专利名称：半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双面冷却型半导体模块。
背景技术：
一种用于用来驱动汽车马达的反相电路中的半导体功率元件作为与模制树脂集成的功率元件封装件是可用的，其中，功率元件夹在辐射件的散热片之间。该功率元件包括IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为典型的功率元件。IGBT的功率元件夹在散热片之间，而功率元件的发射极或者集电极使用焊料与散热片直接连接或者通过垫片连接。这里，散热片起大电流的通道的作用。
上述功率元件封装件在实际使用中设置为半导体模块，该半导体模块包括通过薄的绝缘件与该功率元件封装件连接的冷却器。例如，JP-A-2001-352023(USP-6542365)公开了一种结构，其中，一对由铝合金制成的作为冷却器的冷却管将功率元件封装件夹在中间。
这里，通过组装功率元件封装件和冷却器形成的模块有时包括功率元件封装件和冷却器的散热片之间的程度不充分的接触，不利地降低了功率元件的冷却效率。这是由于两个散热片之间的平行程度、冷却器的平滑或者插入的绝缘件厚度中的变形。
部件的尺寸的精度，或者组装的精度可以提高到正负0.1mm的水平；然而，要获得小了因子10的正负0.01mm的水平相当困难。因此，最好要求一种除了增加尺寸或者组装精度以外的方法。
详细地说，上述涉及的专利文档公开了一种改进散热片和冷却器之间的接触程度的方法。在该方法中，在散热片和冷却器之间除了绝缘件以外插入一种薄地加工的柔软金属件，以弥补接触表面的不规则性。然而，要求进一步的改进方法来强烈地且可靠地冷却具有高功率输出的功率元件。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有适当地冷却半导体芯片的结构的双面冷却型半导体模块。
为了实现上述目的，如下设置一种具有从其上表面和下表面散热的半导体装置的双面冷却型半导体模块。每个包括冷却剂的第一和第二冷却器设置为将半导体装置夹在中间。夹持机构设置为使得两个冷却器紧密地把半导体装置夹在中间。两个冷却器中的至少一个包括可变形件。该可变形件包括面朝冷却剂的第一表面，以及面朝半导体装置的第二表面。该可变形件可变形为在冷却剂的方向上或者半导体装置的方向上弯曲。
该结构可以弥补诸如实际的半导体装置或者冷却器的尺寸公差之类的设计尺寸的轻微的尺寸变形，导致热阻力的减小。
通过参考附图，从下面的详细描述中，本发明的上述和其它目的、特征和优点将更加明显。其中图1是根据本发明的第一个实施例的双面冷却型半导体模块的示意性结构的剖视图；图2是说明根据第一个实施例的冷却器主体的组装过程的透视图；图3是根据第一个实施例的改进的双面冷却型半导体模块的示意性结构的剖视图；图4是根据本发明的第二个实施例的双面冷却型半导体模块的示意性结构的剖视图；图5是根据第二个实施例的冷却器的剖视图；图6是具有根据第二个实施例的改进的支承件的冷却器主体的部件的透视图；图7是根据第二个实施例的改进的冷却器的剖视图；图8是根据本发明的第三个实施例的双面冷却型半导体模块的示意性结构的剖视图；以及图9是根据本发明的第四个实施例的双面冷却型半导体模块的示意性结构的剖视图。
具体实施例方式
(第一个实施例)本发明涉及双面冷却型半导体模块。参考图1，第一个实施例的双面冷却型半导体模块100是平的半导体封装件1夹在固定型冷却器2和可变形型冷却器3之间的模块。在半导体封装件1与冷却器2、3中的任一个之间，插入片型的绝缘件17、18。此外，半导体模块100包括夹持机构20，该夹持机构使得冷却器2、3将半导体封装件1紧密地夹在中间。
半导体封装件1与固定型冷却器2的相对位置关系是固定的，但是与可变形型冷却器3的相对位置关系是可变的。夹持机构20的紧固调节螺钉201、202使得按压框203接近可变形型冷却器3的冷却器主体32。因此，半导体封装件1通过固定型冷却器2按压，同时可变形件31稍微变形。这通过绝缘件17增强了半导体封装件1和可变形件31之间的接触程度。
