CN115939061A - 功率模块、功率用半导体装置及其制造方法 - Google Patents

功率模块、功率用半导体装置及其制造方法 Download PDF

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原田耕三
田屋昌树
田中阳
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Abstract

本申请的功率模块包括：具有热传导性的板状的散热器；至少热连接到散热器的一个面的半导体元件；一个面热连接到散热器的另一个面的板状的高散热绝缘粘接片材；一个面热连接到高散热绝缘粘接片材的另一个面的金属板；以及在使金属板的另一个面露出的状态下密封半导体元件、散热器、高散热绝缘粘接片材、金属板的密封树脂构件，高散热绝缘粘接片材是将树脂浸渍于陶瓷颗粒具有空隙并且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体。

Description

功率模块、功率用半导体装置及其制造方法
技术领域
本申请涉及功率模块、功率用半导体装置及它们的制造方法。
背景技术
主要用于功率转换的功率模块是半导体元件通过接合材料接合到具有热传导性的散热器等上，半导体元件和散热器用树脂构件密封。功率模块近年来正在推进大容量化和小型化，需要小型、冷却效率好且可靠性高的功率模块。为了在不使半导体元件的尺寸大型化的情况下实现功率模块的大容量化，会使大电流流过半导体元件，因此需要使半导体元件产生的热量有效地向外部扩散。因此，力图降低设置在半导体元件和散热器等冷却器之间的散热构件、绝缘构件以及连接构件的热阻。
若比较散热构件、绝缘构件以及接合构件的热阻，则由于散热构件和接合构件是主要起到使电流流过的作用的构件，所以一般热阻较小。另一方面，在具有冷却器的功率模块中，绝缘构件具有使冷却器和半导体元件之间绝缘和分离的作用。因此，绝缘构件的热阻具有变高的趋势。公开了一种用于实现绝缘构件低热阻化的构件(例如，参照专利文献1)。
公开的绝缘构件的结构是氮化物基陶瓷树脂复合体的基板，其中热固性树脂组合物以不完全固化状态浸渍在具有三维连续气孔的多孔氮化物基陶瓷烧结体中。在专利文献1的实施例中，根据所公开的结构，记载了绝缘破坏电压为10.0kV，25℃时的热传导率为100W/(m·K)。这些值是能适用于使冷却器和半导体元件之间绝缘和分离并且使冷却器和半导体元件之间热阻降低的绝缘构件的值。
公开了具有作为现有的绝缘构件的绝缘树脂层的半导体装置的结构(例如，参照专利文献2)。绝缘树脂层设置在搭载有半导体元件的散热器和铜板之间，冷却器热连接到铜板。公开的绝缘树脂层具有在环氧树脂等热固性树脂中含有高热传导性的陶瓷颗粒等无机粉末填料的结构。作为高热传导性的无机填充材料，记载了适用氮化铝、氮化硅、氮化硼、氧化铝(矾土)、氧化硅(二氧化硅)、氧化镁、氧化锌、氧化钛等陶瓷颗粒。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2019/111978号
专利文献2：日本专利特开2021-111765号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在上述专利文献1中，氮化物基陶瓷树脂复合体的基板具有优异的绝缘破坏电压和热传导率。然而，尚未公开将氮化物基陶瓷树脂复合体的基板应用于功率模块的具体结构，仅公开了将所公开的氮化物基陶瓷树脂复合体加工成热传导性绝缘粘接片材，将热传导性绝缘粘接片材加热压接到金属板或金属电路基板等被粘物上。推测为了构成确保绝缘性的2块金属电路基板，用金属电路基板夹住浸渍了半固化状态树脂的陶瓷树脂复合体的基板，并进行加热压接，从而构成绝缘的2块金属电路基板。若使用这种制造方法，则在加热压接时，陶瓷树脂复合体的基板没有与金属电路基板抵接的外周部保持释放状态，而抵接的部位被加压。半固化状态的树脂沿被释放的外周部的方向流动。此时，着眼于在陶瓷树脂复合体的内部产生的压力时，在陶瓷树脂复合体的重心处内压最大，在陶瓷树脂复合体的被释放的侧面，施加在侧面部分的压力为零。由于施加在陶瓷树脂复合体的基板内部的压力越靠近外周部越小，因此陶瓷树脂复合体的基板内部特别是存在于外周部附近的空隙中无法填充树脂，因此存在着在空隙残留的部位形成放电路径，从而降低陶瓷树脂复合体的绝缘可靠性的问题。
在上述专利文献2中，由于绝缘树脂层通过加压而没有残留有空隙的部位，因此能使搭载了半导体元件的散热器和铜板之间绝缘。然而，即使所公开的结构的树脂绝缘层能够实现的热传导率较高，也仅为16W/(m·K)左右，因此存在绝缘构件的低热阻化不充分的问题。另外，在用树脂构件成形时，由于热固性树脂和陶瓷颗粒双方在周围流动，因此存在通过流动的树脂形成放电路径，降低绝缘可靠性的问题。
因此，本申请的目的是获得一种在抑制绝缘可靠性降低的同时实现高散热的功率模块、功率用半导体装置及它们的制造方法。
用于解决技术问题的技术手段
本申请所公开的功率模块包括：具有热传导性的板状的散热器；至少热连接到散热器的一个面的半导体元件；一个面热连接到散热器的另一个面的板状的高散热绝缘粘接片材；一个面热连接到高散热绝缘粘接片材的另一个面的金属板；以及在使金属板的另一个面露出的状态下，密封半导体元件、散热器、高散热绝缘粘接片材、金属板的密封树脂构件，高散热绝缘粘接片材是将树脂浸渍于陶瓷颗粒具有空隙并且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体。
本申请所公开的功率模块的制造方法包括：构件准备工序，该构件准备工序准备具有热传导性的板状的散热器、至少热连接到散热器的一个面的半导体元件、一个面热连接到散热器的另一个面的板状的高散热绝缘粘接片材、一个面热连接到高散热绝缘粘接片材的另一个面的金属板；以及密封树脂构件注入工序，该密封树脂构件注入工序在将散热器、半导体元件、高散热绝缘粘接片材、以及金属板配置在模具内的状态下，将未固化的密封树脂构件加压注入模具内，金属板在执行密封树脂构件注入工序之后，金属板的另一个面从密封树脂构件露出，高散热绝缘粘接片材是将树脂浸渍于陶瓷颗粒具有空隙并且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体，在执行密封树脂构件注入工序之前，陶瓷烧结体具有未填充树脂的空隙，在密封树脂构件注入工序中，通过密封树脂构件的注入压力，对高散热绝缘粘接片材施加压力，并且使树脂填充在未填充树脂的空隙中。
发明效果
