CN107112316B - 半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种廉价且散热性高的半导体模块。本发明涉及的半导体模块(100)具有：中空的壳体(3)；铝合金制的基座板(2)，其具有与壳体(3)的中空的部分相对应的第1部分(2a)、与壳体(3)的主体部分相对应的第2部分(2b)，该基座板(2)经由第2部分(2b)而安装于壳体(3)的底面；陶瓷绝缘基板(7)，其设置于基座板(2)的第1部分(2a)之上；配线图案(9)，其设置于陶瓷绝缘基板(7)之上；半导体元件(10a、10b)，它们设置于配线图案(9)之上；金属配线板(12)，其连接于半导体元件(10a、10b)之上；以及封装树脂(14)，其对设置有陶瓷绝缘基板(7)、配线图案(9)、半导体元件(10a、10b)以及金属配线板(12)的壳体(3)的中空的部分进行封装。

Description

半导体模块
技术领域
本发明涉及一种半导体模块，涉及例如安装水冷套进行使用的车载用途的半导体模块。
背景技术
对于现有的半导体模块而言，动作时的配置半导体元件等的基座板的翘曲成为问题。例如，在专利文献1中记载的功率模块通过设为在2片绝缘基板之间夹着金属层而近乎对称的构造，从而减少了基座板的翘曲。
专利文献1：日本特开2014-165240号公报
非专利文献1：“磯部保明、竹内桂三、《アルミ合金製熱交換器の防食技術》、デンソーテクニカルレビュー”，1999年，Vol.4，No.2，p.64-71
发明内容
然而，在专利文献1中记载的功率模块为了防止基座板的加热变形而需要2片陶瓷绝缘基板，存在制造成本增大的问题。
本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供一种廉价且散热性高的半导体模块。
本发明涉及的半导体模块具有：中空的壳体；铝合金制的基座板，其具有与壳体的中空的部分相对应的第1部分、与壳体的主体部分相对应的第2部分，该基座板经由第2部分而安装于壳体的底面；陶瓷绝缘基板，其设置于基座板的第1部分之上；配线图案，其设置于陶瓷绝缘基板之上；半导体元件，其设置于配线图案之上；金属配线板，其连接于半导体元件之上；以及封装树脂，其对设置有陶瓷绝缘基板、配线图案、半导体元件以及金属配线板的壳体的中空的部分进行封装。
发明的效果
就本发明涉及的半导体模块而言，将基座板设为铝合金制。由此，能够提高基座板的耐腐蚀性和刚性。另外，由于通过提高基座板的刚性，从而能够将基座板设计得更薄，因此热阻降低，散热性提高。另外，通过使用锻造性优异的铝合金，从而在将针式鳍片一体形成于基座板的散热面侧的情况下，能够形成脱模斜度小的近乎圆柱的针体、表面面积比圆柱大的方柱针体。由此，导热性能提升，散热性提高。
本发明的目的、特征、技术方案以及优点通过以下的详细说明和附图会变得更加清楚。
附图说明
图1是实施方式1涉及的半导体模块及水冷套的剖视图。
图2是实施方式1涉及的半导体模块的俯视图。
图3是实施方式1涉及的半导体模块的接线图。
图4是表示在实施方式1涉及的半导体模块处使配线图案的厚度与绝缘基板侧铝层的厚度之比进行变化时的基座板的翘曲量的图。
图5是实施方式2涉及的半导体模块的剖视图。
图6是实施方式2涉及的半导体模块的俯视图。
图7是实施方式3涉及的半导体模块的剖视图。
图8是实施方式4涉及的半导体模块的剖视图。
图9是实施方式4涉及的半导体模块的俯视图。
图10是实施方式5涉及的半导体模块的剖视图。
图11是实施方式5涉及的半导体模块及水冷套的剖视图。
图12是前提技术涉及的半导体模块的剖视图。
具体实施方式
<前提技术>
