CN103109366B - 半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体模块，其能够通过简单的布线来实现连接。该半导体模块的半导体装置具有：半导体基板、被形成在半导体基板的一侧表面上的第一电极、以及被形成在半导体基板的与所述一侧表面相反的表面上的第二电极。半导体模块具有：第一电极板，其与第一电极相接；第二电极板，其与第二电极相接；第一布线部件，其以与第一电极板绝缘的状态贯穿第一电极板，并与第二电极板相连接。通过向第一电极板以及第二电极板施加对半导体装置进行加压的压力，从而使第一电极板、半导体装置以及第二电极板相互固定。

Description

半导体模块
技术领域
本说明书所公开的技术涉及一种半导体模块。
背景技术
当半导体装置发热时，半导体装置和其周围的部件（焊锡、布线等）将发生热膨胀。因各个部件的热膨胀率的不同，从而使应力施加在半导体装置上。这种应力使半导体装置的寿命缩短。
发明内容
发明所要解决的课题
为了降低上述的应力，研究一种在不使用通过焊锡等的焊接材料而进行的接合的条件下，使半导体装置与布线相连接的方法。例如，在日本专利公开公报H9-252067号（以下，称为专利文献1）中，公开了一种如下的半导体模块，即，通过使半导体装置与各个电极板层叠并对其进行加压，从而将半导体装置与各个电极板连接在一起。但是，在该半导体模块中，阳极板被配置于半导体模块的下表面上，而阴极板被配置于半导体模块的上表面上。因此，在将该半导体模块安装到设备上时，需要分别将布线连接于半导体模块的上表面侧（即，阴极板侧）和半导体模块的下表面侧（即，阳极板侧）。即，在将该半导体模块安装到设备上时，需要复杂的布线。因此，在本说明书中，提供一种能够通过更加简单的布线而安装到设备上的半导体模块。
用于解决课题的方法
本说明书所公开的半导体模块具有：半导体装置、第一电极板、第二电极板、第一布线部件。半导体装置具有半导体基板、被形成在半导体基板的一侧表面上的第一电极、以及被形成在半导体基板的与所述一侧表面相反的表面上的第二电极。第一电极板与第一电极相接。第二电极板与第二电极相接。第一布线部件以与第一电极板绝缘的状态贯穿第一电极板，并与第二电极板相连接。通过向第一电极板以及第二电极板施加对半导体装置进行加压的压力，从而使第一电极板、半导体装置以及第二电极板相互固定。
在该半导体模块中通过压力而使第一电极板、半导体装置、以及第二电极板相互连接。在该半导体模块中，由于未使用通过焊料而进行的接合，因此在半导体装置发热时，应力不易施加于半导体装置上。此外，第二电极板与贯穿第一电极板的第一布线部件连接。因此，在第一电极板侧，不仅可以设置相对于第一电极板的布线，还可以设置相对于第二电极板的布线。因此，在将该半导体模块安装到设备上时，能够通过更加简单的布线来实现连接。
在上述的半导体模块中，优选为，还具有：筒体，其包围半导体装置和第二电极板，并被固定在第一电极板上，且在外周面或内周面上形成有第一螺纹槽；罩，其上形成有第二螺纹槽，并且通过第二螺纹槽与第一螺纹槽卡合从而被固定在筒体上，且朝向半导体装置而对第二电极板进行加压。
另外，罩既可以与第二电极板直接接触而朝向半导体装置对第二电极板进行加压，也可以隔着其他的部件而朝向半导体装置对第二电极板进行加压。
该半导体模块中，通过使罩进行旋转而使第二螺纹槽与第一螺纹槽卡合，从而能够将罩和筒体组装在一起。由于相对于第二电极板的布线通过第一布线部件而贯穿第一电极板并向外侧被引出，因此无需穿过罩而设置相对于第二电极的布线。因此，即使采用使罩进行旋转的组装方式，在使罩进行旋转时布线部件也不会造成阻碍。此外，通过这种结构，通过使罩进行旋转，从而能够通过罩而朝向半导体装置对第二电极板进行加压。即，通过将罩安装于筒体上，从而能够使第一电极板、半导体装置、以及第二电极板相互固定。因此，该半导体模块能够容易地进行组装。
在上述的半导体模块中，优选为，在罩上固定有冷却器。
由于如上所述那样无需在罩上设置布线，因此能够理想地对罩和冷却器进行连接。因此，能够理想地对半导体装置进行冷却。
