CN103985691A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体装置，其可以抑制导电性材料图案从绝缘层剥离。半导体装置（10）具有金属基板（11）、半导体元件（30、32）、导线（35、36、37、38）、控制端子（40）、主电极端子（42）、控制基板（44）、盖（45）、封装树脂（50）、壳体（20）以及绝缘物（18）。金属基板（11）具有金属板（12）、形成在金属板（12）上表面的绝缘层（14）以及设置在绝缘层（14）上的电极图案（16）。半导体元件（30、32）经由焊料（34）安装在电极图案（16）上。封装树脂（50）对半导体元件（30、32）等的壳体（20）内的结构进行封装。绝缘物（18）覆盖绝缘层（14）的表面的一部分以及电极图案（16）的端面（16b）的至少一部分。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及一种半导体装置。
背景技术
当前，例如在日本特开平5－67727号公报中公开的内容所示，已知一种在金属基板上安装有半导体元件的半导体装置。在上述现有的半导体装置中，在整个面上形成有绝缘层的金属基板上，粘接并软钎焊有铜电路。具体地说，在层叠的金属基板上的铜电路的所需部位印刷膏状焊料，在铜电路图案上搭载功率用半导体芯片，利用回流炉对整个部件进行软钎焊。然后，进行电路间的导线接合，通过进行封装而完成半导体装置。
专利文献1：日本特开平5－67727号公报
专利文献2：日本特开平5－37105号公报
专利文献3：日本特开2007－184315号公报
专利文献4：日本特开平9－232512号公报
专利文献5：日本特开2000－216332号公报
专利文献6：日本特开2002－76197号公报
专利文献7：日本特开2001－36004号公报
专利文献8：日本特开2007－157863号公报
上述现有的半导体装置具有用于安装半导体元件等部件的金属基板。该金属基板构成为，在铜等金属板上，通过绝缘片的粘贴等而设置有绝缘层，并在此基础上，在该绝缘层上利用铜等导电性材料形成电路图案。在这种金属基板中，存在下述问题：在表面的由导电性材料构成的电路图案和绝缘层之间，由于热线膨胀系数的差异而产生裂缝，使电路图案剥离。
发明内容
本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于，提供一种半导体装置，其能够抑制导电性材料图案从绝缘层剥离这一情况。
本发明所涉及的半导体装置的特征在于，具有：
金属基板，其具有金属板、在所述金属板的上表面形成的绝缘层、以及设置在所述绝缘层上的导电性材料图案；
半导体元件，其设置在所述导电性材料图案上；
封装树脂，其对所述半导体元件进行封装；以及
绝缘物，其覆盖所述绝缘层的表面的一部分以及所述导电性材料图案的端面的至少一部分。
发明的效果
根据本发明所涉及的半导体装置，可以抑制导电性材料图案从绝缘层剥离这一情况。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的内部结构的剖面图。
图2是本发明的实施方式1所涉及的半导体装置所具有的金属基板的局部斜视图。
图3是将图1的由虚线X包围的部位的结构放大示出的示意图。
图4是将本发明的实施方式2所涉及的半导体装置所具有的金属基板中、与图1的由虚线X包围的部位相当的部位放大示出的示意图。
图5是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的变形例的图。
图6是将本发明的实施方式3所涉及的半导体装置所具有的金属基板中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。
图7是将本发明的实施方式4所涉及的半导体装置所具有的金属基板中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。
图8是将本发明的实施方式5所涉及的半导体装置所具有的金属基板中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。
图9是将本发明的实施方式6所涉及的半导体装置所具有的金属基板中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。
图10是将本发明的实施方式7所涉及的半导体装置所具有的金属基板中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。
图11是将本发明的实施方式8所涉及的半导体装置所具有的金属基板中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。
图12是沿图11的箭头A对金属基板的一部分进行俯视观察的俯视图。
图13是用于说明本发明的实施方式9所涉及的半导体装置所具有的金属基板的结构的图。
