半導體裝置的制造方法
【專利摘要】半導體裝置具備：層疊基板，具有電路板；半導體芯片，固定于電路板；端子，具有筒狀的前端部、和非筒狀的布線部，且前端部和布線部由一個導電部件構成；以及接合材料，對電路板和前端部進行電連接和機械連接。
【專利說明】
半導體裝置
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種半導體裝置。
【背景技術】
[0002]作為半導體裝置之一的功率半導體模塊具備:層疊基板、半導體芯片、殼體和端子。層疊基板例如通過依次層疊電路板、絕緣板和金屬板而構成。此外，半導體芯片通過接合材料而電連接且機械連接于電路板的一個區域。此外，殼體容納金屬基板和半導體芯片，且殼體內填充有密封材料。端子的一端通過接合材料而電連接且機械連接于在半導體芯片的正面設置的電極和/或電路板，端子的另一端從殼體引出到外部。接合材料例如為焊錫。
[0003]功率半導體模塊的端子大體上分為兩類，其中一類為主端子。主端子的主要功能是經由半導體芯片等而流通主電流。另一類為控制端子，它也被稱為感測端子。控制端子的主要功能是向半導體芯片輸入控制信號，另外還引導溫度檢測用的信號。
[0004]主端子的與電路板接合的部分的截面積具有根據電流額定值所需的預定的面積。此外，基于確保可靠性的觀點，主端子與電路板以能夠充分接合的形狀進行焊接。另一方面，控制端子只流通微小的電流，或僅被施加電壓。因此，控制端子的與半導體芯片的正面電極和/或電路板接合的部分的面積，與主電流的電流額定值無關，而具有與產品的封裝形狀對應的預定的面積。與端子接合的半導體芯片的正面電極和/或電路板的區域具有比端子的前端大的面積。
[0005]專利文獻I中圖示有由導電板構成，并具有折彎成L字形的前端的端子。此外，專利文獻2中記載有由線材引腳和插入線材引腳的筒狀部構成的端子。
[0006]現有技術文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻I:日本特開2004-6603號公報
[0009]專利文獻2:日本特開2010-283107號公報
【發明內容】
[0010]技術問題
[0011]具有折彎成L字形的前端的端子與電路板接合時，端子的前端堆疊在涂布于電路板的焊錫膏上并被加熱。由加熱而熔融的焊錫由于表面張力而凝集在端子的前端附近。
[0012]然而，存在熔融的焊錫的一部分飛濺而附著到電路板的側面的情況。這一情況有可能引發絕緣不良。此外，存在熔融的焊錫成為蔓延到電路板的端部的狀態的情況。這一情況有可能在功率半導體模塊的熱循環試驗或熱沖擊試驗時，由于焊錫與電路板之間的線膨脹系數的差而產生熱應力，導致電路板從絕緣板剝離。
[0013]作為上述的絕緣不良和剝離的應對方案而進行的有:將端子的接合位置遠離電路板的端部，和將電路板的面積設置為充分大于端子的前端的截面積。可是，這些應對方案會限制電路板配置的自由度。
[0014]本發明為有利地解決上述問題的發明，其目的在于提供一種能夠抑制電路板與絕緣板的剝離和絕緣不良，此外，能夠提高電路板配置的自由度的半導體裝置。
[0015]技術方案
[0016]本發明的一個形態的半導體裝置，具備:層疊基板，具有電路板;半導體芯片，固定于上述電路板;端子，具有筒狀的前端部、和非筒狀的布線部，且上述前端部和上述布線部由一個導電部件構成；以及接合材料，對上述電路板和上述前端部進行電連接和機械連接。
[0017]此外，本發明的另一個形態的半導體裝置，具備:層疊基板，具有電路板;半導體芯片，在正面具備電極，且背面被固定于上述電路板;端子，具有筒狀的前端部、和非筒狀的布線部，且上述前端部和上述布線部由一個導電部件構成；以及接合材料，對上述電極和上述前端部進行電連接和機械連接。