在对本发明的实施方式进行说明之前，对成为本发明的前提的技术进行说明。图12是前提技术中的半导体模块90的剖视图。前提技术中的半导体模块90的基板一体型基座板51是通过熔液接合(molten metal joint)将陶瓷绝缘基板7和基座板2接合而形成的。基座板2是向纯铝材料23埋入作为骨材的基座板用陶瓷绝缘基板24而形成的。在基板一体型基座板51之上设置配线图案9，在配线图案9之上，通过焊料11而接合半导体元件10a、10b、金属配线板12等。壳体3内部由封装树脂14进行封装。另外，在基座板2的散热面设置多个针式鳍片2c。
就前提技术中的使用了基板一体型基座板51的半导体模块90而言，为了与陶瓷绝缘基板7取得平衡，在散热面侧的基座板2内作为骨材而埋入基座板用陶瓷绝缘基板24，对由温度变化导致的翘曲进行抑制。另外，为了防止在对翘曲进行抑制时陶瓷绝缘基板7破裂，基座板2使用纯铝材料23。
陶瓷绝缘基板7、基座板用陶瓷绝缘基板24、纯铝材料23通过如熔液接合这样的铸造方法而进行接合，制造出基板一体型基座板51。
半导体模块90通过螺栓5而安装于水冷套4。在基座板2与水冷套4之间，为了防止冷却材料泄漏而配置O形密封环6。
在前提技术中，存在向水冷套4进行螺钉紧固时的螺钉紧固扭矩的上限限制。另外，存在针式鳍片2c的尺寸及形状方面的制约(在铸造时需要大的脱模斜度等)。另外，为了防止基座板2的加热变形，需要与陶瓷绝缘基板7几乎相同大小的同种基座板用陶瓷绝缘基板24，存在成本增大的问题。以下的实施方式解决上述课题。
<实施方式1>
图1是本实施方式1中的半导体模块100及水冷套4的剖视图。图2是半导体模块100的俯视图。另外，图3是表示半导体模块100的半导体元件10a、10b间的配线的接线图。此外，在图2中省略了封装树脂14的图示。
半导体模块100具有中空的壳体3、铝合金制的基座板2、陶瓷绝缘基板7、配线图案9、半导体元件10a、10b、以及金属配线板12。半导体模块100还具有对壳体3的中空的部分进行封装的封装树脂14。
基座板2由第1部分2a、第2部分2b、以及多个针式鳍片2c构成。第1部分2a与壳体3的中空的部分相对应。第2部分2b与壳体3的主体部分相对应。经由第2部分2b，基座板2安装于壳体3的底面。针式鳍片2c是在第1部分2a的水冷套4侧的面设置的多个圆柱状的针式鳍片。
第2部分2b的厚度比第1部分2a的厚度大。例如，第1、第2部分的厚度分别为0.6mm、4mm。
在基座板2的第1部分2a之上，隔着第1纯铝层8而设置陶瓷绝缘基板7。陶瓷绝缘基板7为例如Si3N4、AlN等。在陶瓷绝缘基板7表面设置配线图案9。
配线图案9由下层的第2纯铝层9a和上层的铝合金层9b构成。在铝合金层9b表面设有由Ni形成的镀层。在铝合金层9b之上，通过焊料11而接合半导体元件10a、10b。半导体元件10a、10b的上表面电极、以及这些电极与配线图案的铝合金层9b之间通过金属配线板12而由焊料11进行接合。金属配线板12的材料例如为铜。
半导体元件10a例如为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。另外，半导体元件10b例如为续流二极管(FWD)。半导体元件10a、10b也可以为例如以SiC、GaN等为材料的宽带隙半导体元件。
在壳体3的外周部，设置有用于对半导体模块100进行固定的孔。在孔中埋入有金属制(Fe等)的衬套3a。半导体模块100通过螺栓5而紧固于水冷套4。通过由螺栓5经由衬套3a的支撑面对基座板2的第2部分2b进行按压的力，在水冷套4的槽中插入的O形密封环6被挤压变形而实现密封。
作为基座板2的材料，使用耐塑性变形性高、耐腐蚀性高的铝合金(例如A3003材料、A6063材料)。基座板2的第2部分2b的厚度优选在能够与第1部分2a(厚度0.6mm)同时进行锻造加工的范围较厚，设为约4mm。
