CN1815720A - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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望月英司
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Abstract

提供了一种考虑到环境影响的高可靠度的半导体器件。在功率半导体模块的制造中，通过使用无铅焊料，通过焊料层将在其两个表面上具有陶瓷板和导体层的绝缘基片连接至散热基底，并通过焊料层将诸如IGBT之类的半导体芯片连接至绝缘基片。另外，在焊接绝缘基片和散热基底之前，弯曲散热基底使它与绝缘基片相对一侧的表面凸起并通过焊接使其平坦或大致平坦。因此，当将散热基底附加至冷却片等上时，它们的热阻较小，从而有效地散发半导体芯片的热量以防止异常温度升高。

Description

半导体器件及其制造方法
(1)技术领域
本发明涉及半导体器件及其制造方法，尤其涉及诸如包括功率半导体的功率半导体模块之类的半导体器件及其制造方法。
(2)背景技术
近来即使在大电流和高电压下也能工作的功率半导体模块被用于各种领域。该功率模块包括诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和自由轮转二极管(FWD)之类的功率半导体作为主元件。
图11为示出传统的功率半导体模块的主要部分的示意剖面图。
在图11中所示的功率半导体模块100中，功率半导体的半导体芯片103等通过焊料层102连接在一绝缘基片101上，101包括：氮化铝(AlN)等的陶瓷板101b和在其两个表面上形成的铜(Cu)、铝(Al)等的导体层101b和101c。绝缘基片101的一个表面以此方式与半导体芯片103连接，而反面由焊料层104连接至由例如铜的金属组成的散热基底105从而为半导体芯片103中所产生的热量散热。
然而，在具有该结构的功率半导体模块100的制造中，具有不同热膨胀系数的两个元件、具有陶瓷板101a的绝缘基片101和金属散热基底105通过焊料层104连接，从而原来平的散热基底在焊接后偶尔会弯曲。
图12是示出弯曲了的散热基底的主要部分的示意剖面图。应注意图11和图12中用相同的标号表示共同的元件。
例如，在将氮化铝用于绝缘基片101的陶瓷板101a和将铜用于散热基底105的情况下，氮化铝具有约为4.5ppm/K的热膨胀系数而铜具有约为16.5ppm/K的热膨胀系数，导致较大的系数差。因此，在焊接后的冷却步骤中铜比氮化铝收缩得多，从而散热基底105常常在绝缘基片101的方向上凸出地弯曲。当散热基底105以此方式弯曲时，焊接后的组装步骤受到不利影响或功率半导体模块100的性能由于偶尔的弯曲而受损。
已经提出一些防止在焊接的连接处理中所形成的诸如散热基底105之类的散热元件的凸起变形的方案。这些方案包括通过将散热金属层连接至陶瓷板并通过具有小于或等于300mm2的连接面积的合金焊料层将散热金属层连接至散热元件所获得的模块(JP-A-2004-140199)。诸方案中还包括一种在凸出地将散热元件向与陶瓷板相对的一面弯曲之后将陶瓷板连接至散热元件，以补偿在连接处理中所形成的弯曲的方法(JP-A-2003-46032及JP-A-4-96355)。另外，为了减少焊料层中的气泡，诸方案还包括在将具有不同厚度的铜板附在陶瓷板的两个表面(散热元件一侧的铜板具有较大的厚度)之后将陶瓷板连接至散热元件，从而在连接处理中通过利用厚度差将陶瓷板凸出地向散热元件弯曲，以去除焊料层中的气泡(JP-A-10-270612)
然而，在上述功率半导体模块的制造中，在将焊料用于连接元件，特别是具有不同热膨胀系数的元件的情况下，引起下列问题。
现在，许多用于连接包括功率半导体模块在内的电子器件和部件的元件的焊料包含铅(Pb)。当使用包含铅的焊料的电子器件和部件被丢弃，留在户外，和曝露在酸雨中等时，焊料中的铅被洗提出来造成环境污染。因此，最好将主要由锡(Sn)等组成的不含铅的所谓无铅焊料用于各种电子器件和部件。
无铅焊料与含铅焊料相比具有更高的硬度。在将含铅焊料用于图11和12中所示的功率半导体模块100的绝缘基片101和平散热基底105的情况下，尽管可以通过在绝缘基片101的方向上烧结来凸出地弯曲散热基底105，因为焊料的软度在焊接后焊料层104可能会马上蠕变，从而缓和了它们之间的应力。结果，去除了散热基底的弯曲，并且散热基底105返回至原来的平的或近似于平的状态。
