CN100385652C - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体装置(10),包括设置在半导体元件和散热片(12)之间的中间层(13)。中间层减少在半导体元件产生热时由于半导体元件的热膨胀和散热片的热膨胀之差产生的热应力。这种热应力整体减少了半导体装置的翘曲。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置,尤其涉及能抑制由于热量产生造成半导体元件翘曲的半导体装置。
背景技术
近年来,由于能量变换和功率控制或大功率放大/振荡等目的,已经广泛使用称为功率器件的半导体元件。这些半导体装置或元件包括双极晶体管、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、功率IC、MOSFET等,并且它们都具有转换或控制效率高而体积小的优点
然而,在这些半导体元件中,由于大电流的流动,所产生的热量很大,存在由于元件自身产生的热造成的特性破坏或改变的风险,从而有必要将它们有效地冷却。为此,迄今已经提出多种冷却结构,其中的一个实例是,在图2中示出具有冷却结构的传统半导体装置。
参看图2,通过在半导体元件101和散热片102之间设置绝缘板103和金属板104,形成半导体装置100。半导体元件101是例如功率晶体管、功率FET或IGBT等功率器件,并且由硅半导体等制成。在半导体元件101工作时,由于焦耳热,造成热的产生和温度升高。当半导体元件101的温度升高时,其接通电阻增大,并且当执行反馈控制等时,为了使得电流流动,另外施加电压,从而焦耳热增加,温度进一步升高。由于这个原因,发生半导体元件101的击穿。为了防止这种情况发生,半导体装置100设置有散热片102。
散热片102由具有良好的导热性的铜或铝等制成,并且散发由半导体元件101产生的热。从而,能防止半导体元件101温度增加。因此,将所述散热片成形为具有大的散热面积。
绝缘板103使半导体元件101和散热片102彼此电绝缘。为此,使用例如SiN等具有良好的导热性但是电绝缘的材料。
金属板104用于支撑半导体元件101和绝缘板103,也用于传导来自半导体元件101的热到散热片102。为此,使用具有良好的导热性并且是坚固材料的铜板等。
散热片102用于使在半导体101中产生并且通过绝缘板103合金属板104传导到散热片102的热扩散;它具有使得与空气接触的面积较大的结构,并且由铜、铝、或钼或其合金制成。半导体元件101、绝缘板103、金属板104和散热片102用焊料或硬钎料等焊接在一起。
在上述传统的半导体装置中,存在以下缺陷:由于与半导体元件的热膨胀系数相比,铜或铝或其它金属的热膨胀系数较大,所以随着半导体元件产生热而膨胀的金属使得热应力增大,装置自身弯曲,并且发生分离和/或破裂等。为了避免这种缺陷,已经披露了将绝缘板和散热片之间的粘接材料设计为牢固粘接的技术,例如在JP-A-2002-43482中所披露的。包括活性元素(active element)的硬钎料用作这种粘接材料。
如上所述,在图2中所示的传统的半导体装置中,存在以下缺陷:由于金属和其它材料之间的热膨胀系数不同,在半导体元件产生热时在装置中发生翘曲,结果,分离和破裂等发生。因此,存在这样的问题:不可能施加高负荷给半导体元件,不能利用其全部潜在性能,必须有例如水冷装置或风扇等强制冷却装置,并且所述设备变得很大。
在使用JP-A-2002-43482中披露的技术时,由于粘接材料自身的导热性较差,所以半导体装置的通过传导热量到散热片使热散发的性能丢失,并且由于结果不能有效冷却半导体元件,所以不能利用半导体元件的全部潜在性能。并且,粘接材料是昂贵的,这也是半导体装置成本提高的原因。
因此,已经需要一种用来减少半导体元件产生热时发生的翘曲的技术。
发明内容
