CN100382288C - 具有冷却系统的半导体装置 - Google Patents

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CN100382288C CNB2004100631804A CN200410063180A CN100382288C CN 100382288 C CN100382288 C CN 100382288C CN B2004100631804 A CNB2004100631804 A CN B2004100631804A CN 200410063180 A CN200410063180 A CN 200410063180A CN 100382288 C CN100382288 C CN 100382288C
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Abstract

半导体装置具有半导体模块和冷却部件。半导体模块包括具有平坦形状的功率器件、结合到第一器件表面的第一电极、结合到第二器件表面的第二电极、连接到器件控制电路的第一端子、连接到器件驱动电路的第二端子、以及使器件、第一电极、第二电极、第一端子以及第二端子成一体的模制树脂。模制树脂形成得使第一电极面和第二电极面露出。冷却部件通过绝缘部件夹持半导体模块。半导体装置具有与模制树脂的第一树脂面共平面的第一电极的第一电极面，和/或与模制树脂的第二树脂面共平面的第二电极的第二电极面。

Description

具有冷却系统的半导体装置
技术领域
本发明涉及安装在车辆上用于功率控制的半导体装置。
背景技术
通常，如电动车辆和电动混合车辆的车辆配制得使用逆变器通过将来自电池的直流电转换成交流电的DC到AC转换驱动随车携带的电动机。逆变器包括多个半导体模块。每个半导体模块具有一个或多个半导体器件、半导体器件两面上的一对电极板、以及将半导体模块连接到外部控制电路和驱动电路的连接端子。在半导体器件的工作期间，半导体模块因半导体器件而产生热。要克服该问题，现已提出多种方法以抑制产生热(例如，日本专利首次公开No.2001-320005和日本专利首次公开No.2002-95267)。
在日本专利首次公开No.2001-320005中介绍的半导体装置夹在一对冷却管之间，在冷却管内流动有冷却剂。此外，绝缘部件和/或柔软的导热材料插在半导体模块和冷却管之间，通过将压力施加到绝缘部件和柔软的导热材料，提高了半导体模块的冷却性能。
另一方面，对于日本专利首次公开No.2002-95267中介绍的电冷却装置，半导体的一对电极板穿过金属部件或绝缘板夹在一对冷却管之间，金属部件或绝缘板具有的线性的热膨胀系数接近半导体的热膨胀系数。因此，可以避免半导体器件和/或绝缘板的面内破裂并提高了冷却性能。
根据日本专利首次公开No.2001-320005和日本专利首次公开No.2002-95267中介绍的半导体装置，施加到半导体器件的两面上一对电极板的表面方向的应力取决于半导体模块的加热和冷却而变化。例如，为良好导热材料的铝通常用于制造冷却管。然而，铝的线性热膨胀系数大于半导体模块和如绝缘板的陶瓷的热膨胀系数。由于夹持半导体模块的冷却管用例如钢制成的贯穿螺栓固定，因此通过半导体模块的加热或冷却增加了施加到位于被冷却管夹持的两个电极板之间半导体器件的应力。和日本专利首次公开No.2001-320005中的情况一样，如果半导体模块被制模，由于模制树脂的线性热膨胀系数大于金属的线性热膨胀系数，那么模制树脂的一部分增加了将电极板压向冷却管的力量。由此，例如通过加热和冷却，增加了施加到半导体器件的重复应力，由此降低了半导体器件的寿命。
作为克服以上问题的措施，如果降低停止车辆停止时施加到电极板的初始设置，那么固定半导体模块的力量也降低。此外，当车辆移动时，逆变器处于振动环境中，因此当半导体器件产生的热引起的模制树脂膨胀仍然很小时，松弛地固定的半导体模块的振动增加。那么，将半导体模块连接到外部控制电路和驱动电路的连接端子变形，由此造成端子之间短路或线断裂。增加硬度和/或设置缓冲弯曲可以是解决该问题的措施。然而，这些额外地增加了半导体单元的制造成本。
在无制模的半导体模块的情况中，如日本专利首次公开No.2002-95267中介绍的，由于半导体模块的振动，在半导体器件和外部连接端子之间的结合部分(例如，与焊料的结合部分)处，应力增加的问题倍增，由此降低了可靠性。
