CN102446885A - 半导体功率模块及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的半导体功率模块具有：基底部件；半导体功率器件，其具有表面以及背面，该背面与所述基底部件接合；金属块，其具有表面以及背面，该背面与所述半导体功率器件的所述表面接合，从所述半导体功率器件的所述表面向离开所述基底部件的方向立起，作为所述半导体功率器件用的布线部件来使用；和外部端子，其与所述金属块的所述表面接合，用于经由所述金属块向所述半导体功率器件提供电力。

Description

半导体功率模块及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体功率模块及其制造方法。
背景技术
半导体功率模块是搭载多个半导体功率器件，并从相互电连接的半导体功率器件获得输出的装置。这种半导体功率模块，例如使用于构成用于驱动电动机的驱动电路的逆变器电路。电动机例如作为电动汽车(包括混合动力车)、电车、工业用机器人等的动力源来使用。半导体功率模块还适用于将太阳能电池、风力发电机等发电装置(特别是家用发电装置)所产生的电力按照与商用电源的电力匹配的方式进行变换的逆变器电路。
搭载于半导体功率模块的半导体功率器件通过金属丝布线与模块的外部端子连接。
例如，专利文献1(特开2007-305962号公报)的图1所公开的半导体功率模块，具备：电路基板，其具有将金属基板电极、绝缘基板以及散热片一体化的构造；多个SiC半导体功率器件，其连接于该电路基板的金属基板电极上；外壳，其固定于散热片，并收纳SiC半导体功率器件；和外部电极，其安装于外壳。SiC半导体功率器件和外部电极之间通过Al金属丝而相互连接。
与半导体功率器件连接的Al金属丝需要流过半导体功率器件所处理的大电流，因此，通常对器件1芯片接合多条Al金属丝。
但是，即使接合多条Al金属丝，由于各个Al金属丝和半导体功率器件的接合面积较小，因此电流将集中于Al金属丝和器件的接合部。由于该电流集中，从而电流波形紊乱，并且有器件局部发热的缺陷。在器件产生的热的一部分沿着Al金属丝而被发散，若用较细的金属丝，其散热效果不充分。
若增加与每个器件1芯片连接的Al金属丝的条数，并确保比上述情况大的接合面积，则或许能够得到充分的散热效果。但是，由于与器件连接的Al金属丝的间距存在限制，因此期望通过其他手法来提高散热效果。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于，提供一种能够使从半导体功率器件流出的电流平稳化，并且，能够高效地使在半导体功率器件产生的热发散的半导体功率模块及其制造方法。
此外，本发明的另一目的在于，提供一种半导体功率模块的制造方法，能够简单且品质良好地制造能够使从半导体功率器件流出的电流平稳化，并且，能够高效地使在半导体功率器件产生的热发散的半导体功率模块。
本发明的上述或者其他目的、特征以及效果，参照附图，通过接下来叙述的实施方式的说明来明确。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式所涉及的功率模块的整体图。
图2是图1的功率模块的内部结构图。
图3是图1的功率模块的剖面图，表示了图1的A-A切割面处的剖面。
图4A～图4E是按照工序顺序来表示图1的功率模块的制造工序的一部分的剖面图，表示了与图3相同的切割面。
图5是图1的功率模块的剖面图，表示了图1的A′-A′切割面处的剖面。
图6是本发明的第2实施方式所涉及的功率模块的整体图。
图7是图6的功率模块的内部结构图。
图8是图6的功率模块的剖面图，表示了图6的B-B切割面处的剖面。
图9是图6的功率模块的剖面图，表示了图6的C-C切割面处的剖面。
图10A～图10E是按照工序顺序来表示图6的功率模块的制造工序的一部分的剖面图，表示了与图7相同的切割面。
图11是表示图2的金属块的变形例的功率模块的内部结构图。
图12是表示图3的金属块的变形例的功率模块的剖面图。
具体实施方式
本发明的一个方面所涉及的半导体功率模块，具有：基底部件；半导体功率器件，其具有表面以及背面，该背面与所述基底部件接合；金属块，其具有表面以及背面，该背面与所述半导体功率器件的所述表面接合，从所述半导体功率器件的所述表面向离开所述基底部件的方向立起，作为所述半导体功率器件用的布线部件来使用；和外部端子，其与所述金属块的所述表面接合，用于经由所述金属块向所述半导体功率器件提供电力。
根据此结构，使用比金属丝直径大的金属块作为连接半导体功率器件和模块的外部端子的布线部件。由此，能够使布线以较大的面积与半导体功率器件接合。因此，能够抑制布线(金属块)与半导体功率器件之间的接合部上的电流集中的产生。其结果，能够将电流平稳化。并且，由于能够使在半导体功率器件产生的热高效地发散，因此还能够提高散热效果。
