专利名称：散热器及其制造方法
技术领域：
本公开涉及具有电路基片和散热装置的散热器。本公开还涉及用于制造该散热器的方法。
背景技术：
传统上已知的半导体设备具有陶瓷基片，该陶瓷基片是绝缘基片；前金属板，该前金属板接合于陶瓷基片的前表面并用作布线层；以及后金属板，该后金属板接合于陶瓷基片的后部。散热装置接合于后金属板，该散热装置发散由半导体装置产生的热。在半导体设备的操作期间由半导体装置产生的热通过散热装置发散。期望散热装置的散热性能保持较长的时间段。然而，根据半导体设备的使用条件，由于热应力——其由绝缘基片和散热装置之间的线性膨胀系数的差别所导致，因此在陶瓷基片与后金属板之间的接合部分处可能 形成裂纹。而且，裂纹的延伸可能导致后金属板使陶瓷基片剥离，这样可能降低散热性能。在这点上，例如，日本早期公开专利公报No. 2006-294699公开了一种具有应力释放构件的半导体设备，该应力释放构件位于后金属板与散热装置之间。根据该文献，使用铝板作为应力释放构件，在该应力释放构件中形成在厚度的方向上延伸的多个通孔。当半导体设备操作时，该结构释放热应力。在该文献中公开的半导体设备中，由于在铝板中形成的通孔，因此在后金属板与散热装置之间形成空气层。由于空气与铝相比具有较低的导热性，因此由半导体装置产生的热在绕过铝板的形成有通孔的部分之后到达散热装置。即，通孔阻碍由半导体装置产生的热的扩散。换言之，该结构阻碍热传送至散热装置，并且降低了冷却效率。因此，本公开的目的是提供如下散热器，即在释放半导体设备于操作期间产生的热应力的同时促进由半导体装置产生的热的扩散。本公开还提供用于制造该散热器的方法。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供包括电路基片和散热装置的散热器。电路基片包括绝缘基片，该绝缘基片形成为具有前表面和后表面；前金属层，该前金属层接合于绝缘基片的前表面，该前金属层形成为具有能够与半导体装置接合的前表面和接合于绝缘基片的后表面；以及，后金属层，该后金属层接合于绝缘基片的后表面，该后金属层形成为具有接合于绝缘基片的前表面和接合于散热装置的后表面。后金属层具有多个应力释放空间。每个应力释放空间形成为至少在后金属层的前表面和后表面的其中一个处敞开。当将后金属层中的位于半导体装置正下方的区域限定为正下方区域、并且将该正下方区域外侧的与正下方区域相对应并具有相同的尺寸的区域限定为对比区域时，在正下方区域的范围中的应力释放空间的体积小于形成在对比区域的范围中的应力释放空间的体积。根据该构造，由于形成在后金属层中的应力释放空间而因此释放热应力。而且，与对比区域的导热性相比，在后金属层中的正下方区域的范围的导热性得到改善。因此，由半导体装置产生的热容易地传递至半导体装置正下方的区域，并且不会阻碍热扩散。散热器能够将由半导体装置产生的热可靠地传递至散热装置。因此，散热器实现了在产生大量热的半导体装置的正下方区域中的热应力的吸收与散热性能的改善之间的平衡。根据一个方面，在正下方区域的范围中的应力释放空间形成在正下方区域的周边部分中、而不形成在正下方区域的中央部分中。在对比区域的范围中的应力释放空间形成在对比区域的周边部分和中央部分中。因此,在正下方区域的范围中的应力释放空间的体积小于形成在对比区域的范围中的应力释放空间的体积。根据该构造，应力释放空间形成在后金属层的正下方区域的范围中的周边部分中。应力释放空间不形成在正下方区域的中央部分中，该正下方区域的中央部分是正下方区域的周边部分的内侧的区域。因此，在后金属层中的正下方区域的中央部分是后金属层中的实心体。即，半导体装置的中央部分和散热装置在沿层压方向其间不存在应力释放空间的情况下彼此接合。在半导体装置中，热主要集中在其中央部分中。因此，由半导体装置产生的热最大量地传递至其中央部分的正下方部分。根据上述构造，由于应力释放空间未形成在半导体装置的正下方部分中，因此不会阻碍传递至半导体装置的正下方部分的热的 扩散，这样允许将热有效地传递至散热装置。即，散热器实现了在产生大量热的半导体装置的正下方区域中的热应力的吸收与散热性能的改善之间的平衡。根据一个方面，利用硬钎料将绝缘基片、后金属层和散热装置接合在一起。在正下方区域的范围中的应力释放空间的至少一部分填充有硬钎料。因此，在正下方区域的范围中的应力释放空间的体积小于形成在对比区域的范围中的应力释放空间的体积。