半導(dǎo)體裝置及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體裝置及其制造方法，該半導(dǎo)體裝置(1)包括：半導(dǎo)體芯片(2)，該半導(dǎo)體芯片(2)具有第一主面、和位于該第一主面的相反側(cè)的第二主面；散熱板(3)，該散熱板(3)設(shè)置成與所述第一主面相對(duì)；第一電極(5)，該第一電極(5)設(shè)置在所述第一主面與所述散熱板(3)之間，并與所述半導(dǎo)體芯片(2)電連接；壓接構(gòu)件(4)，該壓接構(gòu)件(4)設(shè)置成與所述第二主面相對(duì)；第二電極(6)，該第二電極(6)設(shè)置在所述第二主面與所述壓接構(gòu)件(4)之間，并與所述半導(dǎo)體芯片(2)電連接；以及壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)，該壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生壓力，以將所述第一電極(5)分別壓接到所述散熱板(3)和所述半導(dǎo)體芯片(2)上，并且將所述第二電極(6)分別壓接到所述壓接構(gòu)件(4)和所述半導(dǎo)體芯片(2)上。
【專利說(shuō)明】半導(dǎo)體裝置及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置及其制造方法，特別涉及IGBT模塊、功率MOSFET模塊等適用于大功率半導(dǎo)體裝置(功率模塊)的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]非專利文獻(xiàn)I中公開(kāi)了一種功率模塊。該功率模塊具有如下結(jié)構(gòu):功率元件(半導(dǎo)體芯片)的一個(gè)主面(下表面)通過(guò)焊錫粘合在散熱器上，該功率元件的另一個(gè)主面(上表面)上所形成的表面電極通過(guò)焊錫直接粘合在引線框的內(nèi)部引線上。
[0003]圖35是表示非專利文獻(xiàn)I所公開(kāi)的功率模塊101的大致結(jié)構(gòu)的剖視圖。該功率模塊101中，功率元件102的上表面上所形成的表面電極(未圖示)通過(guò)焊錫層104直接粘合在主端子103上。功率元件102的上表面上所形成的另一表面電極(未圖示)則通過(guò)引線(金屬細(xì)線)106與控制端子105機(jī)械地電連接。功率元件102的下表面通過(guò)焊錫層107粘合在散熱器(金屬塊)108上。該散熱器108的下表面通過(guò)由絕緣性樹(shù)脂形成的絕緣片材109而粘合在金屬層110上。另外，功率模塊101的各構(gòu)成要素被模塑樹(shù)脂111密封。主端子103和控制端子105分別有一部分從該模塑樹(shù)脂111的外部輪廓突出。
[0004]專利文獻(xiàn)I中公開(kāi)了另一種功率模塊。該功率模塊具有以下結(jié)構(gòu):在半導(dǎo)體芯片與散熱板之間設(shè)有由陶瓷等絕緣材料形成的絕緣基板。
[0005]圖36是表示專利文獻(xiàn)I所公開(kāi)的功率模塊201的大致結(jié)構(gòu)的剖視圖。在該功率模塊201中，絕緣基板203的一個(gè)面(上表面)上形成有導(dǎo)電體203a，在該導(dǎo)電體203a的表面通過(guò)焊錫層204固定有半導(dǎo)體芯片202。絕緣基板203由陶瓷等絕緣材料形成。絕緣基板203的另一個(gè)面(下表面)上也形成有導(dǎo)電體203b。該導(dǎo)電體203b的表面通過(guò)焊錫層206固定在設(shè)置于半導(dǎo)體芯片202下方的散熱板205上。
現(xiàn)有專利文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)1:國(guó)際公開(kāi)2008-123386號(hào) 非專利文獻(xiàn)
[0007]非專利文獻(xiàn)1:菊池正雄等4人，「夕M 々卜'J 一 F'接合型大容量A 7 — ?夕二一 ^」(直接引線接合型大容量功率模塊)，三菱電機(jī)技報(bào)，2010年4月，第84卷第4號(hào)第232頁(yè)

【發(fā)明內(nèi)容】

發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0008]搭載在功率模塊上的半導(dǎo)體芯片的材料通常是Si(硅)。而近年來(lái)，正在研發(fā)SiC(碳化硅)制或GaN(氮化鎵)制的半導(dǎo)體芯片。該SiC制或GaN制的半導(dǎo)體芯片的特長(zhǎng)之一在于高溫下也能夠進(jìn)行工作。具體而言，Si制半導(dǎo)體芯片無(wú)法在超過(guò)150°C的溫度下工作。而SiC制或GaN制的半導(dǎo)體芯片在300°C以上的高溫下也能夠進(jìn)行工作。因此，與搭載有Si制半導(dǎo)體芯片的功率模塊相比，需要搭載有SiC制或GaN制半導(dǎo)體芯片的功率模塊能夠應(yīng)對(duì)高溫的情況。
[0009]然而，上述非專利文獻(xiàn)I和專利文獻(xiàn)I分別公開(kāi)的功率模塊的結(jié)構(gòu)并不能應(yīng)對(duì)高溫的情況。
[0010]具體而言，上述非專利文獻(xiàn)I中公開(kāi)的功率模塊101的結(jié)構(gòu)中，若功率元件102的材料為SiC，則功率元件102的熱膨脹系數(shù)變?yōu)??4ppm/°C。另一方面，主端子103及散熱器108的材料均為銅(Cu)時(shí)，主端子103及散熱器108的熱膨脹系數(shù)均為17ppm/°C。因此，隨著功率元件102的溫度變化，在將主端子103與功率元件102接合起來(lái)的焊錫層(接合部)104、和將散熱器108與功率元件102接合起來(lái)的焊錫層(接合部)107上均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。該應(yīng)力會(huì)隨著功率元件102的溫度變高而變大。因此，這些接合部(焊錫層104、107)各自受到的應(yīng)力負(fù)載會(huì)隨著功率元件102的溫度范圍變大而變大。從而，當(dāng)功率元件102的材料為SiC，且在功率模塊101工作過(guò)程中功率元件102的溫度高于Si制半導(dǎo)體芯片時(shí)，會(huì)在接合部反復(fù)地產(chǎn)生應(yīng)力，從而有可能導(dǎo)致接合部損壞，接合不良，或者熱阻變差。
[0011]另外，上述專利文獻(xiàn)I中公開(kāi)的功率模塊201的結(jié)構(gòu)中，若散熱板205的材料為銅(Cu)，則該散熱板205的熱膨脹系數(shù)為17ppm/°C。另一方面，絕緣基板203的材料均為氮化鋁(AlN)時(shí)，該絕緣基板203的熱膨脹系數(shù)為4ppm/°C。因此，隨著半導(dǎo)體芯片202的溫度變化，會(huì)在將絕緣基板203與散熱板205接合起來(lái)的焊錫層(接合部)206上產(chǎn)生應(yīng)力。該應(yīng)力會(huì)隨著半導(dǎo)體芯片202的溫度變高而變大。因此，接合部(焊錫層206)受到的應(yīng)力負(fù)載會(huì)隨著半導(dǎo)體芯片202的溫度范圍變大而變大。從而，當(dāng)半導(dǎo)體芯片202的材料為例如SiC，且在功率模塊201工作過(guò)程中半導(dǎo)體芯片202的溫度高于Si制半導(dǎo)體芯片時(shí)，會(huì)在接合部反復(fù)地產(chǎn)生應(yīng)力，從而有可能導(dǎo)致接合部損壞，熱阻變差。
[0012]本發(fā)明的目的之一在于提供一種在半導(dǎo)體芯片的溫度范圍較大的情況下也具有高可靠性的半導(dǎo)體裝置。本發(fā)明的另一目的在于提供一種在半導(dǎo)體芯片的溫度范圍較大的情況下也具有高可靠性的半導(dǎo)體裝置的制造方法。
解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案
[0013]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征在于，包括:半導(dǎo)體芯片，該半導(dǎo)體芯片具有第一主面、和位于該第一主面的相反側(cè)的第二主面；散熱板，該散熱板設(shè)置成與所述第一主面相對(duì)；第一電極，該第一電極設(shè)置在所述第一主面與所述散熱板之間，與所述半導(dǎo)體芯片電連接；壓接構(gòu)件，該壓接構(gòu)件設(shè)置成與所述第二主面相對(duì)；第二電極，該第二電極設(shè)置在所述第二主面與所述壓接構(gòu)件之間，與所述半導(dǎo)體芯片電連接；以及壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)，該壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生壓力，以將所述第一電極分別壓接到所述散熱板和所述半導(dǎo)體芯片上，并且將所述第二電極分別壓接到所述壓接構(gòu)件和所述半導(dǎo)體芯片上。
