CN110462817B - 半导体装置及其制造方法、以及电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制在树脂注入工序中产生的微小气泡的残留、并且使密封材料容易向想要利用树脂密封的区域流入的半导体装置及其制造方法、以及具有这样的半导体装置的电力转换装置。半导体装置(101)具备绝缘基板(2)、半导体元件(4)、导体基板(3P)、以及壳体材料(1)。半导体元件(4)连接在绝缘基板(2)的上方，导体基板(3P)连接在半导体元件(4)的上方。壳体材料(1)以避开与绝缘基板(2)、半导体元件(4)以及导体基板(3P)在俯视观察时重叠的区域的方式进行包围。在绝缘层(2D)的主表面配置多个金属图案(2P)。在多个金属图案(2P)中的相邻的一对金属图案(2P)之间形成槽(2G)。在导体基板(3P)上，在与槽(2G)在俯视观察时重叠的位置形成贯通孔(7)。

Description

半导体装置及其制造方法、以及电力转换装置
技术领域
本发明涉及半导体装置及其制造方法，特别涉及具有绝缘基板、导体基板以及夹在它们之间的半导体元件的电力用半导体装置及其制造方法。另外，本发明还涉及应用了该电力用半导体装置的电力转换装置。
背景技术
搭载于工业设备和汽车的逆变器装置要求进一步的高性能化及小型化。伴随于此，对逆变器装置中含有且与其驱动相关的半导体装置也有同样的要求。在使半导体装置小型化时，可以考虑进行使半导体元件变小、或使向半导体元件的通电量变大这样的改进。一般地，对于半导体装置的电路连接，使用截面形成为圆形的直径为0.5mm左右的粗的铝制的导线等，但随着半导体装置的驱动电流的增加，该导线的发热量变得非常大。因此，作为应对半导体装置的驱动电流的增加的方法，提出了如下的半导体装置：代替上述导线而将铜等的导体基板、或包括该导体基板在内的电路基板设置在半导体元件的上侧，可以通过比导线大的电流。
但是，在半导体元件上设置导体基板或包括该导体基板在内的电路基板的半导体装置中，存在如下问题：在半导体元件之下的绝缘基板和半导体元件之上的导体基板之间产生狭小部，难以向该狭小部填充树脂等密封材料。因此，例如在国际公开第2007/060854号(专利文献1)以及日本特开2016-9718号公报(专利文献2)中提出了如下方案：在想要利用树脂密封的区域的上侧搭载有其他部件的结构中，通过设置填充用的路径，来提高想要利用树脂密封的区域的填充性。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2007/060854号
专利文献2：日本特开2016-9718号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，在国际公开第2007/060854号所公开的方法中，为了供给作为树脂的发光材料而设置的开口部只有一处。通过从该开口部供给发光材料来填充想要密封的区域，但假设在该想要密封的区域的一部分残余有未填充的部分的情况下，由于没有从其他部位供给发光材料而未被填补，因此有可能在想要密封的区域的一部分残余未填充部分。
此外，在日本特开2016-9718号公报所公开的半导体装置中，半导体元件的上侧的区域被壳体材料完全覆盖。因此，在制造该半导体装置时的树脂注入工序中，在被填充的树脂内残留有微小的气泡的情况下，仅利用在半导体装置的壳体材料的一部分形成的排气孔，有可能无法除去该微小的气泡。在位于半导体元件的上侧的壳体材料中存在用于保证半导体装置的绝缘性的绝缘层，但在半导体元件的上侧的区域残留有气泡时，有可能对绝缘层造成损伤。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够抑制在树脂注入工序中产生的微小气泡的残留、并且使密封材料容易流入到想要利用树脂密封的区域的半导体装置及其制造方法、以及具有这样的半导体装置的电力转换装置。
用于解决问题的手段
本发明的半导体装置包括绝缘基板、半导体元件、导体基板和壳体材料。绝缘基板包括绝缘层。半导体元件连接在绝缘基板的上方。导体基板连接在半导体元件的上方。壳体材料以避开与绝缘基板、半导体元件以及导体基板在俯视观察时重叠的区域的方式包围绝缘基板、半导体元件以及导体基板。在绝缘层的主表面相互隔开间隔地配置有多个金属图案。在多个金属图案中的相邻的一对金属图案之间形成有槽。在导体基板，在与槽在俯视观察时重叠的位置形成有贯通孔。在被壳体材料包围的区域填充有密封材料。
在本发明的半导体装置的制造方法中，首先在包括绝缘层在内的绝缘基板的上方，以夹着半导体元件的方式接合导体基板。绝缘基板、半导体元件以及导体基板以被壳体材料包围的方式设置。通过向被壳体材料包围的区域供给密封材料，从而密封半导体元件。壳体材料以避开与绝缘基板、半导体元件以及导体基板在俯视观察时重叠的区域的方式包围绝缘基板、半导体元件以及导体基板。在绝缘层的主表面相互隔开间隔形成多个金属图案。在多个金属图案中的相邻的一对金属图案之间形成槽。在导体基板，在与槽在俯视观察时重叠的位置形成贯通孔。
发明的效果
根据本发明，由于壳体材料以避开与导体基板等在俯视观察时重叠的区域的方式进行包围，因此能够抑制在树脂注入工序中产生的微小气泡的残留。通过在与利用金属图案形成的槽在俯视观察时重叠的位置形成贯通孔，密封材料容易流入期望的区域，抑制未填充部分的残余。
附图说明
图1是表示实施方式1的半导体装置的结构的概略剖视图。
图2是表示本发明的半导体装置的结构的概略俯视图，仅表示了图1所示的半导体装置的构成要素的一部分。
图3是表示本发明的半导体装置的结构的概略俯视图，比图2更加详细地表示了图1所示的半导体装置的构成要素。
图4是表示实施方式1的半导体装置的制造方法的第一工序的概略剖视图。
图5是表示实施方式1的半导体装置的制造方法的第二工序的概略剖面图。
图6是表示实施方式1的半导体装置的制造方法的第三工序的概略剖面图。
图7是放大表示来自贯通孔的密封材料的流入机构的概略剖视图。
图8是表示图1中的各部分的尺寸的概略剖视图。
图9是表示实施方式2的半导体装置的结构的概略剖视图。
图10是表示应用了实施方式3的电力转换装置的电力转换系统的结构的框图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
实施方式1.
