CN105612613B - 半导体装置 - Google Patents

半导体装置 Download PDF

Info

Publication number
CN105612613B
CN105612613B CN201480055064.XA CN201480055064A CN105612613B CN 105612613 B CN105612613 B CN 105612613B CN 201480055064 A CN201480055064 A CN 201480055064A CN 105612613 B CN105612613 B CN 105612613B
Authority
CN
China
Prior art keywords
resin
ceramic wafer
semiconductor device
insulation board
fixed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201480055064.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN105612613A (zh
Inventor
仲村秀世
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Publication of CN105612613A publication Critical patent/CN105612613A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105612613B publication Critical patent/CN105612613B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/492—Bases or plates or solder therefor
    • H01L23/4924—Bases or plates or solder therefor characterised by the materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/16—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations, e.g. centering rings
    • H01L23/18—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device
    • H01L23/24—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device solid or gel at the normal operating temperature of the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3157—Partial encapsulation or coating
    • H01L23/3178—Coating or filling in grooves made in the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/40—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs
    • H01L23/4006—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs with bolts or screws
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49811—Additional leads joined to the metallisation on the insulating substrate, e.g. pins, bumps, wires, flat leads
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49838—Geometry or layout
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/52—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
    • H01L23/538—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames the interconnection structure between a plurality of semiconductor chips being formed on, or in, insulating substrates
    • H01L23/5385—Assembly of a plurality of insulating substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/18—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different subgroups of the same main group of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H01L23/04—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls
