CN1832157A - 半导体功率组件 - Google Patents

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濑户贞至
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Abstract

本发明提供了一种大电流容量的半导体功率组件，其提高了相对于半导体芯片热循环的可靠性，并且通过无Pb焊锡化以及使结构更简易而使经济生优异。绝缘基板(2)夹着绝缘层(21)，在其一面上形成金属布线图案(22)，在另一面上形成金属导体(23)，使用低熔点无Pb焊锡(3)将半导体芯片(1)焊接在绝缘基板(2)一面的金属布线图案(22)上。使用导热率为2W/(mK)以上的高导热性粘接剂(5)使绝缘基板(2)另一面的金属导体(23)与散热器(4)粘接。本发明不必使用现有技术中熔点不同的两种焊锡，实现了无Pb焊锡化，同时使到达散热器(4)的热阻降低，实现了可靠性和经济性。

Description

半导体功率组件
技术领域
[0001]
本发明涉及一种适于IGBT、MOS-FET或SIT等半导体功率开关元件的安装的半导体功率组件结构。
发明背景
[0002]
在发动机控制、使用于电能转换等的半导体功率组件中，例如，如专利文献1的图9中所公开，在一个半导体功率组件中，使用熔点高的焊锡和熔点低的焊锡。即，首先用熔点高的焊锡焊接半导体功率开关元件和在绝缘基板一面上形成的金属布线图案，同时用熔点低的焊锡焊接在基板另一面上形成的金属导体和金属基座。进一步地，可以通过导热性良好的润滑脂将该金属基座压接在作为散热部件的散热器上。
[0003]
另外，专利文献2中的图2和图4中公开了以下技术：使用Pb料焊锡将半导体芯片与氧化铝绝缘基板一面上的金属布线图案焊接，同时利用导热性粘接剂使绝缘基板的另一面与散热器(金属背面板)直接粘接在一起。在其图4中，重视从半导体芯片到横向方向的热排放，在半导体芯片正下方的绝缘基板的另一面上形成金属导电材料的厚膜，使上述导热性粘接剂变薄该部分量。
[0004]
专利文献1：特开2001-110985号公报(图9)；
专利文献2：特开平7-7027号公报(图2、图4)。
发明内容
[0005]
近年来，一直希望减少对环境影响大的物质，即减少Pb(铅)、Cd(镉)、Cr(铬)等物质。因为在电子部件的安装中使用的焊锡大多含有Pb，所以正在更换成实际意义上不含有Pb的所谓无Pb焊锡。在各种应用的熔点比较低的焊锡中，作为一个例子，可以列举由3.5重量％的Ag(银)、1.5重量％的Cu(铜)、其余为Sn(锡)组成的无Pb焊锡。相对于这个来说，目前正在应用的高熔点焊锡中只有由80重量％的Au(金)、其余为Sn(锡)组成的无Pb焊锡，因为其含有较多的Au，因而价格变得非常高。因此，半导体功率组件的无Pb化因考虑到成本增加而被延迟。
[0006]
在专利文献1的图9中公开的技术中，高熔点及低熔点两种焊锡工序是必须的，但不仅不能无Pb化，而且制造工序复杂化，并且经济性也存在问题。
[0007]
另一方面，专利文献2的图2和4中公开的技术中，因热循环而引起应力变弱，使可靠性存在问题，特别是在100[A]以上的大电流容量的半导体功率组件中不能实现。
发明内容
[0008]
本发明的目的是提供一种制造工艺更简单且经济性优异、并且相对于热循环来说具有高可靠性的半导体功率组件。
[0009]
本发明的另一目的是提供一种能够无Pb化的大电流容量的半导体功率组件。
[0010]
