功率模塊及其製造方法
2023-09-22 10:50:25 1
專利名稱：功率模塊及其製造方法
技術領域：
本發明涉及功率模塊及其製造方法，特別涉及在高溫度工作的功率模塊及其製造方法。
背景技術：
在現有的功率模塊中，通常，絕緣襯底以氮化鋁(以下A1N)、氧化鋁(A1203)、氮化矽(Si3N4)等陶瓷形成，在其表面背面上形成有銅或鋁的金屬圖案。配置在絕緣襯底上的功率元件通過焊錫被接合在該絕緣襯底的金屬圖案上，從功率元件的電極向端子部以鋁線進行布線，整體以矽凝膠(silicone gel)等密封材料進行密封。這是在專利文獻1中示出的情況。專利文獻
專利文獻1 日本特開平6-5742號公報。當功率模塊工作時，在功率元件的電阻部分中流過電流，元件發熱，該熱經由絕緣襯底、焊錫、底板向外部的冷卻器(未圖示)傳遞，進行散熱。可是，在與功率元件接合的鋁線的接合部中存在被傳遞功率元件的熱而導致溫度上升，接合的可靠性降低的問題。此外，功率元件的熱膨脹係數(線膨脹係數)和鋁線的熱膨脹係數(線膨脹係數)之差導致熱應力被反覆施加，存在有可能在界面附近發生疲勞損壞直至斷裂的問題。特別如果是SiC器件那樣的能高溫工作的器件的話，工作溫度進一步變高， 該接合部的可靠性顯著降低。
發明內容
本發明正是為了解決上述那樣的問題而完成的，其目的在於提供一種能防止鋁線接合部的可靠性的劣化，實現Si、SiC器件的高溫工作的功率模塊及其製造方法。本發明的功率模塊具備絕緣襯底，配置在盒體內；功率元件，接合在所述絕緣襯底上；第一布線構件，其為矩形筒狀的金屬，第一側面被接合於所述功率元件的表面電極； 布線，連接於所述第一布線構件的與所述第一側面相向的第二側面；以及密封材料，被填充在所述盒體內，覆蓋所述絕緣襯底、所述功率元件、所述第一布線構件、所述布線。此外，本發明的功率模塊的製造方法具備(a)以所述第一布線構件的至少所述第二側面露出的方式，在所述盒體內填充所述第一密封材料，覆蓋所述絕緣襯底、所述功率元件、所述第一布線構件的工序；(b)在填充所述第一密封材料並露出的所述第一布線構件的所述第二側面連接所述布線的工序；以及(c)在所述第一密封材料上進一步填充所述第二密封材料，覆蓋所述第一布線構件的至少所述第二側面、所述布線的工序。根據本發明的功率模塊，通過具備絕緣襯底，配置在盒體內；功率元件，接合在所述絕緣襯底上；第一布線構件，其為矩形筒狀的金屬，第一側面被接合於所述功率元件的表面電極；布線，連接於所述第一布線構件的與所述第一側面相向的第二側面；以及密封材料，被填充在所述盒體內，覆蓋所述絕緣襯底、所述功率元件、所述第一布線構件、所述布線，從而功率元件表面和布線的接合部之間的距離變大，能抑制熱直接傳遞，能防止其可靠性的劣化。此外，能抑制功率元件的熱膨脹係數和布線的熱膨脹係數之差導致的熱應力，能抑制接合的斷裂可能性。此外，根據本發明的功率模塊的製造方法，具備(a)以所述第一布線構件的至少所述第二側面露出的方式，在所述盒體內填充所述第一密封材料，覆蓋所述絕緣襯底、所述功率元件、所述第一布線構件的工序；(b)在填充所述第一密封材料並露出的所述第一布線構件的所述第二側面，連接所述布線的工序；以及(c)在所述第一密封材料上進一步填充所述第二密封材料，覆蓋所述第一布線構件的至少所述第二側面、所述布線的工序，由此成為能耐受在布線的接合時施加的加重、超聲波的振動的構造，得到更穩定的接合性，品質提尚。