[0014]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，所述第一電極的與所述半導(dǎo)體芯片相接觸的部分的表面粗糙度大于所述半導(dǎo)體芯片的與所述第一電極相接觸的部分的表面粗糙度。
[0015]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，還包括用于將所述散熱板與所述第一電極之間絕緣的絕緣要素，所述散熱板的材料為銅或招。
[0016]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，所述第一電極具有與所述半導(dǎo)體芯片的所述第一主面相對(duì)的面，所述第一電極的與所述第一主面相對(duì)的面的面積大于所述第一主面的面積，所述第一電極的與所述第一主面相對(duì)的面從投影在該面上的所述第一主面的外周露出，以此方式來(lái)配置所述半導(dǎo)體芯片。
[0017]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，所述散熱板具有向所述半導(dǎo)體芯片的所述第一主面?zhèn)乳_(kāi)口的第一凹部，設(shè)置在所述第一主面與所述散熱板之間的所述第一電極至少有一部分被收納在所述一凹部?jī)?nèi)。
[0018]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，所述第一電極具有向所述半導(dǎo)體芯片的所述第一主面?zhèn)乳_(kāi)口的第二凹部，所述半導(dǎo)體芯片有一部分被收納在所述第二凹部?jī)?nèi)。
[0019]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，所述壓接構(gòu)件是第二散熱板。
[0020]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，還包括用于將所述第二散熱板與所述第二電極之間絕緣的絕緣要素，所述第二散熱板的材料為銅或鋁。
[0021]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，所述散熱板的材料是金剛石或陶瓷。
[0022]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，所述散熱板的材料是氮化鋁、氮化硅或氧化招。
[0023]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，所述第二散熱板的材料是金剛石或陶瓷。
[0024]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，所述第二散熱板的材料是氮化鋁、氮化硅或
氧化鋁。
[0025]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，還包括第三電極，該第三電極設(shè)置在所述壓接構(gòu)件與所述半導(dǎo)體芯片之間不同于所述第二電極的位置上，其與所述半導(dǎo)體芯片電連接，并且，通過(guò)所述壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)而被分別壓接在所述壓接構(gòu)件與所述半導(dǎo)體芯片上，所述壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生壓力，使得所述第二電極上施加的壓力要大于所述第三電極上施加的壓力。
[0026]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征還在于，所述半導(dǎo)體芯片在所述第二主面上形成有發(fā)射極、源極、陽(yáng)極來(lái)作為表面電極，所述第二電極與所述發(fā)射極、源極、陽(yáng)極電連接，所述壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)施加在所述第二電極上的壓力為0.5MPa以上且小于30MPa。
[0027]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，包括:在散熱板上設(shè)置第一電極的工序；在所述第一電極上設(shè)置半導(dǎo)體芯片的工序；在所述半導(dǎo)體芯片上設(shè)置第二電極的工序；在所述第二電極上設(shè)置壓接構(gòu)件的工序；以及從所述散熱板及所述壓接構(gòu)件向所述半導(dǎo)體芯片施加壓力，將所述第一電極壓接到所述半導(dǎo)體芯片上，并且將所述第二電極壓接到所述半導(dǎo)體芯片上的工序。
發(fā)明效果
[0028]根據(jù)本發(fā)明，半導(dǎo)體芯片與電連接至該半導(dǎo)體芯片的電極之間的連接可靠性得到提高。從而能夠獲得可靠性較高的半導(dǎo)體裝置。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1A是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例I的簡(jiǎn)要情況的俯視圖。
圖1B是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例I的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。 圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例I的簡(jiǎn)要情況的主視圖。 圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例2的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。 圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例3的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。 圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例4的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。 圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例5的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。 圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例6的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。 圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例7的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。 圖9是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例8的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。 圖1OA是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置所具備的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 例I的簡(jiǎn)要情況的俯視圖。
圖1OB是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置所具備的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)例I的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖1lA是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置所具備的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)例2的簡(jiǎn)要情況的俯視圖。
圖1lB是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置所具備的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)例2的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖1lC是從另一個(gè)方向表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置所具備的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)例2的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖12A是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置所具備的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)例3的簡(jiǎn)要情況的俯視圖。
