半导体单元 |
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| 申请号 | CN201310526888.8 | 申请日 | 2013-10-30 | 公开(公告)号 | CN103811477A | 公开(公告)日 | 2014-05-21 |
| 申请人 | 株式会社丰田自动织机; | 发明人 | 西槙介; 森昌吾; 音部优里; 加藤直毅; | ||||
| 摘要 | 提供一种 半导体 单元，其包括：绝缘基片，该绝缘基片具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；第一传导层，该第一传导层结合至绝缘基片的第一表面；第二传导层，该第二传导层在与第一传导层的 位置 不同的位置处结合至绝缘基片的第一表面；应 力 消除层，该 应力 消除层结合至绝缘基片的第二表面； 散热 装置，该散热装置在应力消除层的与绝缘基片相反的一侧上结合至应力消除层；以及半导体器件，该半导体器件电结合至相应的第一和第二传导层。绝缘基片具有低刚性部分，该低刚性部分设置在第一和第二传导层之间并且具有比绝缘基片的其余部分低的刚性，并且至少低刚性部分通过模具 树脂 密封和 覆盖 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种半导体单元，包括： |
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| 说明书全文 | 半导体单元技术领域[0001] 本发明涉及一种半导体单元。 背景技术[0002] 日本未审查专利申请公告No.2001-118987公开一种半导体单元或功率半导体模块，其具有安装至单个绝缘基片的多个功率半导体器件，其中绝缘基片层压至基板。在绝缘基片中形成有沟槽以将绝缘基片分隔成多个区域，每个区域具有至少一个功率半导体器件。 [0003] 然而，在这种构造中，如果由于热变形而作用于绝缘基片上的应力导致绝缘基片断裂，那么断裂产生的碎片可能会四散。本发明旨在提供一种半导体单元，其结构减小导致绝缘基片断裂的应力并且还防止由绝缘基片的断裂产生的任何碎片分散。 发明内容[0004] 根据本发明的一个方面，半导体单元包括：绝缘基片，该绝缘基片具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；第一传导层，该第一传导层结合至绝缘基片的第一表面；第二传导层，该第二传导层在与第一传导层的位置不同的位置处结合至绝缘基片的第一表面；应力消除层，该应力消除层结合至绝缘基片的第二表面；散热装置，该散热装置在应力消除层的与绝缘基片相反的一侧上结合至应力消除层；以及半导体器件，该半导体器件电结合至相应的第一和第二传导层。绝缘基片具有低刚性部分，该低刚性部分设置在第一和第二传导层之间并且具有比绝缘基片的其余部分低的刚性，并且至少低刚性部分通过模具树脂密封和覆盖。 附图说明[0006] 图1是作为根据本发明的半导体单元的实施例的功率模块的剖视图； [0007] 图2A是图1的功率模块的俯视图，其中为了清楚起见而移去了模具树脂； [0008] 图2B是沿图2A的线IIB-IIB获得的剖视图； [0009] 图3A是图1的功率模块的俯视图，其中为了清楚起见而移去了模具树脂和冷却器； [0010] 图3B是图3A的功率模块的主视图； [0011] 图3C是图3A的功率模块的仰视图； [0012] 图3D是沿图3A的线IIID-IIID获得的剖视图； [0013] 图4A是功率模块的解释其操作的俯视图； [0014] 图4B是沿图4A的线IVB-IVB获得的剖视图； [0015] 图5A是出于与根据本发明的功率模块进行比较的目的的具有不同结构的功率模块的俯视图； [0016] 