圖1是實施方式1的功率模塊的剖面圖。圖2是實施方式1的布線構件的剖面圖。圖3是實施方式1的布線構件的剖面圖。圖4是實施方式2的功率模塊的剖面圖。圖5是實施方式3的功率模塊的剖面圖。圖6是前提技術的功率模塊的剖面圖。
具體實施例方式首先，針對本發明背景技術的功率模塊，在以下進行說明。如圖6所示，功率模塊在盒體8內具備底板7 ；絕緣襯底5，隔著焊錫6分別配置在底板7上；功率元件1，隔著焊錫6配置在絕緣襯底5上；端子4，經由鋁線3連接於功率元件1的表面電極；以及密封材料2，在盒體8內填充並覆蓋絕緣襯底5、功率元件1、鋁線 3。當功率模塊工作時，在功率元件1的電阻部分(resistor component)中流過電流，功率元件1發熱，該熱經由絕緣襯底5、焊錫6、底板7向外部的冷卻器(未圖示)傳遞，進行散熱。可是，在與功率元件1接合的鋁線3的接合部中，存在被傳遞功率元件1的熱而導致溫度上升，接合的可靠性降低的問題。此外，功率元件1的熱膨脹係數(線膨脹係數)和鋁線3的熱膨脹係數(線膨脹係數)之差導致熱應力被反覆施加，存在有可能在界面附近發生疲勞損壞直至斷裂的問題。特別如果是SiC器件那樣的能高溫工作的器件的話，工作溫度進一步變高，該接合部的可靠性顯著降低。在以下的實施方式中，針對解決上述那樣的問題的功率模塊進行說明。 <A—1.結構〉
針對本發明的實施方式1的功率模塊使用附圖進行說明。如圖1所示，本發明的功率模塊在盒體8內具備底板7 ；絕緣襯底5，隔著焊錫6分別配置在底板7上；功率元件1，隔著焊錫6配置在絕緣襯底5上；作為第一布線構件的布線構件9，經由接合材料10接合於功率元件1的表面電極；端子4，經由作為布線的鋁線3與布線構件9連接；以及密封材料2， 在盒體8內填充並覆蓋絕緣襯底5、功率元件1、布線構件9、鋁線3。作為功率元件1通過使用作為寬帶隙(wideband gap)半導體的SiC等，從而能實現可進行更高溫工作的器件。布線構件9由導電性好的例如銅材料、銅合金材料構成，形狀為矩形筒狀。一個主面(第一側面)通過例如焊錫或銀、銅等的低溫燒結材料的接合材料10接合在功率元件1 的表面電極部。在相向的主面(第二側面)接合有鋁線3。作為布線構件9的材料，選擇熱膨脹係數(線膨脹係數)比功率元件1的熱膨脹係數(線膨脹係數)大的材料。該布線構件 9具有如下效果，即，不需要採用在筒內通過有冷卻介質的冷卻介質電極所需要的那樣的絕緣構造，吸收在功率元件1產生的熱。鋁線3是薄板的鋁帶、銅線、銅帶布線也可。在實施方式1中，通過提高密封材料2的導熱係數，從而能提高從布線構件9的散熱性，能進一步降低鋁線3接合部的溫度。作為提高密封材料2的導熱係數的方法，能在密封材料2中混入二氧化矽、氧化鋁、氮化矽、氮化鋁、氮化硼等的粉末。圖2表示在實施方式1的功率元件1上搭載的布線構件9的構造。構成矩形的布線構件9的金屬材料102以具有良好的導電性的銅或銅合金構成，接合於功率元件1 的側面(第一側面)構成為合併(combine)與作為功率元件1的材料的SiC的線膨脹係數 (6. 6X 10_6/K)接近的低膨脹材料103，從而能使通過功率元件1和布線構件9之間的熱膨脹係數的差異產生的接合材料10中的熱應力減輕，能延長接合材料10的疲勞壽命。對這樣的低膨脹材料103，優選線膨脹係數為4Χ10_6/ΙΓ10Χ10_6/Κ左右的材料， 例如在厚度比為3的因瓦合金(invar)兩側接合有厚度比為1的銅的包覆材料(線膨脹係數7Χ10_6/Κ)是適合的。在這樣的包覆材料中，通過調整因瓦合金和銅的厚度比，能得到期望的熱膨脹係數(線膨脹係數)。低膨脹材料103和布線構件9的接合可以是硬釺焊、焊接等。圖3與圖2中示出的布線構件9類似，但布線構件9的與功率元件1接合的側面 (第一側面)僅以低膨脹材料103構成，以從第一側面的端部形成矩形筒狀的方式接合銅等的具有與鋁接近的熱膨脹係數的金屬材料104而形成。通過以上述方式構成，能進一步提高接合材料10的可靠性。
