冷卻器一體型半導體模塊的制作方法

本發明涉及一種在控制大電流、高電壓的電力變換裝置等中使用的電力用半導體模塊。

背景技術：

在以混合動力汽車、電動汽車等為代表的使用馬達的機器中，一直期望節能效果優異的電力變換裝置。在該電力變換裝置中廣泛使用有搭載了例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣柵雙極型晶體管)等電力用(以下，稱為功率)功率半導體元件的功率半導體模塊。為了將向功率半導體元件通入大電流時產生的熱量有效地進行散熱，要求功率半導體模塊為連接于冷卻器、小型且散熱性能優異的結構。

例如，下述的專利文獻1所公開的半導體模塊具備在陶瓷基板的兩個面配置金屬層而成的絕緣電路基板。在絕緣電路基板的一側的主表面上接合有多個功率半導體元件，在另一側的主表面上接合有金屬制的厚的散熱基板。該絕緣電路基板被容納于樹脂殼體中，注入凝膠狀樹脂，從而構成功率半導體模塊。并且，該半導體模塊通過螺栓和螺母隔著散熱油脂被固定于冷卻器。

另一方面，在下述的專利文獻2中公開了在將樹脂密封模塊與冷卻器進行焊料接合后，在焊料接合部的周圍區域的縫隙中填充密封樹脂而成的半導體模塊。

此外，在下述的專利文獻3中公開了如下半導體模塊，該半導體模塊具備：金屬塊、通過焊料層接合于該金屬塊上的半導體元件、對上述金屬塊與上述半導體元件進行塑模(mold)而成的樹脂塑模部，并且在上述金屬塊表面的鍍覆區域和粗糙化區域之中，上述半導體元件搭載于鍍覆區域。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2008-288414號公報

專利文獻2：日本特開2012-142465號公報

專利文獻3：日本特開2012-146919號公報

技術實現要素：

技術問題

然而，在專利文獻2所記載的半導體模塊中，存在如下問題：增加將樹脂填充到包圍焊料接合部的密封樹脂下表面與冷卻器之間的縫隙中的工序的問題、和/或在接合于冷卻器的半導體模塊有多個的情況下不容易將樹脂可靠地填充到縫隙中的問題。

另一方面，在專利文獻3所記載的半導體模塊中，由于在半導體元件與冷卻板之間存在形成有鍍覆區域和粗糙化區域的金屬塊，因此成為密封樹脂與半導體元件、金屬塊、焊料、冷卻板直接接觸的結構，不僅不能稱為緊湊的結構，還存在必需確保在各種界面上的粘合性的問題。

因此，考慮上述問題點，本發明的目的在于提供一種冷卻器一體型半導體模塊，該冷卻器一體型半導體模塊以緊湊的結構具有優異的散熱性能，且與冷卻器的焊料接合的可靠性高、經濟性好。

技術方案

為了解決上述課題，實現該目的，本發明的冷卻器一體型半導體模塊的特征在于，具備：絕緣基板；電路層，設置于上述絕緣基板的正面；半導體元件，與上述電路層電連接；金屬層，設置于上述絕緣基板的背面；密封樹脂，覆蓋上述絕緣基板、上述電路層、上述半導體元件和上述金屬層的一部分；冷卻器，配置于上述金屬層的下表面側；鍍覆層，至少配置于上述密封樹脂的與上述冷卻器相向的面；以及接合部件，將上述鍍覆層與上述冷卻器進行連接。

優選地，在本發明的冷卻器一體型半導體模塊中，上述密封樹脂的與上述鍍覆層的界面的粗糙度以算術平均粗糙度計為5μm以上。

優選地，在本發明的冷卻器一體型半導體模塊中，至少上述密封樹脂的與上述冷卻器相向的面是利用選自化學蝕刻、機械切削、噴砂法、激光處理中的任一方法進行粗糙化而成的面，或者是通過在傳遞成型用金屬模具上預先形成的粗糙面來成形的面。

