功率半导体模块以及功率部件的制作方法

本发明涉及嵌入到功率电子设备的功率半导体模块的安装构造。

背景技术：

功率半导体模块通过1个功率半导体元件来处置几kW的大功率，所以由于功率半导体元件的发热而对功率半导体元件上以及功率半导体元件下接合部反复施加过大的热应力，在通过焊料等形成的接合部中产生裂纹。为了提高该功率半导体元件上以及功率半导体元件下的接合部的可靠性，利用了用热塑性或者热硬化性的树脂对模块整体进行模密封的技术。作为利用该模密封的功率半导体模块的一个方式，如图14所示，有如下功率半导体模块：对在高热传导性的陶瓷板1上形成有表面电极2a以及背面电极2b的绝缘基板10的表面电极2a接合功率半导体元件3并布线，以包括该绝缘基板的形式利用模树脂60进行模塑。

在这样包括绝缘基板而进行模塑的功率半导体模块中，通过做成搭载2组在逆变器电路中通常应用的二极管和开关元件的组的2in1结构，能够在模内接线，所以能够减小电感，改善电气特性。但是，如图15所示，绝缘基板10的功率半导体元件接合面的表面电极2a被分割构图为至少2个以上，另一方面，背侧的背面电极2b未被分割，表面背面的应力平衡发生破坏，所以绝缘基板10的翘曲变大。如果绝缘基板10的翘曲大，则在用润滑油连接散热器和功率半导体模块时，为了确保密合性，需要以过大的载荷按压功率半导体模块和散热器。当这样通过过大的载荷对散热器按压功率半导体模块时，对模树脂60与陶瓷板1和表面电极2a之间施加剪切应力，产生引起模树脂的裂纹、剥离的问题。

针对这样的2in1结构的模密封中的问题，提出了将绝缘基板分割为2个来抑制翘曲的方法(专利文献1)。

专利文献1：日本特开2012-119618号公报

技术实现要素：

关于专利文献1提出的功率半导体模块，虽然能够抑制绝缘基板的翘曲，但在受到功率半导体元件的发热所致的反复热应力的情况下，应力集中到在模内排列的绝缘基板之间，在绝缘基板之间的附近，产生模树脂和陶瓷板的剥离。其结果，存在陶瓷板沿面的绝缘性劣化，功率半导体模块的耐压降低这样的问题。

本发明是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的在于得到一种对反复热应力的抵抗力强且可靠性高的功率半导体模块。

本发明提供涉及一种功率半导体模块，在同一面上配置有多个具有在绝缘体的基板的单面形成有表面电极并在另一面形成有背面电极的绝缘基板以及粘着于表面电极的表面的功率半导体元件的半导体元件基板，并且具备对邻接的半导体元件基板之间进行电连接的布线构件，以使至少所配置的多个背面电极全部露出的方式，通过模树脂对半导体元件基板以及布线构件进行了模塑，其中，模树脂在邻接的绝缘基板之间，具有从背面电极侧起的预定深度的未填充构成模树脂的树脂的凹部。

根据本发明，在绝缘基板之间具有凹部，从而起到能够降低施加热应力时的模树脂与绝缘基板之间的剪切应力，抑制模树脂和绝缘基板的剥离这样的以往没有的显著的效果。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1的功率半导体模块的结构的侧面剖视图。

图2是针对本发明的实施方式1的功率半导体模块而观察底面的仰视图。

图3是示出本发明的实施方式2的功率半导体模块的结构的侧面剖视图。

图4是示出本发明的实施方式3的功率半导体模块的结构的侧面剖视图。

图5是示出本发明的实施方式4的功率半导体模块的结构的侧面剖视图。

图6是说明本发明的实施方式4的功率半导体模块的效果的侧面剖视图。

图7是示出本发明的实施方式4的功率半导体模块的其他结构的侧面剖视图。

图8是观察本发明的实施方式5的功率半导体模块的底面的仰视图以及剖视图。

图9是观察本发明的实施方式6的功率半导体模块的底面的仰视图。

图10是观察本发明的实施方式6的其他功率半导体模块的底面的仰视图。

图11是观察本发明的实施方式7的功率半导体模块的底面的仰视图。

图12是示出本发明的实施方式8的功率部件的结构的侧面剖视图。

图13是用于说明本发明的作用的图。

图14是示出以往的功率半导体模块的结构例的侧面剖视图。

图15是示出以往的功率半导体模块的其他结构例的侧面剖视图。

符号说明

1：绝缘体的基板；2a：表面电极；2b：背面电极；3：功率半导体元件；5：布线构件；6：模树脂；7：凹部；10：绝缘基板；20：半导体元件基板；30：散热器；70：第二凹部；77、707：尖头部；100：功率半导体模块。

具体实施方式

实施方式1.