首先，使用图1～图3说明本实施方式的半导体装置的结构。另外，图1是沿着图2及图3的俯视图的在左右方向上延伸的线的剖视图，图1的左右方向大致与图2及图3的左右方向对应。但是，由于在图2及图3中，半导体元件4排列成相对于左右方向稍微错开的位置关系，所以在图1中，成为将图2及图3的俯视图以半导体元件沿着左右方向排列的方式局部修正而成的结构。
参照图1～图3，本实施方式的半导体装置101是广泛用于家电用、工业用或汽车用等的半导体功率模块。半导体装置101主要具备壳体材料1、作为第一绝缘基板的绝缘基板2、导体基板3P、半导体元件4、以及填充于壳体材料1内的密封材料5。壳体材料1在俯视观察时具有矩形的框状，以避开与绝缘基板2、导体基板3P以及半导体元件4在俯视观察时重叠的区域的方式包围绝缘基板2、导体基板3P以及半导体元件4。但是，如后所述，作为壳体材料1的一部分的载置部1F由于载置于绝缘基板2上，因此也可以与其部分重叠。
特别是如图1所示，绝缘基板2包括散热金属板2C、层叠在散热金属板2C上的绝缘层2D、以及形成在绝缘层2D上的一部分的金属图案2P。特别是如图2及图3所示，绝缘基板2例如具有矩形的平面形状。换言之，绝缘基板2的一方的主表面2A及另一方的主表面2B具有图1所示的矩形形状。因此，散热金属板2C及绝缘层2D都具有矩形的平板形状。
在图1中，例如将绝缘基板2的最下部相连而成的面作为一方的主表面2A，将最上部相连而成的面作为另一方的主表面2B。因此，另一方的主表面2B在形成有金属图案2P的区域中为金属图案2P的最上面，在未形成金属图案2P的区域中为绝缘层2D的最上面。
即，在半导体装置101中，在作为绝缘基板2的一部分的绝缘层2D的主表面即绝缘层2D的另一方的主表面2B，相互隔开间隔地配置有多个金属图案2P。由于金属图案2P在绝缘层2D的另一方的主表面2B的一部分上相互隔开间隔地形成多个，因此其俯视观察时的尺寸比散热金属板2C及绝缘层2D的尺寸小。另外，优选的是，金属图案2P也与散热金属板2C及绝缘层2D同样地具有矩形的平面形状。
要求绝缘层2D具备散热性和绝缘性这两者。具体地说，绝缘层2D优选由在树脂材料内埋入陶瓷材料而成的树脂硬化物构成，但是绝缘层2D也可以仅由陶瓷材料构成。此外，作为构成用于绝缘层2D的陶瓷材料的粉末材料，优选使用主要从由氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氮化铝(AlN)和氮化硼(BN)构成的组中选择的任一种。但是，并不限于此，作为构成用于绝缘层2D的陶瓷材料的粉末材料，也可以使用从由氮化硅(Si3N4)、金刚石、碳化硅(SiC)、氧化硼(B2O3)构成的组中选择的任一种。此外，作为上述粉末材料，也可以使用有机硅树脂或丙烯酸树脂等树脂性的粉末材料。
绝缘层2D的陶瓷的粉末形状优选为球状，但不限于此，也可以是从由破碎状、粒状、鳞片状、凝聚体构成的组中选择的任一种。绝缘层2D中含有的陶瓷粉末的填充量只要是足以得到绝缘层2D所要求的散热性及绝缘性的量即可。
作为用于绝缘层2D的树脂材料，通常使用环氧树脂。但是，并不限于此，用于绝缘层2D的树脂材料也可以是从由聚酰亚胺树脂、有机硅树脂、丙烯酸树脂构成的组中选择的任一种。即，对于绝缘层2D，能够使用兼具绝缘性和粘接性两者的任意树脂材料。
在绝缘基板2中，优选绝缘层2D与作为金属板的散热金属板2C一体地接合。通过使用这样的绝缘基板2，不仅能够减少构件数量，而且能够简化绝缘基板2的制造工序。
散热金属板2C是用于将驱动半导体元件4时产生的热释放到半导体装置101的外侧、即从一方的主表面2A释放到其下侧的构件。
金属图案2P是如图所示形成在树脂制的绝缘层2D上的例如铜等金属的薄膜。金属图案2P与配置在其上方的未图示的朝向外部的连接端子等电连接，并且也与半导体元件4电连接。
特别是如图2及图3所示，金属图案2P在图的左右方向上被分割成两部分，并且如上所述被分割成两部分中的左半部分的金属图案2P进一步在上下方向上被分割成三部分。该在左右方向上分割成的两部分表示半导体装置101的P侧及N侧。在此，可以左侧为P侧、右侧为N侧，也可以与此相反。另外，左半部分的被分割成三部分的金属图案2P分别被分为U相、V相和W相。即，接合在上述被分割成三部分的金属图案2P中的每一个的正上方的三个半导体元件4分别用作U相用、V相用、W相用的半导体元件。
在如上所述被分成多个的金属图案2P中的相邻的一对金属图案2P之间形成有槽2G。该槽2G在一对相邻的金属图案2P之间，形成为在俯视观察时呈直线状延伸。
半导体元件4是例如搭载有对大电流进行高速开关的IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或回流用的二极管等电力用的元件的构件。半导体元件4是例如由硅(Si)或碳化硅(SiC)的单晶等形成的芯片形状的构件。但是，并不限于此，半导体元件4也可以例如由氮化镓(GaN)或者金刚石那样的带隙比硅大的、所谓的宽带隙半导体形成。另外，关于半导体元件4的形成数量，不限于图1～图3所示的数量，可以根据使用用途设为所需的任意数量。