    • H01L23/053—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls the container being a hollow construction and having an insulating or insulated base as a mounting for the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181—Encapsulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本发明的半导体装置，具备：绝缘基板，具有由陶瓷构成的绝缘板和固定于该绝缘板的主表面的电路板；半导体元件，固定于该电路板；印刷基板，与该绝缘板的主表面相对地设置；陶瓷板，与该绝缘板的主表面相对，并且以比该印刷基板还远离该绝缘板的主表面的方式设置；支撑部件，固定于该绝缘板的主表面或该电路板，并且对该陶瓷板的位置进行固定；和树脂，覆盖该电路板、该半导体元件、该印刷基板以及该陶瓷板。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及一种功率半导体模块等的半导体装置。
背景技术
在半导体元件搭载于绝缘基板上的功率半导体模块中，将半导体元件的电极和绝缘基板的电路板通过键合线进行电连接。近年来，已知有使用导电柱代替键合线的功率半导体模块(专利文献1、专利文献2)。在使用导电柱的功率半导体模块中，在半导体元件的电极安装有导电柱的一个端部，并且在绝缘基板的电路板也安装有另一个导电柱的一个端部。另外，这些导电柱的另一端部连接到与固定有半导体元件的绝缘基板对置地设置的印刷基板的布线膜。由此，半导体元件与绝缘基板的电路板电连接。具备这样的结构的功率半导体模块与具有键合线的功率半导体模块相比，能够小型化。并且，具有能够减小布线的电感，能够应对高速开关动作的优点。
另外，在功率半导体模块中，在收纳了半导体元件和绝缘基板的树脂壳体内填充有硅酮凝胶，从而将半导体元件以及绝缘基板进行密封。另外，近年来，已知有通过传递模塑成形的绝缘性热固性树脂而将半导体元件和绝缘基板密封的功率半导体模块。在这样通过模塑成形的树脂进行的密封中，能够通过树脂将内部的半导体元件和/或印刷基板等的各种部件进行固定。因此，相对于使用功率半导体模块时的功率循环的可靠性较高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-129336号公报
专利文献2：国际公开第2013/118415号
发明内容
技术问题
然而，具有利用模塑成形的树脂进行密封的结构的功率半导体模块的外形存在配置了绝缘基板的散热面在常温下翘曲为凸状的问题。其原因是，作为绝缘基板的一部分的陶瓷制的绝缘板的线膨胀系数与封装树脂的线膨胀系数不同。也就是说，认为在模塑成形时，在模具内成型为平坦的树脂在模塑成形后与绝缘基板相比会大幅度收缩。
若该翘曲量大，则在将功率半导体模块的散热面螺纹固定在平坦的设备的安装面时，对功率半导体模块沿着将该散热面校正为平坦的方向施加应力。出于可靠性的观点，不优选这样的应力。另外，在追加进行使功率半导体模块的散热面平坦的工序的情况下，在安装功率半导体模块时不施加上述的应力。然而，在该情况下，在功率半导体模块运行中，由于因半导体元件重复发热而引起的封装件的温度变化，导致功率半导体模块的散热面反复变形。其结果导致，在设备的安装面和功率半导体模块的散热面之间，将用于提高热传导而形成的油脂状的复合材料挤出到外部。因此，在功率半导体模块的长时间的使用过程中，存在无法得到充分的散热性的隐患。
作为对模块散热面的翘曲的处理，认为通过增加添加于树脂的填料量而使封装树脂的线膨胀系数降低，或通过增加树脂的厚度，提高刚性，来减小变形。然而，功率半导体模块中使用的树脂即使增加填料量，也难以达到与绝缘基板的陶瓷制的绝缘板相同的线膨胀系数。另外，加厚树脂的方式由于违背了封装件的小型化的目的，所以存在限制。因此，通常会发生数十μm～100μm程度的翘曲。
另外，如果在设备的安装面和功率半导体模块的散热面之间形成100μm左右以上的厚度的复合材料和/或散热片，则能够一定程度上改善由散热面的翘曲产生的问题。然而，如果复合材料和/或散热片厚，则散热性降低。在因小型化而散热面的散热面积变小的功率半导体模块中，如果没有将复合材料和/或散热片的厚度减薄为25～50μm程度，则无法得到充分的散热性。因此，也存在不能保持具有与使用键合线制作的大型功率半导体模块的半导体元件相同的半导体元件温度的情况。
虽然也考虑将绝缘基板从陶瓷制的绝缘板更改为树脂制的绝缘板，但树脂制的绝缘板比陶瓷制的绝缘板绝缘性能低。另外，热阻会上升数倍。
本发明考虑到以上情况而完成，其目的在于提供一种半导体装置，该半导体装置具备绝缘基板，能够抑制小型且具有通过模塑成形的树脂进行密封的结构的半导体装置的翘曲和/或热变形，进而能够提高已安装的半导体装置的可靠性，抑制复合材料的挤出，或者将复合材料减薄从而降低冷却系统整体的热阻。
技术方案
为了达成上述目的，本发明的半导体装置的特征在于，具备：绝缘基板，具有由陶瓷构成的绝缘板和固定于该绝缘板的主表面的电路板；半导体元件，固定于该电路板；印刷基板，与该绝缘板的主表面相对地设置；陶瓷板，与该绝缘板的主表面相对，并且以比该印刷基板还远离该绝缘板的主表面的方式设置；支撑部件，固定于该绝缘板的主表面或该电路板，并且对该陶瓷板的位置进行固定；和树脂，覆盖该电路板、该半导体元件、该印刷基板以及该陶瓷板。
发明效果