图14是用于说明本发明的实施方式9所涉及的半导体装置所具有的金属基板的结构的图。
图15是用于说明本发明的实施方式9所涉及的半导体装置所具有的金属基板的结构的图。
图16是将本发明的实施方式10所涉及的半导体装置所具有的金属基板中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。
图17是将本发明的实施方式11所涉及的半导体装置所具有的金属基板中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。
符号的说明
10半导体装置，11金属基板，12金属板，12a上表面，12b侧面，12c下表面，14绝缘层，16电极图案，16a上表面，16b端面，18绝缘物，20壳体，30半导体元件，32半导体元件，34焊料，35、36、37、38导线，40控制端子，42主电极端子，44控制基板，45盖，50封装树脂
具体实施方式
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置10的内部结构的剖面图。半导体装置10具有金属基板11。金属基板11具有金属板12。在金属板12的上表面12a层叠有绝缘层14以及电极图案16。金属板12除了上表面12a之外，还具有侧面12b以及下表面12c。金属板12以及电极图案16由铜（Cu）形成。绝缘层14的材料是环氧类树脂。
在电极图案16上，经由焊料34安装有半导体元件30以及半导体元件32。关于半导体元件30、32的详细内容，在这里进行了省略，但其为公知的各种功率半导体元件即功率半导体开关元件（IGBT或MOSFET）以及续流二极管。
导线35将半导体元件30和控制端子40电连接。导线36将半导体元件30、32电连接。导线37将半导体元件32和电极图案16的一部分电连接。导线38将电极图案16和主电极端子42电连接。在控制端子40上插入有控制基板44，它们之间进行了电连接。
在由金属基板11以及壳体20围成的空间中，填充封装树脂50。对于封装树脂50，重视散热性，优选凝胶、环氧树脂。是具有能够对在半导体元件30、32驱动时产生的热量充分地散热的程度的导热系数的材料。由金属基板11以及壳体20收容的上述各结构，利用封装树脂50进行封装。半导体装置10还具有在封装树脂50的上表面安装的盖45。
金属基板11在绝缘层14上具有电极图案16。如图1所示，电极图案16以沿金属基板11的平面方向分离的方式分为多个部分而设置。上述电极图案16的多个部分分别具有端面16b，沿其各自的端面16b设置有绝缘物18。
图2是本发明的实施方式1所涉及的半导体装置10所具有的金属基板11的局部斜视图。如图2所示，电极图案16具有上表面16a以及端面16b。电极图案16如图2所示分为多个部分（所谓多个岛），端面16b是其各个部分的周缘部。因此，如图2所示，端面16b存在于金属基板11的周缘侧，并且不限于此，也存在于金属基板11的中央侧。
图3是将图1的由虚线X包围的部位的结构放大示出的示意图。此外，该图3所示的剖面结构沿电极图案16的端面16b以包围电极图案16的方式延伸。在各个端面16b上设置有图3所示的绝缘物18。绝缘物18覆盖绝缘层14的表面的一部分以及电极图案16的端面16b的一部分。在实施方式1中，如图1所示，绝缘物18的厚度为端面16b的一半左右。通过设置绝缘物18，从而可以防止电极图案16从绝缘层14剥离。
绝缘物18是环氧类树脂。优选是具有与绝缘层14相同或者充分接近的热线膨胀系数的材料。优选热线膨胀系数的关系为下述的式（1）的关系。
绝缘层14的材料≤绝缘物18的材料＜电极图案16（铜）
如图3所示，在实施方式1中，端面16b成为锥（taper）状，端面16b处的电极图案16的下表面侧向端面16b的外侧凸出。并且，绝缘物18将端面16b的下侧覆盖。通过这样处理，能够预计到通过粘接面积的增加而提高界面的密合性，可以利用绝缘物18更可靠地抑制电极图案16的剥离。或者，减轻向端面16b的应力集中。
此外，实施方式1是具有壳体20的所谓壳体型的半导体装置，但本发明并不限于此。对于利用模型树脂覆盖金属基板11以及半导体元件30、32等的半导体装置，也可以应用本发明。
此外，在实施方式1中金属板12由铜形成，但金属板12也可以由铝（Al）形成。由此实现轻量化。
实施方式2
本发明的实施方式2所涉及的半导体装置，除了将图1所示的半导体装置10的结构中的金属基板11置换为金属基板111这一点以外，具有与实施方式1所涉及的半导体装置10相同的结构。
图4是将本发明的实施方式2所涉及的半导体装置所具有的金属基板111中、与图1的由虚线X包围的部位相当的部位放大示出的示意图。金属基板111具有铜（Cu）制的金属板112。在金属板112的上表面112a设置有多个凹部112b。
凹部112b是在上表面112a实施了梨皮面加工（satin finish）的梨皮面部。在凹部112b中填充有绝缘层114的一部分。绝缘层114与绝缘层14相同地，是环氧制树脂。根据这种结构，可以增加金属板112和绝缘层114之间的粘接面积，因此，可以提高它们之间的粘接强度。此外，梨皮面加工只要使用喷砂处理即可。
