半导体装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供一种具有高导热性且具有良好的生产性的半导体装置。本实用新型专利技术的半导体装置具有：绝缘基板(13)；半导体芯片(11)，其设置在绝缘基板上；冷却部件(12)，其通过接合材料(23)与绝缘基板的内表面接合。绝缘基板具有绝缘板(6)和设置在绝缘板的两个表面上的底板(5)和底板(7)。冷却部件为导热金属部件(2)和由铝构成的热应力吸收部件(1)一体形成的复合部件。热应力吸收部件配置在与绝缘基板的内表面接合的一侧，热应力吸收部件的屈服应力小于接合部件的屈服应力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种半导体装置，尤其涉及一种对散热性有要求的半导体装置。
技术介绍
在使用了IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等半导体芯片的半导体装置(功率模块)中，需要有效地对半导体芯片发出的热量进行散热，以将半导体芯片的温度保持在规定温度以下。在现有技术中，有如下一种功率模块，即，在该功率模块中，由高导热性的绝缘陶瓷板和设置在其两个表面上的底板固定在一起而形成所谓的绝缘基板，在绝缘基板的一个表面通过焊料(solder、焊锡)等接合材料(连接材料)接合(连接)半导体芯片，在绝缘基板的另一个表面通过焊料(solder)等接合材料直接或者间接地接合冷却器，其中，绝缘陶瓷板由氮化硅、氮化铝或者氧化铝等构成，底板由铝或者铜(包括其合金。下同)等高导热性金属构成。然而，根据使用条件的不同，有时会产生如下情况：由于绝缘基板与冷却器之间的热膨胀系数的差异，产生热应力，使接合绝缘基板和冷却器的接合材料产生裂纹(crack)，从而在所要求的使用寿命期间无法维持足够的散热性能。于是，为了解决这样的问题，提出了在绝缘基板与冷却器之间配置应力缓和部件的技术方案(例如，专利文献1)。专利文献1中的应力缓和部件由形成有多个通孔的厚度为0.3～3mm的铝板构成。应力缓和部件的各通孔构成应力吸收空间。应力缓和部件通过钎焊方式(brazing)焊接在绝缘基板和散热片(heat sink) 上。由于应力吸收空间的作用，应力缓和部件发生变形，从而使热应力得到缓和。【专利文献1】日本专利技术专利公开公报特开2006-294699号但是，在使用配置有专利文献1所述那样的具有应力吸收空间的应力缓和部件的半导体装置时，存在2个大问题。第1个大问题为导热性的问题。即，应力缓和部件的平均导热率低于母材的平均导热率。其原因在于，由于应力缓和部件的应力吸收空间内填充空气，而空气的导热率极低，因而，平均来看，应力缓和部件的导热率是低于母材所具有的导热率的，其降低程度与应力吸收空间占应力缓和部件的体积的比例相对应。另外，上述应力缓和部件的优选厚度为1～4mm，然而热量在该应力缓和部件中扩散效果并不好。这是由于热量的传递受到应力吸收空间的妨碍。再者，在绝缘基板与散热片的连接部使用了导热率低于母材的钎焊焊料，由于该连接部的数量较多，因而会导致整体的热阻增加。第2个大问题为生产性的问题。因处理温度的关系，不能是先将半导体芯片安装在绝缘基板上，之后在此状态下，再对应力缓和部件和绝缘基板实施钎焊。即，需要先将冷却器、应力缓和部件以及绝缘基板固定在一起形成基板ASSY(集合体)，在此状态下，进行焊接半导体芯片的“焊片”作业(die bond)，之后再进行焊接引线的“焊线”作业(wire bond)。在进行焊片和焊线作业时，优选绝缘基板被完全固定，但是，在冷却器和应力缓和部件之间，很难在结构上获得足够的刚性。从而，会出现如下等问题：例如在需要进行加压的工序中，绝缘基板或者芯片断裂、损坏，例如在使用超声波进行焊接的加工工序中，因超声波焊接遗漏而导致未固定。
技术实现思路
为了解决上述那样的问题，提出了本专利技术，本专利技术的目的在于提供一种具有高导热性且具有良好的生产性的半导体装置。本专利技术的第1技术方案为：半导体装置具有：绝缘基板，其具有 绝缘板和设置在所述绝缘板的两个表面上的底板；半导体芯片，其设置在所述绝缘基板上，该半导体装置还具有冷却器，所述冷却器由冷却部件和冷却器外套构成，其中，所述冷却部件通过接合材料与所述绝缘基板的内表面接合；所述冷却器外套由铝合金构成，所述冷却部件为由铝合金构成的导热金属部件和由铝构成的热应力吸收部件一体形成的复合部件，所述导热金属部件的位于与所述热应力吸收部件连接的表面的相反一侧的表面上形成有凸片或者槽，所述热应力吸收部件配置在与所述绝缘基板的内表面接合的一侧，所述热应力吸收部件的屈服应力小于所述接合部件的屈服应力。本专利技术的第2技术方案为：在所述冷却部件上配置着多个绝缘基板。本专利技术的第3技术方案为：所述热应力吸收部件由纯度在99.5％以上的铝构成。本专利技术的第4技术方案为：所述底板的至少与所述接合材料接触的部分由铜或者铜合金构成，在所述绝缘基板的内表面通过所述接合材料接合着具有线膨胀系数调节层的部件，所述线膨胀系数调节层由铜或者铜合金构成，其与所述冷却部件形成一体。本专利技术的第5技术方案为：所述底板由铜或者铜合金与铝或者铝合金的层积结构构成。本专利技术的第6技术方案为：所述底板包括由纯度在99.5％以上的铝构成的层。本专利技术的第7技术方案为：所述导热金属部件由纯度不足99.0％的铝合金构成。