半导体装置的制作方法

1.本发明涉及半导体装置，特别是涉及具有金属导线的半导体装置。


背景技术：

2.就以往的半导体装置而言，为了降低由在使用环境温度下产生的热膨胀收缩引起的拉伸应力，使用具有足够高度的线环形状的导线配线而在半导体元件之上进行超声波接合，进行电气内部配线。(例如，参照专利文献1)
3.专利文献1：日本特开平10
‑
32218号公报(第0013段、图1)
4.但是，在搭载于上述这样的半导体装置的半导体元件是处理大电流、对电力进行控制这样的所谓功率半导体元件的情况下，近年来，由于半导体元件的制造工艺稳定化以及成本降低，推进了半导体元件的紧缩化(shrink)，半导体元件的尺寸逐渐变小。因此，需要确保导线键合之间的距离，有时具有足够高度的线环形状的导线配线变得困难。


技术实现要素：

5.本发明就是为了解决上述这样的问题而提出的，其目的在于提供应对半导体元件的紧缩化，得到由金属导线形成的具有高可靠性的配线连接，并且能够实现大电流容量化、小型化的半导体装置。
6.本发明涉及的半导体装置具有：半导体元件；金属板，其搭载有半导体元件；外部端子，其与半导体元件或者金属板电连接；金属导线，其将半导体元件、金属板或者外部端子进行配线连接；以及封装件，其将半导体元件、金属板以及金属导线覆盖而进行树脂封装。金属导线在第1接合部位以及第2接合部位处与半导体元件的上表面电极接合。具有低线环形状，该低线环形状构成为，在第1接合部位以及第2接合部位之间，金属导线与第1接合部位以及第2接合部位的至少1者相邻而不与上表面电极接触。
7.发明的效果
8.根据本发明，针对包含半导体元件的紧缩化在内的缩小了尺寸的半导体元件，能够实现使用了金属导线的配线连接。另外，能够得到高可靠性的配线连接，并且能够实现半导体装置的大电流容量化、小型化。
附图说明
9.图1是表示实施方式1涉及的半导体装置的结构的剖视图。
10.图2是表示实施方式1涉及的半导体装置的结构的放大剖视图。
11.图3是表示实施方式2涉及的半导体装置的结构的剖视图。
12.图4是表示实施方式3涉及的半导体装置的结构的剖视图。
具体实施方式
13.实施方式1.
14.对实施方式1涉及的半导体装置的结构进行说明。图1是表示实施方式1涉及的半导体装置的结构的剖视图。
15.如图1所示，多个外部端子4b相对于搭载有半导体元件1的封装件5而从相对的侧面露出，向大致直角方向弯折、延伸。外部端子4b安装于具有未图示的控制电路的控制基板，与半导体装置的外部电连接。
16.在封装件5的内部，在引线框4a搭载有半导体元件1，通过金属导线3a进行配线连接，与外部端子4b连接。此外，能够根据半导体装置的规格，搭载所需数量的所需额定值的半导体元件1。另外，在图1中，金属导线3a与半导体元件1以及外部端子4b进行配线连接，但并没有特别限定，根据由引线框4a实现的电路结构，金属导线3a根据需要而与引线框4a进行配线连接。
17.封装件5是通过向模具注入树脂的传递模塑而封装的，进行了封装化。封装形成封装件5的树脂主要由环氧树脂构成，但不限定于此，只要是具有所期望的弹性模量和密接性的热固性树脂即可。
18.半导体元件1是由si构成、对电力进行控制的所谓电力半导体元件。例如是igbt(insulated gate bipolar transistor)、mosfet(metal
‑
oxide
‑
semiconductor field
‑
effect transistor)、fwd(free wheeling diode)。半导体元件1的一条边为3mm～13mm左右。此外，不限于si，也可以是诸如sic或者gan这样的宽带隙半导体的元件。
19.半导体元件1通过经由接合材料2实现的接合而搭载于引线框4a。接合材料2的材料是以sn为主要成分的焊料材料。此外，接合材料2只要是以ag为主要成分的粘接材料、烧结材料等针对发热的半导体元件1而具有散热性的材料即可。