发明内容
考虑到背景技术中的以上问题完成了本发明。因此本发明的一个目的是提供一种安装在车辆上低成本和高可靠性的半导体装置。
根据本发明的第一个特征，本发明的半导体装置具有半导体模块和冷却部件。半导体模块包括基本上平坦形成的功率半导体器件，结合到功率半导体器件的一面(第一面)的第一电极板，结合到功率半导体器件的另一面(第二面)的第二电极板，电连接到用于控制功率半导体器件的控制电路的第一连接端子，电连接到用于驱动功率半导体器件的驱动电路的第二连接端子，以及使功率半导体器件、第一电极板、第二电极板、第一连接端子、以及第二连接端子成一体的模制树脂。模制树脂形成得使模制树脂没有覆盖第一电极板的第一电极面和第二电极板的第二电极面。半导体模块的形状基本上平坦。冷却部件穿过绝缘部件夹持半导体模块。也就是，冷却部件位于平面形半导体模块的两面上。
本发明的特有配置是设置第一电极板的第一电极面和/或第二电极板的第二电极面以使第一电极面与模制树脂的第一树脂面共平面，和/或第二电极面与模制树脂的第二树脂面共平面。要形成与第一树脂面共平面的第一电极面，意味着第一电极面与第一树脂面位于相同平面内，第一电极面为暴露到以上提到的半导体模块的一面的第一电极板的表面，第一树脂面为暴露到所述半导体模块的一面的以上提到的模制树脂的表面。要形成与第二树脂面共平面的第二电极面，意味着第二电极面与第二树脂面位于相同平面内，第二电极面为暴露到以上提到的半导体模块的另一面的第二电极板的表面，第二树脂面为暴露到半导体模块的另一面的以上提到的模制树脂的表面。
在组成半导体模块的所有部件中具有最大线性热膨胀系数的模制树脂膨胀到当在半导体器件中产生热时会产生应力施加到半导体模块的方向。但是应力被膨胀的模制树脂吸收。因此，第一电极板、第二电极板以及结合到电极板的半导体器件没有直接吸收应力。由此，可以防止由重复的应力造成的半导体器件的寿命缩短。此外，可以可靠地固定半导体模块。当然不存在由于如增加硬度或更复杂结构等抗振动措施造成的额外成本。通过使第一电极面与第一树脂面共平面，或者使第二电极面与第二树脂面共平面，可以获得以上介绍的优越于现有技术的优点。如果采用了这两种设置，也就是，如果第一电极面与第一树脂面共平面且第二电极面同样与第二树脂面共平面，那么可以获得更多的优点。
根据本发明的第二个特征，当半导体器件工作时，模制树脂的第一树脂面构形得伸出第一电极板的第一电极面，和/或模制树脂的第二树脂面构形得伸出第二电极板的第二电极面，由此可以确保优点的效果。
根据本发明的第三个特征，特别地构形模制树脂以环绕第一电极板的第一电极面和/或第二电极板的第二电极面的所有周边，因此当半导体器件工作产生热时，半导体模块被具有较大应力区的膨胀模制树脂牢固地固定。
根据本发明的第四个特征，导热材料至少粘在第一电极板的第一电极面上，并且也在第一电极板的至少第一电极面的第一连接端子和第二连接端子处的模制树脂上形成第一槽。通常，热脂(thermal grease)(即，导热材料)填充在电极和绝缘部件之间，用于增加导热性。热脂例如为银颗粒膏，其为导电材料并且由于导电材料具有高的导热率因此具有比氧化锌或铝颗粒优越的散热性。然而，由于以下原因通常导热材料不用做热脂。绝缘部件压向半导体模块将脂的厚度降低到尽可能地薄，以减小脂的热阻。因此，脂被推向电极板的周围。然后，如果使用了导电热脂，那么通过热脂会造成电极板和半导体模块的连接端子之间短路。即使脂没有接触半导体模块的连接端子，当漏出的脂和连接端子之间的距离很小时，同样会发生短路，也就是，当绝缘的漏电(creepage)距离不够时，通过施加高电压，在半导体模块的表面上逐渐形成导电路径，称做“漏电痕迹”(tracking)。
然而，由于根据本发明第一槽形成在模制树脂的第一树脂面上，因此可以防止粘在第一电极板上的导热材料泄露到第一连接端子和第二连接端子。这是由于导热材料粘在第一电极板上，然后从那里泄露并留在第一槽中。例如，如果第一连接端子和第二连接端子延伸到相同方向，那么至少在第一电极板的第一电极面与第一和第二连接端子之间应该形成至少第一槽。另一方面，如果第一连接端子和第二连接端子相对于第一电极板在彼此相反方向延伸，那么在第一电极板和第一连接端子之间，以及同样第一电极板和第二连接端子之间应该形成至少第一槽。此时，第一槽被分成基本上相互平行且与第一电极面共平面的两个分开槽。第一槽不限于直线形。同样可以为弯曲槽。