图5是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的变形例的图，在该变形例中，取代金属基板111而使用金属基板121。金属基板121具有铜（Cu）制的金属板122。金属板122在上表面122a具有多个凹部122b。上述凹部122b具有半球状的剖面构造。在上表面122a上，设置有由环氧类树脂构成的绝缘层124，绝缘层124的一部分填充在上述凹部122b内。利用这种结构也可以使粘接面积增加，因此，可以提高粘接强度。
此外，在实施方式2中，金属板112由铜形成，但金属板112也可以由铝（Al）形成。通过这样处理，从而易于进行表面加工，能够容易地形成凹部112b及凹部122b。
实施方式3
本发明的实施方式3所涉及的半导体装置，除了将图1所示的半导体装置10的结构中的金属基板11置换为金属基板131这一点以外，具有与实施方式1所涉及的半导体装置10相同的结构。
图6是将本发明的实施方式3所涉及的半导体装置所具有的金属基板131中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。金属基板131与实施方式2相同地具有金属板112。
在这里，在金属板112上形成的由环氧类树脂构成的绝缘层134，在绝缘层134和电极图案16之间（界面）处具有凹凸部135。凹凸部135具有凸部135a和凹部135b。该凹凸部135可以提高绝缘层134和电极图案16之间的密合性。该凹凸部135可以与实施方式2的金属板112相同地，是实施了梨皮面加工（喷砂处理）的部分，也可以是利用除了梨皮面加工以外的加工方法设置有凹凸形状的部分。
此外，在实施方式3中，金属基板131以金属板112为前提，但也可以将其置换为金属板12。在此情况下，在具有不具备凹部112b的平坦上表面12a的金属板12上，形成具有凹凸部135的绝缘层134。这样，也可以仅得到利用凹凸部135实现的提高电极图案16和绝缘层134之间的粘接性的效果。另外，凹凸部135可以设置在电极图案16的下侧整个区域上，或者也可以选择性地仅设置在容易出现剥离问题的电极图案16的端面16b附近。
实施方式4
本发明的实施方式4所涉及的半导体装置，除了将图1所示的半导体装置10的结构中的金属基板11置换为金属基板141这一点之外，具有与实施方式1所涉及的半导体装置10相同的结构。
图7是将本发明的实施方式4所涉及的半导体装置所具有的金属基板141中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。金属基板141在具有金属板12、绝缘层14这一点上与金属基板11相同，但在具有电极图案146以及绝缘物148这一点上与金属基板11不同。电极图案146为铜（Cu）制，绝缘物148由环氧类树脂构成。
电极图案146的端面由从电极图案146的上表面朝向下表面依次设置的第1凸部146a、凹部146b、第2凸部146c构成。凹部146是位于第1凸部146a和第2凸部146c之间的凹陷，通过蚀刻而形成。第2凸部146c的前端面是锥形面146d。绝缘物148覆盖凹部146b的内表面。
根据这种结构，电极图案146的端面和绝缘物148以较大的接触面积相互接触，因此，使两者的粘接强度增加，提高防止电极图案146剥离的效果。
此外，金属基板141构成为，以使电极图案146的上表面的高度和绝缘物148的上表面的高度一致的方式，使绝缘物148和电极图案146具有相同的厚度。根据这种结构，可以抑制金属基板141的上表面的凹凸，在焊料印刷等工序中提高作业性。
此外，对于上述的实施方式1至3以及后述的实施方式5及其以后的各结构，也可以与实施方式4所涉及的结构相同地，使用在电极图案16的端面具有凹部的结构。
实施方式5
本发明的实施方式5所涉及的半导体装置，除了将图1所示的半导体装置10的结构中的金属基板11置换为金属基板151这一点以外，具有与实施方式1所涉及的半导体装置10相同的结构。
图8是将本发明的实施方式5所涉及的半导体装置所具有的金属基板151中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。在实施方式1中，绝缘物18的厚度是电极图案16的一半左右。
对此，在金属基板151中，以使电极图案16的上表面的高度和绝缘物158的上表面的高度一致的方式，使绝缘物158和电极图案16具有相同的厚度。根据这种结构，可以抑制金属基板151的上表面的凹凸，在焊料印刷等工序中提高作业性。
此外，实施方式5所涉及的结构（使电极图案16的上表面的高度和绝缘物158的上表面的高度一致的结构），也可以与上述的实施方式1至3的结构组合。另外，也可以相对于后述的实施方式6、10进行组合。
实施方式6
