半导体装置制造方法

半导体装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种半导体装置，通过由具有功率半导体芯片等的多个半导体模块构成的半导体装置，从而作为半导体装置整体能够实现容许电流的大容量化，并且，通过在该半导体装置中以最优的方式进行接合来实施多个半导体模块的端子之间的连接。所述半导体装置包括：半导体模块10，外部连接端子从外壳突出；总线3A、3B、3C，将并列排列的多个所述半导体模块10的特定的外部连接端子16、17、18连结而进行电连接；以及半导体模块用外壳2，覆盖并固定通过所述总线3A、3B、3C而连结的多个所述半导体模块10，其中，总线3A、3B、3C和半导体模块的外部连接端子16、17、18通过激光焊接而接合。
【专利说明】半导体装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种半导体装置。更详细地讲，涉及一种由包括功率半导体芯片等的 多个半导体模块构成的半导体装置，以及各半导体模块的端子之间的连接方式。

【背景技术】
[0002] 半导体模块，例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管）等的功率半导体芯片搭载在绝缘 电路基板上，并且容纳在外壳中而形成的功率半导体模块，通常按照每个额定容许电流制 作有专用封装。在追求功率半导体模块的大容量化的情况下，难以按照每个容许电流制作 专用芯片。因此，采用并列地配置具有预定的容许电流的多个功率半导体芯片的结构的封 装。
[0003] 在硅IGBT的情况下，在几百A至1000A级别的大容量半导体模块中为并列地配置 有几个至几十个半导体芯片的封装。而且，近年来，研发了使用SiC的半导体模块来作为构 成逆变器的半导体芯片。在该半导体芯片中使用了 SiC的半导体模块中，由于SiC半导体 芯片的容许电流小，因此即使为几十A至100A左右的额定封装，也将多个SiC半导体芯片 并列配置。因此，如果要制作几百A至1000A级别的大容量半导体模块，则理论上需要并列 配置几十个至几百个SiC半导体芯片，因此目前尚未投入商业使用。
[0004] 另外，在按照每个容许电流进行完整的专用封装的半导体模块中，由于组装中仅 有一个芯片、部件不合格就会导致半导体模块整体不合格，所以不得不废弃该半导体模块。 而且，在使用半导体模块时，仅有一个芯片或部件损坏就会导致半导体模块整体的替换。因 此，就专用封装而言，越是大容量，半导体模块的制造商的成本以及用户的风险就越高。
[0005] 在专用封装的半导体模块中，具有如下封装：制作单元化至绝缘基板的中等容量 的共用部件，并将该共用部件以需要的容许电流的份额并列配置，另一方面，对应于容许电 流来进行关于端子和/或外壳的配置、塑形而大容量化。并列地配置了单元化至绝缘基板 的的中等容量部件的封装至少可以避免由于至绝缘基板单元的组装不合格所引起的半导 体模块整体的不合格。然而，在后面的组装工艺和/或使用中，若仅有一个半导体芯片、部 件的损坏，则导致半导体模块整体的废弃、替换。
[0006] 另外，有并列多个搭载少量半导体芯片的离散小容量小型封装，由专用安装工具 进行连接而应对大容量化的例子。在并列多个离散小容量小型封装的情况下，虽然不会产 生上述问题，但是对用户来说产生以下新问题：安装的次数变多，安装于装置的安装方法与 现有方法的差异太大等。而且，由于封装为小型化，所以存在无法满足绝缘距离的规定的情 况。
[0007] 专用封装的一个示例具有如下的构造。多个半导体芯片通过焊锡等连接、搭载在 绝缘电路基板上。半导体芯片和绝缘电路基板通过接合线等被布线，将绝缘电路基板的搭 载半导体芯片的面相反侧的面焊接在散热用的金属基体上。另外，包括外部端子的总线通 过螺合和/或焊锡等连接、搭载在绝缘电路基板上。将外壳固定到放热用的金属基体，在该 外壳内填充胶体等来密封半导体芯片。总线的外部端子从外壳的盖部突出。与具有此类结 构的专用封装相关地，对于与工作时温度在如200°C以上的高温对应的封装，期望通过兼做 外壳的树脂塑模代替胶体来密封半导体芯片的结构。然而，如果对大型的半导体模块进行 塑模成型，则产生由于发生树脂裂纹或翘曲而导致成品率降低，材料成本增加等问题。