本发明的半导体功率模块，优选，还具有：外壳，其具有基底部和框部，其中所述基底部具有配置所述半导体功率器件的器件区域，所述框部固定于该基底部，且包围所述器件区域；和树脂制的顶板，其固定于该外壳的所述框部，与所述器件区域对置，所述外部端子包含沿着所述顶板设置的板极端子，所述顶板具有支撑部，其中所述支撑部在俯视下与所述板极端子重叠，对所述板极端子从其背面侧进行支撑。
在外部端子为沿着对外壳进行封闭的顶板而设置的板极端子(plateterminal)的情况下，若该板极端子从外部受到撞击等，则该撞击经由金属块传递给半导体功率器件，结果，器件有可能损坏。
因此，在本结构中，顶板具有对板极端子从背面侧进行支撑的支撑部。由此，即使板极端子受到撞击等，也能够用支撑部来缓和该撞击。其结果，能够使撞击完全不传递给半导体功率器件，或者，能够减小传递给半导体器件的撞击。因此，能够防止撞击所导致的半导体功率器件的损坏。
在本发明的半导体功率模块中，优选，在所述顶板上，在与所述板极端子对置的区域中，形成有比所述板极端子的平面面积小的开口，所述金属块经由该开口与所述板极端子接合，所述顶板的所述支撑部在所述顶板上包含该开口的边缘部。
根据此结构，能够通过由包围金属块的开口的边缘部构成的支撑部，来有效地缓和从板极端子传递给金属块的撞击。
此外，在本发明的半导体功率模块中，优选，所述顶板为按照能够与所述框部分离的方式设置的部件。
根据此结构，因为顶板能够与框部分离，所以在制造半导体功率模块时，能够在将框部和顶板分离的状态下，首先在器件区域中配置半导体功率器件，并使金属块与该半导体功率器件接合。因此，可操作性较好。
此外，在本发明的半导体功率模块中，优选，所述顶板形成为在相对于所述板极端子的一侧的位置具有开放端、相对于该板极端子在该开放端的相反侧的位置具有封闭端的俯视U字状，通过所述框部，按照在沿着所述封闭端离开所述板极端子的方向的滑动方向上能够滑动的方式被支撑，所述金属块在所述开放端和所述封闭端之间，在被所述顶板包围的区域中与所述板极端子接合，所述顶板的所述支撑部包含所述顶板的所述区域的边缘部。
根据此结构，顶板按照能够相对于框部而滑动的方式被支撑，能够从框部分离。因此，在制造半导体功率模块时，能够在将框部和顶板分离的状态下，首先在器件区域中配置半导体功率器件，并使金属块与该半导体功率器件接合。因此，可操作性较好。此外，在顶板上，与通过滑动而拔出的方向相反侧的端部成为开放端。因此，即使在将顶板固定于框部之后，也能够不解除金属块与板极端子之间的接合地，将顶板拔出从而使器件区域露出。其结果，能够容易地进行外壳内的维护。
而且，能够通过由包围配置了金属块的区域的边缘部构成的支撑部，有效地缓和从板极端子传递给金属块的撞击。
此外，在本发明的半导体功率模块中，优选，所述板极端子形成为具有沿着所述滑动方向延伸的一对第1对边以及与该第1对边正交的一对第2对边的俯视四角形状，所述顶板，具有沿着所述第1对边的一对臂部、和将该一对臂部的所述滑动方向一侧彼此连结的连结部，按照通过这些臂部以及连结部来包围所述板极端子的周围的三方的方式而设置，一对所述臂部具有：第1部分，其从与所述滑动方向正交的横方向外侧分别抵接于所述板极端子的边缘部；和第2部分，其从该第1部分的下端沿着所述板极端子的所述背面而突出，沿着所述板极端子的所述第1对边的所述边缘部，嵌合于被所述臂部的所述第1部分和所述臂部的所述第2部分划分的凹部。
根据此结构，沿着板极端子的第1对边的边缘部，嵌合于被臂部的第1部分和臂部的第2部分划分的凹部。因此，在使顶板沿着框部滑动时，能够将板极端子作为用于对顶板进行引导的引导部件来使用。因此，能够容易地进行顶板的定位。
此外，在本发明的半导体功率模块中，优选，所述连结部具有：第1部分，其从所述滑动方向外侧抵接于所述板极端子的边缘部；和第2部分，其从该第1部分的下端沿着所述板极端子的所述背面而突出，沿着所述板极端子的所述第2对边的所述边缘部，嵌合于被所述连结部的所述第1部分和所述连结部的所述第2部分划分的凹部。
根据此结构，沿着板极端子的第2对边(与滑动方向正交的对边)的边缘部，嵌合于被连结部的第1部分和连结部的第2部分划分的凹部。因此，在使顶板沿着框部滑动时，通过使板极端子的该边缘部抵接于顶板的连结部的第1部分，能够阻止顶板的滑动。即，板极端子也可以作为用于阻止顶板的滑动的阻止部件来使用。因此，能够更加容易地进行顶板的定位。
此外，在本发明的半导体功率模块中，优选，所述基底部以及所述框部全部为金属制，所述基底部兼作支撑所述半导体功率器件的所述基底部件，所述框部兼作用来经由所述基底部向所述半导体功率器件提供电力的第2外部端子的功能。
根据此结构，由于从基底部立起的框部兼作第2外部端子，因此能够从半导体功率模块的表面侧来取得对半导体功率器件的背面的电接触。