根据本申请所公开的功率模块，包括：板状的散热器；至少热连接到散热器的一个面的半导体元件；一个面热连接到散热器的另一个面的板状的高散热绝缘粘接片材；一个面热连接到高散热绝缘粘接片材的另一个面的金属板；以及在使金属板的另一个面露出的状态下密封这些构件的密封树脂构件，高散热绝缘粘接片材是将树脂浸渍于陶瓷粒子具有空隙并且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体，因此不会在陶瓷烧结体的空隙中形成放电的路径，因而能抑制功率模块的绝缘可靠性降低。高散热绝缘粘接片材是将树脂浸渍于陶瓷粒子具有空隙并且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体，因此能实现功率模块的高散热。
根据本申请所公开的功率模块的制造方法，包括：构件准备工序，该构件准备工序准备板状的散热器、至少热连接到散热器的一个面的半导体元件、一个面热连接到散热器的另一个面的板状的高散热绝缘粘接片材、一个面热连接到高散热绝缘粘接片材的另一个面的金属板；以及密封树脂构件注入工序，该密封树脂构件注入工序在将散热器、半导体元件、高散热绝缘粘接片材、以及金属板配置在模具内的状态下，将未固化的密封树脂构件加压注入模具内，高散热绝缘粘接片材是将树脂浸渍于陶瓷粒子具有空隙并且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体，在执行密封树脂构件注入工序之前，陶瓷烧结体具有未填充树脂的空隙，在密封树脂构件注入工序中，通过密封树脂构件的注入压力，对高散热绝缘粘接片材施加压力，并且使树脂填充在未填充树脂的空隙中，因此在空隙中不会形成放电的路径，因而能大大提高包括高散热绝缘粘接片材的端部在内的整个高散热绝缘粘接片材的绝缘可靠性，能抑制功率模块绝缘可靠性降低。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的功率用半导体装置的概要的立体图。
图2是表示在图1的A-A截面位置切断的功率用转换装置的概要的剖视图。
图3是表示实施方式1所涉及的另一个功率用半导体装置的概要的剖视图。
图4是表示实施方式1所涉及的另一个功率用半导体装置的概要的剖视图。
图5是示出实施方式1所涉及的功率用半导体装置的制造工序的图。
图6是实施方式1的功率用半导体装置的制造工序中的功率模块中间体的侧视图。
图7是实施方式1的功率用半导体装置的制造工序中的功率模块中间体的侧视图。
图8是示出实施方式1所涉及的功率用半导体装置的制造工序的图。
图9是实施方式1的功率用半导体装置的制造工序中的功率模块中间体的立体图。
图10是表示在图9的B-B截面位置切断的功率模块中间体的概要的剖视图。
图11是表示实施方式2所涉及的功率用半导体装置的概要的剖视图。
图12是表示在图11的C-C截面位置切断的功率用半导体装置的概要的剖视图。
图13是表示实施方式3所涉及的功率用半导体装置的概要的剖视图。
图14是表示实施方式4所涉及的功率用半导体装置的概要的立体图。
图15是表示在图14的D-D截面位置切断的功率用半导体装置的概要的剖视图。
图16是示出使用高散热绝缘粘接片材的结构的比较例的图。
具体实施方式
以下，基于附图对本申请的实施方式所涉及的功率模块、功率用半导体装置及它们的制造方法进行说明。另外，各图中关于相同或相当的构件、部位，标注相同标号来进行说明。
实施方式1.
图1是表示实施方式1所涉及的功率用半导体装置100的概要的立体图，图2是表示在图1的A-A截面位置切断的功率用半导体装置100的概要的剖视图，图3是表示实施方式1所涉及的另一个功率用半导体装置100的概要的剖视图，图4是表示实施方式1所涉及的另一个功率用半导体装置100的概要的剖视图，图5是表示功率用半导体装置100的制造工序的图。功率用半导体装置100具有搭载有功率控制用半导体元件等半导体元件1的功率模块200，并用于进行功率转换的装置等。在本实施方式所示的剖视图中，将各构件在向上的方向上具有的面设为一个面，将各构件在向下的方向上具有的面设为另一个面。
<功率用半导体装置100>
功率用半导体装置100包括功率模块200和冷却器9。如图2所示，冷却器9经由金属接合体8热连接到从密封树脂构件5露出的金属板7的面。冷却器9例如由热传导性优异的铝合金或铜材制成。冷却器9的材料优选为铝合金，由于铝合金重量轻，因此不需要考虑功率用半导体装置100的整体重量，由于铝合金耐腐蚀性优异，因此可以不考虑腐蚀的影响。作为具体的材料，适用于压铸成型的ADC12或能适用于锻造和切削加工且热传导率高的A6063更合适。
冷却器9包括多个散热翅片9a，该多个散热翅片9a呈平板状地形成在与金属接合体8相反一侧的冷却器9的面上。设置散热翅片9a以进一步有效地将由功率模块200内部的半导体元件1产生的热量排出到外部。散热翅片9a通过切削、压铸成型或锻造等设置在冷却器9上。设置于冷却器9的散热结构不限于散热翅片9a，可以形成用于使水、防冻液等冷却液通过冷却器9的流路。
金属接合体8例如是焊料。金属接合体8不限于焊料，也可以是作为高热传导材料的烧结Ag或烧结Cu，也可以选择超声波接合或焊接等接合方法。另外，金属接合体8需要考虑到与后面描述的用于功率模块200内部的接合体4的材料的平衡来选择。例如，在接合体4和金属接合体8均为焊料时，金属接合体8的焊料应选定具有低熔点且双方的熔点差为30℃以上、若考虑到量产性则熔点差为40℃以上的材料。在金属接合体8是熔点高于接合体4的焊料的情况下，当通过金属接合体8进行连接时，功率模块200内部使用的接合体4有可能局部熔融，从而发生故障。当接合体4是烧结Ag或烧结Cu时，金属接合体8可以是焊料，也可以是烧结Ag或烧结Cu。
通过以这种方式构成功率用半导体装置100，能有效地将由功率模块200内部的半导体元件1产生的热量从冷却器9排出到外部。此外，在将散热翅片9a设置在冷却器9上时，能更有效地将由半导体元件1产生的热量从冷却器9排出到外部。
＜功率模块200＞
如图2所示，功率模块200包括具有热传导性的板状的散热器3、至少热连接到散热器3的一个面的半导体元件1、一个面热连接到散热器3的另一个面的板状的高散热绝缘粘接片材6、一个面热连接到高散热绝缘粘接片材6的另一个面的金属板7、以及在金属板7的另一个面露出的状态下密封半导体元件1、散热器3、高散热绝缘粘接片材6、金属板7的密封树脂构件5。在本实施方式中，功率模块200包括两个半导体元件1a、1b，但是功率模块200所包括的半导体元件1的数量不限于此。在本实施方式中，形成为板状的半导体元件1在两个面上都具有电极。当半导体元件1在两个面上都具有电极时，半导体元件1热连接且电连接到散热器3的一个面。当半导体元件1仅在一个面上具有电极时，半导体元件1热连接到散热器3的一个面。
