本發(fā)明涉及一種利用封裝樹脂將電力用半導(dǎo)體元件進(jìn)行封裝的電力用半導(dǎo)體裝置及其制造方法。

背景技術(shù)：

在半導(dǎo)體裝置之中，電力用半導(dǎo)體裝置被用于在鐵路車輛、混合動力車、電動汽車等車輛、家電設(shè)備、工業(yè)用機(jī)器等對較大的電力進(jìn)行控制、整流。在使用時電力用半導(dǎo)體元件會發(fā)熱，因此對電力用半導(dǎo)體裝置要求元件的散熱性。另外，由于施加大于或等于幾百V的高電壓，因此需要與裝置外部絕緣。

在這里，IPM(Intelligent Power Module)為電力用半導(dǎo)體元件和控制用半導(dǎo)體元件成為一體后的模塊。在配線材料使用引線框的情況下，電力用半導(dǎo)體元件和控制用半導(dǎo)體元件大多安裝于被物理地切分開的芯片焊盤，然后利用金屬細(xì)線等進(jìn)行電連接。由于電力用半導(dǎo)體元件流通大電流，因此發(fā)熱大，要求作為模塊來說的散熱性。

作為散熱構(gòu)造的一種而具有下述構(gòu)造，即，在芯片焊盤的背面隔著散熱性高的絕緣膜而對金屬板進(jìn)行熱壓接，通過傳遞模塑而對它們進(jìn)行成型(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。

專利文獻(xiàn)1：日本特開2004-172239號公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

傳遞模塑所使用的封裝樹脂為熱硬化性，利用熱而暫時熔化，然后通過化學(xué)反應(yīng)而逐漸進(jìn)行硬化。因此，必須在有限的時間內(nèi)全部注入，特別是對于大面積的封裝件等，需要加快注入速度。但是，如果加快速度地進(jìn)行注入，則對將芯片焊盤和內(nèi)部引線連結(jié)的彎折部施加的流動阻力變高，芯片焊盤受到從絕緣膜剝離的力。因此，芯片焊盤與絕緣膜的粘接性變得不穩(wěn)定，絕緣耐壓降低。另外，針對電力用半導(dǎo)體元件的表面壓力下降，電力用半導(dǎo)體元件與芯片焊盤的接合強(qiáng)度變?nèi)?。其結(jié)果，成品率降低。

由于配線的關(guān)系，在絕緣膜的外周部、局部會產(chǎn)生未粘接的部位，而不是絕緣膜的整個面與芯片焊盤粘接。此時在未粘接的外周部，發(fā)生由于絕緣膜與金屬板的線膨脹系數(shù)差而引起的翹曲。絕緣膜主要為樹脂，由于線膨脹系數(shù)比金屬大，因此翹曲成為向下側(cè)凸的形狀。在傳遞模塑中，如果將翹曲的金屬板載置于下模具，則出現(xiàn)從模具翹起的部分。如果這樣直接進(jìn)行樹脂注入，則沿水平方向流動的封裝樹脂進(jìn)入至金屬板的下表面與下模具之間，產(chǎn)生樹脂毛刺。并且，在樹脂毛刺多的情況下，散熱性降低。

本發(fā)明就是為了解決上述課題而提出的，其目的在于得到一種能夠提高成品率和散熱性的電力用半導(dǎo)體裝置及其制造方法。

本發(fā)明涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，具有下述工序：準(zhǔn)備引線框的工序，該引線框具有內(nèi)部引線、與所述內(nèi)部引線連接的外部引線、與所述內(nèi)部引線相比配置于下方的芯片焊盤以及將所述內(nèi)部引線和所述芯片焊盤連結(jié)的彎折部；在所述芯片焊盤之上固接電力用半導(dǎo)體元件的工序；在所述芯片焊盤的下表面隔著絕緣膜而固接金屬板的工序；以及在下模具與上模具之間的腔室內(nèi)配置所述內(nèi)部引線、所述芯片焊盤、所述電力用半導(dǎo)體元件、所述絕緣膜以及金屬板，利用封裝樹脂進(jìn)行封裝的工序，所述下模具在所述內(nèi)部引線的下方具有設(shè)置于所述腔室的底面的臺階部，所述臺階部的上表面的高度比在所述腔室內(nèi)配置的所述電力用半導(dǎo)體元件的上表面高，在將所述封裝樹脂注入至所述腔室內(nèi)時，所述金屬板的下表面與所述腔室的底面相接觸，使所述封裝樹脂從所述臺階部的上方朝向所述電力用半導(dǎo)體元件的上表面而流動至下方。

