CN116195050A - 功率模块 - Google Patents

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power semiconductor
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山本晋也
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Abstract

本发明的功率模块(10)具有功率半导体芯片(1)和Cu电路(3)，该Cu电路(3)在一个表面设置功率半导体芯片(1)。功率模块(10)具有：利用烧结膏将功率半导体芯片(1)与Cu电路(3)接合的烧结层(2)；和用于将Cu底板(5)与Cu电路(3)的另一个表面接合而设置的散热片(4)，在功率半导体芯片(1)、烧结层(2)、Cu电路(3)和散热片(4)叠层而成的第一叠层结构中，叠层方向的热阻的合计XA为0.30(K/W)以下。

Description

功率模块
技术领域
本发明涉及功率模块，例如涉及具有功率半导体元件、和在一个表面设置功率半导体元件的金属电路基板(传热金属层)的功率模块。
背景技术
在传热用金属电路基板上设置有功率半导体元件的功率模块的市场逐步扩大。在这种功率模块中，为了实现高散热性而提出了各种技术。例如，已知一种带翘片的散热器一体电路基板用叠层板，其具有：包含高导热性填料和结晶性聚合物、且一体成型的带翘片的散热器和基材；形成于上述基材上、且包含绝缘性的导热性填料和结晶性聚合物的绝缘层；和形成于上述绝缘层上的金属层，上述带翘片的散热器和基材中的高导热性填料的含有率为15～65vol％，上述绝缘层中的导热性填料的含有率为15～65vol％(例如参考专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-28421号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
然而，现有的功率模块结构形成为“芯片(功率半导体元件)/焊料/DBC(DirectBonded Copper，直接覆铜板)基板/焊料/散热器”的叠层结构。芯片(功率半导体元件)与DBC基板的接合、以及DBC基板与散热器的接合使用了焊料。在功率模块工作时，芯片(功率半导体元件)放热，但是在上述结构中其散热不充分，需求应对技术。
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于在具有功率半导体元件的功率模块中提高散热性能。
用于解决技术课题的手段
根据本发明，提供一种功率模块，其具有功率半导体元件和在一个表面侧设置上述功率半导体元件的第一散热结构，
上述第一散热结构具有：
第一金属电路基板；
用于利用烧结膏将上述功率半导体元件与上述第一金属电路基板的一个表面接合而设置的第一接合层；和
用于将第一散热部件与上述第一金属电路基板的另一个表面接合而设置的第一散热片，
在上述功率半导体元件、上述第一接合层、上述第一金属电路基板和上述第一散热片叠层而成的叠层结构A中，叠层方向的热阻的合计为0.30(K/W)以下。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种在具有功率半导体元件的功率模块中提高散热性能的技术。
附图说明
图1是示意性地表示第一实施方式的功率模块的截面图。
图2是表示实施例和比较例的功率模块的结构例的截面图。
图3是表示实施例和比较例的功率模块的模型的图。
图4是表示实施例和比较例的功率模块的模型的图。
图5是表示实施例和比较例的热分布的模拟试验中的热条件的图。
图6是表示在功率模块的模型上显示实施例和比较例的热分布的模拟试验结果的图。
图7是示意性地表示第二实施方式的功率模块的截面图。
图8是示意性地表示第二实施方式的功率模块的截面图，是放大表示设置有功率半导体芯片的区域的图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式详细地进行说明。附图仅用于说明。附图中的各部件的形状和尺寸比等未必与现实的物品相对应。
＜＜第一实施方式＞＞
＜发明的概要＞
＜功率模块10＞
对本实施方式所涉及的功率模块10进行说明。图1是示意性地表示本发明的实施方式所涉及的功率模块10的截面图。以下，为了便于说明，有时以功率模块10的各构成要素的位置关系(上下关系等)为各图中所示的关系的方式进行说明。但是，该说明中的位置关系与功率模块10在使用时或制造时的位置关系无关。
功率模块10具有功率半导体芯片(也称为功率半导体元件)1、烧结层2(也称为“第一接合层”)、Cu电路3(也称为“第一金属电路基板”)、散热片4、Cu底板5(也称为“第一散热部件”)、引线框6和密封材料7。
＜功率半导体芯片1＞
功率半导体芯片1例如为绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate BipolarTransistor)和二极管等。在功率半导体芯片1的上表面形成有未图示的电极图案，在功率半导体芯片1的下表面形成有未图示的导电图案。
功率半导体芯片1的下表面经由作为接合层的烧结层2与Cu电路3的一个表面接合。功率半导体芯片1的上表面的电极图案与引线框6电连接。
＜烧结层2＞
烧结层2是使含有金属颗粒的烧结膏烧结而成的接合层。作为烧结膏，能够使用含有银颗粒的Ag烧结膏、含有铝颗粒的Al烧结膏、含有铜颗粒的Cu烧结膏中的任一种。
在功率半导体芯片1与Cu电路3之间设置上述那样的烧结膏进行叠层，通过烧结工序，功率半导体芯片1与Cu电路3通过烧结层2接合。Cu电路3与引线框6通过烧结层2接合。
在烧结层2中，形成有由金属颗粒形成的烧结网(金属结合熔池，metal bondbath)，能够实现高导热性和低电阻。另外，就提高基于烧结层2的接合性的方面而言，可以对Cu电路3或引线框6实施利用烧结膏中所含的金属进行的镀敷的表面处理。具体而言，在本实施方式中，可以对Cu电路3或引线框6的表面实施镀Ag。
＜Cu电路3＞
Cu电路3是由具有导电性的金属材料构成的金属电路基板。在形成于Cu电路3的一个表面(在图示中为上侧的表面)的电路图案上，经由作为接合层的烧结层2设置有功率半导体芯片1。
Cu电路3是将厚铜(轧制铜)进行图案化而得到的电路基板，厚度例如为0.3mm以上5mm以下。构成Cu电路3的金属材料例如适合使用厚铜(轧制铜)。由此，Cu电路3的相对电阻值减小。另外，Cu电路3的至少一部分可以被阻焊层覆盖。
Cu电路3例如通过利用切削和蚀刻将在Cu底板5的基部5A的上表面经由散热片4叠层的金属层(厚铜等)加工成规定的图案来形成，或者在预先加工成规定图案的状态下通过散热片4贴附于Cu电路3。
Cu电路3的厚度的下限值例如为0.3mm以上。若为这种数值以上，则即使在需要高电流的用途中，也能够抑制电路图案的放热。并且，电路图案20的厚度的上限值例如为5.0mm以下，优选为4.0mm以下，进一步优选为3.0mm以下。若为这种数值以下，则能够提高电路加工性，并且，能够实现基板整体的薄型化。
＜散热片4＞
散热片4配置于Cu电路3与Cu底板5之间。由Cu电路3接收功率半导体芯片1的热，进一步经由散热片4传热到作为散热机构的Cu底板5。由此，能够保持功率模块10的绝缘性，并且能够使由作为放热体的功率半导体芯片1产生的热有效地向功率模块10的外部释放。因此，能够提高半导体装置的绝缘可靠性。
散热片4的平面形状并无特别限定，能够根据Cu电路3和Cu底板5的形状来适当选择，例如可以设为矩形。散热片4的膜厚例如为50μm以上250μm以下。由此，能够实现机械强度和耐热性的提高，并且能够将Cu电路3的热更有效地向Cu底板5传递。而且，散热片4的散热性与绝缘性的平衡优异。作为散热片4的导热系数，并无特别限定，优选使用10W/mK(175℃)以上、更优选使用15W/mK(175℃)以上的材料。