功率模块200还包括电连接到半导体元件1的一个面的第一引线框2a、电连接到散热器3的一个面的第二引线框2b、以及电连接到设置在半导体元件1的一个面上的控制焊盘的第三引线框2c(图2中未图示出)。密封树脂构件5使在远离第一引线框2a的连接到半导体元件1的部分的方向上延伸的第一引线框2a的端部、在远离第二引线框2b的连接到散热器3的部分的方向上延伸的第二引线框2b的端部、以及在远离第三引线框2c的连接到半导体元件1的部分的方向上延伸的第三引线框2c的端部露出，从而密封第一引线框2a、第二引线框2b、第三引线框2c。
各个半导体元件1a、1b通过接合体4a连接到散热器3的一个面。主电流通电到第一引线框2a和第二引线框2b。第一引线框2a通过接合体4b连接到半导体元件1a、1b的一个面。第二引线框2b通过接合体4c连接到散热器3的一个面。控制电流通电到第三引线框2c。第三引线框2c通过接合体4d连接到控制焊盘。在用于说明后述的制造方法的图7中示出接合体4d和第三引线框2c。
通过以这种方式构成功率模块200，当半导体元件1a、1b工作时产生的热量按照接合体4a、散热器3、高散热绝缘粘接片材6、金属板7的顺序传递。传递到金属板7的热量经由金属接合体8传递到冷却器9，并从冷却器9向外部散热。
优选地，在功率模块200中，高散热绝缘粘接片材6和散热器3抵接，以及高散热绝缘粘接片材6和金属板7抵接，并且仅高散热绝缘粘接片材6的结构物介于高散热绝缘粘接片材6和散热器3之间、以及高散热绝缘粘接片材6和金属板7之间。当通过密封树脂构件5对功率模块200内部的构成材料进行密封时，高散热绝缘粘接片材6和散热器3之间、以及高散热绝缘粘接片材6和金属板7之间有时会插入密封树脂构件5。当它们之间插入了密封树脂构件5时，插入了密封树脂构件5的部分与没有插入密封树脂构件5的其他部分相比，增厚了与所插入的密封树脂构件5相应的厚度。因此，有密封树脂构件5插入的部分的散热性恶化。当高散热绝缘粘接片材6和散热器3抵接、以及高散热绝缘粘接片材6和金属板7抵接时，由于仅高散热绝缘粘接片材6的结构物介于高散热绝缘粘接片材6和散热器3之间、以及高散热绝缘粘接片材6和金属板7之间，因此能防止功率模块200的散热性降低。
通过调节后述的密封树脂构件注入工序的模具保持时间、密封树脂构件5的注入压力等，能制作使高散热绝缘粘接片材6和散热器3抵接、以及使高散热绝缘粘接片材6和金属板7抵接的结构。从绝缘性和散热性的观点来看，在高散热绝缘粘接片材6的靠近外周的部分等对绝缘性和散热性影响较小的部分，也可以插入不是高散热绝缘粘接片材6的构成物的密封树脂构件5等。然而，密封树脂构件5等插入的构件有可能成为在金属电路基板等产生的裂纹的起点。因此，优选为高散热绝缘粘接片材6和散热器3抵接、以及高散热绝缘粘接片材6和金属板7抵接的结构。
<功率模块200的构成材料>
对功率模块200的各个构成材料进行说明。构成材料的材料是一个例子，并且不限于所记载的材料。半导体元件1a、1b例如由Si形成。半导体元件1a、1b可以由具有宽带隙的半导体材料形成。宽带隙半导体通过从由SiC、GaN、GaO、金刚石组成的群组中选择的材料形成。当半导体元件1a、1b由具有宽带隙的半导体材料构成时，能减少半导体元件1a、1b的损耗。由于能减少半导体元件1a、1b的损耗，因此能容易地进行功率用半导体装置100的大容量化。
第一引线框2a、第二引线框2b、第三引线框2c例如由电传导度较高的铜、铝、银、覆铜材料制成。由于需要将大电流通电至第一引线框2a和第二引线框2b，因此优选为选择纯铜(C1020)等具有低电阻率的材料。第一引线框2a、第二引线框2b、第三引线框2c由例如通过冲压模具等冲压具有一定厚度的金属平板后得到的板金件来制成。
在本实施方式中，半导体元件1热连接且电连接到散热器3的一个面，因此，散热器3与上述引线框同样地，例如由电传导度较高的铜、铝、银、覆铜材料制成。由于散热器3的面积比引线框要大，因此所使用的材料的电阻率对功率模块200的电气特性造成的影响较小。然而，由于散热器3在功率模块200中占较大的体积和质量，因此散热器3的线膨胀系数对高散热绝缘粘接片材6和金属接合体8的耐热循环性造成较大的影响。耐热循环性是关于热循环试验后的功率模块200的绝缘性和散热性劣化的指标。当冷却器9的材料为A6063时，A6063的线膨胀系数为21[ppm/K]～25[ppm/K]。如果选择接近A6063的线膨胀系数的材料，则耐热循环性就会提高。另一方面，从散热性的观点来看，选择铜材比选择满足线膨胀系数21[ppm/K]～25[ppm/K]的材料更容易实现高散热。因此，可以考虑耐热循环性和高散热之间的权衡关系来选择构成材料。
高散热绝缘粘接片材6是将树脂浸渍在陶瓷颗粒具有空隙并且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体。陶瓷烧结体的空隙中填充有浸渍的树脂。例如，陶瓷烧结体中的空隙的比例在10％以下即可，理想情况下为0％。树脂例如是热固性树脂组合物。高散热绝缘粘接片材6在将半固化状态的树脂浸渍到陶瓷烧结体的状态下通过密封树脂构件5密封。密封之后，通过后固化，使高散热绝缘粘接片材6和密封树脂构件5固化。例如，高散热绝缘粘接片材6的绝缘破坏电压为10.0kV，25℃时的热传导率为100W/(m·K)。
金属板7例如由与散热器3相同的材料制成。通过将金属板7和散热器3设为相同的材料，高散热绝缘粘接片材6被相同的材料夹住，因而提高了耐热循环性。由通过金属接合体8连接功率模块200和冷却器9时的热量所产生的高散热绝缘粘接片材6的抵接部的应力被减轻，高散热绝缘粘接片材6的抵接部对于使用功率用半导体装置100时的热循环的耐性变高。理想地，金属板7和散热器3期望具有相同的厚度。如果金属板7的材料是与散热器3相同的无氧铜，则即使具有0.3mm以上的厚度，在高散热绝缘粘接片材6上产生的应力也不会改变，因此金属板7的厚度优选为0.3mm以上。
密封树脂构件5是在例如环氧树脂等热固性树脂中含有无机填料的材料。由于密封树脂构件5在密封之后产生的应力变大，因此优选地选择线膨胀系数与功率模块200的构成材料接近的材料作为密封树脂构件5，以防止在功率模块200的构成材料和密封树脂构件5之间发生剥离。具体地，密封树脂构件5优选为接近在功率模块200中占据较大的体积和质量的散热器3的线膨胀系数的材料。例如，如果散热器3是无氧铜，则密封树脂构件5可以为15[ppm/K]～19[ppm/K]。此外，密封树脂构件5的玻璃化转变温度Tg优选为半导体元件1a、1b的最大额定温度以上，例如为175℃以上。
