[發明專利]半導體器件

無效

• 申請號: 200910145568.1
• 申請日: 2009-05-25
• 公開（公告）號: CN101587870A
• 公開（公告）日: 2009-11-25
• 發明（設計）人: 両角朗
• 申請（專利權）人: 富士電機電子技術株式會社
• 主分類號: H01L23/40
• 分類號: H01L23/40;H01L23/14
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司
• 代理人: 浦易文

技術領域

本發明涉及一種半導體器件，尤其涉及一種配置成使具有安裝于其上的半導體元件的絕緣襯底結合到散熱器的半導體器件。

背景技術

可在大電流高電壓環境下工作的功率半導體模塊近年來已用于諸如一般工業用途以及車內用途之類的各種領域中。功率半導體模塊采用諸如IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、功率MOS(金屬氧化物半導體)以及FWD(續流二極管)之類的半導體器件。

例如，半導體器件具有安裝在陶瓷絕緣襯底上的半導體元件。當半導體器件被操作時，該半導體器件發熱。半導體器件的絕緣襯底通過焊料構件結合到諸如散熱片之類的金屬散熱器。由該半導體元件產生的熱通過散熱器被輻射到外部，從而冷卻半導體器件(例如，參見專利文獻1)。

因為其中絕緣襯底以及在熱膨脹系數上與絕緣襯底有較大差異的散熱器通過焊料構件結合的半導體器件被用在諸如以上所述的一般工業用途和車內用途之類的各種環境中，所以半導體器件需要高可靠性。因此，諸如鋁-碳化硅(Al-SiC)復合材料或銅-鉬(Cu-Mo)復合材料之類的其熱膨脹系數接近絕緣襯底的熱膨脹系數的構件被用作散熱器。用于將絕緣襯底與散熱器相互結合而不使用任何焊料構件的新結構已被進一步提出。

然而，通過上述方法改進可靠性的半導體器件具有以下問題。首先，用作散熱器的Al-SiC復合材料或Cu-Mo復合材料是昂貴且低再循環效率的。在將絕緣襯底與散熱器相互結合而不使用任何焊料構件的結構中，用于減小接觸熱阻的成本增大并且用于將該結構附連到功率半導體模塊的工作是復雜的。

因此，為了在將可靠性保持為高的情況下獲得低成本的半導體器件，包含錫(Sn)作為主要成分以及約5％重量的銻(Sb)的焊料構件開始用于將絕緣襯底與散熱器相互結合。該焊料構件可與根據背景技術的組裝方法及生產裝置一起使用。3000個冷卻和加熱循環的使用壽命可被實現為焊料構件的使用壽命。高可靠性和低成本兩者都可被該焊料構件滿足。目前，焊料構件的使用，氧化鋁(Al₂O₃)型絕緣襯底以及金屬型散熱器是主要的最適當組合。

因為功率半導體模塊在未來將用于各種用途，所以將需要更高的可靠性。相對于上述最適當組合的結構，將成本保持為低的同時還必需獲得更高的可靠性。因為由尺寸減小和功率增大引起的熱密度的增大，所以有必要使用諸如高熱導率的氮化鋁(AlN)以及氮化硅(Si₃N₄)之類的高熱導陶瓷來提供絕緣襯底。

[專利文獻1]JP-A-2006-202884

使用諸如AlN和Si₃N₄之類的高熱導陶瓷的絕緣襯底與Al₂O₃型絕緣襯底相比其熱傳導率較高但是其熱膨脹系數較低。為此，如果陶瓷型絕緣襯底與Cu散熱器組合使用，則絕緣襯底與散熱器之間的熱膨脹系數差異比使用Al₂O₃型絕緣襯底的情況更大。

為此，如果AlN或Si₃N₄的絕緣襯底與Cu散熱器組合使用，則施加在焊料構件上的應力相比Al₂O₃型絕緣襯底與Cu散熱器組合使用的情況變得較大。因此，即使在焊料構件包含相對耐熱劣化的約5％重量的Sb時也存在由冷卻和加熱循環的數目指示的使用壽命縮短以及可靠性降低的問題。

發明內容

考慮到處于這些情況下而開發了本發明。本發明的一個目的是提供可靠性得到改進的半導體器件。

為實現以上目的，提供一種配置成使具有安裝于其上的半導體元件的絕緣襯底結合到散熱器的半導體器件。

該半導體器件包括：絕緣襯底；安裝在絕緣襯底的第一主表面上的至少一個半導體元件；以及散熱器，該散熱器通過焊料構件結合到絕緣襯底的與其上安裝有半導體元件的第一主表面相反的第二主表面，其中：該焊料構件包含至少錫和銻；并且焊料構件的銻含量在大于等于7％重量且小于等于15％重量的范圍內。

根據該配置，該半導體器件的可靠性可得到改進。

附圖說明

圖1是示出根據本發明第一實施例的半導體器件的重要部分的截面圖；

圖2是示出根據第一實施例的用于評估熱疲勞壽命的樣品的截面圖；

圖3是示出在根據第一實施例的陶瓷襯底由氧化鋁制成的情況中裂縫長度對循環數的曲線圖；

圖4是示出在根據第一實施例的陶瓷襯底由氮化硅制成的情況中裂縫長度對循環數的曲線圖；以及