半导体封装件1包括半导体芯片10和将半导体芯片10夹在中间的散热件(散热片)12、14，它们都与模制树脂件16集成。例如，该半导体封装件1构成无刷马达的三相反相电路的一部分。半导体芯片10包括，例如，IGBT(绝缘栅双极晶体管)或者功率MOSFET。与诸如马达之类的电感负载连接的IGBT并联地与反向飞轮二极管连接(在图1中没有显示)。
薄板形的半导体芯片10在其自己的表面上具有暴露的栅极和暴露的发射极(或者源极)，在相对的表面上具有集电极(漏极)。半导体芯片10直接或者通过垫片13分别与散热片12、14电连接，例如，使用焊料连接件。从而，半导体芯片10的发射极和集电极分别与散热片12、14电连接。此外，半导体芯片10在发射极暴露的表面上包括暴露的栅极。栅极进一步与控制信号的导线端子(没有显示)电连接，该导线端子从模制树脂件16向外伸出。
每个平面形状或者板形的散热片12、14具有面朝半导体芯片10的吸热表面，以及相对的散热表面，它们两个都调节为大致平面。散热片12、14组装为大致相互平行。从导热性和导电性的观点，每个散热片12、14有利地由从Cu、W、Mo和Al的组中选择的纯金属或者主要包括选自该组的金属的合金制成。
此外，模制树脂件16形成为覆盖或者包上半导体芯片10的周边侧面，且填充由散热片12、14形成的空间。模制树脂件16例如由环氧树脂制成。散热片12、14分别与用于大电流的导线端子120、140集成，这些导线端子从模制树脂件16向外伸出(例如，参考要在以后说明的图8)。在图1中，导线端子120、140设置为垂直于图的表面延伸。
固定型冷却器2是平面形状的冷却剂管，其通过成形诸如铝和铝合金之类的容易成形的金属来形成。固定型冷却器2包括至少一个冷却剂通道2a，通过循环冷却装置(没有显示)使诸如水之类的冷却剂通过该冷却剂通道循环。固定型冷却器2还包括平面吸热表面2p和通过冷却剂通道2a与吸热表面2p相对的平面按压表面2q。吸热表面2p通过绝缘件18在外面朝半导体模块1，而按压表面2q与按压框架203接触。
可变形型冷却器3包括形成冷却剂腔3a的冷却器主体32，以及周边固定到冷却器主体32的可变形件31。通过可变形型冷却器3的冷却剂腔3a，诸如水之类的冷却剂类似于固定型冷却器2中的冷却剂循环。可变形件31具有面朝冷却剂且密封冷却剂腔3a的第一表面，以及通过绝缘件17面朝半导体封装件1的相对的第二表面。可变形件31的表面(吸热表面)的尺寸设计为比半导体封装件1的散热表面(上下表面)大很多。
可变形件31可以由一层或者多层金属薄板构成。可变形件31最好设置为高耐腐蚀且适当的柔性。详细地，它可以由诸如铜、铜合金、铝、铝合金或者不锈钢之类的材料制成。
在该第一个实施例中，冷却器主体32可以由金属层压制品形成，该金属层压制品通过堆积使用与可变形件的材料相同或者不同的材料(铜、铜合金、铝、铝合金或者不锈钢)的金属薄板来形成。这使得产生优选的导热性。详细地，如图2所示，冷却器主体32这样形成，即，使用金属薄板321作为底部，金属薄板320形成冷却剂腔3a的侧面，以及可变形件31的金属板作为冷却剂腔3a的盖子；所有的金属薄板321、320、31使用诸如铜焊件之类的连接件堆积和接合。这里，通过冷却剂腔3a，诸如水之类的冷却剂通过类似于固定型冷却器2的循环冷却装置来循环。
如图1所示，使冷却器2、3紧密地夹住半导体封装件1的夹持机构20包括金属制成的按压框架203和调节螺钉201、202。按压框架203设置为覆盖固定型冷却器2，同时包括面朝固定型冷却器2的按压表面2q的凸起部分211、211，以增加按压该按压表面2q的效率。调节螺钉201、202旋入形成在可变形型冷却器3的冷却器主体32上的螺钉孔，以将按压框架203紧固到冷却器主体32。可以使用垫圈或者弹簧垫圈来紧密地紧固。
