CN104025291A - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

一种半导体装置包括：多个半导体元件，每个半导体元件具有正面和背面；正面侧散热板，所述正面侧散热板定位在所述半导体元件的正面侧，并对由所述半导体元件产生的热进行散热；背面侧散热板，所述背面侧散热板定位在所述半导体元件的背面侧，并对由所述半导体元件产生的热进行散热；密封材料，所述密封材料覆盖除了所述正面侧散热板的正面和所述背面侧散热板的背面之外的所述半导体装置；底涂剂，所述底涂剂涂覆在所述正面侧散热板和所述背面侧散热板中的至少一者上，并且改善与所述密封构件的接触；凸部，所述凸部在所述多个半导体元件之间定位在所述正面侧散热板的背面和所述背面侧散热板的正面中的至少一者上。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及一种半导体装置，该半导体装置可以适用于例如诸如客车、货车或公共汽车之类的车辆以及家用电器或工业电气。

背景技术

在安装有诸如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或IPM(智能功率模块)之类的开关元件——即，半导体元件——的半导体装置中，该半导体元件为需要有效冷却的发热部件。

例如，日本专利申请公报No.2003-124406(JP2003-124406A)描述了：通过使用诸如在半导体元件的正面侧和背面侧上的均热器之类的散热板，而对作为一个这种发热部件的半导体元件适当地进行冷却的技术。在半导体元件与正面侧和背面侧上的一对散热板组合之后，它们通过热固性树脂进行模制以形成模块，即，形成半导体装置。

在树脂、散热板与半导体元件之间热膨胀系数方面的差异较大，这可能导致在模制期间随着固化收缩而在模制树脂与散热板之间发生剥离。在相关技术中，在散热板与模制树脂的接触区域处涂布了底涂剂，即密封构件，以抑制剥离的发生。然而，当特别是模制多个半导体元件时，不能在半导体元件之间涂布适当厚度的底涂剂，因此，难以适当地抑制剥离。

发明内容

本发明提供了一种半导体装置，该半导体装置适当地抑制了散热板与密封构件之间发生剥离。

本发明的第一方面涉及一种半导体装置，该半导体装置包括：多个半导体元件，每个半导体元件具有正面和背面；正面侧散热板，所述正面侧散热板定位在所述半导体元件的正面侧，并对由所述半导体元件产生的热进行散热；背面侧散热板，所述背面侧散热板定位在所述半导体元件的背面侧，并对由所述半导体元件产生的热进行散热；密封材料，所述密封材料覆盖除了所述正面侧散热板的正面和所述背面侧散热板的背面之外的所述半导体装置；底涂剂，所述底涂剂涂覆在所述正面侧散热板和所述背面侧散热板中的至少一者上，并且改善与所述密封构件的接触；凸部，所述凸部在所述多个半导体元件之间定位在所述正面侧散热板的背面和所述背面侧散热板的正面中的至少一者上。

在上述方面中，半导体装置还可包括凹部，所述凹部设置在所述正面侧散热板的正面和所述背面侧散热板的背面中的至少一者上与所述凸部对应的位置处。另外，所述凸部的高度可小于所述凹部的高度，并且，所述凸部可沿与布置所述多个半导体元件的布置方向垂直的垂直方向延伸。

在上述方面中，所述凸部可沿所述垂直方向断续地延伸，可沿垂直方向存在多个凸部，并且所述凸部的在所述垂直方向上的端部与所述正面侧散热板和所述背面侧散热板中的至少一者的端部部分对齐，且所述凸部的在所述垂直方向上的端部位于在所述垂直方向上的侧方存在所述半导体元件的区域中。

根据上述方面，定位在半导体元件之间的正面侧散热板和背面侧散热板能够通过凸部确保定位在密封材料与正面侧散热板和背面侧散热板之间的底涂剂的膜层厚度为适当值。因此能够提高密封构件与正面侧散热板和背面侧散热板之间的接合能力，从而能够抑制在正面侧散热板的背面侧与密封材料的正面侧之间的界面处、以及在背面侧散热板的正面侧与密封材料的背面侧之间的界面处发生剥离。