半导体元件4具有作为图1的下侧的主表面的一方的主表面4A、和与一方的主表面4A相反的一侧即作为图1的上侧的主表面的另一方的主表面4B。半导体元件4通过第一接合材料6A连接于绝缘基板2，特别是连接在金属图案2P的上方。即，半导体元件4的一方的主表面4A和金属图案2P的最上面(绝缘基板2的另一方的主表面2B)通过第一接合材料6A接合。
此外，在半导体元件4的上方连接有导体基板3P。导体基板3P具有作为图1的下侧的主表面的一方的主表面3A、和与一方的主表面3A相反的一侧即作为图1的上侧的主表面的另一方的主表面3B，如图3所示，导体基板3P是例如具有矩形的平面形状的构件。换言之，导体基板3P的一方的主表面3A及另一方的主表面3B具有如图3所示的矩形形状。导体基板3P的一方的主表面3A和半导体元件4的另一方的主表面4B通过第二接合材料6B接合。
在导体基板3P中，形成有从一方的主表面3A到达其相反侧的另一方的主表面3B的贯通孔7。如图2及图3所示，贯通孔7形成在导体基板3P中的与由金属图案2P形成的槽2G在俯视观察时重叠的位置。如图2及图3所示，贯通孔7优选具有例如圆形的平面形状。这是因为如后所述，在将密封材料5供给到壳体材料1内时，向贯通孔7内插入喷出密封材料5的喷嘴，由于使贯通孔7具有圆形的平面形状，会使该喷嘴的插入变得容易。另外，为了如上所述地插入喷嘴，贯通孔7优选具有在俯视观察时大于喷嘴的直径的尺寸。
如图2所示，壳体材料1具有矩形的平面形状，该矩形具有长边(图2的上下方向)及短边(图2的左右方向)。导体基板3P的贯通孔7形成在如下区域内，即，俯视观察时被壳体材料1包围的区域的、配置在将壳体材料1的长边三等分时的中央且配置在将壳体材料1的短边三等分时的中央的区域(图2中用斜线表示)内。另外，在图2中，将被壳体材料1包围的区域的长边侧及短边侧三等分的线用单点划线表示。
半导体装置101还具备电极端子8。电极端子8是用于使半导体装置101的内部和外部能够电连接的构件。即，电极端子8能够进行与配置在半导体装置101内的半导体元件4之间的电信号的输入输出。
如图2及图3所示，电极端子8优选以部分地埋入构成壳体材料1的框状部分的长边的部分的方式相互隔开间隔地配置多个。在图3中，两个或三个电极端子8以在长边方向上相邻的方式配置。
如图1所示，电极端子8具有：在壳体材料1延伸的图1的上下方向上延伸的铅垂延伸部分8A、沿着导体基板3P的一方的主表面3A等的在图1的左右方向上延伸的水平延伸部分8B、以及在它们之间的部分使电极端子8弯曲的弯曲部8C。铅垂延伸部分8A其大部分埋入于壳体材料1的主体部分的内部，仅其最上部的端部从壳体材料1露出。从该壳体材料1露出的铅垂延伸部分8A能够与半导体装置101的外部电连接。另外，水平延伸部分8B仅在比较接近弯曲部8C的区域埋入于壳体材料1的主体部分的内部，剩余的大部分从此处露出而配置于被壳体材料1包围的区域内。而且，上述剩余的大部分沿着壳体材料1的短边的延伸方向延伸，与导体基板3P电连接。如图1所示，电极端子8的水平延伸部分8B和导体基板3P例如通过第三接合材料6C接合。
绝缘基板2的散热金属板2C及金属图案2P、导体基板3P及电极端子8通常由铜形成。但是，并不限于此，也能够采用具有所需的散热特性的其他任意的导体材料。例如，上述各构件可以由铝或铁形成，也可以由将这些(铜、铝及铁)适当复合而成的材料形成。另外，作为构成上述各构件的材料，也可以使用层叠了铜/殷钢/铜这三层的复合材料等。或者，作为构成上述各构件的材料，也可以使用SiCAl、CuMo等合金材料。另外，上述各构件的表面通常形成有镀镍膜，但不限于镀镍膜，例如也可以形成镀金膜或镀锡膜。或者只要是能够向半导体元件供给所需的电流和电压的结构，则也可以不在上述各构件的表面形成镀膜。并且，在金属图案2P、导体基板3P及电极端子8的表面，为了提高与密封材料5的密合性，可以在表面设置微小的凹凸，另外，也可以通过底漆处理向该表面供给密合性提高剂。作为密合性提高剂，优选使用从硅烷偶联剂、聚酰亚胺、环氧树脂中选择的任一种。但是，只要能够提高金属图案2P、导体基板3P及电极端子8的表面的与密封材料5的密合性，也可以使用上述以外的材料作为密合性提高剂。
另外，作为第一接合材料6A、第二接合材料6B及第三接合材料6C，均主要使用焊锡材料，但不限于此，可使用具有期望的导电性及强度的任意材料。例如，作为第一接合材料6A、第二接合材料6B及第三接合材料6C，除了焊锡之外，还可以使用银(Ag)或铜(Cu)的烧结材料。