在上述的半导体模块中，优选为，在半导体装置的所述一侧表面上还形成有第三电极，所述半导体模块还具有第二布线部件，所述第二布线部件以与第一电极板绝缘的状态贯穿第一电极板，并与第三电极相连接。
根据这种结构，能够向第一电极板侧引出相对于第三电极的布线。因此，能够在第一电极板侧设置相对于第三电极的布线。
附图说明
图1为第一实施例的半导体模块10的简要剖视图。
图2为表示沿着图1中的箭头标记A1观察半导体模块10时的、半导体装置20、母线30的平板部30a和贯穿布线部30b、绝缘板80、第一电极板40的筒部40b之间的位置关系的图。
图3为半导体模块10的组装工序的说明图。
图4为第一实施例的第一改变例的半导体模块的简要剖视图。
图5为第一实施例的第二改变例的半导体模块的简要剖视图。
图6为第一实施例的第三改变例的半导体模块的简要剖视图。
图7为第二实施例的半导体模块100的简要剖视图。
图8为表示沿着图7中的箭头标记A2观察半导体模块100时的、半导体装置20、罩150、外壳140、螺栓162的位置关系的图。
具体实施方式
（第一实施例）
图1所示的半导体模块10为在外壳40和罩50内收纳了半导体装置20的组件。
外壳40由金属构成。外壳40具有平板部40a和筒部40b。平板部40a被形成为大致平面状。如图1、2所示，筒部40b被形成为，中心轴以相对于平板部40a而垂直的方式延伸的圆筒形状。筒部40b被固定于平板部40a上。筒部40b的外周面上，形成有螺纹槽40c。
在筒部40b的内侧的平板部40a上，设置有金属板84、半导体装置20、金属板82、母线30、绝缘板80、销90。
金属板84被设置于平板部40a上。金属板84由锡等较软的金属构成。
在金属板84上设置有半导体装置20。半导体装置20具有由碳化硅（SiC）构成的半导体基板24。在半导体基板24上，形成有MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化层半导体场效晶体管）。半导体基板24的下表面上，形成有MOSFET的源极电极26、以及多个MOSFET的栅电极28。如图2所示，半导体基板24为长方形。多个栅电极28沿着半导体基板24的一条长边而并排设置。如图1所示，半导体基板24的上表面上形成有MOSFET的漏极电极22。半导体装置20以源极电极26与金属板84接触的方式，而设置于金属板84上。各个栅电极28不与金属板84接触。
在外壳40的平板部40a上，于与半导体装置20的栅电极28对置的位置处，形成有将平板部40a从上表面贯穿至下表面的贯穿孔94。贯穿孔94沿着多个栅电极28并排设置的方向延伸。即，以与全部栅电极28对置的方式，在俯视观察时具有大致长方形形状的一个贯穿孔94被形成于平板部40a上。在贯穿孔94内固定有绝缘部件92。绝缘部件92由聚苯硫醚（PPS）等的树脂材料构成。贯穿孔94通过绝缘部件92而被堵塞。在与栅电极28对置的位置处的绝缘部件92上，固定有金属制的销90。另外，虽然在图1中，仅图示了一个销90，但在与各个栅电极28对置的各位置处，分别固定有一个销90。即，在绝缘部件92上固定有多个销90。各个销90贯穿绝缘部件92。因此，各个销90的上端位于平板部40a的上侧，而各个销90的下端位于平板部40a的下侧。各个销90的与平板部40a相比靠上侧的部分90a为，发生弹性变形的弹簧部。各个弹簧部90a以弯曲的状态与所对应的栅电极28接触。各个销90通过绝缘部件92而与外壳40的平板部40a绝缘。
金属板82被设置于半导体装置20上。金属板82由锡等较软的金属构成。
母线30为通过弯折金属制的平板而构成的部件。母线30具有平板部30a、贯穿布线部30b、和外侧布线部30c。平板部30a被形成为大致平面状，并被设置于金属板82上。贯穿布线部30b从平板部30a起向下方延伸。在外壳40的平板部40a上，于不与半导体装置20对置的位置处，形成有贯穿孔96。贯穿布线部30b穿过贯穿孔96而延伸至平板部40a的下侧。在贯穿孔96内，固定有绝缘部件88。绝缘部件88将贯穿孔96封闭。贯穿布线部30b被固定于绝缘部件88内，且通过绝缘部件88而与平板部40a绝缘。外侧布线部30c从贯穿布线部30b的下端起向侧方延伸。外侧布线部30c在与平板部40a的下侧，以与平板部40a平行的方式而延伸。