接合体4a、4b、4c例如是焊料。接合体4a、4b、4c不限于焊料，也可以是作为高热传导材料的烧结Ag或烧结Cu。从能够同时连接的制造性的观点来看，接合体4b、4c可以是相同的材料，接合体4b、4c也可以使用超声波接合等方法进行接合。接合体4a包括在散热路径中，该散热路径将由半导体元件1a、1b产生的热量传递到冷却器9。因此，通过选择烧结Ag或烧结Cu那样的高热传导材料作为接合体4a，从而能实现功率模块200的容量进一步变大。此外，如将在后面描述的制造工序中说明的那样，本申请中所示的功率用半导体装置100的结构是在设置高散热绝缘粘接片材6之前通过接合体4a连接半导体元件1和散热器3的结构。因此，对于通过接合体4a进行的连接没有设定温度和压力等限制条件,这一点也有助于功率用半导体装置100的大容量化。如图7所示，接合体4d例如是接合线。由于控制电流与主电流处理的功率相比极小，因此接合线可以用于接合体4d。当接合体4d为接合线时，可以选择例如铝、铜、金等材质作为接合线。
<比较例>
用图16说明使用了高散热绝缘粘接片材6的比较例。图16是示出使用了高散热绝缘粘接片材6的结构的比较例的侧视图。在比较例中，板状的金属电路基板20与形成为板状的高散热绝缘粘接片材6的两个面中的每一个面抵接。为了构成确保绝缘性的两块金属电路基板20，用金属电路基板20夹住浸渍有半固化状态的树脂的高散热绝缘粘接片材6，并进行加热压接，构成绝缘的两块金属电路基板20。在压接时，向图中的箭头的方向施加压力。
若以这种制造方法来制造金属电路基板20，则当进行加热压接时，高散热绝缘粘接片材6的与金属电路基板20不抵接的外周部保持释放状态，而抵接的部位被加压。半固化状态的树脂沿被释放的外周部的方向流动。此时，若着眼于在高散热绝缘粘接片材6的内部产生的压力，则在高散热绝缘粘接片材6的重心处内压最大，在高散热绝缘粘接片材6的被释放的外周部，被施加到外周部上的压力为零。由于施加到高散热绝缘粘接片材6的基板的内部的压力越靠近外周部越小，因此无法使树脂填充在高散热绝缘粘接片材6的基板内部的尤其是存在于外周部附近的空隙中。因此，由于在残留有空隙的部位形成放电路径，因此两块金属电路基板20的绝缘可靠性降低。
＜本申请的高散热绝缘粘接片材6的绝缘可靠性＞
认为与在环氧树脂等热固性树脂中含有热传导性较高的陶瓷粒子等无机粉末填料的以往绝缘树脂层相比，在高散热绝缘粘接片材6中，有因加压残留空隙的部位存在的现象更显著地出现。高散热绝缘粘接片材6的内压基于流体力学，根据流动的树脂的粘度和流动速度而变化。由于树脂的粘度越高，内压越高，因此树脂的粘度越高，空隙被树脂填得越满，因此高散热绝缘粘接片材6的绝缘性越高。然而，在高散热绝缘粘接片材6的外周部是被释放的情况下，如上所述，施加到外周部的压力变为零。以往无论是绝缘树脂层还是高散热绝缘粘接片材6，当进行加热和压接时，树脂都通过加热软化并流动。在以往的绝缘树脂层中，树脂和陶瓷颗粒成为一体地流动。另一方面，在高散热绝缘粘接片材6中，陶瓷烧结体和浸渍树脂不成为一体地流动。因此，即使在以往的绝缘树脂层和高散热绝缘粘接片材6中使用相同的树脂的情况下，与以往的绝缘树脂层相比，高散热绝缘粘接片材6中树脂的流动量更大，并且表观粘度更低。因此，在高散热绝缘粘接片材6中，在提高内压的同时进行粘接的结构非常重要。
在本申请中，在将高散热绝缘粘接片材6等配置在模具内的状态下，将未固化的密封树脂构件5加压注入模具内。当通过密封树脂构件5密封包括高散热绝缘粘接片材6的各个构件时，通过在封闭空间中将高散热绝缘粘接片材6热连接到散热器3和金属板7，基于帕斯卡原理在整个高散热绝缘粘接片材6中产生静水压的加压力。在将密封树脂构件5注入模具之前，陶瓷烧结体具有未填充树脂的空隙。当注入密封树脂构件5时，通过密封树脂构件5的注入压力向高散热绝缘粘接片材6施加压力，将树脂填充在未填充树脂的空隙中。
通过以这种方式构成功率模块200，由于高散热绝缘粘接片材6的陶瓷烧结体的空隙被浸渍的树脂填充，因此空隙中不会形成放电路径，因此能抑制功率模块200的绝缘可靠性降低。由于高散热绝缘粘接片材6是将树脂浸渍于陶瓷颗粒具有空隙且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体，因此例如在25℃下具有100W/(m·K)的热传导率，因此能实现功率模块200的高散热。
<功率模块200的电气结构>
对功率模块200的电连接结构进行说明。半导体元件1a、1b例如在一个面上具有有源面部和无源面部，并且在另一个面上具有有源面部。功率用半导体装置100的主电流通电到这些有源面部。半导体元件1a、1b的一个面的有源面部通过接合体4b连接到第一引线框2a，并将功率输入和输出到功率模块200的外部。半导体元件1a、1b的另一个面的有源面部通过接合体4a连接到散热器3，经由连接到散热器3的第二引线框2b将电力输入和输出到功率模块200的外部。在半导体元件1a、1b是开关元件的情况下，与半导体元件1a、1b的动作有关的控制焊盘被设置在表面部的无源面部。有时设置用于保护的控制焊盘，其目的是进行半导体元件1a、1b的过热保护和电流保护。这些控制焊盘通过接合体4d连接到第三引线框2c。在用于说明后述的制造方法的图7中示出接合体4d和第三引线框2c。
用图2至图4说明半导体元件1a、1b的种类以及功率模块200的电气结构的示例。在图2中，半导体元件1a是开关元件，半导体元件1b是二极管。开关元件为MOSFET(金属氧化膜型场效应晶体管：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(绝缘栅型双极型晶体管：Insulated Gate Bipolar Transistor)。在将另一个具有同样结构的功率模块200线对称地配置在从密封树脂构件5露出的第一引线框2a的端部并且对两个引线框进行连接时，通过两个功率模块200能进行例如逆变器动作。在这种结构中的功率模块200分别被称为臂，将其中一个功率模块200称为上臂，将另一个功率模块200称为下臂。在臂中，将从第二引线框2b向第一引线框2a通电的情况称为正向通电，仅开关元件侧通电。另一方面，将从第一引线框2a向第二引线框2b通电的情况称为回流通电，仅二极管通电。
在图3中，功率模块200仅包括半导体元件1a。半导体元件1a是内部包括二极管功能的开关元件，例如RC-IGBT或SiC-MOSFET。在这种情况下，正向和回流方向上都有电流流过半导体元件1a。与图2所示的开关元件和二极管组合的结构相比，由于在正向和回流方向上相同元件都会发热，因此发热量变大，因此需要更高散热的结构。
图4示出将上臂和下臂集成到一个功率模块200中的结构。半导体元件1a、1b双方都是内部包括二极管功能的开关元件，例如RC-IGBT或SiC-MOSFET。半导体元件1a、1b分别连接到不同的散热器3，两个散热器3之间通过第四引线框2d连接。通过这样构成，能减小功率用半导体装置100的尺寸。虽然在图4中以仅安装一个元件为例，但是可以是在一个散热器3上搭载两个以上开关元件的结构，或者可以是搭载两个以上二极管的结构，或者可以是集成多个上下臂的结构。