根据本发明，由于具备设置了与绝缘基板的绝缘板的主表面相对，并且以比印刷基板还远离绝缘板的主表面的方式设置的陶瓷板，所以能够抑制功率半导体模块的散热面的翘曲和/或热变形，进而能够提高半导体装置的可靠性，降低冷却系统整体的热阻。
附图说明
图1是本发明的半导体装置的一个实施方式的功率半导体模块的立体图。
图2是从图1所示的功率半导体模块的II－II线观察的剖视图。
图3是示出本发明的一个实施方式的功率半导体模块中内部的部件的立体图。
图4是外部连接端子的例子的说明图。
图5是示出本发明的另一实施方式的功率半导体模块中内部的部件的立体图。
图6是示出本发明的另一实施方式的功率半导体模块中内部的部件的立体图。
图7是实施例1～3和比较例的功率半导体模块的示意的剖视图。
図8是实施例4～6的功率半导体模块的示意的剖视图。
图9是示出实施例1～6和比较例的功率半导体模块中的陶瓷板的位置和翘曲量的关系的图。
图10是现有的功率半导体模块的剖视图。
符号说明
1 功率半导体模块
10 树脂
10a 第一面
10b 第二面
11 绝缘基板
11a 绝缘板
11b 金属板
11c 电路板
12、12A、12B 外部连接端子
12Aa、12Ba 突起部
13 半导体元件
14 导电柱
15 印刷基板
16、16A、16B 陶瓷板
具体实施方式
使用附图对本发明的半导体装置的实施方式进行具体的说明。
图1是本发明的半导体装置的一个实施方式的功率半导体模块1的立体图。图1(a)是观察功率半导体模块1的外部连接端子12突出的一侧的立体图，图1(b)是观察散热面一侧的立体图。图示的功率半导体模块1为大致长方体，两个绝缘基板11以其金属板11b露出的方式设置于树脂10的第一面(散热面)10a。由于在树脂10的第一面10a，未另外配备热扩散用铜板，因此功率半导体模块1轻质且价廉。
另外，多个外部连接端子12的一部分以从树脂10内突出的方式设置于与树脂10的第一面10a大致平行且配置于相对位置的第二面10b。图示的例子示出了二合一的功率半导体模块。
在功率半导体模块1的长度方向的两端部，形成有用于将该模块拧入设备的安装面的螺纹孔10c。另外，对于该螺纹孔，作为为了充分确保沿面距离的优选的形状，在功率半导体模块1的第二面10b，在螺纹孔10c的周围形成有绝缘壁10d。
在图2示出从功率半导体模块1的II－II线观察的剖视图。在与树脂10的第一面10a的大致同一个平面上设置有绝缘基板11。绝缘基板11由以陶瓷构成的绝缘板11a、金属板11b和电路板11c构成。电路板11c固定于绝缘板11a的主表面。金属板11b固定于与绝缘板11a的主表面相反一侧的面，并且从树脂10的第一面10a露出。
绝缘板11a由Al2O3、AlN、和/或Si3N4等导热率比较高的陶瓷构成。
绝缘基板11能够使用AMB(Active Metal Brazed copper：活性金属钎焊铜)基板，该AMB基板是通过对绝缘板11a和作为金属板11b和电路板11c的材料的铜板进行钎焊，并通过蚀刻对铜板进行图案化而得到的。另外绝缘基板11也可以为将绝缘板11a和构成金属板11b、电路板11c的铜板直接接合而得到DCB(Direct Copper Bond：直接键合铜)基板。考虑到热扩散性和/或端子整合性，优选绝缘基板11的金属板11b、电路板11c的厚度在0.5mm以上。在AMB基板中，作为将铜板加厚的方法，可以将厚铜板直接与绝缘板11a接合，然后进行蚀刻。另外，也可以首先将薄铜板接合于绝缘板11a，在蚀刻后通过扩散接合和/或烧结等粘合铜块。
半导体元件13通过焊料等的导电型的接合材料(未图示)固定于配置在绝缘板11a的主表面的电路板11c。半导体元件13为IGBT(绝缘栅型双极晶体管)和/或功率MOSFET这样的开关元件，或者为FWD(续流二极管)这样的二极管。通过这样的开关元件和二极管的组合，构成所谓的二合一的功率半导体模块。虽未示于图2，但在电路板11c，在半导体元件13的背后也搭载有多个开关元件或二极管。
外部连接端子12通过焊料等的导电型的接合材料(未图示)固定于配置在绝缘板11a的主表面上的电路板11c。在外部连接端子12，为了增加抵抗来自外部的拉拔力的强度，在表面的一部分形成凸部和/或凹部，优选生成相对于树脂10的锚固效果。用于将外部连接端子12和/或半导体元件13固定于电路板11c的接合材料也可以为金属烧结材料等，并不限定为焊料。
导电柱14的一端通过焊料等接合材料固定在设置于半导体元件13的与电路板11c的接合面的相反一侧的面的电极上，并且进行电连接。另外，其他的导电柱14的一端通过焊料等接合材料固定在电路板11c，并且电连接。这些导电柱的另一端部与后述的印刷基板15的布线膜电连接且机械连接。导电柱14由导电型材料例如铜构成。与对半导体元件13的每个电极设定一个导电柱14的情况相比，设定多个导电柱14能够流通大电流，因此优选。
与固定了电路板11c的绝缘板11a的主表面相对，设有印刷基板15。上述导电柱14的另一端部通过焊料等接合材料固定在该印刷基板15的布线膜，，并且进行电连接。导电柱14和印刷基板15的布线用于代替以往的键合线。因此本实施方式的功率半导体模块1与使用了以往的引线键合的模块相比，能够小型化。进一步地，与以往相比，能够减小布线的电感，因此能够应对高速开关动作。
导电柱14在贯通了印刷基板15的贯穿孔的状态下，通过焊接或柱表面的再熔融等而与印刷基板电连接并机械连接。因此，在组装功率半导体模块1之前，优选先形成带导电柱的印刷基板的结构。另外，印刷基板15只要为一般情况下能够获得的、形成厚度为数十μm～100μm程度的布线膜的基板，就不做特别限定。但是，考虑到接合時的温度和/或出厂后的高温使用、成形时的温度和/或成形性，优选聚酰亚胺树脂的柔性印刷基板(FPC)等具有高耐热性的绝缘部薄的材料。
在与固定了电路板11c的绝缘板11a的主表面相对且与印刷基板15相比更远离绝缘板11a的主表面的位置，设有陶瓷板16。
