半導體裝置及該半導體裝置的製造方法

2023-05-08 09:06:16 2

半導體裝置及該半導體裝置的製造方法
【專利摘要】本發明的半導體裝置具備塊模塊(2)、控制基板(3)、外包裝體(1)以及第二散熱板(25)，塊模塊(2)的內部具有功率半導體元件(11)和第一散熱板(17)，從塊模塊(2)引出了主電路端子(4)和控制端子(5)，控制基板(3)與所述控制端子(5)連接，外包裝體(1)收納塊模塊(2)及控制基板(3)，在第二散熱板(25)上通過連接螺釘(60)固定有外包裝體(1)。連接螺釘(60)以相對於第二散熱板(25)的表面法線傾斜了傾斜角θ的方式斜著插入。
【專利說明】半導體裝置及該半導體裝置的製造方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體裝置及該半導體裝置的製造方法。

【背景技術】
[0002]作為半導體裝置的一個例子，可以舉出開關元件等功率器件。在例如光伏發電系統的功率調節器、或電動機的旋轉控制中使用功率器件。將多個功率器件收納到一個塊模塊(block modul e)中而模塊化後的製品稱為功率模塊。
[0003]在例如專利文獻I中公開了與功率模塊相關的現有技術。在圖11中示出專利文獻I所公開的半導體裝置的簡要截面構造。
[0004]如圖11所示，在專利文獻I所涉及的半導體裝置中，在與金屬端子101 —起被嵌件成型的外包裝殼體102的下表面上以黏合材料104固定有主要材料為Cu(銅)的金屬片103。具有布線圖案的絕緣性基板105利用焊料106接合在金屬片103的上方。由絕緣柵雙極型電晶體和續流二極體(free wheel d1de)等構成的多個功率半導體元件107利用焊料(未在圖中示出)接合在絕緣性基板105的上方。外包裝殼體102的中繼端子108與形成在各功率半導體元件107表面的電極(未在圖中示出)利用Al (鋁)金屬線109連接在一起。在功率半導體元件107的正上方布置有控制基板112，在該控制基板112上安裝有:用來控制該功率半導體元件107的控制元件110 ;電容和電阻等無源元件111。通過在控制基板112中插入中繼端子108，從而功率半導體元件107與控制元件110電連接在一起。為了避免受到外部環境的影響，利用矽凝膠113等樹脂材料將這些功率半導體元件107的周圍空間(外包裝殼體102內的、在金屬片103與控制基板112之間的空間)封裝起來。
[0005]在專利文獻2中，記載了下述結構，即:使封裝體的底板從封裝體主體朝周圍延伸，利用螺釘將該延伸部分固定在底座上。
[0006]專利文獻1:日本公開專利公報特開2003-243609號公報
[0007]專利文獻2:日本公開專利公報特開平04-233752號公報


【發明內容】

[0008]-發明要解決的技術問題-
[0009]但是，在專利文獻I所記載的半導體裝置中，若從該半導體裝置的下表面進行的散熱不夠充分，就有可能發生下述情況，即:熱經由矽凝膠113傳導到控制基板112，控制基板112和控制元件110的可靠性降低。這是由於下述原因所引起的，即:雖然一般的功率半導體元件107即使發熱至150°C，在可靠性上也不會有問題，但是控制基板112和控制元件110的耐熱性有時候會低於功率半導體元件107。
[0010]而且，在專利文獻I所記載的半導體裝置中，若在金屬片103發生翹曲的情況下將半導體裝置安裝到散熱片上，有可能半導體裝置與散熱片之間的緊密接合性降低，從而某些部位的散熱性降低。
[0011]本發明是鑑於上述問題而完成的，其目的在於實現一種半導體裝置及其製造方法，該半導體裝置能夠抑制過量的熱從功率半導體元件傳導至控制基板，並且與散熱片等之間的緊密接合性高。
[0012]-用以解決技術問題的技術方案-
[0013]為達成上述目的，本發明所涉及的半導體裝置的特徵在於:該半導體裝置具備塊模塊、控制基板、外包裝體以及第二散熱板，塊模塊的內部具有功率半導體元件和第一散熱板，從塊模塊引出了主電路端子和控制端子，控制基板與控制端子相連接，外包裝體收納塊模塊及控制基板，在第二散熱板上通過連接螺釘固定有外包裝體，連接螺釘以相對於第二散熱板的表面法線傾斜了傾斜角Θ的方式斜著插入。