相反，在将无铅焊料用于连接的情况下，焊料是硬的，因此，焊料层104不蠕变，从而散热基底105不返回至原来的平的状态，仍保持凸状弯曲。弯曲量大，约为200-500μm，结果在如上所述焊接后的组装步骤受到不利影响或功率半导体模块100的性能偶尔受损。
图13是示出组装功率半导体模块的步骤的主要部分的示意横截面图。应注意在图11、12和13中相同的标号用于表示共同的元件。
如图13中所示，在功率半导体模块100中，通常，将绝缘基片101和散热基底105焊接，然后通过螺丝钉等将该散热基底105固定至散热片200。
在将含铅焊料用于连接绝缘基片101和散热基底105的情况下，在焊接步骤中所形成的散热基底105的凸起弯曲在其后被去除。因此，散热基底105和散热片200之间的接触热阻相对较小，且在半导体芯片103中所产生的热量有效地从散热基底105散发。
相反，在将无铅焊料用于连接至绝缘基片101，从而散热基底105在绝缘基片的方向上大大地凸起弯曲的情况下，在散热基底105和散热片200的平的表面之间形成一个图13中所示的大间隙201。当形成这样的间隙201时，接触热阻增大，且半导体芯片中所产生的热量的散热效率降低，因此半导体芯片103的连接部分的温度可能会反常地增加而引起热破坏。另外，在散热基片105大大地向绝缘基片101凸起弯曲时，偶尔会出现问题：例如，在将散热基底105用螺丝钉固定至冷却片200的步骤中陶瓷板101a裂开。
可以通过用诸如钼化铜(CuMo)合成材料和碳化硅铝(AlSiC)之类的具有低热膨胀系数的材料代替铜用于散热基底105以减少散热基底105和绝缘基片101之间的热膨胀系数差来减少弯曲。然而，与铜相比，这些材料虽然具有低热膨胀系数但导热性较差且不利于散热。另外，这些材料比铜贵。
(3)发明内容
考虑到以上问题，本发明的一个目的在于提供一种低成本、高可靠度的考虑到环境影响而设计的半导体器件及其制造方法。
为了解决以上问题，根据本发明，提供了一种半导体器件，包括：散热基底、焊接至所述散热基底的绝缘基片和焊接至所述绝缘基片的半导体芯片，所述绝缘基片包括陶瓷板和设置在陶瓷板的两个表的面上的导体层，其中所述绝缘基片用无铅的焊料连接至各半导体芯片和散热基底，且所述散热基底用无铅的焊料焊接成大致平的状态。
在半导体器件中，该无铅的焊料用于连接绝缘基片和散热基底和用于连接绝缘基片和半导体芯片，从而即使在将所述器件放置在户外的位置时也不会引起从焊接部分洗提出铅。另外，在半导体器件中，以近似平的状态将散热基底焊接至绝缘基片，从而可以用想要的接触面积将所述散热基底附加在诸如冷却片之类的另一元件的平的表面上而没有大的间隙。另外，可以在连接步骤中防止陶瓷板的受损。
另外，根据本发明，提供了一种半导体器件的制造方法，该半导体器件包括：散热基底、焊接至散热基底的绝缘基片和焊接至所述绝缘基片的半导体芯片，所述绝缘基片包括陶瓷板和设置在陶瓷板的两个表面上的导体层，其中所述半导体芯片用无铅的焊料焊接到所述绝缘基片上，且在所述散热基底弯曲后用所述无铅焊料将所述绝缘基片焊接至散热基底上，从而通过焊接使与所述绝缘基片相对一侧的表面凸出并大致平坦。
在半导体器件的制造方法中，将无铅焊料用于连接绝缘基片和散热基底并用于连接绝缘基片和半导体芯片，从而不引起铅的洗提出。另外，在焊接散热基底和绝缘基片的步骤中，在散热基底弯曲后绝缘基片用无铅焊料连接，从而在焊接后以近似平坦的状态将散热基底连接至绝缘基片。
在本发明的半导体器件中，将无铅的焊料用于连接绝缘基片和散热基底并用于连接绝缘基片和半导体芯片，不洗提出铅以防止环境污染。另外，在本发明的半导体器件中，在使用无铅焊料的连接步骤后散热基底处于大致平坦的状态，从而不在散热基底和冷却片等之间形成大的间隙，因而降低了接触热阻，从而能有效地散发在半导体芯片中所产生的热量。因此，提供了一种能稳定地工作而没有半导体芯片中的异常温度上升的高可靠度的半导体器件。另外，除了使用无铅焊料以外所述半导体器件的元件可以与传统的相同，从而实现了低成本、高可靠度的半导体器件。
(4)附图说明
图1为示出功率半导体模块的主要部分的示意横截面图；
图2为示出焊料的固相线温度和散热基底的弯曲量之间的关系的图；
图3为示出用无铅焊料进行热冲击测试的结果的图；
图4为示出散热基底的弯曲量和绝缘基片与散热基底的连接面积之间的关系的图；
