本发明涉及半导体装置。
背景技术：
半导体装置具有层叠基板和印刷基板，该层叠基板具备：绝缘板、形成在绝缘板的正面的电路板、和形成在绝缘板的背面的金属板，该印刷基板与层叠基板对置配置。另外，半导体装置在层叠基板的电路板上形成有半导体元件和外部连接端子，外部连接端子贯穿于印刷基板的贯穿孔，而与印刷基板电连接。进而，半导体装置在壳体内容纳这样的层叠基板和印刷基板，并填充密封材料。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-064852号公报
技术实现要素：
技术问题
但是，在这样的半导体装置中，若驱动半导体元件，则半导体元件产生的热传递到层叠基板，层叠基板发生因绝缘板、电路板和金属板的热膨胀系数的差而引起的翘曲而变形。若层叠基板变形，则在外部连接端子和电路板的接合位置、外部连接端子和印刷基板的接合位置分别施加有热应力，产生接合不良，存在半导体装置的可靠性下降的隐患。
本发明的目的在于提供能够抑制可靠性的下降的半导体装置。
技术方案
根据本发明的一个观点，提供一种半导体装置，该半导体装置具有：半导体元件；层叠基板，其具备绝缘板和电路板，上述电路板设置在上述绝缘板的正面，并且设置有上述半导体元件；外围壳体，其设置在上述绝缘板的外周部，包围上述电路板；中继基板，其背面侧设置在上述外围壳体的开口边缘部上，覆盖上述电路板，并形成有贯穿孔；外部连接端子，其一端部与上述电路板接合，另一端部从上述中继基板的背面插通上述贯穿孔而与上述中继基板的正面抵接，并且在上述一端部和上述另一端部之间具有弹性部，该弹性部可弹性变形并且分别向上述一端部侧和上述另一端部侧伸长。
技术效果
根据公开的技术，能够抑制半导体装置的可靠性的下降。
附图说明
图1是表示第1实施方式的半导体装置的图。
图2是表示第1实施方式的半导体装置的端子间的接合的图。
图3是表示第1实施方式的半导体装置的制造工序的图(其一)。
图4是表示第1实施方式的半导体装置的制造工序的图(其二)。
图5是表示第1实施方式的半导体装置的制造工序的图(其三)。
图6是表示参考例的半导体装置的图。
图7是表示第2实施方式的半导体装置的图。
符号说明
1：半导体装置
2：半导体模块
3：印刷基板
3a：绝缘层
3b：导电层
4：散热板
10a、10b：半导体元件
20a、20b、50a、50b：焊料
30：层叠基板
31：绝缘板
32：电路板
33：金属板
40a、40b：接合端子
60：外围壳体
70：壳体盖部
71a、71b：贯穿孔
80a、80b：外部连接端子
81a、81b：一端部
82a、82b：另一端部
83a、83b：弹性部
90：密封材料
具体实施方式
以下，参照附图说明实施方式。
[第1实施方式]
图1是表示第1实施方式的半导体装置的图。
应予说明，图1表示了半导体装置1的侧视图。
另外，图2是表示第1实施方式的半导体装置的端子间的接合的图。
应予说明，图2放大表示了半导体装置1的接合端子40a、40b。
半导体装置1具有半导体模块2、安装在半导体模块2的正面的印刷基板3、和安装在半导体模块2的背面侧的散热板4。
半导体模块2具有半导体元件10a、10b；经由焊料20a、20b设置有半导体元件10a、10b的层叠基板30；以及包围半导体元件10a、10b和层叠基板30的外围壳体60。半导体模块2具有壳体盖部70和外部连接端子80a、80b，所述壳体盖部70设置在外围壳体60的开口边缘部上，覆盖半导体元件10a、10b，并且在正面设置有印刷基板3，所述外部连接端子80a、80b的一端部接合到层叠基板30的正面上，另一端部接合到壳体盖部70。这样的半导体模块2的外围壳体60内的半导体元件10a、10b和层叠基板30由密封材料90密封。
半导体元件10a、10b为例如igbt(insulatedgatebipolartransistor：绝缘栅双极型晶体管)，mosfet(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)，fwd(freewheelingdiode：续流二极管)等。
层叠基板30具有：绝缘板31、形成在绝缘板31的正面的电路板32、形成在绝缘板31的背面的金属板33。
绝缘板31由具有电绝缘性的材料构成。作为这样的材料，例如可以列举出氧化铝、氮化硅等。
电路板32由导电性优异的铜等金属构成，可以具有多个电路图案(省略图示)。在第1实施方式中，如图1所示，半导体元件10a、10b经由焊料20a、20b分别配置于电路板32的电路图案。这样的电路板32的厚度为200μm以上且1000μm以下，更加优选的是350μm以上且700μm以下。
