CN111052584B - 功率半导体装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于抑制功率半导体装置的散热性能的降低并提高生产率。本发明的功率半导体装置的制造方法涉及的功率半导体装置具备：导电构件，其具有第1表面以及设置在该第1表面的相反侧的第2表面；以及功率半导体元件，其经由接合材料与所述导电构件连接，该功率半导体装置的制造方法包括：第1工序，以如下方式冲压该导体构件：按压所述第1表面的一部分并保留与该第1表面齐平的部分而形成凹部，在所述第2表面形成凸部；第2工序，将所述功率半导体元件配置在所述凸部的顶面，且配置成与所述第1表面的所述凹部以及未形成该凹部的部分相对，并经由所述接合材料连接该凸部与所述功率半导体元件；以及第3工序，所述至少在所述凹部中填充密封材料。

Description

功率半导体装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种功率半导体装置及其制造方法，特别涉及一种与混合动力汽车、电动汽车相关的功率半导体装置及其制造方法。
背景技术
使用了功率半导体元件的功率半导体装置在大功率化的倾向不断发展的同时，还要求短期间的大量生产。特别是在混合动力汽车、电动汽车中使用的功率半导体装置，大功率化在不断发展，并且由于其功率损耗引起的发热而要求高散热性。另外，要求以低成本大量生产模块化的功率半导体装置。
专利文献1的功率半导体装置具有导体(引线框)，该导体设置有由拉拔材料(异形条)形成的凸部，该导体的凸部经由导电性接合材料与功率半导体元件连接。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利特开2012-74648号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明的课题在于，抑制散热性能的降低并提高生产率。
用于解决问题的技术手段
本发明的功率半导体装置的制造方法涉及的功率半导体装置具备：导体部，其具有第1表面和设置在该第1表面的相反侧的第2表面；以及功率半导体元件，其经由接合材料与所述导体部连接，该功率半导体装置的制造方法包括：第1工序，以如下方式冲压该导体部:按压所述第1表面的一部分并保留与该第1表面齐平的部分而形成凹部，在所述第2表面形成凸部；第2工序，将所述功率半导体元件配置在所述凸部的顶面，且配置成与所述第1表面的所述凹部及未形成该凹部的部分相对，并经由所述接合材料连接该凸部与所述功率半导体元件；以及第3工序，至少在所述凹部中填充密封材料。
发明的效果
根据本发明，能够抑制散热性能的降低并提高生产率。
附图说明
图1本实施方式的功率半导体装置的展开立体图。
图2是除去了密封树脂122A的电路体150的展开立体图。
图3是从通过图2的AA的平面的箭头方向观察到的第3导体部102的截面图。
图4(a)的上图是凸部117形成前的第3导体部102的主视图，下图是从通过DD的平面的箭头方向观察到的第3导体部102的截面图。
图4(b)是将凸部117形成前的第3导体部102配置在冲压机中的状态的截面图。
图4(c)是将第1冲压工序中的第3导体部102配置在冲压机中的状态的截面图。
图4(d)是即将进行第2冲压工序之前的第3导体部102的截面图。
图4(e)的上图是凸部117形成后的第3导体部102的主视图，下图是从通过FF的平面的箭头方向观察到的第3导体部102的截面图。
图4(f)是表示图4(e)所示的第1中间导体部110的形成工序的第1阶段的截面图。
图4(g)是表示图4(e)所示的第1中间导体部110的形成工序的第2阶段的截面图。
图5(a)是在电路体150上包覆成型密封树脂122A后的整体立体图。
图5(b)是将密封树脂122A的一部分磨削后的电路体150的整体立体图。
图6是在连接有散热片201及绝缘构件200的电路体150中，从通过图5(b)的GG的平面的箭头方向观察到的截面图。
图7是从通过图2的BB的平面的箭头方向观察到的电路体150的截面图。
图8是图4(c)的第1凹部120、第2凹部121的周边的截面照片。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的功率半导体装置的实施方式进行说明。另外，在各图中，对于相同的要素标注相同的符号，并省略重复的说明。本发明不限于以下的实施方式，在本发明的技术概念中，各种变形例、应用例也包含在其范围内。
图1是本实施方式的功率半导体装置的展开立体图。图2是除去了密封树脂122A的电路体150的展开立体图。
功率半导体装置由电路体150、夹着电路体150的绝缘构件200、收纳夹着电路体150的绝缘构件200的模块壳体202构成。