根据该构造，当将后金属层接合于绝缘基片或散热装置时，调节流到应力释放空间中的硬钎料。与在对比区域中的应力释放空间的体积相比，这样降低了在正下方区域的范围中的应力释放空间的体积。根据一个方面，后金属层是应力释放构件。根据该构造，使电路基片和散热装置彼此接合的接合层起到应力释放构件的作用。即，结合层也用作应力释放构件。因此，例如，不需要分别地形成应力释放构件和接合层。这样减少了部件的数量。根据一个方面，后金属层包括第一后金属层，其接合于散热装置；和第二后金属层，其位于第一后金属层与绝缘基片之间并且接合于第一后金属层和绝缘基片。应力释放空间形成在第一后金属层中。根据该构造，应力释放空间不形成在第二后金属层中。由半导体装置产生的热经由第二后金属层传递至第一后金属层。由于应力释放空间不形成在第二后金属层中，因此不阻碍传递至第二后金属层的热的扩散，并且传递至第二后金属层的热被有效地传递至第一后金属层。因此，散热器能够有效地将热传递至散热装置。根据本公开的另一方面，提供用于制造具有电路基片和散热装置的散热器的方法。电路基片包括绝缘基片，该绝缘基片具有前表面和后表面；前金属层，该前金属层接合于绝缘基片的前表面，该前金属层具有能够与半导体装置接合的前表面和接合于绝缘基片的后表面；以及，后金属层，该后金属层接合于绝缘基片的后表面，该后金属层具有接合于绝缘基片的前表面和接合于散热装置的后表面。后金属层具有多个应力释放空间。当将后金属层中的位于半导体装置正下方的区域限定为正下方区域时，将该正下方区域外侧的与正下方区域相对应并具有相同的尺寸的区域限定为对比区域。该制造方法包括准备硬钎料，其中，在正下方区域的范围外侧，硬钎料具有与应力释放空间相对应的空间，并且在正下方区域的范围中，硬钎料具有体积小于形成在对比区域中的空间的体积的另外的空间；将硬钎料布置在后金属层的接合界面处；将硬钎料加热至高于熔化温度的温度以便熔化硬钎料；以及，将熔化的硬钎料冷却至低于熔化温度的温度以便使硬钎料凝固。根据该方法，形成在后金属层的正下方区域的范围中的通孔填充有硬钎料。与对比区域的导热性相比，在后金属层中的正下方区域的范围的导热性得到改善。因此，由半导体装置产生的热容易地传递至位于半导体装置的正下方区域，并且不会阻碍热扩散。散热器能够将由半导体装置产生的热可靠地传递至散热装置。因此，实现了在产生大量热的半导体装置的正下方区域中的热应力的吸收与散热性能的改善之间的平衡。根据一个方面，准备硬钎料包括将硬钎料形成为使得硬钎料覆盖在正下方区域的范围中的应力释放空间的至少其中一个的部分开口或整个开口，并且使得硬钎料不覆盖在正下方区域的范围外侧的应力释放空间的开口。
根据该方法，熔化的硬钎料容易地进入如下应力释放空间，即该应力释放空间具有由未熔化的硬钎料覆盖的开口。而且，熔化的硬钎料不会进入如下应力释放空间，即该应力释放空间具有未被未熔化的硬钎料所覆盖的开口。因此，在正下方区域的范围中的通孔容易地填充有大量的硬钎料。从下面的描述并结合通过本发明的原理的示例所图示的附图，本发明的其它方面和优点将变得显而易见。
在所附权利要求中特别地阐述了本发明的被认为新颖的特征。参照当前优选实施方式的下面的描述连同附图，可以更好地理解本发明及其目的和优点，在附图中图I是沿图2的线A-A截取的竖向截面图，其中图示了半导体模块，该半导体模块是根据第一实施方式的半导体设备；图2是示出图I所示的后金属板和半导体装置之间的关系的平面图；图3是图示出根据第二实施方式的半导体模块的竖向截面图；图4是示出硬钎料和图3所示的后金属板之间的关系的平面图；图5是用于制造图3所示的半导体模块的过程的说明性图示；图6是图示出根据改进的实施方式的半导体模块的竖向截面图；以及图7(a)至7(d)是分别示出根据改进的实施方式的半导体模块的局部放大截面图。