图5B是沿图5A的线VB-VB获得的剖视图； [0017] 图6A是根据本发明的功率模块的另一个实施例的俯视图，其中为了清楚起见而移去了模具树脂和冷却器； [0018] 图6B是图6A的功率模块的主视图； [0019] 图6C是图6A的功率模块的仰视图； [0020] 图6D是沿图6A的线VID-VID获得的剖视图； [0021] 图7A是根据本发明的功率模块的又一个实施例的俯视图，其中为了清楚起见而移去了模具树脂和冷却器； [0022] 图7B是图7A的功率模块的主视图； [0023] 图7C是图7A的功率模块的仰视图； [0024] 图7D是沿图7A的线VIID-VIID获得的剖视图； [0025] 图8A、8B和8C是功率模块的陶瓷基片的另一个实施例的片段剖视图； [0026] 图9A和9B是功率模块的应力消除层的另一个实施例的片段剖视图； [0027] 图10A是根据本发明的功率模块的再一个实施例的俯视图，其中为了清楚起见而移去了模具树脂和冷却器； [0028] 图10B是图10A的功率模块的主视图； [0029] 图10C是图10A的功率模块的仰视图；以及 [0030] 图10D是沿图10A的线XD-XD获得的剖视图。 具体实施方式[0031] 下文将参照附图对作为根据本发明的半导体单元的一个实施例的功率模块进行描述。功率模块意图安装在车辆中，并且具体地意图用于逆变器以驱动混合动力车辆的行走马达。逆变器包括用作逆变器的桥臂的多个半导体开关器件。 [0032] 参照图1、2A和2B，总体由10指示的功率模块包括陶瓷基片20或绝缘基片、由金属制成的传导层30、半导体器件40、41、42和43、由金属制成的应力消除层50、以及冷却器60或散热装置，它们通过模具树脂70而模制成模块。 [0033] 半导体器件40、41是开关器件，即，IGBT或MOSFET。半导体器件42、43是二极管并且分别与半导体器件40、41反并联。半导体器件40、42用作逆变器的上桥臂。半导体器件41、43用作逆变器的下桥臂。作为功率器件的半导体器件40、41、42、43在操作期间生热。 [0034] 如图2A、2B和3A至3D所示，陶瓷基片20在平面图中具有矩形轮廓并且水平布置。陶瓷基片20具有彼此相反的顶表面和底表面。传导层30包括均具有矩形轮廓的第一传导层31和第二传导层32。第一传导层31固定至陶瓷基片20的顶表面（第一表面），并且第二传导层32在与第一传导层31的位置不同的位置处固定至陶瓷基片20的顶表面。第一传导层31与第二传导层32间隔开距离L1。传导层30被分隔成第一传导层31和第二传导层 32，第一传导层31和第二传导层32分别结合至陶瓷基片20的顶表面。 [0035] 作为生热部件的半导体器件40、41、42、43呈芯片形式并且电结合至相应的分开的第一和第二传导层31、32。具体地，半导体器件40、42结合至第一传导层31，并且半导体器件41、43结合至第二传导层32。 [0036] 应力消除层50或缓冲层固定至陶瓷基片20的底表面（第二表面）。应力消除层50包括均具有矩形轮廓的第一应力消除层51和第二应力消除层52。第一应力消除层51在第一传导层31的正下方被结合至陶瓷基片20的底表面。第二应力消除层52在第二传导层32的正下方被结合至陶瓷基片20的底表面。应力消除层50包括与第一传导层31相关联的第一应力消除层51和与第二传导层32相关联的第二应力消除层52。如在平面图中所看到的，第一传导层31和第一应力消除层51具有基本相同的区域，并且第一传导层31布置为平放在第一应力消除层51的上方，其中陶瓷基片20介于第一传导层31和第一应力消除层51之间。第二传导层32和第二应力消除层52也具有基本相同的区域，并且第二传导层32布置在第二应力消除层52的上方，其中陶瓷基片20介于第二传导层32和第二应力消除层52之间。