CN115148687A - 具有内置在电路板中的电气部件的半导体器件 - Google Patents

Abstract

一种半导体器件，包括：具有第一表面(12a)和第二表面(12b)的基板主体(12)；设置在基板主体中的电气部件(21、22、31、32)；表面导体图案(70)，设置在位于第二表面上的第一电路层(L6)中；第一内部导体图案(68)和第二内部导体图案(69)，其设置在位于所述电气部件和所述第二表面之间的第二电路层(L5)中，并且彼此绝缘；从所述电气部件延伸至所述第一内部导体图案的至少一个第一热导体过孔(77)；以及从表面导体图案延伸到第二内部导体图案的至少一个第二热导体过孔(78a，78b)。

Description

具有内置在电路板中的电气部件的半导体器件

技术领域

本公开涉及一种具有内置在电路板中的电气部件的半导体器件。

背景技术

专利文献1公开了一种半导体器件。半导体器件包括基板主体(作为芯部基材)和设置在该基板主体中的电气部件。在基板主体的下表面上提供表面导体图案，并且在电气部件和第二表面之间提供内部导体图案。然后，电气部件和第一内部导体图案通过多个热导体过孔连接。根据这样的配置，电气部件的热量通过多个热导体过孔传递到内部导体图案，进一步从内部导体图案传递到表面导体图案，并辐射到基板主体的外部。

现有技术文献

[专利文献]

专利文献1:JP-2020-9879-A

发明内容

在上述半导体器件中，在内部导体图案和表面导体图案之间提供由基板主体材料制成的绝缘层。根据这种配置，可以在内部导体图案和表面导体图案之间电绝缘。然而，困难在于绝缘层可能抑制从内部导体图案到表面导体图案的热传导。此外，尽管多个热导体过孔布置在位于内部导体图案一侧的层中，但此类热导体过孔不布置在位于内部导体图案另一侧的绝缘层中。因此，与内部导体图案相邻的两层之间的机械性能差异很大。结果，当基板主体的温度升高时，可能存在的困难是引起基板主体的非均匀热变形，例如基板主体的翘曲或波纹。

鉴于上述情况，本实施例提供了一种技术，该技术能够提高基板主体的热导率和机械性能，同时保持具有内置在电路板中的电气部件的半导体器件中的电气部件绝缘性能。

本实施例中公开的半导体器件包括：基板主体，其具有第一表面和第二表面；电气部件，设置在基板主体中；表面导体图案，设置在位于第二表面上的电路层中；第一内部导体图案和第二内部导体图案，设置在所述电气部件和所述第二表面之间的电路层中，并且彼此绝缘；从电气部件延伸到第一内部导体图案的至少一个第一热导体过孔，以及从表面导体图案延伸到第二内部导体图案电至少一个第二热导体过孔。

在上述配置中，位于电气部件和第二表面之间的电路层具有彼此绝缘的第一内部导体图案和第二内部导体图案。第一内部导体图案通过至少一个第一热导体过孔连接到电气部件。第二内部导体图案通过至少一个第二热导体过孔连接到第二表面上的表面导体图案。结果，在电气部件中产生的热量通过第一热导体过孔传递到第一内部导体图案，并进一步传递到第二内部导体图案。然后，第二内部导体图案的热量通过第二热导体过孔传递到表面导体图案，并从表面导体图案辐射到基板主体的外部。尽管第一内部导体图案和第二内部导体图案彼此隔离，但它们位于同一电路层中，因此它们之间的热传递相对较高。此外，由于第一热导体过孔和第二热导体过孔布置在与电路层相邻的两层中，因此两层之间的机械性能没有显著差异。如上所述，可以在保持电气部件的绝缘性能的同时提高基板主体的热传导和机械性能。

