功率半导体模块及其制造方法
【专利摘要】功率半导体模块（10）具有：第1框架部（5）、功率半导体元件（1）、第2框架部（6）、控制用集成电路（2）、导线（7a）和绝缘体部（4）。功率半导体元件（1）搭载在第1框架部（5）的第1表面（5a）上。控制用集成电路（2）搭载在第2框架部（6）的第3表面（6a）上，且用于控制功率半导体元件（1）。导线（7a）的一端与功率半导体元件（1）连接，且另一端与控制用集成电路（2）连接。在与第1框架部（5）的第1表面（5a）垂直的方向上，第1框架部（5）的第1表面（5a）和第2框架部（6）的第3表面（6a）位于相同的高度。由此，能够提供一种功率半导体模块（1）及其制造方法，其通过实现导线（7a）的环稳定化，能够抑制导线（7a）的断线或短路。
【专利说明】功率半导体模块及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种功率半导体模块及其制造方法，特别地，涉及具有将功率半导体元件和控制用集成电路连接的导线的功率半导体模块及其制造方法。
【背景技术】
[0002]当前，已知一种将例如IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)等功率半导体元件、和控制该功率半导体元件的控制用集成电路利用导线连接的功率半导体模块。例如，根据日本特开2005 - 150595号公报，公开了一种功率半导体装置，其将功率芯片和控制芯片利用以金为主要成分的导线进行连接。根据该功率半导体装置，为了兼顾功率芯片的散热性和端子的绝缘性能，使搭载有功率芯片的框架与位于封装件外周部的绝缘片接触，且搭载有控制芯片的框架位于封装件的中央部。
[0003]然而，根据上述结构的功率半导体装置，由于在功率半导体元件和控制用集成电路之间存在高的台阶，因此，对连接功率半导体元件和控制用集成电路的导线的端部施加较强的应力，因此有时发生导线的断线或短路。
【发明内容】
[0004]本发明就是鉴于上述课题而提出的，其目的在于提供一种功率半导体装置及其制造方法，其通过缓和施加至导线的端部的应力而实现导线的环(loop)稳定化，从而能够抑制导线的断线或短路。
[0005]本发明所涉及的功率半导体模块具有:第I框架部、功率半导体元件、第2框架部、控制用集成电路、导线和绝缘体部。第I框架部具有彼此相对的第I表面及第2表面。功率半导体元件搭载在第I框架部的第I表面上。第2框架部具有彼此相对的第3表面及第4表面。控制用集成电路搭载在第2框架部的第3表面上，且用于控制功率半导体元件。导线具有一端及另一端，一端与功率半导体元件连接，且另一端与控制用集成电路连接。绝缘体部对功率半导体元件、第I框架部、控制用集成电路、第2框架部以及导线进行封装。在与第I框架部的第I表面垂直的方向上，第I框架部的第I表面和第2框架部的第3表面位于相同的高度。在此，所谓相同的高度是指，在与第I表面垂直的方向上，第I表面和第3表面之间的距离小于或等于0.1mm。
[0006]根据本发明，可以提供一种功率半导体装置及其制造方法，其通过缓和施加至导线的端部的应力而实现导线的环稳定化，从而能够抑制导线的断线或短路。
[0007]根据与附图相关联地进行理解的关于本发明的以下详细说明，能够明确本发明的上述及其他目的、特征、方案及优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是用于概略地说明本发明的实施方式I所涉及的功率用半导体装置的结构的剖视示意图。[0009]图2是用于概略地说明本发明的实施方式I所涉及的功率用半导体装置的结构的俯视不意图。
[0010]图3是用于概略地说明本发明的实施方式2所涉及的功率用半导体装置的结构的剖视示意图。
[0011]图4是用于概略地说明本发明的实施方式3所涉及的功率用半导体装置的结构的剖视示意图。
[0012]图5是用于概略地说明本发明的实施方式2及实施方式3所涉及的功率用半导体装置的结构的俯视示意图。
[0013]图6是用于概略地说明本发明的实施方式4所涉及的功率用半导体装置的结构的剖视示意图。