優選地，在本發明的冷卻器一體型半導體模塊中，上述接合部件的厚度為250μm以下。

優選地，在本發明的冷卻器一體型半導體模塊中，上述接合部件是組成為Sn8％Sb3％Ag的焊料。

優選地，在本發明的冷卻器一體型半導體模塊中，上述鍍覆層具有1μm以上且5μm以下的厚度，并含有選自銅、鎳、金、銀中的至少一種以上的金屬。

技術效果

根據本發明，能夠提供一種以緊湊的結構具有優異的散熱性能，且與冷卻器的焊料接合的可靠性高、經濟性好的冷卻器一體型半導體模塊。

附圖說明

圖1是表示本發明的冷卻器一體型半導體模塊的一個實施方式的剖視圖。

圖2是示出本發明的冷卻器一體型半導體模塊的比較例的剖視圖。

圖3是本發明的冷卻器一體型半導體模塊的實施例與比較例的塑性應變幅的比率(％)的比較圖。

符號說明

1：絕緣布線基板

2：密封樹脂

3：半導體元件

4：焊料層

5：電路層

6：絕緣基板、陶瓷基板

7：金屬層

8、18：焊料層

9：冷卻器、散熱片底座

9a：散熱片

9b：制冷劑流路

10：鍍覆層

11、20：半導體模塊

100、200：冷卻器一體型半導體模塊

具體實施方式

以下，參照附圖對本發明的冷卻器一體型半導體模塊的一個實施方式進行說明。應予說明，在以下的實施例的說明以及附圖中，對同樣的結構標記相同的符號，并省略重復的說明。此外，為了易于觀察或易于理解，在實施例中進行說明的附圖并未以正確的比例、尺寸比進行繪制。本發明只要未超出其主旨，就不限于以下所說明的實施例的記載。

圖1中，通過剖視圖示出了本發明的冷卻器一體型半導體模塊的一個實施方式。冷卻器一體型半導體模塊100具備：具有絕緣布線基板1和半導體元件3的半導體模塊11、以及熱連接于半導體模塊11的冷卻器9。絕緣布線基板1具有絕緣基板6、配置在絕緣基板6的一側的主表面的電路層5、配置在絕緣基板6的另一側的主表面的金屬層7，并在電路層5上通過焊料層4接合有半導體元件3，這些全部被密封樹脂2所被覆。在本發明中，在半導體模塊11的與冷卻器9相向的面上設置有鍍覆層10。

對于半導體元件3的種類并不特別限定。例如，可以是IGBT、功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金屬氧化物半導體場效應晶體管)或FWD(Free Wheeling Diode：續流二極管)，還可以是將它們形成在一個半導體元件中的RB-IGBT(Reverse Blocking-Insulated Gate Bipolar Transistor：逆阻型絕緣柵雙極型晶體管)或RC-IGBT(Reverse Conducting-Insulated Gate Bipolar Transistor：反向導通型絕緣柵雙極型晶體管)。

在半導體元件3的上表面的電極膜(未圖示)上導電連接有包含導電性良好的銅、鋁合金等金屬，并由引腳布線、引線布線和/或引線框布線等構成的電路布線(未圖示)的一側的端部。此外，該電路布線(未圖示)的另一側的端部連接于從密封樹脂2引到外部的外部連接端子(未圖示)。半導體元件3的下表面的電極膜(未圖示)通過焊料層4熱性能良好且電氣性良好地連接于電路層5的所需的位置。電路層5為銅等導電性良好的金屬箔等被預先接合于絕緣性的陶瓷基板等絕緣基板上表面而成的電路層。作為焊料層4的焊料的種類，可使用SnSb系、SnSbAg系的無鉛焊料等。但是，優選該焊料層4的焊料的熔點比后述的焊料層8的焊料的熔點溫度高，以使焊料層4在焊料層8的形成時不會再次熔融。該電路層5與預先接合于絕緣基板6的背面側的金屬層7以使它們兩層間具有電氣上可靠絕緣的預定的爬電距離 的方式分別配置在從絕緣基板的外周邊靠向內側的位置。金屬層7優選包括導電性良好的銅等。

冷卻器9在內部具備被多個散熱片9a分隔的制冷劑流路9b。該冷卻器9通過焊料層8直接接合于上述絕緣基板6的下表面側的金屬層7。與在半導體模塊背面和冷卻器之間存在厚的散熱基板或導熱性差的散熱油脂的以往的接合結構相比，本發明所具備的接合結構在尺寸小巧的情況下熱阻小，能夠改善冷卻效率(散熱性能)。