当功率用半导体装置100进行动作时，在功率模块200和冷却器9之间产生最大等于半导体元件1a、1b的元件耐压的电压。冷却器9总是固定地设置在基座(未图示出)上。基座部分是人手可触及的部分，假设在功率用半导体装置100中发生绝缘破坏的情况下，在基座部分中产生高电压。在功率用半导体装置100中，利用考虑了密封树脂构件5的沿面放电耐性的空间绝缘距离来确保第一引线框2a和第二引线框2b与冷却器9之间的绝缘性。此外，通过高散热绝缘粘接片材6的固体绝缘耐压来确保散热器3和冷却器9之间的绝缘性。当半导体元件1a、1b产生的热量被散热到冷却器9时，一定会经由高散热绝缘粘接片材6。因此，若为了确保绝缘性而增加高散热绝缘粘接片材6的厚度，则会导致散热性降低。由于在确保绝缘性和高散热之间存在权衡关系，因此需要考虑这两种效果来设计功率用半导体装置100。
<功率用半导体装置100的制造方法>
用图5对功率用半导体装置100的制造方法进行说明。功率用半导体装置100的制造方法包括构件准备工序(S11)、密封树脂构件注入工序(S12)、固化工序(S13)以及冷却器连接工序(S14)。在这四道工序中，最初的三道工序即S11、S12、S13是功率模块200的制造方法。
对各工序的详细情况进行说明。这里，对具有图2所示的结构的功率用半导体装置100的制造方法进行说明。构件准备工序是准备具有热传导性的板状的散热器3、至少热连接到散热器3的一个面的半导体元件1a、1b、一个面热连接到散热器3的另一个面的板状的高散热绝缘粘接片材6、以及一个面热连接到高散热绝缘粘接片材6的另一个面的金属板7的工序。图2中所示的功率用半导体装置100还包括第一引线框2a、第二引线框2b、以及第三引线框2c，因此它们也在本工序中准备。
构件准备工序包括多道工序。图6和图7是功率用半导体装置100的制造工序中的功率模块中间体170、180的侧视图，图8是说明实施方式1的功率用半导体装置100的制造工序的图。功率模块中间体170、180是功率模块200的制造过程中的结构体。
在构件准备工序中的最初的工序中，如图6所示，通过使用接合体4a将半导体元件1a、1b热连接且电连接到散热器3的一个面，形成功率模块中间体170。在接下来的工序中，如图7所示，使用接合体4b将第一引线框2a电连接到半导体元件1a、1b的一个面。接下来，通过使用接合体4c将第二引线框2b电连接到散热器3的一个面。此外，通过使用接合体4d将第三引线框2c电连接到半导体元件1a的一个面上的控制焊盘。通过连接这些引线框，形成图7所示的功率模块中间体180。通过接合体4b、4c连接第一引线框2a和第二引线框2b可以同时进行，但也可以是单独的工序。在图7中，每一个引线框朝图中的向上方向弯曲，但是也可以在后面的工序中弯曲。
在接下来的工序中，如图8所示，将高散热绝缘粘接片材6的一个面热连接到散热器3的另一个面，将金属板7的一个面热连接到高散热绝缘粘接片材6的另一个面。也可以在接下来的密封树脂构件注入工序中将功率模块中间体180配置到模具中时，将高散热绝缘粘接片材6和散热器3一体化。此外，在图8中，将金属板7和高散热绝缘粘接片材6一体化，但是，也可以在接下来的密封树脂构件注入工序中将它们配置到模具中时，将高散热绝缘粘接片材6和金属板7一体化。
密封树脂构件注入工序是在将散热器3、半导体元件1a、1b、高散热绝缘粘接片材6、金属板7、第一引线框2a、第二引线框2b、以及第三引线框2c配置在模具内的状态下，将未固化的密封树脂构件5加压注入模具内的工序。在功率模块中间体180、高散热绝缘粘接片材6、以及金属板7没有一体化的情况下，按照金属板7、高散热绝缘粘接片材6、功率模块中间体180的顺序配置在模具内。模具预先保持在一定温度。功率模块中间体180、高散热绝缘粘接片材6、以及金属板7在模具内保持预先规定的时间。预先规定的保持时间例如为5秒以上。在将它们保持了预先规定的保持时间之后，密封树脂构件5以恒定压力注入模具。密封树脂构件注入工序可以是传递模塑或射出成型。此外，可以在注入密封树脂构件5之前抽真空。对于金属板7，在执行密封树脂构件注入工序之后，金属板7的另一个面从密封树脂构件5露出。
从密封树脂构件5的注入完成的时刻起，基于帕斯卡原理，在整个高散热绝缘粘接片材6上以静水压方式产生内压。产生的压力等于作为注入压力的成形压力，与如比较例那样在侧面被释放状态下进行加压的情况相比，能在高散热绝缘粘接片材6上产生更高的内压。在执行密封树脂构件注入工序之前，高散热绝缘粘接片材6的陶瓷烧结体具有未填充树脂的空隙。在密封树脂构件注入工序中，通过密封树脂构件5的注入压力对整个高散热绝缘粘接片材6施加压力，使树脂填充到未填充树脂的空隙中。例如，陶瓷烧结体中的空隙的比例在10％以下即可，理想情况下为0％。由于树脂填充在未填充树脂的空隙中，因此不会在空隙中形成放电的路径，因此能大大提高包括高散热绝缘粘接片材6的端部在内的整个高散热绝缘粘接片材6的绝缘可靠性。由于提高了高散热绝缘粘接片材6的绝缘可靠性，因此能抑制功率模块200的绝缘可靠性的降低。
密封树脂构件注入工序中的高散热绝缘粘接片材6的厚度变化率优选为1％以上且11％以下。在高散热绝缘粘接片材6的厚度不改变的条件下进行密封树脂构件注入工序的情况下，高散热绝缘粘接片材6的陶瓷烧结体不会跟随散热器3和高散热绝缘粘接片材6之间、以及高散热绝缘粘接片材6和金属板7之间的凹部、突起以及翘曲作出改变，可能形成只有树脂即热固性树脂组合物的区域。在将密封树脂构件注入工序中的高散热绝缘粘接片材6的厚度变化率设为1％以上且11％以下的情况下，由于高散热绝缘粘接片材6的陶瓷烧结体跟随凹部、突起部、以及翘曲作出改变，因此能消除只有热固性树脂组合物的区域，提高功率用半导体装置100的散热性。例如，能通过优化密封树脂构件注入工序中的成形压力、保持时间，从而调节高散热绝缘粘接片材6的厚度变化率。
固化工序是在预先规定的温度下同时固化密封树脂构件5和高散热绝缘粘接片材6的树脂的后固化工序。在密封树脂构件5和高散热绝缘粘接片材6的树脂是热固性树脂的情况下，需要固化工序。后固化的温度例如为175℃。图9是密封树脂构件注入工序之后的功率模块中间体190的立体图，图10是示出在图9的B-B截面位置切割后的功率模块中间体190的概要的剖视图。如图10所示，处于第一引线框2a、第二引线框2b、以及第三引线框2c(图10中未图示出)的端部和金属板7的另一个面从密封树脂构件5露出的状态。在功率模块中间体190中，在没有进行用于切割引线框的系杆切割加工和端子弯曲加工的情况下，在密封树脂构件注入工序和固化工序之后，进行系杆切割加工和端子弯曲加工，从而形成功率模块200。