[0014]图7是用于概略地说明本发明的实施方式4所涉及的功率用半导体装置的结构的俯视不意图。
[0015]图8是用于概略地说明本发明的实施方式5所涉及的功率用半导体装置的结构的剖视示意图。
[0016]图9是用于概略地说明本发明的实施方式5所涉及的功率用半导体装置的结构的俯视不意图。
[0017]图10是用于概略地说明本发明的实施方式6所涉及的功率用半导体装置的结构的俯视不意图。
[0018]图11是用于概略地说明本发明的实施方式7所涉及的功率用半导体装置的结构的剖视示意图。
[0019]图12是用于概略地说明本发明的实施方式7所涉及的功率用半导体装置的结构的剖视示意图。
[0020]图13是用于概略地说明本发明的实施方式7所涉及的功率用半导体装置的结构的俯视不意图。
[0021]图14及图15是用于按顺序说明本发明的实施方式I所涉及的功率用半导体装置的制造方法的工序的概略俯视示意图。
[0022]图16是用于概略地说明本发明的实施方式I所涉及的功率用半导体装置的制造方法的第2工序的剖视示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面，基于附图，对本发明的实施方式进行说明。此外，在下面的附图中对相同或相等的部分标注相同的参照标号而省略其说明。
[0024](实施方式I)
[0025]参照图1及图2，对实施方式I所涉及的功率半导体模块的结构进行说明。实施方式I所涉及的功率半导体模块10主要具有IGBTUIC (Integrated Circuit)2、FWDi (FreeWheeling Diode) 3、第I框架部5、第2框架部6、导线7a和绝缘体部4。
[0026]第I框架部5具有彼此相对的第I表面5a及第2表面5b，在第I框架部5的第I表面5a上搭载有IGBTl、FffDi3等功率半导体元件。IGBTl及FWDi3通过例如焊料等接合部件与第I表面5a接合。[0027]第2框架部6具有彼此相对的第3表面6a及第4表面6b，在第2框架部6的第3表面6a上搭载有用于控制功率半导体元件的控制用集成电路即IC2。IC2的背面通过例如焊料等接合部件与第3表面6a接合。第2框架部6可以是接地电位。如图2所示，在I个第2框架部6上可以搭载2个IC2。在IC2中可以内置温度传感器。
[0028]IGBTl和IC2利用导线7a直接电连接。导线7a具有一端及另一端，一端与IGBTl连接，且另一端与IC2连接。导线7a以横跨第I框架部5和第2框架部的方式进行配置。如图2所示，3个IGBTl可以利用导线7a与I个IC2连接。另外，导线7a可以为I条也可以为多条。另外，IGBTl和FWDi3利用导线7c电连接。FWDi3可以利用导线7d与第I框架部5电连接，也可以与第I框架部5以外的其他框架电连接。并且，IC2可以利用导线7b与第2框架部6电连接，也可以与第2框架部6以外的其他框架电连接。导线7a至7d由包含例如金的材料形成，但也可以是例如铝等。通过使用成本比金低的铝，能够减少功率半导体模块10的制造成本。
[0029]绝缘体部4对IGBTl、FWDi3、IC2、第I框架部5、第2框架部6以及导线7a至7d进行了封装。绝缘体部4例如由树脂构成，但也可以是陶瓷等。
[0030]如图1所示，在与第I框架部5的第I表面5a垂直的方向(即图1中的上下方向)上，第I框架部5的第I表面5a和第2框架部6的第3表面6a位于相同的高度。在本发明中，所谓相同的高度是指在与第I表面5a垂直的方向上，第I表面5a和第3表面6a之间的距离小于或等于0.1mm。S卩，第I表面5a与第3表面6a相比，可以位于以小于或等于
0.1mm的距离更加靠近绝缘片11的位置处，也可以位于以小于或等于0.1mm的距离更加远离绝缘片11的位置处。
[0031]第I框架部5及第2框架部6各自在绝缘体部4的内部，向与第I框架部5的第I表面5a垂直的方向弯折。第I框架部5从绝缘体部4的左侧面部4c向绝缘体部4的外部伸出，并与端子部5e连结。相同地，第2框架部6从绝缘体部4的右侧面部4d向绝缘体部4的外部伸出，并与端子部6e连结。第I框架部5和端子部5e可以一体形成，也可以为独立部件。相同地，第2框架部6和端子部6e可以一体形成，也可以为独立部件。