绝缘板80被设置于母线30的平板部30a上。绝缘板80由氮化铝（AlN）等绝缘体构成。
罩50由金属构成。罩50的外表面上被实施了绝缘涂装。罩50具有圆筒形状的侧壁部50b、和将该圆筒形状的中心孔的一端封闭的平板部50a。即，罩50具备杯形形状。侧壁部50b的内周面上形成有螺纹槽50c。罩50的螺纹槽50c与外壳40的螺纹槽40c卡合。即，利用螺纹槽40c、50c，而使罩50与外壳40连结。罩50的平板部50a的下表面与绝缘板80相接。即，由金属板84、半导体装置20、金属板82、母线30、绝缘板80构成的层叠体，通过罩50的平板部50a和外壳40的平板部40a而被夹持。罩50相对于外壳40以较高的扭矩而被连结。因此，所述层叠体通过平板部50a和平板部40a而被加压。通过该压力，而使构成所述层叠体的各个部件相互固定。另外，外壳40的平板部40a和金属板84之间的接触部分、金属板84和半导体装置20的源极电极26之间的接触部分、半导体装置20的漏极电极22和金属板82之间的接触部分、金属板82和母线30的平板部30a之间的接触部分、以及销90和半导体装置20的栅电极28之间的接触部分，未通过焊锡等焊料而被接合。因此，当从外壳40上拆下罩50时，能够使所述层叠体的各个部件彼此分离。
在罩50的平板部50a的上表面上，设置有绝缘片70。在绝缘片70的上表面上，设置有冷却器60。冷却器60为液体循环式冷却器。另外，在罩50和绝缘片70之间的接触部分、以及绝缘片70和冷却器60之间的接触部分上，涂布有润滑脂。由此，降低了冷却器60和罩50之间的热阻抗。
如以上所进行的说明，在该半导体模块10中，与位于半导体基板24的下表面侧的源极电极26相对应的布线，通过外壳40的平板部40a而被构成。此外，作为与位于半导体基板24的上表面侧的漏极电极22相对应的布线的母线30，贯穿外壳40的平板部40a而向平板部40a的下侧被引出。此外，作为与栅电极28相对应的布线的销90，贯穿外壳40的平板部40a而向平板部40a的下侧被引出。因此，能够将相对于平板部40a（即，源极电极26）的外部布线、相对于母线30（即，漏极电极22）的外部布线、以及相对于销90（即，栅电极28）的外部布线，设置在半导体模块10的下表面侧。因此，在罩50的上表面上，未设置有外部布线。由于在罩50的上表面上不存在外部布线，因此能够使罩50的上表面整体隔着绝缘片70而与冷却器60连接。因此，能够通过冷却器60而理想地对半导体装置20进行冷却。此外，通过以这种方式将相对于各个电极的布线汇集在半导体模块10的下表面侧，从而能够降低这些布线之间的电感。此外，在该半导体模块10中，半导体装置20通过压力而相对于周围的部件被固定，并且半导体装置20和周围的部件未通过钎焊等方式而被接合。因此，在因半导体装置20发热而使半导体装置20与其周围的部件发生热膨胀时，应力不易施加在半导体装置20上。因此，该半导体模块10的寿命较长。
此外，在该半导体模块10中，如图2所示，半导体装置20的平面形状为长方形。此外，沿着半导体装置20的一个长边，并排设置有多个栅电极28。此外，在半导体装置20的相反的长边附近，母线30的贯穿布线部30b贯穿外壳40的平板部40a。根据这种配置，如图2所示，能够将筒部40b内的母线30的平面形状设定为大致正方形，从而能够更加宽敞地利用筒部40b内的区域。