具体实施例方式现将参照图I和2描述本公开的第一实施方式。如图I所示，半导体设备——在该实施方式中为半导体模块10——由电路基片11和利用焊料接合到电路基片11上的散热装置13形成。散热装置13在与半导体装置12相反的一侧上接合至电路基片11。在本实施方式中，将如在图I所观察到的每个部件的上表面限定为前表面，并且将下表面限定为后表面。电路基片11包括陶瓷基片14、利用硬钎料接合于陶瓷基片14的前表面的前金属板15、利用硬钎料接合于陶瓷基片14的后表面的后金属板16。即，前金属板15的后表面接合于陶瓷基片14的前表面。后金属板16的前表面接合于陶瓷基片14的后表面。前金属板15是允许半导体装置12接合于陶瓷基片14的前表面的金属电路板。S卩，陶瓷基片14的前表面是安装表面，半导体装置12安装于该安装表面上。起到布线层作用的前金属板15接合于半导体装置12的安装表面。半导体装置12经由焊料层H接合于前金属板15。作为半导体装置12，例如使用IGBT (绝缘栅双极型晶体管)或二极管。另一方面，后金属板16起到接合层的作用，该接合层使陶瓷基片14和散热装置13彼此接合。陶瓷基片14是例如由氮化铝、氧化铝或氮化硅形成的绝缘基片。前金属板15和 后金属板16由纯铝或铜形成。线性地延伸的制冷剂通道13a限定在散热装置13中。在本实施方式中，电路基片11和散热装置13形成散热器I。利用焊料将半导体装置12接合于散热器1，从而使得散热器I和半导体装置12形成半导体模块10。现将描述后金属板16。如图2所示，在后金属板16中形成通孔17。每个通孔17起到应力释放空间的作用。每个通孔17在后金属板16的厚度的方向上——即，在陶瓷基
片14和后金属板16层压的方向上-延伸。S卩，通孔17在后金属板16的前表面和后表
面上分别具有开口。由于通孔17基本上具有相同的大小，因此应力释放空间具有相同的体积。现将描述通孔17。由图2中的长划线与两个短划线交替形成的线所包围的矩形区域是正下方区域Al，该正下方区域Al是后金属板16上的与半导体装置12相对应的区域。正下方区域Al的周边边缘All位于半导体装置12的周边边缘12a的正下方。在正下方区域Al的外侧，从正下方区域Al的外周边边缘All至后金属板16的周边边缘16a等间隔地一即，以网格状的形式一布置通孔17。另一方面，在正下方区域Al内，通孔17位于正下方区域Al的周边边缘All的附近。通孔17布置成使得在形成于靠近正下方区域Al中的周边边缘All的位置处的每个通孔17与形成于正下方区域Al外侧的相邻的其中一个通孔17之间的距离是恒定的。将后金属板16上的位于形成在正下方区域Al中的通孔17内侧的区域限定为内侧区域A2。在内侧区域A2中不形成通孔17。在后金属板16上，内侧区域A2位于半导体装置12正下方的区域Al的范围内。由于在内侧区域A2中不形成通孔17，因此在半导体装置12和散热装置13之间的接合部的区域相对较大。图2示出了与正下方区域Al相对比的对比区域A21。对比区域A21位于后金属板16上并位于正下方区域Al的外侧。对比区域A21与正下方区域Al具有相同的尺寸，以便与正下方区域Al相对应。在后金属板16的正下方区域Al中的通孔17的数量——其为四个一小于在对比区域A21中的通孔17的数量一其为六个。即，在正下方区域Al中的通孔17的量小于形成在正下方区域Al外侧的与正下方区域Al具有相同的尺寸并相对应的区域范围中的通孔17的量。由于通孔17的大小相同，因此在正下方区域Al中的通孔17的总体积小于形成在对比区域A21的范围中的通孔17的总体积。因此，在正下方区域Al中的后金属板16的传热面积增加。即，当半导体装置12发热时，改善了半导体模块10至散热装置13的导热性。根据本实施方式，正下方区域Al分成形成区域A3，该形成区域A3是后金属板16的准许形成通孔17的区域；和非形成区域A4，该形成区域A4是后金属板16的不准许形成通孔17的区域。即，形成区域A3是正下方区域Al的周边部分。非形成区域A4位于形成区域A3的内侧。下文中，将描述形成区域A3和非形成区域A4。如图2所示，在矩形半导体装置12的平面图中，将半导体装置12的安装表面的四个边中的一个和相对的边限定为第一边12b。将垂直于第一边12b的两个边限定为第二边12c。在本实施方式中，在第一边12b的任一端部处，允许通孔17形成的形成区域A3占据第一边12b的尺寸的25%至35%、优选地30%。而且在第二边12c的任一端部处，形成区域A3占据第二边12c的尺寸Y的25%至35%、优选地30%。换言之，形成区域A3占据从半导体装置12的其中一个第一边12b朝向半导体装置12的另一个第一边12b的第二边12c 的尺寸Y的25%至35%、优选地30%。形成区域A3还占据从其中一个第二边12c朝向另一个第二边12c的第一边12b的尺寸X的25%至35%、优选地30%。换言之，形成区域A3是正下方区域Al的周边部分，即，从周边边缘All向内延伸并且占据预定范围的面积。