CN109564898A - 半导体模块及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

实施方式的半导体模块包含半导体元件、金属基体、基板和金属层。上述金属基体具有搅拌部。上述基板位于上述半导体元件与上述金属基体之间。上述金属层与上述搅拌部相接，且位于上述金属基体与上述基板之间。

Description

半导体模块及其生产方法
技术领域
实施方式涉及半导体模块及其生产方法。
背景技术
半导体模块为具备多个半导体功率器件的半导体装置。半导体模块也被称为功率模块，例如被用于变换器、换流器及调节器等。半导体模块处理大的电力。因此，需要放热对策。为了使功率器件所产生的热扩散，半导体模块具备散热板(金属基体)。散热板一般为铜(Cu)制。Cu散热板通过软钎料与搭载有功率器件的陶瓷基板接合。但是，软钎料的热阻高，容易损害散热性。进而，Cu比较重，会妨碍半导体模块的轻量化。期望轻量且散热性优异的半导体模块。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-179547号公报
专利文献2：日本特开2005-28378号公报
专利文献3：日本专利第4404052号
发明内容
发明所要解决的课题
实施方式提供轻量且散热性优异的半导体模块及其生产方法。
用于解决课题的手段
实施方式的半导体模块包含半导体元件、金属基体、基板和金属层。上述金属基体具有搅拌部。上述基板位于上述半导体元件与上述金属基体之间。上述金属层与上述搅拌部相接，位于上述金属基体与上述基板之间。
附图说明
图1是表示第1实施方式所涉及的半导体模块的一个例子的示意剖视图。
图2是图1中的虚线框A的放大图。
图3(a)～(f)是表示第1实施方式所涉及的半导体模块的生产方法的一个例子的剖视图。
图4是表示第1参考例的半导体模块的示意剖视图。
图5(a)及(b)是表示第2参考例的金属基体与第1金属层的接合部分的示意剖视图。
图6(a)及(b)是表示第2实施方式所涉及的金属基体与第1金属层的接合部分的示意剖视图。
图7是表示第2实施方式所涉及的半导体模块的生产方法的一个例子的示意剖视图。
图8是表示第3实施方式所涉及的半导体模块的生产方法的一个例子的示意剖视图。
图9是表示第4实施方式所涉及的半导体模块的生产方法的一个例子的示意剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。需要说明的是，各附图中，对相同的要素标注相同的符号。
(第1实施方式)
<半导体模块>
图1是表示第1实施方式所涉及的半导体模块的一个例子的示意剖视图。图2是图1中的虚线框A的放大图。
如图1及图2中所示的那样，半导体模块100包含基板10、金属基体20和壳体40。基板10与金属基体20接合。金属基体20与壳体40接合。
基板10例如为陶瓷制的绝缘基板。基板10在元件搭载面12a上具有多个半导体元件11。半导体元件11包含功率器件。功率器件例如为IGBT、功率MOS、双极晶体管及二极管等。在元件搭载面12a上设置有例如未图示的电极图案。电极图案例如为Cu制。半导体元件11例如通过软钎料层13与电极图案接合。电极图案也可以是布线图案。
基板10在背面12b具有第1金属层14。背面12b为相对于元件搭载面12a相反侧的面。第1金属层14包含第1金属。第1金属例如为铜(Cu)。实施方式的第1金属层14例如为Cu或Cu与钨(W)的合金(WCu)。
在第1金属层14的接合面14a上，例如介由第3金属层16而设置有第2金属层15。第2金属层15包含第2金属。第2金属与第1金属不同。在第1金属为Cu的情况下，第2金属例如为铝(Al)。第2金属的熔点与第1金属或第1金属的合金相比例如低。另外，第2金属的高度与第1金属或第1金属的合金相比例如低。
