半导体器件及半导体器件的制造方法
【专利摘要】半导体器件包括：半导体元件，其两个面上分别具有至少一个电极面；第一导体部件，其通过焊料与设置在半导体元件的一个面上的电极面接合；和第二导体部件，其通过焊料与设置在半导体元件的另一个面上的电极面接合，其中，设置在半导体元件的一个面上的电极面中的至少一个电极面为双梳齿状。
【专利说明】半导体器件及半导体器件的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有通过焊料将半导体元件的两个面与导体部件接合而得到的结构的半导体器件。
【背景技术】
[0002]安装在混合动力型的电动车或单纯的电动车的电力转换装置等中的半导体器件中使用IGBT芯片等功率半导体元件。IGBT芯片为反复地配置数千?数万个或者数千?数万片IGBT单元的结构。IGBT芯片为由发射极、集电极和栅极构成的三端子设备，在结构上，发射极和栅极以绝缘的状态形成在IGBT芯片的同一面内。
[0003]栅极上连接有使用铝等电导率高的材料的栅极配线，用于减少控制信号的传导延迟时间的误差，该栅极配线经由多晶硅配线等与IBGT的栅极连接。
[0004]IGBT芯片的发射极一般被该栅极配线分割成多个区域(参考专利文献I)。并且存在该被分割后的发射极通过焊料与导体部件相连接的情况。
[0005]安装在混合动力型的电动车或单纯的电动车的电力转换装置等中的半导体器件随着近年来系统的高输出化而具有输入电流增加的倾向。在半导体元件与导体部件的连接中通过焊料的情况下，输入电流的增加使半导体元件的温度变化增大，使连接半导体元件与导体部件的焊料劣化。焊料的劣化影响到空隙率，为了提高与温度变化对应的焊料的寿命，抑制焊接时产生的空隙成为重要的研究问题。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本特开2004-221269号公报
【发明内容】
[0009]发明要解决的技术问题
[0010]如专利文献I中记载的半导体器件，一般的半导体器件中发射极由比多晶硅配线电阻小的铝配线分割成多份。铝配线由与焊料的沾润性低的聚酰亚胺树脂等的具有绝缘性的保护膜所覆盖。
[0011]因此，在通过焊料来连接发射极面与导体部件的情况下，IGBT芯片的发射极面上的焊料的扩展被保护膜所限制，存在因焊料不均匀地流动使得空隙率变高的问题。进一步地，由于焊料的扩展方向被限制在规定方向上，焊料过剩地在该方向上流动，存在产生越过IGBT芯片的发射极面地流动的焊料流的情况。
[0012]用于解决技术问题的技术手段
[0013]本发明的第一实施方式的半导体器件包括:半导体元件，其两个面上分别具有至少一个电极面；第一导体部件，其通过焊料与设置在半导体元件的一个面上的电极面接合；和第二导体部件，其通过焊料与设置在半导体元件的另一个面上的电极面接合，其中，设置在半导体元件的一个面上的电极面中的至少一个电极面为双梳齿状。[0014]根据本发明的第二实施方式，在第一实施方式的半导体器件中，优选双梳齿状的电极面具有主焊料扩展电极面和从主焊料扩展电极面向两侧呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面。
[0015]根据本发明的第三实施方式，在第一或第二实施方式的半导体器件中，优选在双梳齿状的电极面的周边配设有栅极配线，栅极配线与双梳齿状的电极面相比焊料沾润性低，且由具有绝缘性的保护膜覆盖。
[0016]根据本发明的第四实施方式，在第一至第三中任一方式的半导体器件中，优选第一导体部件和第二导体部件由铜材料构成，在第一导体部件和第二导体部件的与焊料接合的接合面上未实施表面加工。
[0017]本发明的第五实施方式的半导体器件包括:IGBT芯片及二极管芯片；第一导体板，其通过焊料与在IGBT芯片的一个面上至少设置有一个的发射极面和设置在二极管芯片的一个面上的阳极面接合；和第二导体板，其通过焊料与设置在IGBT芯片的另一个面上的集电极面和设置在二极管芯片的另一个面上的阴极面接合，其中，设置在IGBT芯片的一个面上的发射极面中的至少一个发射极面为双梳齿状，双梳齿状的电极面具有主焊料扩展电极面和从主焊料扩展电极面向两侧呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面，在发射极面的周边配设有栅极配线，栅极配线与发射极面相比焊料沾润性低，且由具有绝缘性的保护膜覆
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[0018]本发明的第六实施方式的半导体器件包括:构成逆变器电路的上下臂的上臂用IGBT芯片和上臂用二极管芯片以及下臂用IGBT芯片和下臂用二极管芯片；第二交流电极引线框，其通过焊料与在上臂用IGBT芯片的一个面上至少设置有一个的发射极面和设置在上臂用二极管芯片的一个面上的阳极面接合；直流正极电极引线框，其通过焊料与设置在上臂用IGBT芯片的另一个面上的集电极面和设置在上臂用二极管芯片的另一个面上的阴极面接合；直流负极电极引线框，其通过焊料与在下臂用IGBT芯片的一个面上至少设置有一个的发射极面和设置在下臂用二极管芯片的一个面上的阳极面接合；和第一交流电极引线框，其通过焊料与设置在下臂用IGBT芯片的另一个面上的集电极面和设置在下臂用二极管芯片的另一个面上的阴极面接合，其中，分别设置在上臂用IGBT芯片和下臂用IGBT芯片的一个面上的发射极面中的至少一个发射极面为双梳齿状，双梳齿状的电极面具有主焊料扩展电极面和从主焊料扩展电极面向两侧呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面，在发射极面的周边配设有栅极配线，栅极配线与发射极面相比焊料沾润性低，且由具有绝缘性的保护膜覆盖。
[0019]根据本发明的第七实施方式，在第一至第六中任一实施方式的半导体器件中，在双梳齿状的电极面上实施了用于使焊料沾润性提高的镀镍。
