CN101312183B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体装置，所述半导体装置包括电路板。该电路板具有绝缘衬底、固定在绝缘衬底第一侧上的金属电路、以及固定在该绝缘衬底第二侧上的金属板。该半导体装置进一步具有安装在该金属电路上的半导体元件、固定在该金属板上的应力减小构件、以及固定在该应力减小构件上的散热片。应力减小构件是板状的并且具有圆形角部。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及一种半导体装置，例如一种电源模块。更具体的，本发明涉及一种半导体装置，包括具有绝缘衬底的电路板、固定在绝缘衬底第一侧的第一金属板、以及固定在绝缘衬底第二侧的第二金属板。半导体装置进一步包括安装在第一金属板上的半导体元件、以及安装在第二金属板上的热冷却元件。
背景技术
在传统的半导体装置中，由于半导体元件与绝缘衬底的线性膨胀系数不同，在半导体元件与绝缘衬底之间的结合表面处产生热应力。这个热应力的增加与相距结合表面中央的距离成比例。这个热应力易于在结合表面处产生裂缝，以及绝缘衬底和散热器的翘曲。上述裂缝或者翘曲损害热传递性能。
日本未审查专利公开号2004-153075公开了一种包括上述问题的解决方案的电源模块。如图5A中所示，电源模块包括绝缘衬底101，固定在绝缘衬底101第一侧上的发热元件102，焊接到绝缘衬底101第二侧的散热器103，以及用螺丝固定到散热器103的散热片104。散热器103具有一对板状的散热体103a，散热体103a由具有高热传导性的材料例如铜形成。散热器103进一步具有插入到散热体103a之间的低热膨胀系数材料105，例如因瓦合金。
在日本未审查专利公开号2006-294699中提出了一种散热器120。如图5B中所示，散热器120包括绝缘衬底121，置于绝缘衬底121第一侧上的发热元件122，通过金属板124固定到绝缘衬底121第二侧的散热片123。具有应力吸收空间的应力松弛构件125插入到绝缘衬底121和散热片123之间。应力松弛构件125由具有高热传导率的材料形成，并且被金属结合到绝缘衬底121和散热片123二者。应力松弛构件125具有应力松弛孔126。
日本未审查专利公开号2002-176127公开了用于电子零件130的另一种冷却结构，以及一种电气电路器件。如图5C中所示，除了在电子零件130和板132之间的电连接部件131，电气电路器件具有在电子零件130与板132之间的热传导金属层133。金属层133相对于金属层133的中央被分割成三部分或更多部分。每个被分割部分的一个或多个侧线通过化学处理(板处理)被稍微地变圆。在此情况下，化学处理的应用显著增加了电气电路器件的制备时间。
目前，需要半导体装置具有改良的冷却性能，换句话说，需要从半导体元件到散热器的较好的热传导性，同时热应力最小化。
发明内容
本发明的目的是一种半导体装置。根据本发明的一个实施例，半导体装置包括电路板。该电路板具有绝缘衬底、固定在绝缘衬底的第一侧上的第一金属板、以及固定在绝缘衬底的第二侧上的第二金属板。这个半导体装置进一步具有安装在第一金属板上的半导体元件，安装在第二金属板上的应力减小构件，以及固定在应力减小构件上的热冷却元件。应力减小构件为板状并且具有至少一个圆形的角部。
不希望本发明在此被完整概括。相反，结合附图，随后通过以本发明的主要实施例的方式描述，本发明的其它方面和优点将由下面的描述而变得明显。
附图说明
在附带的权利要求中特别阐述了本发明具有新颖性的特征。本发明及其目标和优点可以参考下面的实施例以及附带的附图而被最好地理解，在附图中：
附图1是描述了根据本发明实施例的半导体装置的平面图；
附图2是描述了在附图1中沿着线2-2得到的半导体装置的截面图；
附图3A是描述了根据本发明实施例的半导体装置的应力减小构件的平面图；
附图3B是描述了在附图3A中沿着线3B-3B得到的半导体装置的应力减小构件的截面图；
附图4是描述了本发明的替代实施的平面图；
附图5A是描述了一项背景技术的截面图；