此外，在本发明的半导体功率模块中，所述半导体功率器件也可以为使用了SiC半导体的器件。
在此情况下，所述金属块优选由Cu或含有Cu的合金材料构成。
根据此结构，与使用Al金属丝来作为半导体功率器件的布线部件的情况相比，能够减小SiC和布线部件之间的线膨胀系数差。因此，能够降低在半导体功率器件和布线部件之间产生的热应力。其结果，能够降低器件的热疲劳，因此能够达成高寿命且高可靠性的半导体功率模块。作为含有Cu的合金材料，可以列举，例如CuMo合金、CuW合金等。
此外，例如，SiC的线膨胀系数为约4.5ppm/K，CuMo合金的线膨胀系数为约9.0ppm/K(SiC的约2倍)。另一方面，Al的线膨胀系数为约23ppm/K(SiC的约5倍)。
此外，所述金属块既可以具有长方体形状，也可以具有从其背面向着表面，剖面积扩大的锥形形状。
在金属块为锥形形状的情况下，若其背面的面积根据半导体功率器件的表面面积来设计，其表面的面积根据外部端子的大小来设计，则能够以最佳的散热效率来发散在器件产生的热。
此外，在本发明的半导体功率模块中，也可以设置多个所述半导体功率器件，所述外部端子一并接合于与各所述半导体功率器件接合的金属块。
此外，在本发明的半导体功率模块中，优选，在所述顶板上，在俯视下与所述板极端子重叠的区域外的区域中，形成有在厚度方向贯通的贯通孔。
根据此结构，能够通过从在顶板上形成的贯通孔向外壳内流入树脂，来简单地维持外壳内的绝缘状态。
本发明的一个方面所涉及的半导体功率模块的制造方法，具有如下工序：将具有表面以及背面的半导体功率器件的该背面与基底部件接合的工序；在所述基底部件和所述半导体功率器件接合后，将具有表面以及背面，且作为所述半导体功率器件用的布线部件来使用的金属块的该背面与所述半导体器件的所述表面接合的工序；对用于对所述半导体功率器件提供电力的外部端子，实施备用焊接的工序，通过使所述金属块抵接于所述外部端子上的被施加了所述备用焊料的部位，并对所述外部端子进行加热，来将所述外部端子和所述金属块接合的工序。
在像本发明这样，将散热效果较好的金属块作为半导体功率器件的布线材料来使用的情况下，若在金属块和外部端子之间夹着焊料材料，并仅对外部端子侧进行加热，则存在其热沿着散热效果较好的金属块发散的情况。其结果，预先夹着的焊料材料没有良好地熔融，有可能产生金属块和外部端子之间的接合不良。
因此，在本制造方法中，对外部端子预先实施备用焊接，并将所述金属块抵接接合于施加了该备用焊料的部位。由此，能够将金属块和外部端子良好地接合。即，能够简单且品质良好地制造本发明这种半导体功率器件。
此外，在本发明的半导体功率模块的制造方法中，优选，所述外部端子是平板状的板极端子，施加所述备用焊接的工序包含在该板极端子上载置规定量以上的焊料的工序。
根据此结构，即使在多个金属块间产生了高低差的情况下，也能够通过规定量以上的焊料，来填补该高低差。
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。
(第1实施方式)
图1是本发明的第1实施方式所涉及的功率模块的整体图。
功率模块1具备：具有开放面的外壳2、封闭该外壳的开放面的顶板3、作为外部端子的源极端子4、源极感测端子5、和栅极端子6。
为了说明的方便，下面有时会用到图1所示的X方向、Y方向以及Z方向。X方向是沿着俯视矩形的外壳2的长边的方向。Y方向是沿着俯视矩形的外壳2的短边的方向。Z方向是沿着外壳2的高度方向的方向。在将外壳2放置于水平面时，X方向以及Y方向为沿着相互正交的两条水平的直线(X轴以及Y轴)的两个水平方向(第1水平方向以及第2水平方向)，Z方向为沿着铅垂的直线(Z轴)的铅垂方向(高度方向)。
外壳2一体地具有俯视矩形的厚度均匀的基底部8、和从该基底部8的边缘部竖立设置的俯视矩形的框部9。在功率模块1中，在基底部8上的被框部9包围的区域(后述的器件区域16)中，配置后述的功率器件18。
基底部8以及框部9，在本实施方式中，由金属材料构成。特别优选由铝、铜等散热性好的金属构成。
在框部9安装有由树脂材料构成的台座12。贯通该台座12，跨过外壳2的内外而设有细圆柱状的源极感测端子5以及栅极端子6。通过经由树脂制的台座12来设置源极感测端子5以及栅极端子6，能够使源极感测端子5以及栅极端子6相互绝缘，并且相对于金属制的框部9绝缘。
顶板3是能够与外壳2分离的俯视矩形的厚度均匀的板状体。顶板3，在本实施方式中，由树脂材料构成。特别优选使用PPS(聚苯硫醚)等耐热性树脂，但也可以使用液晶聚合物、陶瓷材料等。顶板3例如利用粘接剂等而固定于框部9。
源极端子4是沿着Y方向较长的俯视矩形的厚度均匀的板状体(板极端子)，载置于顶板3的上表面。
此外，在顶板3，在与源极端子4对置的区域，形成有多个比源极端子4的平面面积小的开口14(图1的两点点划线)。形成了与后述的功率器件18的个数相同数量的多个开口14。在本实施方式中，3个开口14排列为俯视三角形状。