[0014]此外，為達成上述目的，本發明所涉及的半導體裝置的特徵在於:該半導體裝置具備塊模塊、控制基板、外包裝體以及第二散熱板，塊模塊的內部具有功率半導體元件和第一散熱板，從塊模塊引出了主電路端子和控制端子，控制基板與控制端子相連接，外包裝體收納塊模塊及控制基板，在第二散熱板上固定有外包裝體，在將第一散熱板與第二散熱板平行地布置時的外包裝體的一個面在外包裝體未固定在第二散熱板上的狀態下相對於第二散熱板的表面傾斜了傾斜角Θ，在將第一散熱板與第二散熱板平行地布置時的外包裝體的所述一個面在外包裝體已固定在第二散熱板上的狀態下與第二散熱板的表面平行。
[0015]此外，為達成上述目的，本發明所涉及的半導體裝置的製造方法的特徵在於:準備塊模塊、控制基板以及外包裝體，塊模塊的內部具有功率半導體元件和第一散熱板，從塊模塊引出了主電路端子和控制端子，控制基板與控制端子相連接，外包裝體收納塊模塊及控制基板，並且具有與主電路端子接合在一起的連接端子，利用以相對於第二散熱板的表面法線傾斜了傾斜角Θ的方式插入的連接螺釘將一個面傾斜了傾斜角Θ的外包裝體固定到第二散熱板上。
[0016]-發明的效果-
[0017]根據本發明，能夠實現一種半導體裝置及其製造方法，該半導體裝置能夠抑制過量的熱從功率半導體元件傳導至控制基板，並且與散熱片等之間的緊密接合性高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是簡要剖視圖，其示出安裝到第二散熱板之前的、第一實施方式所涉及的半導體裝置的主要部分。
[0019]圖2是示出第一實施方式所涉及的塊模塊的內部的簡要俯視圖。
[0020]圖3是沿著圖2的II1-1II線的簡要剖視圖。
[0021]圖4是示出第一實施方式所涉及的塊模塊的電路圖。
[0022]圖5(a)?圖5(d)是簡要剖視圖，其按照工序順序示出第一實施方式所涉及的半導體裝置的製造方法所獲得的半導體裝置的主要部分。
[0023]圖6(a)?圖6(c)是簡要剖視圖，其按照工序順序示出第一實施方式所涉及的半導體裝置的製造方法的主要部分。
[0024]圖7(a)是簡要剖視圖，其示出第一實施方式所涉及的半導體裝置安裝到第二散熱板後的狀態。圖7(b)是簡要剖視圖，其示出第一實施方式的一變形例所涉及的半導體裝置安裝到第二散熱板後的狀態。
[0025]圖8是簡要剖視圖，其示出安裝到第二散熱板之前的、第二實施方式所涉及的半導體裝置的主要部分。
[0026]圖9(a)?圖9(c)是簡要剖視圖，其按照工序順序示出第二實施方式所涉及的半導體裝置的製造方法的主要部分。
[0027]圖10是簡要剖視圖，其示出第二實施方式所涉及的半導體裝置安裝到第二散熱板後的狀態。
[0028]圖11是示出現有的半導體裝置的簡要剖視圖。

【具體實施方式】
[0029]以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。需要說明的是，在以下的說明中，雖然對作為開關元件使用了絕緣柵雙極型電晶體的半導體裝置進行說明，但本發明的元件不局限於絕緣柵雙極型電晶體。在下面的說明中，對同一結構標記同一符號，適當地省略了說明。在各附圖中，根據需要示出了 X軸、Y軸以及Z軸。
[0030](第一實施方式)
[0031]圖1示出了本發明的第一實施方式所涉及的半導體裝置的簡要截面構造。
[0032]如圖1所示，第一實施方式所涉及的半導體裝置由外包裝殼體1、安裝在該外包裝殼體I內的塊模塊2、以及布置在該塊模塊2的正上方的控制基板3構成。需要說明的是，在圖1中示出了安裝了一個塊模塊2的情況，但本實施方式所涉及的半導體裝置也可以將多個塊模塊2安裝到外包裝殼體I內。從塊模塊2引出了多個主電路端子4和多個控制端子5。外包裝殼體I是外包裝體的一個例子。
[0033]外包裝殼體I的底面設有傾斜角Θ，該傾斜角Θ是以該外包裝殼體I的底面的外側端部(外包裝殼體I的下端部)為基點，朝著外包裝殼體I的底面的內側端部向上方(+Z軸方向)傾斜的角度。也就是說，在外包裝殼體I的底面設有從外包裝殼體I的外側(外周一側)朝著外包裝殼體I的內側(塊模塊2 —側)向上方傾斜的傾斜角θ。外包裝殼體I的底面是外包裝殼體I的一面的一個例子。
[0034]本實施方式的特徵在於:內部安裝有塊模塊2的外包裝殼體I的底面具有如上所述的傾斜角Θ。在此，外包裝殼體I的底面是指:在外包裝殼體I中，布置了塊模塊2的那一側，而且是構成該塊模塊2的第一散熱板17外露的那一側的面。
