CN102315181A - 半导体器件 - Google Patents

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殿本雅也
西畑雅由
和户弘幸
则武千景
野村英司
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Abstract

本发明提供一种包括封装(100)和冷却器(200)的半导体器件。所述半导体封装包括半导体元件(10)、金属构件(20、30)以及用于将所述半导体元件和所述金属构件包封在其中的模制构件(60)。所述金属构件(60)具有热连接到所述半导体元件的金属部(21、31)、在所述金属部上的电绝缘层(22、32)以及在所述绝缘层上的传导层(23、33)。所述传导层至少部分地暴露在所述模制构件的外部并且用作用于辐射所述半导体元件的热的辐射表面。冷却器(200)具有通过其使冷却剂(202)循环的冷却剂通道(201)，以冷却所述传导层。所述传导层和所述冷却器电连接在一起。

Description

半导体器件
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，该半导体器件包括包封半导体元件和用于半导体元件的热辐射的金属构件的半导体封装，以及用于冷却金属板的辐射表面的冷却器。
背景技术
已经提议一种包括半导体封装和用于冷却半导体封装的冷却器的半导体器件。半导体封装包括半导体元件和金属构件。半导体元件和金属构件以模制构件覆盖以形成半导体封装。金属构件的安装表面连接到半导体元件，使得能够将半导体元件的热传递到金属构件。金属构件的辐射表面暴露在模制构件的外部。
以金属构件的辐射表面通过电绝缘油脂与冷却器接触的方式，将冷却器附接到半导体封装。所以，将半导体封装的热释放给冷却器。
冷却器典型地由金属制成。因此，例如，如在与JP-3740116相对应的JP-A-2008-166333或US2004/0089928中公开的，金属构件的辐射表面覆盖有电绝缘层以防止金属构件和冷却器之间的短路。此外，绝缘层覆盖有用于保护绝缘层的电传导层。金属构件的传导层通过油脂与冷却器接触。
也就是说，金属构件具有多层结构，该多层结构包括金属部、在金属部上的电绝缘层以及在绝缘层上的电传导层。传导层用作金属构件的辐射表面。
本发明人已经发现这样的半导体器件具有以下缺点。以下参考图15和图16讨论这些缺点。
图15是第一常规半导体器件的截面图，并且图16是第二常规半导体器件的截面图。
首先，讨论如图16所示的第二常规半导体器件。在第二常规半导体器件中，热辐射板J1通过具有导热性的油脂300安装在冷却器200上。电绝缘衬底J3通过焊料J2安装在辐射板J1上。半导体元件10通过焊料J2安装在绝缘衬底J3上。
通过螺栓J4将辐射板J1固定到冷却器200，所述螺栓J4通过穿透辐射板J1和油脂300到达辐射板J1。
所以，通过必要的压力利用螺栓J4将辐射板J1压在冷却器200上，以允许将热从辐射板J1传递到冷却器200。
在该种情况下，由于绝缘衬底J3直接定位在半导体元件10下，所以以高热通量将半导体元件10的热传递到绝缘衬底J3。结果，绝缘衬底J3的温度的增加大。
其次，讨论图15中所示的第一常规半导体器件。
第一常规半导体器件包括半导体封装100，该半导体封装100具有半导体元件10和金属构件20。半导体元件10和金属构件20覆盖有模制构件60以形成半导体封装100。金属构件20的安装表面连接到半导体元件10。金属构件20的辐射表面暴露在模制构件60的外部。金属构件包括金属部21，在金属部21上的电绝缘层22以及在绝缘层22上的传导层23。传导层23用作金属构件20的辐射表面。
第一常规半导体器件进一步包括冷却器200，该冷却器200具有通过其使冷却剂202循环的冷却剂通道201。半导体封装100的传导层23通过电绝缘油脂300与冷却器200接触。所以，通过冷却器200的冷却剂202吸收半导体封装100的热，使得传导层23能够由冷却剂202冷却。
即，在第一常规半导体器件中，半导体元件10通过金属部21定位在绝缘层22上。所以，半导体元件10的热辐射给金属部21，由此以低热通量传递给绝缘层22。因此，相比于第二常规半导体器件，第一常规半导体器件能具有高热辐射性能。从而，第一常规半导体器件的尺寸能够减小。
顺便提及，在第一常规半导体器件中，当由半导体元件10的切换操作导致的电压V0被施加到金属构件20的安装表面(即，金属部21)时，电压V2被施加到金属构件20的辐射表面(即，传导层23)。
具体地，由下列公式给出电压V2：
V2＝{C1/(C1+C2)}·V0
在上述公式中，C1表示通过绝缘层22形成在金属部21和传导层23之间的寄生电容器的电容。C2表示通过油脂300形成在冷却器200和传导层23之间的寄生电容器的电容。当电压V2被施加到传导层23时，可能从传导层23发生噪声辐射或部分放电。例如，这样的噪声辐射可能损坏油脂300。
通过利用油脂300将传导层23电连接到冷却器200，能够防止电压V2被施加到传导层23。然而，由于油脂300具有电绝缘性，所以难以确保传导层23和冷却器200之间的电连接。此外，难以检查传导层23和冷却器200之间的电连接。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的目的在于提供一种半导体器件，该半导体器件包括半导体封装和冷却器，该冷却器具有与半导体封装的辐射表面相同的电势。