[0018]技術效果
[0019]根據本發明的半導體裝置，能夠抑制電路板與絕緣板的剝離和絕緣不良，此外，能夠提高電路板配置的自由度。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的實施方式一的半導體裝置的示意性截面圖。
[0021]圖2是實施方式一的端子的說明圖。
[0022]圖3是實施方式一的端子的作用效果的截面圖。
[0023]圖4是實施方式二的端子的說明圖。
[0024]圖5是實施方式三的端子的說明圖。
[0025]圖6是實施方式四的端子的說明圖。
[0026]圖7是實施方式三和實施方式四的端子的作用效果的截面圖。
[0027]圖8是將參考例的端子用于與半導體芯片連接的情況的俯視圖。
[0028]圖9是將實施方式五的端子用于與半導體芯片連接的情況的俯視圖。
[0029]符號說明
[0030]1:半導體裝置
[0031]2:底板
[0032]3:層疊基板
[0033]3a:絕緣板
[0034]3b:金屬板
[0035]3c、3cl、3c2:電路板
[0036]4:接合材料
[0037]5:半導體芯片
[0038]5e:電極
[0039]6:接合材料
[0040]6a:圓角(Fillet)
[0041]7、8、9:端子
[0042]10:鍵合線
[0043]11:框體
[0044]12:密封材料
[0045]13:蓋
[0046]20:前端部
[0047]20a ?20e:側面
[0048]20g:缺口(Gap)
[0049]20s:狹縫(Slit)
[0050]21:布線部
【具體實施方式】
[0051 ](實施方式一)
[0052]以下，參照附圖對本發明的半導體裝置的實施方式進行具體說明。
[0053]圖1中以示意性截面圖示出的本實施方式的半導體裝置I為功率半導體模塊的例子。半導體裝置I具備:層疊基板3、半導體芯片5、端子7?9和接合材料6。進一步地，半導體裝置I具備:底板2、框體11、密封材料12和蓋13。
[0054]層疊基板3由絕緣板3a、設置在絕緣板3a的一側的面的金屬板3b、設置在絕緣板3a的另一側的面的電路板3c構成。絕緣板3a和金屬板3b具有大致四邊形的平面形狀。絕緣板3a例如由氮化鋁、氮化硅或氧化鋁等絕緣性陶瓷構成，金屬板3b、電路板3 c例如由銅構成。對于層疊基板3，可以使用將絕緣板3a與金屬板3b、電路板3c這些基板直接接合而得的DCB(Direct Copper Bond:直接鍵合銅)基板等。金屬板3b通過焊錫等接合材料4與底板2的主表面接合。
[0055]電路板3c在圖示的例子中具有構成預定的電路的3cl、3c2。在電路板3cl通過導電性的接合材料6例如焊錫接合有半導體芯片5。導電性的接合材料可以為選自焊錫、金屬膏及導電性粘結劑中的一種。
[0056]半導體芯片5在正面和背面分別設置有電極。并且，背面的電極通過焊錫等導電性的接合材料4而電連接且機械連接于電路板3cl。“電連接且機械連接”不限于目標物體彼此通過直接接合而連接的情況，還包括通過焊錫和/或金屬燒結材料等導電性的接合材料來連接目標物體彼此的情況，在以下的說明中也是同樣的。
[0057]半導體芯片5，具體說來，例如是肖特基勢皇二極管、功率MOSFET、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)等。半導體芯片5可以是硅半導體，也可以是SiC半導體。在半導體芯片5為碳化硅(SiC)功率MOSFET的情況下，與硅半導體芯片相比為高耐壓，且能夠以高頻率進行開關，因此最適合作為本實施方式的半導體裝置的半導體芯片5。不過，半導體芯片5不限于IGBT、功率M0SFET，也可以是能夠進行開關動作的一個半導體元件或多個半導體元件的組合。