20.在引线框4a搭载有半导体元件1，通过金属导线3a的配线连接而在半导体装置内形成有电路。引线框4a的厚度为0.3～1.0mm左右。引线框4a以及外部端子4b是从单个板状金属分割而来的。因此，引线框4a与外部端子4b为相同材料、相同厚度。针对单个板状金属，通过使用模具进行切割、成形等，从而得到如图1所示这样的具有台阶构造的引线框4a和大致直角地弯折的外部端子4b的结构。引线框4a以及外部端子4b的材料是以cu为主要成分的导电性的金属材料。只要除了导电性以外还具有散热性即可，因而例如也可以使用al、cu/因伐合金/cu等复合材料，另外，也可以使用cumo等合金。
21.如图1所示，在一部分的外部端子4b通过粘接材料或者接合材料2而搭载有对半导体元件1进行控制的ic(integrated circuit)7，通过细线金属导线3d而进行配线连接。由于ic 7的尺寸例如比igbt、mosfet小，且是控制用的小的电流值，因此使用细线金属导线3d通过球形键合方法而进行配线连接。细线金属导线3d的直径为几十微米左右，是包含au、cu以及ag的任意者的导电性金属。
22.在引线框4a的与接合材料2相反侧的面密接有具有散热性以及绝缘性的散热绝缘片6，针对来自半导体元件1的发热，经由引线框4a而进行散热。散热绝缘片6为绝缘层和金属层的二层构造，散热绝缘片6的金属层从封装件5露出。散热绝缘片6的导热率为2～18w/(m
·
k)左右，厚度为0.1～0.2mm左右。绝缘层主要由填充了填料的环氧树脂构成。金属层是具有散热性的cu或者al等。
23.金属导线3a是纯al或者以al为主要成分的导电性金属。通过不切断地、连续地通过超声波进行接合的导线键合方法，从而将封装件5的内部进行配线连接。金属导线3a的直
径为0.1～0.5mm，根据流过金属导线3a的电流容量而区分使用。因此，也可以使用以电阻小的cu为主要成分的cu导线、或者以电阻更小的ag为主要成分的ag导线。
24.外部端子4b与半导体元件1之间、各半导体元件1之间的金属导线3a的配线连接呈相对于金属导线3a的直径而具有至少大于或等于其2～3倍的高度的线环形状。此外，金属导线3a不从封装件5露出。
25.另一方面，图2示出将半导体元件1的上表面电极处的金属导线3a放大后的剖视图。相对于半导体元件1的上表面电极，在最初的配线连接点即第1接合部位3b处，使在未图示的导线键合装置内的导线头部处安装的进行超声波振动的工具与金属导线3a接触，施加超声波而进行接合。在接合后，为了朝向下一个接合部位即第2接合部位3c移动，未图示的导线键合装置内的导线头部与安装于导线头部的工具一起，以抑制对半导体元件1的损伤以及创伤的程度，从半导体元件1的上表面电极的第1接合部位3b上升(在图2的纸面上是向上侧方向)。然后，朝向半导体元件1的上表面电极的第2接合部位3c而在半导体元件1的上表面电极上平行地移动。另外，导线头部的上升高度是抑制对半导体元件1的损伤以及创伤的程度，由此能够抑制对金属导线3a的配线连接时的生产节拍的影响。
26.由此，金属导线3a在刚刚向第1接合部位3b接合之后，形成不与半导体元件1的上表面电极接触的低线环形状。然后，并未将金属导线3a切断，使导线头部在半导体元件1的上表面电极上平行移动，由此金属导线3a以与半导体元件1的上表面电极接触的方式而直线状地配置。为了向金属导线3a施加超声波振动而将金属导线3a在下一个配线连接点即第2接合部位3c处接合，使未图示的导线键合装置的导线头部下降(在图2的纸面上是向下侧方向)，金属导线3a被拉回，由此形成不与半导体元件1的上表面电极接触的低线环形状。
27.然后，在第2接合部位3c处，使金属导线3a与半导体元件1的上表面电极接合。然后，根据需要，未图示的导线键合装置的导线头部朝向下一个配线连接点即另外的半导体元件1或者外部端子4b而移动，形成配线形状。最后，通过在导线头部处安装的刀具而切断金属导线3a。此外，以半导体元件1的上表面电极为基准，金属导线3a的低线环形状为相对于金属导线3a的直径而小于其2倍的高度，不与半导体元件1的上表面电极接触。
28.接合有金属导线3a的半导体元件1的上表面电极由al或者alsi形成，为0.003～0.005mm左右的厚度。另外，金属导线3a所接合、或者接触的电极为电气上与半导体元件1的上表面电极相同电位的电极。