附图说明

将参照附图在本发明的示例性实施方式的以下详细描述中描述本发明的特征、优势以及技术和工业意义，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1为示出了从斜上方观察的、根据本发明的第一示例性实施方式的半导体装置的外部的模式图；

图2为示出了在包括半导体元件的横截面处、根据本发明的第一示例性实施方式的半导体装置的层叠结构和凸部与凹部的形态的模式图；

图3为示出了根据本发明的第一示例性实施方式的半导体装置的凸部与底涂剂厚度之间关系的模式图；

图4A为示出了根据本发明的第一示例性实施方式的半导体装置的假定结构中的、沿截面方向产生应力的方式的模式图；

图4B为示出了根据本发明的第一示例性实施方式的半导体装置的假定结构中的、沿截面方向产生应力时的变形的模式图；

图4C为示出了从侧面观察的、根据本发明的第一示例性实施方式的半导体装置的假定结构中发生剥离的方式的模式图；

图4D为示出了从上方观察、根据本发明的第一示例性实施方式的半导体装置的假定结构中发生剥离的方式的模式图；

图5为示出了根据本发明的第一示例性实施方式的半导体装置的平面方向上的、基于与假定结构对比的应力减小效果的模式图；

图6为示出了在包括半导体元件的横截面处、根据本发明的第二示例性实施方式的半导体装置的凸部和凹部的形态的模式图；

图7A为示出了根据本发明的第三示例性实施方式的半导体装置中的、设置有半导体元件的背面侧散热板的正视图和右侧视图的模式图；

图7B为示出了根据本发明的第三示例性实施方式的半导体装置在凸部和凹部具有长矩形形状时的模式图；

图7C为示出了根据本发明的第三示例性实施方式的半导体装置在凸部和凹部具有三角形形状时的模式图；

图7D为示出了根据本发明的第三示例性实施方式的半导体装置在凸部的端部与半导体元件的端部对齐时的模式图；

图7E为示出了根据本发明的第三示例性实施方式的半导体装置在断续地设置凸部时的模式图；

图7F为示出了根据本发明的第三示例性实施方式的半导体装置在设置有多个凸部时的模式图；以及

图7G为示出了根据本发明的第三示例性实施方式的半导体装置在设置有凸部和凹部、并且起始边缘和终止边缘与均热器的端部部分对齐时的模式图。

具体实施方式

下文将参照附图描述本发明的示例性实施方式。

图1为根据本发明的第一示例性实施方式的半导体装置1的视图。该半导体装置1包括：两个半导体元件2，其中每个半导体元件均为平板状的四边形形状，并且具有正面和背面；均热器3(正面侧散热板)，均热器3定位在两个半导体元件2的正面侧，并且对由半导体元件2产生的热进行散热；以及均热器4(背面侧散热板)，均热器4定位在两个半导体元件2的背面侧，并且对由半导体元件2产生的热进行散热。半导体装置1还具有在两个半导体元件2之间定位在均热器3的背面和均热器4的正面上的凸部3a和4a。

此外，根据第一示例性实施方式的半导体装置1，均热器3的正面和均热器4的背面各自具有分别与凸部3a和4a相对应的凹部3b和4b。凸部3a和4a以及凹部3b和4b沿着与两个半导体元件2的布置方向垂直的垂直方向延伸。在图1中的示例中，凸部3a和4a以及凹部3b和4b在该垂直方向上的端部与均热器3和均热器4的端部部分彼此对齐。

当从图1中的上侧(即，正面侧)观察时，上述两个半导体元件2沿纵向方向设置在均热器4的正面侧。如图1中所示，在半导体元件2的正面侧设置有间隔件5，间隔件5调整半导体元件2的正面与均热器3的背面之间的间隔。图2为图1中的半导体装置1的截面图。如图2中所示，除均热器3的正面和均热器4的背面之外，半导体装置1由密封构件6覆盖。