第3导体部102由密封树脂122A密封。在第3导体部102的一部分中，与功率半导体元件及二极管连接的表面的相反面露出。
第4导体部103由密封树脂122A密封。在第4导体部103的一部分中，与功率半导体元件及二极管连接的表面的相反面露出。
另外，密封树脂122A密封第1正极端子104、第2正极端子105、第1负极端子106、第2负极端子107、交流端子108、上臂用信号连接端子109U和下臂用信号连接端子109L的各自的一部分。
密封树脂122B密封图2所示的第3导体部102和第4导体部103的凹陷的部分。密封树脂122B的露出面与露出的第3导体部102和露出的第4导体部103齐平。
绝缘构件200以覆盖露出的第1导体部100、第2导体部101、第3导体部102和第4导体部103的方式配置。另外，绝缘构件200与模块壳体202的内壁接触，被夹持在模块壳体202和电路体150之间。
模块壳体202是配置在制冷剂中的冷却容器，设有散热片201。散热片201以矩阵状排列而形成。模块壳体202具有有效地传递在功率半导体元件中产生的发热的作用，因此使用铜、铝等热传导率大、电阻小的材料。
如图2所示，在第1导体部100中，第1功率半导体元件112的集电极与第1二极管114的阴极经由导电性接合材料116接合。
在第2导体部101中，第2功率半导体元件113的集电极与第2二极管115的阴极通过导电性接合材料116接合。
在第3导体部102中，第1功率半导体元件112的发射极与第2二极管114的阳极通过导电性接合材料116接合。
在第4导体部103中，第2功率半导体元件113的发射极与第2二极管115的阳极通过导电性接合材料116接合。
第1正极端子104和第2正极端子105与第1导体部100连接。第1负极端子106经由中继导体部111与第4导体部103连接。第2负极端子107经由中继导体部111与第4导体部103连接。
交流端子108设置在第2功率半导体元件113的附近位置，与第2导体部101连接。交流端子108是逆变电路的中点部分(中间电极)的端子。
上臂用信号连接端子109U经由铝(Al)或金(Au)的导线(未图示)与第1功率半导体元件112的信号电极连接。下臂用信号连接端子109L经由铝(Al)或金(Au)的导线(未图示)与第2功率半导体元件113的信号电极连接。
第1中间导体部110从第3导体部102延伸，经由导电性接合材料116与第2导体部101连接。
中继导体部111从第4导体部103延伸，通过导电性接合材料116与第1负极端子106和第2负极端子107连接。
第1功率半导体元件112是在一方的表面上具有集电极、在另一方的表面上具有发射极以及栅极的半导体元件。第2功率半导体元件113是在一方的表面上具有集电极、在另一方的表面上具有发射极以及栅极的半导体元件。
第1二极管114的阳极与第1导体部100连接，配置于远离正极端子及负极端子的位置。第1二极管114与所述第1功率半导体元件112并联地电连接。
第2二极管115的阴极与第2导体部101连接，配置于远离正极端子及负极端子的位置。第2二极管115与所述第2功率半导体元件113并联地电连接。
图3是从通过图2的AA的平面的箭头方向观察到的第3导体部102的截面图。
凸部117经由导电性接合材料116与第1功率半导体元件112、第1二极管114连接。凸部117通过冲压第3导体部102的一部分而成型。
第1凹部120和第2凹部121通过冲压第3导体部102的一部分而成型。此时，第1凹部120和第2凹部121以保留从凹部的底面突出的突起部119的方式设置。突起部119具有能够将在第1功率半导体元件112、第1二极管114中产生的热有效地向散热片201散热的作用。
图4(a)的上图是凸部117形成前的第3导体部102的主视图，下图是从通过DD的平面的箭头方向观察到的第3导体部102的截面图。成型前的第3导体部102由一张板构成，一体地设置第1中间导体部110。
图4(b)是将凸部117形成前的第3导体部102配置在冲压机中的状态的截面图。
第1冲压夹具300A与作为冲压部发挥作用的第1冲压部300B、第2冲压部300C、第3冲压部300D和第4冲压部300E的各自的上表面接触。
第1固定夹具300F形成用于供第1冲压部300B和第2冲压部300C贯通的贯通孔，与第3冲压部300D和第4冲压部300E的下表面接触，与第3导体部102的上表面接触。由此，使得被冲压的表面侧的第3导体部102等的上表面不会流动。
第2固定夹具300G固定第3导体部102等的侧面，并且固定不形成凸部117的表面。第2固定夹具300G作为第3导体部102等流动而能够使凸部117成型的承接夹具发挥作用。
图4(c)是将第1冲压工序中的第3导体部102配置在冲压机中的状态的截面图。
