专利名称：功率半导体模块及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种功率半导体模块和制造该功率半导体模块的方法。
背景技术：
功率电子学(电力电子学)工业的近期发展使得电子产品实现了微型化和紧凑化 (densification)。因此，降低电子器件自身尺寸的方法以及在给定空间中安装尽可能多的 器件和导线的方法对于半导体封装的设计就变得很重要。半导体器件和这种封装的导线的 密度已经变得越来越大，并且在该封装中产生大量的热。由于热会影响电子产品的寿命和 工作状况，因此在高密度封装中的散热就显得很重要。图1是举例说明传统功率模块封装的截面图。如图中所示，包含功率器件15和控 制器件13的半导体器件被焊接或粘结到直接覆铜(DCB)电路板10的金属表面。电路板10 除了使半导体器件与模块封装的基板20电绝缘之外还必须具有导热性。此处，基板20和 电路板10通过陶瓷材料如A1203、A1N、SiN、或SiC，或有机材料如环氧树脂或聚酰亚胺进行绝缘。半导体器件13和15的顶表面通过细的铝连接导线连接到金属表面的结构化区 域。此外，可将无源器件如栅电阻(门电阻)或电流/温度传感器集成到模块中，并且也可 将保护和驱动电路器件和电路集成到该模块中。构建这种传统功率模块封装以使多个功率器件15和二极管通过焊接17连接到一 个DCB电路板10，利用焊料23连接到由铜制成的基板20从而提供良好的热性能并由壳体 覆盖。采用楔焊(wedgebonding)将器件13和15电连接到电路板10，并将电路板10电连 接至壳体的末端27。半导体器件13和15以及导线用硅凝胶包封，并将热沉25连接到基板 20的背部。然而，如上所述的传统功率模块封装具有以下问题。由于封装的微型化，位于相同空间中的半导体器件的数目增加，使得在该封装中 产生大量的热。热沉仅仅被设置在该封装的较下部，使得不能有效地散热。另外，由于使用DCB电路板10，需要昂贵且大的铜板20用于散热。而且，因为必 须实施将半导体器件连接到DCB板和将DCB板连接到基板的两个连接工艺过程而使得制造 工艺变得复杂。此外，由于半导体器件13和15与DCB电路板10之间的连接界面17以及 DCB电路板10与基板20之间的连接界面，散热特性变得更差。
发明内容
本发明致力于提供一种功率半导体模块，其改进了散热性能，并具有对称结构，以 至于该模块的性能优于相同尺寸的模块。在根据本发明实施方式的功率半导体模块中，提供了这样的金属板，其中每块金 属板都具有第一通孔，且在金属板的表面上和第一通孔的内部形成阳极氧化层。冷却部件 在对应于第一通孔的位置处具有第二通孔，且金属板连接到冷却部件的两侧。电路层形成 于阳极氧化层上，并通过形成于第一和第二通孔中的通路(via)实现层间连接。功率器件 被连接到电路层。树脂密封剂将电路层和功率器件封装。壳体安装于每一金属板以形成树 脂密封剂的密封空间。每一金属板可以由铝或铝合金制成，并且阳极氧化层可以是铝阳极氧化层 (Al2O3)。功率半导体模块可以进一步包括在冷却部件的每一侧和其上形成有阳极氧化层 的对应的金属板之间的导热粘合剂层。冷却部件可以包含其中有致冷剂流动的热管。可以以这样的方式将金属板连接到冷却部件，以便关于冷却部件对称。在根据本发明另一实施方式的功率半导体模块中，通过将金属板连接到冷却部件 两侧制成联接器组件(coupling assembly) 0在该联接器组件的表面上和形成以使联接器 组件通过的通孔的内部形成阳极氧化层。电路层形成于阳极氧化层上并通过形成于通孔内 的通路实现层间连接。功率器件连接到电路层。树脂密封剂密封电路层和功率器件。壳体 安装于每一金属板以形成树脂密封剂的密封空间。每一金属板可以由铝或铝合金制成，并且阳极氧化层可以是铝阳极氧化层 (Al2O3)。功率半导体模块可以进一步包括冷却部件每一侧和对应的金属板之间的导热粘 合剂层。冷却部件可以包含其中流动有致冷剂的热管。可以以这样的方式将金属板连接到冷却部件，以便关于冷却部件对称。