图5为示出绝缘基片的划分对散热基底的弯曲量的影响的说明图；
图6为示出设计绝缘基片的方法的说明图；
图7为示出焊接步骤中的绝缘基片和散热基底的主要部分的示意横截面图；
图8为示出铜箔的厚度和散热基底的弯曲量之间的关系的图；
图9为示出陶瓷板的厚度和散热基底的弯曲量之间的关系的图；
图10为示出散热基底的厚度和弯曲量之间的关系的图；
图11为示出传统的功率半导体模块的主要部分的示意横截面图；
图12为示出弯曲的散热基底的主要部分的示意横截面图；和
图13为示出组装功率半导体模块的步骤的主要部分的示意横截面图。
(5)具体实施方式
下面参照附图详细说明根据本发明的功率半导体模块的一个实施例。
图1为示出功率半导体模块的主要部分的示意横截面图。
在图1中所示的功率半导体模块1中，通过焊料层3将半导体芯片4焊接至在陶瓷板2a的两个表面上都具有导体层2b和2c的绝缘基片2上。绝缘基片2的一个表面以此方式与半导体芯片4连接，而相反的那个表面通过焊料层5连接至散热基底6。
例如，用于绝缘基片2的陶瓷板2a可以是主要由具有合适的厚度的氧化铝(Al2O3)组成的板。另外，导体层2b和2c可包括具有合适的厚度的铜箔。
例如，用于连接绝缘基片2和半导体芯片4的焊料层3和用于连接绝缘基片2和散热基底6的焊料层5可以是包含锡元素的基于锡的焊料。应注意，不含铅的无铅焊料被用于焊料层3和5。下面将详细说明无铅焊料。
例如，半导体芯片4是诸如IGBT和FWD之类的功率半导体，它包括硅(Si)作为主要成分，并在工作时会产生具有较高温度的热。
例如，从热传导和成本的观点来看，散热基底6可以主要由铜组成。另外，虽然这里未在图中示出，但可以将冷却片连接至散热基底6的下表面(与绝缘基片2相对一侧的表面)。
当功率半导体模块1被驱动时，半导体芯片4产生热，且该热被依次传送至焊料层3、绝缘基片2、焊料层5和散热基底6并散发。因此，防止了半导体芯片4中的温度上升，从而维持了正常工作和与导体层2b等的连接。
在形成具有以上结构的功率半导体模块1时，在使用无铅焊料的焊接步骤前，散热基底6弯曲使得与焊料层5相对一侧的表面凸出。因此，预先将散热基底6制成凹入的。例如，当散热基底6为平坦的并通过焊接使散热基底6在约200-500μm的范围内向绝缘基片2凸起地弯曲的情况下，预先形成约100-600μm的弯曲量。此预先形成的弯曲量的范围只是示例，可以根据散热基底、绝缘基片及绝缘基片中的导体层的厚度和面积来合适地选择该弯曲量。另外，弯曲量可以通过组合下列实施例来减少，且可以小于或等于100μm。
散热基底6以此方式弯曲合适的量，在绝缘基片2被连接至无铅焊料层5后，由于热膨胀系数差在冷却处理中散热基底6向绝缘基片2弯曲。结果，该弯曲补偿了预先在散热基底6中所形成的弯曲，且最终散热基底6处于平坦状态或大致平坦、凹或凸状态。虽然理想的是最终将散热基底6制成平坦的，散热基底6可以不完全平坦且可以近似于平凹或向外凸起。只要散热基底6的合成弯曲量在预定范围内，就可以没有问题地将产品连接至冷却片且不损坏性能。
例如，当将散热基底6用无铅焊料连接而不预先弯曲散热基底6时，存在一种如上所述在散热基底6中形成向绝缘基片2约200-500μm的凸起弯曲而在散热基底6和冷却片之间形成大的间隙的情况。相反，通过在焊接前凹入地弯曲散热基底6，在使用无铅焊料的连接步骤后散热基底6处于平坦或大致平坦的状态，并可以防止在散热基底6和冷却片之间大的间隙的产生。结果，可以降低散热基底6和冷却片之间的接触热阻，可以防止半导体芯片中的异常温度上升，并可以防止热破坏，从而获得高可靠度的功率半导体模块1。
然后说明用于功率半导体模块1的无铅焊料。
用于功率半导体模块1的无铅焊料可以是包含银(Ag)、铋(Bi)、铜(Cu)、铟(In)、锑(Sb)、锌(Zn)、铝(Al)等的基于锡的焊料。当无铅焊料具有低熔点时，在焊接步骤中施加至散热基底6的热量减少，且铜的膨胀和收缩减少，从而可以减少散热基底6的弯曲。
图2为示出焊料的固相线温度和散热基底的弯曲量之间的关系的图。在图2中，横坐标表示固相线温度(℃)而纵坐标表示散热基底的弯曲量(μm)。
这里将两个由铜组成且平坦而不弯曲的一个43mm长、90mm宽、3mm厚的散热基底A，及一个59.6mm长、119.6mm宽、3mm厚的散热基底B这两个样品用作散热基底。通过使用具有各种成分的无铅焊料，将包含主要由氧化铝组成并在其两个表面上都形成铜箔的板的绝缘基片焊接至各样品，并测量结果弯曲量。在图2中，黑色标记表示使用散热基底A的情况，而画出轮廓的标记表示使用散热基底B的情况。
