专利名称：半导体模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种半导体模块的结构，其具有将在金属板上搭载有半导体芯片的结构密封在模塑层中的结构。
背景技术：
一般情况下，半导体模块具有如下结构:在使用半导体芯片时，将在金属板上搭载有半导体芯片的结构密封在绝缘性模塑树脂层中，从模塑树脂层导出作为端子的引线。其中，特别是在半导体芯片是功率半导体芯片(功率MOSFET和IGBT等)的情况下，要求有效地进行来自半导体芯片的散热。该散热主要经由搭载半导体芯片的金属板进行，也能够使用该金属板本身作为一个端子。此时，如果设为该金属板在模塑树脂层的下表面露出的结构，则经由焊锡连接所露出的金属板，从而，能够设置半导体模块，且使布线连接到该金属板。另一方面，虽然将露出的金属板用于散热路径和半导体模块的固定，但是，也有时不用于电连接。此时，需要使与半导体芯片等电绝缘的金属板在模塑树脂层的下表面露出。在半导体芯片是功率半导体芯片的情况下，由于其动作电压高，因此，要求此时的绝缘性高(绝缘耐压高)。在专利文献I中记载有具有此种结构的半导体模块的结构、制造方法。图4是该半导体模块90的剖视图。在该半导体模块90中，半导体芯片91经由焊锡层92搭载于第I金属板93的表面。该第I金属板93的背面(下表面)经由绝缘性树脂层94与第2金属板95接合。这些结构设为如下的形式:密封在模塑树脂层96中，并使第2金属板95的背面从模塑树脂层96露出。此外，第I金属板93也可以用作与半导体芯片91连接的布线的一部分，引线97与第I金属板93接合。同样，引线98用作与半导体芯片91连接的其他布线，引线98通过键合线99与半导体芯片91连接。引线97、98分别设为从模塑树脂层96的侧表面突出的结构。其中，在制造该半导体模块90时，第I金属板93、引线97、98设为将它们一体化而成的引线框架的形式，并且设为在形成模塑树脂层96后分开的图示的形式。在该结构的半导体模块中，第I金属板93、第2金属板95的导热率虽然足够高，但是，将这些接合的绝缘性树脂层94的导热率比它们低。因此，在绝缘性树脂层94中以高浓度添加由导热率和绝缘性高于树脂材料的无机材料(二氧化硅、氧化铝等)构成的填充剂。但是，即便在此种情况中，在绝缘性树脂层94中形成空隙时，在该部分，导热率下降。关于绝缘耐压也是相同的。因此，在专利文献I记载的制造方法中，首先，制作如下的结构:在第I金属板93上经由焊锡层92搭载半导体芯片91，形成连接的引线97、98、键合线99等。使用所述引线框架进行该步骤。另一方面，另外制作如下的结构:在第2金属板95之上涂布作为上述绝缘性树脂层94的材料。然后，经由没有硬化的状态的绝缘性树脂层94对这些结构中的第I金属板93和第2金属板95进行压接后接合。然后，为了密封整个该结构，通过传递模塑法形成模塑树脂层96。在传递模塑法中，在模具中固定该结构，从栅(注入口)将液态的模塑树脂材料(热硬化性树脂)注入模具并扩展到整个该结构后，使模塑树脂材料硬化而做成期望形状的模塑树脂层96。在该制造方法中，通过设定为与该模塑树脂材料的硬化一起硬化绝缘性树脂层94，抑制绝缘性树脂层94中的空隙的形成等，提高了制造出的半导体模块90的可信性。专利文献1:日本特开2004-165281号公报但是，在该制造方法中，需要使第I金属板93压接到第2金属板95上的绝缘性树脂层94。此时，如果第I金属板93足够，则不会对其上的半导体芯片91造成不良影响，但是，在第I金属板93薄的情况下，对第I金属板93施加压力，这会对半导体芯片91带来不良影响。此外，不仅是在制造时，即便在使用半导体模块90时，有时也会由于半导体芯片91的发热等而产生该压力。此外，也担心在对第I金属板93施加了压力时，第I金属板93的下表面侧端部贯通绝缘性树脂层94，或者引起绝缘性树脂层94的裂纹。即，很难获得具有电悬浮的金属板在模塑层的一面露出的结构、可信性高的半导体模块。
