CN101320715A - 半导体器件 - Google Patents

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CN101320715A CNA2008101277514A CN200810127751A CN101320715A CN 101320715 A CN101320715 A CN 101320715A CN A2008101277514 A CNA2008101277514 A CN A2008101277514A CN 200810127751 A CN200810127751 A CN 200810127751A CN 101320715 A CN101320715 A CN 101320715A
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藤敬司
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Showa Denko KK
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Abstract

一种半导体器件，具有带有第一表面和第二表面的陶瓷衬底、耦合于第二表面的金属层、耦合于金属层和应力松弛元件的散热器。应力松弛元件被布置在金属层与散热器之间，并且具有耦合到金属层的第一表面和耦合到散热器的第二表面。多个应力松弛空间被提供在应力松弛元件的第一表面和第二表面中的至少一个的整个表面上。布置在应力松弛元件最外面部分的应力松弛空间比其它的应力松弛空间深。

Description

半导体器件
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，其包括具有第一表面和第二表面的绝缘衬底以及散热装置。第一表面被耦合到半导体元件，第二表面被耦合到金属层，并且散热装置通过板状应力松弛元件被耦合到金属层。
背景技术
通常，模块化的半导体器件是已知的。在这样的半导体器件中，金属层被分别提供在陶瓷衬底(绝缘衬底)的前面和背面上，其中，陶瓷衬底例如由氮化铝制成。半导体元件被热耦合(接合)到前面的金属层，并且散热器(辐射器)被热耦合(接合)到背面的金属层。散热器散发半导体元件产生的热。需要这样的半导体器件来在延长的时间周期内维持散热器的散热性能。但是，依赖于使用条件，由于金属层和散热器之间的线性膨胀系数的不同所产生的热应力，裂缝将出现在陶瓷衬底和背面金属层之间的接合部分处。进一步，当膨胀发生时，裂缝也许会引起剥离，这使散热性能退化。
为了克服这样的缺陷，日本特开专利公开物No.2006-294699公开了一种散热装置(半导体器件)。公开物中公开的散热装置具有带有第一表面和第二表面的绝缘衬底、金属层、应力松弛元件和散热器。第一表面起安装热产生部件的表面的作用，并且第二表面是第一表面的反面。金属层形成在第二表面上。应力松弛元件形成在金属层上。散热器形成在松弛元件上使得散热器通过金属层和应力松弛元件被固定到第二表面。应力松弛元件由高热导性材料形成并且具有应力吸收空间。应力松弛元件通过金属接合被耦合到绝缘衬底和散热器。这改善了绝缘衬底和散热器间的热导率并且也改善了热产生部件(半导体元件)所产生的热的散热性能。热产生部件被安装到绝缘衬底。由于应力松弛元件变形使得应力吸收空间松弛了热应力，因此防止了在绝缘衬底和金属层的接合部分处出现裂缝和剥落。
在上述公开物所公开的散热装置中，多个应力吸收空间被形成在应力松弛元件的与金属层耦合的耦合表面的整个表面上。应力吸收空间是通过应力松弛元件在应力松弛元件厚度方向上延伸的通孔，或者是被形成为在应力松弛元件厚度方向上凹进的凹进部分。该多个应力松弛元件有相同的深度。应力吸收空间占用应力松弛元件的表面的大面积，并且应力松弛元件的材料与应力吸收空间的体积比是小的。因此，在上述公开物所公开的散热装置中，应力松弛元件的热导率不好，并且因此散热性能不好。
发明内容
本发明的目的是提供具有较高的应力松弛功能和较高的散热性能的半导体器件。
为了达到上述目的，本发明的一个方面提供包括绝缘衬底、半导体元件、金属层、热层、散热装置和板状应力松弛元件的半导体器件。绝缘衬底具有第一表面和是第一表面的反面的第二表面。半导体元件耦合到绝缘衬底的第一表面。金属层耦合到绝缘衬底的第二表面。散热装置耦合到金属层。板状应力松弛元件被布置在金属层和散热装置之间。应力松弛元件具有耦合到金属层的第一表面和耦合到散热装置的第二表面。多个应力松弛空间形成在应力松弛元件的第一表面和第二表面中的至少一个的整体上。布置在应力松弛元件最外面部分处的应力松弛空间比其它的应力松弛空间更深。