第一示例性实施方式中的均热器3和均热器4通过以下方式形成：将诸如铜或铝之类的、具有良好的热传导性和电传导性的平板状基材压制——例如，通过冲压成型——成例如矩形。

在该冲压成型期间，均热器3的凹部3b和均热器4的凹部4b通过使用未示出的、具有矩形形状的模具侧凸部来冲压形成。随着凹部3b和凹部4b的形成，基材沿冲压方向移动，使得在均热器3的凹部3b的相反侧形成凸部3a，并在均热器4的凹部4b的相反侧形成凸部4a。

同样，间隔件5中的每个间隔件还通过以下方式形成：将诸如铜或铝之类的、具有良好的热传导性和电传导性的平板状基材压制——例如，通过冲压成型——为例如比半导体元件2小的正方形。

接下来，将参照图2更详细地描述半导体装置1的层叠结构。如图2中所示，均热器4通过下焊料层7电连接并且热连接至半导体元件2。该半导体元件2通过上焊料层8电连接并且热连接至间隔件5。间隔件5通过第三焊料层9热连接至均热器3。

下焊料层7、上焊料层8以及第三焊料层9均在通过设置于半导体元件2与均热器4之间、间隔件5与半导体元件2之间、以及均热器3与间隔件5之间的密封构件6进行的模制过程之前、通过加热板状或片状焊料而形成(加热接合过程)。

根据第一示例性实施方式的半导体装置1，在该热接合过程之后、模制半导体装置1之前，底涂剂10如图3中所示地涂布在接触并且接合至密封构件6的部分处。底涂剂10改善了均热器3和4与密封构件6之间的接触。为了简化该图，在图3中，省略了正面侧的均热器3；仅放大示出了涂布之后的底涂剂10的膜层厚度。

此处，将参照图4A至图4D描述在第一示例性实施方式的假定结构中，密封构件6以及均热器3和均热器4的边界表面处产生应力的方式。图4A至图4D为假定结构的视图，其中，已经从图1中示出的第一示例性实施方式的半导体装置1中移除了凸部3a和4a以及凹部3b和4b。

图4A为形成密封构件6的树脂已经被填充到均热器3与均热器4之间的间隙中之后，热固化该树脂的步骤的视图。在该步骤中，随着树脂的固化反应的进行以及化学交联反应的进行，面积缩小。随着这种面积减小，在树脂与均热器3的背面之间的边界表面上、以及在树脂与均热器4的正面之间的边界表面上，作用有沿接合表面剥离方向的应力，如由图4A中的箭头表示。

此处，在图4A至图4D示出的假定结构中，当在填充密封构件6之前涂布底涂剂10时，由于底涂剂10的表面张力，底涂剂10将移向半导体元件2侧，因此，底涂剂10将不容易聚集在位于两个半导体元件2之间的部分处，从而难以确保那里的膜层厚度。

另外，在图4B中位于两个半导体元件2外部的间隙α处，均热器3和均热器4都容易变形，使得随着树脂的收缩，均热器3和均热器4均在正背方向上沿朝向彼此的方向变形。因此，不容易发生剥离。

与此相反，在图4B中位于两个半导体元件2内部的间隙β处，均热器3和4由一对左右半导体元件2和间隔件5支撑，因此，均热器3和4均不容易变形。即，在间隙β处，随着树脂的收缩，均热器3和均热器4均不沿朝向彼此的方向变形，因此，如果底涂剂10的膜层厚度不足时，有可能发生图4C和图4D中所示的剥离γ。

根据第一示例性实施方式的半导体装置1，如图2中所示，凸部3a和4a分别设置在均热器3和4上，因此利用底涂剂10的表面张力，底涂剂10能够聚集在凸部3a和4a的侧面上。因此，底涂剂10能够在图3中的左右方向上全程地均匀分布，因此，能够适当地确保底涂剂10的膜层厚度。因此，增大了均热器3和4与密封构件6的接合能力，从而能够抑制剥离的发生。

