CN101794754A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体装置，包括：绝缘基底，所述绝缘基底具有陶瓷基底和位于所述陶瓷基底的相反表面上的金属涂层；半导体芯片，所述半导体芯片安装在所述绝缘基底的一个表面上；热沉，所述热沉直接或间接地固定至所述绝缘基底的另一表面，并经由所述绝缘基底与所述半导体芯片热连接；以及至少一个抗翘曲片，所述至少一个抗翘曲片设置在所述热沉的至少一个表面上。所述抗翘曲片由具有涂层的金属片制成并且具有介于所述绝缘基底的热膨胀系数与所述热沉的热膨胀系数之间的热膨胀系数。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及一种半导体装置。
背景技术
半导体装置具有绝缘基底，该绝缘基底上安装有半导体芯片，并且该绝缘基底连接至散热板的表面。在这样的半导体装置中，由半导体芯片产生的热经由绝缘基底释放到散热板。但是，绝缘基底与散热板之间的热膨胀系数的差异可能导致散热板翘曲。日本专利申请公开2000-332170公开了一种半导体装置以解决该问题。该公开中的半导体装置具有绝缘基底，在该绝缘基底的一个表面上安装有半导体芯片，并且，在该绝缘基底的另一表面上通过软焊连接有铜板。
铜板的与绝缘基底相反的表面通过软焊连接至辅助片(例如，钼片)，该辅助片具有与绝缘基底的热膨胀系数基本相等的热膨胀系数。这种结构保持了由于热变化所引起的在铜板的相反表面上所产生的不同应力之间的平衡，从而防止铜板翘曲。
虽然作为辅助片的钼片可以通过软焊连接至作为热沉的铜板，但是不容易通过铝硬焊来连接这两种不同的片材。通过软焊完成的连接在强度和可靠性上较低。
本发明旨在提供一种可靠的半导体装置，其中，可通过硬焊容易地将抗翘曲片连接至热沉，以防止热沉翘曲。
发明内容
一种半导体装置，包括：绝缘基底，所述绝缘基底具有陶瓷基底和位于所述陶瓷基底的相反表面上的金属涂层；半导体芯片，所述半导体芯片安装在所述绝缘基底的一个表面上；热沉，所述热沉直接或间接地固定至所述绝缘基底的另一表面并经由所述绝缘基底与所述半导体芯片热连接；以及至少一个抗翘曲片，所述至少一个抗翘曲片设置在所述热沉的至少一个表面上。所述抗翘曲片由具有涂层的金属片制成并且具有介于所述绝缘基底的热膨胀系数与所述热沉的热膨胀系数之间的热膨胀系数。
从结合附图以示例的方式图示本发明原理的以下描述，本发明的其它方面和优点将变得清楚。
附图说明
本发明的相信具有新颖性的特征具体陈述于所附权利要求中。通过参考对附图及目前优选的实施方式的以下描述，可以最好地理解本发明及其目的和优点，其中：
图1是依据本发明第一实施方式的半导体装置的纵向剖视图；
图2是图1的半导体装置的分解图；
图3是依据本发明第二实施方式的半导体装置的纵向剖视图；
图4是图3的半导体装置的分解图；
图5是依据本发明的替代性实施方式的半导体装置的纵向剖视图；
图6是依据本发明的另一替代性实施方式的半导体装置的纵向剖视图；
图7是依据本发明的又一替代性实施方式的半导体装置的纵向剖视图；并且
图8是依据本发明的再一替代性实施方式的半导体装置的纵向剖视图。
具体实施方式
〖第一实施方式〗
以下将参考图1和图2来描述本发明的半导体装置的第一实施方式。在该实施方式中，半导体装置被实施为在车辆中使用的功率模块。
如图2所示，作为半导体装置的功率模块具有绝缘基底10、半导体芯片20以及热沉30。半导体芯片20安装在绝缘基底10的顶面上，而热沉30固定于绝缘基底10的底面。