弯曲量是在焊接中各散热基底A、B的端部从具有0μm距离的平坦状态移动的距离。这里，将各散热基底A、B的最上端部分用作标准，而该端部的移动方向是负方向。另外，在基于锡铟的焊料中，控制成分以改变固相线温度。在图2中，与焊料成分的元素符号相邻的值表示该元素的含量(％)，例如：由Sn-20In表示的焊料具有包含20％的铟的成分。
在图2中，各散热基底A、B的弯曲量与用于连接步骤中的各无铅焊料的固相线温度对应。从图2中可以清楚得知，在散热基底A和B两种情况下，弯曲量随着固相线温度的降低而减少。特别是在基于锡铟的焊料的情况下，当铟含量增至5％、15％和20％时，固相线温度下降且散热基底A、B的弯曲量变小。散热基底A的弯曲量小于散热基底B的，并且甚至在使用具有Sn-Sb或Sn-Ag成分的无铅焊料的情况下也可以通过使用散热基底A来减少弯曲。因此，在使用具有小于250℃的熔点的无铅焊料的情况下，当该无铅焊料的熔点较低时，焊接后在散热基底A、B中所形成的弯曲量较小。
也就是说，在功率半导体模块1的制造中，当无铅焊料的熔点降低时，可以减少焊接中施加的热量，从而可以减少预先在散热基底6中形成的弯曲量。因此，与用高温处理大大弯曲的散热基底6使其变平相比更易于将散热基底6变平或大致平坦。因此，可以防止散热基底6凸出地弯向绝缘基片2。
图3为示出用无铅焊料进行热冲击测试的结果的图。在图3中，横坐标表示热冲击循环数(次数)，而纵坐标表示从散热基底和绝缘基片的焊接部分的一角的裂缝长度(mm)。
这里让通过用图2中所示的Sn-Ag、Sn-Sb和Sn-Ag-Bi-In的无铅焊料中的每一种连接图2的散热基底A和绝缘基片所获得的样品经受热冲击测试。实现热冲击测试的方法包括重复以下步骤：将样品在-40℃下保持5分钟并在125℃下保持5分钟，以将样品在常温下保持1分钟为间隔。通过以50℃/分钟的加热和冷却速率使用液浴型热冲击测试装置来实现热冲击测试。
从图3看出在使用具有Sn-Sb或Sn-Ag-Bi-In成分的无铅焊料的情况下比起使用具有Sn-Ag成分的无铅焊料的情况下，在散热基底A和绝缘基片的焊接部分中形成的裂缝的长度较小。尤其是在使用具有Sn-Ag-Bi-In成分的无铅焊料的情况下，即使在300次热冲击循环后也不形成裂缝。因此，通过使用包含铟或锑的基于锡的无铅焊料，可以提高焊接的抗裂性。
例如，在功率半导体模块1中，当裂缝在焊料层5中形成并刚刚达到连接在绝缘基片2上的半导体芯片下方时，存在从半导体芯片4传送热量至散热基底6的效率降低的情况，从而使半导体芯片4中的温度上升，缩短产品的寿命。通过提高抗裂性，产品可以具有更长的使用寿命。自然也可以在绝缘基片2和半导体芯片4之间的焊料层中观察到通过使用具有某种成分的无铅焊料提高抗裂性。
如上所述，在将无铅焊料用于连接功率半导体模块1的绝缘基片2和散热基底6的情况下，预先将散热基底6凹入地弯曲。另外，根据功率半导体模块1所希望的特性合适地选择无铅焊料的成分。这样，可以减小散热基底6向绝缘基片2的凸起弯曲，以防止在散热基底6和冷却片之间形成大的间隙，并防止在焊料层5中产生裂缝，以维持其间的热和电的连接。另外，通过还将无铅焊料用于连接功率半导体模块1的半导体芯片4和绝缘基片2，可以防止在焊料层3中产生裂缝，以维持其间的热和电的连接。这样，可以获得具有高性能、高可靠度和长寿命的功率半导体模块1。
另外，将无铅焊料用于连接绝缘基片2和散热基底6并用于连接半导体芯片4和绝缘基片2，即使在将功率半导体模块1留在户外的情况下也不会引起铅的洗提出。
下面研究在功率半导体模块1的制造中影响散热基底6的弯曲的各种因素。
首先，说明绝缘基片2和散热基底6之间的连接面积对散热基底6的弯曲的影响。
图4为示出散热基底的弯曲量和绝缘基片与散热基底的连接面积之间的关系的图。在图4中，横坐标表示连接面积(mm2)而纵坐标表示散热基底的弯曲量(μm)。
图4示出用无铅焊料将各绝缘基片a-f连接至没有预先凹入地弯曲的平散热铜基底并测量散热基底向绝缘基片a-f凸起弯曲的量的结果。