金属板33配置在绝缘板31的背面，由热传导率高的铝、铁、银、铜或者包括以上金属的合金等构成。这样的金属板33的厚度为200μm以上且1000μm以下，更加优选的是350μm以上且700μm以下。应予说明，通过对金属板33进行增厚而使其同时具有散热板的功能，从而可以不使用散热板4。
另外，接合端子40a、40b经由作为接合材料的焊料50a、50b而形成在层叠基板30的电路板32的电路图案上。
接合端子40a、40b由导电性优异的铜等金属构成，如图2所示，例如，形成为圆筒状。这样的接合端子40a、40b的直径l1为0.4mm以上且0.6mm以下，更加优选的是0.45mm以上且0.55mm以下。在第1实施方式的情况下，例如为0.5mm左右。应予说明，接合端子40a、40b不限于圆筒状(截面为圆形)，也可以是截面为方形的形状。
外围壳体60是框形的大致长方体的箱型形状，设置在层叠基板30的绝缘板31的外周部，包围电路板32、电路板32上的半导体元件10a、10b及接合端子40a、40b。这样的外围壳体60由例如聚苯硫醚树脂(pps树脂)、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂(pbt树脂)、聚酰胺树脂(pa树脂)、丙烯腈丁二烯苯乙烯树脂(abs树脂)等树脂构成。
壳体盖部70的背面侧设置在外围壳体60的开口边缘部上，覆盖电路板32、电路板32上的半导体元件10a、10b及接合端子40a、40b。壳体盖部70形成有贯穿孔71a、71b。贯穿孔71a、71b以在将壳体盖部70设置于外围壳体60的开口边缘部上时，与接合端子40a、40b对置的方式形成。与外围壳体60相同地，这样的壳体盖部70也由例如聚苯硫醚树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、聚酰胺树脂、丙烯腈丁二烯苯乙烯树脂等树脂构成。应予说明，壳体盖部70是中继基板的一例。
外部连接端子80a、80b由导电性优异的铜等金属构成，在一端部81a、81b和另一端部82a、82b之间具有可弹性变形的弹性部83a、83b。构成外部连接端子80a、80b的金属，具体地有铜、铜合金、铝、或者铝合金等。作为铜合金有磷青铜、锌白铜、铍青铜、铜-钛合金、铜-镍合金等。作为铜合金，特别地，优选为拉伸强度和/或导电性优异的铜-镍合金。另外，为了提高耐腐蚀性和电气特性，作为外部被膜可以设置镀镍膜、镀金膜、镀银膜、镀锡膜。另外，也可以使这些膜层叠。弹性部83a、83b相对于图1中铅垂方向可弹性变形，并向一端部81a、81b侧和另一端部82a、82b侧分别伸长。由此，外部连接端子80a、80b将接合端子40a、40b和壳体盖部70彼此拉伸。应予说明，弹性部83a、83b不限于图1那样的形状，只要是弹簧式、s字型、u字型等相对于图1中铅垂方向可弹性变形的形状，则可以是任意形状。另外，这样的弹性部83a、83b的弹性模量为2000n/m以上且6000n/m以下，更加优选的是3000n/m以上且5000n/m以下。外部连接端子80a、80b形成为例如圆柱状或平板状。图1的外部连接端子80a、80b为圆柱状，其直径l2为0.55mm以上且0.7mm以下，更优选地为0.6mm以上且0.65mm以下。在第1实施方式的情况下，如图2所示，直径l2为例如0.64mm左右。
另外，如上所述，外部连接端子80a、80b的直径l2大于接合端子40a、40b的直径l1。因此，如图2所示，外部连接端子80a、80b的一端部81a、81b通过压入而被插入到接合端子40a、40b。
另一方面，外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b从壳体盖部70的背面侧进入到贯穿孔71a、71b而与壳体盖部70的正面抵接。这样，外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b在壳体盖部70的正面露出，与配置在壳体盖部70的正面的印刷基板3的电路图案(省略图示)电连接。应予说明，关于外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b的详细情况将在后面描述。
这样的外部连接端子80a、80b并非如图1所示地，限定于2个位置，而设置在层叠基板30的电路板32上的预定的位置。
密封材料90为环氧树脂、马来酰亚胺改性环氧树脂、马来酰亚胺改性酚醛树脂、马来酰亚胺树脂等热固性树脂。另外，密封材料90也可以利用硅胶等树脂。特别地，在密封材料90为环氧树脂等热固性树脂的情况下，如图1所示，利用密封材料90将外围壳体60内的从接合有外部连接端子80a、80b的一端部81a、81b的电路板32的正面起到弹性部83a、83b的一端部81a、81b侧的下端的近前为止进行密封。也就是说，密封材料90是弹性部83a、83b所涉及不到的区域。若利用这样的密封材料90将外围壳体60内完全密封，则外部连接端子80a、80b的弹性部83a、83b也会被密封，弹性部83a、83b会变得无法伸缩。具体地，对于弹性模量大于1000mpa的密封材料，优选密封到外部连接端子80a、80b的弹性部83a、83b的下侧为止。
