專利名稱：半導體裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有半導體元件的冷卻單元的半導體裝置。
背景技術：
以往的半導體裝置具有如下結構在由陶瓷構成的絕緣板的表面背面貼附金屬板，將一方的金屬板焊接固定在金屬基底上，在另一方的金屬板上搭載元件(參照專利文獻 1)。進而，將金屬基底固定在冷卻器的表面。關于固定方法，例如，在金屬基底和冷卻器之間夾持油脂并使用螺釘進行連結固定的方法是主流的。此外，從提高散熱性的觀點出發(fā)，考慮如下結構在冷卻器的表面直接貼附絕緣層，削減導熱性較差的油脂。在將絕緣層直接貼附在冷卻器(散熱器)上的方法中，有對由陶瓷構成的絕緣板進行釬焊的方法。此外，存在搭載了半導體元件的電路部和冷卻器(散熱片)利用絕緣樹脂片進行電絕緣的半導體裝置(參照專利文獻2)。專利文獻1 日本特開2003-204021號公報。專利文獻2 日本特開平11-204700號公報。在專利文獻1的半導體裝置中，絕緣層與對其進行形成的冷卻器之間的固定狀態(tài)的可靠性的確保存在極限。這是因為，由陶瓷構成的絕緣板與由金屬構成的冷卻器相比，線膨脹系數(shù)較小并且楊氏模量較大，所以，在固定部位產(chǎn)生較高的應力。對于半導體裝置來說，受到使用環(huán)境溫度的變化或半導體元件本身的發(fā)熱所引起的溫度周期變化的影響，所以，對線膨脹系數(shù)差別很大的絕緣板的固定部位反復施加較大幅度(amplitude)的熱應力，導致產(chǎn)生熱應力引起的龜裂、行進所引起的熱電阻的上升，存在發(fā)熱元件的散熱性能惡化的問題。此外，冷卻器使用金屬和碳等的復合材料，由此，能夠使與由陶瓷構成的絕緣板的線膨脹差變小，但是，這樣的復合材料成本非常高。另一方面，在專利文獻2的半導體裝置中，在冷卻器的表面和電路部之間夾持絕緣片進行加壓加熱，從而進行粘接，將二者絕緣。在該情況下，不使用上述由陶瓷構成的絕緣板，絕緣板與冷卻器間的熱應力減輕。但是，對于在具有凹凸形狀的冷卻器的表面貼附絕緣片的結構來說，難以重疊大量地進行加壓，加壓加熱時的生產(chǎn)率較差。

發(fā)明內容
本發(fā)明是鑒于上述問題而提出的，其目的在于提供針對溫度變化的可靠性高并且能夠以低成本得到良好的生產(chǎn)率的半導體裝置及其制造方法。本發(fā)明的半導體裝置具有冷卻器，具有由金屬基底形成的主面；被接合層，隔著接合層固定在所述金屬基底上；絕緣層，固定在所述被接合層上并且以有機樹脂為母材； 金屬層，設置在所述絕緣層上；半導體元件，設置在所述金屬層上，其中，包括所述被接合層、所述絕緣層、所述金屬層的層疊體按一個或者多個所述半導體元件被分割并且隔著所述接合層固定在所述金屬基底上。
本發(fā)明的半導體裝置的制造方法具有如下工序(a)準備具有由金屬基底形成的主面的冷卻器；(b)在以有機樹脂為母材的絕緣層的上表面和下表面分別形成金屬層、被接合層；(c)在工序(b)之后，隔著接合層將所述金屬基底接合到所述被接合層的下表面； (d)在工序(b)之后，對所述接合層、所述被接合層、所述絕緣層、所述金屬層進行分割；(e) 在工序(b)之后，將半導體元件接合到所述金屬層上。本發(fā)明的半導體裝置具備具有由金屬基底形成的主面的冷卻器、隔著接合層固定在所述金屬基底上的被接合層、固定在所述被接合層上并且以有機樹脂為母材的絕緣層， 所以，即便是反復產(chǎn)生溫度變化的使用狀態(tài)，在接合層產(chǎn)生的變形也較小，成為可靠性較高的半導體裝置。此外，包括所述被接合層、所述絕緣層、所述金屬層的層疊體按一個或者多個所述半導體元件被分割并且隔著所述接合層固定在所述金屬基底上，因此，在接合層產(chǎn)生的變形被抑制。本發(fā)明的半導體裝置的制造方法具有如下工序(b)在以有機樹脂為母材的絕緣層的上表面和下表面分別形成金屬層、被接合層的工序；(C)在工序(b)之后，隔著接合層將所述金屬基底接合到所述被接合層的下表面，所以，即便是反復產(chǎn)生溫度變化的使用狀態(tài)，在接合層產(chǎn)生的變形也較小，能夠制造可靠性較高的半導體裝置。此外，具有如下工序 (d)在工序(b)之后，對所述接合層、所述被接合層、所述絕緣層、所述金屬層進行分割，所以，在接合層產(chǎn)生的變形進一步被抑制。