第2金属层15例如使用化学气相沉积(CVD)法、或物理气相沉积(PVD)法而形成于第3金属层16上。在第2金属为Al的情况下，在CVD法中，作为材料气体，使用含有包含Al的Al前体气体的气体。在PVD法中，作为材料靶，使用包含Al的Al靶。
第3金属层16包含与第1金属及第2金属不同的第3金属。第3金属层16具有例如提高第1金属层14与第2金属层15的密合性的作用。第3金属层16例如选自活性金属。活性金属例如为钛(Ti)、铬(Cr)等。第1实施方式的第3金属层16为Ti。第3金属层16与第2金属层15同样地使用CVD法、或PVD法来形成。
第3金属层16只要根据需要而设置即可。因此，第3金属层16也可以省略。在没有第3金属层16的情况下，第2金属层15直接设置于第1金属层14上。但是，若在第1金属层14与第2金属层15之间设置有第3金属层16，则与没有设置第3金属层16的情况相比，能够得到可提高第1金属层14与第2金属层15的密合性这样的优点。
在第2金属层15上设置有金属基体20。金属基体20包含与第2金属层15相同的第2金属。第1实施方式的金属基体20为Al制。金属基体20例如为散热板。散热板使半导体元件11所产生的热扩散。
金属基体20通过摩擦搅拌接合而与第2金属层15接合。因此，在金属基体20上设置有搅拌部21。搅拌部21例如从金属基体20一直形成到第2金属层15的表面。搅拌部21也可以介由第2金属层15而到达第3金属层16。搅拌部21也可以介由第2金属层15及第3金属层16而到达第1金属层14。
第1实施方式的金属基体20的搅拌部21露出的外表面20a例如被磨削。外表面20a为相对于金属基体20的接合面相反侧的面。通过外表面20a被磨削，从而外表面20a的搅拌部21、在搅拌部21的周围产生的凹凸被平滑化，同时金属基体20的厚度变薄。
包含基板10～第3金属层16的结构体被称为单元模块UM。如图1及图2中所示的那样，第1实施方式的半导体模块100在金属基体20上例如包含3个单元模块UM。单元模块UM的数目是任意的。
壳体40例如为树脂制。壳体40包含容纳部41。容纳部41容纳单元模块UM。单元模块UM以设置于金属基体20上的状态被容纳于容纳部41中。金属基体20被固定于壳体40上。
壳体40包含外部端子42。外部端子42介由布线43与单元模块UM电连接。单元模块UM彼此也根据需要介由布线43而电连接。
<半导体模块的生产方法>
图3(a)～(f)是表示第1实施方式所涉及的半导体模块的生产方法的一个例子的剖视图。图3(a)～(f)中所示的截面与例如图2中所示的截面对应。图3(a)～(f)以上下反转的状态示出单元模块UM。
如图3(a)中所示的那样，在基板10的背面12b上形成第1金属层14。第1金属层14通过使用CVD法或PVD法将例如Cu沉积在背面12b上来形成。接着，在第1金属层14的接合面14a上形成第3金属层16。第3金属层16通过使用CVD法或PVD法将例如Ti沉积在接合面14a上来形成。接着，在第3金属层16上形成第2金属层15。第3金属层16通过使用CVD法或PVD法将例如Al沉积在第3金属层16上来形成。接着，将半导体元件11介由软钎料层13而接合到基板10的元件搭载面12a上。
接着，使金属基体20介由第2金属层15及第3金属层16与第1金属层14接触。该接触工序也可以在将半导体元件11搭载于元件搭载面12a上之前进行。在图3(b)～(f)中，关于比A-A线靠下的部分的图示省略。
接着，如图3(b)及(c)中所示的那样，使摩擦搅拌接合工具30移动到金属基体20上。摩擦搅拌接合工具30具有轴肩(shoulder)31和探针(probe pin)32。探针32从轴肩31突出。探针32朝向金属基体20的外表面20a。摩擦搅拌接合工具30相对于金属基体20的外表面20a具有倾斜，并且与金属基体20相对。倾斜被称为前进角。
