CN106057752A - 半导体装置以及半导体装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供半导体装置以及半导体装置的制造方法。半导体装置具备：配线基板(30)，具备绝缘性基板(31)以及配线层(35)，绝缘性基板具备第一主面即元件搭载面(30A)和与元件搭载面(30A)对置的第二主面即背面(30B)，配线层形成于背面(30B)，包括配线部(35C)与散热部(35H)；功率元件(10)，搭载在配线基板(30)的元件搭载面(30A)上，并且与配线部(35C)连接；间隔件(40)，夹装在功率元件(10)与配线基板(30)的元件搭载面(30A)之间，并且与背面侧散热部(35H)连接；以及散热器(20)，与间隔件(40)之间夹持功率元件(10)，并且被固定于间隔件(40)。

Description

半导体装置以及半导体装置的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体装置以及半导体装置的制造方法，特别是涉及功率元件的散热构造。
背景技术
以往，在控制装置中，为了进行功率元件等高发热元件的散热，使用散热器(heat sink)或者间隔件(spacer)。例如在专利文献1中公开了一种在安装有散热器的元件的下方配置有间隔件的结构。在专利文献1中形成为如下的结构：间隔件用于使元件的散热面高度一致，仅从配置于元件的上表面侧的散热器进行散热。
另外，在专利文献2中，也公开了一种由用于对发热元件进行冷却的基体部与构成散热器的保持部夹持且被固定于印刷基板的装置。
专利文献1：日本特开2004－95697号公报
专利文献2：日本特开2011－199044号公报
然而，在上述专利文献1中，仅从固定于元件的上表面侧的散热器进行散热。另外，在专利文献2中，从在上下夹持并固定功率元件的基体部与散热器进行散热。在专利文献1以及专利文献2的技术中，以来自固定于功率元件的上表面侧的散热器的散热为主，无法期待来自安装于功率元件的下表面侧即基板侧的间隔件或基体部的散热，或者基体部并未形成为能够高效地进行散热的构造。因此，为了更高效地进行散热，必须增大上表面侧的散热器的翅片。另外，需要用于支承大型化了的散热器的构造，或者担心因单元的振动使得散热器摆动从而对功率元件施加有力进而导致功率元件的引线断裂或钎焊部分破损。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于得到一种提高来自半导体元件的下表面侧的散热效率、无需增大上表面侧的散热器就能够得到良好的散热特性的半导体装置。
为了实现解决上述课题、达成上述目的，本发明的技术方案1的半导体装置，具备：配线基板，上述配线基板具备绝缘性基板以及配线层，上述绝缘性基板具备第一主面以及与上述第一主面对置的第二主面，上述配线层形成于上述第二主面，并且包括配线部与背面侧散热部；半导体元件，上述半导体元件搭载在上述配线基板的上述第一主面上，并且与上述配线部连接；间隔件，上述间隔件夹装在上述半导体元件与上述配线基板的上述第一主面之间，并且与上述背面侧散热部连接；以及散热器，在上述散热器与上述间隔件之间夹持上述半导体元件，并且上述散热器被固定于上述间隔件。
技术方案2所涉及的半导体装置的特征在于，在技术方案1所记载的半导体装置中，上述间隔件具有贯通上述配线基板而朝上述第二主面侧突出的突出部，上述突出部与上述背面侧散热部连接。
技术方案3所涉及的半导体装置的特征在于，在技术方案1或2所记载的半导体装置中，上述配线层具有与同上述半导体元件进行电连接的配线部电隔离的表面侧散热部，上述间隔件抵接在上述表面侧散热部上。
技术方案4所涉及的半导体装置的特征在于，在技术方案3所记载的半导体装置中，上述背面侧散热部与上述表面侧散热部经由形成于上述配线基板的通孔连接。
技术方案5所涉及的半导体装置的特征在于，在技术方案1或2所记载的半导体装置中，上述间隔件由夹持上述半导体元件且贯通至上述散热器的贯通螺钉固定。
