专利名称：半导体功率器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种其中产生热量的半导体芯片位于一对散热片之间的半导体器件以及制造该器件的方法。
背景技术：
用于控制大电功率和电流的半导体芯片在使用中产生如此多的热量，因此包括该芯片的建议的半导体器件包括由金属如铜和铝构成的一对散热片，以便有效地释放由芯片产生的热量。如图1所示，在建议的半导体器件1中，半导体芯片2和耦合器5位于第一散热片3或下部散热片3和第二散热片4或上部散热片4之间。上部散热片4和耦合器5、耦合器5和芯片2、以及芯片2和下部散热片3分别由焊料连接。
上部和下部散热片4、3还用做半导体芯片的电极。模制树脂6位于散热片3、4之间以密封芯片2、耦合器5和焊料。如图1所示，上部和下部散热片4、3分别在器件1的下表面和上表面露出。因此，上部和下部散热片4、3有效地传递和释放由芯片2产生的热量，同时部分地被模制树脂绝缘。
如图2所示，在使用时，半导体器件1位于冷却部件7和U形金属固定器9之间，而U形固定器通过螺栓10连接到冷却部件7。两个绝缘片8分别位于冷却部件7和器件1之间以及器件1和金属固定器9之间。冷却部件7由金属如铜和铝构成，它能有效地传递和释放热量。虽然未示出，冷却部件包括冷却水通道。金属固定器9由金属如铜和铝构成。绝缘片8必须由导热的和弹性可收缩的绝缘材料制成。
在半导体器件1中，露出上部和下部散热片4、3，因此需要绝缘片8绝缘暴露表面，需要金属固定器9将芯片2产生的热量从上部散热片4传递给冷却部件7。因此，图2中所示的装配制品的结构相对复杂，并且装配制品的制造成本较高。
此外，半导体器件1的厚度偏离到某种程度。因此，当利用金属固定器9将半导体器件1固定于冷却部件7上时，难以控制金属固定器9对着冷却部件7压紧器件1的力。当半导体器件1的厚度偏离预定值太多时，半导体器件1将断裂或不牢固地固定于冷却部件7上。
如果只用绝缘片8吸收足够的力，则可解决上述问题。然而，得不到可弹性收缩以便足以用于绝缘片8的材料。
而且，在半导体器件1中，由半导体芯片2产生的热量通过绝缘片8和金属固定器9之一部分地从上部散热片4传递到冷却部件7。因此，通过上部散热片4的热传递路径比通过下部散热片3的热传递路径更长，因此上部散热片4释放热量的效率低于下部散热片3。
发明内容
鉴于上述问题已经做出了本发明。本发明的第一目的是通过简化用于绝缘散热片的装置和用于从散热片释放热量的装置，降低半导体功率器件的制造成本。本发明的第二目的是改进了散热片的热释放能力。
在本发明中，半导体器件包括半导体芯片、第一散热片、第二散热片和模制树脂。第一散热片电和热连接到半导体芯片的表面上，并起半导体芯片的电极的作用和用于释放由半导体芯片产生的热量。第二散热片电和热连接到半导体芯片的另一表面上，并起半导体芯片的电极的作用和用于释放热量。半导体芯片和散热片用模制树脂覆盖，以便在模制树脂的基本平坦表面上露出散热片。
利用这种结构，用于绝缘散热片和从半导体芯片释放热量的装置变得简单了，因此该器件优选可以低成本制造并具有优选释放热的能力。
通过下面参照附图的详细说明使本发明的上述和其它目的、特点和优点更明显。图中图1是建议的半导体器件的剖视图；图2是用建议的器件和冷却单元装配的制品的正视图；图3是根据本发明第一实施例的半导体器件的剖视图；图4A和4B分别是用图3的半导体器件和冷却单元装配的制品的正视图和侧视图；图5是用图3的半导体器件和冷却单元装配的另一制品的正视图；图6是根据本发明第二实施例的半导体器件的剖视图；图7是根据本发明第三实施例的半导体器件的剖视图；图8是根据本发明第四实施例的半导体器件的剖视图；图9是根据本发明第五实施例的半导体器件的剖视图；图10是根据本发明第六实施例的半导体器件的剖视图；图11是根据本发明第七实施例的半导体器件的剖视图；图12是图11的半导体器件的侧视图；图13是根据本发明第八实施例的半导体器件的剖视图；图14是根据本发明第九实施例的半导体器件的剖视图；图15是用图13的半导体器件、绝缘板和冷却部件装配的制品的分解剖视图；
