CN101312168B - 半导体器件 - Google Patents

Abstract

一种半导体器件，包括电路板、半导体元件、散热器和应力松弛元件。电路板包括绝缘基板、接合到绝缘基板一侧的金属电路和接合到绝缘基板另一侧的金属板。半导体元件接合到金属电路。散热器散发由半导体元件产生的热量。应力松弛元件将散热器热接合到金属板。应力松弛元件由具有高热导率的材料形成。应力松弛元件具有凹进，所述凹进从应力松弛元件的外围部分向内弯曲以在应力松弛元件的外围部分形成应力松弛空间。

Description

半导体器件

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，其设有包括在两侧接合有第一金属板和第二金属板的绝缘基板的电路板，接合到第一金属板的半导体元件，以及通过接合元件热接合到第二金属板的散热装置。

背景技术

通常，作为半导体器件的功率模块的电路板包括由氮化铝制成的绝缘基板。第一和第二金属板分别接合到该绝缘基板的两侧。半导体元件热接合到第一金属板，散热装置热接合到第二金属板。散热装置将半导体元件产生的热量散发出去。在这种功率模块中，散热装置需要在持续一段时间内保持散热性能。然而，依赖于功率模块的使用条件，绝缘基板和散热装置之间的线性膨胀系数的不同使得在散热装置中产生热应力。结果，在绝缘基板中或者在绝缘基板和散热装置之间的接合部分会产生裂纹，并且在散热装置接合到绝缘基板的接合部分会产生弯曲。

日本特开专利公开号No.2004-153075公开了一种解决这一问题的功率模块。该公开的功率模块包括绝缘基板、辐射器和散热器。发热元件(半导体元件)安装在绝缘基板的一侧，辐射器焊接到绝缘基板的另一侧。散热器使用螺钉固定到辐射器上。辐射器包括一对由高热导率材料如铝和铜制成的板状辐射器主体和低热膨胀材料如因瓦合金(invar alloy)。该低热膨胀材料夹在这对辐射器主体之间。然而，在上述公开的功率模块中，由于散热器通过螺钉接合到辐射器，散热器和辐射器之间的热导率不高。结果，发热元件中产生的热量不能被有效地散发。

日本特开专利公开号No.2006-294699公开了一种半导体器件的散热装置，能够有效地散发发热元件(半导体元件)中产生的热量。上述公开的散热装置包括绝缘基板和散热器。发热元件安装在绝缘基板的一侧，金属层和散热器接合到绝缘基板的另一侧。在绝缘基板和散热器之间具有应力松弛元件。应力松弛元件由具有高热导率的材料形成并具有应力吸收空间。应力松弛元件具有接合到绝缘基板和散热器的金属接点。因此，绝缘基板和散热器之间的热导率高。结果，提高了将发热元件中产生的热量散发出去的散热性能。

近年来，期望进一步提高从发热元件到散热装置之间的热导率，同时降低由发热元件(半导体元件)中产生的热量引起的热应力。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种半导体器件，其在提高从半导体元件到散热装置之间的热导率的同时又具有优异的应力松弛能力。

为了实现上述目的并根据本发明的一个方面，提供了一种具有电路板、半导体元件、散热装置和接合元件的半导体器件。电路板包括绝缘基板、接合到绝缘基板一侧的第一金属板和接合到绝缘基板另一侧的第二金属板。半导体元件接合到第一金属板。散热装置散发由半导体元件产生的热量。接合元件将散热装置热接合到第二金属板。接合元件由具有高热导率的材料形成，并且具有凹进，凹进从接合元件的外围部分向内弯曲以在外围部分形成应力松弛空间。

