專利名稱：功率半導(dǎo)體模塊及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在內(nèi)部具備安裝有功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體芯片的功率半導(dǎo)體模塊及其制造方法。
背景技術(shù)：
在變換器、不間斷電源裝置、工作機械、工業(yè)用機器人等中，使用主體裝置是獨立的且被組件化的功率半導(dǎo)體模塊。該功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)置有半導(dǎo)體芯片，被安裝在控制主體裝置用的規(guī)定控制電路基板上，其中，所述半導(dǎo)體芯片安裝有構(gòu)成電力變換電路的絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor以下標(biāo)記為“IGBT”)等各種功率半導(dǎo)體元件(例如參照專利文獻(xiàn)1)。以下，表述的是功率半導(dǎo)體元件為裝配有多個半導(dǎo)體芯片的情況。
對于這種功率半導(dǎo)體模塊來說，一般是通過軟焊將半導(dǎo)體芯片安裝在絕緣電路基板上，并使用金屬導(dǎo)線對連接在控制電路基板上的外部端子和其半導(dǎo)體芯片進(jìn)行引線接合，然后，通過在樹脂盒內(nèi)對其進(jìn)行鑄造而將其組件化。此外，通過將設(shè)置在與樹脂盒的外部端子的安裝部相反一側(cè)的散熱面搭接在冷卻風(fēng)扇等上，而能夠使在功率半導(dǎo)體元件中產(chǎn)生的熱量向外部進(jìn)行散熱。
專利文獻(xiàn)1(日本專利)特開2002-50722號公報(圖1、圖2等)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在上述功率半導(dǎo)體模塊中，因為連接外部端子和半導(dǎo)體芯片的金屬導(dǎo)線的截面面積較小，所以每根金屬導(dǎo)線的電流容量都是有限的。在這種情況下，雖然考慮過使用較粗的金屬導(dǎo)線，但是難以通過超聲波粘接或者焊接來進(jìn)行引線接合。
此外，在該功率半導(dǎo)體模塊的制造工序中，因為是在將半導(dǎo)體芯片軟焊于絕緣電路基板上之后再進(jìn)行引線接合，所以需要兩個工序。此外，需要逐根對每根金屬導(dǎo)線進(jìn)行引線接合，而通常在功率半導(dǎo)體模塊的制造過程中需要使用200根～500根的金屬導(dǎo)線，所以存在處理工序所需時間較長的問題。
本發(fā)明是鑒于此點而進(jìn)行的，其目的在于提供一種能夠被高效率地制造的功率半導(dǎo)體模塊及其制造方法。
本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊被安裝在主體裝置的控制電路基板上，在其內(nèi)部具有安裝了功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體芯片。該功率半導(dǎo)體模塊具有引線框、端子盒和絕緣電路基板。
引線框的一端構(gòu)成連接在控制電路基板上的外部端子，另一端構(gòu)成連接半導(dǎo)體芯片的內(nèi)部端子。
在端子盒上一體形成上述引線框。將引線框的內(nèi)部端子一側(cè)收容在該端子盒內(nèi)。
絕緣電路基板被收容在上述端子盒內(nèi)，其單面從端子盒的與控制電路基板的相反一側(cè)露出而構(gòu)成散熱面。在與該絕緣電路基板的散熱面相反一側(cè)安裝上述半導(dǎo)體芯片。
特別是，上述半導(dǎo)體芯片被硬焊在絕緣電路基板上，上述引線框被硬焊在與半導(dǎo)體芯片的絕緣電路基板相反一側(cè)的面上。這些硬焊方法可以考慮各種方法，例如適用于通過軟焊進(jìn)行表面安裝等來進(jìn)行。
此外，在本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法中，制造在內(nèi)部具有安裝了功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體芯片、并安裝在主體裝置的控制電路基板上的功率半導(dǎo)體模塊。
在該制造方法中，在芯片形成工序中，在規(guī)定的半導(dǎo)體基板上形成功率半導(dǎo)體元件，形成半導(dǎo)體芯片。另一方面，在絕緣電路基板形成工序中，在由絕緣材料構(gòu)成的絕緣層的一個面上形成構(gòu)成電極部的電極層，同時在絕緣層的另一個面上層積構(gòu)成散熱面的散熱層，形成絕緣電路基板。然后，在第一軟焊層形成工序中，在上述電極部上形成第一軟焊層。然后，在芯片裝配工序中，將半導(dǎo)體芯片裝配在第一軟焊層上，在第二焊料層形成工序中，在半導(dǎo)體芯片上形成第二焊料層。
另一方面，在不同于上述各工序的引線框形成工序中，對規(guī)定的金屬板進(jìn)行沖制而形成通過連桿連接的多個引線的引線框。然后，在端子盒形成工序中，利用規(guī)定模具進(jìn)行樹脂材料的噴射成形。形成與引線框成為一體的端子盒。