另外，配置了覆盖电路板11c、半导体元件13、印刷基板15以及陶瓷板16的树脂10。树脂10如前所述，具有与绝缘基板11大致为同一平面的第一面10a和与该第一面10a大致平行的第二面10b。树脂10能够使用由环氧树脂、聚酰亚胺树脂、硅酮树脂、酚醛树脂以及氨基树脂等构成的热固性树脂。
并且，陶瓷板16通过设置在树脂10的第二面10b的附近，能够使树脂10的第一面10a部分的线膨胀系数与第二面10b部分的线膨胀系数为相同程度。因此，在制造功率半导体模块1时，模塑成形后树脂10热收缩时，由于第一面10a部分和第二面10b部分的热收缩量相同，因此能够抑制第一面10a翘曲为曲面状。因此，即使在平坦的设备安装面拧入功率半导体模块1，由于校正翘曲的应力降低，因此功率半导体模块1的可靠性提高。
另外，即使在使用功率半导体模块1时，半导体元件13反复发热，由于第一面10a部分和第二面10b部分的热膨胀量、热收缩量为相同程度，因此能够抑制由功率循环引起的应力被施加到模块内部。也就是说，因为能够抑制树脂10的热变形，所以即使在这个方面，功率半导体模块1的可靠性也高。进一步，由于能够抑制设置在设备的安装面和功率半导体模块1之间的复合材料在使用中由于热变形而被挤出，因此功率半导体模块1在这个方面可靠性也高。
由于这样的功率半导体模块1不论在制造后还是在使用中，都能够抑制树脂10的第一面10a的翘曲，因此没必要对第一面10a进行切削加工。另外，对树脂10的填料添加的有无和/或填料的添加量等没有限制，能够选择更加适合的树脂。另外，由于不需要为了防止翘曲而加厚树脂10以提高刚性，因此不会妨碍树脂10的小型化。进一步地，能够使复合材料和/或散热片的厚度变薄，因此能够提高安装功率半导体模块1时的散热性。
另外，因为使用陶瓷板16解决了树脂的翘曲，因此不需要将绝缘基板11的绝缘板11a变为树脂制的绝缘板。因此，不会招致在使用树脂制的绝缘板的情况下所产生的绝缘电阻的降低和/或热阻的上升。
陶瓷板16的材料无特别限定，只要陶瓷板16的线膨胀系数与树脂10相比更接近绝缘板11a的材料，且是对抗弯曲和/或应力较强的材料，就没有问题。另外，优选陶瓷板16的材料与绝缘板11a的材料相同以确保线膨胀系数相同。另外，如后述，在本实施方式中，由于陶瓷板16被外部连接端子12支撑或固定，因此优选陶瓷板16具有绝缘性。进一步地，陶瓷板16可以是陶瓷单体，也可以是一个表面或两个表面具有导电层的AMB基板和/或DBC基板。
在制造本实施方式的功率半导体模块1时的模塑成形时，需要不随着树脂流动而保持陶瓷板16的位置的方法。在本实施方式中，作为上述方法，使用外部连接端子12保持陶瓷板16的位置。也就是说，在本实施方式中，使用外部连接端子12作为固定陶瓷板16的位置的支撑部件。
在图3，以立体图示出本实施方式的功率半导体模块1的树脂10以外的内部的部件。在图3所示的本实施方式的例子中，设有两枚陶瓷板16，分别与两个绝缘基板11对应。各陶瓷板16具有大致为长方形的平面形状，大小和厚度与绝缘基板11的绝缘板11a的大小和厚度几乎相同。在各陶瓷板16的周边部，形成有与外部连接端子12的位置对应的多个贯通孔16a。贯通孔16a的孔径是可以供外部连接端子12插通的尺寸。
本实施方式中的作为固定陶瓷板16的支撑部件而起作用的外部连接端子12的例子如图4所示。图4的(a)所示的外部连接端子12A在预定位置具有突起部12Aa。该突起部12Aa如在图4的(c)中与外部连接端子12A的中心轴垂直的截面的截面图所示，在该截面具有十字形状。在突起部12Aa的外部连接端子12的直径方向的最大突出长度比形成于陶瓷板16的贯通孔16a的直径还大。因此，当将陶瓷板16的贯通孔16a从外部连接端子12A的一端穿过时，陶瓷板16在外部连接端子12A的突起部12Aa的位置卡止。由此，能够固定陶瓷板16的位置。
如本实施方式这样，可以考虑不是将支撑部件固定于绝缘基板11，而是固定于印刷基板15再固定陶瓷板16的位置。然而，印刷基板15比绝缘基板11的刚性低，因此无法将陶瓷板16固定结实。因此，在通过模塑成形将树脂注入模具时，陶瓷板16晃动，存在陶瓷板16的位置产生偏差的隐患。另一方面，在本实施方式中，由于使用刚性高的绝缘基板11固定陶瓷板16的位置，所以不会产生上述问题，能够稳定地制造可靠性高的功率半导体模块1。另外，如上所述，通过将外部连接端子12作为支撑部件使用，无需另外准备支撑部件，因此能够降低制造成本。
另外，作为支撑部件还可以不使用外部连接端子12，而使用具有图4所示的结构的专用的部件。并且，还可以不将支撑部件固定在电路板11c，而是固定在绝缘板11a的主表面。在这些情况下，由于能够将支撑部件与外部连接端子独立地进行配置，因此能够提高功率半导体模块1的内部结构的自由度。
图4的(a)和图4的(c)所示的外部连接端子12A的突起部12Aa能够通过例如对外部连接端子12A的特定的位置进行挤压加工而形成。另外，也可以通过将另外准备的卡止部件固着于外部连接端子12，从而形成突起部12Aa。外部连接端子12A的突起部12Aa不限于图4的(c)所示的十字形状的形状。在与中心轴垂直的截面的突起部12Aa的形状为任意形状，重点是直径方向的最大突出长度比陶瓷板16的贯通孔16a的直径大即可。
图4的(b)所示的外部连接端子12B是外部连接端子12的另一例。该外部连接端子12B与图4的(a)所示的外部连接端子12A在突起部12Ba的形状上不同。在外部连接端子12B的整个长度中的特定的位置所形成的突起部12Ba在与其中心轴垂直的截面具有十字形状。并且，在突起部12Ba的在外部连接端子12的直径方向的最大突出长度比形成于陶瓷板16的贯通孔16a的直径稍大。具体来说，突起部12Ba为能够压入贯通孔16a的大小，或者通过向贯通孔16a进行按压而利用与贯通孔16a的摩擦力能够卡止陶瓷板16的大小。因此，通过从外部连接端子12B的一端穿过陶瓷板16的贯通孔16a，向贯通孔16a压入或按压突起部12Ba，将陶瓷板16卡止于外部连接端子12B的突起部12Ba的位置。由此，能够固定陶瓷板16的位置。
