半導(dǎo)體模塊單元以及半導(dǎo)體模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體模塊單元以及使該半導(dǎo)體模塊單元和冷卻器形成為一體型而成的半導(dǎo)體模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]電力用半導(dǎo)體模塊單元具備如下的結(jié)構(gòu)，即IGBT( Insulated Gate BipolarTransistor:絕緣棚.雙極型晶體管)、M0SFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor:金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)、FWD(Free Wheeling D1de:續(xù)流二極管)等功率半導(dǎo)體芯片通過焊料向具有預(yù)定的電路的絕緣電路基板接合，并將這些進(jìn)行樹脂密封。這樣的電力用半導(dǎo)體模塊單元可用于如電動(dòng)汽車、電動(dòng)鐵路車輛、機(jī)床等這樣的控制大電流的用途中。由于有大電流流通的功率半導(dǎo)體芯片的發(fā)熱量多，所以半導(dǎo)體模塊單元為了使外形緊湊而要求能夠高效散熱的結(jié)構(gòu)。另外，半導(dǎo)體模塊單元為了進(jìn)一步提高散熱性而從實(shí)用性出發(fā)安裝于冷卻器而使用。以下的說明中，將在冷卻器上安裝半導(dǎo)體模塊單元而成的結(jié)構(gòu)稱為半導(dǎo)體模塊。
[0003]以往，為了高效地散熱，將焊接了多個(gè)作為發(fā)熱源的功率半導(dǎo)體芯片的絕緣電路基板焊接在導(dǎo)熱性(散熱性)優(yōu)良的銅等的金屬基板上。進(jìn)一步地，該金屬基板的背面經(jīng)由散熱油脂而與冷卻器密合，并且經(jīng)由設(shè)置于金屬基板周邊的孔利用螺栓和螺母固定于冷卻器(專利文獻(xiàn)I)。
[0004]另外，將半導(dǎo)體模塊單元固定于冷卻器的作業(yè)一般在半導(dǎo)體模塊單元的用戶端進(jìn)行。通常，散熱用的金屬基板使用銅或者銅合金作為主要材料的情況較多，冷卻器使用鋁或者鋁合金作為主要材料的情況較多。銅和鋁的導(dǎo)熱率分別為約390W/m.K和約220W/m.K。對(duì)此，散熱油脂的導(dǎo)熱率小，約為1.0W/m.K，因此關(guān)于電力用半導(dǎo)體模塊的散熱，存在散熱油脂的部分熱電阻變大而半導(dǎo)體芯片的溫度易于上升，相應(yīng)地允許電流容量降低的問題。
[0005]近來，節(jié)約能源、清潔能源備受關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車正在成為市場的推動(dòng)力。在這些用途中使用的電力用半導(dǎo)體模塊為了處理大電流，形成為緊湊的外形，需要盡可能高效地將在功率半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱能傳遞給冷卻器，并向體系外散熱。特別是在電動(dòng)汽車用途中，為了形成為更輕小型而采用了水冷作為冷卻方式。另外，已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用了如下結(jié)構(gòu)的冷卻器一體型的半導(dǎo)體模塊，該結(jié)構(gòu)是省去前述作為熱電阻的散熱油脂和外形大且具有厚度和重量的金屬基板，將安裝了半導(dǎo)體芯片的金屬基板直接接合于水冷式的冷卻器的表面(專利文獻(xiàn)2、專利文獻(xiàn)3、專利文獻(xiàn)4)。作為將安裝了半導(dǎo)體芯片的絕緣電路基板與冷卻器直接接合的方法，通常是使用焊接材料的接合。還已知有利用螺栓將包圍半導(dǎo)體芯片和/或絕緣電路基板的周圍的樹脂框固定于冷卻器的結(jié)構(gòu)(專利文獻(xiàn)4)。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)
[0008]專利文獻(xiàn)1:日本特開2008-288414號(hào)公報(bào)
[0009]專利文獻(xiàn)2:日本特開2008-226920號(hào)公報(bào)
[0010]專利文獻(xiàn)3:日本特開2012-142465號(hào)公報(bào)
[0011]專利文獻(xiàn)4:日本特開2008-218814號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]技術(shù)問題
[0013]然而，在通過焊接使安裝了半導(dǎo)體芯片的絕緣電路基板與冷卻器直接接合的方法中，為了將絕緣電路基板焊接到冷卻器，需要將熱容量大的冷卻器加熱到焊接材料的熔融溫度以上(250?350°C的程度)。相應(yīng)地，焊接作業(yè)所需要的時(shí)間變長，生產(chǎn)效率降低。另外，使用助焊劑對(duì)前述的冷卻器進(jìn)行焊接的情況下，必須清洗附著在體積大且重的冷卻器上的助焊劑，作業(yè)效率降低。