在以上的工序之后，在端子盒安裝工序中，將上述絕緣電路基板裝在上述端子盒中，將引線框的內(nèi)部端子搭接在第二焊料層上。然后，在回流焊接工序中，同時使第一軟焊層和第二焊料層軟溶，對絕緣電路基板和半導(dǎo)體芯片進(jìn)行軟焊，同時對半導(dǎo)體芯片和引線框進(jìn)行軟焊。
然后，在絕緣密封工序中，將絕緣密封用的熱硬化性樹脂填充倒端子盒內(nèi)并使其硬化。然后，在外部端子形成工序中，切斷并分離引線框的各引線，從而形成各引線框的外部端子。
如采用本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊，在引線框上形成外部端子和內(nèi)部端子，其內(nèi)部端子、半導(dǎo)體芯片和絕緣電路基板進(jìn)行硬焊。因此沒有必要如采用引線接合那樣的逐根連接金屬線，從而可以高效率地得到功率半導(dǎo)體模塊，此外，可以減少部件個數(shù)。由于通過引線框進(jìn)行連接，所以可以確保充分的電流容量。
如采用本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，則不進(jìn)行引線接合，且絕緣電路基板和半導(dǎo)體芯片的連接、以及半導(dǎo)體芯片和引線框的連接可以同時通過回流焊接而在一個工序內(nèi)進(jìn)行。因此可以使其安裝時間縮得非常短，從而可以高效率制造功率半導(dǎo)體模塊。


圖1是表示實施方式的功率半導(dǎo)體模塊的外觀立體圖。
圖2是表示功率半導(dǎo)體模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖3是表示功率半導(dǎo)體模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖4是表示功率半導(dǎo)體模塊被安裝在變換器的控制電路基板上的狀態(tài)的說明圖。
圖5是表示功率半導(dǎo)體模塊的制造工序流程的流程圖。
圖6是表示功率半導(dǎo)體模塊的制造工序的狀態(tài)的說明圖。
圖7是表示功率半導(dǎo)體模塊的制造工序的狀態(tài)的說明圖。
圖8是表示功率半導(dǎo)體模塊的制造工序的狀態(tài)的說明圖。
圖9是表示功率半導(dǎo)體模塊的制造工序的狀態(tài)的說明圖。
圖10是表示功率半導(dǎo)體模塊的制造工序的狀態(tài)的說明圖。
圖11是表示功率半導(dǎo)體模塊的制造工序的狀態(tài)的說明圖。
圖12是表示功率半導(dǎo)體模塊的制造工序的狀態(tài)的說明圖。
圖13是表示功率半導(dǎo)體模塊的制造工序的狀態(tài)的說明圖。
圖14是表示功率半導(dǎo)體模塊的制造工序的狀態(tài)的說明圖。
圖15是表示對應(yīng)圖12(A)的變形例的說明圖。
圖16是表示向功率半導(dǎo)體模塊的控制電路基板的安裝方式的變形例的說明圖。
圖17是表示向功率半導(dǎo)體模塊的控制電路基板的安裝方式的變形例的說明圖。
標(biāo)號說明1、201功率半導(dǎo)體模塊2端子盒3環(huán)氧樹脂4螺釘安裝部5定位用突起6外部端子7、207絕緣電路基板8半導(dǎo)體芯片9引線框11主體12、13臺階部14突出部17凸起21螺釘插通部22螺釘插通孔23圓凸起部24缺口部25狹縫26主體基板27絕緣樹脂層28圖案
29、31、103軟焊層30內(nèi)部端子41芯片42聚酰亞胺層43Ni鍍層44Au鍍層51引線52、53連桿61凸起形101控制電路基板102定位用孔104、114插通孔110冷卻風(fēng)扇111螺釘孔211陶瓷基板212散熱面213圖案302缺口部404、424、434、444螺釘安裝部405、425、445凸起狀插通部406、436插通孔427臺階部435凸起部具體實施方式
下面，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。
本實施方式是將本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊構(gòu)成在變換器用中的方式。圖1是表示功率半導(dǎo)體模塊的外觀立體圖。其中，在下面的說明中，以圖1所示的功率半導(dǎo)體模塊的狀態(tài)為基準(zhǔn)來表示上下。
如圖1所示，功率半導(dǎo)體模塊1是通過在由樹脂材料構(gòu)成的端子盒2的內(nèi)部收容后述絕緣電路基板以及安裝在其上的半導(dǎo)體芯片等而構(gòu)成。其中，因為使用環(huán)氧樹脂3(熱硬化性樹脂)將端子盒2的內(nèi)部密封，所以，在該圖中并沒有表示絕緣電路基板和半導(dǎo)體芯片等。
此外，從端子盒2的主體的一對端面分別延伸設(shè)置有螺釘安裝部4，其用于將功率半導(dǎo)體模塊1擰在后述冷卻風(fēng)扇上。在各螺釘安裝部4的上面設(shè)置有定位用突起5，其用于向圖未示出的變換器(主體裝置)的控制電路基板安裝功率半導(dǎo)體模塊1時的定位。
而且，從端子盒2的剩下一對側(cè)面向外延伸設(shè)置有連接在上述控制電路基板上的多個外部端子6。
圖2和圖3是用于表示功率半導(dǎo)體模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的說明圖。在圖2中，(A)為功率半導(dǎo)體模塊的俯視圖，(B)為主視圖，(C)為仰視圖。在圖3中，(A)為功率半導(dǎo)體模塊的側(cè)視圖，(B)為圖2(A)的A-A方向的截面圖，(C)為(B)的B部放大圖。
