本發(fā)明涉及半導體裝置及半導體裝置的制造方法。

背景技術：

以往，對于搭載有igbt(insulatedgatebipolartransistor：絕緣柵雙極型晶體管)等功率半導體元件的功率半導體模塊而言，在半導體元件中使用硅(si)時，經實用化的最大額定電壓達到6.5kv左右，使用硅膠作為用于對半導體元件進行絕緣保護的密封樹脂。

另一方面，使用了近年來開發(fā)的碳化硅(sic)等帶隙比硅的帶隙寬的半導體而成的寬帶隙半導體元件能夠實現(xiàn)更進一步的高耐壓化。因此，提出了使用耐熱性和耐壓性比硅膠的耐熱性和耐壓性高的環(huán)氧樹脂等硬質樹脂作為密封樹脂的方法(例如，參照專利文獻1)。

以通常的igbt功率半導體模塊的結構為例對現(xiàn)有的功率半導體模塊的結構進行說明。

圖7是表示現(xiàn)有結構的功率半導體模塊的構成的截面圖。另外，圖8是表示現(xiàn)有結構的功率半導體模塊的構成的上表面圖。如圖7和圖8所示，功率半導體模塊具備功率半導體芯片1、接合材料2、層疊基板3、金屬基板4、密封樹脂5、樹脂殼體6、端子7、鍵合線8和蓋9。

樹脂殼體6經由硅等粘接劑粘接在搭載了接合有功率半導體芯片1的層疊基板3的金屬基板4上。在樹脂殼體6內部配置有層疊基板3，因此通過在層疊基板3與樹脂殼體6之間保持恒定的距離，并填充密封樹脂5，從而確保層疊基板3與樹脂殼體6之間的絕緣性。

現(xiàn)有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2013-16684號公報

技術實現(xiàn)要素：

技術問題

在功率半導體模塊中，如果隨著半導體元件1的工作發(fā)熱而引起溫度上升和/或使用環(huán)境的溫度發(fā)生變化，則因各材料間的熱膨脹率之差而導致熱變形。特別是，由于樹脂殼體6由樹脂構成，所以與金屬基板4相比，熱膨脹率更大。因此，在高溫時，在金屬基板4產生凸狀的熱變形。另外，在高溫時，因樹脂殼體6與密封樹脂5的熱膨脹率之差而導致填充于樹脂殼體6的密封樹脂5膨脹而對樹脂殼體6施加有壓力。因此，在樹脂殼體6內表面角部附近應力集中，存在樹脂殼體6發(fā)生破裂的問題。如果樹脂殼體6發(fā)生破裂，則在該部位發(fā)生部分放電，絕緣性降低。

另外，作為樹脂殼體6內表面的角部附近的應力緩和結構，有時將角部加工成r形狀。通過增大該r形狀尺寸，能夠緩和角部的應力。但是，由于r形狀尺寸變大，所以層疊基板3與樹脂殼體6之間的距離變小。因此，由于為了確保功率半導體模塊的絕緣性所需要的密封樹脂5的層變薄，層疊基板3與樹脂殼體6之間的放電距離變短，所以絕緣性降低。另外，在保持了該距離的情況下，由于功率半導體模塊本身的尺寸變大，因此成本上升。

本發(fā)明為了消除上述的現(xiàn)有技術的問題，目的在于提供緩和由熱膨脹率之差導致的集中于樹脂殼體內表面的角部附近的應力，滿足層疊基板與樹脂殼體之間的絕緣性的半導體裝置及半導體裝置的制造方法。

技術方案

為了解決上述的課題，實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的半導體裝置具有如下特征。在將樹脂殼體與層疊組件組合而成的半導體裝置中，在上述樹脂殼體的角部設有切槽，上述層疊組件具有半導體元件、搭載有上述半導體元件的層疊基板和搭載有上述層疊基板的金屬基板。