接着，使摩擦搅拌接合工具30一边旋转，一边朝向第2金属层15***到金属基体20的内部。若将旋转的摩擦搅拌接合工具30***金属基体20，则金属基体20因摩擦热而软化，通过摩擦搅拌接合工具30的旋转，在摩擦搅拌接合工具30的周围产生塑性流动。
图3(c)中的参照符号“21”表示产生了“塑性流动”的部分。在本说明书中，将产生了塑性流动的部分称为“搅拌部”。以下，将参照符号“21”所表示的部分称为搅拌部21。探针32的***深度例如按照探针32的前端到达第2金属层15、或按照搅拌部21与第2金属层15接触的方式到达第2金属层15的附近的方式来控制。搅拌部21例如从第2金属层15一直形成到金属基体20的外表面20a。搅拌部21也可以介由第2金属层15而到达第3金属层16。进而，搅拌部21也可以介由第2金属层15及第3金属层16而到达第1金属层14。
接着，如图3(d)中所示的那样，使用摩擦搅拌接合工具30，将金属基体20与第2金属层15进行摩擦搅拌接合。在第1实施方式中，例如使***金属基体20的摩擦搅拌接合工具30一边旋转，一边例如在接合面12b上平行地移动。由此，金属基体20被与第2金属层15摩擦搅拌接合。
接着，如图3(e)中所示的那样，将摩擦搅拌接合工具30从金属基体20中拔出。由此，金属基体20与第1金属层15的接合结束。在金属基体20中残留拔出了摩擦搅拌接合工具30的痕迹、例如贯穿孔21a。
接着，如图3(f)中所示的那样，使用磨削工具36将金属基体20的外表面20a进行磨削。磨削工具36也可以是切削工具。金属基体20的外表面20a通过使用了磨削工具36的磨削、或使用了切削工具的切削而被削刮。由此，外表面20a的搅拌部21、在搅拌部21的周围产生的凹凸被平滑化。伴随于此，金属基体20的厚度t变薄。
第1实施方式所涉及的半导体模块100可以通过图3(a)～(f)中所示那样的生产方法来生产。
<参考例与实施方式的比较>
图4是表示第1参考例的半导体模块的示意剖视图。图3中所示的截面与图2中所示的截面对应。
<<第1参考例>>
如图4中所示的那样，第1参考例与第1实施方式的不同处是：
·单元模块UM与金属基体23的接合为介由软钎料层22的接合；
·金属基体23为Cu制、或实施了镀Ni的Cu制、或实施了镀Ni的AiSiC。
“软钎料”的热导率λ一般低。也就是说“软钎料”难以通过热。因此，软钎料层22的热阻Rth变高。例如，参考例中使用的“软钎料”的热导率λ为约30(W/mK)。在根据发明人等的试算中，软钎料层22的热阻Rth为约0.06～0.07(K/W)。
“Cu”的热导率λ为约398(W/mK)。在根据发明人等的试算中，金属基体23的热阻Rth为约0.03～0.04(K/W)。
第1参考例中的第1金属层14的接合面14a与金属基体23的外表面23a之间的热阻Rth(14-23)成为Rth(14-23)≈0.09～0.11(K/W)。
<<第1实施方式>>
如图2中所示的那样，在第1实施方式中，相当于软钎料层22的部分为第2金属层15。第2金属层15为Al。金属基体20为Al制。
“Al”的热导率λ为约236(W/mK)。在根据发明人等的试算中，第2金属层15的热阻Rth为约0.008～0.009(K/W)，金属基体20的热阻Rth为约0.05～0.06(K/W)。第2金属层15的Rth与金属基体20的Rth不同的理由是由于：第2金属层15的厚度与金属基体20的厚度不同。第2金属层15的厚度比金属基体20的厚度薄。
第1实施方式中的第1金属层14的接合面14a与金属基体20的外表面20a之间的热阻Rth(14-20)成为Rth(14-20)≈0.058～0.069(K/W)。