壳体材料1配置在半导体装置101的最外部，由此具有如包围绝缘基板2、导体基板3P及半导体元件4等的箱那样的形态。壳体材料1主要由PPS(PolyPhenylene Sulfide，聚苯硫醚)形成，但并不限于此，也可使用LCP(Liquid Crystal Polymer，液晶聚合物)或PBT(PolyButylene Terephthalate，聚对苯二甲酸丁二醇酯)等热塑性材料。作为壳体材料1，可以使用具有耐热性且富有成形性的任意材料。
壳体材料1具有构成图1等中的最下部的一方的主表面1A、及构成图1等中的最上部的另一方的主表面1B，在它们之间，上述材质的构件在图1的上下方向上延伸，由此构成壳体材料1的主体部分。另外，壳体材料1具有内壁面1C，该内壁面1C作为因具有框状而与被壳体材料1包围的区域相对的表面。而且，特别地，壳体材料1在一方的主表面1A侧的比较下方的区域中具有内底面1D。内底面1D是在壳体材料1的下部中，主体部分以沿着图2的左右方向即沿着一方的主表面1A的方式延伸的区域的最上部，形成为构成上述被包围的区域内的底面的另一方的主表面。壳体材料1的一方的主表面1A在俯视观察时的最外侧的部分与另一方的主表面1B相对，比该最外侧的部分靠内侧的部分与内底面1D相对。
如图1所示，载置部1F从壳体材料1的长边的内壁面1C(内壁面的至少一部分)朝向壳体材料1所包围的区域侧延伸。载置部1F是在壳体材料1的一方的主表面1A侧的比较下方的区域中，以与绝缘基板2的俯视观察时的另一方的主表面2B的一部分(例如最外部)接触的方式载置于另一方的主表面2B上的部分。
壳体材料1的载置部1F与绝缘基板2的另一方的主表面2B的一部分接触，此外，如图1所示，壳体材料1的内壁面1C的最下部(比载置部1F更靠下方)与散热金属板2C的端面接触。在这些接触部分，通过将壳体材料1与绝缘基板2接合，由壳体材料1与绝缘基板2构成为容器状的构件。因此，绝缘基板2的表面的至少一部分与壳体材料1的表面粘接，由此，如上所述构成容器状的构件。以填埋该容器状的构件的内部、即配置有导体基板3P及半导体元件4等的区域的方式，在被壳体材料1包围的区域填充有密封材料5。在半导体装置101中，绝缘基板2以覆盖上述容器状的构件的底部整个面的方式配置，壳体材料1以构成容器状的构件的侧部整个面的方式配置。由于两者无间隙地粘接，所以能够将密封材料5以不从此处泄漏的方式注入到上述容器状的构件内。
密封材料5填充上述容器状的构件内的空间，因此例如是凝胶状的物质固化而成的材料。具体地说，例如使用环氧树脂作为密封材料5，但不限于此，能够使用具有期望的弹性模量及耐热性的任意的树脂材料。例如，作为密封材料5，除了环氧树脂之外，也可以使用从由有机硅树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、丙烯酸树脂构成的组中选择的任一种。作为密封材料5，能够使用兼具绝缘性和粘接性的任意的材料。
接着，使用图4～图6，简单说明本实施方式的半导体装置101的制造方法。
参照图4，首先准备绝缘基板2、导体基板3P及半导体元件4。另外，绝缘基板2的金属图案2P的厚度优选为0.1mm以上且1mm以下左右。金属图案2P是通过如下方式形成的：在绝缘层2D的另一方的主表面2B上，利用一般公知的印刷法等，例如通过冲压加工形成上述膜厚的金属层，之后，利用一般公知的照相凸版技术等，将该金属层形成图案为期望的平面形状。但是，金属图案2P也可以通过对在先形成图案为期望的平面形状和厚度的金属制的构件，在后进行冲压加工而形成在绝缘层2D的另一方的主表面2B上。通过以上步骤，在绝缘层2D的另一方的主表面2B相互隔开间隔地形成多个金属图案2P，在多个金属图案2P中相邻的一对金属图案2P之间形成有槽2G。
另外，导体基板3P是例如像引线框架那样的仅由铜等金属材料的平板构成的结构。导体基板3P的厚度优选为0.1mm以上且1mm以下。在导体基板3P，最终在俯视观察时与槽2G重叠的位置处，形成有从一方的主表面3A到达其相反侧的另一方的主表面3B的贯通孔7。形成有贯通孔7的位置如上所述，是配置于在俯视观察时将被壳体材料1包围的区域的长边及短边分别三等分时的中央的区域内。
接着，在包括绝缘层2D在内的绝缘基板2的上方，以夹着半导体元件4的方式接合导体基板3P。具体地说，例如，半导体元件4的一方的主表面4A经由第一接合材料6A接合到作为绝缘基板2的最上面的金属图案2P上。另外，半导体元件4的另一方的主表面4B经由第二接合材料6B接合到导体基板3P的最下面上。
参照图5，在图4的工序中相互层叠的绝缘基板2、导体基板3P及半导体元件4的组以被壳体材料1包围的方式设置成收纳在壳体材料1的框体内。具体地说，特别优选设置成：壳体材料1的较下方的区域与绝缘基板2的表面的一部分即其端面及与该端面邻接的另一方的主表面2B的一部分区域等接触，且嵌合于壳体材料1。由此，若壳体材料1的表面的一部分与绝缘基板2的表面的一部分无间隙地接触，则由两者形成容器状的构件，能够向该容器状的构件的内部供给密封材料5等。
