CN110603638B - 半导体装置及其制造方法、以及电力转换装置及移动体 - Google Patents

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Abstract

目的在于提供无需使用专用的固定机构以及固定部件就能够将盖和容器体固定的技术。半导体装置具备：容器体，其具有开口的空间；半导体元件，其配置于容器体的空间内；封装材料，其配置于容器体的空间内，覆盖半导体元件；以及盖，其将容器体的开口覆盖，在盖设置有凸出至空间内的凸部，仅通过在固化后的封装材料嵌入有凸部的至少前端部分，就将盖固定于容器体。

Description

半导体装置及其制造方法、以及电力转换装置及移动体
技术领域
本发明涉及半导体装置及其制造方法、以及电力转换装置及移动体。
背景技术
以往，就高可靠性的半导体装置而言，在向由外壳框体构成的容器体填充了封装树脂的状态下，通过专用的固定机构以及固定部件将盖与容器体固定。在例如专利文献1的技术中，沿盖的缘部在盖的下表面设置的凸部与容器体的开口缘部的内侧嵌合，由此，将盖与容器体固定。在例如专利文献2的技术中，盖的缘部与在容器体的开口缘部设置的凹部嵌合，由此，盖与容器体固定。就例如专利文献3的技术而言，通过粘接剂将盖与容器体固定。
专利文献1：日本特开平06-350024号公报
专利文献2：日本特开2015-41659号公报
专利文献3：日本特开2003-68979号公报
发明内容
但是，在现有技术中，需要用于设置专用的固定机构以及固定部件的空间，因此，限制了构造设计。其结果，存在以下问题，即，不能进行容器体的尺寸乃至半导体装置的小型化等。
另外，就通过专用的固定部件即粘接剂将盖固定于容器体的结构而言，需要粘接剂涂敷装置以及粘接剂，因此，在半导体装置的制造工时以及材料费方面有改善的余地。并且，至进行粘接剂的涂敷或者热固化等专用的工序为止，产生在生产线内停滞的时间，其结果存在如下问题，即，异物等有可能侵入容器体内乃至半导体装置内。
因此，本发明是鉴于上述问题而提出的，目的在于提供不使用专用的固定机构以及固定部件就能够将盖和容器体固定的技术。
本发明涉及的半导体装置具备：容器体，其具有开口的空间；半导体元件，其配置于所述容器体的所述空间内；封装材料，其配置于所述容器体的所述空间内，覆盖所述半导体元件；以及盖，其将所述容器体的所述开口覆盖，在所述盖设置有凸出至所述空间内的凸部，仅通过在固化后的所述封装材料嵌入有所述凸部的至少前端部分，就将所述盖固定于所述容器体。
发明的效果
根据本发明，仅通过在固化后的封装材料嵌入有凸部的至少前端部分，就将盖固定于容器体。因此，无需使用专用的固定机构以及固定部件就能够将盖固定于容器体。
本发明的目的、特征、方案以及优点通过下面的详细说明和附图变得更加明确。
附图说明
图1是表示实施方式1涉及的半导体装置的结构的剖面图。
图2是表示实施方式2涉及的半导体装置的一部分的结构的剖面图。
图3是表示实施方式3涉及的半导体装置的一部分的结构的剖面图。
图4是表示实施方式4涉及的半导体装置的结构的剖面图。
图5是表示实施方式5涉及的半导体装置的一部分的结构的剖面图。
图6是表示实施方式6涉及的半导体装置的一部分的结构的剖面图。
图7是表示实施方式7涉及的半导体装置的一部分的结构的斜视图。
图8是表示实施方式8涉及的半导体装置的一部分的结构的斜视图。
图9是表示实施方式9涉及的电力转换系统的结构的框图。
图10是表示实施方式10涉及的移动体的结构的框图。
具体实施方式
下面，一边参照附图一边说明实施方式。此外，附图是概略地示出的，在不同的附图分别示出的结构要素的大小和位置的相互关系不一定是准确地记载的，可以适当地变更。
＜实施方式1＞
图1是表示本发明的实施方式1涉及的高可靠性的半导体装置的结构的剖面图。图1的半导体装置具备容器体1、半导体元件即半导体芯片2、金属导线3、电极4、焊料5、7、绝缘基板6、盖8和封装材料9。此外，在图1及以后的图中，为了不使图变得复杂，不对封装材料9的整体进行图示，仅对封装材料9的上表面通过虚线进行图示。
容器体1具有在上侧开口的空间。在本实施方式1中，容器体1具备环状的外壳1a、和通过粘接剂与外壳1a的下部固定的散热板1b。外壳1a是容器体1的侧面，散热板1b是容器体1的底面。