[0035]在本實施方式中，在外包裝殼體I的底面是由四個邊構成的中空四邊形的情況下，構成外包裝殼體I的底面的四個邊中相對置的兩個邊的底面形成有至少傾斜角Θ。在外包裝殼體I的底面的相對置的兩個邊設置至少傾斜角Θ，是為了在將外包裝殼體I安裝到後述第二散熱板25時，通過使外包裝殼體I朝內側傾斜來提高塊模塊2與第二散熱板25之間的緊密接合性。
[0036]而且，在本實施方式中，將此時的外包裝殼體I底面的傾斜角Θ設定為:相對於外包裝殼體I的底面的內側端部的高度，塊模塊2(第一散熱板17)的底面的高度較低。換句話說，設定為:塊模塊2的下部沿著-Z軸方向從虛擬線A突出，該虛擬線A是將外包裝殼體I底面的相對置的內側端部之間連結的線。也就是說，在外包裝殼體I未固定在後述第二散熱板25上的狀態下，該虛擬線A通過塊模塊2 (第一散熱板17)的內部。
[0037]在此，如果假設塊模塊2從虛擬線A突出的量(=高度差)為D，那麼突出量D為正值。需要說明的是，該突出量D優選設定為不超過虛擬線B，該虛擬線B是將外包裝殼體I的底面的外側端部(外包裝殼體I的下端部)之間連結的線。若將突出量D設定為不超過虛擬線B，則運送如圖1所示的狀態的半導體裝置等時，能夠藉助外包裝殼體I的下端部來保護塊模塊2的下部。
[0038]主電路端子4沿著橫向、也就是說引線架10的主面的面內方向(in-plaindirect1n) (±X軸方方向)延伸，並且與外包裝殼體端子Ia連接在一起。在本實施方式中，為了使作業容易進行，通過斂縫接合(caulking)將主電路端子4與外包裝殼體端子Ia電氣接合在一起。例如能夠通過插入斂縫夾具來進行斂縫接合。其它的將主電路端子4和外包裝殼體端子Ia電連接起來的方法例如有:焊料接合或螺釘固定接合。
[0039]控制端子5相對於主電路端子4沿著垂直方向(+Z軸向)被引出，並且與控制基板3連接在一起。控制端子5插入形成在控制基板3上的穿通孔(未在圖中示出)內，通過軟釺焊而與控制基板3電氣接合，從而與控制基板3連接在一起。控制端子5形成為在與該控制端子5的長軸方向垂直的方向上的截面積小於主電路端子4的截面積。各控制端子5的位於控制基板3的下側處分別形成有突起部7，利用該突起部7支承控制基板3。
[0040]在控制基板3上安裝有例如:控制元件8 ;電阻和電容等無源元件9。
[0041 ] 在塊模塊2的內部布置有引線架10，在引線架10上方安裝有功率半導體元件11。功率半導體元件11通過Al (鋁)線14與引線架10的端子接合在一起。在引線架10的下表面上，隔著絕緣層16布置有第一散熱板17。塊模塊2構成為:除了引出到外部的主電路端子4以及控制端子5的一部分以外，由樹脂材料15封裝起來。也就是說，塊模塊2內置有:引線架10的一部分；多個功率半導體元件11 ;絕緣層16 ;以及第一散熱板17的一部分。
[0042]外包裝殼體I上形成有多個第一通孔20。在本實施方式中，如後所述，利用螺釘穿過該第一通孔20來將外包裝殼體I固定保持在後述第二散熱板25上，使第一散熱板17與第二散熱板25緊密接合。第一通孔20是用於以螺釘將外包裝殼體I固定的螺釘固定通孔的一個例子。
[0043]圖2示意地示出了本實施方式所涉及的塊模塊2的內部的平面結構。圖3示出沿著圖2的II1-1II線的簡要截面結構。圖4示出本實施方式所涉及的塊模塊2的迴路結構的一個例子。需要說明的是，塊模塊2的內部結構以及迴路結構不局限於在本實施方式中所說明的結構。
[0044]如圖2所示，在引線架10上方安裝有多個功率半導體元件11，引線架10由樹脂材料15封裝。功率半導體元件11例如是絕緣柵雙極型電晶體Ila和二極體lib。這些絕緣柵雙極型電晶體Ila和二極體Ilb並列地安裝在引線架10的上方。各功率半導體元件11由接合材料(未在圖中示出)接合在引線架10上。從散熱性的角度出發，優選使用例如Sn-Ag-Cu系焊料或燒結性Ag漿等導熱性良好的金屬類材料作為接合材料。能夠使用例如直徑為150 μπι左右的線狀Al(鋁)作為Al線14。需要說明的是，Al線14不一定是要呈線狀，也可以使用箔狀的Al(鋁)帶作為Al線14。能夠使用例如傳遞成型(transfermolding)用的熱固性環氧樹脂作為樹脂材料15。
[0045]如圖3所示，在引線架10的下表面上，隔著絕緣層16布置有第一散熱板17。從功率半導體元件11產生的熱通過第一散熱板17向外部散發。
[0046]在包含功率半導體元件11的電路中，會發生最大時超過數百V到1000V的電壓。為此，從安全性的角度出發，有必要使第一散熱板17與引線架10電氣絕緣。在本實施方式中，在第一散熱板17與引線架10之間設置絕緣層16。優選使用同時滿足散熱性和絕緣性的樹脂材料作為絕緣層16。例如，為了提高樹脂材料的散熱性，絕緣層16中能夠添加氧化鋁或氮化硼等具有高溫傳導性的添加物。