实用新型内容本实用新型鉴于该问题点而提出，其目的在于提供一种解决上述问题点的实用新型。本实用新型为了解决上述课题，设为下述所述的结构。本实用新型的半导体模块，其具有如下的结构:半导体芯片、第I金属板以及第2金属板密封于模塑树脂层，使得所述第I金属板的下表面经由绝缘性树脂层与所述第2金属板的上表面接合，所述第2金属板的下表面露出，其中，该第I金属板在上表面搭载有半导体芯片，该半导体模块的特征在于，在所述第I金属板的下表面的端部侧以所述第I金属板的板厚在外侧薄且在内侧厚的方式形成阶差，所述第I金属板中的所述阶差嵌入到所述绝缘性树脂层内，且以所述第I金属板和所述第2金属板不接触的方式所述第I金属板的下表面经由所述绝缘性树脂层与第2金属板的上表面接合。在本实用新型的半导体模块中，所述绝缘性树脂层为多层结构。本实用新型的半导体模块的制造方法，其特征在于，具有:芯片搭载步骤，形成第I结构体，该第I结构体是将所述半导体芯片搭载在所述第I金属板的上表面侧而成的；下部结构形成步骤，形成第2结构体，该第2结构体是将没有硬化的状态的所述绝缘性树脂层形成于所述第2金属板的上表面而成的；接合步骤，对所述第I结构体和所述第2结构体进行接合，使得所述第I结构体中的所述第I金属板的下表面压接到所述第2结构体中的所述绝缘性树脂层，所述第I金属板的下表面中的所述阶差嵌入到所述绝缘性树脂层内；以及模塑步骤，对于所述第I结构体和所述第2结构体接合而成的结构进行传递模塑，从而使构成所述模塑树脂层的材料硬化而形成所述模塑树脂层，并且使所述绝缘树脂层硬化。本实用新型的半导体模块的制造方法，其特征在于，在所述下部结构形成步骤中，使所述绝缘性树脂层成为多层结构，使所述多层结构中的下层硬化，使所述多层结构中的最上层成为没有硬化的状态。本实用新型由于如上所述地构成，因此，能够获得具有电悬浮的金属板在模塑层的一面露出的结构、可信性高的半导体模块。
图1是本实用新型的实施方式的半导体模块的剖视图。图2是示出本实用新型的实施方式的半导体模块的制造方法的步骤剖视图。图3是本实用新型的实施方式的半导体模块的变形例的剖视图。图4是现有的半导体模块的一个例子的剖视图。标号说明10,90:半导体模块;11、91:半导体芯片;12、92:焊锡层;13、21、93 第1金属板；14,94:绝缘性树脂层;15、95:第2金属板;16、96:模塑树脂层;17、18、97、98:引线；19、99:键合线；131、211:阶差(第I阶差);212:阶差(第2阶差);141:绝缘性树脂层下层(绝缘性树脂层)；142:绝缘性树脂层上层(绝缘性树脂层)。
具体实施方式
以下，对本实用新型的实施方式的半导体模块进行说明。即便在该半导体模块中，也与图4的结构的半导体模块90相同，采用搭载半导体芯片的第1金属板、第2金属板，二者之间经由绝缘性树脂层接合。从而，通过第I金属板和第2金属板进行对半导体芯片的散热，也保证第1金属板与第2金属板之间的绝缘性。另一方面，第1金属板的下表面侧(搭载有半导体芯片一面的相反侧)的结构与图4的结构不同。图1是示出该半导体模块10的结构的剖视图。在该结构中，半导体芯片11经由焊锡层12与第1金属板13的上表面接合。第1金属板13经由绝缘性树脂层14与第2金属板15接合。整个该结构密封于模塑树脂层16中，设定成第2金属板15的下表面露出于模塑树脂层16的下表面。由此，对该半导体模块10，能够使用焊锡等固定所露出的第2金属板15的下表面，也能够经由第2金属板15进行对半导体芯片11的散热。