紧固调节螺钉201、202使得按压框架203接近可变形型冷却器3的冷却器主体32。同时，凸起部分211按压固定型冷却器2的按压表面2q。从而，通过固定型冷却器2来按压半导体封装件1，使得由金属薄板制成的可变形件31很轻微地变形到产生弹性或者塑性变形。这弥补了有关散热片12、14的平行度、固定型冷却器2的平面度，或者插入的绝缘件17、18的厚度的设计尺寸的不可避免的未对准。从而，不容易产生间隙，同时可以减小热阻力。按压框架203按压固定型冷却器2的按压压具或者按压力根据调节螺钉201、202的紧固量来变化。在允许的限度内，可以调节可变形件31的变化量。
半导体装置或者冷却器的尺寸公差大约为正负100微米。为了弥补该尺寸公差，可变形件31的变化量可以限制到微小的量。此外，由金属薄板制成的可变形件31可以限制按压压力的衰变(下降)。
此外，作为与可变形件31集成或者分离的主体，金属垫片34可以如图3所示的设置。这里，使用金属垫片34来抬高底部，使得容易安装大电流的导线端子120、140(参考图5)。此外，金属垫片34可以固定到半导体封装件1，使得半导体模块100可以容易的组装。
(第二个实施例)第二个实施例的双面冷却型半导体模块101在图4中显示，而模块101的可变形型冷却器40在图5中显示。该半导体模块101几乎类似于第一个实施例的半导体模块100，这样涉及共同部分的说明将被省略。
如图5所示，可变形型冷却器40的冷却器主体41具有构造为用第一可变形件43和第二可变形件44来密封冷却剂腔40a的框架。该第一和第二可变形件43、44例如由金属薄板制成，类似于在图1中显示的可变形件31。第一和第二可变形件43、44的周边固定到冷却器主体41。
第一可变形件43具有面朝冷却剂的表面，以及作为吸热表面的相对表面。第二可变形件44通过冷却剂腔40a面朝第一可变形件43，同时包括在冷却剂腔40a中朝着第一可变形件43突出的支承件42。支承件42可以是设置在第二可变形件44面朝冷却剂的表面上的金属块；另外，它可以是由具有非穿透部分420的金属薄板410(如图6所示)构成的金属层压制品来构成支承件42。也就是，金属薄板410是通过在其中钻孔，使得保留非穿透部分420来形成的；而且，如图2所示，包括金属薄板410的金属薄板堆积起来，以构成冷却器主体41。这使得冷却器主体41和支承件42一体形成。
如图4所示，半导体模块101包括上述可变形型冷却器40、半导体封装件1、固定型冷却器2，以及第一和第二夹持机构20、48。第一夹持机构20如前面的第一个实施例所说明的。第二个夹持机构48具有与冷却器主体41固定的相对位置关系。详细地，夹持机构48包括其中固定冷却器主体41的金属制造的底部件46，以及设置在底部件46中的调节螺钉47。
底部件46包括螺钉孔，调节螺钉47在该螺钉孔中紧固；调节螺钉47可移动地接近或者离开第二可变形件44。也就是，紧固调节螺钉47使得其顶部接触第二可变形件44。此外，螺钉47的紧固量增加使得支承件42接近第一可变形件43。从而，支承件42从冷却剂腔40a的内部按压或者支承第一可变形件43。这样，半导体封装件1夹在两个冷却器2和40之间。第一可变形件43的稍微变形可以吸收部件的尺寸公差，以减小部件之间的间隙，抑制热阻力。
此外，根据调节螺钉47按压支承件42的紧固量，支承件42朝着第一可变形件43的可移动量改变；然后，根据支承件42按压第一可变形件43的可移动量，第一可变形件43朝着半导体封装件1的变化量改变。因此，稍微调节该调节螺钉47可以防止在半导体封装件1上的过度的压力或者不足的按压力。从而，这可以防止由于过度压力而损坏半导体封装件1。此外，在半导体封装件1设置在冷却器2和40之间以后，然后夹持机构48可以紧密地夹住半导体封装件1，增强了组装半导体模块101的容易性。
这里，按压框架203和调节螺钉201、202也起固定机构的作用，其固定可变形型冷却器40a的冷却器主体41和固定型冷却器2之间的相对位置关系。然而，如在第一个实施例中所说明的，可以操作调节螺钉201、202来紧固，使得半导体封装件1可以通过上下两个表面来紧密地夹住。