不允许形成通孔17的非形成区域A4是在形成区域A3内侧的区域(正下方区域Al的周边部分的内侧)。非形成区域A4位于半导体装置12的中央部分12d的正下方。相应地，非形成区域A4位于正下方区域Al的中央部分中。位于正下方区域Al的范围内的通孔17位于形成区域A3中，即，在正下方区域Al的周边部分中。在非形成区域A4中不形成通孔17。另一方面，位于对比区域A21中的通孔17位于对比区域A21的中央部分和周边部分中。在正下方区域Al中，形成通孔17的位置可改变至非形成区域A4外侧的任何位置。通过改变正下方区域Al中的通孔17的位置，改变内侧区域A2的范围。即使当改变内侧区域A2的范围，通孔17也不形成在非形成区域A4中。因此，非形成区域A4包含在内侧区域A2的范围中。本实施方式的通孔17不形成在非形成区域A4中。因此，通孔17形成在形成区域A3中。在正下方区域Al中形成通孔17的位置不必限制于形成区域A3的范围，而是可以形成在形成区域A3的外侧。通孔17可形成在正下方区域Al的周边边缘All的附近。非形成区域A4形成在半导体12的中央部分12d的正下方的位置处。因此，半导体装置12的中央部分12d与散热装置13在它们之间不存在通孔17的情况下接合。由于半导体装置12的中央部分12d与散热装置13在它们之间不存在通孔17的情况下接合，因此不会阻碍从半导体装置12传递至中央部分12d的正下方部分的热的分散。当半导体模块10操作时，热大部分集中在半导体装置12的中央部分12d中。不易阻碍传递至半导体装置12的中央部分12d的正下方部分的热的分散的事实意味着改善了半导体模块10的导热性。现将描述半导体模块10的操作。例如，将具有上述结构的半导体模块10应用于混合动力汽车——其具有作为驱动源的一部分的电动马达。半导体模块10根据车辆的驱动条件控制供应至电动马达的电力。当半导体模块10操作时，半导体装置12产生热。由半导体装置12产生的热从半导体装置12的接合表面朝向电路基片11放射状扩散。由半导体装置12产生的热依次传递至前金属板15、陶瓷基片14、后金属板16和散热装置13。由半导体装置12产生的热集中在半导体装置12的中央部分12d上。相应地，半导体装置12的中央部分12d是热集中部分。换言之，由半导体装置12产生的热最大量地传递至中央部分12d的正下方部分。半导体装置12的中央部分12d与散热装置13在它们之间不存在通孔17的情况下接合。因此，传递至半导体装置12的中央部分12d的正下方部分的热扩散在不被通孔17阻碍的情况下传递至散热装置13。另一方面，在由半导体装置12产生的热中，除了直接传递至中央部分12d的正下 方部分的热之外的热在绕过通孔17之后到达散热装置13。与传递至半导体装置12的中央部分12d的正下方部分的热相比，传递至除了半导体装置12的中央部分12d的正下方部分之外的部分的热在到达散热装置13之前行进较长的距离。因此，传递至除了半导体装置12的中央部分12d的正下方部分之外的部分的热在到达散热装置13之前被冷却并且不太可能成为产生热应力的原因。因此，在本实施方式中，例如与通孔17还形成在位于半导体装置12的中央部分12d的正下方的非形成区域A4中的情况相比，实现了在产生大量热的正下方区域Al处的散热性能的改善与热应力的吸收之间的平衡。后金属板16释放与由半导体装置12产生的热相伴随的热应力。因此，防止在陶瓷基片14与后金属板16之间的接合部分中形成裂纹。而且，防止散热装置13翘曲。上述实施方式具有如下优点。(I)形成在后金属板16中的通孔17释放热应力。由于后金属板16具有非形成区域A4，因此增加了在后金属板16上的正下方区域Al中的传热面积。例如，与对比区域A21的导热性相比，改善了在后金属板16的正下方区域Al的范围中的导热性。即，与位于后金属板16上的正下方区域Al外侧的与正下方区域Al相对应并具有相同的尺寸的区域的导热性相比，改善了正下方区域Al的导热性。因此，由半导体装置12产生的热易于传递至半导体装置12的正下方的区域，并且不会阻碍热扩散。因此，由半导体装置12产生的热可靠地传递散热装置13。实现了在产生大量热的半导体装置12的正下方区域中的散热性能的改善与热应力的吸收之间的平衡。(2)在后金属板16的正下方区域Al的内侧区域A2中不形成通孔17。因此，内侧区域A2起到将散热装置13接合于陶瓷基片14的接合层的作用。