专利名称：半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及安装了 IGBT、二极管等半导体元件的半导体装置。
背景技术：
以往，关于安装了通过动作发生热的半导体元件的半导体装置，为了提高散热性，设置了由例如铜等热传导性优良的金属构成的金属基体板。在以往的半导体装置中，通过有机绝缘片、陶瓷基板将半导体元件的发生热传递到与冷却器连接的金属基体板。最近，伴随半导体元件的高密度集成化，需要提高散热特性。在专利文献I中，公开了如下的半导体装置:在金属基体板上，通过焊锡配置了陶瓷绝缘基板，进而，在陶瓷绝缘基板上，通过焊锡搭载了功率芯片等半导体元件。半导体元件的发生热经由陶瓷基板传递到金属基体板，从与金属基体板连接的冷却器散热。陶瓷基板是通过对氮化铝(A1N)、氧化铝(AL2O3X氮化硅(SiN)等无机物进行烧结而制造的，提高了散热性。在半导体元件与金属基体间配置有机绝缘片的情况下，需要提高该有机绝缘片的散热性。例如，在专利文献2中公开了用于提高散热性的高热传导性无机粉末。该高热传导性无机粉末由平均粒子直径是I 20 μ m、最大粒子直径是45 μ m以下的无机粉末构成，作为粒度区域3 40 μ m的构成粒子的无机粉末X的真圆度是0.80以上的球状而且是热传导率10W/mK以上，作为粒度区域0.1 1.5 μ m的构成粒子的无机粉末Y的真圆度是0.30以上且小于0.80的球状或者非球状而且热传导率是与无机粉末X等同或其以下，X/Y的质量比是I 30。由此，希望调制即使对树脂进行高填充也不会容易地高粘度化、而且散热性优良的树脂组成物。专利文献1:日本特开2006 — 303086号公报(图1)·
专利文献2:日本特开2003 - 137627号公报(0004段 0006段)
发明内容
对于在半导体装置中应用的有机绝缘片、陶瓷基板，要求散热性，和用于稳定地驱动半导体装置的绝缘性。特别，最近，如果将碳化硅(SiC)元件等大电流化、可高频动作的半导体元件搭载于半导体装置，则需要应对元件发热变大、要应对额定电压的上升化、半导体装置的小型化。因此，需要制造不会使有机绝缘片、陶瓷基板的绝缘可靠性降低、而使半导体元件所致的发热高效地向金属基体板散热的半导体装置。但是，为了提高散热性而所需的热传导率、与为了提高绝缘性而所需的耐电压、耐部分放电电压处于折衷(trade off)的关系，所以例如在专利文献2中，通过规定无机粉末的粒子直径来谋求高填充化和散热性的提高，但未考虑无机填充材料所致的填充材料附近的电场集中，而存在绝缘性能降低这样的问题。另外，在专利文献I等应用了陶瓷基板的情况下，存在如下问题:虽然通过陶瓷基板的厚壁化满足了高耐压化，但成为绝缘层的陶瓷基板变厚，从而导致高热电阻化，由此散热性恶化。
本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于得到一种散热性提高、并且绝缘性提高的半导体装置。本发明的半导体装置具备半导体元件、与半导体元件连接的引线框架、隔着第I绝缘层配置于引线框架的金属基体板、以及在金属基体板中的与配置了第I绝缘层的面相反的一侧设置的第2绝缘层。第I绝缘层是散热性比第2绝缘层高的绝缘层，第2绝缘层是其绝缘性与第I绝缘层的绝缘性相同或者比第I绝缘层的绝缘性高的绝缘层。根据本发明，在金属基体板的两侧具有2个绝缘层，2个绝缘层的特性不同，所以能够提高散热性、并且提高绝缘性。
图1是示出本发明的实施方式I的半导体装置的剖面图。图2是示出本发明的实施方式I的绝缘层的散热特性和绝缘特性的相关图。图3是示出本发明的实施方式I的绝缘层的电场倍增率的图。图4是示出绝缘层的孔隙率和绝缘耐压的关系的相关图。图5是示出比较例的半导体装置的剖面图。(符号说明)UlaUb:半导体元件-AaAh:引线框架；5:高散热性绝缘层(第I绝缘层)；6:金属基体板；7:高绝缘性绝缘层(第2绝缘层)；9a、9b:冷却器；30:半导体装置。
具体实施方式
实施方式1.