[散热片4的材质]
散热片4例如为树脂片，使用片材用树脂组合物形成。以下，对片材用树脂组合物进行说明。
在本实施方式中，片材用树脂组合物优选包含热固性树脂(A)、填充剂(B)和固化剂(C)等。在包含热固性树脂的情况下，散热绝缘片是将热固性树脂(A)进行了B阶化的片材。
[热固性树脂(A)]
作为热固性树脂(A)，例如，可举出环氧树脂、氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂、苯并噁嗪树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、三聚氰胺树脂、硅酮树脂、双马来酰亚胺树脂、苯氧基树脂和丙烯酸树脂等。作为热固性树脂(A)，可以单独使用它们中的1种，也可以同时使用2种以上。
其中，就具有高绝缘性的方面而言，作为热固性树脂(A)，优选环氧树脂、酚醛树脂和苯氧基树脂。
作为环氧树脂，例如，可举出双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚E型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、双酚M型环氧树脂(4,4'-(1,3-亚苯基二异丙基)双酚型环氧树脂)(4,4′-(1,3-phenylene diisopridiene)bisphenol type epoxy resin)、双酚P型环氧树脂(4,4'-(1,4-亚苯基二异丙基)双酚型环氧树脂)(4,4'-(1,4-phenylenediisopridiene)bisphenol type epoxy resin)、双酚Z型环氧树脂(4,4'-环己二烯双酚型环氧树脂)等双酚型环氧树脂；苯酚酚醛清漆型环氧树脂、甲酚酚醛清漆型环氧树脂、三酚基甲烷型酚醛清漆型环氧树脂、四酚基乙烷型酚醛清漆型环氧树脂、具有稠环芳香族烃结构的酚醛清漆型环氧树脂等酚醛清漆型环氧树脂；联苯型环氧树脂；亚二甲苯型环氧树脂、联苯芳烷基型环氧树脂等芳基亚烷基型环氧树脂；萘醚型环氧树脂、萘酚型环氧树脂、萘二醇型环氧树脂、2官能至4官能环氧型萘树脂、联萘型环氧树脂、萘芳烷基型环氧树脂等萘型环氧树脂；蒽型环氧树脂；苯氧基型环氧树脂；双环戊二烯型环氧树脂；降冰片烯型环氧树脂；金刚烷型环氧树脂；芴型环氧树脂等。可以单独使用它们中的1种，也可以同时使用2种以上。
环氧树脂中，就能够进一步提高耐热性和绝缘可靠性的方面而言，优选选自双酚型环氧树脂、酚醛清漆型环氧树脂、联苯型环氧树脂、芳基亚烷基型环氧树脂、萘型环氧树脂、蒽型环氧树脂、双环戊二烯型环氧树脂中的1种或2种以上。
作为酚醛树脂，例如，可举出苯酚酚醛清漆树脂、甲酚酚醛清漆树脂、双酚A酚醛清漆树脂等酚醛清漆型酚醛树脂、以及甲阶型酚醛树脂等。可以单独使用它们中的1种，也可以同时使用2种以上。
酚醛树脂中，优选苯酚酚醛清漆树脂。
相对于片材用树脂组合物总量，热固性树脂(A)的含量优选1质量％以上，更优选5质量％以上。另一方面，相对于片材用树脂组合物总量，该含量优选30质量％以下，更优选20质量％以下。
若热固性树脂(A)的含量为上述下限值以上，则片材用树脂组合物的处理性得到提高，容易形成散热绝缘片，并且散热绝缘片的强度得到提高。
若热固性树脂(A)的含量为上述上限值以下，则散热绝缘片的线膨胀系数和弹性模量进一步提高，并且导热性进一步提高。
[填充剂(B)]
本实施方式中，就提高散热绝缘片的导热性并且获得强度的方面而言，使用填充剂(B)。
作为填充剂(B)，优选导热性填料。更具体而言，作为填充剂(B)，就实现导热性与电绝缘性的平衡的方面而言，例如，可举出二氧化硅、氧化铝、氮化硼、氮化铝和碳化硅等。它们可以单独使用1种，也可以同时使用2种以上。其中，填充剂(B)优选氧化铝、氮化硼。
相对于片材用树脂组合物总量，填充剂(B)的含量优选90质量％以下，更优选80质量％以下。另一方面，就导热性的方面而言，相对于片材用树脂组合物总量，该含量优选40质量％以上，更优选50质量％以上。
[固化剂(C)]
在片材用树脂组合物中使用环氧树脂或酚醛树脂作为热固性树脂(A)的情况下，优选还包含固化剂(C)。
作为固化剂(C)，能够使用选自固化催化剂(C-1)和酚系固化剂(C-2)中的1种以上。
作为固化催化剂(C-1)，例如，可举出环烷酸锌、环烷酸钴、辛酸锡、辛酸钴、双乙酰丙酮钴(II)、三乙酰丙酮钴(III)等有机金属盐；三乙胺、三丁胺、1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷等叔胺类；2-苯基-4-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2,4-二乙基咪唑、2-苯基-4-甲基-5-羟基咪唑、2-苯基-4,5-二羟甲基咪唑等咪唑类；三苯基膦、三对甲苯基膦、四苯基鏻-四苯基硼酸盐、三苯基膦-三苯基硼烷、1,2-双-(二苯基膦基)乙烷等有机磷化合物；苯酚、双酚A、壬基酚等酚化合物；乙酸、苯甲酸、水杨酸、对甲苯磺酸等有机酸等或其混合物。作为固化催化剂(C-1)，能够单独使用也包括它们的衍生物在内的1种，也能够同时使用包括它们的衍生物在内的2种以上。
固化催化剂(C-1)的含量并无特别限定，相对于片材用树脂组合物总量，优选0.001质量％以上1质量％以下。
另外，作为酚系固化剂(C-2)，可举出苯酚酚醛清漆树脂、甲酚酚醛清漆树脂、三酚甲烷型酚醛清漆树脂、萘酚酚醛清漆树脂、氨基三嗪酚醛清漆树脂等酚醛清漆型酚醛树脂；萜烯改性酚醛树脂、双环戊二烯改性酚醛树脂等改性酚醛树脂；具有亚苯基骨架和/或亚联苯基骨架的苯酚芳烷基树脂、具有亚苯基骨架和/或亚联苯基骨架的萘酚芳烷基树脂等芳烷基型树脂；双酚A、双酚F等双酚化合物；甲阶型酚醛树脂等，它们可以单独使用1种，也可以同时使用2种以上。
这些之中，就提高玻璃化转变温度和降低线膨胀系数的方面而言，酚系固化剂(C-2)优选酚醛清漆型酚醛树脂或甲阶型酚醛树脂。
酚系固化剂(C-2)的含量并无特别限定，相对于片材用树脂组合物总量，优选1质量％以上，更优选5质量％以上。另一方面，相对于片材用树脂组合物总量，该含量优选30质量％以下，更优选15质量％以下。
[偶联剂(D)]
片材用树脂组合物可以包含偶联剂(D)。偶联剂(D)能够提高热固性树脂(A)与填充剂(B)的界面的浸润性。
作为偶联剂(D)，并无特别限定，例如优选使用选自环氧基硅烷偶联剂、阳离子硅烷偶联剂、氨基硅烷偶联剂、钛酸酯系偶联剂和硅油型偶联剂中的1种或2种以上的偶联剂。
偶联剂(D)的含量并无特别限定，相对于填充剂(B)100质量％，优选0.05质量％以上，更优选0.1质量％以上。另一方面，相对于填充剂(B)100质量％，该含量优选3质量％以下，更优选2质量％以下。
[苯氧基树脂(E)]
而且，片材用树脂组合物可以包含苯氧基树脂(E)。通过包含苯氧基树脂(E)，能够提高散热绝缘片的耐弯曲性。
并且，通过包含苯氧基树脂(E)，能够降低散热绝缘片的弹性模量，能够提高散热绝缘片的应力松弛力。
并且，若包含苯氧基树脂(E)，则由于粘度上升，流动性降低，能够抑制产生孔隙等。并且，在使散热绝缘片与金属部件密合使用等情况下，能够提高金属与片材用树脂组合物的固化体的密合性。通过它们的协同效应，能够进一步提高半导体装置的绝缘可靠性。
作为苯氧基树脂(E)，例如，可举出具有双酚骨架的苯氧基树脂、具有萘骨架的苯氧基树脂、具有蒽骨架的苯氧基树脂和具有联苯骨架的苯氧基树脂等。并且，也能够使用具有多种这些骨架的结构的苯氧基树脂。
关于苯氧基树脂(E)的含量，例如相对于片材用树脂组合物总量优选为3质量％以上10质量％以下。
[其他成分]
在不损害本发明的效果的范围内，片材用树脂组合物还能够包含抗氧化剂、流平剂等。
＜Cu底板5＞
Cu底板5是一种散热部件，具有铜的板状的基部5A和从基部5A的下表面一体地延伸的多个翘片部5B。