在图4的(b)所示的外部连接端子12B中，在使用粘性高的树脂作为树脂10时，对担心会因模具内的树脂流动而导致陶瓷板16的位置变动的情况有利。
外部连接端子12B的突起部12Ba与上述外部连接端子12A的突起部12Aa同样地，能够通过在外部连接端子12B的特定位置挤压加工而形成。另外，也能够通过将另外准备的卡止部件固着在外部连接端子12而形成突起部12Ba。外部连接端子12B的突起部12Ba不限于十字形状的形状。在与中心轴垂直的截面的突起部12Ba的形状为任意形状，重点是直径方向的最大突出长度只要比贯通孔16a的直径稍大，为能够压入贯通孔16a的尺寸或通过按压而产生摩擦力的尺寸即可。
外部连接端子12、12A、12B优选使用铜材，以降低电阻，或者可以进一步根据需要进行导电性的镀覆。铜材由于相对较软，能够塑性变形，因此很容易进行突起部12Aa、12Ba的挤压加工。另外，也易于向突起部的贯通孔16a的压入或通过按压而使陶瓷板16卡止。
另外，在作为支撑部件使用外部连接端子12以外的专用部件的情况下，可以使用铜材以外的材料。在该情况下，优选使用易于塑性变形的材料。
优选通过支撑部件(在本实施方式为外部连接端子12)固定陶瓷板16的位置为，优选从树脂10的第二面10b到陶瓷板16的厚度方向的中心为止的距离相对于从树脂10的第一面10a到绝缘基板11的绝缘板11a的厚度方向的中心为止的距离在1～5的范围内。其理由为，通过设在该树脂范围，能够使树脂10的第一面10a部分与第二面10b部分的线膨胀系数接近，从而能够确实抑制树脂的翘曲。进一步优选上述的比在1～4的范围内，更优选上述的比大约为1。上述的比为1的情况是指，从树脂10的第一面10a到绝缘板11a为止的距离与从树脂10的第二面10b到陶瓷板16为止的距离几乎相同。为了更加适当地控制树脂10的第一面10a的翘曲，可以对上述的比、陶瓷板16的材料、平面形状、平面的大小、厚度等参数进行适当地调整。特别是，当绝缘板11a和陶瓷板16不是相同材料、相同厚度、相同形状的情况下，优选调整上述参数。
在图1～图3所示的本实施方式中，设有与两个绝缘基板11分别对应的两枚陶瓷板16。另一方面，也可以将陶瓷板16设为覆盖两个绝缘基板11的大小的单板。通过将陶瓷板16设为单板，与设置两枚的情况相比，能够使陶瓷板16的刚性提高。因此，能够更有效地抑制树脂10的第一面10a的翘曲。
本实施方式的功率半导体模块1具有所谓的实型铸造类型(full mold type)的结构。由于通过封装树脂固定各部件，抑制了向接合各部件的接合材料施加的应力，对功率循环等的可靠性非常高。
使用图5，对本发明的另一实施方式的半导体装置进行说明。图5是与说明上述的实施方式的半导体装置的图3对应的立体图。另外，在图5中，对与已经说明的部件相同的部件标记相同的符号，以下省略重复说明。图5的陶瓷板16A与图3的陶瓷板16平面形状不同，除此以外，图5和图3具有相同结构。
图5所示的陶瓷板16A为了避免与外部连接端子12碰撞，具有切除了外部连接端子12所在位置部分的平面形状。陶瓷板16A通过图4所示的外部连接端子12A的突起部12Aa或外部连接端子12B的突起部12Ba能够固定位置。图5的陶瓷板16A具有与图3所示的之前的实施方式的陶瓷板16相同的效果。
该实施方式对于使用难以形成孔形状的陶瓷材料作为陶瓷板16的情况特别有效。
使用图6对本发明的另一实施方式的半导体装置进行说明。图6是与说明上述的实施方式的半导体装置的图3对应的立体图。另外，在图6中，对与已经说明的部件相同的部件标记相同的符号，以下省略重复说明。图6的的陶瓷板16B与图3的陶瓷板16平面形状不同，除此以外，图6和图3具有相同结构。
图6所示的陶瓷板16B在中央部具有树脂流入用孔16b。该树脂流入用孔16b在制造功率半导体模块1时的模塑成形时，利于使树脂流入陶瓷板16和绝缘基板11之间的各部件之间。另外，有益于提高陶瓷板16和树脂的粘结强度。树脂流入用孔16b的大小、位置、数量等可以考虑对陶瓷板16B要求的刚性而适当确定。
接下来，对功率半导体模块1的制造方法的一例进行说明。
在绝缘板11a的主表面配置的电路板11c通过接合材料固定半导体元件13。接下来，将预先准备的带导电柱14的印刷基板15的该导电柱14与半导体元件13的电极和绝缘基板11的电路板11c位置对齐，通过接合材料固定。半导体元件13和电路板11c与带导电柱14的印刷基板15的连接与绝缘基板11和半导体元件13的连接可以同时进行，也可以为单独的工序。
接下来，在配置于绝缘板11a的主表面的电路板11c通过接合材料固定外部连接端子12。接下来，通过使陶瓷板16卡止于外部连接端子12，与印刷基板15隔开而固定。由此，得到图3所示的各部件的组合体。将该组合体安装于模具，在模具内填充作为热固性树脂的树脂10并使其固化。使树脂固化的温度在例如为150～250℃程度。
作为比较，图10中以与图2所示的本发明的实施方式的剖视图相对应的剖视图示出现有的功率半导体模块100。在图10中，对与图2相同的部件标记相同的符号，以下省略重复说明。另外，符号b是用于拧入功率半导体模块100的螺栓。
图10所示的功率半导体模块100在不具有陶瓷板16这点上与图2所示的功率半导体模块1不同。由于不具有陶瓷板16，所以容易在树脂10的第一面10a产生翘曲，成为翘曲量较大的结构。
实施例