[0008] 另外，在总线和与其连接的部件通过螺合而连接的情况下，由于连接部的间隙而 导致螺合困难。另外，当通过焊锡而接合时，由于总线由铜等热导电性高的材料构成，所以 在接合部不能获得焊锡接合所需要的热容量，因此存在不能充分接合的情况。另外，如果为 了进行焊锡接合而在接合部施加很大的热量，则热量通过与总线接合的部件对半导体模块 也产生热影响。进一步地，当焊锡接合时，通常采用丝状焊料等，焊锡接合之后在接合部产 生焊剂的残渣。该残渣与半导体模块粘在一起难以清洗。
[0009] 已知有通过将多个半导体装置用单元的外部导出端子与形成有布线图案的布线 基板进行焊锡接合，从而能够形成各种容量的半导体模块的半导体装置（专利文献1)。但 是，专利文献1的装置由于外部导出端子与布线基板进行了焊锡接合，所以仍存在上述的 残渣等的问题。
[0010] 已知有在作为电子部件的端子等的母材上通过电子束和/或激光等焊接引线等 的细线的方法（专利文献2)。然而，专利文献2并没有记载有关端子等与引线等之间的接 合，以及通过电弧焊接将半导体模块的总线和与其连接的部件，例如与外部连接端子之间 的接合。
[0011] 已知还有板状导体与线材料进行电弧焊接，尤其是通过TIG(钨隋性气 体：Tungsten Inert Gas)焊接来进行接合的方法（专利文献3)。然而，专利文献3的方法 通过电弧焊接使半导体模块的总线和与其连接的部件，例如外部连接端子接合时，通过连 接的部件对半导体模块也产生热影响。
[0012] 已知有使中继端子的突舌贯穿印刷电路基板的通孔，进行脉冲激光照射而使两者 接合的方法（专利文献4)。然而，专利文献4是将比中继端子主体部细的突舌接合的方法， 而不是与中继端子本身接合的方法。
[0013] 现有技术文献
[0014] 专利文献
[0015] 专利文献1 :日本特开2011-142124号公报
[0016] 专利文献2 :日本特开昭63-130291号公报
[0017] 专利文献3 :日本特开2001-219270号公报
[0018] 专利文献4 :日本特开2002-25639号公报


【发明内容】

[0019] 本发明的目的在于提供一种有利于解决上述问题的半导体装置，通过由具有功率 半导体芯片等的多个半导体模块构成的半导体装置，从而作为半导体装置整体能够实现容 许电流的大容量化，并且，通过在该半导体装置中以最优的方式进行接合来实施多个半导 体模块的端子之间的连接。
[0020] 本发明的半导体装置包括：半导体模块，其将半导体芯片搭载在绝缘电路基板上 并设置在外壳内，连接所述半导体芯片或所述绝缘电路基板的外部连接端子从所述外壳突 出；总线，其将并列排列的多个所述半导体模块的特定的外部连接端子连结而进行电连接； 以及半导体模块用外壳，其具有将所述总线的一部分作为外部端子突出到外侧的孔，覆盖 并固定通过所述总线而连结的多个所述半导体模块，所述总线和所述半导体模块的外部连 接端子通过激光焊接而接合。
[0021] 本发明的半导体装置的另一形态包括：半导体模块，其将半导体芯片搭载在绝缘 电路基板上并设置在外壳内，连接所述半导体芯片或所述绝缘电路基板的外部连接端子从 所述外壳突出；总线，其将并列排列的多个所述半导体模块的特定的外部连接端子连结而 进行电连接；印刷基板，其将多个所述半导体模块的与总线所连结的外部连接端子不同的 特定的外部连接端子连结而进行电连接；以及半导体模块用外壳，其具有将所述总线的一 部分作为外部端子突出到外侧的孔，覆盖并固定通过所述总线而连结的多个所述半导体模 块，所述印刷基板和所述半导体模块的外部连接端子通过激光焊接而接合。
[0022] 根据本发明的半导体装置，通过具有功率半导体芯片等的多个半导体模块的外部 连接端子由总线和/或印刷基板连结而构成的半导体装置，从而作为半导体装置整体能够 实现容许电流的大容量化，并且，由于多个半导体模块的外部连接端子与总线和/或印刷 基板之间的连接通过激光焊接进行，所以不会对半导体芯片造成热影响，由于不需要进行 焊剂清洗而能够减少工序。

【专利附图】

【附图说明】
[0023] 图1A和图1B是本发明的一个实施方式的半导体装置的立体图。
[0024] 图2是图1A和图1B的半导体装置的分解图。
[0025] 图3A和图3B是构成本发明的一个实施方式的半导体装置的功率半导体模块的立 体图。
[0026] 图4是功率半导体模块的示意性剖视图。