此外，如图7所示，可以采用可变形型冷却器50，其包括暴露到冷却剂腔50a的内部的冷却片53。采用这样的冷却器50可以提供能可靠地冷却半导体封装件1的半导体模块。冷却片53可以具有诸如凹凸循环的形状，其包括比平面形状更多的与冷却剂的接触尺寸。冷却片53可以设置为固定到安装了半导体封装件1的第一可变形件52。这里，第二可变形件55可以设置为通过冷却腔50a来面朝第一可变形件52；而且，第二可变形件55固定在冷却剂腔50a中朝着第一可变形件52突出的支承件54。
(第三个实施例)第三个实施例的双面冷却型半导体模块102在图8中显示。该半导体模块102包括半导体封装件1、固定型冷却器60、与图4中的冷却器40相同的可变形型冷却器40，以及夹持机构48。该夹持机构包括底部件46。底部件46和固定型冷却器60通过连结件61连结，使得固定了它们之间的相对的位置关系。在该半导体模块102中，调节螺钉47的适当紧固使得半导体封装件1紧密地夹在可变形型冷却器40和固定型冷却器60之间。因此，该实施例大致显示了和第二个实施例相同的效果。
连结件61是与固定型冷却器60集成或者分离的金属件。平面形状的固定型冷却器60包括一个或者多个冷却通道60a。连结件61连接为在其一端固定到底部件46，另一端固定到固定型冷却器60的一部分，该部分不包括冷却通道60a。底部件46固定到可变形型冷却器40的冷却器主体41。结果，如图8所示，固定型冷却器60、连结件61和底部件46组装为具有U形截面，其中设置半导体封装件1和可变形型冷却器40。这样，连结件61精确地固定了固定型冷却器60和可变形型冷却器40的冷却器主体41之间的相对位置关系。通过夹持机构48和可变形件43、44来控制用于夹住半导体封装件1的夹住力。
此外，如图8所示，用于大电流的导线端子120、140在平行于半导体封装件1的表面的方向上向外延伸。
(第四个实施例)第四个实施例的双面冷却型半导体模块103在图9中显示。该半导体模块103限定为使得半导体封装件1夹在一对两个可变形型冷却器之间。此外，该对两个可变形型冷却器集成为具有如图9所示的U形截面的冷却器80。
冷却器80包括冷却器主体81、周边固定到冷却器主体81的可变形件76、78、84，以及设置在冷却器80的上下位置上的夹持机构72、75。这里，可变形件76、78、84用作冷却剂腔80a的盖子。可变形件76、78、84由金属薄板制成，类似于那些前面的实施例。这里，吸收来自半导体封装件1的热量的可变形件84预先成形为具有U形截面。从而，冷却剂腔80a形成为围绕半导体封装件1包裹，且从半导体封装件1的上部位置到下部位置流体连通。也就是，冷却器80相对于半导体封装件1在半导体封装件1的上下位置中大致对称。
半导体封装件1通过绝缘件17、18和垫片34、35设置在吸热的可变形件84中。夹持机构72、75分别包括底部件70、73和调节螺钉71、74。控制调节螺钉71、74的紧固量导致控制支承件77、79的可移动量，导致控制可变形件76、78、84的变化量。这样，半导体封装件1支承在U形空间中。
(其它)在上面的实施例中，夹持机构可以使用循环通过冷却器的冷却剂的压力。
上面的实施例可以相互结合来变得有效。此外，一个实施例的说明也可以用于另一个实施例。
本领域中的普通技术人员很清楚可以对本发明的上述实施例进行各种改变。然而，本发明的范围应该由后附的权利要求书来确定。
权利要求
1.一种双面冷却型半导体模块(100)，其包括半导体装置(1)；夹住该半导体装置的第一和第二冷却器(2、3)，其中，第一和第二冷却器每个包括冷却剂；以及使得第一和第二冷却器紧密地夹住该半导体装置的夹持装置(20)，其中，至少第一冷却器包括可变形件(31)，其中，该可变形件包括面朝冷却剂的第一表面和面朝半导体装置的第二表面，以及其中，该可变形件可变形为沿冷却剂方向和半导体装置方向之一弯曲。
2.如权利要求1所述的双面冷却型半导体模块(100)，其特征在于包括可变形件的该第一冷却器是可变形型冷却器(3)，而第二冷却器是固定型冷却器(2)，其与半导体装置的位置关系是固定的。