本发明的实施方式6所涉及的半导体装置，除了将图1所示的半导体装置10的结构中的金属基板11置换为金属基板161这一点以外，具有与实施方式1所涉及的半导体装置10相同的结构。
图9是将本发明的实施方式6所涉及的半导体装置所具有的金属基板161中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。金属基板161与实施方式1所涉及的金属基板11相同地，具有金属板12、绝缘层14以及电极图案16。
但是，由环氧类树脂构成的绝缘物168从金属板12的上表面12a至侧面12b以及下表面12c为止连续地进行覆盖，这一点与实施方式1的绝缘物18不同。根据这种结构，不仅抑制电极图案16的剥离，而且还可以抑制金属基板161端部侧（即，金属基板11的侧面12b侧）的绝缘层14的剥离。此外，也可以使绝缘物168不覆盖下表面12c而仅覆盖侧面12b。
实施方式6所涉及的结构（绝缘物将金属板12的至少侧面12b覆盖的结构），也可以与实施方式1至5的各结构分别组合，也可以与后述的实施方式7及其以后的各结构进行组合。
实施方式7
本发明的实施方式7所涉及的半导体装置，除了将图1所示的半导体装置10的结构中的金属基板11置换为金属基板171这一点以外，具有与实施方式1所涉及的半导体装置10相同的结构。
图10是将本发明的实施方式7所涉及的半导体装置所具有的金属基板171中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。金属基板171与实施方式1所涉及的金属基板11相同地，具有金属板12、绝缘层14以及电极图案16。
但是，由环氧类树脂构成的绝缘物178的一部分漫延至电极图案16的上方，这一点与实施方式1的绝缘物18不同。即，绝缘物178比电极图案16厚，绝缘物178的上表面178a比电极图案16的上表面高。并且，绝缘物178的侧面178b位于电极图案16的上表面的中途。
根据这种结构，成为绝缘物178按压电极图案16的构造，因此，可以进一步抑制电极图案16的剥离。
实施方式8
本发明的实施方式8所涉及的半导体装置，除了将图1所示的半导体装置10的结构中的金属基板11置换为金属基板181这一点以外，具有与实施方式1所涉及的半导体装置10相同的结构。
图11是将本发明的实施方式8所涉及的半导体装置所具有的金属基板181中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。图12是沿图11的箭头A对金属基板181的一部分进行俯视观察的俯视图。
金属基板181与实施方式1所涉及的金属基板11相同地，具有金属板12、绝缘层14以及电极图案16。但是，由环氧类树脂构成的绝缘物188的一部分漫延至电极图案16的上方，这一点与实施方式1的绝缘物18不同。
此外，在与实施方式7的关系中，绝缘物188形成为比绝缘物178薄，焊料印刷等的作业性良好。另外，如图12所示，绝缘物188具有从电极图案16的边缘或者中央跨过而设置的多个位置对齐部188a，这一点与实施方式7不同。
该位置对齐部188a设置为，形成将要搭载半导体元件30、32的区域的边缘。图12所示的位置对齐部188a起到半导体元件30、32的位置对齐的作用。
此外，存在为了半导体元件的定位而设置阻绝（resist）图案的技术，但与这种技术相比，根据实施方式8，可以省略用于设置这样的定位用阻绝图案的阻绝处理工序。
实施方式9
本发明的实施方式9所涉及的半导体装置，除了将图1所示的半导体装置10的结构中的金属基板11置换为金属基板191这一点以外，具有与实施方式1所涉及的半导体装置10相同的结构。
图13至15是用于说明本发明的实施方式9所涉及的半导体装置所具有的金属基板191的结构的图。图13是本发明的实施方式9所涉及的半导体装置所具有的金属基板191的斜视图。图14是将本发明的实施方式9所涉及的半导体装置所具有的金属基板中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。图15是表示金属基板191的去除绝缘物198后的结构的图。
金属基板191在具有金属板12以及绝缘层14这一点上与金属基板11相同。金属图案196具有孔部197。孔部197存在于漫延至金属图案196上的绝缘物198的一部分的下方。如图15所示，孔部197沿金属图案196的边缘，以分离的方式设置多个。绝缘物198在端面196b上以及孔部197内连续地设置，并具有埋入孔部197内的埋入部198a。埋入部198a的前端经由孔部197与绝缘层14接触。
根据这种结构，得到使绝缘层14以及绝缘物198的接触面积增加的效果、以及利用绝缘物198按压金属图案196的效果。通过这样处理，从而提高金属图案196和绝缘层14的粘接性。
此外，也可以将上述的实施方式9所涉及的结构和实施方式8所涉及的结构组合。即，也可以利用绝缘物198进行半导体元件的定位。
实施方式10
