CN115335987A - 半导体装置及半导体装置的制造方法 - Google Patents

半导体装置及半导体装置的制造方法 Download PDF

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Abstract

目的在于提供能够对在模塑树脂产生裂缝进行抑制，并且对湿气从外部侵入进行抑制的技术。半导体装置(100)具有：散热器(1)；半导体元件(6)，其设置于散热器(1)的上表面；绝缘片材(2)，其设置于散热器(1)的下表面；引线框(8、9)，它们经由焊料(10)接合于半导体元件(6)的上表面；以及模塑树脂(12)，其对引线框(8、9)的一端侧、半导体元件(6)、散热器(1)、及绝缘片材(2)进行封装。从模塑树脂(12)的上表面直至引线框(8)的与半导体元件(6)的接合面为止形成孔部(14)，在孔部(14)填充有杨氏模量比模塑树脂(12)低的低杨氏模量树脂(13)。

Description

半导体装置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及半导体装置的制造方法。
背景技术
在将被树脂模塑的电力用半导体装置搭载于冷却器时，以填埋与冷却器之间的接触面的间隙的方式填充散热用的散热脂。从半导体装置产生的热量经由散热脂传导至冷却器，在冷却器内与冷却水或空气进行热交换，由此对半导体装置进行冷却。
为了将半导体装置组装于电动汽车等的逆变器，要求半导体装置的小型化，并且需要提高半导体元件的功率密度。因此，对于半导体装置要求小型化和散热性能的提高。因此，考虑通过在散热路径中将热量难以通过的散热脂替换为焊料等金属来改善热阻，并且实施针对与半导体元件的重复动作相伴地产生的散热脂的泵出的对策。
但是，仅将散热脂替换为焊料会产生其它问题。例如，由于在焊接时需要将半导体装置设为高温，因此将半导体元件和引线框接合的焊料会熔融。熔融的焊料的体积膨胀，因而在模塑树脂产生裂纹，焊料有可能会喷出。
公开了为了使在将半导体元件和引线框接合的焊料熔融时体积膨胀的量的焊料排出，形成有从模塑树脂将芯片焊盘贯穿而通到焊料的孔的半导体装置(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开平5-259344号公报
发明内容
但是，在专利文献1所记载的技术中，由于湿气从外部通过孔侵入，因此担心半导体元件的耐压劣化及腐蚀等。
因此，本发明的目的在于提供能够对在模塑树脂产生裂缝进行抑制，并且对湿气从外部侵入进行抑制的技术。
本发明涉及的半导体装置具有：散热器；半导体元件，其设置于所述散热器的上表面；绝缘片材，其设置于所述散热器的下表面；引线框，其经由焊料接合于所述半导体元件的上表面；以及模塑树脂，其对所述引线框的一端侧、所述半导体元件、所述散热器及所述绝缘片材进行封装，从所述模塑树脂的上表面直至所述引线框的与所述半导体元件的接合面为止形成孔部，在所述孔部填充有杨氏模量比所述模塑树脂低的低杨氏模量树脂。
发明的效果
根据本发明，在将半导体装置焊接于冷却器时，即使将半导体元件和引线框接合的焊料熔融而产生体积膨胀，通过填充于孔部的低杨氏模量树脂软化而向在孔部内形成空间的方向产生变形，也能够将体积膨胀的量的多余焊料收容于孔部。由此，能够对模塑树脂的内压上升进行抑制，因此能够对在模塑树脂产生裂缝进行抑制。
并且，由于在孔部填充有低杨氏模量树脂，因此能够对来自外部的湿气的侵入进行抑制。
本发明的目的、特征、方案、以及优点通过下面的详细的说明和附图会更加清楚。
附图说明
图1是表示通过焊接将实施方式1涉及的半导体装置搭载于冷却器后的状态的剖视图。