通过以下借助实例显示了本发明原理的描述并结合附图，本发明的其它方面和优点将变得明显。

附图说明

通过结合附图参考以下所给优选实施例的描述，可以最好地理解本发明及其目的和优点，其中：

图1是显示了根据本发明一个实施例的半导体器件的平面图；

图2是沿图1中的2-2线取得的截面图；

图3是显示了图2所示半导体器件中的应力松弛元件的平面图；

图4是显示了根据一个修改的实施例的应力松弛元件的平面图；

图5是显示了根据另一修改的实施例的应力松弛元件的平面图；以及

图6是显示了根据又一修改的实施例的应力松弛元件的平面图。

具体实施方式

下面参照图1至3描述根据本发明一个实施例的半导体器件10。半导体器件10例如安装在车辆上，并且应用于用来根据车辆的运行状态向安装在车辆上的电动机提供动力控制的控制装置中。图1至3分别示意性地给出了半导体器件10的结构。为了说明的目的，放大了一些元件的尺寸。也就是说，图中半导体器件10的一些元件的宽度、长度和厚度的比率不是按比例的。

如图2所示，半导体器件10包括电路板11、半导体元件12、以及作为散热装置的散热器13。半导体元件12接合(焊接)到电路板11。散热器13热接合到电路板11。电路板11包括矩形板状陶瓷基板(绝缘基板)14，其具有第一表面14a和与第一表面14a相对的第二表面14b。电路板11还包括接合到第一表面14a的金属电路(第一金属板)15和接合到第二表面14b的金属板(第二金属板)16。

陶瓷基板14由例如氮化铝、氧化铝或氮化硅制成。金属电路15和金属板16由铝基金属制成。散热器13由铝基金属制成。铝基金属是指纯铝或铝合金。金属电路15、金属板16和散热器13可由铝基金属之外的具有高热导率的材料制成，例如铜、铜合金等。

如图1所示，半导体元件12从上面看是矩形。半导体元件12具有面向金属电路15的接合部分12a。接合部分12a通过焊料层H接合到金属电路15(参见图2)。半导体元件12通过金属电路15热接合到陶瓷基板14的第一表面14a。一个半导体元件12接合到一个金属电路15。半导体元件12为IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET和二极管之一。

如图2所示，散热器13包括通道13a，流体(例如冷却水)流过所述通道13a。在散热器13和电路板11的金属板16之间提供有应力松弛元件20。应力松弛元件20用作在电路板11和散热器13之间形成接合部分的接合元件。应力松弛元件20由具有高热导率的材料制成，例如铝。如图3所示，从上面看，应力松弛元件20的形状基本上类似于矩形平板。面向半导体元件12的接合部分12a的应力松弛元件20的第一表面20e使用铜焊材料完全铜焊至金属板16，与第一表面20e相对的第二表面20f使用铜焊材料完全铜焊至散热器13。即，由铜焊材料形成的接合部分(未示出)形成在应力松弛元件20和金属板16之间以及应力松弛元件20和散热器13之间。因此，电路板11和散热器13通过应力松弛元件20彼此热耦合。半导体元件12中产生的热量通过电路板11和应力松弛元件20传导到散热器13。

下面将详细描述应力松弛元件20的结构。图3是半导体器件10的平面图。在图3中，为了便于显示应力松弛元件20，电路板11和半导体元件12由双点划线示出。同时，如图3所示，应力松弛元件20具有第一侧边缘20a和第二侧边缘20b，其是彼此面对的上侧和下侧边缘，以及第三侧边缘20c和第四侧边缘20d，其是彼此面对的左侧和右侧边缘。第一到第四侧边缘20a至20d和四个角C构成应力松弛元件20的外围部分。在四个角C处形成向应力松弛元件20的内部弯曲的凹进21。第一到第四侧边缘20a至20d中的每一个具有两个凹进21，其向应力松弛元件20的内部弯曲。

即，在应力松弛元件20的外围部分形成多个凹进21。通过对矩形高热导率材料开槽在角C处形成凹进21，使得每个凹进21从上面看时为扇形。通过对高热导率材料开槽在第一到第四侧边缘20a至20d处形成凹进21，使得每个凹进21从上面看时为半圆形。通过沿应力松弛元件20的厚度方向冲压用来形成应力松弛元件20的高热导率材料形成凹进21。