对于具有图2所示的结构的功率半导体模块1，准备改变了从树脂10的第二面10b起算到陶瓷板16的距离的三种功率半导体模块1A～1C，对翘曲的程度进行了调查。另外，关于陶瓷板16，使用覆盖两个绝缘基板11的大小的单板，并且准备改变了从树脂10的第二面10b起算到陶瓷板16的距离的三种功率半导体模块1D～1F，对翘曲的程度进行了调查。进一步地，准备不具有陶瓷板16的现有的功率半导体模块100，对翘曲的程度进行了调查。
在图7的(a)中以示意剖视图示出的比较例的功率半导体模块100为不具有陶瓷板16的例子。
在图7的(b)以示意剖视图示出的实施例1的功率半导体模块1A为，从树脂10的第二面10b起算到陶瓷板16为止的距离大的例子。
在图7的(c)以示意剖视图示出的实施例2的功率半导体模块1B为，从树脂10的第二面10b起算到陶瓷板16为止的距离为中等程度的例子。
在图7的(d)以示意剖视图示出的实施例3的功率半导体模块1C为，从树脂10的第二面10b起算到陶瓷板16为止的距离小的例子。
在图8的(a)以示意剖视图示出的实施例4的功率半导体模块1D为，陶瓷板16是大小为覆盖两个绝缘基板11的单板，从树脂10的第二面10b起算到陶瓷板16为止的距离大的例子。
在图8的(b)以示意剖视图示出的实施例5的功率半导体模块1E为，陶瓷板16是大小为覆盖两个绝缘基板11的单板，从树脂10的第二面10b起算到陶瓷板16为止的距离为中等程度的例子。
在图8的(c)以示意剖视图示出的实施例6的功率半导体模块1F为，陶瓷板16是大小为覆盖两个绝缘基板11的单板，从树脂10的第二面10b起算到陶瓷板16为止的距离小的例子。
在常温下在平坦面上放置各实施例和比较例的功率半导体模块1A～1F、100时，根据树脂10的长度方向端部与平坦面分开的距离的程度，对翘曲的程度进行了评价。
其结果为，利用实施例1～3进行比较，相比于实施例1的功率半导体模块1A的翘曲L1，实施例2的功率半导体模块1B的翘曲L2小，相比于翘曲L2，实施例3的功率半导体模块1C的翘曲L3小。另外，在实施例4～6进行比较，相比于实施例4的功率半导体模块1D的翘曲L4，实施例5的功率半导体模块1E的翘曲L5小，相比于翘曲L5，实施例6的功率半导体模块1F的翘曲L6小。应予说明，实施例6的功率半导体模块1F产生了与其他功率半导体模块1A～1E反向的翘曲。比较例的功率半导体模块100的翘曲L0比实施例2、3、5、6的功率半导体模块1B、1C、1E、1F的翘曲大。
在图9，针对实施例1～6和比较例的功率半导体模块，示出了将从树脂10的第二面10b起算到陶瓷板为止的距离相对于从树脂10的第一面10a起算到绝缘基板11的绝缘板11a为止的距离的比作为横轴，将翘曲量作为纵轴而图表化的结果。应予说明，图标纵轴的翘曲量以各功率半导体模块的翘曲量的相对数值表示。
以上，使用各实施方式和附图对本发明的半导体装置进行了说明，但本发明的半导体装置并不限于这些实施方式和附图，在不脱离本发明的主旨范围内，能够进行各种变形。

Claims (10)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：
绝缘基板，具有由陶瓷构成的绝缘板和固定于该绝缘板的主表面的电路板；
半导体元件，固定于该电路板；
印刷基板，与该绝缘板的主表面相对地设置；
陶瓷板，与该绝缘板的主表面相对，并且以比该印刷基板还远离该绝缘板的主表面的方式设置；
多个支撑部件，固定于该电路板，并且在该陶瓷板的周边部对该陶瓷板的位置进行固定；和
树脂，以覆盖的方式在其内部具有该电路板、该半导体元件、该印刷基板以及该陶瓷板。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
在所述陶瓷板的周边部具有多个贯通孔，
所述多个支撑部件为固定于该电路板且贯通于所述贯通孔的外部连接端子。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，
所述外部连接端子具有固定所述陶瓷板的突起部。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述树脂具有与所述绝缘基板为同一平面的第一面、和与该第一面平行的第二面，
所述陶瓷板与该第二面之间的距离相对于该绝缘板与该第一面之间的距离的比为1～5。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述绝缘基板设置两个，
所述陶瓷板由具有与所述绝缘板的材料相同的线膨胀系数的材料构成，且与所述绝缘基板对应地设置两枚。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述树脂为由选自环氧树脂、聚酰亚胺树脂、硅酮树脂、酚醛树脂以及氨基树脂中的至少一种构成的热固性树脂。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
具备与所述半导体元件和所述印刷基板电连接且机械连接的导电柱。
8.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述陶瓷板具备树脂流入用孔。
9.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述陶瓷板具备导电层。
10.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述陶瓷板为单板。
CN201480055064.XA 2014-04-01 2014-04-01 半导体装置 Expired - Fee Related CN105612613B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2014/059679 WO2015151235A1 (ja) 2014-04-01 2014-04-01 半導体装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105612613A CN105612613A (zh) 2016-05-25