图2是实施方式1涉及的半导体装置的俯视图。
图3是实施方式2涉及的半导体装置的剖视图。
图4是表示实施方式2涉及的半导体装置的制造方法的剖视图。
图5是实施方式3涉及的半导体装置的剖视图。
图6是表示实施方式3涉及的半导体装置的制造方法的剖视图。
图7是实施方式4涉及的半导体装置的剖视图。
图8是表示实施方式4涉及的半导体装置的制造方法的剖视图。
具体实施方式
<实施方式1>
下面使用附图对实施方式1进行说明。图1是表示通过焊接将实施方式1涉及的半导体装置100搭载于冷却器50后的状态的剖视图。图2是半导体装置100的俯视图。
如图1和图2所示，半导体装置100用于对电动汽车及电车等的电动机进行控制的逆变器、及再生用转换器。半导体装置100不经由散热脂而是经由焊料5搭载于冷却器50的上表面。
半导体装置100具有散热器1、半导体元件6、绝缘片材2、多个引线框8、多个引线框9、及模塑树脂12。
半导体元件6经由焊料7设置于散热器1的上表面。绝缘片材2粘贴于散热器1的下表面。绝缘片材2由绝缘树脂3、粘贴于绝缘树脂3的下表面的铜箔4构成。
多个引线框8中的1者经由焊料10接合于半导体元件6的上表面。多个引线框9中的1者经由导线11连接于半导体元件6。
模塑树脂12例如由环氧树脂构成，形成半导体装置100的封装件。模塑树脂12对引线框8、9的一端侧、半导体元件6、散热器1、及绝缘片材2进行封装。具体而言，模塑树脂12对引线框8、9的除了外部引线8a、9a之外的部分、半导体元件6、散热器1、及绝缘片材2的除了下表面之外的部分进行封装。因此，绝缘片材2的铜箔4的下表面从模塑树脂12露出。
从模塑树脂12的上表面直至接合有半导体元件6的引线框8的与半导体元件6的接合面为止形成有孔部14。孔部14形成为纵向的圆柱状，孔部14的俯视观察轮廓比在半导体元件6的接合面配置的焊料10的俯视观察轮廓小。在孔部14的内部填充有杨氏模量比模塑树脂12低的低杨氏模量树脂13。低杨氏模量树脂13例如为硅酮树脂。
接着，对实施方式1涉及的半导体装置100的制造方法进行说明。首先，在芯片键合工序中，半导体元件6通过焊料7接合于散热器1。
接着，在框架接合工序中，以与被芯片键合的半导体元件6保持一定间隔的方式通过夹具将引线框8、9固定，从引线框8的焊料供给孔(省略图示)流入熔融的焊料，将半导体元件6和引线框8的间隔填埋而进行接合。
接着，在导线键合工序中，通过导线11将半导体元件6的信号导线焊盘和引线框9连接。
接着，在模塑工序中，首先在构成模具的下部的下模具的底面配置绝缘片材2。在该绝缘片材2之上，配置散热器1、半导体元件6和引线框8、9的组装体即导线键合完成品。接着，与构成模具的上部的上模具合模。
然后，在从模具的浇口使熔融的成为模塑树脂12的基础的树脂流入模具的模腔而在模具内使树脂固化后，打开模具，取出半导体装置100。此时，绝缘片材2的绝缘树脂3软化而将绝缘片材2的绝缘树脂3与散热器1的界面、及绝缘树脂3与模塑树脂12的界面粘接在一起。
接着，在引线加工工序中，使用引线加工模具，将引线框8、9中的不需要的连接部分切断，弯曲加工为规定的形状。
接着，从模塑树脂12的上表面直至引线框8的与半导体元件6的接合面为止形成孔部14。将硅酮树脂等低杨氏模量树脂13填充于孔部14，使低杨氏模量树脂13固化。此外，在模塑树脂12及引线框8形成孔部14的方法使用冲切或激光加工等机械方法、或蚀刻等化学方法。
接着，将半导体装置100焊接于冷却器50的上表面，从而能够不经由散热脂地进行散热。
接着，对实施方式1涉及的半导体装置100的作用、效果进行说明。
在将半导体装置100焊接于冷却器50时，为了与焊料5接合，也需要将冷却器50和半导体装置100设为大于或等于焊料5的熔融温度的温度。于是，模塑树脂12内的焊料也熔融，焊料的体积产生膨胀。
