半导体模块、其制造方法以及电力变换装置与流程

本发明涉及半导体模块、其制造方法以及电力变换装置。

背景技术：

在工业用设备以及电动铁路车辆的电动机控制等使用着半导体模块。在半导体模块中硅凝胶被用作绝缘封装材料(例如，参照专利文献1的图20)。

专利文献1：国际公开第2016/098431号

在使应用了半导体模块的设备在高海拔运转的情况下，环境气氛的压力容易变低。因此，在硅凝胶之中产生气泡，随着产生部位的不同，在模块内部产生局部放电，寿命变短。特别地，如果在陶瓷基板的下侧的檐部分处在硅凝胶产生气泡，则即使是低电压也容易产生局部放电。即使在并非是高海拔使用的情况下，也由于在组装时来自陶瓷基板的钎焊材料或焊料的脱气，而在檐部分容易储存气泡。并且，陶瓷基板的下侧的气泡从上方通过目视检查无法发现，在市场上的使用中绝缘性降低。

为了抑制局部放电，想到使基板下表面的下表面电极与上表面电极相比向外侧延长。但是，由于上表面电极和下表面电极的不平衡，所以如果施加温度循环则对陶瓷板施加应力。如果该应力超过陶瓷基板的弯曲强度，则陶瓷基板破裂，绝缘性受损。其结果，存在可靠性降低的问题。

技术实现要素：

本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于，得到能够防止可靠性的降低的半导体模块、其制造方法以及电力变换装置。

本发明涉及的半导体模块具备：基座板；陶瓷基板，其设置于所述基座板之上；下表面电极，其设置于所述陶瓷基板的下表面，与所述基座板接合；上表面电极，其设置于所述陶瓷基板的上表面；半导体芯片，其与所述上表面电极接合；导电薄膜，其在所述陶瓷基板的下表面，与所述下表面电极相比设置于外侧，与所述下表面电极连接，比所述下表面电极薄；以及绝缘树脂，其对所述陶瓷基板、所述下表面电极、所述上表面电极、所述半导体芯片以及所述导电薄膜进行封装，从所述下表面电极的外周至所述陶瓷基板的外周为止的长度，与从所述上表面电极的外周至所述陶瓷基板的外周为止的长度相同，所述导电薄膜的厚度小于或等于所述陶瓷基板的厚度的一半。

发明的效果

在本发明中，将从下表面电极的外周至陶瓷基板的外周为止的长度，设为与从上表面电极的外周至陶瓷基板的外周为止的长度相同。

由此，减少了对陶瓷基板的应力。另外，导电薄膜在陶瓷基板的下表面，与下表面电极相比设置于外侧，与下表面电极连接。由于基座板和导电薄膜为相同电位，所以在绝缘树脂之中产生的气泡不分担电位，因此，在该部位不产生局部放电。因此，即使产生气泡，也能够将局部放电的产生开始电压保持得较高。另外，导电薄膜的厚度小于或等于陶瓷基板厚度的一半。即使设置这样薄的导电薄膜也不影响对陶瓷基板的应力，因此，能够防止在温度循环时的陶瓷基板的破裂。其结果，能够防止可靠性的降低。

附图说明

图1是表示实施方式1涉及的半导体模块的剖面图。

图2是表示对比例涉及的半导体模块的剖面图。

图3是表示实施方式2涉及的半导体模块的剖面图。

图4是表示电力变换系统的结构的框图，在该电力变换系统中应用了实施方式3涉及的电力变换装置。

标号的说明

1基座板，2陶瓷基板，3下表面电极，4、5上表面电极，7导电薄膜，8、9半导体芯片，16绝缘树脂，200电力变换装置，201主变换电路，202半导体装置，203控制电路

具体实施方式

参照附图，对实施方式涉及的半导体模块、其制造方法以及电力变换装置进行说明。对相同或相应的结构要素，标注相同的标号，有时省略重复说明。

实施方式1.