[0032]本实施方式所涉及的功率半导体模块10具有绝缘片11，该绝缘片11与第I框架部5的第2表面5b及第2框架部6的第4表面6b接触。绝缘片11优选覆盖第2表面5b及第4表面6b整体。在绝缘片11的与第I框架部5所接触的面相反那一侧的面上，以与该相反侧的面接触的方式配置有金属板12，金属板12从绝缘体部4露出。散热片8设置为与绝缘体部4的下表面4b及金属板12接触。
[0033]下面，参照图1、图2及图14至图16，对本实施方式所涉及的功率半导体模块的制造方法进行说明。
[0034]首先，参照图14，实施框架准备工序。具体来说，准备在中央形成H形状的切口部且由金属构成的框架20。该框架20具有第I框架部5和第2框架部6，其中，该第I框架部5具有第I端面5f，该第2框架部6具有与该第I端面5f隔开间隙Gl而相对的第2端面6f。该框架20具有第3框架部9，该第3框架部9配置在第I框架部5及第2框架部6各自的侧部并与它们隔开间隙G2，且与第I框架部5和第2框架部6连结。
[0035]下面，实施在第I框架部5上搭载功率半导体元件的工序，和在第2框架部6上搭载用于控制功率半导体元件的控制用集成电路的工序。具体来说，将IGBTl及FWDi3搭载在第I框架部5的第I表面5a上，将IC2搭载在第2框架部6的第3表面6a上。
[0036]参照图15及图16，实施框架弯折工序。具体来说，相对于第3框架部9将第I框架部5及第2框架部6向与第3框架部9相交的方向弯折，并且，在第I端面5f及第2端面6f相对的方向上使第3框架部9收缩。所谓使第3框架部9收缩是指，框架20的宽度从宽度dl减小至宽度d2。如图16所示，通过使第3框架部9收缩，可以在第3框架部9的中央附近形成弯曲部9a。
[0037]第I框架部5在第I弯折部5c处向绝缘片11侧弯折，并在第2弯折部5d处向绝缘片11的相反侧弯折。相同地，第2框架部6在第I弯折部6c处向绝缘片11侧弯折，并在第2弯折部6d处向绝缘片11的相反侧弯折。弯折后的第I框架部5和第2框架部6在第I表面5a的法线方向(即图16中的上下方向)上位于相同的高度。然后，将连接第I框架部5和第2框架部6的第3框架部9去除，第I框架部5和第2框架部6电绝缘。
[0038]参照图1，实施导线接合工序。具体来说，利用具有一端及另一端的导线7a，将导线7a的一端与IGBTl连接，且将导线7a的另一端与IC2连接。由此，IGBTl和IC2利用导线7a直接电连接。另外，IGBTl和FWDi3利用导线7c电连接。FWDi3和第I框架部5可以利用导线7d电连接。并且，IC2和第2框架部6可以利用导线7b电连接。
[0039]下面，实施模塑(mould)工序。具体来说，利用由树脂构成的绝缘体部4，对IGBTl、FWDi3、IC2、第I框架部5、第2框架部6以及导线7a至7d进行封装。
[0040]此外，在上述说明中，对在搭载功率半导体元件的工序及搭载控制用集成电路的工序之后，实施框架弯折工序的情况进行了说明，但也可以在框架弯折工序之后，实施搭载功率半导体元件的工序及搭载控制用集成电路的工序。
[0041]下面，对本发明的实施方式I的作用效果进行说明。
[0042]根据实施方式I所涉及的功率半导体模块10，具有连结功率半导体元件和控制用集成电路的导线7a，且搭载有功率半导体元件的第I框架部5的第I表面5a、和搭载有控制用集成电路的第2框架部6的第3表面6a位于相同的高度。由此，由于能够通过缓和施加至导线7a的端部的应力而实现导线7a的环稳定化，因此能够抑制导线7a的断线或导线7a与其他框架的短路。另外，在对绝缘体部4进行模塑时，能够抑制导线7a被冲走。并且，在控制用集成电路中搭载有温度传感器的情况下，由于温度传感器和功率半导体元件之间的距离较近，因此能够提高温度传感器的精度。
[0043]另外，实施方式I所涉及的功率半导体模块10还具有绝缘片11，该绝缘片11与第I框架部5的第2表面5b和第2框架部6的第4表面6b接触。由此，能够通过第2表面5b及第4表面6b有效地进行散热。