圖1是表示本發(fā)明的半導體裝置的結構的剖面圖。圖2是對本發(fā)明的半導體裝置和以往的半導體裝置進行比較的剖面圖。圖3是表示本發(fā)明的半導體裝置的結構的剖面圖。圖4是表示本發(fā)明的半導體裝置的結構的剖面圖。圖5是表示本發(fā)明的半導體裝置的制造工序的剖面圖。圖6是表示本發(fā)明的半導體裝置的制造工序的剖面圖。圖7是表示本發(fā)明的半導體裝置的制造工序的剖面圖。圖8是表示本發(fā)明的半導體裝置的制造工序的剖面圖。
具體實施例方式(實施方式1)
〈結構〉
圖1是表示本實施方式的半導體裝置的結構的剖面圖。在本實施方式的半導體裝置中，隔著接合層加將被接合層3a固定于在冷卻器101的一個主面上作為頂板而形成的金屬基底1上。被接合層3a與其上的絕緣層如利用例如涂膜、按壓(pressing)、粘接等方法進行一體化，在絕緣層如上設置有金屬層如，在金屬層如上隔著接合層6a形成有半導體元件7a。S卩，在金屬基底1上以接合層加、被接合層3a、絕緣層4a、金屬層fe、接合層6a、半導體元件7a的順序形成各層，但是，可以在金屬基底1上形成有多個該層疊體。在圖1中， 在金屬基底1上還層疊有接合層2b、被接合層3b、絕緣層4b、金屬層恥，在金屬層恥上，隔著接合層6b形成有半導體元件7b，隔著接合層6c形成有半導體元件7c。這樣，被接合層、絕緣層、金屬層的層疊體按一個或多個半導體元件被分割，隔著接合層固定在金屬基底 1上。并且，對所述層疊體形成在金屬基底1上的情況進行了說明，但是，在半導體裝置中，冷卻器不一定設置在半導體元件的垂直下方，能夠設置在橫向或相反方向等各個方向， 所以，金屬基底1的上方只不過是說明圖1時的方便的方向。為了使發(fā)熱的半導體元件7a、7b、7c良好地進行散熱，接合層6a、6b、6c由導熱性高的焊料等的金屬材料或配合了使熱傳導良好的填料的樹脂材料構成?；蛘?，在不太需要導熱性的情況下，也可以使用由有機材料構成的粘接材料。此外，在本實施方式的半導體裝置中，不是在具有凹凸形狀的冷卻器的表面貼附絕緣層，而是將包括接合層2a、2b和絕緣層^、4b的層疊體接合到金屬基底上，所以，不存在損害加熱加壓時的生產(chǎn)率的情況。接合層h、2b隔著被接合層3a、!3b將絕緣層4a、4b和金屬基底1接合。此時，接合層h、2b可以使用以有機成分為母材的粘接材料或以焊料為母材的金屬材料，但是，特別地，為了使元件的發(fā)熱良好地進行散熱，優(yōu)選使用導熱性優(yōu)良的金屬材料。例如，優(yōu)選使用將Sn作為母材之一的焊料材料。此外，根據(jù)同樣的觀點，被接合層3a、!3b也優(yōu)選使用金屬制材料。使用圖2對絕緣層4a、4b使用有機樹脂的本實施方式的半導體裝置的效果進行說明。圖2的左圖示出在金屬基底1上形成有接合層2a、被接合層3a、絕緣層4’、金屬層fe、 接合層6a、半導體元件7a的層疊體的半導體裝置的剖面圖。這里，絕緣層4’以陶瓷為母材，楊氏模量以及線膨脹系數(shù)與以導電性的鋁或銅為母材的金屬基底1不同。因此，在反復產(chǎn)生溫度變化的使用狀態(tài)下，由溫度差所引起的收縮在絕緣層4’和金屬基底1中不同，所以，存在于中間的接合層加產(chǎn)生了變形。若該變形反復進行，則龜裂在接合層加產(chǎn)生并進行發(fā)展，存在使接合層加的導熱性惡化的危險。相對于此，在本實施方式中，形成以有機樹脂為母材并且為了改善導熱性而添加了二氧化硅等填料的絕緣層。有機樹脂是例如環(huán)氧樹脂、硅樹脂(silicon resin)、丙烯酸樹脂等。以有機樹脂為母材的絕緣層與以陶瓷為母材的絕緣材料相比為軟質，所以，即使在反復產(chǎn)生溫度變化那樣的使用狀態(tài)下，也如圖2的右圖所示，在接合層加產(chǎn)生的變形較小。 艮口，絕緣層如使用以有機樹脂為母材的材料，由此，能夠制造將具有較高的可靠性的冷卻器內置的半導體裝置。