半导体模块的制作方法

1.本发明涉及半导体模块，特别地，涉及抑制了散热性的下降的半导体模块。


背景技术：

2.为了改善半导体模块的散热性，在专利文献1中公开了以下结构，即，通过在半导体芯片的散热平面设置无数蜂窝状的小孔而捕获在散热板与散热器之间的填充材料产生的空隙，对妨碍热从半导体芯片向散热器的传播这一情况进行抑制，维持半导体模块的散热性。
3.专利文献1：日本特开2013－120866号公报
4.如果仅仅是如专利文献1所示通过在半导体芯片的散热平面设置蜂窝状的小孔而捕获空隙，则能够维持良好的散热性的时间有限，如果以半导体模块的实际使用的运转时间来考虑，则存在从散热性维持的观点来看无法得到充分的效果的问题。


技术实现要素：

5.本发明就是为了解决上述这样的问题而提出的，其目的在于，提供能够抑制随时间变化而产生的散热性的下降，维持散热性的半导体模块。
6.本发明涉及的半导体模块具有：多个半导体芯片；模块基板，其搭载所述多个半导体芯片；散热器，其搭载所述模块基板；以及填充材料，其填充于所述模块基板与所述散热器之间，所述模块基板具有：散热板；以及绝缘基板，其设置于所述散热板之上，搭载所述多个半导体芯片，所述散热板具有在与所述散热器相对的面设置的多个凹部及至少1个槽部，所述多个凹部设置在与所述多个半导体芯片的配置区域的下方对应的区域，所述至少1个槽部设置在与所述多个半导体芯片中的至少1个和相邻的其它半导体芯片之间的区域的下方对应的区域，所述填充材料也填充于所述多个凹部。
7.发明的效果
8.根据本发明涉及的半导体模块，在散热板的与散热器相对的面设置有多个凹部，在多个凹部中也填充有填充材料，因此，在由于散热板的热变形而产生了泵出的情况下，在多个凹部内填充的填充材料被向与散热器相对的面压出，由此能够补充填充材料，抑制半导体模块的散热性的下降。另外，通过设置至少1个槽部，从而缓和在相邻的半导体芯片之间由发热引起的热干涉，通过降低半导体模块整体的最大温度，从而能够抑制泵出的产生。
附图说明
9.图1是表示实施方式1的半导体模块的主要部分的结构的剖视图。
10.图2是表示实施方式1的半导体模块的主要部分的结构的剖视图。
11.图3是从下表面观察实施方式1的半导体模块的模块基板时的平面图。
12.图4是表示实施方式2的半导体模块的主要部分的结构的剖视图。
13.图5是从上表面侧观察实施方式3的半导体模块时的平面图。
14.图6是表示在实施方式3的半导体模块搭载的逆变器电路的结构的电路图。
15.图7是从上表面侧观察实施方式4的半导体模块时的平面图。
16.图8是从上表面侧观察实施方式5的半导体模块时的平面图。
17.图9是从上表面侧观察实施方式6的半导体模块时的平面图。
18.图10是从上表面侧观察实施方式7的半导体模块时的平面图。
具体实施方式
19.＜实施方式1＞
20.图1是表示实施方式1的半导体模块100的主要部分的结构的剖视图。如图1所示，半导体模块100在散热板1的上表面通过省略了图示的焊料等接合材料或粘接剂而接合有绝缘基板2。在绝缘基板2的上表面设置有电路图案3，在电路图案3之上经由焊料等接合材料4而接合有电力用的晶体管芯片及二极管芯片等多个半导体芯片5。为方便起见，将散热板1、绝缘基板2及电路图案3的层叠构造体称为模块基板20。
21.绝缘基板2由树脂或陶瓷构成，散热板1由铝(al)或铜(cu)等散热性优良的材料构成。
22.如图1所示，半导体模块100具有在散热板1的下表面侧配置的散热器10，在散热板1的下表面和散热器10的上表面之间填充有硅脂等导热脂tg即填充材料。此外，半导体模块100被收容于由树脂等构成的壳体内，被树脂等封装，但在以下的说明中省略图示。
23.电路图案3由al或cu等导电体构成，能够通过对绝缘基板2的表面进行金属化处理而形成。
24.在图1中，多个半导体芯片5的上表面侧的主电极经由al导线wr通过导线键合而彼此连接，但这仅表示出半导体模块100的一个剖面。在半导体模块100的其它剖面，也存在半导体芯片5的上表面侧的主电极与电路图案3经由导线wr而连接的部分。