技术方案6所涉及的半导体装置的特征在于，在技术方案2所记载的半导体装置中，上述间隔件具备：间隔件主体，上述间隔件主体与述半导体元件的背面抵接，并且具有在包围上述半导体元件的相对置的两个侧面的位置设置的一对定位孔；以及立起片，上述立起片从上述间隔件主体朝上述配线基板侧立起，上述立起片的顶端朝上述第二主面侧突出而构成上述突出部。
技术方案7所涉及的半导体装置的特征在于，在技术方案6所记载的半导体装置中，上述间隔件与上述散热器由夹着上述半导体元件从上述一对定位孔贯通至上述散热器的一对贯通螺钉固定。
技术方案8所涉及的半导体装置的特征在于，在技术方案6所记载的半导体装置中，上述间隔件与上述散热器由夹着上述半导体元件、且从上述配线基板的上述第二主面侧贯通上述配线基板以及上述间隔件的上述一对定位孔而贯通至上述散热器的一对贯通螺钉固定。
技术方案9所涉及的半导体装置的特征在于，在技术方案5所记载的半导体装置中，上述半导体元件具有从相对置的引线端子导出面导出的引线端子，在除了上述引线端子导出面之外的相对置的两个侧面、且在与上述定位孔对应的区域具有凹部，上述贯通螺钉与上述凹部抵接。
本发明的技术方案10提供一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包括：在具备绝缘性基板以及配线层的配线基板的第一主面上层叠间隔件、半导体元件以及散热器的工序，上述绝缘性基板具备上述第一主面以及与上述第一主面对置的第二主面，上述配线层形成于上述第二主面，并且包括配线部与背面侧散热部；将上述半导体元件与上述配线部连接的工序；以及将上述间隔件与上述背面侧散热部导热连接的工序。
技术方案11所涉及的半导体装置的制造方法的特征在于，在技术方案10所记载的半导体装置的制造方法中，将上述间隔件与上述背面侧散热部导热连接的工序包括将上述间隔件的一部分贯通上述配线基板朝背面侧导出并与上述背面侧散热部连接的工序。
技术方案12所涉及的半导体装置的制造方法的特征在于，在技术方案10所记载的半导体装置的制造方法中，上述配线层具有与上述配线部电隔离的表面侧散热部，上述背面侧散热部与上述表面侧散热部经由形成于上述配线基板的通孔连接，将上述间隔件与上述背面侧散热部导热连接的工序包括使上述间隔件与上述表面侧散热部抵接的工序。
根据本发明，能够起到提高来自半导体元件的下表面侧的散热效率、无需增大上表面侧的散热器就能够得到良好的散热特性的效果。
附图说明
图1是示出实施方式1的半导体装置的分解立体图。
图2是实施方式1的半导体装置的剖视说明图。
图3是示出实施方式1的半导体装置的间隔件的立体图。
图4是示出利用实施方式1的半导体装置散热的功率元件的立体图。
图5是示出实施方式1的半导体装置的散热器的立体图。
图6是实施方式1的半导体装置的配线基板的剖视说明图。
图7是示出实施方式2的半导体装置的分解立体图。
图8是实施方式2的半导体装置的剖视说明图。
图9是实施方式2的半导体装置的配线基板的剖视说明图。
附图标记的说明
10：功率元件；11：元件主体；12：引线端子；13：切口；20：散热器；21：散热器主体；22：翅片；23：安装孔；30：配线基板；30A：元件搭载面；30B：背面；31绝缘性基板；32：功率元件安装用的孔；33：间隔件安装用的孔；34：螺钉用孔；35、35A、35B：配线层；35H：散热部；36：通孔(through hole)；40：间隔件；41：间隔件主体；42：立起片；43突出部；44：安装孔；50：散热器固定用螺钉；60：钎料层；70：热传导用片。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式所涉及的半导体装置以及半导体装置的制造方法详细地进行说明。此外，本发明并不由本实施方式限定，能够在不脱离其主旨的范围适当变更。另外，在以下所示的图中，为了便于理解，各层或者各部件的比例尺有时与实际情况不同，这在各图间也是相同的。另外，即便是剖视图，为了便于观察附图，有时不标注阴影线(hatching)。另外，即便是俯视图，为了便于观察附图，有时也标注阴影线。
实施方式1.
