半导体单元及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及半导体单元及其制造方法。在一个实施方式中，提供一种半导体单元，其包括：基部；接合至基部的绝缘基板；由可焊性差的金属制成的导电板；经由导电板安装至绝缘基板的半导体器件；以及介于导电板与半导体器件之间的金属板，所述金属板由与用于导电板的金属相比可焊性良好的金属制成。基部、绝缘基板、导电板和金属板被硬焊在一起，而半导体器件被软焊至金属板。
【专利说明】半导体单元及其制造方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种将半导体器件经由可焊性差的金属导电板安装至绝缘基板的半导体单元，并且还涉及一种用于制造该半导体单元的方法。
【背景技术】
[0002]已知一种将半导体器件安装至由材料例如铝氮化物制成的绝缘基板并且在半导体器件与绝缘基板之间插置有铝导电板的半导体单元。在这样的半导体单元中，由于铝的可焊性或浸润性差，所以难以将半导体器件软焊至铝导电板。为了解决该问题，已经提出了一种通过镀敷而在铝导电板上形成镍(Ni)层而后将半导体器件软焊至Ni镀层的方法，如在日本未审查专利申请公开N0.2010-238932中所公开的。
[0003]在导电板与半导体器件之间具有镀层的上述半导体单元中，提高导电板与半导体器件之间的接合强度需要提高导电板与镀层之间的接合强度。然而，即使改变镀敷材料的种类，镀层与导电板之间的接合强度也是有限的，这意味着难以进一步提高导电板与半导体器件之间的接合强度，并因此难以提高半导体单元的可靠性。
[0004]本发明的目的在于提供一种具有使可焊性差的金属导电板与半导体器件之间的接合强度能够提高并因此使半导体单元的可靠性能够提高的结构的半导体单元，并且还在于提供一种用于制造该半导体单元的方法。
【发明内容】
[0005]根据本发明 的一方面，半导体单元包括:基部；接合至基部的绝缘基板；由可焊性差的金属制成的导电板；经由导电板安装至绝缘基板的半导体器件；以及介于导电板与半导体器件之间的金属板，所述金属板由与用于导电板的金属相比可焊性良好的金属制成。基部、绝缘基板、导电板和金属板被硬焊在一起，而半导体器件被软焊至金属板。
[0006]根据下面结合通过示例方式示出本发明的原理的附图而进行的描述，本发明的其他方面和优点将变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1A是根据本发明的第一实施方式的半导体单元的截面图；
[0008]图1B是图1A的半导体单元的俯视图；
[0009]图2示出了说明制造图1A和图1B的半导体单元的过程的图；以及
[0010]图3是根据本发明的半导体单元的另一实施方式的截面图。
【具体实施方式】
[0011]下面将参照附图来描述根据本发明的半导体单元的一个实施方式。参照图1A，由10总体标示的本实施方式的半导体单元包括:作为半导体单元10的基部的热沉/散热器
11、通过硬焊接合至热沉11的顶面的应力消减构件12以及通过硬焊接合至应力消减构件12的顶面的绝缘基板13。
[0012]应力消减构件12为矩形板的形式并且具有沿其厚度方向穿过而形成的多个孔12A。孔12A允许应力消减构件12的变形并且用于减少在应力消减构件12中产生的热应力。可以通过由例如铝氧化物、硅氮化物、硅碳化物、铝氮化物或氧化铝锆制成的陶瓷基板来提供绝缘基板13。
[0013]半导体单元10还包括硬焊至绝缘基板13的顶面的导电板14和硬焊至导电板14的顶面的金属板15。导电板14由可焊性/可软焊性差的金属制成，而金属板15由与用于导电板14的金属相比可焊性良好的金属制成。在俯视图中，金属板15具有与导电板14几乎相同的轮廓，并且金属板15覆盖导电板14的整个顶面。
[0014]用于导电板14的可焊性差的金属为例如铝或铝合金。用于金属板15的可焊性良好的金属为例如镍、镍合金、铜或铜合金。
[0015]如图1A的插入部分所示，在金属板15的顶面15A处存在氧化物层15B。氧化物层15B由通过表面氧化而形成的金属氧化物制成。氧化物层15B的一部分被用机械方法移除以在金属板15的顶面15A中形成凹槽16。移除了氧化物层15B的凹槽16与金属板15的顶面15A的除凹槽16之外的部分相比，具有小的金属氧化物比率。如图1B所示，凹槽16具有比半导体器件17稍微大的轮廓。在本实施方式中，半导体器件17接合至金属板15的顶面15A。
[0016]尽管在附图中未示出，但半导体器件17设置有将会通过例如导线电连接至例如外部端子的各个端子。在本实施方式中，整个半导体单元10除了用于电连接至外部端子的部分之外通过密封树脂18模制成模块。
[0017]下面将参照图2来描述制造本实施方式的半导体单元10的过程。半导体单元10通过以下步骤制造:硬焊、移除氧化物层、然后软焊。