圖12B是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置所具備的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)例3的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖12C是從另一個(gè)方向表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置所具備的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)例3的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖13是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例9的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。 圖14A是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例10的簡(jiǎn)要情況的俯視圖。
圖14B是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例10的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖15是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例11的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖16是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例12的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖17A是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例13的簡(jiǎn)要情況的俯視圖。
圖17B是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例13的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖18是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例14的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖19是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例15的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖20是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例16的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖21是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的壓接力與連接電阻值之間的關(guān)系的曲線圖。
圖22A是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的一個(gè)結(jié)構(gòu)例的簡(jiǎn)要情況的剖視圖，示出了設(shè)置在半導(dǎo)體芯片下表面的電極的面積大于該半導(dǎo)體芯片下表面的面積的一個(gè)結(jié)構(gòu)例。
圖22B是表示設(shè)置在半導(dǎo)體芯片下表面的電極的面積小于該半導(dǎo)體芯片下表面的面積的一個(gè)結(jié)構(gòu)例的簡(jiǎn)要情況的剖視圖，作為圖22A所示結(jié)構(gòu)的比較例。
圖23是將本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的一部分放大表示的剖視圖。
圖24A是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例17的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖24B是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例18的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖25A是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例19的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖25B是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例20的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖26A是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例21的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖26B是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例22的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖27是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例23的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖28是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例24的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖29是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例25的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖30是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例26的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖31是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例27的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖32是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例28的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖33是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的一個(gè)示例的簡(jiǎn)要情況的各工序剖視圖。
圖34是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的另一個(gè)示例的簡(jiǎn)要情況的各工序剖視圖。
圖35是表示現(xiàn)有功率模塊的結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
圖36是表示另一現(xiàn)有功率模塊的結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)要情況的剖視圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0030]下面，參照附圖，以功率模塊(大功率半導(dǎo)體裝置或功率半導(dǎo)體裝置)為例進(jìn)行說(shuō)明。有時(shí)為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，對(duì)實(shí)質(zhì)上相同的構(gòu)成要素標(biāo)注相同的參考標(biāo)號(hào)，并省略重復(fù)說(shuō)明。圖中，為了易于理解，示意性地表示了各構(gòu)成要素。圖中所示的各構(gòu)成要素的尺寸(厚度或長(zhǎng)度等)、形狀等僅僅是為了便于制圖，與實(shí)際情況并不相同。以下在實(shí)施方式中所示的各構(gòu)成要素的材質(zhì)、形狀、個(gè)數(shù)、尺寸等僅僅是一個(gè)示例，并不是特別限定，在實(shí)質(zhì)上不脫離本發(fā)明效果的范圍可，可以進(jìn)行各種變更。
