半导体装置的制作方法

本发明涉及一种半导体装置。

背景技术

作为半导体装置，存在进行用于将直流电力转换成交流电力或者将交流电力转换成直流电力的电力转换功能的半导体装置。

作为这样的半导体装置，在专利文献1中，公开了如下发明：在由1个或者多个半导体芯片、与该半导体芯片连接的1个或者多个导体、搭载它们的陶瓷基板、搭载有陶瓷基板的底板以及散热器构成的电力转换装置中，将绝缘板夹在底板与散热器之间，使散热器接地，提高绝缘耐力。另外，在专利文献2、3中，公开了如下发明：具备：在一个面接合有多个半导体元件的引线框、配置于引线框的另一个面的第1绝缘层、在一个面经由第1绝缘层连接有引线框的金属底板以及配置于金属底板的另一个面的第2绝缘层，该发明提高绝缘性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2012－244750号公报

专利文献2：日本专利特开2013－229534号公报

专利文献3：日本专利特开2013－229535号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

在专利文献2、3所记载的半导体装置中，第2绝缘层向金属底板的外部露出地配置，所以，存在因吸湿、热应力而导致绝缘的可靠性与第1绝缘层相比变低这样的技术问题。

解决技术问题的技术手段

本发明涉及一种半导体装置，具备：半导体元件；导体板，其连接到半导体元件；金属制的基座构件，其与导体板对置，构成半导体装置的封装；以及绝缘构件，其配置于导体板与基座构件之间，绝缘构件将导体层夹在第1绝缘层与第2绝缘层之间而构成，在第1绝缘层与导体板之间形成静电电容电路，在第2绝缘层与基座构件之间形成静电电容电路，基座构件在绝缘构件与基座构件的接触部分处，形成有向绝缘构件侧突出的突出部，从导体层的中心至包含导体层的绝缘构件的边缘部为止的长度形成得比从导体层的中心至基座构件的突出部的边缘部为止的长度长。

发明效果

根据本发明，能够提供一种能够可靠地确保绝缘性的半导体装置。

附图说明

图1的(a)(b)是功率半导体模块的外观立体图、分解立体图。

图2的(a)(b)是示出功率半导体模块的内部布线的组装工序的分解立体图，是示出内部电路的电路图。

图3的(a)(b)(c)(d)是示出功率半导体模块的组装工序的剖面图，是示出内部构造的剖面图、放大剖面图、底部俯视图。

图4的(a)(b)(c)(d)是说明绝缘构件的压焊施工方法的分解剖面图，是说明绝缘构件的外形形成的施工方法的剖面图，是示出绝缘构件的构造的剖面图，是示出绝缘构件的详细构造的放大剖面图。

图5的(a)(b)是说明功率半导体模块的电压分担效果的图，是说明电压分担效果的电路图。

图6的(a)(b)(c)是第2实施方式，是功率半导体模块的剖面图、放大剖面图、底部俯视图。

图7的(a)(b)(c)(d)是第3实施方式，是功率半导体模块的分解剖面图、剖面图、放大剖面图、底部俯视图。

图8的(a)(b)(c)是第4实施方式，是功率半导体模块的分解剖面图、剖面图、底部俯视图。

图9是示出第5实施方式的功率半导体模块的分解剖面图。

图10是示出第6实施方式的功率半导体模块的分解剖面图。

图11的(a)(b)是示出第7实施方式的功率半导体模块的分解剖面图、底部俯视图。

具体实施方式

(第1实施方式)