并且，在本實施方式中，如圖1所示，被接合層3a、3b、絕緣層^、4b以及接合層 2a、2b按一個或多個半導體元件被分割，隔著接合層2a、2b接合在金屬基底1上。因此，由于由有機樹脂構成的絕緣層4a、4b與金屬基底1的收縮量之差而產(chǎn)生的接合層2a、2b的變形進一步被抑制，降低龜裂的發(fā)展。但是，本實施方式的半導體裝置的電路也可以按各個被分割后的絕緣層^、4b將功能匯集。例如，包含半導體元件7a的層疊體(電路結構體)構成主電路的3相橋電路，包含半導體元件7b的層疊體構成升壓變換器(converter)。這樣，按各功能分割電路結構體，由此，制造數(shù)量很多的稱為橋電路或升壓電路的電路結構體，復合地組裝這些以小單位大量制造的電路結構體，由此，能夠高效率地制造半導體裝置。此外，從能夠僅選擇動作良好的電路進行組裝這樣的觀點出發(fā)也是高效率的，工業(yè)價值較高。根據(jù)需要使用金屬引線或金屬板、基板等(未圖示)對電路結構體彼此之間進行布線。此外，如圖3所示，也可以利用密封樹脂81將絕緣層如、4b、金屬層fe、5b、接合層 6a、6b、6c、半導體元件7a、7b、7c密封。從絕緣層^、4b的端部在垂直方向上設置殼體9，在殼體9內填充密封樹脂81，由此，能夠在所需部位填充適當?shù)牧?。但是，殼體9是任意的結構要素。在元件間或者同一金屬基底1上被分割了的金屬層如、恥在電路形成上存在具有不同電位的情況，在該情況下，需要確保與電路規(guī)格對應的絕緣距離。如圖3所示，設置密封樹脂81，由此，與金屬層5ajb露出的情況相比，能夠獲得絕緣距離，能夠實現(xiàn)半導體裝置的小型化。如已經(jīng)敘述的那樣，絕緣層^、4b以有機樹脂為母材，所以，密封樹脂81使用硅類或環(huán)氧類等的有機樹脂，由此，絕緣層^、4b與密封樹脂81的粘接變得牢固，成為緊湊且絕緣性優(yōu)良的半導體裝置。此外，如圖4所示，按每個被分割了的層疊體利用樹脂進行密封也可以。S卩，密封樹脂82將被接合層3a、絕緣層4a、金屬層fe、接合層6a、半導體元件7a的層疊體密封，密封樹脂83將被接合層北、絕緣層4b、金屬層恥、接合層6b、6c、半導體元件7b、7c的層疊體 (電路結構體)密封。以較小的電路為單位利用密封樹脂進行密封，以密封樹脂為單位搭載在冷卻器101的金屬基底1上。密封樹脂內部的半導體元件或與金屬層連接的布線構件設置從密封樹脂的預定的面突出的端子，將該端子彼此接合，從而形成電路結構體彼此間的布線。這里，若密封樹脂82、83使用例如以環(huán)氧樹脂為母材的樹脂材料，則能夠牢固地保持電路結構體，操作性變得非常容易，生產(chǎn)效率提高。并且，由于以密封樹脂82、83牢固地保持各個電路結構體，所以，在電路結構體的外側不需要用于對這些進行容納的殼體等的容納容器，根據(jù)需要設置用于將半導體裝置的外部與布線連接的端子臺等的構件即可。對于本實施方式的半導體裝置來說，溫度變化的幅度越大，越到顯著的效果，所以，半導體元件7a、7b、7c不僅可以由硅形成，也可以利用帶隙比與硅大的寬帶隙半導體形成。作為寬帶隙半導體，例如有碳化硅、氮化鎵類材料或者金剛石。與通常的半導體元件相比，即使在高溫下使由寬帶隙半導體形成的半導體元件7a、7b、7c進行動作，接合層的龜裂發(fā)展也被抑制，所以，成為可靠性更加優(yōu)良的半導體裝置。<制造工序>
根據(jù)圖5 圖8對本實施方式的半導體裝置的制造工序進行說明。首先，將被接合層3重疊在以有機樹脂為母材的絕緣層4的下表面、將金屬層5重疊在上表面，利用熱壓進行接合，使絕緣層4硬化(圖5)。被接合層3例如由金屬形成。在該情況下，可以是如下任意一種方法使板狀的絕緣層4與被接合層3、金屬層 5重疊；預先在金屬層5的下表面或者被接合層3的上表面涂膜絕緣層4，利用熱壓進行固定。此外，在進行涂膜并進行熱壓的情況下，將絕緣層4涂膜在被接合層3或者金屬層5任意一層上，暫時進行熱壓，之后，將剩余的層進行重疊，再次進行熱壓，由此，能夠將被接合層3、絕緣層4、金屬層5牢固地一體化，并且，能夠將絕緣層4的厚度控制為預定的大小。