具有共同围绕焊料黏结物以防止焊料散布的凹槽的半导体装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体装置，其包括:对置的第一和第二金属板；多个半导体元件，每个半导体元件介于第一金属板和第二金属板之间；金属块，每个金属块介于第一金属板和对应的一个半导体元件之间；焊料构件，每个焊料构件介于第一金属板以及对应的一个金属块之间并且将第一金属板连接至对应的一个金属块；以及注塑树脂，其将半导体元件和金属块密封在第一金属板和第二金属板之间，其中，第一金属板的一面，其为金属块经由焊料构件连接至第一金属板的一面的对置侧，暴露于注塑树脂外。
【背景技术】
[0002]存在一种公知的半导体装置，其包括:多个半导体元件，每个半导体元件介于两个对置的金属板之间(例如，见日本专利4702196)。在该半导体装置中，多个半导体元件并排布置在金属板上。这些多个半导体元件分别为:构成功率转换器的臂元件的功率晶体管(IGBT)、以及与功率晶体管并联连接的回流二极管，它们每个经由对应焊料构件以及对应金属块黏结至金属板。
[0003]用于上述半导体装置，存在一种金属板，在该金属板中凹槽形成在黏结面上，金属块黏结至黏结面(在下文中，称为带凹槽的金属板)。凹槽允许多余焊料流动至其中并且防止焊料散布。每个凹槽沿着其中设置有对应焊料构件的区域的外周形成在带凹槽的金属板的黏结面上，并且分别对应于布置在金属板上的金属块形成。用于金属块的每个凹槽以环形形状形成在带凹槽的金属板的黏结面上，以便具有设计成用于对应金属块的尺寸的尺寸。
[0004]但是，在上述半导体装置中，需要提供分别对应于金属块形成在金属板上的凹槽，因此需要在金属块之间提供一定的间隔，使得相应的金属块的凹槽在金属板的表面上不彼此重叠。这导致在尤其是多个金属块并排布置(也即，在该方向上多个半导体元件并排布置)的金属板方向上尺寸增加，结果存在半导体装置本身的尺寸增加的问题。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种半导体装置，其能够减小每个金属板的尺寸，多个半导体元件或者金属块并排布置在所述每个金属板上。
[0006]本发明的方案提供了一种半导体装置。半导体装置包括:对置的第一和第二金属板;多个半导体元件，每个半导体元件介于第一金属板和第二金属板之间；金属块，其介于第一金属板和每个半导体元件之间；焊料构件，其介于第一金属板和金属块之间并且连接第一金属板至金属块；以及注塑树脂，其将半导体元件和金属块密封在第一金属板和第二金属板之间。第一金属板的一面，其为金属块经由焊料构件连接至第一金属板的一面的对置侧，暴露于注塑树脂外。第一金属板具有沿着其中设置有焊料构件的区域的外周形成的凹槽，凹槽共同围绕焊料构件。
[0007]根据本发明的方案，能够减小每个金属板的尺寸，多个半导体元件或者金属块并排布置在所述每个金属板上。
【附图说明】
[0008]以下将参考附图描述本发明的示范实施例特征、优势以及技术及工业重要性，其中类似标记指代相似元件，并且其中:
[0009]图1是根据本发明第一实施例的半导体装置的总体立体图；
[0010]图2是图1示出的半导体装置的平面示意图；
[0011]图3是根据第一实施例的半导体装置的相关部分的构造的平面布置图；
[0012]图4是沿着图3中的线IVA-1VA或者线IVB-1VB截取的根据第一实施例的半导体装置的截面图；
[0013]图5是示出了根据第一实施例的半导体装置的金属板的黏结面的视图；
[0014]图6是根据第一实施例的半导体装置的相关部分的放大截面图；
[0015]图7A和图7B是示出了根据第一实施例的半导体装置的组装的程序的一部分的视图；
[0016]图8A和图8B是用于图示出根据第一实施例的半导体装置的有利效应的视图；
[0017]图9A至图9C是用于图示出相比于根据第一实施例的半导体装置，根据比较实施例的半导体装置的特性的视图；
[0018]图1OA至图1OC是用于图示出根据第一实施例的半导体装置的特性的视图；
[0019]图11是根据本发明的第二实施例的半导体装置的相关部分的构造的平面布置图；