隆起部118以与突起部119相对的方式形成。在塑性流动时，隆起部118有可能在凸部117的顶面产生凹陷。当在凸部117的顶面产生凹陷时，导电性接合材料、密封树脂会进入该凹陷中，散热性能会降低。
因此，通过生成隆起部118，能够通过抑制塑性流动不足来抑制散热性能的降低。
图4(d)是即将进行第2冲压工序之前的第3导体部102的截面图。
第5冲压部301对隆起部118进行冲压而成型凸部117的顶面。第3固定夹具302是第5冲压部301的冲压的承受面，与搭载有半导体元件及二极管的表面的相反侧的第3导体部102等的表面及突起部119接触。
图4(e)的上图是凸部117形成后的第3导体部102的主视图，下图是从通过FF的平面的箭头方向观察到的第3导体部102的截面图。图7是从通过图2的BB的平面的箭头方向观察到的电路体150的截面图。
第3导体部102具有比第2表面132突出且比第1表面131凹陷的第1区域141、和比第1区域141的第1凹部120的底面和第2凹部121的底面突出的第2区域142。
从功率半导体元件112的电极面的直角方向观察时，功率半导体元件112与第1区域141及第2区域142双方重叠。进一步地，功率半导体元件112经由焊料等导电性接合材料116与第1区域141及第2区域142连接。
第1中间导体部110中设有第1区域110A、第2区域110B和第3区域110C。第1区域110A与第3导体部102的散热面齐平地形成，作为散热面发挥作用。由此，能够扩大散热面的面积，提高散热性。
另外，为了与第2导体部101的连接中的导电性接合材料116的接合性的稳定化，第3区域110C以成为能够形成整周倒角的面积的方式形成。
第2区域110B的面积比第1区域110A和第3区域110C各自的面积小。例如，冲压板厚的一半以上会使冲压后的精度、强度降低。另外，电流流过的截面积变小，主电路电感也增加。
因此，为了抑制冲压后的精度下降、抑制主电路电感的增加，以形成第1区域110A、第2区域110B和第3区域110C的方式进行多段冲压，来成型第1中间导体部110。
如图7所示，第3导体部102的第1中间导体部110经由导电性接合材料116与第2导体部101连接。中继导体部111也与第1中间导体部110同样，以在中继导体部111上设置第1区域、第2区域和第3区域的方式构成。
图4(f)是表示图4(e)所示的第1中间导体部110的形成工序的第1阶段的截面图。
第6冲压部303A是用于成型第1中间导体部110的第2区域110B的冲压部。第1成型夹具304A是用于成型第2区域110B的承接夹具。通过第1阶段的工序，形成第1中间导体部110的中间构件110D。
图4(g)是表示图4(e)所示的第1中间导体部110的形成工序的第2阶段的截面图。
第7冲压部303B是用于成型第1中间导体部110的第3区域110C的冲压部。第2成型夹具304B是用于成型第3区域110C的承接夹具。
图5(a)是将密封树脂122A包覆成型后的电路体150的整体立体图。
密封树脂122A将图2所示的第3导体部102和第4导体部103以包覆成型的方式进行密封。即，在图4(c)所示的第1凹部120及第2凹部121中填充有密封树脂122A。
另外，密封树脂122A密封第1正极端子104、第2正极端子105、第2负极端子106、第2负极端子107、交流端子108、以及上臂用信号连接端子109U和下臂用信号连接端子109L的一部分。
图5(b)是将密封树脂122A的一部分磨削后的电路体150的整体立体图。
密封树脂122A、第3导体部102和第4导体部103各自的一部分被磨削。由此，露出第3导体部102、第4导体部103以及密封树脂122B。另外，密封树脂122B密封第3导体部102和第4导体部103的凹陷部分，露出的第3导体部102与露出的第4导体部103齐平。
图1所示的绝缘构件200以覆盖露出的第1导体部100、第2导体部101、第3导体部102和第4导体部103的方式配置。第1凹部120和第2凹部121经由密封树脂122B与绝缘构件200连接。
图6是在连接有散热片201及绝缘构件200的电路体150中，从通过图5(b)的GG的平面的箭头方向观察到的截面图。
散热方向400表示发热的功率半导体元件113等的散热的流向。
通过如图4(d)所示对隆起部118进行冲压而形成高密度部位401，其密度比第4导体部103的其他部分高。高密度部位401的热阻比第4导体部103的其他部分的热阻小。
高密度部位401形成在与突起部119相对的位置上。由此，如散热方向400那样，发热的功率半导体元件113等的热向相对的突起部119的散热量变大。
图8是图4(c)的第1凹部120和第2凹部121的周边的截面照片。