此外，在顶板3上，在源极端子4和台座12之间的位置，形成有将顶板3在厚度方向贯通的贯通孔15。贯通孔15，在本实施方式中，形成为沿着Y方向较长的俯视椭圆状。
图2是图1的半导体功率模块的内部结构图。图3是图1的半导体功率模块的剖面图，表示了图1的A-A切割面处的剖面。
在外壳2内，在框部9所包围的器件区域16中，沿着Y方向从台座12侧开始依次配置绝缘基板17以及多个功率器件18。
绝缘基板17，例如由陶瓷基板构成。该绝缘基板17是沿着Y方向较长的俯视矩形的厚度均匀的板状体，在其上相互空出间隔地形成有片状的源极感测布线19以及栅极布线20。在源极感测布线19上，连接有源极感测端子5的一端。此外，在栅极布线20上，连接有栅极端子6的一端。
多个功率器件18包括多个开关元件Tr以及多个二极管元件Di。在本实施方式中，包括两个开关元件Tr以及一个二极管元件Di。功率器件18在本实施方式中为使用了SiC半导体的器件。这些多个功率器件18按照分别与顶板3的开口14一对一地对应的方式配置。具体来说，一个二极管元件Di、和两个开关元件Tr排列为俯视三角形状。而且，多个功率器件18，通过其背面182与外壳2的基底部8接合，而与外壳2电连接。
功率器件18中的开关元件Tr使用各个Al金属丝22、23来分别与栅极布线20以及源极感测布线19电连接。
在各功率器件18的表面181(与基底部8接合的面的相反侧的面)，各接合了一个作为对功率器件18提供电力的布线材料来使用的金属块24的背面242。金属块24，在本实施方式中，具有从功率器件18的表面181向离开基底部8的方向(接近源极端子4的方向)立起的长方体形状。
金属块24优选由Cu或含有Cu的合金材料(作为合金材料，例如可以列举CuMo合金、CuW合金等)构成。由此，与使用Al金属丝来作为SiC功率器件18的布线材料的情况相比，能够减小SiC和金属块24之间的线膨胀系数差。因此，能够降低在功率器件18和金属块24之间产生的热应力的发生。其结果，能够降低器件的热疲劳，因此能够达成高寿命且高可靠性的功率模块1。例如，SiC的线膨胀系数为约4.5ppm/K，CuMo合金的线膨胀系数为约9.0ppm/K(SiC的约2倍)。另一方面，Al的线膨胀系数为约23ppm/K(SiC的约5倍)。并且，多个金属块24的表面241经由顶板3的开口14而与源极端子4接合。
此外，在顶板3上，在与源极端子4对置的区域中，形成有俯视具有沿着源极端子4的形状的轮廓的(俯视下与源极端子4重叠的)凹部25，在该凹部25内嵌入了源极端子4。用于连接金属块24和源极端子4的开口14，按照贯通该凹部25的底壁26的方式形成。作为支撑部的凹部25的包围底壁26上的该开口14的部分，与源极端子4从背面侧抵接。由此，源极端子4的一部分通过接合而被金属块24支撑，剩余的大部分被潜入到其背面侧的顶板3(凹部25的底壁26)支撑。
图4A～图4E是按照工序顺序来对图1的功率模块的制造工序进行说明的图。
首先，如图4A所示，在外壳2内的器件区域16上安装形成了片状的布线的绝缘基板17。接着，将插入了源极感测端子5以及栅极端子6的台座12安装于外壳2的框部9。接着，进行源极感测端子5以及栅极端子6分别与片状布线19～20的接合。接下来，例如，隔着焊料板(板はんだ)27，在基底部8之上设置各功率器件18。然后，将外壳2搬入到加热器28上，例如，在250～400℃下加热。通过此加热，传导到金属制的外壳2的热传导到焊料板27，从而焊料板27溶融。由此，功率器件18与外壳2的基底部8接合。另外，在图4B以下，省略了使用于接合的焊料板27。
接下来，保持将外壳2放置于加热器28上的状态，如图4B所示，例如，隔着焊料板29，在各功率器件18的表面181上设置金属块24。然后，例如，在250～400℃下对外壳2进行加热。通过此加热，传导到金属制的外壳2的热经由功率器件18传导到焊料板29，从而焊料板29熔融。由此，金属块24与功率器件18接合。另外，在图4C以下，省略了使用于接合的焊料板29。
接下来，如图4C所示，按照使顶板3的开口14与各金属块24一致的方式来进行顶板3的定位，并将顶板3固定于框部9。
接下来，如图4D所示，将源极端子4单独放置在加热器28上，并在该源极端子4上施加备用焊料30。接着，在将外壳2颠倒的状态(顶板3位于下侧的状态)下相对于备用焊料30进行金属块24的定位，使金属块24和备用焊料30接触。
然后，通过加热器28的加热，如图4E所示，金属块24和源极端子4被接合。
如上所述，根据功率模块1，作为连接功率器件18和源极端子4的布线部件，使用比金属丝直径大的金属块24。由此，能够使布线(金属块24)以较大的面积与功率器件18接合。因此，能够抑制布线(金属块24)和功率器件18之间的接合部上的电流集中的产生。其结果，能够将电流平稳化。并且，由于能够通过金属块24以及片状源极端子4使在功率器件18产生的热高效地发散，因此还能够提高散热效果。