[0027] 图5是构成本发明的一个实施方式的半导体装置的总线的立体图。
[0028] 图6A和图6B是示出总线和端子之间的接合形态的图。
[0029] 图7A和图7B是示出总线和端子之间的接合形态的图。
[0030] 图8A和图8B是示出总线和端子之间的接合形态的图。
[0031] 图9A和图9B是示出印刷基板和端子之间的接合形态的图。
[0032] 图10A和图10B是示出印刷基板和端子之间的接合形态的图。
[0033] 图11A和图11B是示出印刷基板和端子之间的接合形态的图。
[0034] 图12是构成本发明的一个实施方式的半导体装置的半导体模块用外壳的立体 图。
[0035] 图13A和图13B是示出将功率半导体模块装入到半导体模块用外壳内的期间的状 态的立体图。
[0036] 图14是本发明的一个实施方式的半导体装置的组装说明图。
[0037] 图15是本发明的一个实施方式的半导体装置的俯视图。
[0038] 图16是沿着图15的半导体装置的A-A线截取的剖视图。
[0039] 图17是沿着图15的半导体装置的B-B线截取的剖视图。
[0040] 符号说明：
[0041] 1 :半导体装置
[0042] 2 :半导体模块用外壳
[0043] 3A、3B、3C:总线
[0044] 4:印刷基板
[0045] 1〇 :功率半导体模块
[0046] 11 :半导体芯片
[0047] 12A、12B :绝缘电路基板
[0048] 16、17、18 :外部连接端子
[0049] 19A、19B、19C、19D :外部连接端子
[0050] 20 :外壳
[0051] 30A、30B、30C :外部端子
[0052] 40A、40B、40C、40D :外部端子

【具体实施方式】
[0053] 以下，参照附图具体地说明本发明的半导体装置的实施方式。
[0054] 图1A和图1B示出了本发明的一个实施方式的半导体装置1的立体图。图1A是 从斜上方向观察的半导体装置1的上面的图，图1B是从斜下方向观察的半导体装置1的底 面的图。从图1B可知，半导体装置1包括并列配置的多个（图示的示例中为四个）功率半 导体模块10和覆盖并固定这些功率半导体模块10的半导体模块用外壳2。如图1A所示， 半导体装置1具有从短边侧的侧面观察呈凸状的大致长方体的形状。在图示的示例中，在 俯视半导体装置1时观察到的长方形的平面形状中，功率半导体模块10的长边方向为半导 体装置1的短边方向，功率半导体模块10的并列方向为半导体装置1的长边方向。另外， 贯通上下方向的安装孔la在半导体装置1在俯视呈平面形状中的短边方向的端部附近形 成，且沿着长边方向被配置为多个。所述安装孔la与构成半导体装置1的、并列配置的半 导体模块10中设置的安装孔l〇a(参照图3A和图3B)对应，并且位于同一轴线上。也就是 说，利用形成在功率半导体模块10中的安装孔l〇a，半导体装置1被固定在使用本实施方式 的半导体装置1的装置等中。因此，半导体模块用外壳2自身在安装孔2a的附近部分不需 要必要的刚性来固定于装置等。
[0055] 三个外部端子30A、30B和30C从半导体装置1的凸部的最上面露出。这些外部端 子30A、30B和30C为半导体装置1的主电路用的端子。另外，四个外部端子40A、40B、40C 和40D从半导体装置1的凸部的肩部表面突出。这些外部端子40A、40B、40C和40D为构成 半导体装置1的各半导体模块10的半导体芯片的控制用或测量用的端子。图示的半导体 装置1的外形和端子形状与通常的半导体模块的外形和端子形状相似。
[0056] 图2示出了半导体装置1的分解图。如图2所示，半导体装置1除四个功率半导 体模块10、半导体模块用外壳2之外，还包括三个总线3A、3B和3C以及印刷基板4。外部 端子30A、30B和30C分别为总线3A、3B和3C的一部分。另外，用于在外部端子30A、30B和 30C和其它的电子部件电连接时与螺钉或螺栓接合的螺母5被埋设于半导体模块用外壳2 中。
[0057] 多个功率半导体模块10可制造成相同的结构，因此采用图3A和图3B的代表性地 具体说明一个功率半导体模块10。图3A是从斜上方向观察的功率半导体模块10的上面的 立体图，图3B是从斜下方向观察的功率半导体模块10的底面的立体图。在图3A和图3B 中示出的功率半导体模块10具有大致长方体的形状。在本实施方式中，该功率半导体模块 10的外部形状通过例如环氧树脂的热硬化性树脂的塑模成型来形成。进行了塑模成型的热 硬化性树脂将设置在功率半导体模块10的内部的半导体芯片密封，并且兼做功率半导体 模块10的外壳20。