在通过图4(c)所示的本实施方式的冲压工序形成了第3导体部102的情况下，能够在施加较大冲压载荷的第1凹部120、第2凹部121的底面端部确认塑性流动性500。
符号说明
100…第1导体部、101…第2导体部、102…第3导体部、103…第4导体部、104…第1正极端子、105…第2正极端子、106…第1负极端子、107…第2负极端子、108…交流端子、109U…上臂用信号连接端子、109L…下臂用信号连接端子、110…第1中间导体部、110A…第1区域、110B…第2区域、110C…第3区域、110D…中间构件、111…中继导体部、112…第1功率半导体元件、113…第2功率半导体元件、114…第1二极管、115…第2二极管、116…导电性接合材料、117…凸部、118…隆起部、119…突起部、120…第1凹部、121…第2凹部、122B…密封树脂、131…第1表面、132…第2表面、141…第1区域、142…第2区域、150…电路体、200…绝缘构件、201…散热片、202…模块壳体、300A…第1冲压夹具、300B…第1冲压部、300C…第2冲压部、300D…第3冲压部、300E…第4冲压部、300F…第1固定夹具、300G…第2固定夹具、301…第5冲压部、302…第3固定夹具、303A…第6冲压部、303B…第7冲压部、304A…第1成型夹具、304B…第2成型夹具、400…散热方向、401…高密度部位、500…塑性流动性。

Claims (9)

1.一种功率半导体装置的制造方法，该功率半导体装置具备：导体部，其具有第1表面以及设置在该第1表面的相反侧的第2表面；以及功率半导体元件，其经由接合材料与所述导体部连接，该功率半导体装置的制造方法的特征在于，包括：
第1工序，以如下方式冲压该导体部：按压所述第1表面的一部分并保留与该第1表面齐平的部分而形成第1凹部、第2凹部以及位于第1凹部和第2凹部之间的突起部，在所述第2表面形成凸部；
第2工序，将所述功率半导体元件配置在所述凸部的顶面，且配置成与所述第1表面的第1凹部、第2凹部以及突起部相对，并经由所述接合材料连接该凸部与所述功率半导体元件；以及
第3工序，至少在所述第1凹部、第2凹部中填充密封材料，
所述第1工序包含在使所述导体部塑性流动后降低在所述凸部的顶面形成的隆起部的高度的工序。
2.根据权利要求1所述的功率半导体装置的制造方法，其特征在于，
通过冲压工序降低在所述凸部的顶面形成的所述隆起部的高度。
3.根据权利要求1或2所述的功率半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述第3工序使所述密封材料覆盖所述导体部的所述第1表面，并且以保留所述第1凹部、所述第2凹部内的所述密封材料的方式除去该密封材料。
4.根据权利要求1所述的功率半导体装置的制造方法，其特征在于，
在所述第1工序中，所述隆起部以与所述第1凹部和所述第2凹部之间的空间相对的方式形成。
5.根据权利要求1或2所述的功率半导体装置的制造方法，其特征在于，
在所述第1工序中，包含通过冲压加工形成从所述导体部的缘部延伸的端子的工序。
6.根据权利要求5所述的功率半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述导体部包括：第1导体部及第3导体部，它们夹着构成逆变电路的上臂电路的功率半导体元件；以及第2导体部及第4导体部，它们夹着构成该逆变电路的下臂电路的功率半导体元件，
所述第3导体部形成所述端子，
所述端子与所述第2导体部的一部分相对且与该第2导体部连接。
7.根据权利要求6所述的功率半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述端子形成非冲压面和冲压面，所述非冲压面与所述第2表面齐平地形成，所述冲压面的高度与该非冲压面不同且通过冲压形成，
所述非冲压面比所述冲压面大。
8.根据权利要求5所述的功率半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述端子形成传递流过所述功率半导体元件的电流的主端子。
9.一种功率半导体装置，其特征在于，具备：
导体部，其具有第1表面及设置在该第1表面的相反侧的第2表面；
焊材，其连接功率半导体元件和所述导体部；以及
密封材料，其密封所述导体部，
所述导体部具有比所述第2表面突出且比所述第1表面凹陷的第1区域、和比该第1区域的凹部的底面突出的第2区域，
从所述功率半导体元件的电极面的垂直方向观察时，所述功率半导体元件与所述第1区域及所述第2区域双方重叠，
所述功率半导体元件经由所述焊材与所述第1区域及所述第2区域连接，
所述密封材料的一部分被填充在所述第1区域的凹部中。
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