然后，隔著接合層2將冷卻器101的金屬基底1接合到被接合層3的下表面(圖6)。 這樣，預先將絕緣層4、被接合層3、金屬層5進行一體化之后，組裝到金屬基底1上，由此， 能夠容易地對軟質的反面、強度較小且存在破損的危險并且難以處理的由有機樹脂構成的絕緣層4進行處理。此外，在本實施方式的半導體裝置中，不是在具有凹凸形狀的冷卻器的表面貼附絕緣層，而是將包括接合層2和絕緣層4的層疊體接合到金屬基底1上，所以，不存在損害進行加熱加壓時的生產(chǎn)率的情況。然后，在預定的區(qū)域將金屬基底1上的接合層2、被接合層3、絕緣層4、金屬層5進行分割(圖7)。例如，利用稱為刻蝕的化學方法、或者利用刀片進行的稱為切斷的機械方法來進行分割。由此，被分割為由接合層加、被接合層3a、絕緣層4a、金屬層fe構成的層疊體和由接合層2b、被接合層北、絕緣層4b、金屬層恥構成的層疊體。之后，隔著接合層6a將半導體元件7a接合到金屬層fe上，并且，隔著接合層6b 將半導體元件7b接合到金屬層恥上、隔著接合層6c將半導體元件7c接合到金屬層恥上 (圖 8)。此外，對在分割后將半導體元件7a、7b、7c搭載在金屬層如、恥上的例子進行了說明，但是，也可以在將半導體元件7a、7b、7c搭載在金屬層如、恥上之后進行分割。此外，向金屬基底1的固定(圖6)、層疊體的分割(圖7)、半導體元件向金屬層的固定(圖8)的各工序也可以在可能的范圍內替換順序。 此外，如圖3所示，在設置密封樹脂81的情況下，在絕緣層4的上表面和下表面分別接合金屬層5和被接合層3，隔著接合層6將半導體元件7搭載在金屬層5上之后，進行密封樹脂81的注入，用密封樹脂對被接合層3a、3b、絕緣層^、4b、金屬層fe、5b、半導體元件7a、7b、7c進行密封。之后，隔著接合層2將金屬基底1接合到被接合層3的下表面。在該情況下，層疊體的分割可以在任意的時刻進行。被密封樹脂81密封的各構件在與金屬基底1的接合時被牢固地保持，所以，能夠牢固地接合在金屬基底1上。< 效果 >
本實施方式的半導體裝置具有冷卻器101，具有由金屬基底1形成的主面；被接合層 3a、3b，隔著接合層h、2b固定在金屬基底1上；絕緣層^、4b，固定在被接合層3a、!3b上并且以有機樹脂為母材；金屬層fe、5b，設置在絕緣層4a、4b上；半導體元件7a、7b、7c，設置在金屬層5ajb上，包括被接合層3a、3b、絕緣層^、4b、金屬層fe、5b的層疊體按一個或多個半導體元件7a、7b、7c被分割并且隔著接合層h、2b固定在金屬基底1上，所以，成為如下的半導體裝置即使在反復產(chǎn)生溫度變化的使用狀態(tài)下，也對在接合層加產(chǎn)生的變形進行抑制，具有較高的可靠性。此外，以金屬構成被接合層3a、3b，由此，金屬基底1和絕緣層^、4b利用導熱性較高的材料進行接合，基于冷卻器101的散熱性提高。此外，用密封樹脂81將被接合層3a、3b、絕緣層^、4b、金屬層fe、5b、半導體元件 7a、7b、7c密封，由此，獲得金屬層fejb之間的絕緣距離，從而有助于半導體裝置的小型化。此外，在利用寬帶隙半導體形成半導體元件7a、7b、7c的情況下，即使在高溫下使半導體元件7a、7b、7c進行動作，本實施方式的半導體裝置也能夠得到較高的可靠性。本實施方式的半導體裝置的制造方法具有如下步驟(a)準備具有由金屬基底1 形成的主面的冷卻器101 ； (b)在以有機樹脂為母材的絕緣層4的上表面和下表面分別形成金屬層5、被接合層3 ； (c)在工序(b)之后，隔著接合層2將金屬基底1接合到被接合層3 的下表面；(d)在工序(b)之后，對接合層2、被接合層3、絕緣層4、金屬層5進行分割；(e) 在工序(b)之后，將半導體元件7a、7b、7c接合到金屬層5上，所以，能夠制造如下半導體裝置即使在反復產(chǎn)生溫度變化的使用狀態(tài)下，也對在接合層加產(chǎn)生的變形進行抑制，具有較高的可靠性。此外，在工序(b)中，由于形成由金屬構成的被接合層，所以，金屬基底1和絕緣層 4a、4b利用導熱性高的材料進行接合，基于冷卻器101的散熱性提高。此外，在本實施方式的半導體裝置的制造方法中，在工序(e)、(c)之間還具有工序 (f)，用密封樹脂將被接合層3a、3b、絕緣層^、4b、金屬層fe、5b、半導體元件7a、7b、7c密封，所以，獲得金屬層5ajb之間的絕緣距離，從而有助于半導體裝置的小型化。此外，在工序(e)中，在將由寬帶隙半導體形成的半導體元件7a、7b、7c接合到各金屬層5ajb上的情況下，使在高溫下使半導體元件7a、7b、7c進行動作，也能夠得到較高的可靠性。附圖標記說明
