(jìn)行塑模(mold)而成的樹(shù)脂塑模部，并且在上述金屬塊表面的鍍覆區(qū)域和粗糙化區(qū)域之中，上述半導(dǎo)體元件搭載于鍍覆區(qū)域。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開(kāi)2008-288414號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本特開(kāi)2012-142465號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)3：日本特開(kāi)2012-146919號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題

然而，在專利文獻(xiàn)2所記載的半導(dǎo)體模塊中，存在如下問(wèn)題：增加將樹(shù)脂填充到包圍焊料接合部的密封樹(shù)脂下表面與冷卻器之間的縫隙中的工序的問(wèn)題、和/或在接合于冷卻器的半導(dǎo)體模塊有多個(gè)的情況下不容易將樹(shù)脂可靠地填充到縫隙中的問(wèn)題。

另一方面，在專利文獻(xiàn)3所記載的半導(dǎo)體模塊中，由于在半導(dǎo)體元件與冷卻板之間存在形成有鍍覆區(qū)域和粗糙化區(qū)域的金屬塊，因此成為密封樹(shù)脂與半導(dǎo)體元件、金屬塊、焊料、冷卻板直接接觸的結(jié)構(gòu)，不僅不能稱為緊湊的結(jié)構(gòu)，還存在必需確保在各種界面上的粘合性的問(wèn)題。

因此，考慮上述問(wèn)題點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊，該冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊以緊湊的結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的散熱性能，且與冷卻器的焊料接合的可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好。

技術(shù)方案

為了解決上述課題，實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊的特征在于，具備：絕緣基板；電路層，設(shè)置于上述絕緣基板的正面；半導(dǎo)體元件，與上述電路層電連接；金屬層，設(shè)置于上述絕緣基板的背面；密封樹(shù)脂，覆蓋上述絕緣基板、上述電路層、上述半導(dǎo)體元件和上述金屬層的一部分；冷卻器，配置于上述金屬層的下表面?zhèn)龋诲兏矊?，至少配置于上述密封?shù)脂的與上述冷卻器相向的面；以及接合部件，將上述鍍覆層與上述冷卻器進(jìn)行連接。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊中，上述密封樹(shù)脂的與上述鍍覆層的界面的粗糙度以算術(shù)平均粗糙度計(jì)為5μm以上。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊中，至少上述密封樹(shù)脂的與上述冷卻器相向的面是利用選自化學(xué)蝕刻、機(jī)械切削、噴砂法、激光處理中的任一方法進(jìn)行粗糙化而成的面，或者是通過(guò)在傳遞成型用金屬模具上預(yù)先形成的粗糙面來(lái)成形的面。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊中，上述接合部件的厚度為250μm以下。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊中，上述接合部件是組成為Sn8％Sb3％Ag的焊料。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊中，上述鍍覆層具有1μm以上且5μm以下的厚度，并含有選自銅、鎳、金、銀中的至少一種以上的金屬。

技術(shù)效果

根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種以緊湊的結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的散熱性能，且與冷卻器的焊料接合的可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊。

附圖說(shuō)明

圖1是表示本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊的一個(gè)實(shí)施方式的剖視圖。

圖2是示出本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊的比較例的剖視圖。

圖3是本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊的實(shí)施例與比較例的塑性應(yīng)變幅的比率(％)的比較圖。

符號(hào)說(shuō)明

1：絕緣布線基板

2：密封樹(shù)脂

3：半導(dǎo)體元件

4：焊料層

5：電路層

6：絕緣基板、陶瓷基板

7：金屬層

8、18：焊料層

9：冷卻器、散熱片底座

9a：散熱片

9b：制冷劑流路

10：鍍覆層

11、20：半導(dǎo)體模塊

100、200：冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊的一個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。應(yīng)予說(shuō)明，在以下的實(shí)施例的說(shuō)明以及附圖中，對(duì)同樣的結(jié)構(gòu)標(biāo)記相同的符號(hào)，并省略重復(fù)的說(shuō)明。此外，為了易于觀察或易于理解，在實(shí)施例中進(jìn)行說(shuō)明的附圖并未以正確的比例、尺寸比進(jìn)行繪制。本發(fā)明只要未超出其主旨，就不限于以下所說(shuō)明的實(shí)施例的記載。