作为散热部件，除了Cu底板5以外，例如还可以采用铝的底板。并且，只要具有经由Cu电路3获取功率半导体芯片1的放热并释放到其他部分的功能，则不限于一般的散热部件，也可以是其他结构的一部分(例如壳体)等。即使在该情况下，也可以使用散热片4。
＜引线框6＞
引线框6是支承并固定功率半导体芯片1、并且与外部配线电连接的部件，是通过对铜或铁等金属材料的薄板进行冲压加工或蚀刻加工等制成的部件。
＜密封材料7＞
密封材料7例如为模制树脂，将功率半导体芯片1、烧结层2、Cu电路3、散热片4、Cu底板5和引线框6一体密封在内部。作为密封材料7，除了模制树脂以外，还可以使用硅酮凝胶等。以下，对用模制树脂进行一体密封的结构进行说明。
在该密封时，引线框6的一部分被密封，未被密封的其他部分与外部设备连接。另外，关于Cu底板5，Cu底板5的基部5A的上表面和侧面被密封材料7覆盖密封。Cu底板5的下表面和翘片部5B不被密封材料7覆盖。即，密封材料7以覆盖Cu底板5的基部5A的厚度方向的侧面的一部分或全部的方式覆盖功率半导体芯片1并进行密封。在此，例示了Cu底板5的基部5A的整个侧面被密封材料7覆盖的结构。
[密封材料7(模制树脂)的成分]
密封材料7的模制树脂是包含热固性树脂(A)和无机填充材料(B)的热固性组合物(C)的固化体。热固性组合物(C)包含固化促进剂(D)。
[固化促进剂(D)]
本实施方式的固化促进剂(D)是活性强的物质。由此，能够实现低温固化，另一方面，若直接使用而不做特殊处理，则在保存期间发生反应等，保存性会降低。
作为固化促进剂(D)，例如，可举出有机膦、四取代鏻化合物、磷酸酯甜菜碱化合物、膦化合物与醌化合物的加成物、或鏻化合物与硅烷化合物的加成物等含磷原子化合物；1,8-二氮杂双环(5,4,0)十一烯-7、咪唑等脒系化合物；苄基二甲胺等叔胺、脒盐(amidinium salt)或铵盐等含氮原子化合物等。
其中，固化促进剂(D)优选咪唑系固化促进剂或磷系固化促进剂。作为咪唑系固化促进剂，例如，更优选包含脒系化合物的咪唑化合物。作为咪唑化合物，可举出2-甲基咪唑、2-苯基咪唑、咪唑-2-甲醛、5-氮杂苯并咪唑、4-氮杂苯并咪唑等，但是并不限定于这些。其中，优选使用2-甲基咪唑。
密封树脂组合物中的固化促进剂(D)的含量并无特别限定，例如相对于密封树脂组合物整体，优选为0.1质量％以上5质量％以下，更优选为0.2质量％以上4质量％以下。
通过将固化促进剂(D)的含量设为上述下限值以上，容易使密封树脂组合物适当地固化。另一方面，通过将固化促进剂(D)的含量设为上述上限值以下，能够延长熔融状态，能够延长更低粘度的状态，结果，容易实现低温密封。
[热固性树脂(A)]
作为热固性树脂(A)，例如，可举出酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、三聚氰胺树脂和聚氨酯等。它们可以单独使用1种，也可以同时使用2种以上。其中，优选包含酚醛树脂和环氧树脂中的至少一者，更优选包含环氧树脂。
作为环氧树脂，能够使用在1分子内具有2个以上环氧基的单体、低聚物、聚合物全部，其分子量和分子结构并无特别限定。
作为环氧树脂，具体而言，可举出联苯型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、四甲基双酚F型环氧树脂等双酚型环氧树脂、茋型环氧树脂、氢醌型环氧树脂等结晶性环氧树脂；甲酚酚醛清漆型环氧树脂、苯酚酚醛清漆型环氧树脂、萘酚酚醛清漆型环氧树脂等酚醛清漆型环氧树脂；含亚苯基骨架的苯酚芳烷基型环氧树脂、含亚联苯基骨架的苯酚芳烷基型环氧树脂、含亚苯基骨架的萘酚芳烷基型环氧树脂、含烷氧基萘骨架的酚芳烷基环氧树脂等芳烷基型环氧树脂；三酚甲烷型环氧树脂、烷基改性三酚甲烷型环氧树脂等3官能型环氧树脂；双环戊二烯改性酚型环氧树脂、萜烯改性酚型环氧树脂等改性酚型环氧树脂；含三嗪核的环氧树脂等含杂环的环氧树脂。它们可以单独使用1种，也可以组合使用2种以上。这些之中，就提高铝电解电容器的可靠性和成型性的平衡的方面而言，更优选使用芳烷基型环氧树脂和萘醚型环氧树脂中的至少一者。
热固性树脂(A)的150℃时的ICI粘度优选根据无机填充材料(B)的含量适当设定，例如上限值优选为60泊以下，更优选为50泊以下，进一步优选为40泊以下。由此，能够提高密封用树脂组合物的流动性，并且容易实现低温密封。
另一方面，热固性树脂(A)的150℃时的ICI粘度的下限值并无特别限定，例如可以设为0.01泊以上。
其中，1泊为0.1Pa·s。
热固性树脂(A)的含量并无特别限定，例如相对于密封树脂组合物整体，优选为1质量％以上50质量％以下，更优选为2质量％以上30质量％以下，进一步优选为5质量％以上20质量％以下。
通过将热固性树脂(A)的含量设为上述下限值以上，能够更有效地提高密封树脂组合物的流动性和成型性。并且，通过将热固性树脂(A)的含量设为上述上限值以下，能够更有效地提高铝电解电容器的可靠性。
[无机填充材料(B)]
作为无机填充材料(B)，例如，可举出二氧化硅、氧化铝、高岭土、滑石、粘土、云母、石棉、硅灰石、玻璃粉、玻璃薄片、玻璃珠、玻璃纤维、碳化硅、氮化硅、氮化铝、炭黑、石墨、二氧化钛、碳酸钙、硫酸钙、碳酸钡、碳酸镁、硫酸镁、硫酸钡、纤维素、芳纶或木材等。它们可以单独使用1种，也可以混合使用2种以上。
作为上述二氧化硅，可举出结晶性二氧化硅(粉碎状结晶性二氧化硅)、熔融二氧化硅(粉碎状无定形二氧化硅、球状无定形二氧化硅)和液态密封二氧化硅(液态密封用球状无定形二氧化硅)。其中，就容易实现低温、低压密封的方面而言，优选熔融球状二氧化硅。
无机填充剂(B)的平均粒径并无特别限定，典型地为1～100μm，优选为1～50μm，更优选为1～20μm。可以认为，通过平均粒径适当，在后述造粒工序中，可获得包含熔融混合物的壳被更均匀地涂布等的效果。并且，在将最终获得的核壳颗粒用作半导体密封材料时，能够提高在模腔内在半导体元件周边的填充性。
其中，无机填充材料(B)的体积基准粒度分布能够使用市售的激光式粒度分布仪(例如，株式会社岛津制作所制造，SALD-7000)测量。
无机填充材料(B)的含量并无特别限定，例如相对于密封树脂组合物整体，优选为50质量％以上95质量％以下，更优选为60质量％以上95质量％以下，进一步优选为65质量％以上85质量％以下。
通过将无机填充材料(B)的含量设为上述下限值以上，能够有效地提高利用密封树脂组合物密封的铝电解电容器的可靠性。并且，通过将无机填充材料(B)的含量设为上述上限值以下，能够使密封树脂组合物的流动性变得良好，能够更有效地提高成型性。
本实施方式的密封树脂组合物除了上述成分以外，还可以包含以下成分。
[固化剂(C)]
密封树脂组合物能够包含固化剂(C)。作为固化剂(C)，只要与热固性树脂(A)进行反应而固化，则并无特别限定，例如，可举出乙二胺、三亚甲基二胺、四亚甲基二胺和六亚甲基二胺等碳原子数为2～20的直链脂肪族二胺、以及间苯二胺、对苯二胺、对二甲苯二胺、4,4′-二氨基二苯基甲烷、4,4′-二氨基二苯基丙烷、4,4′-二氨基二苯醚、4,4′-二氨基二苯砜、4,4′-二氨基二环己烷、双(4-氨基苯基)苯基甲烷、1,5-二氨基萘、间二甲苯二胺、对二甲苯二胺、1,1-双(4-氨基苯基)环己烷、双氰胺等胺类；苯胺改性甲阶酚醛树脂、二甲醚甲阶酚醛树脂等甲阶型酚醛树脂；苯酚酚醛清漆树脂、甲酚酚醛清漆树脂、叔丁基苯酚酚醛清漆树脂、壬基酚酚醛清漆树脂等酚醛清漆型酚醛树脂；含亚苯基骨架的酚芳烷基树脂、含亚联苯基骨架的酚芳烷基树脂等酚芳烷基树脂；具有如萘骨架或蒽骨架那样的稠环结构的酚醛树脂；聚对羟基苯乙烯等聚羟基苯乙烯；包括六氢邻苯二甲酸酐(HHPA)、甲基四氢邻苯二甲酸酐(MTHPA)等脂环族酸酐、偏苯三酸酐(TMA)、均苯四酸酐(PMDA)、二苯甲酮四羧酸(BTDA)等芳香族酸酐等的酸酐等；多硫化物、硫酯、硫醚等聚硫醇化合物；异氰酸酯预聚物、封端异氰酸酯等异氰酸酯化合物；含羧酸的聚酯树脂等有机酸类。它们可以单独使用1种，也可以组合使用2种以上。这些之中，从实现密封树脂组合物的低温、低压密封的观点而言，更优选使用酚醛清漆型酚醛树脂或酚芳烷基树脂中的至少一者。