图1是示出实施方式1的半导体装置即控制装置的分解立体图，图2是该半导体装置的剖视说明图，图3是示出实施方式1的半导体装置的间隔件的立体图。另外，图4是示出利用实施方式1的半导体装置散热的功率元件的立体图，图5是示出实施方式1的半导体装置的散热器的立体图，图6是实施方式1的半导体装置的配线基板的剖视说明图。实施方式1的控制装置100构成为：从设置于功率元件10的下部的间隔件40进行散热，并且热从间隔件40朝在配线基板30的钎料形成面即背面30B侧设置的由配线层35构成的散热部35H传递，也从配线基板30的钎料形成面侧的图案进行散热。配线基板30的背面30B是指与安装功率元件10的元件搭载面30A相反侧的面。
关于实施方式1的控制装置，如图1所示，发热的功率元件10由用于使热从上表面侧逃散的散热器20、与将从功率元件10的下表面侧到配线基板30的表面为止的高度保持恒定的间隔件40夹住，并被散热器固定用螺钉50紧固而以加压状态被固定。将以该状态固定了散热器20与间隔件40的功率元件10安装于配线基板30，并利用钎料层60进行固定。在配线基板30开设有功率元件安装用的孔32与间隔件安装用的孔33。另外，通过预先设置用于供散热器固定用螺钉50通过的螺钉用孔34，能够在利用钎料层60将功率元件10与间隔件40固定后利用散热器固定用螺钉50将散热器20固定。在该控制装置100中，利用将功率元件10的热朝上表面散热的散热器20与朝下表面引导的间隔件40构成散热装置，尤其是确立从间隔件40进行散热的散热路径。
这里，如图2以及图3所示，间隔件40由能够形成钎料层60的金属板制造。例如能够应用在铜板形成有镀镍层或者镀金层的金属板等。而且，该间隔件40具有间隔件主体41、以及在间隔件主体41的中央部朝两侧弯折并立起的立起片42，形成为能够调整高度。在立起片42的顶端形成有突出部43。而且，该突出部43从配线基板30的间隔件安装用的孔33朝背面30B侧引导，并通过钎料层60而与形成于背面30B侧的配线层35的散热部35H固定。借助该突出部43，固定在配线基板30上的位置，并且使从搭载于第一主面即元件搭载面30A的功率元件10接受的热朝在配线基板30的第二主面即背面30B侧形成的由铜箔的配线层35构成的散热部35H逃散。另外，间隔件主体41的自由端41T朝功率元件10的侧方突出，从而也能够具有朝侧方的散热作用。另外，在间隔件主体41设置有安装孔44。
如图4所示，功率元件10具备：由封固有未图示的功率半导体芯片的树脂封装体构成的元件主体11；以及从元件主体11导出的多个引线端子12，在与引线端子导出面正交的面形成有对位用的切口13。使贯通散热器20与间隔件40的散热器固定用螺钉50从两侧与该切口13抵接，从而夹住功率元件10而进行固定。
如图5所示，散热器20具备：与功率元件10抵接的散热器主体21；以及从散热器主体21伸长的多个翅片22，还具有设置于散热器主体21的安装孔23。贯通该安装孔23而装配散热器固定用螺钉50。
另外，如图6所示，供该功率元件10以及散热装置安装的配线基板30在环氧基板等绝缘性基板31并在元件安装区域，开设有功率元件安装用的孔32与间隔件安装用的孔33。而且，在绝缘性基板31的背面30B侧形成有配线层35的图案。配线层35是通过对铜箔进行图案化(patterning)而形成的，在功率元件10的正下方构成由整面涂布图案形成的散热部35H。散热部35H也与配线层35的用于进行与引线端子12的连接的区域即配线部35C一起预先形成钎料镀敷层，由此，散热性进一步提高。另外，通过预先设置用于供散热器固定用螺钉50通过的螺钉用孔34，能够在利用钎料层60将功率元件10与间隔件40固定后利用散热器固定用螺钉50将散热器20固定。