在本发明中，使用在绝缘层的一面上形成金属布线图案、在另一面上具有金属导体的绝缘基板。在绝缘基板的大致整个表面上形成安装半导体芯片的金属布线图案之后，根据布线的必要性通过蚀刻使其图案化。为了抑制因表里两面之间的热膨胀而引起的弯曲，抑制因热循环而在半导体芯片和半导体芯片下面的焊锡中产生的变形，在绝缘层另一面的实际整个表面上形成绝缘层另一面的金属导体，同时其厚度应当在绝缘层一面上的金属布线图案的厚度以下。例如，绝缘层一面的金属布线图案厚度为0.3[mm]，绝缘层另一面的金属导体厚度为0.2[mm]，试图使表里两面之间的强度平衡，并且抗由热循环引起的应力强。
[0011]
另外，夹着该绝缘基板的绝缘层的金属布线图案和金属导体优选为Ag、Cu、Al或包含它们的金属。
[0012]
在本发明其一方面中，绝缘基板一面的金属布线图案和半导体芯片通过焊锡相焊接，绝缘基板另一面的金属导体通过高导热性粘接剂与散热器热连接。
[0013]
在此，上述绝缘基板优选在绝缘层另一面的实际整个表面上形成绝缘层另一面的金属导体，同时其厚度为绝缘层一面的金属布线图案的厚度以下。
[0014]
另外，使绝缘基板一面的金属布线图案和半导体芯片相焊接的焊锡为250℃以下的低熔点焊锡，优选为无Pb焊锡。
[0015]
另外，可以使用高导热性粘接剂使绝缘基板另一面的金属导体与包含铜的金属基座相粘接，进一步通过导热性润滑脂与散热器热连接
[0016]
在本发明另一方面中，绝缘基板的金属布线图案和半导体芯片通过低熔点焊锡相焊接，绝缘基板的金属导体通过高导热性粘接剂与散热器直接粘接。
[0017]
在此，上述低熔点焊锡优选为无Pb焊锡。
[0018]
在本发明更优选的实施方式中，使绝缘基板另一面的金属导体焊接在金属基座或散热器(散热部件)上的导热性粘接剂的导热率为2W/(mK)以上。
发明效果
[0019]
根据本发明的优选实施方式，通过两面具有金属导电体的绝缘基板和高导热性粘接剂的组合，能够降低由施加到半导体芯片下焊锡的热循环引起的应力，并且确保高可靠性。而且，可以提供一种通过单一焊锡使制造工艺更简易且经济性优异的大电流容量的半导体功率组件。
[0020]
另外，根据本发明的优选实施方式，半导体功率组件中使用的焊锡在绝缘基板的金属布线图案和功率半导体芯片之间仅为一种就可以，不必分开使用高熔点焊锡和低熔点焊锡。由此，能够使用在现有功率组件中难以适用的低熔点焊锡，尤其是使用无Pb焊锡，可以实现了大电流容量半导体功率组件的无Pb化。
[0021]
进一步根据本发明其他的优选实施方式，通过绝缘基板的金属导体和散热器(散热部件)用导热性粘接剂直接焊接在一起，故可以省略金属基座，可以降低大电流容量半导体功率组件的厚度和重量。而且，能够提高从半导体芯片到散热器的散热性，再者由于结构更简易可以进一步降低生产成本。
[0022]
更进一步，根据本发明其他的优选实施方式，在使用导热率为2W/(mK)以上高导热性粘接剂的情况下，能够抑制从半导体芯片到散热器(散热部件)的热阻，使其比现有功率组件结构的热阻小。
[0023]
本发明其他目的和特征在下述实施例中显而易见。
附图说明
图1为根据本发明实施方式1的半导体功率组件的剖面结构图。
图2为图1中主要部分的放大图。
图3为根据本发明实施方式2的半导体功率组件的剖面结构图。
图4为图3中主要部分的放大图。
图5为半导体功率组件比较例的主要部分的剖面结构图，该比较例用于与导热粘接剂的导热率相对的热阻与本发明实施方式1的热阻进行比较。
图6为表示本发明的图1的实施方式1的第2实施例半导体功率组件和图5所示的机构的第1比较例的、相对于导热粘接剂的导热率的热阻之比的图。
图7为表示本发明的图1的实施方式1的第2实施例半导体功率组件和图5所示的机构的第2比较例的、相对于导热粘接剂的导热率的热阻之比的图。