[0020]本发明的第八实施方式的半导体器件的制造方法为一种制造第二至第四中任一实施方式的半导体器件的方法，包括:准备第一导体部件、第二导体部件和至少具有一个双梳齿状的电极面的半导体元件的工序；通过焊料将设置在半导体元件的另一个面上的电极面与第二导体部件接合的工序；在包含构成半导体元件的双梳齿状的电极面的主焊料扩展电极面的一部分的规定区域，或者第一导体部件的与规定区域相对的区域滴下熔融状态的焊料的工序；通过使第一导体部件与设置在半导体元件的一个面上的电极面的距离接近，以使熔融状态的焊料从主焊料扩展电极面扩展到副焊料扩展电极面，通过焊料将设置在半导体元件的一个面上的电极面与第一导体部件接合的工序；和使用封装部件封装第一导体部件和第二导体部件的工序。
[0021]本发明的第九实施方式的半导体器件的制造方法为一种制造第二至第四中任一实施方式的半导体器件的方法，包括:准备第一导体部件、第二导体部件和至少具有一个双梳齿状的电极面的半导体元件的工序；通过焊料将设置在半导体元件的另一个面上的电极面与第二导体部件接合的工序；在第一导体部件的滴下区域滴下熔融状态的焊料的工序；进行定位，使得滴下到滴下区域的焊料与包含主焊料扩展电极面的一部分的规定区域相对地配置的工序，其中，主焊料扩展电极面构成设置在半导体元件的一个面上的双梳齿状的电极面；使半导体元件的一个面接近第一导体部件，使熔融状态的焊料从主焊料扩展电极面扩展到副焊料扩展电极面，通过焊料将设置在半导体元件的一个面上的电极面与第一导体部件接合的工序；和使用封装部件封装第一导体部件和第二导体部件的工序。
[0022]本发明的第十实施方式的半导体器件的制造方法为一种制造第五实施方式的半导体器件的方法，包括:准备二极管芯片、第一导体板、第二导体板和至少具有一个双梳齿状的发射极面的IGBT芯片的工序；在IGBT芯片的集电极面和二极管芯片的阴极面各自的中央位置，或者第二导体板的与各自的中央位置相对的规定位置滴下熔融状态的焊料的工序；使IGBT芯片的集电极面和二极管芯片的阴极面同时接近第二导体板，使熔融状态的焊料扩展到集电极面和阴极面，通过焊料将IGBT芯片的集电极面和二极管芯片的阴极面分别与第二导体板接合的工序；在包含构成IGBT芯片的发射极面的主焊料扩展电极面的一部分的规定区域和二极管芯片的阳极面的中央位置，或者第一导体板的与规定区域和阳极面的中央位置相对的规定位置滴下熔融状态的焊料的工序；使IGBT芯片的发射极面和二极管芯片的阳极面同时接近第一导体板，使熔融状态的焊料从发射极面的主焊料扩展电极面扩展到副焊料扩展电极面，并且使熔融状态的焊料扩展到阳极面，通过焊料将IGBT芯片的发射极面和二极管芯片的阳极面分别与第一导体板接合的工序；和使用封装部件封装第一导体板和第二导体板的工序。
[0023]本发明的第十一实施方式的半导体器件的制造方法为一种制造第二至第四中任一实施方式的半导体器件的方法，包括:准备第一导体部件、第二导体部件和至少具有一个双梳齿状的电极面的半导体元件的工序；通过焊料将设置在半导体元件的另一个面上的电极面与第二导体部件接合的工序；在包含构成半导体元件的双梳齿状的电极面的主焊料扩展电极面的一部分的规定区域或者第一导体部件的与规定区域相对的区域设置焊料的工序；加热焊料使其熔融，并使第一导体部件与设置在半导体元件的一个面上的电极面的距离接近，由此使熔融状态的焊料从主焊料扩展电极面扩展到副焊料扩展电极面，通过焊料将设置在半导体元件的一个面上的电极面与第一导体部件接合的工序；和使用封装部件封装第一导体部件和第二导体部件的工序。
[0024]发明的效果
[0025]通过本发明由于能够抑制空隙的产生和焊料流动，实现焊接部的长寿命化，因此能够提供高可靠性的半导体器件及其制造方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是表示功率模块的外观的立体图。[0027]图2是表示功率模块的剖面示意图。
[0028]图3是功率半导体单元的分解立体图。
[0029]图4是功率半导体单元的电路图。
[0030]图5是功率半 导体单元的剖面示意图。
[0031]图6是表不IGBT芯片的发射极面和二极管芯片的阳极面的不意图。
[0032]图7 (a)是沿图6的B— B线剖开后的功率半导体单元的剖面示意图，(b)是(a)的D部分放大图。
[0033]图8是沿图6的C 一 C线剖开后的功率半导体单元的剖面示意图。
[0034]图9是表示功率半导体单元的制造方法的工序图。
[0035]图10是表示焊料的设定位置和焊料的扩展方向的示意图。
[0036]图11是表示IGBT芯片的发射极面上熔融状态的焊料扩展的情况的示意图。
[0037]图12是表示以往的IGBT芯片的发射极面上熔融状态的焊料扩展的情况的示意图
[0038]图13是表示变形例的IGBT芯片的发射极面上的焊料设定位置和焊料的扩展方向的示意图。
[0039]图14是表示变形例的IGBT芯片的发射极面上的焊料设定位置和焊料的扩展方向的示意图。
[0040]图15是表不变形例的IGBT芯片的发射极面的不意图。
【具体实施方式】
[0041]以下参考附图针对用于实施本发明的方式进行说明。图1是表示功率模块300的外观的立体图，图2是表示功率模块300的剖面示意图。功率半导体模块300将包含开关元件的传递模成型(transfer mould)的功率半导体单元330 (参考图2)收纳在金属制模块壳体310内。功率模块300例如用于单纯的电动车或混合动力型电动车等电动车辆中安装的电力转换装置中。
[0042]模块壳体310具有直立设置了多个散热鳍片305的一对散热板。散热板由热传导率高的铝等金属形成。如图2所示，位于图中左侧的一个散热板上设有直立设置了多个散热鳍片305的厚壁部303和设于其周围的薄壁部302。通过使薄壁部302塑性变形来使收纳在内部的功率半导体单元330的散热面与厚壁部303的内周面紧密接触。如图1所示，设于功率半导体单元330中的直流正极端子315B、直流负极端子319B、交流端子321以及信号端子325L、325U、326L、326U从模块壳体310的一个面上突出。
