CN117015854A - 半导体装置的制造方法、半导体装置、电力转换装置及移动体 - Google Patents

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Abstract

将半导体芯片(6)与绝缘基板(2)的金属图案(5)接合。在电极(7)的上表面形成凹部(12)和从凹部(12)到达侧面的槽(13)。将第1焊料(15)载置于凹部(12)。在金属图案(5)的上表面与电极(7)的下表面之间设置第2焊料(17)。使第1焊料(15)和第2焊料(17)熔融，使熔融的第1焊料(15)经由槽(13)与第2焊料(17)融合，形成将金属图案(5)的上表面与电极(7)的下表面接合且将电极(7)的上表面覆盖的焊脚(14)。

Description

半导体装置的制造方法、半导体装置、电力转换装置及移动体
技术领域
本发明涉及半导体装置的制造方法、半导体装置、电力转换装置及移动体。
背景技术
使用了在绝缘基板的金属图案焊接有电极的半导体装置。在焊接工序中，焊料被预先涂敷于金属图案的上表面或电极的下表面(例如，参照专利文献1)。通过熔融的焊料的自然浸润扩展而形成焊脚。
专利文献1：日本特开平9-283658号公报
发明内容
通过以往的制造方法形成的焊脚未将电极的上表面覆盖，因此无法得到牢固的接合，焊接部的寿命短。另外，需要始终由作业员贴近地进行焊脚的形成状态等的目视确认。根据情况，产生了焊脚形成的返工作业。因此，难以削减工时和缩短工期，作业性差。其结果，存在产品的可靠性和生产效率低的问题。
本发明就是为了解决上述这样的课题而提出的，其目的在于得到能够提高可靠性和生产效率的半导体装置的制造方法、半导体装置、电力转换装置及移动体。
本发明涉及的半导体装置的制造方法的特征在于，具有以下工序：将半导体芯片与绝缘基板的金属图案接合；在电极的上表面形成凹部和从所述凹部到达侧面的槽；将第1焊料载置于所述凹部；在所述金属图案的上表面与所述电极的下表面之间设置第2焊料；以及使所述第1焊料和所述第2焊料熔融，使熔融的所述第1焊料经由所述槽与所述第2焊料融合，形成将所述金属图案的所述上表面与所述电极的所述下表面接合且将所述电极的所述上表面覆盖的焊脚。
发明的效果
在本发明中，将第1焊料载置于电极的上表面的凹部，使第1焊料和第2焊料熔融，使熔融的第1焊料经由槽与第2焊料融合而形成焊脚。由此，能够通过焊脚将电极包裹起来而得到牢固的接合，能够延长接合部的寿命。另外，由于将第1焊料置入凹部，因此在焊接过程中第1焊料不会从电极的上表面掉落，所以作业性提高。由于第1焊料能够定量化，因此能够使焊接品质稳定化。其结果，能够提高可靠性和生产效率。
附图说明
图1是表示实施方式1涉及的半导体装置的剖视图。
图2是表示实施方式1涉及的电极的下部的斜视图。
图3是表示实施方式1涉及的电极与金属图案之间的接合部的剖视图。
图4是表示实施方式1涉及的电极与金属图案之间的接合工序的剖视图。
图5是表示对比例涉及的电极与金属图案之间的接合工序的剖视图。
图6是表示对比例涉及的电极与金属图案之间的接合工序的剖视图。
图7是表示实施方式2涉及的电极的下部的斜视图。
图8是表示实施方式2涉及的电极与金属图案之间的接合部的剖视图。
图9是表示实施方式2涉及的半导体装置的制造方法的斜视图。
图10是表示实施方式2涉及的电极的下部的变形例的斜视图。
图11是表示实施方式3涉及的电极与金属图案之间的接合部的剖视图。
图12是表示实施方式3涉及的半导体装置的制造方法的斜视图。
图13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14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实施方式4涉及的电力转换装置。
图15是表示实施方式5涉及的移动体的图。
具体实施方式
参照附图，对实施方式涉及的半导体装置的制造方法、半导体装置、电力转换装置及移动体进行说明。对相同或相应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复说明。
实施方式1
图1是表示实施方式1涉及的半导体装置的剖视图。在金属等的散热板1之上设置有绝缘基板2。绝缘基板2具有陶瓷等的绝缘板3、绝缘板3的下表面的金属图案4和绝缘板3的上表面的金属图案5。金属图案4通过焊料等与散热板1接合。半导体芯片6的下表面电极通过焊料等与金属图案5接合。半导体芯片6的上表面电极与其它半导体芯片或电极进行导线连接。半导体芯片6是Si制的IGBT或二极管，但也可以是SiC-MOSFET或SiC-SBD。
电极7的下部与金属图案5接合。壳体8设置于散热板1的外周之上，将绝缘基板2、半导体芯片6及电极7包围。硅凝胶等封装材料9设置于壳体8的内部，将绝缘基板2、半导体芯片6及电极7的下部封装。盖10通过粘接剂11等而被粘接于壳体8的上表面，将半导体芯片6等的上方覆盖。电极7从封装材料9及盖10向上方凸出，被引出至装置外部。