图16是用根据本发明第十一实施例的半导体器件和冷却部件装配的制品的分解剖视图；图17是根据本发明第十二实施例的半导体器件的剖视图；和图18是图17的下部散热片的平面图。
最佳实施例下面参照各个实施例详细说明本发明。
第一实施例如图3所示，根据第一实施例的半导体器件11包括产生热量的半导体芯片12、第一散热片13或上部散热片13、第二散热片14或下部散热片14、耦合器15、和模制树脂17。上部和下部散热片14、13各电和热连接到半导体芯片12上，以便从半导体芯片12释放热量并用做半导体芯片12的电极。耦合器15位于半导体芯片12和上部散热片14之间，以便电和热连接到半导体芯片12和上部散热片14。
半导体芯片12例如是功率半导体，如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和例如薄矩形板形状的闸流晶体管。上部散热片14、下部散热片13和耦合器15例如由铜制成。代替铜，可以采用具有相对高导热率和导电率的材料，如铝。
如图3所示，芯片12的第一表面或下表面和下部散热片13的上表面通过焊料16连接，而芯片12的第二表面或上表面和耦合器15的下表面也通过焊料连接，耦合器15的上表面和上部散热片14的下表面也同样通过焊料连接。由半导体芯片12产生的热量通过耦合器15和上、下部散热片14、13传递并释放到半导体芯片11的外部。
上、下部散热片14、13通过耦合器15和焊料16电连接到半导体芯片12，以便分别用做例如集电极和发射极。虽然未示出，半导体芯片12的控制电极如栅极焊盘利用键合线电连接到从模制树脂17突出的引线框架。
每个散热片14、13的厚度约为1mm。包括延伸部14a的上部散热片14是通过弯曲金属板形成的。上下散热片14、13、耦合器15和焊料16嵌入例如由环氧树脂构成的模制树脂17中，以便延伸部14a和下部散热片13暴露于模制树脂17的下表面19上，并且延伸部14a和下部散热片13的暴露表面基本上处于公共面内，如图3所示。模制树脂17通过插入模制形成，其中采用一对模具(未示出)用环氧树脂模制上下部散热片14、13、耦合器15和焊料16。
如图4A和4B所示，半导体器件11包括从模制树脂17突出的两个端子14b、13a。每个端子14b、13a包括水平部分垂直部分。垂直部分不互相面对，如图4A所示。上部散热片14电连接到端子14b之一上，其水平部分从图3中的上部散热片14的前端向前延伸。另一方面，为矩形板的下部散热片13电连接到另一端子13a上，其水平部分从图3中的下部散热片13的后端向后延伸。耦合器15是稍小于半导体芯片12的矩形板。散热片13、14之间的距离例如约为1-2mm。
当半导体器件11固定于冷却单元20上时，如图4A和4B所示，首先，将半导体器件11放置在冷却单元20的冷却部件21上，并且绝缘片22位于器件11和冷却部件21之间，以便模制树脂17的下表面19面对绝缘片22。因此，延伸部14a和下部散热片13的暴露表面通过绝缘片22分别热连接到冷却部件21。
绝缘片22由导热的并可弹性收缩到预定程度的绝缘材料构成。冷却部件21由能有效地散热的金属如铜和铝制成。虽然未示出，冷却部件21包括冷却水通道。然后，U形塑料固定器23放置在预定位置上，并且通过拧紧阳螺钉24，半导体器件1固定于冷却部件21上，由此完成了将半导体器件11固定于冷却单元20上。
在图4A和4B的装配制品中，延伸部14a和下部散热片13在模制树脂17的下表面19上露出的表面上只通过一个绝缘片22绝缘。此外，塑料固定器23比图2的金属固定器9便宜。因此，如图4A和4B中所示的装配制品的结构相对简单，并且该装配制品的制造成本较低。