半导体芯片2配置于容器体1的空间内。在本实施方式1中，半导体芯片2隔着绝缘基板6等与容器体1的下表面接合。半导体芯片2可以是例如IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)以及MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等半导体开关元件，也可以是SBD(Schottky Barrier Diode)等二极管。
另外，半导体芯片2例如可以包含Si(硅)，也可以包含宽带隙半导体。宽带隙半导体例如包含SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)以及金刚石。此外，半导体芯片2优选是由SiC构成的MOSFET或者由SiC构成的SBD。
半导体芯片2具有上部电极2a，多个上部电极2a通过金属导线3连接。
半导体芯片2以及电极4分别通过焊料5与绝缘基板6接合。电极4以竖立设置状设于绝缘基板6，穿过盖8的开口而引出至外部。绝缘基板6通过焊料7与散热板1b接合。
盖8将容器体1的开口覆盖。此外，在盖8和容器体1之间，具体是在盖8和外壳1a的上部之间，没有设置将盖8固定于容器体1的专用的固定机构和固定部件。此外，固定机构例如是嵌合机构等，固定部件例如是粘接剂等。
在盖8设置有凸出至容器体1的空间内的凸部即内壁部8a。该内壁部8a是沿容器体1的外壳1a与外壳1a分离地设置的。此外，在本实施方式1中，内壁部8a是通过与盖8一体成型而形成的，但是不限于此。
封装材料9具有绝缘性。封装材料9配置于容器体1的空间内，覆盖半导体芯片2而对半导体芯片2进行保护。在例如封装材料9被刚刚注入至容器体1的空间内之后等封装材料9是未固化状态的液态时，以内壁部8a的前端部分与封装材料9的上表面(液面)相比位于下侧的状态，使盖8载置于外壳1a的上部。然后，在该状态下使封装材料9固化。
在这样构成的本实施方式1中，仅通过在固化后的封装材料9嵌入有内壁部8a的至少前端部分，就将盖8固定于容器体1。即，封装材料9的固化被用于盖8和容器体1的固定。
这里，说明上述的结构要素的材质的一个例子。外壳1a、盖8以及内壁部8a的材质包含例如PPS(聚苯硫醚)、PBT(聚对苯二甲酸丁二酯)以及工程塑料等。工程塑料例如包含将PET(聚对苯二甲酸乙二酯)和PBT合成而得到的塑料等。此外，盖8以及内壁部8a的材质可以相同，也可以不同。
散热板1b的材质包含例如AlSiC等金属陶瓷复合材料以及Cu、Al等金属。将外壳1a和散热板1b固定的粘接剂包含例如硅酮类的材料以及环氧树脂类的材料等。封装材料9的材质包含例如硅凝胶以及环氧树脂等。
根据以上的本实施方式1涉及的半导体装置，仅通过在固化后的封装材料9嵌入有内壁部8a的至少前端部分，就将盖8固定于容器体1。根据这样的结构，无需使用专用的固定机构以及固定部件就能够将盖和容器体固定。其结果，能够期待半导体装置的小型化以及轻量化、材料费的降低化、由异物等的混入的抑制带来的高品质化、以及由工时削减带来的生产效率的提高化等。
此外，在半导体芯片2包含宽带隙半导体的情况下，设想的是具备该半导体芯片2的半导体装置在高温环境下使用。根据仅通过在固化后的封装材料9嵌入有内壁部8a的至少前端部分就将盖8固定于容器体1的本实施方式1的结构，不会产生不必要的热应力，或者能够使产生的热应力逸出。因此，在半导体芯片2包含宽带隙半导体的情况下，特别有效。
＜实施方式2＞
图2是表示本发明的实施方式2涉及的高可靠性的半导体装置的一部分的结构的剖面图。下面，对于在本实施方式2说明的结构要素中与上述的结构要素相同或者类似的结构要素，标注相同的参照标号，主要说明不同的结构要素。
在本实施方式2中，在盖8设置有多个梳齿部8b作为多个凸部，由盖8和多个梳齿部8b构成梳形状的部件。而且，在固化后的封装材料9嵌入有多个梳齿部8b的至少前端部分。根据这样的结构，能够提高多个梳齿部8b和封装材料9的附着力，因此，能够使盖8和容器体1之间的固定变得牢固。另外，与实施方式1的内壁部8a所使用的成型材料相比，能够减少多个梳齿部8b所使用的成型材料，因此，还能够期待半导体装置的成本的降低化。
＜实施方式3＞
图3是表示本发明的实施方式3涉及的高可靠性的半导体装置的一部分的结构的剖面图。下面，对于在本实施方式3说明的结构要素中与上述的结构要素相同或者类似的结构要素，标注相同的参照标号，主要说明不同的结构要素。
