專利名稱：電功率半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電功率半導體裝置的結構。
背景技術：
在常規(guī)的電功率半導體裝置中，電功率半導體元件用焊錫焊接在絕緣基板的上表面上，絕緣基板的底面也是用焊錫焊接在金屬基板的上表面上。電功率半導體元件通過金屬連線連接在絕緣基板上的電極上。金屬基板被多個螺栓固定在散熱片上。用于穿螺栓的安裝孔沿金屬基板的邊緣設置多個，在金屬基板的中央設置一個。有一個樹脂盒避開金屬基板中央的螺栓，固定在金屬基板的上表面上。焊接了電功率半導體元件的絕緣基板配置在盒內(nèi)。盒內(nèi)注入了用于確保絕緣和保護金屬連線的凝膠。另外，在盒內(nèi)的凝膠上還配置了用于密封的環(huán)氧樹脂(可參考專利文獻1)。
特開2000-228490號公報(圖1，2)可是，這種常規(guī)半導體裝置，由于盒避開了金屬基板中央的一個螺栓而固定在金屬基板上，所以金屬基板的中央部分產(chǎn)生了空間浪費，使裝置的體積變大。
另外，由于盒的價格高，所以成本也高。
再有，由于需要凝膠的注入及固化和環(huán)氧樹脂的注入及固化，所以生產(chǎn)率也低。
另外，當電功率半導體裝置用在從外部施加振動的裝置(如汽車)上時，盒與金屬基板基本上一起振動，而凝膠的振動卻比盒與金屬基板的振動遲，所以，凝膠和盒與金屬基板之間會產(chǎn)生相對位置變動。所以，金屬連線會被凝膠拉扯，與電極連接的部分會產(chǎn)生疲勞而破損。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述問題而進行的，目的是提供小型輕量、低成本、且生產(chǎn)率高、耐振動的電功率半導體裝置。
本發(fā)明的半導體裝置包括散熱板、電功率半導體元件、模制樹脂殼體、以及至少一個通孔。散熱板具有相互對置的第一及第二主面。電功率半導體元件配置在第一主面上。模制樹脂殼體覆蓋散熱板及電功率半導體元件，但露出散熱板的第二主面。模制樹脂殼體具有一個挨著散熱板的主面和與其對置的另一主面。至少有一個通孔在模制樹脂殼體的非邊緣區(qū)域，避開電功率半導體元件及散熱板，穿過模制樹脂殼體的兩個主面。


圖1是本發(fā)明實施方案1的電功率半導體裝置結構的斜視圖；圖2是本發(fā)明實施方案1的電功率半導體裝置結構的俯視圖；圖3是本發(fā)明實施方案1的電功率半導體裝置結構的仰視圖；圖4是省略了模制樹脂殼體的本發(fā)明實施方案1的電功率半導體裝置結構的俯視圖；圖5是本發(fā)明實施方案1的電功率半導體裝置的電路圖；圖6是沿圖4所示的線VI-VI的剖面結構圖；圖7是將本實施方案1的電功率半導體裝置安裝在散熱片的結構剖面圖；圖8是將本實施方案1的電功率半導體裝置安裝在散熱片的結構剖面圖；圖9是本發(fā)明實施方案2的電功率半導體裝置的結構剖面圖；圖10是本發(fā)明實施方案3的電功率半導體裝置的結構剖面圖；圖11是本發(fā)明實施方案4的電功率半導體裝置的結構剖面圖；圖12是本發(fā)明實施方案4的電功率半導體裝置的結構剖面圖；圖13是本發(fā)明實施方案4的電功率半導體裝置的結構剖面圖；圖14是省略了模制樹脂殼體的本實施方案5的電功率半導體裝置結構的俯視圖；圖15是本發(fā)明實施方案5的電功率半導體裝置的電路圖；圖16是本發(fā)明實施方案5的電功率半導體裝置結構的斜視圖；圖17是本發(fā)明實施方案5的變形例的俯視圖；圖18是本發(fā)明實施方案5的變形例的斜視圖；圖19是實施方案1～5的變形例的俯視圖；圖20是省略了模制樹脂殼體的圖19所示電功率半導體裝置結構的俯視圖；圖21是圖20所示電功率半導體裝置的電路圖。