另外，本發(fā)明的半導體裝置的特征在于，在上述的發(fā)明中，上述切槽的寬度和長度中的至少一個為上述樹脂殼體的內部尺寸中的長邊的長度的4％以上。

另外，本發(fā)明的半導體裝置的特征在于，在上述的發(fā)明中，上述切槽的寬度和長度中的至少一個為2mm以上。

另外，本發(fā)明的半導體裝置的特征在于，在上述的發(fā)明中，上述切槽的內表面與上述樹脂殼體的內表面所成的角度為90度～150度。

為了解決上述的課題，實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的半導體裝置的制造方法具有如下特征。首先，組裝層疊組件，上述層疊組件是在層疊基板搭載有半導體元件，并在金屬基板上搭載有上述層疊基板而成。接下來，將在角部設有切槽的樹脂殼體與上述層疊組件進行組合。

根據(jù)上述的發(fā)明，通過在樹脂殼體的內表面角部設置切槽，能夠緩和由樹脂殼體與金屬基板、樹脂殼體與密封樹脂的熱膨脹率之差導致的應力向樹脂殼體的內表面角部集中。因此，能夠將施加于樹脂殼體的應力降低到破壞樹脂殼體的強度以下，能夠防止樹脂殼體的破裂。由此，能夠消除在內表面角部的部分放電，因此能夠確保絕緣性。另外，根據(jù)本發(fā)明，由于在不開發(fā)新的材料和/或使用高強度的樹脂材料的情況下直接利用現(xiàn)有的慣用的樹脂材料，所以能夠抑制功率半導體模塊的成本。

另外，通過使切槽的內表面與樹脂殼體的內表面所成的角度為90度～150度，能夠消除樹脂殼體內銳角的部分。因此，能夠防止應力集中在銳角的部分，能夠將施加于樹脂殼體的應力降低到樹脂殼體的破壞強度以下。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明的半導體裝置及半導體裝置的制造方法，起到能夠緩和由熱膨脹率之差導致的集中于樹脂殼體內表面的角部附近的應力，滿足層疊基板與樹脂殼體之間的絕緣性的效果。

附圖說明

圖1是表示實施方式的功率半導體模塊的構成的上表面圖。

圖2是表示實施方式的功率半導體模塊的切槽的其它形狀的上表面圖。

圖3是表示實施例的功率半導體模塊的內表面的角部的應力分布的圖。

圖4是表示現(xiàn)有例的功率半導體模塊的內表面的角部的應力分布的圖。

圖5是表示應力振幅和功率半導體模塊的封裝的壽命的圖表。

圖6是表示切槽的寬度和長度以及角部的應力的降低效果的表。

圖7是表示現(xiàn)有結構的功率半導體模塊的構成的截面圖。

圖8是表示現(xiàn)有結構的功率半導體模塊的構成的上表面圖。

符號說明

1：功率半導體芯片

2：接合材料

3：層疊基板

3a：導電性板

3b：絕緣基板

4：金屬基板

5：密封樹脂

6：樹脂殼體

6a：切槽

6b：樹脂殼體內表面

7：端子

8：鍵合線

9：蓋

具體實施方式

(實施方式)

以下，參照附圖詳細說明本發(fā)明的半導體裝置及半導體裝置的制造方法的優(yōu)選的實施方式。圖1是表示實施方式的功率半導體模塊的構成的上表面圖。截面圖與圖7的現(xiàn)有結構的功率半導體模塊相同，因此省略圖示。

如圖1和圖7所示，功率半導體模塊具備功率半導體芯片1、接合材料2、層疊基板3、金屬基板4、密封樹脂5、樹脂殼體6、端子7、鍵合線8和蓋9。功率半導體芯片1是igbt或二極管等的功率半導體芯片，利用焊料等接合材料2接合，并搭載于層疊基板3上。層疊基板3是在陶瓷基板等絕緣基板3b的正面和背面具備銅等的導電性板3a而成的。層疊基板3通過焊料等接合材料2接合并搭載于金屬基板4。在圖1中，虛線表示金屬基板4的位置。