[0043]图3是功率半导体单元330的分解立体图，图4是功率半导体单元330的电路图。图3中省略了传递模的图示。本实施方式中，作为功率半导体元件设置了 IGBT (绝缘栅双极晶体管)芯片155、157和二极管芯片156、158。图3所示的例子中，IGBT芯片155、157和二极管芯片156、158分别并列设置有两个，而在图4的电路图中为了简化说明仅表示了其中一个。
[0044]如图3所示，隔着功率半导体元件，在一侧上大致呈同一平面状地配置有直流正极电极引线框315和第一交流电极引线框316，在另一侧上大致呈同一平面状地配置有第二交流电极引线框318和直流负极电极引线框319。
[0045]各功率半导体元件为扁平结构，各电极形成于正反面上。在直流正极电极引线框315的元件固定部322上，通过焊料160固定有上臂用IGBT芯片155的集电极和上臂用二极管芯片156的阴极。
[0046]另一方面，在第一交流电极引线框316的元件固定部322上，通过焊料160固定有下臂用IGBT芯片157的集电极和下臂用二极管芯片158的阴极。
[0047]在第二交流电极引线框318的元件固定部322上，通过焊料160固定有上臂用IGBT芯片155的发射极和上臂用二极管芯片156的阳极。另一方面，直流负极电极引线框319的元件固定部322上通过焊料160固定有下臂用IGBT芯片157的发射极和下臂用二极管芯片158的阳极。
[0048]如图3所示，直流正极电极引线框315与第二交流电极引线框318以隔着各IGBT芯片155和二极管芯片156的方式大致平行地相对。同样地，第一交流电极引线框316与直流负极电极引线框319以隔着各IGBT芯片157和二极管芯片158的方式大致平行地相对。如图4所示，第一交流电极引线框316与第二交流电极引线框318经由中间电极159相连接。通过利用中间电极159来连接，使上臂电路与下臂电路电连接，构成如图4所示的上下臂串联电路。
[0049]如图3所示，直流正极配线315A —体地形成在直流正极电极引线框315上，直流正极配线315A的前端形成有直流正极端子315B。同样地，直流负极配线319A —体地形成在直流负极电极引线框319上，直流负极配线319A的前端形成有直流负极端子319B。第一交流电极引线框316上一体地形成有交流配线320，交流配线320的前端形成有交流端子321。
[0050]直流正极配线315A与直流负极配线319A之间设有热可塑性树脂端子块600。如图1所示，直流正极配线315A和直流负极配线319A按照以大致平行地相对的状态从模块壳体310突出的方式延伸。信号端子325L、325U、326L、326U —体成型于热可塑性树脂端子块600上，在与直流正极配线315A和直流负极配线319A相同的方向上以从模块壳体310突出的方式延伸。因此，直流正极配线315A与直流负极配线319A之间的绝缘性以及信号配线与各配线板的绝缘性得到确保，能够实现高密度配线。
[0051]热可塑性树脂端子块600所用的树脂材料适用具有传递模的模具的温度以上(例如180°C以上)的耐热性以及绝缘性的热可塑性树脂，使用聚苯硫醚(PPS)或液晶高分子聚合物(LCP)等。
[0052]图5是功率半导体单元330的剖面示意图。图6是表示IGBT芯片I的发射极11的电极面Ila和二极管芯片2的阳极21的电极面21a的示意图，为图5的A — A剖面图。图6中封装材料20和焊料5、7省略图示。此外，如图6所示，IGBT芯片1、二极管芯片2并排成一列的方向为I方向，与I方向正交的方向为X方向。
[0053]上臂用IGBT芯片、上臂用二极管芯片及上臂用各种配线等上臂用构成部件与下臂用IGBT芯片、下臂用二极管芯片及下臂用各种配线等下臂用构成部件大致为相同结构，因此对上臂用或下臂用构成部件如下地定义及说明。
[0054]上臂用IGBT芯片155和下臂用IGBT芯片157仅记为IGBT芯片1、上臂用二极管芯片156和下臂用二极管芯片158仅记为二极管芯片2。第二交流电极引线框318和直流负极电极引线框319仅记为第一汇流条3，直流正极电极引线框315和第一交流电极引线框316仅记为第二汇流条4。包括信号端子325U、325L、326L、326U的信号用配线分别称为栅极引线9。
[0055]如图5和图6所示，IGBT芯片I中，在一个面上设有发射极11的电极面Ila和端子电极13即发射极端子电极13a和栅极端子电极13b，在另一个面上设有集电极12的电极面12a。栅极端子电极13b输入有来自与功率模块相连接的驱动电路(未图示)的驱动信号。从发射极端子电极13a向驱动电路(未图示)输出流过IGBT芯片I的发射极11的电流信息。此外，本实施方式的IGBT芯片I为IOmmX IOmm左右的尺寸。
[0056]发射极11的电极面Ila通过焊料5与第一汇流条3接合。集电极12的电极面12a通过焊料6与第二汇流条4接合。发射极端子电极13a和栅极端子电极13b分别通过铝导线10与栅极引线9接合。
[0057]二极管芯片2中，在一个面上设有阳极21的电极面21a,在另一个面上设有阴极22的电极面22a。阳极21的电极面21a通过焊料7接合到与第一汇流条3的IGBT芯片I所接合的面相同的面上。阴极22的电极面22a通过焊料8接合到与第二汇流条4的IGBT芯片I所接合的面相同的面上。
[0058]发射极面11a、阳极面21a、集电极面12a和阴极面22a分别实施用于可使焊料接合的例如镀镍等表面加工。另一方面，第一汇流条3和第二汇流条4由铜材料构成，第一汇流条3和第二汇流条4的与焊料的接合面不实施镀镍等表面加工，表面为纯铜材料。