模塑树脂12内的存在焊料的部分的容积与熔融前的焊料的体积相等，在模塑树脂12内需要具有供熔融的焊料排出的容积。模塑树脂12通常使用环氧树脂等硬质的树脂，如果由于内压上升而使模塑树脂12产生变形，则存在在模塑树脂12产生裂缝等问题。
相对于此，实施方式1涉及的半导体装置100具有：散热器1；半导体元件6，其设置于散热器1的上表面；绝缘片材2，其设置于散热器1的下表面；引线框8、9，它们经由焊料10接合于半导体元件6的上表面；以及模塑树脂12，其对引线框8、9的一端侧、半导体元件6、散热器1、及绝缘片材2进行封装，从模塑树脂12的上表面直至引线框8的与半导体元件6的接合面为止形成孔部14，在孔部14填充有杨氏模量比模塑树脂12低的低杨氏模量树脂13。
因此，在将半导体装置100焊接于冷却器50时，即使将半导体元件6和引线框8接合的焊料10熔融而产生体积膨胀，通过填充于孔部14的低杨氏模量树脂13软化而向在孔部14内形成空间的方向产生变形，也能够将体积膨胀的量的多余焊料10收容于孔部14。由此，能够对模塑树脂12的内压上升进行抑制，因此能够对在模塑树脂12产生裂缝进行抑制。
并且，由于在孔部14填充有低杨氏模量树脂13，因此能够对来自外部的湿气的侵入进行抑制。由此，能够对半导体元件6的耐压劣化及腐蚀进行抑制。由此，能够长期使用半导体装置100。
<实施方式2>
接着，对实施方式2涉及的半导体装置100A进行说明。图3是半导体装置100A的剖视图。图4是表示半导体装置100A的制造方法的剖视图。此外，在实施方式2中，对与实施方式1中说明过的结构要素相同的结构要素，标注相同标号并省略说明。
如图3所示，在实施方式2中，相对于实施方式1涉及的半导体装置100，孔部14的构造不同。孔部14由树脂侧孔部14a和焊料供给孔14b构成。此外，在图3中，在引线加工工序中不进行弯曲加工。
焊料供给孔14b在引线框8形成为贯穿状，该焊料供给孔14b是在框架接合工序中被供给熔融的焊料以在引线框8和半导体元件6之间形成焊料10的纵向的圆柱状孔。从模塑树脂12的上表面直至引线框8的上表面为止形成有树脂侧孔部14a。树脂侧孔部14a为纵向的圆柱状的孔，与焊料供给孔14b连通。树脂侧孔部14a的俯视观察轮廓比焊料供给孔14b的俯视观察轮廓形成得大。
低杨氏模量树脂13填充于孔部14的内部，即树脂侧孔部14a及焊料供给孔14b的内部。
接着，使用图4对半导体装置100A的制造方法进行说明。这里，仅对与实施方式1不同的部位进行说明。
如图4所示，在构成模具30的上模具31的内部设置有向下方凸出的圆柱状的销33。在进行模具30的合模时，销33与引线框8中的焊料供给孔14b的周围抵接。
在芯片键合工序、框架接合工序、及导线键合工序完成后，在模塑工序中，首先在构成模具30的下部的下模具32的底面配置绝缘片材2。在该绝缘片材2之上，配置散热器1、半导体元件6和引线框8、9的组装体即导线键合完成品。接着，与构成模具30的上部的上模具31合模。
然后，在从模具30的浇口使熔融的成为模塑树脂12的基础的树脂流入模具30的模腔30a而在模具30内使树脂固化。此时，由于销33与焊料供给孔14b的周围抵接，因此即使树脂被注入模腔30a也不进入焊料供给孔14b。另外，由于在销33的位置形成树脂侧孔部14a，因此树脂侧孔部14a与焊料供给孔14b连通，形成孔部14。
打开模具30，取出半导体装置100A。此时，绝缘片材2的绝缘树脂3软化而将绝缘片材2的绝缘树脂3与散热器1的界面、及绝缘树脂3与模塑树脂12的界面粘接在一起。接着，进行引线加工工序。