此外，像本实施方式这样，在外部端子是沿着顶板3的上表面设置的板极端子的情况下，若该源极端子4从外部受到撞击等，则该撞击经由金属块24传导到功率器件18，结果，器件18有可能损坏。
因此，在本实施方式中，顶板3的凹部25的底壁26从背面侧支撑着源极端子4。由此，即使源极端子4受到撞击等，也能够用凹部25的底壁26来缓和该撞击。其结果，能够完全不将撞击传递给功率器件18，或者，能够减小传递给功率器件18的撞击。因此，能够防止撞击所导致的功率器件18的损坏。而且，在本实施方式中，支撑源极端子4的支撑部由一对一地沿着各金属块的平面轮廓包围各金属块24的开口14的边缘部(凹部25的底壁26)构成，因此能够有效地缓和从源极端子4传递给金属块24的撞击。
此外，由于顶板3能够与框部9分离，因此在制造功率模块1时，能够在将框部9和顶板3分离的状态下，首先在器件区域16中配置功率器件18，并使金属块24与该功率器件18接合。因此，可操作性较好。
此外，由于功率器件18的背面182与金属制的基底部8直接接合，因此可以利用功率模块1的外壳2来取得对功率器件18的背面182(漏极侧)的电接触。
此外，由于在顶板3形成了贯通孔15，因此通过从该贯通孔15向外壳2内流入树脂，能够简单地维持外壳2内的绝缘状态。
此外，在像本实施方式这样，将散热效果较好的金属块24作为功率器件18的布线材料来使用的情况下，例如，在如图4A和图4B的工序那样，在金属块24和源极端子4之间夹着焊料板的状态下，用加热器28来对源极端子4进行加热的方法中，存在其热量沿着散热效果较好的金属块24发散的情况。其结果，预先夹着的焊料板有可能没有良好地熔融，产生金属块24和源极端子4之间的接合不良。
因此，在本实施方式中，如图4D所示，对源极端子4预先施加备用焊料30，并将金属块24抵接于被施加了该备用焊料30的部位来进行接合。由此，能够良好地将金属块24和外部端子接合。即，能够简单且品质良好地制造功率模块1。
并且，根据这种方法，例如，即使在多个金属块24之间，产生图5所示的高低差h，也能够通过施加规定量的备用焊料30，来用备用焊料30填补该高低差h。其结果，能够一并将片状的源极端子4可靠地接合于多个金属块24。
(第2实施方式)
图6是本发明的第2实施方式所涉及的功率模块的整体图。图7是图6的功率模块的内部结构图。图8是图6的功率模块的剖面图，表示了图6的B-B切割面处的剖面。图9是图6的功率模块的剖面图，表示了图6的C-C切割面处的剖面。
功率模块51具备：具有开放面的外壳52、封闭该外壳52的开放面的顶板53、作为外部端子的源极端子54、源极感测端子55、和栅极端子56。
为了说明的方便，以下有时会使用图1所示的X方向、Y方向以及Z方向。X方向是沿着俯视矩形的外壳52的长边的方向。Y方向是沿着俯视矩形的外壳52的短边的方向。Z方向是沿着外壳52的高度方向的方向。在将外壳52放置于水平面时，X方向以及Y方向为沿着相互正交的两条水平的直线(X轴以及Y轴)的两个水平方向(第1水平方向以及第2水平方向)，Z方向是沿着铅垂的直线(Z轴)的铅垂方向(高度方向)。
外壳52具有俯视矩形的厚度均匀的基底部58、和从该基底部58的边缘部竖立设置的俯视矩形的框部59。在功率模块51中，在基底部58上的被框部59包围的区域(器件区域61)中，配置后述的功率器件74。
基底部58，在本实施方式中，由金属材料构成。特别优选由铝、铜等散热性较高的金属构成。
另一方面，框部59，在本实施方式中，由树脂材料构成。特别优选使用PPS(聚苯硫醚)等耐热性树脂，但也可以使用液晶聚合物、陶瓷材料等。
在框部59形成有比其顶部低一段的一定深度的低段部63。该低段部63形成为俯视U字状，是用于使同样俯视U字状的顶板53滑动的部分。低段部63的深度例如优选与顶板53的厚度为大致相同的大小。由此，在固定了顶板53时，能够由框部59以及顶板53形成具有平坦面的长方体。
在框部59安装有由树脂材料构成的台座64。贯通该台座64，跨过外壳52的内外地设有细棒状的源极感测端子55以及栅极端子56。通过经由树脂制的台座64来设置源极感测端子55以及栅极端子56，能够使源极感测端子55以及栅极端子56相互绝缘，并且相对于金属制的框部59绝缘。
顶板53是能够与外壳52分离的俯视矩形的厚度均匀的板状体。顶板53，在本实施方式中，由树脂材料构成。特别优选使用PPS(聚苯硫醚)等耐热性树脂，但也可以使用液晶聚合物、陶瓷材料等。
源极端子54是沿着Y方向较长的俯视矩形的厚度均匀的板状体(板极端子)，按照与基底部58的器件区域61对置的方式设置。