[0044]并且，根据实施方式I所涉及的功率半导体模块10的制造方法，将第I框架部5和第2框架部6相对于第3框架部9进行弯折，并且，在第I端面5f及第2端面6f相对的方向上使第3框架部9收缩。由此，能够在与第I表面5a平行的方向上尽可能地缩短功率半导体元件及控制用集成电路的距离，且能够在与第I表面垂直的方向上尽可能地缩短功率半导体元件及控制用集成电路的距离。
[0045](实施方式2)
[0046]参照图3及图5，对实施方式2所涉及的功率半导体模块的结构进行说明。实施方式2所涉及的功率半导体模块10的结构与实施方式I所涉及的功率半导体模块的结构的不同之处在于，在第I框架部5和绝缘片11之间配置有由铜构成的块部13，其他方面相同。
[0047]根据实施方式2所涉及的功率半导体模块10，配置有由铜构成的块部13，该块部13与第I框架部5的第2表面5b及绝缘片11接触。搭载有IGBTl及FWDi3的第I框架部5和搭载有IC2的第2框架部6在第I框架部的第I表面5a的法线方向上位于相同的高度。第2框架部6经由绝缘体部4与绝缘片11接触。
[0048]实施方式2所涉及的功率半导体模块10具有块部13，该块部13与第I框架部5的第2表面5b接触。由此，无需在绝缘体部4内弯折第2框架部6，就能够在与第I表面5a垂直的方向上，使第I框架部5的第I表面5a和第2框架部6的第3表面6a的高度位于相同的位置。其结果，能够实现将功率半导体元件及控制用集成电路连结的导线7a的环
稳定化。
[0049]另外，根据实施方式2所涉及的功率半导体模块10，块部13的材料包含铜。由此，能够使由功率半导体元件产生的热量有效地向外部扩散。
[0050](实施方式3)
[0051]参照图4及图5，对实施方式3所涉及的功率半导体模块的结构进行说明。实施方式3所涉及的功率半导体模块的结构与实施方式2所涉及的功率半导体模块的结构的不同之处在于，块部13通过包含陶瓷而具有DBC (Direct Bonded Copper)构造,其他方面相同。
[0052]所谓DBC是指在2层铜板之间配置陶瓷基板而与该铜板粘接而成的构造。具体来说，实施方式3所涉及的功率半导体模块10，在由铜构成的第I框架部5和由铜构成的金属板12之间配置有块部，该块部由氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)等陶瓷基板14构成。搭载有IGBTl及FWDi3的第I框架部5和搭载有IC2的第2框架部6在第I框架部的第I表面5a的法线方向上位于相同的高度。第2框架部6经由绝缘体部4与绝缘片11接触。
[0053]根据实施方式3所涉及的功率半导体模块10，块部13的材料包含陶瓷。由此，能够使功率半导体模块10轻量化。
[0054](实施方式4)
[0055]参照图6及图7，对实施方式4所涉及的功率半导体模块的结构进行说明。实施方式4所涉及的功率半导体模块的结构与实施方式I所涉及的功率半导体模块的结构的不同之处在于，第I框架部5及第2框架部6中的至少一方从与第I表面5a相对侧的绝缘体部4的上表面4a向绝缘体部的外部伸出，其他方面相同。
[0056]具体来说，实施方式4所涉及的功率半导体模块10中的第I框架部5在绝缘体部4的内部向绝缘体部4的上表面4a侧弯折。第I框架部5穿过绝缘体部4的上表面4a向绝缘体部4的外部伸出。相同地,第2框架部6在绝缘体部4的内部向绝缘体部4的上表面4a侧弯折。第2框架部6穿过绝缘体部4的上表面4a向绝缘体部4的外部伸出。此外，在图6中，第I框架部5及第2框架部6各自穿过绝缘体部4的上表面4a向外部伸出，但本发明也可以形成为第I框架部5及第2框架部6的某一方穿过绝缘体部4的上表面4a，另一方穿过绝缘体部4的左侧面部4c或右侧面部4d向绝缘体部4的外部伸出。
[0057]根据实施方式4所涉及的功率半导体模块10，第I框架部5及第2框架部6中的至少一方从与第I表面5a相对的绝缘体部4的上表面4a向绝缘体部4的外部伸出。由此，通过增大第I框架部5及第2框架部6与散热片8之间的距离，从而能够提高第I框架部5及第2框架部6与散热片8之间的绝缘性能。