根据本发明的一个方面，提供一种包括封装和冷却器的半导体器件。半导体封装包括半导体元件、金属构件以及用于包封半导体元件和金属构件的模制构件。金属构件具有热连接到半导体元件的金属部，在金属部上的电绝缘层以及在绝缘层上的传导层。传导层至少部分地暴露在模制构件的外部，并且用作用于辐射半导体元件的热的辐射表面。冷却器具有通过其使冷却剂循环的冷却剂通道，从而冷却传导层。传导层和冷却器电连接在一起。
附图说明
根据下列描述和附图，上述和其它目的、特征和优点将变得更显而易见，在附图中同样的附图标记表示同样的元件。在附图中：
图1A是示出根据本发明第一实施例的半导体器件的截面图，图1B是图1A中圆IB的放大图；
图2是示出图1A的半导体器件的半导体封装的简化顶视图的示图；
图3A是示出根据本发明第二实施例的半导体器件的截面图，图3B是图3A中圆IIIB的放大图；
图4是示出根据第二实施例的第一修改的半导体器件的部分截面图的示图；
图5是示出根据第二实施例的第二修改的半导体器件的部分截面图的示图；
图6是示出根据本发明第三实施例的半导体器件的部分截面图的示图；
图7是示出根据本发明第四实施例的半导体器件的部分截面图的示图；
图8是示出根据本发明第五实施例的半导体器件的部分截面图的示图；
图9A是示出根据本发明第六实施例的半导体器件的透视图的示图，图9B是沿着图9A中线IXB-IXB截取的截面图的示图，图9C是图9B中的圆IXC的放大图；
图10A是示出根据本发明第七实施例的半导体器件的分解图的示图，图10B是图10A的半导体器件的组装图；
图11A是示出根据第七实施例的第一修改的半导体器件的分解图的示图，并且图11B是图11A的半导体器件的组装图；
图12A是示出根据第七实施例的第二修改的半导体器件的分解图的示图，并且图12B是图12A的半导体器件的组装图；
图13A是示出根据第七实施例的第三修改的半导体器件的分解图的示图，并且图13B是图13A的半导体器件的组装图；
图14A是示出根据第七实施例的第四修改的半导体器件的分解图的示图，并且图14B是图14A的半导体器件的组装图；
图15是示出常规半导体器件的截面图的示图；
图16是示出另一常规半导体器件的截面图的示图。
具体实施方式
(第一实施例)
以下参考图1A、图1B和图2，描述根据本发明第一实施例的半导体器件。图1A是半导体器件的截面图。图1B是图1A中的圆IB的放大图。图2是半导体器件的半导体封装100的简化顶视图。在图2中，省略第二金属构件30以示出模制构件60的内部。
半导体器件包括半导体封装100和冷却器200。通过具有电绝缘性的油脂300，将冷却器200附接到半导体元件100。
半导体封装100包括半导体元件10、第一金属构件20、第二金属构件30、作为导电粘合剂的焊料40、热沉50以及作为密封剂的模制构件60。在图1A示出的示例中，仅一个半导体元件10包括在半导体封装100中。备选地，两个或更多半导体元件10可以包括在半导体封装100中。
焊料40位于半导体元件10和第一金属构件20之间，使得半导体元件10和第一金属构件20能够结合在一起。热沉50位于半导体元件10第二金属构件30之间。焊料40位于半导体元件10和热沉50之间，使得半导体元件10和热沉50能够结合在一起。焊料40位于第二金属构件30和热沉50之间，使得第二金属构件30和热沉50能够结合在一起。热沉50能够由诸如铜或铝等金属制成。
热沉50提供半导体元件10和第二金属构件30之间的空间。所以，接合线(未示出)能够连接到半导体元件10。在图1A示出的示例中，热沉50和第二金属构件30是分离的块，然后通过焊料40结合在一起。备选地，热沉50和第二金属构件30能够是单一的块。在该种情况下，第二金属构件30可以具有朝着半导体元件10延伸的突出部，而取代热沉50。
焊料40可以是常用焊料。例如，焊料40可以是诸如Sn-Pb焊料或Sn-Ag焊料的无铅焊料。
通过第一金属构件20和第二金属构件30，从半导体元件10的前和后表面辐射半导体元件10的热。即，第一金属构件20和第二金属构件30中的每个在到半导体元件10的一个表面上热连接，并且从半导体元件10接收热。
具体地，第一金属构件20具有安装表面和与安装表面相反的辐射表面。通过焊料40将半导体元件10结合到第一金属构件20的安装表面。第二金属构件30具有安装表面和与安装表面相反的辐射表面。通过焊料40将热沉50结合到第二金属构件30的安装表面。
如图1A所示，第一和第二金属构件20、30的辐射表面暴露在模制构件60的外部。模制构件60能够由诸如环氧树脂的常用模制材料制成。通过转移模制工艺、灌封工艺，等等，能够形成模制构件60。
具体地，如图1A、图1B和图2所示，第一金属构件20和第二金属构件30的安装表面之间的空间填充有模制构件60，使得半导体元件10的侧表面能够覆盖有模制构件60。如上所述，第一金属构件20和第二金属构件30的辐射表面暴露在模制构件60的外部。所以，以第一和第二金属构件20、30的辐射表面暴露在模制构件60的外部的方式，通过将半导体元件10以及第一和第二金属构件20、30包封在模制构件60中，形成半导体封装100。
根据第一实施例，第一金属构件20包括电传导层23、在传导层23上的电绝缘层22以及在绝缘层22上的金属部21。传导层23定义第一金属构件20的辐射表面，并且金属部21定义第一金属构件20的安装表面。同样地，第二金属构件30包括电传导层33、在传导层33上的电绝缘层32以及在绝缘层32上的金属部31。传导层33定义第二金属构件30的辐射表面，并且金属部31定义第二金属构件30的安装表面。第一和第二金属构件20、30中的每个具有长方形板形状。第一和第二金属构件20、30中的每个的刨工尺寸(planer size)大于半导体元件10的尺寸。