绝缘基底10包括绝缘的陶瓷基底11以及形成在陶瓷基底11的相反表面上的第一金属涂层12和第二金属涂层13。具体地，第一金属涂层12涂覆在陶瓷基底11的安装半导体芯片20的一个表面(例如，顶面)上，而第二金属涂层13涂覆在陶瓷基底11的另一表面(例如，底面)上。陶瓷基底11由例如氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)以及氮化硅(Si3N4)制成。金属涂层12、13由铝制成。
陶瓷基底11的热膨胀系数为大约3-7ppm/℃(百万分之一/摄氏度)。具体地，由氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)制成的陶瓷基底11分别具有大约4ppm/℃、7ppm/℃、或者3ppm/℃的热膨胀系数。因此，涂覆在陶瓷基底11的相反表面上的金属涂层12、13的厚度小，并且绝缘基底10的热膨胀系数为大约3-7ppm/℃。
产生热的半导体芯片20通过软焊连接至位于绝缘基底10顶部的金属涂层12。半导体芯片20是诸如IGBT(绝缘栅双极型功率管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)以及二极管这样的功率装置的组合。半导体芯片20在被驱动时产生热。
热沉30由诸如铝这样的具有高散热效率的金属制成。铝制热沉30的热膨胀系数为大约24ppm/℃。
在热沉30中具有彼此平行地延伸从而提供多个冷却通道31的空间，冷却水流经该冷却通道31。冷却通道31具有入口和出口(均未示出)，该入口和出口都形成为与车辆的冷却水循环通道相连通。
绝缘基底10设置在热沉30的顶面的中央，并且绝缘基底10的金属涂层13通过铝硬焊连接至热沉30(热沉30固定于绝缘基底10的与连接半导体芯片20的表面相反的表面)。因此，热沉30经由绝缘基底10与半导体芯片20热连接，并且，半导体芯片20产生的热经由绝缘基底10传导至用作为散热器的热沉30。热沉30的冷却能力设定为使得半导体芯片20产生的热可经由绝缘基底10传导至热沉30并从热沉30有效发散。
环绕基底10的顶部片40通过铝硬焊连接至热沉30以防止热沉30翘曲。顶部片40包括钢片41和位于钢片41表面上的铝涂层42。铝涂层通过镀铝的方式形成。作为金属片的钢片41可以是不锈钢的。如图2所示，顶部片40在其中央形成有贯穿顶部片40的孔43，孔43的面积从顶部看略大于绝缘基底10的面积。由此，顶部片40在同样连接有绝缘基底10的同一顶面上环绕绝缘基底10通过铝硬焊连接至热沉30。
底部片50通过铝硬焊连接至热沉30的整个底面以防止热沉30翘曲。底部片50包括作为金属片的钢片51和位于钢片51表面上的铝涂层52。钢片51可以是不锈钢的。底部片50通过铝硬焊连接至热沉30的底面，所述底面与热沉30的连接有绝缘基底10的顶面相反。
在连接操作中，热沉30、绝缘基底10、顶部片40以及底部片50同时硬焊在一起。更具体地，参考图2，绝缘基底10和顶部片40设置在热沉30的顶面上使得铝硬焊剂置于绝缘基底10和顶部片40与热沉30的顶面之间，并且同时，底部片50设置在热沉30的底面上使得铝硬焊剂置于底部片50与热沉30的底面之间。在炉中加热它们使得铝硬焊剂熔化，然后将它们置于室温下使得它们硬焊在一起。随后，通过软焊将半导体芯片20连接至绝缘基底10的顶面。
钢片的线性热膨胀系数为大约12ppm/℃，且顶部片40的钢片41以及底部片50的钢片51的热膨胀系数介于绝缘基底10的约3-7ppm/℃与热沉30的约24ppm/℃之间。在其表面上涂覆有铝的顶部片40和底部片50具有与钢片的热膨胀系数基本相同的大约12ppm/℃的热膨胀系数。
由此，能够通过顶部片40和底部片50防止在硬焊工艺期间当炉中的温度降低时可能发生的热沉30的翘曲。更详细地描述，如果底部片50的热膨胀系数小于绝缘基底10的热膨胀系数，则热沉30将不会翘曲呈凸起形状，而会翘曲呈凹入形状。但是，由于底部片50的面积大于绝缘基底10的面积，而且顶部片40和底部片50的热膨胀系数介于绝缘基底10的热膨胀系数与热沉30的热膨胀系数之间，所以热沉30翘曲呈凹入形状，但是程度较小。