[0059]如图5所示，被夹持在第一汇流条3与第二汇流条4之间的IGBT芯片I和二极管芯片2以及连接IGBT芯片I与栅极引线9的铝导线10，通过环氧树脂等具有绝缘性的绝缘性有机材料的封装部件20进行封装。栅极引线9的与铝导线10的连接部的相反侧突出到封装材料20的外侧，用作驱动信号的外部接口。
[0060]如图2所示，第一汇流条3 (318、319)和第二汇流条4 (315、316)的与IGBT芯片I (155、157)和二极管芯片2 (156、158)所连接的面的相反侧的面不被树脂封装而露出。该露出面隔着绝缘片333等与模块壳体310的内表面相接。因此，从IGBT芯片I和二极管芯片2产生的热通过第一汇流条3 (318,319)和第二汇流条4 (315,316)以及绝缘片333传递到模块壳体310的散热鳍片305或模块壳体310的表面，通过与散热鳍片305或模块壳体310的表面接触的冷媒(未图示)散热。
[0061]如图6所示，发射极11的电极面Ila俯视时为从沿X方向的电极面在+ y方向及一 I方向上突出4对带状电极面的双梳齿状。具体地如图所示，发射极11的电极面Ila具有在其中央部沿X方向延伸的主焊料扩展电极面llal，还具有从主焊料扩展电极面Ilal在两侧的+ Y方向及一 I方向上呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面lla2。
[0062]如图所示，二极管芯片2的阳极21的电极面21a的形状俯视时为矩形状，虽然未图示，IGBT芯片I和集电极12的电极面12a和二极管芯片2的阴极22的电极面22a的形状俯视时也为矩形状。
[0063]图7 Ca)是沿图6的B — B线剖开后的功率半导体单元330的剖面示意图，图7(b)是图7 Ca)的D部分放大图。图8是沿图6的C 一 C线剖开后的功率半导体单元330的剖面示意图。在图7和图8中省略封装部件20。如图6和图7所示，构成副焊料扩展电极面lla2的相邻带状电极面彼此之间配设有用于连接IGBT各单元的栅极(未图示)与栅极端子电极13b的铝栅极配线15。
[0064]虽然未图示，铝栅极配线15与IGBT各单元的栅极例如经由多晶硅配线相连接。多晶硅配线的电阻值比铝栅极配线15的电阻值高数十?数百倍。因此，如果多晶硅配线增长，则到IGBT各单元的电阻增加，IGBT各单元的响应变差。在本实施方式中，通过在包含构成副焊料扩展电极面lla2的相邻带状电极面彼此之间的区域的发射极面Ila周边配设铝栅极配线15，使得多晶硅配线变短。
[0065]如图6?图8所示，铝栅极配线15由具有绝缘性的保护膜14所覆盖。在包括各电极面的IGBT芯片I的整个面上涂敷保护膜，干燥后通过蚀刻处理除去电极面上的保护膜，使得如图7和图8所示地在芯片电极面上形成覆盖铝栅极配线15的保护膜14。如图6所示，在二极管芯片2的阳极21的电极面21a的周边上形成有具有绝缘性的保护膜24。作为保护膜14、24可使用聚酰亚胺树脂或聚酰胺树脂等。
[0066]保护膜14与IGBT芯片I的发射极面Ila相比焊料沾润性低。因此如图7 (b)所示，在构成IGBT芯片I的副焊料扩展电极面lla2的相邻带状电极面彼此之间形成的保护膜14上，形成作为焊料5不会沾润扩展的空间的不存在焊料5的未沾润空间16。此外，如图7 Ca)的虚线X所示，存在未沾润空间16贯通到第一汇流条3的情况。
[0067]如图8所示，图6的C 一 C剖面上不存在保护膜14，除了空隙(细小的空隙)等焊接缺陷(未图示)之外不存在未沾润空间16。这样，未沾润空间16存在于在构成副焊料扩展电极面lla2的带状电极面彼此之间形成的保护膜14上(参考图7)。
[0068]参考图9和图10说明本发明的半导体器件的制造方法的实施方式。图9是表示功率半导体单元330的制造方法的工序图，图10是表示焊料5a、7a的设定位置和焊料5a、7a的扩展方向的示意图。
[0069]首先，准备IGBT芯片I和二极管芯片2以及第一汇流条3和第二汇流条4。如图9 (a)所示，在第二汇流条4表面的焊料滴下区域滴下熔融状态的焊料6a和焊料8a。第二汇流条4表面的焊料滴下区域为与IGBT芯片I的集电极面12a的中央位置相对的区域和与二极管芯片2的阳极面22a的中央位置相对的区域。在与IGBT芯片I的集电极面12a的中央位置相对的第二汇流条4的焊料滴下区域中滴下焊料6a。在与二极管芯片2的阳极面22a的中央位置相对的第二汇流条4的焊料滴下区域中滴下焊料8a。
[0070]接着，如图9 (b)所示，在第二汇流条4的芯片安装面上对IGBT芯片I和二极管芯片2进行定位，使熔融状态的焊料6a与IGBT芯片I的集电极面12a的中央位置相对地配置，并使熔融状态的焊料8a与二极管芯片2的阴极面22a的中央位置相对地配置。
[0071]进行定位后，向着第二汇流条4将IGBT芯片I的集电极面12a和二极管2的阴极面22a同时按压到熔融状态的焊料6a和焊料8a上，使熔融状态的焊料6a在集电极面12a上扩展，并使熔融状态的焊料8a在阴极面22a上扩展。由此，如图9 (C)所示，通过焊料6、8将IGBT芯片I的集电极面12a和二极管芯片2的阴极面22a—同与第二汇流条4a接合。
[0072]将这样形成的部件称为第二汇流条组30。此外，如上所述，IGBT芯片I的集电极面12a和二极管芯片2的阴极面22a俯视时为矩形。由此，在各电极面中央设置的熔融状态的焊料6a、8a向外(放射状地)均等地流动，扩展到各电极面的整个面。
[0073]如图9 (d)所示，在第一汇流条3的表面的滴下区域滴下熔融状态的焊料5a和焊料7a。第一汇流条3表面的滴下区域为与位于IGBT芯片I的发射极面Ila中央的焊料设定区域50 (参考图10)相对的区域、以及与位于二极管芯片2的阳极面21a中央的焊料设定区域70 (参考图10)相对的区域。在与焊料设定区域50相对的第一汇流条3的焊料滴下区域中滴下焊料5a。在与焊料设定区域70a相对的第一汇流条3的焊料滴下区域中滴下焊料7a。