冷却器连接工序是将冷却器9经由金属接合体8热连接到从密封树脂构件5露出的金属板7的另一个面的工序。通过冷却器连接工序，形成图1所示的功率用半导体装置100。升温至预先规定的温度，经由金属接合体8连接功率模块200和冷却器9。例如，在金属接合体8是焊料的情况下，升温到200℃以上，连接功率模块200和冷却器9。对于金属接合体8，选定在冷却器连接工序时升温到接合体4a、4b、4c不会再熔融的温度而使用的材料。在金属接合体8升温的温度下接合体4a、4b、4c再熔融的情况下，功率模块200的绝缘可靠性显著降低。
如上所述，在实施方式1的功率模块200中，包括：板状的散热器3、至少热连接到散热器3的一个面的半导体元件1a、1b、一个面热连接到散热器3的另一个面的板状的高散热绝缘粘接片材6、一个面热连接到高散热绝缘粘接片材6的另一个面的金属板7、以及在使金属板7的另一个面露出的状态下密封这些构件的密封树脂构件5，由于高散热绝缘粘接片材6是将树脂浸渍在陶瓷颗粒具有间隙并且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体，因此在陶瓷烧结体的空隙中不会形成放电的路径，因此能抑制功率模块200的绝缘可靠性的降低。由于高散热绝缘粘接片材6是将树脂浸渍于陶瓷颗粒具有空隙且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体，因此例如在25℃下具有100W/(m·K)的热传导率，因此能实现功率模块200的高散热。
当高散热绝缘粘接片材6和散热器3抵接、以及高散热绝缘粘接片材6和金属板7抵接时，由于仅高散热绝缘粘接片材6的结构物介于高散热绝缘粘接片材6和散热器3之间、以及高散热绝缘粘接片材6和金属板7之间，因此能防止功率模块200的散热性降低。当半导体元件1a、1b由具有宽带隙的半导体材料构成时，能减少半导体元件1a、1b的损耗。由于能减少半导体元件1a、1b的损耗，因此能容易地实现功率用半导体装置100的大容量化。
在实施方式1的功率用半导体装置100中，由于包括本申请所公开的功率模块200、以及冷却器9，该冷却器9经由金属接合体8热连接到从密封树脂构件5露出的金属板7的面，因此能够将由功率模块200的内部的半导体元件1a、1b产生的热量有效地从冷却器9排出到外部。由于本申请公开的功率模块200可以在母工厂中生产，并且连接到冷却器的冷却器连接工序可以在其他工厂中进行，因此能提高功率用半导体装置100的生产性，并且能降低功率用半导体装置100的制造成本。
在实施方式1的功率模块200的制造方法中，包括：构件准备工序，该构件准备工序准备板状的散热器3、至少热连接到散热器3的一个面的半导体元件1a、1b、一个面热连接到散热器3的另一个面的板状的高散热绝缘粘接片材6、以及一个面热连接到高散热绝缘粘接片材6的另一个面的金属板7；以及密封树脂构件注入工序，该密封树脂构件注入工序在将散热器3、半导体元件1a、1b、高散热绝缘粘接片材6、金属板7配置在模具内的状态下，将未固化的密封树脂构件5加压注入模具内，金属板7在执行密封树脂构件注入工序之后，金属板7的另一个面从密封树脂构件5露出，高散热绝缘粘接片材6是将树脂浸渍于陶瓷颗粒具有空隙并且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体，在执行密封树脂构件注入工序之前，陶瓷烧结体具有未填充树脂的空隙，在密封树脂构件注入工序中，通过密封树脂构件5的注入压力，对高散热绝缘粘接片材6施加压力，并且使树脂填充在未填充树脂的空隙中，因此不会在空隙中形成放电的路径，因此大大提高了包括高散热绝缘粘接片材6的端部在内的整个高散热绝缘粘接片材6的绝缘可靠性。由于提高了高散热绝缘粘接片材6的绝缘可靠性，因此能抑制功率模块200和功率用半导体装置100的绝缘可靠性的降低。
在将密封树脂构件注入工序中的高散热绝缘粘接片材6的厚度变化率设为1％以上且11％以下时，由于高散热绝缘粘接片材6的陶瓷烧结体跟随散热器3和高散热绝缘粘接片材6之间、以及高散热绝缘粘接片材6和金属板7之间的凹部、突起部以及翘曲而作出改变，因此能消除只有作为树脂的热固性树脂组合物的区域，从而提高功率用半导体装置100的散热性。在实施方式1的功率用半导体装置100的制造方法中，由于具有经由金属接合体8将冷却器9热连接到从密封树脂构件5露出的金属板7的面的工序，因此能容易地制造能够将由功率模块200内部的半导体元件1a、1b产生的热量从冷却器9有效地排出到外部的功率用半导体装置100。
实施方式2.
对实施方式2所涉及的功率用半导体装置100进行说明。图11是表示实施方式2所涉及的功率用半导体装置100的概要的剖视图，并且是在与图1的A-A截面位置相同的位置处被切断的图，图12是表示在图11的C-C截面位置处切断的功率用半导体装置100的概要的剖视图，并且是省略密封树脂构件5示出的图。实施方式2的功率用半导体装置100中，高散热绝缘粘接片材6的大小形成为与实施方式1的大小不同。
从垂直于金属板7的一个面的方向上观察时，高散热绝缘粘接片材6的外周部分设置在金属板7的外周部分的内侧。在本实施方式中，如图12所示，高散热绝缘粘接片材6在横向上的各个端部比金属板7要小X。此外，高散热绝缘粘接片材6在纵向上的各个端部比金属板7要小Y。X、Y的大小大于0并且取任意大小，以此来形成高散热绝缘粘接片材6。在高散热绝缘粘接片材6的外周部分中，即使树脂从高散热绝缘粘接片材6溢出，包括溢出的树脂在内的高散热绝缘粘接片材6的外周部分仍然设置在金属板7的外周部分的内侧。即使陶瓷烧结体从高散热绝缘粘接片材6溢出也是同样的。
在高散热绝缘粘接片材6的外周部分从金属板7溢出的情况下，由于密封功率模块200时密封树脂构件5的流动，高散热绝缘粘接片材6上有时会产生缺口，或者高散热绝缘粘接片材6上有时会产生裂纹。在高散热绝缘粘接片材6上产生缺口的情况下，产生了缺口的高散热绝缘粘接片材6的碎片随着密封树脂构件5的流动而残留在功率模块200的内部，从而可能损伤半导体元件1等其他构件，降低功率模块200的可靠性。此外，在高散热绝缘粘接片材6上产生裂纹的情况下，可能降低功率模块200的绝缘可靠性。在仅高散热绝缘粘接片材6的树脂溢出的情况下，与在高散热绝缘粘接片材6上产生缺口的情况同样，由于树脂引起的异物的产生可能降低功率模块200的可靠性。
如上所述，在实施方式2的功率用半导体装置100中，在沿垂直于金属板7的一个面的方向观察时，高散热绝缘粘接片材6的外周部分设置在金属板7的外周部分的内侧，因此，高散热绝缘粘接片材6的外周的端部不会从金属板7溢出，因此，能抑制由于在密封功率模块200时的密封树脂构件5的流动而在高散热绝缘粘接片材6上产生缺口的风险和在高散热绝缘粘接片材6上产生裂纹的风险。由于抑制了在高散热绝缘粘接片材6上产生缺口和裂纹的风险，因此能提高功率模块200和功率用半导体装置100的可靠性。
实施方式3.
