半导体装置的制作方法

1.本发明涉及半导体装置。


背景技术：

2.在现有的被树脂模塑的电力用半导体装置中，使例如流过大于或等于100a的大电流的主电路用主端子、用于其控制信号的输入或温度的监视输出的信号端子从树脂封装件的侧面露出，主端子通过螺钉紧固或焊接与外部的汇流条连接，信号端子插入至在安装有ic等的控制基板上形成的通孔中，通过焊接进行连接。例如，在专利文献1中公开了这样的半导体装置。
3.电动汽车等所使用的电力用半导体元件大部分具有大于或等于600v的耐压，封装件也要求同等程度以上的绝缘耐压，因此在集电极端子与发射极端子之间或集电极端子与信号端子之间需要用于保持绝缘的沿面距离。
4.为了释放从半导体元件产生的热量，封装件的背面经由散热脂与冷却器接触。而且，使用弹簧从封装件的上表面将封装件向冷却器侧推压，在封装件和冷却器之间确保一定的面压力，由此提高散热性。
5.专利文献1：日本特开2010-287737号公报
6.随着半导体元件的换代，大电流化和高耐压化也在发展。但是，由于树脂的耐漏电性的提高会使其它性能降低，因此无法期待大幅度的改善，也难以缩小必要的沿面距离。而且，由于主端子通常使用铜材，因此在抑制成本的同时提高电流密度在技术上难度较高。由于这些情况，封装件的小型化非常困难。
7.在为了与冷却器之间的绝缘而使用氮化铝或碳化硅等陶瓷绝缘材料或填充了填充物的树脂绝缘材料的情况下，绝缘材料需要同时具有绝缘性能和散热性能。为了大电流和高耐压，作为这样的绝缘材料，陶瓷是适合的，但价格高。
8.在将封装件通过螺钉紧固于冷却器的情况下，树脂制的封装件的面压力高的部分蠕变，推压力会降低。因此，通过将弹簧用于封装件上表面的按压，能够对长时间暴露于高温的树脂制的封装件的蠕变进行抑制。但是，如果为了将封装件推压于冷却器而使用按压弹簧，则与螺钉紧固的情况相比，除了部件件数增加而使成本上升之外，存在组装性变得繁杂等难点。
9.为了降低电感，与主端子连接的汇流条需要以使电流的输入和输出平行且接近的方式进行配线，并且还需要绝缘。为了确保汇流条间的绝缘，进行了设置树脂等的设计。并且，由于汇流条通电则会发热，因此需要将汇流条的剖面面积确保得大。


技术实现要素：

10.本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供适于小型化和低成本化的半导体装置。
11.本发明涉及的半导体装置的特征在于，具有：金属块；半导体元件，其通过第1接合
材料固定于该金属块的上表面，纵向地流过电流；主端子，其通过第2接合材料固定于该半导体元件的上表面；信号端子，其与该半导体元件电连接；以及模塑树脂，其将该半导体元件、该第1接合材料、该第2接合材料覆盖，将该金属块、该主端子、该信号端子的一部分覆盖，该金属块的下表面从该模塑树脂露出，该主端子和该信号端子从该模塑树脂的侧面露出，该主端子具有该模塑树脂中的第1部分、与该第1部分连接且在该模塑树脂的外部向下方弯曲的第2部分、与该第2部分连接且与该模塑树脂的下表面大致平行的第3部分。
12.本发明的其它特征将在以下阐明。
13.发明的效果
14.根据本发明，通过将主电极或信号端子直接接合于电路图案，能够提供适于小型化和低成本化的半导体装置。
附图说明
15.图1是实施方式1涉及的半导体装置的剖视图。
16.图2是半导体装置的斜视图。
17.图3是半导体装置的斜视图。
18.图4是表示金属块的厚度与热阻之间的关系的图。
19.图5是实施方式3涉及的半导体装置的剖视图。
20.图6是半导体装置的斜视图。
21.图7是实施方式4涉及的半导体装置的剖视图。
22.图8是实施方式5涉及的半导体装置的剖视图。
23.图9是实施方式6涉及的半导体装置的剖视图。
24.图10是实施方式7涉及的半导体装置的剖视图。
25.图11是半导体装置的斜视图。
26.图12是半导体装置的斜视图。
27.图13是实施方式8涉及的半导体装置的俯视图。
28.图14是实施方式9涉及的半导体装置的剖视图。