[0047]如圖4所示，本實施方式所涉及的半導體裝置具有例如兩個功率半導體元件11串聯連接而成的結構，該半導體裝置是具有正極端子、負極端子以及AC端子的單相分的逆變器。在引線架10上方安裝有兩個功率半導體元件11，一個功率半導體元件11成為正極側電路，另一個成為負極側電路。在半導體裝置中設有用於切換各電路的開狀態和關狀態的柵極。例如能夠通過組合三個具有上述電路結構的塊模塊2來形成三相交流電用逆變電路。通過形成三相交流電用逆變電路，能夠構成對電動機的旋轉進行控制的電路。
[0048]接著，使用圖5(a)?圖5(d)以及圖6(a)?圖6(c)來說明本實施方式所涉及的半導體裝置的製造方法。
[0049]首先，如圖5(a)所示，在準備好的引線架10上方安裝功率半導體元件11。在本實施方式中，如上所述，在引線架10上安裝絕緣柵雙極型電晶體Ila和二極體Ilb作為兩個為一組的功率半導體元件11。從散熱性的角度出發，優選使用導熱係數高的Cu(銅)作為引線架10的材質。優選使用導熱性良好的材料作為將功率半導體元件11接合到引線架10上的材料。
[0050]接著，如圖5(b)所示，利用Al線14將功率半導體元件11的表面電極與引線架10電氣接合在一起。在此，將絕緣柵雙極型電晶體Ila與二極體Ilb反向並聯地連接在一起，並將Al線14連接到引線架10上。若使用超聲波接合來接合Al線14，則能夠在常溫下進行接合，並且不需要使用接合材料，因此優選使用超聲波接合來接合Al線14。
[0051]接著，如圖5(c)所示，在引線架10的下表面上，隔著絕緣層16黏合第一散熱板17。具有黏合層的絕緣層16是預先在與第一散熱板17黏合在一起的狀態下加工為希望的形狀後，再與引線架10黏合在一起。需要說明的是，在使用熱固性樹脂材料作為絕緣層16的情況下，由於有第一散熱板17和引線架10這兩種被黏合體與本實施方式中的絕緣層16相黏合，因此有必要調整溫度等條件來避免在最初的黏合工序中樹脂材料完全固化而喪失黏合性。
[0052]接著，如圖5(d)所示，利用樹脂材料15進行封裝，將引線架10的包含兩個功率半導體元件11的區域包覆，從而製造成塊模塊2。可以舉出的在該情況下的封裝方法的一個例子為:進行將作為樹脂材料15的熱固性環氧樹脂注入封裝模具(未在圖中示出)內這樣的傳遞成型(transfer molding)。此時,優選設計為:第一散熱板17的底面與封裝模具接觸，在封裝後，第一散熱板17的底面外露。這是因為如果封裝時，樹脂材料15向第一散熱板17的底面流動而將第一散熱板17的底麵包覆住的話，從功率半導體元件11進行散熱的散熱路徑就會受到阻礙，熱阻會上升。
[0053]接著，如圖6(a)所示，切除引線架10的不必要的部分，之後，優選進行將多個控制端子5朝著分別與主電路端子4垂直的方向彎折的加工。通過進行這樣的加工，首先能夠形成塊模塊2。此時，在各控制端子5上預先形成突起部7。
[0054]接著，如圖6(b)所示，將形成的塊模塊2安裝到外包裝殼體I上。在外包裝殼體I的底面上設有上述的傾斜角Θ。本發明的特徵在於:在外包裝殼體I的底面上設有朝著該外包裝殼體I的底面內側向上方傾斜的傾斜角Θ。在外包裝殼體I的底面設置傾斜角Θ的效果後述。
[0055]在外包裝殼體I中能夠沿著橫向(圖1的Y軸方向)安裝多個塊模塊2，安裝的數量取決於半導體裝置的電路結構。為此，在外包裝殼體I中，有必要在與塊模塊2的主電路端子4相對應的位置分別預先形成外包裝殼體端子la。如上所述，能夠使用焊料接合、螺釘固定接合、斂縫接合或超聲波接合等來接合主電路端子4與外包裝殼體端子la。在此，若因為使用焊料接合等方式而使用接合材料，有可能因為熱膨脹係數之差而導致接合材料破裂。此外，若進行螺釘固定等機械式的連結，有時會因為接觸電阻提高而在大電流流過時發生電阻值的問題。為此，優選選擇例如斂縫接合或超聲波接合等能夠直接將端子間接合在一起的方法來進行端子間的接合。在本實施方式中，選擇斂縫接合方式，利用斂縫工具在主電路端子4以及外包裝殼體端子Ia上形成斂縫接合部21，從而將兩者接合在一起。