25.如图1所示，在散热板1的下表面设置有多个凹部rp和多个槽部gr。凹部rp在散热板1的与半导体芯片5的配置区域的下方对应的区域以大致均匀地分布的方式而设置，槽部gr设置在与半导体芯片5之间的区域的下方对应的区域。凹部rp和槽部gr都以从散热板1的下表面的最表面起沿散热板1的厚度方向延伸的方式而设置，但都设置为不贯通散热板1的深度。另外，凹部rp的深度d1例如能够设为最大值为300μm左右。
26.此外，槽部gr是为了阻碍发热的半导体芯片5之间的热干涉而设置的，槽部gr的深度d2以比凹部rp的深度d1深的方式而形成。即，槽部gr的深度d2通过在不产生半导体芯片5与散热器10之间的接地断路等的范围内尽可能设置得深，从而能够抑制半导体芯片5之间的热干涉。
27.另外，如果增大凹部rp的面积，则散热板1与散热器10之间的接触的面积有可能产生偏集，因此，优选使凹部rp的面积尽可能小，将凹部rp均匀地配置。
28.即，如果凹部rp的面积过大，则认为由于散热性的波动，在具有多个半导体芯片5的情况下，在半导体芯片5之间产生温度差，因此，优选通过使凹部rp的面积尽可能小而使散热性均一。
29.此外，从散热板1至散热器10的导热率取决于散热板1的材质、面积及形状，并且，根据所使用的导热脂tg的种类，脂的导热率及粘度改变，因此难以统一地确定凹部rp的面
积及配置密度。如果根据与所搭载的半导体芯片5的尺寸之间的关系来确定，则例如将与1个半导体芯片5对应的凹部rp的合计面积设为小于或等于半导体芯片5的面积的25％，将多个凹部rp与多个槽部gr的合计面积设为散热板1的面积的25％～50％左右。
30.这里，凹部rp的面积是指与凹部rp的深度方向垂直的方向上的面积即凹部rp的开口面积，槽部gr的面积是指与槽部gr的深度方向垂直的方向上的面积即槽部gr的开口面积。凹部rp的平面视图观察时的形状既能够设为圆形，也能够设为4边形、5边形、6边形等多边形。
31.图1所示的半导体模块100示出了在散热板1的上表面直接接合有绝缘基板2的结构，但在图2中示出如下半导体模块100a，即，在陶瓷基板15的上表面形成有电路图案13且在下表面形成有铜膜14的绝缘基板12经由焊料等接合材料11而与散热板1接合。为方便起见，将散热板1、接合材料11及绝缘基板12的层叠构造体称为模块基板20a。此外，在图2中，对与使用图1说明过的半导体模块100相同的结构标注相同的标号，省略重复说明。
32.在图2中，设为将多片模块基板20a搭载于散热板1之上而分别与多个半导体芯片5接合的结构。
33.图3是从下表面观察模块基板20时的平面图。多个凹部rp在与半导体芯片5的配置区域的下方对应的区域以大致均匀地分布的方式而设置。
34.槽部gr在凹部rp的配置区域之间以细长矩形状设置，其长边的长度被设定为平面视图形状比矩形的半导体芯片5的长边更长。槽部gr的短边的长度优选在可加工的范围内越短越好，例如设为0.1mm左右。
35.在半导体模块100与散热器10之间产生最大为0.05mm左右的间隙，因此，以使该间隙消失的方式而填充导热脂tg，但此时，在凹部rp内也填充导热脂tg。此外，也可以不向槽部gr填充导热脂tg。
36.由设置这样的凹部rp实现的作用效果如下所述。如果通过由半导体芯片5的发热引起的热循环而使半导体模块100，特别是散热板1发生热变形，则有时产生在散热板1与散热器10之间的间隙填充的导热脂tg被压出至外部的泵出。
37.如果产生泵出，则填充的导热脂tg的量减少，在散热板1与散热器10之间产生间隙，半导体模块100的散热性下降。
38.但是，通过设置凹部rp而预先向其填充导热脂tg，从而在产生了泵出时，空气流入凹部rp，在凹部rp内填充的导热脂tg被向与散热器10相对的面压出，由此，向散热板1与散热器10之间的间隙补充导热脂tg。因此，能够抑制半导体模块100的散热性的下降。
39.并且，通过设置槽部gr，从而能够在相邻的半导体芯片5之间缓和由半导体芯片5的发热引起的热干涉，能够降低半导体模块100整体的最大温度。其结果，热应力减小，散热板1的翘曲的变化量减小，能够抑制泵出本身的产生。
40.＜实施方式2＞
41.图4是表示实施方式2的半导体模块200的主要部分的结构的剖视图。此外，在图4中，对与使用图1说明过的半导体模块100相同的结构标注相同的标号，省略重复说明。
