CN106252307A - 半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种即使反复进行热循环仍具备足够的可靠性的半导体装置。半导体装置包括：由金属构成的冷却板；一个以上的层叠基板，该一个以上的层叠基板由电路板、绝缘板、以及金属板层叠构成，并且金属板和冷却板通过接合材料接合；以及一个以上的第一半导体元件，该一个以上的第一半导体元件由宽带隙半导体构成，并被设置在电路板的外周端部。由此，当第一半导体元件通过动作温度上升时，即使没有被适当地散热，也能稳定地动作。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置。
背景技术
作为半导体装置的功率半导体模块包含由硅(Si)构成的开关元件以及作为宽带隙半导体的例如由碳化硅(SiC)构成的二极管元件，作为功率转换装置被使用。在上述的半导体装置中，将由电路板、绝缘板、以及金属板层叠构成的层叠基板用焊料接合在用金属构成的冷却板上。而且，在层叠基板的电路板上配置上述的开关元件、二极管元件这样的半导体元件。
在该情况下，SiC二极管元件具有比Si开关元件损耗更低、在高温下更稳定地动作、耐压更高的特征。因此，在半导体装置内部的散热困难、温度容易上升的中央区域配置二极管元件，并在该中央区域的周围配置开关元件，可以提高半导体装置的冷却效率(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利5147996号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在专利文献1的半导体装置中，通过热循环，层叠基板下的焊料的各角 部将产生裂纹。而且，若反复进行热循环，则该裂纹从焊料的角部向内侧蔓延。因此，在配置于角部的由硅构成的开关元件的下部，裂纹将蔓延。此外，在裂纹中含有空气。因此，在来自开关元件的热量经由层叠基板传导至冷却板侧时，若焊料中存在裂纹，则降低了散热性。即，与SiC相比更难以在高温下稳定地动作的Si开关元件的散热性会下降，因此有时会降低半导体装置的可靠性。
本发明是鉴于上述问题完成的，其目的是提供一种即使反复进行热循环仍具备足够的可靠性的半导体装置。
解决技术问题的技术方案
根据本发明的一个观点，提供了一种半导体装置，该半导体装置包括由金属构成的冷却板；一个以上的层叠基板，该一个以上的层叠基板由电路板、绝缘板、以及金属板层叠构成，并且所述金属板和所述冷却板通过接合材料接合；以及一个以上的第一半导体元件，该一个以上的第一半导体元件由宽带隙半导体构成，并设置在所述电路板的外周端部。
技术效果
根据揭示的技术，即使反复进行热循环，也能保持半导体装置的可靠性。
附图说明
图1是用于说明第1实施方式的半导体装置的图。
图2是表示第2实施方式的半导体装置的图。
图3是表示第3实施方式的半导体装置的俯视图。
图4是表示第4实施方式的半导体装置的图。
具体实施方式
以下，参照附图对于本发明的实施方式进行说明。
第1实施方式
图1是用于说明第1实施方式的半导体装置的图。
图1(A)是半导体装置1的侧面图，图1(B)是半导体装置1的俯视图，图1(C)是表示半导体装置1的接合材料上的裂纹的产生状况的俯视图。
半导体装置1如图1(A)、(B)所示，包括冷却板2、层叠基板6、一个以上(在图1中为4个)的第一半导体元件7。
冷却板2由铜或铝等热传导率良好的金属构成。在冷却板2上也可以形成镀镍(Ni)等的表面膜。冷却板2具有在半导体装置1动作时，将从第一半导体元件7产生的热量向半导体装置的外部散热，从而冷却半导体装置的功能。
层叠基板6由电路板5b、绝缘板4、金属板5a层叠构成。绝缘板4是由氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)等热传导率比较高的陶瓷等构成的。此外，电路板5b及金属板5a由例如铜或铝构成。此外，层叠基板6经由金属板5a，通过焊料或金属烧结材料等导电性良好的接合材料3a与冷却板2接合。层叠基板6可以使用例如DCB(Direct Copper Bonding－直接铜键合)基板或AMB(Active Metal Blazed－活性金属钎焊)基板等。