附图说明

通过以下参考附图的详细描述，本公开的上述和其它目的、特征和优点将变得更加明显。在附图中：

图1是示出第一实施例的半导体器件的平面图；

图2是示出第一实施例的半导体器件的电路结构的电路图；

图3是沿着图1中的线III-III截取的剖面图；为了清楚起见，省略了基板主体的剖面线，并且进一步，一些重叠配置通过有意改变其位置来示出；

图4是示出第二实施例的半导体器件的结构的剖面图；以及

图5是示出根据第三实施例的半导体器件的结构的剖面图。

具体实施方式

在本实施例的一个实施例中，至少一个第二热导体过孔可以包括位于电气部件和第二表面彼此面对区域中的内部热导体过孔78a，以及位于面对区域的外侧的外部热导体过孔78b。根据这样的配置，第二热导体过孔可以有效地设置在一定范围内，在该范围内，电气部件中产生的热量在扩散的同时通过基板主体。

在本实施例的一个实施例中，半导体器件可包括：布置在电路层14中并且与电气部件电绝缘的第三内部导体图案66，该电路层14位于与电气部件相同的深度范围内；以及从第二导体图案延伸到第三内部导体图案的至少一个第三过孔79。根据这种配置，电气部件产生的热量可以从相对于电气部件的更多方向被引导到基板主体的第二表面。

在本实施例的一个实施例中，基板主体可包括由第一材料制成的第一层13和由比第一材料具有更高热导率的第二材料制成的第二层15。在这种情况下，第二层可位于电气部件和第二表面之间。根据这种配置，由电气部件产生的热量可以通过第二层在基板主体的宽范围内扩散。

在上述实施例中，第二层可以暴露在第二表面上。根据这种配置，通过第二层在基板主体中扩散的热量可以从基板主体的第二表面辐射到基板主体的外部。

在上述实施例中，第二材料可包括从包含纸、玻璃布、玻璃非织造布、玻璃织造布和玻璃纤维的组中选择的至少一种，以及从包含酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂和特氟龙(注册商标)的组中选择的至少一种。根据这种配置，可以有效地增强第二层的热导率，同时保持基板主体所需的原始特性。

在本公开的一个实施例中，半导体器件还可以包括设置在第一表面上并控制电气部件的操作的表面电气部件。根据根据本实施例的配置，由电气部件产生的大部分热量可被引导至基板主体的第二表面，并且基板主体的第一表面的温度上升被抑制。通过在第一表面上设置表面电气部件，可以抑制表面电气部件的温度上升。

在一个实施例中，构成第一热导体过孔的材料可以与构成第一内部导体图案的材料相同。根据这种配置，例如，在制造半导体器件的过程中，可以同时或连续地形成第一热导体过孔和第一内部导体图案。

在一个实施例中，构成第二热导体过孔的材料可以与构成表面导体图案的材料相同。根据这种配置，例如，在制造半导体器件的过程中，可以同时或连续地形成第二热导体过孔和表面导体图案。

在本公开的一个实施例中，电气部件可包括功率半导体器件21、22和功率半导体元件接合至的散热板31、32。由于功率半导体器件中有相对较大的电流，因此产生的热量也相对较大。本文公开的配置可适用于包括这种功率半导体器件的半导体器件。

(实施例1)

将参考附图描述第一实施例的半导体器件10。本实施例的半导体器件10例如被用在电动车辆的功率控制单元中，并且可以形成用于电源和行驶电机之间的功率转换的功率转换电路的一部分。本实施例中的电动车辆广义上是指具有用于驱动车轮的电机的车辆，以及例如，由外部电力充电的电动车辆、除了电机之外还具有发动机的混合动力汽车、具有燃料电池作为动力源的燃料电池车辆等。然而，根据本实施例的半导体器件10的应用可以不限于电动车辆，并且可以应用于各种电气设备。

如图1至图3所示，半导体器件10包括基板主体12、两个半导体元件21和22以及两个散热板31和32。基板主体12具有板状或片状的形状。基板主体12具有上表面12a和下表面12b。下表面12b设置在与上表面12a相反的一侧。基板主体12由绝缘体例如环氧树脂或其它树脂材料制成。基板主体12按从上表面12a到下表面12b的顺序包括上层14、中间层16和下层18。上层14是包括基板主体12的上表面12a的层。下层18是包括基板主体12的下表面12b的层。中间层16是设置在上层14和下层18之间的层。

附图中的X方向和Y方向是平行于基板主体12的上表面12a和下表面12b的方向，并且是相互垂直的方向。Z方向是垂直于基板主体12的上表面12a和下表面12b的方向，并且是垂直于X方向和Y方向中的每一个的方向。即，上述上层14、中间层16和下层18沿Z方向堆叠。