图1是示出本发明的实施方式I的半导体装置的剖面图。图1所示的半导体装置30是安装了 2个半导体元件la、lb的例子。半导体装置30具备搭载半导体元件la、lb的引线框架(导电部件)4a、4b、对半导体元件la、lb的发热进行散热的冷却器9a、9b、以及与冷却器9a、9b连接的金属基体板6。半导体元件la、Ib分别搭载于引线框架4a、4b，半导体元件Ia与引线框架4a连接，半导体元件Ib与引线框架4b连接。半导体元件la、lb分别通过焊锡3a、3b粘接到引线框架4a、4b。半导体元件la、Ib通过导线8电连接。另外，半导体元件la、lb通过导线(未图示)与外部端子(未图示)电连接。在与用于对半导体元件IaUb的发热进行散热的冷却器9a、9b连接的金属基体板6和引线框架4a、4b之间设置了散热性高的绝缘层(以后，适当地称为高散热性绝缘层)5。在金属基体板6中的与高散热性绝缘层5相反的一侧配置了绝缘性高的绝缘层(以后，适当地称为高绝缘性绝缘层)7。关于半导体装置30，根据需要，用环氧树脂、硅凝胶、弹性材料等密封材料10对半导体元件la、Ib以及引线框架4a、4b进行密封。说明半导体装置30中使用的绝缘层5、7。在半导体装置的绝缘层中，要求二个功能、即绝缘性以及散热性。在专利文献I的半导体装置中，陶瓷绝缘基板相当于上述绝缘层，第一外部电极部相当于上述引线框架。在专利文献I的半导体装置中，将陶瓷绝缘基板置换为上述绝缘层并将第一外部电极部置换为上述引线框架而在图5中示出简化了的图。图5是示出比较例的半导体装置的图。在图5中，在作为通常的配置位置的金属基体板6的背面侧，配置了冷却器9。在图5所示那样的仅有一个绝缘层的比较例的半导体装置的情况下，需要通过一个绝缘层同时实现上述的二个功能。此处，考虑绝缘特性以及散热特性。图2是示出本发明的实施方式I的绝缘层的散热特性和绝缘特性的相关图。横轴是散热特性，纵轴是绝缘特性。如图2的相关特性20所示，散热特性和绝缘特性存在相关关系。即，散热特性和绝缘特性成为如果提高一方则另一方变低的关系。半导体元件与其他元件等绝缘，并且必需在能够发挥元件性能的温度范围内动作。关于安装了通过动作而大量发生热的半导体元件、在高温下动作的半导体元件的半导体装置，为了使半导体元件执行期望的动作，需要同时实现绝缘性以及散热性。关于需要通过一个绝缘层同时实现绝缘性以及散热性的比较例的半导体装置，作为绝缘层的特性，必需选择图2的虚线圆b所示那样的范围。一般，有机绝缘片成为对环氧树脂等热硬化性树脂填充了氮化铝、氧化铝(矾土)、氮化硼以及碳化硅等无机物的填充物的构造。为了提高散热性，通过填充物粒子直径的大径化、填充物的高相对介电常数化、增加填充物填充量来提高绝缘材料的热传导率即可。但是，在实施用于提高散热性的第I方法、即填充物粒子直径的大径化的情况下，如图3所示，粒子直径越大，电场倍增率(将无机填充材料附近部的局部电场除以平均电场而得到的指数)越高，其结果，耐电压特性、耐部分放电特性等绝缘性急剧降低。图3是示出本发明的实施方式I的绝缘层的电场倍增率的图。横轴是无机填充材料的粒子直径，纵轴是电场倍增率。特性11是无机填充材料为高相对介电常数的情况的特性，特性12是无机填充材料为低相对介电常数的情况的特性。另外，在实施用于提高散热性的第2方法、即填充物的高相对介电常数化的情况下，作为提高了作为无机填充材料的无机填充物的相对介电常数的情况的特性11相比于特性12电场倍增率更高，其结果，耐电压特性、耐部分放电特性等绝缘性急剧降低。作为提高了无机填充物的相对介电常数的情况的特性11相比于特性12电场倍增率更高的原因在于，通过环氧树脂的相对介电常数与填充物的相对介电常数之差变大，填充物前端部的电场变高。因此，如果并用用于提高散热性的第I方法和第2方法而进一步提高散热性，则如图3中的特性11的右侧那样，电场倍增 率急剧变高，绝缘性急剧降低，所以难以维持半导体元件动作所需的绝缘性。