接下来，对实施方式1的半导体装置的安装方法进行说明。在该方法中，首先，准备图6所示的配线基板30，并在该配线基板30的元件搭载面30A即第一主面依次层叠间隔件40、半导体元件即功率元件10、以及散热器20。
首先，将间隔件40的突出部43插通于配线基板30的间隔件安装用的孔33。根据需要使突出部43的顶端在配线基板30的背面30B朝内侧弯曲，使其与散热部35H抵接，并利用钎料层60进行连接。
然后，将功率元件10的引线端子12插通于功率元件安装用的孔32，并利用钎料层60将其与形成于背面30B并构成配线部35C的配线层35连接。散热部35H与供引线端子12连接的区域电隔离，但也能够将引线端子12中的一根与散热部35H连接，将散热部35H用作接地板的一部分。关于利用钎料层60将功率元件10的引线端子12与配线部35C连接的工序、以及将间隔件40的突出部43与散热部35H连接的工序，通过在钎料供给后一并进行加热，能够通过同一热工序实施。另外，通过预先利用钎料镀敷层包覆散热部35H、以及配线层35的与引线端子12连接的连接部，无需进行钎料供给就能够通过热工序进行钎焊连接。
然后，将散热器20搭载于功率元件10的第一主面10A侧，并将间隔件40的间隔件主体41与功率元件10的背面侧的散热部导热连接(thermally connect)。关于该连接，从用于供散热器固定用螺钉50通过的螺钉用孔34将散热器固定用螺钉50贯通在间隔件40的间隔件主体41设置的安装孔44，进而使其与功率元件10的切口13抵接，进而使其贯通至在散热器20的散热器主体21设置的安装孔23，进而使其与在散热器20的安装孔23形成的螺纹槽螺合而进行固定。
功率元件10由散热器20与间隔件40夹住并被散热器固定用螺钉50固定。另外，为了提高热从功率元件10朝散热器20以及间隔件40的传导效率，在各接触面之间夹设有热传导用片70。
此外，也可以代替热传导用片70而注入热传导用脂。另外，虽然在散热器20的安装孔23形成有螺纹槽，但也可以利用未图示的螺母进行固定。
间隔件40使间隔件主体41的自由端41T朝功率元件10的侧方突出，从而具有朝侧方的散热作用。通过利用该结构增加与空气接触的面积，能够提高散热效果。
从功率元件10传递至间隔件40的热经由钎料层60而朝在配线基板30的背面30B形成的配线层35传递，因此，通过扩大该热所被传递至的、由配线基板30的配线层35构成的散热部35H的面积，能够提高散热效果。
如上，根据实施方式1的控制装置100，能够从间隔件40朝在配线基板30的背面30B形成的由配线层35构成的散热部35H高效地传递热从而进行散热，因此能够防止散热器20的大型化。因而，能够防止散热器的成本上升、用于保持大型化了的散热器的构造物的追加。
如上，在实施方式1的控制装置100中，由于在配线基板30的背面30B侧的配线层侧具有散热部35H、并且从该散热部35H也进行散热，因此无需追加散热用的专用部件，能够容易且高效地散热。另外，除了来自散热器20的散热之外，还设置有将功率元件10的热朝配线基板30的与元件搭载面30A相反侧的背面30B引导并利用散热部35H进行散热的散热路径，因此能够从功率元件10的两面高效地散热。而且还能够起到如下效果：能够提高控制装置的散热效率而不会导致成本上涨，且能够防止散热器大型化。
此外，在实施方式1中，配线基板的配线层由仅设置于背面侧的单面图案构成，但并不限定于单面，可以是两面图案，还可以是多层配线基板。通过使用多层配线基板，从而也能够使用中间导体形成例如朝基板的周缘部输送热的散热路径。在实施方式1中，也能够根据配线层的存在面而在元件搭载面侧进行功率元件的引线端子朝配线层的连接，能够适当变形。
实施方式2.