顶板53具有沿着作为源极端子54的第1对边的长边的一对臂部65、和将该一对臂部65的相对于源极端子54位于源极感测端子55侧彼此连结的连结部66，按照通过这些臂部65以及连结部66来包围板极端子的周围的三方的方式而设置，X方向源极感测端子55侧为通过连结部66而封闭的封闭端，其相反侧为开放端。由此，顶板53通过框部59，按照能够在沿着连结端离开源极端子54的方向的滑动方向(X方向)上滑动的方式而被支撑。
并且，如图9所示，一对臂部65具有：从与滑动方向正交的横方向(Y方向)外侧分别抵接于源极端子54的边缘部的第1部分67、和从该第1部分67的下端沿着源极端子54的背面突出的第2部分68。由此，沿着源极端子54的长边的边缘部嵌合于被臂部65的第1部分67和臂部65的第2部分68划分的凹部69。
此外，如图8所示，连结部66具有：从滑动方向(X方向)外侧抵接于源极端子54的边缘部的第1部分70、和从该第1部分70的下端沿着源极端子54的背面突出的第2部分71。由此，沿着作为源极端子54的第2对边的短边的边缘部，嵌合于被连结部66的第1部分70和连结部66的第2部分71划分的凹部72。
即，源极端子54通过臂部65以及连结部66被支撑在俯视U字状的位置。
在外壳52内，在被框部59包围的器件区域61中，沿着Y方向从台座64侧开始依次配置有绝缘基板73以及多个功率器件74。
绝缘基板73，例如，由陶瓷基板构成。该绝缘基板73是沿着Y方向较长的俯视矩形的厚度均匀的板状体，在其上相互空出间隔地形成有片状的源极感测布线75以及栅极布线76。在源极感测布线75上连接有源极感测端子55的一端。此外，在栅极布线76上连接有栅极端子56的一端。
多个功率器件74包括多个开关元件Tr以及多个二极管元件Di。在本实施方式中，包括两个开关元件Tr以及一个二极管元件Di。功率器件74，在本实施方式中，是使用了SiC半导体的器件。这些多个功率器件74，将两个开关元件Tr沿着Y方向空出间隔地配置，并相对于这些开关元件Tr在X方向绝缘基板73的相反侧配置有一个二极管元件Di。具体来说，一个二极管元件Di和两个开关元件Tr排列为俯视三角形状。并且，多个功率器件74通过将其背面742与外壳52的基底部58接合，来与外壳52电连接。
功率器件74中的开关元件Tr使用各个Al金属丝81、82来分别与栅极布线76以及源极感测布线75电连接。
在各功率器件74的表面741(与基底部58接合的面的相反侧的面)，各接合有一个作为对功率器件74提供电力的布线材料来使用的金属块83的背面832。金属块83，在本实施方式中，具有从功率器件74的表面741向离开基底部58的方向(接近源极端子54的方向)立起的长方体形状。
金属块83优选由Cu或含有Cu的合金材料(作为合金材料，可以列举，例如CuMo合金、CuW合金等。)构成。由此，与使用Al金属丝作为SiC功率器件74的布线部件的情况相比，能够减小SiC与金属块83之间的线膨胀系数差。因此，能够降低在功率器件74和金属块83之间产生的热应力。其结果，能够降低器件的热疲劳，因此能够达成高寿命且高可靠性的功率模块51。例如，SiC的线膨胀系数为约4.5ppm/K，CuMo合金的线膨胀系数为约9.0ppm/K(SiC的约2倍)。另一方面，Al的线膨胀系数为约23ppm/K(SiC的约5倍)。并且，在被顶板53上的被臂部65以及连结部66包围的区域中，多个金属块83的表面831与源极端子54接合。
图10A～图10E是按照工序顺序来说明图6的功率模块的制造工序的图。
首先，如图10A所示，在外壳52内的器件区域61中，安装有形成了片状的布线的绝缘基板73。接下来，将插入了源极感测端子55以及栅极端子56的台座64安装于外壳52的框部59。接着，进行源极感测端子55以及栅极端子56分别与片状布线的接合。接着，例如，隔着焊料板84，在基底部58上设置各功率器件74。然后，将外壳52搬入到加热器85上，例如，在250～400℃下加热。通过此加热，传递给金属制的基底部58的热传递给焊料板84从而焊料板84溶融。由此，功率器件74与外壳52的基底部58接合。另外，在图10B以下，省略了使用于接合的焊料板84。
接下来，保持将外壳52放置于加热器85上的状态，如图10B所示，例如，隔着焊料板86，在各功率器件74的表面741设置金属块83。然后，例如，在250～400℃下对外壳52进行加热。通过此加热，传递到金属制的基底部58的热经由功率器件74传递到焊料板86，从而焊料板86溶融。由此，金属块83与功率器件74接合。另外，在图10C以下，省略了使用于接合的焊料板86。
接下来，如图10C所示，将源极端子54单独放置于加热器85上，并在该源极端子54上施加备用焊料87。接着，在将外壳52颠倒的状态下相对于备用焊料87进行金属块83的定位，并使金属块83和备用焊料接触。
然后，通过加热器85的加热，如图10D所示，金属块83和源极端子54接合。