图2是表示实施方式1涉及的电极的下部的斜视图。电极7的下部沿横向弯折。在其上表面设置有凹部12。在电极7的上表面还设置有从凹部12到达侧面的槽13。凹部12的平面形状为四边形，但也可以是圆形。槽13的深度是电极7的厚度的约1/3左右。凹部12的深度比槽13浅，但也可以与槽13相同。
图3是表示实施方式1涉及的电极与金属图案之间的接合部的剖视图。焊脚14将金属图案5与电极7的下表面接合。焊脚14将电极7的弯折的部分整体地覆盖。即，焊脚14不仅覆盖电极7的下表面及侧面，还覆盖电极7的上表面。凹部12及槽13的内部被焊脚14填埋。
接下来，对本实施方式涉及的半导体装置的制造方法进行说明。图4是表示实施方式1涉及的电极与金属图案之间的接合工序的剖视图。
首先，将半导体芯片6与绝缘基板2的金属图案5接合。在电极7的上表面通过冲压等而形成凹部12和槽13。接下来，如图4所示，预先在电极7的上表面的凹部12载置规定量的膏焊料或板焊料等第1焊料15。也可以将促进焊料浸润性的助焊剂16滴落至凹部12。
在与电极7的下表面相对的金属图案5的上表面涂敷膏焊料等第2焊料17。或者，也可以在电极7的下表面涂敷第2焊料17。通过某种方法在金属图案5的上表面与电极7的下表面之间设置第2焊料17。
接下来，使第1焊料15和第2焊料17熔融。熔融的第1焊料15从凹部12经由槽13流出。由此，使熔融的第1焊料15经由槽13与第2焊料17融合而形成焊脚14。然后，通过进行由封装材料9实现的封装等而制造半导体装置。
接下来，与对比例进行比较而说明本实施方式的效果。图5及图6是表示对比例涉及的电极与金属图案之间的接合工序的剖视图。在对比例中，在电极7的上表面仅使用第2焊料17而不载置第1焊料15。因此，仅通过熔融的第2焊料17的自然浸润扩展而形成焊脚14，因此无法使焊脚14的厚度变大。其结果，在图5中，焊脚14仅形成至电极7的厚度的约1/2。在图6中，焊脚14形成至电极7的厚度，但未将电极7的上表面覆盖。因此，无法得到牢固的接合，接合部的寿命短。另外，需要始终由作业员贴近地进行焊脚14的形成状态等的目视确认。根据情况，产生了焊脚14的形成的返工作业。因此，难以削减工时和缩短工期，作业性差。
与此相对，在本实施方式中，预先在电极7的上表面的凹部12载置规定量的第1焊料15，使第1焊料15和第2焊料17熔融，使熔融的第1焊料15经由槽13与第2焊料17融合而形成焊脚14。由此，能够通过焊脚14将电极7包裹起来而得到牢固的接合，能够延长接合部的寿命。另外，由于将第1焊料15置入凹部12，因此在焊接过程中第1焊料15不会从电极7的上表面掉落，所以作业性提高。由于第1焊料15能够定量化，因此能够使焊接品质稳定化。其结果，能够提高可靠性和生产效率。
实施方式2
图7是表示实施方式2涉及的电极的下部的斜视图。电极7具有前端部7a和比前端部7a厚的主体部7b。前端部7a的上表面比主体部7b的上表面低。前端部7a的下表面比主体部7b的下表面高。图8是表示实施方式2涉及的电极与金属图案之间的接合部的剖视图。焊脚14将电极7的弯折的部分整体地覆盖。半导体装置的其它结构与实施方式1相同。
接下来，对本实施方式涉及的半导体装置的制造方法进行说明。但是，除电极7与金属图案5之间的接合工序以外与实施方式1相同，因此省略说明。图9是表示实施方式2涉及的半导体装置的制造方法的斜视图。
首先，如图9所示，通过U字状的板焊料18从上下将电极7的前端部7a夹住。接下来，通过使板焊料18的下表面与加热后的金属图案5接触，从而使板焊料18熔融。由此，如图8所示，形成将金属图案5与电极7的下表面接合且将电极7的上表面覆盖的焊脚14。焊脚14以薄的膜状将主体部7b的上表面也覆盖。
这样，通过使板焊料18与加热后的金属图案5直接接触，从而焊料熔融时间变短，实现焊接作业时间的缩短。另外，通过由U字状的板焊料18将薄的前端部7a夹住，从而难以从电极7脱落，作业性提高。其它结构及效果与实施方式1相同。
图10是表示实施方式2涉及的电极的下部的变形例的斜视图。在图7至9中，电极7的前端部7a为薄的平板，但在图10中，电极7的前端部7a为锐角形状。由此，能够容易地通过U字状的板焊料18将电极7的前端部夹住。
实施方式3
图11是表示实施方式3涉及的电极与金属图案之间的接合部的剖视图。在电极7的上表面的中央部设置有圆柱状的凸起19。焊脚14将电极7的弯折的部分整体地覆盖。半导体装置的其它结构与实施方式1相同。
对本实施方式涉及的半导体装置的制造方法进行说明。但是，除电极7与金属图案5之间的接合工序以外与实施方式1相同，因此省略说明。图12是表示实施方式3涉及的半导体装置的制造方法的斜视图。图13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。
首先，如图12所示，准备在上表面的中央部设置有圆柱状的凸起19的电极7和在中央部具有圆孔状的开口20的板焊料21。接下来，在电极7的上表面载置板焊料21，将凸起19插入开口20。由此，在电极7的上表面，板焊料21被固定。