绝缘基片a-f是这样的：绝缘基片a是显示最小连接面积的平坦的正方形标准，绝缘基片b和c是具有相同的水平与垂直长度比的增加了面积的平坦的正方形，绝缘基片d和e是具有增加了纵向长度而横向长度相同的平坦的矩形，而绝缘基片f是通过从绝缘基片e增加横向长度而纵向长度相同所获取的平坦的矩形。绝缘基片b和d具有相同的纵向长度和不同的横向长度，绝缘基片e、f和c也具有相同的纵向长度和不同的横向长度。另外，绝缘基片b和f具有相同的横向长度和不同的纵向长度。
将相同的无铅焊料用于连接绝缘基片a-f中每一个和散热基底。散热基底具有3mm的厚度和与各绝缘基片a-f相对应的平面尺寸。散热基底的平面尺寸使从平坦的散热基底的一端至各绝缘基片a-f的一端的距离为10mm。根据纵向端从平坦状态的位移评定焊接后散热基底的弯曲量。这里移动方向是正方向。
从图4中看出，就绝缘基片a、b和c中连接面积对散热基底的弯曲的影响而言，弯曲量随连接面积成比例地增加。很清楚，就绝缘基片a、d和e中连接面积的纵向长度对散热基底的弯曲的影响而言，弯曲量随纵向长度成比例地增加。另外，很清楚，就绝缘基片e、f和c中连接面积的横向长度对散热基底的弯曲的影响而言，弯曲量随横向长度成比例地增加。因此，用无铅焊料连接至各绝缘基片a-f的散热基底的弯曲量很大程度地受到绝缘基片a-f的连接面积的影响。
也就是说，在功率半导体模块1的制造中，用该结果，可以根据绝缘基片2的尺寸确定在与无铅焊料连接前散热基底6中所形成的弯曲量。以此方式，散热基底6可以容易地控制成平坦或近似平坦状态，并能防止凸出地弯向绝缘基片2。
应注意在使用不同类型的无铅焊料的情况下也观察到了图4中所示的趋势。
即使在几乎相等的连接面积的情况下，散热基底6的弯曲量还根据绝缘基片2的划分而变化。
图5为示出绝缘基片的划分对散热基底的弯曲量的影响的说明图。在图5中，横坐标表示连接面积(mm2)而纵坐标表示散热基底的弯曲量(μm)。
将图4的2个绝缘基片焊接至散热基底，使得基片以2mm的间隔水平地设置，并因此明显地对应于二等分的绝缘基片d(绝缘基片d’)。此同样的方式，将三个绝缘基片焊接至散热基底，使得基片以2mm的间隔水平地设置并因此明显地对应于三等分的绝缘基片e(绝缘基片e’)。另外，将4个垂直地或水平地设置的绝缘基片a或2个水平地设置的绝缘基片d焊接至散热基底，使得以2mm的间隔水平地设置并因此明显地对应于四等分或二等分的绝缘基片b(绝缘基片b”)。
以与图4相同的方式将相同的无铅焊料用于连接绝缘基片d’、e’、b’和b”及散热基底。散热基底具有3mm的厚度和与各绝缘基片d’、e’、b’和b”相对应的平面尺寸。散热基底的尺寸使得从平坦状态中的散热基底到各绝缘基片d’、e’、b’和b”的一端的距离为10mm。根据纵向端从平坦状态的位移评定焊接后散热基底的弯曲量。
从图5可以清楚地得知：与相应的绝缘基片d、e和b相比，每一绝缘基片d’、e’、b’和b”显示出显著减小的散热基片弯曲量。应注意在使用不同类型的无铅焊料的情况下也可以观察到图5中所示的趋势。
因此，在功率半导体模块1的制造中，可以根据具有相同连接面积的绝缘基片2的划分确定焊接前在散热基底6中所形成的弯曲量。
图6为示出设计绝缘基片的方法的说明图。
图6中所示的是在绝缘基片具有50mm的最大横向长度和85mm的最大纵向长度(或所设置的多个绝缘基片的纵向长度最大总值)的条件下，根据图4和5中所示的测量数据计算获取与3mm厚的散热基底的小于或等于250m的弯曲量相对应的绝缘基片的平面尺寸的结果。在绝缘基片中，主要由氧化铝和铜箔组成的板具有0.25mm的相同厚度。
在使用1个绝缘基片的情况下小于或等于250m的弯曲量所需的绝缘基片的最大尺寸是50mm×50mm，在使用2个绝缘基片(1个绝缘基片的尺寸：35mm×46mm)的情况下是70mm×46mm，而在使用3个绝缘基片(1个绝缘基片的尺寸：28mm×43mm)的情况下为85mm×43mm。
因此，在功率半导体模块1的制造中，可以通过用图6中所示的这些数据等确定绝缘基片2的尺寸和划分数来合适地选择焊接前在散热基底6中所形成的弯曲量。另外，从而可以形成具有与绝缘基片2的最大尺寸相对应的功率半导体模块1。当绝缘基片2的尺寸增加时，可以增加半导体芯片4的封装数，还可以增加导体层2b和2c的设计灵活性。
然后说明绝缘基片2中的导体层2b和2c的厚度对散热基底6的弯曲量的影响。
在功率半导体模块1的制造中，在使用无铅焊料焊接步骤前凹入地弯曲散热基底6，使得在焊接步骤中在平坦的绝缘基片2和散热基底6之间形成有些大的空间。
图7为示出焊接步骤中的绝缘基片和散热基底的主要部分的示意横截面图。
