具有共同圍繞焊料黏結(jié)物以防止焊料散布的凹槽的半導(dǎo)體裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置，其包括:對置的第一和第二金屬板；多個半導(dǎo)體元件，每個半導(dǎo)體元件介于第一金屬板和第二金屬板之間；金屬塊，每個金屬塊介于第一金屬板和對應(yīng)的一個半導(dǎo)體元件之間；焊料構(gòu)件，每個焊料構(gòu)件介于第一金屬板以及對應(yīng)的一個金屬塊之間并且將第一金屬板連接至對應(yīng)的一個金屬塊；以及注塑樹脂，其將半導(dǎo)體元件和金屬塊密封在第一金屬板和第二金屬板之間，其中，第一金屬板的一面，其為金屬塊經(jīng)由焊料構(gòu)件連接至第一金屬板的一面的對置側(cè)，暴露于注塑樹脂外。
【背景技術(shù)】
[0002]存在一種公知的半導(dǎo)體裝置，其包括:多個半導(dǎo)體元件，每個半導(dǎo)體元件介于兩個對置的金屬板之間(例如，見日本專利4702196)。在該半導(dǎo)體裝置中，多個半導(dǎo)體元件并排布置在金屬板上。這些多個半導(dǎo)體元件分別為:構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換器的臂元件的功率晶體管(IGBT)、以及與功率晶體管并聯(lián)連接的回流二極管，它們每個經(jīng)由對應(yīng)焊料構(gòu)件以及對應(yīng)金屬塊黏結(jié)至金屬板。
[0003]用于上述半導(dǎo)體裝置，存在一種金屬板，在該金屬板中凹槽形成在黏結(jié)面上，金屬塊黏結(jié)至黏結(jié)面(在下文中，稱為帶凹槽的金屬板)。凹槽允許多余焊料流動至其中并且防止焊料散布。每個凹槽沿著其中設(shè)置有對應(yīng)焊料構(gòu)件的區(qū)域的外周形成在帶凹槽的金屬板的黏結(jié)面上，并且分別對應(yīng)于布置在金屬板上的金屬塊形成。用于金屬塊的每個凹槽以環(huán)形形狀形成在帶凹槽的金屬板的黏結(jié)面上，以便具有設(shè)計成用于對應(yīng)金屬塊的尺寸的尺寸。
[0004]但是，在上述半導(dǎo)體裝置中，需要提供分別對應(yīng)于金屬塊形成在金屬板上的凹槽，因此需要在金屬塊之間提供一定的間隔，使得相應(yīng)的金屬塊的凹槽在金屬板的表面上不彼此重疊。這導(dǎo)致在尤其是多個金屬塊并排布置(也即，在該方向上多個半導(dǎo)體元件并排布置)的金屬板方向上尺寸增加，結(jié)果存在半導(dǎo)體裝置本身的尺寸增加的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體裝置，其能夠減小每個金屬板的尺寸，多個半導(dǎo)體元件或者金屬塊并排布置在所述每個金屬板上。
[0006]本發(fā)明的方案提供了一種半導(dǎo)體裝置。半導(dǎo)體裝置包括:對置的第一和第二金屬板;多個半導(dǎo)體元件，每個半導(dǎo)體元件介于第一金屬板和第二金屬板之間；金屬塊，其介于第一金屬板和每個半導(dǎo)體元件之間；焊料構(gòu)件，其介于第一金屬板和金屬塊之間并且連接第一金屬板至金屬塊；以及注塑樹脂，其將半導(dǎo)體元件和金屬塊密封在第一金屬板和第二金屬板之間。第一金屬板的一面，其為金屬塊經(jīng)由焊料構(gòu)件連接至第一金屬板的一面的對置側(cè)，暴露于注塑樹脂外。第一金屬板具有沿著其中設(shè)置有焊料構(gòu)件的區(qū)域的外周形成的凹槽，凹槽共同圍繞焊料構(gòu)件。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的方案，能夠減小每個金屬板的尺寸，多個半導(dǎo)體元件或者金屬塊并排布置在所述每個金屬板上。
【附圖說明】
[0008]以下將參考附圖描述本發(fā)明的示范實施例特征、優(yōu)勢以及技術(shù)及工業(yè)重要性，其中類似標(biāo)記指代相似元件，并且其中:
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導(dǎo)體裝置的總體立體圖；
[0010]圖2是圖1示出的半導(dǎo)體裝置的平面示意圖；