壳体材料1为框状，以避开与绝缘基板2、半导体元件4及导体基板3P在俯视观察时重叠的区域的方式将它们包围(除了载置部1F搭载在绝缘基板2上的区域)。因此，壳体材料1配置为不覆盖绝缘基板2、半导体元件4及导体基板3P而使它们从壳体材料1露出。
另外，大部分被埋入壳体材料1的主体部分的内部的电极端子8的、水平延伸部分8B从壳体材料1露出的部分，通过第三接合材料6C与导体基板3P的另一方的主表面3B接合。
参照图6，在图5的工序中，通过向被壳体材料1包围的容器状的构件内的区域供给密封材料5，壳体材料1内的绝缘基板2、导体基板3P及半导体元件4的各构件被密封。具体地说，例如在形成于导体基板3P的贯通孔7中插入用于供给密封材料5的喷嘴NZ，从该喷嘴NZ的前端部喷出例如凝胶状的密封材料5。由于喷嘴NZ以前端部朝向下侧的方式插入，所以喷出的密封材料5例如从喷嘴NZ的下方在绝缘基板2的另一方的主表面2B上的区域流动，之后，如图中箭头所示的流F那样，向该导体基板3P的另一方的主表面3B上的区域侧流动。通过以上所示的注射成形工序，密封材料5以填充壳体材料1内的整个区域的方式配置。填充由壳体材料1及绝缘基板2形成的容器状的构件内的密封材料5通过其固化而作为固形构件配置。
接着，参照图7及图8，对本实施方式的作用效果及更优选的结构进行说明。
本实施方式的半导体装置101的壳体材料1以避开与绝缘基板2、导体基板3P及半导体元件4等在俯视观察时重叠的区域的方式包围绝缘基板2、导体基板3P及半导体元件4等。即，壳体材料1不覆盖半导体元件4等的上侧的区域。因此，即使在制造半导体装置时的树脂注入工序(参照图6)中被填充的密封材料5内残留有微小的气泡，也能够从壳体材料1的另一方的主表面1B的矩形的开口部朝向壳体材料1的上方高效率地排出该气泡。此外，由于在导体基板3P的正上方不存在壳体材料1，并且也不存在绝缘层等，因此能够排除导体基板3P的正上方的区域的配置构件因密封材料5内的残留气泡而受到损伤的可能性。
另外，在本实施方式的半导体装置101中，形成于导体基板3P的贯通孔7配置在与绝缘基板2的由金属图案2P形成的槽2G在俯视观察时重叠的位置。因此，在使用插入到贯通孔7的喷嘴NZ向壳体材料1内喷出密封材料5时，从喷嘴NZ的前端伸出的密封材料5立即到达槽2G内。因此，通过继续这样注入密封材料5，密封材料5一边在槽2G内沿着其延伸方向即以沿着金属图案2P的配置的方式流通，一边填充到壳体材料1内。因此，能够减少如图7所示的与金属图案2P邻接的区域中的密封材料5的未填充部61，能够提供可靠性更高的半导体装置101。
如图2及图3所示，槽2G在一对相邻的金属图案2P之间，以在俯视观察时呈直线状延伸的方式形成。因此，到达了槽2G内的密封材料5能够一边在槽2G内以沿着金属图案2P的配置的方式顺畅地流通，一边填充到壳体材料1内。
另外，贯通孔7配置在将被壳体材料1包围的区域的长边三等分时的中央，且配置在将被壳体材料1包围的区域的短边三等分时的中央。因此，能够缩小从此处到壳体材料1内的各内角部的距离的偏差。因此，从贯通孔7喷出的密封材料5以将此处作为中心放射的方式流动，所以能够包括半导体装置101的俯视观察时的角部，在半导体装置101的整体无间隙地填充密封材料5。假设贯通孔7配置在俯视观察时的壳体材料1内的内角部的情况下，从该内角部到其他内角部的距离之差变大，有时密封材料5难以遍布到离该内角部非常远的内角部。但是，通过将贯通孔7配置在中央，能够排除这样的担忧。
参照图8，除此之外，在本实施方式的半导体装置101中，用于插入喷嘴NZ来供给密封材料5的贯通孔7的俯视观察时的最大宽度R优选为1mm以上且10mm以下。在此，在贯通孔7的平面形状为圆形的情况下，最大宽度为其直径，在为椭圆形的情况下，最大宽度为该椭圆形的长轴方向的最大宽度。假设如果贯通孔7的上述最大宽度小于1mm，则喷嘴NZ的截面积也小，可能产生从喷嘴NZ喷出的密封材料5的喷出速度变慢的不良情况。另外，假设贯通孔7的上述最大宽度超过10mm，则密封材料5有可能从贯通孔7不必要地漏出。因此，贯通孔7的尺寸优选为上述范围。另外，贯通孔7的俯视观察时的最大宽度在上述范围中特别优选为2mm以上且5mm以下。
另外，在本实施方式中，从设置于导体基板3P的贯通孔7注入密封材料5。由此，该密封材料5能够流动的空间被限定在被夹在导体基板3P和绝缘基板2之间的区域(配置有半导体元件4的区域及与其邻接的区域等)即狭小部9。即，供给到壳体材料1内的密封材料5以优先在狭小部9中流通的方式扩展。因此，密封材料5能够优先填充狭小部9。从提高密封材料5向狭小部9的填充性的观点出发，狭小部9的图8的上下方向的高度、即导体基板3P和绝缘基板2(金属图案2P)的最小间隔即图8的上下方向的距离d1优选为0.2mm以上且3mm以下。假设上述距离d1小于0.2mm，则密封材料5的填充性降低，若上述距离d1大于3mm，则半导体元件4等的安装变得困难。