標號說明1模制樹脂殼體，2通孔，5、5a、5b散熱板，6開口部，7a、7b、20a、20b IGBT，8a、8b、21a、21b續(xù)流二極管，10散熱片，12壓板，14螺栓，16、30凹陷部，24間隙優(yōu)選實施方案實施方案1圖1至圖3分別為本發(fā)明實施方案1的電功率半導體裝置結構的斜視圖、俯視圖及仰視圖。模制樹脂殼體1由環(huán)氧樹脂等熱固化樹脂制成，具有上表面1T和底面1B。在模制樹脂殼體1的非邊緣部(在此例中接近中央)形成了穿過上表面1T和底面1B之間的通孔2。電極3N、3P、4a、4b各自的一端從模制樹脂殼體1的側面突出。由圖3可知，模制樹脂殼體1的底面1B露出了散熱板5的底面5B。散熱板5的通孔2的周圍設置了開口部6。
散熱板5是厚度為3mm左右的金屬板(例如銅板)。模制樹脂殼體安裝在導電性的散熱片上時，在兩者之間配置絕緣的隔離材料，或硅樹脂和橡膠材料等絕緣材料。也可以不設這種隔離材料和絕緣材料，而在散熱板5的底面5B上形成厚度為200μm左右的含有50％左右氮化硼等填充物的絕緣樹脂層。另外，還可以在絕緣樹脂層的底面形成100μm左右的銅箔，用來防止因夾入了異物而引起絕緣樹脂層損壞。
圖4是本實施方案1的電功率半導體裝置結構俯視圖，圖中省略了模制樹脂殼體1。圖5是本實施方案1的電功率半導體裝置的電路圖。由圖5可知，本實施方案1的電功率半導體裝置具有IGBT7a、7b和續(xù)流二極管8a、8b。IGBT7a、7b的各集電極和續(xù)流二極管8a、8b的各負極都連接在電極3P上。IGBT7a、7b的各發(fā)射極和續(xù)流二極管8a、8b的各正極都連接在電極3N上。IGBT7a、7b的柵極分別連接在電極4a、4b上。
由圖4可知，IGBT7a、7b芯片和續(xù)流二極管8a、8b芯片用焊錫焊接在散熱板5的上表面5T上。其中，IGBT7a、7b的各集電極和續(xù)流二極管8a、8b的各負極形成在各芯片的底面。因此，IGBT7a、7b的各集電極和續(xù)流二極管8a、8b的各負極都與散熱板5連接。另外，電極3P的另一端用焊錫焊接在散熱板5的上表面5T上。這樣IGBT7a、7b的各集電極和續(xù)流二極管8a、8b的各負極都通過散熱板5與電極3P連接。
電極3N、4a、4b的另一端與散熱板5的上表面5T之間有幾毫米左右的間隙。IGBT7a、7b的各發(fā)射極和各柵極、以及續(xù)流二極管8a、8b的各正極形成在各芯片的上表面上。IGBT7a、7b的各發(fā)射極和續(xù)流二極管8a、8b的各正極通過由鋁等制成的金屬連線9連接在電極3N的另一端上。同樣，IGBT7a、7b的各柵極也是通過金屬連線8分別連接在電極4a、4b的另一端上。
圖6是沿圖4所示的VI-VI線的剖面圖。模制樹脂殼體1覆蓋著散熱板5、IGBT7a、以及續(xù)流二極管8b，但露出了散熱板5的底面5B。通孔2避開了散熱板5、IGBT7a、以及續(xù)流二極管8b。
模制樹脂殼體1的底面1B和散熱板5的底面5B排列在同一平面內(nèi)。
圖7、8與圖6對應，是將本實施方案1的電功率半導體裝置安裝在散熱片10上的結構剖面圖。由圖7可知，散熱片10的上表面隔著硅基導熱甘油(圖中未示)連接在散熱板5的底面5B上。散熱片10的上表面形成有螺紋孔11。壓板12是厚度為1mm左右的SK鋼，上有穿透的螺紋孔13。壓板12的底面連接在模制樹脂殼體1的上表面1T上。螺栓14穿過螺紋孔11、13以及通孔2，將夾著模制樹脂殼體1的散熱片10和壓板12固定。在螺栓14的頭部和模制樹脂殼體1的上表面1T之間設有彈簧墊15。
由圖8可知，散熱片10的上表面隔著硅基導熱甘油(圖中未示)連接在散熱板5的底面5B上。散熱片10的上表面有螺紋孔11。螺栓14穿過螺紋孔11及通孔2，將模制樹脂殼體1和散熱片10固定。在螺栓14的頭部與模制樹脂殼體1的上表面1T之間設有彈簧墊15。如上所述，模制樹脂殼體1由熱固化樹脂制成。因為熱固化樹脂的塑變現(xiàn)象比熱可塑樹脂小，所以可以將螺栓14或彈簧墊15直接壓在模制樹脂殼體1的上表面1T上。
