带散热鳍片的半导体模块的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种能够基于良好的散热性能降低热阻抗，抑制多个半导体芯片间的热干涉，具有高可靠性的低成本的带散热鳍片的功率半导体模块。本发明的带散热鳍片的半导体模块(100)的金属底座(1)具有厚度较薄的顶板部(11)和厚度比该顶板部(11)厚的外周部(15)，顶板部(11)的一侧面上搭载有绝缘基板(8)，该绝缘基板(8)的上侧具有通过焊锡接合搭载了多个半导体芯片(IGBT芯片(3)、FWD芯片(4))的金属箔(5)，该绝缘基板(8)的下侧具有通过焊锡(6)与顶板部(11)的表面进行接合的金属箔(5)，金属底座(1)一侧具有将绝缘基板(8)和半导体芯片和将该半导体芯片之间进行连接所需的金属布线进行树脂封装的结构，与绝缘基板(8)相对的金属底座(1)的另一侧具有散热鳍片(10)。
【专利说明】带散热鳍片的半导体模块
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于电能变换装置等的具有散热用鳍片的半导体模块。
【背景技术】
[0002] 图7、图8所示为现有的功率半导体模块200。图5为使用该功率半导体模块200 的电能变换装置的逆变器电路图。图7为金属底座101的俯视图。金属底座101如图8(a) 所示具有散热鳍片110。金属底座101上面具有3个绝缘基板108,在每个绝缘基板108上 通过金属箔105焊接搭载有IGBT 103和FWD 104的2组半导体芯片的组合。这里，IGBT 为绝缘栅双极型晶体管，FWD为续流二极管，以下说明中用IGBT、FWD来表示。图7所示的 每个半导体芯片通过图中未示出的铝线的键合或布线铜片的焊接来连接布线以连接成图5 所示的U、V、W相的3相逆变器电路。另外，图5中所示的Μ为作为示例表示的3相逆变器 电路的负载，不包含在3相逆变器电路自身中。图8(a)为图7的Α-Α'断面图，图8(b)为 图8(a)的虚线框内的放大断面图。这里的U相、V相、W相的各层的半导体芯片与绝缘基 板、键合引线等一同由树脂封装（树脂封装）在金属底座上。
[0003] 前述图7、图8所示的功率半导体模块200,在动作过程中，IGBT (IGBT芯片）103 和FWD(FWD芯片）104会产生由导通损耗和开关损耗构成的损耗，并由于该损耗使得半导体 芯片发热。而由于发热，会使得半导体芯片的接合温度超过额定温度，如果继续上升的话则 会导致破坏元件，因此半导体芯片必须要在冷却的同时进行动作。在半导体芯片中所产生 的热量通过接合在半导体芯片背面的焊锡106及其下方的绝缘基板108传导到带散热鳍片 110的金属底座101上，并由散热鳍片110部分向外部散热。为了使与金属底座101接合的 绝缘基板108和半导体芯片进行良好的冷却，带散热鳍片110的金属底座101优选地可通 过图中未示出的冷媒进行冷却。
[0004] 如上所述的与带散热鳍片110的功率半导体模块200相关的现有技术有专利文献 1中所公开的技术。
[0005] 专利文献1中公开了用于功率半导体模块的散热用的绝缘电路基板及其冷却结 构以及功率半导体装置及其冷却结构，图7及图8所示的结构为在专利文献1中公开的冷 却结构基础上将U、V、W相的3相逆变器电路元件进行组合的结构。
[0006] 另外，公知文献中，还记载了向接合在金属底座上的半导体元件注入环氧树脂以 延长键合引线的寿命的技术（专利文献2)。
[0007] 现有技术文献
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1 :日本特开2004-22914号公报（图1)
[0010] 专利文献2 :日本特开2008-270455号公报