[0058]在本實施方式中，作為一例，對半導體芯片5為IGBT的情況進行說明。在此情況下，半導體芯片5的背面的電極為集電極，正面的電極為發射極和柵極。
[0059]在電路板3cl通過焊錫等導電性的接合材料6而電接合且機械接合有作為主端子的端子7。端子7與半導體芯片5的背面的集電極電連接。此外，在半導體芯片5的正面的發射極通過焊錫等導電性的接合材料6而電連接且機械連接有作為主端子的端子8。進一步地，在電路板3c2通過焊錫等導電性的接合材料6而電連接且機械連接有與半導體芯片5的柵極電連接的作為控制端子的端子9。電路板3c2與半導體芯片的柵極通過鍵合線10而電連接。即，在本實施方式中端子7為集電極端子，端子8為發射極端子，端子9為柵極端子。
[0060]散熱用的金屬制的底板2由導熱性良好的金屬，例如銅等構成，并具有大致四邊形的平面形狀。
[0061]在底板2的周邊通過未圖示的粘結劑而粘結有由樹脂構成的框體11。此外，在框體11的上部固定有蓋13。通過底板2、框體11、蓋13構成半導體裝置I的殼體。并且，在殼體內容納有層疊基板3和半導體芯片5，并填充有提高絕緣性的密封材料12。
[0062]圖2中示出端子7?9的主視圖(圖2(A))、側視圖(圖2(B))和俯視圖(圖2(C))。此夕卜，圖2(D)為前端部形成前的端子7?9的展開圖。
[0063]端子7?9由前端部20和布線部21構成。前端部20利用接合材料6與電路板3c和/或半導體芯片5的正面電極進行電連接和機械連接。此外，布線部21具有從連接于前端部20的位置起向半導體裝置I的預定的位置進行電氣布線的功能。并且，前端部20為筒狀，布線部21為非筒狀的形狀(在本實施例中為板狀)。前端部20具有:與布線部21—體地連續的側面20a、與側面20a垂直的側面20b和20c。并且，在側面20b和側面20c之間配置有沿筒的軸向延伸的缺口 20g。即，就端子7?9而言，前端部20和布線部21由一個導電部件構成。在本實施例中，如圖2(D)的展開圖可知，將一張導電板沿折彎線L1、L2進行折彎加工而配置側面20a、20b、20c和缺口 20g，形成筒狀的前端部20。如圖2(C)所示，前端部20具有由三個側面構成的大致U字形的橫截面形狀。換言之，前端部20的垂直于筒的軸的截面具有一邊開口的四邊形，更具體地為長方形。
[0064]缺口20g沿前端部20的筒的軸向延伸。并且，設置在與側面20a相向的位置，側面20a為布線部21和前端部20的連結位置。
[0065]端子7?9的材料為銅板，并且根據需要而實施鍍鎳。作為端子7?9如果使用與在通常的功率半導體模塊中使用的導電板相同的材料，具體地，與導線相同的材料，則容易獲取材料。因此，可以以低價制造端子7?9。
[0066]利用圖3來說明具有前端部20的端子7?9(端子9在這里為控制端子)的作用效果。在對端子9進行接合時，在將電路板3c2與端子9的前端之間空出0.5?1.0mm的程度的間隔c的狀態下進行加熱。熔融的接合材料6由于表面張力而凝集，并與端子9的前端接觸。由于前端部20為筒狀，所以熔融的接合材料6由于毛細作用而被向上吸入到筒狀的前端部20的內部。并且，當將熔融的接合材料6冷卻并固化時，在電路板3c2與端子9的前端之間形成圓角6a。由此，接合材料6在電路板3c 2上所占的面積為由前端部20包圍的部分和圓角6a的總和。該面積與使用具有折彎成L字形的前端的專利文獻I所記載的端子的情況相比要小。因此，由于熔融的接合材料6不會蔓延到電路板3c2的端部，所以能夠抑制電路板3c從絕緣板3a剝離。此外，由于能夠抑制熔融的接合材料6的一部分飛濺而附著到電路板3c的端部的側面，所以能夠抑制絕緣不良。