[0018]在硬焊步骤中，将热沉11、应力消减构件12、绝缘基板13、导电板14以及金属板15硬焊在一起。具体地，首先，将热沉11、应力消减构件12、绝缘基板13、导电板14和金属板15进行堆叠，其中在任何两个相邻部件之间插置有片状形式的硬焊金属(未示出)。在对堆叠体进行加热以熔化部件之间的硬焊金属之后，冷却并固化熔化的硬焊金属，使得热沉
11、应力消减构件12、绝缘基板13、导电板14和金属板15被一次地硬焊在一起。
[0019]在进行硬焊以熔化硬焊金属的步骤期间，金属板15暴露于高温环境，使得通过表面氧化而在金属板15的顶面15A处形成氧化物层15B (参见图1A)。在接下来的移除氧化物层的步骤中，对氧化物层15B进行移除以在金属板15的顶面15A中形成前面提及的凹槽
16。具体地，用机械方法移除金属板15的顶面15A的氧化物层15B的待接合半导体器件17的部分，使得在金属板15的顶面15A中形成凹槽16。
[0020]在接下来的软焊步骤中，将半导体器件17软焊至堆叠体的金属板15。具体地，首先，将半导体器件17置于金属板15的顶面15A中的凹槽16中，其中在半导体器件17与凹槽16的表面之间放置有焊料/软焊料片(未示出)。在对堆叠体进行加热以熔化焊料之后，冷却并固化熔化的焊料，使得半导体器件17接合至金属板15。金属板15的已移除了氧化物层15B的凹槽16具有小的金属氧化物比率并且为焊料提供良好的浸润性，这使金属板15与半导体器件17之间能够良好地软焊接合。
[0021]在完成软焊之后，将半导体器件17的各个端子通过例如导线电连接至外部端子。然后通过密封树脂18将半导体单元10的整体模制成电力模块。
[0022]在上述半导体单元10中，在可焊性差的导电板14与半导体器件17之间插置有可焊性良好的金属板15。将导电板14与金属板15硬焊在一起，然后将金属板15与半导体器件17软焊在一起，使得导电板14和半导体器件17接合在一起。
[0023]导电板14和金属板15之间的通过硬焊的接合与常规情况中导电板与半导体器件被软焊至的镀层之间的接合相比具有更高的强度，这导致导电板14与半导体器件17之间的接合强度提高，从而导致半导体单元10的机械强度和可靠性提高。
[0024]本实施方式的半导体单元10提供以下优点。
[0025](I)半导体单元10包括在可焊性差的导电板14与半导体器件17之间的可焊性良好的金属板15。导电板14与金属板15通过硬焊接合在一起。金属板15与半导体器件17通过软焊接合在一起。这导致半导体单元10的机械强度和可靠性提高。
[0026](2)半导体器件17被软焊至金属板15的凹槽16，在该凹槽16处用机械方法移除了在金属板15的顶面15A处形成的氧化物层15B的一部分。凹槽16具有比金属板15的顶面15A的其他部分小的金属氧化物比率，并因此为焊料提供了良好的浸润性。这使半导体器件17能够良好地软焊接合至金属板15的凹槽16，从而导致金属板15与半导体器件17之间接合强度提高。
[0027](3)通过用机械方法移除金属板15的顶面15A处的氧化物层15B的一部分，形成了凹槽16。由此形成的凹槽16起焊料容纳部的作用，其防止软焊操作期间焊料从凹槽16溢出金属板15并且还有助于使焊料保留在半导体器件17和金属板15之间，从而导致半导体器件17与金属板15之间软焊接合强度提高。
[0028](4)在热沉11与绝缘基板13之间设置了具有多个孔12A的应力消减构件12。应力消减构件12用于减少由金属板15与导电板14之间的线性膨胀系数差引起的热应力。
[0029](5)使用热沉11作为半导体单元10的基部能够使半导体器件17中产生的热从热沉11有效散出，并因此能够使半导体器件17有效冷却。
[0030](6)制造半导体单元10的方法包括如下步骤:将热沉U、应力消减构件12、绝缘基板13、导电板14和金属板15硬焊在一起；以及将半导体器件17软焊至金属板15。这样的方法提供了一种在导电板14与半导体器件17之间具有高接合强度的半导体单元。另夕卜，不同于常规情况，根据本发明的方法不需要在导电板上进行镀敷的过程，并因此不需要用于在导电板上进行镀敷的设备，从而导致制造成本降低。
[0031](7)在硬焊的步骤中，将热沉11、应力消减构件12、绝缘基板13、导电板14和金属板15 —次地硬焊在一起。这导致在硬焊期间操作次数的降低并导致了制造成本的进一步降低。
[0032](8)制造半导体单元10的方法包括以下步骤:在硬焊步骤后，对在金属板15的顶面15A处的氧化物层15B进行移除。金属板15的顶面15A的移除了氧化物层15B的部分提供用于焊料的良好浸润性，从而使在后续的软焊步骤中金属板15与半导体器件17之间能够良好地接合。
[0033]以上实施方式可以以如下所例示的各种方式被修改。