根据本发明的第五个特征，进而，导热材料粘在第二电极板的至少第二电极面，同样第二槽形成在模制树脂上的至少第二电极板的第二电机面的第一连接端子和第二连接端子上。通过第二槽，可以防止粘在第二电极板的导热材料以和第一槽的相同方式泄露到第一连接端子和第二连接端子。这是由于导热材料粘在第二电极板上，然后从那里泄露留在第二槽中。例如，如果第一连接端子和第二连接端子延伸到相同方向，那么至少在第二电极板的第二电极面与第一和第二连接端子之间应该形成第二槽。另一方面，如果第一连接端子和第二连接端子相对于第二电极板在彼此相反方向延伸，那么至少在第二电极板和第一连接端子之间，以及第二电极板和第二连接端子之间应该形成第二槽。此时，第二槽被分成基本上相互平行且与第二电极面共平面的两个分开槽。第二槽不限于直线形。同样可以为弯曲槽。
根据本发明的第六个特征，第一槽的特征在于形成得环绕第一电极板的第一电极面的整个周边。采用该特征，可以防止导热材料泄露到模制树脂的第一树脂面上的第一槽外部。由此，可以防止粘在第一电极面的导热材料泄露到第一连接端子和第二连接端子造成故障。
此外，根据本发明的第七个特征，第二槽的特征在于形成得环绕第二电极板的第二电极面的整个周边。采用该特征，可以防止导热材料泄露到模制树脂的第二树脂面上的第二槽外部。由此，可以防止粘在第二电极面的导热材料泄露到第一连接端子和第二连接端子造成故障。
根据本发明的第八个特征，导热材料的特征在于由导电材料制成。如上所述，很难使用导电材料作为导热材料。然而，即使由导电材料制成的导热材料粘在第一电极板的第一电极面上，当第一槽形成在第一树脂面上时，可以避免第一电极板和电极端子之间的短路。同样，即使由导电材料制成的导热材料粘在第二电极板的第二电极面上，当第二槽形成在第二树脂面上时，可以防止第二电极板和电极端子之间的短路。因此，如上所述可以使用由导电材料制成导热性和以前相比更好的材料。由此，半导体模块可以有效地散热。
根据本发明的第九特征，半导体模块的第一模块表面和第二模块表面(平面形状的半导体模块的两个平面)特征在于基本上相互平行。由此，可以确保面向冷却部件对的足够应力区，冷却部件对设置得面向半导体模块的两个平面。那么可以充分固定半导体模块。以上的单词“基本上平行”意味着半导体模块的两个平面之间的平行度保持在0.4mm内。希望低于0.2mm的平行度。低于0.1mm的平行度显著降低了应力。平行度定义为具有特定的间隔距离并在考虑的特征的表面的线素必须保持的范围内平行于基准面的两个平行面。(JIS B0021：1998，ISO/DIS1101-1：96 IDT)。因此，如果表面的线素位于具有Lmm的间隔距离并平行于基准面或者理想平面的两个虚平面之间，那么表面的平行度为Lmm。
根据本发明的第十个特征，半导体装置包括多个半导体模块，限定在所述第一模块表面和所述第二模块表面之间(即，所述两个平面之间的距离)，具有基本上相同厚度，并且夹在一对冷却部件之间。采用以上配置，可以确保多个半导体模块和冷却部件之间足够的应力区域。因而，可以充分地固定多个半导体模块。以上的单词“基本上相同厚度”是指例如每个半导体模块与多个半导体模块的平均值的厚度误差在±2％之内。对于实际值，希望厚度公差低于±0.05mm。
根据本发明的第十一个特征，半导体装置的特征在于配置得半导体装置包括驱动相同相的多个半导体模块，并且模制树脂使功率半导体器件、第一电极板、第二电极板、第一连接端子以及第二连接端子成为一体。由此，可以简化制造工艺同时获得了充分的固定，从而降低了制造成本。
根据本发明的第十二个特征，冷却部件的特征在于冷却管具有流动有冷却剂的流动路径。因此，抑制了半导体模块的温度升高，延长了半导体器件的寿命。
根据本发明的第十三个特征，冷却部件的特征还在于由铝制成。因此，有效地冷却了半导体模块。
根据本发明的第十四个特征，半导体装置的特征在于配置得半导体装置包括多个半导体模块和多个冷却部件，并且半导体模块和冷却部件相互叠置。因此，可以有效地冷却半导体模块，可以确保可靠地固定半导体模块。此外，例如，由于采用冷却部件的两个表面有效地吸收热，因此降低了半导体装置的部件数量，由此降低了制造成本。
附图说明
从下面给出的详细说明中以及本发明的优选实施例的附图中可以更充分地理解本发明，然而所述说明不应将本发明局限于具体的实施例，而是仅为解释和理解的目的。
在附图中：
图1是第一实施例的半导体模块的透视图；
图2是第一实施例的半导体装置的剖面图；