根据本发明一种实施方式的制造功率半导体模块的方法包括(A)在每一金属板 上形成第一通孔，并在该第一通孔内部和金属板表面上形成阳极氧化层，(B)将金属板(每 一金属板上均形成有阳极氧化层)连接至在对应于第一通孔的位置处具有第二通孔的冷 却部件的两侧，(C)在第一和第二通孔以及阳极氧化层中形成的通路上形成电路层，(D)将 功率器件连接至电路层，并在每一金属板上形成壳体以封装功率器件，以及(E)向壳体中 的密封空间注入树脂密封剂。在(A)中，在每一金属板中形成第一通孔，其中每一金属板可以由铝或铝合金制 成，而阳极氧化层是铝阳极氧化层(Al2O3)。在⑶中，将金属板连接到冷却部件的两侧，其中可以在冷却部件每一侧与其上 形成有阳极氧化层的相应金属板之间形成导热粘合剂层。在(B)中，将金属板连接到冷却部件的两侧，其中冷却部件可以包含其中有致冷 剂流动的热管。在(B)中，将金属板连接到冷却部件的两侧，其中可以将金属板以这样的方式连接到冷却部件，以便关于冷却部件对称。 —种根据本发明另一实施方式的制造功率半导体模块的方法，包括(A)将金属板 连接至冷却部件两侧并随后形成通孔，并且在该通孔的内部和连接到金属板的冷却部件表 面上形成阳极氧化层，⑶在通孔和阳极氧化层中形成的通路上形成电路层，(C)将功率器 件连接至电路层，并在每一金属板上形成壳体以封装功率器件；以及(D)向壳体的密封空 间中注入树脂密封剂。在(A)中，将金属板连接到冷却部件的两侧，其中每一金属板可以由铝或铝合金 制成，且阳极氧化层可以是铝阳极氧化层(Al2O3)。在(A)中，将金属板连接到冷却部件的两侧，其中可以在冷却部件的每一侧与对 应的金属板之间形成导热粘合剂层。在(A)中，将金属板连接到冷却部件的两侧，其中该冷却部件可以包含其中有致 冷剂流动的热管。在⑶中，形成电路层，其中可以以这样的方式将金属板连接到冷却部件，以便关 于冷却部件对称。通过参照附图的以下实施方式的描述将会使本发明的各种目的、优点和特征变得 显而易见。在本说明书和权利要求中所用的术语和词语不应被解释为限于典型意义或词典 定义，而应该解释成基于发明人能够适当定义最适当描述用于实施本发明的他或她所知的 最佳方法的术语概念的规则而具有的有关本发明技术范围的含义和概念。
图1是示出了传统功率模块封装的截面图；图2至图6是示出了根据本发明第一实施方式的制造功率半导体模块的方法的截 面图；和图7至图10是示出了根据本发明第二实施方式的制造功率半导体模块的方法的 截面图。
具体实施例方式通过参照附图的以下实施方式的描述将会使本发明的各种目的、优点和特征变得 显而易见。对于所有的附图，相同的附图标记用于指示相同的或相似的组件。为了描述的 清晰起见，本文中省略了与本发明相关的已知功能和结构。以下将参照附图详细描述本发明的优选实施方式。图6是图示说明根据本发明第一实施方式的功率半导体模块的截面图。以下将参 照附图描述根据该实施方式的功率半导体模块。如图6所示，根据该实施方式的功率半导体模块包括具有阳极氧化层120的金属 板110、冷却部件130、电路层140、功率器件150、树脂密封剂160和壳体170。由于本发明 的模块具有对称结构，因此金属板110、电路层140、功率器件150、树脂密封剂160和壳体 170均位于冷却部件130的上方和下方。此处，具有阳极氧化层120和电路层140的金属板110起到如图1所示的基板20和DCB电路板10的作用。 每一金属板110可以由铝Al或铝合金制成，这些材料具有非常优异的传热特性， 而且还是相对便宜且易于获得的金属材料。阳极化金属基板(AMS)可以用作金属板110，在 其上形成阳极氧化层120。另外，金属板110具有第一通孔115。每一个第一通孔115用于形成此后将要描述 的用于层间连接的通路145。同时，在金属板110的表面上和第一通孔115内部形成阳极氧化层120，并且起到 绝缘作用以防止包含通路145的电路层140和金属板110之间发生电流传输。阳极氧化层 120容许在其上形成电路层140。阳极氧化层120比图1中的DCB电路板中所用的绝缘层 更薄，因此能够将热从功率器件150迅速传输到金属板110，由此提高了散热效率。阳极氧 化层120可以使用约10至30W/mK的传热特性相对较高的氧化铝膜(Al2O3)。具体而言，阳 极氧化层120是通过将具有第一通孔115的金属板110浸没在电解质如硼酸、磷酸、硫酸或 铬酸中，向金属板110施加阳极，并向电解质施加阴极而形成的。