[0011]圖3是根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體裝置的相關(guān)部分的構(gòu)造的平面布置圖；
[0012]圖4是沿著圖3中的線IVA-1VA或者線IVB-1VB截取的根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體裝置的截面圖；
[0013]圖5是示出了根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體裝置的金屬板的黏結(jié)面的視圖；
[0014]圖6是根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體裝置的相關(guān)部分的放大截面圖；
[0015]圖7A和圖7B是示出了根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體裝置的組裝的程序的一部分的視圖；
[0016]圖8A和圖8B是用于圖示出根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體裝置的有利效應(yīng)的視圖；
[0017]圖9A至圖9C是用于圖示出相比于根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體裝置，根據(jù)比較實施例的半導(dǎo)體裝置的特性的視圖；
[0018]圖1OA至圖1OC是用于圖示出根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體裝置的特性的視圖；
[0019]圖11是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的半導(dǎo)體裝置的相關(guān)部分的構(gòu)造的平面布置圖；
[0020]圖12A和圖12B是分別沿著圖11中的線XIIA-XIIA和線XIIB-XIIB截取的根據(jù)第二實施例的半導(dǎo)體裝置的截面圖；
[0021]圖13是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的半導(dǎo)體裝置的相關(guān)部分的構(gòu)造的平面布置圖；
[0022]圖14A和圖14B是分別沿著圖13中的線XIVA-XIVA和線XIVB-XIVB截取的根據(jù)第三實施例的半導(dǎo)體裝置的截面圖；
[0023]圖15是根據(jù)本發(fā)明的替換實施例的半導(dǎo)體裝置的相關(guān)部分的截面圖；
[0024]圖16A至圖16C是分別示出了根據(jù)本發(fā)明的替換實施例的半導(dǎo)體裝置的金屬板的黏結(jié)面的視圖；以及
[0025]圖17A和圖17B是根據(jù)本發(fā)明的替換實施例的半導(dǎo)體裝置的相關(guān)部分的放大截面圖。
【具體實施方式】
[0026]在下文中，將參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的示例實施例。
[0027]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導(dǎo)體裝置20的總體立體圖。圖2示出了圖1中所示的半導(dǎo)體裝置20的平面示意圖。
[0028]根據(jù)本實施例的半導(dǎo)體裝置20是功率半導(dǎo)體模塊，其安裝在例如混合動力車輛、電動車輛等上，并且使用在功率轉(zhuǎn)換器(諸如轉(zhuǎn)換電功率的逆變器)中。半導(dǎo)體裝置20具有模制結(jié)構(gòu)，在該模制結(jié)構(gòu)中，布置在功率轉(zhuǎn)換器上側(cè)和下側(cè)的臂元件彼此一體化，并且半導(dǎo)體裝置20具有雙側(cè)冷卻結(jié)構(gòu)，在該雙側(cè)冷卻結(jié)構(gòu)中，合并的半導(dǎo)體元件的熱從頂面和底面輻射。