【发明内容】
[0011] 技术问题
[0012] 然而，在前述图7、图8所示的功率半导体模块200动作时，在绝缘基板108上邻近 设置的IGBT 103和FWD 104之间、相互邻近设置的绝缘基板108和绝缘基板108之间会由 动作中产生的热量相互发生热干涉。由此，设置于中间部的半导体芯片的温度将容易上升。
[0013] 例如，前述图7、图8所示的功率半导体模块200动作时，由于所有半导体芯片都 会产生热量，所以在图7所示的邻近设置的3个绝缘基板108之间发生热干涉。因此，特别 是设置在中央的例如与V相对应的绝缘基板108及其上焊接的半导体芯片受到两侧的热干 涉，易使半导体芯片的温度上升。这样，功率半导体模块200的动作温度就会被中央的半导 体芯片所限制。另外，被焊接在金属底座101上的U、V、W相的3个绝缘基板108的温度伴 随着功率半导体模块200的动作会出现反复变化从而在焊锡上出现裂缝。而由于焊锡上出 现裂缝会发生功率半导体模块200无法将半导体芯片产生的热有效的传导到散热鳍片110 的问题。另外，由于与U、V、W相这3相对应的半导体芯片间的温度不均匀和伴随功率半导 体模块200的动作温度出现反复变化还会发生封装树脂从金属底座101的表面剥离的问 题。
[0014] 本发明是考虑以上所述内容而做出的。本发明的目的在于为消除前述问题，提供 一种能够基于良好的散热性能降低热阻抗，缓解多个半导体芯片间的热干涉且封装树脂难 以从金属底座上剥离的具有高可靠性的带散热鳍片的低成本半导体模块。
[0015] 技术方案
[0016] 根据本发明提供的一种带散热鳍片的半导体模块能够实现前述发明目的，该半导 体模块具有金属底座，所述金属底座由金属底座周围的外周部和被该外周部包围的顶板部 构成，所述顶板部的一侧的面上通过与各个半导体芯片分别对应的多个绝缘基板设置有多 个半导体芯片，所述顶板部的另一侧的面上设置有散热鳍片，在所述多个半导体芯片上连 接有与半导体模块外部进行电气连接的电气布线，所述顶板部的厚度比所述外周部的厚度 薄，所述顶板部的所述多个半导体芯片间有沟槽，所述多个半导体芯片连同所述沟槽一块 由树脂进行封装。
[0017] 可选地，所述带散热鳍片的半导体模块还包括固定在所述金属底座的外周部的端 子盒，并将所述端子盒内部用树脂进行封装。另外，优选地，所述带散热鳍片的半导体模块 中，用于封装所述端子盒内部的树脂为环氧树脂。进一步优选地，所述带散热鳍片的半导体 模块中，在所述顶板部的通过多个绝缘基板设置的多个半导体芯片的外侧还具有沟槽。
[0018] 可选地，所述带散热鳍片的半导体模块的所述沟槽的断面形状为V字形状、矩形 形状、半圆形状中的一个形状。
[0019] 有益效果
[0020] 根据本发明能够提供基于良好的散热性能降低热阻抗，抑制由产品动作过程中受 到的热冲击而出现焊锡裂缝，具有高可靠性的低成本的带散热鳍片的半导体模块。
[0021] 通过作为本发明示例示出优选实施方式的附图及下面的相关说明，本发明的上述 及其它目的、特点及优点将更加清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1示出在本发明的带散热鳍片的半导体模块的金属底座上焊接有绝缘基板及 半导体芯片等的状态的俯视图。
[0023] 图2示出本发明的带散热鳍片的半导体模块上的金属底座的背面仰视图。
[0024] 图3示出本发明的带散热鳍片的半导体模块的沿图1的B-B'线的断面图。
[0025] 图4(a)示出本发明的带散热鳍片的半导体模块的沿图1的C-C'线的断面图。
[0026] 图4(b)为图4(a)的虚线框内的放大断面图。
[0027] 图5示出使用该功率半导体模块的电能变换装置的逆变器电路图。