[0031]首先，利用圖1A、圖1B和圖2來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置(功率模塊)I的簡(jiǎn)要情況。圖1A是表示本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置I的結(jié)構(gòu)例的簡(jiǎn)要情況的俯視圖。圖1B是沿著圖1A中B-B線的剖視圖。圖1A中，作為壓接構(gòu)件的一個(gè)示例的上側(cè)散熱板4沒(méi)有圖示。圖2是表示本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置I的結(jié)構(gòu)例的簡(jiǎn)要情況的主視圖。圖2中用假想線(雙點(diǎn)劃線)示出了上側(cè)散熱板4。
[0032]如圖1A、圖1B和圖2所示，半導(dǎo)體裝置I具備半導(dǎo)體芯片2。本實(shí)施方式中，半導(dǎo)體芯片2是功率半導(dǎo)體芯片。
[0033]半導(dǎo)體裝置I還具備設(shè)置在半導(dǎo)體芯片2下側(cè)的下側(cè)散熱板(第一散熱板)3、和設(shè)置在半導(dǎo)體芯片2上側(cè)的上側(cè)散熱板(第二散熱板)4。因此，上側(cè)散熱板4與下側(cè)散熱板3相對(duì)地設(shè)置，半導(dǎo)體芯片2設(shè)置在下側(cè)散熱板3與上側(cè)散熱板4之間。散熱板3、4的材料使用熱傳導(dǎo)率較高的高熱傳導(dǎo)材料比較合適。半導(dǎo)體裝置I還具備第一電極5、第二電極6和第三電極7。
[0034]第一電極5設(shè)置在下側(cè)散熱板3的與半導(dǎo)體芯片2的第一主面(下表面)相對(duì)的上表面上。該第一電極5具有與下側(cè)散熱板3相接觸的壓接部5a、和從該壓接部5a突出的突出部5b。該第一電極5的壓接部5a的上表面設(shè)有半導(dǎo)體芯片2。壓接部5a的上表面是壓接部5a(第一電極5)的與下側(cè)散熱板3相對(duì)的下表面相反側(cè)的面。因此，第一電極5設(shè)置在半導(dǎo)體芯片2與下側(cè)散熱板3之間。
[0035]第一電極5的突出部5b從距離半導(dǎo)體芯片2的投影區(qū)域規(guī)定位置處向上側(cè)散熱板4突出。該第一電極5的突出部5b從第一電極5的壓接部5a開(kāi)始延伸，以從上側(cè)散熱板4的上表面突出。上側(cè)散熱板4的上表面是上側(cè)散熱板4的與半導(dǎo)體芯片2相對(duì)的下表面相反側(cè)的面。因此，上側(cè)散熱板4具有能供第一電極5的突出部5b插入的孔部(未圖示)。
[0036]另外，第一電極5的壓接部5a設(shè)置成與形成在半導(dǎo)體芯片2的下表面上的第一表面電極(未圖示)相對(duì)，并與未圖示的第一表面電極電導(dǎo)通。形成在半導(dǎo)體芯片I下表面的未圖示的第一表面電極例如可以是形成在半導(dǎo)體芯片I的幾乎整個(gè)下表面上的實(shí)心電極。第一電極5的壓接部5a通過(guò)未圖示的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)而被分別壓接到半導(dǎo)體芯片2和下側(cè)散熱板3上，并與它們接觸接合。未圖示的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生壓力，以將第一電極5的壓接部5a分別壓接到半導(dǎo)體芯片2和下側(cè)散熱板3上。
[0037]第二電極6和第三電極7設(shè)置在半導(dǎo)體芯片2的上表面(第二主面)上的不同位置。半導(dǎo)體芯片2的上表面是半導(dǎo)體芯片2的第一主面(下表面)相反側(cè)的面。在該半導(dǎo)體裝置I中，投影在半導(dǎo)體芯片2上表面的各電極6、7的區(qū)域各自的中心均與半導(dǎo)體芯片2的上表面的中心分離。這些電極6、7也與設(shè)置在半導(dǎo)體芯片2下表面的第一電極5相同，具有與半導(dǎo)體芯片2相接觸的壓接部6a、7a、和從該壓接部6a、7a突出的突出部6b、7b。
[0038]這些電極6、7的壓接部6a、7a的上表面設(shè)有上側(cè)散熱板4。壓接部6a、7a的上表面是壓接部6a、7a(電極6、7)的與半導(dǎo)體芯片2相對(duì)的下表面相反側(cè)的面。因此,第二電極6與第三電極7均設(shè)置在半導(dǎo)體芯片2與上側(cè)散熱板4之間，與半導(dǎo)體芯片2的上表面相對(duì)設(shè)置的上側(cè)散熱板4、以及與半導(dǎo)體芯片2的下表面相對(duì)設(shè)置的下側(cè)散熱板3 —起夾著半導(dǎo)體芯片2和多個(gè)電極5?7的壓接部5a?7a來(lái)對(duì)它們進(jìn)行保持。
[0039]第二電極6的突出部6b從第二電極6的壓接部6a開(kāi)始延伸，以從上側(cè)散熱板4的上表面突出。同樣，第三電極7的突出部7b也從第三電極7的壓接部7a開(kāi)始延伸，以從上側(cè)散熱板4的上表面突出。因此，上側(cè)散熱板4具有能供第二電極6的突出部6b插入的孔部(未圖示)、和能供第三電極7的突出部7b插入的孔部。
[0040]另外，第二電極6的壓接部6a設(shè)置成與形成在半導(dǎo)體芯片2的上表面上的第二表面電極8相對(duì)，并與該第二表面電極8電導(dǎo)通。同樣，第三電極7的壓接部7a設(shè)置成與形成在半導(dǎo)體芯片2的上表面上的第三表面電極9相對(duì),并與該第三表面電極9電導(dǎo)通。第二電極6的壓接部6a與第三電極7的壓接部7a都通過(guò)未圖示的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)而被分別壓接到半導(dǎo)體芯片2和上側(cè)散熱板4上，并與它們接觸接合。未圖示的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生壓力，以將第二電極6的壓接部6a與第三電極7的壓接部7a都分別壓接到半導(dǎo)體芯片2和上側(cè)散熱板4上。
[0041]在該半導(dǎo)體裝置I中，形成在半導(dǎo)體芯片2的第二主面(上表面)上的第二表面電極8的面積大于第二電極6的與該第二表面電極8相接觸的壓接部6a的面積(第二電極6的投影面積)，第二表面電極8至少在一個(gè)方向上從第二電極6的壓接部6a露出。通過(guò)采用這種結(jié)構(gòu)，即使第二電極6的壓接部6a與半導(dǎo)體芯片2發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)(滑行)，也能夠保證半導(dǎo)體芯片2的第二表面電極8與第二電極6之間的電導(dǎo)通。
[0042]本實(shí)施方式中，半導(dǎo)體裝置I具有第二電極6與半導(dǎo)體芯片2的第二表面電極8相接觸的結(jié)構(gòu)。但是，半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)并不限于此。例如，也可以對(duì)半導(dǎo)體芯片2的第二表面電極8實(shí)施鍍敷處理，在第二表面電極8上形成高度為例如4μ m左右的突起狀電極。具體而言，在半導(dǎo)體芯片2的第二表面電極8是由例如Al (鋁)形成的情況下，可以對(duì)第二表面電極8實(shí)施鍍Ni。也可以在實(shí)施了鍍Ni之后，進(jìn)一步實(shí)施Au薄鍍。通過(guò)這樣在半導(dǎo)體芯片2的第二表面電極8上形成突起狀電極，無(wú)論第二電極6的壓接部6a的面積大于還是小于第二表面電極8的面積，都能在第二電極6的壓接部6a與半導(dǎo)體芯片2發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)保證第二表面電極8與第二電極6之間的電導(dǎo)通。
[0043]另外，在該半導(dǎo)體裝置I中，形成在半導(dǎo)體芯片2的第二主面(上表面)上的第三表面電極9至少在一個(gè)方向上從第三電極7的與該第三表面電極9相接觸的壓接部7a露出。另一方面，第三電極7的壓接部7a也至少在一個(gè)方向上從第三表面電極9露出。從而，當(dāng)與半導(dǎo)體芯片的表面電極電連接的電極要從半導(dǎo)體芯片的表面電極露出時(shí)，需要在半導(dǎo)體芯片的表面電極上形成突起狀電極。在該半導(dǎo)體裝置I中，通過(guò)在半導(dǎo)體芯片2的第三表面電極9上進(jìn)行鍍敷處理，從而形成未圖示的突起狀電極，并在該通過(guò)鍍敷處理而形成的未圖示的突起狀電極上設(shè)置第三電極7的壓接部7a。通過(guò)采用這種結(jié)構(gòu)，即使第三電極7的壓接部7a與半導(dǎo)體芯片2發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)(滑行)，也能保證半導(dǎo)體芯片2的第三表面電極9與第三電極7之間的電導(dǎo)通。當(dāng)如上述那樣在第三表面電極9上形成了突起狀電極時(shí)，為了使第二電極6的壓接部6a與第三電極7的壓接部7a各自的上表面高度一致，最好在與第二電極6的壓接部6a電連接的半導(dǎo)體芯片2的第二表面電極8上也通過(guò)鍍敷處理等形成突起狀電極。