根據本發明的實施方式1，通過在功率模塊中具備絕緣襯底5，配置在盒體8內；功率元件1，被接合在絕緣襯底5上；作為第一布線構件的布線構件9，是矩形筒狀金屬，第一側面被接合在功率元件1的表面電極；作為布線的鋁線3，連接於布線構件9的與第一側面相向的第二側面；以及密封材料2，被填充在盒體8內，覆蓋絕緣襯底5、功率元件1、布線構件 9、鋁線3，從而功率元件1表面和鋁線3的接合部之間的距離變大，能抑制熱直接傳遞，能防止其可靠性的劣化。此外，能抑制功率元件1的熱膨脹係數和鋁線3的熱膨脹係數之差導致的熱應力，能抑制接合的斷裂可能性。此外，根據本發明的實施方式1，在功率模塊中，通過使作為第一布線構件的布線構件9的熱膨脹係數大於功率元件1的熱膨脹係數，從而能抑制功率元件1的熱膨脹係數和鋁線3的熱膨脹係數之差導致的熱應力，能抑制接合的斷裂可能性。此外，根據本發明的實施方式1，在功率模塊中，通過作為第一布線構件的布線構件9，是作為對應於第一側面的構件的低膨脹材料103是比作為對應於其它側面的構件的金屬材料102、金屬材料104熱膨脹係數低的構件，從而能使通過功率元件1和布線構件9 之間的熱膨脹係數的差異而產生的接合材料10中的應力減輕，延長接合材料10的疲勞壽命。此外，根據本發明的實施方式1，在功率模塊中，功率元件1是寬帶隙半導體元件， 由此能成為可進行更高溫工作的器件。 〈B— 1.結構〉
圖4表示實施方式2的功率模塊。如圖所示，功率模塊在實施方式1中示出的功率模塊的結構之外，還具備作為第二布線構件的布線構件91，該布線構件91是第一側面被接合在絕緣襯底5的表面圖案上的、矩形筒狀的金屬，經由鋁線3連接布線構件91和端子4。在此，和實施方式1同樣地，也能在盒體8內填充密封材料2，但在本實施方式2 中，在以鋁線3與布線構件9、布線構件91接合的側面(第二側面)至少露出的方式用環氧樹脂等密封材料100 (第一密封材料)填充並使其硬化後，在露出的布線構件9、布線構件91 的表面接合鋁線3。之後，用於確保絕緣性的密封材料101 (第二密封材料)被填充在剩餘的露出部分。再有，將密封材料100填充到什麼高度，能通過後面敘述的強度設定來調節。通過採用該構造，從而成為能耐受在鋁線3的接合時施加的加重、超聲波的振動的構造，得到更穩定的接合性，品質提高。此外，由於能以密封材料100固定布線構件9、布線構件91，所以能將布線構件9、布線構件91的高度維持得較高，能進一步降低鋁線3的接合部的溫度。填充密封材料100、密封材料101的方法在絕緣襯底5上不具備布線構件91的構造(實施方式1的構造)的情況下也能應用。〈B — 2.效果 >