此外，由于绝缘基底10通过硬焊直接连接至热沉30，所以能够使绝缘基底10与热沉30之间的散热路径中的热阻最小化，并能够相应地提高散热效率。
在第一实施方式中得到了以下有益效果。
(1)底部片50通过硬焊连接至热沉30的底面，其中该底部片50由钢片51制成且在钢片表面上具有铝涂层52而且热膨胀系数介于绝缘基底10的热膨胀系数与热沉30的热膨胀系数之间。这种结构防止热沉30由于热而翘曲，并且便于将抗翘曲片连接至热沉30，从而提高半导体装置的可靠性。
(2)顶部片40环绕绝缘基底10通过硬焊连接至热沉30的顶面，其中该顶部片40由钢片41制成且在钢片表面上具有铝涂层42而且热膨胀系数介于绝缘基底10的热膨胀系数与热沉30的热膨胀系数之间。这种结构防止热沉30由于热而翘曲，并且还便于将抗翘曲片连接至热沉30，从而提高半导体装置的可靠性。顶部片40和底部片50的组合能够更有效地防止热沉30由于热而翘曲。
(3)绝缘基底10、顶部片40以及底部片50能够通过硬焊同时连接至热沉30。
(4)作为金属片的钢片41、51由不昂贵的钢材制成，因此在制造成本方面是有利的。
(5)热沉30由不昂贵的铝制成，因此在制造成本方面是有利的。
〖第二实施方式〗
以下将描述本发明的半导体装置的第二实施方式。
第二实施方式与第一实施方式(图1和图2)不同在于，如图3和图4所示，在绝缘基底10与热沉30之间插入抗翘曲垫片60。垫片60包括作为金属片的钢片61以及位于钢片61的表面上的铝涂层62。钢片61可以是不锈钢的。如图3所示，垫片60通过铝硬焊连接至绝缘基底10和热沉30。
热沉30、垫片60、绝缘基底10、顶部片40以及底部片50同时硬焊在一起。具体地，如图4所示，垫片60和顶部片40设置在热沉30的顶面上使得铝硬焊剂置于垫片60和顶部片40与热沉30的顶面之间，并且同时，绝缘基底10设置在垫片60的顶面上使得铝硬焊剂置于绝缘基底10与垫片60的顶面之间，此外，底部片50设置在热沉30的底面上使得铝硬焊剂置于底部片50与热沉30的底面之间。然后，将它们在炉中暴露于高温使得铝硬焊剂熔化。通过将炉中的温度降低到室温来将它们同时硬焊在一起。随后，通过软焊将半导体芯片20连接至绝缘基底10的顶面。
由于钢片的热膨胀系数为大约12ppm/℃，所以顶部片40的钢片41、底部片50的钢片51以及垫片60的钢片61的热膨胀系数都介于绝缘基底10的约3-7ppm/℃与热沉30的约24ppm/℃之间。垫片60包括钢片61以及位于钢片61的表面上的铝涂层62，并且垫片60的热膨胀系数是与钢片的热膨胀系数基本相同的大约12ppm/℃。
由此，能够通过这种结构防止在硬焊工艺期间当炉中的温度降低时可能发生的热沉30的翘曲。更具体地，由于热沉30与绝缘基底10之间的热膨胀系数的差异产生了热应力，但垫片60减轻了热应力从而防止热沉30翘曲。在垫片60插置在绝缘基底10与热沉30之间的情况下将绝缘基底10通过硬焊连接至热沉30。由于垫片60由涂覆有铝的钢片61制成，所以能够使绝缘基底10与热沉30之间的散热路径中的热阻最小化，从而防止散热效率的降低。
在第二实施方式中得到了以下有益效果。
(1)垫片60插置在绝缘基底10与热沉30之间并通过硬焊连接至绝缘基底10和热沉30中的每一个，其中该垫片60包括钢片61且在钢片表面上具有铝涂层62而且热膨胀系数介于绝缘基底10的热膨胀系数与热沉30的热膨胀系数之间。这种结构防止热沉30翘曲，并且便于将抗翘曲片连接至热沉30，从而提高半导体装置的可靠性。除顶部片40和底部片50之外使用垫片60比没有垫片60的情况能够更有效地防止热沉30翘曲。