半导体装置12的中央部分12d与散热装置13在它们之间不存在通孔17的情况下接合。因此，不太可能阻碍传递至半导体装置12的中央部分12d的正下方部分的热的扩散。由于不会阻碍传递至半导体装置12的中央部分12d的正下方部分的热的扩散，因此本实施方式允许由半导体装置12产生的热被有效地发散。换言之，实现了在产生大量热的半导体装置12的正下方区域中的散热性能的改进与热应力的吸收之间的平衡。(3)在半导体装置12的正下方区域Al的形成区域A3中形成有通孔17。因此，当半导体装置12操作时，后金属板16有效地释放应力。因此，易于防止在陶瓷基片14与后金属板16之间的接合部分中形成裂纹并且防止散热装置13翘曲。而且，后金属板16的应力释放空间由通孔17形成，该通孔17在陶瓷基片14和后金属板16的层压方向上延伸穿过后金属板16。后金属板16因此易于变形。S卩，由后金属板16容易地吸收在半导体模块10操作时产生的热应力。(4)后金属板16不仅起到使陶瓷基片14和散热装置13彼此接合的接合层的作用，而且起到应力释放构件的作用。因此，根据本实施方式，接合层和应力释放构件无需作为分开的构件提供。这样减少了部件的数量。(5)例如，与后金属板16和应力释放构件作为分开的构件来提供的情况相比，本实施方式增加了应力释放构件的体积。即，改善了应力释放性能。现将参照图3至5描述本公开的第二实施方式。在下面描述的实施方式中，与上述实施方式的相应部件相似或相同的部件被给予相似或相同的附图标记，并且省略或者简化详细的说明。如图3所示，半导体设备一在该实施方式中为半导体模块30——具有后金属板31，该后金属板31具有接合部分32。例如，接合部分32是通过利用硬钎料填充形成在非形 成区域A4中的通孔17而形成。接合部分32位于形成在半导体装置12的正下方区域Al的周边部分中的多个通孔17中的相邻成对的通孔之间。例如，接合部分32由纯铝或铜的硬钎料形成。接合部分32与后金属板31结合为一体。因此，接合部分32起到将陶瓷基片14接合于散热装置13的一部分接合层的作用。换言之，在本实施方式中，在以恒定的间隔形成有通孔17的后金属板中，与位于非形成区域A4的范围外侧的通孔17相比，更大量的硬钎料填充位于非形成区域A4的范围中的通孔17。相应地，增加了非形成区域A4中的传热面积。在本实施方式中，电路基片11和散热装置13形成散热器2。电路基片11包括陶瓷基片14、前金属板15和后金属板31。散热器2和半导体装置12形成半导体模块30。填充在后金属板31的正下方区域Al的范围中的通孔17的硬钎料的量大于流到在对比区域A21中的通孔17中的硬钎料的量。换言之，填充在正下方区域Al中的通孔17的硬钎料的量大于填充形成在正下方区域Al外侧的与正下方区域Al具有相同的尺寸并相对应的区域的范围中的通孔17的硬钎料的量。接下来，将描述钎焊过程，其作为本实施方式的散热器2的制造方法中的一个步骤。即，将描述用于钎焊陶瓷基片14、后金属板31和散热装置13的方法。在本实施方式中，使用以恒定的间隔形成有通孔17的后金属板31。即，在本实施方式中使用的后金属板31的非形成区域A4的范围中也形成有通孔17。如图5所示，准备两个硬钎料33的板。类似于形成在第一实施方式中的后金属板16中的通孔17，起到空间作用的孔34形成在硬钎料33的板中。特别是，在硬钎料33的板中，形成多个孔34以对应于在后金属板31中的位于正下方区域Al外侧的通孔17。另一方面，在硬钎料33的板的正下方区域Al的范围中，形成孔34以对应于形成在正下方区域Al的外边缘All附近的通孔。在硬钎料33的板的内侧区域A2中不形成孔34。S卩，在内侧区域A2中不形成孔34，内侧区域A2位于形成在硬钎料33的板的正下方区域Al中的孔34的内侦彳。因此，在正下方区域Al的外侧，形成孔34以对应于通孔17。在硬钎料33中，在正下方区域Al的范围中的孔34的总体积小于形成在对比区域A21中的孔34的总体积。对比区域A21位于正下方区域Al的外侧并且与正下方区域Al具有相同的尺寸以对应于正下方区域Al。换言之，正下方区域Al的硬钎料的量大于对比区域A21的硬钎料33的量。S卩，正下方区域Al的硬钎料33的量大于对比区域A21的硬钎料33的量，对比区域A21位于正下方区域Al的外侧并且与正下方区域Al具有相同的尺寸以便对应于正下方区域Al。