[0058] 图4中示出了功率半导体模块10内部的示意性剖视图。在图4中示出的功率 半导体模块10的示例中，两个半导体芯片11通过利用焊锡接合在绝缘电路基板12A、 12B的一侧的表面上，从而搭载在该绝缘电路基板12A、12B上。半导体芯片11例如是功 率M0SFET (金属氧化物半导体场效应晶体管：Metal-〇xide_Semiconductor Field-Effect Transistor)芯片、IGBT 芯片和 / 或 FWD (续流二极管：FreeWheeling Diode)芯片。另外， 半导体芯片11可以是硅半导体，也可以是SiC半导体。例如半导体芯片11为功率M0SFET 芯片时，在该绝缘电路基板12A、12B的各个设置功率M0SFET芯片和与该功率M0SFET芯片 反向并列连接的FWD芯片（未图示）作为半导体芯片11，作为功率半导体模块10的二合一 的单元结构，例如作为逆变器装置中的具有上桥臂和下桥臂的一相而使用。
[0059] 绝缘电路基板12A、12B的任一个包括：绝缘基板12a，由陶瓷等制成；导电层12b、 12c，分别设置在该绝缘基板12A、12B的两面且由铜等制成。与半导体芯片11对置的一侧 的导电层12b形成有电路图案。如图4所示，导电层12c与由进行了塑模成型的热硬化性 树脂构成的外壳20的底面大致共面，或者从外壳20的底面稍微向外侧露出。
[0060] 另外，形成有预定电路图案的布线基板14被设置在半导体芯片11的上方，该布线 基板14和各半导体芯片11以及导电层12b通过导电针15电连接。多个外部连接端子16、 17、18、19A、19B、19C、19D被设置为与布线基板14或导电层12b连接。外部连接端子16、17、 18是主电路端子，例如，外部连接端子16是漏极侧连接端子，外部连接端子17是源极侧连 接端子，外部连接端子18与输出端子对应。外部连接端子19A、19B、19C、19D是控制用或测 量用端子。
[0061] 这些外部连接端子16、17、18、19A、19B、19C、19D的前端从由热硬化性树脂20塑模 成型的功率半导体模块10的上表面突出。
[0062] 在3A中，在俯视呈长方形的平面形状的功率半导体模块10的短边方向的两个端 部上各设置一组外部连接端子16、17、18，共两组。另外，功率半导体模块10的短边方向的 任一端部上各设置一组外部连接端子19A、19B、19C、19D。
[0063] 而且，在俯视功率半导体模块10时的长边方向的两个端部附近分别设置了安装 孔10a。安装孔10a是沿着上下方向贯通功率半导体模块10的由热硬化性树脂构成的外壳 20的孔。
[0064] 在功率半导体模块10的安装孔10a和外部连接端子16、17、18、19A、19B、19C、19D 之间形成有绝缘壁l〇b。图示的功率半导体模块10的绝缘壁10b以大致半圆筒形状形成在 安装孔l〇a的周围。根据该绝缘壁10b，能够延长用于插入在安装孔10a中来进行连接固定 的螺栓（未图示）等与外部连接端子16、17、18、19A、19B、19C、19D之间的绝缘距离。
[0065] 在功率半导体模块10的长边侧的侧壁10c上形成有引导设置在半导体模块用外 壳2的内侧面的导向肋2f(参照图12)的导向槽10f，在图示的示例中，每个侧壁中形成两 个，两个侧壁总共形成有四个导向槽l〇f。另外，在功率半导体模块10的短边侧的两个侧壁 lOe的与下表面的连接部附近分别形成有与设置在半导体模块用外壳2的内表面的突起部 2g(参照图12)卡止的凹部10g。
[0066] 在图2中示出的总线3A、3B、3C是用于分别将并列配置的多个功率半导体模块10 的特定端子，具体为外部连接端子16、17、18连结而进行电连接的总线。在图5中示出了总 线3A、3B、3C的立体图。总线3A、3B、3C分别包括沿着上下方向坚立设置的主体部31、从主 体部31的下端弯曲而形成的接合部32以及包括由从主体部31的上端部分地沿上方延伸 而成为半导体装置1的外部端子30A、30B、30C的部分的端子部33。在端子部33中，形成 有用于插通与埋设在半导体模块用外壳2中的螺母5螺合的螺栓（未图示）的孔33a。接 合部32可以是如图5所示的和主体部31同样地沿长边方向延伸的形状，也可以仅是如图 2所示的与半导体模块10的特定端子连结的部分的形状32A。