29.如图1以及图2所示，通过上述这样的金属导线3a的相对于半导体元件1的上表面电极的配线连接形状，不需要外部端子4b与半导体元件1之间以及各半导体元件1之间这样的大的线环形状，因此即使半导体元件1紧缩化，半导体元件1的尺寸缩小，也能够由金属导线3a进行配线连接。另外，半导体元件1所需的搭载面积变小，因而能够实现半导体装置的小型化。
30.并且，如图2所示，在位于半导体元件1的上表面电极处的第1接合部位3b以及第2接合部位3c的基础上，金属导线3a还与半导体元件1的上表面电极直线状地接触，因此接触面积变大，能够确保足够的通电面积。因此，不增大半导体装置的封装件尺寸就能够应对半导体装置的大电流容量化。
31.半导体装置的额定电压为600v或者1200v，额定电流为5a～150a左右。为了对半导体元件1进行控制，在外部端子4b搭载有ic 7。另外，为了设置转换器、制动功能，能够在引
线框4a搭载转换器用二极管、制动用igbt，能够内置于同一半导体装置。与上述同样地，对于转换器用二极管、制动用igbt，也能够形成由金属导线3a实现的配线连接。
32.实施方式1中的半导体装置由以下部分构成：半导体元件1；引线框4a，其搭载有半导体元件1；金属导线3a，其将半导体元件1以及外部端子4b进行配线连接；以及封装件5，其将半导体元件1、引线框4a以及金属导线3a覆盖而进行树脂封装。金属导线3a在第1接合部位3b以及第2接合部位3c处与半导体元件1的上表面电极接合。在第1接合部位3b以及第2接合部位3c之间，金属导线3a成为与第1接合部位3b以及第2接合部位3c的至少一者相邻而不与上表面电极接触的低线环形状。通过设为上述这样的结构，从而金属导线3a不需要设为大的线环形状，因此即使针对由半导体元件1的紧缩化实现的半导体元件尺寸缩小化，也能够实现使用了金属导线3a的配线连接。另外，能够通过上述这样的金属导线3a的配线连接而实现半导体装置的小型化。
33.另外，除了位于半导体元件1的上表面电极处的第1接合部位3b以及第2接合部位3c以外，金属导线3a还与半导体元件1的上表面电极直线状地接触，接触面积变大，因此能够确保足够的通电面积，不增大半导体装置的封装件尺寸就能够应对半导体装置的大电流容量化。
34.此外，金属导线3a不从封装件5露出，因而能够通过对金属导线3a进行由使用了树脂的传递模塑实现的封装，从而通过进行封装的树脂而将金属导线3a以及半导体元件1密接固定。由此，能够抑制金属导线3a的龟裂以及切断，并且能够提高金属导线3a与半导体元件1的上表面电极的接合可靠性。
35.另外，不特别限定于半导体元件1的紧缩化，针对小尺寸的半导体元件1，能够实现由金属导线3a进行的配线连接。当然，能够实现半导体装置的小型化。
36.另外，在上述的实施方式中，作为一个例子而设为使用了引线框4a的实施方式，但只要发挥作为结构要素的金属板的功能即可。另外，即使是绝缘基板，也同样能够采用，取得相同的效果。具体地说，也可以取代引线框4a和散热绝缘片6的结构而是设为基于绝缘基板的结构。绝缘基板由具有导电性的金属层和具有绝缘性的陶瓷层构成，陶瓷为al2o3、aln或者si3n4等的任意者。因此，通过应用绝缘基板，从而散热性大幅度地提高为大于或等于几十w/(m
·
k)，因此针对半导体元件1的发热，能够确保足够的散热性，能够实现半导体装置的小型化，并且不会使半导体元件1的特性劣化，能够充分发挥半导体元件1所具有的特性，使半导体元件1所具有的特性充分起作用。
37.在上述绝缘基板的情况下，能够针对半导体元件1而充分确保所需的散热性，因此，在作为半导体元件1而搭载有诸如sic或者gan这样的宽带隙半导体的元件时，其效果变得显著。
38.并且，也可以是通过由树脂成形出的壳体而将绝缘基板上的半导体元件1包围，注入以硅树脂为主要成分的凝胶材料、或者环氧树脂而进行封装的结构，通过与上述相同的金属导线3a的配线连接，从而能够得到半导体装置的小型化、大电流容量化。
39.能够隔着散热脂而向从封装件5露出的散热绝缘片6、或者绝缘基板、或者在绝缘基板安装的用于进一步提高散热性的散热板安装具有鳍片的冷却器。例如被用作逆变器等电力转换系统，由于半导体装置的小型化，其结果，能够对上述逆变器等电力半导体装置系统的小型化做出大的贡献。
40.实施方式2.