[0020]图12A和图12B是分别沿着图11中的线XIIA-XIIA和线XIIB-XIIB截取的根据第二实施例的半导体装置的截面图；
[0021]图13是根据本发明的第三实施例的半导体装置的相关部分的构造的平面布置图；
[0022]图14A和图14B是分别沿着图13中的线XIVA-XIVA和线XIVB-XIVB截取的根据第三实施例的半导体装置的截面图；
[0023]图15是根据本发明的替换实施例的半导体装置的相关部分的截面图；
[0024]图16A至图16C是分别示出了根据本发明的替换实施例的半导体装置的金属板的黏结面的视图；以及
[0025]图17A和图17B是根据本发明的替换实施例的半导体装置的相关部分的放大截面图。
【具体实施方式】
[0026]在下文中，将参考附图描述根据本发明的半导体装置的示例实施例。
[0027]图1示出了根据本发明第一实施例的半导体装置20的总体立体图。图2示出了图1中所示的半导体装置20的平面示意图。
[0028]根据本实施例的半导体装置20是功率半导体模块，其安装在例如混合动力车辆、电动车辆等上，并且使用在功率转换器(诸如转换电功率的逆变器)中。半导体装置20具有模制结构，在该模制结构中，布置在功率转换器上侧和下侧的臂元件彼此一体化，并且半导体装置20具有双侧冷却结构，在该双侧冷却结构中，合并的半导体元件的热从顶面和底面辐射。
[0029]半导体装置20包括上臂功率单元22和下臂功率单元24。上臂功率单元22构成连接至高电位电源的上臂。下臂功率单元24构成连接至低电位电源的下臂。上臂功率单元22和下臂功率单元24沿第一方向X并排布置。上臂功率单元22包括两个不同类型的半导体元件26、28。下臂功率单元24包括两个不同类型的半导体元件30、32。每个半导体元件26至32由形成为薄的矩形形状的半导体芯片形成。
[0030]每个半导体元件26、30是功率半导体开关元件，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，其在转换电功率时进行开关操作。每个半导体元件28、32是为了在中断对应的一个半导体元件26、30时循环电流所需的回流二极管。在下文中，在适当处，半导体元件26、30分别称为半导体开关元件26、30，以及半导体元件28、32分别称为二极管28、32。
[0031]上臂功率单元22包括单个半导体开关元件26和单个二极管28作为两个半导体元件26、28。半导体开关元件26和二极管28彼此并联连接。在第一方向X上半导体开关元件26(其是半导体芯片)的宽度大致相同于在第一方向X上二极管28(其是半导体芯片)的宽度。
[0032]下臂功率单元24包括单个半导体开关元件30和单个二极管32作为两个半导体元件30、32。半导体开关元件30和二极管32彼此并联连接。在第一方向X上半导体开关元件30(其是半导体芯片)的宽度大致相同于在第一方向X上二极管32(其是半导体芯片)的宽度。
[0033]半导体开关元件26和半导体开关元件30彼此串联连接在高电位电源和低电位电源之间。二极管28和二极管32彼此串联连接在高电位电源和低电位电源之间。
[0034]每个半导体开关元件26、30具有集电极、发射极以及栅电极。在每个半导体开关元件26、30中，集电极形成在半导体芯片的一面上，而发射极和栅电极形成在半导体芯片的另一面上。此外，在每个二极管28、32中，阴极形成在半导体芯片的一面上，阳极形成在半导体芯片的另一面上。
[0035]图3示出了根据本实施例的半导体装置20的每个上臂功率单元22和下臂功率单元24的相关部分的构造的平面布置图。图4示出了沿着图3中的线IVA-1VA或者线IVB-1VB截取的根据本实施例的上臂功率单元22的截面图。在图4中，当沿着线IVB-1VB截取时附图标记示出于括号中。根据本实施例的下臂功率单元24也具有类似于图4中所示截面的截面。图5是示出了根据本实施例的上臂功率单元22的金属板的黏结面以及下臂功率单元24的金属板的黏结面的视图。图6示出了根据本实施例的每个上臂功率单元22和下臂功率单元24的相关部分的放大截面图。