由于在狭小部9配置半导体元件4，因此狭小部9是对半导体装置101整体的可靠性有很大影响的部分。因此，通过对狭小部9无间隙地整体填充密封材料5，能够进一步提高半导体装置101整体的可靠性。
在半导体装置101中，壳体材料1的上部成为具有开口部的开放系统，且在导体基板3P的端面3E与壳体材料1的内壁面1C之间设置有开口部10。在密封材料5等的树脂密封工序中，在狭小部9全部被密封材料5填充后，如图6中箭头F所示，密封材料5向上方迂回，密封材料5通过开口部10流动。再之后，密封材料5从开口部10如图6中箭头F所示向上方迂回，能够将密封材料5填充到导体基板3P的上方。
在此，上述开口部10的尺寸，即导体基板3P的端面3E与壳体材料1的内壁面1C之间的、例如沿绝缘层2D的主表面的方向即图8的左右方向的距离d2，优选为0.25mm以上且3mm以下。假设上述距离d2小于0.25mm，则在各构件的组装时(参照图5)不能吸收尺寸误差。另外，如果上述距离d2大于3mm，则与狭小部9的填充相比，优先树脂向开口部10流动，而难以向狭小部9供给密封材料5，因此难以无间隙地由密封材料5填充壳体材料1内的整个区域。因此，如果将距离d2设为上述数值范围内，则通过对狭小部9无间隙地整体填充密封材料5，能够进一步提高半导体装置101整体的可靠性。
实施方式2.
参照图9，本实施方式的半导体装置201基本上具有与实施方式1的半导体装置101相同的结构，因此对相同的构成要素标注相同的附图标记，不重复其说明。但是，在半导体装置201中，连接在半导体元件4的上方的导体基板3P1与其他构件一起构成作为第二绝缘基板的绝缘基板3。半导体装置201在这一点与实施方式1的半导体装置101在结构上不同，在所述实施方式1的半导体装置101中，连接在半导体元件4的上方的导体基板3P与其他构件独立，以其单体构成引线框架等金属导体构件。
具体地说，绝缘基板3配置为与绝缘基板2相互隔开间隔，在其正上方俯视重叠。绝缘基板3具有绝缘层3C、形成在绝缘层3C的图9中的下侧的主表面上的导体基板3P1、以及形成在绝缘层3C的图9中的上侧的主表面上的导体基板3P2。在此，将图9的绝缘基板3的最下部相连而成的面作为一方的主表面3A，将最上部相连而成的面作为另一方的主表面3B。因此，另一方的主表面3B在形成有导体基板3P2的区域中为导体基板3P2的最上面，在未形成导体基板3P2的区域中为绝缘层3C的最上面。另外，关于图9中的导体基板3P2的形状及数量等的配置形态进行了简化表示，实际上，也可以与图9所示的形态不同。
导体基板3P1及导体基板3P2与绝缘层3C接合并与其成为一体，但其材质、厚度等特性基本上与实施方式1中独立配置的作为引线框架的导体基板3P相同，因此在此不重复其说明。
在本实施方式中，半导体元件4的一方的主表面4A和金属图案2P的最上面(绝缘基板2的另一方的主表面2B)通过第一接合材料6A接合，并且绝缘基板3(导体基板3P1)的一方的主表面3A和半导体元件4的另一方的主表面4B通过第二接合材料6B接合。另外，导体基板3P2和电极端子8通过第三接合材料6C接合。
在该半导体元件4和导体基板3P1的连接中，为了指定第二接合材料6B的连接范围，可以仅在导体基板3P1的下侧的主表面(一方的主表面3A)的部分区域设置抗蚀剂。另外，该抗蚀剂不仅在导体基板3P1的下侧的主表面上设置，也可以是仅在绝缘层3C的主表面及导体基板3P2的上侧的主表面(另一方的主表面3B)的一部分区域设置。
绝缘层3C是与其他构件同样地具有矩形的平面形状的平板构件。绝缘层3C基本上由与绝缘基板2的绝缘层2D相同的材质形成，因此在此不重复其说明。但是，绝缘层3C也可以是在重叠玻璃纤维制的织物后浸渍环氧树脂而成的玻璃环氧基板。
在本实施方式中，绝缘基板2与导体基板的最小间隔为0.2mm以上且3mm以下。即，在本实施方式中，多个导体基板3P1、3P2中最接近绝缘基板2的导体基板是导体基板3P1。因此，绝缘基板2和导体基板3P1的最小间隔优选为0.2mm以上且3mm以下。
另外，在本实施方式中，导体基板3P1(或导体基板3P2)的端面3E与壳体材料1的内壁面1C之间的、例如沿着绝缘层2D的主表面的方向即图8的左右方向的距离优选为0.25mm以上且3mm以下。
接着，对本实施方式的作用效果进行说明。本实施方式的作用效果基本上与实施方式1的作用效果相同，因此不重复该相同部分的说明，以下进行补充说明。