另外，在第一示例性实施方式的半导体装置1中，凹部3b和4b分别设置在均热器3和4上，如图2中所示。因此，在图2中均热器3和4的定位在两个半导体元件2之间的部分σ能够容易地竖向变形。即，即使由于热固化使得构成密封构件6的树脂沿其与均热器3和4分离的方向在正背方向上压缩，均热器3和4的部分σ将发生变形，因此将抑制剥离。

图5为示出了两个半导体元件2在图2中的左右方向上的距离L(mm)与两个半导体元件2之间均热器与密封材料的界面处的应力P(MPa)之间的关系。在图5中，虚线表示假定技术(图4A至图4D)的结果，实线表示第一示例性实施方式的半导体装置1的结果。在图5中，距离L和应力P表现为反比关系，第一示例性实施方式的半导体装置1的特性向假定结构的特性的左侧偏移。这表明当抑制剥离的压强相当时，根据第一示例性实施方式的半导体装置1的距离L比根据假定技术的结构的距离短。即，第一示例性实施方式的半导体装置1的结构增大了半导体元件2的封装密度，这又能够使整个装置的尺寸更小。

接下来将描述本发明的第二示例性实施方式。在上述的第一示例性实施方式的半导体装置1中，在正背方向上凸部3a的高度与凹部3b的高度(即，深度)之间的关系以及凸部4a的高度与凹部4b的高度(即，深度)之间的关系并没有被特定地限制，但在第二示例性实施方式中限定了这些关系。

如图6中所示，在根据第二示例性实施方式的半导体装置1中，均热器4的凸部4a的高度A小于凹部4b的高度B。尽管在图6中未示出，凸部3a的高度也小于凹部3b的高度。满足这些关系的形状可以通过使用模具冲压均热器3和均热器4的基材来形成。在这种情况下，为基材选择能够容易地向相对于模具的冲压方向的一侧被压出的材料。

如在第一示例性实施方式中所述的，当利用凸部3a和4a在半导体元件2之间聚集底涂剂10时，底涂剂10仅需要能够通过底涂剂10的表面张力而被吸向作为位于平板上的障碍物的凸部即可，并且即使在凸部小于凹部的情况下也能够确保聚集底涂剂10的这种功能。根据该第二示例性实施方式，凸部的高度可以在确保该功能的情况下尽可能低。

另外，通过满足该关系，在通过凸部而抑制了刚性的增大且凹部尽可能大的情况下，能够进一步减小均热器3和均热器4的定位在两个半导体元件2之间的部分处的刚度，因此，提高了在固化期间跟随树脂收缩的跟随能力，并且因此，能够增强抑制剥离的效果。

在上述第一示例性实施方式和第二示例性实施方式中，从与并列布置的两个半导体元件2的布置方向垂直的垂直方向观察，凹部的形状为长矩形形状。凸部的形状同样基于凹部的形状，但这些形状可以根据为了与图4D中示出的假定结构中的预期剥离区域相匹配而聚集的底涂剂10的多少、以及均热器3和均热器4的刚度减小的程度，或根据冲压成型的方便性等情形而适当地改变。下文将描述另一个示例性实施方式。

图7A为由下文描述的本发明的另一个示例性实施方式所图示的半导体装置1的视图，并且示出了当从安装有两个半导体元件2的均热器4的正面观察时的平面视图U和右侧视图R。凸部4a和凹部4b也可以具有长矩形形状，如图7B所示。凸部4a和凹部4b还可以均具有三角形形状，如图7C所示。

凸部4a和凹部4b的端部部分还可以与半导体元件2的在垂直方向上的各个端部部分彼此对齐，如图7D所示。此外，与凸部4a和凹部4b自起始边缘至终止边缘连续地设置相反，它们也可以断续地设置，如图7E中所示。

即，凸部4a和凹部4b的垂直方向上的边缘位于在垂直方向上的侧方存在两个半导体元件2的区域中。在图7E中示出的形态中，凸部4a和凹部4b在垂直方向上的总长度与图7D中所示的形态中的总长度相等，因此，凸部4a和凹部4b的垂直方向上的端部相对于半导体元件2在垂直方向上突出。