半导体元件21和22以及散热板31和32分别是形成半导体器件10中电路的一部分的电气部件。两个半导体元件21和22与两个散热板31和32一起设置在基板主体12的中间层16中。半导体元件21和22中的每一个都是功率半导体元件，尤其是开关元件。该开关元件例如是IGBT(绝缘栅双极晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。

半导体元件21至22分别具有上表面电极21a至22a和下表面电极21b至22b，并且分别在对应的上表面电极21a至22a和对应的下表面电极21b至22b之间导电或阻断导电。

例如，两个半导体元件21和22包括第一半导体元件21和第二半导体元件22。第一半导体元件21和第二半导体元件22在基板主体12内串联电连接。如上所述，两个半导体元件21和22是开关元件，诸如IGBT或MOSFET。本实施例的半导体器件10可以形成例如逆变器电路或DC-DC转换器电路的一部分。半导体元件21和22的数量可以不限于两个。此外，半导体器件10可以包括至少一个其它电气部件来代替半导体元件21和22以及散热板31和32。

两个散热板31和32各自具有板状形状，并且与基板主体12平行设置。每个散热板31、32由例如铜或其它金属的导体制成。例如，两个散热板31和32沿X方向设置。两个散热板31和32包括第一散热板31和第二散热板32。第一半导体元件21设置在第一散热板31上，并且第一半导体元件21的下表面电极21b电连接到第一散热板31。第一半导体元件21和第一散热板31彼此整体接合并且可以解释为一个电气部件。类似地，第二半导体元件22设置在第二散热板32上，并且第二半导体元件22的下表面电极21b和22b电连接到第二散热板32。第二半导体元件22和第二散热板32也彼此整体接合并且可以解释为一个电气部件。

半导体器件10包括多个端子40、42、44。这些端子40、42和44是用于连接到外部电路的外部连接端子。多个端子40、42、44由诸如铜或其它金属的导体制成。例如，多个端子40、42和44包括P端子40、N端子42和O端子44。多个端子40、42和44设置在基板主体12的下表面12b上。这里，多个端子40、42、44的一部分或全部可以设置在基板主体12的上表面12a上。

P端子40电连接到基板主体12内的第一散热板31，并且通过第一散热板31电连接到第一半导体元件21的下表面电极21b。N端子42电连接到基板主体12内的第二半导体元件22的上表面电极22a。O端子44电连接到基板主体12内的第一半导体元件21的上表面电极21a和第二散热板32。即，O端子44电连接到第一半导体元件21的上表面电极21a和第二半导体元件22的下表面电极22b中的每一个。结果，当第一半导体元件21接通时，P端子40和O端子44彼此电连接。另一方面，当第二半导体元件22接通时，N端子42和O端子44彼此电连接。

基板主体12具有多个电路层L1-L6以形成多层基板结构。多个电路层L1-L6包括第一电路层L1、第二电路层L2、第三电路层L3、第四电路层L4、第五电路层L5和第六电路层L6。第一电路层L1设置在基板主体12的上表面12a上。第二电路层L2设置在基板主体12的上层14中。第三电路层L3设置在基板主体12的上层14和中间层16之间的边界处。第四电路层L4设置在基板主体12的中间层16和下层18之间的边界处。第五电路层L5设置在基板主体12的下层18中。第六电路层L6设置在基板主体12的下表面12b上。

第一电路层L1具有第一导体图案61。第一导体图案61由例如铜或其它金属的导体制成。第一导体图案61构成控制两个半导体元件21和22的控制电路50。因此，多个表面电气部件52安装在第一导体图案61上。多个表面电气部件52包括例如控制半导体元件21和22的开关的栅极驱动电路。

这里提到的第一导体图案61是形成控制电路50所需的一个或多个导体图案的通称。也就是说，第一导体图案61可以是单个导体图案或多个导体图案的组合。这同样适用于下文所述的第二导体图案62至第十导体图案70。第二导体图案62至第十导体图案70中的每一个是具有共同功能的一个或多个导体图案的通称，并且可以是单个导体图案或多个导体图案的组合。