金属部21、31能够由具有良好导热性和导电性的金属制成。例如，金属部21、31能够由铝、铜或铝和铜的合金制成。绝缘层22、32能够由氧化铝等制成。例如，绝缘层22、32可以是热喷涂层或粘合层。例如，传导层23、33可以是铜箔。
冷却器200具有由不锈钢、铜、铝等制成的冷却剂通道201。冷却剂202通过冷却剂通道201进行循环。虽然未在附图中示出，但是冷却器200具有诸如泵和管的附加部件，以允许冷却剂202通过冷却剂通道201进行循环。部件结合到冷却剂通道201以形成冷却器200。冷却剂202是诸如水或油的流体。
通过冷却剂202对半导体封装100的金属构件20、30的辐射表面，即传导层23、33进行冷却。具体地，如图1B所示，半导体封装100的金属构件20、30的传导层23、33通过油脂300与冷却器200的外表面接触。
油脂300不但具有导热性，而且具有粘性。油脂300可以是诸如硅树脂的常用油脂。
半导体封装100和冷却器200通过夹钳或其它合适的装置固定在一起，从而允许传导层23、33保持与冷却剂通道201的外表面接触。所以，通过冷却器200的冷却剂202冷却传导层23、33。即，冷却剂202吸收在半导体封装100中生成的热。
半导体元件10不限于特定类型的元件。例如，半导体元件10可以是诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或晶闸管等功率器件。半导体元件10不限于特定形状。例如，如图1A、图1B和图2所示，半导体元件10可以具有长方形板形状。
将半导体元件10在第二金属构件30-侧的表面定义为半导体元件10的前表面。与之相反，将半导体元件10在第一金属构件20-侧的表面定义为半导体元件10的后表面。半导体元件10的部件形成在半导体元件10的前表面-侧，而不形成在半导体元件10的后表面-侧。尽管未在附图中示出，电极也形成在半导体元件10的前和后表面上，并且电连接到焊料40。
所以，根据第一实施例，在半导体元件10的后表面上的电极通过焊料40电连接到第一金属构件20，并且在半导体元件10的前表面上的电极通过焊料40电连接到第二金属构件30。
如图2所示，第一金属构件20具有主电流端子70。主电流端子70从模制构件60的内部延伸到外部。根据第一实施例，模制构件60具有带四个侧表面的长方形板形状，并且主电流端子70相对于模制构件60的一个侧表面暴露。
尽管未在附图中示出，第二金属构件30具有主电流端子。第二金属构件30的主电流端子以与第一金属构件20的主电流端子70相同的方式从模制构件60的内部延伸到外部。具体地，第一金属构件20的主电流端子70和第二金属构件30的主电流端子在模制构件60的同一侧表面暴露。
主电流端子70允许半导体元件10电连接到诸如母线的外部布线。所以，半导体器件能够通过主电流端子70电连接到外部电路。
这样，金属构件20、30不仅能够用作电极，而且能够用作辐射器板。具体地，金属构件20、30能够辐射来自半导体元件10的热，并且将半导体元件10电连接到外部布线。
半导体元件10通过焊料40电连接且热连接到金属构件20、30。焊料40可以用允许半导体元件10电连接且热连接到金属构件20、30的导电粘合剂等来替换。
此外，根据第一实施例，如图2所示，半导体器件具有控制端子80。例如，控制端子80可以是被配置在半导体元件10周围的引线框架。控制端子80的第一端覆盖有且固定到模制构件60，并且控制端子80的第二端暴露在模制构件60的外部。
如能从图2中观察出的，主电流端子70和控制端子80在模制构件60的相反侧表面暴露。控制端子80的暴露的第二端可电连接到外部控制电路，使得半导体器件能够电连接到控制电路。
控制端子80连接到在半导体元件10的表面上的诸如栅极电极或发射极电极的信号电极。例如，控制端子80可以是栅极端子或发射极端子。尽管未在图2中示出，控制端子80和半导体元件10通过接合引线等在模制构件60内部电连接在一起。
根据第一实施例，冷却器200和第一金属构件20的传导层23电连接在一起，由此处于相同电势。在下文中，该种关系被称作“第一金属构件20具有相同的电势结构”。同样地，冷却器200和第二金属构件30的传导层33电连接在一起，由此处于相同电势。在下文中，该种关系被称作“第二金属构件30具有相同的电势结构”。
以下主要参考图1B讨论第一金属构件20的相同电势结构。尽管未在附图中示出，第二金属构件30的相同电势结构以与第一金属构件20的相同电势结构相同的方式形成。
即，如图1B的括号中的数字所示的，以如图1B所示的方式配置第二金属构件30与图1A的圆IB中的第一金属构件20的一部分相对应的一部分。
如图1B所示，利用端子构件90形成相同的电势结构。端子构件90具有导电性。例如，端子构件90可以由铜或铝制成。端子构件90的第一端位于模制构件60的内部，并且电连接到第一金属构件20的传导层23。端子构件90的第二端暴露在模制构件60的外部，并且电连接到冷却器200。
例如，通过熔接、焊接或钎焊，可以将端子构件90的第一端电连接到传导层23。在图1B示出的示例中，端子构件90和传导层23是分离的块并且连接在一起。备选地，端子构件90和传导层23可以是单一的块。在该种情况下，传导层23可以具有从模制构件60的内部延伸到外部的突出部，而取代端子构件90。