应予说明，在密封材料90为胶状的硅胶等树脂的情况下，即使利用密封材料90将整个外围壳体60内进行密封，也容许一定程度的外部连接端子80a、80b的弹性部83a、83b的伸缩。具体地，优选密封材料90的弹性模量为1000mpa以下，更加优选的是100mpa以下。
另外，也可以作为密封材料90配置环氧树脂、马来酰亚胺改性环氧树脂、马来酰亚胺改性酚醛树脂、马来酰亚胺树脂等热固性树脂到外部连接端子80a、80b的弹性部83a、83b的下侧为止，并利用硅胶等树脂将其上部密封。
另外，印刷基板3具有：绝缘层3a、和设置在绝缘层3a的正面的形成有实现预定布线的电路图案的导电层3b。
绝缘层3a由例如聚酰亚胺树脂、环氧树脂等构成。另外，根据情况也可以在内部含浸由玻璃纤维构成的玻璃纤维织物。
导电层3b由导电性优异的铜等金属构成。
这样的印刷基板3将导电层3b作为壳体盖部70的正面侧，配置在壳体盖部70的正面。印刷基板3的导电层3b与从壳体盖部70的贯穿孔71a、71b进入的外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b电连接。
散热板4由热传导率高的铝、铁、银、铜或者含有这些金属的合金等构成。在这样的散热板4的正面经由焊料(省略图示)配置有半导体模块2的层叠基板30的金属板33。应予说明，也可以使用散热片或者液冷式的冷却装置来代替散热板4。
接着，使用图1和图3～图5说明这样的半导体装置1的制造方法。
图3～图5是表示第1实施方式的半导体装置的制造工序的图。
首先，准备半导体元件10a、10b、层叠基板30、接合端子40a、40b、外围壳体60、壳体盖部70、外部连接端子80a、80b。另外，准备印刷基板3和散热板4。
接着，在层叠基板30的电路板32的预定区域上经由焊料20a、20b配置半导体元件10a、10b。另外，在层叠基板30的电路板32的预定的接合区域上经由焊料50a、50b配置接合端子40a、40b。
接着，通过压入，将包括弹性部83a、83b在内的外部连接端子80a、80b的一端部81a、81b插入到配置在层叠基板30的接合端子40a、40b。
在这样配置了半导体元件10a、10b、接合端子40a、40b和外部连接端子80a、80b的层叠基板30的绝缘板31的外周部，如图3所示，经由粘合剂(省略图示)设置外围壳体60。
接着，将外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b插通于壳体盖部70的贯穿孔71a、71b，将壳体盖部70经由粘合剂(省略图示)配置在外围壳体60的开口边缘部上。这样配置的壳体盖部70的贯穿孔71a、71b以与接合端子40a、40b对置的方式形成。
将从壳体盖部70的贯穿孔71a、71b插通的外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b，如图4所示，向图4中上方，上拉出例如0.5mm以上且5mm以下，更加优选地，上拉出1mm以上且2mm以下。
接着，将外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b在上拉的状态下，如图5所示，绕回到壳体盖部70的正面侧而构成为钩形，使另一端部82a、82b与壳体盖部70的正面抵接。即，成为钩形的另一端部82a、82b挂在壳体盖部70的正面的状态。由此，为了维持外部连接端子80a、80b的弹性部83a、83b伸展的状态，壳体盖部70被外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b向图5中下侧按压。
应予说明，外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b不限于钩形，只要是能够使另一端部82a、82b挂在壳体盖部70的正面的形状即可。例如也可以构成为将外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b在从贯穿孔71a、71b上拉的状态下，以相对于上拉的方向正交的方式折弯而成的l字形。
将密封材料90从形成在壳体盖部70的开口部注入，填充密封材料90直到外围壳体60内的外部连接端子80a、80b的弹性部83a、83b之下。之后，进行加热而使其固化。
应予说明，也可以在将壳体盖部70经由粘合剂(省略图示)配置在外围壳体60的开口边缘部上之前，填充密封材料90。
由此，构成半导体模块2。