对实施方式3所涉及的功率用半导体装置100进行说明。图13是示出实施方式3所涉及的功率用半导体模块100的概要的剖视图，并是在与图1的A-A截面位置相同的位置处切断后的图。实施方式3的功率用半导体装置100具有在散热器3的侧面形成有台阶3a的结构。
在垂直于散热器3的一个面的方向上观察时，至少一个台阶3a形成在散热器3的与高散热绝缘粘接片材6相接的面的外周部分，该台阶3a从外周部分向散热器3的内侧部分缩进。在本实施方式中设置了1个台阶3a，但台阶3a的数量并不限于1个，也可以设置2级以上的台阶3a。
在功率用半导体装置100中，由于在经由金属接合体8连接功率模块200和冷却器9时、以及在使用功率用半导体装置100时，因热循环而在高散热绝缘粘接片材6上产生的应力在散热器3的与高散热绝缘粘接片材6相接的面的外周部分最大。在应力变大的部位，高散热绝缘粘接片材6上产生缺口的风险、以及高散热绝缘粘接片材6上产生裂纹的风险变高。
如上所述，在实施方式3的功率用半导体装置100中，在沿垂直于散热器3的一个面的方向观察时，至少一个台阶3a形成在散热器3的与高散热绝缘粘接片材6相接的面的外周部分上，该台阶3a从外周部分向散热器3的内侧部分缩进，因此在应力变大的部位，散热器3和密封树脂构件5相接的面积增加，因此能使在高散热绝缘粘接片材6上产生的应力降低。由于在高散热绝缘粘接片材6上产生的应力降低，因此能提高高散热绝缘粘接片材6的耐热循环性，获得绝缘可靠性较高的功率用半导体装置100。
实施方式4.
对实施方式4所涉及的功率用半导体装置101进行说明。图14是表示实施方式4所涉及的功率用半导体装置101的概要的立体图，图15是表示在图14的D-D截面位置切断的功率用半导体装置101的概要的剖视图。实施方式4的功率用半导体装置101构成为具备两个冷却器9、9b。
功率模块201在功率模块200的基础上，还包括：追加散热器3b，其具有热传导性且呈板状，热连接到与散热器3相反一侧的半导体元件1a、1b的面；追加高散热绝缘粘接片材6a，其具有热传导性且呈板状，热连接到与半导体元件1a、1b相反一侧的追加散热器3b的面；以及追加金属板7a，其热连接到与追加散热器3b相反一侧的追加的高散热绝缘粘接片材6a的面。密封树脂部件5在使与追加高散热绝缘粘接片材6a相反一侧的追加金属板7a的面露出的状态下，密封追加散热器3b、追加高散热绝缘粘接片材6a、追加金属板7a。
在本实施方式中，功率模块201包括在半导体元件1a、1b与追加散热器3b之间的第一引线框2a和金属间隔件10。第一引线框2a通过接合体4b连接到半导体元件1a、1b的一个面。金属间隔件10通过接合体4e热连接到第一引线框2a。金属间隔件10通过接合体4e热连接到追加散热器3b。金属间隔件10例如与第一引线框2a同样地由铜、铝、银或覆铜材料制成。接合体4e例如与接合体4a同样地是焊料、烧结Ag或烧结Cu。
功率用半导体装置101包括功率模块201、冷却器9、9b。冷却器9b经由金属接合体8a热连接到从密封树脂构件5露出的追加金属板7a的面。冷却器9b例如以与冷却器9同样的方式由热传导性优异的铝合金或铜材制成。金属接合体8a例如与金属接合体8同样地是焊料、烧结Ag或烧结Cu，但不限于它们。
关于功率模块201的制造方法，对追加到实施方式1中所说明的功率模块200的制造方法的部分进行说明。在构件准备工序中，还准备：追加散热器3b，其具有热传导性且呈板状，热连接到与散热器3相反一侧的半导体元件1a、1b的面；追加高散热绝缘粘接片材6a，其具有热传导性且呈板状，热连接到与半导体元件1a、1b相反一侧的追加散热器3b的面；以及追加金属板7a，其热连接到与追加散热器3b相反一侧的追加的高散热绝缘粘接片材6a的面。如图15所示，在功率模块201还包括金属间隔件10的情况下，还准备金属间隔件10。
在密封树脂构件注入工序中，在将散热器3、半导体元件1a、1b、高散热绝缘粘接片材6、金属板7、追加散热器3b、追加高散热绝缘粘接片材6a、以及追加金属板7a配置在模具内的状态下，将未固化的密封树脂构件5加压注入模具内。在执行密封树脂构件注入工序之后，追加金属板7a的与追加高散热绝缘粘接片材6a的面热连接的面相反一侧的面从密封树脂构件5露出。在密封树脂构件5、高散热绝缘粘接片材6、以及追加高散热绝缘粘接片材6a的树脂是热固性树脂的情况下，进一步执行固化工序。
对功率用半导体装置101的制造方法进行说明。在冷却器连接工序中，经由金属接合体8将冷却器9热连接到从密封树脂构件5露出的金属板7的面，经由金属接合体8a将冷却器9b热连接到从密封树脂构件5露出的追加金属板7a的面。冷却器9、9b可以同时连接，也可以分开连接。通过以这种方式制造，能容易地制造功率用半导体装置101，该功率用半导体装置101能够有效地从冷却器9、9b向外部排出由功率模块201的内部的半导体元件1a、1b产生的热量。
如上所述，在实施方式4的功率用半导体装置101中，功率模块201具有：追加散热器3b，其具有热传导性且呈板状，热连接到与散热器3相反一侧的半导体元件1a、1b的面；追加高散热绝缘粘接片材6a，其具有热传导性且呈板状，热连接到与半导体元件1a、1b相反一侧的追加散热器3b的面；以及追加金属板7a，其热连接到与追加散热器3b相反一侧的追加高散热绝缘粘接片材6a的面，密封树脂构件5在使与追加高散热绝缘粘接片材6a相反一侧的追加金属板7a的面露出的状态下，将追加散热器3b和追加高散热绝缘粘接片材6a和追加金属板7a密封，因此能实现功率模块201的进一步高散热。由于实现了功率模块201的进一步高散热，因此功率用半导体装置101能进一步大输出化和小型化。
在实施方式4的功率模块201的制造方法中，在构件准备工序中，还准备：追加散热器3b，其具有热传导性且呈板状，热连接到与散热器3相反一侧的半导体元件1a、1b的面；追加高散热绝缘粘接片材6a，其具有热传导性且呈板状，热连接到与半导体元件相反一侧的追加散热器3b的面；以及追加金属板7a，其热连接到与追加散热器3b相反一侧的追加高散热绝缘粘接片材6a的面，在将散热器3、半导体元件1a、1b、高散热绝缘粘接片材6、金属板7、追加散热器3b、追加高散热绝缘粘接片材6a、以及追加金属板7a配置在模具内的状态下，将未固化的密封树脂构件5加压注入模具内，在执行密封树脂构件注入工序之后，追加金属板7a的与追加高散热绝缘粘接片材6a的面热连接的面相反一侧的面从密封树脂构件5露出，因而能容易地制造实现了进一步高散热的功率模块200。
在实施方式4的功率用半导体装置101的制造方法中，由于具有经由金属接合体8将冷却器9热连接到从密封树脂构件5露出的金属板7的面，并且经由金属接合体8a将冷却器9b热连接到从密封树脂构件5露出的追加金属板7a的面的工序，因此能容易地制造能够将由功率模块201的内部的半导体元件1a、1b产生的热量从冷却器9、9b有效地排出到外部的功率用半导体装置101。
另外，本申请虽然记载了各种示例性的实施方式以及实施例，但是1个或多个实施方式所记载的各种特征、方式及功能并不仅限于适用特定的实施方式，也可以单独适用于实施方式，或者进行各种组合来适用于实施方式。
因此，可以认为未例示的无数变形例也包含在本申请说明书所公开的技术范围内。例如，设为包括对至少一个构成要素进行变形、添加或省略的情况，以及提取至少一个构成要素并与其他实施方式的构成要素进行组合的情况。