但是，上述试算是“没有”第3金属层16的情况。如图1及图2中所示的那样，即使是“有”第3金属层16的情况下，第3金属层16也与第2金属层15同样薄。因此，第3金属层16的热阻Rth与第2金属层15同样地例如能够抑制为“0.01以下”。
“Al”的热导率λ比“Cu”的热导率λ低。因此，例如第1实施方式的金属基体20的热阻Rth与第1参考例的金属基体23的热阻Rth相比变高。
但是，第1实施方式的金属基体20例如通过摩擦搅拌接合而与第1金属层14直接接合。因此，可以省略软钎料层22。
因此，根据第1实施方式，例如，由于能够省略软钎料层22，所以与第1参考例相比，能够将第1金属层14的接合面14a与金属基体20的外表面20a之间的热阻Rth(14-20)抑制得较低。能够将热阻Rth(14-20)抑制得较低的结果是，半导体模块100的散热性与第1参考例相比提高。
另外，“Cu”的比重为约8.5。“Al”的比重为约2.7。“Al”比“Cu”轻。因此，第1实施方式的金属基体20与第1参考例的金属基体23相比能够变轻。金属基体20变轻的结果是，半导体模块100与第1参考例相比能够轻量化。
进而，第1实施方式的金属基体20的外表面20a被削刮。与此相对，第1参考例的金属基体23的外表面23a没有被削刮。这是由于：第1参考例介由软钎料层22与第1金属层14接合。若将金属基体20的外表面20a削刮，则金属基体20的厚度变薄。削刮外表面20a对金属基体20的轻量化是有利的。进而，对金属基体20的热阻Rth的进一步减少也是有利的。
像这样根据第1实施方式，能够提供轻量且散热性优异的半导体模块及其生产方法。
进而，在第1实施方式中，将金属基体20介由第2金属层15而与第1金属层14摩擦搅拌接合。第2金属层15也可以没有。在没有第2金属层15的情况下，金属基体20被与第1金属层14例如直接摩擦搅拌接合。但是，若将金属基体20介由第2金属层15与第1金属层14摩擦搅拌接合，则能够进一步得到以下那样的优点。
<<第2参考例>>
图5(a)及(b)是表示第2参考例的金属基体20与第1金属层14的接合部分的示意剖视图。
例如，如图5(a)中所示的那样，在使金属基体20与第1金属层14直接接触的情况下，探针32的前端必须停在金属基体20的内部。但是，由于探针32的前端与第1金属层14的距离很小，所以控制困难。因此，例如相对于一个一个利用了摩擦搅拌接合的半导体模块100，难以再现均匀的异种金属的接合。
例如，如图5(b)中所示的那样，相对于图5(a)中所示的半导体模块100，第1金属层14的厚度产生了“Δt”的不均。认为摩擦搅拌接合工具30的***深度在图5(a)及(b)的两者中没有误差。在该情况下，在图5(a)中所示的半导体模块100中，探针32的前端停在金属基体20的内部，与此相对，在图2(b)中所示的半导体模块100中，探针32的前端到达第1金属层14的内部。
因此，在第2参考例中，即使摩擦搅拌接合工具30的控制正确，相对于一个一个半导体模块100，也难以再现均匀的异种金属的接合。
在第2参考例中，金属基体20一边生成金属间化合物一边与第1金属层14接合。探针32的前端与第1金属构件10的距离会左右所生成的金属间化合物的量。金属间化合物的量会左右例如第1金属层14与金属基体20的“接合强度”。
因此，在难以再现均匀的异种金属的接合的第2参考例中，例如，第1金属层14与金属基体20的“接合强度”的不均容易扩大。
并且，在图5(b)中所示的参考例中，探针32的前端到达第1金属层14的内部。第1金属层14为比金属基体20坚固的金属。因此，探针32容易磨损。
<<第1实施方式>>
图6(a)及(b)是表示第1实施方式所涉及的金属基体20与第1金属层14的接合部分的示意剖视图。