第二电路层L2具有多个导体图案62、63、64。每个导体图案62、63、64由诸如铜或其它金属的导体制成。多个导体图案62、63、64包括第二导体图案62、第三导体图案63和第四导体图案64。这里，多个导体图案62、63、64实际上设置在同一平面上，但在图3中，为了使图示清楚，第二导体图案62相对于第三导体图案63和第四导体图案64被有意地移位。

第二导体图案62在第二电路层L2的大部分上延伸，并且面向多个半导体元件21和22。结果，在半导体元件21和22中产生的热量通过第二导体图案62扩散到基板主体12的宽范围。第二导体图案62还用作屏蔽层，屏蔽从半导体元件21和22辐射的电磁噪声。尽管没有特别限制，但第二导体图案62可以连接到地电位，从而改进第二导体图案62作为屏蔽层的功能。

第三导体图案63通过第一过孔71连接到O端子44。此外，第三导体图案63通过两个第二过孔72连接到第一半导体元件21的上表面电极21a和第二散热板32。第一过孔71和第二过孔72由诸如铜或其它金属的导体制成。结果，两个半导体元件21和22通过第二导体图案62电串联，并通过第二导体图案62电连接到O端子44。

第四导体图案64通过第三过孔73连接到第二半导体元件22的上表面电极22a。此外，第四导体图案64通过第四过孔74连接到N端子42。第三过孔73和第四过孔74由诸如铜或其它金属的导体制成。结果，第二半导体元件22的上表面电极22a通过第四导体图案64电连接到N端子42。

半导体元件21和22以及散热板31和32设置在第三电路层L3和第四电路层L4中。散热板31和32的厚度等于从第三电路层L3到第四电路层L4的距离。设置在散热板31和32上的半导体元件21和22设置在第三电路层L3中。此外，第三电路层L3和第四电路层L4分别设有第五导体图案65和第六导体图案66。第五导体图案65和第六导体图案66的使用不受特别限制。第五导体图案65和第六导体图案66可以连接到例如地电位。

第五电路层L5具有多个导体图案67、68、69。每个导体图案67、68、69由诸如铜或其它金属的导体制成。多个导体图案67、68、69包括第七导体图案67、第八导体图案68和第九导体图案69。这里，多个导体图案67、68、69实际上设置在同一平面上，但是在图3中，为了使图示清楚，第七导体图案67相对于第八导体图案68和第九导体图案69被有意地移位。

第七导体图案67通过第五过孔75连接到第一散热板31。此外，第七导体图案67通过第六过孔76连接到P端子40。第五过孔75和第六过孔76由诸如铜或其它金属的导体制成。结果，第一半导体元件21的下表面电极21b通过第一散热板31和第七导体图案67电连接到P端子40。

第八导体图案68设置在面向第一散热板31或第二散热板32的范围内。第八导体图案68通过多个第七过孔77连接到第一散热板31和第二散热板32。每个第七过孔77由诸如铜或其它金属的导体制成。结果，第八导体图案68通过多个第七过孔77与第一散热板31和第七导体图案67电连接和热连接。尽管没有特别限制，但构成多个第七过孔77的材料可以与构成第八导体图案68的材料相同，并且可以是例如铜或铝。

在第九导体图案69中，第九导体图案69设置成邻近第八导体图案68，使得第八导体图案68的热量有效地传递到第九导体图案69。这里，第八导体图案68和第九导体图案69由构成基板主体12的材料隔开，并且第八导体图案68和第九导体图案69彼此电绝缘。第九导体图案69的一部分位于面对第一散热板31或第二散热板32的范围内，第九导体图案69的另一部分位于该面对范围的外部。

多个第八过孔78a和78b连接到第九导体图案69。多个第八过孔78a和78b从第九导体图案69延伸到位于基板主体12的下表面12b上的第六电路层L6。每个第八过孔78a、78b由诸如铜或其它金属的导体制成。结果，第九导体图案69通过多个第八过孔78a和78b电连接和热连接到第六电路层L6。

多个第八过孔78a、78b包括至少一个内部过孔78a和至少一个外部过孔78b。内部过孔78a位于第一散热板31或第二散热板32与基板主体12的下表面12b相对的面对区域中。另一方面，外部过孔78b位于该面对区域的外部。设置有多个第八过孔78a和78b的范围被设计成与第一散热板31或第二散热板32的热量在基板主体12中扩散时通过的区域相匹配。