如图5所示，硬钎料33的第一板位于陶瓷基片14与后金属板31之间。硬钎料的第二板位于后金属板31与散热装置13之间。以这种方式，陶瓷基片14、硬钎料33的板、后金属板31、硬钎料33的板和散热装置13以该顺序层压。因此，硬钎料33位于后金属板31的接合界面处。在本实施方式中，后金属板31的接合界面包括后金属板31的前表面和后表面。在后金属板31中，在非形成区域A4的范围的外侧，硬钎料33的板定位成使得通孔17与硬钎料33的板的孔34匹配。如图4所示，在非形成区域A4中，硬钎料33布置成使得通孔17与硬钎料33的孔34不匹配。因此，在正下方区域Al的范围中，形成在非形成区域A4中的通孔17的全部开口由硬钎料33覆盖。另一方面，在正下方区域Al的外侧，通孔17的开口不由硬钎料33覆盖。如上所述，在如图5所示的布置两个硬钎料33的板的情况下，硬钎料33由例如回流熔炉的加热设备加热至高于熔化温度的温度并且熔化。熔化的硬钎料33流到非形成区 域A4中的通孔17中。另一方面，熔化的硬钎料33不流到在除了非形成区域A4之外的范围中的通孔17中。即使熔化的硬钎料33流到非形成区域A4外侧的通孔17中，该硬钎料33的量与流到非形成区域A4中的通孔17中的硬钎料33的量相比也非常小。因此，填充非形成区域A4中的通孔17的熔化的硬钎料的量大于填充正下方区域Al中的其它通孔17的硬钎料的量。熔化的硬钎料33冷却至低于熔化温度的温度并且凝固，从而生成图3所示的散热器2。在正下方区域Al的范围中，填充非形成区域A4中的通孔17的硬钎料的量大于填充形成区域A3中的通孔17的硬钎料的量。在生成散热器2之后，将半导体装置12焊接至散热器2以生成半导体模块30。除了第一实施方式的优点(I)至(5)之外，本实施方式提供了如下优点。(6)形成硬钎料33的板使得当在制造过程期间硬钎料33熔化时，大量的硬钎料33流到后金属板31的非形成区域A4中的通孔17中。因此，当已经流到通孔17中的硬钎料33凝固时，在正下方区域Al中的通孔17的体积小于在对比区域A21中的通孔17的体积。即，根据本实施方式，在使用以恒定的间隔形成通孔17的后金属板31的同时，增加了正下方区域Al中的传热面积。与在正下方区域Al的范围外侧的对比区域A21的导热性相t匕，改善了在正下方区域Al的范围中的后金属板31的热导性。因此，根据本实施方式，可以将由半导体装置12产生的热可靠地传递至散热装置13。本实施方式因此改善了在热应力的吸收与产生大量热的正下方区域中的散热性能的改善之间的平衡。(7)在制造过程中使用的硬钎料33形成为使得在正下方区域Al中，填充非形成区域A4中的通孔17的硬钎料33的量大于填充形成区域A3中的通孔17的硬钎料33的量。当硬钎料33熔化以流到通孔17或应力释放空间中时调节硬钎料33。因此，正下方区域Al中的通孔17的体积小于对比区域A21中的通孔17的体积。(8)在硬钎料33熔化之前，在正下方区域Al的非形成区域A4中的通孔17的开口全部由硬钎料33覆盖。另一方面，在正下方区域Al的外侧，通孔17的开口不由硬钎料33覆盖。因此，熔化的硬钎料33容易地流到非形成区域A4中的通孔17中。上面说明的实施方式可进行如下改型。在第一实施方式和第二实施方式中，通孔17可布置成使得在形成于靠近正下方区域Al的周边边缘All的位置处的每个通孔17与形成于正下方区域Al外侧的通孔17中的相邻一个之间的距离不同。在第一实施方式和第二实施方式中,通孔17可由在后金属板16、31的厚度方向上开口的凹入部代替。即，通孔17可由孔代替，每个所述孔在后金属板16、31的前表面或者后表面上具有开口的端部，并且在另一个上具有封闭的端部。即使在这种情况下，也能够释放在半导体模块10操作时的热应力。如图6所示，可以通过层压第一后金属板21和第二后金属板22形成后金属层。例
如，将第一后金属层-其为第一后金属板21-层压在散热装置13上。将第二后金属
层一其为第二后金属板22—层压在第一后金属板21上。将陶瓷基片14层压在第二后金属板22上。第一后金属板21的后表面接合于散热装置13的前表面。第二后金属板22位于第一后金属板21的前表面和陶瓷基片14的后表面之间并且与之接合。