樹脂殼體6被組合到層疊有功率半導體芯片1、層疊基板3和金屬基板4而成的層疊組件。例如，樹脂殼體6經由硅等粘接劑與層疊組件粘接。由于在樹脂殼體6內部配置有層疊基板3，所以能夠在層疊基板3與樹脂殼體6之間保持恒定的距離。另外，在樹脂殼體6內部，為了對層疊基板3上的功率半導體芯片1進行絕緣保護，填充低彈性模量的硅膠和/或環(huán)氧樹脂等硬質樹脂等密封樹脂5，并用蓋9封裝。在使用環(huán)氧樹脂等的硬質樹脂作為密封樹脂5時，也可以不使用蓋9。

端子7用焊料等接合材料2接合，并被固定于導電性板3a，貫通蓋9而向外部突出。鍵合線8將功率半導體芯片1與導電性板3a電連接。

在實施方式的功率半導體模塊中，在樹脂殼體6內表面的各角部設有沿著樹脂殼體6的外側方向延伸的切槽6a。應予說明，上述樹脂殼體6內表面的角部是指在樹脂殼體6內表面中位于拐角，即位于內部尺寸的邊的交點的部分。另外，以下有時將上述樹脂殼體6內表面的角部簡稱為角部。切槽6a從樹脂殼體6的與金屬基板4粘接的底部起貫通到樹脂殼體6的與金屬基板4相反方向的上部為止。應予說明，上述樹脂殼體6內表面是指與密封樹脂接觸的面。例如，樹脂殼體6內表面在圖1中是由符號6b表示的面。

該切槽6a的寬度w和長度l優(yōu)選分別為樹脂殼體6的內部尺寸的長邊t的4％以上，進一步優(yōu)選為8％以上。其理由在以下的實施例中進行詳細說明。應予說明，上述切槽6a的寬度是指切槽6a中的樹脂殼體6內表面之間的距離，切槽6a的長度表示向樹脂殼體外表面的縱深方向的長度。具體而言，優(yōu)選樹脂殼體6的內部尺寸的長邊t為50mm左右，切槽6a的寬度w和長度l分別為4mm以上。應予說明，施加于角部的應力受到樹脂殼體6的內部尺寸的長邊t與切槽6a的寬度和縱深之比影響。應予說明，上述樹脂殼體6的內部尺寸的長邊t是指上述樹脂殼體6的內部尺寸的邊之中的長的邊。

應予說明，在圖1中，切槽6a的內部的形狀形成為圓弧，但無需特別是圓弧，例如也可以是直線。另外，切槽6a的形狀不限于圖1所記載的形狀。圖2是表示實施方式的功率半導體模塊的切槽的其它形狀的上表面圖。如圖2的(a)所示，切槽6a的深的部分可以為寬的形狀，相反，圖2的(b)所示，切槽6a的深的部分也可以為窄的形狀。因此，樹脂殼體6內表面與切槽6a的內表面所成的角θ可以為90度～150度。圖1是角θ為135度的情況，圖2的(a)是角θ小于135度的情況，圖2的(b)是角θ大于135度的情況。另外，切槽6a無需是線對稱的，樹脂殼體6中的切槽6a無需全部是相同的形狀。應予說明，此時的切槽6a的寬度是指切槽6a的入口，即樹脂殼體6的內部尺寸的邊與切槽6a的交點的部分處的距離。例如，在圖2中，是由w1表示的長度。

在實施方式中，通過利用設置于樹脂殼體6內表面的角部的切槽6a將集中到樹脂殼體6內表面的角部中的應力分散至切槽6a的內表面，從而能夠緩和應力。因此，即使在因樹脂殼體6與金屬基板4的熱膨脹率之差而導致應力集中于樹脂殼體6內表面的角部，切槽6a也能夠緩和應力。

這樣的功率半導體模塊的制造方法與現(xiàn)有技術的功率半導體模塊相同。在功率半導體模塊的制造方法中，首先，在層疊基板3安裝功率半導體芯片1，安裝鍵合線8、端子7。另外，可以接合金屬端子來代替鍵合線8。接下來，將它們接合到金屬基板4，組裝包括功率半導體芯片1、層疊基板3和金屬基板4的層疊組件。用硅等粘接劑將設有切槽6a的樹脂殼體6粘接在該層疊組件的角部。接下來，向樹脂殼體6內填充密封樹脂5，安裝蓋9。由此，完成圖1所示的實施方式的功率半導體模塊。應予說明，在密封樹脂5為環(huán)氧樹脂等硬質樹脂的情況下，由于密封樹脂5不會泄漏到外部，所以也可以不安裝蓋9。