接着，以使导电层3b侧与从壳体盖部70露出的外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b接触的方式在这样的半导体模块2的壳体盖部70上配置印刷基板3。
将散热板4经由焊料(省略图示)配置在半导体模块2的层叠基板30的金属板33。
应予说明，印刷基板3和散热板4的配置顺序也可以先配置散热板4。
由此，得到图1所示的半导体装置1。
这里，使用图6说明相对于半导体装置1的参考例的半导体装置(半导体模块)。
图6是表示参考例的半导体装置的图。
参考例的半导体装置也与第1实施方式同样地对于半导体模块100配置有印刷基板3和散热板4。其中，在图6中，仅表示半导体模块100。另外，对半导体模块100中与半导体模块2相同的结构标注同样的符号。
在半导体模块100中，外部连接端子180a、180b不具备弹性部，而形成为直线状，且一端部181a、181b通过压入而被插入到接合端子40a、40b。另外，外部连接端子180a、180b的另一端部182a、182b被插入到壳体盖部70的贯穿孔71a、71b。在这样的壳体盖部70配置省略图示的印刷基板3的导电层3b侧，另一端部182a、182b与印刷基板3的导电层3b电连接。
在具备这样的半导体模块100的半导体装置中，如果驱动半导体模块100的半导体元件10a、10b而发热，则热向层叠基板30传导。经热传导的层叠基板30因绝缘板31、电路板32、金属板33之间的热膨胀系数的差而向上凸状地产生翘曲，发生变形。伴随着层叠基板30的变形，半导体装置发生变形。因此，存在热应力分别施加到外部连接端子180a、180b和电路板32之间的接合处、外部连接端子180a、180b和印刷基板3之间的接合处，而产生接合不良的隐患。由此，半导体装置的可靠性可能会下降。
另一方面，半导体装置1具有半导体元件10a、10b和层叠基板30，该层叠基板30具备绝缘板31、和设置在绝缘板31的正面并且设置有半导体元件10a、10b的电路板32。半导体装置1具有外围壳体60和壳体盖部70，该外围壳体60设置在绝缘板31的外周部并且包围电路板32，该壳体盖部70的背面侧设置在外围壳体60的开口边缘部上，覆盖电路板32，并形成有贯穿孔71a、71b。进而，半导体装置1具有外部连接端子80a、80b，外部连接端子80a、80b的一端部81a、81b与电路板32接合，另一端部82a、82b从壳体盖部70的背面侧进入到贯穿孔71a、71b而与壳体盖部70的正面抵接，外部连接端子80a、80b在一端部81a、81b和另一端部82a、82b之间具备可弹性变形，并向一端部81a、81b侧和另一端部82a、82b侧分别伸长的弹性部83a、83b。
在这样的半导体装置1中，外部连接端子80a、80b能够将层叠基板30与印刷基板3之间电连接。
进而，在半导体装置1中，外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b从壳体盖部70的背面侧进入到贯穿孔71a、71b而与壳体盖部70的正面抵接，利用外部连接端子80a、80b的弹性部83a、83b的弹性力，将壳体盖部70向层叠基板30侧不断地推靠。由此，即使半导体装置1伴随着传导了来自于发热的半导体元件10a、10b的热的层叠基板30的变形而发生变形，也维持外部连接端子80a、80b的一端部81a、81b与电路板32的接合端子40a、40b之间的接合。同样地，维持外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b与印刷基板3之间的接合。因此，能够防止他们的接合不良的发生，能够抑制半导体装置1的可靠性的下降。
[第2实施方式]
在第2实施方式中，使用图7说明在半导体装置1中直接使用印刷基板3来代替壳体盖部70而得到的半导体装置1a。
图7是表示第2实施方式的半导体装置的图。
应予说明，对半导体装置1a中与半导体装置1相同的结构标注相同的符号。
半导体装置1a具有：包括印刷基板3的半导体模块2a、和安装在半导体模块2a的背面侧的散热板4。
半导体模块2a具有：半导体元件10a、10b；经由焊料20a、20b设置有半导体元件10a、10b的层叠基板30；包围半导体元件10a、10b和层叠基板30的外围壳体60。半导体模块2a具有设置在外围壳体60的开口边缘部上并且覆盖半导体元件10a、10b的印刷基板3。进一步地，半导体模块2a具有外部连接端子80a、80b，外部连接端子80a、80b的一端部81a、81b接合到层叠基板30的正面上，另一端部82a、82b与印刷基板3接合。这样的半导体模块2a通过利用密封材料90将外围壳体60内的到外部连接端子80a、80b的弹性部83a、83b的一端部81a、81b侧的下端的近前为止进行密封，半导体元件10a、10b和层叠基板30也由密封材料90密封。
