半导体装置及半导体装置的制造方法 |
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| 申请号 | CN201710463571.2 | 申请日 | 2017-06-19 | 公开(公告)号 | CN107527892A | 公开(公告)日 | 2017-12-29 |
| 申请人 | 富士电机株式会社; | 发明人 | 玉井雄大; 百濑文彦; | ||||
| 摘要 | 一种 半导体 装置及半导体装置的制造方法。能减小外部连接 端子 和 电路 板的接合面上的应 力 。半导体装置(100)具有U端子(161)，U端子(161)的一端侧的内部接合部(161a)与 电路板 连接，中间部埋设于壳体(110)，另一端侧的外部接合部(161f)从壳体(110)伸出，在壳体(110)内侧和内部接合部(161a)之间设有对内部接合部(161a)的 应力 进行缓冲的缓冲部(161g)。通过设置这种缓冲部(161g)，即使半导体装置(100)的整体发生形变，或者半导体装置(100)的局部发生形变导致在内部接合部(161a)与电路板之间的接合面发生应力集中，应力也会被该缓冲部(161g)缓冲。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种半导体装置，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 半导体装置及半导体装置的制造方法技术领域[0001] 本发明涉及一种半导体装置及半导体装置的制造方法。 背景技术[0002] 半导体装置包括功率半导体元件，被用作电力转换装置或者开关装置。例如，在这种半导体装置中，连接有包括IGBT(绝缘栅双极晶体管：Insulated Gate Bipolar Transistor)、功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等的半导体芯片，起到开关装置的作用。 [0003] 在这种半导体装置中，包括：层叠基板，该层叠基板具有分别在其正面配置有电路板、背面配置有金属板的绝缘板；以及半导体芯片，该半导体芯片通过焊接配置在电路板上。层叠基板配置于散热板上。并且，在半导体装置中，连接端子成型并固定于壳体内，且该连接端子的一端与电路板接合(例如，参照专利文献1)。 [0004] 现有技术文献 [0005] 专利文献 [0006] 专利文献1：日本专利特开2010-098036号公报 [0007] 但是，所述半导体装置随着大电流的导通而发热时，由于层叠基板和散热底座的热膨胀系数不同，层叠基板和散热底座可能会发生弯曲，在连接端子和电路板的接合面处可能会产生应力。尤其是，由于连接端子固定于壳体，所以该接合面上的应力会变得更大。因此，连接端子从电路板上脱落或者折断的可能性增加。 发明内容[0008] 本发明鉴于上述这些点而作，其目的在于提供一种能将连接端子与电路板的接合面处的应力降低的半导体装置及半导体装置的制造方法。 [0009] 根据本发明的一个方面，提供一种半导体装置，包括：半导体芯片；层叠基板，该层叠基板具有绝缘板、电路板及金属板，所述电路板设于所述绝缘板的正面，且配置有所述半导体芯片，所述金属板设于所述绝缘板的背面；散热板，该散热板以与所述金属板接合的方式配置有所述层叠基板；壳体，该壳体对所述半导体芯片和所述层叠基板进行收纳；以及连接端子，该连接端子的一端侧的内部接合部与所述电路板接合，中间部埋设于所述壳体，另一端侧的外部接合部从所述壳体伸出，在所述壳体的内侧与所述内部接合部之间，设有对所述内部接合部的应力进行缓冲的缓冲部。 [0010] 此外，提供了所述半导体装置的制造方法。 [0012] 图1是实施方式的半导体装置的俯视图。 [0013] 图2是实施方式的半导体装置的剖视图。 [0014] 图3是参考例的半导体装置的剖视图。 [0015] 图4是表示实施方式中的半导体装置的连接端子处的应力和热循环预测耐量的图表。 [0017] 图6是用于说明对实施方式的半导体装置进行超声波接合的图。 [0018] (符号说明) [0019] 100 半导体装置 [0020] 110 壳体 [0021] 111a 控制端子 [0022] 119 散热板 [0023] 120 层叠基板 [0024] 121 绝缘板 [0025] 122a、122b、122c 电路板 [0026] 123 金属板 [0027] 141、142、143 N端子 [0028] 151、152、153 P端子 [0029] 151a、161a 内部接合部 [0030] 151b、161b 第一构件 [0031] 151c、161c 第二构件 [0032] 151d、161d 第三构件 [0033] 151e、161e 第四构件 [0034] 151f、161f 外部接合部 [0035] 151g、161g 缓冲部 [0036] 161 U端子 [0037] 162 V端子 [0038] 163 W端子 [0039] 170 收纳部 [0040] 300 超声波接合装置 [0041] 310 超声波振动部 [0042] 320 超声波振子 [0043] 330 接触件 [0044] 331 主体部 [0045] 332 按压部 [0046] 332a 接触面 具体实施方式[0047] 以下，参照图1和图2对实施方式的半导体装置进行说明。 [0048] 图1是实施方式的半导体装置的俯视图。 [0049] 图2是实施方式的半导体装置的剖视图。 [0050] 另外，图2是图1中的点划线Y-Y的剖视图。此外，图2中省略了连接半导体芯片和电路板的线材的记载。 [0051] 半导体装置100具有壳体110和三个层叠基板120，这三个层叠基板120收纳于配置在壳体110中央部的收纳部170。层叠基板120配置在由例如铝、铜等散热性良好的材料构成的散热板119上(图2)。 [0052] 壳体110通过注塑成型并使用树脂将控制端子111a、与控制端子111a电连接的控制电极(未图示)、P端子151、152、153、N端子141、142、143、U端子161、V端子162、W端子163一体成型而成。 [0053] 以下，将P端子151、152、153、N端子141、142、143、U端子161、V端子162、W端子163总称为连接端子。 [0054] 层叠基板120在绝缘板121的背面形成有金属板123，此外，在绝缘板121的正面形成有由例如铜构成的电路板122a、122b、122c。绝缘板121由具有绝缘性的例如氧化铝、氮化硅、氮化铝等构成。金属板123由例如铝、铜等散热性良好的材料构成。回路板122a、122b、122c由例如铜等具有导电性的材料构成。另外，半导体芯片(图中省去)通过焊接配置在电路板122a上。此外，半导体芯片(图中省去)分别通过焊接配置在电路板122a上。这些半导体芯片包含有例如IGBT(绝缘栅双极晶体管：Insulated Gate Bipolar Transistor)、功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、FWD(续流二极管：Free Wheeling Diode)等。 [0055] 接着，对连接端子(P端子151、152、153，N端子141、142、143，U端子161，V端子162，W端子163)进行说明。 [0056] 其中，作为连接端子之一，对U端子161进行举例说明。 [0057] 如图1和图2所示，U端子161具有与电路板122a电连接的内部接合部161a。内部接合部161a与电路板122a通过超声波接合而接合。并且，U端子161具有：在相对于层叠基板120的主表面垂直向上方向与内部接合部161a的端部相连接的第一构件161b；在相对于层叠基板120的主表面平行方向上与第一构件161b的端部相连接的第二构件161c；在相对于层叠基板120的主表面垂直向下方向与第二构件161c的端部相连接的第三构件161d；以及在相对于层叠基板120的主表面平行方向上与第三构件161d的端部相连接并且埋设于壳体 110的第四构件161e。另外，U端子161具有一端在壳体110内与第四构件161e连接，另一端从壳体110伸出表面的外部接合部161f。如前所述的U端子161由第一构件161b、第二构件 161c、第三构件161d、第四构件161e构成了图2中向上凸起地弯曲的缓冲部161g。 [0058] 作为连接端子的另外一个例子的P端子151也和U端子161一样，如图2所示，具有内部接合部151a、第一构件151b、第二构件151c、第三构件151d、第四构件151e和外部接合部151f。如前所述，P端子151由第一构件151b、第二构件151c、第三构件151d、第四构件151e构成了图2中向上凸起地弯曲的缓冲部151g。 [0059] 如此，其余连接端子也和U端子161、P端子151一样，具有内部接合部、第一构件、第二构件、第三构件、第四构件和外部接合部，并由第一构件～第四构件构成了向上凸起地弯曲的缓冲部。 [0060] 并且，P端子152、153的内部接合部与电路板122c接合，N端子141、142、143的内部接合部与电路板122b接合，V端子162和W端子163的内部接合部与电路板122a接合。 [0061] 因此，控制端子111a通过线材(图示省略)将控制电极与半导体芯片的门电极电连接。 [0062] 并且，P端子151、152、153在与外部的正极电连接的状态下，经由电路板122c，与半导体芯片的背面电极电连接。 [0063] N端子141、142、143在与外部的负极电连接的状态下，通过线材(图示省略)，与半导体芯片的表面电极电连接。 [0064] U端子161、V端子162、W端子163通过电路板122a与半导体芯片的背面电极电连接。此外，U端子161、V端子162、W端子163通过线材(图示省略)与半导体芯片的表面电极电连接。 [0065] 如前所述的半导体装置100中，在收纳部170中填充有凝胶、浇灌树脂等封装材料(图示省略)，层叠基板120、(收纳部170侧的)P端子151、152、153、N端子141、142、143、U端子161、V端子162、W端子163和线材113被封装材料(图示省略)封装。 [0066] 接着，作为相对于半导体装置100的参考例，使用图3对另外的半导体装置进行说明。 [0067] 图3是参考例的半导体装置的剖视图。 [0068] 半导体装置1000具有除了连接端子以外与半导体装置100一样的构成(半导体装置1000的主视图参照图1)。 [0069] 以下，对半导体装置1000的连接端子中的U端子261、P端子251进行说明。 [0070] 图3是上述半导体装置1000的和图1同样的点划线Y-Y处的剖视图。 [0071] 在半导体装置1000中，如图3(和图1)所示，U端子261具有与电路板122a电连接的内部接合部261a。内部接合部261a与电路板122a通过超声波接合而接合。并且，U端子261具有：在相对于层叠基板120的主表面垂直向上方向与内部接合部261a的端部相连接的第一构件261b；以及在相对于层叠基板120的主表面平行方向上与第一构件261b的端部相连接的第二构件261c。U端子261具有一端在壳体110内与第二构件261c连接，另一端从壳体110伸出表面的外部接合部261d。 [0072] 作为半导体装置1000的连接端子的另外一个例子的P端子251也和U端子261一样，如图3所示，具有内部接合部251a、第一构件251b、第二构件251c、和外部接合部251d。 [0073] 其余连接端子也和U端子261、P端子251一样，具有：内部接合部；在相对于层叠基板120的主表面垂直向上方向与内部接合部的端部相连接的第一构件；在相对于层叠基板120的主表面平行方向上与第一构件相连接的第二构件；以及一端在壳体110内与第二构件连接，另一端从壳体110伸出表面的外部接合部。 [0074] 如前所述的连接端子的厚度例如为0.5mm以上、1.5mm以下左右。另外，连接端子的厚度、宽度在整体上都是大致相同的，并不存在局部较细的部分等。 [0075] 如前所述的半导体装置1000也在收纳部170中填充有凝胶、浇灌树脂等封装材料(图示省略)，且层叠基板120、(收纳部170侧的)P端子251、U端子261等连接端子和线材113被封装材料(图示省略)封装。 [0076] 如前所述的半导体装置1000在用作例如车载装置等的情况下，可考虑用于外部温度变化剧烈的环境。另外，当半导体装置1000动作时，由于会有大电流通过，因此会散发热量。这种半导体装置1000的内外部的热量会引起壳体110、层叠基板120、散热板119的压缩和收缩，因此该装置的整体或者局部会产生形变。特别是，层叠基板120和散热板119由于线性膨胀系数的差值可能会发生弯曲。U端子261的一端侧的内部接合部261a固定于电路板122a，另一端埋设于壳体110。因此，当半导体装置1000整体形变或者局部发生形变时，在内部接合部261a和电路板122a之间的接合部会发生应力集中现象。当发生应力集中时，U端子 261的内部接合部261a可能会从电路板122a上脱落，或者U端子261也有可能折裂。 [0077] 那么，如图1和图2所示的半导体装置100中，关于连接端子的例如U端子161，通过内部接合部161a、壳体110内侧的第一构件161b、第二构件161c、第三构件161d、第四构件161e构成了图2中向上凸起地弯曲的缓冲部161g。