[0058](实施方式5)
[0059]参照图8及图9，对实施方式5所涉及的功率半导体模块的结构进行说明。实施方式5所涉及的功率半导体模块的结构与实施方式I所涉及的功率半导体模块的结构的不同之处在于，第I框架部5及第2框架部6中的至少一方在从绝缘体部4向外部露出的位置处具有连接器管脚(connector pin) 15,其他方面相同。
[0060]具体来说，在实施方式5所涉及的功率半导体模块10中，第I框架部5及第2框架部6各自具有连接器管脚15。如图8所示，连接器管脚15的一部分从绝缘体部4的上表面4a露出，连接器管脚15和端子部5e连接。由此，第I框架部5和端子部5e电连接。相同地，连接器管脚15和端子部6e连接。由此，第2框架部6和端子部6e电连接。端子部5e及端子部6e向与绝缘体部4的上表面4a相交的方向伸长。此外，在图8中，第I框架部5及第2框架部6各自具有连接器管脚15，但本发明也可以形成为第I框架部5及第2框架部6的某一方具有连接器管脚15，另一方不具有连接器管脚15。
[0061]根据实施方式5所涉及的功率半导体模块10，第I框架部5及第2框架部6中的至少一方在从绝缘体部4向外部露出的位置处具有连接器管脚15。通过将第I框架部5及第2框架部6形成为没有端子的框架，在后面的工序中经由连接器管脚15安装端子部5e、6e，从而能够高效地制造端子部的形状不同的功率半导体模块10。另外，通过使第I框架部5及第2框架部6形成为没有端子的框架，能够形成交错配置等多列框架。
[0062](实施方式6)
[0063]参照图10，对实施方式6所涉及的功率半导体模块的结构进行说明。实施方式6所涉及的功率半导体模块的结构与实施方式I的结构的不同之处在于，IC2形成为I个芯片，其他方面相同。
[0064]具体来说，在实施方式6所涉及的功率半导体模块10中，搭载在第2框架部6上的I个IC2设置为能够控制多个IGBT1。当前，由于将上下配置的2个IGBTl通过不同的IC2进行控制，因此，无法对彼此的动作定时(timing)进行控制。在实施方式6所涉及的功率半导体模块10中，由于能够在IC2的内部控制为，使得上下配置的2个IGBTl不同时动作，因此能够作为互锁(安全装置)起作用。
[0065](实施方式7)
[0066]参照图11至图13，对实施方式7所涉及的功率半导体模块的结构进行说明。实施方式7所涉及的功率半导体模块的结构与实施方式I所涉及的功率半导体模块的结构的不同之处在于，第2框架部6和绝缘片11不直接接触，第2框架部6与第I框架部5相比，位于绝缘体部4的上表面4a侧，其他方面相同。另外，实施方式7所涉及的功率半导体模块的制造方法与实施方式I的制造方法相同。
[0067]根据实施方式7所涉及的功率半导体模块10，在第2框架部6的第4表面6b和绝缘片11之间配置有绝缘体部4。第2框架部6在绝缘体部4的内部，向与第I框架部5的第I表面5a相交的方向弯折。搭载有IGBTl及FWDi3的第I框架部5与搭载有IC2的第2框架部6相比，配置为与绝缘片11更接近。即，在实施方式7所涉及的功率半导体模块中，在与第I表面5a垂直的方向上，第I框架部5的第I表面5a和第2框架部6的第3表面6a之间的距离也可以是不同的。
[0068]功率半导体模块10也可以如图11所示，与绝缘片11接触的金属板12向绝缘体部4的外部露出。优选如图12所示，以与该金属板12及绝缘体部4的下表面4b接触的方式设有散热片8。
[0069]根据实施方式7所涉及的功率半导体模块10，第2框架部6在绝缘体部4的内部，向与第I表面5a相交的方向弯折。由此,能够在与第I表面5a垂直的方向上,减小第I框架部5和第2框架部6之间的距离，因此能够实现将功率半导体元件和控制用集成电路连结的导线7a的环稳定化。其结果，能够抑制导线7a的断线或短路。
[0070]对本发明的实施方式进行了说明，但应知道在此公开的实施方式的全部内容是示例，并不是限定性内容。本发明的范围由权利要求书示出，包含与权利要求范围相等的内容以及范围内的全部变更。