金属板110连接到冷却部件130的两侧，以使功率半导体模块具有稳定的结构并 实现优于相同尺寸模块的性能。在此，以这样的方式将金属板110连接到冷却部件130，以 便关于冷却部件130对称，这样就使得功率半导体模块能够具有更稳定的结构。另外，为了 增强粘结力和导热效率，当金属板110连接到冷却部件130两侧时优选在冷却部件130两 侧和具有阳极氧化层120的金属板110之间形成导热粘合剂层180。而且，冷却部件130具有第二通孔135。当金属板110连接到冷却部件130两侧 时，在对应于第一通孔115的位置处形成每一个第二通孔135。类似于第一通孔115，第二 通孔135用于形成此后将描述的用于层间连接的通路145。优选地，冷却部件130包含其中具有致冷剂注入孔并将致冷剂注入该孔中以起到 额外散热功能的热管137。致冷剂是挥发性和冷凝性的，由此使从功率器件150和电路层 140传输的热耗散。一般而言，在具有由于工作而产生大量热的高功率半导体芯片的功率半导体模块 中，为了确保模块的可靠性而耗散所产生的热是非常重要的。根据这种实施方式，该模块包 括冷却部件130以及具有阳极氧化层120的金属板110，由此实现更好地改进散热性能。电路层140形成于每一金属板110的阳极氧化层120上。由于本发明的模块具有 关于冷却部件130对称的结构，电路层140分别位于冷却部件130的上方和下方。因此，为 了将上方的电路层140电连接到下方的电路层140，在第一通孔115和第二通孔135中形成 通路145。优选地，通路145与电路层140通过电镀和化学镀一起形成。另外，利用第二导线152将每一电路层140连接到功率器件150，并利用第三导线 153将其连接到母线Ba，该母线Ba安装于壳体170内并连接到突出于壳体170之外的引线 框La，由此与壳体170的外部实现通信(communicating)。功率器件150是高功率半导体芯片如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、二极管或控制器 件，并通过焊料连接到电路层140。此处，功率器件150的内部电路通过第一导线151连接， 而功率器件150和电路层140通过第二导线152彼此连接。每一壳体170被安装至金属板110以形成树脂密封剂160的密封空间。将树脂密 封剂160注入到密封空间中，由此保护电路层140、功率器件150，以及第一到第三导线151、152和153免受外部的振动或污染。以这样的方式将引线框La设置于壳体170上，以便突出并连接到电路层140，从而 为功率器件150提供驱动信号，而连接到引线框La的母线Ba则被安装在壳体170内。同时，可在壳体170上设置覆盖部件Ca以保护树脂密封剂160免受外部影响。图2至图6是依次图示说明制造根据本发明第一实施方式的功率半导体模块的方 法的视图。下文中，将会参照附图描述根据第一实施方式的功率半导体模块的制造方法。首先，如图2所示，在金属板110中形成第一通孔115，并且在第一通孔115的内部 和金属板110的表面上形成阳极氧化层120。优选地，第一通孔115是通过机械加工或激光 加工形成的。另外，阳极氧化层120是通过将具有第一通孔115的金属板110浸没于电解 质如硼酸、磷酸、硫酸或铬酸中，向金属板110施加阳极而向电解质施加阴极而形成的。此 外，金属板110由铝或铝合金制成，而阳极氧化层120包含铝阳极氧化层(Al2O3)。随后，如图3所示，将具有阳极氧化层120的金属板110连接到在对应于第一通孔 115的位置具有第二通孔135的冷却部件130的每一侧。通过机械或激光加工，在冷却部件 130上形成第二通孔135。此处，由于通路145必须在下文将描述的步骤中形成于第二通孔 135中，因此该第二通孔135必须在对应于第一通孔115的位置处形成。第二通孔135形成 之后，金属板110必须连接到冷却部件130的两侧。为了增强粘结力和传热效率，优选在冷 却部件130的两侧形成导热粘合剂层180，然后将具有阳极氧化层120的金属板110连接到 冷却部件130上。当将金属板110连接到冷却部件130上时，金属板110设置成关于冷却 部件130对称，由此为功率半导体模块提供稳定结构。