第一半导体元件7由碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等带隙比硅大的宽带隙半导体构成。第一半导体元件7设置在层叠基板6的电路板5b的外周端部，用导电性的接合材料3b与电路板5b接合(图1(B))。此外，一般而言，由宽带隙半导体构成的第一半导体元件7与由硅半导体构成的半导体元件相比，具有损耗低、在高温下稳定地动作、耐压高的特性。
接着，对于第一半导体元件7在层叠基板6上的配置位置进行说明。
图1(C)中表示在反复进行热循环后，对于半导体装置1的接合材料3a的超声波探伤装置的观察结果。超声波探伤装置通过向被检测对象物发射超声波，并检测从该被检测对象物反射的超声波，从而能够检查被检测对象物内有无空间。此外，在图1(C)中，将层叠基板6中金属板5a的配置位置用虚线(矩形)表示，接合材料3a用阴影表示。
半导体装置1由于冷却板2和层叠基板6、特别是绝缘板4的热膨胀率不同，因此通过热循环，在冷却板2和层叠基板6之间的接合材料3a上反复产生热应力。因此，接合材料3a由于疲劳破坏，在接合材料3a的外周缘部、特别是各角部X1～X4附近(椭圆状的虚线)上产生裂纹、剥落等。此外，若反复进行热循环，则该裂纹、剥落会蔓延到接合材料3a的中央部。因此，如图1(C)所示，可知在接合材料3a的外周端部、特别是各角部X1～X4附近会产生空间。由此，若在接合材料3a上由裂纹、剥离产生空间，则空气会进入空间内。因此，在从层叠基板6经由接合材料3a向冷却板2散热的情况下，若在接合材料3a的导热路径上含有空气，则该导热路径的热阻会增加。即，层叠基板6的电路板5b的外周端部、特别是各角部X1～X4附近与电路板5b的中央部相比较，散热性降低了。
因此，将在高温下稳定地动作的第一半导体元件7配置在会因热循环降低散热性的层叠基板6的电路板5b的外周端部、特别是层叠基板6的角部X1～X4附近。由此，当第一半导体元件7通过动作温度上升时，即使没有适当地散热，也能稳定地动作。因此，能够充分地维持半导体装置1对于热循环的可靠性。
此外，在上述的情况下，能够在层叠基板6的电路板5b的中央部配置例如由硅半导体构成的半导体元件。由此，由硅半导体构成的半导体元件在没有接合材料3a的裂纹等的影响的中央部散热。因此，能维持半导体装置1整体的冷却效率。
第2实施方式
对于在第2实施方式中，在层叠基板上配置由宽带隙半导体构成的第一半导体元件以及由硅半导体构成的第二半导体元件的情况使用图2进行说明。
图2是表示第2实施方式的半导体装置的图。
图2(A)表示半导体装置10的侧面图，图2(B)表示半导体装置10的俯视图。
半导体装置10包括冷却板11、两个层叠基板15A、15B、多个第一半导体元件16、以及多个第二半导体元件17。此外，在以下说明中，对于与第1实施方式相同名称的构件省略重复说明。
层叠基板15A、15B均通过层叠电路板14b、绝缘板13、以及金属板14a来设置。此外，电路板14b由第一电路板14b1、第二电路板14b2以及第三电路板14b3构成。上述的层叠基板15A、15B经由金属板14a且通过导电性的接合材料12a接合在冷却板11的同一面上。
第一半导体元件16是由碳化硅构成的SBD(Schottky Barrier Diode－肖特基势垒二极管)等二极管元件。第一半导体元件16配置在层叠基板15A、15B的电路板14b上(在图中为第一电路板14b1及第三电路板14b3)，通过导电性的接合材料12b接合。
第二半导体元件17是由硅构成的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor－绝缘栅双极晶体管)、功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor－金属氧化物半导体场效应晶体管)等开关元件。第二半导体元件17配置在层叠基板15A、15B的电路板14b上(在图中为第一电路板14b1及第三电路板14b3)，通过导电性的接合材料12c接合。