(2)垫片60、绝缘基底10、顶部片40以及底部片50能够通过硬焊同时连接至热沉30。
(3)垫片60由不昂贵的钢材制成，因此在制造成本方面是有利的。
以上实施方式可以如下面例示的各种方式修改。
如图5所示，可省去图1中的顶部片40，并可仅通过硬焊将底部片50连接至热沉30。
图3和图4中的垫片60可由形成有许多通孔的板诸如冲孔金属板来替换，并通过硬焊连接至热沉30和基底10。
如图6所示，可省去图3和图4中的顶部片40和底部片50。在图6的实施方式中，由连接至热沉30底面的任意部件或元件产生的热可传递至用于冷却的热沉30。
可省去图3中的底部片50，并可仅通过硬焊将顶部片40和垫片60连接至热沉30。相比仅将顶部片40和垫片60的其中之一连接至热沉30的情况，当顶部片40和垫片60都通过硬焊连接至热沉30时能够更有效地防止热沉30的翘曲。
作为散热器的热沉30形成为使得水流经热沉30，但是可使用诸如酒精之类的其它冷却介质来替代水。
热沉30形成为使得冷却液体流经热沉30，但是热沉30可形成为向大气散热(空气冷却)。在这种情况下，热沉30可以被强制空气冷却或无风扇的自然冷却。
顶部片40、底部片50以及垫片60都由涂覆有铝的钢片制成，但是，除钢片之外的金属片是适用的，并且除铝层之外的涂层也是适用的。换言之，在其表面上具有涂层且热膨胀系数介于绝缘基底10的热膨胀系数与热沉30的热膨胀系数之间的金属片是可用的。
在以上实施方式中的由铝制成的热沉30可由诸如铜之类的其它材料制成。由铜制成的热沉的热膨胀系数为大约17ppm/℃。
图7示出了不同构型的热沉。图7中的热沉70包括其中具有空间的箱型壳体71以及由铝制成的散热片72。铝散热片72在壳体71的内侧连接至壳体71，将所述空间分成多个冷却通道73。壳体71包括钢片74作为在其表面上具有铝涂层75且热膨胀系数介于绝缘基底10的热膨胀系数与散热片72的热膨胀系数之间的金属片。至少除了散热片72之外，热沉70由与图7中的垫片60或者抗翘曲片相同的材料制成。钢片74可是不锈钢的。散热片72通过硬焊连接至壳体71。
由此，热沉70可制成为在其中具有散热片72，并且，至少除了散热片72之外，可由在其表面上具有铝涂层75且热膨胀系数介于绝缘基底10的热膨胀系数与散热片72的热膨胀系数之间的金属片制成。在这种情况下，抗翘曲片(例如，图7所示的垫片60、图1所示的底部片50和顶部片40)可通过硬焊容易地连接至热沉。
底部片50可形成为具有与绝缘基底10的面积基本相同或者比绝缘基底10的面积大的面积。
绝缘基底10的金属涂层12、13可由铜制成。
顶部片可由除具有涂层的金属片之外的其它材料制成，例如，热膨胀系数介于绝缘基底10的热膨胀系数与热沉30的热膨胀系数之间的单一材料。
图8示出了又一替代性实施方式，该实施方式与图7的实施方式的不同在于省去了图7中的垫片60。图8中所示出的热沉70是以与图7所示的热沉70相同的方式形成的。热沉70包括其中具有空间的箱型壳体71以及由铝制成的散热片72。铝散热片72在壳体71的内侧连接至壳体71，将所述空间分成多个冷却通道73。壳体71由带有铝涂层75且热膨胀系数介于绝缘基底10的热膨胀系数与散热片72的热膨胀系数之间的钢片74制成。箱型壳体71具有顶面71A和底面71B以及四个侧面71C。壳体71的顶面71A通过铝硬焊连接至绝缘基底10，并且形成壳体71的底面71B的钢片74的厚度t1大于形成壳体71的顶面71A的钢片74的厚度t2。由于形成壳体71的顶面71A的钢片74的厚度t2小，所以能够使介于绝缘基底10与壳体71中的冷却通道73之间的用于半导体芯片20的散热路径中的热阻最小化，由此提供良好的散热效率。