接下来，如图10E所示，按照顶板53的凹部与源极端子54的边缘部一致的方式来进行顶板53的定位，并相对于框部59，使顶板53滑动，直到顶板53的连结部66接触源极端子54为止。由此，器件区域61被封闭。
如上所述，根据功率模块51，使用比金属丝直径大的金属块83作为连接功率器件74和源极端子54的布线部件。由此，能够使布线(金属块83)以较大的面积与功率器件74接合。因此，能够抑制布线(金属块83)和功率器件74之间的接合部上的电流集中的产生。其结果，能够将电流平稳化。并且，由于能够通过金属块83以及片状源极端子54来使在功率器件74产生的热高效地发散，因此还能够提高散热效果。
此外，在像本实施方式这样，外部端子是沿着顶板53的上表面设置的板极端子的情况下，若该源极端子54从外部受到撞击等，则该撞击经由金属块83传递到功率器件74，结果，器件有可能损坏。
因此，在本实施方式中，顶板53的臂部65以及连结部66的各自的第2部分68、71从背面侧支撑着源极端子54。由此，即使源极端子54受到撞击等，也能够用臂部65以及连结部66来缓和该撞击。其结果，能够使撞击完全不传递给功率器件74，或者，能够减小传递给功率器件74的撞击。因此，能够防止撞击所导致的功率器件74的损坏。
此外，顶板53按照能够相对于框部59滑动的方式被支撑，能够从框部59分离。因此，在制造功率模块51时，能够在将框部59和顶板53分离的状态下，首先在器件区域61配置功率器件74，并使金属块83与该功率器件74接合。因此，可操作性较好。此外，在顶板53上，与通过滑动而拔出的方向相反侧的端部成为开放端。因此，即使在将顶板53固定于框部59之后，也能够不解除金属块83与源极端子54之间的接合地，将顶板53拔出从而使器件区域61露出。其结果，能够容易地进行外壳52内的维护。
此外，沿着源极端子54的长边的边缘部，嵌合于被臂部65的第1部分67和臂部65的第2部分68划分的凹部69。因此，在使顶板53沿着框部59滑动时，能够将源极端子54作为用于对顶板53进行引导的引导部件来使用。因此，能够容易地进行顶板53的定位。
此外，沿着源极端子54的短边(与滑动方向正交的对边)的边缘部，嵌合于被连结部66的第1部分70和连结部66的第2部分71划分的凹部72。因此，在使顶板53沿着框部59滑动时，通过使源极端子54的该边缘部抵接于顶板53的连结部66的第1部分70，能够阻止顶板53的滑动。即，可以将板极端子作为用于阻止顶板53的滑动的阻挡(stopper)部件来使用。因此，能够更加容易地进行顶板53的定位。
此外，由于功率器件74的背面742直接与金属制的基底部58接合，因此可以利用功率模块51的外壳52来取得对功率器件74的背面742(漏极侧)的电接触。
此外，在像本实施方式这样，将散热效果较好的金属块83作为功率器件74的布线材料来使用的情况下，例如，在如图10A和图10B的工序那样，在金属块83和源极端子54之间夹着焊料板的状态下，用加热器85来对源极端子54进行加热的方法中，存在其热量沿着散热效果较好的金属块83而发散的情况。其结果，预先夹着的焊料板有可能没有良好地熔融，产生金属块83和源极端子54之间的接合不良。
因此，在本实施方式中，如图10C所示，对源极端子54预先施加备用焊料87，并将金属块83抵接于被施加了该备用焊料87的部位来进行接合。由此，能够将金属块83和源极端子54良好地接合。即，能够简单且品质良好地制造功率模块51。
并且，根据这种方法，例如，如同在前述的实施方式中说明了的那样，即使在多个金属块83之间，产生图5所示的高低差h，也能够通过施加规定量的备用焊料87，用备用焊料87填补该高低差h。其结果，能够一并将片状的源极端子54可靠地与多个金属块83接合。
以上，说明了本发明的实施方式，但本发明也可以以其他方式来实施。
例如，金属块24也可以如图11以及图12所示的功率模块101那样，具有从其背面242向着表面241剖面积扩大的锥形形状。
此外，金属块24、83的材料也可以为Cu、Al、Fe等金属材料。
对本发明的实施方式进行了详细的说明，但这些不过是为了明确本发明的技术内容而使用的具体例，本发明不应限定于这些具体例来解释，本发明的思想以及范围仅通过所附的权利要求书来限定。
本申请对应于2010年9月29日向日本专利局提出的JP特愿2010-219030号，该日本申请的全部公开通过引用而记载于此。

Claims (16)

1.一种半导体功率模块，其具有：
基底部件；
半导体功率器件，其具有表面以及背面，该背面与所述基底部件接合；
金属块，其具有表面以及背面，该背面与所述半导体功率器件的所述表面接合，从所述半导体功率器件的所述表面向离开所述基底部件的方向立起，作为所述半导体功率器件用的布线部件来使用；和
外部端子，其与所述金属块的所述表面接合，用于经由所述金属块向所述半导体功率器件提供电力。