[0067]此外，與專利文獻2所記載的筒狀部相比，由于前端部20采用簡單的結構，所以能夠降低部件的成本。進一步地，前端部20的折彎加工容易，并且與專利文獻2所記載的預先焊接筒狀部，進而插入線材引腳的工序相比，能夠削減工序，從而能夠降低制造成本。
[0068]此外，進一步地，在專利文獻2所記載的技術中，如果在筒狀部的內部加入過多的熔融的接合材料，則會阻礙線材引腳的插入，所以需要嚴格控制接合材料的量。另一方面，在本實施方式中即使在筒狀的前端部20的內部加入過多的熔融的接合材料6也不會產生特別的阻礙，因此，不需要嚴格控制接合材料的量。因此，能夠降低制造成本。應予說明，前端部20的高度優選為比被向上吸入前端部20內的接合材料6的高度要高，以使接合材料6即使過剩也不從前端部20溢出。
[0069]如果電路板3c與端子9的前端之間的間隔c設定為0.5?1.0mm的程度，則在端子9的前端附近的接合材料6能夠形成形狀良好的圓角6a，因此優選。
[0070]前端部20具有缺口20g，由此在加熱時熔融的接合材料6可通過缺口 20g在筒狀的前端部20的內外移動。因此，與前端部20不具有缺口 20g的情況相比，能夠形成寬度和高度都大的圓角6a。因此，能夠提高接合材料6的接合強度，并能夠提高接合的可靠性。
[0071]此外，如圖1所示，也可以將端子7?9的布線部21的與前端部20相反的一側的端部直接引出到半導體裝置I的殼體的外部。這是因為端子7?9通過筒狀的前端部20被牢固地接合，所以即使從外部對端子7?9施加應力，接合部也不會剝離。通過將布線部21直接引出到殼體的外部，從而不需要外部引出用的專用端子，所以能夠降低制造成本。
[0072]此外，在本實施方式中布線部21為板狀，但只要能夠以非筒狀的形狀容易地在預定的位置布線，無論何種形狀都可以。在本實施方式中，布線部21為非筒狀的形狀的理由是因為筒狀難以折彎，因此如果布線部為筒狀則難以布線到預定的位置。因此，對于布線部21的形狀，適用板狀、棒狀、線狀等容易進行折彎加工的形狀。
[0073]應予說明，在本實施方式中，使用框體11、密封材料12和蓋13來構成半導體裝置I。另一方面，也可以通過使用熱固化性樹脂的嵌件成型來密封半導體芯片等，從而構成半導體裝置。由此，能夠實現半導體裝置的小型化。
[0074]此外，在本實施方式中，作為接合材料6而使用焊錫，但只要是能夠以液態在前端部20形成圓角6a的導電性的接合材料，無論使用何種接合材料都可以。作為接合材料6也可以使用例如金屬膏、導電性粘結劑。
[0075](實施方式二)
[0076]圖4中示出實施方式二的端子7?9的俯視圖。這是與實施方式一的圖2(C)對應的圖。
[0077]實施方式二的半導體裝置的端子7?9將其側面20b、20c的折彎加工的加工程度增大而減小了兩側端之間的缺口 20g。由此，前端部20的垂直于筒的軸的截面形狀具有大致梯形的形狀。除此之外具有與利用圖2、圖3說明的實施方式一相同的構成。本實施方式的端子7?9具有與實施方式一的端子7?9同樣的作用效果。此外，進一步地，與實施方式一相比能夠縮小接合面積，因此，在將端子接合于狹窄區域的情況下是有效的。
[0078](實施方式三)