應予說明，在圖1所示的冷卻器一體型半導體模塊100的剖視圖中，僅搭載有一個半導體元件3，但是二合一(2in1)模塊等則并聯連接多個半導體元件從而能夠增大額定輸出。例如，可以采用將三個無散熱基板的二合一結構的樹脂密封模塊單元(以下，僅稱為單元)焊料接合于冷卻器的上表面的六合一半導體模塊構成、或將六個一合一(1in1)結構的樹脂密封單元進行排列的單元集合結構的模塊構成。這樣，在將分割得較小的單元集合的構成的無散熱基板結構的模塊中，能夠減小樹脂體積，從而降低應力，抑制密封樹脂的龜裂。此外，在本發明中，通過鍍覆層10來確保半導體模塊11與冷卻器9的接合強度，因此，即使增加半導體元件數量，也能夠防止由起因于熱膨脹系數差的熱應力(翹曲應力)引起的龜裂、剝離等。

此外，也可以將多個半導體元件3的種類替換為種類各不相同的半導體元件。例如，可以為在將IGBT與FWD兩個元件排列并進行焊料連接之后，以反向并聯連接的方式進行布線連接的結構。

進一步地，圖1中也可以在電路層5的上表面或金屬層7的下表面插入銅等導熱性良好的金屬塊(未圖示)并進行焊料接合。通過該金屬塊的插入，能夠將在半導體元件3產生的熱量立即傳遞到熱容大且熱阻比焊料小的金屬塊，能夠進一步降低熱阻。此外，在金屬層7的下部設置金屬塊的結構能夠抑制在焊料接合到冷卻器9時產生的熱應力(翹曲應力)，還能夠降低對厚度薄的絕緣基板6的不良影響，因此是優選的。能夠降低上述不良影響的理由是因為起因于絕緣基板6與冷卻器9之間的熱膨脹系數差的熱應力被夾在中間的金屬塊所抑制。

在本發明的冷卻器一體型半導體模塊中，覆蓋半導體模塊11的密封樹脂2以金屬層7的背面露出的方式而形成。該密封樹脂2只要是具有預定的絕緣性能，且成型性良好的樹脂即可，并不特別限定其樹脂材料，例如優選使 用環氧樹脂等。

在本發明的冷卻器一體型半導體模塊中，在露出于半導體模塊11的下表面的金屬層7和該金屬層7的周圍的密封樹脂2的下表面形成有鍍覆層10。如果在半導體模塊11的下表面的整個面設置鍍覆層10，則能夠抑制在焊料接合后產生的起因于上述熱膨脹系數差的翹曲。

對于鍍覆層10并不特別限定，可以優選使用例如銅、鎳、金、銀等金屬的單層膜，或包含它們的金屬膜的層疊膜，或含有這些金屬中的至少一種以上的金屬的合金膜。此外，鍍覆層10的厚度優選為1μm以上且5μm以下的范圍。如果鍍覆層10的厚度小于1μm則過于薄，因此在與冷卻器9進行焊料接合時，鍍覆層10被焊料熔蝕而消失，抑制翹曲的功能變弱，產生焊料龜裂、焊料斷裂的問題。另一方面，大于5μm的厚度會導致成本上升。

如果被粘著該鍍覆層10的密封樹脂2的下表面被粗糙化，則鍍覆層10對密封樹脂2的粘附性提高，因此特別優選。作為將樹脂下表面粗糙化的方法，可以使用例如化學蝕刻、機械切削、噴砂(Sandblast)、激光處理或預先將成型金屬模具的表面進行粗糙化等方法。特別地，如果粗糙化的程度以JIS標準B0601所規定的算術平均粗糙度計為5μm以上，則鍍覆層10的粘附強度變高，因此是優選的。與此相對，如果表面粗糙度小于5μm，則粘附強度低，鍍覆層變得容易從樹脂下表面剝離。例如，如果鍍覆層10在焊料接合時或其后的熱循環(Heat cycle)后從密封樹脂的下表面剝離，則由于熱應力而在絕緣布線基板產生翹曲，因此不優選。如果在鍍覆層10的形成前將密封樹脂2的下表面粗糙化從而提高鍍覆層10與密封樹脂2的粘附強度，則能夠防止鍍覆層10的剝離，從而防止翹曲。

在本發明的冷卻器一體型半導體模塊中，形成于半導體模塊11的下表面的鍍覆層10通過焊料層8與冷卻器9接合。應予說明，由于接合半導體模塊11與冷卻器9的工序在半導體模塊11的制造工序中的樹脂密封工序之后，所以如果半導體模塊11與冷卻器9的接合時的焊接溫度高，則產生因密封樹脂2的收縮應力導致半導體元件3損壞的問題。因此，焊料層8優選為熔點低且高強度的SnSbAg系。特別地，在本發明中，在密封樹脂2的下表面的整個面粘著有鍍覆層10，并將半導體模塊11的下表面的整個面與冷卻器9進行焊料接合。其結果，即使在焊料接合工序中在焊料上產生龜裂，也由于焊料的接合面積大，而能夠使從焊料層的端部產生的焊料龜裂的容許長度加長， 能夠期待可靠性的提高。此外，由于能夠將半導體模塊11的密封樹脂下表面整個面固定于冷卻器，所以能夠抑制在溫度循環中的半導體模塊11的變形，提高焊料層8的可靠性(例如，龜裂的抑制)，防止樹脂斷裂等不良。

