專利名稱：制造具有散熱器和半導(dǎo)體芯片的樹脂模制裝配件的半導(dǎo)體模塊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性涉及制造半導(dǎo)體模塊的方法，所述半導(dǎo)體模塊配備有功率半導(dǎo)體芯片和散熱器的樹脂模制封裝體，所述散熱器用以從功率半導(dǎo)體芯片散熱，其可具有用作逆變器上臂(即高側(cè)器件)或下臂(即低側(cè)器件)之一的單個功率半導(dǎo)體芯片例如IGBT或功率MOSFET被樹脂模制成的一合一結(jié)構(gòu)，或者具有分別用作上臂和下臂的兩個功率半導(dǎo)體芯片被樹脂模制成的二合一結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
一種通常的半導(dǎo)體模塊配備有樹脂模制封裝體，其中設(shè)置有半導(dǎo)體芯片和用于將半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱散發(fā)的散熱器。作為用于這種模制件的樹脂材料，通常使用熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂以改善封裝體的耐熱性。然而熱固性樹脂在硬化后難以破裂。因此，當(dāng)熱固性樹脂的任何一部分損壞時，昂貴的半導(dǎo)體芯片也必須廢棄。近年來，隨著對環(huán)境問題的日益關(guān)注，重復(fù)使用半導(dǎo)體芯片的需要日益增加。日本專利首次公開2006-165534教導(dǎo)了一種半導(dǎo)體模塊，其由堆疊的樹脂模制封裝體和冷卻劑通路構(gòu)成。在各樹脂模制封裝體中，埋入功率半導(dǎo)體芯片和散熱器。當(dāng)一個樹脂模制封裝體變得有缺陷時，半導(dǎo)體模塊可拆分以僅將有缺陷的封裝體移除并通過將其替換成新的來重新使用。然而，當(dāng)從半導(dǎo)體模塊中移除樹脂模制封裝體時，封裝體的表面易于受損。不希望替換這種樹脂模制封裝體本身。這種受損使得模制件品質(zhì)劣化，并導(dǎo)致即使埋入封裝體中的功率半導(dǎo)體芯片操作正常也需要將封裝體拋棄。如上述公開中教導(dǎo)的半導(dǎo)體模塊可通過用一個新的樹脂模制封裝體來替換損壞的樹脂模制封裝體以再次使用。然而，當(dāng)一個樹脂模制封裝體的功率半導(dǎo)體芯片工作正常， 而其樹脂模件在拆分樹脂模制封裝體的堆疊時被劃傷，則通常需要更換樹脂模制封裝體。 然而，即使其功率半導(dǎo)體芯片工作正常，該樹脂模制封裝體也要移除。這對于有限資源的利用效率而言是不利的。為了解決上述問題，本申請的發(fā)明人致力于研究當(dāng)任何一個樹脂模制封裝體被劃傷時還能夠再次使用功率半導(dǎo)體芯片的半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)。具體而言，樹脂模制封裝體由熱固性樹脂制主體和熱塑性樹脂制外殼構(gòu)成。熱固性樹脂制主體具有埋入其中的裝配件如功率半導(dǎo)體芯片等。熱塑性樹脂制外殼包圍在熱固性樹脂制主體的外周并且具有形成于其中的冷卻劑通路。該結(jié)構(gòu)使得如果一個樹脂模制封裝體被劃傷，那么能夠?qū)⑵鋸陌雽?dǎo)體模塊中分離并且加熱軟化以移除熱塑性樹脂制外殼，由此只將其中設(shè)置有功率半導(dǎo)體芯片的熱固性樹脂制主體從樹脂模制封裝體中取出。通過將熱固性樹脂制主體置于模具中和將熱塑性樹脂注入模具中以在熱固性樹脂制主體周圍再次形成熱塑性樹脂制外殼，可重建樹脂模制封裝體。這使得在樹脂模制封裝體的表面被劃傷時還能再次使用功率半導(dǎo)體芯片。這對于在分解半導(dǎo)體模塊以取出另一個有缺陷的樹脂模制封裝體的過程中一個樹脂模制封裝體被劃傷的情況非常有用。然而，我們發(fā)現(xiàn)由兩種樹脂模制成的樹脂模制封裝體的上述結(jié)構(gòu)熱固性樹脂制主體和熱塑性樹脂制外殼存在下面問題。在制成熱固性樹脂制主體之后形成熱塑性樹脂制外殼使得二者之間缺乏粘合性， 可能導(dǎo)致在熱塑性樹脂制外殼和熱固性樹脂制主體之間的界面處出現(xiàn)氣隙，從而導(dǎo)致冷卻劑泄漏到熱固性樹脂制主體中的功率半導(dǎo)體芯片。圖10(a)和10(b)說明了由樹脂模制封裝體10的堆疊制成的半導(dǎo)體模塊內(nèi)這種冷卻劑泄漏的實(shí)例。各個樹脂模制封裝體10配備有與IGBT的集電極連接的正電端子15、與IGBT的發(fā)射極連接的負(fù)電端子16、以及用于感測給定參數(shù)的信號端子17。正電端子15、負(fù)電端子16 和信號端子17部分地暴露在樹脂模制封裝體10外面。當(dāng)熱固性樹脂制主體21和熱塑性樹脂制外殼22之間存在氣隙時，如圖10(b)中實(shí)線所示，可導(dǎo)致冷卻劑從冷卻劑通路泄漏到氣隙中并且流出樹脂模制封裝體到達(dá)引線15和16以及信號端子17的暴露部分。如圖 10(a)中實(shí)線所示，這可導(dǎo)致正電端子15和負(fù)電端子16之間或者信號端子17中的漏電。

發(fā)明內(nèi)容