根據本發明的實施方式2，在功率模塊中，密封材料2具備作為第一密封材料的密封材料100，以作為第一布線構件的布線構件9的至少第二側面露出的方式被填充在盒體8 內，覆蓋絕緣襯底5、功率元件1、布線構件9 ；以及作為第二密封材料的密封材料101，進一步被填充在密封材料100上，覆蓋布線構件9的至少第二側面、作為布線的鋁線3，由此成為能耐受在鋁線3的接合時施加的加重、超聲波的振動的構造，得到更穩定的接合性，品質提高。此外，由於能以密封材料100固定布線構件9、布線構件91，所以能將布線構件9、布線構件91的高度維持得較高，能進一步降低鋁線3的接合部的溫度。此外，根據本發明的實施方式2，在功率模塊中，還具備作為第二布線構件的布線構件91，該布線構件91是第一側面被接合於絕緣襯底5的表面圖案的、矩形筒狀的金屬，作為第一密封材料的密封材料100以至少作為第二布線構件的布線構件91的與第一側面相向的第二側面露出的方式被填充，覆蓋布線構件91，作為第二密封材料的密封材料101以至少覆蓋布線構件91的第二側面的方式被填充，由此功率元件1和鋁線3的接合部的距離變大，由此能提高散熱效果，能提高接合部的可靠性。此外，成為能耐受在鋁線3的接合時施加的加重、超聲波的振動的構造，得到更穩定的接合性，品質提高。此外，根據本發明的實施方式2，在功率模塊中，密封材料2是環氧樹脂，由此能提高密封材料的導熱係數，能提高散熱效果。
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此外，根據本發明的實施方式2，在功率模塊的製造方法中，具備(a)以作為第一布線構件的布線構件9的至少第二側面露出的方式，在盒體8內填充作為第一密封材料的密封材料100，覆蓋絕緣襯底5、功率元件1、布線構件9的工序；(b)在填充密封材料100並露出的布線構件9的第二側面，連接作為布線的鋁線3的工序；以及(c)在密封材料100上進一步填充作為第二密封材料的密封材料101，覆蓋布線構件9的至少第二側面、鋁線3的工序，由此成為能耐受在鋁線3的接合時施加的加重、超聲波的振動的構造，得到更穩定的接合性，品質提高。〈C.實施方式3> 〈C一 1.結構〉
圖5表示實施方式3的、以並聯連接來使用多個功率元件的情況下的功率模塊。如圖所示，本實施方式3的功率模塊在實施方式2中示出的功率模塊的結構以外，還具備布線構件90，與各功率元件1對應地具備的布線構件彼此在第二側面側相互被接合。布線構件90是橫跨多個功率元件1的整體構造。通過該結構，作為用於耐受在鋁線3的接合時施加的加重、超聲波的振動的強度比實施方式2的情況進一步增大，此外，由於形成連接部分，所以散熱的表面積也增大，因此能期待進一步的散熱效果。〈C一 2.效果 >
根據本發明的實施方式3，在功率模塊中，多個功率元件1被配置在絕緣襯底5上，作為第一布線構件的布線構件90對應於多個功率元件1而被設置，各第一側面與多個功率元件1的各表面電極對應地被接合，各布線構件90的各第二側面相互被接合，由此用於耐受在鋁線3的接合時施加的加重、超聲波的振動的強度進一步增大，此外，由於形成連接部分，所以散熱的表面積也增大，因此能期待進一步的散熱效果。在本發明的實施方式中，針對各結構要素的材質、材料、實施的條件等都進行了記載，但這些為例示，並不僅限於記載的內容。附圖標記的說明
1功率元件；2、100、101密封材料；3鋁線；4端子；5絕緣襯底；6焊錫；7底板；8 盒體；9、90、91布線構件；10接合材料；102、104金屬材料；103低膨脹材料。
權利要求
1.一種功率模塊，其中，具備 絕緣襯底，配置在盒體內； 功率元件，接合在所述絕緣襯底上；第一布線構件，其為矩形筒狀的金屬，第一側面被接合於所述功率元件的表面電極； 布線，連接於所述第一布線構件的與所述第一側面相向的第二側面；以及密封材料，被填充在所述盒體內，覆蓋所述絕緣襯底、所述功率元件、所述第一布線構件、所述布線。