[0056]接著，如圖6 (C)所示，將塊模塊2的控制端子5插入控制基板3的穿通孔內，使控制基板3與塊模塊2之間電氣接合。在此，由於控制基板3被控制端子5的突起部7支承著，因此能在限制了控制基板3與塊模塊2之間的相對位置的狀態下固定控制基板3。由於本實施方式所涉及的半導體裝置具有如上述那樣對位置進行限制的構造，因此能夠抑制熱從功率半導體元件11向控制基板3傳導，即使功率半導體元件11成為高溫狀態，也能夠防止控制基板3和控制元件8的劣化、破壞。此外，若使各控制端子5的前端部呈前端變細的錐狀，則各控制端子5能夠容易地插入控制基板3的穿通孔內。
[0057]需要說明的是，也可以在控制基板3的外周部形成通孔或缺口，經由該通孔或缺口插入斂縫夾具來形成斂縫接合部21。在控制基板3上設置通孔或缺口的情況下，有可能因為外包裝殼體I在傾斜的狀態下固定到第二散熱板25上而導致控制基板3被夾往外包裝殼體I內而彎曲。為此，特別是在謀求半導體裝置的小型化的情況下，優選不設置通孔或缺口，並且使控制基板3小型化來使控制基板3布置在比斂縫位置更靠內側的位置上。
[0058]本實施方式所涉及的半導體裝置通過以上工序製造而成。
[0059]接著，作為按上述方式製造而成的半導體裝置，參照圖7(a)對在固定於第二散熱板25的狀態下的半導體裝置進行說明。
[0060]如圖7(a)所示，本實施方式所涉及的半導體裝置，在外包裝殼體I的相對置的兩個邊的底面上設有傾斜角Θ。為此，當利用多個連接螺釘60將外包裝殼體I固定到第二散熱板25上方時，外包裝殼體I以相對置的側面朝著內側傾斜了傾斜角Θ的狀態下被固定著。如上所述，設有傾斜角Θ的外包裝殼體I在被固定時朝著內側傾斜，由此，能夠使塊模塊2的第一散熱板17與第二散熱板25相互緊密接合。此時，由於形成在外包裝殼體I上的第一通孔20設置為與外包裝殼體I的側面平行，因此，各連接螺釘60以相對於第二散熱板25的上表面法線傾斜了傾斜角Θ的方式斜著插入。需要說明的是，由於在外包裝殼體I的底面上設有傾斜角Θ，因此在圖1所示的、在固定到第二散熱板25之前的狀態下的外包裝殼體I的側面與塊模塊2的底面之間呈垂直狀。相對於此，如圖7(a)所示，在固定到第二散熱板25上的狀態下的外包裝殼體I的側面相對於塊模塊2的底面、也就是說第二散熱板25的上表面傾斜了傾斜角Θ。
[0061]在本實施方式中，除了設置在外包裝殼體I底面的傾斜以外，還能夠利用來自於引線架10的彈簧彈力來使塊模塊2與第二散熱板25更可靠地緊密接合。塊模塊2與第二散熱板25緊密接合，由此，能夠提高塊模塊2經由第一散熱板17進行散熱的散熱性。在本實施方式中，緊密接合是示出接觸狀態的一個例子的狀態。
[0062]如上所述，由於本實施方式所涉及的半導體裝置不需要像現有技術那樣的用於覆蓋半導體裝置的底面整體的金屬片，因此不會有因為金屬片翹曲而導致油脂(grease)的厚度不均勻的情況發生。此外，在本實施方式所涉及的半導體裝置中，通過將第一散熱板17布置在塊模塊2的下部，從而還能夠抑制塊模塊2本身的翹曲量，因此能夠抑制熱阻的上升以及熱阻的不均勻。
[0063]在此，優選在圖1中所示的、設置在外包裝殼體I下表面的傾斜角Θ為:在X平面上朝著塊模塊2的中央部傾斜0.1°以上且10°以下(0.1°彡Θ <10° )的角度。該範圍是為了如圖7 (a)所示那樣利用連接螺釘60穿過第一通孔20來進行固定，從而使引線架10產生適當的彈簧彈力的傾斜角的範圍。具體而言，如果傾斜角Θ未達到0.1°，就完全無法在圖7(a)所示的狀態下將塊模塊2按壓到第二散熱板25上，因此，優選傾斜角Θ在0.1°以上。如果傾斜角Θ在10°以上，則在圖7(a)所示的狀態下施加到引線架10上的力變大，引線架10可能會斷裂，主電路端子4與外包裝殼體端子Ia之間的接合可能會鬆開，因此優選傾斜角Θ在10°以下。為了可靠地將塊模塊2按壓到第二散熱板25上，更優選外包裝殼體I底面的傾斜角Θ在3°以上。也就是說，更優選外包裝殼體I的傾斜角Θ是朝著塊模塊2的中央部傾斜3°以上且10°以下(3° < Θ <10° )的角度。此外，優選在圖6(b)所示的狀態中，外包裝殼體I底面的最內周部和比該最內周部還低的塊模塊2的底面之間的高度差D在0.05mm以上。
[0064]需要說明的是，為了將半導體裝置固定在第二散熱板25上，能夠例如上述那樣利用連接螺釘60穿過形成在外包裝殼體I上的第一通孔20來進行固定。第二散熱板25例如為Al (招)散熱片。
[0065]以下，對本實施方式所涉及的半導體裝置的結構所帶來的進一步的效果進行說明。
