專利名稱：半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體裝置，特別涉及假定在高溫下進行工作的功率用的半導體裝置的結構。
背景技術：
作為功率用半導體裝置(功率半導體裝置)的封裝結構，多采用以模塑樹脂將功率半導體元件以及連接構件(引線框或導線等)密封的結構(模塑型)或將功率半導體元件以及連接構件容納在填充有樹脂的樹脂殼體內的結構(殼體型)(例如，下述的專利文獻1 3)。此外，還公知如下技術在半導體元件的表面實施聚酰亞胺或聚對二甲苯(對二甲苯)等的涂敷(coating)(例如，下述的專利文獻4 8)。專利文獻1 日本特開平9 - 213878號公報專利文獻2 日本特開2004 - 165281號公報
專利文獻3 日本特開2002 - 324816號公報專利文獻4 日本特開昭59 - 76451號公報專利文獻5 日本特開平6 - 216183號公報專利文獻6 日本特開平9 - 246307號公報專利文獻7 日本特開昭61 - 111569號公報專利文獻8 日本特開2008 - 141052號公報。一般地，對于對半導體元件以及連接構件進行密封的樹脂來說，優選在絕緣性、耐壓性、散熱性、耐熱性、耐濕性、熱應力(因熱而產生的應力的大小)、機械物理性能(機械強度)、粘接性、流動性(產生氣泡的難度)等的特性方面優良。但是，這些特性有相反的方面， 所以，實際上，與產品的規格相匹配而采用的樹脂的種類或物理性能被調整。例如，在汽車中，為了使車的室內空間變寬，存在要使發動機艙變小的要求，所以， 對于設置在發動機艙內的功率半導體裝置，要求小型、高輸出、高效率(低損失)。另一方面， 當發動機艙變小時，產生功率半導體裝置的排熱的問題。因此，在車載的功率半導體裝置中，還存在高耐熱性的要求。因此，期待例如碳化硅(SiC)半導體元件等能夠進行高溫工作的半導體元件的運用，但是，因此需要提高密封樹脂的耐熱性(在作為一般的模塑樹脂的環氧樹脂的情況下， 玻璃態轉化溫度為約180°C)。但是，在模塑型的半導體裝置中，當提高模塑樹脂的耐熱性時，產生耐濕性的降低或模塑成型性的降低等的問題。此外，在高溫下使用殼體型的半導體裝置的情況下，由于填充在樹脂殼體內的樹脂中所產生的應力，存在樹脂殼體內的構件(導線等)破壞的可能性。這些問題妨礙了半導體裝置的耐熱性提高。
發明內容
本發明是為了解決上述課題而提出的，其目的在于提供一種能夠抑制耐濕性的降低并且提高耐熱性的半導體裝置。本發明的半導體裝置具有半導體元件，搭載在熱擴散器(heat spreader)上；引線框，與所述半導體元件電連接；模塑樹脂，保持所述半導體元件、所述熱擴散器以及所述引線框，形成外殼；有機薄膜，介于所述半導體元件和所述模塑樹脂之間，其中所述半導體元件的上方以及側面被所述有機薄膜覆蓋。一般地，當提高模塑樹脂的耐熱性時，存在其耐濕性降低的傾向。在本發明的半導體裝置中，在半導體元件和模塑樹脂之間形成有耐濕性優良的有機薄膜，對于模塑樹脂并不要求那樣高的耐濕性，所以，能夠使用耐熱性高的模塑樹脂。此外，半導體元件的上方以及側面被有機薄膜覆蓋，所以，能夠使在半導體元件中產生的熱效率較好地向下方的熱擴散器散熱。因此，能夠確保半導體裝置的耐濕性并且謀求提高耐熱性。