标号说明
1半导体元件、2a第一引线框、2b第二引线框、2c第三引线框、2d第四引线框、3散热器、3a台阶、3b追加散热器、4接合体、5密封树脂构件、6高散热绝缘粘接片材、6a追加高散热绝缘粘接片材、7金属板、7a追加金属板、8金属接合体、8a金属接合体、9冷却器、9a散热翅片、9b冷却器、10金属间隔件、20金属电路基板、100功率用半导体装置、101功率用半导体装置、170功率模块中间体、180功率模块中间体、190功率模块中间体、200功率模块、201功率模块。

Claims (11)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：
具有热传导性的板状的散热器；
至少热连接到所述散热器的一个面的半导体元件；
一个面热连接到所述散热器的另一个面的板状的高散热绝缘粘接片材；
一个面热连接到所述高散热绝缘粘接片材的另一个面的金属板；以及
在使所述金属板的另一个面露出的状态下密封所述半导体元件、所述散热器、所述高散热绝缘粘接片材和所述金属板的密封树脂构件，
所述高散热绝缘粘接片材是将树脂浸渍于陶瓷颗粒具有空隙并且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体。
2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，
从垂直于所述金属板的一个面的方向观察时，
所述高散热绝缘粘接片材的外周部分设置在所述金属板的外周部分的内侧。
3.如权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于，
所述高散热绝缘粘接片材和所述散热器抵接，并且所述高散热绝缘粘接片材和所述金属板抵接。
4.如权利要求1至3中任一项所述的功率模块，其特征在于，
从垂直于所述散热器的一个面的方向观察时，
在所述散热器的与所述高散热绝缘粘接片材相接的面的外周部分形成有至少一个台阶，该台阶从所述外周部分向所述散热器的内侧部分缩进。
5.如权利要求1至4中任一项所述的功率模块，其特征在于，
所述半导体元件由具有宽带隙的半导体材料形成。
6.如权利要求1至5中任一项所述的功率模块，其特征在于，包括：
追加的所述散热器，该追加的所述散热器具有热传导性并且呈板状，热连接到所述半导体元件的与所述散热器相反一侧的面；
追加的所述高散热绝缘粘接片材，该追加的所述高散热绝缘粘接片材具有热传导性且呈板状，热连接到追加的所述散热器的与所述半导体元件相反一侧的面；以及
追加的所述金属板，该追加的所述金属板热连接到追加的所述高散热绝缘粘接片材的与追加的所述散热器相反一侧的面，
所述密封树脂构件在使追加的所述金属板的与追加的所述高散热绝缘粘接片材相反一侧的面露出的状态下，对追加的所述散热器、追加的所述高散热绝缘粘接片材和追加的所述金属板进行密封。
7.一种功率用半导体装置，其特征在于，包括：
如权利要求1至6中任一项所述的功率模块；以及
冷却器，该冷却器经由金属接合体热连接到从所述密封树脂构件露出的所述金属板的面。
8.一种功率模块的制造方法，其特征在于，包括：
构件准备工序，该构件准备工序准备具有热传导性的板状的散热器、至少热连接到所述散热器的一个面的半导体元件、一个面热连接到所述散热器的另一个面的板状的高散热绝缘粘接片材、及一个面热连接到所述高散热绝缘粘接片材的另一个面的金属板；以及
密封树脂构件注入工序，该密封树脂构件注入工序在将所述散热器、所述半导体元件、所述高散热绝缘粘接片材以及所述金属板配置在模具内的状态下，将未固化的密封树脂构件加压注入所述模具内，
所述金属板在执行所述密封树脂构件注入工序之后，所述金属板的另一个面从所述密封树脂构件露出，
所述高散热绝缘粘接片材是将树脂浸渍于陶瓷颗粒具有空隙并且整体烧结的多孔陶瓷烧结体后得到的复合体，在执行所述密封树脂构件注入工序之前，所述陶瓷烧结体具有未被所述树脂填充的空隙，在所述密封树脂构件注入工序中，通过所述密封树脂构件的注入压力，对所述高散热绝缘粘接片材施加压力，使所述树脂填充在未被所述树脂填充的空隙中。
9.如权利要求8所述的功率模块的制造方法，其特征在于，
在所述构件准备工序中，还准备：追加的所述散热器，该追加的所述散热器具有热传导性并且呈板状，热连接到所述半导体元件的与所述散热器相反一侧的面；追加的所述高散热绝缘粘接片材，该追加的所述高散热绝缘粘接片材具有热传导性且呈板状，热连接到追加的所述散热器的与所述半导体元件相反一侧的面；以及追加的所述金属板，该追加的所述金属板热连接到追加的所述高散热绝缘粘接片材的与追加的所述散热器相反一侧的面，
在所述密封树脂构件注入工序中，在将所述散热器、所述半导体元件、所述高散热绝缘粘接片材、所述金属板、追加的所述散热器、追加的所述高散热绝缘粘接片材和追加的所述金属板配置在模具内的状态下，将未固化的所述密封树脂构件加压注入所述模具内，
追加的所述金属板在执行所述密封树脂构件注入工序之后，与追加的所述高散热绝缘粘接片材的面热连接的面相反一侧的面从所述密封树脂构件露出。
10.如权利要求8或9所述的功率模块的制造方法，其特征在于，
所述密封树脂构件注入工序中，所述高散热绝缘粘接片材的厚度变化率为1％以上且11％以下。
11.一种功率用半导体装置的制造方法，其特征在于，包括：
如权利要求8至10中任一项所述的功率模块的制造方法中的所述构件准备工序和所述密封树脂构件注入工序；以及
经由金属接合体将冷却器热连接到从所述密封树脂构件露出的所述金属板的面的冷却器连接工序。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3601432B2 (ja) * 2000-10-04 2004-12-15 株式会社デンソー 半導体装置
JP4969738B2 (ja) * 2001-06-28 2012-07-04 株式会社東芝 セラミックス回路基板およびそれを用いた半導体モジュール
JP3740116B2 (ja) * 2002-11-11 2006-02-01 三菱電機株式会社 モールド樹脂封止型パワー半導体装置及びその製造方法
DE112009000447B4 (de) * 2008-04-09 2016-07-14 Fuji Electric Co., Ltd. Halbleitervorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung
JP5955251B2 (ja) * 2013-03-18 2016-07-20 三菱電機株式会社 パワー半導体モジュール
JP2019067949A (ja) * 2017-10-02 2019-04-25 トヨタ自動車株式会社 半導体装置
CN114008771A (zh) * 2019-07-02 2022-02-01 三菱电机株式会社 功率模块及其制造方法
JP6877600B1 (ja) * 2020-01-16 2021-05-26 三菱電機株式会社 半導体装置

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