42.如图4所示，就半导体模块200而言，将凹部rp的剖面形状设为圆顶状。通过设为该形状，从而在凹部rp处不再有角部，因此能够分散在散热板1产生的应力，防止散热板1的疲劳破坏。
43.此外，能够通过设置凹部rp而抑制散热性的下降的效果及能够通过设置槽部gr而缓和热干涉的效果与实施方式1相同。
44.＜实施方式3＞
45.图5是从上表面侧即配置有半导体芯片侧观察实施方式3的半导体模块300的情况下的平面图。此外，在本实施方式3中，特征在于槽部gr的配置，因此，槽部gr由虚线示出，但关于凹部rp，为方便起见而省略图示。
46.图5所示的半导体模块300示出了2相的半导体模块的结构，该半导体模块具有电位高的高电位侧相hs和电位低的低电位侧相ls，在高电位侧相hs及低电位侧相ls各自由并联连接了igbt(insulated gate bipolar transistor)芯片和fwd(free wheeling diode)芯片的多个芯片对构成。此外，高电位侧相hs的多个芯片对被并联驱动，低电位侧相ls的多个芯片对被并联驱动。
47.此外，半导体模块的结构不限定于2相，本发明也能够应用于只有1相的半导体模块、3相的半导体模块、6相的半导体模块。另外，半导体芯片也能够使用igbt芯片及二极管芯片以外的半导体芯片。另外，本发明也能够应用于串联驱动的半导体模块。
48.如图5所示，在半导体模块300中，在高电位侧相hs及低电位侧相ls处，在散热板1的与由igbt芯片和fwd芯片组成的芯片对之间的区域的下方对应的区域设置有槽部gr。槽部gr的长边的长度被设定得比igbt芯片和fwd芯片的芯片对的队列的长度长。
49.另外，如图5所示，高电位侧相hs的igbt 1～4及fwd 1～4搭载于电路图案3，低电位侧相ls的igbt 5～8及fwd 5～8搭载于电路图案31，高电位侧相hs的fwd 1～4的阳极与低电位侧相ls的电路图案31通过导线wr而接合。
50.图6是表示在图5的半导体模块300搭载的2相的逆变器电路的结构的电路图。图6所示的逆变器电路具有igbt 1～4和分别与igbt1～4逆并联连接的fwd 1～4作为高电位侧的半导体芯片，具有igbt5～8和分别与igbt 5～8逆并联连接的fwd 5～8作为低电位侧的半导体芯片。
51.igbt 1～4的集电极与电力线c1共通地连接，igbt 5～8的发射极与电力线e2共通地连接，igbt 1～4的发射极及igbt 5～8的集电极与输出线ot共通地连接。
52.如图5所示，通过在高电位侧相hs及低电位侧相ls处，在散热板1的与由igbt芯片和fwd芯片组成的芯片对之间的区域的下方对应的区域设置槽部gr，从而能够缓和同时发热的芯片对之间的热干涉，能够降低半导体模块300整体的最大温度。
53.另外，通过设置槽部gr，从而降低半导体模块300内的温度差，由此减小热应力，难以产生泵出，从凹部rp补充导热脂tg这一情况变少，凹部rp内的导热脂tg不易枯竭，因此，能够使可从凹部rp补充导热脂tg的时间变得更长。
54.＜实施方式4＞
55.图7是从上表面侧即配置有半导体芯片侧观察实施方式4的半导体模块400的情况下的平面图。此外，在本实施方式4中，特征在于槽部gr的配置，因此，槽部gr由虚线示出，但关于凹部rp，为方便起见而省略图示。
56.图7所示的半导体模块400在散热板1的与高电位侧相hs的电路图案3和低电位侧相ls的电路图案31之间的区域的下方对应的区域沿电路图案3及31的长边而设置有槽部gr。即，在与互补地进行动作的第1芯片组和第2芯片组之间的区域的下方对应的区域沿第1
及第2芯片组的队列而设置有槽部gr。
57.通过设置这样的槽部gr，从而抑制从被互补地驱动的高电位侧相hs的芯片对或低电位侧相ls的芯片对向另一相的热干涉，成为最大温度的半导体芯片减少，半导体模块400内的温度差减小。由此，减小热应力，难以产生泵出，从凹部rp补充导热脂tg这一情况变少，凹部rp内的导热脂tg不易枯竭，因此，能够使可从凹部rp补充导热脂tg的时间变得更长。
58.＜实施方式5＞
59.图8是从上表面侧即配置有半导体芯片侧观察实施方式5的半导体模块500的情况下的平面图。此外，在本实施方式5中，特征在于槽部gr的配置，因此，槽部gr由虚线示出，但关于凹部rp，为方便起见而省略图示。