分别与第一半导体元件16的电极及第二半导体元件17的电极连接的引线(省略图示)与第二电路板14b2连接。
此外，第一半导体元件16的面积比第二半导体元件17的面积更小。因此，第一半导体元件16能比第二半导体元件17配置地更多。
此外，由碳化硅构成的第一半导体元件16与由硅构成的第二半导体元件17相比，具有损耗低、在高温下稳定地动作、耐压高的特性。
半导体装置10中，冷却板11和层叠基板15A、15B的热膨胀率不同。因此，通过热循环，在冷却板11和层叠基板15A、15B之间的接合材料12a上会反复地产生热应力。因此，与第一实施方式相同，在各个层叠基板的接合材料12a的各角部附近会产生裂纹、剥落等，这些裂纹、剥落向中央部蔓延。
因此，将在高温下稳定地动作的第一半导体元件16配置在会因热循环降低散热性的电路板14b的外周端部、特别是电路板14b的角部附近。此外，在没有裂纹等的影响的中央部配置第二半导体元件17。由此，当第一半导体元件16通过动作温度上升时，即使没有适当地散热，也能稳定地动作。而且，第二半导体元件17由于没有受到裂纹等的影响，因此被适当地冷却。因而，能够充分地维持半导体装置10对于热循环的可靠性。此外，在本实施方式中，电路板14b的外周端部是指将第一电路板14b1、第二电路板14b2及第三电路板14b3全部看作一体的电路板14b的情况下的外周端部。同样地，电路板14b的角部附近是指将第一电路板14b1、第二电路板14b2及第三电路板14b3全部看作一体的电路板14b的情况下的角部附近。这是由于，通过热循环在接合材料12a上产生裂纹等的部位就是将各电路板全部看作一体时的电路板14b的外周端部的附近。
此外，第一半导体元件16的面积比第二半导体元件17的面积更小，因此能在散热性降低的层叠基板15A、15B的外周缘部上可靠地配置多个第一 半导体元件16，并且能使第一半导体元件16稳定地动作。
第3实施方式
在第三实施方式中，以在第二实施方式的半导体装置10中第一半导体元件16位于冷却板11的外侧的方式配置层叠基板15A、15B。对于该情况，使用图3进行说明。
图3是表示第3实施方式的半导体装置的俯视图。
半导体装置10与第2实施方式相同，包括冷却板11、两个层叠基板15A、15B、多个第一半导体元件16、以及多个第二半导体元件17。
而且，在第三实施方式的半导体装置10中，将层叠基板15A、15B分别向左右任意一个方向旋转90度，使得在第二实施方式的半导体装置10上，全部第一半导体元件16位于冷却板11的外侧(图3中的上侧及下侧)。
即使在该情况下，将在高温下稳定地动作的第一半导体元件16配置在会因热循环降低散热性的层叠基板15A、15B的外周端部、特别是层叠基板15A、15B的角部附近。而且，在层叠基板15A、15B的中央部配置第二半导体元件17。由此，与第二实施方式相同地，能充分地维持半导体装置10对于热循环的可靠性。
第4实施方式
在第4实施方式中，对于在层叠基板上配置由宽带隙半导体构成的第一半导体元件以及由宽带隙半导体构成的第三半导体元件的情况使用图4进行说明。
图4是表示第4实施方式的半导体装置的图。
图4(A)表示半导体装置10a的侧面图，图4(B)表示半导体装置10a的俯视图。
半导体装置10a包括冷却板11、两个层叠基板15A、15B、多个第一半导体元件16、以及多个第三半导体元件18。
第一半导体元件16是如上所述由碳化硅构成的SBD等二极管元件。第一半导体元件16配置在层叠基板15A、15B的电路板14b(在图中为第一电路板14b1及第三电路板14b3)上，通过导电性的接合材料12b接合。
第三半导体元件18是由碳化硅构成的IGBT、功率MOSFET等开关元件。第三半导体元件18配置在层叠基板15A、15B的电路板14b上(在图中为第一电路板14b1及第三电路板14b3)，通过导电性的接合材料12d接合。
将分别与第一半导体元件16的电极及第三半导体元件18的电极连接的引线(省略图示)与第二电路板14b2连接。
此外，第一半导体元件16与第三半导体元件18的面积基本相同，在电路板14b上配置相同数量的第一半导体元件16和第三半导体元件18。