图8为表示本发明实施方式1的第3实施例的半导体功率组件和如图5示出结构的第三比较例的、相对于导热粘接剂的导热率的热阻之比的图。
[符号说明]
1：半导体芯片、2：绝缘基板、3：绝缘层(氮化硅)、22：金属布线图案、23：金属导体、3：低熔点无Pb焊锡、4：散热器、5：高导热性粘接剂、6：树脂壳体、71～73：铜母线棒、81，82：键合引线、9：控制基板、10：硅胶、11，13：导热性润滑脂、12：铜基座。
具体实施方式
[0024]
实施方式1：
图1为根据本发明实施方式1的半导体功率组件的剖面结构图、图2为图1中主要部分的放大图。
[0025]
作为半导体功率开关元件MOS-FET的芯片1安装在绝缘基板2上。通过夹着由氮化硅制得的绝缘层21，该绝缘基板2在其一面上形成金属布线图案22，在其另一面上形成金属导体23。使用作为250℃以下的低熔点焊锡的无Pb焊锡3使半导体芯片1焊接在绝缘基板2一面上形成的金属布线图案22上。使安装了半导体芯片1的绝缘基板2装配在铝(Al)制散热器4上。即，使用高导热性粘接剂5将绝缘基板2的另一面的金属导体23粘接在散热器4上。该高导热性粘接剂5的导热率为2W/(mK)以上。
[0026]
通过夹着硅粘接剂111、112，使树脂制的壳体6安装在散热器4上，在该树脂制的壳体6中嵌入形成铜母线棒71～73。焊接了半导体芯片1的金属布线图案22通过键合引线81、82与铜母线棒72和73相连接。壳体6的上端由功率组件的控制基板9覆盖，在壳体6的内部填充密封剂硅胶10。
[0027]
如上所述，通过夹着氮化硅绝缘层21，绝缘基板2在其一面上形成金属布线图案22，在其另一面上形成金属导体23。这些金属布线图案22和金属导体23为Ag、Cu、Al或含有它们的金属。在绝缘层21的大致整个表面上形成装配了半导体芯片1的金属布线图案22之后，根据布线的必要性通过蚀刻使其图案化。
[0028]
在此，绝缘基板2成为在实际使用上耐热循环、实现表里两面之间热膨胀平衡、抑制焊锡23应力变形这样的结构。因此，绝缘基板2另一面的金属导体23形成在绝缘层21实际整个表面上，同时形成为比绝缘基板2一面的金属布线图案22薄。具体来说，一面的金属布线图案22的厚度为0.3[mm]时，因为根据布线的必要性要通过蚀刻使其图案化，所以该金属布线图案22例如假定具有整个表面上形成的金属导体的2/3左右的强度。在该假定的情况下，通过使绝缘基板2另一面的金属导体23的厚度为一面金属布线22的厚度的2/3即0.2[mm]左右，能够实现表里两面之间的强度平衡，并且使热循环应力变强。由此，可以降低由在焊锡3中加入的热循环而引起的应力，并且提高可靠性。根据这种理由，绝缘基板2另一面的金属导体23的厚度应该为一面金属布线图案22的厚度以下。
[0029]
根据该实施方式1，绝缘基板2具有在两面之间平衡且能取下的金属导电体22、23，通过绝缘基板2和高导热性粘接剂5之间的组装，能够降低由在焊锡3中加入的热循环而引起的应力，并且确保高可靠性。
[0030]
另外，这样提供的大电流容量的半导体功率组件，其所使用的焊锡3只是一种，不必分开使用熔点不同的多种焊锡，并且制造工艺更简易，经济性优异。因此，可以使用在现有功率组件中难以适用的无Pb焊锡3。
[0031]
进一步地，因为绝缘基板2的金属导体23和散热器4通过高导热性粘接剂5直接焊接，故可以省略现有技术中的金属基座，不仅降低量大电流容量半导体功率组件的厚度和重量，还由于结构更简易而降低了生产成本。附加地，可以提高从半导体芯片1到散热器4的散热性。特别是如果使用导热率为2W/(mK)以上的高导热性粘接剂5，就可以抑制从半导体芯片1到散热器4之间的热阻，使其比现有技术使用金属基座的结构的热阻小。