60.图8所示的半导体模块500在散热板1的与搭载于高电位侧相hs的电路图案3处的igbt 1～4的队列和fwd 1～4的队列之间的区域的下方对应的区域沿igbt 1～4及fwd 1～4的队列而设置有槽部gr。同样地，在散热板1的与搭载于低电位侧相ls的电路图案31处的igbt5～8的队列和fwd 5～8的队列之间的区域的下方对应的区域沿igbt5～8及fwd 5～8的队列而设置有槽部gr。
61.就半导体模块500而言，由于在实际使用时igbt芯片和fwd芯片的芯片对中的igbt芯片处的消耗电力多且发热量也多，因此，存在igbt芯片的温度变得最高的倾向。因此，通过设置槽部gr，从而能够缓和来自除igbt芯片以外的fwd芯片等半导体芯片的热干涉，降低半导体模块500整体的最大温度。此外，将igbt芯片称为第1半导体芯片，将与igbt芯片相比消耗电力少的fwd芯片称为第2半导体芯片。
62.＜实施方式6＞
63.图9是从上表面侧即配置有半导体芯片侧观察实施方式6的半导体模块600的情况下的平面图。此外，在本实施方式6中，特征在于槽部gr的配置，因此，槽部gr由虚线示出，但关于凹部rp，为方便起见而省略图示。
64.图9所示的半导体模块600在高电位侧相hs和低电位侧相ls处分别使用不同的绝缘基板12，在散热板1的与高电位侧相hs的绝缘基板12和低电位侧相ls的绝缘基板12之间的区域的下方对应的区域沿绝缘基板12的长边而设置有槽部gr。
65.绝缘基板12如使用图2说明过的那样具有陶瓷基板15，陶瓷基板15的散热性并不良好，但通过在高电位侧相hs和低电位侧相ls处分别使用不同的绝缘基板12并且设置槽部gr，从而抑制从互补地发热的高电位侧相hs的芯片对或低电位侧相ls的芯片对向另一个相的热干涉，减少成为最大温度的半导体芯片，减低半导体模块600内的温度差。由此，减小热应力，难以产生泵出，从凹部rp补充导热脂tg这一情况变少，凹部rp内的导热脂tg不易枯竭，因此，能够使可从凹部rp补充导热脂tg的时间变得更长。
66.＜实施方式7＞
67.图10是从上表面侧即配置有半导体芯片侧观察实施方式7的半导体模块700的情况下的平面图。此外，在本实施方式7中，特征在于槽部gr的配置，因此，槽部gr由虚线示出，但关于凹部rp，为方便起见而省略图示。
68.图10所示的半导体模块700在高电位侧相hs及低电位侧相ls处，在散热板1的与由igbt芯片和fwd芯片组成的芯片对之间的区域的下方对应的区域设置有槽部gr，并且在与高电位侧相hs的电路图案3和低电位侧相ls的电路图案31之间的区域的下方对应的区域沿
电路图案3及31的长边而设置有槽部gr。并且，在散热板1的与搭载于高电位侧相hs的电路图案3处的igbt 1～4的队列和fwd 1～4的队列之间的区域的下方对应的区域沿igbt 1～4及fwd 1～4的队列而设置有槽部gr，在与搭载于低电位侧相ls的电路图案31处的igbt 5～8的队列和fwd 5～8的队列之间的区域的下方对应的区域沿igbt 5～8及fwd 5～8的队列而设置有槽部gr。
69.通过这样设置在平面视图观察时沿水平方向及垂直方向延伸的多个槽部gr，从而能够对矩阵状地配置的igbt 1～8及fwd 1～8单独地进行热分离，因此，能够缓和各个半导体芯片之间的热干涉。因此，能够大幅度地降低半导体模块700整体的最大温度。
70.＜半导体芯片的其它应用例＞
71.作为半导体芯片5，也能够使用mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor)及sbd(schottky barrier diode)等。另外，作为半导体芯片5，除了硅半导体以外，还能够使用sic(碳化硅)等与si相比具有宽带隙的宽带隙半导体。使用了sic的sic器件与硅器件相比，耐压性优良，容许电流密度也高，并且耐热性也高，因此，也能够实现高温动作。另外，不限定于sic，也可以使用其它宽带隙半导体例如氮化镓(gan)。
72.此外，本发明能够在本发明的范围内对各实施方式自由地进行组合，对各实施方式适当地进行变形、省略。
73.标号的说明
74.1散热板，2、12绝缘基板，5半导体芯片，10散热器，15陶瓷基板，rp凹部，gp槽部，20、20a绝缘基板。