[0044]本實(shí)施方式中，是對(duì)半導(dǎo)體芯片2的上表面設(shè)有2個(gè)電極6、7這樣的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置I進(jìn)行說(shuō)明。然而，本發(fā)明并不限于上述結(jié)構(gòu)。只要在半導(dǎo)體芯片2的各個(gè)主面上都設(shè)置一個(gè)以上的電極即可。
[0045]另外，本實(shí)施方式中，說(shuō)明了使用隔著半導(dǎo)體芯片2而與下側(cè)散熱板3相對(duì)設(shè)置的上側(cè)散熱板4來(lái)作為壓接構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置I。但是，壓接構(gòu)件并不限于散熱板，即不限于具有熱傳導(dǎo)性的構(gòu)件。壓接構(gòu)件只要是至少能夠?qū)⑴c半導(dǎo)體芯片2電連接的電極5?7的壓接部5a?7a和下側(cè)散熱板3 —起壓接到半導(dǎo)體芯片2上，對(duì)它們進(jìn)行保持，并能保持它們電絕緣的構(gòu)件即可。
[0046]在該半導(dǎo)體裝置I中，未圖示的壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生用于將半導(dǎo)體芯片2保持在下側(cè)散熱板3與上側(cè)散熱板4之間的壓力。利用這一壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)第一電極5的壓接部5a與下側(cè)散熱板3之間的壓接接合、第一電極5的壓接部5a與半導(dǎo)體芯片2之間的壓接接合、第二電極6的壓接部6a及第三電極7的壓接部7a與半導(dǎo)體芯片2之間的壓接接合、以及第二電極6的壓接部6a及第三電極7的壓接部7a與上側(cè)散熱板4之間的壓接接合。通過(guò)這些壓接接合，來(lái)保持半導(dǎo)體芯片2、第一電極5、第二電極6和第三電極7之間的位置關(guān)系。
[0047]接著，詳細(xì)說(shuō)明該半導(dǎo)體裝置I的各構(gòu)成要素。
[0048]首先，對(duì)半導(dǎo)體芯片2進(jìn)行說(shuō)明。功率模塊所使用的半導(dǎo)體芯片以功率M0SFET、IGBT、雙極晶體管、二極管等功率半導(dǎo)體芯片為代表。近年來(lái)，正在研發(fā)SiC(碳化硅)制或GaN(氮化鎵)制的功率半導(dǎo)體芯片。功率半導(dǎo)體芯片的結(jié)構(gòu)可分為縱型結(jié)構(gòu)和橫型結(jié)構(gòu)。本實(shí)施方式中，對(duì)半導(dǎo)體芯片2是縱型功率MOSFET的情況進(jìn)行說(shuō)明。
[0049]當(dāng)半導(dǎo)體芯片2是縱型功率MOSFET時(shí)，在本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置I中，半導(dǎo)體芯片2的下表面(第一主面)上形成的第一表面電極為漏極。該漏極與設(shè)置在半導(dǎo)體芯片2下表面的第一電極5電連接。形成在半導(dǎo)體芯片2上表面(第二主面)上的第二表面電極8和第三表面電極9分別為源極和柵極。因此，源極8與第二電極6電連接，柵極9與第三電極7電連接。
[0050]另外，在本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置I中，當(dāng)半導(dǎo)體芯片2是IGBT時(shí)，形成在半導(dǎo)體芯片2下表面上的第一表面電極為集電極,形成在半導(dǎo)體芯片2上表面上的第二表面電極8和第三表面電極9分別是發(fā)射極和柵極，發(fā)射極8與第二電極6電連接，柵極9與第三電極7電連接。
[0051]另外，在本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置I中，當(dāng)半導(dǎo)體芯片2是雙極晶體管時(shí)，形成在半導(dǎo)體芯片2下表面上的第一表面電極為集電極，形成在半導(dǎo)體芯片2上表面上的第二表面電極8和第三表面電極9分別是發(fā)射極和基極，發(fā)射極8與第二電極6電連接，基極9與第三電極7電連接。
[0052]當(dāng)半導(dǎo)體芯片為二極管時(shí)，在半導(dǎo)體芯片的一個(gè)主面上形成陰極作為表面電極，在半導(dǎo)體芯片的另一個(gè)主面上形成陽(yáng)極作為表面電極。從而在半導(dǎo)體芯片為二極管的情況下，半導(dǎo)體芯片的兩個(gè)主面上分別形成一個(gè)表面電極。因此，在這種情況下，這些主面都分別設(shè)有一個(gè)電極。[0053]接下來(lái)，對(duì)第一電極5、第二電極6和第三電極7進(jìn)行說(shuō)明。各電極5?7是供電流流過(guò)的構(gòu)件，起到確保規(guī)定電壓等電學(xué)作用。
[0054]與半導(dǎo)體芯片2電連接的電極5?7的材料通常是銅。但是，電極5?7的材質(zhì)并不限于銅。電極5?7的材質(zhì)也可以是鎳、鋁等?；蛘撸部梢允褂迷谟摄~等形成的基材上進(jìn)行了鍍鎳后得到的電極?；蛘?，也可以使用在由銅等形成的基材上進(jìn)行鍍鎳，并在該鎳鍍層上進(jìn)一步進(jìn)行鍍銀或鍍金后得到的電極。在由銅等形成的基材上進(jìn)行鍍鎳能夠使電極不易被氧化。而在鎳鍍層上進(jìn)一步進(jìn)行鍍銀或鍍銅可以使電極更加不易被氧化。
[0055]如上所述，電極5?7具有延伸到半導(dǎo)體裝置I的外部輪廓外部的突出部5b?7b。這些突出部5b?7b分別從不同的位置且互不接觸地進(jìn)行延伸。另外，分別用來(lái)供各突出部5b?7b插入的上側(cè)散熱板4的各孔部的截面積盡可能地越小越好。本半導(dǎo)體裝置I中，各突出部5b?7b在垂直于上側(cè)散熱板4的方向上延伸。從而，能夠抑制上側(cè)散熱板4的各孔部的截面積增大，因此能夠提高上側(cè)散熱板4的散熱特性。
[0056]第一電極5、第二電極6和第三電極7也可以分別具有從下側(cè)散熱板3的下表面突出的突出部，而不是從上側(cè)散熱板4的上表面突出的突出部，并在下側(cè)散熱板3而非上側(cè)散熱板4上設(shè)置分別可供各突出部插入的各孔部。下側(cè)散熱板3的下表面就是下側(cè)散熱板3的上表面相反側(cè)的面。
[0057]接著，對(duì)下側(cè)散熱板3和上側(cè)散熱板4進(jìn)行說(shuō)明。散熱板3、4是將第一電極5、第二電極6和第三電極7壓接到半導(dǎo)體芯片2上的構(gòu)件，起到保持這些電極、高效地對(duì)半導(dǎo)體芯片2所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行散熱、以及保證電絕緣的作用。
[0058]散熱板3、4的材料使用熱傳導(dǎo)率較高的絕緣性無(wú)機(jī)材料比較合適。具體而言，散熱板3、4的材料可以使用金剛石。另外，散熱板3、4的材料也可以使用氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)等陶瓷。
[0059]散熱板3、4的材料還可以使用熱傳導(dǎo)率較高的金屬，并用絕緣要素將散熱板3、4與電極5?7之間絕緣。下面，利用圖3?圖9，對(duì)通過(guò)絕緣要素將散熱板3、4與電極5?7之間絕緣這樣的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置I進(jìn)行說(shuō)明。
[0060]圖3和圖4是分別表示本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置I的另一結(jié)構(gòu)例的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。在圖3和圖4所示的半導(dǎo)體裝置I中，在下側(cè)散熱板3的上表面和上側(cè)散熱板4的下表面形成有絕緣層IOa作為絕緣要素的一個(gè)例子。并且，在供各電極5?7的突出部5b?7b插入的上側(cè)散熱板4的各孔部的內(nèi)表面也形成有絕緣層10a。形成在下側(cè)散熱板3的上表面的絕緣層IOa將第一電極5的壓接部5a與下側(cè)散熱板3之間絕緣。同樣地，形成在上側(cè)散熱板4的下表面的絕緣層IOa將第二電極6的壓接部6a與上側(cè)散熱板4之間絕緣，同時(shí)將第三電極7的壓接部7a與上側(cè)散熱板4之間絕緣。由此，保證散熱板3、4與電極5?7之間的電絕緣。因此，散熱板3和4的基材可以使用由鋁或銅等形成的金屬構(gòu)件。