[0066]本實施方式所涉及的半導體裝置，通過使用塊模塊，能夠在進行使用模具的傳遞成型時，減少封裝樹脂材料的使用量。另外，通過使引線架10和絕緣層16組裝在一起，能夠以廉價的材料來取代昂貴的陶瓷基板。如上所述，本實施方式所涉及的半導體裝置能夠在結構上大幅度刪減材料費。
[0067]在本實施方式所涉及的半導體裝置中，由於使從塊模塊2引出的控制端子5與在該控制端子5的正上方(Z軸方向)的控制基板3連接在一起，因此能夠大幅度刪減橫向(X軸方向和Y軸方向)的布線長度。由此，能夠降低半導體裝置的電感，因此能夠抑制浪湧電壓所引起的半導體裝置的電氣破壞。
[0068]需要說明的是，作為本實施方式所涉及的半導體裝置的製造順序的一變形例，也可以如圖6(c)所示，在將塊模塊2安裝到外包裝殼體I之前，預先使塊模塊2的控制端子5與控制基板3接合在一起。
[0069]在本實施方式所涉及的半導體裝置中，由於功率半導體元件11被塊模塊2的樹脂材料15封裝起來，因此如圖1所示，在塊模塊2與控制基板3之間存在空氣層。利用圖11進行了說明的現有技術的半導體裝置中使用的矽凝膠113的導熱係數至少在lW/(m*K)以上，而空氣的導熱係數則在0.02W/(m*K)?0.03W/(m*K)左右。為此，由於空氣層的存在，比起現有的半導體裝置，本實施方式所涉及的半導體裝置能夠大幅度地抑制熱向控制基板3傳導。
[0070]在本實施方式所涉及的半導體裝置中，由於功率半導體元件11與外包裝殼體端子Ia之間的接合是利用引線架10的一部分即主電路端子4來進行的，因此能夠容易地藉助引線架10的圖案來增加接合面積(接合截面積)。而且，如果使用材質為Cu(銅)的引線架10，則由於Cu的導熱係數為398W/(m*K)，相對於導熱係數為237W/(m*K)的Al，能夠使容易導熱的程度提高約1.7倍，在物理性質這一點來說也有助於熱傳導。為此，由於比起現有技術的半導體裝置，在本實施方式所涉及的半導體裝置中，經由電流路徑進行的熱傳導顯著提高，因此能夠抑制向控制基板3傳導的熱。
[0071]此外，雖然插入控制基板3的穿通孔內的控制端子5是由在物理性質上來說容易導熱的引線架10形成的，但因為預先縮減了該控制端子5的截面積，因此經由控制端子5向控制基板3傳導的熱得到抑制。需要說明的是，由於控制端子5僅傳導控制用信號，因此即使使截面積在主電路端子4的二分之一以下，也不會發生電氣特性上的問題。此外，若預先使與控制端子5連接的塊模塊2內的Al線14比與主電路端子4接合的Al線14還細，熱就更難傳導，這是理想的。
[0072]此外，近年來，作為功率半導體元件的材料，從現有的Si (矽)改為使用SiC (碳化矽)或GaN(氮化鎵)這樣的新材料而製成的新的元件已逐漸地實用化。這些新的元件能夠在比150°C至200°C這樣的現有的工作溫度還高的溫度下工作，因此，期待能通過簡化了散熱機構的結構來達成小型化。本實施方式所涉及的半導體裝置使用有必要對散熱下功夫的這些新的元件時特別有效。
[0073](第一實施方式的一變形例)
[0074]在圖7(b)中，作為第一實施方式的一變形例，示出了處於利用黏合材料固定了具有外包裝殼體端子41a的外包裝殼體41的狀態下的半導體裝置。在作為本變形例的半導體裝置中，使用粘接劑取代連接螺釘來將外包裝殼體41固定到第二散熱板25上。參照圖7(b)對作為本變形例的半導體裝置進行說明。
[0075]如圖7(b)所示，在本變形例所涉及的半導體裝置中，作為將外包裝殼體41固定到第二散熱板上的固定部件，使用黏合材料23來取代連接螺釘60。
[0076]在製造本變形例所涉及的半導體裝置時，至少在已連接了塊模塊2的外包裝殼體41的傾斜底面上預先塗布黏合材料23。之後，進行加熱並且將載放在第二散熱板25的規定位置上的外包裝殼體41按壓到第二散熱板25上，由此使從塊模塊2的底面露出的第一散熱板17與第二散熱板25的上表面緊密接合。
[0077]例如能夠使用熱固性樹脂作為該情況下的黏合材料23。
[0078](第二實施方式)
[0079]圖8示出本發明的第二實施方式所涉及的半導體裝置的簡要截面結構。
[0080]如圖8所示，在第二實施方式所涉及的半導體裝置中，外包裝殼體51內安裝有例如一個塊模塊52,在該塊模塊52的正上方(+Z軸方向)布置有控制基板53。本實施方式所涉及的半導體裝置也可以在外包裝殼體51內安裝多個塊模塊2。外包裝殼體511是外包裝體的一個例子。