如上所述，就实施方式2涉及的半导体装置100A而言，孔部14中的形成于引线框8的部分是将焊料供给至引线框8和半导体元件6之间的焊料供给孔14b。
因此，除了与实施方式1相同的效果之外，通过将原本形成于引线框8的焊料供给孔14b用作填充低杨氏模量树脂13的孔部14的一部分，能够更容易地形成孔部14。
另外，实施方式2涉及的半导体装置100A的制造方法具有：工序(a)，在下模具32的底面配置绝缘片材2及组装体，该组装体是散热器1、半导体元件6和引线框8、9的组装体；工序(b)，使在上模具31设置的销33抵接于引线框8的上表面的焊料供给孔14b的周围，在销33堵塞焊料供给孔14b的状态下进行模具30的合模，将树脂注入至由上模具31和下模具32构成的模腔30a内，对具有孔部14的模塑树脂12进行成型；以及工序(c)，将低杨氏模量树脂13注入至孔部14。
因此，由于在对模塑树脂12进行成型的工序(b)中形成孔部14，所以不需要在该工序后对模塑树脂12开孔。
<实施方式3>
接着，对实施方式3涉及的半导体装置100B进行说明。图5是实施方式3涉及的半导体装置100B的剖视图。图6是表示半导体装置100B的制造方法的剖视图。此外，在实施方式3中，对与实施方式1、2中说明过的结构要素相同的结构要素，标注相同标号并省略说明。
如图5所示，在实施方式3中，没有形成树脂侧孔部14a，低杨氏模量树脂13仅填充于焊料供给孔14b。因此，低杨氏模量树脂13没有在模塑树脂12的上表面露出。此外，在图5中，在引线加工工序中不进行弯曲加工。
接着，使用图6对半导体装置100B的制造方法进行说明。这里，仅对与实施方式1、2不同的部位进行说明。
如图6所示，在构成模具30的上模具31的内部未设置销33。在芯片键合工序、框架接合工序、及导线键合工序完成后，在模塑工序前，将低杨氏模量树脂13填充于焊料供给孔14b，使低杨氏模量树脂13固化。
如上所述，实施方式3涉及的半导体装置100B具有：散热器1；半导体元件6，其设置于散热器1的上表面；绝缘片材2，其设置于散热器1的下表面；引线框8、9，它们经由焊料10接合于半导体元件6的上表面；以及模塑树脂12，其对引线框8、9的一端侧、半导体元件6、散热器1、及绝缘片材2进行封装，在引线框8形成将焊料供给至引线框8和半导体元件6之间的焊料供给孔14b，在焊料供给孔14b填充有杨氏模量比模塑树脂12低的低杨氏模量树脂13。接着，进行模塑工序及引线加工工序。
因此，在将半导体装置100B焊接于冷却器50时，即使将半导体元件6和引线框8接合的焊料10熔融而产生体积膨胀，通过填充于焊料供给孔14b的低杨氏模量树脂13软化而向在焊料供给孔14b内形成空间的方向产生变形，也能够将体积膨胀的量的多余焊料10收容于焊料供给孔14b。由此，能够对模塑树脂12的内压上升进行抑制，因此能够对在模塑树脂12产生裂缝进行抑制。
并且，由于模塑树脂12与低杨氏模量树脂13的界面没有在模塑树脂12的上表面露出，因此能够进一步对来自外部的湿气的侵入进行抑制。由此，能够对半导体元件6的耐压劣化及腐蚀进行抑制。
实施方式3涉及的半导体装置100B的制造方法具有：工序(d)，在下模具32的底面配置绝缘片材2及组装体，该组装体是散热器1、半导体元件6和引线框8、9的组装体；工序(e)，将低杨氏模量树脂13注入至引线框8的焊料供给孔14b；以及工序(f)，进行模具30的合模，将树脂注入至由上模具31和下模具32构成的模腔30a内，对模塑树脂12进行成型。
因此，通过利用焊料供给孔14b，从而不需要在模塑工序后对模塑树脂12开孔，能够容易地对半导体装置100B进行制造。
<实施方式4>