下面，以将本发明的半导体装置应用于功率半导体模块为例来进行说明。

图1的(a)是示出功率半导体模块300的外观的立体图。图1的(b)是示出功率半导体模块300的组装工序的分解立体图。

如图1的(b)所示，内置有功率半导体元件的密封体302由绝缘构件333从两面夹持。从功率半导体元件导出的布线的端子间的绝缘通过端子模型材料317来确保，形成端子模型316。在图1的(a)中示出将功率半导体模块300组装后的状态。密封体302和绝缘构件333收容于壳体304的收容部306，通过第2密封树脂349来密封。在收容部306的收容口的外周部形成有o环槽312。功率半导体元件将o环安装到o环槽312，将该o环一边压缩一边固定到省略图示的水路框体。在壳体304处，在两面设置有翅片305，对功率半导体元件的发热进行散热。翅片305由具有导电性的构件、例如cu、cu合金、cu－c、cu－cuo等复合材料、或者al、al合金、alsic、al－c等复合材料等形成。用于与省略图示的构成逆变器电路的交流母线、电抗器等连接的功率模块交流端子320d、用于与构成逆变器电路的电容器等连接的功率模块直流正极端子315d以及功率模块直流负极端子319d从功率半导体模块300突出。另外，用于功率半导体元件的控制和保护的上桥臂用信号连接端子327u和下桥臂用信号连接端子327l从功率半导体模块300向与功率模块直流正极端子315d以及功率模块直流负极端子319d相同的方向突出。

图2的(a)是示出功率半导体模块300的内部布线的组装工序的分解立体图，是示出与图2的(a)对应的等价电路的电路图。

如图2的(a)所示，作为功率半导体元件的构成上桥臂电路的igbt328与二极管156以由上桥臂导体板315、318夹着的方式，通过金属接合材料331来接合。同样地，作为功率半导体元件的构成下桥臂电路的igbt330与二极管166以由下桥臂导体板319、320夹着的方式，通过金属接合材料331来接合。上桥臂电路与下桥臂电路在中间连接部329处通过金属接合材料331接合，形成上下桥臂串联电路。

如图2的(b)所示，上桥臂电路具备igbt328和二极管156，将功率模块直流正极端子315d连接到上桥臂导体板315。另外，下桥臂电路具备igbt330和二极管166，将功率模块直流负极端子319d连接到下桥臂导体板319。上桥臂导体板318与下桥臂导体板320由中间连接部329连接。另外，下桥臂导体板320连接到功率模块交流端子320d。上桥臂电路的igbt328的栅极电极连接到上桥臂用信号连接端子327u中的一个，上桥臂电路的igbt328的发射极电极连接到上桥臂用信号连接端子327u中的另一个。下桥臂电路的igbt330的栅极电极连接到下桥臂用信号连接端子327l中的一个，下桥臂电路的igbt330的发射极电极连接到下桥臂用信号连接端子327l中的另一个。igbt328、330、二极管156、166以及导体板315、318、319、320通过密封树脂材料来密封，形成图1的(b)所示的密封体302。

作为用于密封体302的密封树脂，例如能够使用以酚醛系、多官能系、联苯系的环氧树脂系为基础的树脂，含有sio2、al2o3、aln、bn等陶瓷、凝胶、橡胶等，使热膨胀系数与导体板315、318、319、320接近。由此，能够降低构件间的热膨胀系数差，伴随着使用环境时的温度上升而产生的热应力降低，所以，能够延长功率半导体模块300的寿命。

图3的(a)是示出功率半导体模块300的组装工序的剖面图，是图1的(b)的a－a剖面图。图3的(b)是示出功率半导体模块300的内部构造的剖面图，是图1的(a)的b－b剖面图。图3的(c)是示出功率半导体模块300的详细构造的剖面图，是图3的(b)的c部的放大剖面图。图3的(d)是功率半导体模块300的俯视图，是从图3的(b)的d方向观察到的底部俯视图。

如图3的(a)所示，igbt328、330经由金属接合材料331接合到导体板315、318、319、320，构成密封体302。在密封体302的外侧设置有绝缘构件333。绝缘构件333具有层叠地设置于第1绝缘层335a与第2绝缘层335b之间的导体层334。图3的(a)的图示下侧的导体层334以和导体板315与导体板320之间的间隙对应的方式，由狭缝部339分割。同样地，图示上侧的导体层334以和导体板318与导体板319之间的间隙对应的方式，由狭缝部339分割。

如图3的(b)所示，将密封体302隔着绝缘构件333密封到壳体304的基座构件307之间，构成功率半导体模块300。包含基座构件307的壳体304构成功率半导体模块300的封装，是金属制的。这样一来，绝缘构件333的导体层334就分别与导体板315、318、319、320对置。另外，壳体304的余隙被填充第2密封树脂349，抑制绝缘构件333的吸湿和热应力。