图1是表示实施方式1涉及的半导体模块的剖面图。在冷却用基座板1之上设置有陶瓷基板2。陶瓷基板2是例如由氮化硅或氮化铝等构成的，其厚度为200μm至1.2mm。

下表面电极3通过ag等钎焊材料等与陶瓷基板2的下表面接合，上表面电极4、5通过ag等钎焊材料等与陶瓷基板2的上表面接合。通过照相制版而形成期望的图案，通过使用了酸等蚀刻液的选择性蚀刻而对上表面电极4、5进行图案化。下表面电极3以及上表面电极4、5由铜等金属构成。下表面电极3通过焊料6与基座板1接合。基板上表面的上表面电极4、5为了流过大电流而需要200至500μm左右的厚度。为了缓和陶瓷基板2的应力以及减少翘曲，基板下表面的下表面电极3也需要同样的厚度。

比下表面电极3薄的导电薄膜7在陶瓷基板2的下表面与下表面电极3相比设置于外侧，与下表面电极3连接。导电薄膜7以例如4至6μm薄的厚度由无电解镍镀层等形成，以使得对于陶瓷基板2成为足够低的应力。此外，在陶瓷基板2的上表面，在上表面电极4、5的外侧没有设置导电薄膜7等其它的导电膜。

从下表面电极3的外周至陶瓷基板2的外周为止的长度，与从上表面电极4、5的外周至陶瓷基板2的外周为止的长度相同。因此，下表面电极3的外周部的形状和上表面电极4、5的外周部的形状大致相同。从下表面电极3的外周至导电薄膜7的外周为止的长度b大于或等于从下表面电极3的外周至陶瓷基板2的外周为止的长度a的1/3(b≥1/3×a)。

半导体芯片8、9通过焊料10与上表面电极4接合。半导体芯片8是igbt，半导体芯片9是续流二极管。半导体芯片8、9的上表面通过铝导线11与上表面电极5超声波接合。

一体成型有电极12的树脂壳体13通过硅酮粘接剂14与基座板1接合。电极12通过焊料15与上表面电极5接合。硅凝胶等绝缘树脂16在减压环境气氛中向树脂壳体13内注入，通过热处理而硬化。由此，绝缘树脂16将陶瓷基板2、下表面电极3、上表面电极4、5、半导体芯片8、9以及导电薄膜7进行封装。

接下来，与对比例进行对比而对本实施方式的效果进行说明。图2是表示对比例涉及的半导体模块的剖面图。在对比例中不存在导电薄膜7。在组装工序中，在陶瓷基板2和基座板1之间在绝缘树脂16之中产生了气泡17的情况下，即使是低的施加电压也产生局部放电。

为了抑制局部放电，还想到使基板下表面的下表面电极3与上表面电极4、5相比向外侧延长。但是，由于上表面电极和下表面电极的不平衡，所以如果施加温度循环则向陶瓷基板2施加应力。如果该应力超过陶瓷基板2的弯曲强度，则陶瓷基板2破裂，绝缘性受损。例如，在陶瓷基板2是厚度600μm的氮化铝基板，下表面电极3以及上表面电极4、5是厚度500μm左右的铜板的情况下，如果使下表面电极3的外周相对于上表面电极4、5的外周偏移1至2mm，则与无偏移的情况相比，对陶瓷基板2的应力增加30％至40％。

因此，在本实施方式中，将从下表面电极3的外周至陶瓷基板2的外周为止的长度，设为与从上表面电极4、5的外周至陶瓷基板2的外周为止的长度相同。由此，使对陶瓷基板2的应力减小。

另外，导电薄膜7在陶瓷基板2的下表面与下表面电极3相比设置于外侧，与下表面电极3连接。由于基座板1和导电薄膜7为相同电位，所以在绝缘树脂16中产生的气泡17不分担电位，因此，在该部位不产生局部放电。因此，即使产生气泡17，也能够将局部放电的产生开始电压保持得较高。

另外，导电薄膜7的厚度越薄，对陶瓷基板2的应力越降低。因此，在本实施方式中，将导电薄膜7的厚度设为小于或等于陶瓷基板2的厚度的一半。即使设置这样薄的导电薄膜7，也不影响对陶瓷基板2的应力，因此，能够防止在温度循环时的陶瓷基板2的破裂。其结果，能够防止可靠性的降低。

另外，陶瓷基板2的下侧的气泡17从将下表面电极3和基座板1进行接合的焊料6、将下表面电极3和陶瓷基板2进行接合的钎焊材料产生的情况多。该气泡17在绝缘树脂16内朝向陶瓷基板2的外周移动。因此，将从下表面电极3的外周至导电薄膜7的外周为止的长度b设为大于或等于从下表面电极3的外周至陶瓷基板2的外周为止的长度a的1/3。由此，在陶瓷基板2的下侧，导电薄膜7能够涵盖全部容易残存气泡17的区域，因此，能够抑制局部放电。

实施方式2.