[0074]如图10所示，焊料设定区域50设定为包含构成IGBT芯片I的发射极面Ila的主焊料扩展电极面Ilal的一部分。如图9 Ce)所示，将图9 (C)所示的第二汇流条组30翻转，在第一汇流条3的芯片安装面上对IGBT芯片I和二极管芯片2进行定位，使得熔融焊料5a与焊料设定区域50 (参考图10)相对地配置并且熔融焊料7a与焊料设定区域70 (参考图10)相对地配置。
[0075]进行定位后，将翻转后的第二汇流条组30的IGBT芯片I的发射极面Ila和二极管2的阳极面21a同时按压到第一汇流条3上的熔融焊料5a、7a上。
[0076]通过将各电极面lla、21a按压到熔融状态的焊料5a、7a上，如图10中的箭头示意性地所示，熔融状态的焊料5a从发射极面Ila的焊料设定区域50向外(呈放射状地)扩展，熔融状态的焊料7a从阳极面21a的焊料设定区域70向外(呈放射状地)扩展。此外如上所述，二极管芯片2的阳极面21a俯视时为矩形状。因此，熔融焊料7a从阳极面21a中央的焊料设定区域70向外侧(呈放射状地)均等地流动，扩展到整个阳极面21a。
[0077]对于将第二汇流条组30按压到熔融状态的焊料5a时的焊料5a的扩展，参考图11进行说明。图11是表示IGBT芯片I的发射极面Ila上熔融状态的焊料5a扩展的情况的示意图。
[0078]将发射极面Ila按压到熔融状态的焊料5a上后，如图11 (a)?图11 (C)所示，焊料5a从主焊料扩展电极面Ilal的中央在+ x方向及一 x方向上流动。焊料5a从主焊料扩展电极面Ilal进入副焊料扩展电极面lla2，向着副焊料扩展电极面lla2的前端即+y方向和一 y方向流动。此时，熔融状态的焊料5a不向越过保护膜14的方向扩展。这是因为如上所述，在包含构成副焊料扩展电极面lla2的带状电极面彼此的间隙的双梳齿状发射极面Ila的周围设置的保护膜14的焊料沾润性比发射极面Ila低。换而言之，因为与保护膜14的焊料沾润性相比，发射极面Ila的焊料沾润性好。
[0079]当使第一汇流条3与IGBT芯片I的距离接近后，熔融状态的焊料5a沿着双梳齿状发射极11从主焊料扩展电极面Ilal扩展到副焊料扩展电极面lla2 (参考图11 (a)和图11 (b))，最终扩展到整个发射极面Ila (参照图11 (C))。
[0080]这样，由于能够将焊料5a均匀地扩展在发射极面Ila上，因此能够期待抑制焊料5a溢出和降低空隙效果。
[0081]之后，在焊料5a、7a扩展到整个电极面lla、21a的状态下进行冷却，如图9 (f)所示第一汇流条3通过焊料5与IGBT芯片I的发射极面Ila接合，第一汇流条3通过焊料7与二极管芯片2的阳极面21a接合。
[0082]虽然图中未示出，进一步地，IGBT芯片I的端子电极13 (13a、13b)的电极面分别通过铝导线10与栅极引线9电连接，使用封装部件20将包含第一汇流条3和第二汇流条4的各部件封装，由此完成功率半导体单元330 (参考图5)。
[0083]图12是表示以往的IGBT芯片101的发射极面Illa上熔融状态的焊料105a扩展的情况的示意图。如图12所示，以往IGBT芯片101形成了多个带状的发射极面111a。此夕卜，介于相邻的带状发射极面Illa之间的保护膜114的相对于焊料105a的沾润性比发射极面Illa的相对于焊料105a的沾润性低。[0084]如果通过与图9相同的方法将发射极面111按压到熔融状态的焊料105a上，则如图12(a)所示，由于熔融焊料105a被保护膜114限制了扩展，发射极面Illa上的焊料105a的扩展方向主要为y方向。因此如图12 (b)所示，焊料105a过剩地在y方向上流动。
[0085]其结果如图12(c)所示，焊料105a未扩展到整个发射极面111a，形成在焊料105a在发射极面Illa上不存在的焊料未沾润区域105b，或者发生焊料105a越过发射极面Illa流动的焊料流105c。
[0086]此外，日本特开2006-210519号公报中，记载了在聚酰亚胺膜(绝缘性保护膜)上设置金属箔来提高与焊料的接合性的技术。根据该以往技术能够使焊料在芯片上均匀地扩展。但在该以往技术中，由于在聚酰亚胺膜上设置金属箔，成本增高，并且由于产生金属箔与焊料以及金属箔与聚酰亚胺膜的新的接合部位，存在接合部的寿命降低的问题。
[0087]通过上述的本实施方式，能够实现以下的作用效果。
[0088](I)发射极面Ila为副焊料扩展电极面lla2从主焊料扩展电极面Ilal向两侧呈梳状地延伸的双梳齿状。在发射极面Ila的周边以覆盖铝配线15的方式形成焊料沾润性低的保护膜14。配置在发射极面Ila的中央部的熔融焊料5a通过被发射极面Ila与第一汇流条3挤压而呈放射状地流动，在主焊料扩展电极面Ilal与副焊料扩展电极面lla2上全面均匀地流动，并且能够防止越过发射极面Ila的焊料流。
[0089](2)由于熔融状态的焊料在电极面上呈放射状地均匀扩展，能够将空隙排出到电极外周侧，减少空隙。
[0090](3)因为(I)和(2)而提高了焊料接合部的寿命以及制造成品率。由此能够实现半导体器件的高可靠性、低成本。
[0091](4)此外，由于不必像上述的日本特开2006-210519号公报中记载的以往技术那样在保护膜上额外设置金属箔，不会造成成本上升。
[0092](5)在如本实施方式通过焊料将汇流条与半导体元件接合的情况下，汇流条的焊料沾润性影响到半导体元件与焊料的接合。如果汇流条的焊料沾润性过好，焊料主要扩展到汇流条侧，难以扩展到半导体元件侧。相反，如果汇流条的焊料沾润性过差，焊料难以扩展到汇流条侧，而在半导体元件侧扩展过多。本实施方式中，第一汇流条3和第二汇流条4由铜材料构成，在与焊料接合的接合面上不实施电镀等表面加工。因此，在接合焊料时，能够通过例如加热汇流条等改变汇流条的温度，来调整汇流条的与焊料的沾润性，因此能够易于提高半导体元件与汇流条的接合性。
[0093](6)采用将IGBT芯片I和二极管芯片2 —同与第一汇流条3接合，并将IGBT芯片I和二极管芯片2 —同与第二汇流条4接合的方法。由此，接合时间短，即能够缩短生产工序，因此能够降低生产成本。