[0028] 图6示出本发明的带散热鳍片的半导体模块的C-C'断面图，示出在绝缘基板间 设置的凹陷部断面形状的不同示例的断面图。
[0029] 图7示出在现有的带散热鳍片的半导体模块的金属底座上焊接有绝缘基板及半 导体芯片等的状态的俯视图。
[0030] 图8(a)示出现有的带散热鳍片的半导体模块的沿图1的A-A'线的断面图。
[0031] 图8(b)示出图8(a)的虚线框内的放大断面图。
[0032] 图9示出本发明的带散热鳍片的半导体模块的第二实施例的断面图。图9与实施 例1的图3对应。
[0033] 图10示出本发明的带散热鳍片的半导体模块的第二实施例的断面图。图10与实 施例1的图4(a)对应。
[0034] 符号说明
[0035] 1金属底座
[0036] 2安装孔
[0037] 3 IGBT 芯片
[0038] 4 FWD 芯片
[0039] 5金属箔
[0040] 6 焊锡
[0041] 8绝缘基板
[0042] 10散热鳍片
[0043] 11顶板部
[0044] 12 沟槽
[0045] 15外周部
[0046] hi外周部厚度
[0047] h2顶板部厚度
[0048] h3沟槽底部厚度
【具体实施方式】
[0049] 以下，参照附图来详细说明本发明的带散热鳍片的半导体模块（功率半导体模 块）的实施例。另外，在以下对实施例的说明及附图中，相同的部件用相同的标号表示，不 作重复说明。还有，为便于观察或便于理解，在实施例中进行说明的附图的比例、尺寸比未 必绝对精确。在不脱离本发明的主旨的情况下，不局限于以下说明的实施例的记载内容。
[0050] 实施例1
[0051] 图1?图4示出本发明的带散热鳍片10的功率半导体模块100。图5示出电能变 换装置的逆变器电路图，是功率半导体模块100的等价电路。图1为示出在金属底座1上 通过焊接搭载有绝缘基板8及半导体芯片等的状态的俯视图。图2为从背面的散热鳍片一 侧观察的金属底座1的仰视图。图3为图1的B-B'断面图。图4(a)为图1的C-C'断面 图，图4(b)为图4(a)的虚线框内的放大断面图。
[0052] 关于该功率半导体模块100,将参照图1?图4进行详细说明。功率半导体模块 1〇〇具有金属底座1，在金属底座1的外周部（法兰部）设有能够用螺母和螺钉安装在外部 设备上的安装孔2。功率半导体模块100具有将半导体芯片（IGBT芯片3、FWD芯片4)通 过焊锡6焊接到绝缘基板8的表面的金属箔5上，将通过焊锡6焊接有半导体芯片的绝缘 基板8焊接搭载到具有散热鳍片10的金属底座1表面上的结构。但是，这些图中所示的半 导体模块100,为了便于理解内部结构而省略了用于电气连接金属底座1上的半导体芯片 间的金属引线和进行电信号的输入输出用的外部连接端子以及将金属引线和外部连接端 子进行封装用的树脂材料及包裹封装树脂的端子盒等。为了便于说明，将搭载在焊接于金 属底座1上的绝缘基板8的部分分别称为U相半导体单元、V相半导体单元、W相半导体单 J Li 〇
[0053] 金属底座1为热传导率高的铜、铝及铜或铝的合金等金属板构成，具有与表面侧 的搭载有半导体芯片的位置相对应的背面侧的位置上设置散热鳍片10的结构。如图2所 示的金属底座1的背面侧示出了排列多个突起状的针的针形散热鳍片10的位置及针的阵 列，但是，散热鳍片的形状也可以变更为其他的矩形、叶片形、波纹形等。
[0054] 绝缘基板8具有在陶瓷板或用绝缘膜覆盖的绝缘金属板的背面（与金属底座1相 接合的一侧）整个面上固定有金属箔，而在表面侧分别固定有加工成所需的布线图案的金 属箔的结构。作为陶瓷板的材料可以使用氧化铝、氮化铝、氮化硅等瓷器用材料。作为绝缘 金属板的金属材料可以使用铝合金等。半导体芯片（例如：IGBT芯片3、FWD芯片4)分别 焊接在绝缘基板8的表面侧金属箔上的预定位置处。