CN105612613B true CN105612613B (zh) 2018-11-06

Family

ID=54239602

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480055064.XA Expired - Fee Related CN105612613B (zh) 2014-04-01 2014-04-01 半导体装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9559042B2 (zh)
EP (1) EP3043379B1 (zh)
JP (1) JP6164364B2 (zh)
CN (1) CN105612613B (zh)
WO (1) WO2015151235A1 (zh)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9640453B2 (en) 2013-02-26 2017-05-02 Mitsubishi Electric Corporation Power semiconductor device
DE112016001427T5 (de) * 2015-03-27 2017-12-21 Mitsubishi Electric Corporation Leistungsmodul
WO2018122897A1 (ja) * 2016-12-26 2018-07-05 新電元工業株式会社 電子装置及び電子装置の製造方法
US10559478B2 (en) * 2016-12-26 2020-02-11 Shindengen Electric Manufacturing Co., Ltd. Method for manufacturing electronic device and electronic device
WO2018193614A1 (ja) * 2017-04-21 2018-10-25 三菱電機株式会社 半導体装置
DE102017212739A1 (de) * 2017-07-25 2019-01-31 Siemens Aktiengesellschaft Halbleiterbauteil sowie Verfahren zu dessen Herstellung
US10403558B2 (en) 2017-08-23 2019-09-03 Ford Global Technologies, Llc Power module with multi-layer substrate
JP7052426B2 (ja) 2018-03-02 2022-04-12 富士電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP7070661B2 (ja) * 2018-03-20 2022-05-18 富士電機株式会社 半導体装置
JP7279324B2 (ja) 2018-09-14 2023-05-23 富士電機株式会社 半導体モジュール
JP7293936B2 (ja) * 2019-07-19 2023-06-20 富士電機株式会社 半導体装置及び半導体装置の製造方法
CN113366630A (zh) * 2019-08-06 2021-09-07 富士电机株式会社 半导体模块
JP6750721B1 (ja) * 2019-11-06 2020-09-02 富士電機株式会社 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP7476540B2 (ja) 2020-01-23 2024-05-01 富士電機株式会社 半導体装置
JPWO2022244392A1 (zh) 2021-05-18 2022-11-24

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6308938B1 (en) * 1997-09-26 2001-10-30 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor integrated circuit device
CN101681907A (zh) * 2007-11-30 2010-03-24 松下电器产业株式会社 散热结构体基板和使用其的模块及散热结构体基板的制造方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2670408B2 (ja) * 1992-10-27 1997-10-29 株式会社東芝 樹脂封止型半導体装置及びその製造方法
JPH0778921A (ja) * 1993-09-09 1995-03-20 Shinko Electric Ind Co Ltd 半導体装置
JPH07335783A (ja) * 1994-06-13 1995-12-22 Fujitsu Ltd 半導体装置及び半導体装置ユニット
JPH11191605A (ja) * 1997-12-26 1999-07-13 Murata Mfg Co Ltd 電子部品およびその製造方法
JP3940298B2 (ja) * 2002-02-08 2007-07-04 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション 半導体装置及びその半導体装置の製造方法