附图5B是描述了另一项背景技术的截面图；以及
附图5C是进一步描述了其它背景技术的截面图。
具体实施方式
根据本发明的实施例的半导体装置将参考附图1到3进行描述。
如在附图2中所示，半导体装置10具有电路板11，安装在电路板11上的半导体元件12，以及散热片13(即，热冷却元件)。电路板11具有板状陶瓷衬底14(即，绝缘衬底)，固定在陶瓷衬底14第一侧14a上的两个金属电路15(即，第一金属板)，以及固定在陶瓷衬底14第二侧14b上的金属板16(即，第二金属板)。
散热片13通过金属板16和应力减小构件20固定到陶瓷衬底14。陶瓷衬底14由电绝缘材料形成，例如氮化铝、氧化铝或者氮化硅。金属电路15、金属板16以及散热片13由良好的热导体形成，例如铝、铝合金或者铜。
如附图1和2中所示，半导体元件12通过焊接层H安装到金属电路15上。两个半导体元件12被安装到每个金属电路15上。半导体元件12是电子零件，例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET或者二极管。
如附图2中所示，为了引导例如散热剂的流体流动，在散热片13内部形成通道13a。
在散热片13和金属板16之间插入应力减小构件20。板状应力减小构件20由具有高热传导率的材料构成，例如铝。应力减小构件20的第一侧20e对着半导体元件12的到金属电路15的结合表面12a。第一侧20e整体铜焊到金属板16，并且应力减小构件20的第二侧20f整体铜焊到散热片13。电路板11和散热片13通过应力减小构件20连接，因此由半导体元件12产生的热量通过电路板11和应力减小构件20传导到散热片13。
应力减小构件20将在此被具体描述。在附图3A中，用两点点划线绘制出半导体元件12，陶瓷衬底14以及金属板16。在顶部-以及-底部方向上应力减小构件20的第一侧线20a和第二侧线20b互相面对，并且在左-以及-右方向上应力减小构件20的第三侧线20c以及第四侧线20d互相面对。应力减小构件20的周围边缘部分由侧线20a，20b，20c和20d，以及四个角部C构成。角部C通过压力作用而变圆。形成每个角部C的两个侧线(第一侧线20a和第四侧线20d，或者第二侧线20b和第四侧线20d，或者第二侧线20b和第三侧线20c，或者第一侧线20a和第三侧线20c)由弧形而连接起来。
在这个实施例中，应力减小构件20是在侧线上30mm的正方形。应力减小构件20具有与金属板16大体相同的平面形状和尺寸。使角部C变圆成弧形，优选地，直径为3.5mm到10mm(更优选为3.5mm到5mm)。热应力易于在角部集中。因此，如果直径小于3.5mm，就不足以减小热应力。另一方面，如果直径大于10mm，应力减小构件20与金属板16以及散热片13的各个结合表面减小，由此不足以从金属板16向散热片13传导半导体元件12产生的热量。注意，如果在形成角部C的线上的任一点绘制出切线M1，切线M1无法延伸通过热应力构件20(参考附图3A)。
应力减小构件20通过钎料(brazing filler metal)被铜焊到金属板16以及散热片13。钎料是与应力减小构件20具有相同平面形状的板状。换句话说，钎料的角部是圆形的。
除了应力减小构件20的角部C之外，应力减小构件20的周围边缘部分与金属板16的周围边缘部分是同延的。如附图3B中所示，在水平方向上，角部C被置于比金属板16的角部16a更内侧处。各个角部C以及对应的角部16a在电路板11的厚度方向上一起形成了台阶结构。各个角部C都直接在金属板16之下并且直接在散热片13之上。因此，应力减小空间S由金属板16，散热片13以及角部C形成。
如附图3A中所示，线L1延伸通过第一侧线20a和第二侧线20b的各自中点。线L2延伸通过第三侧线20c和第四侧线20d的各自中点。在第一侧线20a和第三侧线20c之间形成的角部C相对于线L2与形成在第二侧线20b和第三侧线20c之间的角部C是对称的。在第一侧线20a和第四侧线20d之间形成的角部C相对于线L2与形成在第二侧线20b和第四侧线20d之间的角部C是对称的。第一侧线20a和第三侧线20c之间形成的角部C相对于线L1与形成在第一侧线20a和第四侧线20d之间的角部C是对称的。第二侧线20b和第三侧线20c之间形成的角部C相对于线L1与形成在第二侧线20b和第四侧线20d之间的角部C是对称的。