密封树脂组合物中的固化剂(C)的含量并无特别限定，例如相对于密封树脂组合物整体，优选为1质量％以上12质量％以下，更优选为3质量％以上10质量％以下。
通过将固化剂(C)的含量设为上述下限值以上，容易使密封树脂组合物适当地固化。另一方面，通过将固化剂(C)的含量设为上述上限值以下，能够保持适当的流动性，容易实现低温、低压密封。
[偶联剂(E)]
密封树脂组合物例如能够包含偶联剂(E)。作为偶联剂(E)，例如能够使用环氧基硅烷、巯基硅烷、氨基硅烷、烷基硅烷、脲基硅烷、乙烯基硅烷等各种硅烷系化合物、钛系化合物、铝螯合物类、铝/锆系化合物等公知的偶联剂。
更具体而言，可举出乙烯基三氯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-环氧丙氧基丙基三乙氧基硅烷、γ-环氧丙氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-苯胺基丙基三甲氧基硅烷、γ-苯胺基丙基甲基二甲氧基硅烷、γ-[双(β-羟乙基)]氨基丙基三乙氧基硅烷、N-β-(氨基乙基)-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-β-(氨基乙基)-γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、N-β-(氨基乙基)-γ-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、N-苯基-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-(β-氨基乙基)氨基丙基二甲氧基甲基硅烷、N-(三甲氧基甲硅烷基丙基)乙二胺、N-(二甲氧基甲基甲硅烷基异丙基)乙二胺、甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、N-β-(N-乙烯基苄基氨基乙基)-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-氯丙基三甲氧基硅烷、六甲基二硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷、3-异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷、3-丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-三乙氧基甲硅烷基-N-(1,3-二甲基-亚丁基)丙胺的水解物等硅烷系偶联剂；异丙基三异硬脂酰基钛酸酯、异丙基三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸酯、异丙基三(N-氨基乙基-氨基乙基)钛酸酯、四辛基双(二(十三烷基)亚磷酰氧基)钛酸酯、四(2,2-二烯丙氧基甲基-1-丁基)双(二(十三烷基))亚磷酸酯钛酸酯、双(二辛基焦磷酰氧基)氧乙酸酯钛酸酯、双(二辛基焦磷酰氧基)亚乙基钛酸酯、异丙基三辛酰基钛酸酯、异丙基二甲基丙烯基异硬脂酰基钛酸酯、异丙基三(十二烷基)苯磺酰基钛酸酯、异丙基异硬脂酰基二丙烯基钛酸酯、异丙基三(二辛酯磷酰氧基)钛酸酯、异丙基三枯基苯基钛酸酯、四异丙基双(二辛基亚磷酰氧基)钛酸酯等钛酸酯系偶联剂。它们可以单独使用1种，也可以组合使用2种以上。
密封树脂组合物中的偶联剂(E)的含量并无特别限定，例如相对于密封树脂组合物整体，优选为0.05质量％以上3质量％以下，进一步优选为0.1质量％以上2质量％以下。通过将偶联剂(E)的含量设为上述下限值以上，能够使无机填充材料(B)在密封树脂组合物中的分散性良好。并且，通过将偶联剂(E)的含量设为上述上限值以下，能够使密封树脂组合物的流动性良好，能够提高成型性。
而且，本实施方式的密封树脂组合物除了上述成分以外，例如，还能够包含炭黑等着色剂；天然蜡、合成蜡、高级脂肪酸或其金属盐类、链烷烃、氧化聚乙烯等脱模剂；水滑石等离子捕捉剂；硅油、硅酮橡胶等低应力剂；氢氧化铝等阻燃剂；抗氧化剂等各种添加剂。
＜第一叠层结构和第二叠层结构的热阻＞
对功率模块10的叠层结构的热阻进行说明。
＜第一叠层结构＞
在功率模块10中，将功率半导体芯片1、烧结层2(也称为“第一接合层”)、Cu电路3(也称为“第一金属电路基板”)和散热片4(也称为“第一散热片”)叠层而成的结构作为第一叠层结构(也称为“叠层结构A”)。此时，在第一叠层结构中，叠层方向(高度方向)的热阻的合计XA为0.30(K/W)以下。热阻的合计XA的下限并无特别限制，但作为实际值，为0.05以上，优选为0.06(K/W)以上，更优选为0.07(K/W)以上。热阻的合计XA的上限优选为0.25(K/W)以下，更优选为0.20(K/W)以下。
在将第一叠层结构的厚度的合计设为tA(mm)的情况下，热阻的合计XA与厚度的合计tA之比XA/tA为0.25(W/(K·mm))以下。比XA/tA的下限并无特别限制，但作为实际值，为0.02(W/(K·mm))以上，优选为0.03(W/(K·mm))以上，更优选为0.04(W/(K·mm))。
＜第二叠层结构＞
将功率半导体芯片1、烧结层2、Cu电路3、散热片4和Cu底板5叠层而成的结构作为第二叠层结构(也称为“叠层结构B”)。即，第二叠层结构是在第一叠层结构的散热片4的下侧进一步叠层Cu底板5而成的构造。
在第二叠层结构中，叠层方向(高度方向)的热阻的合计XB为0.45(K/W)以下。热阻的合计XB的下限并无特别限制，但作为实际值，为0.10(K/W)以上，优选为0.12(K/W)以上，更优选为0.15(K/W)以上。热阻的合计XB的上限优选为0.35(K/W)以下，更优选为0.25(K/W)以下。
在将第二叠层结构的厚度的合计设为tB(mm)的情况下，热阻的合计XB与厚度的合计tB之比XB/tB为0.08(W/(K·mm))以下。比XB/tB的下限并无特别限制，但作为实际值，为0.01(W/(K·mm))以上，优选为0.02(W/(K·mm))以上，更优选为0.03(W/(K·mm))。
＜功率模块10的特征、效果＞
将本实施方式的特征、效果总结如下。
(1)本实施方式的功率模块10具有：功率半导体芯片1；和在一个表面设置功率半导体芯片1的Cu电路3，
该功率模块(10)具有：
利用烧结膏将功率半导体芯片1与Cu电路3(金属电路基板)接合的烧结层2(烧结层)；和
为了将Cu底板5(散热部件)与Cu电路3的另一个表面接合而设置的散热片4，
在功率半导体芯片1、烧结层2、Cu电路3和散热片4叠层而成的第一叠层结构中，叠层方向的热阻的合计XA为0.30(K/W)以下。
通过设为这种结构，能够良好地实现功率模块10的散热性能。
具体而言，功率半导体芯片1与Cu电路3的接合使用了烧结层2(烧结膏)来代替以往使用的焊料。由于烧结层2(烧结膏)具有高导热系数，因此能够将功率半导体芯片1的放热有效地释放到外部。
另外，Cu电路3与Cu底板5等具有散热功能的部件的连接使用了散热片4来代替以往使用的焊料。由此，能够将功率半导体芯片1的放热有效地释放到外部。
其结果，能够降低功率半导体芯片1的最高温度，能够提高电特性。并且，通过散热性得到提高，连续使用时的热应力减少，烧结层2和散热片4等接合部分的可靠性提高。
(2)还具有利用散热片4与Cu电路3的另一个表面接合的Cu底板5(散热部件)。
(3)在功率半导体芯片1、烧结层2、Cu电路3、散热片4和Cu底板5叠层而成的第二叠层结构中，叠层方向的热阻的合计XB为0.45(K/W)以下。
(4)烧结膏中所含的金属颗粒为银颗粒、铝颗粒或铜颗粒中的任一种。即，通过使用Ag烧结膏、Al烧结膏、Cu烧结膏中的任一种烧结膏，能够使烧结层2的热阻与焊料的情况相比大幅降低。即，能够提高散热性。
(5)还具有覆盖功率半导体芯片1的密封材料7。