本发明的实施方式10所涉及的半导体装置，除了将图1所示的半导体装置10的结构中的金属基板11置换为金属基板211这一点以外，具有与实施方式1所涉及的半导体装置10相同的结构。
图16是将本发明的实施方式10所涉及的半导体装置所具有的金属基板211中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。金属基板211除了绝缘层14、电极图案16以及绝缘物18之外，还具有金属板212以及绝缘性螺钉220。
绝缘性螺钉220贯穿电极图案16以及绝缘层14而螺钉固定在金属板212上。在金属板212上设置有凹部212a，该凹部212a设置有螺纹牙。对于绝缘性螺钉220的材料，优选为具有耐压大于或等于5.0kV的陶瓷制螺钉。作为具体的材料，可以使用Al2O3或ZrO3。通过这样处理，从而可以实现机械式的螺钉固定，可以得到更牢固的防剥离效果。
上述的实施方式10所涉及的结构，即，利用绝缘性螺钉220实现的螺钉固定，可以相对于实施方式1至9分别组合而应用。
实施方式11.
本发明的实施方式11所涉及的半导体装置，除了将图1所示的半导体装置10的结构中的金属基板11置换为金属基板221这一点以外，具有与实施方式1所涉及的半导体装置10相同的结构。
图17是将本发明的实施方式11所涉及的半导体装置所具有的金属基板221中、与图1的由虚线X包围的部位相当的结构放大示出的示意图。金属基板221除了取代绝缘物18而具有绝缘物214这一点以外，具有与金属基板11相同的结构。绝缘物214由与绝缘层14相同的材料形成。绝缘物214的一部分攀至电极图案16的端面16b上。
根据这种结构，与绝缘层14以及绝缘物18的层叠构造相比，由于是相同的材料，所以不产生线膨胀系数的差异。在绝缘层14以及绝缘物18之间，可能产生由于线膨胀系数的差异引起的裂缝，与此相对，根据绝缘物214可以避免上述的裂缝。
上述的实施方式11所涉及的结构，即，绝缘层14和绝缘物214由相同材料形成的结构，可以分别应用于实施方式1至10中。

Claims (13)

1.一种半导体装置，其特征在于，具有：
金属基板，其具有金属板、在所述金属板的上表面形成的绝缘层、以及设置在所述绝缘层上的导电性材料图案；
半导体元件，其设置在所述导电性材料图案上；
封装树脂，其对所述半导体元件进行封装；以及
绝缘物，其覆盖所述绝缘层的表面的一部分以及所述导电性材料图案的端面的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
对于所述端面，所述导电性材料图案的下表面侧向所述端面的外侧凸出，
所述绝缘物覆盖所述端面的至少所述导电性材料图案的下表面侧。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述端面具有凹部，所述绝缘物覆盖所述凹部的内表面。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述绝缘物是具有与所述绝缘层相同的热线膨胀系数的材料。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述导电性材料图案的上表面的高度和所述绝缘物的上表面的高度一致。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述绝缘物的一部分漫延至所述导电性材料图案上。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，
由所述导电性材料图案上的所述绝缘物的一部分的端部，对所述半导体元件进行位置对齐。
8.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，
所述导电性材料图案在漫延至所述导电性材料图案上的所述绝缘物的所述一部分的下方具有孔部，
所述绝缘物在所述端面上以及所述孔部内连续地设置。
9.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
还具有形成在所述绝缘层和所述导电性材料图案之间的凹凸部。
10.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述绝缘物从所述金属基板的上表面到至少所述金属基板的侧面为止连续地覆盖。
11.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
在所述金属板的上表面设置凹部，
在所述凹部中填充所述绝缘层的一部分。
12.根据权利要求11所述的半导体装置，其特征在于，
所述凹部是在所述金属板的上表面实施了梨皮面加工的梨皮面部。
13.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
具有贯穿所述导电性材料图案以及所述绝缘层而螺钉固定在所述金属板上的绝缘性螺钉。
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