此处，绝缘性树脂层14成为由绝缘性树脂层下层141和绝缘性树脂层上层142构成的双层结构。另一方面，第I金属板13的上表面侧中的结构与图4的结构相同。即，与图4相同地使用引线17、18，半导体芯片11和引线18通过键合线19连接。引线17、18分别被设为从模塑树脂层16的侧表面突出的形式。从而，能够经由引线17、18进行从该半导体模块10的外部对半导体芯片11的电连接。其中，如图1所示，在第1金属板13的背面(下表面)侧(搭载有半导体芯片11的一侧的相反侧)的端部侧形成有阶差(第1阶差)131，该阶差131的壁厚在外侧薄且在内侧厚。即，第1金属板13的背面为中央部厚并向图1中的下侧突出的凸形状。对于绝缘性树脂层14与第1金属板13之间的接合而言，阶差131存在于绝缘性树脂层14中。即，设为该凸形状的整个部分嵌入到绝缘性树脂层14中的形式。但是，为了确保第1金属板13与第2金属板15之间的绝缘性，第1金属板13和第2金属板15不直接接触，彼此间最低限度也存在绝缘性树脂层下层141。图2是使制造该半导体模块10的制造方法简化后示出的步骤剖视图。其内容除了第I金属板13的形状不同，以及使绝缘性树脂层14为双层结构以外，基本与制造图4的结构的半导体模块90的情况相同。首先，如图2 Ca)所示，按照图1的形式形成组合半导体芯片11、第1金属板13、引线17、18等而成的结构(第I结构体)(芯片搭载步骤)。其中，在该时刻，引线17、18、第I金属板13为一体化而成的引线框架。此时，使用如下结构的引线框架，即，设为同时排列多个图1的结构的半导体模块10来制造的形式，与此对应地排列多组引线17、18、第I金属板13。此时，这些经由存在于图1中的模塑树脂层16的外侧的连接部而一体化。因此，虽然，例如在图2 (a)中示出引线18没被固定在任何部分上，但是，实际上，引线18 —体化地固定于引线框架。此外，该第I结构体能够按照每个引线框架配置。能够通过进行钣金加工而制造此种结构的引线框架。此时，为使引线17、18成为图1所示的形式而实施弯曲加工，使引线17、18和第I金属板13的厚度不同，在第I金属板13的背面端部设置所述阶差131，这些也是容易的。另一方面，如图2(b)所示，在第2金属板15的上表面与所述第I结构体不同地形成结构体(第2结构体)，该结构体形成了绝缘性树脂层14(下部结构形成步骤)。其中，绝缘性树脂层14为绝缘性树脂层下层141和绝缘性树脂层上层142的双层结构。此处，首先，通过涂布等形成绝缘性树脂层下层141，使其硬化，然后，通过涂布等也形成绝缘性树脂层上层142。设绝缘性树脂层上层142处于还没有硬化的状态。构成绝缘性树脂层下层141、绝缘性树脂层上层142的材料能够使用如下材料，即，获得充足的接合强度、绝缘耐压，并且以能够实现此种状态而适当设定，以热硬化性树脂等为主要成分。此时，与专利文献I所记载的技术相同，为了提高绝缘性和导热性，能够构成为高浓度地将填充剂添加到树脂材料中。此外，虽然第2金属板15、绝缘性树脂层14也与所述引线框架相同，可以设为能够在使用连接部被一体化后进行分离的结构，但是，也可以按照所制造的各半导体模块10的每个独立设置这些。在该状态下，如图2 (C)所示，设为如下形式:从上侧将图2 (a)的结构(第I结构体)压接于图2 (b)的结构(第2结构体)，第I金属板13的阶差131即背面的凸部整体地嵌入到没有硬化的绝缘性树脂层上层142 (接合步骤)。此时，绝缘性树脂层下层141已硬化。因此，虽然在该压接时，第I金属板13的下表面侧的绝缘性树脂层上层142变薄，但是，第I金属板13与第2金属板15之间的绝缘性至少通过绝缘性树脂层下层141来得到保证。另外，在该状态下，引线17、18、第I金属板13被一体化为排列多组后而接合的引线框架。