本发明的其它方面和优点将从下面的参照附图的描述中变得明显，所述附图借助实例示出了本发明的原理。
附图说明
本发明连同其目的和优点可以通过参考下面的目前优选实施例的描述以及附图而得到最好的理解，其中：
图1是示出根据本发明的第一实施例的半导体器件的平面图；
图2是沿图1中的线2-2的截面图；
图3是显示图2所示的应力松弛元件的平面图；
图4是沿图3中的线4-4的截面图；
图5是示出根据第二实施例的应力松弛元件的截面图；
图6是显示根据实例和对比实例的最大塑性应变幅度的图；
图7A是显示根据实例和对比实例的IGBT的温度的图；
图7B是显示根据实例和对比实例的二极管的温度的图；
图8-10是显示根据修改的实施例的应力松弛元件的截面图。
具体实施方式
现在将参照图1-4描述根据本发明的第一实施例的半导体器件。图1-4用示意图显示了半导体器件。为了说明的目的，各个部分的宽度、长度和厚度的比率与实际比率不同。
如图2所示，半导体器件10包括电路板11、接合到电路板11的半导体元件12、用作辐射器的散热器13、以及位于电路板11和散热器13之间的应力松弛元件20。特别地，电路板1 1被提供有具有第一表面14a(前面)和与第一表面14a相反的第二表面14b(背面)的陶瓷衬底(绝缘衬底)14。电路板11也包含接合到第一表面14a的金属电路15，和接合到第二表面14b(背面)的金属层16。陶瓷衬底14和金属层16在平面图中是矩形的。如图1和2所示，半导体元件12在平面图中是矩形的并且使用焊料层H(见图2)耦合到金属电路15。因此，半导体元件12利用金属电路15热耦合到陶瓷衬底14的第一表面14a。半导体元件12布置在来自电路板11的边缘的内部部分处。
半导体元件12包括，例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET和二极管。多个半导体元件12耦合到电路板11。如图2所示，应力松弛元件20具有第一表面20a和作为第一表面的反表面的第二表面20b。第一表面20a通过铜焊耦合到金属层16。散热器13通过铜焊耦合到第二表面20b。换句话说，应力松弛元件20通过金属接合耦合到陶瓷衬底14和散热器13，并且因此，半导体元件12通过电路板11和应力松弛元件20热耦合到散热器13。
陶瓷衬底14由例如氮化铝、氧化铝或氮化硅形成。金属电路15和金属层16由铝形成。散热器13由铝形成。这里的铝指的是铝和铝合金。金属电路15、金属层16和散热器13可以由除了铝以外的具有高热导率的材料(例如，铜和铜合金)形成。在散热器13中形成冷却媒质通道13a，冷却媒质(例如，冷却水)流过该冷却媒质通道13a。
应力松弛元件20现在将被详细地描述。
图2所示的应力松弛元件20由高热导率材料形成，特别地其为与金属层16和散热器13的材料(铝或铜)相同的材料。应力松弛元件20在平面图中是矩形(见图3)。
形成多个凹进21，或者应力松弛空间21被形成为在应力松弛元件20的第一表面20a的整个表面上方凹进。第一表面20a的除了应力松弛空间21以外的部分通过铜焊被连接到金属层16。另外一方面，没有应力松弛空间21形成在应力松弛元件20的第二表面20b上，并且第二表面20b的整个表面通过铜焊耦合到散热器13。如图3所示，每个应力松弛空间21在平面图中是圆形的。如图2所示，形成每个应力松弛空间21使得其沿着从应力松弛元件20的第一表面20a到第二表面20b的应力松弛元件20的厚度方向凹进。当热应力在半导体器件10中产生时，每个应力松弛空间21松弛热应力。
如图3所示，应力松弛空间21被规则地布置以至于穿过应力松弛空间21的中心并且平行于应力松弛元件20的一侧延伸的线L(以点划线显示)被布置成格子状。所有沿着应力松弛元件20的一侧布置的应力松弛空间21间的距离是相同的。此外，应力松弛空间21的一些被布置为中心位于应力松弛元件20的对角线上。所有沿着应力松弛元件20的对角线布置的应力松弛空间21间的距离是相同的。
在本实施例中，在应力松弛元件20的第一表面20a上，六个应力松弛空间21沿着应力松弛元件20的一对相对侧延伸的方向布置。六个应力松弛空间21沿着与第一对相对侧垂直的另一对侧延伸的方向布置。换句话说，三十六个(六行乘以六列)应力松弛空间21被提供在应力松弛元件20上。全部应力松弛空间21被形成为在应力松弛元件20的厚度范围内并且没有延伸通过应力松弛元件20。