具体实施方式
29.参照附图对本发明的实施方式涉及的半导体装置进行说明。有时对相同或对应的结构要素标注相同标号，省略重复说明。
30.实施方式1
31.图1是实施方式1涉及的半导体装置10的剖视图。该半导体装置10具有金属块12。作为金属块12，可以采用导热率高、电阻率低、低成本的材料。金属块12例如由铜或铜合金形成。在金属块12的上表面通过第1接合材料14a固定有半导体元件16。半导体元件16是纵向地流过电流的元件。根据一个例子，半导体元件16是在下表面具有集电极，在上表面具有发射极和基极的igbt。主电流进入集电极，从发射极流出。根据其它例子，半导体元件16是mosfet，主电流的输入是漏极，输出是源极。作为半导体元件16能够采用纵向地流过主电流的任意的元件。
32.在半导体元件16的上表面通过第2接合材料14b固定有主端子18。在半导体元件16
的上表面连接有以铝等为材料的导线20。通过将该导线20连接于信号端子22，从而信号端子22与半导体元件16电连接。
33.作为第1接合材料14a、第2接合材料14b及后述的接合材料，能够使用焊料或银等钎料。例如，通过对钎料进行回流焊处理，能够进行使用了接合材料的接合。根据一个例子，能够将主端子18和信号端子22的材料设为铜或铜合金。
34.上述结构被模塑树脂30封装而一体化。具体而言，模塑树脂30将半导体元件16、第1接合材料14a、第2接合材料14b覆盖，将金属块12、主端子18、信号端子22的一部分覆盖。金属块12的下表面从模塑树脂30露出。金属块12仅从模塑树脂30的下表面露出。该露出的金属块12成为集电极电流的通电路径。
35.主端子18与信号端子22从模塑树脂30的侧面露出。主端子18具有模塑树脂30中的第1部分18a、与第1部分18a连接且在模塑树脂30外部向下方弯曲的第2部分18b、与第2部分18b连接且与模塑树脂30的下表面大致平行的第3部分18c。根据一个例子，主端子18在模塑树脂30的外部被向下方弯曲加工，具有与模塑树脂30的背面大致相同高度的平坦部即第3部分18c。主端子18提供发射极电流的通电路径。
36.根据一个例子，信号端子22在模塑树脂30的外部被向上方弯曲加工。其结果，信号端子22在模塑树脂30的外部具有向上方弯曲的形状。
37.图2是形成模塑树脂30前的半导体装置的斜视图。在图2中省略了图1的导线20。主端子18与两个半导体元件16的发射极接触。在图2中图示出金属块12比主端子18厚。金属块12的材料例如为铜或铜合金。主端子18为板状的框架。
38.图3是图1的半导体装置10的斜视图。主端子18和全部信号端子22从模塑树脂30的侧面露出。参照图1-3而进行了说明的半导体装置10例如能够用于对电动汽车或电车等的电动机进行控制的逆变器或再生用的转换器。
39.但是，在将公知的被树脂封装的半导体装置安装于冷却器的情况下，用散热脂填埋封装件下表面与冷却器之间的微小间隙而提高散热性，并且从树脂封装件上表面使用弹簧等将树脂封装件按压于冷却器。
40.相对于此，实施方式1涉及的半导体装置将主端子18设为上述形状，其结果，能够通过焊料等将主端子18和金属块12这两者连接于绝缘基板。因此，如果使用实施方式1涉及的半导体装置，则不需要弹簧等按压机构，组装变得容易。
41.并且，实施方式1涉及的半导体装置10使流过集电极电流的金属块12仅从模塑树脂30的背面露出，使流过发射极电流的主端子18和收发信号的信号端子22仅从模塑树脂30的侧面露出，由此能够确保绝缘距离。因此，与被提供了集电极电位用框架的半导体元件相比能够实现小型化。
42.并且，通过提供金属块12，能够减少无用的配线绕引，因此能够降低电感。通过金属块12能够使从半导体元件16产生的热量扩散而高效地进行散热。