[0079]圖5(A)?圖5(C)中示出實施方式三的端子7?9。這是與實施方式一的圖2(A)、圖2(C)和圖2(D)對應的圖。
[0080]實施方式三的半導體裝置的端子7?9具有:筒狀且橫截面形狀為大致長方形的前端部20、和板狀的布線部21。前端部20具有:與布線部21—體地連續的側面20a、與側面20a垂直的側面20b和側面20c、與側面20b、側面20c垂直且寬度比它們窄的側面20d和側面20e。并且，在側面20d與側面20e之間，配置有沿筒的軸向延伸的缺口20g。如圖5(C)的展開圖可知，將一張導電板沿折彎線LI?L4進行折彎加工來配置側面20a?20e和缺口 20g，從而形成筒狀的前端部20。
[0081]實施方式三的端子7?9除了前端部20的橫截面形狀不同之外，具有與實施方式一、實施方式二的端子7?9相同的構成。并且，本實施方式的端子7?9具有與實施方式一、實施方式二的端子7?9同樣的作用效果。進一步地，在本實施方式中，由于與實施方式一、實施方式二相比，前端部20的側面的面積擴大，所以容易引起熔融的接合材料6的毛細作用。
[0082]端子7?9并不限于在實施方式一?三中所說明的具有長方形或梯形的橫截面形狀的前端部20，可以進行各種變形。例如，可以為多邊形或圓形的橫截面形狀。前端部20的內徑為可通過毛細作用而將熔融的接合材料6向上吸入到前端部20內部的內徑。
[0083](實施方式四)
[0084]圖6(A)?圖6(C)中示出實施方式四的端子7?9。這是與實施方式一的圖2(A)、圖2(B)和圖2(D)對應的圖。
[0085]實施方式四的半導體裝置的端子7?9與實施方式三的端子7?9同樣，具有:筒狀且橫截面形狀為大致長方形的前端部20、和板狀的布線部21。進一步地，在本實施方式中，如圖6 (B)的側視圖和圖6 (C)的展開圖所示，在側面20a、側面20b和側面20 c，在利用接合材料6連接的一側配置有分別沿筒的軸向延伸的多個，在圖示例中為三個狹縫20s。
[0086]S卩，實施方式四的端子7?9除了配置有狹縫20s之外，具有與實施方式三的端子7?9相同的構成。因此，實施方式四的端子7?9具有與實施方式三的端子7?9同樣的效果。進一步地，實施方式四的端子7?9由于在前端部20配置有狹縫20s，所以在加熱時熔融的接合材料6可以通過狹縫20s在筒狀的前端部20的內外移動。因此，與前端部不具有狹縫20s的情況相比，可形成寬度和高度都大的圓角6a。
[0087]將不具有狹縫20s的實施方式三的截面圖示于圖7(A)，將具有狹縫20s的實施方式四的截面圖示于圖7(B)。根據圖7(A)和圖7(B)的對比，實施方式四的接合材料6的圓角6a比實施方式三的接合材料6的圓角6a大。因此，在實施方式四中，能夠進一步提高端子7?9的接合強度，因此在要求接合強度的情況下是有效的。此外，在實施方式三中，能夠縮小接合材料6的寬度，因此在電極和/或電路板無法取得較大面積的情況等想要縮小接合材料6的設置面積的情況下是有效的。
[0088]此外，在本實施方式中，在相向的側面20b和側面20c分別配置有狹縫20s。這樣通過在彼此相向的位置上配置兩個狹縫20s，能夠如圖7(B)所示那樣使接合材料6的圓角6a為線對稱形狀。因此，能夠在如端部20中使相向的側面彼此的接合力為均等，有效提尚可靠性。應予說明，如前所述，缺口20g和狹縫20s都具有相同的功能。因此，如本實施方式所示，在彼此相向的位置上配置缺口 20g和狹縫20s也是有效的。
[0089]具有狹縫20s的端子7?9的前端部分的橫截面形狀不限于圖6所示的長方形，也可以應用圖3所示的梯形、其他多邊形和/或圓形的橫截面形狀。
[0090](參考例)