在本实施方式1中，绝缘基板侧铝层是指第1纯铝层8和基座板2的第1部分2a。另外，绝缘基板侧铝层的厚度是指第1纯铝层8的厚度、基座板2的第1部分2a的厚度以及钎料的厚度之和。另外，配线图案9的厚度是指第2纯铝层9a的厚度与铝合金层9b的厚度之和。
图4是表示在使配线图案9的厚度与绝缘基板侧铝层的厚度之间的比率进行变化时的与加热相对应的基座板2的翘曲量的图。在这里，加热是从25℃向250℃的加热。图4的结果是通过模拟解析而计算出的。
从图4可知，如果将配线图案9的厚度设为大于或等于绝缘基板侧铝层的厚度的1.1倍而小于或等于1.45倍，则翘曲量落在±0.2mm的范围而得到抑制。由此时的陶瓷绝缘基板7的散热面侧的铝的厚度(第1纯铝层8、基座板2的第1部分2a的厚度)决定热阻。
如果对配线图案9的厚度与绝缘基板侧铝层的厚度之间的比率进行优化，将基板一体型基座板51的翘曲量降低至0.1mm左右，则向陶瓷绝缘基板7的应力增大而有可能引起基板破裂。为了防止该基板破裂，在陶瓷绝缘基板7的上下层分别插入有第2、第1纯铝层9a、8。
在这里，纯铝层是指由纯度大于或等于99.99％的铝构成的层。该纯铝与铝合金相比，塑性应力为50％至70％，较低。第1、第2纯铝层8、9a的厚度分别为0.6mm左右。
基座板2的第1部分2a越薄，则越能降低热阻。如在“株式会社デンソー”的与铝合金制热交换器的防腐蚀相关的技术资料(参照非专利文献1)等中记载所述，存在下述报道，即，由于冷媒内的杂质(氯离子、硫酸根离子等)而在A3003材料发生0.4mm的点蚀。因此，作为基座板2的第1部分2a的最小厚度而需要设为0.5mm，优选设为0.6mm。
半导体模块100的基座板2的第2部分2b之上的外周与壳体3通过粘接材料13进行固定。通过在壳体3内部填充封装树脂14，由此使陶瓷绝缘基板7、配线图案9、焊料11、半导体元件10a、10b、以及金属配线板12被树脂封装。
如果将半导体模块100固定于水冷套4而进行冷却，则从基座板2的第1部分2a的下表面侧承受水压(0.5MPa至1.0MPa)。在基座板2的第1部分2a的没有与陶瓷绝缘基板7进行接合的部分(厚度为0.6mm)处，由于反复变形、点蚀而有可能产生龟裂、孔。于是，冷媒会从龟裂、孔浸入至壳体3内。
在对基座板2的第1部分2a的面积(约65mm×65mm)施加水压(0.5MPa至1.0MPa)的情况下，根据简单计算可知，在基座板2的第1部分2a与第1纯铝层8未进行钎焊的端部(厚度为0.6mm)处，产生约30MPa的应力。因此，优选利用还具有大于或等于100MPa的弹性模量的封装树脂14对壳体3内部进行封装。另外，为了使加热时(250℃)的配线图案9之上的挠曲量大约小于或等于0.1mm，焊接半导体元件10a、10b的基板一体型基座板51的热膨胀系数需要大致为10ppm/℃。因此，封装树脂14优选具有与该线膨胀系数相近的大于或等于6ppm/℃而小于或等于16ppm/℃的线膨胀系数。
<效果>
本实施方式1中的半导体模块100具有：中空的壳体3；铝合金制的基座板2，其具有与壳体3的中空的部分相对应的第1部分2a、与壳体3的主体部分相对应的第2部分2b，该基座板2经由第2部分2b而安装于壳体3的底面；陶瓷绝缘基板7，其设置于基座板2的第1部分2a之上；配线图案9，其设置于陶瓷绝缘基板7之上；半导体元件10a、10b，它们设置于配线图案9之上；金属配线板12，其连接于半导体元件10a、10b之上；以及封装树脂14，其对设置有陶瓷绝缘基板7、配线图案9、半导体元件10a、10b以及金属配线板12的壳体3的中空的部分进行封装。
就本实施方式1中的半导体模块100而言，将基座板2设为铝合金制。由此，能够提高基座板2的耐腐蚀性和刚性。另外，通过提高基座板2的刚性，从而能够将基座板2设计得更薄，因此热阻降低，散热性提高。另外，通过使用锻造性优异的铝合金，从而作为针式鳍片2c，能够在基座板2形成脱模斜度小的近乎圆柱的针体、表面面积比圆柱大的方柱针体，因此导热性能提升，散热性提高。