圖1是表示實施方式1的半導體裝置的結構的剖面圖。圖2是表示本發明的半導體裝置的有機薄膜的形成方法的圖。圖3是表示實施方式2的半導體裝置的結構的剖面圖。圖4是表示實施方式3的半導體裝置的結構的剖面圖。圖5是表示實施方式4的半導體裝置的結構的剖面圖。附圖標記說明 IaUb半導體元件 2焊料
3熱擴散器 4導線
5a,5b引線框 6模塑樹脂 7絕緣片 71絕緣樹脂層 72金屬層 8有機薄膜
10 金屬U絕. (metallized insulating substrate)
9熱擴散器
11散熱板
12樹脂殼體
13a、13b端子部
14蓋
21上夾具
22下夾具。
具體實施例方式實施方式1圖1是表示實施方式1的半導體裝置的結構的剖面圖。如該圖所示，該半導體裝置是如下的模塑型的模塊作為功率半導體元件的半導體元件la、lb、搭載有該半導體元件la、 Ib的熱擴散器3、與半導體元件la、lb電連接的引線框5ajb被成為外殼的模塑樹脂6保持。在圖1中，示出兩個半導體元件la、lb和兩個引線框fe、5b，但是，引線框經由導線4連接到半導體元件la，引線框恥使用焊料2接合到半導體元件la、Ib這二者上。熱擴散器3由熱導率較高的金屬等形成，使用焊料2將半導體元件la、Ib接合在熱擴散器3 的上表面。熱擴散器3的下表面從模塑樹脂6露出，并且貼附有由絕緣樹脂層71和熱導率較高的金屬層72構成的絕緣片7。此外，模塑樹脂6所保持的各構件(半導體元件la、lb、焊料2、熱擴散器3、導線4、 引線框fe、5b)和該模塑樹脂6之間形成了有機薄膜8。半導體元件la、Ib的上方和側面完全被有機薄膜8覆蓋。另一方面，半導體元件la、lb的下方(熱擴散器3側)未形成有機薄膜8。在本實施方式中，作為有機薄膜8，使用對二甲苯類聚合物，作為模塑樹脂6，使用一般的環氧樹脂。對于對二甲苯類聚合物(聚對二甲苯)來說，耐熱性為較高的250°C 350°C并且熱導率為環氧樹脂(代表值0. 2W/m/k)的50%以下，具有高的隔熱性。此外，在聚合物狀態下，具有很多苯環和交聯結構，所以，在耐濕性方面優良。另一方面，對于環氧樹脂來說，當使耐熱性以及機械強度提高時，存在耐濕性降低的傾向。根據圖1的結構，半導體元件la、lb、焊料2、熱擴散器3、導線4、引線框fe、5b的表面被耐濕性優良的有機薄膜8覆蓋，所以，對于模塑樹脂6來說，不要求那么高的耐濕性。 因此，作為模塑樹脂6，能夠采用使耐熱性以及機械強度提高了(耐濕性較低)的環氧樹脂。并且，半導體元件la、lb的上方以及側面與模塑樹脂6之間存在隔熱性高的有機薄膜8，所以，在半導體元件la、Ib中所產生的熱向模塑樹脂6傳導的情況被抑制，能夠效率良好地向熱擴散器3散熱。因此，也能夠有助于作為半導體裝置整體的耐熱性的提高。這樣，根據本發明，能夠實現如下的半導體裝置能夠確保半導體裝置的耐濕性并且提高耐熱性，所以，能夠提高可使用半導體裝置的環境溫度的上限，在高溫環境下(例如， 180°C以上)也可得到高的可靠性。特別是，在使用能夠進行高溫工作的碳化硅(SiC)半導體元件作為半導體元件la、lb的情況下是有效的。此外，在半導體元件la、Ib是功率晶體管的情況下，在其上表面(有源面(active surface))配設有發射極電極，在下表面配設有集電極電極，在其間施加最高的電壓。