[0091]圖8是將專利文獻I所記載的L字形的端子108用于與半導體芯片105連接的情況的俯視圖。
[0092]L字形的端子108通過導電性的接合材料(未圖示)而電連接且機械連接于半導體芯片105的正面的電極105e。此外，將配置于半導體芯片5的正面電極設置為長方形。
[0093]對于半導體芯片105來說，存在將利用接合材料進行的芯片背面與電路板的接合、和利用接合材料進行的正面與端子108的接合通過同一加熱工序來實施的情況。在此情況下，半導體芯片的背面側的接合材料也熔融，因此在端子108的前端形狀與電極105e相比相對小的情況下，半導體芯片105有可能當場發生旋轉。
[0094](實施方式五)
[0095]圖9是將實施方式五的端子8用于與半導體芯片5連接的情況的俯視圖。
[0096]在實施方式五中，將端子8的側面20a、20b、20c中的一邊設置為比在半導體芯片5的正面存在的長方形的電極5e的一邊5el(短邊)或5e2(長邊)長。換言之，將端子8的成為長邊的側面20b(20c)設置為比電極5e的短邊5el長。由此，能夠防止半導體芯片5當場發生旋轉。即，根據本實施方式，能夠實現半導體芯片5的自對準(self alignment)。
[0097]以上，利用附圖和實施方式對本發明的半導體裝置進行了具體的說明，但本發明的半導體裝置并不限于實施方式和附圖的記載，在不脫離本發明的主旨的范圍內，可進行各種變形。例如，前端部20不限于相對于電路板3c或半導體芯片5的表面垂直地設置的情況，也可以具有預定的角度。此外，也可以在前端部20上預先附著有焊錫膏。
【主權項】
1.一種半導體裝置，其特征在于，具備: 層置基板，具有電路板； 半導體芯片，固定于所述電路板； 端子，具有筒狀的前端部、和非筒狀的布線部，且所述前端部和所述布線部由一個導電部件構成；以及 接合材料，對所述電路板和所述前端部進行電連接和機械連接。2.一種半導體裝置，其特征在于，具備: 層置基板，具有電路板； 半導體芯片，在正面具備電極，且背面被固定于所述電路板； 端子，具有筒狀的前端部、和非筒狀的布線部，且所述前端部和所述布線部由一個導電部件構成；以及 接合材料，對所述電極和所述前端部進行電連接和機械連接。3.根據權利要求1或2所述的半導體裝置，其特征在于， 所述前端部具有沿筒的軸向延伸的缺口。4.根據權利要求3所述的半導體裝置，其特征在于， 所述缺口設置在與所述前端部和所述布線部的連結位置相向的位置。5.根據權利要求3所述的半導體裝置，其特征在于， 所述前端部的垂直于筒的軸的截面為一邊開口的四邊形。6.根據權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于， 所述前端部在利用所述接合材料連接的一側具有一個以上的狹縫。7.根據權利要求6所述的半導體裝置，其特征在于， 所述狹縫具備多個，所述狹縫中的兩個配置于彼此相向的位置。8.根據權利要求2所述的半導體裝置，其特征在于， 所述前端部的垂直于所述筒的軸的截面和所述電極為四邊形， 所述前端部的截面的一邊比所述電極的一邊長。9.根據權利要求1或2所述的半導體裝置，其特征在于， 所述布線部為板狀。10.根據權利要求1或2所述的半導體裝置，其特征在于， 所述布線部被引出到容納所述層疊基板和所述半導體芯片的殼體的外部。
【文檔編號】H01L23/48GK105981167SQ201580007474
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年6月23日
【發明人】小松康佑
【申請人】富士電機株式會社