因為本實施方案1的電功率半導體裝置不用在金屬基板上避開金屬基板中央的一個螺栓來固定盒，所以，在金屬基板中央不會產(chǎn)生空間浪費。另外，螺栓14的頭部及彈簧墊15不是壓在散熱片5的上表面5T上，而是直接壓在壓板12的上表面或模制樹脂殼體1的上表面1T上。因此，不必將螺栓14的頭部及彈簧墊15壓著的區(qū)域設計成散熱片5，所以，不必將散熱片5設計得很大。因此，比常規(guī)電功率半導體裝置的體積小。
另外，由于不需要高價的盒，所以比常規(guī)電功率半導體裝置的成本低。
再有，由于不需要凝膠的注入及固化，所以比常規(guī)電功率半導體裝置的生產(chǎn)效率高。
另外，即使將電功率半導體裝置用在從外部施加振動的裝置(如汽車)上，也能夠防止因凝膠的拉扯而導致的金屬連線的疲勞破損。所以，比常規(guī)半導體裝置耐振動。
實施方案2圖9與圖6對應，是本發(fā)明實施方案2的電功率半導體裝置結構的剖面圖。模制樹脂殼體1的底面1B的中央比周邊部分突出，成彎曲狀。這種彎曲結構可以通過將模制樹脂殼體1的材質(zhì)的固化收縮或成形收縮程度設定得比散熱板5的材質(zhì)的熱收縮程度大來實現(xiàn)。另外，模制樹脂殼體1材質(zhì)的線膨脹率最好小于散熱板5材質(zhì)的線膨脹率。例如，散熱板5的主要材質(zhì)是銅時，利用固化收縮率為0.4％左右，線膨脹率為15×10-6/K左右的材料來制作模制樹脂殼體1即可。例如在線型酚醛環(huán)氧樹脂中添加約70％的結晶硅石和熔融硅石的混合物即可。通過改變結晶硅石和熔融硅石的混合比可以調(diào)整模制樹脂殼體1的線膨脹率。
這樣，本實施方案2的電功率半導體裝置的模制樹脂殼體1的底面1B的中央突出，成彎曲狀。因此，如圖7所示，用壓板12及螺栓14將模制樹脂殼體1固定在散熱片10上時，能使散熱板5緊貼在散熱片10上。
另外，模制樹脂殼體1材質(zhì)的線膨脹率小于散熱板5材質(zhì)的線膨脹率時，還可以獲得如下效果。即，因IGBT7a、7b等發(fā)熱而使模制樹脂殼體1和散熱板5的溫度上升時，模制樹脂殼體1的底面1B向突出的方向彎曲。因此，在模制樹脂殼體1的底面1B擠壓散熱片10的上表面的方向上產(chǎn)生作用力，所以，能使散熱板5緊貼在散熱片10上。
實施方案3
圖10與圖6對應，是本發(fā)明實施方案3的電功率半導體裝置結構的剖面圖。模制樹脂殼體1的上表面1T的中央比周邊突出，成彎曲狀。這種彎曲結構可以通過將模制樹脂殼體1材質(zhì)的固化收縮或成形收縮程度設定得比散熱板5材質(zhì)的熱收縮程度小來實現(xiàn)。例如，散熱板5的主要材質(zhì)是鋁時，利用線膨脹率為20×10-6/K左右的材料來制作模制樹脂殼體1即可。
這樣，本實施方案3的電功率半導體裝置的模制樹脂殼體1的上表面突出，成彎曲狀。因此，如圖8所示，用螺栓14將模制樹脂殼體1固定在散熱片10上時，能使散熱板5緊貼在散熱片10上。
實施方案4圖11～13分別對應于圖6、9、10，是本發(fā)明實施方案4的電功率半導體裝置結構的剖面圖。如圖3所示，在散熱板5的通孔2周圍形成了開口部6。如圖11～13所示，在模制樹脂殼體1的上表面上形成了凹陷部16，與散熱板5的開口部6對應。為了緩解應力集中，凹陷部16的剖面形狀最好略成U字型。
這樣，在本實施方案4的電功率半導體裝置中，模制樹脂殼體1的形成凹陷部16部分的材料厚度薄。因此，可以用更小的緊固力來使模制樹脂殼體1緊貼在散熱片10上，所以，可以減小通孔2的孔徑，進而減小裝置的體積和重量。