图3是工作发热时第一实施例的半导体模块的部分剖面图；
图4是背景技术的半导体装置的剖面图；
图5是第二实施例的半导体模块的透视图；
图6是第二实施例的半导体装置的剖面图；
图7示出了包括第一实施例的半导体模块的逆变电路的方框图；
图8为第三实施例的半导体装置的剖面图；
图9为其它改型中的一个的半导体模块的透视图；
图10为第三实施例的一个改型的半导体模块的剖面图；
图11为第二实施例的一个改型的半导体模块的透视图；
图12为由多组功率半导体器件组成的半导体模块的透视图。
优选实施例的说明
(第一实施例)
参考图1到3，下面介绍本发明的第一实施例。
参考图1和图2介绍第一实施例的半导体单元SU的一个设置。图1为放置在第一实施例的半导体装置SU中的半导体模块的透视图。图2示出了第一实施例的半导体装置SU的剖面图。
如图1和图2所示，半导体装置SU包括半导体模块1、绝缘部件5以及冷却管(冷却部件)6。半导体模块1具有支撑半导体器件的半导体器件和电极板。半导体器件包括第一半导体器件10和第二半导体器件11。电极板具有夹持半导体器件的一对电极板2和3。具体地，半导体模块1包括第一半导体器件10、第二半导体器件11、上电极板2(第一电极板)、下电极板3(第二电极板)、上驱动电极端子20(第一连接端子)、下驱动电极端子30(第二连接端子)、控制电极端子(第一连接端子)、键合线120以及模制树脂4。半导体模块1总体上具有基本上平面的形状。
第一半导体器件10例如为大功率IGBT。第二半导体器件11例如为续流二极管(flywheel diode)。上电极板2为用例如焊料结合到第一半导体器件10和第二半导体器件11上面的电极板。下电极板3为用例如焊料结合到第一半导体器件10和第二半导体器件11下面的电极板。从上电极板2延伸出的上驱动电极端子20电连接到驱动第一半导体器件10和第二半导体器件11的驱动电路。从下电极板3延伸出的下驱动电极端子30也电连接到驱动第一半导体器件10和第二半导体器件11的驱动电路。控制电极端子12电连接到用于控制第一半导体器件10的控制电路(未示出)。键合线120是电连接第一半导体器件10和控制电极端子12的信号线。模制树脂4使第一半导体器件10、第二半导体器件11、上电极板2、下电极板3、上驱动电极端子20、下驱动电极端子30、控制电极端子12以及键合线120成一体中。然而，露出上电极板2的第一电极表面(上表面)和下电极板3的第二电极表面(下表面)。
如图2所示，平面的半导体模块1的上平面(上平面或第一模块表面)包括上电极板2的露出的第一电极面和环绕上电极2的模制树脂4的第一树脂面。在半导体模块1的制造工艺中，上电极板2的上部露出面构形得基本上与模制树脂4的上树脂面共平面。另一方面，平面半导体模块1的下平面(下面的平面，即第二模块表面)包括下电极板3的下部露出面(第二电极面)和环绕并包围下电极板3的模制树脂4的下树脂面(第二树脂面)。在半导体模块1的制造工艺中，下电极板3的下部露出面构形得基本上与模制树脂4的下树脂面共平面。要使上电极板2的上部露出面基本上与模制树脂4的上树脂面共平面，并且要使下电极板3的下部露出面基本上与模制树脂4的下树脂面共平面，通过仅精确地调节模具或者通过制模之后切掉过量的树脂可以实现。
在半导体1的两个平行表面中，至少在半导体器件的两个相对面和电极上存在模制树脂4。在本实施例中，模制树脂4形成得整体环绕半导体10和11以及电极板2和3的周边。也就是，模制树脂4存在于半导体10和11以及电极板2和3的左面、右面和背面。多个控制电极端子12和驱动电极端子20和30分布在半导体模块1的周边上。在本实施例中，多个端子分布在半导体模块1的左面和右面上或者前面和后面上。具体地，上驱动电极端子20和下驱动电极端子30排列得延伸到半导体模块1的一面。另一方面，控制电极端子12设置得延伸到半导体模块1的另一面。也就是，两个驱动电极端子20和30的延伸方向与控制电极端子12的方向相反。
排列一对绝缘部件5以面向半导体模块1的上平面(第一模块表面)和下平面(第二模块表面)。也就是，半导体模块1夹在一对绝缘部件5之间。绝缘部件5为例如氮化铝或氮化硅制成的板或膜制成。
少量的热脂GR(导热材料)施加在上电极板2的上部露出面和下电极板3的下部露出面上。通过热脂GR提高散热。例如，不导电的氧化锌和/或氧化铝颗粒用做热脂GR的材料。下面介绍使用不导电材料的原因。如果使用导电脂，并且如果脂从半导体模块1和绝缘部件5之间的缝隙泄露出，那么在上和下电极板2和3中的至少一个、上驱动电极端子20和下驱动电极端子30中的至少一个、以及控制电极端子12之间造成短路。因此，为避免短路，使用非导电的材料作为热脂GR。