在与电极7的下表面相对的金属图案5的上表面涂敷膏焊料等焊料22。或者，也可以在电极7的下表面涂敷焊料22。通过某种方法在金属图案5的上表面与电极7的下表面之间设置焊料22。
接下来，使板焊料21与焊料22熔融而彼此融合，形成将金属图案5的上表面与电极7的下表面接合且将电极7的上表面覆盖的焊脚14。然后，通过进行由封装材料9实现的封装等而制造半导体装置。
在本实施方式中，预先在电极7的上表面载置规定量的板焊料21，使板焊料21与焊料22熔融而彼此融合，形成焊脚14。由此，能够通过焊脚14将电极7包裹起来而得到牢固的接合，能够延长接合部的寿命。另外，由于将电极7的凸起19插入板焊料21的开口20，因此，在焊接过程中板焊料21不会从电极7的上表面掉落，因此，作业性提高。由于板焊料21能够定量化，因此能够使焊接品质稳定化。其结果，能够提高可靠性和生产效率。另外，能够预先大量地准备长条状的板焊料21，因此能够应对大量生产。
此外，半导体芯片6不限于由硅形成，也可以由与硅相比带隙大的宽带隙半导体形成。宽带隙半导体例如是碳化硅、氮化镓类材料或金刚石。由这样的宽带隙半导体形成的半导体芯片的耐压性及容许电流密度高，因此能够小型化。通过使用该小型化的半导体芯片，从而组装有该半导体芯片的半导体装置也能够小型化、高集成化。另外，由于半导体芯片的耐热性高，因此能够使散热器的散热鳍片小型化，能够使水冷部空冷化，因而能够使半导体装置进一步小型化。另外，由于半导体芯片的电力损耗低且高效，因此能够使半导体装置高效化。
实施方式4
本实施方式是将上述实施方式1～3涉及的半导体装置应用于电力转换装置。电力转换装置例如是逆变器装置、转换器装置、伺服放大器、电源单元等。本发明不限定于特定的电力转换装置，但以下，对将本发明应用于三相逆变器的情况进行说明。
图14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实施方式4涉及的电力转换装置。该电力转换系统具有电源100、电力转换装置200、负载300。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，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，也可以使电源100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200是连接在电源100与负载300之间的三相逆变器，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。电力转换装置200具有：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是由从电力转换装置200供给的交流电力进行驱动的三相电动机。此外，负载300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、电梯或空调设备的电动机。
以下，对电力转换装置200详细地进行说明。主转换电路201具有开关元件和续流二极管(未图示)，通过开关元件的通断，从而将从电源100供给的直流电力转换为交流电力，向负载300供给。主转换电路201的具体的电路结构存在各种结构，但本实施方式涉及的主转换电路201是两电平的三相全桥电路，能够由6个开关元件和与各个开关元件逆并联的6个续流二极管构成。主转换电路201的各开关元件由与上述实施方式1～3中的任意者相当的半导体装置构成。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)。并且，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。具体地说，按照来自后述的控制电路203的控制信号，向各开关元件的控制电极输出将开关元件设为接通状态的驱动信号和将开关元件设为断开状态的驱动信号。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号是大于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(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。具体地说，基于应向负载300供给的电力，对主转换电路201的各开关元件应成为接通状态的时间(接通时间)进行计算。例如，能够通过与应输出的电压相对应地对开关元件的接通时间进行调制的PWM控制，对主转换电路201进行控制。并且，向驱动电路202输出控制指令(控制信号)，以在各时刻向应成为接通状态的开关元件输出接通信号，向应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，将接通信号或断开信号作为驱动信号而向各开关元件的控制电极输出。