同时，使用其中有致冷剂流动的热管137作为冷却部件130，由此增强散热效率。此后，如图4所示，在阳极氧化层120以及第一通孔115和第二通孔135中形成的 通路145上形成电路层140。阳极氧化层120以及第一通孔115和第二通孔135的内部包含 绝缘层。因此，优选通过化学镀形成种子层后再实施电镀，以形成具有通路145的电路层140。接着，如图5所示，将功率器件150连接到电路层140，壳体170形成于金属板110 上以封闭功率器件150。优选地，采用焊料将功率器件150连接到电路层140，功率器件150 的内部电路通过第一导线151连接，而功率器件150和电路层140通过第二导线152彼此 连接。而且，采用第三导线153将电路层140连接到母线Ba，该母线Ba安装于壳体170内 并连接于突出于壳体170外的引线框La，由此与壳体170的外部实现通信。当功率器件150 与电路层140完成连接时，提供壳体170以形成将在随后的步骤中注入的树脂密封剂160 的密封空间。此后，如图6所示，将树脂密封剂160注入到壳体170的密封空间中。树脂密封剂 160的注入保护壳体170中的电路层140、功率器件150、第一到第三导线151、152和153免
受外部振动或污染。图10是图示说明根据本发明第二实施方式的功率半导体模块的截面图。那些第 一和第二实施方式共有的元件将会由相同的标号表示，在本文中将省略重复的描述。如图10所示，根据该实施方式的功率半导体模块包括联接器组件230、电路层 250、功率器件260、树脂密封剂270和壳体280。联接器组件230通过将金属板210连接到冷却部件220两侧而制成。为了增强冷 却部件220和金属板210之间的粘结力和导热效率，优选导热粘合剂层290形成于冷却部
8件220的两侧上，而随后将金属板210连接到该冷却部件220。根据该实施方式的模块具有贯通联接器组件230的通孔245，该联接器组件230是 由金属板210连接到冷却部件220制成的。因此，与第一实施方式不一样，金属板210的通 孔245与冷却部件220的通孔245不加区别。当将根据第二实施方式的功率半导体模块与如图6所示的根据第一实施方式的 功率半导体模块相比较时，最重要的差别在于形成阳极氧化层240的位置。阳极氧化层240 形成于通孔245的内部和联接器组件230的表面上。因此，阳极氧化层240也形成于冷却 部件220的表面上，由此防止电路层250和冷却部件220之间以及电路层250和金属板210 之间发生电流传输。另外，在将金属板210连接到冷却部件220之后，形成阳极氧化层240。因此，阳极 氧化层240并不形成于每块金属板210和冷却部件220之间的粘合剂表面上。这就使得每 一金属板210的热更容易向冷却部件220传输，由此提高散热效率。优选冷却部件220包 含其上具有致冷剂注入孔的热管225，将致冷剂注入到该孔中以起到额外的散热作用。同时，电路层250形成于阳极氧化层240上并连接穿过形成通路255，该通路255 在通孔245中形成。此处，由于形成通孔245同时穿过金属板210和冷却部件220，因此不 太可能在通孔245中形成台阶(st印)。由此，在通孔245中形成通路255所采用的化学镀 /电镀工艺方法的质量和效率得到了提高。另外，正如第一实施方式，根据第二实施方式的功率半导体模块包括连接到电路 层250的功率器件260、封闭电路层250和功率器件260的树脂密封剂270，以及安装于金属 板210上以形成对于树脂密封剂270的密封空间的壳体280。而且，第一到第三导线261、 262和263起到与其在第一实施方式中的相同功能。图7至图10是依次图示说明了根据本发明第二实施方式的功率半导体模块的制 造方法的视图。下文中将参照附图描述根据第二实施方式的功率半导体模块的制造方法。首先，如图7所示，在将金属板210连接到冷却部件220两侧之后，形成通孔245。 在连接到金属板的冷却部件表面上以及通孔245的内部形成阳极氧化层240。如上所述，由 于金属板210连接到冷却部件220且随后在金属板210表面上形成阳极氧化层240，因此在 冷却部件220表面上形成阳极氧化层240而在每一金属板210和冷却部件220之间的粘合 剂表面上并不形成阳极氧化层240。