相对于第2参考例，在第1实施方式中，使金属基体20介由第2金属层15与第1金属层14接触。探针32的前端与第2参考例同样地停在金属基体20的内部。但是，如图6(a)及(b)中所示的那样，即使与第2参考例同样地第1金属层14产生了厚度的不均Δt的情况下，也能够将探针32的前端在第2金属层15的中途停止。
第2金属层15例如为包含第2金属的合金、或与金属基体20相同的金属。例如，若金属基体20为Al，则第2金属层15也为Al。因此，即使探针32的前端与第1金属层14的距离改变，第1金属层14与金属基体20的“接合强度”与第2参考例相比也不易改变。
因此，在第1实施方式中，能够将半导体模块100间的第1金属层14与金属基体20的“接合强度”的半导体模块100间的“不均”与第2参考例相比缩小。
进而，根据第1实施方式，与第2参考例相比，还能够抑制探针32的磨损量。
例如，在Cu与Al那样的异种金属的接合中使用摩擦搅拌接合的情况下，***探针32的金属例如选择两种金属中的·熔点低的金属
·硬度低的金属。
在第2参考例中，探针32还被***与金属基体20相比硬度高的第1金属层14中。因此，探针32容易磨损。
与此相对，在第1实施方式中，由于有第2金属层15，所以与第2参考例相比能够减少将探针32***第1金属层14中的可能性。若第2金属层15例如为与金属基体20相同的金属，则硬度彼此相同。因此，根据第1实施方式，与第2参考例相比能够抑制探针32的磨损量。
(第2实施方式)
例如，在“软钎料接合”中，例如必须将具有接合部分的构件的整体进行加热。在“软钎料接合”中，例如将设置有第1金属层14的基板10的整体进行加热。加热温度例如为约300℃。因此，例如在基板10上接合有半导体元件11的情况下，会对半导体元件11施加约300℃的温度。半导体元件11有想要极力减少在生产半导体模块100的期间受到的热(热过程)这样的要求。但是，在将基板10的整体加热的“软钎料接合”中，难以减少热过程。
与此相对，“摩擦搅拌接合”能够仅将接合部分局部加热。因此，“摩擦搅拌接合”与“软钎料接合”相比，能够得到容易减少半导体元件11的热过程这样的优点。
图7是表示第2实施方式所涉及的半导体模块的生产方法的一个例子的示意剖视图。图7中所示的截面与例如图3(d)中所示的截面对应。
如图7中所示的那样，第2实施方式与例如图3(d)中所示的第1实施方式的不同处是在摩擦搅拌接合时将摩擦搅拌接合工具30的周围冷却。
第2实施方式的摩擦搅拌接合工具30a例如在轴肩31的周围具备冷却机构33a。在冷却机构33a中包含冷却气体喷嘴34。冷却气体喷嘴34例如将冷却气体35朝向探针32喷出。
冷却机构33a与摩擦搅拌接合工具30a一起移动。由此，冷却机构33a能够将接合部分的周围冷却。
根据这样的第2实施方式，冷却机构33a将基板10的接合部分的周围冷却。因此，能够一边将基板10冷却一边进行摩擦搅拌接合工序。由此，以在基板10上接合有半导体元件11的状态进行摩擦搅拌接合工序的情况下，与没有将基板10冷却的情况相比，能够得到可进一步减少半导体元件11的热过程这样的优点。
(第3实施方式)
图8是表示第3实施方式所涉及的半导体模块的生产方法的一个例子的示意剖视图。图8中所示的截面与例如图7中所示的截面对应。
如图8中所示的那样，第3实施方式与图7中所示的第2实施方式的不同处是冷却机构33b被设置于摩擦搅拌接合工具30移动范围的整体中。冷却机构33b也与冷却机构33a同样地包含冷却气体喷嘴34。冷却气体喷嘴34空开间隔而设置于摩擦搅拌接合工具30移动范围的整体中。
在这样的第3实施方式中，也可以一边将基板10冷却一边进行摩擦搅拌接合工序。因此，与第2实施方式同样地例如以在基板10上接合有半导体元件11的状态进行摩擦搅拌接合工序的情况下，与没有将基板10冷却的情况相比，能够得到可进一步减少半导体元件11的热过程这样的优点。