本实施方式的半导体装置201是对连接在实施方式1的半导体装置101的半导体元件4的上方的导体基板3P在图9的上下方向上追加了立体的配线构造的装置。即，图9的半导体装置201中的绝缘基板3是一般被称为PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)的基板，承担半导体装置201的电路配线的作用。另外，在绝缘基板3中，由于以夹着绝缘层3C的方式在其上下配置导体基板3P1、3P2，所以通过适当变更导体基板3P1、3P2的布局，能够形成更广泛的数量的配线图案。而且，由于绝缘基板3具有多个导体基板3P1、3P2，所以能够使它们中的一部分例如与半导体元件4所包括的晶体管的集电极连接，使另一部分例如与相同晶体管的发射极连接。可以配置为使与集电极连接的导体基板3P1、3P2和与发射极连接的导体基板3P1、3P2相互接近，同时大致平行。由此，能够使从与晶体管的集电极连接的电路面产生的磁场和从与晶体管的发射极连接的电路面产生的磁场抵消。因此，能够进一步提高通过大电流的半导体装置201的可靠性。
实施方式3.
本实施方式是将上述的实施方式1～2的半导体装置应用于电力转换装置的方式。本发明不限定于特定的电力转换装置，以下，作为实施方式3，对将本发明应用于三相逆变器的情况进行说明。
图10是表示应用了本实施方式的电力转换装置的电力转换系统的结构的框图。图10所示的电力转换系统由电源1000、电力转换装置2000、负载3000构成。电源1000是直流电源，向电力转换装置2000供给直流电力。电源1000可以由各种电源构成，例如，能够由直流系统、太阳能电池、蓄电池构成，也可以由与交流系统连接的整流电路或AC/DC转换器构成。另外，电源1000也可以由将从直流系统输出的直流电力转换为规定的电力的DC/DC转换器构成。
电力转换装置2000是连接在电源1000与负载3000之间的三相的逆变器，将从电源1000供给的直流电力转换为交流电力，并向负载3000供给交流电力。电力转换装置2000如图10所示，具备将输入的直流电力转换为交流电力并输出的主转换电路2010、和将控制主转换电路2010的控制信号输出到主转换电路2010的控制电路2030。
负载3000是由从电力转换装置2000供给的交流电力驱动的三相的电动机。另外，负载3000不限于特定的用途，是搭载于各种电气设备的电动机，例如，用作面向混合动力汽车、电动汽车、铁道车辆、电梯或者空调设备的电动机。
以下，对电力转换装置2000的详细情况进行说明。主转换电路2010具备开关元件和回流二极管(未图示)，通过开关元件进行开关，将从电源1000供给的直流电力转换为交流电力，并供给到负载3000。主转换电路2010的具体的电路结构具有各种结构，但本实施方式的主转换电路2010是二电平的三相全桥电路，能够由六个开关元件和与各个开关元件反向并联的六个回流二极管构成。主转换电路2010的各开关元件以及各回流二极管中的至少一个由与上述的实施方式1～2中的任一个的半导体装置101、201、202、301相当的半导体模块2020构成。六个开关元件按每两个开关元件串联连接而构成上下臂，各上下臂构成全桥电路的各相(U相、V相、W相)。而且，各上下臂的输出端子、即主转换电路2010的三个输出端子与负载3000连接。
另外，主转换电路2010具备驱动上述各开关元件以及各回流二极管中的至少一个(以下，记作“(各)开关元件”)的驱动电路(未图示)。然而，驱动电路可以内置于半导体模块2020，也可以是设置与半导体模块2020分开的驱动电路的结构。驱动电路生成驱动主转换电路2010的开关元件的驱动信号，并且将驱动信号供给到主转换电路2010的开关元件的控制电极。具体地说，按照来自后述的控制电路2030的控制信号，将使开关元件成为接通状态的驱动信号和使开关元件成为断开状态的驱动信号输出到各开关元件的控制电极。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号成为开关元件的阈值电压以上的电压信号(接通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号成为开关元件的阈值电压以下的电压信号(断开信号)。
控制电路2030控制主转换电路2010的开关元件，以便向负载3000供给期望的电力。具体地说，基于应该向负载3000供给的电力，计算主转换电路2010的各开关元件应该成为接通状态的时间(接通时间)。例如，能够通过PWM控制来控制主转换电路2010，PWM控制根据应该输出的电压来调制开关元件的接通时间。然后，向主转换电路2010具备的驱动电路输出控制指令(控制信号)，使得在各时间点向应该成为接通状态的开关元件输出接通信号，向应该成为断开状态的开关元件输出断开信号。驱动电路按照该控制信号，向各开关元件的控制电极输出接通信号或断开信号作为驱动信号。
在本实施方式的电力转换装置中，作为主转换电路2010的开关元件和回流二极管应用实施方式1～2的功率模块，因此能够实现提高绝缘基板2与绝缘基板3或者导体基板3P之间的区域的密封材料5的填充性等效果。
在本实施方式中，说明了将本发明应用于二电平的三相逆变器的例子，但本发明不限于此，能够应用于各种电力转换装置。在本实施方式中，设为二电平的电力转换装置，但也可以是三电平或多电平的电力转换装置，在向单相负载供给电力的情况下，也可以将本发明应用于单相的逆变器。另外，在向直流负载等供给电力的情况下，也可以将本发明应用于DC/DC转换器或AC/DC转换器。