因此，一個目的是提供改善結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體模塊，其配備有樹脂模制封裝體，并且設(shè)計(jì)為使埋入樹脂模制封裝體的功率半導(dǎo)體芯片能夠再次使用，并且也使導(dǎo)致半導(dǎo)體模塊中流動冷卻劑泄漏的氣隙產(chǎn)生的可能性最小化。根據(jù)實(shí)施方案的一個方面，提供了一種制造半導(dǎo)體模塊的方法，所述半導(dǎo)體模塊可與用于電動機(jī)的逆變器一起應(yīng)用并且包括樹脂模制封裝體和冷卻劑通路。所述制造方法包括(a)第一步驟，制備功率半導(dǎo)體芯片、第一散熱器、第二散熱器和電端子的半導(dǎo)體子裝配件，所述功率半導(dǎo)體芯片具有彼此相反的第一和第二表面并且配備有與電端子連接的半導(dǎo)體功率器件；(b)第二步驟，形成限定樹脂模制封裝體外殼的熱塑性樹脂制成的模件； (c)第三步驟，將所述熱塑性樹脂制成的模件和所述半導(dǎo)體子裝配件置于給定模具中，然后在熱塑性樹脂制成的模件內(nèi)形成熱固性樹脂制成的模件，以制造作為樹脂模制封裝體的樹脂模制裝配件，在所述裝配件中形成限定冷卻劑的通路的冷卻劑通路，所述第一散熱器設(shè)置為與所述功率半導(dǎo)體芯片的所述第一表面連接，所述第二散熱器設(shè)置為與所述功率半導(dǎo)體芯片的所述第二表面連接，各所述電端子具有從所述樹脂模制裝配件暴露出的部分，用于所述熱固性樹脂制成的模件的材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于所述熱塑性樹脂制成的模件的材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；和(e)第四步驟，通過蓋保持所述樹脂模制封裝體以完成所述半導(dǎo)體模塊。具體地，在熱塑性樹脂制成的模件之后制造熱固性樹脂制成的模件。這將導(dǎo)致在熱固性樹脂制成的模件完全硬化之前產(chǎn)生熱固性樹脂制成的模件對熱塑性樹脂制成的模件的高度粘合，從而在熱固性樹脂制成的模件和熱塑性樹脂制成的模件之間牢固形成粘合界面。這使得在粘合界面產(chǎn)生氣隙的風(fēng)險(xiǎn)最小化并避免冷卻劑泄漏到樹脂模制封裝體之外。在實(shí)施方案的優(yōu)選方式中，第三步驟將熱固性樹脂注入到其中已設(shè)置有所述熱塑性樹脂制成的模件和所述半導(dǎo)體子裝配件的所述模具中以形成所述熱固性樹脂制成的模件。第三步驟將熱塑性樹脂制成的模件置于遠(yuǎn)離模具內(nèi)的半導(dǎo)體子裝配件的電端子， 并將熱固性樹脂也注入熱塑性樹脂制成的模件和電端子之間的氣隙中。這也導(dǎo)致端子與樹脂模制裝配件之間的高度粘合性。熱固性樹脂可為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硅樹脂和聚氨酯樹脂中的一種。熱塑性樹脂可為聚亞苯基硫醚、聚對苯二甲酸丁二醇酯、尼龍、聚乙烯和聚丙烯中的一種。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造半導(dǎo)體模塊的方法，所述半導(dǎo)體模塊包括樹脂模制封裝體和冷卻劑通路。所述制造方法包括(a)第一步驟，制備功率半導(dǎo)體芯片、 第一散熱器、第二散熱器和電端子的半導(dǎo)體子裝配件，所述功率半導(dǎo)體芯片具有彼此相反的第一和第二表面并且配備有與電端子連接的半導(dǎo)體功率器件；(b)第二步驟，形成限定樹脂模制封裝體的外殼的熱塑性樹脂制成的模件；(c)第三步驟，將所述熱塑性樹脂制成的模件和所述半導(dǎo)體子裝配件置于給定模具中，然后在熱塑性樹脂制成的模件內(nèi)形成熱固性樹脂制成的模件，以制造作為一個樹脂模制封裝體的樹脂模制裝配件，在所述裝配件中形成限定冷卻劑的通路的冷卻劑通路，所述第一散熱器設(shè)置為與所述功率半導(dǎo)體芯片的所述第一表面連接，所述第二散熱器設(shè)置為與所述功率半導(dǎo)體芯片的所述第二表面連接，各所述電端子具有暴露于所述樹脂模制裝配件之外的部分，用于所述熱固性樹脂制成的模件的材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于所述熱塑性樹脂制成的模件的材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；(d) 第四步驟，進(jìn)行第一、第二和第三步驟以制造另一個樹脂模制封裝體；和(e)第五步驟，制造樹脂模制封裝體的堆疊作為封裝體堆疊和通過蓋保持所述封裝體堆疊以完成所述半導(dǎo)體模塊。具體而言，在各樹脂模制封裝體中在熱塑性樹脂制成的模件之后制造熱固性樹脂制成的模件。這將導(dǎo)致在熱固性樹脂制成的模件完全硬化之前產(chǎn)生熱固性樹脂制成的模件對熱塑性樹脂制成的模件的高度粘合，從而在熱固性樹脂制成的模件和熱塑性樹脂制成的模件之間牢固形成粘合界面。這使得在粘合界面產(chǎn)生氣隙的風(fēng)險(xiǎn)最小化并避免冷卻劑泄漏到樹脂模制封裝體之外。在實(shí)施方案的優(yōu)選方式中，第三步驟將熱固性樹脂注入到其中已設(shè)置有所述熱塑性樹脂制成的模件和半導(dǎo)體子裝配件的模具中以形成熱固性樹脂制成的模件。第三步驟將熱塑性樹脂制成的模件置于遠(yuǎn)離模具內(nèi)的半導(dǎo)體子裝配件的電端子， 并且將熱固性樹脂也注入到熱塑性樹脂制成的模件和電端子之間的氣隙中。熱固性樹脂可為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硅樹脂和聚氨酯樹脂中的一種。熱塑性樹脂可為聚亞苯基硫醚、聚對苯二甲酸丁二醇酯、尼龍、聚乙烯和聚丙烯中的一種。