[0081]從塊模塊52引出了主電路端子54和控制端子55。在控制端子55上分別形成有突起部57，該突起部57支撐著控制基板53。主電路端子54沿著橫向(X軸方向)延伸，並與外包裝殼體端子51a電連接在一起。如圖10所示，利用連接螺釘61穿過設在主電路端子54和外包裝殼體端子51a上的螺釘固定通孔22進行螺釘固定，由此，主電路端子54與外包裝殼體端子51a電連接在一起。連接螺釘61也是用於將外包裝殼體51和塊模塊52固定到第二散熱板25上的部件。控制端子55沿著與主電路端子54垂直的方向(+Z軸方向)被引出，並插入控制基板53的穿通孔(未在圖中示出)內。此時，控制端子55通過軟釺焊等而與控制基板53電氣接合在一起。
[0082]在控制基板53上形成有分別以傾斜角Θ傾斜了的多個通孔53b。各通孔53b是為了在用螺釘對主電路端子54和外包裝殼體端子51a進行固定時，供連接螺釘61穿通用而形成的。通孔53b傾斜了傾斜角Θ的原因是:在穿通連接螺釘61時，外包裝殼體51下表面的傾斜角Θ使螺釘固定通孔22以角度Θ傾斜。
[0083]需要說明的是，也可以在控制基板53的外周部形成通孔或缺口，經由該通孔或缺口插入連接螺釘61來進行連接。在控制基板53上設置通孔或缺口的情況下，有可能因為外包裝殼體51在傾斜的狀態下固定到第二散熱板25上而導致控制基板53被夾往外包裝殼體51內而彎曲。為此，特別是在謀求半導體裝置的小型化的情況下，優選不設置通孔或缺口，並且使控制基板53小型化來使控制基板53布置在比使用連接螺釘61進行連接的連接部更靠內側的位置上。
[0084]以下，在圖9(a)?圖9(c)中示出本實施方式所涉及的半導體裝置的製造方法。
[0085]首先，如圖9 (a)所示，製造包含多個功率半導體元件11的塊模塊52。
[0086]接著，如圖9(b)所示，使控制基板53與塊模塊52的控制端子55接合。此時，在控制基板53與塊模塊52之間會形成空氣層。
[0087]接著，如圖9 (C)所示，使已接合了控制基板53的塊模塊52的螺釘固定通孔22與外包裝殼體51的螺釘固定通孔22的位置對齊。之後，如圖10所示，使用連接螺釘61將外包裝殼體51與第二散熱板25電連接地固定在一起。
[0088]在本實施方式中，由於形成在外包裝殼體51上的螺釘固定通孔22設置為與外包裝殼體51的側面平行，因此，各連接螺釘61以相對於第二散熱板25的上表面法線傾斜了傾斜角Θ的方式斜著插入。需要說明的是，由於在外包裝殼體51的底面上設有傾斜角Θ，因此處於圖8所示的、在固定到第二散熱板25之前的狀態下的外包裝殼體51的側面與塊模塊2的底面之間呈垂直狀。相對於此，如圖10所示，在固定到第二散熱板25上的狀態下的外包裝殼體51的側面相對於塊模塊52的底面、也就是說第二散熱板25的上表面傾斜了傾斜角Θ。
[0089]需要說明的是，也可以用下述方法來取代圖9(a)?圖9(c)所示的製造方法，即:在往外包裝殼體51內安裝好塊模塊52之後，再將塊模塊52的控制端子55和控制基板53
接合在一起。
[0090]由於本實施方式與前述第一實施方式相比，能夠省去斂縫工序，因此能夠謀求縮短工序。
[0091]由於只要卸下連接螺釘，就能夠容易地將第一實施方式及第二實施方式所涉及的各半導體裝置分別分解成外包裝體、塊模塊以及控制基板，因此具有容易回收的效果。
[0092]-產業實用性-
[0093]本發明所涉及的半導體裝置及其製造方法能夠利用在光伏發電系統的功率調節器，並且能夠利用在電動機的旋轉控制中所使用的功率器件等。
[0094]-符號說明-
[0095]A、B虛擬線
[0096]1、41、51 外包裝殼體
[0097]la、41a、51a外包裝殼體端子
[0098]2、52塊模塊
[0099]3、53控制基板
[0100]4、54主電路端子
[0101]5、55控制端子
[0102]7、57突起部
[0103]8控制元件
[0104]9無源元件
[0105]10引線架
[0106]11功率半導體元件
[0107]Ila絕緣柵雙極型電晶體
[0108]Ilb二極體
[0109]12源極
[0110]13柵電極
[0111]14Al 線
[0112]15樹脂材料
[0113]16絕緣層
[0114]17散熱板
[0115]20第一通孔
[0116]21斂縫接合部
[0117]22螺釘固定通孔
[0118]23黏合材料
[0119]25第二散熱板
[0120]53b通孔
[0121]60,61連接螺釘
【權利要求】