[0061]絕緣層IOa的材質(zhì)使用熱傳導(dǎo)率較高的無(wú)機(jī)材料比較合適。例如，絕緣層IOa的材質(zhì)可以使用鋁的陽(yáng)極氧化膜(耐酸鋁)、金剛石薄膜、通過(guò)陶瓷噴涂形成的膜、類金剛石碳等。
[0062]例如，絕緣層IOa的材質(zhì)選擇耐酸鋁時(shí)，絕緣層IOa的膜厚為10 μ m?100 μ m左右即可。當(dāng)絕緣層IOa由耐酸鋁形成時(shí)，為了提高絕緣層IOa的絕緣性，優(yōu)選對(duì)其實(shí)施封孔處理。用于耐酸鋁處理的電解液優(yōu)選使用乙二酸基的電解液。這是為了使絕緣層IOa的被膜不易破損，從而提高絕緣性。另外，耐酸鋁的表面也可以被樹(shù)脂膜覆蓋。由此，進(jìn)一步提高絕緣層IOa的絕緣性。覆蓋絕緣層IOa的樹(shù)脂膜的膜厚為I μπι?20 μπι左右即可。形成覆蓋樹(shù)脂層IOa的樹(shù)脂膜的方法可以采用例如在耐酸鋁處理后在耐酸鋁的表面電鍍含氟樹(shù)脂的方法。
[0063]上述這樣在由金屬形成的散熱板上形成有由無(wú)機(jī)材料構(gòu)成的絕緣層IOa的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置I與使用由熱傳導(dǎo)率較高的絕緣性無(wú)機(jī)材料形成的散熱板的半導(dǎo)體裝置I相比，熱傳導(dǎo)性更高，且制造成本更低。
[0064]形成在下側(cè)散熱板3的上表面的絕緣層IOa的面積大于第一電極5的壓接部5a的面積(第一電極5的投影面積)為佳，以使第一電極5的壓接部5a向下側(cè)散熱板3的散熱更加高效。另外，通過(guò)上述那樣使形成在下側(cè)散熱板3的上表面的絕緣層IOa的面積大于第一電極5的壓接部5a的面積，能夠使下側(cè)散熱板3與第一電極5的壓接部5a之間可靠地絕緣。另一方面，也可以使形成在上側(cè)散熱板4的下表面的絕緣層IOa的面積大于例如半導(dǎo)體芯片2的上表面的面積，從而主要能夠使第二電極6的壓接部6a向上側(cè)散熱板4的散熱更加有效。另外，通過(guò)上述那樣使形成在上側(cè)散熱板4的下表面的絕緣層IOa的面積大于半導(dǎo)體芯片2的上表面的面積，能夠使各電極6、7的壓接部6a、7a與上側(cè)散熱板4之間可靠地絕緣。
[0065]圖4所示的半導(dǎo)體裝置I與圖3所示的半導(dǎo)體裝置I的不同之處在于，各絕緣層IOa相對(duì)于與半導(dǎo)體芯片2相對(duì)的各散熱板3、4的上表面或下表面的面積之比。具體而言，圖4所示的半導(dǎo)體裝置I中絕緣層IOa的面積比例要大于圖3所示的半導(dǎo)體裝置I中絕緣層IOa的面積比例。因此，在圖3所示的半導(dǎo)體裝置I的尺寸與圖4所示的半導(dǎo)體裝置I的尺寸相同的情況下，圖4所示的半導(dǎo)體裝置I的各散熱板3、4的上表面或下表面上形成的各絕緣層IOa的面積要大于圖3所示的半導(dǎo)體裝置I中各散熱板3、4的上表面或下表面上形成的各絕緣層IOa的面積。另一方面，如圖4所示，在下側(cè)散熱板3的整個(gè)上表面或者幾乎整個(gè)上表面上形成絕緣層10a，在上側(cè)散熱板4的整個(gè)下表面或者幾乎整個(gè)下表面上形成絕緣層10a，這種情況與圖3所示的在各散熱板3、4的上表面或下表面局部地形成各絕緣層IOa的情況相比，絕緣層IOa的形成更加容易。
[0066]接下來(lái)，說(shuō)明通過(guò)絕緣要素將散熱板3、4與電極5?7之間絕緣這樣的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置I的另一個(gè)例子。圖5?圖9是分別表示本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置I的另一結(jié)構(gòu)例的簡(jiǎn)要情況的剖視圖。
[0067]圖5所示的半導(dǎo)體裝置I中，形成有絕緣層的散熱板3、4使用埋設(shè)了絕緣構(gòu)件10b、10c、10d來(lái)作為絕緣要素的一個(gè)示例的散熱板3、4。利用這些埋設(shè)的絕緣構(gòu)件10b、10c、10d，在各散熱板3、4中形成絕緣層。
[0068]埋設(shè)在下側(cè)散熱板3中的絕緣構(gòu)件IOb在與第一電極5的壓接部5a相對(duì)應(yīng)的位置上從下側(cè)散熱板3的上表面露出。
[0069]埋設(shè)在上側(cè)散熱板4中的絕緣構(gòu)件IOc在與第二電極6的壓接部6a相對(duì)應(yīng)的位置上從上側(cè)散熱板4的下表面露出。埋設(shè)在上側(cè)散熱板4中的絕緣構(gòu)件IOc的形狀與第二電極6的形狀相對(duì)應(yīng)。即，絕緣構(gòu)件IOc包括與第二電極6的壓接部6a相對(duì)應(yīng)的基部和與第二電極6的突出部6b相對(duì)應(yīng)的突出部(未圖示)，絕緣構(gòu)件IOc的基部的下表面從上側(cè)散熱板4的下表面露出，絕緣構(gòu)件IOc的突出部從絕緣構(gòu)件IOc的基部延伸到上側(cè)散熱板4的上表面。并且，能夠供第二電極6的突出部6b插入的孔部(未圖示)從絕緣構(gòu)件IOc的基部的下表面延伸到絕緣構(gòu)件IOc的突出部的端面。
[0070]同樣地，埋設(shè)在上側(cè)散熱板4中的絕緣構(gòu)件IOd的形狀與第三電極7的形狀相對(duì)應(yīng)，包括與第三電極7的壓接部7a相對(duì)應(yīng)的基部、和與第三電極7的突出部7b相對(duì)應(yīng)的突出部。該絕緣構(gòu)件IOd設(shè)置在與第三電極7的壓接部7a相對(duì)應(yīng)的位置上，且絕緣構(gòu)件IOd的基部的下表面從上側(cè)散熱板4的下表面露出。絕緣構(gòu)件IOd的突出部從絕緣構(gòu)件IOd的基部延伸到上側(cè)散熱板4的上表面。并且，能夠供第三電極7的突出部7b插入的孔部從絕緣構(gòu)件IOd的基部的下表面延伸到絕緣構(gòu)件IOd的突出部的端面。
[0071]另外，上側(cè)散熱板4中還埋設(shè)有形成了能供第一電極5的突出部5b插入的孔部的絕緣構(gòu)件(未圖示)。該絕緣構(gòu)件也可以與絕緣構(gòu)件IOc形成為一體。
[0072]絕緣構(gòu)件IOb也可以埋設(shè)在通過(guò)锪孔加工等形成在下側(cè)散熱板3中的凹部?jī)?nèi)。同樣，各絕緣構(gòu)件10c、10d的基部也可以埋設(shè)在通過(guò)锪孔加工等形成在上側(cè)散熱板4中的各凹部?jī)?nèi)。通過(guò)這樣將絕緣構(gòu)件10b、10c、IOd埋設(shè)在散熱板3、4中，能夠防止絕緣構(gòu)件10b、10c、IOd的位置發(fā)生偏移。
[0073]絕緣構(gòu)件IOb用于將與形成在半導(dǎo)體芯片2的第一主面上的主電極壓接的第一電極5和下側(cè)散熱板3之間絕緣，因此要求其具有高熱傳導(dǎo)率和高耐熱性。同樣，絕緣構(gòu)件IOc用于將與形成在半導(dǎo)體芯片2的第二主面上的主電極壓接的第二電極6的壓接部6a和上側(cè)散熱板4之間絕緣，因此要求其也具有高熱傳導(dǎo)率和高耐熱性。因此，這些絕緣構(gòu)件10b、IOc的材料使用例如金剛石、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)等陶瓷之類的無(wú)機(jī)絕緣材料比較合適。但是，在不要求高散熱性的情況下，也可以使用氧化鋁(Al2O3)等便宜的陶瓷。
[0074]例如,絕緣構(gòu)件IOb由氮化招形成的情況下,絕緣構(gòu)件IOb所需的厚度為50 μ m?1000 μ m左右。絕緣構(gòu)件IOb的厚度為400 μ m左右比較合適。同樣，絕緣構(gòu)件IOc由氮化鋁形成的情況下，絕緣構(gòu)件IOc的基部所需的厚度為50 μπι?1000 μπι左右。絕緣構(gòu)件IOc的基部的厚度為400 μ m左右比較合適。絕緣構(gòu)件IOb的材料是金剛石的情況下，絕緣構(gòu)件IOb所需的厚度為ΙΟμπι?ΙΟΟμπι左右。同樣，絕緣構(gòu)件IOc的材料是金剛石的情況下，絕緣構(gòu)件IOc的基部所需的厚度為ΙΟμπι?ΙΟΟμπι左右。金剛石既可以是多晶金剛石，也可以是單晶金剛石。
[0075]另一方面，絕緣構(gòu)件IOd用于將與半導(dǎo)體芯片2的柵極壓接的第三電極7和上側(cè)散熱板4之間絕緣，因此僅要求其具有絕緣性。因此，絕緣構(gòu)件IOd的材料可以使用例如云母、氧化鋁(Al2O3)等陶瓷之類的便宜的無(wú)機(jī)材料。用于將與第一電極5的突出部5b與上側(cè)散熱板4之間絕緣的絕緣構(gòu)件(未圖示)也僅要求具有絕緣性。因此，在用于將第一電極5的突出部5b與上側(cè)散熱板4之間絕緣的絕緣構(gòu)件與絕緣構(gòu)件IOc不是一體的情況下，用于將第一電極5的突出部5b與上側(cè)散熱板4之間絕緣的絕緣構(gòu)件(未圖示)的材料可以使用例如云母、氧化鋁(Al2O3)等陶瓷之類的便宜的無(wú)機(jī)材料。
