CN106298700A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体装置，具备：金属基座；树脂壳体，其为框形且粘接于金属基座；半导体芯片，其具有主电极并配置于上述树脂壳体的内侧；主端子，其与半导体芯片的上述主电极电连接，被一体地固定于树脂壳体，并具有在上述树脂壳体的内侧露出的内侧的端部和在树脂壳体的外侧露出的外侧的端部；以及散热部件，其以与金属基座接触的方式配置在上述金属基座与主端子的内侧的端部之间，且导热率比树脂壳体高。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及一种半导体装置。
背景技术
图9示出了一种功率半导体模块的一例，该功率半导体模块是作为用于电力控制等的半导体装置。功率半导体模块101具备金属基座102、层叠基板103、半导体芯片105、粘接于该金属基座的框状的树脂壳体106以及一体地固定于该树脂壳体106的外部端子。
功率半导体模块101的外部端子大致分为两种，其中之一为主端子107。主端子107的主要功能是经由半导体芯片105的主电极等流过主电流。另一种是控制端子。控制端子的主要功能是向半导体芯片的控制电极输入控制信号或导出主电流检测用的信号等。
主端子107例如通过嵌入式成型(Insert molding)而一体地固定于树脂壳体106。主端子107的一端露出于树脂壳体106的内侧，通过键合线等与层叠基板103的电路板或半导体芯片105的主电极电连接。主端子107的另一端露出于树脂壳体的外侧，经由母线等与其他装置连接。
当电流流过主端子107时，由于主端子107自身的电阻而引起主端子107发热。当主端子107发热时，存在使功率半导体模块101整体的温度上升的隐患。另外，当主端子107发热时，存在使经由母线等连接的其他装置的温度上升的隐患。近年来，由于要求功率半导体模块的小型化以及高电流密度化，所以需要减小主端子107的发热带来的影响。
存在一种在导电性基板上隔着绝缘层配置端子，并以与该端子的该导电性基板侧的面接触的方式设置有金属部件的半导体装置(专利文献1)。然而，在并排配置多个主端子的情况下，因为需要确保主端子之间的绝缘距离，所以对专利文献1所记载的金属部件的宽度进行了限制。因此，从主端子进行散热也有限。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-175612
发明内容
技术问题
本发明有利地解决了上述问题，其目的在于提供一种能够提高从主端子进行散热的半导体装置。
技术方案
本发明的一个形态的半导体装置具备：金属基座；树脂壳体，其为框形且粘接于上述金属基座；半导体芯片，其具有主电极并配置于上述树脂壳体的内侧；主端子，其与上述半导体芯片的上述主电极电连接，被一体地固定于上述树脂壳体，并具有在上述树脂壳体的内侧露出的内侧的端部和在上述树脂壳体的外侧露出的外侧的端部；以及散热部件，其以与上述金属基座接触的方式配置在上述金属基座与上述主端子的上述内侧的端部之间，且导热率比上述树脂壳体高。
发明效果
通过本发明的半导体装置，能够提高从主端子进行的散热。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的半导体装置的示意性截面图。
图2是图1的半导体装置的散热的说明图。
图3是半导体装置的主端子附近的俯视图。
图4是图1的半导体装置的变形例的示意性截面图。
图5是图1的半导体装置的变形例的示意性截面图。
图6是本发明的其他实施方式的示意性截面图。
图7是图6的半导体装置的散热的说明图。
图8是本发明的其他实施方式的示意性截面图。
图9是现有的半导体装置的示意性截面图。
符号的说明
1、11、21：功率半导体模块
2：金属基座
3：层叠基板
3a：绝缘板
3b：金属板
3c：电路板
4：接合材料
5：半导体芯片
6：树脂壳体
7：主端子
7a：内侧的端部
7b：外侧的端部
8：金属块
8A：陶瓷块
8B：导热性树脂
9：键合线
10：密封材料
具体实施方式
(实施方式一)
以下，参考附图对本发明的半导体装置的实施方式进行具体说明。
作为图1中示意性截面图所示的本实施方式的半导体装置的功率半导体模块1具备金属基座2、半导体芯片5、树脂壳体6、主端子7和作为散热部件的金属块8。功率半导体模块1进一步具备层叠基板3、键合线9和密封材料10。
金属基座2由导热性良好的金属，例如铜和/或铝等构成，将由半导体芯片5和/或主端子7产生的热散出至外部。金属基座2具有大致四边形的平面形状。
层叠基板3具有比金属基座2小的大致四边形的平面形状。层叠基板3由层叠电路板3c、绝缘板3a和金属板3b构成。绝缘板3a以及金属板3b具有大致四边形的平面形状。另外，电路板3c具有构成功率半导体模块1内部的预定的电路的图案形状。绝缘板3a由例如氮化铝、氮化硅、氧化铝等绝缘性陶瓷构成，金属板3b、电路板3c例如由铜和/或铝构成。层叠基板3例如可以使用DCB(Direct Copper Bond：直接键合铜)基板和/或AMB(ActiveMetal Blazing：活性金属钎焊)基板。层叠基板3的金属板3b通过接合材料4例如焊料与金属基座2的主面接合。