作为用于第2密封树脂349的密封树脂，例如能够使用以酚醛系、多官能系、联苯系的环氧树脂系为基础的树脂，含有sio2、al2o3、aln、bn等陶瓷、凝胶、橡胶等，使热膨胀系数与壳体304接近。由此，能够降低构件间的热膨胀系数差，伴随着使用环境时的温度上升而产生的热应力降低，所以，能够延长功率半导体模块300的寿命。金属接合材料331例如使用sn合金系的软钎焊材料(焊料)、al合金、cu合金等硬钎焊材料、利用金属的纳米粒子、微粒子的金属烧结材料。

图3的(c)是图3的(b)的c部的放大剖面图。基座构件307在绝缘构件333与基座构件307的接触部分处，形成有向绝缘构件333侧突出的台状的突出部307a。并且，从导体层334的中心p至绝缘构件333的边缘部为止的长度l2形成得比从导体层334的中心p至基座构件307的突出部307a的边缘部为止的长度l1长。换言之，突出部307a的边缘部的基座端面308位于比绝缘构件333的边缘部的绝缘构件端面336更靠内部侧的位置。进一步地，绝缘构件333的绝缘构件端面336与导体层334的导体层端面344在相同位置处形成端面。这样一来，突出部307a的边缘部的基座端面308位于比绝缘构件333的边缘部的绝缘构件端面336更靠内部侧的位置，从而确保了导体层334与基座构件307之间的绝缘距离。在图3的(d)中示出基座端面308、绝缘构件端面336、导体层端面344以及导体板315、318、319、320的位置关系。如该图所示，基座端面308位于比绝缘构件端面336更靠内部侧的位置，导体板315、318、319、320配置于导体层端面344的内部侧。

图4的(a)是说明绝缘构件333的压焊施工方法的分解剖面图。如图4的(a)所示，绝缘构件333通过由绝缘材料构成的第1绝缘层335a和第2绝缘层335b夹着导体层334而进行层叠，在真空状态下通过热压焊而成形。

在对绝缘构件333进行热压焊而成形之后，如图4的(b)所示，用冲裁模具m等切掉两端。此外，导体层334由狭缝部339分割。然后，如图4的(c)所示，对绝缘构件333的形状和尺寸进行成形而完工。在图4的(d)中示出绝缘构件333的绝缘构件端面336的周边部e的详细放大图。绝缘构件端面336如图4的(d)所示用冲裁模具m等切掉，所以，有可能产生裂纹340、毛刺341。在该情况下，当导体层334与基座构件307接触时，会发生短路，绝缘性能降低。然而，在本实施方式中，如图3的(c)所示，导体层334的导体层端面344配置于与绝缘构件端面336相同的面上。并且，突出部307a的边缘部的基座端面308位于比绝缘构件333的边缘部的绝缘构件端面336更靠内部侧的位置。因此，能够在导体层334与基座构件307之间确保绝缘距离，能够提高绝缘性能。

图5的(a)是说明功率半导体模块300的电压分担效果的放大剖面图。图5的(b)是说明功率半导体模块300的电压分担效果的电路图。在功率半导体模块300进行动作时，开关动作时的电涌电压添加到逆变器系统的直流电压，动作时的最高电压到达至功率半导体元件的耐压附近。此时，在绝缘构件333与壳体304之间会施加大致与该电压值接近的值。此时，由导体层334分担该施加电压，能够降低施加到第1绝缘层335a以及第2绝缘层335b的电压。例如，在导体层334的两面侧的第1绝缘层335a、第2绝缘层335b的厚度和介电常数相等的情况下，两者的静电电容338相等，施加到第1绝缘层335a以及第2绝缘层335b的电压能够降低到施加到绝缘构件333的电压的一半。由此，当在第1绝缘层335a、第2绝缘层335b的内部存在空隙337的情况下，还能够降低施加到空隙337的电压值，所以，能够提高空隙337的放电电压，提高绝缘构件333的放电开始电压。如果用等价电路来表示该状态，则如图5的(b)所示，在壳体304处于接地电位时，就成为在各导体板315、318、319、320与接地电位之间等价地串联2个静电电容338而形成的电路。