對二甲苯類聚合物的有機薄膜8在絕緣性方面也優良，所以，有機薄膜8均勻地形成在半導體元件la、lb的側面，由此，還得到發射極電極與集電極電極之間的絕緣性提高的效果。圖2是用于說明有機薄膜8的形成方法的圖。使用焊料2以及導線4將半導體元件la、lb、熱擴散器3以及引線框5ajb接合后，在常溫的狀態下將這些設置在由上夾具21 和下夾具22構成的容器內。并且，在該容器內，使氣化后的對二甲苯類單體流入。當對二甲苯類單體的氣體與常溫物體接觸時，在其表面進行對二甲苯類單體的聚合，均勻地形成對二甲苯類聚合物。由此，在容器內的半導體元件la、lb、焊料2、熱擴散器 3、導線4以及引線框fe、5b的表面，均勻地形成了對二甲苯類聚合物的有機薄膜8。對于所形成的有機薄膜8的厚度來說，5 10 μ m是合適的。這是因為，當較厚時，能夠提高耐濕性以及耐壓性，但是，當過于厚時，存在由于有機薄膜8和各構件的膨脹系數之差而產生的應力變大的可能性。此外，在本實施方式中，在之后的工序中，在熱擴散器3的下表面貼附絕緣片7，所以，熱擴散器3的下表面緊貼下夾具22，在該部分未形成有機薄膜8。根據這樣使用有機材料的氣體形成有機薄膜8的方法，即便物體是復雜的形狀， 也能夠在其表面形成均勻的有機薄膜8。因此，在半導體元件la、lb的上表面與引線框恥之間或較細的導線4的表面都能夠形成均勻的有機薄膜8。此外，能夠將有機薄膜8的生長 (堆積)厚度控制為微米級，能夠容易且高精度地進行由有機薄膜8的厚度所引起的絕緣性和熱應力等彼此折衷的特性的調整。實施方式2
圖3是表示實施方式2的半導體裝置的結構的剖面圖。相對于圖1的結構，該半導體裝置在半導體元件la、Ib的上表面側也設置有熱擴散器。此處，使引線框恥的一部分較厚， 作為熱擴散器9而起作用。S卩，半導體元件la、lb以被上側的熱擴散器9和下側的熱擴散器3夾持的方式配設。引線框恥的一部分即熱擴散器9的上表面從模塑樹脂6露出，并貼附有絕緣片7。在本實施方式中，模塑樹脂6所保持的各構件(半導體元件la、lb、焊料2、熱擴散器3、導線4、引線框fe、5b)和該模塑樹脂6之間形成了有機薄膜8。與實施方式1同樣地， 半導體原件la、Ib的側面完全被有機薄膜8覆蓋，但是，半導體元件la、Ib的上方配設有熱擴散器9，所以，除了一部分(面對模塑樹脂6的部分)之外，被有機薄膜8覆蓋。此外，與實施方式1同樣地，在半導體元件la、lb的下方(熱擴散器3側)也未形成有機薄膜8。在本實施方式中，分別在半導體裝置的上表面側、下表面側設置有熱擴散器9、3， 所以，能夠得到更高的散熱性。此外，隔熱性高的有機薄膜8介于半導體元件la、lb的側面與模塑樹脂6之間，所以，在半導體元件la、lb中產生的熱向模塑樹脂6傳導的情況被抑制，能夠效率良好地向熱擴散器3、9散熱。但是，在半導體元件la、lb與熱擴散器3的間隔以及半導體元件la、lb與熱擴散器9 (引線框恥)的間隔(即，它們之間的焊料2的厚度)分別是數百μπι左右。特別是，在圖3所示的半導體元件la、Ib的上下設置有熱擴散器9、3的結構中，在冷卻性方面，焊料2 的厚度較薄是有利的。但是，當其過于薄時，引線框恥和熱擴散器3之間(發射極電極與集電極電極之間)的空間變窄，容易在該部分的模塑樹脂6中產生孔隙，所以，在絕緣性方面不利。與實施方式1相同地，若以使用有機材料的氣體的方法形成有機薄膜8，則也能夠在這樣狹窄的空間均勻地形成絕緣性較高的有機薄膜8，所以，即便產生孔隙，也能夠抑制引線框恥與熱擴散器3之間的絕緣性的惡化。即，以使用有機材料的氣體的方法形成有機薄膜8，由此，能夠防止半導體裝置的絕緣性的惡化，并且能夠使焊料2變薄以提高散熱性。實施方式3