第六电路层L6具有第十导体图案70。第十导体图案70在第六电路层L6的大部分上延伸，并且被设置为面对第五电路层L5的第九导体图案69。第十导体图案70由诸如铜或其它金属的导体制成。多个第八过孔78a和78b连接到第十导体图案69。结果，第十导体图案70通过多个第八过孔78a、78b与第五电路层L5的第九导体图案69电连接和热连接。尽管没有特别限制，但构成第十导体图案70的材料可以与构成第八过孔78a、78b的材料相同，并且可以是例如铜或铝。

如上所述，在该实施例的半导体器件10中，第十导体图案70设置在位于基板主体12的下表面12b上的电路层L6中。相互绝缘的第八导体图案68和第九导体图案69设置在位于散热板31和32与基板主体12的下表面12b之间的电路层L5中。散热板31和32以及第八导体图案68通过至少一个第七过孔77彼此连接。第九导体图案69和第十导体图案70通过至少一个第八过孔78a和78b彼此连接。

根据上述配置，在半导体元件21和22以及散热板31和32中产生的热量通过第七过孔77传递到第八导体图案68，并进一步传递到与第八导体图案68相邻的第九导体图案69。然后，第九导体图案69的热量通过第八过孔78a和78b传递到第十导体图案70，并从第十导体图案70辐射到基板主体12的外部。尽管第八导体图案68和第九导体图案69彼此隔离，但它们位于相同的第五电路层L5中，因此它们之间的热传递相对较高。此外，由于第七过孔77和第八过孔78a和78b布置在与第五电路层L5相邻的上下两层中，因此两层之间的机械性能没有显著差异。如上所述，在保持半导体元件21和22以及散热板31和32的绝缘性能的同时，可以提高基板主体12的热导率和机械性能。

根据第一实施例的半导体器件10是本说明书中公开的技术的实施例，并且本技术的内容不受特别限制。该实施例中的基板主体12是本技术中的基板的示例。该实施例中的基板主体12的上表面12a和下表面12b分别是本技术中基板主体的第一表面和第二表面的示例。在该实施例中，第一半导体元件21和第一散热板31的组合以及第二半导体元件22和第二散热板32的组合是本公开中电气部件的示例。该实施例中的第十导体图案70是本公开中的表面导体图案的示例。该实施例中的第八导体图案68是本技术中第一内部导体图案的示例。该实施例中的第九导体图案69是本公开中的第二内部导体图案的示例。该实施例中的第九过孔79是本公开中热导体过孔的示例。该实施例中的第七过孔77是本公开中第一热导体过孔的示例。该实施例中的第八过孔78a和78b是本公开中第二热导体过孔的示例。在该实施例中的第八过孔78a和78b中，内部过孔78a是本公开中内部热导体过孔的示例，外部过孔78b是本公开中外部热导体过孔的示例。该实施例中的第七过孔77是本公开中第一热导体过孔的示例。该实施例中的表面电气部件52是本技术中的表面电气部件的示例。

(实施例2)

将参考图4描述第二实施例的半导体器件110。本实施例的半导体器件110与第一实施例的半导体器件10的不同之处在于添加了多个第九过孔79。在下文中，将主要描述与第一实施例的区别，并且将对与第一实施例所共有的配置给出相同的附图标记，并且将省略对其的描述。

多个第九过孔79从第四电路层L4延伸到第五电路层L5，并连接第四电路层L4的第六导体图案66和第五电路层L5的第九导体图案69。每个第九过孔79由诸如铜或其它金属的导体制成。结果，第六导体图案66通过多个第九过孔79与第九导体图案69电连接和热连接。

位于第四电路层L4中的第六导体图案66位于与散热板31和32相同的深度范围内。因此，第六导体图案66在平行于基板主体12的方向(即，在X方向或Y方向)上接收从散热板31和32扩散的热量。第六导体图案66的热量通过第九过孔79传递到第九导体图案，并通过第八过孔78a和78b的外部过孔78b进一步传递到第十导体图案70。结果，半导体元件21和22以及散热板31和32的热量从第十导体图案70辐射到基板主体12的外部。第六导体图案66与半导体元件21和22以及散热板31和32电绝缘。