如图2和4所示，布置在应力松弛元件20的最外面部分的二十个应力松弛空间21或者沿应力松弛元件20的边缘布置的应力松弛空间21比其它十六个应力松弛空间21更深。沿着应力松弛元件20的边缘布置的应力松弛空间21被称为第一组应力松弛空间21。第一组应力松弛空间21具有接近于应力松弛元件20的厚度的深度。第一组应力松弛空间21在所有的应力松弛空间21中是最深的。
布置在第一组应力松弛空间21内部并且与第一组应力松弛空间21相邻的十二个应力松弛空间21比第一组应力松弛空间21浅。布置在第一组应力松弛空间21内部并且与第一组应力松弛空间21相邻的应力松弛空间21被称为第二组应力松弛空间21。第二组应力松弛空间21的深度是第一组应力松弛空间21的深度的一半。
另外，布置在应力松弛元件20中心和布置在第二组应力松弛空间21内部的四个应力松弛空间21比第二组应力松弛空间21浅。布置在第二组应力松弛空间21内部的四个应力松弛空间21被称为第三组应力松弛空间21。第三组应力松弛空间21的深度是第二组应力松弛空间21的深度的一半。因此，第三组应力松弛空间21在所有的应力松弛空间21中是最浅的。多组应力松弛空间21具有不同的深度。随着越靠近应力松弛元件20的中心，应力松弛空间21变得越浅。
布置成上述结构的半导体器件10例如被应用于车辆电动机的驱动器件并且根据车辆的驱动情况控制供应给车辆电动机的电力。另外，在半导体器件10中由半导体元件12产生的热通过金属电路15、陶瓷衬底14、金属层16和应力松弛元件20被传导给散热器13。当半导体元件12产生的热被传导给散热器13时，电路板11和散热器13被加热并且热膨胀。当半导体元件12停止产生热时，电路板11和散热器13的温度被降低，并且电路板11和散热器13热收缩。在热膨胀和热收缩时，由于散热器13和陶瓷衬底14之间的线性膨胀系数的不同在半导体器件10中产生了热应力。
但是，因为本实施例的半导体器件10具有形成在应力松弛元件20中的应力松弛空间21，应力松弛空间21允许应力松弛元件20的变形，并且作用于半导体器件10的热应力被松弛。此时，越靠近半导体器件10的边缘热应力越大。第一组应力松弛空间21在所有的应力松弛空间21中是最深的。换句话说，最深的和最大的应力松弛空间21布置在最大的热应力起作用的部分。因此，应力松弛元件20在它的边缘允许大的变形并且可靠地松弛热应力。热应力朝向应力松弛元件20的中心而变小。因此，具有浅深度的第二组和第三组应力松弛空间21布置在第一组应力松弛空间21的内部。因此，小的热应力能够通过第二组和第三组应力松弛空间21被有效地松弛。
另外，半导体元件12产生的热通过陶瓷衬底14、金属层16和应力松弛元件20(耦合区)被传导给散热器13。传导给散热器13的热然后被传导给在散热器13中的冷却媒质通道13a中流动的冷却媒质，并被消除。即，由于散热器13通过在冷却媒质通道13a中流动的冷却媒质被强制地冷却，因此半导体元件12产生的热被有效地消除。结果，半导体元件12从靠近于电路板11的一侧被冷却。
在半导体器件10中，应力松弛元件20的第一表面20a的一部分通过电路板11直接位于半导体元件12下面。从而，从半导体元件12直接向下传导的热通过应力松弛元件20被传导给散热器13。
应力松弛空间21布置在应力松弛元件20的第一表面20a上用于松弛热应力。布置在接近于应力松弛元件20中心的第三组应力松弛空间21是最浅的。应力松弛空间21朝向应力松弛元件20的边缘而变深。因此，被应力松弛空间21占用的体积对于应力松弛元件20的比率朝向应力松弛元件20的中心而降低。即，形成应力松弛元件20的材料对于应力松弛空间21的体积比朝向应力松弛元件20的中心而变大。因此，应力松弛元件20的热导率被改善并且半导体元件12产生的热通过应力松弛元件20被有效地传导给散热器13。
所述实施例有如下优点：
(1)应力松弛元件20提供在电路板11上的金属层16与散热器13之间并且多个应力松弛空间21被形成为在应力松弛元件20的第一表面20a的整个表面上凹进。布置接近应力松弛元件20边缘的应力松弛空间21(第一组)比其它应力松弛空间21(第二组和第三组)深。因此，最大的应力松弛空间21布置为更接近于热应力集中的半导体器件10的边缘。因此，热应力通过应力松弛空间21被可靠地松弛。形成应力松弛元件20的材料对于应力松弛空间21的体积比朝向应力松弛元件20的中心而变大。因此，对比于所有的应力松弛空间21被形成为具有与第一组应力松弛空间21相同深度的情况，应力松弛元件20的热导率被改善。因而，具有应力松弛元件20的半导体器件10具有较高的应力松弛功能，并防止了裂缝与剥离发生在与陶瓷衬底14的接合部分处，而且具有较高的散热性能。