在本实施例中，应力松弛元件20为具有四重旋转对称的正方形。第一到第四侧边缘20a至20d的长度为30mm。除了凹进21，金属板16的平面形状与应力松弛元件20的平面形状相同，并且应力松弛元件20和金属板16具有相同的尺寸。形成在应力松弛元件20的第一到第四侧边缘20a至20d的凹进21为半圆形，其是直径为2.5至3.5mm的圆的一半。形成在角C处的凹进21为扇形，其是直径为2.5至3.5mm的圆的四分之一。如果凹进21的直径小于2.5mm，则会妨碍凹进21的应力松弛功能，因此不是优选的。如果凹进21的直径超过3.5mm，则会过分减小应力松弛元件20的尺寸，因此不是优选的。也就是说，如果凹进21的直径超过3.5mm，则应力松弛元件20的第一表面20e的面积就减小了。结果，应力松弛元件20与电路板11(金属板16)之间的接合面积就变得太小。此外，应力松弛元件20的第二表面20f的面积减小，从而过分减小了应力松弛元件20与散热器13之间的接合面积。结果，过分地减小了用来传导半导体元件12产生的热量的应力松弛元件20的传导面积，这妨碍了向散热器13的热传导。

通过限定每个凹进21的高热导材料的截面轮廓上的任何点延伸的切线M通过应力松弛元件20。这是因为凹进21是通过对高热导材料由其边缘向内开槽形成的。在形成凹进21之前高热导材料的平面形状与金属板16的平面形状相同。因此，除凹进21之外的应力松弛元件20的侧边缘20a至20d与金属板16的侧边缘相匹配。从而，如图2所示，应力松弛元件20的凹进21直接位于金属板16之下并且直接位于散热器13之上。因此，凹进21在金属板16和散热器13之间形成应力松弛空间S。

如图3所示，将平分应力松弛元件20第一侧边缘20a和第二侧边缘20b之间距离的虚线设为参考线L2，其用作应力松弛元件20的预定参考位置。配置形成在第一侧边缘20a上的两个凹进21和形成在第二侧边缘20b上的两个凹进21，使它们相对于参考线L2对称。同时将平分第三侧边缘20c和第四侧边缘20d之间距离的虚线设为参考线L1，其用作应力松弛元件20的预定参考位置。配置形成在第三侧边缘20c上的两个凹进21和形成在第四侧边缘20d上的两个凹进21，使它们相对于参考线L1对称。形成在第一和第二侧边缘20a和20b的每一个上的两个凹进相对于参考线L1对称。形成在第三和第四侧边缘20c和20d的每一个上的两个凹进相对于参考线L2对称。

此外，将参考线L1和L2在应力松弛元件20上的相交点设为参考点P，其用作应力松弛元件20的预定参考位置。配置形成在第一侧边缘20a上的凹进21和形成在第二侧边缘20b上的凹进21以及形成在第三侧边缘20c上的凹进21和形成在第四侧边缘20d上的凹进21，使它们相对于参考点P对称(二重旋转对称和四重旋转对称)。在各位置处形成第一到第四侧边缘20a至20d的凹进21，并将其形成为具有旋转对称性的形状。

如图2所示，半导体器件10中产生的热量由半导体元件12的下表面(接合部分12a)通过由四个倾斜表面N限定的梯状体热传导通道传导到散热器13。倾斜表面N从半导体元件12下表面(更具体地，焊料层H的下表面)的四侧延伸，并且散热器13的上表面与倾斜表面N之间的角度为45°。双点划线所示的直线(倾斜表面N)表示热传导通道的边界。设定应力松弛元件20的凹进21的开槽深度，使凹进21不位于由倾斜表面N限定的热传导通道中。

当安装在这种半导体器件10上的半导体元件12启动时，半导体元件12产生热量。半导体元件12中产生的热量通过焊料层H、金属电路15、陶瓷基板14、金属板16和应力松弛元件20传导到散热器13。