[0067] 总线3A、3B、3C用诸如铜板、铝板的导电性良好的金属板作为材料。尤其优选为具 有低电阻的铜材料、铜合金材料。然而，由于与钢铁、铝相比，铜材料、铜合金材料的激光吸 收率低，所以在后述的激光焊接时难以以通常的焊接条件焊接，因此需要焊接输出高的装 置，从而可能会增加设备成本。因此，优选的是对总线3A、3B、3C的至少接合部32的表面进 行电镀。通过电镀，可以提高激光的吸收率而易于焊接。而且，由于能够抑制焊接输出，所 以能够扩大装置的选择，并且控制装置的成本。电镀的种类包括例如镀镍、镀镍合金、镀金、 镀银、镀铜合金、镀铬、镀铁等。尤其优选的是镀镍。
[0068] 另外，总线3A、3B、3C分别具有当并列配置多个功率半导体模块10时跨越各功率 半导体模块10的外部连接端子16、17、18而延伸的长度。总线3A通过接合部32与各功率 半导体模块10的外部连接端子16电连接。总线3B通过接合部32与各功率半导体模块10 的外部连接端子17电连接。总线3C通过接合部32与各功率半导体模块10的外部连接端 子18电连接。当总线3A、3B、3C与这些外部连接端子16、17、18连接时，相互不接触并且相 互平行地配置。
[0069] 各总线3A、3B、3C的接合部32与功率半导体模块10的外部连接端子16、17、18通 过激光焊接进行接合，从而被电连接。图6A至图8B示意性地示出了各总线3A、3B、3C的接 合部32与功率半导体模块10的外部连接端子16、17、18之间的接合部分。
[0070] 图6A和图6B示出了在接合部32形成能够插通外部连接端子16 (或者17、18)的 孔32a，并将外部连接端子16 (或者17、18)插入在该孔32a中的示例的俯视图（图6A)以及 正剖视图（图6B)。外部连接端子16(或者17、18)的前端可以与接合部32的表面位于同 一平面上（纸面左侧的示例），也可以从接合部32的表面向上方突出（纸面右侧的示例）。 激光可以沿着外部连接端子16等的直径方向以两点照射在孔32a与外部连接端子16等的 边界部分。也就是说，外部连接端子16等不需要完全熔融在孔32a内，如果以两点照射，则 接合部具有充分的接合强度和良好的导电性。然而，从不产生接合不良的接合的观点来看， 优选为使外部连接端子16等完全熔融在孔32a内。由于将外部连接端子16等插入在孔 32a中时的间隙、激光输出对由激光照射来进行的接合产生影响，所以优选为将所述间隙和 激光输出控制在预定的数值范围内。例如，当外部连接端子16的直径为1. 0mm时，孔32a 的直径优选为1. 2mm(1mm以上）。
[0071] 图7A和图7B示出了在接合部32的使外部连接端子16 (或者17、18)抵接的部分 形成凹部32b，并使外部连接端子16 (或者17、18)的前端抵接到该凹部32b的例的俯视图 (图7A)以及剖视图（图7B)。在该示例中激光从凹部32b的上方朝向凹部32b照射，通过 使根据该凹部32b而厚度变薄了的接合部32熔融，并进一步使外部连接端子16 (或者17、 18)的前端溶融，从而实现接合。
[0072] 图8A和图8B示出了以如下方式形成接合部32的示例的俯视图（图8A)以及正 视图（图8B):形成把持外部连接端子16 (或者17、18)的C字形状的把持部32c，并通过使 外部连接端子16 (或者17、18)的前端部通过、紧固于该把持部32c，从而使把持部32c把持 外部连接端子16等，使外部连接端子16等的前端部的周面与主体部31的侧面接触。该示 例中的激光朝向外部连接端子16等与主体部31的接触部和/或朝向把持部32c照射并进 行接合。
[0073] 就激光焊接而言，即使在小空间的场所也能够进行焊接；即使对于热传导率高的 铜材料、铜合金材料，也可以以局部的少量的输入热量进行接合；与焊锡接合的情况相比 较，不需要清洗焊接焊剂残渣。因此，通过激光焊接的接合适用于如本实施方式的半导体装 置1的空间受到限制的焊接，所以适用于由铜材料和/或铜合金材料制成的总线3A、3B、3C 的接合部32和功率半导体模块10的外部连接端子16、17、18之间的接合，并且能够在不对 功率半导体模块造成热影响的状态下进行接合。