通過以下詳細(xì)說明和通過本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的附圖將更加全面理解本發(fā)明，然而，不能認(rèn)為本發(fā)明受限于特定的實(shí)施方案，實(shí)施方案只是用作解釋和理解的目的。在附圖中
圖1(a)是沿著圖1(b)中線B-B'所取的垂直截面圖，其示出根據(jù)第一實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊；圖1 (b)是沿著圖1 (a)中線A-A'所取的垂直截面圖；圖2(a)是示出內(nèi)置于圖1的半導(dǎo)體模塊中的一個樹脂模制封裝體的平面圖；圖2(b)是沿著圖2(a)中線C-C'所取的截面圖；圖2(c)是沿著圖2(a)中線D-D'所取的截面圖；圖3 (a) ,3(b) ,3(c)和3 (d)是說明制造圖2 (a)至2 (c)中所示的樹脂模制封裝體的一系列步驟的截面圖；圖4(a) ,4(b)和4 (c)是說明制造圖2(a)至2 (c)中所示的樹脂模制封裝體的熱固性樹脂制成的模件的一系列步驟的截面圖；圖5(a) ,5(b)和5 (c)是說明組裝如圖1所示半導(dǎo)體模塊的一系列步驟的截面圖；圖6是示出圖2 (a)至2 (c)的樹脂模制封裝體的熱固性樹脂制成的模件和熱塑性樹脂制成的模件之間粘合界面的截面圖；圖7是示出圖2 (a)至2 (c)的樹脂模制封裝體的變化方案的橫截面8是示出根據(jù)第二實(shí)施方案的樹脂模制封裝體的截面圖；圖9是示出根據(jù)第三實(shí)施方案的樹脂模制封裝體的截面圖；圖10 (a)是示出常規(guī)樹脂模制封裝體的平面圖；和圖10 (b)是示出配備有圖10 (a)的樹脂模制封裝體的常規(guī)半導(dǎo)體模塊的垂直截面圖。
具體實(shí)施例方式參照附圖，其中在幾個視圖中的相同附圖標(biāo)記指代相同的部件，示出通過根據(jù)第一實(shí)施方案的制造方法制造的具有冷卻機(jī)構(gòu)的半導(dǎo)體模塊1。圖1 (a)和1 (b)說明半導(dǎo)體模塊1的垂直截面前視圖和側(cè)視圖。圖1 (a)是沿著圖1(b)中線B-B'截取的。圖1(b)是沿著圖1(a)的線A-A'截取的。半導(dǎo)體模塊1包括樹脂模制封裝體10的堆疊。各個樹脂模制封裝體10配備有功率半導(dǎo)體芯片11。樹脂模制封裝體10彼此基本上結(jié)構(gòu)相同，為了公開的簡明，下面的討論將僅涉及一個樹脂模制封裝體10。圖2 (a)至2 (c)說明樹脂模制封裝體10的結(jié)構(gòu)。圖2 (a)是樹脂模制封裝體10 的正視圖。圖2(b)是沿著圖2(a)中線C-C'所取的截面圖。圖2(c)是沿著圖2(a)中線 D-D'所取的截面圖。樹脂模制封裝體10還包括金屬塊12、散熱器13和14、正電端子15、負(fù)電端子16 和信號端子17。功率半導(dǎo)體芯片11、金屬塊12、散熱器13和14、正電端子15、負(fù)電端子16 和信號端子17通過樹脂模制為單個樹脂模制裝配件20作為樹脂模制封裝體10。樹脂模制封裝體10是配備有單個功率半導(dǎo)體芯片11的1合1結(jié)構(gòu)，但作為選擇方案，也可設(shè)計(jì)為具有兩個或更多個功率半導(dǎo)體芯片11。在該實(shí)施方案中，功率半導(dǎo)體芯片11配備有半導(dǎo)體功率器件例如IGBT，其是垂直型的，其中電流在其厚度方向流動。功率半導(dǎo)體芯片11具有位于其第一表面和第二表面的一些類型的墊。具體而言，墊形成在與IGBT的柵極和發(fā)射極電連接的功率半導(dǎo)體芯片11的第一表面上，同時墊形成在與IGBT的集電極電連接的功率半導(dǎo)體芯片11的第二表面的整個區(qū)域上。功率半導(dǎo)體芯片11為其中電流在其基底的橫向方向流動的水平類型。金屬塊12由熱導(dǎo)率高的金屬材料如銅或鋁制成。金屬塊12膠接或機(jī)械焊接和電焊接到形成于功率半導(dǎo)體芯片11的第一表面的墊上并且與IGBT的發(fā)射極連接。金屬塊12 置于功率半導(dǎo)體芯片11的第一表面上以確保功率半導(dǎo)體芯片11的第一表面和散熱器14 之間的間隙。各個散熱器13和14將功率半導(dǎo)體芯片11產(chǎn)生的熱散發(fā)。散熱器13也機(jī)械和電接合到在功率半導(dǎo)體芯片11第二表面上的墊，并且另外用作與IGBT的集電極接合的電引線。散熱器14機(jī)械和電固定于金屬塊12，并且另外用作與IGBT的發(fā)射極接合的電引線。 各個散熱器13和14是由高熱導(dǎo)率的金屬材料如銅制成并且由指定厚度的方形金屬板形成。遠(yuǎn)離功率半導(dǎo)體芯片11的各個散熱器13和14的表面從樹脂模制裝配件20暴露于冷卻劑，下文將詳述。該各個散熱器13和14的表面上設(shè)置有絕緣構(gòu)件(未示出)，用于使散熱器13和14與冷卻水隔離以避免電流從散熱器13和14泄漏到冷卻劑。正電端子15與散熱器13 —體化形成作為其一部分或者焊接或焊合到其上，從而使其與固定至功率半導(dǎo)體芯片11第二表面的墊電連接并且導(dǎo)向IGBT的集電極。