[0076]散熱板3、4的材料使用便宜且熱傳導(dǎo)率較高的金屬材料比較合適。優(yōu)選使用例如鋁或銅等。絕緣構(gòu)件IOb?IOd可以通過(guò)切割或研磨等機(jī)械加工而成為規(guī)定的形狀。當(dāng)絕緣構(gòu)件IOb?IOd由陶瓷構(gòu)成時(shí)，也可以通過(guò)模具成形使絕緣構(gòu)件形成規(guī)定的形狀，來(lái)代替機(jī)械加工。
[0077]絕緣構(gòu)件IOb的面積優(yōu)選大于第一電極5的壓接部5a的面積，使得下側(cè)散熱板3與第一電極5的壓接部5a之間可靠地絕緣。同樣的，絕緣構(gòu)件IOc的基部的面積(絕緣構(gòu)件IOc的投影面積)優(yōu)選大于第二電極6的壓接部6a的面積，絕緣構(gòu)件IOd的基部的面積(絕緣構(gòu)件IOd的投影面積)也優(yōu)選大于第三電極7的壓接部7a的面積(第三電極7的投影面積)。
[0078]也可以在通過(guò)锪孔加工等形成在散熱板3、4中的各凹部?jī)?nèi)形成鋁的陽(yáng)極氧化膜(耐酸鋁)、金剛石薄膜、通過(guò)陶瓷噴涂形成的膜、類金剛石碳等，來(lái)代替在散熱板3、4中埋設(shè)絕緣構(gòu)件10b、10c、10d。
[0079]在圖6所示的半導(dǎo)體裝置I中，絕緣構(gòu)件IOb設(shè)置在下側(cè)散熱板3的上表面。利用該設(shè)置在下側(cè)散熱板3的上表面的絕緣構(gòu)件10b，在下側(cè)散熱板3上形成絕緣層。絕緣構(gòu)件10c、10d的基部設(shè)置在上側(cè)散熱板4的下表面。利用該設(shè)置在上側(cè)散熱板4的下表面的絕緣構(gòu)件10c、IOd,在上側(cè)散熱板4上形成絕緣層。
[0080]根據(jù)圖6所示的半導(dǎo)體裝置1，無(wú)需像圖5所示的半導(dǎo)體裝置I那樣在散熱板3、4中形成凹部，因此能夠降低成本。絕緣構(gòu)件IOb的面積優(yōu)選大于第一電極5的壓接部5a的面積，使得從第一電極5的壓接部5a向下側(cè)散熱板3的散熱高效地進(jìn)行。另外，通過(guò)上述那樣使設(shè)置在下側(cè)散熱板3的上表面的絕緣構(gòu)件IOb的面積大于第一電極5的壓接部5a的面積，能夠使下側(cè)散熱板3與第一電極5的壓接部5a之間可靠地絕緣。同樣的，設(shè)置在上側(cè)散熱板4下表面的絕緣構(gòu)件IOc的基部的面積也優(yōu)選大于壓接部6a的面積，設(shè)置在上側(cè)散熱板4下表面的絕緣構(gòu)件IOd的基部的面積也優(yōu)選大于壓接部7a的面積。另外，通過(guò)上述那樣使絕緣構(gòu)件IOc的基部的面積大于壓接部6a的面積，并使絕緣構(gòu)件IOd的基部的面積也大于壓接部7a的面積，能夠使各電極6、7的壓接部6a、7a與上側(cè)散熱板4之間可靠地絕緣。
[0081]用于將第二電極6和上側(cè)散熱板4之間絕緣的絕緣構(gòu)件、與用于將第三電極7和上側(cè)散熱板4之間絕緣的絕緣構(gòu)件也可以例如圖7所示那樣形成為一體。圖7示出的半導(dǎo)體裝置I中，在下側(cè)散熱板3中埋設(shè)了絕緣構(gòu)件10b，在上側(cè)散熱板4中埋設(shè)了絕緣構(gòu)件IOe0絕緣構(gòu)件IOe將第二電極6和上側(cè)散熱板4之間絕緣，同時(shí)將第三電極7和上側(cè)散熱板4之間絕緣。利用該埋設(shè)的絕緣構(gòu)件10e，在上側(cè)散熱板4上形成絕緣層。
[0082]具體而言，絕緣構(gòu)件IOe包括覆蓋第二電極6的壓接部6a和第三電極7的壓接部7a的基部、與第二電極6的突出部6b相對(duì)應(yīng)的突出部(未圖示)、以及與第三電極7的突出部7b相對(duì)應(yīng)的突出部，絕緣構(gòu)件IOe的基部的下表面從上側(cè)散熱板4的下表面露出，絕緣構(gòu)件IOe的各突出部從絕緣構(gòu)件IOe的基部延伸到上側(cè)散熱板4的上表面。并且，能夠供第二電極6的突出部6b插入的孔部(未圖示)從絕緣構(gòu)件IOe的基部的下表面延伸到絕緣構(gòu)件IOe的其中一個(gè)突出部的端面，能夠供第三電極7的突出部7b插入的孔部從絕緣構(gòu)件IOe的基部的下表面延伸到絕緣構(gòu)件IOe的另一個(gè)突出部的端面。
[0083]另外，上側(cè)散熱板4中還埋設(shè)有形成了能供第一電極5的突出部5b插入的孔部的絕緣構(gòu)件(未圖示)。該絕緣構(gòu)件也可以與絕緣構(gòu)件IOe形成為一體。
[0084]絕緣構(gòu)件IOe的基部也可以埋設(shè)在通過(guò)锪孔加工等形成在上側(cè)散熱板4中的凹部?jī)?nèi)。通過(guò)這樣將絕緣構(gòu)件IOe埋設(shè)在上側(cè)散熱板4中，能夠防止絕緣構(gòu)件IOe的位置發(fā)生偏移。
[0085]在圖7所示的半導(dǎo)體裝置I中，絕緣構(gòu)件IOe用于將第二電極6的壓接部6a和上側(cè)散熱板4之間絕緣，因此要求其具有高熱傳導(dǎo)率和高耐熱性。因此，絕緣構(gòu)件IOe的材料使用例如金剛石、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)等陶瓷之類的無(wú)機(jī)絕緣材料比較合適。但是，在不要求高散熱性的情況下，也可以使用氧化鋁(Al2O3)等便宜的陶瓷。例如，絕緣構(gòu)件IOe由氮化鋁形成的情況下，絕緣構(gòu)件IOe的基部所需的厚度為50 μ m?1000 μ m左右。絕緣構(gòu)件IOe的基部的厚度為400 μ m左右比較合適。絕緣構(gòu)件IOe的材料是金剛石的情況下，絕緣構(gòu)件IOe的基部所需的厚度為ΙΟμπι?ΙΟΟμπι左右。金剛石既可以是多晶金剛石，也可以是單晶金剛石。
[0086]絕緣構(gòu)件IOe可以通過(guò)切割或研磨等機(jī)械加工而成為規(guī)定的形狀。當(dāng)絕緣構(gòu)件IOe由陶瓷構(gòu)成時(shí)，也可以通過(guò)模具成形使絕緣構(gòu)件IOe形成規(guī)定的形狀，來(lái)代替機(jī)械加工。
[0087]也可以使絕緣構(gòu)件IOe的基部的面積(絕緣構(gòu)件IOe的投影面積)大于例如半導(dǎo)體芯片2的上表面的面積，從而能夠使各電極6、7的壓接部6a、7a與上側(cè)散熱板4之間可靠地絕緣。
[0088]也可以在通過(guò)锪孔加工等形成在散熱板3、4中的各凹部?jī)?nèi)形成鋁的陽(yáng)極氧化膜(耐酸鋁)、金剛石薄膜、通過(guò)陶瓷噴涂形成的膜、類金剛石碳等，來(lái)代替在散熱板3、4中埋設(shè)絕緣構(gòu)件10b、IOe。
[0089]在圖8、圖9所示的半導(dǎo)體裝置I中，絕緣構(gòu)件IOb設(shè)置在下側(cè)散熱板3的上表面，絕緣構(gòu)件IOe的基部設(shè)置在上側(cè)散熱板4的下表面。利用該設(shè)置在上側(cè)散熱板4的下表面的絕緣構(gòu)件10e，在上側(cè)散熱板4上形成絕緣層。在圖8所示的半導(dǎo)體裝置I中，絕緣構(gòu)件IOb局部設(shè)置在下側(cè)散熱板3的上表面，絕緣構(gòu)件IOe的基部局部設(shè)置在上側(cè)散熱板4的下表面。在圖9所示的半導(dǎo)體裝置I中，絕緣構(gòu)件IOb設(shè)置在下側(cè)散熱板3的整個(gè)上表面或幾乎整個(gè)上表面，絕緣構(gòu)件IOe的基部設(shè)置在上側(cè)散熱板4的整個(gè)下表面或幾乎整個(gè)下表面。
[0090]根據(jù)圖8、圖9所示的半導(dǎo)體裝置1，無(wú)需像圖7所示的半導(dǎo)體裝置I那樣在散熱板3、4中形成凹部，因此能夠降低成本。也可以使絕緣構(gòu)件IOe的基部的面積大于例如半導(dǎo)體芯片2的上表面的面積，從而主要能夠使第二電極6的壓接部6a向上側(cè)散熱板4的散熱更加有效。另外，通過(guò)上述那樣使設(shè)置在上側(cè)散熱板4的下表面的絕緣構(gòu)件IOe的基部的面積大于半導(dǎo)體芯片2的上表面的面積，能夠使各電極6、7的壓接部6a、7a與上側(cè)散熱板4之間可靠地絕緣。
[0091]以上圖3?圖9所示的下側(cè)散熱板3與上側(cè)散熱板4可以任意地進(jìn)行組合。例如，半導(dǎo)體裝置I也可以包括形成有圖3所示絕緣層IOa的下側(cè)散熱板3、以及設(shè)有圖8所示的絕緣構(gòu)件IOe的上側(cè)散熱板4。
[0092]如上所述，在本實(shí)施方式中，電極5?7的壓接部5a?7a與半導(dǎo)體芯片2壓接接合。因此，本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置I能夠避免各電極5?7的壓接部5a?7a與半導(dǎo)體芯片2連接的各連接部分發(fā)生損壞。例如，在半導(dǎo)體芯片2的材料為SiC時(shí)，該半導(dǎo)體芯片