1金屬基底，23、沘、63、乩接合層，3a、;3b被接合層，4a、4b絕緣層，5ajb金屬層，7a、7b、 7c半導體元件，9殼體，81、82、83密封樹脂。
權利要求
1.一種半導體裝置，其特征在于，具有 冷卻器，具有由金屬基底形成的主面；被接合層，隔著接合層固定在所述金屬基底上； 絕緣層，固定在所述被接合層上并且以有機樹脂為母材； 金屬層，設置在所述絕緣層上；以及半導體元件，設置在所述金屬層上，包括所述被接合層、所述絕緣層、所述金屬層的層疊體按一個或多個所述半導體元件被分割并且隔著所述接合層固定在所述金屬基底上。
2.如權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于， 所述被接合層由金屬構成。
3.如權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于，所述被接合層、所述絕緣層、所述金屬層、所述半導體元件被密封樹脂密封。
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， 所述半導體元件由寬帶隙半導體形成。
5.一種半導體裝置的制造方法，具有如下工序(a)準備具有由金屬基底形成的主面的冷卻器；(b)在以有機樹脂為母材的絕緣層的上表面和下表面分別形成金屬層、被接合層；(c)在所述工序(b)之后，隔著接合層將所述金屬基底接合到所述被接合層的下表面； (d )在所述工序(b )之后，對所述接合層、所述被接合層、所述絕緣層、所述金屬層進行分割；以及(e)在所述工序(b)之后，將半導體元件接合到所述金屬層上。
6.如權利要求5所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 所述工序(b)是形成由金屬構成的被接合層的工序。
7.如權利要求5所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，在所述工序(e)、(c)之間還具有用密封樹脂將所述被接合層、所述絕緣層、所述金屬層、所述半導體元件密封的工序(f)。
8.如權利要求5 7的任意一項所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，所述工序(e)是將由寬帶隙半導體形成的所述半導體元件接合到所述各金屬層上的工序。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種針對溫度變化的可靠性較高的半導體裝置及其制造方法。本發(fā)明的半導體裝置具有冷卻器(101)，具有由金屬基底(1)形成的主面；被接合層(3a、3b)，隔著接合層(2a、2b)固定在金屬基底(1)上；絕緣層(4a、4b)，固定在被接合層(3a、3b)上并且以有機樹脂為母材；金屬層(5a、5b)，設置在絕緣層(4a、4b)上；半導體元件(7a、7b、7c)，設置在金屬層(5a、5b)上。包括被接合層(3a、3b)、絕緣層(4a、4b)、金屬層(5a、5b)的層疊體按一個或多個半導體元件(7a、7b、7c)被分割并且隔著接合層(2a、2b)固定在金屬基底(1)上。
文檔編號H01L21/48GK102487053SQ20111026013
公開日2012年6月6日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權日2010年12月3日
發(fā)明者碓井修, 菊池正雄 申請人:三菱電機株式會社