因此，需要通过如特性12所示降低无机填充物的相对介电常数(接近环氧树脂的相对介电常数)，降低电场倍增率，来确保规定的绝缘性。另外，在用于提高散热性的第3方法、即在环氧树脂中增大填充物填充量的情况下，每单位体积的孔隙含有率(称为孔隙率)变大。图4是示出在环氧树脂中填充了无机填充物的情况的绝缘片(绝缘层)中的每单位堆积的孔隙率和绝缘耐压的关系的相关图。横轴是孔隙率，纵轴是标准化了的耐压。标准化了的耐压能够使用例如任意的孔隙率下的与绝缘耐压的比来表示。在图4的情况下，以孔隙率0.4%的绝缘耐压为基准进行了标准化。如果增加填充物填充量，则孔隙率变大，所以在该情况下，如图4的特性14所示，耐电压特性、耐部分放电特性等绝缘性急剧降低。另外，还考虑通过使绝缘层变薄来降低热电阻而提高散热性。但是，如果使绝缘层变薄来降低热电阻而提高散热性，则绝缘层的表面与背面之间的电场变高，所以与用于提高散热性的第I 3的方法的情况同样地，耐电压特性、耐部分放电特性等绝缘性降低。如以上那样，在仅有一个绝缘层的比较例的半导体装置的情况下，必须严格地决定填充物形状、填充率、填充物种类、绝缘层的厚度，可应用的材料的使用灵活性、构造设计灵活性变窄。即使在搭载了在高温下动作的半导体元件(高温动作应对的半导体元件)的情况下，搭载了该半导体元件的半导体装置也有可能无法达成充分的绝缘性以及散热性。因此，关于仅有一个绝缘层的比较例的半导体装置，在搭载了通过动作大量发生热的半导体元件、在高温下动作的半导体元件的情况下，无法充分提高绝缘性以及散热性。与比较例的半导体装置不同，实施方式I的半导体装置30并非是一个绝缘层，而分割为二个绝缘层，所以能够根据应用的场所而使绝缘层的特性最佳化。在需要使半导体元件la、lb的发热高效地传递到金属基体板6的高散热性绝缘层5中，如图2的虚线圆c所示，应用散热性高的材料。进而，无需散热特性，或者必要性低，但在需要与外部的绝缘的高绝缘性绝缘层7中，如图2的虚线圆a所示，应用绝缘性高的材料。因此，在实施方式I的半导体装置30中，在金属基体板6与引线框架4a、4b之间配置高绝缘性绝缘层7，在金属基体板6中的高散热性绝缘层5的相反侧，配置高绝缘性绝缘层7，从而能够提高半导体装置的散热性，并且提高半导体装置与外部的绝缘性。高散热性绝缘层5能够使用图3所示那样的填充物形状(粒子直径)大、且相对介电常数高的材料，还能够增加填充量。另外，关于高散热性绝缘层5，也可以降低绝缘性，所以能够薄壁化，还能够通过降低热电阻而提高热传递。但是，在配置了多个半导体元件的情况下，当然需要半导体元件的驱动电压以上的耐电压。关于高绝缘性绝缘层7，无需热传导性，所以无需在环氧树脂中填填充充物。在环氧树脂中不填填充充物的情况下，成为绝缘缺陷的填充物所致的电场集中、孔隙的发生消失，如图4所示，绝缘耐压提高，所以高绝缘性绝缘层7的厚度满足必要的绝缘耐压即可。即，能够使高绝缘性绝缘层7的厚度变薄。因此，作为结果，还能够实现高绝缘性绝缘层7
的薄壁化。还能够使高散热性绝缘层5和高绝缘性绝缘层7的特性成为如下。关于散热特性，高散热性绝缘层5大于高绝缘性绝缘层7,并且关于绝缘特性,高散热性绝缘层5小于高绝缘性绝缘层7。如果使用记·号 >、< 来表示，则成为高散热性绝缘层5的散热特性 > 高绝缘性绝缘层7的散热特性、并且高散热性绝缘层5的绝缘特性〈高绝缘性绝缘层7的绝缘特性(条件I)。根据设为条件I的关系的结构，能够使填充物形状、填充率、填充物种类、绝缘层的厚度等具有余地，能够增大可应用的材料的使用灵活性、构造设计灵活性，得到在具有高热传导性的同时具有高绝缘可靠性的半导体装置。另外，关于高绝缘性绝缘层7，散热性也可以不高，所以无需使用专利文献I的厚壁化了的陶瓷基板那样的昂贵的基板，能够应用例如粉体涂饰、电镀涂饰这样的以往的半导体装置中未应用的廉价且绝缘可靠性高的膜形成手法。