因此，上述压接也在与多个半导体模块10的排列对应的平面上进行。如上所述，多个第2金属板15可以一体化，也可以分离，但是，即便在分离的情况下，也能够进行该步骤。接着，对于图2 (c)的结构，使用传递模塑法形成模塑树脂层16 (模塑步骤)。此时，在模具中固定排列多个图2 (c)的结构而成的结构，注入成为模塑树脂层16的液态的模塑树脂材料(热硬化性树脂)后进行加热并硬化。此时，设定为绝缘性树脂层上层142也同时硬化。关于该步骤，与制造图4的半导体模块90时相同。通过从模具中取出模塑树脂层16硬化后的结构体，并适当地切断引线框架中的连接部，从而，能够得到多个图1的结构的半导体模块10。在该半导体模块10中，在绝缘性树脂层14与第I金属板13之间的接点中形成有阶差131的角部。由于应力集中通过该角部分散并缓解，因此，抑制绝缘树脂层14的破坏，并抑制对第I金属板13整体施加压力。或者，也抑制在已经硬化的绝缘性树脂层下层141中产生裂纹。此外，下述内容也很明显，由于在第I金属板13的背面侧的最端部的背面侧形成阶差131且端部变薄，因此，即便在施加压力并在第I金属板13中产生翘曲的情况下，第I金属板13的下面侧端部很难贯通绝缘性树脂层14。S卩，由于也确保接合后的绝缘性树脂层14的厚度，因此，也保证第I金属板13与第2金属板15之间的绝缘性。此外，能够通过上述制造方法容易且控制性良好地制造该半导体模块10。另外，也能够进一步设置第I金属板13的端部中的阶差。图3与图1相对应地示出该结构的半导体模块的剖视图。在该结构中，使用在端部设置了 2个阶段的阶差的第I金属板21。其中，关于内侧的阶差(第I阶差)211，与所述第I金属板13相同，但是，在其外侧还形成有另一个阶差(第2阶差)212。为了形成该外侧的阶差212，第I金属板21的背面侧最端部位于绝缘树脂层14 (绝缘性树脂层上层142)的偏上侧，彼此间的间隔为D。此时，很明显，能够通过内侧的阶差211实现与所述第I金属板13相同的效果。一般而言，构成模塑树脂层16的材料(树脂材料)的热膨胀系数和构成第I金属板的材料(金属)的热膨胀系数大大不同。因此，很容易在模塑树脂层16与第I金属板之间产生剥离。与此相对，在图3的结构中，在通过设置外侧的阶差212而形成的间隔D的空隙中填充树脂材料，从而形成模塑树脂层16。因此，模塑树脂层16在第I金属板21的外周部为凹凸形状，整个第I结构体与模塑树脂层16之间的接合强度和密接性提高。因此，该部分为楔形，能够提高该半导体模块的可信性。另外，也能够与所述第I金属板13相同地容易地制造此种第I金属板21。另外，虽然在上述结构、制造方法中，使绝缘性树脂层14为双层结构，但是，只要能够在如上所述地确保第I金属板13与第2金属板15之间的绝缘性的状态下尽可能地对第I金属板13与绝缘性树脂层14之间进行接合，则也能够使绝缘性树脂层14为单层结构。此时，绝缘性树脂层14能够由与所述绝缘性树脂层上层142相同的材料构成。在接合步骤时，绝缘性树脂层14可以设为没有硬化的状态。此时，制造步骤被进一步简化。相反地，通过使绝缘性树脂层14为三层以上的多层结构，能够提高绝缘性树脂层14的绝缘性、导热率，且也能够提高与第I金属板13之间的接合性。此时，在下部结构形成步骤中，也可以使多层结构中的最上层为没有硬化的状态，设为至少其下层中的任意一层已硬化的状态。第I金属板13的下面侧的阶差131不需要在端部的整个外周部形成。很明显，至少在端部侧局部地形成时，会实现上述效果。关于此点，在图3的结构中的两个阶差211、212中也相同。此时，在第I金属板13、21中没有形成阶差的部位(中央部)，到第2金属板15之间的导热提高，因此，半导体芯片11的散热特性提高。