(第2实施方式)

图6的(a)(b)(c)是示出第2实施方式的图。图6的(a)是功率半导体模块300的剖面图，图6的(b)是图6的(a)的f部的放大剖面图，图6的(c)是从d方向观察图6的(a)的底部俯视图。

在本实施方式中，如图6的(b)所示，将基座凹部309设置于基座构件307的端面。这一点与图3的(b)所示的第1实施方式不同，其他部分是相同的构成。通过设置基座凹部309，从而如图6的(b)所示，基座构件307的基座凹部端面309a就位于比绝缘构件端面336更靠内部侧的位置。换言之，通过设置基座凹部309，从而基座构件307在绝缘构件333与基座构件307的接触部分处，形成有向绝缘构件333侧突出的台状的突出部307a。

在图6的(c)中示出基座凹部端面309a、绝缘构件端面336以及导体板315、318、319、320的位置关系。从导体层334的中心p至绝缘构件333的边缘部为止的长度l3形成得比从导体层334的中心p至基座构件307的基座凹部端面309a为止的长度、即从导体层334的中心p至突出部307a的边缘部为止的长度l4长。换言之，与基座凹部端面309a相比，绝缘构件端面336与导体层的端面344的位置在外侧较大，由此，能够确保绝缘距离，能够提高绝缘性能。另外，导体板315、318、319、320配置于绝缘构件端面336的内部侧。

(第3实施方式)

图7的(a)(b)(c)(d)是示出第3实施方式的图。图7的(a)是功率半导体模块300的分解剖面图，图7的(b)是功率半导体模块300的剖面图，图7的(c)是图7的(b)的g部的放大剖面图，图7的(d)是从d方向观察图7的(b)的底部俯视图。

如图7的(a)(b)所示，绝缘构件333分割成与导体板315、318、319、320相同的数量，分割而得到的多个绝缘构件333与多个导体板315、318、319、320分别对置地配置。并且，在基座构件307处，与分割而得到的多个绝缘构件333所邻接的间隙位置对置地形成有凹部310。其他构成与第2实施方式相同。如图7的(c)所示，导体层端面344与绝缘构件端面336处于相同的面，凹部310的凹部端面310a位于比绝缘构件333的绝缘构件端面336更靠内部侧的位置。此外，利用该凹部310，在基座构件307上，在绝缘构件333与基座构件307的接触部分处，形成有2个向绝缘构件333侧突出的台状的突出部307a。

如图7的(d)所示，从导体层334的中心p至绝缘构件333的边缘部为止的长度l6形成得比从导体层334的中心p至基座构件307的突出部307a的边缘部为止的长度l5长。根据本实施方式，能够确保绝缘距离，能够提高绝缘性能，并且，通过分割绝缘构件333，从而不需要图4的(b)所示的狭缝部339，能够简化制造工序。

(第4实施方式)

图8的(a)(b)(c)是示出第4实施方式的图。图8的(a)是功率半导体模块300的分解剖面图，图8的(b)是功率半导体模块300的剖面图，图8的(c)是从d方向观察图8的(b)的底部俯视图。

在本实施方式中，如图8的(a)所示，在绝缘构件333的导体层334处，未设置有图3的(a)所示的狭缝部339。这一点与图3的(a)所示的第1实施方式不同，其他部分是相同的构成。此外，在图8的(b)中，示出了基座构件307的形状与第1实施方式相同的情况，但也可以是与第2实施方式相同的构成。基座构件307在绝缘构件333与基座构件307的接触部分处，形成有向绝缘构件333侧突出的台状的突出部307a。在图8的(c)中示出突出部307a的端面308、绝缘构件端面336、导体板315、318、319、320的位置关系。从导体层334的中心p至作为绝缘构件333的边缘部的绝缘构件端面336为止的长度l8形成得比从导体层334的中心p至作为基座构件307的突出部307a的边缘部的突出部307a的端面308为止的长度l7长。根据本实施方式，在绝缘构件333的导体层334处没有狭缝部339，所以，能够简化制造工序。