如這些附圖(特別是圖3(B))所示，功率半導(dǎo)體模塊1是這樣構(gòu)成的，即，將絕緣電路基板7、安裝在該絕緣電路基板7上的半導(dǎo)體芯片8、以及連接半導(dǎo)體芯片8和控制電路基板的引線框9收容在端子盒2中，并使用環(huán)氧樹脂3對該端子盒2的內(nèi)部進(jìn)行密封。其中，上述外部端子6由引線框9的一端構(gòu)成。
如圖2所示，端子盒2具有長方形框架狀的主體11，特別是如圖3(C)所示，在其上部開口部沿著其內(nèi)側(cè)周邊而形成有臺階部12。該臺階部12能夠提高環(huán)氧樹脂3相對于端子盒2的粘接強度，并能夠保持硬化后的環(huán)氧樹脂3。此外，對主體11的下部開口部也進(jìn)行擴大而構(gòu)成臺階部13，從而構(gòu)成絕緣電路基板7的收容部。該臺階部13以朝向內(nèi)側(cè)并向上傾斜的方式而構(gòu)成，分別在其四個角部設(shè)置有向著絕緣電路基板7一側(cè)突出的突出部14。關(guān)于該突出部14的作用在后面再進(jìn)行敘述。
此外，特別是如圖3(B)所示，保持填充有環(huán)氧樹脂3的主體11的框架寬度比收容絕緣電路基板7的主體11的框架寬度稍大一些，框架狀的主體11的內(nèi)面在高度方向上具有臺階差的形狀。而且，如圖2所示，在主體11的填充有環(huán)氧樹脂3的部分的長度方向的兩端部上，分別設(shè)置有沿著與其長度方向成直角方向而相互反向延伸的一對凸緣部15。因此，可以提高主體11的填充環(huán)氧樹脂3的部分的剛性。相反，在主體11的底面形成有減薄用的多個細(xì)槽16，從而降低收容絕緣電路基板7的部分的剛性。上述螺釘安裝部4沿著該主體11的收容絕緣電路基板7的部分的寬度而向主體11外延伸。
在螺釘安裝部4的離開端子盒2的主體11的位置上，設(shè)置有用于使后述螺釘插通的螺釘插通部21，在該螺釘插通部21的中央沿著上下方向貫通設(shè)置有螺釘插通孔22。在螺釘安裝部4的底面突出設(shè)置有圓凸起部23，螺釘插通孔22貫通其中央。該圓凸起部23的前端面成為與后述冷卻風(fēng)扇搭接的搭接面。在螺釘插通部21和端子盒2的主體11之間，形成有截面為U字形的缺口部24，在螺釘安裝部4的螺釘插通部21和端子盒2的主體11之間形成為薄壁形狀。而且，在該缺口部24的中央，在上下方向貫通設(shè)置有沿著寬度方向延伸的長條形的狹縫25，以此來提高該缺口部24的可彎曲性。
如圖2(B)和(C)所示，絕緣電路基板7以沿著端子盒2的主體11的下部內(nèi)側(cè)周面的方式而形成為長方形板狀。對于該絕緣電路基板7來說，特別如圖3(C)所示，在由鋁或者銅構(gòu)成的主體基板26的上面設(shè)置有由含有導(dǎo)熱性良好的填料(氮化鋁以及二氧化硅等的粉末)的環(huán)氧樹脂構(gòu)成的絕緣樹脂層27，并在其上面進(jìn)一步印刷有由銅箔構(gòu)成的圖案28。然后，半導(dǎo)體芯片8經(jīng)由焊料層29而被表面安裝在該銅箔上。在絕緣電路基板7和端子盒2的主體11之間形成有微小間隙，通過在該間隙中填充的環(huán)氧樹脂3而被穩(wěn)定地保持在主體11內(nèi)。此外，特別是如圖3(A)所示，該絕緣電路基板7的下面從端子盒2的下面露出而構(gòu)成散熱面，其從圓凸起部23的前端面向下突出規(guī)定的量。
對于引線框9來說，其通過使銅板形成為長條狀而構(gòu)成，被鑄造成與端子盒2的主體11平行延伸。該引線框9的一端向主體11的外面延伸而構(gòu)成截面為L字形的外部端子6，其另一端向主體11的內(nèi)部延伸而構(gòu)成截面為L字形的內(nèi)部端子30。外部端子6的前端部與主體11的上面大致在同一平面上，并在該上面平行延伸，被軟焊接合在后述變換器的控制電路基板上。此外，內(nèi)部端子30的前端部與半導(dǎo)體芯片8的上面平行延伸，并通過焊料層31而連接在半導(dǎo)體芯片8的電極上。
將上述那樣構(gòu)成的功率半導(dǎo)體模塊1安裝在變換器的控制電路基板上，并同時安裝在冷卻風(fēng)扇上。圖4是表示將功率半導(dǎo)體模塊安裝在變換器的控制電路基板上的狀態(tài)的說明圖。在該圖中為了方便起見使用截面圖來表示結(jié)構(gòu)的一部分。
在將功率半導(dǎo)體模塊1安裝在控制電路基板101上時，通過將功率半導(dǎo)體模塊1的定位用突起5插通于預(yù)先設(shè)置在控制電路基板101上的定位用孔102內(nèi)，而能夠?qū)⒐β拾雽?dǎo)體模塊1設(shè)置在控制電路基板101的規(guī)定位置上。在控制電路基板101上，在相當(dāng)于功率半導(dǎo)體模塊1的各外部端子6的位置上預(yù)先網(wǎng)板印刷有焊料層103，在設(shè)置功率半導(dǎo)體模塊1時，將其外部端子6載置于焊料層103上。此外，功率半導(dǎo)體模塊1的螺釘插通孔22被配置于與預(yù)先在控制電路基板101上設(shè)置的螺釘插通孔104相對應(yīng)的位置上。