通过焊接、熔接、螺纹连接等，将端子构件90的第二端电连接到冷却器200的冷却器通道201的外表面。备选地，端子构件90的第二端可以通过引线电连接到冷却器200的诸如泵或管的部件。
所以，传导层23和冷却器200通过端子构件90电连接。因此，传导层23和冷却器200处于相同的电势。例如，当冷却器200接地时，传导层23接地。
在图1B示出的示例中，端子构件90从传导层23的侧表面延伸。端子构件90可以从传导层23的除了辐射表面以外的任意其它表面延伸。
此外，如图2所示，端子构件90在模制构件60与暴露主电流端子70和控制端子80的侧表面不同的侧表面暴露。
具体地，如先前所提及的，主电流端子70和控制端子80在长方形模制构件60的相反侧表面暴露，端子构件90在连接所述相反侧表面的侧表面暴露。以这样的方法，很容易确保端子构件90与主电流端子70和控制端子80中的每个之间的必要的爬电距离。由此，能够减小半导体封装100的尺寸。
以下描述根据第一实施例的半导体器件的制造方法。首先，将半导体元件10焊接到第一金属构件20的安装表面。然后，如果需要，将半导体元件10和控制端子80引线接合在一起。然后，将热沉50焊接在半导体元件10上，并将第二金属构件30焊接在热沉50上。
然后，通过转移模制工艺或灌封工艺形成模制构件60，使得第一和第二金属构件20、30之间的空隙以及第一和第二金属构件20、30的侧表面能够被模制构件60覆盖。由此，将半导体元件10以及第一和第二金属构件20、30包封在模制构件60中，使得能够完成半导体封装100。然后，通过油脂300将半导体封装100结合到冷却器200。由此，能够完成半导体器件。
如上所述，根据第一实施例，第一和第二金属构件20、30的传导层23、33通过端子构件90电连接到冷却器200。以这样方法，确保传导层23、33处于与冷却器200相同的电势。
例如，通过一个端子构件90，第一和第二金属构件20、30中的每个可以连接到冷却器200。备选地，通过两个或更多端子构件90，第一和第二金属构件20、30中的每个可以连接到冷却器200。以这样的方法，能够改善冷却器200与第一和第二金属构件20、30中的每个之间的电连接的可靠性。
在第一实施例中，半导体器件被配置为“双侧辐射半导体器件”，其中，第一和第二金属构件20、30分别设置在半导体元件10的后表面和前表面上，使得能够从半导体元件10的两个表面辐射半导体元件10的热。备选地，半导体器件可以被配置为“单侧辐射半导体器件”，其中，第一和第二金属构件20、30中的一个设置在半导体元件10上，使得仅能够从半导体元件10的一个表面辐射半导体元件10的热。
(第二实施例)
以下参考图3A和图3B描述根据本发明第二实施例的半导体器件。图3A是半导体器件的截面图。图3B是图3A中圆IIIB的放大图。第二实施例与第一实施例的不同如下。
在第一实施例中，第一和第二金属构件20、30分别设置在半导体元件10的后表面和前表面上，使得能够从半导体元件10的两个表面释放半导体元件10的热。与之相反，在第二实施例中，如图3A所示，尽管第一金属构件20设置在半导体元件10的后表面上，在半导体元件10的前表面上也不存在金属构件。即，根据第二实施例，半导体器件被配置为“单侧辐射半导体器件”，并且仅从半导体元件10的后表面释放半导体元件10的热。
具体地，第二实施例与第一实施例的不同在于：在半导体元件10的前表面上省略了焊料40、热沉50、第二金属构件30以及冷却器200，以及半导体元件10的前表面覆盖有模制构件60。
如图3B所示，用作半导体封装100的辐射表面的传导层23通过电绝缘油脂300与冷却器200接触。具体地，传导层23通过油脂300与冷却器200的冷却剂通道201的外表面接触。
与第一实施例类似，传导层23和冷却器200电连接在一起，使得第一金属构件20具有相同的电势结构。在第一实施例中，通过端子构件90形成相同的电势结构。与之相反，如图3B所示，在第二实施例中，通过来自冷却器200的突出部203形成相同的电势结构。
在图3B所示的示例中，突出部203从冷却器200的冷却剂通道201的外表面朝着面向冷却剂通道201设置的传导层23突出。例如，可以通过压制(即，冲压)工艺形成突出部203。突出部203不限于特定的形状。例如，突出部203可以具有圆锥形形状或锥体形状。
突出部203通过穿透油脂300从冷却器200延伸到传导层23，并且与传导层23直接接触。由此，冷却器200在突出部203处电连接到传导层23，使得传导层23和冷却器200可以处于相同的电势。
例如，当在制造工艺期间半导体封装100通过油脂300安装在冷却器200上时，负载被施加到半导体封装100，使得可以将半导体封装100压在冷却器200上。由此，突出部203将油脂300推在一边，使得突出部203的顶端可以与传导层23直接接触。
在图3B所示的示例中，冷却器200具有突出部203。备选地，传导层23可以具有突出部203。例如，通过朝着传导层23按压金属部21，可以将突出部203形成在传导层23中。在该种情况下，传导层23的突出部203的顶端可以通过穿透油脂300而与冷却器200直接接触。
即，突出部203形成在冷却器200和传导层23中的一个中，并且通过穿透油脂300延伸至冷却器200和传导层23中的另一个。由此，通过穿透油脂300的突出部203，冷却器200和传导层23可以电连接在一起。注意到，突出部203与冷却器200或传导层23是单一的块。换句话说，突出部203是冷却器200或传导层23的一部分。