(實施例)

以下，對實施例進行說明。在此，對在樹脂殼體6內表面的角部設有切槽6a的實施例以及將樹脂殼體6內表面的角部設置成r形狀的現(xiàn)有例進行比較。圖3是表示實施例的功率半導體模塊的內表面的角部的應力分布的圖。圖4是表示現(xiàn)有例的功率半導體模塊的內表面的角部的應力分布的圖?，F(xiàn)有例的角部的曲率半徑為2mm，實施例的切口部的外側的曲率半徑也為2mm。另外，圖3、圖4都是在175℃下的應力分布。

圖3和圖4是從底面的右側觀察樹脂殼體6內表面的角部附近所得的立體圖，是通過在使功率半導體模塊從室溫到高溫，從高溫到低溫的溫度變化時，模擬在樹脂殼體6內表面的角部附近產生的應力而算出的。

圖3和圖4是用線連結了應力相等的點而得到的等值線(contour)圖。這里，示出了涂黑的位置的應力最高，切片(hash)越變薄，應力越低。比較圖3與圖4，存在于圖4的角部的涂黑的位置在圖3中是切片薄的區(qū)域，可知與現(xiàn)有例相比，實施例能夠降低集中于角部的應力。

接下來，確認了在實施例的樹脂殼體6中，能夠降低集中于角部的應力，因此即使在發(fā)生溫度變化時，也能夠防止樹脂殼體6的破裂。圖5是表示應力振幅和功率半導體模塊的封裝的壽命的圖表。該圖表示出根據(jù)功率半導體模塊的樹脂殼體6的材料的疲勞壽命曲線求出受到反復溫度循環(huán)情況下的熱疲勞壽命所得的結果。

在圖5中，縱軸表示溫度循環(huán)中的應力振幅，單位為mpa。在此，應力振幅是高溫下的應力與低溫下的應力之差。橫軸表示封裝的壽命，單位為次數(shù)。封裝的壽命是指例如向直到封裝產生破裂等為止的高溫、低溫的溫度變化的次數(shù)(循環(huán))。根據(jù)圖5可知，應力振幅越大，封裝的壽命越短。

在圖5中，目標耐量是在功率半導體模塊的封裝中所需要的壽命。根據(jù)圖5可知，在應力振幅大于由c表示的值時，無法滿足目標耐量，在應力振幅小于由c表示的值時，能夠滿足目標耐量。

現(xiàn)有例的情況下，在圖4中算出的角部的應力中，與最高應力對應的應力振幅在圖5中由a表示。由于由該a表示的值比由c表示的值大，所以與該a對應的壽命成為比目標耐量低的值。因此，在現(xiàn)有例中，無法滿足目標的壽命。在實際的溫度循環(huán)試驗中，也確認了在現(xiàn)有例中應力集中到角部，在若干次循環(huán)的程度下樹脂殼體產生裂紋。

另一方面，實施例的情況下，在圖3中算出的角部的應力中，與最高應力對應的應力振幅在圖5中由b表示。由于由該b表示的值比由c表示的值小，所以與該b對應的壽命成為比目標耐量更高的值。因此，在實施例中，能夠滿足目標壽命。

接下來，通過模擬驗證了切槽6a的寬度w和長度l的優(yōu)選的寬度和長度。圖6是表示切槽的寬度和長度與角部的應力的降低效果的表。由于對角部施加最大應力時為高溫時，所以模擬評價高溫時(175℃)的最大應力(mpa)(拉伸)。在圖6中，t是樹脂殼體6的內部尺寸的長邊t，在模擬中，將t設為50mm。另外，寬度w為切槽6a的寬度w，單位為mm。w/t是切槽6a的寬度w與樹脂殼體6的內部尺寸的長邊t的比率，單位為％。長度l為切槽6a的長度l，單位為mm。l/t是切槽6a的長度l與樹脂殼體6的內部尺寸的長邊t的比率，單位為％。另外，效果值表示相對于未形成有切槽6a的比較例的角部的應力的降低率。換言之，將比較例中的在175℃時的最大應力設為100時的、使寬度w和長度l變化而得到的實施例1～9中的在175℃時的最大應力為效果值。因此，效果值越小，角部的應力的降低的效果越高。