由于应力松弛元件20由具有高热导率的材料形成，电路板11(金属板16)和散热器13之间的热导率高。因此，提高了半导体器件10的散热性能。另外，应力松弛元件20的整个第一表面20e接合到金属板16，并且凹进21只形成在应力松弛元件20的外围部分。因此，由电路板11传导的热量全部传导到应力松弛元件20，并且充分保证了应力松弛元件20的热传导面积。结果，由电路板11传导的热量有效地传导到散热器13。

然后，传导到散热器13的热量传导给流经散热器13中的通道13a的流体并被散去。也就是说，由于散热器13通过流经通道13a的流体被强制冷却，因此半导体元件12中产生的热量被有效地除去。结果，半导体元件12从靠近接合部分12a的部分被冷却。

当半导体元件12中产生的热量传导到散热器13时，陶瓷基板14和散热器13被加热，并且陶瓷基板14和散热器13膨胀。当半导体元件12停止产生热时，陶瓷基板14和散热器13的温度降低，并且陶瓷基板14和散热器13收缩。在热膨胀和热收缩时，由于陶瓷基板14和散热器13之间线性膨胀系数的不同在半导体器件10中产生热应力。

本实施例的半导体器件10具有由在应力松弛元件20的外围部分(角C和第一到第四侧边缘20a至20d)的凹进21形成的应力松弛空间S。因此，当热应力产生时，应力松弛空间S吸收应力松弛元件20的变形，从而热应力被相应地松弛了。

热应力集中在应力松弛元件20的外围部分。应力松弛元件20的凹进21位于热应力最大的位置，例如应力松弛元件20的角C，和临近角C的热应力第二大的位置，这些位置是第一到第四侧边缘20a至20d。由于凹进21吸收应力松弛元件20的大变形，因此热应力被可靠地松弛了。

本实施例提供了以下优点。

(1)在应力松弛元件20的外围部分形成凹进21，从而在电路板11和散热器13之间形成接合部分。半导体器件10中产生的热应力在应力松弛元件20的外围部分大于中间部分。由于凹进21形成在热应力大的外围部分，因此热应力被有效地松弛，并且应力松弛元件20表现出优异的应力松弛功能。这防止了在应力松弛元件20和金属板16之间以及在应力松弛元件20和散热器13之间的接合部分(铜焊材料)中因热应力产生裂纹。此外，防止了在散热器13中产生弯曲。由于应力松弛元件20由具有高热导率的材料形成，并且凹进21形成在应力松弛元件20的外围部分，充分保证了应力松弛元件20的热传导面积。因此，提高了通过应力松弛元件20在电路板11(金属板16)和散热器13之间的热传导性能，从而提高了半导体器件10的散热性能。

(2)在应力松弛元件20的所有角C处形成凹进21。由于应力松弛元件20的角C在应力松弛元件20的外围部分中是热应力最大的部分，因此有效地松弛了作用在应力松弛元件20上的热应力。

(3)在应力松弛元件20的第一到第四侧边缘20a至20d中形成凹进21。由于应力松弛元件20的第一到第四侧边缘20a至20d是仅次于角C处的热应力第二大的部分，因此有效地松弛了作用在应力松弛元件20上的热应力。

(4)直接位于半导体元件12的接合部分12a 之下的应力松弛元件20的第一表面20e的整个表面接合到金属板16。半导体元件12中产生的热量通过电路板11和应力松弛元件20由半导体元件12的接合部分12a传导到散热器13。在金属板16和应力松弛元件20之间的接合部分处，应力松弛元件20中没有未接合金属板16的区域(非接合区域)。因此，从电路板11到散热器13的部分与存在非接合区域的情况相比热导率更高。因此，在本实施例中，尽管因凹进21而减小了应力松弛元件20与金属板16之间的接合面积，但是提高了从电路板11到散热器13的部分的热导率。因此，半导体器件10表现出优异的应力松弛能力，同时也具有优异的热导率。

(5)凹进21配置为相对于参考线L1或参考线L2对称，并且相对于参考点P具有旋转对称性(点对称)。因此，避免了应力松弛元件20的外围部分处热应力松弛的不平衡，即热应力的局部集中，从而降低了热应力的最大值。