一对冷却管6排列得经过绝缘部件5的中间物面向半导体模块1的上平面(第一模块表面)和下平面(第二模块表面)。也就是，半导体模块1和绝缘部件5被一对冷却管6夹在其中。冷却管6具有冷却流动路径60，如水的冷却剂穿过该路径。冷却管由如铝等的具有良好导热性的金属材料制成。
图2为本实施例中半导体装置SU的分解剖面图。它示出了半导体模块1、一对绝缘部件5、一对冷却管6的剖面图。如图所示，绝缘部件5放置在半导体模块1的表面的两侧。绝缘部件5紧密接触半导体模块1的表面。热脂GR可以施加在半导体模块1和绝缘部件之间的表面上。此外，上冷却管6紧密接触上绝缘部件5的上表面。下冷却管6也紧密接触下绝缘部件5的下表面。例如使用在两个冷却管6之间具有预定空间的螺栓预先固定一对冷却管。冷却管6对形成的空间具有一个高度和其内包括一对绝缘部件5和半导体模块1的区域。构形一对冷却管6之间的空间以便冷却管6对、绝缘部件6对以及半导体模块1相互紧密接触。在图2中，一对绝缘部件5和半导体模块1被一对冷却管6夹持并用恒定的压力固定。在图2中，一对箭头F示出了一对冷却管6的应力方向。
接下来，介绍当第一半导体器件10和第二半导体器件11产生热时如上排列的半导体装置SU的操作。图3示出了当半导体模块1产生热时半导体模块1的部分剖面图。
如图2所示，在半导体模块1的制造工艺中，上电极板2的上部露出面和模制树脂4的上树脂面构形得基本上相互共平面，下电极板3的下部露出面和模制树脂4的下树脂面也形成得基本上相互共平面。如果第一半导体器件10和第二半导体器件11切换到ON，由此第二半导体器件11产生热，热传送到上电极板2、下电极板3以及模制树脂4。模制树脂4的线性热膨胀系数大于电极板2和3的。因此，如图3所示，与电极板2和3相比，模制树脂4在半导体模块1的厚度方向(垂直于图2中半导体模块1表面的方向)膨胀得更多。半导体器件10和11的热量同样穿过上电极板2、下电极板3以及模制树脂4传送到铝制成的冷却管6。
当半导体模块1工作时，产生的热使半导体模块1和冷却管6膨胀导致应力，该应力被半导体模块1的膨胀的模制树脂4吸收。由此，上电极板2和下电极板3基本上没有应力。由此，直接结合到电极板2和3的第一半导体器件10和第二半导体器件11同样基本上无应力。因此，可以防止第一半导体器件10和第二半导体器件11由它们自身产生的热引起的重复应力造成的退化，并且可以充分固定半导体模块1。而且，不存在用于如增加硬度或更复杂结构等抗振动措施的额外成本。如果半导体模块1的两个平面的平行度变好，那么由于模制树脂4膨胀时确保了足够的应力区，因此可以进一步提高抗振动性能。
为了参考，下面介绍现有技术的半导体装置。图4示出了相关半导体装置的剖面图。本发明中共同的部件在本发明中具有相同的参考数字。
半导体模块1a包括第一半导体器件10、第二半导体器件11、上电极板2a、下电极板3a、上驱动电极端子20、下驱动电极端子30、控制电极端子12、键合线120以及模制树脂4a。半导体模块1a总体具有基本上平面的形状。上电极板2a的露出面不与上模制树脂4a的树脂面共平面，而是从上模制树脂4a的树脂面向上伸出一些。同样，下电极板3a的露出面不与下模制树脂4a的树脂面共平面，而是从下模制树脂4a的树脂面向下伸出一些。
下面介绍当如上构形的半导体装置10和11工作并从而产生热时半导体器件10和11的特性。半导体器件10和11的热使半导体模块1a膨胀。铝冷却管6同样膨胀。源自膨胀的应力直接施加在上电极板2a和下电极板3a上。力施加在半导体器件10和11上，而半导体器件10和11夹在上电极板2a和下电极板3a之间。换句话说，在本发明中与模制树脂4吸收应力不同，模制树脂4没有吸收应力。由此，在相关技术中，源自半导体器件10和11的加热和冷却的重复应力使半导体器件10和11的寿命变短。
相反，在第一实施例中，当半导体模块1工作时，产生的热使半导体模块1和冷却管6都膨胀，产生应力被半导体模块1的膨胀的模制树脂4吸收。由此，上和下电极板2和3基本上没有应力，造成第一和第二半导体器件10和11同样没有应力。因此，可以防止第一和第二半导体器件10和11由于自身的产生的热引起的重复应力造成的退化，并且同样充分地固定半导体模块1。因此可以提供安装在车辆上低成本和高可靠性的半导体装置。