然后，在該狀態(tài)下進(jìn)行回流焊接處理，將功率半導(dǎo)體模塊1軟焊連接在控制電路基板101上。此時，由于在端子盒2的主體11上面的四個角附近，分別設(shè)置有微小的凸起17，因此能夠確保軟溶時的軟焊厚度。
接著，將組裝有該功率半導(dǎo)體模塊1和控制電路基板101的單元安裝在上面是扁平狀的冷卻風(fēng)扇110上。在冷卻風(fēng)扇110的對應(yīng)于功率半導(dǎo)體模塊1的螺釘插通孔22的位置上，設(shè)置有螺釘孔111。在進(jìn)行該安裝時，將螺釘120從控制電路基板101的一側(cè)插通于螺釘插通孔104和螺釘插通孔22內(nèi)而被緊固到螺釘孔111內(nèi)，從而將該單元固定在冷卻風(fēng)扇110上。如上所述，由于絕緣電路基板7的散熱面從圓凸起部23向下突出規(guī)定的量，所以在插入螺釘120時，因其高低差而造成缺口部24彎曲，使得絕緣電路基板7的散熱面用力推壓冷卻風(fēng)扇110。從而，使絕緣電路基板7和冷卻風(fēng)扇110之間的導(dǎo)熱性變得良好，能夠得到充分的散熱效果。
下面，對功率半導(dǎo)體模塊的制造方法進(jìn)行詳細(xì)說明。圖5是表示功率半導(dǎo)體模塊制造工序的流程的流程圖，圖6～圖14是表示功率半導(dǎo)體模塊制造工序的狀態(tài)的說明圖。下面，按照圖5的流程圖的步驟編號(以下標(biāo)記為“S”)來進(jìn)行說明。
首先，形成半導(dǎo)體芯片8(S11)。圖6(A)是半導(dǎo)體芯片8的俯視圖，(B)是其C-C方向的截面圖。
即，在規(guī)定的半導(dǎo)體基板上分別形成IGBT、續(xù)流二極管(FWD)等的功率半導(dǎo)體元件，通過對除了電極部以外的該功率半導(dǎo)體元件的表面進(jìn)行處理而形成聚酰亞胺層42。然后，在電極部通過無電鍍處理而形成鎳(Ni)鍍層43，并在其上面進(jìn)一步形成金(Au)鍍層44，然后切斷成芯片41。功率半導(dǎo)體元件的電極是鋁層，為了使焊料的溶析性良好而進(jìn)行上述鍍層處理。因此，只要其后涂敷的焊料量適當(dāng)，則焊料在聚酰亞胺層42的表面被抵制，從而能夠正確地附著在電極部。
此外，平行于半導(dǎo)體芯片8的形成來形成絕緣電路基板7(S12)。即，如圖3(C)所示，在由鋁或者銅構(gòu)成的主體基板26的上面，成膜有由含有導(dǎo)熱性良好的填料(氮化鋁和二氧化硅等的粉末)的環(huán)氧樹脂構(gòu)成的絕緣樹脂層27，而且，如圖7(A)所示，在其上面形成有由構(gòu)成電極部的銅箔而構(gòu)成的多個圖案28。
然后，如圖7(B)所示，在各圖案28上的規(guī)定位置對焊料層29(第一軟焊層)進(jìn)行網(wǎng)板印刷(S13)。然后，如圖7(C)所示，將各半導(dǎo)體芯片8裝配在焊料層29的上面(S14)。在本實施方式中，此時還裝配有作為感溫元件的熱敏電阻45。然后，如圖7(D)所示，通過分配器而分別在各半導(dǎo)體芯片8上的規(guī)定位置和圖案28的規(guī)定位置上涂敷焊料層31(第二焊料層)(S15)。
另一方面，不同于上述的各工序來另外形成端子盒2。
即，首先通過壓力加工來沖壓形成規(guī)定的長方形狀的銅板，形成如圖8(A)所示的引線框9(S21)。該引線框9通過多個連桿來連接引線51，如圖8(B)中的(A)的D-D方向截面圖所示，形成為平板狀。相鄰的引線51在其內(nèi)側(cè)端子(內(nèi)側(cè)引線)一側(cè)通過連桿52而相互連接，各引線51的外部端子(外側(cè)引線)一側(cè)通過連桿53形成短路。
然后，將該引線框9設(shè)置在規(guī)定的模具上，通過聚苯硫醚樹脂(下面表示為“PPS樹脂”)的噴射成形，而如圖9(A)所示那樣，形成與引線框9一體化的端子盒2(S22)。此時，在端子盒2中形成有圖3(C)所示的多個突出部14和臺階部12。此外，同時一體形成螺釘安裝部4。如圖9(B)中的(A)的E-E方向截面所示，在該狀態(tài)下，引線框9仍然為平板狀。其中，對于該PPS樹脂來說，為了能夠提高與環(huán)氧樹脂3的粘合性，也可以使用配合有規(guī)定量的苯氧基樹脂或者酯化合物的PPS樹脂。
然后，將引線框9的內(nèi)部端子一側(cè)的連桿52切掉，在上下進(jìn)行沖壓加工，如圖10(A)和(B)所示，在各引線51上形成內(nèi)部端子30(S23)。此時，如圖10(C)所示，同時對內(nèi)部端子30進(jìn)行壓印加工，從而在其前端部的中央形成部分向下方突出的凸起形61。
在以上的工序之后，如圖11(A)以及(B)所示，將絕緣電路基板7安裝在端子盒2上，如圖11(C)所示，使各引線51的內(nèi)部端子30搭接在焊料層31上(S31)。此時，如上所述，絕緣電路基板7的散熱面從螺釘安裝部4的圓凸起部23向下突出規(guī)定的量。
然后，在該狀態(tài)下進(jìn)行回流焊接處理(S32)，使焊料層29和焊料層31同時軟溶，在軟焊絕緣電路基板7和半導(dǎo)體芯片8的同時，軟焊半導(dǎo)體芯片8和內(nèi)部端子30。此時，焊料因為聚酰亞胺層而被排斥，并通過自定位而在內(nèi)部端子30和半導(dǎo)體芯片8的電極之間移動。其結(jié)果，半導(dǎo)體芯片8也通過自定位而移動，并接合在正確位置。此外，如圖11(C)所示，因為上述內(nèi)部端子30的凸起形61的原因，而能夠確保在內(nèi)部端子30和半導(dǎo)體芯片8之間必要的焊料厚度，從而能夠得到足夠的軟焊粘接強度。