如上所述，根据第二实施例，冷却器200和传导层23通过突出部203电连接在一起。由此，确保传导层23和冷却器200处于相同的电势。
此外，根据第二实施例，如图3B所示，半导体器件具有端子构件90。类似于第一实施例，端子构件90的第一端位于模制构件60的内部并且与传导层23电连接，并且端子构件90的第二端暴露在模制构件60的外部。与第一实施例不同，端子构件90的第二端未连接到冷却器200。
端子构件90可以用于检查传导层23和冷却器200是否通过突出部203电连接在一起。例如，通过检查端子构件90的第二端和在模制构件60外部的冷却器200之间的电连接，可以检查传导层23和突出部203之间的电连接。
以下参考图4和图5描述第二实施例的修改。图4示出第二实施例的第一修改，图5示出第二实施例的第二修改。
根据第二实施例的第一修改，如图4所示，突出部203具有类似于磨碎机的刀片的形状。通过将中空半球形圆顶形状切割成两半，可以形成这样的磨碎机刀片形状。当突出部203具有这样的磨碎机刀片形状时，突出部203可以具有在其顶端和其底部之间的凹进部203a。
例如，当在制造工艺期间半导体封装100通过油脂300安装在冷却器200上时，通过在冷却器200上滑动半导体封装100使得半导体封装100能够在往复运动中移动，将半导体封装100按压在冷却器200上。
以这样的方法，如图4中的箭头所示，保留在油脂300的顶端的油脂300进入并且容纳在突出部203的凹进部203a中。由此，确保突出部203与传导层23直接接触。
根据第二实施例的第二修改，如图5所示，突出部203具有伞状。当突出部203具有这样的伞状时，突出部203可以具有在内部的凹进部203a。
因此，当在制造工艺期间将半导体封装100通过油脂300安装在冷却器200上时，油脂300进入并且容纳在突出部203的凹进部203a中。由此，确保突出部203与传导层23直接接触。
在包括修改的第二实施例中，冷却器200具有与传导层23直接接触的一个突出部203。备选地，冷却器200可以具有与传导层23直接接触的两个或更多突出部203。以这样的方法，能够改善冷却器200和传导层23之间的电连接的可靠性。
当在制造工艺期间将半导体封装100通过油脂300安装在冷却器200上时，能够将大电流供应给传导层23和冷却器200，使得能够将突出部203熔接到传导层23。
以这样的方法，确保突出部203和传导层23电连接在一起。
此外，在包括修改的第二实施例中，将突出部203应用到单侧半导体器件。备选地，可以将突出部203应用到根据第一实施例的双侧半导体器件。在该种情况下，端子构件90的第二端可以与冷却器200断开连接。
当将突出部203应用到双侧半导体器件时，突出部203可以设置在冷却器200或传导层23、33中。
(第三实施例)
以下参考图6描述根据本发明的第三实施例的半导体器件。图6是半导体器件的部分截面图。第三实施例与第一实施例的不同如下。
图6仅示出了第一金属构件20的相同电势结构。注意到，如图6中的括号中的数字所示，以与第一金属构件20的相同电势结构相同的方式，形成第二金属构件30的相同电势结构。
如图6所示，用作半导体封装100的辐射表面的传导层23通过电绝缘油脂300与冷却器200接触。在图6示出的示例中，传导层23通过油脂300与冷却器200的冷却剂通道201的外表面接触。
在第一实施例中，传导层23与模制构件60面向冷却器200定位的外表面齐平。与之相反，在第三实施例中，传导层23从模制构件60的外表面朝着冷却器200突出。换句话说，半导体封装100的辐射表面从模制构件60的外表面突出。
通过油脂300将半导体封装100的突出辐射表面按压在冷却器200上，使得传导层23和冷却器200能够电连接在一起以形成相同的电势结构。
即，半导体封装100的突出辐射表面将油脂300推在一边且与冷却器200直接接触。
具体地，当将半导体封装100的突出辐射表面按压在冷却器200上时，冷却器200的外表面稍微地凹进。在该种情况下，半导体封装100的突出辐射表面的边缘与冷却器200的凹进外表面直接接触，使得传导层23和冷却器200能够电连接在一起。
如上所述，根据第三实施例，第一金属构件20的传导层23从模制构件60的外表面突出且与冷却器200直接接触。由此，确保传导层23和冷却器200处于相同的电势。如先前所提及的，第二金属构件30的传导层23从模制构件60的外表面突出且与冷却器200直接接触。
在图6示出的示例中，例如，突出传导层23的顶端具有长方形形状的平坦表面，并且平坦表面的边缘与冷却器200直接接触。注意到，突出传导层23的顶端不限于平坦表面。
尽管未在附图中示出，根据第三实施例，半导体器件可以包括端子构件90，该端子构件90具有在模制构件60内部连接到传导层23的第一端和暴露在模制构件60外部的第二端。
以这样的方法，通过使用端子构件90能够检查传导层23和突出部203之间的电连接。
不仅能够将第三实施例应用到双侧半导体器件，而且能够将第三实施例应用到单侧半导体器件。
(第四实施例)
以下参考图7描述根据本发明的第四实施例的半导体器件。图7是半导体器件的部分截面图。
与第二实施例类似，根据第四实施例，冷却器200具有突出部203用于形成相同的电势结构。第四实施例与第二实施例的不同在于：突出部203位于没有油脂300的位置。
如图7所示，传导层23通过油脂300与冷却器200的外表面接触。