由此，即使半导体装置100的整体发生形变，或者半导体装置100的局部发生形变，导致在内部接合部161a与电路板122a之间的接合面发生应力集中，应力也会被该缓冲部161g缓冲。因此，在半导体装置100中，能抑制U端子 161的内部接合部161a从电路板122a上脱落、U端子161折裂。从而，半导体装置100能够实现U端子161的寿命增长，抑制可靠性降低。 [0078] 接着，参照图4对半导体装置100的连接端子(以U端子161为例)和半导体装置1000的连接端子(以U端子261为例)的应力模拟实验结果和热循环预测耐量进行说明。 [0079] 图4是表示实施方式中的半导体装置的连接端子处的应力和热循环预测耐量的图表。 [0080] 并且，作为连接端子的例子，图4表示了U端子161、261的情况。然而，图4所示结果并不只限于U端子161、261，其它的连接构件也能得出同样的结果。 [0081] 图4(A)是表示U端子161、261的接合部处的应力模拟实验结果的图表，横轴表示U端子161或U端子261(参考例)，纵轴表示应力(Kgf/mm2)。 [0082] 图4(B)中，横轴表示半导体装置100或半导体装置1000(参考例)，纵轴表示热循环预测耐量(次)。 [0083] 关于应力模拟实验以及热循环预测耐量，半导体装置100、1000的层叠基板120的绝缘板121由氮化硅构成，P端子、N端子、U端子、V端子、W端子等连接端子由铜构成，封装材料由凝胶构成。 [0084] 另外，作为应力模拟实验，对连接端子(U端子161、261)采用FEM(Finite Element Method：有限元分析)对连接端子(U端子161、261)进行应力分析。 [0085] 在热循环预测耐量中，对于半导体装置100、1000，在规定时间内使温度从-40℃上升至125℃，再在规定时间内使温度从125℃下降至-40℃，以此作为一个循环。在这种情况下，可由图4(A)的应力和疲劳寿命曲线(图中省去)计算得出在第几个循环U端子161、U端子261的电路板122b的接合部会发生脱落，在第几个循环U端子161、U端子261会达到发生折断等的疲劳极限。 [0086] 首先，根据图4(A)所示的应力模拟实验结果可知，半导体装置100中的U端子161处的应力比半导体1000中的U端子261(参考例)处的应力小。 [0087] 此外，根据图4(B)所示的热循环预测耐量结果可知，具有U端子161的半导体装置100的次数比具有U端子261的半导体装置1000(参考例)的次数增加了四倍。 [0088] 如前所述的半导体装置100具有层叠基板120，该层叠基板120包括：绝缘板121；配置在绝缘板121的上表面的、配置有半导体芯片131～134的电路板122a、122b、122c；以及配置在绝缘板121的背面的金属板123。并且，半导体装置100具有散热板119和壳体110，所述散热板119以与金属板123相接合的方式配置有层叠基板120，所述壳体110对半导体芯片131～134及层叠基板120进行收纳。该半导体装置100具有U端子161，U端子161的一端侧的内部接合部161a与电路板122a接合，中间部埋设于壳体110，另一端侧的外部接合部161f从壳体110伸出表面，U端子161设有缓冲部161g，该缓冲部161g在壳体110的内侧与内部接合部161a之间使作用于内部接合部161a的应力缓冲。并且，U端子161的缓冲部161g由第一构件161b、第二构件161c、第三构件161d及第四构件161e构成，其中，第一构件161b在与层叠基板120的主表面垂直向上方向与内部接合部161a的端部相连接，第二构件161c在与层叠基板120的主表面平行方向上与第一构件161b的端部相连接，第三构件161d在与层叠基板 120的主表面垂直向下方向与第二构件161c的端部相连接，第四构件161e在与层叠基板120的主表面平行的方向上与第三构件161d的端部相连接，并且埋设于壳体110。此外，半导体装置100的其余连接端子也具有和U端子161一样的构成。 [0089] 该半导体装置100通过设置如前所述的缓冲部161g，即使半导体装置100的整体发生形变，或者半导体装置100的局部发生形变导致在内部接合部161a与电路板122a的接合面发生应力集中，该应力也会被该缓冲部161g缓冲。