[0032]
而且，在该实施方式1中，虽然在绝缘基板2中使用的绝缘层21中使用氮化硅，但是也可以使用其他绝缘材料。另外，虽然图中分别示出一根根键合引线(铝布线)81、82，但是根据功率组件的规格和线的直径，线的根数会不同。进一步地，虽然示出了在使用作为半导体功率开关元件的MOS-FET的情况下的布置结构，但是不言而喻也适用于如IGBT和SIT、或与它们反向并联的二极管的组合那样的任何半导体开关元件的情况。
[0033]
实施方式2：
图3为根据本发明实施方式2的半导体功率组件的剖面结构图，图4为图3中主要部分的放大图。
[0034]
在图3、4中，和图1、2相同的功能部件使用相同的符号，避免重复说明。该实施方式2与图1、2的实施方式1不同之处在于：使铜制金属基座12和导热性润滑脂13介于绝缘基板2和散热器4之间。铜基座12中，通过使用高导热性粘接剂5使绝缘基板2粘接在其表面上。而且，与实施方式1相同，用低熔点无Pb焊锡3使半导体芯片1焊接在绝缘基板2一面的金属布线图案22上。
[0035]
如此一来，安装了半导体芯片1的铜基座12夹着润滑脂13由壳体6固定在散热器4上。
[0036]
根据该实施方式2，与实施方式1一样，通过具有在两面之间取得平衡的金属导电体22、23的绝缘基板2和高导热性粘接剂5的结合，能够降低由在半导体芯片1中加入的热循环而引起的应力，并且确保高可靠性。
[0037]
另外，可以提供一种大电流容量半导体功率组件，其所使用的焊锡3仅为一种就可以了，不必分开使用熔点不同的多种焊锡，并且制造工艺更简易、经济性优异。因此可以使用在现有技术的功率组件中难以适用的无Pb焊锡3。
[0038]
另外，因为可以在铜基座12上嵌入绝缘基板2和半导体芯片1，所以进一步可以提供一种制造工艺更简易、经济性更优异的大电流容量的半导体功率组件。
[0039]
接下来，计算出根据本发明在图1，2的实施方式1的结构中从半导体芯片1的下面到散热器4的散热片根部的热阻。其中，将半导体芯片1的散热计算成从半导体芯片1的下面在45°方向上传导的热量。
[0040]
第一实施例：
半导体芯片1的尺寸为7.7mm×7.7mm×0.2mm，无Pb焊锡3的厚度为0.11mm，其导热率为30W/(mK)。而且，绝缘基板2一面的金属布线图案22的材料为Cu，厚度为0.4mm，导热率为380W/(mK)。绝缘基板2中绝缘层21的材料为氮化硅，厚度为0.32mm，导热率为62W/(mK)，另一方面，绝缘基板2另一面的金属导体23的材料为Cu，厚度为0.4mm，导热率为380W/(mK)。进一步地，高导热性粘接剂5的厚度为0.1mm，从散热器4的粘接面到散热片根部的距离为8mm，导热率为151W/(mK)。
[0041]
基于以上数值，计算出各部件的热阻。第i组部件的导热率为Ci，厚度为ti，平均剖面面积为Si，第i组部件的热阻Rthi由下式得出。
[0042]
Rthi＝ti/(Si·Ci)
从半导体芯片1的下面到散热器4的散热片根部的热阻Rth可以通过用于求各部件热阻Rthi之和的下式求得。
[0043]
Rth＝∑Rthi
比较例：
图5为用于验证根据本发明半导体功率组件的效果的比较例结构图。作为绝缘基板，与本发明相同，使用在绝缘层21一面上形成金属布线图案22、在另一面上形成金属导体23的绝缘基板2。不同之处在于：首先半导体芯片1和绝缘基板2一面的金属布线图案22通过高熔点含Pb焊锡31焊接。而且，绝缘基板2另一面的金属导体23和铜基座12通过低熔点含Pb焊锡32焊接。13为导热性润滑脂。
[0044]