图3是表示实施方式2涉及的半导体模块的剖面图。为了确保在后续工序中需要的焊料附着性，在下表面电极3和上表面电极4、5的表面选择性地形成无电解镍镀层18。此时，在陶瓷基板2的下表面也形成无电解镍镀层18，通过将其图案化，从而能够形成导电薄膜7。除此之外，能够得到与实施方式1相同的效果。

此外，导电薄膜7不限于无电解镍镀层，也可以使用电子束蒸镀或溅射装置而形成镍、锡或焊料等金属。在这种情况下，在向电子束蒸镀装置设置工件的情况下，使用预先由金属等制成的被图案化后的掩模而选择性地形成导电薄膜7。因此，能够不使用照相制版等工序而廉价地形成导电薄膜7。

另外，也可以通过使得用于将下表面电极3接合至陶瓷基板2的下表面处的钎焊材料延长，图案化成期望的形状，从而形成导电薄膜7。由此，能够不追加新的工序而选择性地形成导电薄膜7。另外，如果是薄的钎焊材料，则也能够抑制对陶瓷基板2的过大的应力，因此，能够原样地利用通常的金属化基板的制造工序，能够不使用追加的工序而廉价地制造半导体模块。

另外，也可以通过使用冷喷涂技术将镍、铝或铜等金属形成为期望的形状，从而形成导电薄膜7。通过使用冷喷涂技术，从而能够在空气中加工，通过使用预先准备的金属或陶瓷等的掩模等，从而能够选择性地形成导电薄膜7，因此，能够比较廉价地制造半导体模块。

另外，也可以通过使用等离子cvd装置对氮化硅层等半导电膜进行成膜，从而形成导电薄膜7。通过控制氮化硅膜的氨流量，从而能够控制在施加了高电压的情况下的导电薄膜7的导电率。另外，通过沉积膜厚，也能够控制导电薄膜7的导电率。因此，能够对从下表面电极3至基座板1之间的电位分担进行控制，因此，还能够控制上表面电极4、5和下表面电极3之间的电场强度，能够调整局部放电开始电压。另外，通过使用预先准备的金属或陶瓷等的掩模等，从而能够选择性地形成导电薄膜7，因此，能够比较廉价地制造半导体模块。

另外，也可以通过使用cvd装置等对掺杂了杂质的多晶硅膜等进行成膜，从而形成导电薄膜7。能够通过杂质浓度和沉积膜厚来控制导电薄膜7的电阻值。因此，能够控制从下表面电极3至基座板1之间的电位分担，因此，还能够控制上表面电极4、5和下表面电极3之间的电场强度，能够调整局部放电开始电压。另外，通过使用预先准备的金属或陶瓷等的掩模等，从而能够选择性地形成导电薄膜7，因此，能够比较廉价地制造半导体模块。

此外，半导体芯片8、9不限于由硅形成，也可以由与硅相比带隙大的宽带隙半导体形成。宽带隙半导体例如是碳化硅、氮化镓类材料或者金刚石。由上述宽带隙半导体形成的半导体芯片，由于耐电压性、容许电流密度高，所以能够小型化。通过使用该小型化的半导体芯片，从而能够使组装有该半导体芯片的半导体模块也小型化、高集成化。另外，由于半导体芯片的耐热性高，所以能够使散热器的散热鳍片小型化，能够将水冷部空冷化，因此能够进一步将半导体模块小型化。另外，由于半导体芯片的电力损耗低且高效，因此能够使半导体模块高效化。此外，虽然期望半导体芯片8、9这两者由宽带隙半导体形成，但也可以是某一者由宽带隙半导体形成，能够得到实施方式1、2所记载的效果。

实施方式3.