圖1中，通過(guò)剖視圖示出了本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊的一個(gè)實(shí)施方式。冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊100具備：具有絕緣布線基板1和半導(dǎo)體元件3的半導(dǎo)體模塊11、以及熱連接于半導(dǎo)體模塊11的冷卻器9。絕緣布線基板1具有絕緣基板6、配置在絕緣基板6的一側(cè)的主表面的電路層5、配置在絕緣基板6的另一側(cè)的主表面的金屬層7，并在電路層5上通過(guò)焊料層4接合有半導(dǎo)體元件3，這些全部被密封樹(shù)脂2所被覆。在本發(fā)明中，在半導(dǎo)體模塊11的與冷卻器9相向的面上設(shè)置有鍍覆層10。

對(duì)于半導(dǎo)體元件3的種類并不特別限定。例如，可以是IGBT、功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)或FWD(Free Wheeling Diode：續(xù)流二極管)，還可以是將它們形成在一個(gè)半導(dǎo)體元件中的RB-IGBT(Reverse Blocking-Insulated Gate Bipolar Transistor：逆阻型絕緣柵雙極型晶體管)或RC-IGBT(Reverse Conducting-Insulated Gate Bipolar Transistor：反向?qū)ㄐ徒^緣柵雙極型晶體管)。

在半導(dǎo)體元件3的上表面的電極膜(未圖示)上導(dǎo)電連接有包含導(dǎo)電性良好的銅、鋁合金等金屬，并由引腳布線、引線布線和/或引線框布線等構(gòu)成的電路布線(未圖示)的一側(cè)的端部。此外，該電路布線(未圖示)的另一側(cè)的端部連接于從密封樹(shù)脂2引到外部的外部連接端子(未圖示)。半導(dǎo)體元件3的下表面的電極膜(未圖示)通過(guò)焊料層4熱性能良好且電氣性良好地連接于電路層5的所需的位置。電路層5為銅等導(dǎo)電性良好的金屬箔等被預(yù)先接合于絕緣性的陶瓷基板等絕緣基板上表面而成的電路層。作為焊料層4的焊料的種類，可使用SnSb系、SnSbAg系的無(wú)鉛焊料等。但是，優(yōu)選該焊料層4的焊料的熔點(diǎn)比后述的焊料層8的焊料的熔點(diǎn)溫度高，以使焊料層4在焊料層8的形成時(shí)不會(huì)再次熔融。該電路層5與預(yù)先接合于絕緣基板6的背面?zhèn)鹊慕饘賹?以使它們兩層間具有電氣上可靠絕緣的預(yù)定的爬電距離 的方式分別配置在從絕緣基板的外周邊靠向內(nèi)側(cè)的位置。金屬層7優(yōu)選包括導(dǎo)電性良好的銅等。

冷卻器9在內(nèi)部具備被多個(gè)散熱片9a分隔的制冷劑流路9b。該冷卻器9通過(guò)焊料層8直接接合于上述絕緣基板6的下表面?zhèn)鹊慕饘賹?。與在半導(dǎo)體模塊背面和冷卻器之間存在厚的散熱基板或?qū)嵝圆畹纳嵊椭囊酝慕雍辖Y(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明所具備的接合結(jié)構(gòu)在尺寸小巧的情況下熱阻小，能夠改善冷卻效率(散熱性能)。