如以上所說明，根據本發明的實施方式，能夠提高冷卻器一體型半導體模塊100的可靠性。

在未采用本發明的實施方式的情況下，可預料產生如下問題。在圖2所示的冷卻器一體化半導體模塊200中，在焊料層18的周圍的密封樹脂2與冷卻器9之間產生縫隙。由于在絕緣布線基板1與冷卻器9的線性熱膨脹系數上存在差異，所以起因于該差異的熱應力的影響容易表現在厚度薄、機械強度低的絕緣布線基板1上。其結果，有可能在絕緣布線基板1上容易產生變形，使焊料接合部18的可靠性成為問題。此外，在將無散熱基板結構的半導體模塊20通過嵌件成型(Insert molding)進行樹脂密封的情況下，如果搭載在模塊20內的功率半導體元件3的數量逐漸增加，則樹脂體積變得過大，變得容易在樹脂上產生龜裂。

實施例

以下，對通過熱應力模擬來預測冷卻器一體型半導體模塊的溫度循環(-40℃～105℃)的可靠性的實施例進行說明。

[實施例]

圖1中示出了用于實施例的計算的冷卻器一體型半導體模塊100的剖面。半導體模塊11的絕緣布線基板1具備：厚度0.32mm的以氮化硅為主要成分的陶瓷制的絕緣基板6、配置在絕緣基板6的一側的主表面的厚度0.4mm的由銅合金構成的電路層5、以及配置在絕緣基板6的另一側的主表面的厚度0.4mm的由銅合金構成的金屬層7。在電路層5上通過SnSb系焊料層4接合有一個IGBT結構的半導體元件3。對絕緣布線基板1和半導體元件3進行被覆的密封樹脂2通過環氧樹脂的嵌件成型而形成。并且，在半導體模塊11的背面的整個面配置有厚度5μm的鎳鍍覆層10。另一方面，冷卻器9具備：通過鋁合金(A6063)的擠出成型而形成的厚度1mm的外殼、以及厚度0.8mm的散熱片。半導體模塊11通過厚度0.25mm的Sn8％Sb3％Ag焊料層8與冷卻器9連接。金屬組成比率以質量百分比表示。即，包含：Sn 89％、Sb 8％、Ag 3％。但是，在各組成比率中，也可以包含在焊料的生產工序中不可避免的微量的雜質。

[比較例]

圖2中示出了用于比較例的計算的冷卻器一體型半導體模塊200的剖面。在半導體模塊20的背面未形成有鎳鍍覆層10，且在焊料層18的周圍區域，在密封樹脂2的下表面與冷卻器9之間產生有縫隙。但是，除此以外的構成與實施例相同。

[熱應力模擬]

在熱應力模擬中，計算使整個半導體模塊的溫度從-40℃變化到105℃時，在焊料層8產生的塑性應變幅(％)，將計算結果示于圖3。

通常，焊料的低周疲勞壽命遵循下述(1)式的曼森-科菲定律(Manson-Coffin law)。

ΔεpNfb＝C …(1)

(Δεp：塑性應變幅，Nf：疲勞壽命，b、C：基于材料的常數)

根據圖3，如果本發明的冷卻器一體型半導體模塊的塑性應變幅比率以比較例的塑性應變幅比率為100％，則本發明中為20％，降低到五分之一。因此，如果遵循曼森-科菲定律，則塑性應變幅小的本發明的冷卻器一體型半導體模塊的壽命變得更長。

根據以上說明的本發明的實施例，沒有用于利用螺栓螺母將半導體模塊固定于冷卻器所需的以往的散熱基板，還不需要散熱油脂，因此外形緊湊，散熱性能變高。在將半導體模塊直接焊料接合于冷卻器時，由于焊料接合部擴展到半導體模塊下表面的整個鍍覆層，所以與沒有鍍覆層的以往半導體模塊相比，焊料接合部的良品率變高，可靠性提高。