43.此外，在由框架形成日本特开2013－074264号公报所记载的芯片焊盘dp1的情况下，在其制造工序中，成为多个树脂模塑部由框架连接的状态，因此需要切断框架。因此，如日本特开2013-074264号公报的图10那样，成为集电极电位的芯片焊盘dp1在树脂封装件的侧面露出。在该情况下，为了确保成为发射极电位的主端子与呈集电极电位的芯片焊盘dp1之间的绝缘距离，封装件变大。并且，由于芯片焊盘dp1是框架，因此难以确保用于提高散热
性的充分的厚度。在实施方式1的半导体装置10中，通过使比主端子18厚的金属块12仅从模塑树脂30的背面露出，使主端子18仅从模塑树脂30的侧面露出，从而对这些问题进行抑制。
44.实施方式1所记载的变形例、修改例或替代方案能够应用于下面的实施方式涉及的半导体装置。针对下面的实施方式涉及的半导体装置，主要对与实施方式1的区别进行说明。
45.实施方式2
46.实施方式2涉及的半导体装置将金属块12的厚度设为大于或等于主端子18的厚度的2倍。图4是表示利用有限元法对金属块12的厚度与热阻之间的关系进行计算得到的结果的图。在将金属块12的厚度提高至2mm左右的过程中，热阻出现急剧的降低。如果将金属块12的厚度逐渐设为大于2mm，则热阻的值逐渐饱和。另外，考虑到加工性及组装性，主端子18能够设为1mm左右或小于或等于1mm的厚度。如果电流小，则能够将主端子18的厚度薄化，也能够将金属块12的厚度薄化。
47.如上所述，金属块12的厚度与热阻相关，厚度越大则越有效果，效果具有逐渐饱和的倾向。使金属块12的厚度大于或等于主端子18的厚度的2倍对于降低热阻是有效的。
48.实施方式3
49.图5是实施方式3涉及的半导体装置的剖视图。该半导体装置具有绝缘基板50。绝缘基板50具有金属底座50b、在金属底座50b之上设置的绝缘层50a、在绝缘层50a之上设置的多个电路图案50c。在多个电路图案50c中的左侧的电路图案50c通过第3接合材料52固定有主端子18。而且，在多个电路图案50c中的右侧的电路图案50c，通过第4接合材料54固定了金属块12的下表面。
50.而且，在左侧的电路图案50c通过接合材料56固定有电极60。在右侧的电路图案50c通过接合材料58固定有电极62。电极60、62的一部分搭在封装件64的上表面。
51.图6是表示图5的半导体装置的内部的图。为了容易理解，示出被模塑树脂30封装的半导体装置、未被模塑树脂封装的半导体装置。金属块12和主端子18这两者均接合于绝缘基板50的电路图案50c。
52.电路图案50c例如能够通过蚀刻容易地形成，因此与汇流条配线相比，电路形成和装配变得容易。绝缘基板50的金属底座50b与汇流条配线相比，促进了配线部分的冷却。如果配线部分被冷却，则配线电阻受到抑制，因此能够将配线部分的剖面面积设得小。
53.在实施方式3涉及的半导体装置中，从半导体元件16产生的热量向金属块12扩散，经由绝缘层50a向金属底座50b传导。将绝缘基板50设为树脂绝缘基板时的绝缘层50a与氮化铝或氮化硅等陶瓷相比热传导率低，但通过金属块12的热扩散效果，也能够得到与使用陶瓷基板时等同的热阻。另外，在用油脂等将半导体装置安装于冷却鳍片的情况下，需要由弹簧等实现的按压，但在本开发产品的情况下，由于使用钎料等接合材料，因此不需要弹簧等周边部件。由于使用绝缘基板50的电路图案50c进行主电路配线，夹着厚度薄的绝缘层50a而配置金属底座50b，因此能够减小电感。
54.实施方式4
55.图7是实施方式4涉及的半导体装置的剖视图。该半导体装置与实施方式3相同地具有绝缘基板50，该绝缘基板50具有金属底座50b、在金属底座50b之上设置的绝缘层50a、在绝缘层50a之上设置的多个电路图案50c。在电路图案50c的一部分上表面设置有辅助绝
缘层80。在辅助绝缘层80之上设置有辅助电路图案82。
56.而且，在辅助电路图案82通过第5接合材料55固定有主端子18。另外，在电路图案50c通过第4接合材料54固定了金属块12的下表面。
57.如图7所图示的那样，主端子18的包含平坦面的第3部分18c与金属块12的背面相比处于上方。而且，在接合有金属块12的电路图案50c之上层叠地配置辅助绝缘层80和辅助电路图案82，将主端子18接合于该辅助电路图案82。通过这样的结构，能够设置为使发射极图案与集电极图案接近且平行，能够使电感降低。