本发明提供了一种半导体装置,包括:半导体元件;第一金属板,粘接到所述半导体元件的一侧;中间层,粘接到第一金属板的远离半导体元件的一侧,所述中间层由碳铜复合材料制成;第二金属板,粘接到中间层的远离第一金属板的一侧;绝缘件,粘接到第二金属板的远离中间层的一侧;第三金属板,粘接到绝缘件的远离第二金属板的一侧,所述第一至第三金属板由相同材料制成;和散热片;第三金属板的厚度等于第二金属板的厚度,散热片被粘接到第三金属板的远离绝缘件的一侧。
由于用于减少热应力的中间层设置在半导体元件和散热片之间,所以利用中间层可减少在半导体装置产生热时由于半导体装置的热膨胀和散热片的热膨胀之差引起的热应力,并且可能减少半导体装置的翘曲。
在本发明中,优选地,用于减少热应力的中间层由碳铜复合材料制成。因此,热应力集中在由具有低杨氏模量的碳铜复合材料制成的中间层处,并且可减少由于半导体元件的热膨胀和层状板的各层的热膨胀和散热片的热膨胀之差造成的半导体装置的翘曲。
并且,本发明提供了一种半导体装置,包括:半导体元件;散热片;以及层状板(laimnar plate),设置在半导体元件和散热片之间,以便包括用于减少热应力的中间层。
由于层状板包括用于减少像这样的热应力的中间层,所以可减少由于半导体装置产生的热导致的半导体元件的热膨胀和层状板的各层的热膨胀和散热片的热膨胀之差引起的热应力,从而可能减少半导体装置的翘曲。
所述层状板优选包括:第一金属板,粘接到半导体元件;中间层,用于减少热应力,粘接到第一金属板的一侧,所述侧与半导体元件相对;第二金属板,粘接到中间层的一侧,所述侧与粘接到第二金属板的一侧相对;绝缘件,粘接到第二金属板的一侧,所述侧与粘接到中间层的一侧相对;以及第三金属板,粘接到绝缘件的一侧,所述侧与粘接到第二金属板的一侧相对。从而,可利用中间层减少由于半导体装置产生热导致的半导体元件的热膨胀和层状板的各层的热膨胀和散热片的热膨胀之差引起的热应力,从而可减少半导体装置的翘曲。由于金属板包含在导热性良好的层状板中,所以从半导体元件产生的热可很好地传导到散热片,并且可很好地散发。
优选地,第二金属板的厚度和第三金属板的厚度相等。当像这样使得第二金属板的厚度和第三金属板的厚度相等时,可使得抗热震性良好,从而可消除层状板各层的分离。
附图说明
图1是根据本发明的半导体装置的截面图;以及
图2是传统的半导体装置的截面图。
具体实施方式
通过在半导体元件11和散热片12之间设置用于减少热应力的中间层13,形成图1中所示的本实施例的半导体装置10。优选地,通过在半导体元件11和散热片12之间设置包括用于减少热应力的中间层的层状板14,形成半导体装置10。
半导体元件11是例如功率晶体管、功率FET、或IGBT等功率器件,并且由硅半导体等制成。在半导体元件11工作时,焦耳热造成热的产生和温度升高。当半导体元件11的温度升高时,其接通电阻增大,并且当执行反馈控制等时,为了使得电流流动,另外施加电压,从而焦耳热增加,温度进一步升高。由于这个原因,发生半导体元件11的击穿。为了防止这种情况发生,半导体装置10设置有散热片12。
散热片12由具有良好的导热性的铜或铝或其合金等制成,并且散发由半导体元件11产生的热。从而,可能防止半导体元件11温度增加。因此,将所述散热片成形为具有大的散热面积。
层状板14用于传导在半导体元件11中产生的热到散热片,从而使所述热散发。
层状板14包括:第一金属板15,利用例如焊料或硬钎料等粘接材料粘接到半导体元件11;中间层13,用于减少热应力,利用例如焊料或硬钎料等粘接材料粘接到第一金属板15的一侧,所述侧与半导体元件11相对;第二金属板17,利用例如焊料或硬钎料等粘接材料粘接到中间层13的一侧,所述侧与粘接到第一金属板15的一侧相对;绝缘件18,利用例如焊料或硬钎料等粘接材料粘接到第二金属板17的一侧,所述侧与粘接到中间层13的一侧相对;以及第三金属板19,利用例如焊料或硬钎料等粘接材料粘接到绝缘件18的一侧,所述侧与结合到第二金属板17的一侧相对。