【权利要求】
1.一种功率半导体模块，其具有: 第I框架部，其具有彼此相对的第I表面及第2表面； 功率半导体元件，其搭载在所述第I框架部的所述第I表面上； 第2框架部，其具有彼此相对的第3表面及第4表面； 控制用集成电路，其搭载在所述第2框架部的所述第3表面上，且用于控制所述功率半导体元件； 导线，其具有一端及另一端，所述一端与所述功率半导体元件连接，且所述另一端与所述控制用集成电路连接；以及 绝缘体部，其对所述功率半导体元件、所述第I框架部、所述控制用集成电路、所述第2框架部以及所述导线进行封装， 在与所述第I框架部的所述第I表面垂直的方向上，所述第I框架部的所述第I表面和所述第2框架部的所述第3表面位于相同的高度。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块， 还具有绝缘片，该绝缘片与所述第I框架部的所述第2表面及所述第2框架部的所述第4表面接触。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块， 还具有块部，该块部与所述第I框架部的所述第2表面接触。
4.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其中， 所述块部的材料包含铜。
5.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其中， 所述块部的材料包含陶瓷。
6.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中， 所述第I框架部及所述第2框架部中的至少一方从位于与所述第I表面相对侧的所述绝缘体部的表面向所述绝缘体部的外部伸出。
7.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其中， 所述第I框架部及所述第2框架部中的至少一方在从所述绝缘体部向所述外部露出的位置具有连接器管脚。
8.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中， 所述导线的材料包含铝。
9.一种功率半导体模块，其具有: 第I框架部，其具有彼此相对的第I表面及第2表面； 功率半导体元件，其搭载在所述第I框架部的所述第I表面上； 第2框架部，其具有彼此相对的第3表面及第4表面； 控制用集成电路，其搭载在所述第2框架部的所述第3表面上，且用于控制所述功率半导体元件； 导线，其具有一端及另一端，所述一端与所述功率半导体元件连接，且所述另一端与所述控制用集成电路连接；以 及 绝缘体部，其对所述功率半导体元件、所述第I框架部、所述控制用集成电路、所述第2框架部以及所述导线进行封装，所述第2框架部在所述绝缘体部的内部，向与所述第I表面相交的方向弯折。
10.一种功率半导体模块的制造方法，其具有下述工序: 准备框架的工序，该框架具有第I框架部、第2框架部和第3框架部，其中，该第I框架部具有第I端面，该第2框架部具有与所述第I端面隔开间隙而与所述第I端面相对的第2端面，该第3框架部隔开间隔地配置在所述第I框架部及所述第2框架部双方的侧部，且与所述第I框架部和所述第2框架部连结； 使所述第I框架部及所述第2框架部相对于所述第3框架部，向与所述第3框架部的表面相交的方向弯折，并且，在所述第I端面及所述第2端面相对的方向上使所述第3框架部收缩的工序； 将功率半导体元件搭载在所述第I框架部上的工序； 将用于控制所述功率半导体元件的控制用集成电路搭载在所述第2框架部上的工序；以及 利用具有一端及另一端的导线，将所述一端与所述功率半导体元件连接，且将所述另一端与所述控制用集成电路连接的工序。
【文档编号】H01L25/18GK103824844SQ201310575019
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2012年11月15日
【发明者】白水政孝, 商明 申请人:三菱电机株式会社