每条线L3和L4代表应力减小构件20的对角线，其延伸通过两个角部C。在第一侧线20a和第四侧线20d之间形成的角部C相对于线L3与在第二侧线20b和第三侧线20c之间形成的角部C是对称的。在第一侧线20a和第三侧线20c之间形成的角部C相对于线L4与在第二侧线20b和第四侧线20d之间形成的角部C是对称的。
当上述半导体装置10被应用到，例如，为汽车发动机提供功率控制的控制电路，半导体装置10根据汽车驱动情况控制功率。在这种情况下，由半导体元件12产生的热通过金属电路15、陶瓷衬底14、以及金属板16和应力减小构件20传导到散热片13。已经传导到散热片13的热被流过散热片13中通道13a的流体带走。换句话说，散热片13被流体冷却。因此，热被有效带走，并且半导体元件12被冷却。
当热被传导到散热片13时，陶瓷衬底14和散热片13的温度升高，导致陶瓷衬底14和散热片13二者的热膨胀。另一方面，当半导体元件12停止产生热量，陶瓷衬底14和散热片13的温度下降减小，导致陶瓷衬底14和散热片13二者的热收缩。在热膨胀和收缩中，由陶瓷衬底14和散热片13的线性膨胀系数的差异形成热应力。然而，由于应力减小构件20的所有角部C都是圆形的，所以降低了影响角部C的热应力。进一步，当形成热应力时，应力减小构件20可在角部16a和散热片13之间形成的应力减小空间S中变形，从而减小热应力。因此，在应力减小构件20和金属板16之间以及在应力减小构件20和散热片13之间，避免形成裂缝。散热片13的到电路板11的结合表面的翘曲也得以避免。
根据本发明的实施例，可能带来下面的效果。
即使由于陶瓷衬底14和散热片13的线性膨胀系数差异产生了热应力，应力减小构件20可在应力减小空间S中变形，从而减小热应力。进一步，由于角部C是圆形的，因此在角部C与在日本未审查专利公开号2006-294699中所示的锐角转角的角部相比，热应力进一步降低。因此，避免了在应力减小构件20和金属板16之间以及在应力减小构件20和散热片13之间形成裂缝。也避免了在散热片13上形成的翘曲。
角部C通过挤压具有高热传导率的材料而变圆。这样，应力减小构件20能够在短时间内被容易制造。因此，半导体装置10能够在短时间内被制造。在角部通过化学工艺而变圆的情况(参见，例如，日本未审查专利公开号2002-176127)，就无法获得那个优势。
应力减小构件20的整个第一侧被固定在金属板16上，产生了从应力减小构件20到散热片13的改良的热传导。在应力减小构件20没有被完全固定在金属板16上的情况(参见，例如，附图5B中应力松弛部件125在其上具有应力松弛孔126)，就无法获得那个优势。
当在应力减小构件20上增加热应力时，应力减小构件20可在应力减小空间S中变形，从而能够减小热应力。
除了应力减小构件20的角部C之外，应力减小构件20的周围边缘部分与金属板16的周围边缘部分是同延的。因此，即使角部C为圆形使得从金属板16到应力减小构件20的热传导区域减小，仍然避免了从金属板16到应力减小构件20的热传导降低。
每个角部C相对于线L1，L2，L3或者L4是对称的。因此，热应力相等地分布到应力减小构件20的周围边缘部分。换句话说，避免了在应力减小构件20的任何部分集中热应力。
在本发明中，下面的替换实施也被包含在内。
在优选实施例的一个替换实施例中，如附图3A中所示，凹部或者通孔22形成在应力减小构件20的第一侧。
在优选实施例的一个替换实施例中，应力减小构件20具有小于金属板16的平面形状。换句话说，应力减小构件20被置于金属板16的周围边缘部分的内部。
在优选实施例的另一个替换实施例中，角部C的形状不限于上面提到的弧形。如附图4中所示，应力减小构件20具有从其剪掉直角而形成的角部20k。同样，角部C不必相对于线L1，L2，L3或者L4与对应的其他角部C对称。简而言之，只要角部C比金属板16的角部16a更钝，任何角部C都适合用于圆形角部。