[0094](7)在双梳齿状的发射极面Ila上实施镀镍，因此能够提高焊料的沾润性。
[0095]如下变形也在本发明范围内，可将变形例的一个或者多个与所述实施方式组合。
[0096](I)本发明的半导体器件的电极面形状并不限定于所述实施方式。例如如图13(a)所示，IGBT芯片201上可设置多个双梳齿状的电极面211a、211b。图13 Ca)所示的IGBT芯片201中设有在X方向上被分割成两部分的电极面211a、211b，一个电极面211a具有在X方向上延伸的主焊料扩展电极面21 Ial，并具有从主焊料扩展电极面21 Ial在两侧的+ y方向及一 y方向上呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面211a2。另一个电极面211b也同样地有在X方向上延伸的主焊料扩展电极面211bl，并具有从主焊料扩展电极面211bl向两侧+y方向及一 I方向呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面211b2。
[0097]如图所示，焊料设定区域250以包含主焊料扩展电极面211al、211bl的一部分的方式设定在IGBT芯片201的大致中央。设于一个电极面211a上的熔融状态的焊料在被汇流条挤压时，沿着电极面211a的形状，即以从主焊料扩展电极面211al到副焊料扩展电极面211a2的方式在+X方向以及+y方向和一y方向上流动，扩展到整个电极面211a。同样地，设于另一个电极面211b上的熔融状态的焊料在被汇流条挤压时，沿着电极面211b的形状，即以从主焊料扩展电极面211bl到副焊料扩展电极面211b2的方式在一 X方向以及+ y方向和一 y方向上流动，扩展到整个电极面211b。由此，抑制熔融焊料从电极面211a、211b溢流出的焊料溢出，进一步地减少了空隙。
[0098](2)本发明中并不限定于形成在IGBT芯片一个面上的所有发射极面都为双梳齿状的情况。在半导体元件的一个面上形成有多个发射极面的情况下，至少一个电极面形成为双梳齿状。例如，如图13 (b)所示，可在IGBT芯片301的一个面上形成双梳齿状的电极面311a、311b和长条状的电极面311c。如图13 (b)所示的IGBT芯片301上，焊料设定区域350如图所示以包含电极面311a、311b的一部分的方式设定在IGBT芯片301的大致中央。设定在一个电极面311a上的熔融状态的焊料在被汇流条挤压时，沿着电极面311a的形状，即以从主焊料扩展电极面311al到副焊料扩展电极面311a2的方式在+ x方向以及+ y方向和一 y方向上流动，扩展到整个电极面311a。同样地,设于另一个电极面311b上的熔融状态的焊料在被汇流条挤压时，沿着电极面311b的形状，即以从主焊料扩展电极面311bl到副焊料扩展电极面311b2的方式在一 X方向以及+ y方向和一 y方向上流动，扩展到整个电极面311b。由此，抑制熔融焊料从电极面311a、311b溢流出的焊料溢出，进一步地减少了空隙。
[0099](3)上述实施方式中，如图6所示，在IOmmX IOmm的IGBT芯片中设有4对从主焊料扩展电极面延伸的带状电极面，但本发明并不限定于此。IGBT芯片的尺寸较大的情况下也可设置5对或以上的带状电极面。半导体元件的尺寸较小的情况下也可设置2对或3对带状电极面。此外，带状电极面的数目根据IGBT芯片的尺寸而设定。带状电极面的形状也不限定于为俯视矩形状。
[0100](4)上述实施方式中，在半导体元件的电极面大致中央的一个位置滴下熔融焊料，但本发明并不限定于此。例如，在如图14 (a)所示并列设置4个具有2对带状电极面的集电极面的情况下，或在如图14 (b)所示设置I个具有8对带状电极面的集电极面的情况下也可应用本发明。如图14 (a)所示，通过在包含主焊料扩展电极面的一部分的焊料设定区域450a以及焊料设定区域450b两个位置上滴下熔融状态的焊料并按压，由于焊料以从主焊料扩展电极面向着副焊料扩展电极面的方式从焊料设定区域呈放射状地流动，因此能够将焊料扩展到整个电极面。如图14 (b)所示，通过在包含主焊料扩展电极面的一部分的焊料设定区域550a以及焊料设定区域550b两个位置上滴下熔融状态的焊料并按压，由于焊料以从主焊料扩展电极面向着副焊料扩展电极面的方式从焊料设定区呈域放射状地流动，因此能够将焊料扩展到整个电极面。焊料设定区域的位置、数目或面积根据IGBT芯片的大小和电极面的数目、电极面的形状等适当地设定。
[0101](5)本发明的半导体器件的电极面可形成为具有主焊料扩展电极面和从主焊料扩展电极面向两侧呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面的样式的各种形状。针对电极面形状的其它例子，参考图15 (a)?(C)进行说明。
[0102]图15 (a)所示的电极面611a具有沿X方向延伸的主焊料扩展电极面611al、从主焊料扩展电极面61 Ial向+ y方向呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面61 la2、和从主焊料扩展电极面611al向一 y方向呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面611a3。本实施例中，沿+y方向延伸的副焊料扩展电极面611a2具有4个带状电极面，沿一 y方向延伸的副焊料扩展电极面611a3具有3个带状电极面。