通过这种密封材料7，在具有功率半导体芯片1的功率模块中，容易应对小型化和薄型化。
(6)密封材料7由模制树脂构成。
通过密封材料7为模制树脂，在具有功率半导体芯片1的功率模块中，更容易应对小型化和薄型化。
(7)密封材料7以覆盖Cu底板5(更具体而言为基部5A)的厚度方向的侧面的一部分或全部的方式覆盖功率半导体芯片1并进行密封。
通过为密封材料7覆盖Cu底板5的一部分或全部的结构，容易获取功率模块10的强度与散热性的平衡。
(8)Cu电路3是将厚铜(轧制铜)进行图案化而得到的电路基板，厚度为0.3mm以上5mm以下。通过制成这种厚度的Cu电路3，能够使Cu电路3的热阻与强度的平衡良好，能够提高散热性。
(9)在将第一叠层结构的叠层方向的热阻的合计设为XA(W/K)、将第一叠层结构的厚度的合计设为tA(mm)的情况下，比XA/tA为0.25(W/(K·mm))以下。
通过这种结构，在功率模块10中，容易应对高散热性和小型化、薄型化。
(10)在将第二叠层结构的叠层方向的热阻的合计设为XB(W/K)、将第二叠层结构的厚度的合计设为tB(mm)的情况下，比XB/tB为0.08(W/(K·mm))以下。
通过这种结构，在包括Cu底板5在内的功率模块10中，更容易应对高散热性和小型化、薄型化。
＜＜第二实施方式＞＞
＜发明的概要＞
＜功率模块100＞
对本实施方式所涉及的功率模块100进行说明。图7是示意性地表示本发明的实施方式所涉及的功率模块100的截面图。图8是放大表示功率模块100的设置有功率半导体芯片1的区域的截面结构的图。为了便于说明，有时以功率模块100的各构成要素的位置关系(上下关系等)为各图中所示的关系的方式进行说明。但是，该说明中的位置关系与功率模块100在使用时和制造时的位置关系无关。
功率模块100具有功率半导体芯片1、支承并固定功率半导体芯片1且与外部配线电连接的引线框6、设置于功率半导体芯片1的一个表面侧(在图示中为下表面1a侧)的第一散热结构60、设置于另一表面侧(在此为上表面1b)的第二散热结构70、设置于功率半导体芯片1与第二散热结构70之间的间隔物30、和设置于第一散热结构60与第二散热结构70之间的空间的密封材料层50。而且，功率模块100具有：将功率半导体芯片1、引线框6与第一散热结构60连接的第一接合层12；将间隔物30与第二散热结构70连接的第二接合层22；和将功率半导体芯片1与间隔物30连接的第三接合层32。
以下，具体地进行说明。
＜功率半导体芯片1＞
功率半导体芯片1例如为绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate BipolarTransistor)和二极管等。在功率半导体芯片1的上表面形成有未图示的电极图案，在功率半导体芯片1的下表面1a形成有未图示的导电图案。
功率半导体芯片1的下表面1a经由作为接合层的第一接合层12与第一散热结构60接合。功率半导体芯片1的上表面1b的电极图案与引线框6电连接。
＜引线框6＞
引线框6是支承并固定功率半导体芯片1、并且与外部配线电连接的部件，是通过对铜或铁等金属材料的薄板进行冲压加工或蚀刻加工等制成的部件。
＜第一散热结构60＞
如图所示，第一散热结构60从功率半导体芯片1侧起具有第一Cu电路13(也称为“第一金属电路基板”)、第一散热片14和第一散热器15(也称为“第一散热部件”)。
＜第一Cu电路13＞
第一Cu电路13是由具有导电性的金属材料构成的金属电路基板。在形成于第一Cu电路13的一个表面(在图示中为上侧表面)的电路图案上，经由第一接合层12设置有功率半导体芯片1。
第一Cu电路13是将厚铜(轧制铜)进行图案化而得到的电路基板。构成第一Cu电路13的金属材料例如适合使用厚铜(轧制铜)。由此，第一Cu电路13的相对电阻值减小。另外，第一Cu电路13的至少一部分可以被阻焊层覆盖。
第一Cu电路13例如通过利用切削和蚀刻将在第一散热器15(Cu底板)的基部15a的上表面经由第一散热片14叠层的金属层(厚铜等)加工成规定图案来形成，或者在预先加工成规定图案的状态下通过第一散热片14贴附于第一Cu电路13。
第一Cu电路13的厚度的下限值例如为0.3mm以上。若为这种数值以上，则即使在需要高电流的用途中，也能够抑制第一Cu电路13的放热。并且，第一Cu电路13的厚度的上限值例如为5.0mm以下，优选为4.0mm以下，进一步优选为3.0mm以下。若为这种数值以下，则能够提高电路加工性，并且，能够实现产品整体的薄型化。
＜第一散热片14＞
第一散热片14配置于第一Cu电路13与第一散热器15(Cu底板)之间。由第一Cu电路13接收功率半导体芯片1的热，进一步经由第一散热片14传热到作为散热机构的第一散热器15(Cu底板)。由此，能够保持功率模块100的绝缘性，并且能够使由作为放热体的功率半导体芯片1产生的热(特别是从下表面1a侧产生的热)有效地向功率模块100的外部释放。因此，能够提高半导体装置的绝缘可靠性。
第一散热片14的平面形状并无特别限定，能够根据第一Cu电路13和第一散热器15的形状来适当选择，例如可以设为矩形。第一散热片14的膜厚例如为50μm以上250μm以下。由此，能够实现机械强度和耐热性的提高，并且能够将第一Cu电路13的热更有效地向第一散热器15传递。而且，第一散热片14的散热性与绝缘性的平衡优异。作为第一散热片14的导热系数，并无特别限定，优选使用10W/mK(175℃)以上、更优选使用15W/mK(175℃)以上的材料。
[第一散热片14的材质]
第一散热片14例如为树脂片，使用片材用树脂组合物形成。在本实施方式中，片材用树脂组合物能够使用在第一实施方式中说明的片材用树脂组合物，以下省略说明。
＜第一散热器15＞
第一散热器15是也称为Cu底板的一种散热部件，具有铜的板状的基部15a和从基部15a的下表面一体地延伸的多个翘片部15B。
第一散热器15除了Cu底板以外，例如还可以采用铝的底板。并且，只要具有经由第一Cu电路13获取功率半导体芯片1的放热并释放到其他部分的功能，则不限于一般的散热部件，也可以是其他结构的一部分(例如壳体)等。即使在该情况下，也可以使用第一散热片14。
＜第一接合层12＞
第一接合层12是使含有金属颗粒的烧结膏烧结而成的接合层。作为烧结膏，能够使用含有银颗粒的Ag烧结膏、含有铝颗粒的Al烧结膏、含有铜颗粒的Cu烧结膏中的任一种。
在功率半导体芯片1与第一Cu电路13之间设置上述那样的烧结膏进行叠层，通过烧结工序，功率半导体芯片1与第一Cu电路13通过第一接合层12接合。第一Cu电路13与引线框6通过第一接合层12接合。
在第一接合层12中，形成有由金属颗粒形成的烧结网(金属结合熔池，metal bondbath)，能够实现高导热性和低电阻。另外，就提高基于第一接合层12的接合性的方面而言，可以对第一Cu电路13或引线框6实施利用烧结膏中所含的金属进行的镀敷的表面处理。具体而言，在本实施方式中，可以对第一Cu电路13或引线框6的表面实施镀Ag。
＜第二散热结构70＞
如图所示，第二散热结构70从功率半导体芯片1侧(即间隔物30侧)起具有第二Cu电路23(也称为“第二金属电路基板”)、第二散热片24和第二散热器25(也称为“第二散热部件”)。
＜第二Cu电路23＞
第二Cu电路23与第一Cu电路13同样，是由具有导电性的金属材料构成的金属电路基板。在形成于第二Cu电路23的一个表面(在图示中为下侧表面)的电路图案上，经由第二接合层22与间隔物30接合。并且，在不设置间隔物30的区域，与密封材料层50接合。
第二Cu电路23可以是将厚铜(轧制铜)进行图案化而得到的电路基板，也可以是不进行图案化而直接使用厚铜的结构。构成第二Cu电路23的金属材料例如适合使用厚铜(轧制铜)。由此，第二Cu电路23的相对电阻值减小。另外，第二Cu电路23的至少一部分可以被阻焊层覆盖。
第二Cu电路23例如通过利用切削和蚀刻将在第二散热器25(Cu底板)的基部25a的下表面经由第二散热片24叠层的金属层(厚铜等)加工成规定图案来形成，或者在预先加工成规定图案的状态下通过第二散热片24贴附于第二Cu电路23。
