电力用半导体装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电力用半导体装置，特别地，涉及一种具有安装有电力用半导体元件的电路基板的电力用半导体装置。
【背景技术】
[0002]设置在电力模块内的、例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)以及二极管等电力用半导体元件，在使用中产生大量的热量。因此，安装电力用半导体元件的电路基板需要承受因热循环下的温度变化而引起的应力。另外，为了从电力用半导体元件中有效地去除热量，对于作为电路基板的母材的陶瓷，要求较高的导热性。作为代表性的陶瓷材料存在氮化铝以及氮化硅。
[0003]氮化铝陶瓷具有较高的导热性，但作为材料的机械强度不一定较高。因此，需要用于缓和上述应力的构造。
[0004]氮化硅陶瓷具有较高的机械强度，所以适于承受上述应力。氮化硅陶瓷的导热性与氮化销陶瓷相比较差，但近年在不断地进行改善。
[0005]作为与电路基板相关的现有技术，例如，存在以下2种技术。
[0006]根据日本特开2003-78086号公报(专利文献I)，在作为绝缘层的陶瓷板的表面上，顺序地层叠形成有铝或铝合金的层、以及铜或铜合金的层。作为与铜或铜合金相比较软的材料的铝或铝合金的层，缓和向陶瓷板施加的热应力。
[0007]根据日本特开2008-147307号公报(专利文献2)，在氮化硅陶瓷板上设置有铜或铜合金的电路基板。
[0008]专利文献1:日本特开2003-78086号公报
[0009]专利文献2:日本特开2008-147307号公报
[0010]根据上述现有技术，向电力用半导体装置的制造中的电路基板上安装部件，是通过将该部件与铜或铜合金接合而进行。但是，根据上述部件的种类，有时不适于与铜或铜合金接合，其结果，电气接合可靠性变得不充分。特别是，在使用与焊料接合相比更适于在高温下使用的超声波接合等直接接合的情况下，如上所述的不适合性容易成为问题。例如，在铝导线通过超声波接合与铜图案接合的情况下，容易因铝和铜的接合界面的氧化膜导致电气接合可靠性变得不充分。该问题在电力用半导体元件的使用温度较高的情况下，需要更加关注。近年，作为电力用半导体元件的材料，碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)等与硅(Si)相比适于高温动作的材料的应用不断地发展，为了不损失其优点，需要特别改善上述电气接合可靠性。
【发明内容】
[0011]本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供一种能够提高电气接合可靠性的电力用半导体装置。
[0012]本发明的一个技术方案的电力用半导体装置，具有电力用半导体元件、以及安装有电力用半导体元件的电路基板。电路基板具有绝缘板、接合图案、电路图案以及焊盘板。绝缘板由氮化铝陶瓷制作，具有第I面和与第I面相反的第2面。接合图案接合在绝缘板的第I面上，由铝以及铝合金中的某一种制作。电路图案接合在绝缘板的第2面上，由铝以及铝合金中的某一种制作。焊盘板与电路图案接合，仅局部地覆盖电路图案，由铜以及铜合金中的某一种制作。
[0013]本发明的其他技术方案的电力用半导体装置，具有电力用半导体元件、以及安装有电力用半导体元件的电路基板。电路基板具有绝缘板、接合图案、电路图案以及焊盘板。绝缘板由氮化硅陶瓷制作，具有第I面和与第I面相反的第2面。接合图案接合在绝缘板的第I面上，由铜以及铜合金中的某一种制作。电路图案接合在绝缘板的第2面上，由铜以及铜合金中的某一种制作。焊盘板与电路图案接合，仅局部地覆盖电路图案，由铝以及铝合金中的某一种制作。
[0014]发明的效果
[0015]根据本发明，能够提高电力用半导体装置的电气接合可靠性。
【附图说明】
[0016]图1是概略地表示作为本发明的实施方式I中的电力用半导体装置的电力模块的结构的图，是沿图2的I 一 I线的剖面图。
[0017]图2是沿图1的II— II线的概略剖面图。
[0018]图3是表示对比例的电力模块的结构的图，是沿图4的III一III线的剖面图。
[0019]图4是沿图3的IV —IV线的剖面图。
[0020]图5是概略地表示作为本发明的实施方式2中的电力用半导体装置的电力模块的结构的图，是沿图6的V — V线的剖面图。
[0021]图6是沿图5的VI—VI线的概略剖面图。
[0022]标号的说明
[0023]1A、IC焊盘板，2金属基座板，3焊料层，4A、4C接合图案，5A、5S绝缘板，6A、6C电路图案，7接合材料，8电力用半导体元件，8a开关半导体元件，8b整流半导体元件，9栅极Al导线(导线)，10主Al导线(导线)，11阳极Cu电极(电极)，12阴极Cu电极(电极)，13控制Cu电极(电极)，14壳体，15填充部，16栅极电阻，91、92电力模块(电力用半导体装置)，SI下表面(第I面)，S2上表面(第2面)。
【具体实施方式】
[0024]下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。在附图中对同一或相同的部分标注同一参照标号，不重复进行其说明。
[0025]实施方式1.