[0103]图15(b)所示的电极面711a具有沿X方向延伸的主焊料扩展电极面711al、从主焊料扩展电极面711al向+ y方向呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面711a2、和从主焊料扩展电极面711al向一 y方向呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面711a3。沿+ y方向延伸的副焊料扩展电极面711a2具有4个带状电极面，沿一 y方向延伸的副焊料扩展电极面711a3具有6个带状电极面。本实施例中，副焊料扩展电极面711a2的带状电极面的X方向宽度与副焊料扩展电极面711a3的带状电极面的X方向宽度不同。
[0104]图15 (C)所示的电极面811a中，宽度较窄的3对带状电极面和宽度较大的2对带状电极面从主焊料扩展电极面811al向两侧(+ y方向和一 y方向)延伸。
[0105]如图15 (a)?(C)所示，通过具有向一个方向延伸的主焊料扩展电极面和从主焊料扩展电极面向两侧呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面，配置在包含主焊料扩展电极面的焊料设定区域上的熔融焊料能够扩展到整个电极面。
[0106](6)基于本发明的功率半导体单元330的制造方法并不限定于图9的所示的情况。例如，在IGBT芯片I和二极管芯片2上滴下熔融状态的焊料6a、8a，在将IGBT芯片I和二极管芯片2配置在下方的状态下将第二汇流条4相对于熔融焊料6a、8a从上方压下，通过焊料6、8将第二汇流条4与IGBT芯片I及二极管芯片2接合，形成第二汇流条组30。之后，翻转配置第二汇流条组30，在IGBT芯片I和二极管芯片2上滴下熔融状态的焊料5a、7a，在将第二汇流条组30配置在下方的状态下将第一汇流条3相对于熔融焊料5a、7a从上方压下，通过焊料5、7将第一汇流条3与IGBT芯片I及二极管芯片2接合。
[0107](7)本发明并不限定于使IGBT芯片I和二极管芯片2同时接近第二汇流条4来一同进行接合的情况。第二汇流条4与IGBT芯片I及二极管芯片2的接合，和第一汇流条3与IGBT芯片I及二极管芯片2的接合可为相反的顺序。
[0108](8)在上述实施方式中，采用滴下熔融的焊料，通过焊料接合半导体元件的电极面与汇流条的滴下法，但本发明并不限定于。也可采用在焊料配置区域配置焊膏后送入加热炉等使焊膏回流的方法。
[0109]针对采用该方法时的工序进行说明。第一工序中，准备第一导体部件、第二导体部件和在一个面上至少具有一个双梳齿状电极面的半导体元件。第二工序中，通过焊料将设置在半导体元件的另一个面上的电极面与第二导体部件接合的工序。第三工序中，在规定区域或者第一导体部件的与规定区域相对的区域上设置焊膏，其中该规定区域包含构成半导体元件的双梳齿状电极面的主焊料扩展电极面的一部分，例如图10的焊料设定区域50。
[0110]第四工序中，加热焊膏使其熔融，通过使第一导体部件与设置在半导体元件的一个面上的电极面的距离接近，以使熔融状态的焊膏从主焊料扩展电极面扩展到副焊料扩展电极面，通过焊料将设置在半导体元件的一个面上的电极面与第一导体部件接合。第五工序中，使用封装部件封装第一导体部件和第二导体部件的工序。
[0111]这样，在规定区域设定焊膏后，加热焊膏使其熔融，通过使导体部件与半导体元件的电极面接近，能够使熔融的焊膏在电极面上扩展。
[0112](9)上述实施方式中采用IGBT作为开关半导体元件，而根据所需的频率和电压，也可采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等其它半导体元件。作为开关半导体兀件，IBGT适用于直流电压较高的场合，MOSFET适用于直流电压较低的场合。
[0113](10)上述实施方式中使发射极的电极面为双梳齿状，本发明并不限定于此。只需使设置在半导体元件的一个面上的电极面中的至少一个电极面为双梳齿状即可。
[0114](11)上述实施方式中针对安装在混合动力型电动车或单纯的电动车中的电力转换装置中的半导体器件进行说明，但本发明并不限定于此。安装在可用于其它电动车辆例如混合动力列车等铁道车辆、巴士等公共汽车、卡车等货物汽车、电池式叉车等工业车辆的车辆用电源装置中的电力转换装置中的半导体器件。
[0115]以上说明了各种实施方式和变形例，但本发明并不限定于这些内容。可认为在本发明的技术思想范围内的其它方式包含于本发明的范围内。
[0116]以下优先权基础申请的公开内容作为引文包含于本发明中。
[0117]日本专利申请2011年第144593号(2011年6月29日申请)
【权利要求】
1.一种半导体器件，其特征在于，包括: 半导体元件，其两个面上分别具有至少一个电极面； 第一导体部件，其通过焊料与设置在所述半导体元件的一个面上的电极面接合；和 第二导体部件，其通过焊料与设置在所述半导体元件的另一个面上的电极面接合， 设置在所述半导体元件的一个面上的电极面中的至少一个电极面为双梳齿状。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于: 所述双梳齿状的电极面具有主焊料扩展电极面和从所述主焊料扩展电极面向两侧呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面。
3.如权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于: 在所述双梳齿状的电极面的周边配设有栅极配线， 所述栅极配线与所述双梳齿状的电极面相比焊料沾润性低，且由具有绝缘性的保护膜覆盖。
4.如权利要求1至3中任一项所述的半导体器件，其特征在于: 所述第一导体部件和所述第二导体部件由铜材料构成，在所述第一导体部件和所述第二导体部件的与所述焊料接合的接合面上未实施表面加工。