2的熱膨脹系數(shù)為3?4ppm/°C。另一方面，當(dāng)與半導(dǎo)體芯片2電連接的電極5?7的基材由銅構(gòu)成時(shí)，電極5?7的熱膨脹系數(shù)為17ppm/°C。因此，隨著半導(dǎo)體芯片2的溫度變化，各電極5?7的壓接部5a?7a與半導(dǎo)體芯片2之間的各連接界面上會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。然而，在該半導(dǎo)體裝置I中，半導(dǎo)體芯片2與電極5?7的壓接部5a?7a連接的方式是非固定連接的接觸連接。因此，即使各電極5~7的壓接部5a~7a與半導(dǎo)體芯片2之間的各連接界面隨著半導(dǎo)體芯片2的溫度變化而產(chǎn)生應(yīng)力，由于各電極5~7的壓接部5a~7a與半導(dǎo)體芯片2會(huì)相對(duì)滑動(dòng)，因此，能夠緩和各連接界面上產(chǎn)生的應(yīng)力。由此，能夠避免上述那樣各電極5~7的壓接部5a~7a與半導(dǎo)體芯片2連接的各連接部分損壞,能夠在半導(dǎo)體芯片2與電極5~7之間實(shí)現(xiàn)高可靠性的連接。
[0093]另外，第一電極5的壓接部5a與下側(cè)散熱板3之間的連接界面、第二電極6的壓接部6a與上側(cè)散熱板4之間的連接界面、以及第三電極7的壓接部7a與上側(cè)散熱板4之間的連接界面上也會(huì)因熱膨脹系數(shù)差而產(chǎn)生應(yīng)力。然而，在該半導(dǎo)體裝置I中，散熱板3、4與電極5~7的壓接部5a~7a連接的方式也是非固定連接的接觸連接。因此，能夠避免第一電極5的壓接部5a與下側(cè)散熱板3連接的連接部分損壞。同樣地，也能避免第二電極6的壓接部6a與上側(cè)散熱板4連接的連接部分損壞、第三電極7的壓接部7a與上側(cè)散熱板4連接的連接部分損壞。由此，散熱板3、4與電極5~7之間的連接可靠性得到提高。
[0094]另外，在該半導(dǎo)體裝置I中，半導(dǎo)體芯片2與電極5~7的壓接部5a~7a連接的方式是非固定連接的接觸連接，散熱板3、4與電極5~7的壓接部5a~7a連接的方式也是非固定連接的接觸連接。因此，例如在半導(dǎo)體裝置I組裝好后發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片2有問(wèn)題時(shí)，能夠容易地修復(fù)半導(dǎo)體芯片2。
[0095]接下來(lái)，利用表1和表2來(lái)說(shuō)明散熱板3、4的材料,用于減小第一電極5的壓接部5a與下側(cè)散熱板3之間的連接界面、第二電極6的壓接部6a與上側(cè)散熱板4之間的連接界面、以及第三電極7的壓接部7a與上側(cè)散熱板4之間的連接界面產(chǎn)生的應(yīng)力。
[0096]表1中示出了 SiC (碳化硅)、A1 (鋁)、Cu (銅),AlN(氮化鋁)的熱膨脹系數(shù)(α )。表2的例I示出了半導(dǎo)體芯片的材料為SiC、電極基材的材料為Cu或Al、散熱板基材的材料為Cu或Al的情況下，半導(dǎo)體芯片與電極之間的熱膨脹系數(shù)差(Λ α I)、以及電極與散熱板之間的熱膨脹系數(shù)差(Λ α2)。表2的例2示出了半導(dǎo)體芯片的材料為SiC、電極基材的材料為Cu或Al、散熱板基材的材料為AlN的`情況下，半導(dǎo)體芯片與電極之間的熱膨脹系數(shù)差(Λ α I)、以及電極與散熱板之間的熱膨脹系數(shù)差(Λ α2)。
[0097][表 I]
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，包括: 半導(dǎo)體芯片，該半導(dǎo)體芯片具有第一主面、和位于該第一主面的相反側(cè)的第二主面； 散熱板，該散熱板設(shè)置成與所述第一主面相對(duì)； 第一電極，該第一電極設(shè)置在所述第一主面與所述散熱板之間，并與所述半導(dǎo)體芯片電連接； 壓接構(gòu)件，該壓接構(gòu)件設(shè)置成與所述第二主面相對(duì)； 第二電極，該第二電極設(shè)置在所述第二主面與所述壓接構(gòu)件之間，并與所述半導(dǎo)體芯片電連接；以及 壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)，該壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生壓力，以將所述第一電極分別壓接到所述散熱板和所述半導(dǎo)體芯片上，并且將所述第二電極分別壓接到所述壓接構(gòu)件和所述半導(dǎo)體芯片上。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第一電極的與所述半導(dǎo)體芯片相接觸的部分的表面粗糙度大于所述半導(dǎo)體芯片的與所述第一電極相接觸的部分的表面粗糙度。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 還包括絕緣要素， 該絕緣要素用于將所述散熱板與所述第一電極之間絕緣， 所述散熱板的材料為銅或鋁。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第一電極具有與所述半導(dǎo)體芯片的所述第一主面相對(duì)的面，所述第一電極的與所述第一主面相對(duì)的面的面積大于所述第一主面的面積， 所述第一電極的與所述第一主面相對(duì)的面從投影在該面上的所述第一主面的外周露出，以此方式來(lái)配置所述半導(dǎo)體芯片。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述散熱板具有向所述半導(dǎo)體芯片的所述第一主面?zhèn)乳_(kāi)口的第一凹部， 設(shè)置在所述第一主面與所述散熱板之間的所述第一電極至少有一部分被收納在所述一凹部?jī)?nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第一電極具有向所述半導(dǎo)體芯片的所述第一主面?zhèn)乳_(kāi)口的第二凹部， 所述半導(dǎo)體芯片有一部分被收納在所述第二凹部?jī)?nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述壓接構(gòu)件是第二散熱板。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 還包括絕緣要素，該絕緣要素用于將所述第二散熱板與所述第二電極之間絕緣， 所述第二散熱板的材料為銅或鋁。
9.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述散熱板的材料是金剛石或陶瓷。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述散熱板的材料是氮化鎵、氮化硅或氧化鋁。
11.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第二散熱板的材料是金剛石或陶瓷。
12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第二散熱板的材料是氮化鋁、氮化硅或氧化鋁。
13.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 還包括第三電極，該第三電極設(shè)置在所述壓接構(gòu)件與所述半導(dǎo)體芯片之間不同于所述第二電極的位置上，與所述半導(dǎo)體芯片電連接，并且，通過(guò)所述壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)而被分別壓接在所述壓接構(gòu)件與所述半導(dǎo)體芯片上， 所述壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生壓力，使得施加在所述第二電極上的壓力大于施加在所述第三電極上的壓力。
14.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述半導(dǎo)體芯片具有形成在所述第二主面上的發(fā)射極、源極或陽(yáng)極作為表面電極， 所述第二電極與所述發(fā)射極、源極或陽(yáng)極電連接， 所述壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)施加在所述第二電極上的壓力為0.5MPa以上且小于30MPa。
15.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括: 在散熱板上設(shè)置第一電極的工序； 在所述第一電極上設(shè)置半導(dǎo)體芯片的工序； 在所述半導(dǎo)體芯片上設(shè)置第二電極的工序； 在所述第二電極上設(shè)置壓接構(gòu)件的工序；以及 從所述散熱板和所述壓接構(gòu)件向所述半導(dǎo)體芯片施加壓力，將所述第一電極與所述半導(dǎo)體芯片壓接，同時(shí)將所述第二電極與所述半導(dǎo)體芯片壓接的工序。
【文檔編號(hào)】H01L25/18GK103843132SQ201380003217
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月14日
【發(fā)明者】小島俊之, 白石司, 塚原法人, 廣瀨貴之, 生田敬子, 小山雅義 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社