(第二实施例)
下面参考图5和图6介绍根据本发明第二实施例的半导体装置SU。图5是放置在第二实施例中的半导体装置SU内的半导体模块的透视图，而图6示出了半导体装置SU的分解剖面图。在本实施例中，为简化说明，与第一实施例中相同或类似的部件用与第一实施例相同的数字表示，由此不再进行介绍。
如图5和图6所示，半导体装置SU具有半导体模块7、绝缘部件5以及冷却管6。半导体模块7包括第一半导体器件10、第二半导体器件11、上电极板2、下电极板3、上驱动电极端子20、下驱动电极端子30、控制电极端子12、键合线120以及模制树脂8。半导体模块7总体具有基本上平面的形状。
模制树脂8使第一半导体器件10、第二半导体器件11、上电极板2、下电极板3、上驱动电极端子20、下驱动电极端子30、控制电极端子12以及键合线120成一体。然而，上电极板2的上表面(第一电极表面)和下电极板3的下表面(第二电极表面)没有被模制树脂8覆盖。模制树脂8形成得整体环绕并包围半导体器件10和11以及电极板2和3。也就是，模制树脂8形成在半导体器件10和11以及电极板2和3的右面、左面、正面和背面上。
在半导体模块1的制造工艺中，环绕上电极板2的露出面(第一电极面)的模制树脂8的上树脂面(第一树脂面)制得基本上与上电极板2的上部露出面共平面。此外，在半导体模块1的制造工艺中，环绕下电极板3的露出面(第二电极面)的模制树脂8的下树脂面(第二树脂面)制得基本上与下电极板3的下部露出面共平面。半导体模块7的上平面(第一模块表面)包括上电极板2的上部露出面和模制树脂8的上树脂面。类似地，半导体模块7的下平面(第二模块表面)包括下电极板3的下部露出面和模制树脂8的下树脂面。
环绕上电极板2的上部露出面周边的上槽81(第一槽)形成在模制树脂8的上树脂面上。为了更精确，上槽81形成得靠近模制树脂8的上树脂面上的上电极板2。构形上槽81的深度以使半导体器件10和11工作产生热时，该深度比上电极板2的上部露出面和模制树脂8的上树脂面之间形成的台阶深。如图6所示，上槽81的截面形状为大体上的圆弧。环绕下电极板3的下部露出面周边的下槽82(第二槽)形成在模制树脂8的下树脂面上。具体地，下槽82形成得靠近模制树脂8的下树脂面上的下电极板3。构形下槽82的深度以使半导体器件10和11工作产生热时，该深度比下电极板3的下部露出面和模制树脂8的下树脂面之间形成的台阶深。如图6所示，下槽82的截面形状为大体上的圆弧。
排列绝缘部件5以分别面向半导体模块7的上平面(第一模块表面)和下平面(第二模块表面)。也就是，半导体模块7夹在一对绝缘部件5之间。少量的热脂GR(导热材料)施加到上电极2的上部露出面和下电极3的下部露出面。例如，导电的银颗粒膏用做热脂GR。通常，由如银的导电材料制成的热脂GR具有比不导电的热脂更高的热导率，由此提供了更好的散热性能。
如果使用导电的脂，如上所述，至少在上和下电极板2和3、至少上驱动电极端子20、下驱动电极端子30以及控制电极端子12之间造成短路。然而，如果形成了上槽81和下槽82，那么可以防止短路。如果在上电极2的上部露出面以及下电极3的下部露出面上施加热脂GR之后附加绝缘部件5和冷却管，那么热脂GR泄露在上电极2的上部露出面和下电极3的下部露出面附近。泄露的热脂GR留在分别形成在模制树脂8的上树脂面和下树脂面上的槽81和82中。因此，热脂GR没有泄露超出上槽81和下槽82。由此，即使使用了导电脂，也可以防止电极板2，3与电极端子20、30和12之间的短路。
通过形成靠近上电极2和下电极3的上槽81和下槽82，也就是上槽81和下槽82分别形成得靠近半导体模块7的上和下表面的中心，保持了脂的泄露位置与电极端子20、30和12之间足够的距离。由此可以确保足够的绝缘漏电距离。由此，可以防止通过在半导体模块的表面上的漏电痕迹(即施加高压引起的逐渐形成的导电路径)。
如上所述，泄露的热脂GR留在上槽81和下槽82中，由此热脂GR没有泄露超出上槽81和下槽82。因此，即使使用了导电脂，也可以防止电极板2，3与电极端子20、30和12之间的短路。在第二实施例中可以提供与以上第一实施例中得到的相同或类似优点之外，还提供了额外的优点。
图6中树脂中的突起PR具有与防止热脂GR泄露的槽类似的效果，并且可以用于代替槽。
(第三实施例)