1.一種半導體裝置，其特徵在於: 該半導體裝置具備塊模塊、控制基板、外包裝體以及第二散熱板，所述塊模塊的內部具有功率半導體元件和第一散熱板，從該塊模塊引出了主電路端子和控制端子，所述控制基板與所述控制端子相連接，所述外包裝體收納所述塊模塊及所述控制基板，在所述第二散熱板上通過連接螺釘固定有所述外包裝體， 所述連接螺釘以相對於所述第二散熱板的表面法線傾斜了傾斜角Θ的方式斜著插入。
2.根據權利要求1所述的半導體裝置，其特徵在於: 所述第一散熱板與所述第二散熱板通過所述連接螺釘緊密接合在一起。
3.根據權利要求1或2所述的半導體裝置，其特徵在於: 俯視時的所述外包裝體的形狀為四邊形， 所述外包裝體中，由所述連接螺釘進行固定的位置是所述外包裝體的四個邊中的相對置的兩個邊。
4.根據權利要求1到3中的任一項所述的半導體裝置，其特徵在於: 所述外包裝體是在該外包裝體的側面相對於所述第二散熱板的表面法線傾斜了傾斜角Θ的狀態下被固定住。
5.根據權利要求1到4中的任一項所述的半導體裝置，其特徵在於: 在未固定到所述第二散熱板上的狀態下的所述外包裝體的一個面上，形成有傾斜角為Θ的傾斜面， 在所述外包裝體未固定到所述第二散熱板上的狀態下，將所述外包裝體上的所述傾斜面內側的相對置端部之間連結起來的虛擬線設在通過所述塊模塊內的所述第一散熱板的內部的位置。
6.根據權利要求1到5中的任一項所述的半導體裝置，其特徵在於: 所述傾斜角Θ在3°以上且10°以下。
7.根據權利要求1到6中的任一項所述的半導體裝置，其特徵在於: 所述外包裝體通過所述連接螺釘固定在所述第二散熱板上，所述連接螺釘穿過形成在所述外包裝體上的通孔。
8.根據權利要求1到7中的任一項所述的半導體裝置，其特徵在於: 所述塊模塊的所述主電路端子與所述外包裝體的連接端子通過斂縫接合的方式接合在一起。
9.根據權利要求1到7中的任一項所述的半導體裝置，其特徵在於: 所述外包裝體通過所述連接螺釘固定在所述第二散熱板上，所述連接螺釘穿過形成在所述主電路端子上的通孔以及形成在所述外包裝體上的連接端子上的通孔。
10.一種半導體裝置，其特徵在於: 該半導體裝置具備塊模塊、控制基板、外包裝體以及第二散熱板，所述塊模塊的內部具有功率半導體元件和第一散熱板，從該塊模塊引出了主電路端子和控制端子，所述控制基板與所述控制端子相連接，所述外包裝體收納所述塊模塊及所述控制基板，在所述第二散熱板上固定有所述外包裝體， 在將所述第一散熱板與所述第二散熱板平行地布置時的所述外包裝體的一個面在所述外包裝體未固定在所述第二散熱板上的狀態下相對於所述第二散熱板的表面傾斜了傾斜角Θ， 在將所述第一散熱板與所述第二散熱板平行地布置時的所述外包裝體的所述一個面在所述外包裝體已固定在所述第二散熱板上的狀態下與所述第二散熱板的表面平行。
11.一種半導體裝置的製造方法，其特徵在於: 準備塊模塊、控制基板以及外包裝體，該塊模塊的內部具有功率半導體元件和第一散熱板，從該塊模塊引出了主電路端子和控制端子，該控制基板與所述控制端子相連接，該外包裝體收納所述塊模塊及所述控制基板，並且具有與所述主電路端子接合在一起的連接端子， 利用以相對於所述第二散熱板的表面法線傾斜了傾斜角Θ的方式插入的連接螺釘將一個面傾斜了傾斜角Θ的所述外包裝體固定到第二散熱板上。
12.根據權利要求11所述的半導體裝置的製造方法，其特徵在於: 俯視時的所述外包裝體的形狀為四邊形， 所述連接螺釘將所述外包裝體的四個邊中的相對置的兩個邊固定。
13.根據權利要求11或12所述的半導體裝置的製造方法，其特徵在於: 在所述外包裝體固定到所述第二散熱板之前的狀態下，將所述外包裝體上的所述傾斜面內側的相對置端部之間連結起來的虛擬線設在通過所述塊模塊的所述第一散熱板的內部的位置。
14.根據權利要求11到13中任一項所述的半導體裝置的製造方法，其特徵在於: 所述傾斜角Θ在3°以上且10°以下。
15.根據權利要求11到14中任一項所述的半導體裝置的製造方法，其特徵在於: 利用所述連接螺釘將所述外包裝體固定在所述第二散熱板上，所述連接螺釘穿過形成在所述主電路端子上的通孔以及形成在所述外包裝體上的連接端子上的通孔。
【文檔編號】H01L25/18GK104285294SQ201380024660
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年4月26日 優先權日:2012年5月22日
【發明者】南尾匡紀 申請人:松下智慧財產權經營株式會社