而且，由半导体器件12产生的热量优选从其两个表面通过耦合器15、上下散热片14、13和绝缘片22传递和释放给冷却部件21。因此，在图4A和4B的装配制品中的净热传递路径比图2的装配制品的短，因而在图4A和4B的装配制品中的散热效率比图2的装配制品的高。
在图4A和4B的装配制品中，塑料固定器23直接对着冷却部件21压紧器件11。然而，如图5所示，簧片26可位于塑料固定器23和器件11之间，以便利用簧片26的的弹性对着冷却部件21压紧器件11。簧片26本身可以防止器件11断裂，因此绝缘片22可采用不可弹性收缩的材料。
第二实施例如图6中所示，根据本发明第二实施例的半导体器件11包括第一散热片13或下部散热片13、第二散热片27或上部散热片27。上部散热片27包括在其两个水平端的两个延伸部27a，如图6中所示。延伸部27a和下部散热片13暴露于模制树脂17的下表面19上，并且延伸部27a和下部散热片13的暴露表面基本上处于公共面内。在其它结构方面，图6的器件11和图3的器件11是相同的。因此，图6的器件11的散热能力比图3的器件11的散热能力更好，同时在其它效果上与图3的器件11基本上相同。
第三实施例如图7所示，根据本发明第三实施例的半导体器件11包括产生热量的半导体芯片12、第一散热片30或左部散热片30、第二散热片31或右部散热片31、耦合器15、和模制树脂17。右部散热片31和左部散热片30暴露于模制树脂17的基本平坦下表面29上，并且右部散热片31和左部散热片30的暴露表面基本上处于公共面内。
如图7所示，芯片12的第一表面或左表面和左部散热片30的右表面通过焊料16连接，芯片12的第二表面或右表面和耦合器15的左表面也通过焊料16连接，同样耦合器15的右表面和右部散热片31的左表面也通过焊料连接。芯片12的左、右表面基本上垂直于下表面29，其中芯片12在其左、右表面热和电连接到左、右散热片30、31上。
基本上立方形的左和右散热片30、31由作为热和电优异导体的金属如铜和铝制成。如图7所示，半导体器件11包括从模制树脂17向上突出的两个端子31a、30a。右部散热片31电连接到一个端子31a上，左部散热片30电连接到另一个端子30a上。
在图7的器件11中，由半导体芯片12产生的热量基本上相同地通过左右散热片30、31传递到半导体器件11的外部。在其它效果方面，图7的器件11与图3的器件11基本上相同。
第四实施例如图8所示，在根据第四实施例的半导体器件11中，芯片12的第一和第二表面、或左右表面热和电连接到第一和第二散热片30、31或左右散热片30、31上，并且相对于模制树脂17的基本平坦下表面倾斜。因此，图8的左右散热片30、31的散热能力互不相同。在这方面，图8的器件11与图7的器件11不同。在其它方面，图8的器件11和图7的器件11相同，因此图8的器件11的其它效果基本上与图7的器件1相同。
如图8所示，左部散热片30的右表面和底表面之间的角度小于右部散热片31的左表面和底表面之间的角度。因此通过左部散热片30的热传递路径比通过右部散热片31的热传递路径短，因此芯片12中产生的热量通过左部散热片30释放的效率比通过右部散热片31的高。这样，如果芯片在图8的左侧比其右侧产生更多热量，则优选实现图8的半导体器件11，可以反向改变左右散热片30、31之间的角度关系。
第五实施例如图9所示，根据第五实施例的半导体器件11包括产生热量的两个半导体芯片32、33、两个第一散热片34a、34b或两个左部散热片34a、34b、第二散热片31或右部散热片31、图9中未示出的两个耦合器15、和模制树脂17。右部散热片31和左部散热片34a、34b暴露于模制树脂17的基本平坦下表面29上，右部散热片31和左部散热片34a、34b的暴露表面基本上处于公共面内。图9的器件11具有与图7的器件11基本上相同的效果。