第二Cu电路23的厚度的下限值例如为0.3mm以上。若为这种数值以上，则即使在需要高电流的用途中，也能够抑制第二Cu电路23的放热。并且，第二Cu电路23的厚度的上限值例如为5.0mm以下，优选为4.0mm以下，进一步优选为3.0mm以下。若为这种数值以下，则能够提高电路加工性，并且，能够实现产品整体的薄型化。
＜第二散热片24＞
第二散热片24配置于第二Cu电路23与第二散热器25(Cu底板)之间。经由间隔物30由第二Cu电路23接收功率半导体芯片1的热，进一步经由第二散热片24向作为散热机构的第二散热器25传热。由此，能够保持功率模块100的绝缘性，并且能够使由作为放热体的功率半导体芯片1产生的热(特别是从上表面1b侧产生的热)有效地向功率模块100的外部释放。因此，能够提高半导体装置的绝缘可靠性。
第二散热片24的形状和物性与上述第一散热片14相同。即，第二散热片24的平面形状并无特别限定，能够根据第二Cu电路23和第二散热器25的形状来适当选择，例如可以设为矩形。第二散热片24的膜厚例如为50μm以上250μm以下。由此，能够实现机械强度和耐热性的提高，并且能够将第二Cu电路23的热更有效地向第二散热器25传递。而且，第二散热片24的散热性与绝缘性的平衡优异。作为第二散热片24的导热系数，并无特别限定，优选使用10W/mK(175℃)以上、更优选使用15W/mK(175℃)以上的材料。
另外，第二散热片24的材质能够使用在第一散热片14的材质中说明的材质。第一散热片14与第二散热片24的材质和膜厚可以完全相同，也可以在上述范围内不同。
＜第二散热器25＞
第二散热器25与第一散热器15同样，是也称为Cu底板的一种散热部件，具有铜的板状的基部25a和从基部25a的上表面一体地延伸的多个翘片部25b。
第二散热器25除了Cu底板以外，例如还可以采用铝的底板。并且，只要具有经由间隔物30、第二Cu电路23获取功率半导体芯片1的放热并释放到其他部分的功能，则不限于一般的散热部件，也可以是其他结构的一部分(例如壳体)等。即使在该情况下，也能够使用第二散热片24。
＜第二接合层22＞
第二接合层22与第一接合层12同样，是使含有金属颗粒的烧结膏烧结而成的接合层。作为烧结膏，能够使用含有银颗粒的Ag烧结膏、含有铝颗粒的Al烧结膏、含有铜颗粒的Cu烧结膏中的任一种。
在间隔物30与第二Cu电路23之间设置上述那样的烧结膏并进行叠层，通过烧结工序，间隔物30与第二Cu电路23通过第二接合层22接合。
＜间隔物30＞
间隔物30是将功率半导体芯片1与配置于功率半导体芯片1的上侧的第二散热结构70之间的距离调整为规定长度的部件。间隔物30例如由金属制造，具体而言为铜(包括铜合金)或铝(包括铝合金)等。间隔物30的上侧经由第二接合层22与第二散热结构70的第二Cu电路23接合。并且，间隔物30的下侧经由后述第三接合层32与功率半导体芯片1接合。
通过间隔物30，能够调整功率半导体芯片1的上侧方向的散热特性。并且，在形成将功率半导体芯片1和引线框6等密封的密封材料层50时，能够适当地调整密封材料的流动。
＜第三接合层32＞
第三接合层32与第一接合层12和第二接合层22同样，是使含有金属颗粒的烧结膏烧结而成的接合层。作为烧结膏，能够使用含有银颗粒的Ag烧结膏、含有铝颗粒的Al烧结膏、含有铜颗粒的Cu烧结膏中的任一种。
在间隔物30与功率半导体芯片1之间设置上述那样的烧结膏并进行叠层，通过烧结工序，间隔物30与功率半导体芯片1通过第三接合层32接合。
＜密封材料层50＞
密封材料层50例如为模制树脂，将功率半导体芯片1和间隔物30等那样的第一散热结构60与第二散热结构70之间的构成要素一体密封在内部。作为密封材料层50所使用的密封材料，除了模制树脂以外，还可以使用硅酮凝胶等。以下，对用模制树脂进行一体密封的结构进行说明。
在该密封时，引线框6的一部分被密封，不被密封的其他部分与外部设备连接。另外，关于第一散热器15，第一散热器15的基部15a的上表面和侧面被密封材料层50覆盖密封。第一散热器15的下表面和翘片部15B不被密封材料层50覆盖。即，密封材料层50以覆盖第一散热器15的基部15a的厚度方向的侧面的一部分或全部的方式覆盖功率半导体芯片1并进行密封。在此，例示了第一散热器15的基部15a的整个侧面被密封材料层50覆盖的结构。通过形成密封材料层50覆盖第一散热器15的一部分或全部的结构，容易获取功率模块100的强度与散热性的平衡。
[密封材料层50(模制树脂)的成分]
作为密封材料层50的模制树脂，能够使用与第一实施方式的密封材料7相同的模制树脂，以下省略说明。
＜功率模块100的叠层结构的热阻＞
对功率模块100的叠层结构的热阻进行说明。以下，对从间隔物30的厚度方向中心30C到第一散热结构60的叠层方向的第一热阻(R1)、与从间隔物30的厚度方向中心30C到第二散热结构70的叠层方向的第二热阻(R2)的关系进行说明。
从间隔物30的厚度方向中心30C到上述第一散热结构60的叠层方向的第一热阻R1、与从间隔物30的厚度方向中心30C到第二散热结构70的叠层方向的第二热阻R2之比R1/R2为0.7以上1.3以下，优选为0.8以上1.2以下，更优选为0.9以上1.1以下。
并且，第一热阻R1和第二热阻R2为0.05K/W以上0.5K/W以下，优选为0.06K/W以上0.45K/W以下，更优选为0.07K/W以上0.40K/W以下。
在此，第一热阻R1是间隔物30的厚度方向下半部分的热阻R11、第三接合层32的热阻R12、功率半导体芯片1的热阻R13、第一接合层12的热阻R14和第一散热结构60的热阻R15的合计(R11+R12+R13+R14+R15)。第一散热结构60的热阻R15是第一Cu电路13的热阻R16、第一散热片14的热阻R17和第一散热器15的热阻R18的合计(R16+R17+R18)。
第二热阻R2是间隔物30的厚度方向上半部分的热阻R21、第二接合层22的热阻R22和第二散热结构70的热阻R23的合计(R21+R22+R23)。第二散热结构70的热阻R23是第二Cu电路23的热阻R24、第二散热片24的热阻R25和第二散热器25的热阻R26的合计(R24+R25+R26)。
通过比(R1/R2)在上述范围内，容易调整功率模块100的厚度方向的热阻。并且，通过使第一热阻R1和上述第二热阻R2在上述范围内，能够将功率半导体芯片1所产生的热迅速地释放到外部。
＜功率模块100的特征、效果＞
将本实施方式的特征、效果总结如下。
(1)本实施方式的功率模块100具有：功率半导体芯片1；
设置于上述功率半导体芯片1的一个表面侧(在图示中为下表面1a侧)的第一散热结构60；
设置于上述功率半导体芯片1的另一个表面侧(在图示中为上表面1b侧)的第二散热结构70；
利用烧结膏将上述功率半导体芯片1与上述第一散热结构60接合的第一接合层12；
设置于上述功率半导体芯片1与上述第二散热结构70之间的间隔物30；
利用烧结膏将上述第二散热结构70与上述间隔物30接合的第二接合层22；
利用烧结膏将上述功率半导体芯片1与上述间隔物30接合的第三接合层32；和
利用模制密封材料将上述第一散热结构60与上述第二散热结构70之间的区域中的不设置上述功率半导体芯片1、上述间隔物30和上述第一接合层12、第二接合层22、第三接合层32的区域密封的密封材料层50。
通过这种结构，能够良好地实现功率模块100的散热性能。具体而言，功率半导体芯片1与第一接合层12或间隔物30的接合、间隔物30与第二散热结构70(即第二Cu电路23)的接合使用利用了烧结膏的第一接合层12、第二接合层22、第三接合层32来代替焊料。由于烧结层(烧结膏)具有高导热系数，因此能够将功率半导体芯片1的放热有效地释放到外部。
并且，通过在功率半导体芯片1的上表面1b与第二散热结构70之间设置间隔物30，能够调整功率半导体芯片1的上侧方向的散热特性。并且，在形成将功率半导体芯片1和引线框6等密封的密封材料层50时，能够适当地调整密封材料的流动。
