[發(fā)明專利]模塊式半導(dǎo)體器件

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 99123411.1
• 申請(qǐng)日: 1999-11-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN1253377A
• 公開(kāi)（公告）日: 2000-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田中明;山本敦史;草野貴史;西村隆宣;荒木浩二;福吉寬;石渡裕;奧富功
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 株式會(huì)社東芝
• 主分類號(hào): H01L23/34
• 分類號(hào): H01L23/34;H01L23/12;H01L21/00
• 代理公司: 中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專利商標(biāo)事務(wù)所
• 代理人: 王永剛

本發(fā)明涉及到模塊式半導(dǎo)體器件，它具有用來(lái)冷卻的可固定于熱沉的導(dǎo)熱底座，并具有在導(dǎo)熱底座上提供有焊料、第二導(dǎo)電層、絕緣襯底、第一導(dǎo)電層和半導(dǎo)體元件的疊層結(jié)構(gòu)。

在諸如功率開(kāi)關(guān)元件之類的半導(dǎo)體元件領(lǐng)域中，封裝件中含有一個(gè)或更多個(gè)半導(dǎo)體元件的模塊式半導(dǎo)體器件是眾所周知的。

圖1典型地示出了常規(guī)模塊式半導(dǎo)體器件的示意結(jié)構(gòu)。在這種模塊式半導(dǎo)體器件中，相對(duì)于用將第一導(dǎo)電層2連接到絕緣陶瓷層1的一個(gè)表面并將第二導(dǎo)電層3連接到其另一表面的方法制作的絕緣襯底4，一個(gè)或更多個(gè)半導(dǎo)體元件5被連接到第一導(dǎo)電層2上，而導(dǎo)熱底座7通過(guò)焊料6被連接到第二導(dǎo)電層3上。

可以用螺栓之類將導(dǎo)熱底座7固定到由相同的導(dǎo)熱材料制成的熱沉(未示出)。

這樣，在模塊式半導(dǎo)體器件中，在半導(dǎo)體元件5被隔離于外部熱沉的情況下，半導(dǎo)體元件5工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱通過(guò)絕緣襯底4和導(dǎo)熱底座7被送到外部熱沉中。

但在上述模塊式半導(dǎo)體器件中，焊料6將絕緣襯底4連接到線性膨脹系數(shù)不同于具有襯底4的導(dǎo)熱底座7。因此，焊料6就成為對(duì)溫度循環(huán)中的損傷最敏感的區(qū)域。實(shí)際的失效或缺陷大多數(shù)是由焊料6的疲勞引起的。

具體地說(shuō)，在由工作過(guò)程中電流的開(kāi)啟/關(guān)斷控制之后的反復(fù)發(fā)熱與冷卻造成的溫度上升與下降所組成的溫度循環(huán)中，模塊式半導(dǎo)體器件的各個(gè)組成部分反復(fù)地膨脹與收縮。

此處，若導(dǎo)熱底座7由例如銅制成，則在這些元件中的絕緣陶瓷層1與導(dǎo)熱底座7之間的膨脹量和壓縮量中存在4倍的差異。

若差異這樣大的膨脹與壓縮反復(fù)出現(xiàn)，則絕緣襯底4與導(dǎo)熱底座7之間的焊料6就可能出現(xiàn)疲勞損傷。如上所述，焊料6的疲勞損傷還引起失效或缺陷，從而降低裝置的可靠性。

本發(fā)明的目的是提供一種能夠防止溫度循環(huán)引起的焊料疲勞損傷并提高可靠性的模塊式半導(dǎo)體器件。

本發(fā)明為模塊式半導(dǎo)體器件而設(shè)計(jì)，此器件包含絕緣陶瓷層；連接于絕緣陶瓷層一個(gè)表面的第一導(dǎo)電層；連接于絕緣陶瓷層另一個(gè)表面的第二導(dǎo)電層；連接在第一導(dǎo)電層上的半導(dǎo)體元件；以及通過(guò)焊料連接在第二導(dǎo)電層上的導(dǎo)熱底座。

此處，第一發(fā)明的特征是導(dǎo)熱底座的厚度t_b對(duì)焊料的厚度t_s的比率t_b/t_s在6.7-80的范圍內(nèi)。

如從上述可見(jiàn)，根據(jù)本發(fā)明，導(dǎo)熱底座的厚度t_b對(duì)焊料的厚度t_s的比率t_b/t_s被規(guī)定在6.7-80的范圍內(nèi)。于是，防止溫度循環(huán)引起的焊料疲勞損傷并提高可靠性就成為可能。

此處，導(dǎo)熱底座可以由銅(Cu)、鋁(Al)或MMC(金屬基體復(fù)合物)制成。在此情況下，除了上述優(yōu)點(diǎn)外，還有可能提高冷卻效率。

此外，絕緣陶瓷層可以由氮化鋁、氧化鋁或氮化硅制成。在此情況下，由于使用了絕緣性能和強(qiáng)度優(yōu)異的絕緣陶瓷層，故除了上述優(yōu)點(diǎn)外，有可能進(jìn)一步提高可靠性。

而且，焊料可以主要由錫、鉛或銀組成。在此情況下，由于采用了機(jī)械強(qiáng)度、抗腐蝕性和導(dǎo)熱性能優(yōu)異的焊料，故除了上述優(yōu)點(diǎn)外，有可能進(jìn)一步提高可靠性。

而且，在設(shè)計(jì)的模塊式半導(dǎo)體器件中，第二發(fā)明的特征是導(dǎo)熱底座的厚度與焊料的厚度之間的相互關(guān)系滿足下列關(guān)系(1)-(5)中的一個(gè)：

(1)當(dāng)導(dǎo)熱底座的厚度不小于2mm而小于4mm時(shí)，焊料的厚度不小于50μm。

(2)當(dāng)導(dǎo)熱底座的厚度不小于4mm而小于6mm時(shí)，焊料的厚度不小于100μm。

(3)當(dāng)導(dǎo)熱底座的厚度不小于6mm而小于8mm時(shí)，焊料的厚度不小于150μm。

(4)當(dāng)導(dǎo)熱底座的厚度不小于8mm而小于9mm時(shí)，焊料的厚度不小于200μm。

(5)當(dāng)導(dǎo)熱底座的厚度不小于9mm時(shí)，焊料的厚度不小于250μm。

由于第二發(fā)明恰當(dāng)?shù)匾?guī)定了導(dǎo)熱底座厚度與焊料厚度的上述組合，故防止溫度循環(huán)引起的焊料疲勞損傷并提高可靠性就成為可能。

圖1典型地示出了常規(guī)模塊式半導(dǎo)體器件的示意結(jié)構(gòu)；

圖2典型地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的模塊式半導(dǎo)體器件的示意結(jié)構(gòu)；

圖3示出了第一實(shí)施例中底座厚度t_b對(duì)焊料的厚度t_s的比率；以及

圖4示出了對(duì)于涂敷在根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的模塊式半導(dǎo)體器件上的各個(gè)焊料厚度的底座厚度t_b。

下面參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例。

[第一實(shí)施例]