[0074] 图2中示出的印刷基板4是用于将多个功率半导体模块10中的与连结总线3A、 3B、3C的端子不同的特定的端子，具体为外部连接端子19A、19B、19C、19D连结而进行电连 接的基板。印刷基板4上形成有用于与外部连接端子19A、19B、19C、19D电连接的预定的电 路图案。外部端子40A、40B、40C和40D连接到该电路图案，并在印刷基板4上以沿上下方 向延伸的方式形成。
[0075] 另外，当并列地配置多个功率半导体模块10时，印刷基板4具有跨越各功率半导 体模块10的外部连接端子19A、19B、19C、19D而延伸的长度。通过印刷基板4,使各功率半 导体模块10的外部连接端子19A与例如印刷基板4的外部端子40A电连接，使外部连接端 子19B与外部端子40B电连接，使外部连接端子19C与外部端子40C电连接，使外部连接端 子19D与外部端子40D电连接。
[0076] 印刷基板4与功率半导体模块10的外部连接端子19A、19B、19C、19D通过激光焊 接而接合，从而实现电连接。图9A至图11B示意性地示出了印刷基板4与功率半导体模块 10的外部连接端子19A、19B、19C、19D的接合部分。
[0077] 图9A和图9B示出了在印刷基板4形成有能够插通外部连接端子19A (或19B、19C、 19D)的通孔4a，并将外部连接端子19A (或19B、19C、19D)插入到该通孔4a的示例的俯视 图（图9A)和剖视图（图9B)。外部连接端子19A (或19B、19C、19D)的前端可以与通孔4a 的表面位于同一平面上（纸面左侧的示例），也可以从通孔4a的表面向上方突出（纸面右 侧的示例）。激光可以沿着该外部连接端子19A等的直径方向以两点照射在通孔4a与外 部连接端子19A等的边界部分。也就是说，不需要使外部连接端子19A等完全熔融在通孔 4a中，如果以两点照射，则，接合部具有充分的接合强度和良好的导电性。然而，从不产生 接合不良的接合的观点来看，优选为使外部连接端子19A等完全熔融在通孔4a中。由于将 外部连接端子19A等插入在通孔4a中时的间隙、激光输出对由激光照射来进行的接合产生 影响，所以优选为将所述间隙和激光输出控制在预定的数值范围内。例如，当外部连接端子 19A的直径为1. 0mm时，通孔4a的直径优选为1. 2mm(1mm以上）。
[0078] 图10A和图10B示出了在印刷基板4形成通孔4a，并将中空圆筒形状的中间销41 插入到该通孔中，进而将外部连接端子19A (或19B、19C、19D)插入到该中间销41的内周侧 的示例的俯视图（图10A)以及剖视图（图10B)。中间销41在轴方向上端部形成有凸缘 41a，可以通过该凸缘41a防止中间销41从通孔4a脱落。激光可以沿着外部连接端子19A 等的直径方向以两点照射到中间销41和外部连接端子19A等的边界部分。
[0079] 图11A和图11B示出了在印刷基板4上形成通孔4a，并将具有中空圆筒部的中间 销42插入到该通孔4a中，进而将外部连接端子19A (或19B、19C、19D)插入到该中间销42 的中空圆筒部的示例。中间销42在轴方向上端部形成盖部42a，中空圆筒部42b连接到该 盖部42a的下表面。盖部42a的直径比印刷基板4的通孔4a的直径大，从而可以防止中间 销42从通孔4a脱落。外部连接端子19A (或19B、19C、19D)的前端被设置为通过中间销42 的中空圆筒部42b内，并与盖部42a的下表面抵接。该示例中的激光通过从中间销42的上 方朝向中间销42的盖部42a照射，使盖部42a熔融，并进一步使外部连接端子19A等的前 端熔融，从而实现接合。
[0080] 优选为将印刷基板4的通孔4a与中间销41和42的表面电镀。通过将它们电镀， 从而提高了激光的吸收率，并易于进行焊接。另外，由于能够抑制焊接输出，所以能够扩大 装置的选择并控制装置的成本。电镀的种类包括例如镀镍、镀镍合金、镀金、镀银、镀铜合 金、镀铬、镀铁等。尤其优选的是镀镍。
[0081] 就激光焊接而言，即使在小空间的场所中也能够进行焊接；即使对于热传导率高 的铜材料、铜合金材料，也可以以局部的少量的输入热量进行接合；与焊锡接合的情况相比 较，不需要清洗焊接焊剂残渣。因此，通过激光焊接的接合适用于如本实施方式的半导体装 置1这样的用于焊接的空间受到限制，由铜材料和/或铜合金材料构成通孔和/或电路图 案的印刷电路板4与功率半导体模块10的外部连接端子19A、19B、19C、19D之间的接合，并 且可以在不对功率半导体模块产生热影响的状态下进行接合。