根据第四实施例，传导层23部分地覆盖有模制构件60。传导层23的未覆盖的部分用作辐射表面。通孔61形成在模制构件60中，使得传导层23的覆盖部分能够暴露在通孔61中。通过在用于模制构件60的模制物中形成与通孔61相对应的突出部，能够形成通孔61。
突出部203从冷却剂通道201的外表面朝着传导层23延伸。突出部203面向通孔61定位。
突出部203进入通孔61且在通孔61中与传导层23直接接触。由此，传导层23和冷却器200电连接在一起且处于相同的电势。突出部203不限于图7示出的形状。例如，突出部203可以具有图3B、图4和图5示出的形状。通孔61不限于特定的形状。例如，通孔61可以具有圆形形状或矩形形状。
如上所述，根据第四实施例，冷却器200在没有油脂300的位置具有突出部203，并且传导层23和冷却器200通过突出部203电连接在一起。以这样的方法，能够在不考虑突出部203的高度的情况下减小辐射表面(传导层23的未覆盖部分)和冷却器200之间的油脂300的厚度。由此，能够尽可能地防止辐射性能的降低。
例如，在图3B示出的第二实施例中，油脂300的厚度取决于突出部203的高度。因此，当突出部203的高度大时，辐射性能由于油脂300的厚度的原因而可能降低。与之相反，在第四实施例中，因为在不考虑突出部203的高度的情况下能够减小油脂300的厚度，所以能够尽可能地防止辐射性能的降低。
以该种方式，传导层23和冷却器200通过突出部203电连接在一起。由此，确保传导层23和冷却器200处于相同的电势。
尽管未在附图中示出，根据第四实施例，半导体器件可以包括端子构件90，该端子构件90具有在模制构件60内部连接到传导层23的第一端和暴露在模制构件60外部的第二端。以这样的方法，通过使用端子构件90能够检查传导层23和突出部203之间通过突出部203的电连接。
在图7示出的示例中，冷却器200具有在通孔61中与传导层23直接接触的一个突出部203。备选地，冷却器200具有在通孔61中与传导层23直接接触的两个或更多突出部203。以这样的方法，能够改善冷却器200和传导层23之间的电连接的可靠性。
不仅能够将第四实施例应用到双侧半导体器件，而且能够将第四实施例应用到单侧半导体器件。
(第五实施例)
以下参考图8描述根据本发明的第五实施例的半导体器件。图8是半导体器件的部分截面图。
第五实施例类似于第一实施例。如能通过比较图1B和图8所观察到的，第五实施例与第一实施例的不同在于端子构件90未连接到冷却器200，并且电绝缘油脂300用导电油脂310替换。传导层23和冷却器200通过油脂310电连接在一起以形成相同的电势结构，在该相同的电势结构中，传导层23和冷却器200处于相同的电势。
图8仅示出第一金属构件20的相同电势结构。如图8中的括号中的数字所示，以与第一金属构件20的相同电势结构相同的方式，形成第二金属构件30的相同的电势结构。
如图8所示，作为半导体封装100的辐射表面的传导层23通过油脂310与冷却器200的外表面接触。由此，传导层23和冷却器200通过油脂310电连接在一起。例如，油脂310可以是包括诸如铜或银的导电填料的树脂。
如上所述，根据第五实施例，金属构件20的传导层23和冷却器200通过油脂310电连接在一起。由此，确保传导层23和冷却器200处于相同的电势。
此外，如图8所示，半导体器件包括端子构件90，该端子构件90具有在模制构件60内部连接到传导层23的第一端和暴露在模制构件60外部的第二端。以这样的方法，通过使用端子构件90能够检查传导层23和冷却器200之间通过油脂310的电连接。能够省略端子构件90。
尽管未在附图中示出，导电油脂310可以位于传导层23和冷却器200之间的接触表面的中央，并且电绝缘油脂300可以位于接触表面的外围以包围导电油脂310。以这样的方法，能够防止导电油脂310扩展到半导体封装100之外。由此，能够防止半导体封装100与邻近半导体封装100定位的另一器件之间的短路。
不仅可以将第五实施例应用到双侧半导体器件，而且可以将第五实施例应用到单侧半导体器件。
(第六实施例)
以下参考图9A-9C描述根据本发明的第六实施例的半导体器件。图9A是半导体器件的透视图。图9B是沿图9A中的线IXB-IXB截取的截面图。图9C是图9B中的圆IXC的放大图。
根据第六实施例，半导体器件包括壁部62，该壁部62用于限定冷却剂202在其中循环的冷却剂通道201。壁部62可以由与模制构件60相同的材料制成。
如图9A-9C所示，模制构件60覆盖半导体元件10和金属构件20、30以形成半导体封装100。壁部62具有环形形状并且位于模制构件60的周围以包围半导体封装100的辐射表面。模制构件60和壁部62彼此间隔开以形成通孔作为冷却剂通道201。
通过模制工艺可以形成模制构件60和壁部62。模制构件60和壁部62可以为单块树脂。备选地，模制构件60和壁部62可以被分离成单块树脂。在该种情况下，模制构件60和壁部62可以通过粘合工艺、二级模制工艺等结合在一起。
如图9C所示，当冷却剂202通过冷却剂通道201循环时，冷却剂202与作为半导体封装100的辐射表面的传导层23、33直接接触，使得能够冷却辐射表面。
图9C示出了仅第二金属构件30的相同电势结构。注意到，如图9C的括号中的数字所表示的，以与第二金属构件30的相同电势结构相同的方式形成第一金属构件20的相同电势结构。
根据第六实施例，冷却剂202具有导电性。由此，金属构件20、30的传导层23、33通过冷却剂202电连接到冷却器200。冷却剂202可以是水。然而，水可由电流分解。因此，冷却剂202优选为液体纳、汞等。