正電端子 15的末端從樹脂模制裝配件20暴露用于與外部裝置電連接。負(fù)電端子16與散熱器14 一體化形成作為其一部分或者焊接或焊合到其上，從而使其與固定至功率半導(dǎo)體芯片11第一表面的墊電連接并且導(dǎo)向IGBT的發(fā)射極。負(fù)電端子 16遠(yuǎn)離散熱器14的一個末端從樹脂模制裝配件20暴露出用于與外部裝置電連接。信號端子17用于監(jiān)測流過與IGBT的柵極連接的引線和IGBT本身的電流，并且還監(jiān)測功率半導(dǎo)體芯片11的溫度。信號端子17在其末端通過連接導(dǎo)線18與形成于功率半導(dǎo)體芯片11第一表面的墊電連接，并且其另一端還暴露于樹脂模制裝配件20之外用于與外部裝置電連接。如上所述，功率半導(dǎo)體芯片11的第一表面和散熱器18之間的空間由金屬塊12產(chǎn)生，因此能確保功率半導(dǎo)體芯片11與信號端子17的電連接而不會使連接導(dǎo)線18 與散熱器14有物理和電干擾。根據(jù)如下步驟形成樹脂模制裝配件20。通過焊料將部件即功率半導(dǎo)體芯片11和金屬端子組裝到具有負(fù)電端子16的散熱器13上(圖3(a))。然后，通過導(dǎo)線18將功率半導(dǎo)體芯片11的第一表面上的信號墊與信號端子連接。然后，具有正電端子15的散熱器14 通過焊料連接(圖3(b))。然后通過傳遞模塑機(jī)形成第一模件。樹脂模制裝配件20由兩種模件制成熱固性樹脂制主體21 (即第一模件)和熱塑性樹脂制外殼22 (即第二模件)。 熱固性樹脂制主體21具有埋入其中的上述部件。熱塑性樹脂制外殼22作為框圍繞熱固性樹脂制主體21的外周或作為熱固性樹脂制主體21的外周的壁。熱固性樹脂制主體21是由例如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硅樹脂或聚氨酯樹脂制成并且包圍或隔離樹脂模制封裝體10的部件。熱固性樹脂制主體21也成形為使得正電端子 15、負(fù)電端子16和信號端子17的末端延伸到外面并且散熱器13和14的主要表面也暴露在外。在樹脂模制裝配件20的部件中，僅熱固性樹脂制主體21以防水形式與樹脂模制封裝體10的部件隔離。熱固性樹脂制主體21為矩形并且具有兩個長側(cè)面，正電端子15和負(fù)電端子16從其中一個延伸，信號端子16從另一個延伸。其中設(shè)置樹脂模制封裝體10的部件的熱固性樹脂制主體21通常稱為可再次使用的功率卡(power card)。熱塑性樹脂制外殼22由例如聚亞苯基硫醚(PPQ、聚對苯二甲酸丁二醇酯、尼龍、 聚乙烯或聚丙烯制成并且覆蓋熱固性樹脂制主體21的外周，以使得正電端子15、負(fù)電端子 16和信號端子17的末端和散熱器13和14的表面暴露于其外。如圖2(b)和2 (c)所示， 熱塑性樹脂制外殼22通過分離的兩部分形成上片221和下片222。上片221和下片222 包圍熱固性樹脂制主體22的外周壁的周圍。熱塑性樹脂制外殼22中形成矩形窗口 2 和 22b，通過所述窗口使得散熱器13和14的表面暴露到樹脂模制封裝體10之外。如圖1所示，熱塑性樹脂制外殼22限定用作冷卻機(jī)構(gòu)工作的冷卻劑通路30的一部分，通過所述冷卻機(jī)構(gòu)冷卻介質(zhì)或制冷劑流動以冷卻半導(dǎo)體模塊1。具體而言，熱塑性樹脂制外殼22由封閉橢圓形板制成，其長側(cè)表面與熱固性樹脂制主體21的長側(cè)表面平行延伸。熱塑性樹脂制外殼22具有形成于其中的橢圓孔22c和凹陷22d。孔22c位于熱塑性樹脂制外殼22的部分中，如圖2(a)清楚所示，其位于熱固性樹脂制主體21的相反端的外部， 并且限定冷卻劑通路30的部分。凹陷22d形成在相反的熱塑性樹脂制外殼22的主表面中。 由圖1可見，凹陷22d也可限定部分冷卻劑通路30。具體而言，當(dāng)樹脂模制封裝體10如圖 1所示堆疊為互相重疊時，熱塑性樹脂制塊22的孔22c和凹陷22d完成冷卻劑通路30。熱塑性樹脂制外殼22在其外周邊緣形成密封安裝槽22e，其圍繞凹陷22d延伸，如圖l，2(b)和2(c)所示其中設(shè)有0型環(huán)42。當(dāng)樹脂模制封裝體10如圖1所示堆疊為互相重疊時，各個樹脂模制封裝體10的0型環(huán)42將置于與相鄰的樹脂模制封裝體直接鄰接以在其間產(chǎn)生密閉密封，以防止冷卻水流經(jīng)冷卻劑通路30泄漏到樹脂模件20之外。如圖1所示，半導(dǎo)體模塊1還包括上蓋40、下蓋41和夾子43。如圖1可見，上蓋40和下蓋41置于樹脂模制封裝體10的堆疊的相反端。蓋40 由輪廓與各個樹脂模制封裝體10的樹脂模制裝配件20輪廓一致的板制成。當(dāng)蓋40置于樹脂模制封裝體10的堆疊的一端上時，在蓋40的第二表面和最上方一個樹脂模制封裝體 10的凹陷22d之間產(chǎn)生氣隙。下蓋41由輪廓與各個樹脂模制封裝體10的樹脂模制裝配件 20的輪廓一致的板制成并且配備有兩個管41a和41b。管41a和41b基本上垂直于下蓋41 延伸，并且與對齊以限定冷卻劑通路30的樹脂模制封裝體10的孔22c連通。管41a用作冷卻劑進(jìn)口，而管41b用作冷卻劑出口。下蓋41中還形成有其中設(shè)有0型環(huán)42的密封安裝槽41c。