就本实施方式3而言，是在实施方式1所说明的内壁部8a的前端部分设置有钩部8c，内壁部8a的前端部分具有钩形状。而且，在固化后的封装材料9嵌入有钩部8c。根据这样的结构，由于由钩部8c带来的投锚效果，得到机械卡止力，因此，能够使盖8和容器体1之间的固定变得牢固。
＜实施方式4＞
图4是表示本发明的实施方式4涉及的高可靠性的半导体装置的结构的剖面图。下面，对于在本实施方式4说明的结构要素中与上述的结构要素相同或者类似的结构要素，标注相同的参照标号，主要说明不同的结构要素。
就本实施方式4而言，是在实施方式1所说明的内壁部8a的前端部分的侧部设置有开口部8d。而且，在开口部8d填充有封装材料9的一部分。根据这样的结构，通过使封装材料9的一部分填充以及固化于开口部8d而得到投锚效果，因此，能够使盖8和容器体1之间的固定变得牢固。此外，开口部8d可以是有底的孔，也可以是贯通孔。另外，开口部8d可以是圆孔，也可以是方孔，还可以是长圆孔。
＜实施方式5＞
图5是表示本发明的实施方式5涉及的高可靠性的半导体装置的一部分的结构的剖面图。下面，对于在本实施方式5说明的结构要素中与上述的结构要素相同或者类似的结构要素，标注相同的参照标号，主要说明不同的结构要素。
就本实施方式5而言，是在实施方式2所说明的多个梳齿部8b各自的前端部分的侧部设置有开口部8e。而且，封装材料9的一部分填充以及固化于开口部8e。根据这样的结构，通过使封装材料9的一部分填充以及固化于开口部8e而得到投锚效果。因此，在本实施方式5中，不仅能够与实施方式2同样地提高多个梳齿部8b和封装材料9的附着力，还得到由投锚效果带来的机械卡止力，因此，能够使盖8和容器体1之间的固定变得更牢固。
＜实施方式6＞
图6是表示本发明的实施方式6涉及的高可靠性的半导体装置的一部分的结构的剖面图。下面，对于在本实施方式6说明的结构要素中与上述的结构要素相同或者类似的结构要素，标注相同的参照标号，主要说明不同的结构要素。
就本实施方式6而言，是在实施方式2所说明的多个梳齿部8b各自的前端部分的前端设置有缩颈部8f，该前端具有缩颈形状。而且，在固化后的封装材料9嵌入有缩颈部8f。根据这样的结构，通过使封装材料9的一部分填充以及固化于缩颈部8f而得到投锚效果。因此，在本实施方式6中，不仅能够与实施方式2同样地提高多个梳齿部8b和封装材料9的附着力，还得到由投锚效果带来的机械卡止力，因此，能够使盖8和容器体1之间的固定变得更牢固。
＜实施方式7＞
图7是表示本发明的实施方式7涉及的高可靠性的半导体装置的一部分的结构的斜视图。此外，在图7示出与图1～图6的结构上下颠倒的结构。下面，对于在本实施方式7说明的结构要素中与上述的结构要素相同或者类似的结构要素，标注相同的参照标号，主要说明不同的结构要素。
在本实施方式7中，在盖8设置有多个圆柱形状的柱8g作为多个凸部。此外，这里说明了柱8g具有圆柱形状，但是不限于此，也可以具有例如圆锥形状。另外，这里，4个柱8g分别设置于四边形状的盖8的顶点侧，并且2个柱8g设置于盖8的中心侧。但是，柱8g的数量不限于上述数量，例如也可以是3个，还可以是除此以外的数量。另外，柱8g的位置不限于上述位置，也可以是所期望的位置。
在本实施方式7中，在固化后的封装材料9嵌入有多个柱8g的至少前端部分。根据这样的结构，能够在无法设置内壁部8a的部位设置比内壁部8a尺寸小的柱8g。因此，在不能设置内壁部8a的情况下，本实施方式7的结构有效。
＜实施方式8＞
图8是表示本发明的实施方式8涉及的高可靠性的半导体装置的一部分的结构的斜视图。此外，在图8示出与图1～图6的结构上下颠倒的结构。下面，对于在本实施方式8说明的结构要素中与上述的结构要素相同或者类似的结构要素，标注相同的参照标号，主要说明不同的结构要素。
在本实施方式8中，通过对金属进行嵌件成型，形成与实施方式7相同的柱8g。而且，通过该嵌件成型，在本实施方式8涉及的柱8g的前端部分的前端设置有缩颈部8h。即，柱8g的前端部分的前端具有缩颈形状。而且，在固化后的封装材料9嵌入有缩颈部8h。根据这样的结构，通过对金属进行嵌件成型，得到由投锚效果带来的机械卡止力等，因此，能够使盖8和容器体1之间的固定变得牢固。
＜实施方式9＞
本发明的实施方式9涉及的电力转换装置具备主转换电路，该主转换电路具有实施方式1～8的任意者涉及的半导体装置。上面说明的半导体装置不限定于特定的电力转换装置，下面，作为本实施方式9，说明在三相的逆变器应用了实施方式1～8的任意者涉及的半导体装置的情况。