[0029]半導(dǎo)體裝置20包括上臂功率單元22和下臂功率單元24。上臂功率單元22構(gòu)成連接至高電位電源的上臂。下臂功率單元24構(gòu)成連接至低電位電源的下臂。上臂功率單元22和下臂功率單元24沿第一方向X并排布置。上臂功率單元22包括兩個不同類型的半導(dǎo)體元件26、28。下臂功率單元24包括兩個不同類型的半導(dǎo)體元件30、32。每個半導(dǎo)體元件26至32由形成為薄的矩形形狀的半導(dǎo)體芯片形成。
[0030]每個半導(dǎo)體元件26、30是功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，其在轉(zhuǎn)換電功率時進行開關(guān)操作。每個半導(dǎo)體元件28、32是為了在中斷對應(yīng)的一個半導(dǎo)體元件26、30時循環(huán)電流所需的回流二極管。在下文中，在適當(dāng)處，半導(dǎo)體元件26、30分別稱為半導(dǎo)體開關(guān)元件26、30，以及半導(dǎo)體元件28、32分別稱為二極管28、32。
[0031]上臂功率單元22包括單個半導(dǎo)體開關(guān)元件26和單個二極管28作為兩個半導(dǎo)體元件26、28。半導(dǎo)體開關(guān)元件26和二極管28彼此并聯(lián)連接。在第一方向X上半導(dǎo)體開關(guān)元件26(其是半導(dǎo)體芯片)的寬度大致相同于在第一方向X上二極管28(其是半導(dǎo)體芯片)的寬度。
[0032]下臂功率單元24包括單個半導(dǎo)體開關(guān)元件30和單個二極管32作為兩個半導(dǎo)體元件30、32。半導(dǎo)體開關(guān)元件30和二極管32彼此并聯(lián)連接。在第一方向X上半導(dǎo)體開關(guān)元件30(其是半導(dǎo)體芯片)的寬度大致相同于在第一方向X上二極管32(其是半導(dǎo)體芯片)的寬度。
[0033]半導(dǎo)體開關(guān)元件26和半導(dǎo)體開關(guān)元件30彼此串聯(lián)連接在高電位電源和低電位電源之間。二極管28和二極管32彼此串聯(lián)連接在高電位電源和低電位電源之間。
[0034]每個半導(dǎo)體開關(guān)元件26、30具有集電極、發(fā)射極以及柵電極。在每個半導(dǎo)體開關(guān)元件26、30中，集電極形成在半導(dǎo)體芯片的一面上，而發(fā)射極和柵電極形成在半導(dǎo)體芯片的另一面上。此外，在每個二極管28、32中，陰極形成在半導(dǎo)體芯片的一面上，陽極形成在半導(dǎo)體芯片的另一面上。
[0035]圖3示出了根據(jù)本實施例的半導(dǎo)體裝置20的每個上臂功率單元22和下臂功率單元24的相關(guān)部分的構(gòu)造的平面布置圖。圖4示出了沿著圖3中的線IVA-1VA或者線IVB-1VB截取的根據(jù)本實施例的上臂功率單元22的截面圖。在圖4中，當(dāng)沿著線IVB-1VB截取時附圖標(biāo)記示出于括號中。根據(jù)本實施例的下臂功率單元24也具有類似于圖4中所示截面的截面。圖5是示出了根據(jù)本實施例的上臂功率單元22的金屬板的黏結(jié)面以及下臂功率單元24的金屬板的黏結(jié)面的視圖。圖6示出了根據(jù)本實施例的每個上臂功率單元22和下臂功率單元24的相關(guān)部分的放大截面圖。
[0036]上臂功率單元22包括一對對置的金屬板34、36。每個金屬板34、36是形成為平面形狀的引線框架。金屬板34、36是由金屬(諸如銅、鎳以及鋁)形成的電導(dǎo)體。金屬板34、36的表面可以用銀、金等電鍍。金屬板34、36分別設(shè)置在每個半導(dǎo)體開關(guān)元件26和二極管28的兩個面上。也即，半導(dǎo)體開關(guān)元件26和二極管28均介于一對金屬板34、36之間，并且被兩個金屬板34、36夾住。
[0037]上臂功率單元22的半導(dǎo)體開關(guān)元件26和二極管28在面內(nèi)方向(具體地，垂直于第一方向X的第二方向Y)上以間隔SI并排放置在金屬板34、36(具體地，其沖模墊)上。每個金屬板34、36具有的面積大于半導(dǎo)體元件26、28(其是半導(dǎo)體芯片)的尺寸(面積)的總和。