0型環(huán)42設(shè)置于樹脂模制封裝體10的密封安裝孔2 和下蓋41的密封安裝孔 41c中，以在每相鄰兩個樹脂模制封裝體10之間和樹脂模制封裝體10與上蓋40和下蓋41 之間產(chǎn)生密閉密封。夾子43用作緊固件以將上蓋40和下蓋41與其中在槽2 和41c中設(shè)有0型環(huán) 42的樹脂模制封裝體10的堆疊緊密連接，以完成半導(dǎo)體模塊1。具體而言，如圖1可見，各個夾子43夾住上蓋40和下蓋41，以將上蓋40和下蓋41與樹脂模制封裝體10的堆疊的裝配件緊緊保持，從而在半導(dǎo)體模塊1內(nèi)完成冷卻劑通路30。這種裝配件在下文也稱為模塊裝配件。夾子43是可拆卸的以用于拆分上蓋40和下蓋41以及樹脂模制封裝體10。各個夾子43在其末端具有鉤。鉤之間的間隙小于上蓋40和下蓋41與樹脂模制封裝體10的堆疊的模塊裝配件的厚度，因此各個夾子43的鉤可以彈性地夾住上蓋40和下蓋41。各個夾子43可任選設(shè)計(jì)為用螺釘替代鉤來保持模塊裝配件。
如上所述，在構(gòu)建的半導(dǎo)體模塊1中使用0型環(huán)42在樹脂模制封裝體10、上蓋40 和下蓋41之間產(chǎn)生密閉密封，從而避免冷卻劑從冷卻劑通路30泄漏并且確保樹脂模制封裝體10的功率半導(dǎo)體芯片11冷卻到所需程度。具體而言，如圖1所示，各個樹脂模制封裝體10的管41a和兩個孔22c之一限定進(jìn)口流通路31，而各個樹脂模制封裝體10的管41b 和另一個孔22c限定出口流通路32。在各個樹脂模制封裝體10的表面中形成的凹陷22c 限定分支通路33。冷卻水進(jìn)入管41a，流經(jīng)進(jìn)口流通路31，分叉到分支通路33，然后通過管 41b從出口流通路32排出。冷卻水在分支通路33內(nèi)與散熱器13和14直接接觸流動并且冷卻它們，因此功率半導(dǎo)體芯片11產(chǎn)生的熱將由冷卻水吸收。下面將參考圖3 (a)至6 (c)描述半導(dǎo)體模塊1的制造方法。圖3 (a)中步驟制備具有引線框的散熱器13，引線框中正電端子15、負(fù)電端子16和信號端子17 安置到位。其上制造有如IGBT和/或FWD的半導(dǎo)體功率器件的功率半導(dǎo)體芯片11被焊接到散熱器13的表面上。信號端子17連接到形成在功率半導(dǎo)體芯片11表面上的墊，例如通過連接導(dǎo)線18導(dǎo)向半導(dǎo)體裝置的柵極。金屬塊12焊接到功率半導(dǎo)體芯片11的表面。圖3(b)中步驟將焊料置于金屬塊12和負(fù)電端子16的表面。具有引線框的散熱器14置于焊料上然后與金屬塊12連接。圖3 (a)和3(b)的步驟形成由功率半導(dǎo)體芯片11、散熱器13和 14、金屬塊12，、正電端子15、負(fù)電端子16和信號端子17構(gòu)成的半導(dǎo)體子裝配件。圖3 (C)中步驟制備熱塑性樹脂制外殼22的上片221和下片222。上片221和下片222分別用模
具制造。圖3(d)中的步驟制備例如傳遞模塑機(jī)的模具的下部模板50。下模板51中形成輪廓與下片222的輪廓一致的空腔51a。下片222置于空腔51a中。如圖3(a)和3 (b)步驟中制造的，如上述步驟中制備的半導(dǎo)體部件的子裝配件(即功率半導(dǎo)體芯片11、金屬塊12、具有引線框的散熱器13和14、信號端子17等)置于下片222中。圖4 (a)中的步驟上片221置于下片222之上并彼此間具有給定間隔。上片221和下片222分別具有形成于其上或其部分中的釘和孔(未示出)，其不干擾引線框和信號端子17。釘插入孔中將上片221和下片222相互定位。圖4(b)中步驟制備模具的上模板52。上模板52置于下模板51上，在下模板51之上或之中設(shè)置有下片222和其它部件。當(dāng)上模板52置于下模板51之上時，如圖4(b)可見，形成輪廓與熱固性樹脂制主體21的輪廓一致的空腔。圖4 (C)中步驟通過在模具50中形成的樹脂進(jìn)口(未示出)將熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂注入空腔， 從而模制熱固性樹脂制主體21。然后，拆分上模板52和下模板51以完成樹脂模制封裝體 10。在該步驟中可移除散熱器13和14的引線框。從上述討論顯見，熱固性樹脂制主體21是在制造熱塑性樹脂制外殼22之后形成的。這將導(dǎo)致在熱固性樹脂制主體21硬化之前產(chǎn)生熱固性樹脂制主體21對熱塑性樹脂制外殼22的高度粘合性，從而在熱固性樹脂制主體21和熱塑性樹脂制外殼22之間形成緊密粘合界面。圖6說明熱固性樹脂制主體21和熱塑性樹脂制外殼22之間的粘合界面23。如圖6中實(shí)線所示的粘合界面23在熱固性樹脂制主體21和熱塑性樹脂制外殼22的相反外表面上整體延伸，從而確保其間的緊密物理連結(jié)而無任何間隙。通過熱固性樹脂制主體21，熱塑性樹脂制外殼22遠(yuǎn)離正電端子15、負(fù)電端子16 和信號端子17，換言之，正電端子15、負(fù)電端子16和信號端子17沒有占據(jù)熱固性樹脂制主體21和熱塑性樹脂制外殼22之間的界面，從而確保熱固性樹脂制主體21和熱塑性樹脂制外殼22之間高度粘合。圖5 (a)中步驟制備多個均按照圖3(a)至4(c)的步驟制備的樹脂模制封裝體10。例如，制備三個樹脂模制封裝體10。0型環(huán)42設(shè)置于各個樹脂模制封裝體10的熱塑性樹脂制外殼22 的槽22e中。