3.如权利要求2所述的双面冷却型半导体模块(100)，其特征在于该可变形型冷却器包括形成冷却剂腔(3a)的冷却器主体(32)，其中，该可变形件由金属板制成，其中，该可变形件的周边固定到冷却器主体，使得该可变形件用作冷却剂腔的盖子，以及其中，该可变形件的可变形量由夹持装置的操作量控制。
4.如权利要求3所述的双面冷却型半导体模块(100)，其特征在于该冷却器主体包括通过堆积金属板(31、320、321)来形成的金属层压制品。
5.如权利要求2到4中任何一项所述的双面冷却型半导体模块(100)，其特征在于该夹持装置包括沿着可变形型冷却器的方向邻接和按压固定型冷却器的按压框架(203)，以及将按压框架紧固到可变形型冷却器的紧固装置(201、202)，以及其中，当施加到固定型冷却器的按压力根据紧固装置的操作量来变化时，该按压力通过该半导体装置施加到可变形型冷却器的可变形件。
6.如权利要求1所述的双面冷却型半导体模块(101)，其特征在于该第一冷却器是可变形型冷却器(40)，其除了可变形件(43)以外，还包括附加的可变形件(44)，且冷却器主体(41)形成冷却剂腔(40a)，其中，该可变形件和附加的可变形件的每一个由金属板制成，其中，该可变形件的周边固定到冷却器主体，使得该可变形件用作冷却剂腔的盖子，以从半导体装置接受热量，其中，该附加的可变形件设置为通过冷却剂腔来面朝该可变形件，同时包括在冷却剂腔中朝着该可变形件向上突出的支承件(42)，以及其中，该夹持装置在从该附加的可变形件到该可变形件的方向上按压该支承件，使得根据该夹持装置的操作，该支承件使该可变形件在半导体装置的方向上被按压。
7.如权利要求6所述的双面冷却型半导体模块(101)，其特征在于该夹持装置包括底部件(46)，其与该可变形型冷却器的冷却器主体的位置关系是固定的，以及附接到该底部件并且在相对于附加的可变形件的支承件的接近和离开两个方向上都可移动的按压接触装置(47)，其中，根据该按压接触装置的操作量，朝着该底部支承件的可变形件的移动量是变化的，以及其中，根据使得该可变形件被按压的朝着该底部支承件的可变形件的移动量，朝着该可变形件的半导体装置的变化量是变化的。
8.如权利要求7所述的双面冷却型半导体模块(102)，其特征在于该第二冷却器是固定型冷却器(60)，其与该半导体装置的位置关系是固定的，以及其中，该固定型冷却器和该底部件(46)通过连结件(61)连结，使得固定型冷却器和底部件之间的位置关系是固定的。
9.如权利要求1所述的双面冷却型半导体模块(103)，其特征在于第一和第二冷却器的每一个包括可变形件(84)，以成为可变形型冷却器(80)，其中，该可变形型冷却器包括形成冷却剂腔(80a)的冷却器主体(81)，其中，该可变形件由金属板制成，且该可变形件的周边固定到冷却器主体，使得该可变形件用作冷却剂腔的盖子，以及其中，该可变形件的变化量由夹持装置(72、75)的操作量控制。
10.如权利要求1到9中任何一项所述的双面冷却型半导体模块，其特征在于可变形件的面朝冷却剂的第一表面包括冷却片(53)。
11.如权利要求1到10中任何一项所述的双面冷却型半导体模块，其特征在于该夹持装置使用冷却剂的压力。
全文摘要
一种半导体模块(100)包括固定型和可变形型冷却器(2、3)，以及夹在这些冷却器之间的平的半导体封装件(1)。半导体封装件与固定型冷却器的相对位置关系是固定的，而与可变形型冷却器的相对位置关系是变化的。可变形型冷却器包括由金属薄板制成的覆盖冷却剂腔(3a)的可变形件(31)。半导体模块包括使得固定型冷却器朝着可变形型冷却器按压的夹持装置(20)。夹持装置的紧固调节螺钉(201、202)使得按压框架(203)接近可变形型冷却器的冷却器主体(32)。因此，半导体封装件通过固定型冷却器按压，同时可变形件稍微变形。这增强了半导体封装件和可变形件之间的通过绝缘件(17)的接触程度。
文档编号H01L23/433GK1542954SQ20041003126
公开日2004年11月3日 申请日期2004年3月26日 优先权日2003年3月26日
发明者平野尚彦, 手岛孝纪, 纪 申请人:株式会社电装