本专利技术的第8技术方案为：所述半导体芯片由碳化硅构成。本专利技术的第9技术方案为：所述冷却部件为导热金属部件和由铝构成的热应力吸收部件一体形成的复合部件，导热金属部件的厚度为1mm以上10mm以下，热应力吸收部件的厚度在该导热金属部件的厚度以下。本专利技术的第10技术方案为：半导体装置具有：绝缘基板，其具 有绝缘板和设置在所述绝缘板的两个表面上的底板；半导体芯片，其设置在所述绝缘基板上，该半导体装置还具有冷却器，所述冷却器由冷却部件和冷却器外套构成，其中，所述冷却部件通过接合材料与所述绝缘基板的内表面接合；所述冷却器外套由铝合金构成，所述冷却部件为由铝合金构成的导热金属部件和由铝构成的热应力吸收部件层积形成的复合部件，所述导热金属部件的位于与所述热应力吸收部件连接的表面的相反一侧的表面上形成有凸片或者槽，所述热应力吸收部件配置在与所述绝缘基板的内表面接合的一侧，所述热应力吸收部件由纯度在99.5％以上的铝构成。根据本专利技术的上述技术方案，采用热应力吸收部件，能够缓和因热膨胀系数间的差异而产生的热应力。从而能够满足导热性、生产性、可靠性以及成本的要求。本专利技术的目的、特征、方式以及优点通过以下的详细说明和附图能够变得更为明了。附图说明图1是表示实施方式所涉及的半导体装置的结构的剖视图。图2是普通的三相变频器用IGBT模块的电路图。图3是由1in1的模块构成实施方式所涉及的半导体装置时的剖视图。图4是由1in1的模块构成实施方式所涉及的半导体装置时的俯视图。图5是表示温度循环次数对接合材料的裂纹长度的影响的图。图6是表示经反复温度测试后的冷却部件的翘曲或者弯曲与导热金属部件厚度或者热应力吸收部件厚度之间的关系的图。图7是表示铝的纯度与屈服强度(proof stress)之间的关系的图。图8是表示实施方式所涉及的半导体装置的结构的剖视图。图9是表示实施方式所涉及的半导体装置的结构的其他例子的剖视图。具体实施方式下面，参照附图对实施方式进行说明。<第1实施方式><结构>下面，在没有特别指定的情况下记载了铜或者铝等材料名称时，也包括含有其他添加物的例如铜合金或者铝合金。图1是表示本实施方式所涉及的半导体装置的结构的剖视图。图2是普通的三相变频器用IGBT模块的电路图，图3是表示由1in1(1输入1输出)的模块构成本实施方式所涉及的半导体装置时的剖视图，图4是表示由1in1的模块构成实施方式所涉及的半导体装置时的俯视图。如图3和图4所示，在冷却部件12上通过接合材料23接合有多个(这里为6个)绝缘基板13，绝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，具有：绝缘基板，其具有绝缘板和设置在所述绝缘板的两个表面上的底板；半导体芯片，其设置在所述绝缘基板上；其特征在于，还具有冷却器，所述冷却器由冷却部件和冷却器外套构成，其中，所述冷却部件通过接合材料与所述绝缘基板的内表面接合；所述冷却器外套由铝合金构成，所述冷却部件为由铝合金构成的导热金属部件和由铝构成的热应力吸收部件一体形成的复合部件，所述导热金属部件的位于与所述热应力吸收部件连接的表面的相反一侧的表面上形成有凸片或者槽，所述热应力吸收部件配置在与所述绝缘基板的内表面接合的一侧，所述热应力吸收部件的屈服应力小于所述接合部件的屈服应力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.28 JP 2013-1762181.一种半导体装置，具有：绝缘基板，其具有绝缘板和设置在所述绝缘板的两个表面上的底板；半导体芯片，其设置在所述绝缘基板上；其特征在于，还具有冷却器，所述冷却器由冷却部件和冷却器外套构成，其中，所述冷却部件通过接合材料与所述绝缘基板的内表面接合；所述冷却器外套由铝合金构成，所述冷却部件为由铝合金构成的导热金属部件和由铝构成的热应力吸收部件一体形成的复合部件，所述导热金属部件的位于与所述热应力吸收部件连接的表面的相反一侧的表面上形成有凸片或者槽，所述热应力吸收部件配置在与所述绝缘基板的内表面接合的一侧，所述热应力吸收部件的屈服应力小于所述接合部件的屈服应力。2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，在所述冷却部件上配置着多个绝缘基板。3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述热应力吸收部件由纯度在99.5％以上的铝构成。4.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述底板的至少与所述接合材料接触的部分由铜或者铜合金构成，在所述绝缘基板的内表面通过所述接合材料接合着具有线膨胀系数调节层的部件，所述线膨胀系数调节层由铜或者铜合金构成，其与所述冷却部件形成一体。5.根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，所述底板由铜或者铜合金与铝或者铝合金的层积结构构成。6.根据权利要求5所述的半导体装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：小林浩，大本洋平，曾田真之介，田屋昌树，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：新型
国别省市：日本;JP