圖4是表示實施方式3的半導體裝置的結構的剖面圖。在本實施方式中，在從模塑樹脂6露出的熱擴散器3的下表面也形成有機薄膜8。由于有機薄膜8具有優良的絕緣性，所以，不需要在熱擴散器3的下表面貼附絕緣片7，能夠降低制造成本。此外，在熱擴散器3的下表面形成有機薄膜8，所以，在以圖2進行了說明的有機薄膜8的形成方法中，在使熱擴散器3從下夾具22上浮起的狀態下使有機材料的氣體流入容器內即可。此外，本實施方式也能夠應用于實施方式2。即，在圖3的結構中，可以在熱擴散器 3的下表面和熱擴散器9的上表面形成有機薄膜8。在該情況下，也能夠省略熱擴散器9的絕緣片7。實施方式4
在實施方式1 3中，示出了模塑型的半導體裝置的例子，但是，本發明也能夠應用于殼體型的半導體裝置。此處，示出將本發明應用于殼體型的半導體裝置的例子。圖5是示出實施方式4的半導體裝置的結構的剖面圖。半導體元件la、lb隔著焊料2固定在金屬化絕緣基板10 (支撐基板)上。這些半導體元件la、lb以及金屬化絕緣基板10容納在樹脂殼體12內。樹脂殼體12在其底部具有散熱板11，在其上使用焊料2固定有金屬化絕緣基板10。此外，樹脂殼體12具有端子部13a、13b，在圖5的例子中，半導體元件Ia經由導線 4連接到端子部13a，半導體元件Ib經由導線4連接到端子部13b。此外，半導體元件la、 Ib之間也經由導線4而連接。在本實施方式中，將搭載了半導體元件la、lb的金屬化絕緣基板10固定在樹脂殼體12內的散熱板11上，利用導線4進行布線之后，在樹脂殼體12的內部形成有機薄膜8。 與實施方式1相同地，有機薄膜8的形成方法可以是使用有機材料的氣體的方法(圖2)。在本實施方式中，容納在樹脂殼體12內的各構件(半導體元件la、lb、焊料2、導線 4、金屬化絕緣基板10)以及樹脂殼體12的內表面(包括端子部13b以及散熱板11)的表面形成有機薄膜8。此處，對于有機薄膜8的厚度來說，5 ΙΟμπι左右是適當的。著眼于半導體元件la、Ib的周圍的有機薄膜8，半導體元件la、Ib的上方和側面完全被有機薄膜8覆蓋。另一方面，不在半導體元件la、lb的下方(金屬化絕緣基板10側)形成。為了提高耐濕性以及耐壓性，在形成有機薄膜8之后，與現有技術相同地，在樹脂殼體12內，填充硅凝膠等的樹脂并用蓋14進行密封。但是，在本實施方式中，在容納于樹脂殼體12內的各構件的表面形成有耐熱性以及耐濕性優良的有機薄膜8，所以，能夠省略樹脂的填充(在樹脂殼體12內密封有空氣)。在本實施方式中，覆蓋容納于樹脂殼體12內的各構件的表面的有機薄膜8非常薄 (5 10 μ m左右)，所以，能夠防止因有機薄膜8與各構件的熱膨脹系數之差而產生的應力變大。此外，半導體元件la、lb的上方以及側面被隔熱性高的有機薄膜8覆蓋，所以，在半導體元件la、lb中產生的熱向模塑樹脂6傳導的情況被抑制，能夠效率良好地向熱擴散器3散熱。因此，也能夠有助于作為半導體裝置整體的散熱性的提高。此外，在以往的殼體型的半導體裝置中，通常在樹脂殼體內部填充硅凝膠等樹脂， 但是，在本實施方式中能夠將其省略。如果省略樹脂的填充，則當然能夠降低制造成本，在高溫下使用半導體裝置時，也不產生由于樹脂中產生的應力而使樹脂殼體12內的構件(導線4等)破損的問題。因此，能夠有助于半導體裝置的溫度循環壽命的長期化。