下面参考图7和图8介绍根据本发明第三实施例的半导体装置SU。图7为引入了半导体模块的逆变电路的部分示意图。图8示出了半导体装置SU的剖面图。
第三实施例的半导体装置SU具有在图7所示的逆变电路中驱动相同相的两个半导体模块1和100。如图7所示，第三实施例的半导体装置SU包括驱动上面所述相同相的半导体模块1和100和一对冷却管6。半导体模块1与第一实施例中的相同，半导体模块100与半导体模块1相同。
如图8所示，模块1和100的上平面和下平面之间的厚度，即半导体模块1的厚度W1和半导体模块100的厚度W100基本上相等。厚度W1和W100也可以制得基本上等于两个冷却管6之间的间距H。由此，通过分别确保半导体模块1和100足够的应力区可以提高抗振性。同样，由于不需要将冷却管6分别附加到每个半导体模块1和100，制造步骤的数量减少，因此可以降低半导体装置SU的成本。此外，如图12所示，如果半导体模块1和100结合在单个模内，那么构成半导体装置SU的每个部件的设置变得更容易。驱动相的半导体模块的数量不限于两个。根据要控制的功率可以使用三个或多个模块。即使这种情况，也可以类似于图8中的方式排列半导体模块。
在第三实施例中可以提供与以上第一和第二实施例中得到的相同或类似优点之外，还提供了额外的优点。
(其它实施例)
本发明存在多种改型。本实施例的第一改型涉及模制树脂的形成。第一和第二实施例的半导体模块1和7的模制树脂4和8形成得环绕并包围上电极板2和下电极板3的露出面。然而，模制树脂的形成不限于第一和第二实施例中的方式。例如，可以采用图9中所示的半导体模块1。图9为半导体模块1的透视图。如图所示，上电极板2和下电极板3在半导体模块1的两个方向中延伸，也就是，在基本上垂直于电极端子12、20和30延伸的方向中(在图9中到顶部左角处和到底部右角处)。电极板2和3为矩形并且跨越半导体模块1的整个宽度。换句话说，在从图9中顶部左边到底部右边的方向中(图2中进入页面的方向)，上电极板2和下电极板3具有半导体模块1的整个宽度，但是在图9中从顶部右边到底部左边的方向中(图2中从左到右的方向)，仅占据了半导体模块1中心周围的某些范围区域。由此，模制树脂4仅形成在图2中电极板2和3的左端和右端上。
也就是，当从上部看时，半导体模块1的模制树脂4看起来被分成两部分。此时，如上所述接收应力的模制树脂4借助两个分开的树脂表面仍然能够确保足够的应力区。此外，通过增加电极板2和3的露出面，可以增强半导体器件的散热性能。由此提高了半导体装置SU的可靠性。
第二个改型为叠置的半导体模块和冷却管的配置。如图2所示，半导体模块1由将模块1夹在管之间的一对冷却管固定。然而，固定半导体模块1的方式不限于此。例如，如图10所示，当在第三实施例如图所示逆变电路引入了许多半导体模块时，可以交替地一层接一层地叠置冷却管6和一个或多个半导体模块1。在这种配置中，由于冷却管的两个侧面将应力分别施加到上半导体模块和下半导体模块，因此可以减少半导体装置SU的部件数量，从而减少了部件数量并降低了制造成本。
第三个改型涉及绝缘部件。可选的绝缘部件5的一个例子为直接结合到厚度为几十微米的半导体模块1的上电极板2和下电极板3的露出面的薄膜。由于膜比绝缘部件薄，由此增加了热传导，较好的散热性提高了半导体器件的可靠性。此外，由于不需要装配绝缘部件，因此可以降低半导体模块的制造成本，由此简化了半导体模块的制造工艺。
第四个改型涉及在模制树脂上形成槽。在第二实施例中形成在半导体模块7的模制树脂8上的上槽81和下槽82形成得环绕上电极板2和下电极板3的露出面的整个周边。然而，槽的形成不限于第二实施例中的方式。例如，如图11所示，上槽81可以分别形成在上电极板2的露出面和驱动端子20和30之间，以及上电极板2的露出面和驱动端子12之间。虽然没有示出，但是可以与上槽81相同的方式同样形成下槽82，也就是，下槽82可以分别形成在下电极板3的露出面和驱动端子20和30之间，以及下电极板3的露出面和驱动端子12之间。以上槽的设置具有与第二实施例中相同的优点。
虽然没有示出，但是同样可以形成上槽81和下槽82用于图9中所示类型的半导体模块。此时，可以与图11所示的相同方式形成上槽81，其中上槽81位于上电极板2的露出面和驱动端子20和30之间，以及上电极板2的露出面和驱动端子12之间。同样，可以与图11所示的相同方式形成下槽82。也就是，槽82形成在下电极板3的露出面和驱动端子20和30之间，以及下电极板3的露出面和驱动端子12之间。