在本实施方式涉及的电力转换装置中，使主转换电路201的各开关元件由与上述实施方式1～3中的任意者相当的半导体装置构成。由此，能够提高可靠性和生产效率。
在本实施方式中，对在两电平的三相逆变器中应用本发明的例子进行了说明，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，采用了两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，也可以向单相逆变器应用本发明。另外，在向直流负载等供给电力的情况下，也能够向DC/DC转换器或AC/DC转换器应用本发明。
另外，应用了本发明的电力转换装置不限定于上述的负载为电动机的情况，例如，还能够用作放电加工机、激光加工机、感应加热烹调器或非接触器供电系统的电源装置，并且也能够用作太阳能发电系统或蓄电系统等的功率调节器。
实施方式5
图15是表示实施方式5涉及的移动体的图。该移动体400是电车等，使用实施方式4涉及的电力转换装置200进行电力控制。由此，能够提高可靠性和生产效率。
标号的说明
2绝缘基板，5金属图案，6半导体芯片，7电极，7a前端部，7b主体部，12凹部，13槽，14焊脚，15第1焊料，17第2焊料，18板焊料，19凸起，20开口，21板焊料，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 (12)

1.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，具有以下工序：
将半导体芯片与绝缘基板的金属图案接合；
在电极的上表面形成凹部和从所述凹部到达侧面的槽；
将第1焊料载置于所述凹部；
在所述金属图案的上表面与所述电极的下表面之间设置第2焊料；以及
使所述第1焊料和所述第2焊料熔融，使熔融的所述第1焊料经由所述槽与所述第2焊料融合，形成将所述金属图案的所述上表面与所述电极的所述下表面接合且将所述电极的所述上表面覆盖的焊脚。
2.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，具有以下工序：
将半导体芯片与绝缘基板的金属图案接合；
通过U字状的板焊料从上下将电极的前端部夹住；以及
通过使所述板焊料的下表面与加热后的所述金属图案的上表面接触而使所述板焊料熔融，形成将所述金属图案的所述上表面与所述电极的下表面接合且将所述电极的上表面覆盖的焊脚。
3.根据权利要求2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述电极具有比所述前端部厚的主体部，
所述焊脚还覆盖所述主体部的上表面。
4.根据权利要求3所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述前端部为锐角形状。
5.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，具有以下工序：
将半导体芯片与绝缘基板的金属图案接合；
准备在上表面设置有凸起的电极和具有开口的板焊料；
将所述板焊料载置于所述电极的所述上表面，将所述凸起插入所述开口；
在所述金属图案的上表面与所述电极的下表面之间设置焊料；以及
使所述板焊料与所述焊料熔融而彼此融合，形成将所述金属图案的所述上表面与所述电极的所述下表面接合且将所述电极的所述上表面覆盖的焊脚。
6.一种半导体装置，其特征在于，具有：
绝缘基板，其具有金属图案；
半导体芯片，其与所述金属图案接合；
电极，其具有在上表面设置的凹部和从所述凹部到达侧面的槽；以及
焊脚，其将所述金属图案的上表面与所述电极的下表面接合且将所述电极的所述上表面覆盖。
7.一种半导体装置，其特征在于，具有：
绝缘基板，其具有金属图案；
半导体芯片，其与所述金属图案接合；
电极，其具有前端部和比所述前端部厚的主体部；以及
焊脚，其将所述金属图案的上表面与所述电极的下表面接合且将所述主体部的上表面覆盖。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，
所述前端部为锐角形状。
9.一种半导体装置，其特征在于，具有：
绝缘基板，其具有金属图案；
半导体芯片，其与所述金属图案接合；
电极，其在上表面设置有凸起；以及
焊脚，其将所述金属图案的上表面与所述电极的下表面接合且将所述电极的所述上表面覆盖。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述半导体芯片由宽带隙半导体形成。
11.一种电力转换装置，其具有：
主转换电路，其具有权利要求6至10中任一项所述的半导体装置，该主转换电路对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。
12.一种移动体，其特征在于，使用权利要求11所述的电力转换装置进行电力控制。
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