并且，由于形成壳体71的底面71B的钢片74的厚度t1大，所以几乎不会发生热沉70的翘曲。因此，半导体装置具有绝缘基底10，该绝缘基底10由在其两个表面上带有金属涂层12、13的陶瓷基底11制成。半导体芯片20通过硬焊连接至绝缘基底10的一个表面，并且热沉70通过硬焊连接至绝缘基底10的另一表面，所述另一表面与连接半导体芯片20的所述一个表面相反。热沉70经由绝缘基底10与半导体芯片20热连接。热沉70包括其中具有空间的壳体71以及散热片72。壳体71由带有铝涂层75且热膨胀系数介于绝缘基底10的热膨胀系数与散热片72的热膨胀系数之间的金属片制成。壳体71的顶面71A通过铝硬焊连接至绝缘基底10，并且形成壳体71的底面71B的钢片74的厚度t1大于形成壳体71的顶面71A的钢片74的厚度t2。这种结构提供了良好的散热效率，防止了热沉70的翘曲并便于通过硬焊将绝缘基底10连接至热沉70。

Claims (10)

1.一种半导体装置，包括：
绝缘基底，所述绝缘基底具有陶瓷基底和位于所述陶瓷基底的相反表面上的金属涂层；
半导体芯片，所述半导体芯片安装在所述绝缘基底的一个表面上；
热沉，所述热沉直接或间接地固定至所述绝缘基底的另一表面并经由所述绝缘基底与所述半导体芯片热连接；以及
至少一个抗翘曲片，所述至少一个抗翘曲片设置在所述热沉的至少一个表面上；
所述半导体装置的特征在于，所述抗翘曲片由具有涂层的金属片制成，并且所述抗翘曲片具有介于所述绝缘基底的热膨胀系数与所述热沉的热膨胀系数之间的热膨胀系数。
2.如权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，所述抗翘曲片通过硬焊连接至所述热沉的表面。
3.如权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，所述抗翘曲片连接至所述热沉的与固定所述绝缘基底的热沉表面相反的表面。
4.如权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，所述抗翘曲片插置在所述热沉与所述绝缘基底之间并通过硬焊连接至所述热沉。
5.如权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，所述抗翘曲片环绕所述绝缘基底在直接或者间接固定所述绝缘基底的同一表面上连接至所述热沉。
6.如权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，所述金属片由作为主要组分的钢制成。
7.如权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，所述热沉由作为主要组分的铝制成。
8.如权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，所述涂层通过镀铝形成。
9.如权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，所述热沉内具有散热片。
10.一种半导体装置，包括：
绝缘基底，所述绝缘基底具有陶瓷基底和位于所述陶瓷基底的相反表面上的金属涂层；
半导体芯片，所述半导体芯片安装在所述绝缘基底的一个表面上；以及
热沉，所述热沉直接或间接地固定至所述绝缘基底的另一表面，并经由所述绝缘基底与所述半导体芯片热连接，
所述半导体装置的特征在于，所述热沉包括：
壳体，所述壳体由金属片制成；以及
散热片，所述散热片固定在所述壳体中并且由铝制成，
其中，所述金属片具有介于所述绝缘基底的热膨胀系数与所述散热片的热膨胀系数之间的热膨胀系数。
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