并且，通过使密封材料层50为模制树脂，在具有功率半导体芯片1的功率模块中，更容易应对小型化和薄型化。
(2)上述第一散热结构60具有：
一个表面与上述第一接合层12接合的第一金属电路基板(第一Cu电路13)；和
设置于上述第一金属电路基板(第一Cu电路13)的另一个表面、用于接合第一散热器15而设置的第一散热片14。
通过这种结构，能够将功率半导体芯片1的放热有效地释放到外部(特别是从图示下侧方向)。其结果，能够降低功率半导体芯片1的最高温度，能够提高电特性。并且，通过散热性得到提高，连续使用时的热应力减少，第一接合层12和第一散热片14等接合部分的可靠性提高。
(3)上述第一散热结构60具有上述第一散热器15。
(4)上述第二散热结构70具有：
一个表面与上述第二接合层22接合的第二金属电路基板(第二Cu电路23)；和
设置于上述第二金属电路基板(第二Cu电路23)的另一个表面、用于接合第二散热器25而设置的第二散热片24。
通过这种结构，能够将功率半导体芯片1的放热有效地释放到外部(特别是从图示上侧方向)。其结果，能够降低功率半导体芯片1的最高温度，能够提高电特性。并且，通过散热性得到提高，连续使用时的热应力减少，第二接合层22和第二散热片24等接合部分的可靠性提高。
(5)上述第二散热结构70具有上述第二散热器25。
(6)从上述间隔物30的厚度方向中心30C到上述第一散热结构60的叠层方向的第一热阻R1、与从上述间隔物30的厚度方向中心30C到上述第二散热结构70的叠层方向的第二热阻R2之比R1/R2为0.7以上1.3以下。通过比(R1/R2)在上述范围内，容易调整功率模块100的厚度方向的热阻。
(7)上述第一热阻R1和上述第二热阻R2为0.05(K/W)以上0.5(K/W)以下。
通过使第一热阻R1和上述第二热阻R2在上述范围内，能够将功率半导体芯片1所产生的热迅速地释放到外部。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是这些是本发明的示例，能够采用除了上述以外的各种结构。并且，本发明并不限定于上述实施方式，在能够实现本发明目的的范围内的变形、改进等包括在本发明中。
＜第一和第二实施方式的特征总结＞
第一和第二实施方式的特征总结如下。
(1)本发明的功率模块具有：
功率半导体元件；和
一个表面侧设置上述功率半导体元件的第一散热结构，
上述第一散热结构具有：
第一金属电路基板；
用于利用烧结膏将上述功率半导体元件与上述第一金属电路基板的一个表面接合而设置的第一接合层；和
用于将第一散热部件与上述第一金属电路基板的另一个表面接合而设置的第一散热片，
在上述功率半导体元件、上述第一接合层、上述第一金属电路基板和上述第一散热片叠层而成的叠层结构A中，叠层方向的热阻的合计为0.30(K/W)以下。
(2)上述第一散热结构还具有通过上述第一散热片与上述第一金属电路基板的另一个表面接合的第一散热部件。
(3)在上述功率半导体元件、上述第一接合层、上述第一金属电路基板、上述第一散热片和上述第一散热部件叠层而成的叠层结构B中，叠层方向(高度方向)的热阻的合计为0.45(K/W)以下。
(4)在将上述叠层结构A的上述叠层方向的热阻的合计设为XA(W/K)、将上述叠层结构A的厚度的合计设为tA(mm)的情况下，比XA/tA为0.25(W/(K·mm))以下。
(5)在将上述叠层结构B的上述叠层方向的热阻的合计设为XB(W/K)、将上述叠层结构B的厚度的合计设为tB(mm)的情况下，比XB/tB为0.08(W/(K·mm))以下。
(6)本发明的功率模块还具有设置于上述功率半导体元件的另一个表面侧的第二散热结构、和设置于上述功率半导体元件与上述第二散热结构之间的间隔物，
上述第二散热结构具有第二金属电路基板、和用于利用烧结膏将上述间隔物与上述第二金属电路基板的一个表面接合而设置的第二接合层，
还具有：
利用烧结膏将上述功率半导体元件与上述间隔物接合的第三接合层；和
利用模制密封材料将上述第一散热结构与上述第二散热结构之间的区域中的不设置上述功率半导体元件、上述间隔物和上述第一接合层～第三接合层的区域密封的密封材料层。
(7)上述第二散热结构还具有用于将第二散热部件与上述第二金属电路基板的另一个表面接合而设置的第二散热片。
(8)上述第二散热结构还具有通过上述第二散热片与上述第二金属电路基板的另一个表面接合的第二散热部件。
(9)从上述间隔物的厚度方向中心到上述第一散热结构的叠层方向的第一热阻R1、与从上述间隔物的厚度方向中心到上述第二散热结构的叠层方向的第二热阻R2之比R1/R2为0.7以上1.3以下。
(10)上述第一热阻R1和上述第二热阻R2为0.05(K/W)以上0.5(K/W)以下。
(11)上述烧结膏中所含的金属颗粒为银颗粒、铝颗粒或铜颗粒中的任一种。
(12)还具有覆盖上述功率半导体元件的密封材料。
(13)上述密封材料由模制树脂构成。
(14)上述密封材料以覆盖上述第一散热部件和/或第二散热部件的厚度方向的侧面的一部分或全部的方式覆盖上述功率半导体元件而进行密封。
(15)上述第一金属电路基板和/或第二金属电路基板是将厚铜(轧制铜)进行图案化而得到的电路基板，厚度为0.3mm以上5mm以下。
实施例
根据实施例，对本发明的实施方式详细地进行说明。但本发明并不限定于实施例。以下，第一和第二实施例对应于第一实施方式，第三实施例对应于第二实施方式。
＜第一实施例＞
将上述的第一和第二叠层结构的例子(实施例1、实施例2)的导热系数与比较例的导热系数一起示于表1。在实施例1和实施例2中，相当于Cu电路3的结构的厚度t不同，其他条件相同。在表中的构成要素中，相当于第一叠层结构的要件为基于“芯片、烧结层、电路、散热片”的叠层结构。相当于第二叠层结构的要件为基于“芯片、烧结层、电路、散热片、衬底基板”的叠层结构。其中，作为散热片，使用在上述实施方式中说明的散热片14的树脂片中导热系数为18W的树脂片。
实施例1、2中的第一叠层结构的叠层方向的热阻的合计Rth_sum(对应于实施方式的XA(W/K))分别为0.119(W/K)、0.168(W/K)，即，为0.30(W/K)以下。另一方面，在比较例中，不包括衬底基板的结构(对应于第一叠层结构)为0.353(W/K)，即，超过0.30(W/K)。
实施例1、2中的第二叠层结构的叠层方向的热阻的合计Rth_sum(对应于实施方式的XB(W/K))分别为0.184(W/K)、0.233(W/K)，即，为0.25(W/K)以下。另一方面，在比较例的包括衬底基板的结构中为0.473(W/K)，即，超过0.45(W/K)。
实施例1、2中的第一叠层结构的叠层方向的热阻的合计Rth_sum(对应于实施方式的XA(W/(K·mm)))与厚度t_sum之比Rth_sum/t_sum(相当于实施方式的比XA/t)分别为0.156(W/(K·mm))、0.074(W/(K·mm))，即，为0.25(W/K)以下。另一方面，在比较例中，不包括衬底基板的结构(对应于第一叠层结构)为0.257(W/(K·mm))，即，超过0.25(W/(K·mm))。
实施例1、2中的第二叠层结构的叠层方向的热阻的合计Rth_sum(对应于实施方式的XB(W/(K·mm)))与厚度t_sum之比Rth_sum/t_sum(相当于实施方式的比XB/tB)分别为0.067(W/(K·mm))、0.055(W/(K·mm))，即，为0.08(W/K)以下。另一方面，在比较例中为0.083(W/(K·mm))，即，超过0.08(W/(K·mm))。
[表1]
Figure BDA0004113847360000291
＜第二实施例＞
在第二实施例中，关于实施方式中所示的功率模块10，就功率半导体芯片1的散热性的方面而言，对现有结构(比较例)和模拟试验模型进行了研究。
＜模拟试验模型＞
实施例和比较例的模拟试验模型如下，在图2中以截面图示出了实施例和比较例的功率模块的结构例。