如上所述，通过例如图7所示的通过使导体层2c比导体层2b厚来合适地控制导体层2b和2c的厚度，在使用无铅焊料的焊接步骤中将绝缘基片2弯向散热基底6，从而减小在散热基底6中预先形成的绝缘基片2和凹入弯曲之间的空间。因此，绝缘基片2在焊接后回到平坦状态，而散热基底6变形成平坦或大致平坦的形状。结果，绝缘基片2和散热基底6之间的空间减小，从而焊料层5没有缺少焊料量的部分并可以防止未连接部分的产生。
在用于导体层2b和2c的铜箔中，较厚的一个有助于减小绝缘基片2和散热基底6之间的热膨胀系数差，从而可以防止散热基底6大幅凸起弯向绝缘基片2。
图8为示出铜箔的厚度和散热基底的弯曲量之间的关系的图。在图8中，横坐标表示在绝缘基片的前或后表面上形成的铜箔的厚度(mm)而纵轴表示散热基底的弯曲量(μm)。
其中绝缘基片包括一个主要由相同厚度的氧化铝和不同厚度的铜箔组成的板，并使用了图2的散热基底A。各绝缘基片的前和后表面中的铜箔具有相同的厚度。将相同的无铅焊料用于连接各绝缘基片和散热基底A。根据纵向端从平坦状态的位移评定焊接后散热基底的弯曲量。
图8清楚地看出当主要由氧化铝组成的板上所形成的铜箔具有大于或等于0.4mm的厚度时散热基底A的弯曲量减少。因此，可以通过增加在主要由氧化铝组成的板上所形成的铜箔的厚度来减少散热基底A的弯曲，从而减小绝缘基片和散热基底A之间的热膨胀系数差。应注意，在使用不同类型的无铅焊料的情况下，也观察到图8中所示的趋势。
在使用焊接前凹入地弯曲的散热基底6制造功率半导体模块1的过程中，当导体层2c比导体层2b厚，或另选地导体层2b和2c具有大于0.4mm的厚度时，可以防止在绝缘基片2和散热基底6之间产生未连接部分，并且可以防止散热基片6在它从凹入转变成平坦后凸出地弯向绝缘基片2。另外，可以减小焊接前在散热基底6中所形成的弯曲量。
从要将希望的电流施加至在导体层2b上所形成的半导体芯片4、以上热膨胀系数差和陶瓷板2a的材料和厚度的观点来看，最好使导体层2b和2c的厚度大于或等于0.4mm并制得尽可能大。导体层2b和2c至陶瓷板2a的连接特性取决于陶瓷板2a的材料和厚度。例如，在陶瓷板2a主要由氮化硅组成的情况下，具有超过0.8mm的厚度的导体层2b和2c可以与其连接。同样在该板主要由氧化铝组成的情况下，可以将具有超过0.8mm的厚度的导体层2b和2c与其连接。
虽然以上描述了绝缘基片2的导体层2b和2c的厚度，但可以合适地选择导体层2b和2c之间的体积比。例如，将导体层2c与导体层2b的体积比控制成大于或等于1。在该体积比下，根据导体层2b和2c的图形形状，导体层2b的厚度可以大于、等于或小于导体层2c的厚度，可以防止产生以上未连接的部分和大的凸起弯曲，并可以减少预先在散热基底6中所形成的弯曲量。
接着说明绝缘基片2的陶瓷板2a的厚度对散热基底6的弯曲量的影响。
根据与以上控制绝缘基片2的导体层2b和2c的厚度相一致的观点，可以减少陶瓷板2a的厚度，以降低绝缘基片2和散热基底6之间的膨胀系数差。
图9为示出陶瓷板的厚度和散热基底的弯曲量之间的关系的图。在图9中，纵坐标表示散热基底的弯曲量(μm)。
这里图2的散热基底A和B以平坦的状态使用而没有预先凹入地弯曲。主要由厚度为0.25mm、0.32mm和0.635mm的氧化铝组成的板各用于绝缘基片，在各板上形成具有相同厚度的铜箔。将相同的无铅焊料用于将散热基底A和B连接至绝缘基片。根据纵向端从平坦状态的位移评定焊接后散热基底的弯曲量。
从图9中清楚地看出，在散热基底A和B的两个例子中主要由氧化铝组成组成的板的厚度的减小，弯曲量随着减少。因此，通过减薄主要由氧化铝组成的板，以减小绝缘基片和散热基底A、B之间的热膨胀系数差，可以减小散热基底A、B的弯曲量。在陶瓷中，氧化铝对减少散热基底A、B的弯曲特别有效，因为其热膨胀系数(约8ppm/K)较接近金属的。应注意，在使用不同类型的无铅焊料的情况下也观察到图9中所示的趋势。
在功率半导体模块1的制造中，通过合适地控制主要由氧化铝组成的陶瓷板2a的厚度以构成绝缘基片2，不在绝缘基片2和散热基底6之间形成未连接的部分并可以防止散热基底6凸出地弯向绝缘基片2。对主要由氮化硅组成的陶瓷板也是如此。