應(yīng)予說(shuō)明，在圖1所示的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊100的剖視圖中，僅搭載有一個(gè)半導(dǎo)體元件3，但是二合一(2in1)模塊等則并聯(lián)連接多個(gè)半導(dǎo)體元件從而能夠增大額定輸出。例如，可以采用將三個(gè)無(wú)散熱基板的二合一結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂密封模塊單元(以下，僅稱為單元)焊料接合于冷卻器的上表面的六合一半導(dǎo)體模塊構(gòu)成、或?qū)⒘鶄€(gè)一合一(1in1)結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂密封單元進(jìn)行排列的單元集合結(jié)構(gòu)的模塊構(gòu)成。這樣，在將分割得較小的單元集合的構(gòu)成的無(wú)散熱基板結(jié)構(gòu)的模塊中，能夠減小樹(shù)脂體積，從而降低應(yīng)力，抑制密封樹(shù)脂的龜裂。此外，在本發(fā)明中，通過(guò)鍍覆層10來(lái)確保半導(dǎo)體模塊11與冷卻器9的接合強(qiáng)度，因此，即使增加半導(dǎo)體元件數(shù)量，也能夠防止由起因于熱膨脹系數(shù)差的熱應(yīng)力(翹曲應(yīng)力)引起的龜裂、剝離等。

此外，也可以將多個(gè)半導(dǎo)體元件3的種類替換為種類各不相同的半導(dǎo)體元件。例如，可以為在將IGBT與FWD兩個(gè)元件排列并進(jìn)行焊料連接之后，以反向并聯(lián)連接的方式進(jìn)行布線連接的結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，圖1中也可以在電路層5的上表面或金屬層7的下表面插入銅等導(dǎo)熱性良好的金屬塊(未圖示)并進(jìn)行焊料接合。通過(guò)該金屬塊的插入，能夠?qū)⒃诎雽?dǎo)體元件3產(chǎn)生的熱量立即傳遞到熱容大且熱阻比焊料小的金屬塊，能夠進(jìn)一步降低熱阻。此外，在金屬層7的下部設(shè)置金屬塊的結(jié)構(gòu)能夠抑制在焊料接合到冷卻器9時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力(翹曲應(yīng)力)，還能夠降低對(duì)厚度薄的絕緣基板6的不良影響，因此是優(yōu)選的。能夠降低上述不良影響的理由是因?yàn)槠鹨蛴诮^緣基板6與冷卻器9之間的熱膨脹系數(shù)差的熱應(yīng)力被夾在中間的金屬塊所抑制。

在本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊中，覆蓋半導(dǎo)體模塊11的密封樹(shù)脂2以金屬層7的背面露出的方式而形成。該密封樹(shù)脂2只要是具有預(yù)定的絕緣性能，且成型性良好的樹(shù)脂即可，并不特別限定其樹(shù)脂材料，例如優(yōu)選使 用環(huán)氧樹(shù)脂等。

在本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊中，在露出于半導(dǎo)體模塊11的下表面的金屬層7和該金屬層7的周圍的密封樹(shù)脂2的下表面形成有鍍覆層10。如果在半導(dǎo)體模塊11的下表面的整個(gè)面設(shè)置鍍覆層10，則能夠抑制在焊料接合后產(chǎn)生的起因于上述熱膨脹系數(shù)差的翹曲。

對(duì)于鍍覆層10并不特別限定，可以優(yōu)選使用例如銅、鎳、金、銀等金屬的單層膜，或包含它們的金屬膜的層疊膜，或含有這些金屬中的至少一種以上的金屬的合金膜。此外，鍍覆層10的厚度優(yōu)選為1μm以上且5μm以下的范圍。如果鍍覆層10的厚度小于1μm則過(guò)于薄，因此在與冷卻器9進(jìn)行焊料接合時(shí)，鍍覆層10被焊料熔蝕而消失，抑制翹曲的功能變?nèi)酰a(chǎn)生焊料龜裂、焊料斷裂的問(wèn)題。另一方面，大于5μm的厚度會(huì)導(dǎo)致成本上升。