进而，由于冷却机构33b将摩擦搅拌接合工具30移动范围的整体冷却，所以在摩擦搅拌接合工具30移动的前后，能够将包含基板10的单元模块UM冷却。因此，能够进一步减少半导体元件11的热过程。
(第4实施方式)
图9是表示第4实施方式所涉及的半导体模块的生产方法的一个例子的示意剖视图。图9中所示的截面与例如图7中所示的截面对应。
如图9中所示的那样，第4实施方式与第2实施方式的不同处是在腔室50内进行摩擦搅拌接合。
在腔室50中设置有冷却气体送风部51。冷却气体送风部51将冷却气体35送至腔室50内。第4实施方式中的摩擦搅拌接合工序在冷却了的腔室50内进行。即使要将腔室50内冷却，基板10也被冷却。
在这样的第4实施方式中，也与第2、第3实施方式同样地以在基板10上接合有半导体元件11的状态进行了摩擦搅拌接合工序的情况下，与没有将基板10冷却的情况相比，能够进一步减少半导体元件11的热过程。
如第4实施方式那样，摩擦搅拌接合也可以在冷却了的腔室50内进行。另外，第4实施方式也可以与第2实施方式或第3实施方式组合而实施。
以上，对第1～第4实施方式进行了说明。但是，实施方式并不限定于上述第1～第4实施方式。这些实施方式是作为一个例子而提示出的，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式可以以其它各种方式实施，在不脱离实施方式的主旨的范围内可以进行各种省略、置换、及变更。
例如，在实施方式中，对于金属基体20、第1金属层14、第2金属层15、及第3金属层16，示出了具体的材料例。但是，金属基体20、第1金属层14、第2金属层15、及第3金属层16的材料可以适当变更。
另外，例如在实施方式中，对利用了摩擦搅拌接合的例子进行了说明，但也可以利用摩擦搅拌“点”接合。

Claims (10)

1.一种半导体模块，其具备：
半导体元件；
具有搅拌部的金属基体；
位于所述半导体元件与所述金属基体之间的基板；和
与所述搅拌部相接、且位于所述金属基体与所述基板之间的金属层。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其中，所述金属层包含：
第1金属层，其含有第1金属，且位于所述金属基体与所述基板之间；和
第2金属层，其包含与所述第1金属不同的第2金属，且所述第2金属层与所述搅拌部相接，位于所述金属基体与所述第1金属层之间，
所述金属基体包含所述第2金属。
3.根据权利要求2所述的半导体模块，其中，所述第2金属的熔点比所述第1金属或所述第1金属的合金的熔点低。
4.根据权利要求2所述的半导体模块，其中，所述第2金属的硬度比所述第1金属或所述第1金属的合金的硬度低。
5.根据权利要求2所述的半导体模块，其进一步具备第3金属层，所述第3金属层包含与所述第1金属及所述第2金属不同的第3金属，且位于所述第1金属层与所述第2金属层之间。
6.根据权利要求1所述的半导体模块，其中，所述金属基体的比重比铜轻。
7.根据权利要求1所述的半导体模块，其中，所述金属基体的热导率比铜低。
8.根据权利要求1～7中任1项所述的半导体模块，其中，所述搅拌部露出的所述金属基体的外表面平滑。
9.一种半导体模块的生产方法，所述半导体模块具备在元件搭载面上具有半导体元件、且在背面具有包含第1金属的第1金属层的基板，所述半导体模块的生产方法具备以下工序：
使包含与所述第1金属不同的第2金属的金属基体与所述第1金属层接触的工序；
将摩擦搅拌接合工具朝向所述第1金属层而***所述金属基体的内部，将所述金属基体与所述第1金属层进行摩擦搅拌接合的工序；和
将所述金属基体的形成有搅拌部的面进行磨削的工序。
10.根据权利要求9所述的半导体模块的生产方法，其中，所述摩擦搅拌接合的工序一边将所述基板冷却一边进行。
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