例如，用作应力释放空间的通孔17形成在第一后金属板21中。在第二后金属板22中不形成通孔17。由于在第二后金属板22中不形成通孔17，因此由半导体装置12产生的热的扩散不会受到阻碍，并且有效地传递至第一后金属板21。该热被有效地传递至散热装置13。在第一实施方式和第二实施方式中，多个半导体装置12可接合于前金属板15，该前金属板15是布线层。在这种情况下，通孔17形成在位于半导体装置12正下方的后金属板16、31的区域Al的周边部分中，即，在形成区域A3中。在第一实施方式和第二实施方式中，通孔17的形状可以如图2所示为圆形并且还可以改变成椭圆形或矩形。即，只要通孔17起到应力释放空间的作用即可，通孔17可采用任何形状。在第一实施方式中，在正下方区域Al中的应力释放空间的总体积可改变，只要其不超过在对比区域A21中的应力释放空间的体积即可。例如,在正下方区域Al的范围中的通孔17的直径可以小于在正下方区域Al的范围外侧的通孔17的直径。可替代地，在正下方区域Al中的应力释放空间可由凹入部形成，而在正下方区域Al外侧的应力释放空间可由通孔形成。在第一实施方式和第二实施方式中，可减少或者增加非形成区域A4外侧的通孔17的数量。在第一实施方式和第二实施方式中，在后金属板16、31的正下方区域Al中形成的应力释放空间的总体积可以是零。即，在正下方区域Al中不形成应力释放空间。在第二实施方式中，在非形成区域A4中的通孔17不必完全地填充硬钎料33。例如，可以采用图7(a)至7(d)所示的结构，在该结构中，在非形成区域A4中的应力释放空间的体积小于在其它区域中的应力释放空间的体积。在图7(a)中，硬钎料33填充通孔17中的靠近陶瓷基片14的部分和靠近散热装置13的部分。通孔17的在厚度方向上的中央部分是空的，其不填充硬钎料。在图7(b)中，硬钎料33仅填充通孔17的径向外部部分。换言之，硬钎料存在于通孔17的周向壁上，但是不存在于轴线处。在图7(c)中，硬钎料33仅填充通孔17的在轴向方向上的大致中央部分。S卩，在通孔17中的靠近陶瓷基片14的部分和靠近散热装置13的部分不填充硬钎料。在图7(d)中，通孔17填充硬钎料33使得在通孔17中的靠近陶瓷基片14的部分中形成有凹入部。靠近散热装置13的部分封闭。在第二实施方式中，位于后金属板31与陶瓷基片14之间的硬钎料33和位于后金属板31与散热装置13之间的硬钎料33中的一个可具有不同于第二实施方式的结构。在第一实施方式中，陶瓷基片14、后金属板16和散热装置13可通过具有对应于后金属板16中的通孔17的空间的硬钎料或者不具有空间的硬钎料彼此接合。在第一实施方式和第二实施方式中，半导体装置12可通过硬钎料接合于电路基片11。在第二实施方式中，陶瓷基片14、前金属板15、后金属板31、散热装置13和半导体装置12可同时进行钎焊。
在第二实施方式中，利用硬钎料33覆盖在非形成区域A4的范围中的通孔17的至少其中一个的开口是足够的。在第二实施方式中，利用硬钎料33仅覆盖每个通孔17的开口的一部分是足够的。在第二实施方式中，仅填充正下方区域Al中的每个通孔17的一部分是足够的。只要满足该条件，可以改变由硬钎料填充的通孔17的数量。
权利要求
1.一种散热器，所述散热器包括电路基片和散热装置，其中， 所述电路基片包括 绝缘基片，所述绝缘基片形成为具有前表面和后表面； 前金属层，所述前金属层接合于所述绝缘基片的所述前表面，所述前金属层形成为具有能够与半导体装置接合的前表面和接合于所述绝缘基片的后表面；以及 后金属层，所述后金属层接合于所述绝缘基片的所述后表面，所述后金属层形成为具有接合于所述绝缘基片的前表面和接合于所述散热装置的后表面， 所述后金属层具有多个应力释放空间，每个应力释放空间形成为至少在所述后金属层的所述前表面和所述后表面的其中一个处敞开，并且 当将所述后金属层中的位于所述半导体装置正下方的区域限定为正下方区域、并且将所述正下方区域外侧的与该正下方区域相对应并具有与该正下方区域相同的尺寸的区域限定为对比区域时，在所述正下方区域的范围中的所述应力释放空间的体积小于形成在所·述对比区域的范围中的所述应力释放空间的体积。
2.根据权利要求I所述的散热器，其中， 在所述正下方区域的范围中的所述应力释放空间形成在所述正下方区域的周边部分中、而不形成在所述正下方区域的中央部分中， 在所述对比区域的范围中的所述应力释放空间形成在所述对比区域的周边部分和中央部分中，并且 使得在所述正下方区域的范围中的所述应力释放空间的体积小于形成在所述对比区域的范围中的所述应力释放空间的体积。