图1是示出本发明的实施方式1的功率半导体模块的结构的剖视图。在绝缘基板10中，对由氮化铝构成的陶瓷板等绝缘体的基板1的两面接合由铜构成的表面电极2a以及背面电极2b。该绝缘基板10是按2张1组准备的，对各个绝缘基板10的表面电极2a的表面接合作为Si的功率半导体元件3的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)以及FWD(Free Wheeling Diode，续流二极管)。将接合有功率半导体元件3的绝缘基板10称为半导体元件基板20。如图1所示，各个半导体元件基板20配置于同一面上。图1是剖视图，所以作为功率半导体元件3仅图示出IGBT。另外，在本实施方式1中，以Si半导体为例子示出功率半导体元件，但功率半导体元件在SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)系材料、金刚石等材料的宽带隙半导体中也能够应用，对功率半导体元件的种类没有制约。宽带隙半导体相比于Si半导体，能够在高温下动作，所以如果专门应用本发明，则效果大。通过布线构件5，对一个绝缘基板10的表面电极2a和另一个绝缘基板10上的IGBT进行布线，即对半导体元件基板之间进行电连接而构成逆变器1相量的电路。

为了确保绝缘体的基板1的沿面、表面电极2a与布线构件5之间的绝缘，通过热硬化性树脂或者热塑性树脂这样的模树脂6，将半导体元件基板20和布线构件5一并地进行模密封。但是，背面电极2b从模树脂6露出。模塑方法是灌封模塑、传递模塑等即可，对方法没有制约。模密封起到提高环境压力耐性以及绝缘性的效果，并且还起到降低由反复热应力所致的功率半导体元件上下接合部的损伤而提高功率半导体模块的动作可靠性的作用。这样，构成形成逆变器1相量的电路结构的被称为2in1型的功率半导体模块100。

在模塑而成的2in1型功率半导体模块100中，模树脂6的热膨胀率和绝缘体的基板1或者表面电极2a的热膨胀率不同，所以存在 如下问题：在受到热冲击时，由于热膨胀率差所引起的热应力，模树脂6从绝缘体的基板1、表面电极2a剥离。在典型的例子中，模树脂6的热膨胀率是14ppm，绝缘体的基板1是5ppm，表面电极2a以及背面电极2b是17ppm左右，如果温度产生Δ70K的变化，则当在绝缘基板与绝缘基板之间填充有模树脂的情况下，在模树脂6与绝缘体的基板1或者表面电极2a之间产生例如100MPa的剪切应力，引起模树脂6剥离或者裂纹的不佳状况。

因此，在本发明中，在应力集中的绝缘基板与绝缘基板之间的模树脂6中，形成不填充模树脂6的凹部7。图2是观察图1的功率半导体模块的底面的仰视图。如图2所示，按狭缝状形成凹部7。典型的是，凹部7被形成至比与绝缘基板上的功率半导体元件接合面相同的平面深的深度。图13是用于说明本发明的凹部的作用的曲线图，是示出按直至功率半导体元件接合面为止的深度进行标准化而得到的凹部的深度与对绝缘基板附近的模树脂施加的应力的关系的图。如图13所示，在标准化凹部深度比1小、即凹部深度比功率半导体元件接合面浅的情况下，在陶瓷基板与凹部底面之间发生应力集中，相比于不形成凹部(标准化凹部深度是0)的情况，应力增加。如果标准化凹部深度是1以上、即为与功率半导体元件接合面相同或者超过它的凹部深度，则相比于不形成凹部的情况，能够降低应力。即，至少如果凹部7的深度不到功率半导体元件接合面即表面电极2a的上表面的位置，则得不到应力缓和的效果。这样，凹部7的深度需要为将背面电极2b、绝缘体的基板1、表面电极2a合起来的厚度、即绝缘基板10整体的厚度以上的深度。在凹部7的形成方法中，也可以通过模具来进行设计、或者在凹部的部分设置金属、氟树脂的型材而不填充模树脂。虽然还有在填充模树脂之后通过激光加工等来形成凹部的方法，但在生产率方面不优选。

根据这样的结构，在绝缘基板10与和该绝缘基板10邻接的绝缘基板10之间形成不填充模树脂6的凹部7，从而能够降低热冲击下的绝缘体的基板1的沿面和表面电极2a与模树脂6的剪切应力，抑制 模树脂6的剥离。在典型的例子中，在温度变化是70K的情况下，绝缘基板10和邻接的绝缘基板10之间的模树脂6与绝缘体的基板1或者表面电极2a之间的剪切应力相对于未形成凹部7的情况下的100MPa，降低到例如20MPa。在该情况下，模树脂6的粘接强度超过剪切应力，所以不发生模树脂6和绝缘体的基板1或者表面电极2a的剥离。