[0036]上臂功率单元22包括一对对置的金属板34、36。每个金属板34、36是形成为平面形状的引线框架。金属板34、36是由金属(诸如铜、镍以及铝)形成的电导体。金属板34、36的表面可以用银、金等电镀。金属板34、36分别设置在每个半导体开关元件26和二极管28的两个面上。也即，半导体开关元件26和二极管28均介于一对金属板34、36之间，并且被两个金属板34、36夹住。
[0037]上臂功率单元22的半导体开关元件26和二极管28在面内方向(具体地，垂直于第一方向X的第二方向Y)上以间隔SI并排放置在金属板34、36(具体地，其冲模垫)上。每个金属板34、36具有的面积大于半导体元件26、28(其是半导体芯片)的尺寸(面积)的总和。
[0038]为了确保每个半导体元件26、28的散热，每个金属板34、36上半导体开关元件26和二极管28之间的间隔SI的尺寸(长度)仅需要被设定为必要的最小距离。具体地，间隔SI的尺寸被设定为以便至少大于在第三方向Z上每个金属块44、50(稍后描述)的高度。利用该结构，相比于热传递至半导体元件28、26中的另一个的情形，从半导体元件26或者半导体元件28生成的热易于经由金属块44、50传递至金属板34、36，然后易于从金属板34、36的辐射面释放至外部。因此，确保了半导体元件26、28的散热。
[0039]半导体开关元件26的一面和二极管28的一面面向金属板34。半导体开关元件26的一面经由焊料构件38黏结至金属板34。二极管28的一面经由焊料构件40黏结至金属板34。
[0040]焊料构件38、40由导电构件制成，诸如锡。半导体开关元件26的集电极经由焊料构件38电热连接至金属板34。二极管28的阴极经由焊料构件40电热连接至金属板34。连接至高电位电源的高电位连接终端P连接至金属板34。高电位电源的电压经由高电位连接终端P施加至金属板34。在下文中，金属板34称为高电位金属板34。
[0041]另一方面，半导体开关元件26的另一面和二极管28的另一面面向金属板36。半导体开关元件26的另一面经由焊料构件42、金属块44以及焊料构件46黏结至金属板36。二极管28的另一面经由焊料构件48、金属块50以及焊料构件52黏结至金属板36。
[0042]金属块44具有的尺寸设计成用于半导体开关元件26的尺寸，并且形成为大致矩形平行六面体形状。金属块50具有的尺寸设计成用于二极管28的尺寸，并且形成为大致矩形平行六面体形状。半导体开关元件26和二极管28在第一方向X上具有大致相同宽度，因此金属块44、50在第一方向X上具有大致相同宽度。
[0043]焊料构件42、46、48、52由导电构件制成，诸如锡。金属块44、50由导电金属制成，诸如铜，并且在垂直于第一方向X和第二方向Y的层压方向(第三方向)Z上具有厚度。金属块44、50在第三方向Z上具有大致相同高度。半导体开关元件26的发射极经由焊料构件42、46和金属块44电热连接至金属板36。二极管28的阳极经由焊料构件48、52和金属块50电热连接至金属板36 ο输出终端O连接至金属板36 ο输出终端O经由金属板54 (稍后描述)连接至负荷等。在下文中，金属板36称为输出金属板36。
[0044]下臂功率单元24具有的结构相似于图3和图4示出的上臂功率单元22的结构。下臂功率单元24包括一对对置的金属板54、56。每个金属板54、56是形成为平面形状的引线框架。金属板54、56是由金属(诸如铜、镍以及铝)形成的电导体。
[0045]金属板54、56的表面可以用银、金等电镀。金属板54、56可以由与金属板34、36相同的金属形成。金属板54、56中的至少一个(例如，仅金属板54)可以在与金属板34或者金属板36 (例如，仅金属板34)—体形成之后被切割。金属板54、56分别设置在每个半导体开关元件30和二极管32的两个面上。也即，半导体开关元件30和二极管32均介于一对金属板54、56之间，并且被金属板54、56夹住。
[0046]下臂功率单元24的半导体开关元件30和二极管32在面内方向(具体地，第二方向Y)上以间隔S2并排放置在金属板54、56 (具体地，其冲模垫)上。每个金属板54、56具有的面积大于半导体元件30、32(其是半导体芯片)的尺寸(面积)的总和。