除了防止产生未连接部分和散热基底6凸出地弯向绝缘基片2之外，从将热传输效率和绝缘基片2的强度维持在某个水平的观点来看，绝缘基片2中的陶瓷板2a最好具有小于或等于0.635的厚度。另外，从陶瓷板2a的热传导等的观点来看，厚度最好在0.2-0.4mm的范围内。与厚度为0.25mm和0.32mm的情况相比，如图9中所示在陶瓷板2a的厚度为0.635mm的情况中弯曲量更大。通过合适地选择散热基底6的特征，可以防止在绝缘基片2和散热基底6之间产生未连接部分，并可以防止散热基底6凸出地弯向绝缘基片2。
接着说明散热基底6的厚度对弯曲量的影响。
图10为示出散热基底的厚度和弯曲量之间的关系的图。在图10中，横坐标轴表示焊接所用的温度(℃)而纵坐标表示散热基底的弯曲量(μm)。
在与使用无铅焊料的普通焊接处理相等的条件下，对具有相同平面尺寸的厚度为2mm、3mm和4mm的散热基底进行热处理，以测量在各温度的弯曲量。根据位移评定弯曲量，使散热基底的最上端是标准(0μm)而其移动方向为负方向。
如图10中所示，散热基底越厚，相对于温度的弯曲量的变化越小。在30℃时，最薄的2mm的散热基底显示最大的弯曲量，而最厚的4mm的散热基底显示最小的弯曲量，30℃的弯曲量指焊接后的弯曲量。因此，很清楚，弯曲量随着散热基底变厚而减少。特别是在散热基底具有大于或等于3的厚度的情况下，弯曲相对更小，从而可以减少预先形成的弯曲量。
在使用预先凹入地弯曲的散热基底6来制造功率半导体模块1的过程中，当散热基底6较厚时，预先形成的弯曲量可以较小，并可以防止散热基底6大大地凸出地弯向绝缘基片2。在功率半导体模块1的制造中，从合成弯曲量，转换成平坦或大致平坦状态的容易程度、功率半导体模块1的尺寸等观点来看，散热基底6的厚度最好在3-4mm的范围内。即使在散热基底6具有小于3mm的厚度的情况中，通过合适地选择绝缘基片2的特性，可以减少预先形成的弯曲量并防止散热基底6大大凸出地弯向绝缘基片2。考虑这一点，散热基底6的厚度可以在2-4mm的范围内，以制造功率半导体模块1。
如上所述，在使用无铅焊料制造功率半导体模块1的过程中，可以根据影响弯曲量的各种因素来确定焊接前在散热基底6中所形成的弯曲量，从而确定绝缘基片2的特性(与散热基底6的连接面积、划分状态、导体层2b和2c的厚度和陶瓷板2a的厚度)和散热基底6的特性(平面尺寸和厚度)。可以通过合适地选择弯曲量，获得具有高抗裂性、高性能、高可靠度和长寿命的功率半导体模块1，并可以防止铅的洗提出，绝缘基片2和散热基底6之间的未连接部分的产生，和散热基底6和冷却片之间大间隙的形成。
最后说明形成散热基底6的方法。
可以通过使用压模来形成散热基底6。在形成具有弯曲的散热基底6的情况中，使用具有与弯曲相应的形状的压模。例如，为了形成由铜制成的散热基底6，将铜粉充入具有预定形状的压模，压制形成模制的主体，并在惰性气体中进行热处理等。可以用此方式形成具有与压模相应的形状的散热基底6。在这种方法中，可以通过不用机械加工地改换压模来形成具有各种弯曲量和平面尺寸的散热基底6。
如上所述，在具有以上结构的功率半导体模块中，将无铅焊料用于连接半导体芯片4和绝缘基片2及用于连接绝缘基片2和散热基底6，从而中可以防止环境污染。另外，除了使用无铅焊料外，预先凹入地弯曲散热基底6，使其在焊接后平坦或大致平坦，从而可以降低散热基底6和冷却片之间的接触热阻。结果，可以实现具有散热特性优秀的半导体芯片4的高性能、高可靠度的功率半导体模块1。另外，可以根据功率半导体模块1所希望的的特性选择无铅焊料的类型，以改善功率半导体模块1的抗裂性和寿命。
虽然在以上说明书中主要描述功率半导体模块1中用无铅焊料连接绝缘基片2和散热基底6，在其它半导体器件中，本发明的方法能应用于用无铅焊料连接具有较大的热膨胀系数差的元件。

Claims (23)

1.一种半导体器件，包括：
散热基底、焊接至所述散热基底的绝缘基片和焊接至所述绝缘基片的半导体芯片，所述绝缘基片包括陶瓷板和设置在陶瓷板的两个表的面上的导体层，其中所述绝缘基片用无铅的焊料连接至各半导体芯片和散热基底，且所述散热基底用无铅的焊料焊接成大致平坦的状态。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述无铅焊料具有小于或等于250℃的熔点。
3.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述无铅焊料包含锡和从银、铋、铟、锑、锌、铝和铜中所选择的至少一个。
4.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，在所述绝缘基片中，与所述半导体芯片连接的所述半导体层的厚度等于或小于与所述散热基底连接的所述导体层的厚度。