如图9所示，每个芯片32、33的第一表面或左表面和相应左部散热片34a、34b的右表面通过焊料16连接，每个芯片32、33的第二表面或右表面和相应耦合器15的左表面也通过焊料16连接，同样每个耦合器15的右表面和右部散热片31的左表面也通过焊料16连接。如图9所示，半导体器件11包括从模制树脂17向上突出的三个端子31a、34c、34d。右部散热片31电连接到一个端子31a，左部散热片34a、34b电连接到其它两个端子34c、34d。
图9的器件11是一个功率模件中有两个芯片的类型，其包括两个芯片32、33。然而，图9的器件11的结构还适用于一个功率模件中有六个芯片的类型，其包括六个半导体芯片。续流二极管可优选作为半导体芯片之一建立成功率模件。
图9的器件11包括两个左部散热片34a、34b。然而，第一散热片的数量也可以多于两个。另一方面，图9的器件11包括一个右部散热片31。然而，第二散热片的数量也可以多于一个。
第六实施例如图10所示，根据第六实施例的半导体器件11包括第一散热片13或下部散热片13、和第二散热片14或上部散热片14。上部散热片14包括金属板42和两个金属支座43、44。金属支座43、44具有与图6的延伸部27a相同的功能。金属板42用焊料16连接到耦合器15，金属支座43、44用焊料45连接到金属板42的两个水平端部，如图10所示。
金属支座43、44和下部散热片13暴露于在模制树脂17的下表面19上，并且金属支座43、44和下部散热片13的暴露表面基本上处于公共面内。图10的器件11具有与图6的器件11基本上相同的效果。然而，与调整下部散热片13和延伸部27a以使它们的暴露表面基本上处于公共面内相比，更容易调整金属支座43、44和下部散热片13以使它们的暴露表面基本上处于公共面内。
在图10的器件11中，上部散热片41由三个金属部件构成，即一个金属板42和两个金属支座43、44。然而，上部散热片41可由两个或三个以上部件构成。
第七实施例如图11所示，根据第七实施例的半导体器件11包括第一散热片46或下部散热片46、和第二散热片47或上部散热片47。上部散热片47包括在其两个水平端部的两个延伸部47a，如图11所示。上部散热片14例如通过弯折金属板形成。下部散热片46暴露于模制树脂17的下表面19上。每个延伸部47a通过绝缘层48热连接到下部散热片46。图11的器件11具有与图6的器件11基本相同的效果。
如图12所示，图11的半导体器件11包括从模制树脂17突出的两个端子47b、46a。每个端子47b、46a包括水平部分和垂直部分。虽然未示出，但垂直部分不互相面对。上部散热片47电连接到一个端子47b上。下部散热片46电连接到另一端子46a上。
每个绝缘层48包括例如由氮化铝(AlN)或氧化铝(Al2O3)制成的陶瓷片。在器件11的制造工艺中，用焊料16焊接半导体芯片12、耦合器、上部和下部散热片47、46，以便在每个延伸部47a和下部散热片46之间形成例如约100μm的间隙。然后，利用如硅酯、硅胶、硅粘合剂等材料将陶瓷片插入每个延伸部47a和下部散热片46之间，以便该材料位于每个延伸部47a和陶瓷片之间以及陶瓷片和下部散热片46之间。
因此，绝缘层48优选具有绝缘能力和导热能力。每个绝缘层48的材料、结构和尺寸必须根据绝缘层48所需要的特性如击穿电压和耐热性决定。
在图11的半导体器件11中，优选下部散热片46的暴露表面的尺寸尽可能的大。此外，还优选每个延伸部47a的下表面尽可能的大，其中每个延伸部47a在该下表面热连接到下部散热片46。
在图11的半导体器件中，每个绝缘层48是采用陶瓷片和硅酯等材料形成的。然而，可以利用其它方式形成每个绝缘层48。例如，预先在延伸部47a的下表面或在下部散热片46的上表面上在下部散热片46热连接到每个延伸部47a的位置上形成陶瓷膜。可通过热喷射例如由氮化铝(AlN)或氧化铝(Al2O3)制成的陶瓷形成陶瓷膜。然后，在制造工艺中热连接每个延伸部47a和下部散热片46，以使如硅酯、硅胶、硅粘合剂等材料设置在下部散热片46和每个陶瓷膜之间或每个延伸部47a和对应陶瓷膜之间。