(A)实施例：从图下侧起依次叠层有Cu底板、散热片、Cu电路、烧结层、功率半导体芯片的功率模块，对应于上述实施方式的功率模块10的结构。
(B)比较例：从图下侧起依次叠层有Cu底板、接合焊料、Cu板、陶瓷基板、Cu电路、焊料、功率半导体芯片、密封材料的功率模块10。
＜模拟试验的条件＞
模拟试验的条件概要如下。
在图3～图5和表2中示出模拟试验的实施例和比较例的各构成要素的物性值、尺寸(厚度)。图3(a)是从功率模块的上侧观察的立体图，图3(b)是俯视图。图4(a)是从功率模块的下侧观察的立体图，图4(b)是仰视图。图5是表示模拟试验(传热分析)中的热条件的图。
模拟试验软件：ANSYS Mechanical 2019R3
功率半导体芯片：搭载有IGBT和FWD(Free Wheeling Diode：续流二极管)
衬底基板：在Cu底板上设凸柱，用冷却水(65℃)对Cu底板背面和凸柱面进行冷却。
[表2]
Figure BDA0004113847360000301
＜模拟试验结果＞
在图6中，将热分布作为模拟试验结果示于功率模块的模型上。
在比较例中，如图6(a)所示，功率半导体芯片(在此为IGBT)的表面的最高温度为184℃。另一方面，在实施例中，如图6(b)所示，功率半导体芯片(在此为IGBT)的表面的最高温度为152℃，成为比比较例低32℃的温度。
＜第三实施例＞
在本实施例中，进行了关于第一热阻R1、第二热阻R2和比R1/R2的模拟试验。将模拟试验结果示于表3中。
对应于第一热阻R1的实施方式的结构是叠层有间隔物30(下半部分)、功率半导体芯片1(Si-IGBT)、第一接合层12(烧结膏层)、第一Cu电路13、第一散热片14和第一散热器15(Cu)的结构。在本实施例中，以省去了第三接合层32的结构进行模拟试验。
对应于第二热阻R2的实施方式的结构是叠层有间隔物30(上半部分)、第二接合层22(烧结膏层)、第二Cu电路23、第二散热片24和第二散热器25(Cu)的结构。
各构成部件的导热系数和厚度等如表所示。
该模拟试验结果如下。
第一热阻R1＝0.31[K/W]
第二热阻R2＝0.30[K/W]
比R1/R2＝1.023
即，第一热阻R1和第二热阻R2在0.05(K/W)以上0.5(K/W)以下的范围内。比R1/R2为0.7以上1.3以下。
[表3]
R1
Figure BDA0004113847360000311
R2
Figure BDA0004113847360000312
本申请主张基于2020年7月21日申请的日本申请特愿2020-124566号和2021年1月26日申请的日本申请特愿2021-010158号的优先权，并将其公开的全部内容援用于此。
附图标记的说明
1：功率半导体芯片(功率半导体元件)，2：烧结层(第一接合层)，3：Cu电路(第一金属电路基板)，4：散热片(第一散热片)，5：Cu底板(第一散热部件)，6：引线框，7：密封材料，10、100：功率模块，12：第一接合层，13：第一Cu电路(第一金属电路基板)，14：第一散热片，15：第一散热器(第一散热部件)，22：第二接合层，23：第二Cu电路(第二金属电路基板)，24：第二散热片，25：第二散热器(第二散热部件)，30：间隔物，30C：间隔物中心，32：第三接合层，50：密封材料层，60：第一散热结构，70：第二散热结构，100：功率模块。

Claims (15)

1.一种功率模块，其特征在于，
具有功率半导体元件和在一个表面侧设置所述功率半导体元件的第一散热结构，
所述第一散热结构具有：
第一金属电路基板；
用于利用烧结膏将所述功率半导体元件与所述第一金属电路基板的一个表面接合而设置的第一接合层；和
用于将第一散热部件与所述第一金属电路基板的另一个表面接合而设置的第一散热片，
在所述功率半导体元件、所述第一接合层、所述第一金属电路基板和所述第一散热片叠层而成的叠层结构A中，叠层方向的热阻的合计为0.30(K/W)以下。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，
所述第一散热结构还具有第一散热部件，该第一散热部件通过所述第一散热片与所述第一金属电路基板的另一个表面接合。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，
在所述功率半导体元件、所述第一接合层、所述第一金属电路基板、所述第一散热片和所述第一散热部件叠层而成的叠层结构B中，叠层方向(高度方向)的热阻的合计为0.45(K/W)以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率模块，其特征在于，
在将所述叠层结构A的所述叠层方向的热阻的合计设为XA(W/K)、将所述叠层结构A的厚度的合计设为tA(mm)的情况下，比XA/tA为0.25(W/(K·mm))以下。
5.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于，
在将所述叠层结构B的所述叠层方向的热阻的合计设为XB(W/K)、将所述叠层结构B的厚度的合计设为tB(mm)的情况下，比XB/tB为0.08(W/(K·mm))以下。
6.根据权利要求1至6中任一项所述的功率模块，其特征在于，
还具有设置于所述功率半导体元件的另一个表面侧的第二散热结构、和设置于所述功率半导体元件与所述第二散热结构之间的间隔物，
所述第二散热结构具有第二金属电路基板、和用于利用烧结膏将所述间隔物与所述第二金属电路基板的一个表面接合而设置的第二接合层，
并且具有：
利用烧结膏将所述功率半导体元件与所述间隔物接合的第三接合层；和
利用模制密封材料将所述第一散热结构与所述第二散热结构之间的区域中的不设置所述功率半导体元件、所述间隔物和所述第一接合层～第三接合层的区域密封的密封材料层。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，
所述第二散热结构还具有用于将第二散热部件与所述第二金属电路基板的另一个表面接合而设置的第二散热片。
8.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于，
所述第二散热结构还具有利用所述第二散热片与所述第二金属电路基板的另一个表面接合的第二散热部件。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的功率模块，其特征在于，
从所述间隔物的厚度方向中心到所述第一散热结构的叠层方向的第一热阻R1与从所述间隔物的厚度方向中心到所述第二散热结构的叠层方向的第二热阻R2之比R1/R2为0.7以上1.3以下。
10.根据权利要求9所述的功率模块，其特征在于，
所述第一热阻R1和所述第二热阻R2为0.05(K/W)以上0.5(K/W)以下。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的功率模块，其特征在于，
所述烧结膏中所含的金属颗粒为银颗粒、铝颗粒或铜颗粒中的任一种。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的功率模块，其特征在于，
还具备覆盖所述功率半导体元件的密封材料。
13.根据权利要求12所述的功率模块，其特征在于，
所述密封材料由模制树脂构成。
14.根据权利要求12或13所述的功率模块，其特征在于，
所述密封材料以覆盖所述第一散热部件和/或第二散热部件的厚度方向的侧面的一部分或全部的方式覆盖所述功率半导体元件而进行密封。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的功率模块，其特征在于，
所述第一金属电路基板和/或第二金属电路基板是将厚铜(轧制铜)进行图案化而得到的电路基板，厚度为0.3mm以上5mm以下。
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