图9是表示电力转换系统的结构的框图，在该电力转换系统中应用了本实施方式9涉及的电力转换装置。
图9所示的电力转换系统由电源100、电力转换装置200、负载300构成。电源100是直流电源，向电力转换装置200供给直流电力。电源100能够由各种电源构成，例如，可以由直流系统、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、AC/DC转换器构成。另外，电源100也可以由将从直流系统输出的直流电力转换为规定电力的DC/DC转换器构成。
电力转换装置200是在电源100和负载300之间连接的三相的逆变器，将从电源100供给的直流电力转换为交流电力，向负载300供给交流电力。如图9所示，电力转换装置200具备：主转换电路201，其将直流电力转换为交流电力而输出；驱动电路202，其输出对主转换电路201的各开关元件进行驱动的驱动信号；以及控制电路203，其将对驱动电路202进行控制的控制信号输出至驱动电路202。
负载300是通过从电力转换装置200供给的交流电力进行驱动的三相的电动机。此外，负载300不限于特定的用途，用作在各种电气设备搭载的电动机，例如面向混合动力汽车、电动车、铁路车辆、电梯、或者空调设备的电动机。
下面，说明电力转换装置200的详情。主转换电路201具备开关元件和续流二极管(未图示)，通过开关元件的通断，将从电源100供给的直流电力转换为交流电力，供给至负载300。主转换电路201的具体电路结构存在各种结构，但是本实施方式9涉及的主转换电路201是2电平的三相全桥电路，该三相全桥电路能够由6个开关元件和与各个开关元件反向并联的6个续流二极管构成。在主转换电路201的各开关元件以及各续流二极管的至少任意1个应用上述的实施方式1～8的任意者涉及的半导体装置的半导体芯片2。6个开关元件两个两个地串联连接而构成上下桥臂，各上下桥臂构成全桥电路的各相(U相、V相、W相)。而且，各上下桥臂的输出端子、即主转换电路201的3个输出端子与负载300连接。
驱动电路202生成对主转换电路201的开关元件进行驱动的驱动信号，供给至主转换电路201的开关元件的控制电极。具体而言，驱动电路202按照来自后述的控制电路203的控制信号，将使开关元件成为导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至各开关元件的控制电极。在将开关元件维持为导通状态的情况下，驱动信号是大于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(导通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号是小于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(断开信号)。
控制电路203对主转换电路201的开关元件进行控制，以向负载300供给期望的电力。具体而言，控制电路203基于应向负载300供给的电力，计算主转换电路201的各开关元件应为导通状态的时间(导通时间)。例如，控制电路203能够通过与应输出的电压相应地对开关元件的导通时间进行调制的PWM(Pulse Width Modulation)控制而对主转换电路201进行控制。而且，控制电路203向驱动电路202输出控制指令(控制信号)，以使得在各时间点向应为导通状态的开关元件输出导通信号、向应为断开状态的开关元件输出断开信号。驱动电路202按照该控制信号，将导通信号或者断开信号作为驱动信号输出至各开关元件的控制电极。
就以上的本实施方式9涉及的电力转换装置而言，作为主转换电路201的开关元件以及续流二极管的至少任意一个，应用了实施方式1～8涉及的半导体装置的半导体芯片2，因此，能够实现可靠性的提高。
在以上说明的本实施方式9中，说明了在2电平的三相逆变器应用实施方式1～8的任意者涉及的半导体装置的半导体芯片2的例子，但是本实施方式9不限于此，能够应用于各种电力转换装置。在本实施方式9中，实施方式1～8的任意者涉及的半导体装置都是2电平的电力转换装置，但也可以是3电平、多电平的电力转换装置，在向单相负载供给电力的情况下，也可以在单相的逆变器应用上述半导体装置。另外，在向直流负载等供给电力的情况下，也能够在DC/DC转换器、AC/DC转换器应用上述半导体装置。