接着，对实施方式4涉及的半导体装置100C进行说明。图7是实施方式4涉及的半导体装置100C的剖视图。图8是表示半导体装置100C的制造方法的剖视图。此外，在实施方式4中，对实施方式1～3中说明过的结构要素相同的结构要素，标注相同标号并省略说明。
如图7所示，在实施方式4中，半导体装置100C相对于实施方式3涉及的半导体装置100B具有盖20。并且，在焊料供给孔14b中没有填充低杨氏模量树脂13。此外，在图7中，在引线加工工序中不进行弯曲加工。
盖20以不会由于模塑树脂12的压力而变形的方式由树脂板或金属板构成，配置于引线框8的上表面的焊料供给孔14b的周边。盖20具有比焊料供给孔14b的俯视观察轮廓大的俯视观察轮廓以能够堵塞焊料供给孔14b。焊料供给孔14b的上侧被盖20封闭，焊料供给孔14b的下侧被焊料10封闭。即，在与焊料10接触的位置形成了空间。因此，即使将半导体元件6和引线框8接合的焊料10熔融而产生体积膨胀，也能够将体积膨胀的量的多余焊料10收容于焊料供给孔14b。
接着，使用图8对半导体装置100C的制造方法进行说明。这里，仅对与实施方式1～3不同的部位进行说明。
在芯片键合工序、框架接合工序、及导线键合工序完成后，在模塑工序中，首先在构成模具30的下部的下模具32的底面配置绝缘片材2。在该绝缘片材2之上，配置散热器1、半导体元件6和引线框8、9的组装体即导线键合完成品。在引线框8的上表面的焊料供给孔14b的周围配置盖20，形成被盖20、焊料供给孔14b和焊料10包围的空间。接着，与构成模具30的上部的上模具31合模。
然后，在从模具30的浇口使熔融的成为模塑树脂12的基础的树脂流入模具30的模腔30a而在模具30内使树脂固化后，打开模具，取出半导体装置100。此时，绝缘片材2的绝缘树脂3软化而将绝缘片材2的绝缘树脂3与散热器1的界面、及绝缘树脂3与模塑树脂12的界面粘接在一起。接着，进行引线加工工序。
如上所述，实施方式4涉及的半导体装置100C具有：散热器1；半导体元件6，其设置于散热器1的上表面；绝缘片材2，其设置于散热器1的下表面；引线框8、9，它们经由焊料10接合于半导体元件6的上表面；以及模塑树脂12，其对引线框8、9的一端侧、半导体元件6、散热器1、及绝缘片材2进行封装，在引线框8形成将焊料供给至引线框8和半导体元件6之间的焊料供给孔14b，还具有盖20，该盖20配置于引线框8的上表面的焊料供给孔14b的周围，堵塞焊料供给孔14b。
因此，在将半导体装置100C焊接于冷却器50时，即使将半导体元件6和引线框8接合的焊料10熔融而产生体积膨胀，也能够将体积膨胀的量的多余焊料10收容于焊料供给孔14b。由此，能够对模塑树脂12的内压上升进行抑制，因此能够对在模塑树脂12产生裂缝进行抑制。
并且，由于能够收容焊料10的空间没有在模塑树脂12的上表面露出，因此能够进一步对来自外部的湿气的侵入进行抑制。由此，能够进一步对半导体元件6的耐压劣化及腐蚀进行抑制。
另外，半导体装置100C的制造方法具有：工序(g)，在下模具32的底面配置绝缘片材2及组装体，该组装体是散热器1、半导体元件6和引线框8、9的组装体；以及工序(h)，在引线框8、9的上表面的焊料供给孔14b的周围配置盖20，在盖20将焊料供给孔14b堵塞的状态下进行模具30的合模，将树脂注入至由上模具31和下模具32构成的模腔30a内，对模塑树脂12进行成型。
因此，通过利用焊料供给孔14b，从而不需要在模塑工序后对模塑树脂12开孔。并且，由于不需要低杨氏模量树脂13的填充，因此能够更容易地对半导体装置100C进行制造。
虽然对本发明进行了详细的说明，但上述说明在全部的方面都只是例示，并不是限定性的内容。应当理解为，能够设想到未例示的无数的变形例。