[0055] 虽然在前述图1?图4上并未示出，但功率半导体模块100的金属底座的外周部 15表面还粘贴有将用于外部信号的输入输出的外部连接端子一体地组合到其中的由成型 树脂构成的端子盒。
[0056] 半导体芯片焊接在绝缘基板8表面的加工成布线图案的金属箔5上。将3个绝缘 基板8上如图1所示的U、V、W相各自的半导体芯片的组合与如图5所示的3相逆变器电路 的U、V、W相的3相对应的进行设置。这些半导体芯片的上部电极通过金属引线等与和端 子盒树脂成型为一体而固定的外部连接端子的下端部或者其附近进行引线键合连接，以使 半导体芯片如图5所示的3相逆变器电路那样进行电气连接。半导体芯片的上部电极的电 气连接也可以采用使铝合金或铜合金的板通过焊接等进行接合的方法，以替代引线键合连 接。金属引线可以使用由铝、铜、金或其合金构成的细线，并通过超声焊接进行接合连接。另 夕卜，在图中未示出的端子盒的内侧使用硅凝胶、环氧树脂等作为封装树脂进行填充。并且， 封装树脂优选使用能够提高树脂和金属底座表面的附着性的环氧树脂。
[0057] 如图4的断面图（a)、（b)所示的本发明的功率半导体模块100的一个特征为带 散热鳍片10的金属底座1的顶板部11的厚度h2比外周部15的厚度hi要薄。进一步地 本发明的另一个特征为相互邻近设置的多个绝缘基板8之间的顶板部11的沟槽12的底部 (凹陷最低的部分）的厚度h3比所述顶板部11的沟槽12处以外的厚度h2要薄。
[0058] -方面，前述的现有的带散热鳍片110的金属底座101中，如图8所示顶板部111 的厚度及外周部的厚度相同，为均匀厚度。通常，在这种半导体模块的外周部会设置有用于 通过螺母和螺钉安装到外部设备上的安装孔，并会在外周部施加很大的紧固力矩，所以无 法将厚度减小到低于与该紧固力矩相对应的规定厚度（例如，在螺钉紧固力矩下外周部的 金属底座不会变形的厚度）。
[0059] 另一方面，金属底座1的厚度，例如，顶板部11的厚度可以为h2 = 3?5mm，外周 部15的厚度可以为hi = 4?6mm，沟槽12的底部的厚度可以为h3 = 2?4mm。沟槽12 的宽度可以为1?3mm，沟槽12的深度可以为1?3mm。
[0060] 带散热鳍片10的金属底座1将半导体芯片产生的热量传导到冷媒中，该顶板部11 的厚度越薄，就越能够降低热阻抗。该热阻抗表示为（1)式。
[0061] 热阻抗Rth =金属底座的顶板部的厚度L+ (金属底座顶板部的焊接面积SX金 属底座的热传导率λ)......(1)
[0062] (1)式中的热阻抗Rth越小，就越能够通过下述（2)式改善散热性能使半导体芯片 的温度越低，结果，就能够提高半导体模块的长期可靠性。
[0063] 半导体芯片与冷媒的温度差ΛΤ =从半导体芯片到冷媒的热阻抗RthX半导体芯 片的损失W......(2)
[0064] 从（1)式、（2)式可知，本发明的带散热鳍片10的半导体模块100通过将顶板部 11的厚度h2设置为小于外周部15的厚度hi，能够降低实际动作过程中的热阻抗Rth，从而 降低半导体芯片温度。
[0065] 进一步地，在顶板部11，满足顶板部11的厚度h2>沟槽12底部的厚度h3这一条 件的V字形沟槽12设置在相互邻近设置的绝缘基板8之间。通过沟槽12抑制了相邻的每 个绝缘基板8之间的金属底座内的热传导，能够降低绝缘基板8之间的热干涉，特别是能够 降低搭载在中央的绝缘基板8上的易受到热干涉的半导体芯片的温度。虽然通过扩大绝缘 基板8间无沟槽的平坦金属底座表面的间隔也能够降低热干涉，但是由于金属底座的面积 会变大，所以从成本方面、小型化方面考虑都不是优选的。由于能够降低半导体单元间的热 干涉，使各半导体单元间的温度变均匀，金属底座内的温度梯度变缓，所以能够减少焊锡裂 缝的产生。在以上说明中，是在相互邻近设置的3个绝缘基板8间的金属底座1的表面设 有沟槽12,该沟槽形状如图6所示，可以为（a)的断面V字形的沟槽12之外，还可以是（b) 的矩形的沟槽12a、（c)的半圆形的沟槽12b等的遵循了本发明宗旨的凹陷形状。