發(fā)明的效果

在本發(fā)明中，使封裝樹脂從臺階部的上方朝向電力用半導(dǎo)體元件的上表面而流動至下方，向下方按壓芯片焊盤。另外，通過設(shè)置臺階部，從而降低針對彎折部的流動阻力。由此，芯片焊盤與絕緣膜的粘接性穩(wěn)定，因此絕緣耐壓提高。并且，通過還對電力用半導(dǎo)體元件進(jìn)行按壓，從而表面壓力上升，電力用半導(dǎo)體元件的正下方的芯片焊盤與絕緣膜的接合強(qiáng)度變高。其結(jié)果，成品率提高。另外，通過設(shè)置臺階部，從而在樹脂注入時，到封裝樹脂抵達(dá)至金屬板為止，封裝樹脂的水平方向的流動變少，封裝樹脂難以進(jìn)入至金屬板與下模具之間。并且，通過向下方按壓絕緣膜及金屬板而抑制金屬板的翹曲，從而封裝樹脂更難進(jìn)入至金屬板與下模具之間。因此，抑制金屬板的下表面的樹脂毛刺的產(chǎn)生，由于在鰭片等外部冷卻器的安裝時并未夾著樹脂毛刺，所以散熱性提高。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的仰視圖。

圖2是沿圖1的I—II的剖視圖。

圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的內(nèi)部的俯視圖。

圖4是本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的側(cè)視圖。

圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖視圖。

圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的俯視圖。

圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的放大剖視圖。

圖8是表示對比例涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的放大剖視圖。

圖9是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的仰視圖。

圖10是沿圖9的I—II的剖視圖。

圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖視圖。

圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的仰視圖。

圖13是沿圖12的I—II的剖視圖。

圖14是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖視圖。

圖15是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的變形例的仰視圖。

圖16是沿圖15的I—II的剖視圖。

圖17是表示本發(fā)明的實(shí)施方式4涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的仰視圖。

圖18是表示本發(fā)明的實(shí)施方式4涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖視圖。

圖19是表示本發(fā)明的實(shí)施方式5涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的仰視圖。

圖20是沿圖19的I—II的剖視圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的電力用半導(dǎo)體裝置及其制造方法進(jìn)行說明。對相同或?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)注相同的標(biāo)號，有時省略重復(fù)說明。

實(shí)施方式1.

圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的仰視圖。圖2是沿圖1的I－II的剖視圖。圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的內(nèi)部的俯視圖。圖4是本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的側(cè)視圖。該電力用半導(dǎo)體裝置為DIP型的封裝件。

引線框具有內(nèi)部引線1a、1b、1c、分別與內(nèi)部引線1a、1b、1c連接的外部引線2a、2b、2c、與內(nèi)部引線1a相比配置于下方的芯片焊盤3、以及將內(nèi)部引線1a和芯片焊盤3連結(jié)的彎折部4。內(nèi)部引線1a、1b為功率內(nèi)部引線，內(nèi)部引線為控制內(nèi)部引線。外部引線2a、2b為功率外部引線，外部引線2c為它們的控制外部引線。

使用無Pb焊料將電力用半導(dǎo)體元件5固接于芯片焊盤3之上。電力用半導(dǎo)體元件5為RC-IGBT(Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor)。使用導(dǎo)電性粘接劑將控制用半導(dǎo)體元件6固接于內(nèi)部引線1c之上。此外，電力用半導(dǎo)體元件5與芯片焊盤3的接合不限于焊料，能夠使用導(dǎo)電性粘接劑等具有導(dǎo)電性的接合材料。

在電力用半導(dǎo)體元件5的上表面設(shè)置有發(fā)射極電極和柵極電極。Al線7a將發(fā)射極電極和內(nèi)部引線1b連接，Au線7b將柵極電極和控制用半導(dǎo)體元件6連接，Au線7c將控制用半導(dǎo)體元件6和內(nèi)部引線1c連接。此外，也可以使用Cu線，以取代Al線、Au線。

金屬板8隔著散熱性高的絕緣膜9而固接于芯片焊盤3的下表面。金屬板8由Cu、Al等散熱性高的材料構(gòu)成。絕緣膜9為樹脂與導(dǎo)熱性的填料的混合物，且絕緣膜9的樹脂可以為熱塑性，也可以為熱硬化性，能夠取得粘接性即可。填料為SiO₂、Al₂O₃、BN等，兼具電絕緣和高導(dǎo)熱率即可。