另外，应用了本发明的电力转换装置不限定于上述负载为电动机的情况，例如，也能够用作放电加工机、激光加工机、或感应加热烹调器、非接触器供电系统的电源装置，还可以用作太阳能发电系统、蓄电系统等的功率调节器。
也可以将以上所述的各实施方式(所包括的各例)中记载的特征在技术上不矛盾的范围内适当地组合来应用。
应该认为本次公开的实施方式在所有方面都是例示而不是限制性的。本发明的范围不是由上述的说明而是由权利要求书表示，包括与权利要求书等同的意思以及范围内的所有变更。
附图标记的说明
1壳体材料；1A、2A、3A、4A一方的主表面；1B、2B、3B、4B另一方的主表面；1C内壁面；1D内底面；1F载置部；2绝缘基板；2C散热金属板；2D、3C绝缘层；2G槽；2P金属图案；3E端面；3P、3P1、3P2导体基板；4半导体元件；5密封材料；6A第一接合材料；6B第二接合材料；6C第三接合材料；7贯通孔；8电极端子；8A铅垂延伸部分；8B水平延伸部分；8C弯曲部；9狭小部；10开口部；61未填充部；101、201半导体装置；1000电源；2000电力转换装置；2010主转换电路；2030控制电路；3000负载。

Claims (9)

1.一种半导体装置，其中，具备：
绝缘基板，其包括绝缘层；
半导体元件，其连接在所述绝缘基板的上方；
导体基板，其连接在所述半导体元件的上方；以及
壳体材料，其以避开与所述绝缘基板、所述半导体元件以及所述导体基板在俯视观察时重叠的区域的方式包围所述绝缘基板、所述半导体元件以及所述导体基板，
在所述绝缘层的主表面相互隔开间隔地配置有多个金属图案，
在所述多个金属图案中的相邻的一对所述金属图案之间形成有槽，
在所述导体基板，在与由一对所述金属图案形成的所述槽在俯视观察时重叠的位置形成有一个贯通孔，
所述壳体材料具有矩形的平面形状，该矩形具有长边和短边，
所述一个贯通孔形成在配置于将被所述壳体材料包围的区域的所述长边三等分时的中央、且配置于将所述短边三等分时的中央的区域内，
在被所述壳体材料包围的区域，仅通过该一个贯通孔填充密封材料。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
在所述绝缘基板，所述绝缘层与金属板成为一体地接合。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，
所述槽以在相邻的一对所述金属图案之间在俯视观察时呈直线状延伸的方式形成。
4.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，
所述贯通孔在俯视观察时最大宽度为1mm以上且10mm以下。
5.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，
所述绝缘基板与所述导体基板的最小间隔为0.2mm以上且3mm以下。
6.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，
所述导体基板的端面与所述壳体材料的、在沿着所述主表面的方向上的间隔为0.25mm以上且3mm以下。
7.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，
所述密封材料是环氧树脂或有机硅树脂。
8.一种电力转换装置，其中，具备：
主转换电路，其具有权利要求1～7中任一项所述的电力用半导体装置，对输入的电力进行转换并输出；以及
控制电路，其向所述主转换电路输出控制所述主转换电路的控制信号。
9.一种半导体装置的制造方法，其中，具备：
在包括绝缘层在内的绝缘基板的上方，以夹着半导体元件的方式接合导体基板的工序；
将所述绝缘基板、所述半导体元件以及所述导体基板以被壳体材料包围的方式设置的工序；以及
通过向被所述壳体材料包围的区域供给密封材料来密封所述半导体元件的工序，
所述壳体材料以避开与所述绝缘基板、所述半导体元件以及所述导体基板在俯视观察时重叠的区域的方式包围所述绝缘基板、所述半导体元件以及所述导体基板，
在所述绝缘层的主表面相互隔开间隔地形成多个金属图案，
在所述多个金属图案中的相邻的一对所述金属图案之间形成槽，
在所述导体基板，在与由一对所述金属图案形成的所述槽在俯视观察时重叠的位置形成一个贯通孔，
所述壳体材料具有矩形的平面形状，该矩形具有长边和短边，
所述一个贯通孔形成在配置于将被所述壳体材料包围的区域的所述长边三等分时的中央、且配置于将所述短边三等分时的中央的区域内，
在被所述壳体材料包围的区域，仅通过该一个贯通孔填充密封材料。
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