另外，根据该实施方式，形成通孔245能够同时穿过冷 却部件220和金属板210，由此有助于该工艺过程的简化。接着，如图8所示，在阳极氧化层240上形成包含形成于通孔245中的通路255的 电路层250。在前一步骤中，通孔245由连接到冷却部件220两侧的金属板210形成。因 此，在通孔245中没有台阶，以使得形成通路255并确保电路层250之间的高耦合可靠性成 为可能。此后，如图9所示，将每一功率器件260连接到电路层250并将每一壳体280设置 在金属板210上以封闭功率器件260。随后，如图10所示，将树脂密封剂270注入到壳体280内的密封空间中。如上所述，本发明提供了一种功率半导体模块，与传统DBC电路板相比，其具有数 目更少的界面，并包含具有薄阳极氧化层的阳极化金属基板，因此与传统DBC电路板相比， 其具有更好的散热性能。而且，该功率半导体模块设置有冷却部件，从而进一步改善了散热性能。根据本发明，不需要额外的铜板，而采用比传统DBC电路板更廉价的阳极化金属 基板，从而降低了制造成本。本发明提供了一种功率半导体模块，由于其使用阳极化金属基板而并不需要铜 板，由此实现了简单结构，并且由于阳极氧化层较薄而实现了使功率半导体模块变薄。另外，根据本发明，功率半导体模块被制造为具有关于散热部件对称的结构，由此 具有优于相同尺寸模块的性能，并由于具有对称结构而使由应力导致的弯曲最小。而且，穿 过金属板的通路确保了功率半导体模块的上下部件连接的可靠性。尽管本发明已经出于举例说明的目的披露了优选实施方式，但本领域技术人员能 够理解到，在不偏离所附权利要求中所披露的本发明范围和精神的前提下，可以进行各种 修改、添加和替换。因此，这样的修改、添加和替换也应该理解为属于本发明的范围内。
权利要求
一种功率半导体模块，包含多个金属板，每一个所述金属板都具有第一通孔，在多个所述金属板的表面上和所述第一通孔内部形成有阳极氧化层；冷却部件，在其对应于所述第一通孔的位置处具有第二通孔，多个所述金属板被连接到所述冷却部件的两侧；电路层，形成于所述阳极氧化层上，并且通过在所述第一和第二通孔中形成的通路实现层间连接；功率器件，连接到所述电路层；树脂密封剂，封闭所述电路层和所述功率器件；以及壳体，安装至多个所述金属板的每一个上以形成对于所述树脂密封剂的密封空间。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中多个所述金属板的每一个由铝或铝合 金制成，且所述阳极氧化层是铝阳极氧化层(Al2O3)。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，进一步包含导热粘合剂层，形成于所述冷却部件的每一侧与其上形成有所述阳极氧化层的对应的 所述金属板之间。
4.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述冷却部件包含其中有致冷剂流 动的热管。
5.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述金属板被以这样的方式连接于 所述冷却部件，以便关于所述冷却部件对称。
6.一种功率半导体模块，包含联接器组件，通过将多个金属板连接到冷却部件两侧而制成；阳极氧化层，形成于所述联接器组件的表面上和形成以穿过所述联接器组件的通孔的 内部；电路层，形成于所述阳极氧化层上，并通过形成于所述通孔内的通路实现层间连接；功率器件，连接到所述电路层；树脂密封剂，密封所述电路层和所述功率器件；以及壳体，安装于多个所述金属板的每一个以形成对于所述树脂密封剂的密封空间。
7.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其中，多个所述金属板的每一个由铝或铝 合金制成，且所述阳极氧化层是铝阳极氧化层(Al2O3)。
8.根据权利要求6所述的功率半导体模块，进一步包含导热粘合剂层，形成于所述冷却部件的每一侧和对应的所述金属板之间。
9.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其中，所述冷却部件包含其中有致冷剂流 动的热管。