因此，在半导体装置100中，能抑制U端子161的内部接合部161a从电路板122a上脱落，并能抑制U端子161的折断。此外，其余的连接端子也和U端子161一样，能抑制内部接合部从电路板上脱落，并能抑制其余的连接端子的折断。从而，半导体装置100能够实现连接端子的寿命增长，并能抑制可靠性降低。 [0090] 另外，如前所述，连接端子的厚度、宽度在整体上都是大致相同的，并不存在局部较细的部位等。半导体装置100的连接端子中流通着大电流。若为了缓冲连接端子处的应力而例如使该连接端子的一部分变细并使其弯曲，则大电流通过的连接端子中变细的部位可能会发热，从而成为导致半导体装置100变得高温的原因。因此，连接端子的厚度、宽度在整体上大致相同是最理想的。 [0091] 此外，在半导体装置100中，如前所述，连接端子和电路板之间是通过超声波接合而相连接的。但是，不局限于如前所述的超声波接合，通过焊接使连接端子和电路板之间接合也能达到所述同样的效果。 [0092] 接着，对半导体装置100的制造方法中连接端子与电路板之间的超声波接合进行说明。 [0093] 首先，使用图5，对实施超声波接合的超声波接合装置进行说明。 [0094] 图5是用于说明实施方式的超声波接合装置的图。 [0095] 其中，图5(A)是超声波接合装置的示意图，图5(B)和图5(C)分别表示超声波接合装置的接触件的接触面和另一接触件的主视图。 [0096] 超声波接合装置300具有：超声波振动部310；与超声波振动部310相连接并使发出的超声波传播的超声波振子320；以及与超声波振子320相连接并将连接端子按压于电路板的接触件330。 [0097] 超声波振动部310以规定的振动频率振动，从而发出超声波。 [0098] 超声波振子320与超声波振动部310相连接，并使从超声波振动部310发出的超声波传播。 [0099] 接触件330呈棒状，具有：主体部331；以及被加工成使主体部331的前端侧比主体部331的直径小的按压部332。接触件330的按压部332的接触面332a如图5(B)所示，呈矩形，其按压连接端子的内部接合部。如前所述的接触件330与超声波振子320相连接，随着超声波振子320的振动而振动。由此，能使连接端子边振动边对电路板进行按压。 [0100] 另外，如图5(C)所示，接触件330例如也可呈T字状。只要是如前所述的接触件330，就能使多个连接端子一起边振动边对电路板进行按压。 [0101] 在超声波接合装置300中，能根据超声波振动部310的振动方向，使接触件330分别朝图5中的x方向、y方向振动。 [0102] 接着，使用图6，对图5(A)、图5(B)所示的超声波接合装置300对连接端子的电路板进行的超声波接合进行说明。 [0103] 图6是用于说明对实施方式的半导体装置进行的超声波接合的图。 [0104] 图6(A)表示相对于超声波接合装置300的接触件330的参考例的接触件430进行的超声波接合，图6(B)表示超声波接合装置300的接触件330进行的超声波接合。 [0105] 另外，在进行超声波接合之前，按照散热板119、层叠基板120、半导体芯片131～134的顺序依次层叠。接着，将层叠基板120和半导体芯片131～134收纳于壳体110。 [0106] 这之后，如后所述，使用超声波接合装置300通过超声波接合将连接端子与电路板接合。 [0107] 首先，作为相对于接触件330的参考例，对超声波接合装置300具有接触件430的情况进行说明。 [0108] 这种接触件430如图6(A)所示，呈宽度(和厚度)整体一致且笔直延伸的棒状。在这种情况下，若使半导体装置100的连接端子(例如U端子161)与电路板122a超声波接合，则接触件430可能会与U端子161(图6(A)中虚线的圆所圈出的位置)发生干涉。若接触件430与U端子161发生干涉，则超声波不能从接触件430适当地传播至U端子161，U端子161和电路板122a之间可能无法进行合适的超声波接合。 [0109] 因此，在超声波接合装置300中，使用了接触件300，该接触件300具有：主体部331；以及被加工成使主体部331的前端侧比主体部331的直径小的按压部332。这种接触件330如图6(B)所示不会与U端子161发生干涉，可以一边对U端子161的内部接合部161a施加振动，一边按压电路板122b，能使内部接合部161a与电路板122b超声波接合。 |
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