印刷基板3具有：绝缘层3a、和设置在绝缘层3a的正面的形成有实现预定布线的电路图案的导电层3b。另外，印刷基板3将绝缘层3a侧(背面侧)配置在外围壳体60的开口边缘部上，导电层3b侧成为正面。这样的印刷基板3形成有在配置在外围壳体60时，与接合端子40a、40b对置的贯穿孔3c1、3c2。应予说明，这样的配置在外围壳体60的开口边缘部上的印刷基板3为中继基板的一例。
如上所述，外部连接端子80a、80b由导电性优异的铜等金属构成，在一端部81a、81b和另一端部82a、82b之间具有可弹性变形的弹性部83a、83b。
外部连接端子80a、80b的一端部81a、81b通过压入而被插入到经由焊料50a、50b设置在电路板32的预定的接合区域上的接合端子40a、40b。
外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b从印刷基板3的背面侧进入到贯穿孔3c1、3c2并绕回，与印刷基板3的正面的导电层3b抵接，与导电层3b电连接。
另外，如第1实施方式所述，构成外部连接端子80a、80b的金属包括铜、铜合金、铝、或者铝合金等。作为铜合金包括磷青铜、锌白铜、铍青铜、铜-钛合金、铜-镍合金等。作为铜合金，特别地，优选为拉伸强度和/或导电性优异的铜-镍合金。另外，为了提高耐腐蚀性和电气特性，作为外部被膜可以设置镀镍膜、镀金膜、镀银膜、镀锡膜。另外，也可以使这些膜层叠。并且，在并非外部被覆的外部连接端子80a、80b的材料的导电性高于外部被覆材料的导电性的情况下，外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b的前端部的外部被覆的膜厚优选为0.5μm以上且10μm以下。更加优选地是3μm以上且5μm以下。只要是该范围，在通电时，外部被覆材料因热而被排除，使外部连接端子的另一端部82a、82b的前端部与印刷基板的导电层3b的电连接成为良好。具体为，使外部连接端子80a、80b由铜或铜合金构成，并将镀镍膜、镀锡膜等被覆在外部的情况。应予说明，前端部是指与印刷基板的导电层3b接触的位置。
应予说明，要制造半导体装置1a，就要与第1实施方式相同地，在配置了半导体元件10a、10b、接合端子40a、40b和外部连接端子80a、80b的层叠基板30的绝缘板31的外周部经由粘合剂(省略图示)设置外围壳体60(参照图3)。
在图4中，代替壳体盖部70，将外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b插通于印刷基板3的贯穿孔3c1、3c2，将印刷基板3经由粘合剂(省略图示)配置在外围壳体60的开口边缘部上。应予说明，此时，将印刷基板3的绝缘层3a侧(背面侧)配置在外围壳体60的开口边缘部上。
与第1实施方式相同地，将从印刷基板3的贯穿孔3c1、3c2插通的外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b向上方拉。
接着，将外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b在上拉的状态下，向印刷基板3的正面的导电层3b侧绕回而构成为钩形，使另一端部82a、82b与印刷基板3的导电层3b抵接(参照图7)。由此，为了维持外部连接端子80a、80b的弹性部83a、83b伸展的状态，印刷基板3被外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b向图7中下侧按压。
由此，构成半导体模块2a。
接着，经由焊料(省略图示)将散热板4配置在半导体模块2a的层叠基板30的金属板33。
由此，得到图7所示的半导体装置1a。
与第1实施方式的半导体装置1相同地，这样的半导体装置1a中，外部连接端子80a、80b能够将层叠基板30与印刷基板3之间电连接。
进而，在半导体装置1a中，外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b与印刷基板3的正面抵接，利用外部连接端子80a、80b的弹性部83a、83b的弹性力，将印刷基板3向层叠基板30侧不断地推靠。由此，即使半导体装置1a伴随着传导了来自于发热的半导体元件10a、10b的热的层叠基板30的变形而发生变形，也维持外部连接端子80a、80b的一端部81a、81b与电路板32的接合端子40a、40b之间的接合。同样地，维持外部连接端子80a、80b的另一端部82a、82b与印刷基板3之间的接合。因此，能够防止他们的接合不良的发生，能够抑制半导体装置1a的可靠性的下降。
另外，半导体装置1a不使用第1实施方式的半导体装置1中的壳体盖部70，因此能够减少部件的个数，能够削减制造成本。