[0034]尽管凹槽16应当优选地被形成为使得氧化物层15B被完全地移除，但也可以有少量金属氧化物残留在凹槽16中。[0035]凹槽16可以被形成在任何合适的位置处。凹槽16可以被局部地形成在金属层15的顶面15A中的仅半导体器件17被接合的位置处，或者替代性地，可以被完全地形成在金属板15的顶面15A上。
[0036]凹槽16可以具有任何合适的轮廓。当将多个半导体器件例如17接合至金属板15时，可以设置具有与相应半导体器件对应的轮廓的多个凹槽，或者替代性地，可以设置具有大的足以接合所述多个半导体器件的轮廓的一个凹槽。当凹槽16被造成为起焊料容纳部的作用时，凹槽16应当优选地被局部地形成为使得凹槽16的轮廓与半导体器件17的轮廓相同或者稍微大于半导体器件17的轮廓。
[0037]在凹槽16的形成中，金属层15的顶面15A处的氧化物层15B不仅可以用机械方法来移除，还可以使用各种方式例如化学品通过化学还原来移除。而且，在制造半导体单元10的方法中的移除氧化物层的步骤中，氧化物层15B不仅可以用机械方法来移除，还可以通过化学还原来移除。
[0038]尽管在示出的实施方式中金属板15被设置在导电板14的整个顶面上，但金属板15可以仅设置在导电板14的顶面的安装半导体器件17的部分上。例如，如图3所示，金属板15可以被设置在导电板14上的仅导电板14与半导体器件17交叠的区域处，如沿导电板14、金属板15和半导体器件17的堆叠方向所看到的。
[0039]金属板15的这样的布置有助于减少金属板15的尺寸和用于将金属板15接合至其他部件的接合材料例如焊料或硬焊金属的量，从而使得进一步降低半导体单元10的制造成本。这样的小尺寸的金属板15使导电板14的顶面具有不与金属板15接触的区域，从而使得能够减少由金属板15与导电板14之间的线性膨胀系数差引起的热应力。在图3的情况中，氧化物层15B应当优选地被从金属板15的顶面上完全地移除。
[0040]可以在热沉11与应力消减构件12之间、应力消减构件12与绝缘基板13之间以及绝缘基板13与导电板14之间设置附加的构件例如金属板。半导体单元10不一定需要包括应力消减构件12。热沉11可以由用作本发明的半导体单元10的基部但不具有冷却功能的任何其他合适的构件来代替。
[0041]可以改变通过密封树脂18进行模制的方式。尽管在示出的实施方式中，密封树脂18完全地覆盖热沉11，但密封树脂18也可以覆盖热沉11的顶面和安装在其上的部件，或者替代性地，可以覆盖绝缘基板13和安装在绝缘基板13上的部件，使得热沉11的一部分暴露在密封树脂18之外。
[0042]在制造半导体单元10的方法中的硬焊步骤中，部件不一定需要被一次地硬焊，而是也可以被按顺序进行硬焊。
[0043]制造半导体单元10的方法不一定需要包括移除氧化物层的步骤。
[0044]在硬焊和软焊的步骤中，半导体单元的部件的接合可以通过任何已知的方法、使用任何已知的硬焊金属和焊料来进行。
【权利要求】
1.一种半导体单元，包括: 基部; 接合至所述基部的绝缘基板； 由可焊性差的金属制成的导电板；以及 经由所述导电板安装至所述绝缘基板的半导体器件， 其特征在于，所述半导体单元还包括介于所述导电板与所述半导体器件之间、并且由与用于所述导电板的金属相比可焊性良好的金属制成的金属板， 其中，所述基部、所述绝缘基板、所述导电板和所述金属板被硬焊在一起，而所述半导体器件被软焊至所述金属板。
2.根据权利要求1所述的半导体单元，其中，所述金属板具有焊料容纳部，所述半导体器件接合在所述焊料容纳部处。
3.根据权利要求2所述的半导体单元，其中，在硬焊期间形成在所述金属板上的氧化物层的一部分被移除，以形成用作所述焊料容纳部的凹槽。
4.根据权利要求1所述的半导体单元，其中，所述金属板仅设置在所述导电板的安装所述半导体器件的部分上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体单元，还包括位于所述基部与所述绝缘基板之间的应力消减构件。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体单元，其中，所述基部为热沉。
7.一种用于制造根据权利要求1所述的半导体单元的方法，包括如下步骤: 将所述基部、所述绝缘基板、所述导电板和所述金属板硬焊在一起； 以及 将所述半导体器件软焊至所述金属板。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，将所述基部、所述绝缘基板、所述导电板和所述金属板一次地硬焊在一起。
9.根据权利要求7或8所述的方法，还包括如下步骤:将硬焊期间形成在所述金属板上的氧化物层移除， 其中，所述半导体器件被软焊至所述金属板的移除了所述氧化物层的部分。
【文档编号】H01L23/52GK103715170SQ201310451138
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】森昌吾, 音部优里, 加藤直毅, 西槙介 申请人:株式会社丰田自动织机