凸部4a和凹部4b可各自为如上所述的单个部分，或它们可各自由并列的多个部分形成，如图7F所示。同样，垂直方向上的端部可以与均热器4的端部部分对齐，如图7G中所示。参照图7A至图7D的上文描述同样也适用于均热器3的凸部3a和凹部3b。

在上述示例性实施方式中。在面向密封构件6的一侧设置凸部使得能够在用树脂密封均热器之前、在将要涂布底涂剂的整个区域上适当地确保底涂剂的厚度。因此，提高了均热器和密封构件6的接合能力，从而能够抑制剥离。

同样在上述示例性实施方式中，将凹部3b和4b分别设置在均热器3和4上使得当密封元件6热收缩时，均热器3和4能够随着沿离开均热器3和4的方向产生的应力而变形。因此，能够抑制密封构件与均热器3和4之间的剥离。

在上述的示例性实施方式中，正面侧散热板和背面侧散热板均设置有凸部。然而，如果能够通过确保仅一侧上的底涂剂的膜层厚度来抑制剥离，则可以仅一个散热板设置有凸部。同样，在上述示例性实施方式中，从容易制造的角度出发，通过在背侧设置凹部来形成凸部，但本发明并不限于此。例如，如图7D、图7E和7F中所示的，可以省略凹部4b并且可以仅设置凸部4a。同样在这种情况下，该结构也可以通过以下方法来形成：该方法涉及从设置有凸部4a的一侧冲压成型散热板。

尽管已经描述了本发明的多种示例性实施方式，但本发明并非意在局限于这些示例的实施方式。即，可以在不背离本发明的范围的情况下，对上述的示例性实施方式作出各种改型和替代。

本发明涉及一种在正面和背面上均设置有均热器的双侧冷却式半导体装置，并且可以适用于并列设置的两个或更多个半导体元件的形态。

本发明能够抑制半导体装置的内部的剥离，并且因此有益地适用于与具有上述特性的各种类型的半导体相关装置。当然，本发明还有益地适用于诸如客车、火车以及公共汽车之类的各种车辆的逆变器等所适用的半导体模块。

Claims (8)

1.一种半导体装置，包括：

多个半导体元件，每个半导体元件具有正面和背面；

正面侧散热板，所述正面侧散热板定位在所述半导体元件的正面侧，并对由所述半导体元件产生的热进行散热；

背面侧散热板，所述背面侧散热板定位在所述半导体元件的背面侧，并对由所述半导体元件产生的热进行散热；

密封构件，所述密封构件覆盖除了所述正面侧散热板的正面和所述背面侧散热板的背面之外的所述半导体装置；

底涂剂，所述底涂剂涂覆在所述正面侧散热板和所述背面侧散热板中的至少一者上，并且改善与所述密封构件的接触；

凸部，所述凸部在所述多个半导体元件之间定位在所述正面侧散热板的背面和所述背面侧散热板的正面中的至少一者上。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括凹部，所述凹部设置在所述正面侧散热板的正面和所述背面侧散热板的背面中的至少一者上与所述凸部对应的位置处。

3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，所述凸部的高度小于所述凹部的高度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置，其中，所述凸部沿与布置所述多个半导体元件的布置方向垂直的垂直方向延伸。

5.根据权利要求4所述的半导体装置，其中，所述凸部沿所述垂直方向断续地延伸。

6.根据权利要求4所述的半导体装置，其中，存在多个沿所述垂直方向延伸的凸部。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的半导体装置，其中，所述凸部的在所述垂直方向上的端部与所述正面侧散热板和所述背面侧散热板中的至少一者的端部部分对齐。

8.根据权利要求4至6中任一项所述的半导体装置，其中，所述凸部的在所述垂直方向上的端部位于在所述垂直方向上的侧方存在所述半导体元件的区域中。