接著，在進(jìn)行了預(yù)熱的基礎(chǔ)上(S33)，如圖12(A)和(B)所示，在端子盒2內(nèi)填充熔融的環(huán)氧樹脂3(S34)。如圖12(C)中的(B)的F部位放大圖所示，此時，環(huán)氧樹脂3通過端子盒2的突出部14和絕緣電路基板7之間，而迂回到端子盒2和絕緣電路基板7之間來進(jìn)行填充。然后，在該狀態(tài)下，在爐內(nèi)進(jìn)行固化來使環(huán)氧樹脂3硬化(S35)。此時，由端子盒2的臺階部12來穩(wěn)定保持環(huán)氧樹脂3。其中，在該環(huán)氧樹脂3上為了防止因熱膨脹而造成的從半導(dǎo)體芯片8和引線框9的剝離，優(yōu)選是選擇具有與其大體相同熱膨脹系數(shù)的材料。
然后，在該狀態(tài)下向一對連桿53通電來進(jìn)行絕緣試驗(S36)，對于其絕緣試驗合格的產(chǎn)品，通過在上下方向?qū)σ€51的外部端子一側(cè)進(jìn)行沖壓加工，切掉連桿53并使各引線51分離，從而形成如圖13(A)和(B)所示那樣的外部端子6(S37)。其中，在本實施方式中，是構(gòu)成為外部端子6從端子盒2的兩個側(cè)面伸出的DIP型的形狀，但是也可以構(gòu)成為從單側(cè)伸出的SIP型、或者從上面伸出的QFP型等其他形狀。
如以上說明的那樣，在本實施方式的功率半導(dǎo)體模塊1中，引線框9同時具有內(nèi)部端子30和外部端子6，其多個外部端子6同時軟焊連接在半導(dǎo)體芯片8上。因此，與引線接合外部端子和半導(dǎo)體芯片之間的情況相比，能夠減少部件個數(shù)。此外，無須如引線接合那樣逐根進(jìn)行連接，從而能夠高效率地得到功率半導(dǎo)體模塊1。此外，即使不用引線接合來連接，也能夠確保充分的電流流量。
此外，若采用本實施方式的功率半導(dǎo)體模塊1的制造方法，則不進(jìn)行引線接合，可以通過回流焊接而同時在一個工序中進(jìn)行絕緣電路基板7和半導(dǎo)體芯片8的連接、以及半導(dǎo)體芯片8和引線框9的連接。因此其實際安裝時間非常短，從而能夠高效率地制造功率半導(dǎo)體模塊。
以上，對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明并不局限于該特定的實施方式，可以在本發(fā)明的精神范圍內(nèi)對其進(jìn)行變化以及變形。
例如，如圖3所示，在上述實施方式中表示出了將絕緣電路基板7作為在由鋁構(gòu)成的主體基板26上成膜絕緣樹脂層27的鋁絕緣基板而構(gòu)成的例子，但是也可以作為DCB(Direct Copper Bond)絕緣基板來構(gòu)成。圖14是表示使用該絕緣基板的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)例的說明圖，相當(dāng)于圖3(B)的箭頭方向的截面圖。對于與圖3大體相同結(jié)構(gòu)的部分采用相同的標(biāo)號，并省略其說明。
即，就該功率半導(dǎo)體模塊201的絕緣電路基板207而言，在由氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(SiN)等陶瓷構(gòu)成的絕緣性陶瓷基板211的整個下面層積銅箔而形成散熱面，另一方面，在上面形成由銅箔構(gòu)成的圖案213。然后，半導(dǎo)體芯片8通過焊料層29被表面安裝在該銅箔上。端子盒2的突出部14形成為與陶瓷基板211搭接。
此外，在上述實施方式中，在形成圖6所示的半導(dǎo)體芯片8時，為了提高軟焊的溶析性，通過無電鍍處理對其電極部進(jìn)行鎳(Ni)鍍層43和金(Au)鍍層44，但是也可以不是通過無電鍍處理，而是通過等離子體CVD、蒸鍍、濺射等方法來生成Ni層和Au層。此外，也可以不成膜Ni層，而成膜錫(Sn)層。
此外，如圖3所示，在上述實施方式中，作為用于提高環(huán)氧樹脂3向端子盒2的粘接強度的粘接強度強化形狀，表示了在端子盒2的上端部設(shè)置臺階部12的結(jié)構(gòu)，但是也可以采用掛住環(huán)氧樹脂3的其他形狀。例如，如圖15所示的對應(yīng)圖12(A)的變形例那樣，在端子盒2的上端周邊部設(shè)置銳角的缺口部302等來使環(huán)氧樹脂3緊密粘合。
此外，在上述實施方式中，在圖4中表示了功率半導(dǎo)體模塊1的向控制電路基板101的安裝方式的一個例子，但是也可以采用除此以外的其他安裝方式。圖16和圖17是表示該安裝方式的變形例的說明圖。此外，對與圖4大體相同的結(jié)構(gòu)部分采用相同的標(biāo)號，并省略其說明。
例如，如圖16(A)所示，也可以設(shè)置功率半導(dǎo)體模塊的相對控制電路基板101定位用的凸起狀插通部405，其向著上方而突出設(shè)置在功率半導(dǎo)體模塊的螺釘安裝部404上。通過將該凸起狀插通部405插通在設(shè)置于控制電路基板101一側(cè)的插通孔114內(nèi)，而能夠?qū)β拾雽?dǎo)體模塊進(jìn)行定位。通過在該凸起狀插通部405內(nèi)插通兼作上述螺釘插通孔22的、用于一起緊固用的插通孔406，而通過使螺釘120插通并插入冷卻風(fēng)扇110的螺釘孔111內(nèi)來實現(xiàn)共通緊固。