圖5(b)中步驟制備上蓋40和下蓋41。0型環(huán)42安裝在下蓋41的密封安裝槽41c中。上蓋40 置于封裝體堆疊的相反端之一上，而下蓋41置于封裝體堆疊的另一端上。這樣的裝配件下文中也稱為模塊裝配件。圖5 (C)中的步驟通過夾子43使得上述步驟中組裝的封裝體堆疊與上蓋40和下蓋41緊密地保持以完成半導(dǎo)體模塊1，如圖1所示。如果半導(dǎo)體模塊1的一個樹脂模制封裝體10在其制造和使用過程中損壞或破壞， 其可通過如下方式替換。從上蓋40和下蓋41與封裝體堆疊的模塊裝配件移除夾子43。例如，通過使其鉤發(fā)生彈性變形來實(shí)現(xiàn)夾子43移除。在夾子43是通過螺釘固定于模塊裝配件的情況下，通過松開螺釘實(shí)現(xiàn)夾子43移除。如果一個樹脂模制封裝體10的樹脂模制裝配件20損壞或劃傷，則操作者對其識別，拆分上蓋40、樹脂模制封裝體10和下蓋41并移除劃傷的樹脂模制封裝體10。受損的樹脂模制封裝體10放入熱處理機(jī)如加熱爐中，然后在基于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度選擇的、例如高于或等于熱塑性樹脂制外殼22的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(即軟化溫度)并低于熱固性樹脂制主體21的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(在該溫度下，樹脂受熱導(dǎo)致其硬度和粘度突然下降而使其具有可流動性)的溫度下加熱。在熱塑性樹脂制外殼22由聚亞苯基硫醚制成和熱固性樹脂制主體21由環(huán)氧樹脂制成的情況下，受損的樹脂模制封裝體10在高于或等于聚亞苯基硫醚的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和低于環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度120°C加熱。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度通常取決于樹脂和填料的量。因此期望通過選擇其樹脂和填料的量，來確定熱塑性樹脂制外殼22或熱固性樹脂制主體21的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的值。受損的樹脂模制封裝體10繼續(xù)在熱處理機(jī)中加熱，使得僅熱塑性樹脂制主體22 軟化和從樹脂模制封裝體10移除，而僅留下功率卡(即熱固性樹脂制主體21)。注意熱塑性樹脂在上述溫度下處于固體和液體之間的中間狀態(tài)，因此不會自然消失，但可以通過推或拉將熱塑性樹脂制主體22從樹脂模制封裝體10容易地移除。
通過其封裝裝配件的由熱固性樹脂制主體21制成的功率卡置于與形成熱塑性樹脂制外殼22所用同一個模中。將熱塑性樹脂注入模中以形成熱塑性樹脂制外殼22來覆蓋功率卡的外周，從而重建樹脂模制封裝體10。重建的樹脂模制封裝體10和上述剩余的樹脂模制封裝體10用如上所述的相同方式堆疊。上蓋40和下蓋41置于封裝體堆疊的相反兩端并且用夾子43夾緊以重建半導(dǎo)體模塊1。這使得除了熱塑性樹脂制外殼22之外的樹脂模制封裝體10部分再次使用而不丟棄樹脂模制封裝體10的部件如功率半導(dǎo)體芯片11、散熱器13和14等。如上所述，樹脂模制封裝體10的重建通過將熱塑性樹脂注入其中已設(shè)置功率卡 (即熱固性樹脂制主體21)的模中，以形成熱塑性樹脂制外殼22，這可導(dǎo)致熱固性樹脂制主體21和熱塑性樹脂制外殼22之間粘合性缺乏，導(dǎo)致尤其當(dāng)冷卻劑壓力高時冷卻劑從冷卻劑通路30泄漏的問題。在這種情況下，如圖3(a)至4(c)的步驟制造的樹脂模制封裝體10 可取代受損樹脂模制封裝體10用于重建半導(dǎo)體模塊1。受損的樹脂模制封裝體10可用作其它類型產(chǎn)品的功率卡。從上述討論顯見，樹脂模制封裝體10的部件(例如功率半導(dǎo)體芯片11等)通過熱固性樹脂制主體21封裝以確保其具有所需的耐熱性能。另外，熱固性樹脂制主體21的外圍被熱塑性樹脂制外殼22覆蓋。熱塑性樹脂制外殼22限定了冷卻劑通路30的一部分。 在樹脂模制封裝體10組裝成半導(dǎo)體模塊1并用作冷卻機(jī)構(gòu)以從樹脂模制封裝體10消散熱量時，完成冷卻劑通路30。如果一個樹脂模制封裝體10破損，則半導(dǎo)體模塊1的結(jié)構(gòu)允許其被另一個替換， 從而可以再次使用半導(dǎo)體模塊1。如果僅熱塑性樹脂制外殼22受損，則可以使其熱軟化并從樹脂模制封裝體10移除以保留熱固性樹脂制主體21 (即功率卡)?？稍俅问褂脽峁绦詷渲浦黧w12以重建樹脂模制封裝體10。這使得無需丟棄樹脂模制封裝體10的部件如功率半導(dǎo)體芯片11等。如果一個樹脂模制封裝體10破損，并且另一個樹脂模制封裝體10的表面在拆分半導(dǎo)體模塊1時受損或劃傷，則樹脂模制封裝體10的結(jié)構(gòu)使得其部件如功率半導(dǎo)體芯片11 等可用于資源的再次利用。如上所述，在制造熱塑性樹脂制外殼22之后形成熱固性樹脂制主體21。這將導(dǎo)致在熱固性樹脂制主體21硬化之前產(chǎn)生熱固性樹脂制主體21對熱塑性樹脂制外殼22的高度粘合，從而在熱固性樹脂制主體21和熱塑性樹脂制外殼22之間形成緊密連結(jié)而在其間無任何氣隙。