2.根據權利要求1所述的功率模塊，其中，所述第一布線構件的熱膨脹係數比所述功率元件的熱膨脹係數大。
3.根據權利要求1或2所述的功率模塊，其中，所述第一布線構件是對應於所述第一側面的構件的熱膨脹係數比對應於其它側面的構件的熱膨脹係數低的構件。
4.根據權利要求1或2所述的功率模塊，其中， 所述密封材料具備第一密封材料，以所述第一布線構件的至少所述第二側面露出的方式，被填充在所述盒體內，覆蓋所述絕緣襯底、所述功率元件、所述第一布線構件；以及第二密封材料，進一步被填充在所述第一密封材料上，覆蓋所述第一布線構件的至少所述第二側面、所述布線。
5.根據權利要求4所述的功率模塊，其中，還具備第二布線構件，其為矩形筒狀的金屬，第一側面被接合於所述絕緣襯底的表面圖案； 所述第一密封材料以至少所述第二布線構件的與所述第一側面相向的第二側面露出的方式被填充，覆蓋所述第二布線構件，所述第二密封材料至少覆蓋所述第二布線構件的所述第二側面而被填充。
6.根據權利要求1或2所述的功率模塊，其中， 所述密封材料為環氧樹脂。
7.根據權利要求1或2所述的功率模塊，其中， 在所述絕緣襯底上配置有多個所述功率元件，所述第一布線構件以與多個所述功率元件對應的方式被設置，各所述第一側面與多個所述功率元件的各表面電極對應地被接合，所述各第一布線構件的各所述第二側面被相互接合。
8.根據權利要求1或2所述的功率模塊，其中， 所述功率元件是寬帶隙半導體元件。
9.一種功率模塊的製造方法，所述功率模塊具備 絕緣襯底，配置在盒體內；功率元件，接合在所述絕緣襯底上；第一布線構件，其為矩形筒狀的金屬，第一側面被接合於所述功率元件的表面電極； 布線，連接於所述第一布線構件的與所述第一側面相向的第二側面；以及密封材料，被填充在所述盒體內，覆蓋所述絕緣襯底、所述功率元件、所述第一布線構件、所述布線，所述密封材料具備第一密封材料，以所述第一布線構件的至少所述第二側面露出的方式，被填充在所述盒體內，覆蓋所述絕緣襯底、所述功率元件、所述第一布線構件；以及第二密封材料，進一步被填充在所述第一密封材料上，覆蓋所述第一布線構件的至少所述第二側面、所述布線，其中，所述功率模塊的製造方法具備(a)以所述第一布線構件的至少所述第二側面露出的方式，在所述盒體內填充所述第一密封材料，覆蓋所述絕緣襯底、所述功率元件、所述第一布線構件的工序；(b)在填充所述第一密封材料並露出的所述第一布線構件的所述第二側面連接所述布線的工序；以及(c)在所述第一密封材料上進一步填充所述第二密封材料，覆蓋所述第一布線構件的至少所述第二側面、所述布線的工序。
全文摘要
本發明涉及功率模塊及其製造方法，其目的在於提供一種能防止鋁線接合部的可靠性的劣化，能實現Si、SiC器件的高溫工作的功率模塊。本發明的功率元件具備絕緣襯底(5)，被配置在盒體(8)內；功率元件(1)，被接合在絕緣襯底(5)上；作為第一布線構件的布線構件(9)，是第一側面被接合於功率元件(1)的表面電極的、矩形筒狀的金屬；作為布線的鋁線(3)，在布線構件(9)的與第一側面相向的第二側面連接；以及密封材料(2)，被填充在盒體(8)內，覆蓋絕緣襯底(5)、功率元件(1)、布線構件(9)、鋁線(3)。
文檔編號H01L23/00GK102446864SQ20111020628
公開日2012年5月9日 申請日期2011年7月22日 優先權日2010年10月1日
發明者筱原利彰 申請人:三菱電機株式會社