接下来，对半导体模块10的制造方法进行说明。首先，在外壳40的平板部40a上装载金属板84。接下来，将多个销90和绝缘部件92一体化而形成的部件设置于平板部40a的贯穿孔94内。接下来，在金属板84上装载半导体装置20。此时，使源极电极26与金属板84接触，并使各个栅电极28与所对应的销90接触。接下来，在半导体装置20上装载金属板82。接下来，如图3所示，对母线30和绝缘部件88一体化而形成的部件进行设置。另外，在该阶段，母线30具有L字形的截面形状，而未形成图1中的外侧布线部30c（从绝缘部件88的下侧起折弯的部分）。此处，将母线30的贯穿布线部30b插入到外壳40的贯穿孔96内，直到绝缘部件88被设置于贯穿孔96内。此外，使母线30的平板部30a与金属板82接触。接下来，在母线30的平板部30a上装载绝缘板80。接下来，通过使罩50的螺纹槽50c与外壳40的螺纹槽40c卡合，从而将罩50固定在外壳40上。当通过使罩50绕其中心轴进行旋转从而使罩50向下侧移动时，罩50的平板部50a将与绝缘板80接触。之后，当使罩50进一步旋转时，罩50的平板部50a将朝向半导体装置20而对绝缘板80进行加压。由此，被罩50的平板部50a和外壳40的平板部40a夹持的层叠体（即，金属板84、半导体装置20、金属板82、母线30的平板部30a、以及绝缘板80），在其层叠方向上而被加压。由此，层叠体的各个部件被相互固定。
另外，金属板84与邻接的源极电极26和外壳40的平板部40a相比较软。因此，当层叠体被加压时，金属板84的上表面将配合源极电极26的表面形状而发生塑性变形，从而金属板84与源极电极26紧贴。同样地，当层叠体被加压时，金属板84的下表面将配合平板部40a的表面形状而发生塑性变形，从而金属板84与平板部40a紧贴。由此，源极电极26和平板部40a可靠地被连接。
此外，金属板82与邻接的漏极电极22和母线30的平板部30a相比较软。因此，当层叠体被加压时，金属板82的下表面将配合漏极电极22的表面形状而发生塑性变形，从而金属板82与漏极电极22紧贴。同样地，当层叠体被加压时，金属板82的上表面将配合平板部30a的表面形状而发生塑性变形，从而金属板82与平板部30a紧贴。由此，漏极电极22与平板部30a可靠地被电连接。
此外，当层叠体被加压时，销90的弹簧部90a将发生挠曲。由此，在销90和栅电极28之间施加有适当的压力，从而销90和栅电极28可靠地被连接。
将罩50固定在外壳40上之后，将母线30的下侧的部分折弯，从而形成外侧布线部30c。之后，通过隔着绝缘片70而将冷却器60安装在罩50上，从而完成图1所示的半导体模块10。
在该半导体模块10中，相对于半导体装置20的布线未贯穿罩50。因此，能够在组装时使罩50自由地进行旋转。因此，能够通过使螺纹槽40c和螺纹槽50c卡合，从而将罩50安装在外壳40上。此外，能够利用该螺纹构造，而通过罩50来对所述层叠体进行加压。因此，该半导体模块10能够容易地进行组装。
另外，在第一实施例的半导体模块10中，通过外壳40的平板部40a和金属板84而构成了第一电极板（与源极电极26相接的电极板）。此外，通过母线30的平板部30a和金属板82而构成了第二电极板（与漏极电极22相接的电极板）。此外，通过母线30的贯穿布线部30b而构成了第一布线部（以与第一电极板绝缘的状态贯穿第一电极板，并与第二电极板连接的布线部）。此外，通过外壳40的筒部40b而构成了如下的筒体，该筒体包围半导体装置和第二电极板，并被固定在第一电极板上，且在外周面上形成有第一螺纹槽。此外，通过罩50而构成了如下的罩，该罩上形成有第二螺纹槽，并且通过第二螺纹槽与第一螺纹槽卡合从而被固定在筒体上，且朝向半导体装置而对第二电极板（经由绝缘板80）进行加压。此外，通过销90而构成了如下的第二布线部件，该第二布线部件以与第一电极板绝缘的状态贯穿第一电极板，并与第三电极（栅电极）连接。
另外，在第一实施例中，罩50隔着绝缘片70而被固定于冷却器60上。但是，也可以在罩50的表面上形成有绝缘膜，并使罩50隔着该绝缘膜而被固定在冷却器60上。此外，如图4所示，也可以采用如下方式，即，外壳40和罩50的周围整体通过作为绝缘体的树脂74而被覆盖。此时，如图4所示，既可以在半导体装置20的周围的空间（被外壳40和罩50所包围的空间）内填充树脂74，也可以不在该空间内填充树脂。此外，如图5所示，也可以使绝缘性的盖72覆盖罩50，并隔着盖72而将罩50固定在冷却器60上。此外，虽然在第一实施例中，使平板部40a和筒部40b一体化，但也可以使它们由不同的部件构成。例如，如图6所示，也可以在金属制的平板40a上固定通过绝缘体而构成的筒40b。另外，在图4～图6中，对于与第一实施例为相同结构的部件，标注与第一实施例相同的符号。