关于高绝缘性绝缘层7，通过应用粉体涂饰、电镀涂饰等膜形成手法，能够在金属基体板上直接形成聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、环氧树脂等的绝缘膜。能够如图1所示，在金属基体板6和冷却器9a、9b中应用膜形成手法来进行粉体涂饰、电镀涂饰等，使得在金属基体板6中的与配置高绝缘性绝缘层7的面相同的一侧的冷却器9a、9b的面具有高绝缘性绝缘层7。实施方式I的半导体装置30能够解决专利文献I的半导体装置由于使用厚壁化了的陶瓷基板而发生的高成本化的问题。另夕卜，冷却器9a、9b中形成的高绝缘性绝缘层7也可以是处于希望绝缘的一部分的情况。另外，在实施方式I的半导体装置30中，还能够使金属基体板6成为非接地电位。即，能够使金属基体板6不与对半导体元件la、Ib供给接地电位的接地电位电极(未图示)连接。通过使金属基体板6成为非接地电位，能够抑制针对半导体元件la、Ib的噪声。因此，得到半导体元件la、lb的稳定动作优良的半导体装置。根据实施方式I的半导体装置，具备半导体元件la、与半导体元件Ia连接的引线框架4a、隔着第I绝缘层5配置于引线框架4a的金属基体板6、以及在金属基体板6中的与配置了第I绝缘层5的面相反的一侧设置的第2绝缘层7，第I绝缘层5以及第2绝缘层7的特性是以下中的某一个，即第I绝缘层5是散热性比第2绝缘层7高的绝缘层、且第2绝缘层7是其绝缘性与第I绝缘层5的绝缘性相同或者比第I绝缘层5的绝缘性高的绝缘层、或者第2绝缘层7是绝缘性比第I绝缘层5高的绝缘层、且第I绝缘层5是其散热性与第2绝缘层7的散热性相同或者比第2绝缘层7的散热性高的绝缘层，所以能够提高散热性，并且提高绝缘性。另外，在实施方式I中，为易于理解，将半导体元件设为2个，但也可以设为根据用途的个数。另外，示出了作为电连接手段使用了导线的例子，但作为电连接手段，即使使用球电极、插入部件、印刷布线基板、直接引线方式，当然也可以得到与实施方式I同样的效果。另外，虽然以压铸模型的半导体装置例进行了说明，但例如作为一个例子，当然还能够同样地应用于如专利文献I的半导体装置那样安装于壳体的壳体型的半导体装置等制法不同的半导体装置，起到同样的效果。另外，在散热器一体型以及分离型中的任意一个的半导体装置中，都能够与实施方式I同样地构成，能够起到与实施方式I同样的效果。另外，半导体元件不限于硅(Si)，在碳化硅(SiC)、氮化镓半导体等化合物半导体等所有半导体元件中都能够得到同样的效果，即使在二极管(Di)、IGBT以外的晶体管、集成回路(IC)等中当然也能够得到同样的效果。特别，关于高温动作应对的半导体元件，除了碳化硅以外，还能够使用氮化镓系材料或者金刚石。例如，在作为开关元件、整流元件发挥功能的半导体元件中，使用了碳化硅、氮化镓系材料或者金刚石的 情况下，相比于以往使用的由硅(Si)形成的元件，电力损失更低，所以能够实现电力用半导体装置等高温动作应对的半导体装置的高效化。另外，耐电压性高，且容许电流密度也高，所以能够实现半导体装置的小型化。进而，关于宽能带隙半导体元件，耐热性高，所以能够实现高温动作，还能够实现散热器的散热片的小型化、水冷部的空冷化，所以能够使半导体装置进一步小型化。另外，在将电极和半导体芯片、绝缘基板等通过焊锡等进行了电连接的接合型、或者、将电极和半导体芯片、绝缘基板等从电极外侧方向朝向内侧方向通过弹性体、螺栓固定等进行加压而电连接的压接型、或者、它们的复合型中的任意一个的半导体装置中，都能够与实施方式I同样地构成，能够起到与实施方式I同样的效果。另外，作为无机填充材料的种类，除了上述举出的氮化铝、氧化铝(矾土 )、氮化硼以及碳化硅以外，显然只要满足相对介电常数的大小关系，就能够适用。
权利要求