或者，预先在延伸部47a的下表面和下部散热片46的上表面上形成陶瓷膜。然后，在制造工艺中热连接每个延伸部47a和下部散热片46，以使如硅酯、硅胶、硅粘合剂等材料设置在每个延伸部47a上的陶瓷膜和下部散热片46上的对应陶瓷膜之间。
或者，可采用树脂如环氧树脂和聚酰亚胺树脂形成每个绝缘层48。具体而言，在制造工艺中，树脂设置在每个延伸部47a和下部散热片46之间并固化。无机填料可添加到树脂中。
第八实施例如图13所示，根据第八实施例的半导体器件11包括第一散热片46或下部散热片46、和第二散热片49或上部散热片49。上部散热片49包括在其两个水平端部垂直延伸的两个延伸部49a，如图13所示。下部散热片46暴露于模制树脂17的下表面19上。每个延伸部49a通过绝缘层48热连接到下部散热片46。因此，图13的器件11具有与图11的器件基本相同的效果。
第九实施例如图14所示，根据第九实施例的半导体器件11包括第一散热片46或下部散热片46、和第二散热片50或上部散热片50。上部散热片50包括在其一个水平端部垂直延伸的延伸部50a，如图14所示。下部散热片46暴露于模制树脂17的下表面19上。延伸部50a通过绝缘层48热连接到下部散热片46。
在图13的半导体器件11中，由半导体芯片12产生的热量通过两个延伸部49a传递到上部散热片49并进一步传递到下部散热片46。另一方面，在图14的器件11中，由半导体芯片12产生的热量只通过一个延伸部50a传递到上部散热片50并进一步传递到下部散热片46。
然而，图14的上部散热片50具有与图13的上部散热片49基本相同的导热率或散热能力。原因是当在平行于下部散热片46的部分比较散热片50、49时，图1 4的上部散热片50比图13的上部散热片49更厚，并且当在图13和14的水平方向比较延伸部50a、49a时，图14的延伸部50a比图13的延伸部49a更宽。
第十实施例在图4A和4B的装配制品中，图3的半导体器件11和冷却部件21通过绝缘片22热连接。然而，如图15所示，可使用绝缘板51代替绝缘片22。例如，绝缘板51包括由氮化铝(AlN)或氧化铝(Al2O3)制成的陶瓷板。预先在陶瓷板的两个表面上涂敷如硅酯和硅胶等材料。然后在装配工艺中，绝缘板51置于图13的半导体器件11和冷却部件21之间，如图15所示。
代替在陶瓷板上涂敷，该材料可以涂敷在冷却部件21的上表面和下部散热片46的暴露表面上，其中冷却部件21在其上表面热连接到陶瓷板。
第十一实施例在图15的装配制品中，采用绝缘板51绝缘下部散热片46和冷却部件21，同时热连接它们。然而，如图16所示，可使用绝缘层52代替绝缘板51。例如，绝缘层52包括由氮化铝(AlN)或氧化铝(Al2O3)制成的陶瓷板。陶瓷板粉刷于下部散热片46的下表面上，其中下部散热片46在其下表面热连接到冷却部件21。
代替地，绝缘层52可通过热喷射陶瓷材料而形成在下部散热片46的上表面上。或者，可使用树脂如环氧树脂和聚酰亚胺树脂形成绝缘层52。无机填料可添加到树脂中。
当在制造工艺中将半导体器件11固定于冷却部件21上时，优选如硅酯等材料置于绝缘层52和冷却部件21之间。图16的装配制品具有与图15的装配制品基本相同的效果。
第十二实施例如图17所示，根据第十二实施例的半导体器件11包括第一散热片53或下部散热片53，其包括金属板和绝缘层53a，每个绝缘层位于下部散热片53的上、下表面上。图17的每个绝缘层53a是用与图16的绝缘层52相同的方式形成的。
如图18所示，金属板(plate)在半导体芯片12电连接到下部散热片52的区域53B露出。图17的器件11具有与图13的器件11基本相同的散热能力。除此之外，利用下部散热片53的下表面上的绝缘层53a，当与图4A和4B的装配制品中一样热连接器件11和冷却部件21时，不需要置于图17的半导体器件11和冷却部件21之间的绝缘片22。
权利要求