另外，就本实施方式1中的半导体模块100而言，还具有在基座板2的第1部分2a与陶瓷绝缘基板7之间设置的第1纯铝层8，配线图案9具有铝合金层9b和在铝合金层9b与陶瓷绝缘基板7之间设置的第2纯铝层9a。
因此，通过将陶瓷绝缘基板7的上下夹在塑性应力比铝合金低的第2、第1纯铝层9a、8之间，能够防止陶瓷绝缘基板7的破裂。
另外，就本实施方式1中的半导体模块100而言，基座板2的第2部分2b的厚度比第1部分2a的厚度大。
因此，通过使不影响散热性的基座板2的第2部分2b的厚度比第1部分2a的厚度大，从而能够提高在将半导体模块100安装至水冷套4时的螺钉紧固扭矩。
另外，就本实施方式1中的半导体模块100而言，基座板2的第1部分2a的厚度大于或等于0.5mm。
存在下述报道，即，由于冷媒内的杂质(氯离子、硫酸根离子等)，在例如A3003材料发生0.4mm的点蚀。因此，作为基座板2的第1部分2a的最小厚度而需要设为0.5mm。通过使基座板2的厚度变薄，从而有利于散热性。
另外，就本实施方式1中的半导体模块100而言，配线图案9的厚度与基座板2及第1纯铝层8的厚度之间的比率为(大于或等于1.1而小于或等于1.45)：1。
因此，通过将配线图案9的厚度与基座板2及第1纯铝层8的厚度之间的比率设为上述范围内，从而能够使基座板2的翘曲量大致落在0.2mm以内。另外，还能够减少半导体模块100整体的翘曲。
另外，就本实施方式1中的半导体模块100而言，基座板2的铝合金为Al-Mn类的铝合金或者Al-Si-Mg类的铝合金。
因此，通过作为基座板2的材料而使用诸如Al-Mn类或者Al-Si-Mg类等的锻造性优异的铝合金，从而作为针式鳍片2c，能够在基座板2形成脱模斜度小的近乎圆柱的针体、表面面积比圆柱大的方柱针体，因此导热性能提升，散热性提高。
另外，就本实施方式1中的半导体模块100而言，封装树脂14是弹性模量大于或等于100MPa、且线膨胀系数大于或等于6ppm/℃而小于或等于16ppm/℃的树脂。
因此，通过将封装树脂14的弹性模量设为大于或等于100MPa，从而能够对由于从水冷套4侧承受的水压而导致的半导体模块100的变形进行抑制。
另外，就本实施方式1中的半导体模块100而言，半导体元件10a、10b是宽带隙半导体元件。
因此，具有铝合金层9b作为配线图案9的半导体模块100能够在高温下进行动作，因此对于搭载在高温下进行动作的宽带隙半导体元件而言特别有效。
<实施方式2>
图5、图6是本实施方式2中的半导体模块200的剖视图和俯视图。此外，在图6中省略了封装树脂14的图示。
就半导体模块200而言，在基座板2的第1部分2a的上表面，在没有与陶瓷绝缘基板7进行接合的区域处，设置槽2d。在对壳体3内部填充封装树脂14时，槽2d也被封装树脂填充。由于封装树脂14进入至槽2d，基座板2与封装树脂14的粘接强度得到提高。
如图6所示，在俯视观察时，沿陶瓷绝缘基板7的外周而间断地设置多个槽2d。槽2d的配置图案并不限定于图6，只要在至少1处设置有槽2d，就能够得到上述的效果。其他的结构与实施方式1(图1、图2)相同，因此省略说明。
<效果>
就本实施方式2中的半导体模块200而言，基座板2在第1部分2a的用于设置陶瓷绝缘基板7的面具有沿着陶瓷绝缘基板7外周的槽2d。
基座板2的第1部分2a的沿着陶瓷绝缘基板7外周的部分是第1纯铝层8与封装树脂14间的线膨胀系数之差大的部位。因此，有可能成为发生封装树脂14的剥离的起点。如果剥离加深至陶瓷绝缘基板7与封装树脂14的分界面，则成为绝缘耐压的降低、基板破裂的原因。通过在成为该剥离的起点的部分处设置槽2d，提高基座板2与封装树脂14的密接性，从而温度循环等可靠性得到提高。