如上所述，根据第六实施例，金属构件20、30的传导层23、33通过冷却剂202电连接到冷却器200。由此，确保传导层23、33能够处于与冷却器200相同的电势。
此外，如图9A-9C所示，半导体器件包括端子构件90，该端子构件90具有在模制构件60内部连接到传导层23、33的第一端和暴露在模制构件60外部的第二端。
以这样的方法，通过使用端子构件90能够检查冷却器200和传导层23之间通过冷却剂202的电连接。
不仅可以将第六实施例应用到双侧半导体器件，而且可以将第六实施例应用到单侧半导体器件。
(第七实施例)
以下参考图10A和图10B描述根据本发明第七实施例的半导体器件。图10A是半导体器件的分解图。图10B是半导体器件的组装图。
如图10B所示，电绝缘油脂300和导电油脂310以油脂310整个被油脂300包围的方式位于传导层23(即半导体封装100的辐射表面)和冷却器200之间。
传导层23通过油脂310和油脂300两者与冷却器200接触，并且仅通过油脂310电连接到冷却器200。
例如，可以将半导体封装100和冷却器200组装成如下的半导体器件。首先，如图10A所示，将电绝缘油脂300置放在传导层23的整个表面上。然后，将导电油脂310置放在传导层23的中心、油脂300上。然后，如图10A的箭头所表示，通过油脂300、310将半导体封装100置放在冷却器200上，并且被按压在冷却器200上。由此，如图10B所示，半导体封装100和冷却器200被组装成半导体器件。
如上所述，根据第七实施例，以导电油脂310整个被电绝缘油脂300包围的这样的方式，将油脂300、310设置于传导层23和冷却器200之间。以这样的方法，能够防止导电油脂310扩展到半导体封装100之外。由此，能够防止半导体封装100与邻近半导体封装100定位的另一器件之间的短路。如图10B所示，存在油脂300扩展到半导体封装100之外的可能性。然而，因为油脂300具有电绝缘性，所以油脂300的扩展不会导致诸如短路的问题。
(第七实施例的第一修改)
图11A和图11B示出了根据第七实施例的第一修改的半导体器件。图11A是半导体器件的分解图。图11B是半导体器件的组装图。
根据第一修改，以导电油脂310整个被电绝缘油脂300包围的方式，将油脂300、310设置于传导层23和冷却器200之间。传导层23通过油脂300和油脂310两者与冷却器200接触，并且仅通过油脂310电连接到冷却器200。
由于导电油脂310整个被电绝缘油脂300包围，所以能够防止导电油脂310扩展到半导体封装100之外。由此，能够防止半导体封装100与邻近半导体封装100定位的另一器件之间的短路。
此外，根据第一修改，半导体封装100具有在油脂310周围的凹槽400，从而防止油脂310遍布(spread over)在凹槽400上。具体地，凹槽400具有包围油脂310的环形形状，并且通过模制工艺等形成在模制构件60中。
当通过油脂300、310将半导体封装100按压在冷却器200上而将半导体封装100和冷却器200组装成半导体器件时，导电油脂310扩展开并且进入凹槽400。由此，凹槽400防止导电油脂310扩展到半导体封装100之外。
由此，传导层23和冷却器200可以通过导电油脂310电连接在一起，同时防止油脂310导致诸如半导体封装100与邻近半导体封装100定位的另一器件之间的短路的问题。
优选地，凹槽400可以具有包围油脂310的整个外围的连续环形形状。备选地，凹槽400可以具有含有布置在环形形状中的多个凹槽部的不连续的环形形状。例如，在该种情况下，在油脂310的边缘和半导体封装100的边缘之间的距离足够大以防止油脂310扩展到半导体封装100之外的位置，不存在凹槽部。
(第七实施例的第二修改)
图12A和图12B示出了根据第七实施例的第二修改的半导体器件。图12A是半导体器件的分解图。图12B是半导体器件的组装图。根据第二修改，冷却器200具有在油脂310周围的凹槽400，从而防止油脂310遍布在凹槽400上。
具体地，凹槽400具有包围油脂310的环形形状，并且通过压制(即冲压)工艺等形成在冷却器200中。当通过油脂300、310将半导体封装100按压在冷却器200上而将半导体封装100和冷却器200组装成半导体器件时，导电油脂310扩展开并且进入凹槽400。由此，凹槽400防止导电油脂310扩展到半导体封装100之外。
(第七实施例的第三修改)
图13A和图13B示出了根据第七实施例的第三修改的半导体器件。图13A是半导体器件的分解图。图13B是半导体器件的组装图。根据第三修改，没有使用电绝缘油脂300。即，传导层23仅通过导电油脂310与冷却器200接触并且电连接到冷却器200。
此外，根据第三修改，半导体封装100具有在油脂310周围的凹槽400，从而防止油脂310遍布在凹槽400上。由此，凹槽400防止导电油脂310扩展到半导体封装100之外。总之，根据第七实施例的第三修改对应于第五实施例和根据第七实施例的第一修改的组合。
(第七实施例的第四修改)
图14A和图14B示出了根据第七实施例的第四修改的半导体器件。图14A是半导体器件的分解图。图14B是半导体器件的组装图。根据第四修改，没有使用电绝缘油脂300。即，传导层23仅通过电绝缘油脂300与冷却器200接触并且电连接到冷却器200。
此外，根据第四修改，冷却器200具有在油脂310周围的凹槽400，从而防止油脂310遍布在凹槽400上。由此，凹槽400防止导电油脂310扩展到半导体封装100之外。总之，根据第七实施例的第四修改对应于第五实施例和根据第七实施例的第二修改的组合。