[0082] 图2中示出的半导体模块用外壳2形成有用于使由总线3A、3B、3C的端子部33构 成的外部端子30A、30B、30C突出至该外壳2的外面的孔2h，和用于使设置在印刷基板4的 外部端子40A、40B、40C和40D突出至该外壳2的外面的孔2i。
[0083] 从半导体模块用外壳2的里面侧观察的立体图如图12所示，半导体模块用外壳2 形成有与功率半导体模块10的安装孔l〇a对应的多个，例如图示的示例中为4个安装孔 2a。形成圆筒形状的绝缘壁2b和半圆筒形状的绝缘壁2c以围绕所述安装孔2a。该绝缘壁 2b、2c能够延长用于将半导体装置1连接固定到另一装置的螺栓（未图示）与功率半导体 模块10的外部连接端子16、17、18、19A、19B、19C、19D、总线3A、3B、3C、印刷基板4之间的绝 缘距离，其中，螺栓从安装孔2a插入并且通过半导体模块10的安装孔10a将半导体装置1 固定到另一装置。
[0084] 另外，在半导体模块用外壳2的里面形成有呈直线形状延伸的绝缘肋2d，并且当 装入由总线连接的多个功率半导体模块10时，使绝缘肋2d位于总线3A和总线3B之间的 位置。该直线形状的绝缘肋2d能够延长总线3A与总线3B之间的绝缘距离。另外，半导体 模块用外壳2形成有呈直线形状的绝缘肋2e并且使该绝缘肋2e位于总线3B与总线3C之 间的位置。该呈直线形状延伸的绝缘肋2e能够延长总线3B与总线3C之间的绝缘距离。
[0085] 在半导体模块用外壳2的里面形成有当多个功率半导体模块10并列地装入到半 导体模块用外壳2内时用于引导所述功率半导体模块10的导向肋2f，并且使所述导向肋 2f位于相邻的功率半导体模块10之间的位置。该导向肋2f沿着形成在功率半导体模块的 侧面10C中的导向槽10f延伸，并且具有嵌合在导向沟槽10f中的形状，从而使导向肋2f 能够在该导向槽l〇f中滑动。
[0086] 另外，在半导体模块用外壳2的里面，在与形成在各功率半导体模块10的短边侧 两侧壁10d中的凹部10g对应的位置形成有卡止该凹部10g的突起部2g。
[0087] 图13A和图13B是示出了将多个功率半导体模块10并列地安装到半导体模块用 外壳2内的期间的状态的立体图。图13A是整体立体图，图13B是图13A的部分放大立体 图。如图13A和图13B所示，各功率半导体模块10被沿着该导向槽10f延伸的导向肋2f 被引导而装入半导体模块用外壳2内。当完成将各功率半导体模块10装入半导体模块用 外壳2内时，将形成在半导体模块用外壳2的里面的突起部2g卡合到设置在功率半导体模 块10的短边侧的侧壁上的凹部l〇g。也就是说，通过半导体模块用外壳2的突起部2g与功 率半导体模块10的凹部l〇g而形成卡扣结构。据此，各功率半导体模块10相对于半导体 模块用外壳2不用螺栓固定和/或粘结剂而被固定。半导体模块用外壳2能够通过具有可 以实现上述卡扣结构的弹性范围的树脂来成型。
[0088] 如图14中的组装说明图所示，包括在图2的分解图中示出的部件的半导体装置1 的组装将多个（图中为四个）功率半导体模块10并列配置。然后，各功率半导体模块10的 外部连接端子16、17、18与总线3A、3B、3C通过激光焊接而接合，并且功率半导体模块10的 端子19A、19B、19C、19D与印刷基板4通过激光焊接而接合。然后，安装半导体模块用外壳 2以覆盖功率半导体模块10、总线3A、3B、3C以及印刷基板4,并且使功率半导体模块10的 凹部10g与半导体模块用外壳2的突起部2g卡合而固定。此时，外部端子30A、30B、30C从 半导体模块用外壳2的孔2h突出到该外壳2之外，并且外部端子的前端沿水平方向弯曲。 外部端子40A、40B、40C和40D从半导体模块用外壳2的孔2i突出到该外壳2之外。由于 外部端子3(^、3(?、30(：、外部端子4(^、4(?、40(：和400没有固定到半导体模块用外壳2，所 以能够无损坏地卸下半导体模块用外壳2。