此外，能够由单个平板状坯材，通过冲压加工和蚀刻加工形成引线17、18和第I金属板。相比于在图1、图3的情况下第I金属板比引线17、18厚，在此情况下，第I金属板中的形成了阶差的部位以外的厚度与引线17、18相等。此时，由于整体的厚度均匀，因此，施加到半导体芯片的压力缓解，能够降低由此导致的不良影响。此外，也能够使用预先将引线17、18和第I金属板一体化而成的结构制造相同结构的半导体模块。在此情况下，使用与第I金属板对应的部位比与引线17、18对应的部位厚的异形条坯材，对其实施冲压加工，从而，能够形成预先将引线17、18和第I金属板一体化而成的结构。此时，例如，图1中的引线18和第I金属板13能够通过在图示的范围外连接并一体化，并在制造后切断该连接部，从而，做成图1的结构。在此种情况下，很明显也通过在与第I金属板对应的部位设置所述阶差，实现相同的效果。此外，由于使用预先将引线17、18和第I金属板一体化而成的结构，这些处理变得容易，并且芯片搭载步骤等变得容易。此外，在上述的例子中说明了在第I金属板之上搭载半导体芯片的结构。例如，在该半导体芯片是功率半导体芯片的情况下，有时控制该功率半导体芯片的控制用IC芯片密封于相同的模塑树脂层中，在该情况下，该半导体模块为进一步多功能化的IPMdntelligent Power Module:智能功率模块)。此时，为了抑制功率半导体芯片发出的热对控制用IC芯片的不良影响，控制用IC芯片形成为搭载于与第I金属板独立的电路基板(陶瓷基板、树脂基板等)，并使该电路基板密封于与第I金属板、第2金属板相同的模塑树脂层中。在此种情况下为如下的状况:由于模塑树脂层与电路基板的热膨胀系数之差、第I金属板与电路基板的热膨胀系数之差也会对上述剥离有影响，因此，尤其容易产生模塑树脂层与第I金属板之间的剥离。因此，在此种结构的半导体模块(IPM)中上述结构尤其有效。很明显也能够在该情况中，在第I金属板所在的部位中以与图2相同的形式执行制造步骤。
权利要求1.一种半导体模块，其具有如下的结构:半导体芯片、第I金属板以及第2金属板密封于模塑树脂层内，使得所述第I金属板的下表面经由绝缘性树脂层与所述第2金属板的上表面接合，所述第2金属板的下表面露出，其中，该第I金属板在上表面搭载有所述半导体-H-* I I心/T， 该半导体模块的特征在于， 在所述第I金属板的下表面的端部侧以所述第I金属板的板厚在外侧薄且在内侧厚的方式形成有阶差， 所述第I金属板中的所述阶差被嵌入到所述绝缘性树脂层内，且所述第I金属板的下表面以所述第I金属板和所述第2金属板不接触的方式经由所述绝缘性树脂层与第2金属板的上表面接合。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于， 所述绝缘性树脂层为多层结构。
专利摘要本实用新型提供半导体模块，其具有电悬浮的金属板在模塑层的一面露出的结构，且可信性高。在第1金属板(13)的背面侧的端部侧形成有其壁厚在外侧薄且在内侧厚的阶差(第1阶差)(131)。即，第1金属板(13)的背面为中央部厚并向图1中的下侧突出的凸形状。绝缘性树脂层(14)与第1金属板(13)之间的接合设为如下形式阶差(131)存在于绝缘性树脂层(14)中，即，该凸形状的部分整个嵌入到绝缘性树脂层(14)中。但是，为了确保第1金属板(13)与第2金属板(15)之间的绝缘性，第1金属板(13)和第2金属板(15)不直接接触，彼此间最低限度也存在绝缘性树脂层下层(141)。
文档编号H01L23/42GK203038908SQ20132000997
公开日2013年7月3日 申请日期2013年1月9日 优先权日2012年9月28日
发明者田中敦彦, 森田启圣 申请人:三垦电气株式会社