功率半导体模块存在小型化的要求，所以狭缝状的凹部7的宽度a优选较窄。凹部7与绝缘基板10的间隔b也根据小型化的观点而优选较窄。典型的是，凹部7的宽度a是10μm～5mm，凹部7与绝缘体的基板1的间隔b是10μm～5mm。但是，在间隔b是0μm、即绝缘体的基板1在凹部7中露出的情况下，也不会损害本发明的效果。为了在模塑之后容易从模具取下功率半导体模块，凹部7的侧面也可以倾斜。

另外，凹部7既可以是1列狭缝形状，也可以是2列以上的狭缝形状。在凹部7内既可以是大气，也可以填充构成模树脂6的树脂以外的凝胶等比模树脂6柔软的材料。如果在凹部7内填充有凝胶等，则在产生模树脂裂纹的情况下，能够通过凝胶的绝缘性来降低绝缘耐性的劣化。

通过考虑应力状态而适当地设置凹部7，还得到能够降低功率半导体模块的翘曲的效果。通过降低功率半导体模块的翘曲，散热器和功率半导体模块的密合性变得良好，冷却性能提高、动作可靠性提高。

另外，通过形成凹部7，能够减少模树脂的使用量。通过减少模树脂的使用量，得到低成本化、轻质化的效果。

实施方式2.

图3是示出本发明的实施方式2的功率半导体模块的结构的剖视图。如图3所示，还可以在成为模树脂6的布线构件5的上部的部分中设置第二凹部70。如果如实施方式1那样仅在邻接的绝缘基板10之间形成凹部7，则存在布线构件上下部位的应力变得不均衡、功率半导体模块发生翘曲的担忧。根据该实施方式2的结构，能够通过形 成于成为布线构件5的上部的部分的第二凹部70，校正形成于邻接的绝缘基板10之间的凹部7所引起的布线构件5附近的应力的不均衡，能够减少功率半导体模块100的翘曲。

第二凹部70无需是与凹部7相同的形状。为了消除应力的不均衡，也可以使第二凹部70的宽度比凹部7的宽度宽。第二凹部70的形成方法既可以是与凹部7相同的方法也可以是不同的方法，对凹部的形成方法没有制约。

实施方式3.

图4是示出本发明的实施方式3的功率半导体模块的结构的剖视图。在实施方式1中，在对功率半导体模块施加应力的情况下，由于凹部的底面是方形形状，所以存在应力集中到角部而模树脂6从凹部底面产生裂纹的问题。在该情况下，如果形成布线构件5从模树脂6露出的裂纹以及表面电极2a露出的裂纹，则经由凹部在布线构件5与表面电极2a之间形成没有模树脂的区域，此处成为电泄漏路径，功率半导体模块的绝缘耐性劣化。

为了避免该问题，如图4那样，凹部7、第二凹部70的底面也可以是曲面形状。即使并非整个底面是曲面形状，只要是在凹部的侧面和底面的连接部为形成有R的曲面的形状即可。根据这样的结构，能够避免在凹部的侧面和底面的连接部发生的应力集中，所以能够抑制凹部底面的模树脂的裂纹。另外，将凹部的侧面和底面的连接部设为曲面形状的结构当然还能够应用于实施方式1、以下的实施方式4至7的凹部。

实施方式4.

图5是示出本发明的实施方式4的功率半导体模块的结构的剖视图。在实施方式3中，在对功率半导体模块施加非常大的应力的情况下，即使在形成于模树脂的凹部底面的角部没有应力集中，在凹部底面的模中也产生裂纹，形成连接布线构件和表面电极的泄漏路径，存在功率半导体模块的绝缘性降低的担忧。

为了避免这样的问题，如图5所示，凹部7、第二凹部70的底 面也可以是具有凹部进一步凹陷的尖头部77、尖头部707的楔子形状。根据这样的结构，即使在凹部底面的模树脂产生裂纹，如图6所示，凹部底面的裂纹13从尖头部77产生，能够限制为绝缘基板铅垂方向即布线构件5面的方向。因此，不会从凹部底面向表面电极2a的周围产生裂纹，能够确保布线构件5与表面电极2a之间的绝缘性，避免功率半导体模块的致命的故障。

凹部底面的楔子形状也可以有多个楔子。另外，也可以不将凹部底面设为楔子形状，而是如图7所示，在平坦的凹部底面设置作为针状的凹陷的尖头部77，只要得到能够固定从凹部底面起的模树脂的裂纹方向的同样的效果即可。另外，在与凹部7分开地设置第二凹部70的情况下，为了防止向绝缘基板侧延伸的龟裂，至少在凹部7设置尖头部即可。

实施方式5.