此外，如圖16(B)所示，也可以將螺釘安裝部424的凸起狀插通部425形成為臺階形狀，使控制電路基板101限定在其臺階部427的規(guī)定高度的位置而構(gòu)成。利用設(shè)定該臺階部427的高度，而能夠調(diào)整外部端子6和控制電路基板101的位置關(guān)系，從而能夠確保焊料層103在軟溶時的焊料厚度。
或者，如圖17(A)中的局部放大圖所示那樣，也可以在螺釘安裝部434上設(shè)置向著上方突出的凸起部435，該凸起部435的前端面構(gòu)成為與控制電路基板101固定接合。利用設(shè)定該凸起部435的高度，而能夠調(diào)整外部端子6和控制電路基板101的位置關(guān)系，從而可以確保焊料層103在軟溶時的焊料厚度。此外，通過在該凸起部435內(nèi)插通兼作上述螺釘插通孔22的、用于一起緊固的共用插通孔436，而通過使螺釘120插通并插入冷卻風(fēng)扇110的螺釘孔111內(nèi)來實現(xiàn)共通緊固。
而且，如圖17(B)的局部放大圖所示，也可以在螺釘安裝部444上設(shè)置向上方突出的圓錐形的該凸起狀插通部445，構(gòu)成為使控制電路基板101的插通孔114在該規(guī)定位置與該凸起狀插通部445接合固定。通過設(shè)定該凸起狀插通部445的高度以及圓錐形狀而能夠調(diào)整外部端子6和控制電路基板101的位置關(guān)系，因此，能夠確保焊料層103在軟溶時的焊料厚度。此外，在該凸起狀插通部445內(nèi)插通用于共通固定兼作上述螺釘插通孔22的共用的插通孔436，而能夠通過使螺釘120一起緊固在冷卻風(fēng)扇110的螺釘孔111上來實現(xiàn)共同連接。
此外，在上述實施方式中，表示了半導(dǎo)體芯片8被表面安裝在絕緣電路基板7上，且引線框9被表面安裝在半導(dǎo)體芯片8上的例子，但是，也可以通過插通安裝來進(jìn)行軟焊連接。此外，也可以用銀糊等的導(dǎo)電性粘接劑等，使用焊料以外的釬料進(jìn)行硬焊連接。
此外，在上述實施方式中，作為絕緣密封劑表示了使用環(huán)氧樹脂的例子，但是，例如也可以在端子盒2內(nèi)注入硅凝膠等的凝膠狀填充劑后使其硬化。但是，因為環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱性和耐熱性優(yōu)良，且剛性也高，所有對其優(yōu)選。在使用凝膠狀填充劑的情況下，需要想辦法用樹脂板等按壓其上面等。
此外，在上述實施方式中沒有特別提及，優(yōu)選的是以使安裝在絕緣電路基板7上的多個半導(dǎo)體芯片8的厚度相等的方式而構(gòu)成。若這樣的話，則可以使各引線框9的內(nèi)部端子30一側(cè)的彎曲尺寸統(tǒng)一。其結(jié)果，在使用規(guī)定的模具進(jìn)行其彎曲成形的沖壓加工的情況下，有利于簡化此模具的制作。
此外，在上述實施方式中沒有特別說明，但是為了確保軟焊層在軟溶時的焊料厚度，也可以使規(guī)定尺寸(例如直徑數(shù)十～數(shù)百μm)的銅和鎳構(gòu)成的芯球分散在膠焊料內(nèi)來形成軟焊層。
權(quán)利要求
1.一種功率半導(dǎo)體模塊，被安裝在主體裝置的控制電路基板上，且在其內(nèi)部具有功率半導(dǎo)體元件，其特征在于，包括引線框，其一端構(gòu)成為連接所述控制電路基板的外部端子，另一端構(gòu)成為連接半導(dǎo)體芯片的內(nèi)部端子；端子盒，與所述引線框一體形成，并收容其所述內(nèi)部端子；和絕緣電路基板，被收容在所述端子盒內(nèi)，單面從所述端子盒的與所述控制電路基板的相反一側(cè)露出而構(gòu)成散熱面，將所述半導(dǎo)體芯片安裝在與所述散熱面相反一側(cè)的面上，其中，一個或者多個所述半導(dǎo)體芯片被硬焊在所述絕緣電路基板上，所述引線框被硬焊在與所述半導(dǎo)體芯片的所述絕緣電路基板相反一側(cè)的面上。
2.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于所述半導(dǎo)體芯片通過軟焊被表面安裝在所述絕緣電路基板上，所述引線框通過軟焊被表面安裝在所述半導(dǎo)體芯片上。
3.如權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于在所述端子盒上一體形成有向著其主體的外方且沿著互相相反方向延伸的一對螺釘安裝部，經(jīng)由所述螺釘安裝部將螺釘緊固在冷卻風(fēng)扇上，通過這樣來使所述絕緣電路基板的所述散熱面與所述冷卻風(fēng)扇搭接，所述散熱面從所述螺釘安裝部的所述冷卻風(fēng)扇的搭接面向著所述冷卻風(fēng)扇一側(cè)突出規(guī)定的量。
4.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于絕緣密封用的熱硬化性樹脂被填充在所述端子盒中而硬化，在所述螺釘安裝部的螺釘插通部和所述端子盒的主體之間形成有缺口部，在所述螺釘安裝部的螺釘插通部和所述端子盒的主體之間形成為薄壁形狀。