2.根据权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，
还具有：
外壳，其具有基底部和框部，其中所述基底部具有配置所述半导体功率器件的器件区域，所述框部固定于该基底部，且包围所述器件区域；和
树脂制的顶板，其固定于该外壳的所述框部，与所述器件区域对置，
所述外部端子包含沿着所述顶板设置的板极端子，
所述顶板具有支撑部，其中所述支撑部在俯视下与所述板极端子重叠，对所述板极端子从其背面侧进行支撑。
3.根据权利要求2所述的半导体功率模块，其特征在于，
在所述顶板上，在与所述板极端子对置的区域中，形成有比所述板极端子的平面面积小的开口，
所述金属块经由该开口与所述板极端子接合，
所述顶板的所述支撑部包含在所述顶板包围所述金属块的该开口的边缘部。
4.根据权利要求2所述的半导体功率模块，其特征在于，
所述顶板是按照能够与所述框部分离的方式设置的部件。
5.根据权利要求2所述的半导体功率模块，其特征在于，
所述顶板形成为在相对于所述板极端子的一侧的位置具有开放端、相对于该板极端子在该开放端的相反侧的位置具有封闭端的俯视U字状，通过所述框部，按照在沿着所述封闭端离开所述板极端子的方向的滑动方向上能够滑动的方式被支撑，
所述金属块在所述开放端和所述封闭端之间，在被所述顶板包围的区域中与所述板极端子接合，
所述顶板的所述支撑部包含所述顶板上的所述区域的边缘部。
6.根据权利要求5所述的半导体功率模块，其特征在于，
所述板极端子形成为具有沿着所述滑动方向延伸的一对第1对边以及与该第1对边正交的一对第2对边的俯视四角形状，
所述顶板，具有沿着所述第1对边的一对臂部、和将该一对臂部的所述滑动方向一侧彼此连结的连结部，按照通过这些臂部以及连结部来包围所述板极端子的周围的三方的方式而设置，
一对所述臂部具有：第1部分，其从与所述滑动方向正交的横方向外侧分别抵接于所述板极端子的边缘部；和第2部分，其从该第1部分的下端沿着所述板极端子的所述背面而突出，
沿着所述板极端子的所述第1对边的所述边缘部，嵌合于被所述臂部的所述第1部分和所述臂部的所述第2部分划分的凹部。
7.根据权利要求6所述的半导体功率模块，其特征在于，
所述连结部具有：第1部分，其从所述滑动方向外侧抵接于所述板极端子的边缘部；和第2部分，其从该第1部分的下端沿着所述板极端子的所述背面而突出，
沿着所述板极端子的所述第2对边的所述边缘部，嵌合于被所述连结部的所述第1部分和所述连结部的所述第2部分划分的凹部。
8.根据权利要求2所述的半导体功率模块，其特征在于，
所述基底部以及所述框部全部为金属制，
所述基底部兼作支撑所述半导体功率器件的所述基底部件，
所述框部兼作用于经由所述基底部向所述半导体功率器件提供电力的第2外部端子。
9.根据权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，
所述半导体功率器件为使用了SiC半导体的器件。
10.根据权利要求9所述的半导体功率模块，其特征在于，
所述金属块由Cu或含有Cu的合金材料构成。
11.根据权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，
所述金属块具有长方体形状。
12.根据权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，
所述金属块具有从其背面向着表面，剖面积扩大的锥形形状。
13.根据权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，
设置了多个所述半导体功率器件，
所述外部端子一并接合于与各所述半导体功率器件接合的金属块。
14.根据权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，
在所述顶板上，在俯视下与所述板极端子重叠的区域外的区域中形成有在厚度方向贯通的贯通孔。
15.一种半导体功率模块的制造方法，其包含如下工序：
将具有表面以及背面的半导体功率器件的该背面与基底部件接合的工序；
在所述基底部件和所述半导体功率器件接合后，将具有表面以及背面、且作为所述半导体功率器件用的布线部件来使用的金属块的该背面与所述半导体器件的所述表面接合的工序；
对用于对所述半导体功率器件提供电力的外部端子，实施备用焊接的工序，
通过使所述金属块抵接于所述外部端子上的被施加了所述备用焊料的部位，并对所述外部端子进行加热，来将所述外部端子和所述金属块接合的工序。
16.根据权利要求15所述的半导体功率模块的制造方法，其特征在于，
所述外部端子为平板状的板极端子，
实施所述备用焊接的工序包含：在该板极端子上堆积规定量以上的焊料的工序。
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