根據(jù)圖6的實施例1、2、3，可知隨著寬度w變大，即隨著w/t變大，效果值變小，角部的應力的降低的效果變高。在實施例4、5、6和實施例7、8、9中也是同樣。另外，根據(jù)圖6的實施例1、4、7，可知隨著長度l變大，即隨著l/t變大，效果值變小，角部的應力的降低的效果變高。在實施例2、5、8和實施例3、6、9中也是同樣。

另外，在功率半導體模塊的封裝中，為了滿足目標耐量，優(yōu)選比現(xiàn)有結構的應力振幅降低10％。應力振幅是高溫下的應力與低溫下的應力之差，假定低溫下的應力也以與高溫下的應力同樣的比率降低，則為了滿足封裝的壽命的目標耐量，優(yōu)選比現(xiàn)有例的角部的應力至少降低10％。在圖6的實施例1中，效果值為90％，能夠使角部的應力降低10％。因此，可知在w/t和l/t中的任一個為4％以上，即在樹脂殼體6的內部尺寸的長邊t為50mm時，需要使切槽6a的寬度w和長度l中的任一個為2mm以上。

另外，若考慮到功率半導體模塊的實際使用時的溫度、使用次數(shù)等的余裕，優(yōu)選比現(xiàn)有例的角部的應力降低40％。在圖6的實施例5中，效果值為59％，能夠使角部的應力降低41％。因此，在w/t和l/t中的任一個為8％以上，即，樹脂殼體6的內部尺寸的長邊t為50mm時，優(yōu)選切槽6a的寬度w和長度l中的任一個為4mm以上。應予說明，樹脂殼體6的內部尺寸的長邊t不限于50mm。即使長邊t不為50mm，也能夠同樣地獲得應力降低的效果。長邊t特別優(yōu)選在20mm～200mm的范圍。

如以上所說明，根據(jù)實施方式，通過在樹脂殼體的內表面角部設置切槽，能夠緩和由樹脂殼體與金屬基板、樹脂殼體與密封樹脂的熱膨脹率之差導致的對于樹脂殼體的內表面角部的應力集中。因此，能夠將施加于樹脂殼體的應力降低到破壞樹脂殼體的強度以下，能夠防止樹脂殼體的破裂。由此，由于能夠消除在內表面角部的部分放電，所以能夠確保絕緣性。另外，根據(jù)本發(fā)明，由于能夠在不開發(fā)新的材料和/或不使用高強度的樹脂材料的情況下直接利用現(xiàn)有的慣用的樹脂材料，所以能夠抑制功率半導體模塊的成本。

另外，通過使切槽的內表面與樹脂殼體的內表面所成的角度為90度～150度，能夠消除樹脂殼體內銳角的部分。因此，能夠防止應力集中在銳角的部分，能夠將施加于樹脂殼體的應力降低到破壞樹脂殼體的強度以下。

以上，本發(fā)明不限于上述的實施方式，在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內可以進行各種改變。例如，本發(fā)明以利用金屬線將半導體芯片與金屬端子電連接，將熱固性樹脂填充到殼體內的半導體裝置的封裝為例進行了說明，但利用端子銷將在殼體的內側相互分離配置的半導體芯片和電路基板的導體層彼此電連接的銷結構的半導體裝置的封裝也能夠適用。

產業(yè)上的可利用性

如上所述，本發(fā)明的半導體裝置及半導體裝置的制造方法對于逆變器等電力變換裝置和/或在各種產業(yè)用機械等的電源裝置和/或汽車的點火器等中使用的功率半導體裝置有用。