计算出该比较例结构中从半导体芯片1的下面到散热器4的散热片根部的热阻。与第一实施例相同，将半导体芯片1的散热计算成从半导体芯片1的下面在45°方向上传导的热量。
[0045]
第一比较例：
半导体芯片1的尺寸为7.7mm×7.7mm×0.2mm，含Pb焊锡31、32的厚度为0.11mm，其导热率为30W/(mK)。而且，铜基座12的厚度为3mm，导热率为380W/(mK)。进一步地，导热性润滑脂13的厚度为0.1mm，导热率为1W/(mK)。其他各部件的材料、厚度、导热率与第一实施例的数值相同。
[0046]
基于以上数值，计算出从半导体芯片1的下面到散热器的散热片根部的热阻Rth。计算方法与第一实施例相同。
[0047]
图6中示出在第一实施例和第一比较例中计算出的功率组件的热阻结果。
[0048]
图6中，横轴表示第一实施例中高导热性粘接剂5的导热率，纵轴表示各导热率中第一实施例的热阻与第一比较例结构的热阻之比。
[0049]
根据图6判断出：如果高导热性粘接剂5的导热率为大约5W/(mK)以上，那么第一实施例的热阻比第一比较例结构的热阻小。
[0050]
第二实施例：
根据本发明图1、2的实施方式1的功率组件，计算出半导体芯片1的芯片尺寸为9mm×9mm×0.2mm时从半导体芯片1的下面到散热器4的散热片根部的阻抗Rth。其他各部件的材料、厚度、导热率及计算方法与第一实施例相同。
[0051]
第二比较例：
根据图5的比较例结构的功率组件，计算出半导体芯片1的芯片尺寸为9mm×9mm×0.2mm时的从半导体芯片1的下面到散热器4的散热片根部的阻抗Rth。其他各部件的材料、厚度、导热率及计算方法与第一实施例相同。
[0052]
图7为在第二实施例和第二比较例中计算出的功率组件的热阻结果。
[0053]
图7中，横轴表示第二实施例中高导热性粘接剂5的导热率，纵轴表示各导热率中第二实施例的热阻与第二比较例结构的热阻之比。
[0054]
根据图7判断出：如果高导热性粘接剂5的导热率为大约2W/(mK)以上，那么第二实施例的热阻比第二比较例结构的热阻小。
[0055]
第三实施例：
根据本发明图1、2实施方式1结构的功率组件，计算出半导体芯片1的芯片尺寸为7mm×9mm×0.2mm时从半导体芯片1的下面到散热器4的散热片根部的阻抗Rth。各部件的材料、厚度、导热率及计算方法与第一实施例相同。
[0056]
第三比较例：
根据图5中比较例结构的功率组件，计算出半导体芯片1的芯片尺寸为7mm×9mm×0.2mm时从半导体芯片1的下面到散热器4的散热片根部的阻抗Rth。其他各部件的材料、厚度、导热率及计算方法与第一实施例相同。
[0057]
图8为在第三实施例和第三比较例中计算出的功率组件的热阻结果。
[0058]
图8中，横轴表示第三实施例中高导热性粘接剂5的导热率，纵轴表示各导热率中第三实施例的热阻与第三比较例结构的热阻之比。
[0059]
根据图8，判断出：如果高导热性粘接剂5的导热率为大约2W/(mK)以上时，第三实施例的热阻比第三比较例结构的热阻小。
[0060]
以上，根据第1～3实施例，绝缘基板2在绝缘层21两面上具有金属导体层22、23，通过在绝缘基板2和散热器4的连接中使用高导热性粘接剂5，可以降低从半导体芯片1到散热器4的散热面的热阻。而且，通过这样，使连续额定电流为100[A]以上的半导体功率组件可以实现无Pb化。

Claims (20)

1、一种半导体功率组件，具有绝缘基板、设置在该绝缘基板一面上的金属布线图案、安装在该金属布线图案上的功率半导体元件以及与上述绝缘基板另一面热连接的散热器，其特征在于：