封裝樹脂10將內(nèi)部引線1a、1b、1c、芯片焊盤3、電力用半導(dǎo)體元件5、絕緣膜9、Al線7a、Au線7b、7c、以及金屬板8進(jìn)行封裝。金屬板8的下表面從封裝樹脂10的下表面露出。外部引線2a、2b、2c分別從裝置兩端凸出。在內(nèi)部引線1a、1b的下方，在封裝樹脂10的下表面設(shè)置有臺階部11。臺階部11處的封裝樹脂10的下表面的高度h1比電力用半導(dǎo)體元件5的上表面的高度h2高。

下面，對本實(shí)施方式涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說明。圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖視圖。圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的俯視圖。

首先，準(zhǔn)備引線框，在其芯片焊盤3之上使用無Pb焊料而固接電力用半導(dǎo)體元件5，在內(nèi)部引線1c之上使用導(dǎo)電性粘接劑而固接控制用半導(dǎo)體元件6。利用Al線7a將電力用半導(dǎo)體元件5的發(fā)射極電極和內(nèi)部引線1a連接，利用Au線7b將電力用半導(dǎo)體元件5的柵極電極和控制用半導(dǎo)體元件6連接，利用Au線7c將控制用半導(dǎo)體元件6和內(nèi)部引線1c連接。

通過熱壓接而將預(yù)先接合有金屬板8的半硬化的絕緣膜9臨時粘接于芯片焊盤3的下表面。在這里，半硬化是指在常溫下為固體而在高溫下暫時熔化之后向完全硬化轉(zhuǎn)變的、硬化不完全的狀態(tài)。

接下來，如圖5及圖6所示，在下模具12a與上模具12b之間的腔室13內(nèi)，配置內(nèi)部引線1a、1b、1c、芯片焊盤3、電力用半導(dǎo)體元件5、Al線7a、Au線7b、7c、金屬板8、以及絕緣膜9等。此時，在腔室13的底面，從下模具12a凸出有定位用可動銷12c，將金屬板8及絕緣膜9進(jìn)行定位。然后，在合模后從處于外部引線2a、2b之間的澆口將封裝樹脂10注入至腔室13內(nèi)，利用該封裝樹脂10進(jìn)行封裝(傳遞模塑)。利用該封裝樹脂10的注入壓力而將絕緣膜9完全地?zé)釅航樱⑶倚纬煞庋b體。

關(guān)于樹脂注入，為了使封裝樹脂10的針對控制用內(nèi)部引線1c之上的Au線7c的流動阻力減小，從電力用內(nèi)部引線1a、1b側(cè)向控制用內(nèi)部引線1c側(cè)流過封裝樹脂10。在注入過程中將定位用可動銷12c拔出，在模具內(nèi)施加流體靜壓。封裝樹脂10在硬化之后通過模具的脫離而進(jìn)行脫模。

下模具12a在內(nèi)部引線1a的下方具有設(shè)置于腔室13的底面的臺階部14。臺階部14的上表面的高度h1比在腔室13內(nèi)配置的電力用半導(dǎo)體元件5的上表面的高度h2高。在將封裝樹脂10注入至腔室13內(nèi)時，金屬板8的下表面與腔室13的底面相接觸，使封裝樹脂10從臺階部14的上方朝向電力用半導(dǎo)體元件5的上表面而流動至下方。

將傳遞模塑后在外部引線2a、2b之間的澆口處殘存的封裝樹脂10從封裝體切除。在封裝體的側(cè)面，留下如圖4所示的表面粗糙度(Rz)大于或等于20μm的澆口樹脂去除痕15。然后，對外部引線2a、2b、2c實(shí)施防銹處理等后續(xù)加工，進(jìn)行外形加工而加工成規(guī)定的形狀。

下面，一邊與對比例進(jìn)行比較，一邊說明本實(shí)施方式的效果。圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的放大剖視圖。圖8是表示對比例涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的放大剖視圖。在本實(shí)施方式中，在內(nèi)部引線1a的下方將臺階部14設(shè)置于腔室13的底面，但在對比例中未設(shè)置臺階部14。