(6)通过压制形成应力松弛元件20的高热导材料的外围部分形成凹进21。因此，例如，与对高热导材料进行刻蚀的情况或者在高热导材料的中间部分形成凹进21的情况相比，更容易形成凹进21。

上述实施例可以作以下修改。

如图4所示，可以在应力松弛元件20的第一到第四侧边缘20a至20d的每一个中只形成一个凹进21。在这种情况下，形成在第一侧边缘20a的凹进21和形成在第二侧边缘20b的凹进21配置为相对于参考点P对称，并且形成在第三侧边缘20c的凹进21和形成在第四侧边缘20d的凹进21配置为相对于参考点P对称。

如图3中双点划线所示，除了形成在外围部分的凹进21之外，还可以在应力松弛元件20的内部形成延伸通过应力松弛元件20的通孔22。也可以形成深度小于应力松弛元件20的厚度的凹进，以代替通孔22。

如图5所示，第一到第四侧边缘20a至20d可以呈波浪状，使每个凹进21形成在相邻的脊(ridge)之间。在这种情况下，优选地在应力松弛元件20的所有角C处形成凹进21。当第一到第四侧边缘20a至20d为波浪状时，脊的远端可以制成尖的，或者凹进21的深度(或凹进21的直径)可以根据需要改变。

如图6所示，形成在第一到第四侧边缘20a至20d中的凹进21的平面形状可以是优弧，即凹进21可以具有中心角大于180°的扇形形状。形成在第一到第四侧边缘20a至20d中的凹进21的平面形状可以是椭圆形、菱形、三角形、长孔形或者可以根据需要改变。

根据由电路板11上的半导体元件12的尺寸、位置和数目决定的半导体元件12的发热状况，可以根据需要改变第一到第四侧边缘20a至20d的每一个中配置的凹进21的数量。

凹进21可以形成在第一到第四侧边缘20a至20d中的一个、两个或三个中。可选地，凹进21可以集中在侧边缘20a至20d的任何位置。

凹进21可以形成在四个角C的一个、两个或三个处。

电路板11的金属板16可以被看作是接合元件的一部分，并且凹进可以形成在金属板16和应力松弛元件20的外围部分(至少在角和侧边缘中的角处)。可以通过刻蚀金属板16在金属板16中形成凹进。

凹进可以形成在金属板16中，并且金属板16可以在没有应力松弛元件20的情况下直接与散热器13接合。

只要散热器13是强制冷却的冷却器，那么流经通道13a的流体就不一定是水。例如，可以使用除水之外的流体或者气体如空气。散热器13也可以是沸腾冷却器。

形成在电路板11上的金属电路15不一定是一个，可以形成两个或更多个金属电路15。另外，可以在一个金属电路15上接合两个或更多个半导体元件12。

半导体器件10不一定安装在车辆上，也可以用于其它用途。

Claims (6)

1.一种半导体器件，包括：

电路板，其包括绝缘基板、接合到该绝缘基板的一侧的第一金属板和接合到该绝缘基板的另一侧的第二金属板；

接合到第一金属板的半导体元件；

散热装置，其散发由半导体元件产生的热量；以及

接合元件，其将散热装置热接合到第二金属板，

其中接合元件由具有高热导率的材料形成，并且具有凹进，所述凹进从接合元件的外围部分向内弯曲以在外围部分形成应力松弛空间，接合元件从上面看时具有多边形的形状，并且在接合元件的角处形成凹进。

2.根据权利要求1的器件，其中在接合元件的侧边缘形成凹进。

3.根据权利要求1的器件，其中接合元件包括面向半导体元件的第一表面和接合到散热装置的第二表面，并且整个第一表面接合到第二金属板。

4.根据权利要求1至3中任一项的器件，其中所述凹进被配置为相对于接合元件上的预定参考位置是对称的。

5.根据权利要求4的器件，其中所述凹进被配置为相对于接合元件上的预定参考线是对称的，并且相对于接合元件上的预定参考点是对称的。

6.根据权利要求1的器件，其中所述凹进为弧形的。

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