權利要求
1.一種半導體裝置，其特征在于，具有 半導體元件，搭載在熱擴散器上； 引線框，與所述半導體元件電連接；模塑樹脂，保持所述半導體元件、所述熱擴散器以及所述引線框，形成外殼；以及有機薄膜，介于所述半導體元件和所述模塑樹脂之間， 所述半導體元件的上方以及側面被所述有機薄膜覆蓋。
2.如權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于，所述熱擴散器的下表面從所述模塑樹脂露出，并且貼附有絕緣片。
3.如權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于， 所述熱擴散器的下表面從模塑樹脂露出，所述有機薄膜也覆蓋所述熱擴散器的下表面。
4.如權利要求1 3的任意一項所述的半導體裝置，其特征在于， 所述半導體元件是碳化硅半導體元件。
5.一種半導體裝置，其特征在于，具有半導體元件，配設在上側的第一熱擴散器與下側的第二熱擴散器之間； 引線框，與所述半導體元件電連接；模塑樹脂，保持所述半導體元件、所述第一及第二熱擴散器以及所述引線框，形成外殼；以及有機薄膜，介于所述半導體元件和所述模塑樹脂之間， 所述半導體元件的側面被所述有機薄膜覆蓋。
6.如權利要求5所述的半導體裝置，其特征在于，所述第一熱擴散器的上表面以及所述第二熱擴散器的下表面從所述模塑樹脂露出，并且貼附有絕緣片。
7.如權利要求5所述的半導體裝置，其特征在于，所述第一熱擴散器的上表面以及所述第二熱擴散器的下表面從所述模塑樹脂露出， 所述有機薄膜也覆蓋所述第一熱擴散器的上表面以及所述第二熱擴散器的下表面。
8.如權利要求5 7的任意一項所述的半導體裝置，其特征在于， 所述半導體元件是碳化硅半導體元件。
9.一種半導體裝置，其特征在于，具有 半導體元件；支持基板，搭載有所述半導體元件；樹脂殼體，具有經由布線而與所述半導體元件電連接的端子部，并且，容納所述半導體裝置以及所述支持基板；以及有機薄膜，形成在所述半導體元件的表面， 所述支持基板載置于在所述樹脂殼體的底部所設置的散熱板上， 所述半導體元件的上方以及側面被所述有機薄膜覆蓋。
10.如權利要求9所述的半導體裝置，其特征在于， 在所述樹脂殼體內未填充樹脂。
11.如權利要求9或10所述的任意一項所述的半導體裝置，其特征在于，所述半導體元件是碳化硅半導體元件。
全文摘要
本申請發明涉及一種半導體裝置。抑制半導體裝置的耐濕性的降低并且謀求提高耐熱性。半導體裝置具有搭載在熱擴散器(3)上的半導體元件(1a)、(1b)、與該半導體元件(1a)、(1b)連接的引線框(5a)、(5b)以及對這些進行保持并且形成外殼的模塑樹脂(6)。半導體元件(1a)、(1b)的上方以及側面被形成在該半導體元件(1a)、(1b)和模塑樹脂(6)之間的有機薄膜(8)覆蓋。
文檔編號H01L23/28GK102290387SQ20111007826
公開日2011年12月21日 申請日期2011年3月30日 優先權日2010年6月16日
發明者加藤肇 申請人:三菱電機株式會社