5.如權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于在所述缺口部上設(shè)置有狹縫。
6.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于所述螺釘安裝部的所述搭接面由從所述螺釘安裝部的單側(cè)面突出的凸起部的前端面所構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于在所述端子盒的與所述絕緣電路基板的接合部中，設(shè)置有一個或多個突出部，其向所述絕緣電路基板一側(cè)突出，用于使所述熱硬化性樹脂迂回到與所述絕緣電路基板之間。
8.如權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于所述端子盒具有用于提高所述熱硬化性樹脂的粘接強度的粘接強度強化形狀。
9.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述引線框的所述外部端子構(gòu)成通過在與所述端子盒的所述散熱面相反一側(cè)進(jìn)行軟焊而被表面安裝在所述控制電路基板上，在所述端子盒和所述螺釘安裝部中的至少一個的、與所述控制電路基板相對的面上，設(shè)置有一個或者多個突出部，用于確保向所述控制電路基板的軟焊的焊料厚度。
10.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于所述引線框的所述外部端子構(gòu)成通過在與所述端子盒的所述散熱面相反一側(cè)進(jìn)行軟焊而被表面安裝在所述控制電路基板上，所述螺釘安裝部具有用于將該功率半導(dǎo)體模塊和所述控制電路基板共同緊固在所述冷卻風(fēng)扇上的共用螺釘插通孔。
11.如權(quán)利要求10所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于所述螺釘安裝部具有凸起狀插通部，用于通過在貫通所述共用螺釘插通孔的同時，插通在設(shè)置于所述控制電路基板上的插通孔，來進(jìn)行該功率半導(dǎo)體模塊相對所述控制電路基板的定位。
12.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于在所述絕緣電路基板上安裝有多個所述半導(dǎo)體芯片，各半導(dǎo)體芯片的厚度相等。
13.如權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于在所述引線框的軟焊部上具有部分向焊料一側(cè)突出的突出形狀。
14.如權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于在除電極部以外的所述半導(dǎo)體芯片的所述引線框一側(cè)的表面上，形成聚酰亞胺層。
15.一種功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，是被安裝在主體裝置的控制電路基板上且在其內(nèi)部具有功率半導(dǎo)體元件的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于，包括芯片形成工序，在規(guī)定的半導(dǎo)體基板上形成所述功率半導(dǎo)體元件而形成半導(dǎo)體芯片；絕緣電路基板形成工序，形成由絕緣材料構(gòu)成絕緣層、在所述絕緣層的一個面上構(gòu)成電極部的電極層、和在所述絕緣層的另一個面上構(gòu)成散熱面的散熱層而構(gòu)成的絕緣電路基板；第一焊料層形成工序，在所述電極部上形成第一焊料層；芯片裝配工序，將所述半導(dǎo)體芯片裝配在所述第一焊料層上；第二焊料層形成工序，在所述半導(dǎo)體芯片上形成第二焊料層；引線框形成工序，沖制規(guī)定金屬板而形成由連桿連接著多個引線的引線框；端子盒形成工序，通過使用規(guī)定模具進(jìn)行的樹脂材料的噴射成形，而形成與所述引線框為一體化的端子盒；端子盒安裝工序，將所述絕緣電路基板安裝在所述端子盒中，使所述引線框的內(nèi)部端子搭接在所述第二焊料層上；回流焊接工序，同時使所述第一焊料層和所述第二焊料層軟溶，并分別對所述絕緣電路基板和所述半導(dǎo)體芯片、以及所述半導(dǎo)體芯片和所述引線框進(jìn)行軟焊；絕緣密封工序，將絕緣密封用的熱硬化性樹脂填充在所述端子盒內(nèi)并使其硬化；和外部端子形成工序，切斷并分離所述引線框的各引線，從而形成各引線框的外部端子。
16.如權(quán)利要求15所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于具有在所述端子盒形成工序之后，成形各引線框的內(nèi)部端子的內(nèi)部端子形成工序。
17.如權(quán)利要求15所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于在所述外部端子形成工序之前，對所述引線框進(jìn)行絕緣試驗，并對該絕緣試驗合格的引線框?qū)嵤┧鐾獠慷俗有纬晒ば颉?br> 18.如權(quán)利要求15所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于在所述端子盒形成工序中，通過一體形成向著所述端子盒的主體的外方并在互相相反方向上延伸的一對螺釘安裝部，并通過經(jīng)由所述螺釘安裝部將螺釘緊固在冷卻風(fēng)扇上，來使所述絕緣電路基板的所述散熱面搭接在所述冷卻風(fēng)扇上。