本实施方式是将上述实施方式1或2所涉及的半导体模块应用于电力变换装置。电力变换装置例如是逆变器装置、转换器装置、伺服放大器、电源单元等。本发明不限定于特定的电力变换装置，但以下，对将本发明应用于三相逆变器的情况进行说明。

图4是表示电力变换系统的结构的框图，在该电力变换系统中应用了实施方式3涉及的电力变换装置。该电力变换系统具备电源100、电力变换装置200、负载300。电源100是直流电源，向电力变换装置200供给直流电力。电源100能够由各种电源构成，例如，能够由直流系统、太阳能电池、蓄电池构成，也可以由与交流系统连接的整流电路或ac/dc转换器构成。另外，也可以使电源100由将从直流系统输出的直流电力变换为规定的电力的dc/dc转换器构成。

电力变换装置200是连接在电源100和负载300之间的三相逆变器，将从电源100供给的直流电力变换为交流电力，向负载300供给交流电力。电力变换装置200具备：主变换电路201，其将直流电力变换为交流电力而输出；以及控制电路203，其将对主变换电路201进行控制的控制信号向主变换电路201输出。

负载300是由从电力变换装置200供给的交流电力进行驱动的三相电动机。此外，负载300不限定于特定的用途，是搭载于各种电气设备的电动机，例如，用作面向混合动力汽车、电动汽车、铁路车辆、电梯或者空调设备的电动机。

以下，对电力变换装置200详细地进行说明。主变换电路201具备开关元件和续流二极管(未图示)，通过使开关元件进行通断，从而将从电源100供给的直流电力变换为交流电力，向负载300供给。主变换电路201的具体的电路结构存在各种结构，但本实施方式涉及的主变换电路201是两电平的三相全桥电路，能够由6个开关元件和与各个开关元件逆并联的6个续流二极管构成。主变换电路201的各开关元件和各续流二极管由与上述实施方式1～4中的任意者相当的半导体装置202构成。6个开关元件两个两个地串联连接而构成上下桥臂，各上下桥臂构成全桥电路的各相(u相、v相、w相)。并且，各上下桥臂的输出端子即主变换电路201的3个输出端子与负载300连接。

另外，主变换电路201具备对各开关元件进行驱动的驱动电路(未图示)，但驱动电路既可以内置于半导体装置202，也可以是独立于半导体装置202而另外具有驱动电路的结构。驱动电路生成对主变换电路201的开关元件进行驱动的驱动信号，供给至主变换电路201的开关元件的控制电极。具体地说，按照来自后述的控制电路203的控制信号，向各开关元件的控制电极输出将开关元件设为接通状态的驱动信号和将开关元件设为断开状态的驱动信号。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号是大于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(接通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号成为小于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(断开信号)。

控制电路203对主变换电路201的开关元件进行控制，以向负载300供给期望的电力。具体地说，基于应向负载300供给的电力，对主变换电路201的各开关元件应成为接通状态的时间(接通时间)进行计算。例如，能够通过与应输出的电压相对应地对开关元件的接通时间进行调制的pwm控制，对主变换电路201进行控制。并且，向主变换电路201所具备的驱动电路输出控制指令(控制信号)，以在各时刻向应成为接通状态的开关元件输出接通信号，向应成为断开状态的开关元件输出断开信号。驱动电路按照该控制信号，将接通信号或者断开信号作为驱动信号而向各开关元件的控制电极输出。

在本实施方式涉及的电力变换装置中，作为半导体装置202而应用实施方式1或2涉及的半导体模块，因此，能够防止可靠性的降低。

在本实施方式中，对在两电平的三相逆变器应用本发明的例子进行了说明，但本发明不限定于此，能够应用于各种电力变换装置。在本实施方式中，采用了两电平的电力变换装置，但也可以是三电平或多电平的电力变换装置，在向单相负载供给电力的情况下，也可以向单相逆变器应用本发明。另外，在向直流负载等供给电力的情况下，也能够向dc/dc转换器或者ac/dc转换器应用本发明。

另外，应用了本发明的电力变换装置不限定于上述的负载为电动机的情况，例如，还能够用作放电加工机、激光加工机、或感应加热烹调器、非接触器供电系统的电源装置，并且，也能够用作太阳能发电系统或蓄电系统等的功率调节器。