這避免冷卻劑泄漏到熱固性樹脂制主體21。圖7說明樹脂模制封裝體10的變化方案。從圖6可見，上述實(shí)施方案中的樹脂模制封裝體10設(shè)計(jì)為熱固性樹脂制主體21的外周表面與熱塑性樹脂制外殼22的外周表面齊平因而易于受損。圖7的結(jié)構(gòu)使這種問題最小化。具體而言，熱固性樹脂制主體21的外周表面位于熱塑性樹脂制外殼22的外周表面的徑向內(nèi)側(cè)，從而使物理受損的風(fēng)險(xiǎn)最小化。以下將描述根據(jù)第二實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊1，其中散熱器13和14的結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施方案不同。其它布置相同，故而此處省略其詳細(xì)說明。圖8是說明構(gòu)成第二實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊1的一個樹脂模制封裝體10的橫截面圖。
樹脂模制封裝體10包括分別在散熱器13和14的外主表面和外周上延伸的絕緣膜13a和14a。換言之，絕緣膜13a和1 包圍散熱器13和14的周圍區(qū)域，從而散熱器13 和14不與樹脂模制封裝體10的部件電連接。各個散熱器13和14具有遠(yuǎn)離功率半導(dǎo)體芯片11并且暴露于冷卻劑流以增強(qiáng)散熱器13和14的冷卻能力的主表面。當(dāng)導(dǎo)電的水用作冷卻劑時，可導(dǎo)致從散熱器13和14 漏電，導(dǎo)致相鄰兩個樹脂模制封裝體10的散熱器13和14之間短路。為了避免該問題，將絕緣膜13a和14a固定于暴露在熱固性樹脂制主體21外的散熱器13和14的區(qū)域。絕緣膜13a和14a的形成可通過利用噴涂技術(shù)實(shí)現(xiàn)。絕緣膜13a和1 可任選僅在散熱器13和14的外部主表面形成。下面將描述根據(jù)第三實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊1，其中冷卻機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與第二實(shí)施方案中不同。其它布置相同，因此此處省略其詳細(xì)說明。圖9是說明構(gòu)成第三實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊1的一個樹脂模制封裝體10的橫截面圖。樹脂模制封裝體10包括通過金屬膜60分別設(shè)置在絕緣膜13a和1 的表面上的金屬翅片散熱器61。翅片散熱器61暴露于流經(jīng)冷卻劑通路30的冷卻劑以將來自散熱器 13和14的熱傳遞到冷卻劑。金屬膜60由例如鋁制成。翅片散熱器61也由例如鋁制成。各個翅片散熱器61 可為具有多個釘(Pin)的釘型，具有多個板的直型，或者具有多個擴(kuò)口板的擴(kuò)口(或波浪)型。翅片散熱器61增加與流經(jīng)冷卻劑通路30的冷卻劑的接觸表面積并且還用于產(chǎn)生冷卻劑的湍流，從而增強(qiáng)冷卻樹脂模制封裝體10的能力。類似第二實(shí)施方案，樹脂模制封裝體10具有在散熱器13和14的外主表面和外周表面包圍的絕緣膜13a和14a，從而避免從散熱器13和14漏電。翅片散熱器61可通過導(dǎo)電接合材料與絕緣膜13a和1 直接連接。然而，翅片散熱器61與絕緣膜13a和1 的連結(jié)強(qiáng)度取決于翅片散熱器61的形狀而下降。使用金屬膜 60確保翅片散熱器61與絕緣膜13a和1 所需程度的粘合。翅片散熱器61可用超聲波接合技術(shù)固定于金屬膜60。金屬膜60具有平的表面并且可利用導(dǎo)電接合材料直接粘到散熱器13和14的絕緣膜13a和Ha上。雖然本發(fā)明從優(yōu)選實(shí)施方案方面進(jìn)行了公開以促進(jìn)對其更好理解，但是應(yīng)理解本發(fā)明可以多種方式實(shí)施而不背離本發(fā)明的原理。因此，本發(fā)明應(yīng)理解為包括所有可能的實(shí)施方案以及對可具體化的所示實(shí)施方案進(jìn)行變化的方案，而未背離由權(quán)利要求所述的本發(fā)明的原理。例如，半導(dǎo)體模塊1描述為用于驅(qū)動三相電動機(jī)的逆變器，但是可選用于其它類型的電學(xué)裝置。流經(jīng)冷卻劑通路30的冷卻劑可為水或其它類型的冷卻介質(zhì)。半導(dǎo)體模塊1可制造為僅包括一個用夾子43緊密保持在上蓋40和下蓋41之間的樹脂模制封裝體10。
權(quán)利要求