由碳化硅构成的第一半导体元件16及第三半导体元件18与由硅构成的第二半导体元件17相比，具有损耗低、在高温下稳定地动作、耐压高的特性。
此外，半导体装置10a作为逆变器用于例如马达驱动的情况下，在从逆变器侧向马达侧提供能量时，第三半导体元件18(开关元件)与第一半导体元件16(二极管元件)相比，通电时间变长。因此，第三半导体元件18与第一半导体元件16相比，损耗变大，元件温度变高。
而且，半导体装置10a，如上所述，冷却板11和层叠基板15A、15B的热膨胀率不同。因此，通过热循环，在冷却板11和层叠基板15A、15B之间的接合材料12a上会反复产生热应力。因此，在各个层叠基板15A、15B的接合材料12a的各角部附近会产生裂纹、剥落等，这些裂纹、剥落向中央部蔓延。
因此，将在高温下稳定地动作的第一半导体元件16配置在会因热循环降低散热性的电路板14b的外周端部、特别是电路板14b的角部附近。而且，在没有裂纹等的影响的电路板14b的中央部配置比第一半导体元件16的散热量更大的第三半导体元件18。由此，在第一半导体元件16通过动作温度上升时，即使没有适当地散热，也能稳定地动作。而且，第三半导体元件18由于没有受到裂纹等的影响，因此被适当地冷却。因而，能够充分地维持半导体装置10a对于热循环的可靠性。
而且，第4实施方式的半导体装置10a也可以与第3实施方式的情况相同地使层叠基板15A、15B相对于冷却板11分别(朝左右任意一个方向)旋转90度，全部的第一半导体元件16配置在冷却板11的外侧。
此外，将半导体装置10a作为逆变器进行从马达侧提供能量的再生运行时，第一半导体元件16(二极管元件)与第三半导体元件18(开关元件)相比，通电时间变长，损耗变大。
因此，在由于层叠基板15A、15B的热阻增加而导致散热困难的外周缘部，配置在高温下稳定地动作的第三半导体元件18。而且，在层叠基板15A、15B的散热容易的中央部配置比第三半导体元件18损耗更大的第一半导体元件16。由此，当第三半导体元件18通过动作温度上升时，即使没有适当地散热，也能稳定地动作。而且，第一半导体元件16被适当地冷却。因而，抑制了半导体装置10a的冷却效率下降，并且抑制了对于热循环的可靠性下降。
符号说明
1 半导体装置
2 冷却板
3a,3b 接合材料
4 绝缘板
5a 金属板
5b 电路板
6 层叠基板
7 第一半导体元件。
Claims (7)
1.一种半导体装置，其特征在于，包括：
由金属构成的冷却板；
一个以上的层叠基板，该一个以上的层叠基板由电路板、绝缘板、以及金属板层叠构成，并且所述金属板和所述冷却板通过接合材料接合；以及
一个以上的第一半导体元件，该一个以上的第一半导体元件由宽带隙半导体构成，并设置在所述电路板的外周端部。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一半导体元件设置在所述电路板的角部。
3.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
在所述电路板的中央部设置一个以上的由带隙比所述宽带隙半导体要小的半导体构成的第二半导体元件。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的半导体装置，其特征在于，
在所述冷却板上接合多个所述层叠基板，
在多个所述层叠基板的各个所述电路板的外周端部，分别设置多个所述第一半导体元件。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述接合材料由导电性接合材料构成。
6.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
在所述电路板的中央部设置由宽带隙半导体构成的第三半导体元件。
7.如权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一半导体元件为二极管元件，
所述第三半导体元件为开关元件。
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