上述绝缘基板夹着绝缘层，在其一面上形成上述金属布线图案，在另一面上层叠金属导体，通过焊锡焊接上述功率半导体元件和上述绝缘基板的上述布线图案，并且通过高导热性粘接剂使上述绝缘基板另一面的上述金属导体与上述散热器热连接。
2、根据权利要求1的半导体功率组件，其特征在于：上述焊锡为250℃以下的低熔点焊锡。
3、根据权利要求1的半导体功率组件，其特征在于：上述焊锡为无Pb焊锡。
4、根据权利要求1的半导体功率组件，其特征在于：上述金属导体在上述绝缘基板另一面的实际整个表面上形成，并且其厚度为上述绝缘基板一面的上述布线图案的厚度以下。
5、根据权利要求1的半导体功率组件，其特征在于：上述绝缘基板另一面的上述金属导体通过上述高导热性粘接剂与上述散热器直接粘接。
6、根据权利要求1的半导体功率组件，其特征在于：上述绝缘基板另一面的上述金属导体与上述散热器的热连接就是：通过高导热性粘接剂使上述金属导体连接在铜基座上，使该铜基座夹着导热性润滑脂安装在上述散热器上。
7、根据权利要求1的半导体功率组件，其特征在于：上述高导热性粘接剂的导热率为2W/(mK)以上。
8根据权利要求1的半导体功率组件，其特征在于：上述金属布线图案和上述金属导体由Ag、Cu、Al或包含它们的金属形成。
9、根据权利要求1的半导体功率组件，其特征在于：上述功率半导体组件的连续额定电流为100[A]以上。
10、一种半导体功率组件，具有绝缘基板、设置在该绝缘基板一面上的金属布线图案、安装在该金属布线图案上的功率半导体元件以及与上述绝缘基板另一面热连接的散热器，其特征在于：
上述绝缘基板夹着绝缘层，在其一面上形成金属布线图案，在另一面上层叠金属导体，通过250℃以下的低熔点焊锡焊接上述功率半导体元件和上述绝缘基板的上述布线图案，并且通过高导热性粘接剂使上述绝缘基板另一面的上述金属导体与上述散热器直接相连接。
11、根据权利要求10的半导体功率组件，其特征在于：上述焊锡为无Pb焊锡。
12、根据权利要求10的半导体功率组件，其特征在于：上述金属导体在上述绝缘基板另一面的实际整个表面上形成，同时其厚度为上述绝缘基板一面的上述布线图案的厚度以下。
13、根据权利要求10的半导体功率组件，其特征在于：上述高导热性粘接剂的导热率为2W/(mK)以上。
14、根据权利要求10的半导体功率组件，其特征在于：上述金属布线图案和上述金属导体由Ag、Cu、Al或包含它们的金属形成。
15、根据权利要求10的半导体功率组件，其特征在于：上述功率半导体组件的连续额定电流为100[A]以上。
16、一种半导体功率组件，具有绝缘基板、设置在该绝缘基板一面上的金属布线图案、安装在该金属布线图案上的功率半导体元件以及与上述绝缘基板另一面热连接的散热器，其特征在于：上述绝缘基板夹着绝缘层，在其一面上形成金属布线图案，在另一面上层叠金属导体，通过250℃以下的低熔点焊锡焊接上述功率半导体元件和上述绝缘基板的上述布线图案，并且上述绝缘基板另一面的上述金属导体通过高导热性粘接剂与包含铜的金属基座相连接，通过导热性润滑脂使该金属基座的另一面与上述散热器相连接。
17、根据权利要求16的半导体功率组件，其特征在于：上述焊锡为无Pb焊锡。
18、根据权利要求16的半导体功率组件，其特征在于：上述金属导体在上述绝缘基板另一面的实际整个表面上形成，并且其厚度为上述绝缘基板一面的上述布线图案的厚度以下。
19、根据权利要求16的半导体功率组件，其特征在于：上述高导热性粘接剂的导热率为2W/(mK)以上。
20、根据权利要求16的半导体功率组件，其特征在于：上述功率半导体组件的连续额定电流为100[A]以上。
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