5.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，在所述绝缘基片中，连接至所述散热基底的所述导体层与连接至所述半导体芯片的所述导体层的体积比大于或等于1。
6.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，在所述绝缘基片中，所述导体层包括铜箔而所述陶瓷板包括氧化铝作为主要成分。
7.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述绝缘基片与所述散热基底和所述半导体芯片连接，以将所述绝缘基片划分成多个部分。
8.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，在所述绝缘基片中，所述导体层具有大于或等于0.4mm的厚度。
9.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，在所述绝缘基片中，所述陶瓷板具有0.2-0.635mm的厚度。
10.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述散热基底包括铜。
11.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述散热基底具有2-4mm的厚度。
12.一种半导体器件的制造方法，所述半导体器件包括：散热基底、焊接至散热基底的绝缘基片和焊接至所述绝缘基片的半导体芯片，所述绝缘基片包括陶瓷板和设置在陶瓷板的两个表面上的导体层，其中
所述半导体芯片用无铅的焊料焊接到所述绝缘基片上，且
在所述散热基底弯曲后用所述无铅焊料将所述绝缘基片焊接至散热基底上，从而通过焊接使与所述绝缘基片相对一侧的表面凸出并大致平坦。
13.如权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述无铅焊料具有小于或等于250℃的熔点。
14.如权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述无铅焊料包含锡和从由银、铋、铟、锑、锌、铝和铜中所选择的至少一个。
15.如权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，根据所述绝缘基片的类型弯曲所述散热基底。
16.如权利要求15所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，根据所述散热基底和所述绝缘基片之间的连接面积弯曲所述散热基底。
17.如权利要求16所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述绝缘基片被划分成多个部分，并根据所述散热基底和划分后的所述绝缘基片之间的连接面积弯曲散热基底。
18.如权利要求15所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，根据所述绝缘基片中所述导体层的厚度弯曲所述散热基底。
19.如权利要求15所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，根据设置在所述绝缘基片中的所述陶瓷板的两个表面上的导体层的体积比弯曲所述散热基底。
20.如权利要求15所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，根据所述绝缘基片中所述陶瓷板的厚度弯曲所述散热基底。
21.如权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，根据所述散热基底的厚度弯曲所述散热基底。
22.如权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，在所述绝缘基片中，所述导体层包括铜箔且所述陶瓷板包括氧化铝作为主要成分。
23.如权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述散热基底包含铜。
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