10.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其中，多个所述金属板被以这样的方式连 接于所述冷却部件，以便关于所述冷却部件对称。
11.一种制造功率半导体模块的方法，包括(A)在金属板的每一个上形成第一通孔，并在所述第一通孔内部和多个所述金属板表 面上形成阳极氧化层；(B)将多个所述金属板连接至在对应于所述第一通孔的位置处具有第二通孔的冷却部2件两侧，其中多个所述金属板的每一个具有形成于其上的所述阳极氧化层；(C)在形成于所述第一和第二通孔和所述阳极氧化层中的通路上形成电路层；(D)将功率器件连接至所述电路层，并在多个所述金属板的每一个上形成壳体以封闭 所述功率器件；以及(E)向所述壳体的密封空间中注入树脂密封剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在(A)中，在多个所述金属板的每一个中形成 所述第一通孔，其中多个所述金属板的每一个由铝或铝合金制成，且所述阳极氧化层是铝 阳极氧化层(Al2O3)。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，在(B)中，将多个所述金属板连接到所述冷却 部件的两侧，其中在所述冷却部件的每一侧和其上形成有所述阳极氧化层的对应的所述金 属板之间形成导热粘合剂层。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，在(B)中，将多个所述金属板连接到所述冷却 部件的两侧，其中所述冷却部件包含其中有致冷剂流动的热管。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，在(B)中，将多个所述金属板连接到所述冷却 部件的两侧，其中将多个所述金属板以这样的方式连接到所述冷却部件，以便关于所述冷 却部件对称。
16.一种制造功率半导体模块的方法，包括(A)将多个金属板连接至冷却部件两侧并随后形成通孔，并在所述通孔的内部和连接 到多个所述金属板的所述冷却部件的表面上形成阳极氧化层；(B)在形成于所述通孔和所述阳极氧化层中的通路上形成电路层；(C)将功率器件连接至所述电路层，并在多个所述金属板的每一个上形成壳体以封闭 所述功率器件；以及(D)向所述壳体的密封空间中注入树脂密封剂。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在(A)中，将多个所述金属板连接到所述冷却 部件的两侧，其中多个所述金属板的每一个由铝或铝合金制成，且所述阳极氧化层是铝阳 极氧化层(Al2O3)。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，在(A)中，将所述多个金属板连接到所述冷却 部件的两侧，其中在所述冷却部件的每一侧和对应的所述金属板之间形成导热粘合剂层。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，在(A)中，将多个所述金属板连接到所述冷却 部件的两侧，其中所述冷却部件包含其中有致冷剂流动的热管。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，在(B)中，形成所述电路层，其中将所述金属板 以这样的方式连接到所述冷却部件，以便关于所述冷却部件对称。
全文摘要
本申请中公开了一种功率半导体模块。该模块包括均具有第一通孔的多个金属板，在所述多个金属板的表面上和所述第一通孔内部形成有阳极氧化层。冷却部件在对应于第一通孔的位置处具有第二通孔，且多个金属板被连接到冷却部件的两侧。电路层形成于阳极氧化层上并通过形成于第一和第二通孔中的通路实现层间连接。功率器件连接到电路层。树脂密封剂封闭电路层和功率器件。壳体安装到多个金属板的每一个上以形成对于树脂密封剂的密封空间。
文档编号H01L21/60GK101958307SQ20091017619
公开日2011年1月26日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年7月20日
发明者崔硕文, 张范植, 朴志贤, 洪周杓, 金泰贤, 高山 申请人:三星电机株式会社