图8(A)是观察本发明的实施方式5的功率半导体模块的底面的仰视图、图8(B)是图8(A)的A-A部的剖视图。在实施方式1的功率半导体模块中，如图2所示，按1根狭缝形状而形成凹部7，但在这样形成1根狭缝形状的凹部7的情况下，凹部7的部分为仅有薄的模树脂和布线构件的构造，弯曲刚性变低，存在由于该凹部7的部分的折弯而功率半导体模块的翘曲变大的问题。

针对该问题，如图8所示，凹部7也可以是沿着绝缘基板的周围将多个狭缝配置成一列的形状。通过做成这样的结构，通过狭缝之间的未形成凹部的部分作为固定器(anchor)发挥功能，能够抑制布线构件的折弯，降低功率半导体模块的翘曲。配置的间隔也可以不是等间隔。另外，如图8右边的A-A剖面所示，不是凹部7的成为固定器的部位61优选是没有布线构件5的位置。如果不是在布线构件5的下部，则即使在固定器部位产生模树脂的裂纹，也不会形成布线构件5和表面电极2a的泄漏路径，所以不易引起功率半导体模块的绝缘耐性劣化。

另外，在如实施方式1那样将凹部7设为1根狭缝形状的情况下， 在模塑时，在模具与绝缘基板之间，模树脂的流动性变差，所以在模中易于形成空洞(void)。如果在模中形成空洞，则损害功率半导体模块的绝缘耐性。针对该问题，在如图8所示地将凹部7设为将多个狭缝配置成一列的形状的情况下，模具与绝缘基板之间的模树脂的填充性提高，不易在模中形成空洞。即，能够实现绝缘耐性高的功率半导体模块。

实施方式6.

图9是观察本发明的实施方式6的功率半导体模块的底面的仰视图。如图9所示，也可以将剖面是圆形的多个孔配置成一列来形成凹部7。进而，也可以如图10所示，狭缝状的凹部7的端部侧面是圆弧形状。另外，也可以将在实施方式5中说明的图8的各狭缝的端部的侧面设为圆弧形状。孔的剖面形状、狭缝端部的圆弧形状也可以不接近于正圆，孔、狭缝端部的侧面的形状是没有角的曲面即可。

通过这样用没有角部的曲面或者平面和曲面来构成凹部的侧面，在凹部的侧面没有角部，所以即使设置凹部，应力也不会集中到模树脂，能够抑制在模树脂中产生裂缝。

另外，通过如图9、图10所示地将凹部的侧面设为没有角部的面，绝缘基板与模具之间的模树脂的填充性变高，能够抑制模产生空洞。

实施方式7.

图11是观察本发明的实施方式7的功率半导体模块的底面的仰视图。绝缘基板不限于2张，也可以是3张以上。例如，也可以如图11所示，为了能够构成6in1型功率半导体模块而排列6张绝缘基板，在各个绝缘基板之间形成凹部7。凹部7的大小也可以不均匀或者不是一条直线状，如果各个绝缘基板的形状不同，则以依照邻接的绝缘基板间的形状形成凹部7的方式来设计模具。

通过做成这样的结构，能够对具有UVW输出端子的三相逆变器设备的功率部件一并地进行模塑。通过对具有三相的端子的功率部件一并地进行模塑，得到利用模内接线降低寄生电感来提高电气特性的 效果、利用装配工序的削减来降低制造成本的效果。

实施方式8.

图12是示出本发明的实施方式8的功率部件的结构的剖视图。本发明的功率半导体模块100能够如图12所示，在背面电极2b侧隔着接触部件40设置散热器30来用作功率部件，以使在功率半导体模块100中产生的热散热。能够使用多个这样的功率部件来应用于铁路车辆、混合动力汽车的逆变器装置等。

此处，在功率半导体模块100与散热器30之间的接触部件40不是由润滑油而由焊料等刚体构成的情况下，在现有技术的功率半导体模块中，由于功率半导体模块和散热器的热膨胀率之差，对功率半导体模块施加大的热应力，绝缘基板和模树脂的剥离大幅发展。

通过针对该问题应用本发明的构造，能够抑制绝缘基板10与绝缘基板10之间的模树脂的剥离、裂纹，能够提高功率部件的可靠性。

另外，在通过焊料等刚体来接合功率半导体模块100的背面电极2b和散热器30的情况下，通过应用本发明的构造，功率半导体模块整体的弯曲刚性降低。因此，施加热冲击时对功率半导体模块与散热器之间的连接部位的应力负荷相比于以往那样的没有凹部的构造被降低。因此，由连接部位的损伤所致的热阻增加被抑制，所以还得到功率部件的动作可靠性提高的效果。

另外，本发明能够在其发明范围内自由地组合各实施方式、或者使各实施方式适当地变形、或者省略其结构要件。