[0026]参照图1以及图2，电力模块91 (电力用半导体装置)具有电路基板以及安装在该电路基板上的电力用半导体元件8。
[0027]具体地说，电力用半导体元件8具有如IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)那样的开关半导体元件8a以及如电力用二极管那样的整流半导体元件8b。电路基板具有绝缘板5A、接合图案4A、电路图案6A以及焊盘板1C。
[0028]绝缘板5A由氮化铝陶瓷制作。绝缘板5A具有下表面SI (第I面)和上表面S2 (与第I面相反的第2面)。
[0029]接合图案4A接合在绝缘板5A的下表面SI上。接合图案4A由铝或铝合金制作。电路图案6A接合在绝缘板5A的上表面S2上。电路图案6A由铝或铝合金制作。接合图案4A以及电路图案6A与绝缘板5A的接合，能够通过铝直接接合(DBA:Direct BondedAluminum)或活性金属纤焊(AMB:Active Metal Brazing)进行。
[0030]焊盘板IC由铜或铜合金制作。焊盘板IC与电路图案6A接合。该接合能够通过在真空中对绝缘板5A以及焊盘板IC高温加压而实现的固相扩散接合进行。焊盘板IC仅局部地覆盖电路图案6A。焊盘板IC与后述的电极不同，不向壳体14外凸出，而是收容在壳体14内。优选焊盘板IC具有平坦的板状形状。
[0031]在焊盘板IC上接合有电力用半导体元件8，在本实施方式中，在I个焊盘板IC上接合有多个电力用半导体元件8。优选电力用半导体元件8各自的接合是通过使用含有银的接合材料7的接合而进行的。
[0032]此外，在预先准备的电路基板上进行电力用半导体元件8的安装。即，在用于电路基板制造的接合工序完成后，安装电力用半导体元件8。因此可以认为，上述的通过高温加压实现的固相扩散接合等接合工序的条件不会对电力用半导体元件8及其可能附带的导线等产生影响，能够以较大的自由度进行选择。另外，在该接合中彼此接合的部件通常是容易接合的板状部件。另外，各自的接合面积比较大。因此，该接合虽然是铝或铝合金与铜或铜合金之间的异种接合，但还是比较容易确保接合可靠性。
[0033]电力模块91具有直接接合在焊盘板IC上的、由铜或铜合金中的某一种制作的电极。优选这些电极通过超声波接合而接合在焊盘板IC上。具体地说，电力模块91具有阳极Cu电极11、阴极Cu电极12以及控制Cu电极13。这些电极是从壳体14的内部延伸至外部的电极，即外部电极。
[0034]电力模块91具有栅极Al导线9以及主Al导线10，它们作为由铝以及铝合金制作的导线。栅极Al导线9以及主Al导线10各自的一端与电力用半导体元件8接合。另外，栅极Al导线9以及主Al导线10各自的另一端与电路图案6A直接接合，优选通过固相扩散接合进行接合，例如通过超声波接合进行接合。
[0035]电力模块91也可以具有与电路图案6A连接的、栅极电阻16等无源部件。栅极电阻16例如可以通过焊料层3进行接合。
[0036]电力模块91具有金属基座板2、壳体14以及填充部15。此外，为了使图容易观察，图中省略了填充部15的形状。金属基座板2通过与接合图案4A接合而安装在电路基板上。该接合例如也可以通过焊料层3而进行。壳体14在金属基座板2上对安装有电力用半导体元件8的电路基板进行收容。壳体14的安装能够使用螺钉或硅橡胶进行。填充部15由填充在壳体14内的绝缘体构成，在电路基板上，对电力用半导体元件8进行封装。填充部15的材料例如是硅胶。
[0037]参照图3及图4，对比例的电力模块99分别取代上述的接合图案4A、绝缘板5A和电路图案6A，而具有接合图案4C、绝缘板5S和电路图案6C。接合图案