在半导体元件11结合至的第一金属板15的面的表面上执行镀镍20。镀镍20用于确保半导体元件的可焊性和导线粘接能力。第一金属板15用于确保半导体元件11的可焊性和导线粘接能力,用于在平面方向上散发热。为此,使用较薄但导热性较高的铜板。
中间层13用于减少由于半导体元件11中产生的热造成的半导体元件11的热膨胀、层状板14的各层的热膨胀、和散热片12的热膨胀之差引起的热应力。为此,使用在分层平面上具有小弹性常数的材料,例如,使用碳铜复合材料。
第二金属板17用于临时在储存半导体元件11中产生并且通过第一金属板15和中间层13传导的热,还用于经由结合到其下侧的绝缘件18和第三金属板19传导热到散热片12。为此类,使用较厚并且具有高导热性的铜板。
绝缘件18用于提供半导体元件11和散热片12之间的电绝缘。为此,使用导热性良好并且是电绝缘的材料,例如SiN等。
第三金属板19用于在其上支撑层状结构,也用于将半导体元件11产生的热传导到散热片12。为此,使用导热性良好并且坚固的铜板等。理想的是消除第三金属板的厚度和第二金属板的厚度之间的任何差别。
散热片12用于散发在半导体元件11中产生并且通过其上的层状结构传导到其的热,并且具有使得其接触面积较大的结构,由铜、铝、或钼或其合金制成。
可选地,通过将撒有Mg粉末的Ti-Cu箔夹在中间,在N2大气中增压,然后退火,粘接这些板。
接着,将说明根据本实施例的半导体装置10的动作。
在半导体装置10的半导体元件11工作期间产生的热传导到第一金属板15,并且由于第一金属板15的导热性良好,所以也在第一金属板15的平面方向上扩散和传导。第一金属板15的温度也升高。从而,它比温度升高之前热膨胀更多。
传导到第一金属板15中的热传导到中间层13,从而中间层13的温度也升高。已经传导到中间层13的热传导到第二金属板17,从而第二金属板17温度升高,从而热膨胀。
传导到第二金属板17的热传导到绝缘件18和第三金属板19,并且传导到散热片12,通过散热片12散发,由此使半导体元件11散热,并且可使得温度的升高度较小。
同时,半导体元件11、第一金属板15、中间层13、第二金属板17、绝缘件18、第三金属板19和散热片12的温度比半导体元件11产生热之前要高。因此,不同层往往由于相应材料的热膨胀系数而热膨胀。同时,热应力产生。利用由碳铜复合材料制成的在平面方向上具有小弹性系数的中间层13,减少热应力,从而减少半导体装置10中产生的热应力,并且可减少翘曲。
根据通过试验的设计分离和澄清的原因和结果,发现,通过将具有适当厚度的碳铜复合材料作为中间层,可能通过调整第一金属板的厚度、第二金属板的厚度、和第三金属板的厚度减少层状板的翘曲。发现,在第二金属板的厚度和第三金属板的厚度不存在差别时,存在对热冲击的阻力。这样,通过在半导体元件和散热片之间提供用于减少热应力的中间层,可以减少由于热造成的半导体装置的翘曲。
工业应用性
如上所述,在本发明中,因为利用中间层减少在半导体元件产生热时由于半导体元件的热膨胀和散热片的热膨胀之差产生的热应力,所以得以整体减少半导体的翘曲。从而,除了所获得的半导体元件的全部潜在性能外,半导体元件不必利用大风扇或类似物强制冷却,因此本发明可用在其中使用半导体装置的所有领域中。

Claims (2)

1.一种半导体装置,包括:
半导体元件(11);
第一金属板(15),粘接到所述半导体元件的一侧;
中间层(13),粘接到第一金属板的远离半导体元件的一侧,所述中间层由碳铜复合材料制成;
第二金属板(17),粘接到中间层的远离第一金属板的一侧;
绝缘件(18),粘接到第二金属板的远离中间层的一侧;
第三金属板(19),粘接到绝缘件的远离第二金属板的一侧,所述第一至第三金属板由相同材料制成;和
散热片;
其特征在于第三金属板的厚度等于第二金属板的厚度,散热片被粘接到第三金属板的远离绝缘件的一侧。
2.根据权利要求1所述的半导体装置,其特征在于所述中间层适合减缓热应力。
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