1.一种半导体装置，其特征在于，具备: 半导体元件； 引线框架，与所述半导体元件连接； 金属基体板，隔着第I绝缘层配置于所述引线框架；以及 第2绝缘层，设置于所述金属基体板中的与配置了所述第I绝缘层的面相反的一侧， 所述第I绝缘层是散热性比所述第2绝缘层高的绝缘层， 所述第2绝缘层是其绝缘性与所述第I绝缘层的绝缘性相同或者比所述第I绝缘层的绝缘性高的绝缘层。
2.—种半导体装置，其特征在于，具备: 半导体元件； 引线框架，与所述半导体元件连接； 金属基体板，隔着第I绝缘层配置于所述引线框架；以及 第2绝缘层，设置于所述金属基体板中的与配置了所述第I绝缘层的面相反的一侧， 所述第2绝缘层是绝缘性比所述第I绝缘层高的绝缘层， 所述第I绝缘层是其散热性与所述第2绝缘层的散热性相同或者比所述第2绝缘层的散热性高的绝缘层。
3.根据权利要求1或者2所述的半导体装置，其特征在于， 所述第I绝缘层是散热性比所述第2绝缘层高的绝缘层，并且所述第2绝缘层是绝缘性比所述第I绝缘层高的绝缘层。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于， 所述第I绝缘层以及所述第2绝缘层包含填充物， 所述第I绝缘层的填充物粒子直径大于所述第2绝缘层的填充物粒子直径。
5.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于， 所述第I绝缘层以及所述第2绝缘层包含填充物， 所述第I绝缘层的填充物的相对介电常数高于所述第2绝缘层的填充物的相对介电常 数。
6.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于， 所述第I绝缘层中的作为每单位体积的孔隙含有率的孔隙率高于所述第2绝缘层中的所述孔隙率。
7.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于， 所述第I绝缘层以及所述第2绝缘层包含填充物， 所述第I绝缘层的填充物填充量多于所述第2绝缘层的填充物填充量。
8.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于， 所述第I绝缘层的厚度比所述第2绝缘层的厚度薄。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的半导体装置，其特征在于， 具有与所述金属基体板连接的冷却器， 所述冷却器在所述金属基体板中的与配置了所述第2绝缘层的面相同的一侧的面具有所述第2绝缘层。
10.根据权利要求1至9中的任意一项所述的半导体装置，其特征在于，所述第2绝缘层是通过粉体涂饰或者电镀涂饰形成的。
11.根据权利要求1至10中的任意一项所述的半导体装置，其特征在于，所述金属基体板不与对所述半导体元件供给接地电位的接地电位电极连接。
12.根据权利要求1至11中的任意一项所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体元件由宽能带隙半导体材料形成。
13.根据权利要求12所述的半导体装置，其特征在于，所述宽能带隙半导体材料是碳化 硅、氮化镓系材料和金刚石中的任意一个。
全文摘要
本发明的目的在于得到一种散热性提高、并且绝缘性提高的半导体装置。具备半导体元件(1a)、与半导体元件(1a)连接的引线框架(4a)、隔着第1绝缘层(5)配置于引线框架(4a)的金属基体板(6)、以及在金属基体板(6)中的与配置了第1绝缘层(5)的面相反的一侧设置的第2绝缘层(7)，第1绝缘层(5)是散热性比第2绝缘层(7)高的绝缘层，第2绝缘层(7)是其绝缘性与第1绝缘层(5)的绝缘性相同或者比第1绝缘层(5)的绝缘性高的绝缘层。
文档编号H01L25/07GK103250243SQ20118005864
公开日2013年8月14日 申请日期2011年12月5日 优先权日2010年12月16日
发明者盐田裕基, 冈诚次, 山口义弘 申请人:三菱电机株式会社