此外，虽然第一实施例的半导体模块10具有金属板84，但也可以不具有金属板84，而使源极电极26直接与平板部40a接触。此外，虽然第一实施例的半导体模块10具有金属板82，但也可以不具有金属板82，而使漏极电极22直接与平板部30a接触。此外，第一实施例的半导体模块10具有绝缘板80。但是，例如在罩50由绝缘体构成的情况等、能够确保母线30和外壳40之间的绝缘的情况下，也可以不具有绝缘板80。
（第二实施例）
接下来，对图7、图8所示的第二实施例的半导体模块100进行说明。另外，第二实施例的半导体模块100除外壳40和罩50以外，具有与第一实施例的半导体模块10相同的结构。另外，在图7、图8中，对与第一实施例为相同结构的部件，标注与第一实施例相同的符号。
在第二实施例的半导体模块100中，外壳140不具有筒部。即，外壳140仅由平板部构成。在外壳140上形成有三个螺纹孔142。
在第二实施例的半导体模块100中，罩150的侧壁部150b以呈大致长方形的方式而形成。此外，在侧壁部150b上形成有凸缘150c。在凸缘150c上，形成有贯穿孔152。
螺栓162穿过罩150的贯穿孔152，而与外壳140的螺纹孔142连结。通过三个螺栓162，从而罩150被固定在外壳140上，并对它们之间的层叠体进行加压。
以这种方式，由于通过加压从而半导体装置20相对于周围的部件而被固定，因此第二实施例的半导体模块100的寿命较长。此外，在半导体模块100中，与半导体装置20的源极电极26和栅电极28相对应的布线向外壳140的下侧被引出。因此，能够容易地对外部布线进行设置。
另外，虽然在上述的第一实施例和第二实施例中，半导体装置为MOSFET，但也可以将上述的实施例的结构应用于绝缘栅双极性晶体管、二极管等各种半导体装置中。
以上，虽然对实施方式进行了详细说明，但上述实施方式仅为示例，而并非对权利要求的范围进行限定的内容。权利要求书中所记载的技术中还包括对以上例示的具体示例进行各种变形、变更的内容。
本说明书或附图中所说明的技术要素通过单独或各种组合的方式而发挥技术上的有用性，而并不限定于申请时权利要求书中所记载的组合。此外，本说明书或附图所例示的技术为同时实现多个目的的内容，而实现其中的一个目的本身也具有技术上的有用性。

Claims (3)

1.一种半导体模块，具有：
半导体装置，其具有半导体基板、被形成在半导体基板的一侧表面上的第一电极、以及被形成在半导体基板的与所述一侧表面相反的表面上的第二电极；
第一电极板，其与第一电极相接；
第二电极板，其与第二电极相接；
筒体，其包围半导体装置和第二电极板，并被固定在第一电极板上，且在外周面或内周面上形成有第一螺纹槽；
罩，其上形成有第二螺纹槽，并且通过第二螺纹槽与第一螺纹槽卡合从而被固定在筒体上，且经由罩用绝缘板而朝向半导体装置对第二电极板进行加压；
第一布线部件，其从第一电极板和罩之间向外侧延伸，并且一端部以与第一电极板绝缘的状态贯穿第一电极板，另一端部与第二电极板相连接，
通过使第一螺纹槽和第二螺纹槽紧固，从而向第一电极板以及第二电极板施加对半导体装置进行加压的压力，由此使第一电极板、半导体装置以及第二电极板相互固定。
2.如权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，
在罩上隔着冷却器用绝缘片或冷却器用绝缘膜而固定有冷却器。
3.如权利要求1或2所述的半导体模块，其中，
在半导体基板的所述一侧表面上还形成有第三电极，
所述半导体模块还具有第二布线部件，所述第二布线部件以与第一电极板绝缘的状态贯穿第一电极板，并与第三电极相连接。
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