在對比例中由于無臺階部14，因此注入后的封裝樹脂10相對于絕緣膜9、芯片焊盤3而沿水平方向(平面方向)流動。從而，彎折部4從封裝樹脂10受到向上的流動阻力，因此在樹脂注入過程中連續(xù)地施加將芯片焊盤3從絕緣膜9剝離的力，絕緣膜9與芯片焊盤3的粘接性變得不穩(wěn)定。另外，針對電力用半導(dǎo)體元件5的表面壓力下降，電力用半導(dǎo)體元件5與芯片焊盤3的接合強(qiáng)度變?nèi)酢Ｑ厮椒较蛄鲃拥姆庋b樹脂10進(jìn)入至金屬板8的下表面與下模具之間，從而產(chǎn)生樹脂毛刺。

另一方面，在本實(shí)施方式中，使封裝樹脂10從臺階部14的上方朝向電力用半導(dǎo)體元件5的上表面而流動至下方，向下方按壓芯片焊盤3。另外，通過設(shè)置臺階部14，從而針對彎折部4的流動阻力降低。由此，絕緣膜9與芯片焊盤3的粘接性穩(wěn)定，因此絕緣耐壓提高。并且，通過還對電力用半導(dǎo)體元件5進(jìn)行按壓，從而表面壓力上升，電力用半導(dǎo)體元件5的正下方的芯片焊盤3與絕緣膜9的接合強(qiáng)度變高。其結(jié)果，成品率提高。

另外，通過設(shè)置臺階部14，從而在樹脂注入時，到封裝樹脂10抵達(dá)至金屬板8為止，封裝樹脂10的水平方向的流動變少，封裝樹脂10難以進(jìn)入至金屬板8與下模具12a之間。并且，通過向下方按壓絕緣膜9及金屬板8而抑制金屬板8的翹曲，從而封裝樹脂10更難進(jìn)入至金屬板8與下模具12a之間。因此，抑制金屬板8的下表面的樹脂毛刺的產(chǎn)生，由于在鰭片等外部冷卻器的安裝時并未夾有樹脂毛刺，因此散熱性提高。

另外，在本實(shí)施方式中，在內(nèi)部引線1a的下方，在封裝樹脂10的下表面設(shè)置有臺階部11。利用該臺階部11，外部引線2a、2b與金屬板8之間的沿面距離變長，因此能夠使電力用半導(dǎo)體裝置小型化。

此外，在實(shí)施方式1中，為了確保在下模具12a設(shè)置可動銷12c的區(qū)域，需要使臺階部14與金屬板8之間分離一定的間隔(0.5～3mm)。從而，在制造后的裝置中，在臺階部11與金屬板8之間需要一定寬度的封裝樹脂10的底面。

實(shí)施方式2.

圖9是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的仰視圖。圖10是沿圖9的I－II的剖視圖。圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖視圖。

在臺階部14與金屬板8之間，在腔室13的底面設(shè)置有高度比臺階部14低的2個凸起16。通過轉(zhuǎn)印該下模具12a的凸起16，從而在臺階部11與金屬板8之間，在封裝樹脂10的下表面設(shè)置深度比臺階部11淺的2個凹坑17。優(yōu)選凹坑17的高度比金屬板8和絕緣膜9的合計(jì)厚度小。

由于能夠沿下模具12a的凸起16將金屬板8定位而載置，因此能夠省去在實(shí)施方式1中使用的定位用可動銷12c。由此，能夠省略在下模具12a之上設(shè)置可動銷12c的區(qū)域，因此能夠使封裝樹脂10的底面的寬度變窄，能夠使電力用半導(dǎo)體裝置小型化。

另外，能夠利用凸起16使金屬板8的側(cè)面與下模具12a的間隔進(jìn)一步地變窄，因此針對彎折部4的流動阻力進(jìn)一步地降低，絕緣膜9與芯片焊盤3的粘接性更加穩(wěn)定。并且，封裝樹脂10更難進(jìn)入至金屬板8的下表面與下模具12a的底面之間。

另外，如果金屬板8的側(cè)面與下模具12a的臺階部14的間隔根據(jù)位置而不同，則向金屬板8的水平方向流動變得不均一，因此樹脂毛刺的出現(xiàn)方式發(fā)生波動。因此，優(yōu)選將凸起16設(shè)為大于或等于2個。并且，在將金屬板8和絕緣膜9設(shè)置于下模具12a之上時，利用凸起16能夠穩(wěn)定地進(jìn)行位置固定，而不會旋轉(zhuǎn)。從而，金屬板8的側(cè)面與下模具12a的臺階部14的間隔變得均等，制造波動變小。在將凸起16設(shè)為大于或等于2個的情況下，在制造后的裝置中，在封裝樹脂10的下表面設(shè)置大于或等于2個凹坑17。

另外，根據(jù)本實(shí)施方式2，能夠省略在下模具12a之上設(shè)置可動銷12c的區(qū)域。從而，在制造后的裝置中，能夠使封裝樹脂10的底面的寬度變窄，因此能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的小型化。

實(shí)施方式3.

圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的仰視圖。圖13是沿圖12的I－II的剖視圖。圖14是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖視圖。

在臺階部11與金屬板8之間，在腔室13的底面設(shè)置有高度比臺階部14低的小臺階部18，以取代實(shí)施方式2的凸起16。通過轉(zhuǎn)印該下模具12a的小臺階部18，從而在臺階部11與金屬板8之間，在封裝樹脂10的下表面設(shè)置深度比臺階部11淺的小臺階部19。與凹坑17相比，小臺階部18的構(gòu)造簡單且為直線式的形狀，因此模具容易清掃，維護(hù)性提高。優(yōu)選小臺階部18的高度比金屬板8和絕緣膜9的合計(jì)厚度小。

圖15是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的變形例的仰視圖。圖16是沿圖15的I－II的剖視圖。將臺階部11與小臺階部18的傾斜面連結(jié)而設(shè)為整體式的傾斜，使該傾斜延長至金屬板8的附近。在該情況下也能夠得到實(shí)施方式3的效果。

實(shí)施方式4.

圖17是表示本發(fā)明的實(shí)施方式4涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的仰視圖。圖18是表示本發(fā)明的實(shí)施方式4涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖視圖。圖18對應(yīng)于圖17的裝置的沿I－II的剖面。

與實(shí)施方式1相同地，沿金屬板8的長邊而設(shè)置臺階部11，在此基礎(chǔ)上，在腔室13的底面，沿金屬板8的短邊而在下模具12a設(shè)置有凸部20。通過轉(zhuǎn)印該下模具12a的凸部20，從而沿金屬板8的短邊而在封裝樹脂10的下表面的螺孔附近設(shè)置凹部21。

利用凸部20，在短邊側(cè)封裝樹脂10的水平方向的流動也變少，因此針對金屬板8的短邊方向的翹曲，也抑制樹脂毛刺的產(chǎn)生。凸部20的高度(凹部21的深度)優(yōu)選比金屬板8的厚度大。

實(shí)施方式5.

圖19是表示本發(fā)明的實(shí)施方式5涉及的電力用半導(dǎo)體裝置的仰視圖。圖20是沿圖19的I－II的剖視圖。在本實(shí)施方式中，實(shí)施方式1等的臺階部14設(shè)置為將金屬板8的外周包圍。通過轉(zhuǎn)印該下模具12a的臺階部14，從而在封裝樹脂10的下表面以將金屬板8的外周包圍的方式設(shè)置臺階部11。將樹脂澆口設(shè)置于金屬板8的短邊側(cè)。即使在這樣將樹脂澆口設(shè)置于功率引線側(cè)以外的方向的情況下，也能夠通過將臺階部14設(shè)置為包圍金屬板8的外周，從而使絕緣膜9與芯片焊盤3的粘接性變得穩(wěn)定，且抑制金屬板的背面的樹脂毛刺。

此外，電力用半導(dǎo)體元件5不限于由硅形成，也可以由與硅相比帶隙寬的寬帶隙半導(dǎo)體形成。寬帶隙半導(dǎo)體為例如碳化硅、氮化鎵類材料或者金剛石。對于這種由寬帶隙半導(dǎo)體形成的電力用半導(dǎo)體元件5，由于耐電壓性、容許電流密度高，因此能夠小型化。通過使用該小型化的元件，能夠使組裝有該元件的電力用半導(dǎo)體裝置也小型化。另外，由于元件的耐熱性高，因此能夠?qū)⑸崞鞯纳狯捚⌒突?，能夠?qū)⑺洳窟M(jìn)行空冷化，因而能夠?qū)雽?dǎo)體模塊進(jìn)一步小型化。另外，元件的電力損耗低且高效率，因此能夠使電力用半導(dǎo)體裝置高效率化。

標(biāo)號的說明

1a內(nèi)部引線，2a外部引線，3芯片焊盤，4彎折部，5電力用半導(dǎo)體元件，8金屬板，9絕緣膜，10封裝樹脂，12a下模具，12b上模具，13腔室，14臺階部，16凸起，17凹坑，18小臺階部，19小臺階部，20凸部，21凹部。