第五个改型涉及槽的截面形状。在第二实施例中上槽81和下槽82的截面形状为大体的圆弧。然而，形状不限于圆弧。上槽81和下槽82例如可以具有矩形截面。
本发明可以体现为其它具体形式，同时不脱离本发明的精神或必要特性。因此目前的各实施例被认为是示例性而不是限定性的，本发明的范围由附带的权利要求书而不是以上说明限定，因此在权利要求书等效的含义和范围内的所有变化计划包含在内。本领域的技术人员可以实施许多其它修改或改进的实施例。

Claims (21)

1.一种半导体装置，包括：
半导体模块，将直流电转换成交流电，包括：
功率半导体器件，在功率半导体器件两侧上具有第一器件表面和第二器件表面，
结合到功率半导体器件的第一器件表面的第一电极板，第一电极板具有在第一电极板的结合面相对侧上的第一电极面，
结合到功率半导体器件的第二器件表面的第二电极板，第二电极板具有在第二电极板的结合面相对侧上的第二电极面，
第一组连接端子，电连接到控制电路并用于控制功率半导体器件，
第二组连接端子，电连接到驱动电路并用于驱动功率半导体器件，以及
模制树脂部件，形成得使功率半导体器件、第一和第二电极板、以及第二组连接端子成一体，并且在模制树脂部件的两侧上具有第一和第二树脂面；以及
冷却部件，放置在半导体模块厚度方向的两侧上，配置以冷却半导体模块，
其中第一和第二电极板的第一和第二电极面中的至少一个与模制树脂部件的第一和第二树脂面中的至少一个共平面，模制树脂部件由具有的线性膨胀系数高于第一和第二电极板的线性膨胀系数的模制树脂制成。
2.根据权利要求1的半导体装置，其中第一电极面与第一树脂面共平面。
3.根据权利要求1的半导体装置，其中第二电极面与第二树脂面共平面。
4.根据权利要求1的半导体装置，其中第一电极面与第一树脂面共平面，并且第二电极面与第二树脂面共平面。
5.根据权利要求1的半导体装置，其中模制树脂部件形成得露出第一电极板的第一电极面和第二电极板的第二电极面。
6.根据权利要求5的半导体装置，其中模制树脂部件形成得当功率半导体器件工作时，使第一和第二树脂面中的至少一个从第一和第二电极板的第一和第二电极面中的至少一个伸出。
7.根据权利要求5的半导体装置，其中模制树脂部件配置得环绕第一电极板的第一电极面的周边和/或第二电极板的第二电极面的周边。
8.根据权利要求5的半导体装置，还包括第一和第二电极板的第一和第二电极面中至少一个上的导热材料层，
其中用于防止导热材料流出一个电极面外的装置由至少部分形成在模制树脂部件的第一和第二树脂面的至少一个上的槽组成。
9.根据权利要求8的半导体装置，其中槽至少形成在其中一个电极面与第一和第二组连接端子之间。
10.根据权利要求9的半导体装置，其中槽由多个槽组成，并且一个电极面位于多个槽中的两个之间。
11.根据权利要求5的半导体装置，还包括第一和第二电极板的第一和第二电极面上的导热材料层，
其中防止导热材料流出第一和第二电极面的每一个外的槽提供在模制树脂部件的第一和第二树脂面的每一个上。
12.根据权利要求9的半导体装置，其中槽形成得整个环绕第一电极板的第一电极面。
13.根据权利要求9的半导体装置，其中槽形成得整个环绕第二电极板的第二电极面。
14.根据权利要求8的半导体装置，其中导热材料导电。
15.根据权利要求5的半导体装置，其中半导体模块具有基本上相互平行的第一和第二模块表面，第一和第二模块表面的每一个包括第一和第二电极面的每一个以及第一和第二树脂面的每一个。
16.根据权利要求15的半导体装置，其中具有基本上由第一模块表面和第二模块表面之间的距离限定的相同厚度的多个半导体模块的每一个夹在冷却部件之间。
17.根据权利要求5的半导体装置，其中半导体模块由通过模制树脂结合在一个模块内的多组所述功率半导体器件、所述第一和第二电极板、以及所述第一和第二组连接端子组成。
18.根据权利要求17的半导体装置，其中多个所述半导体装置引入到由相同相驱动的逆变器内。
19.根据权利要求5的半导体装置，其中冷却部件为冷却管，冷却管具有一个或多个流动冷却剂的路径。
20.根据权利要求5的半导体装置，其中冷却部件由铝制成。
21.根据权利要求5的半导体装置，其中半导体模块由多个半导体模块组成，冷却部件由多个冷却部件组成，所述多个半导体模块与所述多个冷却剂部件相互交替叠置。
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