(第5实施方式)

图9是示出第5实施方式的功率半导体模块300的分解剖面图。

如图9所示，在绝缘构件333的导体层334处，未设置有图3的(a)所示的狭缝部339。进一步地，绝缘构件333的导体层334将绝缘层夹在其间地层叠有2层。其他部分是与第1实施方式相同的构成。此外，基座构件307的形状既可以是第1实施方式所示的图3的(b)的形状，也可以是第2实施方式所示的图6的(a)的形状。根据本实施方式，导体层334层叠有2层，所以，绝缘性能进一步地提高，还能够简化制造工序。

(第6实施方式)

图10是示出第6实施方式的分解剖面图。

如图10所示，绝缘构件333的导体层334设置于与交流电位的导体板318、320对置的部分，未设置于与导体板319、315对置的部分。基座构件307在绝缘构件333与基座构件307的接触部分处，形成有向绝缘构件333侧突出的台状的突出部307a。此外，基座构件307的形状也可以是第2实施方式所示的图6的(a)的形状。与交流电位的导体板318、320对置的绝缘构件333与基座构件307的关系如下所述。即，从导体层334的中心至绝缘构件333的边缘部为止的长度形成得比从导体层334的中心至基座构件307的突出部307a的边缘部为止的长度长。其他部分是与第1实施方式相同的构成。根据本实施方式，导体层334设置于需要耐压的部位，所以，绝缘性能提高，还能够简化制造工序。

(第7实施方式)

图11的(a)(b)是示出第7实施方式的构造的功率半导体模块300，图11的(a)是分解剖面图，图11的(b)是底部俯视图。

如图11的(a)所示，绝缘构件333以与导体板315、318、319、320分别对置的方式分割而配置，进一步地，绝缘构件333的导体层334设置于与交流电位的导体板318、320对置的部分，未设置于与导体板319、315对置的部分。在基座构件307处，将凹部310设置于基座构件307的中央部。基座构件307在绝缘构件333与基座构件307的接触部分处，形成有向绝缘构件333侧突出的台状的突出部307a。此外，基座构件307的形状也可以是第2实施方式所示的图6的(a)的形状。在图11的(b)中示出与交流电位的导体板318、320对置的绝缘构件333与基座构件307的关系。即，从导体层334的中心p至绝缘构件333的边缘部为止的长度l10形成得比从导体层334的中心至基座构件307的突出部307a的边缘部为止的长度l9长。根据本实施方式，导体层334设置于需要耐压的部位，所以，绝缘性能提高，还能够简化制造工序。

根据以上说明的实施方式，得到如下作用效果。

(1)功率半导体模块300具备：半导体元件(igbt328、二极管156)；连接到半导体元件的导体板315、318、319、320；与导体板315、318、319、320对置并且构成功率半导体模块300的封装的金属制的基座构件307；以及配置于导体板315、318、319、320与基座构件307之间的绝缘构件333，绝缘构件333将导体层334夹在第1绝缘层335a与第2绝缘层335b之间而构成，在第1绝缘层335a与导体板315、318、319、320之间形成静电电容电路，在第2绝缘层335b与基座构件307之间形成静电电容电路，基座构件307在绝缘构件333与基座构件307的接触部分处，形成有向绝缘构件333侧突出的台状的突出部307a，从导体层334的中心至包含导体层334的绝缘构件333的边缘部为止的长度形成得比从导体层334的中心至基座构件307的突出部307a的边缘部为止的长度长。由此，能够提供一种能够可靠地确保绝缘性的功率半导体模块300。

本发明不限定于上述实施方式，也可以做成将上述各实施方式组合而成的构成。另外，只要不损害本发明的特征，则在本发明的技术思想的范围内考虑的其他方式也包括在本发明的范围内。

符号说明

300功率半导体模块

304壳体

305翅片

307基座构件

307a突出部

315、318、319、320导体板

333绝缘构件

334导体层

335a第1绝缘层

335b第2绝缘层。