如果被粘著該鍍覆層10的密封樹(shù)脂2的下表面被粗糙化，則鍍覆層10對(duì)密封樹(shù)脂2的粘附性提高，因此特別優(yōu)選。作為將樹(shù)脂下表面粗糙化的方法，可以使用例如化學(xué)蝕刻、機(jī)械切削、噴砂(Sandblast)、激光處理或預(yù)先將成型金屬模具的表面進(jìn)行粗糙化等方法。特別地，如果粗糙化的程度以JIS標(biāo)準(zhǔn)B0601所規(guī)定的算術(shù)平均粗糙度計(jì)為5μm以上，則鍍覆層10的粘附強(qiáng)度變高，因此是優(yōu)選的。與此相對(duì)，如果表面粗糙度小于5μm，則粘附強(qiáng)度低，鍍覆層變得容易從樹(shù)脂下表面剝離。例如，如果鍍覆層10在焊料接合時(shí)或其后的熱循環(huán)(Heat cycle)后從密封樹(shù)脂的下表面剝離，則由于熱應(yīng)力而在絕緣布線基板產(chǎn)生翹曲，因此不優(yōu)選。如果在鍍覆層10的形成前將密封樹(shù)脂2的下表面粗糙化從而提高鍍覆層10與密封樹(shù)脂2的粘附強(qiáng)度，則能夠防止鍍覆層10的剝離，從而防止翹曲。

在本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊中，形成于半導(dǎo)體模塊11的下表面的鍍覆層10通過(guò)焊料層8與冷卻器9接合。應(yīng)予說(shuō)明，由于接合半導(dǎo)體模塊11與冷卻器9的工序在半導(dǎo)體模塊11的制造工序中的樹(shù)脂密封工序之后，所以如果半導(dǎo)體模塊11與冷卻器9的接合時(shí)的焊接溫度高，則產(chǎn)生因密封樹(shù)脂2的收縮應(yīng)力導(dǎo)致半導(dǎo)體元件3損壞的問(wèn)題。因此，焊料層8優(yōu)選為熔點(diǎn)低且高強(qiáng)度的SnSbAg系。特別地，在本發(fā)明中，在密封樹(shù)脂2的下表面的整個(gè)面粘著有鍍覆層10，并將半導(dǎo)體模塊11的下表面的整個(gè)面與冷卻器9進(jìn)行焊料接合。其結(jié)果，即使在焊料接合工序中在焊料上產(chǎn)生龜裂，也由于焊料的接合面積大，而能夠使從焊料層的端部產(chǎn)生的焊料龜裂的容許長(zhǎng)度加長(zhǎng)， 能夠期待可靠性的提高。此外，由于能夠?qū)雽?dǎo)體模塊11的密封樹(shù)脂下表面整個(gè)面固定于冷卻器，所以能夠抑制在溫度循環(huán)中的半導(dǎo)體模塊11的變形，提高焊料層8的可靠性(例如，龜裂的抑制)，防止樹(shù)脂斷裂等不良。

如以上所說(shuō)明，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，能夠提高冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊100的可靠性。

在未采用本發(fā)明的實(shí)施方式的情況下，可預(yù)料產(chǎn)生如下問(wèn)題。在圖2所示的冷卻器一體化半導(dǎo)體模塊200中，在焊料層18的周圍的密封樹(shù)脂2與冷卻器9之間產(chǎn)生縫隙。由于在絕緣布線基板1與冷卻器9的線性熱膨脹系數(shù)上存在差異，所以起因于該差異的熱應(yīng)力的影響容易表現(xiàn)在厚度薄、機(jī)械強(qiáng)度低的絕緣布線基板1上。其結(jié)果，有可能在絕緣布線基板1上容易產(chǎn)生變形，使焊料接合部18的可靠性成為問(wèn)題。此外，在將無(wú)散熱基板結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體模塊20通過(guò)嵌件成型(Insert molding)進(jìn)行樹(shù)脂密封的情況下，如果搭載在模塊20內(nèi)的功率半導(dǎo)體元件3的數(shù)量逐漸增加，則樹(shù)脂體積變得過(guò)大，變得容易在樹(shù)脂上產(chǎn)生龜裂。