在实施方式1中，利用钎料层60将间隔件40与配线基板30的配线层35的图案连接来传递热，但当在配线基板30的两面形成有配线层35的情况下，即便不利用钎料层60将间隔件40与配线基板30的配线层35固定也能够传导热。图7是示出实施方式2的半导体装置即控制装置100的分解立体图，图8是该半导体装置的剖视说明图，图9是实施方式2的半导体装置的配线基板的剖视说明图。
如图9所示，在配线基板30的供功率元件10安装的元件搭载面30A设置有与间隔件40接触的配线层35A的图案。在该配线层35A设置有多个通孔36，从而连接配线基板30的供功率元件10安装的元件搭载面30A的配线层35A与背面30B侧的配线层35B，由此能够传导热。另外，间隔件40与实施方式1的间隔件40相同，但还具有用于对其在配线基板30上的位置进行固定的突出部43。另外，在配线基板30设置有用于供散热器固定用螺钉50通过的螺钉用孔34。该间隔件40由于并不由钎料层60固定于配线基板30，因此能够利用钎料难以附着的金属如铝制造。
另外，如图8的剖视图所示，在安装后，间隔件40的上表面与功率元件10接触，下表面与配线基板30的配线层35A接触。与间隔件40接触的配线基板30的配线层35A、和配线基板30的相反侧的面的配线层35B借助多个通孔36连接，从间隔件40侧朝相反侧的面传导热。
关于安装方法，与实施方式1的控制装置100的安装方法相同，但在实施方式2的控制装置100中，使间隔件40与配线基板30的元件搭载面30A侧的由配线层35A构成的表面侧散热部抵接。而且，为了在间隔件40与配线基板30之间高效地传递热，利用散热器20和配线基板30夹住功率元件10与间隔件40，并利用散热器固定用螺钉50进行固定。另外，在实施方式2的控制装置100中，为了提高从功率元件10朝散热器20以及间隔件40的热的传导效率，也在各接触面之间夹设有热传导用片70。
在实施方式2的控制装置100中，与实施方式1相比，增加了如下的散热路径：利用配线基板30的元件搭载面30A侧的由配线层35A构成的表面侧散热部接受间隔件40的热，并经由通孔36而将该热朝背面30B侧的散热部35H引导。因而，与实施方式1的控制装置100相比，能够起到散热性进一步提高的效果。
此外，也可以代替热传导用片70而放入热传导用脂。另外，在实施方式2的控制装置100中，也在散热器20的安装孔23形成有螺纹槽，但也可以利用未图示的螺母进行固定。
另外，间隔件40可以贯通配线基板30，也可以固定在元件搭载面30A侧。虽然能够通过使用热传导性良好的粘合剂或者铆接等进行固定，但在固定于元件搭载面30A侧的情况下，优选使用粘合剂进行固定。
此外，在实施方式2中，配线基板30的配线层35由设置于元件搭载面30A侧以及背面30B侧的两面的两面图案构成，但并不限定于两面，也可以由单面图案构成。只要至少与由配线层35A构成的表面侧散热部或者由配线层35B构成的背面侧散热部中的任一个导热接触即可，关于两面间的散热部的导热连接，只要借助用于形成散热路径的通孔36实现从而朝配线基板30的背面30B侧引导来自间隔件40的热即可。另外也可以是多层配线基板。在本实施方式中，通过使用多层配线基板，还能够使用中间导体形成例如朝基板的周缘部输送热的散热路径。也能够在元件搭载面30A侧进行功率元件10的引线端子12朝配线层35的连接。
此外，在实施方式1、2中，构成两根散热器固定用螺钉50，并使两个散热器固定用螺钉50与在功率元件10的元件主体11的两侧设置的切口13配合从而进行定位并固定，但并不限定于该构造。例如，也可以在元件主体11的中央形成一个贯通孔，并使散热器固定用螺钉50插通于该贯通孔而进行固定。由此，安装变得更加容易。
虽然对本发明的几个实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过是作为例子加以提示，并非意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够通过其他的各种方式加以实施，能够在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围，并且包含于技术方案所记载的发明及其等同范围。