1.一种半导体器件(11)，包括产生热量的半导体芯片(12，32)；电和热连接到半导体芯片(12，32)的第一表面的第一散热片(13，30，34a)，用作半导体芯片(12，32)的电极并释放热量；电和热连接到半导体芯片(12，32)的第二表面的第二散热片(14，31，27，41)，用作半导体芯片(12，32)的电极并释放热量；模制树脂(17)，其中半导体芯片(12，32)和散热片(13，14，27，30，31，34a，41)用模制树脂(17)覆盖，以便散热片(13，14，27，30，31，34a，41)暴露于模制树脂(17)的基本平坦表面(19，29)上。
2.根据权利要求1的半导体器件(11)，其中第二散热片(27，41)的两端暴露于基本平坦表面(19，29)上。
3.根据权利要求1的半导体器件(11)，其中半导体芯片(12)的第一和第二表面基本上垂直于基本平坦表面(29)。
4.根据权利要求1的半导体器件(11)，其中半导体芯片(12)的第一和第二表面相对于基本平坦表面(29)倾斜。
5.根据权利要求1的半导体器件(11)，还包括产生热量的另一半导体芯片(33)。
6.根据权利要求5的半导体器件(11)，还包括另一第一散热片(34b)，其中另一第一散热片(34b)电和热连接到另一半导体芯片(33)的第一表面上，并用作另一半导体芯片(33)的电极和释放由另一半导体芯片(33)产生的热量，第二散热片(31)电和热连接到另一半导体芯片(33)的第二表面，并用作另一半导体芯片(33)的电极和释放由另一半导体芯片(33)产生的热量，并且另一半导体芯片(33)和另一第一散热片(34b)用模制树脂(17)覆盖，以便另一第一散热片(34b)暴露于基本平坦表面(29)上。
7.根据权利要求1-6任一项的半导体器件(11)，其中第二散热片(41)由多个金属构件(42，43，44)构成。
8.一种半导体器件(11)，包括产生热量的半导体芯片(12)；电和热连接到半导体芯片(12)的第一表面的第一散热片(46，53)，用作半导体芯片(12)的电极并释放热量；电和热连接到半导体芯片(12)的第二表面的第二散热片(47，49，50)，用作半导体芯片(12，32)的电极并释放热量；位于散热片(46，53，47，49，50)之间的绝缘层(48，53a)；和模制树脂(17)，其中半导体芯片(12)、散热片(46，53，47，49，50)和绝缘层(48，53a)用模制树脂覆盖，以便散热片(46，53，47，49，50)之一暴露于模制树脂(17)的基本平坦表面(19)上，并且散热片(46，53，47，49，50)通过绝缘层(48，53a)热连接。
9.根据权利要求8的半导体器件(11)，其中第一散热片(46)是板形的，第一散热片(46)暴露于基本平坦表面(19)上，并且第二散热片(47，49)的两端热连接到第一散热片(46)。
10.根据权利要求8或9的半导体器件(11)，还包括位于第一散热片(53)的暴露表面上的另一绝缘层(53a)。
全文摘要
一种半导体器件(11)包括半导体芯片(12)、第一散热片(13)、第二散热片(14)、和模制树脂(17)。第一散热片(13)电和热链接到半导体芯片(12)的表面上，并用作半导体芯片(12)的电极和释放由半导体芯片(12)产生的热量。第二散热片(14)电和热连接到半导体芯片(12)的另一表面上，用作半导体芯片(12)的另一电极和释放热量。半导体芯片(12)和第一和第二散热片(13，14)暴露于模制树脂(17)的基本平坦表面(19)上。器件(11)优选在制造中以低成本制造并优选具有散热能力，因为用于绝缘散热片(13，14)和从半导体芯片(123)释放热量的装置因上述结构而变得很简单。
文档编号H01L23/433GK1430268SQ02159368
公开日2003年7月16日 申请日期2002年12月26日 优先权日2001年12月27日
发明者平野尚彦, 手嵨孝纪, 中瀬好美, 三浦昭二 申请人:株式会社电装