另外，可以避免或抑制螺栓14的頭部從模制樹脂殼體1的上表面突出，所以，即使在圖11～13所示的電功率半導體裝置上重復配置控制基板，也能減小電功率半導體裝置與控制基板之間的距離，進而減小裝置的整體體積。
實施方案5圖14是本實施方案5的電功率半導體裝置結構的俯視圖，圖中省略了模制樹脂殼體1。另外，圖15是本實施方案5的電功率半導體裝置的電路圖。另外，圖16是本實施方案5的電功率半導體裝置的斜視圖。由圖15可知，本實施方案5的電功率半導體裝置具有IGBT20a、20b和續(xù)流二極管21a、21b。IGBT20a的集電極和續(xù)流二極管21a的負極連接在電極22P上。IGBT20b的發(fā)射極和續(xù)流二極管21b的正極連接在電極22N上。IGBT20a的發(fā)射極、IGBT20b的集電極、續(xù)流二極管21a的正極、以及續(xù)流二極管21b的負極連接在電極220上。IGBT20a、20b的柵極分別連接在電極23a、23b上。
由圖14可知，芯片IGBT20a和續(xù)流二極管21a用焊錫焊接在散熱板5a的上表面上。另外，芯片IGBT20b和續(xù)流二極管21b用焊錫焊接在散熱板5b的上表面上。
IGBT20a的集電極和續(xù)流二極管21a的負極形成在各芯片的底面。因此，IGBT20a的集電極和續(xù)流二極管21a的負極與散熱板5a連接。而且，電極22P用焊錫焊接在散熱板5a的上表面上。這樣，IGBT20a的集電極和續(xù)流二極管21a的負極都通過散熱板5a與電極22P連接。
另外，IGBT20b的集電極和續(xù)流二極管21b的負極形成在各芯片的底面上。因此，IGBT20b的集電極和續(xù)流二極管21b的負極與散熱板5a連接。而且，電極200用焊錫焊接在散熱板5b的上表面上。這樣，IGBT20b的集電極和續(xù)流二極管21b的負極都通過散熱板5b與電極200連接。
電極23a、220與散熱板5a的上表面之間，電極22N、23b與散熱板5b的上表面之間都有幾毫米左右的間隙。IGBT20a、20b的發(fā)射極和柵極，以及續(xù)流二極管21a、21b的正極形成在各芯片的上表面上。IGBT20a的柵極通過金屬連線9連接在電極23a上。IGBT20a的發(fā)射極和續(xù)流二極管21a的正極通過金屬連線9連接在電極220上。IGBT20b的柵極過金屬連線9連接在電極23b上。
IGBT20b的發(fā)射極和續(xù)流二極管21b的正極通過金屬連線9連接在電極22N上。
由圖14可知，散熱板5a、5b以開口部6為中心大致對稱。因為散熱板5a、5b大致對稱，所以，可以避免來自螺栓14的應力不均。另外，散熱板5a與散熱板5b之間有間隙24，用于確保絕緣。由圖16可知，在模制樹脂殼體1的上表面1T上形成了與間隙24對應的溝狀凹陷部30。為了緩解應力集中，凹陷部30的剖面形狀最好略成U字型。如圖14所示，間隙24的上部沒有配置金屬連線9。因此，即使形成與間隙24對應的凹陷部30也可以確保絕緣。
這樣，本實施方案5的電功率半導體裝置，在模制樹脂殼體1的上表面1T上形成了與間隙24對應的凹陷部30。因此，在圖9、10所示的電功率半導體裝置中，螺栓14的擠壓容易使模制樹脂殼體1變形。這樣，可以用更小的緊固力使模制樹脂殼1緊貼在散熱片10上，所以，可以減小通孔2的孔徑，進而減小裝置的體積和重量。
圖17、18是本實施方案5的變形例的俯視圖和斜視圖。由圖17可知，散熱板被分割成4張散熱板51～54。散熱板51～54以開口部6為中心大致對稱。在相鄰的散熱板51～54之間有間隙24a、24b。
由圖18可知，在模制樹脂殼體1的上表面上形成了與間隙24a、24b對應的凹陷部30a、30b。