此外，可以将各实施方式自由地组合，对各实施方式适当进行变形、省略。
标号的说明
1散热器，2绝缘片材，6半导体元件，8、9引线框，10焊料，12模塑树脂，13低杨氏模量树脂，14孔部，14b焊料供给孔，20盖，30模具，30a模腔，31上模具，32下模具，33销，100、100A、100B、100C半导体装置。

Claims (7)

1.一种半导体装置，其具有：
散热器；
半导体元件，其设置于所述散热器的上表面；
绝缘片材，其设置于所述散热器的下表面；
引线框，其经由焊料接合于所述半导体元件的上表面；以及
模塑树脂，其对所述引线框的一端侧、所述半导体元件、所述散热器及所述绝缘片材进行封装，
从所述模塑树脂的上表面直至所述引线框的与所述半导体元件的接合面为止形成孔部，
在所述孔部填充有杨氏模量比所述模塑树脂低的低杨氏模量树脂。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述孔部中的形成于所述引线框的部分是将所述焊料供给至所述引线框和所述半导体元件之间的焊料供给孔。
3.一种半导体装置，其具有：
散热器；
半导体元件，其设置于所述散热器的上表面；
绝缘片材，其设置于所述散热器的下表面；
引线框，其经由焊料接合于所述半导体元件的上表面；以及
模塑树脂，其对所述引线框的一端侧、所述半导体元件、所述散热器及所述绝缘片材进行封装，
在所述引线框形成将所述焊料供给至所述引线框和所述半导体元件之间的焊料供给孔，
在所述焊料供给孔填充有杨氏模量比所述模塑树脂低的低杨氏模量树脂。
4.一种半导体装置，其具有：
散热器；
半导体元件，其设置于所述散热器的上表面；
绝缘片材，其设置于所述散热器的下表面；
引线框，其经由焊料接合于所述半导体元件的上表面；以及
模塑树脂，其对所述引线框的一端侧、所述半导体元件、所述散热器及所述绝缘片材进行封装，
在所述引线框形成将所述焊料供给至所述引线框和所述半导体元件之间的焊料供给孔，
所述半导体装置还具有盖，该盖配置于所述引线框的上表面的所述焊料供给孔的周围，将所述焊料供给孔堵塞。
5.一种半导体装置的制造方法，对权利要求2所述的半导体装置进行制造，
该半导体装置的制造方法具有：
工序(a)，在下模具的底面配置所述绝缘片材及组装体，该组装体是所述散热器、所述半导体元件和所述引线框的组装体；
工序(b)，使在上模具设置的销抵接于所述引线框的上表面的所述焊料供给孔的周围，在所述销堵塞所述焊料供给孔的状态下进行模具的合模，将树脂注入至由所述上模具和所述下模具构成的模腔内，对具有所述孔部的所述模塑树脂进行成型；以及
工序(c)，将所述低杨氏模量树脂注入至所述孔部。
6.一种半导体装置的制造方法，对权利要求3所述的半导体装置进行制造，
该半导体装置的制造方法具有：
工序(d)，在下模具的底面配置所述绝缘片材及组装体，该组装体是所述散热器、所述半导体元件和所述引线框的组装体；
工序(e)，将所述低杨氏模量树脂注入至所述引线框的所述焊料供给孔；以及
工序(f)，进行模具的合模，将树脂注入至由上模具和所述下模具构成的模腔内，对所述模塑树脂进行成型。
7.一种半导体装置的制造方法，对权利要求4所述的半导体装置进行制造，
该半导体装置的制造方法具有：
工序(g)，在下模具的底面配置所述绝缘片材及组装体，该组装体是所述散热器、所述半导体元件和所述引线框的组装体；以及
工序(h)，在所述引线框的上表面的所述焊料供给孔的周围配置所述盖，在所述盖堵塞所述焊料供给孔的状态下进行模具的合模，将树脂注入至由上模具和所述下模具构成的模腔内，对所述模塑树脂进行成型。
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