58.实施方式5
59.图8是实施方式5涉及的半导体装置的剖视图。金属块12的下表面到达比模塑树脂30的下表面更靠下方处。在图8中图示出金属块12的下表面与模塑树脂30的下表面相比处于下方距离l1处。换言之，金属块12的露出部与模塑树脂30的背面相比凸出。根据实施方式5涉及的半导体装置，能够在金属块12的侧面形成焊脚等接合材料，因此能够使接合部的可靠性提高。接合部的可靠性例如是温度应力下的耐久性。
60.实施方式6
61.图9是实施方式6涉及的半导体装置的剖视图。在模塑树脂30的下表面沿金属块12的外缘设置有槽30a。该槽30a在仰视观察时将金属块12的露出部包围，设置于模塑树脂30背面。例如，在为了降低半导体元件16的热阻而将金属块12之下的接合材料抑制得薄的情况下，存在剩余的接合材料流出而使电路图案间短路的可能性。通过利用槽30a回收这样的剩余的接合材料，能够对剩余的接合材料的流出进行抑制。
62.实施方式7
63.图10是实施方式7涉及的半导体装置的剖视图。信号端子22具有模塑树脂30中的第4部分22a、与第4部分22a连接且在模塑树脂30外部向下方弯曲的第5部分22b、与第5部分22b连接且与模塑树脂30的下表面大致平行的第6部分22c。
64.实施方式7涉及的信号端子22设为上述形状的结果是，能够将信号端子22连接于电路图案，将该电路图案用作信号配线。因此，例如，在将由模塑树脂封装的多个半导体装置安装于同一绝缘基板时，能够通过1个连接器对多个信号端子进行外部连接。
65.在实施方式7的例子中，由于在模塑树脂30的外部使信号端子22和主端子18这两者均向下方弯曲，因此能够将信号端子22和主端子18连接于绝缘基板。
66.图11是形成模塑树脂前的半导体装置的斜视图。设置有主端子18和多个信号端子22。省略了导线20。图12是图10的半导体装置的斜视图。全部主端子18和信号端子22从模塑树脂30的侧面露出到外部。
67.实施方式8
68.图13是实施方式8涉及的半导体装置的剖视图。主端子18从模塑树脂30的多个侧面露出。在图13的例子中，主端子18在露出部18a、18b、18c这3个部分从模塑树脂30的侧面露出。根据其它例子，也可以设置2个露出部，使露出部从模塑树脂的2个侧面露出。根据另一个例子，也可以设置4个露出部，使露出部从模塑树脂的4个侧面露出。主端子18的多个露出部各自能够具有图1等的第2部分18b和第3部分18c。
69.使主端子18从模塑树脂30的多个侧面露出这一点使绝缘基板的电路图案的布局自由度提高。提高电路图案的布局自由度能够实现装置的小型化。
70.实施方式9
71.图14是实施方式9涉及的半导体装置的剖视图。电路图案50c的一部分表面由绝缘树脂90覆盖。在电路图案50c有多个的情况下多个电路图案50c的一部分表面由绝缘树脂90覆盖。在具有辅助电路图案82的情况下辅助电路图案82的一部分表面也由绝缘树脂90覆盖。绝缘树脂90例如为硅凝胶。通过绝缘树脂90，电路图案与其它电路图案之间的绝缘性提高，因此能够缩窄图案的间隔。减小图案的间隔能够实现装置的小型化。
72.也可以通过比硅带隙大的宽带隙半导体形成至此为止全部的实施方式中的半导体元件16。由于宽带隙半导体的耐压性等优异，因此能够将半导体装置小型化。作为宽带隙半导体，例如是碳化硅、氮化镓类材料、或金刚石。特别地，在本发明中，由于通过将安装半导体元件的金属块12的材质和厚度设定为如上所述而使散热性提高，因此能够减小以宽带隙形成的半导体元件的面积。因此，适于降低成本。
73.此外，能够组合上述各实施方式涉及的半导体装置的特征。
74.标号的说明
75.10半导体装置，12金属块，14a第1接合材料，14b第2接合材料，16半导体元件，18主端子，18a第1部分，18b第2部分，18c第3部分，20导线，22信号端子，30模塑树脂