圖19是上述實施方案1～5的變形例的俯視圖。在上述實施方案1～5中，在模制樹脂殼體1的大致中央部設置了一個通孔2，但也可以如圖19所示，在模制樹脂殼體1的非邊緣部設置多個(此例中為兩個)通孔2a、2b。圖20是圖19所示的電功率半導體裝置結構的俯視圖，圖中省略了模制樹脂殼體，圖21是圖20所示電功率半導體裝置的電路圖。如圖20、21所示，電功率半導體裝置具有IGBT71～76、續(xù)流二極管81～86、以及電極P、N、U、V、W、G1～G6。
發(fā)明效果本發(fā)明可以提供小型輕量、低成本、且生產(chǎn)率和耐振動性能優(yōu)良的半導體裝置。
權利要求
1.一種電功率半導體裝置，包括散熱板(5/5a，5b)，具有相互對置的第一主面(5T)和第二主面(5B)；電功率半導體元件(7a，7b，8a，8b)，配置在所述第一主面上；模制樹脂殼體(1)，覆蓋所述散熱板及所述半導體元件，但露出所述第二主面，具有一個挨著所述第二主面的主面(1B)和與主面(1B)對置的另一主面(1T)；以及至少一個通孔(2/2a，2b)，在所述模制樹脂殼體的非邊緣區(qū)域，避開所述電功率半導體元件及所述散熱板，穿過所述模制樹脂殼體的兩個主面之間。
2.如權利要求1所述的電功率半導體裝置，其特征在于，在所述散熱板的所述通孔周圍設有開口部(6)。
3.如權利要求2所述的電功率半導體裝置，其特征在于，在所述主面(1T)上設有與所述開口部對應的凹陷部(16)。
4.如權利要求1所述的電功率半導體裝置，其特征在于，具有多個所述散熱板(5a，5b)，所述多個散熱板以所述通孔為中心大致對稱。
5.如權利要求4所述的電功率半導體裝置，其特征在于，在所述主面(1T)上設有與所述散熱板之間的間隙對應的溝狀凹陷部(30)。
6.如權利要求3或5所述的電功率半導體裝置，其特征在于，所述凹陷部的剖面形狀大致成U字型。
7.如權利要求1所述的電功率半導體裝置，其特征在于，所述模制樹脂殼體的所述主面(1B)的中央突出，成彎曲狀。
8.如權利要求1所述的電功率半導體裝置，其特征在于，所述模制樹脂殼體材質(zhì)的固化收縮或成形收縮的程度大于所述散熱板材質(zhì)的熱收縮程度。
9.如權利要求8所述的電功率半導體裝置，其特征在于，所述模制樹脂殼體材質(zhì)的線膨脹率小于所述散熱板材質(zhì)的線膨脹率。
10.如權利要求1所述的電功率半導體裝置，其特征在于還具有散熱片(10)，與所述第二主面連接；壓板(12)，與所述主面(1T)連接；以及螺栓(14)，穿過所述通孔，將夾著所述模制樹脂殼體的所述散熱片與所述壓板固定。
11.如權利要求1所述的電功率半導體裝置，其特征在于，所述模制樹脂殼體的所述主面(1T)的中央突出，成彎曲狀。
12.如權利要求1所述的電功率半導體裝置，其特征在于，所述模制樹脂殼體材質(zhì)的固化收縮或成形收縮程度小于所述散熱板材質(zhì)的熱收縮程度。
13.如權利要求1所述的電功率半導體裝置，其特征在于還具有散熱片(10)，與所述第二主面連接；螺栓(14)，穿過所述通孔，將所述模制樹脂殼體和所述散熱片固定。
全文摘要
本發(fā)明提供小型輕量、低成本、且生產(chǎn)率和耐振動性能優(yōu)良的半導體裝置。模制樹脂殼體1由環(huán)氧樹脂等熱固化樹脂制成，具有上表面1T和底面1B。模制樹脂殼體1的非邊緣部具有穿過上表面1T和底面1B之間的通孔2。電極3N、3P、4a、4b的一端從模制樹脂殼體1的側面突出。由圖3可知，模制樹脂殼體1的底面1B露出了散熱板5的底面5B。散熱板5的通孔2的周圍設有開口部6。
文檔編號H01L23/40GK1501484SQ0314760
公開日2004年6月2日 申請日期2003年7月14日 優(yōu)先權日2002年11月13日
發(fā)明者中島泰, 佐佐木太志, 太志, 木村享 申請人:三菱電機株式會社