(2)多个应力松弛空间21被形成在应力松弛元件20的第一表面20a上，并且因此第一表面20a的除了形成应力松弛空间21的部分的部分被耦合到金属层16。当应力松弛元件20通过铜焊被耦合到金属层16时，应力松弛空间21允许铜焊材料流进应力松弛空间21。从浸润性的观点看，对比于应力松弛元件20的整个表面被耦合到金属层16的情况，金属层16与应力松弛元件20之间的耦合被改善。
(3)作用在半导体器件10上的热应力朝向应力松弛元件20的边缘而变大，并且朝向应力松弛元件20的中心而变小。应力松弛空间21朝向应力松弛元件20的中心而变浅。因此，作用在半导体器件10的外部和内部上的热应力的大小是不同的。但是，应力松弛空间21的深度被调节为与作用在每一部分上的热应力的大小相对应。因此，热应力被有效地松弛。
(4)应力松弛空间21被规则地布置在应力松弛元件20的第一表面20a的整个表面上。因此，例如，对比于应力松弛空间21被布置为集中在第一表面的一部分上并且在第一表面21a上存在没有应力松弛空间21形成的一些部分的情况，应力松弛元件20通过应力松弛空间21可靠地松弛了热应力并且具有较高的散热性能。
(5)在半导体器件10中，由于陶瓷衬底14和散热器13之间的线性膨胀系数的差异而产生热应力，并且热应力很容易影响到陶瓷衬底14和金属层16的接合部分。应力松弛空间21被提供在第一表面20a上，其是应力松弛元件20的第一表面20a和第二表面20b之一，接近于陶瓷衬底14和金属层16的接合部分。因此，热应力被有效地松弛，并且有效地防止了裂缝和剥离出现在绝缘衬底14与金属层16的接合部分处。
根据本发明的第二实施例的半导体器件将参照图5说明。
如图5所示，多个应力松弛空间21被形成在应力松弛元件20的第二表面20b的整个表面上。每个应力松弛空间21被形成为从应力松弛元件20的第二表面20b到第一表面20a凹进。第二实施例与第一实施例的不同在于应力松弛空间21被形成在的表面。但是，第二实施例的第一至第三应力松弛空间21的深度、布置和数量与第一实施例相同。因此，根据第二实施例，第一实施例的优点(1)-(4)被获得。
这些实施例将根据实例被详细说明。实例并不限制本发明。
实例1
根据第一实施例的应力松弛元件20被如下配置。
应力松弛元件20的厚度为2.0mm，第一组应力松弛空间21的深度是1.5mm，第二组应力松弛空间21的深度是1.0mm，第三组应力松弛空间21的深度是0.5mm。
实例2
根据第二实施例的应力松弛元件20被如下配置。
应力松弛元件20的厚度为2.0mm，第一组应力松弛空间21的深度是1.5mm，第二组应力松弛空间21的深度是1.0mm，第三组应力松弛空间21的深度是0.5mm。
对比实例1
应力松弛元件的厚度为2.0mm并且没有应力松弛空间被形成。
对比实例2
应力松弛元件的厚度为2.0mm并且所有的应力松弛空间被形成为延伸通过应力松弛元件20。
在其中使用实例1、2和对比实例1、2的应力松弛元件的半导体器件中，金属层的最大塑性应变幅度(其对应于在每一个实施例中的热应力)被测量。结果显示在图6中。在图6中，纵坐标表示最大塑性应变幅度(-)，并且横坐标表示被测对象。如图6所示，与对比实例1比较，实例1、2中的最大塑性应变幅度(热应力)被很大地降低。在实例1、2中，与对比实例2的最大塑性应变幅度(热应力)基本相同的值被获得。这显示实例1、2的应力松弛元件有较高的应力松弛功能。
半导体器件使用实例1、2和对比实例1、2的应力松弛元件。对于实例1、2和对比实例1、2中的每一个，准备一个使用IGBT作为半导体元件且另一个使用二极管作为半导体元件的两个半导体器件。IGBTA的面积为139.24mm2并且发热量为102W。另一方面，二极管的面积为69.3mm2并且发热量为75W。因此，二极管中每单位面积的发热量比IGBT更大。
每个半导体器件中的半导体元件(IGBT和二极管)的温度被测量。结果如图7A和7B所示。在图7A和7B中，纵坐标表示温度(℃)并且横坐标表示被测对象。图7A显示的是IGBT的温度，图7B显示的是二极管的温度。如图7A和7B所示，对比于对比实例2，实例1、2中的半导体元件的温度要低。这显示半导体器件中的散热性能被提高。