<实施方式3>
图7是本实施方式3中的半导体模块300的剖视图。就半导体模块300而言，在基座板2的第2部分2b的上表面设置槽2e。并且，在壳体3的与槽2e相对的部分设置槽3b。槽2e及槽3b朝向壳体3的中空部分开口。即，槽2e及槽3b与壳体3的中空部分相连。
槽2e、3b被封装树脂14填充。通过在槽2e、3b中填充的封装树脂14，使壳体3与基座板2粘接。其他的结构与实施方式1相同，因此省略说明。
<效果>
本实施方式3中的半导体模块300还具有槽2e、3b，它们设置于壳体3的主体部分和基座板2的第2部分2b的彼此相对的部分，朝向壳体3的中空的部分开口。
因此，如果以在壳体3内注入有封装树脂14的状态而进行真空脱气，则封装树脂14也会进入至槽2e及槽3b，能够实现壳体3与基座板2的粘接。这样，在本实施方式3中，通过设置槽2e、3b，使封装树脂进入至这些槽，由此将壳体3与基座板2进行粘接，因此无需实施方式1(图1)中的粘接剂13以及通过粘接剂13将壳体3与基座板2进行粘接的工序。
<实施方式4>
图8、图9是本实施方式4中的半导体模块400的剖视图和俯视图。此外，在图9中省略了封装树脂14的图示。
在本实施方式4中，陶瓷绝缘基板7由包含第1、第2陶瓷绝缘基板7a、7b在内的多个绝缘基板构成(在图9中由6个绝缘基板构成)。
在基座板2的第1部分2a的接合陶瓷绝缘基板7侧的面，在俯视观察时，在多个绝缘基板之间设置梁部2f。例如，如图8所示，在第1、第2陶瓷绝缘基板7a、7b之间设置梁部2f。其他的结构与实施方式1相同，因此省略说明。
<效果>
就本实施方式4中的半导体模块400而言，陶瓷绝缘基板7包含第1、第2陶瓷绝缘基板7a、7b，该陶瓷绝缘基板7还具有在基座板2之上的第1、第2陶瓷绝缘基板7a、7b之间设置的梁部2f。
因此，通过在基座板2之上设置梁部2f，从而基座板2的刚性增大。另外，通过将陶瓷绝缘基板7分割为多个小的陶瓷绝缘基板，由此每个陶瓷绝缘基板所承受的应力降低，因此封装树脂14所需的弹性模量、线膨胀系数的选择范围变大。因此，能够使用更廉价的封装树脂14。
<实施方式5>
图10是本实施方式5中的半导体模块500的剖视图。图11是在半导体模块500安装水冷套4后的结构的剖视图。
在实施方式1(半导体模块100)中，基座板2的材料为铝合金。另外，在本实施方式1中，配线图案9由第2纯铝层9a和铝合金层9b构成。
另一方面，在本实施方式5中，将基座板2设为铜合金层21和铝合金层22的复层材料。并且，配线图案9由第2纯铝层9a和铜合金层9c构成。
在基座板2处，与水冷套4的冷媒接触的面被设为铝合金层22，以防止铜的腐蚀。基座板2的铜合金层21和配线图案9的铜合金层9c是为了取得陶瓷绝缘基板7上下的应力平衡而设置的。
在本实施方式5中，基座板2为复层材料。由于从条形材料制作的复层材料更为廉价，因此没有在基座板2设置针式鳍片2c，而在水冷套4侧设置有鳍片4a。其他的结构与实施方式1相同，因此省略说明。
<效果>
就本实施方式5中的半导体模块500而言，配线图案9具有铜合金层9c以取代铝合金层9b，基座板2由铝合金层22和铜合金层21的复层材料构成，以取代铝合金。
因此，根据本实施方式5，通过在半导体元件10a、10b的下层设置铜合金层9c及铜合金层21，能够降低瞬态热阻。由于与铝材相比，铜材的再结晶温度高，因此在作为半导体元件10a、10b而搭载了能够进行高温动作的SiC半导体元件等的情况下，能够实现在高温下的使用。
虽然对本发明详细地进行了说明，但上述的说明在所有方面都是例示，本发明并不限定于此。可以理解为在不脱离本发明的范围的情况下能够设想出未例示的无数的变形例。
标号的说明