1.一種制造包括樹脂模制封裝體和冷卻劑通路的半導(dǎo)體模塊的方法，包括第一步驟，制備功率半導(dǎo)體芯片、第一散熱器、第二散熱器和電端子的半導(dǎo)體子裝配件，所述功率半導(dǎo)體芯片具有彼此相反的第一和第二表面并且配備有與所述電端子連接的半導(dǎo)體功率器件；第二步驟，形成限定所述樹脂模制封裝體的外殼的熱塑性樹脂制成的模件；第三步驟，將所述熱塑性樹脂制成的模件和所述半導(dǎo)體子裝配件置于給定模具中，然后在所述熱塑性樹脂制成的模件內(nèi)形成熱固性樹脂制成的模件，以制造作為樹脂模制封裝體的樹脂模制裝配件，在所述裝配件中形成限定所述冷卻劑的通路的冷卻劑通路，所述第一散熱器設(shè)置為與所述功率半導(dǎo)體芯片的第一表面連接，所述第二散熱器設(shè)置為與所述功率半導(dǎo)體芯片的第二表面連接，各所述電端子具有從所述樹脂模制裝配件暴露出的部分， 用于所述熱固性樹脂制成的模件的材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于用于所述熱塑性樹脂制成的模件的材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；和第四步驟，通過蓋保持所述樹脂模制封裝體以完成所述半導(dǎo)體模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第三步驟將熱固性樹脂注入其內(nèi)已設(shè)置有所述熱塑性樹脂制成的模件和所述半導(dǎo)體子裝配件的所述模具中以形成所述熱固性樹脂制成的模件。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第三步驟將所述熱塑性樹脂制成的模件設(shè)置為遠(yuǎn)離所述模具內(nèi)的所述半導(dǎo)體子裝配件的所述電端子，并且將熱固性樹脂也注入到所述熱塑性樹脂制成的模件和所述電端子之間的氣隙中。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硅樹脂和聚氨酯樹脂中的一種。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述熱塑性樹脂為聚亞苯基硫醚、聚對苯二甲酸丁二醇酯、尼龍、聚乙烯和聚丙烯中的一種。
6.一種制造包括樹脂模制封裝體和冷卻劑通路的半導(dǎo)體模塊的方法，包括第一步驟，制備功率半導(dǎo)體芯片、第一散熱器、第二散熱器和電端子的半導(dǎo)體子裝配件，所述功率半導(dǎo)體芯片具有彼此相反的第一和第二表面并且配備有與所述電端子連接的半導(dǎo)體功率器件；第二步驟，形成限定所述樹脂模制封裝體的外殼的熱塑性樹脂制成的模件；第三步驟，將所述熱塑性樹脂制成的模件和所述半導(dǎo)體子裝配件置于給定模具中，然后在所述熱塑性樹脂制成的模件內(nèi)形成熱固性樹脂制成的模件，以制造作為一個所述樹脂模制封裝體的樹脂模制裝配件，在所述裝配件中形成限定所述冷卻劑的通路的冷卻劑通路，所述第一散熱器設(shè)置為與所述樹脂模制封裝體的第一表面連接，所述第二散熱器設(shè)置為與所述功率半導(dǎo)體芯片的第二表面連接，各所述電端子均具有暴露于所述樹脂模制裝配件之外的部分，用于所述熱固性樹脂制成的模件的材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于用于所述熱塑性樹脂制成的模件的材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；第四步驟，進(jìn)行所述第一步驟、所述第二步驟和所述第三步驟以制造另一個所述樹脂模制封裝體；和第五步驟，制造所述樹脂模制封裝體的堆疊作為封裝體堆疊和通過蓋保持所述封裝體堆疊以完成所述半導(dǎo)體模塊。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第三步驟將熱固性樹脂注入其內(nèi)已設(shè)置有所述熱塑性樹脂制成的模件和所述半導(dǎo)體子裝配件的所述模具中以形成所述熱固性樹脂制成的模件。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第三步驟將所述熱塑性樹脂制成的模件設(shè)置為遠(yuǎn)離所述模具內(nèi)的所述半導(dǎo)體子裝配件的所述電端子，并且將熱固性樹脂也注入到所述熱塑性樹脂制成的模件和所述電端子之間的氣隙中。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硅樹脂和聚氨酯樹脂中的一種。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述熱塑性樹脂為聚亞苯基硫醚、聚對苯二甲酸丁二醇酯、尼龍、聚乙烯和聚丙烯中的一種。
全文摘要
本發(fā)明提供制造包括樹脂模制封裝體和冷卻劑通路的半導(dǎo)體模塊的方法。所述樹脂模制封裝體由熱固性樹脂制成的模件和熱塑性樹脂制成的模件構(gòu)成。樹脂模制封裝體通過制造熱塑性樹脂制成的模件、放置熱塑性樹脂制成的模件和由功率半導(dǎo)體芯片、散熱器、端子等構(gòu)成的半導(dǎo)體子裝配件，然后形成熱固性樹脂制成的模件形成。具體而言，熱固性樹脂制成的模件在熱塑性樹脂制成的模件之后形成，從而在熱固性樹脂制成的模件完全硬化之前產(chǎn)生熱固性樹脂制成的模件對熱塑性樹脂制成的模件的高度粘合，以在熱固性樹脂制成的模件和熱塑性樹脂制成的模件之間牢固形成粘合界面。這使得粘合界面產(chǎn)生氣隙的風(fēng)險(xiǎn)最小化并避免冷卻劑泄漏到樹脂模制封裝體之外。
文檔編號H01L21/56GK102299079SQ201110173760
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者則武千景, 平巖尚樹, 荒井毅 申請人:株式會社電裝