因而，布置在应力松弛元件20最外面部分的应力松弛空间21最深并且朝向应力松弛元件20的中心应力松弛空间21变浅这样的配置结构允许应力松弛元件20具有应力松弛功能和较高的散热效果。
对于本领域技术人员而言，本发明可以使用许多其它的特殊形式来具体实施，而不脱离本发明的精神或范围。特别地，这将被理解为本发明可以以如下形式来具体实施。
如图8所示，应力松弛空间21可以被形成为在包括应力松弛元件20的第一表面20a和第二表面20b的两个表面上凹进。应力松弛空间21可以朝向应力松弛元件20的中心变浅。
如图9所示，布置在应力松弛元件20最外面部分的应力松弛空间21(第一组应力松弛空间21)可以被形成为延伸通过应力松弛元件20。此外，在第一表面20a或第二表面20b上(图9中为在第一表面20a上)，第二组和第三组应力松弛空间21可以被形成为在应力松弛元件20的厚度方向上凹进，并且布置在最外面部分的第二组应力松弛空间21比第三组应力松弛空间21更深。因而，布置在热应力集中的应力松弛元件20最外面部分的应力松弛空间21的深度在应力松弛元件20的厚度方向上可能最深。因此，热应力能够通过应力松弛空间21被可靠地松弛。
如图10所示，布置在应力松弛元件20最外面部分的应力松弛空间21(第一组应力松弛空间21)可以是最深的并且其它的应力松弛空间21的深度可以是相同的。
布置在应力松弛元件20的第一表面20a和第二表面20b中的至少一个上的应力松弛空间21的数量可以根据应力松弛元件20的尺寸和半导体元件12的尺寸改变。
在实施例的每一个中，应力松弛空间21的平面形状不限于圆形。例如，应力松弛空间21的平面形状可以是三角形、矩形、椭圆形、六角形或其它形状。
应力松弛空间21可以在第一表面20a和第二表面20b中的至少一个上被布置成Z字形配置。
流过散热器13的冷却媒质不限于水，只要散热器13是强制冷却类型的冷却器件。例如，冷却媒质可以是其它液体或者气体，例如空气。散热器13可以是沸腾蒸发型的冷却器件。
提供在电路板11上的金属电路15的数量不限于两个。金属电路15的数量可以是一个、三个或更多个。提供在每个金属电路15上的半导体元件12的数量可以是一个、三个或更多个。
半导体器件10不一定用于安装在车辆上，而是可以用于其它用途。
本实例和实施例将被认为是解释性的和非限制性的，并且本发明没有被限制为这里所给出的细节，而是可以在所附权利要求和等效物的范围内被修改。

Claims (7)

1、一种半导体器件包括：
绝缘衬底，其具有第一表面和是第一表面的反表面的第二表面；
半导体元件，其耦合到所述绝缘衬底的所述第一表面；
金属层，其耦合到所述绝缘衬底的所述第二表面；
散热装置，其耦合到所述金属层；和
板状的应力松弛元件，其布置在所述金属层与所述散热装置之间，所述应力松弛元件具有耦合到所述金属层的第一表面和耦合到所述散热装置的第二表面，
其特征在于多个应力松弛空间形成在所述应力松弛元件的所述第一表面和所述第二表面的至少一个的整体上，并且布置在所述应力松弛元件最外面部分处的应力松弛空间比其它的应力松弛空间深。
2、根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于朝向所述应力松弛元件中心所述应力松弛空间变浅。
3、根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于所述应力松弛空间形成在所述应力松弛元件的所述第一表面上，并且朝向所述应力松弛元件中心所述应力松弛空间变浅。
4、根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于所述应力松弛空间形成在所述应力松弛元件的所述第二表面上，并且朝向所述应力松弛元件中心所述应力松弛空间变浅。
5、根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于所述应力松弛空间是凹进部分。
6、根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于布置在所述应力松弛元件最外面部分的应力松弛空间在应力松弛元件的厚度方向上延伸通过所述应力松弛元件。
7、根据权利要求1-6中的任一项所述的半导体器件，其特征在于所述应力松弛空间被规则地布置使得穿过所述应力松弛空间的中心并且沿着应力松弛元件的侧延伸的多个线被布置成格子状。
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