3.根据权利要求2所述的散热器，其中， 利用硬钎料将所述绝缘基片、所述后金属层和所述散热装置接合在一起， 在所述正下方区域的范围中的所述应力释放空间的至少一部分填充有硬钎料，并且使得在所述正下方区域的范围中的所述应力释放空间的体积小于形成在所述对比区域的范围中的所述应力释放空间的体积。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的散热器，其中，所述后金属层是应力释放构件。
5.根据权利要求I至3中任一项所述的散热器，其中，所述后金属层包括 第一后金属层，所述第一后金属层接合于所述散热装置；以及 第二后金属层，所述第二后金属层位于所述第一后金属层与所述绝缘基片之间并且接合于所述第一后金属层和所述绝缘基片， 其中，所述应力释放空间形成在所述第一后金属层中。
6.一种用于制造具有电路基片和散热装置的散热器的方法，其中， 所述电路基片包括 绝缘基片，所述绝缘基片具有如表面和后表面； 前金属层，所述前金属层接合于所述绝缘基片的所述前表面，所述前金属层具有能够与半导体装置接合的前表面和接合于所述绝缘基片的后表面；以及 后金属层，所述后金属层接合于所述绝缘基片的所述后表面，所述后金属层具有接合于所述绝缘基片的前表面和接合于所述散热装置的后表面， 所述后金属层具有多个应力释放空间，当将所述后金属层中的位于所述半导体装置正下方的区域限定为正下方区域、并且将所述正下方区域外侧的与该正下方区域相对应并具有与该正下方区域相同的尺寸的区域限定为对比区域时， 所述制造方法包括 准备硬钎料，其中，在所述正下方区域的范围外侧，所述硬钎料具有与所述应力释放空间相对应的空间，并且在所述正下方区域的范围中，所述硬钎料具有体积小于形成在所述对比区域中的空间的体积的另外的空间； 将所述硬钎料布置在所述后金属层的接合界面处； 将所述硬钎料加热至高于熔化温度的温度以便熔化所述硬钎料；以及 将熔化的所述硬钎料冷却至低于所述熔化温度的温度以便使所述硬钎料凝固。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其中， 准备所述硬钎料包括将所述硬钎料形成为使得 所述硬钎料覆盖所述正下方区域的范围中的所述应力释放空间的至少其中一个的部分开口或整个开口，并且 所述硬钎料不覆盖所述正下方区域的范围外侧的所述应力释放空间的开口。
8.一种包括半导体装置、电路基片和散热装置的半导体设备，其中， 所述电路基片包括 绝缘基片，所述绝缘基片形成为具有前表面和后表面； 前金属层，所述前金属层接合于所述绝缘基片的所述前表面，所述前金属层形成为具有与所述半导体装置接合的前表面和接合于所述绝缘基片的后表面；以及 后金属层，所述后金属层接合于所述绝缘基片的所述后表面，所述后金属层形成为具有接合于所述绝缘基片的前表面和接合于所述散热装置的后表面， 当将所述后金属层中的位于所述半导体装置正下方的区域限定为正下方区域、并且将所述正下方区域外侧的与该正下方区域相对应并具有与该正下方区域相同的尺寸的区域限定为对比区域时， 在所述后金属层的所述正下方区域的范围中，在所述正下方区域的周边部分中形成应力释放空间，并且 在所述正下方区域的外侧并在所述后金属层上，在从所述正下方区域的外周边边缘至所述后金属层的周边边缘的范围中形成其它的应力释放空间。
9.根据权利要求8所述的半导体设备，其中，所述应力释放空间是通孔，所述通孔在所述绝缘基片和所述后金属层的层压方向上延伸穿过所述后金属层。
全文摘要
后金属层(16，31)具有多个应力释放空间(17)。每个应力释放空间(17)形成为至少在后金属层(16，31)的前表面和后表面的其中一个处敞开。将后金属层(16，31)中的位于半导体装置(12)正下方的区域限定为正下方区域(A1)，并且将正下方区域(A1)外侧的与正下方区域(A1)相对应并具有相同的尺寸的区域限定为对比区域(A21)。在正下方区域(A1)的范围中的应力释放空间(17)的体积小于形成在对比区域(A21)的范围中的应力释放空间(17)的体积。
文档编号H01L21/48GK102751249SQ20121010727
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月12日 优先权日2011年4月18日
发明者南和彦, 岩田佳孝, 平野智哉, 森昌吾 申请人:昭和电工株式会社, 株式会社丰田自动织机