41.图3是表示实施方式2涉及的半导体装置的剖视图。此外，本实施方式中的半导体装置大部分的结构与实施方式1共通。因此，对与实施方式1中的半导体装置的不同点进行说明，并且对相同或者相应的结构标注相同的标号而示出，省略其说明。如图3所示，与实施方式1的不同点在于，直线状的金属导线3a没有被切断而是连续地在多个部位与半导体元件1的上表面电极进行接合的结构。
42.金属导线3a在至少大于或等于3个部位的多个部位处与半导体元件1的上表面电极接合，直线状地配线连接。此外，优选在半导体元件1的上表面电极之上配置的金属导线3a的接合部位以外的部分与半导体元件1的上表面电极接触，但即使不接触也没关系。
43.各接合部位的接合强度具有足够的强度，例如，如果进行剥离试验，则在半导体元件1的上表面电极与金属导线3a之间的接合界面处不会剥离。另外，能够在半导体装置的使用环境温度下具有足够的接合寿命。
44.此外，在图3的纸面上的左侧配置的半导体元件1的上表面电极的金属导线3a，在向外部端子4b进行配线连接的第2接合部位3c和向其它半导体元件1连接的第1接合部位3b之间形成有与上述各接合部位相邻而不与半导体元件1的上表面电极接触的低线环形状。
45.另外，在图3的纸面上的右侧配置的半导体元件1的上表面电极的金属导线3a与其它半导体元件1进行配线连接，在半导体元件1的上表面电极的接合部位形成有与上述接合部位相邻而不与半导体元件1的上表面电极接触的低线环形状。
46.在实施方式2中，也是在引线框4a搭载有半导体元件1，通过金属导线3a而将半导体元件1以及外部端子4b进行配线连接，在将半导体元件1、引线框4a以及金属导线3a覆盖而树脂封装的封装件5中，金属导线3a直线状地在至少大于或等于3个部位的多个部位处与半导体元件1的上表面电极接合。通过设为上述这样的结构，从而不需要金属导线3a的大的线环形状，因此能够实现与由半导体元件1的紧缩化实现的半导体元件尺寸缩小化相适应的使用了金属导线3a的配线连接。另外，能够通过上述金属导线3a的配线连接而实现半导体装置的小型化。
47.另外，相对于半导体元件1的上表面电极，金属导线3a具备具有足够接合强度的由至少大于或等于3个点构成的多个接合部位，由此即使金属导线3a为低线环形状，也能够得到具有高可靠性的金属导线3a的配线连接。
48.并且，在半导体元件1的上表面电极处，金属导线3a具有由大于或等于3个点构成的多个接合部位，因而即使由于半导体元件1的发热、半导体装置的使用环境温度，在接合部位处产生超过预期的热应力，在最坏情形下产生了局部龟裂、剥离，也能够作为半导体装置而进行动作。
49.在金属导线3a与半导体元件1的上表面电极之间，通过具有足够接合强度的由大于或等于3个点构成的多个接合部位，能够确保足够的通电面积，因此不增大封装件尺寸就能够实现半导体装置的大电流容量化。
50.实施方式3.
51.图4是表示实施方式3涉及的半导体装置的剖视图。此外，本实施方式中的半导体装置大部分的结构与实施方式1共通。因此，对与实施方式1中的半导体装置的不同点进行说明，并且对相同或者相应的结构标注相同的标号而示出，省略其说明。如图4所示，与实施
方式1的不同点在于，除了金属导线3a与半导体元件1的上表面电极接合的第1接合部位3b和第2接合部位3c以外的金属导线3a是与半导体元件1的上表面电极具有一定的距离、不与半导体元件1的上表面电极接触的直线状的配线连接的结构。
52.除了金属导线3a与半导体元件1的上表面电极接合的第1接合部位3b和第2接合部位3c以外的金属导线3a成为与半导体元件1的上表面电极具有一定的距离、不与半导体元件1的上表面电极接触的直线状的配线连接。如图4所示，金属导线3a配置于与半导体元件1的上表面电极平行的位置。此外，在第1接合部位3b以及第2接合部位3c之间，金属导线3a形成有与第1接合部位3b以及第2接合部位3c相邻而不与半导体元件1的上表面电极接触的低线环形状。
53.在实施方式3中，也是在引线框4a搭载有半导体元件1，通过金属导线3a而将半导体元件1以及外部端子4b进行配线连接，在将半导体元件1、引线框4a以及金属导线3a覆盖而树脂封装的封装件5中，金属导线3a在第1接合部位3b以及第2接合部位3c处与半导体元件1的上表面电极接合，在第1接合部位3b与第2接合部位3c之间，金属导线3a以不与半导体元件1的上表面电极接触的状态直线状地配线连接。通过设为上述这样的结构，从而不需要由金属导线3a形成大的线环形状，因此即使针对由半导体元件1的紧缩化实现的半导体元件尺寸缩小化，也能够实现使用了金属导线3a的配线连接。另外，能够通过上述金属导线3a的配线连接而实现半导体装置的小型化。
54.特别地，对于在第1接合部位3b以及第2接合部位3c处相对于半导体元件1而得到足够的接合强度，能够确保足够的接合面积，能够确保所需的电流容量的情况是有效的。
55.此外，能够对各实施方式自由地进行组合，对各实施方式适当地进行变形、省略。
56.标号的说明
57.1 半导体元件
58.3a 金属导线
59.4a 引线框
60.4b 外部端子
61.5 封装件