应力消除层50被分隔成第一和第二应力消除层51、52，第一和第二应力消除层51、52分别在第一和第二传导层31、32的正下方被结合至陶瓷基片20的底表面。 [0037] 冷却器60被结合至应力消除层50的第一和第二应力消除层51、52。冷却器60在应力消除层50的与陶瓷基片20相反的一侧上被结合至应力消除层50。 [0038] 陶瓷基片20例如由氮化铝（AlN）、氧化铝（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）制成。传导层30（31、32）和应力消除层50（51、52）均由铝制成。具体地，应力消除层50（51、52）可以由纯度为99.99wt%或更大的铝制成或由4N-Al制成。 [0039] 冷却器60具有平坦形状并且由具有良好导热性的金属制成，特别是，由铝制成。冷却器60是中空的并且在冷却器60中具有多个平行通道61，冷却剂流动通过所述多个平行通道61。虽然未示于图中，然而冷却器11具有冷却剂流入通道61的入口和冷却剂从通道61流出的出口，所述入口和出口可连接至车辆的冷却剂回路。 [0040] 如图2A和2B所示，其上形成有传导层30（31、32）和应力消除层50（51、52）的陶瓷基片20布置在冷却器60的顶表面上，并且这种陶瓷基片20和冷却器60直接被铜焊在一起。这样，冷却器60经由陶瓷基片20被热耦合至半导体器件40、41、42、43，并且因此，半导体器件40、41、42、43中生成的热通过陶瓷基片20被释放至冷却器60。 [0041] 陶瓷基片20设有沟槽，沟槽25在第一传导层31与第二传导层32之间以及第一应力消除层51与第二应力消除层52之间进行分隔。沟槽25具有V形横截面并且形成为延伸穿过陶瓷基片20至其相反的两个侧表面20A、20B。陶瓷基片20的形成沟槽25的部分由此变薄，以形成低刚性部分26，低刚性部分26具有比陶瓷基片20的其余部分低的刚性。即，陶瓷基片20的低刚性部分26形成在第一传导层31和第二传导层32之间的位置处。低刚性部分26是陶瓷基片20的形成V形沟槽25的部分。 [0042] 如图1所示，模具树脂70密封并覆盖安装在冷却器60的顶表面上的部件，即，密封并覆盖陶瓷基片20、传导层30（31、32）、半导体器件40、41、42、43和应力消除层50（51、52），并且还具体地密封和覆盖陶瓷基片20的V形沟槽25的开口。因此，模具树脂70至少密封和覆盖陶瓷基片20的形成V形沟槽25的低刚性部分26。 [0043] 下文将描述本实施例的功率模块10的操作。 [0044] 如图2A、2B和3A至3D所示，沟槽25形成在陶瓷基片20中以隔开安装有多个半导体器件40、41、42、43的第一和第二传导层31、32并且还隔开第一和第二应力消除层51、52。 [0045] 在功率模块10的操作期间在半导体器件40、41、42、43中生成的热通过第一和第二传导层31、32、陶瓷基片20以及第一和第二应力消除层51、52传递至冷却器60，在冷却器60这里与冷却剂进行热交换，使得半导体器件40、41、42、43的热被释放。 [0046] 尽管冷却器60和陶瓷基片20之间热膨胀系数的差异可能导致陶瓷基片20向上弯曲，如图3B和3D中用点划线指示的，介于陶瓷基片20和冷却器60之间的应力消除层50用于减小作用于陶瓷基片20上的应力，因此防止陶瓷基片20断裂。 [0047] 当陶瓷基片20上的应力低于陶瓷基片20的强度时，陶瓷基片20中不会出现裂纹。在这种情况下，如图2B所示，沿V形沟槽25提供绝缘距离L2或爬电距离，该绝缘距离L2或爬电距离足够大以在第一和第二传导层31、32之间绝缘。 [0048] 另一方面，当陶瓷基片20上的应力高于陶瓷基片20的强度时，在低刚性部分26处——其为陶瓷基片20的因设置V形沟槽25而变薄的部分——出现裂纹Cr1，使得陶瓷基片20沿沟槽25断裂，如图4A和4B所示。