Claims (12)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：
配线基板，所述配线基板具备绝缘性基板以及配线层，所述绝缘性基板具备第一主面以及与所述第一主面对置的第二主面，所述配线层形成于所述第二主面，并且包括配线部与背面侧散热部；
半导体元件，所述半导体元件搭载在所述配线基板的所述第一主面上，并且与所述配线部连接；
间隔件，所述间隔件夹装在所述半导体元件与所述配线基板的所述第一主面之间，并且与所述背面侧散热部连接；以及
散热器，在所述散热器与所述间隔件之间夹持所述半导体元件，并且所述散热器被固定于所述间隔件。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述间隔件具有贯通所述配线基板而朝所述第二主面侧突出的突出部，
所述突出部与所述背面侧散热部连接。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述配线层具有与同所述半导体元件进行电连接的配线部电隔离的表面侧散热部，
所述间隔件抵接在所述表面侧散热部上。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，
所述背面侧散热部与所述表面侧散热部经由形成于所述配线基板的通孔连接。
5.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述间隔件由夹持所述半导体元件且贯通至所述散热器的贯通螺钉固定。
6.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
所述间隔件具备：间隔件主体，所述间隔件主体与述半导体元件的背面抵接，并且具有在包围所述半导体元件的相对置的两个侧面的位置设置的一对定位孔；以及立起片，所述立起片从所述间隔件主体朝所述配线基板侧立起，所述立起片的顶端朝所述第二主面侧突出而构成所述突出部。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，
所述间隔件与所述散热器由夹着所述半导体元件从所述一对定位孔贯通至所述散热器的一对贯通螺钉固定。
8.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，
所述间隔件与所述散热器由夹着所述半导体元件、且从所述配线基板的所述第二主面侧贯通所述配线基板以及所述间隔件的所述一对定位孔而贯通至所述散热器的一对贯通螺钉固定。
9.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，
所述半导体元件具有从相对置的引线端子导出面导出的引线端子，
在除了所述引线端子导出面之外的相对置的两个侧面、且在与所述定位孔对应的区域具有凹部，
所述贯通螺钉与所述凹部抵接。
10.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包括：
在具备绝缘性基板以及配线层的配线基板的第一主面上层叠间隔件、半导体元件以及散热器的工序，所述绝缘性基板具备所述第一主面以及与所述第一主面对置的第二主面，所述配线层形成于所述第二主面，并且包括配线部与背面侧散热部；
将所述半导体元件与所述配线部连接的工序；以及
将所述间隔件与所述背面侧散热部导热连接的工序。
11.根据权利要求10所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
将所述间隔件与所述背面侧散热部导热连接的工序包括将所述间隔件的一部分贯通所述配线基板朝背面侧导出并与所述背面侧散热部连接的工序。
12.根据权利要求10所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述配线层具有与所述配线部电隔离的表面侧散热部，所述背面侧散热部与所述表面侧散热部经由形成于所述配线基板的通孔连接，
将所述间隔件与所述背面侧散热部导热连接的工序包括使所述间隔件与所述表面侧散热部抵接的工序。
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