JP4967447B2 (ja) * 2006-05-17 2012-07-04 株式会社日立製作所 パワー半導体モジュール
JP5551920B2 (ja) * 2009-11-24 2014-07-16 イビデン株式会社 半導体装置及びその製造方法
JP5691475B2 (ja) 2010-12-15 2015-04-01 富士電機株式会社 半導体装置およびその製造方法
JP5887901B2 (ja) * 2011-12-14 2016-03-16 富士電機株式会社 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP5971263B2 (ja) * 2012-02-09 2016-08-17 富士電機株式会社 半導体装置
JP6028793B2 (ja) * 2012-03-15 2016-11-16 富士電機株式会社 半導体装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6308938B1 (en) * 1997-09-26 2001-10-30 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor integrated circuit device
CN101681907A (zh) * 2007-11-30 2010-03-24 松下电器产业株式会社 散热结构体基板和使用其的模块及散热结构体基板的制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP3043379A4 (en) 2017-08-02
WO2015151235A1 (ja) 2015-10-08
EP3043379A1 (en) 2016-07-13
JP6164364B2 (ja) 2017-07-19
JPWO2015151235A1 (ja) 2017-04-13
US20160233146A1 (en) 2016-08-11
EP3043379B1 (en) 2020-08-05
US9559042B2 (en) 2017-01-31
CN105612613A (zh) 2016-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105612613B (zh) 半导体装置
US9986631B2 (en) Electronic power module with enhanced thermal dissipation and manufacturing method thereof
JP4634497B2 (ja) 電力用半導体モジュール
US20140029201A1 (en) Power package module and manufacturing method thereof
CN105765716B (zh) 功率半导体模块和复合模块
US10312184B2 (en) Semiconductor systems having premolded dual leadframes
US20060056213A1 (en) Power module package having excellent heat sink emission capability and method for manufacturing the same
CN104051376A (zh) 功率覆盖结构及其制作方法
CN104051377A (zh) 功率覆盖结构及其制作方法
JP4254527B2 (ja) 半導体装置
KR101519062B1 (ko) 반도체 소자 패키지
US9524929B2 (en) Semiconductor module package and method of manufacturing the same
JP2014199829A (ja) 半導体モジュール及びそれを搭載したインバータ
US10763244B2 (en) Power module having power device connected between heat sink and drive unit
US9466542B2 (en) Semiconductor device
US20150145123A1 (en) Power semiconductor module and method of manufacturing the same
JP2019071412A (ja) チップパッケージ
WO2013171946A1 (ja) 半導体装置の製造方法および半導体装置
US20150270201A1 (en) Semiconductor module package and method of manufacturing the same
CN101785104A (zh) 借助从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件的模块构建和连接技术
JP4906650B2 (ja) パワー半導体モジュール及びその製法
KR20150031029A (ko) 반도체 패키지 및 그 제조 방법
US9099451B2 (en) Power module package and method of manufacturing the same
CN112582386B (zh) 功率模块及其制备方法、电器设备
US20160021780A1 (en) Carrier, Semiconductor Module and Fabrication Method Thereof

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20181106