[0089] 图15示出了半导体装置1的俯视图，图16示出了图15的A-A线剖视图，图17示 出了图15的B-B线剖视图。从图16可以看到，在总线3A与总线3B之间以及总线3B与总 线3C之间分别插入有形成在半导体模块用外壳2的里面的绝缘肋2d、2e。从而确保各总线 3A、3B、3C的绝缘所需要的距离。另外，从图17可知，设置形成在半导体模块用外壳2的里 面的圆筒形状的绝缘肋2b和半圆圆筒形状的绝缘肋2c以围绕用于插入到安装孔la中并 安装半导体装置1的螺钉和/或螺栓等的紧固元件F。因此，可以实现各总线3A、3B、3C与 螺钉和/或螺栓之间的绝缘所需要的距离而不需要在半导体模块用外壳2内填充胶体等的 填充剂。
[0090] 本实施方式的半导体装置1由多个功率半导体模块10组合而构成，从而实现了容 许电流的大容量化，所以成品率高。另外，因为半导体装置1具有与现有装置的外形和/或 端子类似的形状，所以不需要对使用半导体装置1的装置一方进行大的改动。另外，半导体 模块用外壳2与功率半导体模块10通过简单的方法固定而不需要使用胶体等密封，即使当 一个功率半导体模块10损坏时，通过仅替换损坏的功率半导体模块10就能解决，并且该替 换也能够比较简单地进行。另外，因为组装精度具有与单独安装各功率半导体模块10的情 况的精度近似，所以将半导体装置1安装于散热片时的该半导体装置1的底面的平坦度控 制和/或用于与散热片均匀接触的控制与各功率半导体模块10的控制是相同的。另外，由 于半导体装置1没有利用胶体密封，并且没有大型的树脂塑模，所以半导体装置1能够容易 地用于芯片温度在200°C以上的高温对应的半导体装置中。进一步地，在半导体装置1中， 使用激光焊接以用于总线3A、3B、3C与外部连接端子16、17、18之间的连接和/或印刷基板 4与外部连接端子19A、19B、19C、19D之间的连接，所以即使在小空间的场所中也能够进行 焊接；即使具有热传导率高的铜材料和/或铜合金材料，也可以进行焊接而不会对功率半 导体模块造成热影响；由于不需要清洗在通过焊锡来进行接合时产生的焊剂残渣，所以也 可减少工序。
【权利要求】
1. 一种半导体装置，其特征在于，包括： 半导体模块，其将半导体芯片搭载在绝缘电路基板上并设置在外壳内，连接所述半导 体芯片或所述绝缘电路基板的外部连接端子从所述外壳突出； 总线，其将并列排列的多个所述半导体模块的特定的外部连接端子连结而进行电连 接；以及 半导体模块用外壳，其具有将所述总线的一部分作为外部端子突出到外侧的孔，覆盖 并固定通过所述总线而连结的多个所述半导体模块， 其中，所述总线和所述半导体模块的外部连接端子通过激光焊接而接合。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述总线包括能够插通所述外部连接端子的孔，和与所述端子抵接的凹部或把持所述 端子的把持部。
3. 根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 对在所述总线的至少被激光焊接的部分进行电镀。
4. 一种半导体装置，其特征在于，包括： 半导体模块，其将半导体芯片搭载在绝缘电路基板上并设置在外壳内，连接所述半导 体芯片或所述绝缘电路基板的外部连接端子从所述外壳突出； 总线，其将并列排列的多个所述半导体模块的特定的外部连接端子连结而进行电连 接； 印刷基板，其将多个所述半导体模块的与总线所连结的外部连接端子不同的特定的外 部连接端子连结而进行电连接；以及 半导体模块用外壳，其具有将所述总线的一部分作为外部端子突出到外侧的孔，覆盖 并固定通过所述总线而连结的多个所述半导体模块， 其中，所述印刷基板和所述半导体模块的外部连接端子通过激光焊接而接合。
5. 根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于， 所述印刷基板包括能够插通所述端子的孔或者插入到所述孔中并能够插通或能够抵 接所述端子的中间销。
6. 根据权利要求4或5所述的半导体装置，其特征在于， 对在所述印刷基板的至少被激光焊接的部分或者对所述中间销进行电镀。
【文档编号】H01L25/07GK104218032SQ201410232963
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2013年6月4日
【发明者】多田慎司, 望月英司, 仲村秀世, 堀尾真史 申请人:富士电机株式会社