另外，本实施方式9涉及的电力转换装置不限定于上述负载是电动机的情况，也能够用作例如放电加工机、激光加工机、或者感应加热烹调器、非接触器供电系统的电源装置，还能够用作太阳能发电系统、蓄电系统等的功率调节器。
＜实施方式10＞
图10是表示本发明的实施方式10涉及的移动体的结构的图。在图10所示的移动体400搭载实施方式9涉及的电力转换装置200，移动体400能够使用来自电力转换装置200的输出进行移动。根据这样的结构，通过转换器的小型化以及轻量化能够实现移动体400的轻量化。其结果，能够期待移动体400的高效化以及高性能化。此外，这里，说明了移动体400是铁路车辆，但是不限于此，也可以是例如混合动力汽车、电动车、电梯等。
此外，本发明能够在其发明范围内对各实施方式自由地进行组合，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。
虽然对本发明详细地进行了说明，但是上述说明在所有方面都是例示，本发明并非限定于此。可以解释为在不脱离本发明的范围的情况下可以想到没有例示的无数的变形例。
标号的说明
1容器体，2半导体芯片，8盖，8a内壁部，8b梳齿部，8c钩部，8d、8e开口部，8f、8h缩颈部，8g柱，9封装材料，200电力转换装置，201主转换电路，202驱动电路，203控制电路，400移动体。

Claims (9)

1.一种半导体装置，其具备：
容器体，其具有开口的空间；
半导体元件，其配置于所述容器体的所述空间内；
封装材料，其配置于所述容器体的所述空间内，覆盖所述半导体元件；以及
盖，其将所述容器体的所述开口覆盖，
在所述盖设置有凸出至所述空间内的凸部，
仅通过在固化后的所述封装材料嵌入有所述凸部的至少前端部分，就将所述盖固定于所述容器体，
所述凸部的所述前端部分具有钩形状。
2.一种半导体装置，其具备：
容器体，其具有开口的空间；
半导体元件，其配置于所述容器体的所述空间内；
封装材料，其配置于所述容器体的所述空间内，覆盖所述半导体元件；以及
盖，其将所述容器体的所述开口覆盖，
在所述盖设置有凸出至所述空间内的凸部，
仅通过在固化后的所述封装材料嵌入有所述凸部的至少前端部分，就将所述盖固定于所述容器体，
在所述凸部的所述前端部分的侧部设置有开口部。
3.一种半导体装置，其具备：
容器体，其具有开口的空间；
半导体元件，其配置于所述容器体的所述空间内；
封装材料，其配置于所述容器体的所述空间内，覆盖所述半导体元件；以及
盖，其将所述容器体的所述开口覆盖，
在所述盖设置有凸出至所述空间内的凸部，
仅通过在固化后的所述封装材料嵌入有所述凸部的至少前端部分，就将所述盖固定于所述容器体，
所述凸部的所述前端部分的前端具有缩颈形状。
4.一种半导体装置，其具备：
容器体，其具有开口的空间；
半导体元件，其配置于所述容器体的所述空间内；
封装材料，其配置于所述容器体的所述空间内，覆盖所述半导体元件；以及
盖，其将所述容器体的所述开口覆盖，
在所述盖设置有凸出至所述空间内的凸部，
仅通过在固化后的所述封装材料嵌入有所述凸部的至少前端部分，就将所述盖固定于所述容器体，
所述凸部包含圆柱形状或者圆锥形状的柱。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其中，
多个所述凸部设置于所述盖。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其中，
所述半导体元件包含宽带隙半导体。
7.一种电力转换装置，其具备：
主转换电路，其具有权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，该主转换电路对被输入进来的电力进行转换而输出；
驱动电路，其将对所述半导体装置进行驱动的驱动信号输出至所述半导体装置；以及
控制电路，其将对所述驱动电路进行控制的控制信号输出至所述驱动电路。
8.一种移动体，其搭载了权利要求7所述的电力转换装置。
9.一种半导体装置的制造方法，其是权利要求4所述的半导体装置的制造方法，其中，
通过对金属进行嵌件成型而形成所述凸部。
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