[0014]進(jìn)一步地，在將安裝了多個(gè)半導(dǎo)體芯片的絕緣電路基板向冷卻器焊接后，利用引線鍵合連接半導(dǎo)體芯片和/或絕緣電路基板上的電路的情況下，需要在冷卻器被接合的狀態(tài)下進(jìn)行引線鍵合作業(yè)。然而，此時(shí)引線鍵合連接所需要的超聲波的傳播易于變得不充分，因此有可能產(chǎn)生接合不良。并且，若為了避免該接合不良而加強(qiáng)超聲波功率，則擔(dān)心對(duì)半導(dǎo)體芯片的損害會(huì)變大。
[0015]這樣，為了使半導(dǎo)體模塊輕小型化而省去散熱油脂和散熱用金屬基板、在冷卻器上直接接合絕緣電路基板后在絕緣電路基板上接合半導(dǎo)體芯片的結(jié)構(gòu)存在易于引起合格率的降低和組裝成本的增大的問題。
[0016]另外，對(duì)于先制造樹脂密封成型而成的無散熱用金屬基板的半導(dǎo)體模塊單元、然后將半導(dǎo)體模塊單元直接焊接到冷卻器而形成半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)，是從半導(dǎo)體模塊單元的底面的一部分露出的絕緣電路基板背面的金屬面與冷卻器的表面被焊接的結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體模塊單元的底面的上述焊接部與冷卻器相接的面積比前述的散熱用金屬基板小，進(jìn)而接合部的周圍的樹脂部不與冷卻器粘合，由此導(dǎo)致產(chǎn)生從焊接部的外周起劣化易于擴(kuò)大的問題。
[0017]另外，在利用螺栓將包圍半導(dǎo)體芯片和/或絕緣電路基板的周圍的樹脂框固定于冷卻器的結(jié)構(gòu)中，由于產(chǎn)生了擰緊螺栓的作業(yè)，所以具有增加組裝成本的缺點(diǎn)。
[0018]本發(fā)明的目的在于提供輕小型且散熱性能優(yōu)良、合格率高、容易組裝的半導(dǎo)體模塊單元、以及使該半導(dǎo)體模塊單元和冷卻器形成為一體型而成的半導(dǎo)體模塊。
[0019]技術(shù)方案
[0020]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊的特征在于，具備:半導(dǎo)體元件;絕緣電路基板，其在絕緣基板的一側(cè)的主面內(nèi)具有與上述半導(dǎo)體元件電連接的電路部件，并且在上述絕緣基板的另一側(cè)的主面內(nèi)具有第一金屬部件;第二金屬部件，其配置于上述第一金屬部件的外邊緣側(cè)，并且至少一部分配置在比上述絕緣基板靠近外側(cè)的位置;模塑樹脂部，其在使上述第一金屬部件的一部分和上述第二金屬部件的一部分露出的狀態(tài)下密封上述半導(dǎo)體元件、上述絕緣電路基板和上述第二金屬部件;冷卻器;第一接合部件，將上述冷卻器和上述第一金屬部件之間進(jìn)行接合;第二接合部件，將上述冷卻器和上述第二金屬部件之間進(jìn)行接合。
[0021]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供輕小型型且散熱性能優(yōu)良、合格率高、容易組裝的半導(dǎo)體模塊單元以及使該半導(dǎo)體模塊單元和冷卻器形成為一體型而成的半導(dǎo)體模塊。
[0022]在本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊中，優(yōu)選上述第一金屬部件和第二金屬部件分離。
[0023]根據(jù)這樣的構(gòu)成，第二接合部件的龜裂不易傳播到分離的第一接合材，能夠形成機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良的接合部。
[0024]或者，在本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊中，優(yōu)選上述第一接合部件和第二接合部件的各自的邊界在冷卻器的主面上連接。
[0025]根據(jù)這樣的構(gòu)成，由于能夠最大限度地?cái)U(kuò)大接合面積，所以能夠使第一金屬部件和第二金屬部件與冷卻器的接合穩(wěn)固。
[0026]或者，在本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊中，優(yōu)選上述第二金屬部件覆蓋了上述模塑樹脂部的側(cè)面的至少一部分。
[0027]根據(jù)這樣的構(gòu)成，第二金屬部件和模塑樹脂部的密合面積增大，不僅得到與冷卻器的接合部的加強(qiáng)效果，還得到加強(qiáng)模塑樹脂部的外形的效果。
[0028]在本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊中，優(yōu)選上述第二金屬部件具有對(duì)上述模塑樹脂部的外形進(jìn)行加強(qiáng)的框狀。
[0029]根據(jù)這樣的構(gòu)成，由于在模塑樹脂部的各邊配置有第二金屬部件，所以能夠抑制模塑樹脂部的外形變形。
[0030]在本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊中，優(yōu)選上述第二金屬部件在與上述模塑樹脂部相接的面設(shè)置有凹凸。
[0031]根據(jù)這樣的構(gòu)成，能夠提高第二金屬部