實(shí)施例

以下，對(duì)通過(guò)熱應(yīng)力模擬來(lái)預(yù)測(cè)冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊的溫度循環(huán)(-40℃～105℃)的可靠性的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。

[實(shí)施例]

圖1中示出了用于實(shí)施例的計(jì)算的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊100的剖面。半導(dǎo)體模塊11的絕緣布線基板1具備：厚度0.32mm的以氮化硅為主要成分的陶瓷制的絕緣基板6、配置在絕緣基板6的一側(cè)的主表面的厚度0.4mm的由銅合金構(gòu)成的電路層5、以及配置在絕緣基板6的另一側(cè)的主表面的厚度0.4mm的由銅合金構(gòu)成的金屬層7。在電路層5上通過(guò)SnSb系焊料層4接合有一個(gè)IGBT結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件3。對(duì)絕緣布線基板1和半導(dǎo)體元件3進(jìn)行被覆的密封樹(shù)脂2通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂的嵌件成型而形成。并且，在半導(dǎo)體模塊11的背面的整個(gè)面配置有厚度5μm的鎳鍍覆層10。另一方面，冷卻器9具備：通過(guò)鋁合金(A6063)的擠出成型而形成的厚度1mm的外殼、以及厚度0.8mm的散熱片。半導(dǎo)體模塊11通過(guò)厚度0.25mm的Sn8％Sb3％Ag焊料層8與冷卻器9連接。金屬組成比率以質(zhì)量百分比表示。即，包含：Sn 89％、Sb 8％、Ag 3％。但是，在各組成比率中，也可以包含在焊料的生產(chǎn)工序中不可避免的微量的雜質(zhì)。

[比較例]

圖2中示出了用于比較例的計(jì)算的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊200的剖面。在半導(dǎo)體模塊20的背面未形成有鎳鍍覆層10，且在焊料層18的周圍區(qū)域，在密封樹(shù)脂2的下表面與冷卻器9之間產(chǎn)生有縫隙。但是，除此以外的構(gòu)成與實(shí)施例相同。

[熱應(yīng)力模擬]

在熱應(yīng)力模擬中，計(jì)算使整個(gè)半導(dǎo)體模塊的溫度從-40℃變化到105℃時(shí)，在焊料層8產(chǎn)生的塑性應(yīng)變幅(％)，將計(jì)算結(jié)果示于圖3。

通常，焊料的低周疲勞壽命遵循下述(1)式的曼森-科菲定律(Manson-Coffin law)。

ΔεpNfb＝C …(1)

(Δεp：塑性應(yīng)變幅，Nf：疲勞壽命，b、C：基于材料的常數(shù))

根據(jù)圖3，如果本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊的塑性應(yīng)變幅比率以比較例的塑性應(yīng)變幅比率為100％，則本發(fā)明中為20％，降低到五分之一。因此，如果遵循曼森-科菲定律，則塑性應(yīng)變幅小的本發(fā)明的冷卻器一體型半導(dǎo)體模塊的壽命變得更長(zhǎng)。

根據(jù)以上說(shuō)明的本發(fā)明的實(shí)施例，沒(méi)有用于利用螺栓螺母將半導(dǎo)體模塊固定于冷卻器所需的以往的散熱基板，還不需要散熱油脂，因此外形緊湊，散熱性能變高。在將半導(dǎo)體模塊直接焊料接合于冷卻器時(shí)，由于焊料接合部擴(kuò)展到半導(dǎo)體模塊下表面的整個(gè)鍍覆層，所以與沒(méi)有鍍覆層的以往半導(dǎo)體模塊相比，焊料接合部的良品率變高，可靠性提高。