2基座板，2a第1部分，2b第2部分，2c针式鳍片，2d、2e、3b槽，2f梁部，3壳体，3a衬套，4水冷套，5螺栓，6O形密封环，7陶瓷绝缘基板，7a第1陶瓷绝缘基板，7b第2陶瓷绝缘基板，8第1纯铝层，9配线图案，9a第2纯铝层，9b铝合金层，10a、10b半导体元件，11焊料，12配线板，13粘接材料，14封装树脂，21铜合金层，22铝合金层，23纯铝材料，24基座板用陶瓷绝缘基板，51基板一体型基座板，90、100、200、300、400、500半导体模块。

Claims (10)

1.一种半导体模块，其具有：
中空的壳体；
铝合金制的基座板，其具有与所述壳体的所述中空的部分相对应的第1部分、与所述壳体的主体部分相对应的第2部分，该基座板经由所述第2部分而安装于所述壳体的底面；
陶瓷绝缘基板，其设置于所述基座板的所述第1部分之上；
配线图案，其设置于所述陶瓷绝缘基板之上；
半导体元件，其设置于所述配线图案之上；
金属配线板，其连接于所述半导体元件之上；
封装树脂，其对设置有所述陶瓷绝缘基板、所述配线图案、所述半导体元件以及所述金属配线板的所述壳体的所述中空的部分进行封装；以及
第1纯铝层，其设置于所述基座板的所述第1部分与所述陶瓷绝缘基板之间，
所述配线图案具有：
铝合金层；以及
第2纯铝层，其设置于该铝合金层与所述陶瓷绝缘基板之间，
所述配线图案的厚度与所述基座板及所述第1纯铝层的厚度之间的比率为(大于或等于1.1而小于或等于1.45)：1。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其中，
所述半导体模块具有：槽，其设置在所述壳体的主体部分和所述基座板的所述第2部分的彼此相对的部分处，朝向所述壳体的所述中空的部分开口，
所述封装树脂进入至所述槽。
3.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其中，
所述基座板的所述第2部分的厚度比所述第1部分的厚度大。
4.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其中，
所述基座板的所述第1部分的厚度大于或等于0.5mm。
5.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其中，
所述基座板的铝合金为Al-Mn类的铝合金或者Al-Si-Mg类的铝合金。
6.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其中，
所述封装树脂是弹性模量大于或等于100MPa、且线膨胀系数大于或等于6ppm/℃而小于或等于16ppm/℃的封装树脂。
7.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其中，
所述基座板在所述第1部分的用于设置所述陶瓷绝缘基板的面，具有沿着所述陶瓷绝缘基板的外周的槽。
8.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其中，
所述陶瓷绝缘基板包含第1及第2陶瓷绝缘基板，
还具有梁部，该梁部设置于所述基座板之上的所述第1及第2陶瓷绝缘基板之间。
9.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其中，
所述半导体元件为宽带隙半导体元件。
10.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其中，
所述配线图案具有铜合金层，以取代所述铝合金层，
所述基座板由铝合金和铜合金的复层材料构成，以取代所述铝合金。
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