根据本实施例的半导体器件110是本说明书中公开的技术的实施例，并且本技术的内容不受特别限制。该实施例中的第六导体图案66是本技术中的第三内部导体图案的示例。该实施例中的第九过孔79是本公开中第三过孔的示例。

(实施例3)

将参考图5描述第三实施例的半导体器件210。本实施例的半导体器件210与第二实施例的半导体器件110的不同之处在于，基板主体12具有由不同材料制成的两层13和15。在下文中，将主要描述与第二实施例的区别，并且将对与第一至第二实施例所共有的配置给出相同的附图标记，并且将省略对其的描述。

该实施例中的基板主体12具有由第一材料制成的第一层13和由第二材料制成的第二层15。第一层13包括上述上层14、中间层16、以及下层18的一部分。第二层15是下层18的剩余部分，尤其是填充第五电路层L5和第六电路层L6之间的空间的部分。即，第二层15位于包括基板主体12的下表面12b的最低层。构成第二层15的第二材料比构成第一层13的第一材料具有更高的热导率。通过将具有优异热导率的第二层15定位在散热板31和32与基板主体12的下表面12b之间，进一步抑制半导体元件21和22以及散热板31和32的温度上升。

第一材料和第二材料不受特别限制。例如，第二材料可以是包括纤维的复合材料，因此第二材料可以包括，例如，从包含纸、玻璃布、玻璃非织造布、玻璃织造布和玻璃纤维的组中选择的至少一种，以及从包含酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂和特氟龙(注册商标)的组中选择的至少一种。例如，作为第一材料，可以采用这里例示的树脂材料，并且，与第二材料类似，可以包括纤维材料。只要第二材料的热导率高于第一材料的热导率，第一材料和第二材料的组合就不受特别限制。

虽然已经参考本公开的实施例描述了本公开，但是应当理解，本公开不受实施例和结构的限制。本公开旨在覆盖各种修改和等效替换。此外，虽然存在各种组合和配置，但包括更多、更少或仅单个元件的其它组合和配置也在本公开的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种半导体器件，包括：

基板主体，其具有第一表面和第二表面；

电气部件，其设置在所述基板主体中；

表面导体图案，其设置在位于所述第二表面上的第一电路层中；

第一内部导体图案和第二内部导体图案，所述第一内部导体图案和所述第二内部导体图案设置在位于所述电气部件和所述第二表面之间的第二电路层中，并且彼此绝缘；

从所述电气部件延伸到所述第一内部导体图案的至少一个第一热导体过孔；和

从所述表面导体图案延伸到所述第二内部导体图案的至少一个第二热导体过孔。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：

所述至少一个第二热导体过孔包括：位于所述电气部件面对所述第二表面的面对区域中的内部热导体过孔和位于所述面对区域外侧的外部热导体过孔。

3.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：

第三内部导体图案，其设置在位于与所述电气部件相同的深度范围内的第三电路层中，并且与所述电气部件电隔离；和

至少一个第三过孔，其从所述第二内部导体图案延伸到所述第三内部导体图案。

4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：

所述基板主体包括由第一材料制成的第一层和由比所述第一材料具有更高热导率的第二材料制成的第二层；和

所述第二层布置在所述电气部件和所述第二表面之间。

5.根据权利要求4所述的半导体器件，其中：

所述第二层暴露在所述第二表面上。

6.根据权利要求4所述的半导体器件，其中：

所述第二材料包括：

从包括纸、玻璃布、玻璃非织造布、玻璃织造布和玻璃纤维的组中选择的至少一种，以及

从包括酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂和特氟龙的组中选择的至少一种。

7.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：

表面电气部件，其设置在所述第一表面上并控制所述电气部件的操作。

8.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：

所述第一热导体过孔由与所述第一内部导体图案的材料相同的材料制成。

9.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：

所述第二热导体过孔由与所述表面导体图案的材料相同的材料制成。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的半导体器件，其中：

所述电气部件包括功率半导体元件和散热板，所述功率半导体元件结合至所述散热板。

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