[0038]為了確保每個半導(dǎo)體元件26、28的散熱，每個金屬板34、36上半導(dǎo)體開關(guān)元件26和二極管28之間的間隔SI的尺寸(長度)僅需要被設(shè)定為必要的最小距離。具體地，間隔SI的尺寸被設(shè)定為以便至少大于在第三方向Z上每個金屬塊44、50(稍后描述)的高度。利用該結(jié)構(gòu)，相比于熱傳遞至半導(dǎo)體元件28、26中的另一個的情形，從半導(dǎo)體元件26或者半導(dǎo)體元件28生成的熱易于經(jīng)由金屬塊44、50傳遞至金屬板34、36，然后易于從金屬板34、36的輻射面釋放至外部。因此，確保了半導(dǎo)體元件26、28的散熱。
[0039]半導(dǎo)體開關(guān)元件26的一面和二極管28的一面面向金屬板34。半導(dǎo)體開關(guān)元件26的一面經(jīng)由焊料構(gòu)件38黏結(jié)至金屬板34。二極管28的一面經(jīng)由焊料構(gòu)件40黏結(jié)至金屬板34。
[0040]焊料構(gòu)件38、40由導(dǎo)電構(gòu)件制成，諸如錫。半導(dǎo)體開關(guān)元件26的集電極經(jīng)由焊料構(gòu)件38電熱連接至金屬板34。二極管28的陰極經(jīng)由焊料構(gòu)件40電熱連接至金屬板34。連接至高電位電源的高電位連接終端P連接至金屬板34。高電位電源的電壓經(jīng)由高電位連接終端P施加至金屬板34。在下文中，金屬板34稱為高電位金屬板34。
[0041]另一方面，半導(dǎo)體開關(guān)元件26的另一面和二極管28的另一面面向金屬板36。半導(dǎo)體開關(guān)元件26的另一面經(jīng)由焊料構(gòu)件42、金屬塊44以及焊料構(gòu)件46黏結(jié)至金屬板36。二極管28的另一面經(jīng)由焊料構(gòu)件48、金屬塊50以及焊料構(gòu)件52黏結(jié)至金屬板36。
[0042]金屬塊44具有的尺寸設(shè)計成用于半導(dǎo)體開關(guān)元件26的尺寸，并且形成為大致矩形平行六面體形狀。金屬塊50具有的尺寸設(shè)計成用于二極管28的尺寸，并且形成為大致矩形平行六面體形狀。半導(dǎo)體開關(guān)元件26和二極管28在第一方向X上具有大致相同寬度，因此金屬塊44、50在第一方向X上具有大致相同寬度。
[0043]焊料構(gòu)件42、46、48、52由導(dǎo)電構(gòu)件制成，諸如錫。金屬塊44、50由導(dǎo)電金屬制成，諸如銅，并且在垂直于第一方向X和第二方向Y的層壓方向(第三方向)Z上具有厚度。金屬塊44、50在第三方向Z上具有大致相同高度。半導(dǎo)體開關(guān)元件26的發(fā)射極經(jīng)由焊料構(gòu)件42、46和金屬塊44電熱連接至金屬板36。二極管28的陽極經(jīng)由焊料構(gòu)件48、52和金屬塊50電熱連接至金屬板36 ο輸出終端O連接至金屬板36 ο輸出終端O經(jīng)由金屬板54 (稍后描述)連接至負荷等。在下文中，金屬板36稱為輸出金屬板36。
[0044]下臂功率單元24具有的結(jié)構(gòu)相似于圖3和圖4示出的上臂功率單元22的結(jié)構(gòu)。下臂功率單元24包括一對對置的金屬板54、56。每個金屬板54、56是形成為平面形狀的引線框架。金屬板54、56是由金屬(諸如銅、鎳以及鋁)形成的電導(dǎo)體。
[0045]金屬板54、56的表面可以用銀、金等電鍍。金屬板54、56可以由與金屬板34、36相同的金屬形成。金屬板54、56中的至少一個(例如，僅金屬板54)可以在與金屬板34或者金屬板36 (例如，僅金屬板34)—體形成之后被切割。金屬板54、56分別設(shè)置在每個半導(dǎo)體開關(guān)元件30和二極管32的兩個面上。也即，半導(dǎo)體開關(guān)元件30和二極管32均介于一對金屬板54、56之間，并且被金屬板54、56夾住。
[0046]下臂功率單元24的半導(dǎo)體開關(guān)元件30和二極管32在面內(nèi)方向(具體地，第二方向Y)上以間隔S2并排放置在金屬板54、56 (具體地，其沖模墊)上。每個金屬板54、56具有的面積大于半導(dǎo)體元件30、32(其是半導(dǎo)體芯片)的尺寸(面積)的總和。