具有V形横截面并且贯穿陶瓷基片20延伸至其相反的两个侧表面20A、20B的沟槽25有助于决定陶瓷基片20的哪一部分断裂。 [0049] 如果陶瓷基片20由于它们的热变形而承受来自冷却器60的过大应力，如图5A和5B所示，并且陶瓷基片20的断裂开始于由符号P1（图5A）所指示的点处，则陶瓷基片20中可能会出现裂纹Cr2，裂纹Cr2延伸至半导体器件40、41、42、43和传导层30（31、32）下方的区域，致使应力到达半导体器件40、41、42、43。在这种情况下，半导体器件40、41、42、43可能被弯曲并破裂。因为设置在第二传导层32和第二应力消除层52之间的爬电距离L10仅仅为陶瓷基片20的厚度，所以第二传导层32和第二应力消除层52之间的绝缘可能会劣化。 [0050] 在本实施例中，如图4A和4B所示，陶瓷基片20的断裂或裂纹Cr1开始沿着直线或沟槽25出现。在陶瓷基片20因为应力消除层50的分隔的第一和第二应力消除层51、52的热变形而从它们那里高度受力的情况下，裂纹Cr1沿着沟槽25出现，使得陶瓷基片20断裂。这样的断裂或裂纹出现在陶瓷基片20的既不存在传导层30（31、32）也不存在半导体器件40、41、42、43的部分中，这帮助防止诸如41的半导体器件发生弯曲。在这种情况下，第二传导层32和第二应力消除层52之间的绝缘距离L3或爬电距离至少包括陶瓷基片20的厚度。因此，在陶瓷基片20沿着沟槽25断裂的情况下，提供了包括陶瓷基片20的厚度的大得足以使第二传导层32和第二应力消除层52之间绝缘的绝缘距离。 [0051] 如上所述，形成在陶瓷基片20中以在第一和第二传导层31、32之间以及第一和第二应力消除层51，52之间进行分隔的沟槽25帮助增加第一和第二传导层31、32之间的爬电距离并因此在第一和第二传导层31、32之间提供良好的绝缘。如果作用于陶瓷基片20上的应力增加超过其强度，则陶瓷基片20沿着沟槽25断裂，使得提供了具有足以维持绝缘的长度的绝缘距离。 [0052] 与使用分隔的多个陶瓷基片相比，如在本实施例中使用带沟槽的单个陶瓷基片使得半导体单元的部件数量减少并有利于其组装，并且还由于不需要相邻陶瓷基片之间的空隙而使得单元尺寸减小。 [0053] 在模具树脂70密封和覆盖陶瓷基片20、传导层30（31、32）、半导体器件40、41、42、43和应力消除层50（51、52）的构造中，模具树脂70用于限制陶瓷基片20的变形。模具树脂70密封和覆盖陶瓷基片20的形成V形沟槽25的低刚性部分26，这防止由陶瓷基片20的断裂而产生的任何碎片分散并因此防止半导体器件40、41、42、43受到这些碎片的损坏。密封和覆盖陶瓷基片20的低刚性部分26的模具树脂70还对除半导体器件之外的部件进行保护。例如，螺纹孔可以受到保护以免进入碎片，并且对部件的绝缘覆盖也受到保护以免因碎片而造成损坏。另外，存在于V形沟槽25中的模具树脂70提供模具树脂70和陶瓷基片20之间的紧密结合。 [0054] 作为本实施例的半导体单元的功率模块10提供以下优点。 [0055] （1）介于陶瓷基片20和冷却器60之间的应力消除层50用于减小作用于陶瓷基片20上的应力并且防止陶瓷基片20的断裂。陶瓷基片20具有设置在第一和第二传导层31、 32之间的低刚性部分26，该低刚性部分26具有比陶瓷基片20的其余部分低的刚性。至少密封和覆盖低刚性部分26的模具树脂70用于防止因陶瓷基片20断裂而产生的任何碎片分散。 [0056] （2）通过形成在陶瓷基片20中并且在第一和第二传导层31、32之间以及第一和第二应力消除层51、52之间进行分隔的沟槽25而提供低刚性部分26。当受应力的陶瓷基片20断裂时，断裂沿着沟槽25发生而不会影响功率模块10的绝缘。在通过陶瓷基片20中的沟槽25形成低刚性部分的情况下，陶瓷基片20很可能沿着沟槽25断裂。 [0057] （3）沟槽25具有V形横截面。存在于这种V形沟槽25中的模具树脂70提供模具树脂70和陶瓷基片20之间的良好结合，使得模具树脂70和陶瓷基片20紧密地固定在一起。具有V形横截面的沟槽25还有助于决定陶瓷基片20的哪一部分断裂。 [0058] (4)延伸至陶瓷基片20的相反的两个侧表面20A、20B的沟槽25也有助于决定陶瓷基片20的哪一部分断裂。 [0060] 如图6A至6D所示，陶瓷基片20可以具有V形沟槽80，V形沟槽80不连续地延伸以在陶瓷基片20中形成同样不连续的上述低刚性部分26。因此，形成在陶瓷基片20中的低刚性部分26或沟槽80可以不连续地延伸以在第一和第二传导层31、32之间以及第一和第二应力消除层51、52之间进行分隔。 [0061] 取代图6A至6D的沟槽80，陶瓷基片20可以具有贯穿陶瓷基片20形成的多个孔81，如图7A至7D所示。孔81彼此间隔开以在其间形成陶瓷基片20的上述低刚性部分26。 [0062] 因此，可以通过至少在陶瓷基片20的顶表面和底表面之一中形成的凹进部来设置陶瓷基片20的低刚性部分。在低刚性部分由多个孔81形成的情况下，陶瓷基片20很可能沿着这多个孔81断裂。 [0063] 如图8A所示，V形横截面的沟槽82可以形成在陶瓷基片20的底表面中。这样形成在陶瓷基片20的面向应力消除层的一侧上的沟槽82用作减小作用于陶瓷基片20上的应力的空隙。如图8B所示，V形沟槽83A和83B可以分别形成在陶瓷基片20的顶表面和底表面中。如图8C所示，可以在陶瓷基片20中形成具有矩形横截面的沟槽84。可以根据需要选择沟槽的数量。沟槽可以具有任何合适形状的横截面并且还可以在平面图中具有任何合适形状的轮廓。如图8A至8C所示，通过形成在陶瓷基片20的顶表面和底表面的至少一者中的沟槽来提供陶瓷基片20的低刚性部分26。 [0064] 如图9A所示，由金属制成并由55指示的应力消除层在其顶表面上可以具有凹进部56。备选地，这种凹进部可以形成在应力消除层55的底表面中。如图9B所示，可以贯穿应力消除层56形成孔57。因此，应力消除层55可以形成为在其顶表面和底表面之一中至少具有凹进部。 [0065] 如图10A至10D所示，功率模块可以具有单个应力消除层53，应力消除层53在其顶表面中具有凹进部或沟槽58，并且陶瓷基片20可以具有以与该沟槽58面对的关系布置的沟槽85。由86指示的低刚性部分沿着应力消除层53的沟槽58设置在陶瓷基片20中。因此，诸如沟槽58的凹进部形成在应力消除层53的面向陶瓷基片20的一侧上，并且沟槽 85沿着该凹进部形成在陶瓷基片20中，使得陶瓷基片20的沟槽85和应力消除层53的凹进部协作以在其间形成用于减小作用于陶瓷基片20上的应力的空隙。换句话说，在应力消除层53中形成沟槽58或孔，并且陶瓷基片20的低刚性部分86沿着这样的沟槽58或孔形成。应力消除层53的沟槽58或孔以及陶瓷基片20的沟槽85协作以在其间形成用于减小作用于陶瓷基片20上的应力的空隙。应力消除层53的沟槽58还用于在其中接纳和收集由陶瓷基片20的断裂而产生的任何碎片。减小陶瓷基片20上的应力不仅可以通过由沟槽 58、85形成的空隙实现，而且可以单独地通过形成在陶瓷基片20的面向应力消除层53的一侧上的沟槽85实现。 [0066] 功率模块的散热装置不仅可以是例如60的水冷却的冷却器，而且可以是空气冷却的热沉。 [0067] 尽管在图示的实施例中，模具树脂70密封和覆盖安装至冷却器60的顶表面的陶瓷基片20、传导层30（31、32）、半导体器件40、41、42、43和应力消除层50（51、52），然而模具树脂70至少需要密封和覆盖陶瓷基片20的形成有V形沟槽25的低刚性部分26。 |
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