凹槽400可以形成在半导体封装100和冷却器200中。
凹槽400可以形成在先前实施例的任一半导体器件中。
不仅可以将第七实施例应用到双侧半导体器件，而且可以将第七实施例应用到单侧半导体器件。
(修改)
例如，上述实施例可以以如下各种方式进行修改。
传导层23、33可以由与冷却器200接触传导层23、33的部分相同的材料制成。以这样的方法，能够减小或防止冷却器200和传导层23、33之间的电腐蚀。例如，传导层23、33和冷却器200可以由铝或铜制成。
在第一实施例中，控制端子80和端子构件90可以在模制构件60的不同侧表面暴露。备选地，如图9A所示，控制端子80和端子构件90可以在模制构件60的相同侧表面暴露。
以这样的方法，控制端子80和端子构件90可以同时连接到诸如控制电路的外部电路。在该种情况下，通过将外部电路的线路连接到冷却器200的诸如泵的部件，可以将端子构件90和冷却器200电连接在一起。
在实施例中，油脂300、310用作粘性构件，该粘性构件用于填充半导体封装100的辐射表面和冷却器200之间的空隙。备选地，诸如电绝缘或导电粘合剂或浆料的其它材料可以用作粘性构件。
这样的改变和修改应该理解为处于由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种半导体器件，包括：
半导体封装(100)，所述半导体封装(100)包括半导体元件(10)、金属构件(20、30)以及用于将所述半导体元件和所述金属构件包封在其中的模制构件(60)，所述金属构件具有热连接到所述半导体元件(10)的金属部(21、31)、在所述金属部上的电绝缘层(22、32)以及在所述绝缘层上的电传导层(23、33)，所述传导层至少部分地暴露在所述模制构件(60)的外部并且用作用于辐射所述半导体元件的热的辐射表面；和
冷却器(200)，所述冷却器(200)具有冷却剂通道(201)，冷却剂(202)通过所述冷却剂通道(201)循环，其中
所述冷却剂冷却所述传导层并且吸收所述半导体元件的热，并且
所述传导层和所述冷却器电连接在一起。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，进一步包括：
粘性构件(300、310)，所述粘性构件(300、310)具有导热性和粘性，其中
所述半导体封装的所述辐射表面和所述冷却器之间的空隙填充有所述粘性构件，使得所述辐射表面通过所述粘性构件与所述冷却器接触。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中
所述粘性构件是电绝缘油脂(300)，
所述半导体封装和所述冷却器中的一个具有通过穿透所述电绝缘油脂延伸至所述半导体封装和所述冷却器中的另一个的突出部(203)，并且
所述传导层和所述冷却器通过所述突出部电连接在一起。
4.根据权利要求2所述的半导体器件，其中
所述粘性构件是电绝缘油脂(300)，
所述辐射表面相对于所述模制构件的外表面突出，所述外表面面向所述冷却器定位，并且
所述突出的辐射表面通过所述油脂按压在所述冷却器上，使得所述传导层和所述冷却器电连接在一起。
5.根据权利要求2所述的半导体器件，其中
所述粘性构件是电绝缘油脂(300)，
所述传导层具有位于所述模制构件内部的第一部分和暴露在所述模制构件外部的第二部分，以用作所述辐射表面，
所述模制构件具有孔(61)，所述传导层的第二部分暴露给所述孔(61)，
所述冷却器具有面向所述孔(61)定位的突出部(203)，并且
所述传导层的第二部分和所述冷却器的突出部在所述孔的内部彼此直接接触，使得所述传导层和所述冷却器电连接在一起。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，进一步包括：
端子构件(90)，所述端子构件(90)具有位于所述模制构件的内部并且电连接到所述传导层的第一端，所述端子构件进一步具有位于所述模制构件的外部并且电连接到所述冷却器的第二端，其中
所述传导层和所述冷却器通过所述端子构件电连接在一起。
7.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，
所述粘性构件是导电油脂(310)，并且
所述传导层和所述冷却器通过所述导电油脂电连接在一起。
8.根据权利要求3-5和7中的任一项所述的半导体器件，进一步包括：
端子构件(90)，所述端子构件(90)具有位于所述模制构件内部并且电连接到所述传导层的第一端，所述端子构件进一步具有位于所述模制构件外部的第二端。
9.根据权利要求1所述的半导体器件，其中
所述冷却剂具有导电性，
所述模制构件的一部分定义所述冷却器的冷却剂通道，使得通过所述冷却剂通道进行循环的冷却剂与所述半导体封装的所述辐射表面直接接触，并且
所述传导层和所述冷却器通过所述冷却剂电连接在一起。
10.根据权利要求2所述的半导体器件，其中
所述粘性构件包括电绝缘油脂(300)和导电油脂(310)，
所述导电油脂由所述绝缘油脂包围，
所述传导层和所述冷却器通过所述绝缘油脂和所述导电油脂而彼此接触，并且
所述传导层和所述冷却器通过所述导电油脂电连接在一起。
11.根据权利要求7或10所述的半导体器件，其中
所述半导体封装和所述冷却器中的至少一个具有包围所述导电油脂的外围的凹槽(400)，并且
所述凹槽防止或减小所述油脂在所述凹槽上的扩展。
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