在优选实施例的进一步替换实施例中，仅有一个，两个或者三个角部C为圆形。
在上述优选实施例中，采用水作为流过散热片13的流体。可是，在优选实施例的替换实施例中，采用其它液体或者空气。
在优选实施例的替换实施例中，采用沸腾冷却型散热片作为散热器。
在优选实施例的另一个替换实施例中，一个或者多于两个金属电路15置于电路板11上。另外，一个或者多于两个半导体元件12置于电路板11上。
在优选实施例的进一步替换实施例中，半导体装置10也可被应用到除汽车上控制电路之外的其它电路。
因此，本发明的示例和实施例被认为是解释而不是限制，本发明不限于这里提供的细节，而且在随后的权利要求的范围内可进行改进。
本专利申请要求基于2007年5月25日提交的第2007-139032号的日本专利申请的国外优先权，因此以引用的方式将其整个并入本文中，就像在此被完全阐述一样。

Claims (8)

1.一种半导体装置(10)，包括：
电路板(11)，包括绝缘衬底(14)、固定在该绝缘衬底(14)的第一侧(14a)上的第一金属板(15)、以及固定在绝缘衬底(14)的第二侧(14b)上的第二金属板(16)；
安装在该第一金属板(15)上的半导体元件(12)；
固定在该第二金属板(16)上的应力减小构件(20)；以及
固定在该应力减小构件(20)上的热冷却元件(13)，其特征在于
该应力减小构件(20)为板状并且具有圆形角部(C)，其中该应力减小构件的角部和该第二金属板的对应角部一起在该电路板的厚度方向上形成了台阶结构，其中该应力减小构件的圆形角部、该第二金属板和热金属板以及所述热冷却元件协作形成在所述第二金属板和所述热冷却元件之间的应力减小空间。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其中该应力减小构件由具有高热导率的材料形成。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其中该应力减小构件的第一侧对着半导体元件的到该第一金属板的结合表面，并且该应力减小构件的整个该第一侧被固定在该第二金属板上。
4.如权利要求1所述的半导体装置，其中除了该应力减小构件的该角部之外，该应力减小构件的周围边缘部分与该第二金属板的周围边缘部分是共同延伸的。
5.如权利要求1所述的半导体装置，其中该应力减小构件的第一侧对着该半导体元件的到该第一金属板的结合表面，并且在该应力减小构件的该第一侧上形成凹部。
6.如权利要求1所述的半导体装置，其中该应力减小构件是具有四个侧线的正方形，并且标准线延伸通过一侧线以及其对面的侧线的各自中点，并且在该侧线和其一个邻接的侧线之间形成的该圆形角部相对于该标准线与形成在该侧线和其另一个邻接侧线之间的另一个圆形角部是对称的。
7.如权利要求1所述的半导体装置，其中该应力减小构件是具有四个侧线的正方形，并且在一侧线和其另一个邻接的侧线之间形成的该圆形角部与形成在其对面的侧线和其一个邻接的侧线之间的另一个圆形角部相对于连接其余两个角部的对角线是对称的。
8.一种制造半导体装置(10)的方法，包括步骤：
在绝缘衬底(14)的第一侧(14a)上固定第一金属板(15)；
在该绝缘衬底(14)的第二侧(14b)上固定第二金属板(16)；
在该第一金属板(15)上安装半导体元件(12)；
在该第二金属板(16)上固定该应力减小构件(20)；以及
在该应力减小构件(20)上固定热冷却元件(13)，
其特征在于
通过压力作用使应力减小构件(20)的角部(C)变圆；其中应力减小构件(20)是板状的，并且由具有高热导率的材料形成，
该应力减小构件的变圆的角部和该第二金属板的对应角部一起在该电路板的厚度方向上形成台阶结构；以及
通过该应力减小构件的变圆的角部，该第二金属板以及所述热冷却元件在所述第二金属板和所述热冷却元件之间形成应力减小空间。
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