19.如權(quán)利要求18所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于在所述端子盒安裝工序中，以所述絕緣電路基板的散熱面從所述螺釘安裝部的與所述冷卻風(fēng)扇的搭接面向著所述冷卻風(fēng)扇一側(cè)突出規(guī)定量的方式，而將所述絕緣電路基板安裝在所述端子盒中。
20.如權(quán)利要求18所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于在所述端子盒形成工序中，在所述螺釘安裝部的螺釘插通部和所述端子盒的主體之間一體形成缺口部，在所述螺釘安裝部的螺釘插通部和所述端子盒的主體之間形成為薄壁形狀。
21.如權(quán)利要求15所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于在所述端子盒形成工序中，在所述端子盒的與所述絕緣電路基板的接合部中，設(shè)置有一個或者多個向著所述絕緣電路基板一側(cè)突出的突出部，在所述絕緣密封工序中，使所述熱硬化性樹脂迂回到所述端子盒與所述絕緣電路基板之間。
22.如權(quán)利要求15所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于在所述端子盒形成工序中，在所述端子盒上一體形成用于提高所述熱硬化性樹脂的粘接強度的粘接強度強化形狀，在所述絕緣密封工序中，使所述熱硬化性樹脂保持在所述粘接強度強化形狀的部分上。
23.如權(quán)利要求15所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于在所述芯片裝配工序中，所述多個半導(dǎo)體芯片被安裝在所述絕緣電路基板上，在所述芯片形成工序中，各半導(dǎo)體芯片以厚度相等的方式而形成。
24.如權(quán)利要求16所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于在所述內(nèi)部端子形成工序中，在所述引線框的軟焊部實施形成部分向焊料一側(cè)突出的突出形狀的壓印加工。
25.如權(quán)利要求15所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于在所述芯片形成工序中，通過表面處理而在除其電極部的表面以外的所述半導(dǎo)體芯片的所述引線框一側(cè)的表面上，形成聚酰亞胺層，另一方面，在其電極部的表面形成鍍層，在所述回流焊接工序中，使所述半導(dǎo)體芯片自定位。
26.如權(quán)利要求16所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于在所述引線框形成工序中，形成平板形的所述引線框，在所述端子盒形成工序中，一體形成該平板形的所述引線框和端子盒；分別通過壓力加工來進(jìn)行在所述內(nèi)部端子形成工序中的所述內(nèi)部端子的成形和在所述外部端子形成工序中的所述外部端子的成形。
27.如權(quán)利要求15所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于在所述絕緣密封工序中，使用環(huán)氧樹脂作為所述熱硬化性樹脂。
28.如權(quán)利要求15所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其特征在于使規(guī)定尺寸的芯球分散在所述第一軟焊層形成工序中的所述第一軟焊層和在所述第二焊料層形成工序中的所述第二焊料層中的至少一個中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠高效率制造的功率半導(dǎo)體模塊及其制造方法。在功率半導(dǎo)體模塊(1)中，引線框(9)同時具有內(nèi)部端子(30)和外部端子(6)，其多個外部端子(6)同時被軟焊在半導(dǎo)體芯片(8)上。因此，沒有必要如引線接合那樣逐根進(jìn)行連接，從而能夠高效率得到功率半導(dǎo)體模塊。此外，因為不是用引線接合來進(jìn)行連接，所以可以確保足夠的電流容量。此外，在功率半導(dǎo)體模塊(1)的制造過程中，不進(jìn)行引線接合，而是通過回流焊接同時在同一工序中進(jìn)行絕緣電路基板(7)和半導(dǎo)體芯片(8)、以及半導(dǎo)體芯片(8)和引線框(9)的接合。因此，能夠使其安裝時間縮短到非常短，從而能夠高效率地制造功率半導(dǎo)體模塊。
文檔編號H01L21/60GK1753177SQ20051010271
公開日2006年3月29日 申請日期2005年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月22日
發(fā)明者井川修, 望月英司, 早乙女全紀(jì), 有川典男 申請人:富士電機電子設(shè)備技術(shù)株式會社