[0066] 进一步地通过该凹陷形状带来的本发明的效果为，在将金属底座1上焊接的半导 体芯片结构的整体使用例如环氧树脂进行封装时，该沟槽12的表面积比平坦表面的情况 下要大，所以能够提高环氧树脂与金属底座1的表面的附着强度。另外，通过在沟槽12内 填充环氧树脂还可期待环氧树脂不易剥离的效果。为了取得该效果而使用的树脂相比胶状 树脂优选为类似环氧树脂的自身强度高且树脂封装时压缩应力发生作用的树脂。另外，为 了进一步提高该树脂不易剥离的效果，沟槽形状采用开口部比底部宽度窄的形状，则通过 将树脂卡在沟槽的内部形状中所显现出的压缩效果还能够发挥防止半导体芯片及焊锡出 现裂缝的效果。结果，根据提高环氧树脂的附着强度及所述树脂不易剥离的效果，由于能够 在温度变化时降低施加给焊锡的应力，所以能够抑制焊锡中出现裂缝等劣化现象从而能够 提高半导体模块的可靠性并延长使用寿命。另外，带散热鳍片的金属底座的成型方法可以 使用切削、锻造、金属注塑成型（Metal Injection Mold)法等广为人知的成型方法。
[0067] 以上虽然仅说明了设置有与U、V、W的各相对应的3个半导体单元的情况，但如果 半导体单元数量为2个以上的话就能够发挥本发明的效果。
[0068] 实施例2
[0069] 下面使用图9及图10来说明本发明的第二实施例。图9及图10分别为与第一实 施例中图3、图4(a)对应的半导体模块的断面图。在第二实施例中与实施例1的不同点在 于沟槽12还设置在位于外侧的两半导体单元的外侧。通过所述设置于外侧的沟槽具有能 够将封装树脂更加坚固的粘在金属底座上的效果。优选地，封装树脂采用环氧树脂。
[0070] 上述内容仅表示出本发明的原理。进一步地，本领域技术人员可以在本发明的基 础上进行更多的变形、变更，本发明的范围不限于上述所示进行说明的正确结构及应用例， 与之相对应的所有的变形例及等同例均落入基于权利要求及其等同物所限定的本发明的 保护范围。
【权利要求】
1. 一种带散热鳍片的半导体模块，其特征在于， 所述半导体模块具有金属底座， 所述金属底座由其周围的外周部和被该外周部包围的顶板部构成，在所述顶板部的一 侧的面上通过与各个半导体芯片分别对应的多个绝缘基板设置有多个半导体芯片，在所述 顶板部的另一侧的面上设置有散热鳍片， 所述多个半导体芯片上连接有与半导体模块外部进行电气连接的电气布线， 所述顶板部的厚度比所述外周部的厚度薄， 所述顶板部的所述多个半导体芯片间有沟槽， 所述多个半导体芯片连同所述沟槽一块由树脂进行封装。
2. 根据权利要求1所述的带散热鳍片的半导体模块，其特征在于，还包括固定在所述 金属底座的外周部的端子盒， 所述端子盒内部连同所述多个半导体芯片和所述沟槽一块由树脂进行封装。
3. 根据权利要求1或2所述的带散热鳍片的半导体模块，其特征在于，所述树脂为环氧 树脂。
4. 根据权利要求1或2所述的带散热鳍片的半导体模块，其特征在于，在所述顶板部的 通过所述多个绝缘基板设置的所述多个半导体芯片的外侧还具有沟槽。
5. 根据权利要求1所述的带散热鳍片的半导体模块，其特征在于，所述沟槽的断面形 状为V字形状、矩形形状、半圆形状中的一种形状。
【文档编号】H01L25/18GK104067388SQ201380005467
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月15日 优先权日:2012年3月22日
【发明者】佐藤宪一郎 申请人:富士电机株式会社