5.一种半导体器件，其特征在于，包括: IGBT芯片及二极管芯片； 第一导体板，其通过焊料与在IGBT芯片的一个面上至少设置有一个的发射极面和设置在二极管芯片的一个面上的阳极面接合；和 第二导体板，其通过焊料与设置在IGBT芯片的另一个面上的集电极面和设置在二极管芯片的另一个面上的阴极面接合， 设置在所述IGBT芯片的一个面上的发射极面中的至少一个发射极面为双梳齿状，所述双梳齿状的电极面具有主焊料扩展电极面和从所述主焊料扩展电极面向两侧呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面， 在所述发射极面的周边配设有栅极配线， 所述栅极配线与所述发射极面相比焊料沾润性低，且由具有绝缘性的保护膜覆盖。
6.—种半导体器件,其特征在于,包括: 构成逆变器电路的上下臂的上臂用IGBT芯片和上臂用二极管芯片以及下臂用IGBT芯片和下臂用二极管芯片； 第二交流电极引线框，其通过焊料与在所述上臂用IGBT芯片的一个面上至少设置有一个的发射极面和设置在上臂用二极管芯片的一个面上的阳极面接合； 直流正极电极引线框，其通过焊料与设置在所述上臂用IGBT芯片的另一个面上的集电极面和设置在上臂用二极管芯片的另一个面上的阴极面接合； 直流负极电极引线框，其通过焊料与在所述下臂用IGBT芯片的一个面上至少设置有一个的发射极面和设置在下臂用二极管芯片的一个面上的阳极面接合；和 第一交流电极引线框，其通过焊料与设置在所述下臂用IGBT芯片的另一个面上的集电极面和设置在下臂用二极管芯片的另一个面上的阴极面接合， 分别设置在所述上臂用IGBT芯片和所述下臂用IGBT芯片的一个面上的发射极面中的至少一个发射极面为双梳齿状，所述双梳齿状的电极面具有主焊料扩展电极面和从所述主焊料扩展电极面向两侧呈梳状地延伸的副焊料扩展电极面， 在所述发射极面的周边配设有栅极配线， 所述栅极配线与所述发射极面相比焊料沾润性低，且由具有绝缘性的保护膜覆盖。
7.如权利要求1至6中任一项所述的半导体器件，其特征在于: 在所述双梳齿状的电极面上实施了用于使焊料沾润性提高的镀镍。
8.—种制造权利要求2至4中任一项所述的半导体器件的方法，其特征在于，包括: 准备所述第一导体部件、所述第二导体部件和至少具有一个所述双梳齿状的电极面的半导体元件的工序； 通过焊料将设置在所述半导体元件的另一个面上的电极面与所述第二导体部件接合的工序； 在包含构成所述半导体元件的双梳齿状的电极面的所述主焊料扩展电极面的一部分的规定区域，或者所述第一导体部件的与所述规定区域相对的区域滴下熔融状态的焊料的工序； 通过使所述第一导体部件与设置在所述半导体元件的一个面上的电极面的距离接近，使所述熔融状态的焊料从所述主焊料扩展电极面扩展到副焊料扩展电极面，通过焊料将设置在所述半导体元件的一个面上的电极面与所述第一导体部件接合的工序；和使用封装部件封装所述第一导体部件和所述第二导体部件的工序。
9.一种制造权利要求2至4中任一项所述的半导体器件的方法，其特征在于，包括: 准备所述第一导体部件、所述第二导体部件和至少具有一个所述双梳齿状的电极面的半导体元件的工序； 通过焊料将设置在所述半导体元件的另一个面上的电极面与所述第二导体部件接合的工序； 在所述第一导体部件的滴下区域滴下熔融状态的焊料的工序； 进行定位，使得滴下到所述滴下区域的焊料与包含所述主焊料扩展电极面的一部分的规定区域相对地配置的工序，其中，所述主焊料扩展电极面构成设置在所述半导体元件的一个面上的双梳齿状的电极面； 使所述半导体元件的一个面接近所述第一导体部件，使所述熔融状态的焊料从所述主焊料扩展电极面扩展到副焊料扩展电极面，通过焊料将设置在所述半导体元件的一个面上的电极面与所述第一导体部件接合的工序；和 使用封装部件封装所述第一导体部件和所述第二导体部件的工序。
10.一种制造权利要求5所述的半导体器件的方法，其特征在于，包括: 准备所述二极管芯片、所述第一导体板、所述第二导体板和至少具有一个所述双梳齿状的发射极面的IGBT芯片的工序； 在所述IGBT芯片的集电极面和所述二极管芯片的阴极面各自的中央位置，或者所述第二导体板的与所述各自的中央位置相对的规定位置滴下熔融状态的焊料的工序； 使所述IGBT芯片的集电极面和所述二极管芯片的阴极面同时接近所述第二导体板，使所述熔融状态的焊料扩展到所述集电极面和所述阴极面，通过焊料将所述IGBT芯片的集电极面和所述二极管芯片的阴极面分别与所述第二导体板接合的工序；在包含构成所述IGBT芯片的发射极面的所述主焊料扩展电极面的一部分的规定区域和所述二极管芯片的阳极面的中央位置，或者所述第一导体板的与所述规定区域和所述阳极面的中央位置相对的规定位置滴下熔融状态的焊料的工序； 使所述IGBT芯片的发射极面和所述二极管芯片的阳极面同时接近所述第一导体板，使所述熔融状态的焊料从所述发射极面的所述主焊料扩展电极面扩展到所述副焊料扩展电极面，并且使所述熔融状态的焊料扩展到所述阳极面，通过焊料将所述IGBT芯片的发射极面和所述二极管芯片的阳极面分别与所述第一导体板接合的工序；和使用封装部件封装所述第一导体板和所述第二导体板的工序。
11.一种制造权利要求2至4中任一项所述的半导体器件的方法，其特征在于，包括:准备所述第一导体部件、所述第二导体部件和至少具有一个所述双梳齿状的电极面的半导体元件的工序； 通过焊料将设置在所述半导体元件的另一个面上的电极面与所述第二导体部件接合的工序； 在包含构成所述半导体元件的双梳齿状的电极面的所述主焊料扩展电极面的一部分的规定区域或者所述第一导体部件的与所述规定区域相对的区域设置焊料的工序； 加热所述焊料使其熔融，并使所述第一导体部件与设置在所述半导体元件的一个面上的电极面的距离接近，由此使所述熔融状态的焊料从所述主焊料扩展电极面扩展到副焊料扩展电极面，通过焊料将设置在所述半导体元件的一个面上的电极面与所述第一导体部件接合的工序；和 使用封装部件封装所述第一导体部件和所述第二导体部件的工序。
【文档编号】H01L23/48GK103688352SQ201280031864
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年6月28日 优先权日:2011年6月29日
【发明者】藤野伸一, 吉成英人, 山下志郎 申请人:日立汽车系统株式会社