半导体芯片5在正面设有主电极和控制电极，在背面设有其他的主电极。并且，背面的主电极通过焊料4电连接且机械连接到电路板3c的一个区域。“电连接且机械连接”是指不限于对象物彼此通过直接接合而连接的情况，也包括通过焊料和/或金属烧结材料等导电性的接合材料而使对象物彼此连接的情况，以下的说明也相同。正面的主电极通过未图示的布线部件，例如键合线而与电路板3c或者主端子7电连接。正面的控制电极通过未图示的布线部件，例如键合线而与电路板3c或者控制端子电连接。
具体来说，半导体芯片5例如为功率MOSFET或IGBT(绝缘栅型双极晶体管)等。半导体芯片5可以由硅半导体构成，也可以由SiC半导体构成。在半导体芯片5是由碳化硅(SiC)构成的功率MOSFET的情况下，与由硅构成的半导体芯片相比，能够在高耐压且高频下进行开关，因此最适合作为本实施方式的半导体装置的半导体芯片5。但是，半导体芯片5不限于IGBT或功率MOSFET，也可以是一个能够进行开关动作的半导体元件或多个能够进行开关动作的半导体元件的组合。
在金属基座2的周缘设有框形的树脂壳体6，其以未图示的粘接剂粘接。并且，在树脂壳体6的内侧配置有层叠基板3以及半导体芯片5。树脂壳体6由PPS(聚苯硫醚)树脂、PBT(聚对苯二甲酸丁二酯)树脂或聚氨酯树脂等绝缘性树脂构成。主端子7一体地固定于树脂壳体6。主端子7的内侧的端部7a在树脂壳体6的内侧露出，外侧的端部7b从树脂壳体6的上部向外侧露出。另外，主端子7的各端部弯曲成L字形。在本实施方式中，主端子7的内侧的端部7a与电路板3c通过键合线9电连接。
为了提高层叠基板3、半导体芯片5以及键合线9的绝缘性，用凝胶状的密封材料10将树脂壳体6的框内密封。另外，在树脂壳体6的上部固定有未图示的盖。通过盖、树脂壳体6和金属基座2构成了功率半导体模块1的框体。
在主端子7的内侧的端部7a与金属基座2之间配置有与金属基座2接触并作为散热部件的金属块8。金属块8由例如铜和/或铝等导热性高的金属材料构成。当考虑到热膨胀时，优选金属块8的材料与金属基座2的材料相同，因为能够抑制热应力。金属块8与树脂壳体6相比导热率更高，导热性更好。
树脂壳体6介于主端子7的内侧的端部7a与金属块8之间，由此确保主端子7与金属基座2之间的绝缘性。换言之，内侧的端部7a与金属块8具有确保绝缘性的足够的距离L。当考虑到散热时，优选内侧的端部7a与金属块8的距离为确保绝缘性的最小限度的厚度。具体来说，如果有0.5mm的距离就足够了。
金属块8可以通过粘接、焊接、铜焊等而固定于金属基座2。通过利用粘接剂粘接，能够容易地将金属块8与金属基座2固定。在使用粘接剂的情况下，通过使用粘接所需要的最低限度的量，从而能够提高散热性。另一方面，通过利用焊接或铜焊固定金属块，能够进一步提高对金属基座2的散热性。
另外，通过仅在金属基座2的侧面2a与树脂壳体6接触的部分涂布粘接剂，能够将金属基座2的侧面2a与树脂壳体6固定。在该情况下，也可以是在金属块8与金属基座2之间不涂布粘接剂的例子。
在功率半导体模块1的组装工序中，可以在将金属块8固定于金属基座2之后，通过粘接剂将树脂壳体6固定于金属基座2和金属块8。另外，也可以在金属块8和主端子7通过嵌入式成型而与树脂壳体6一体地固定之后，通过粘接剂将一体化的金属块8和树脂壳体6固定于金属基座2。通过以嵌入式成型的方式将金属块8和树脂壳体6一体化，能够提高将金属块8配置于金属基座2的操作性。
在图2中示意性地示出图1所示的功率半导体模块1的散热的路径以及大小。在附图中，箭头越大表示散热量越大。
本实施方式的功率半导体模块1在金属基座2与主端子7的内侧的端部7a之间具备热导率比树脂壳体6高的金属块8。因此，从主端子7产生的热能够从内侧的端部7a开始，经由金属块8而高效地向金属基座2散热。因此，在从键合线9经由层叠基板3的散热的基础上，还能够进行经由金属块8的散热，因此与以往相比能够提高从主端子7进行的散热。
在图3中示出图1所示的功率半导体模块1的主端子7附近的俯视图。应予说明，在图3中，为了使本发明易于理解，省略了半导体芯片5等的图示。
专利文献1所记载的半导体装置的金属部件以与端子接触的方式配置。因此，当并排配置多个端子时，如果加大金属部件的宽度，则金属部件彼此相互接触，结果可能有端子彼此发生短路的隐患。
另一方面，如图3的(a)所示，在本实施方式中，在配置多个主端子7的情况下，可以将与多个主端子7对应的金属块8的宽度设为比主端子7的宽度大。理由如下。即使在使各金属块8靠近的情况下，由于在主端子7与金属块8之间隔着树脂壳体6，所以确保了主端子7与金属块8的绝缘性。因此，即使金属块8彼此相互接触，也能够确保主端子7彼此的绝缘性。因此，在本实施方式中，能够扩大从金属块8到金属基座2为止的散热路径的宽度，能够进一步提高散热性。
进一步地，如图3的(b)所示，在并排配置多个主端子7的情况下，可以配置横跨多个主端子7而延伸的一体化的金属块8。金属块8的宽度越宽，越能够提高散热效果。进一步地，由于不需要分别配置多个金属块8，因此还能够简化制造工序。
作为本实施方式的功率半导体模块1的变形例，如图4所示，可以使用导热率比树脂壳体6高的陶瓷块8A来代替金属块8。
作为本实施方式的功率半导体模块1的变形例，如图5所示，可以是金属基座2具有与金属块8相同形状的突起2b来代替金属块8的形态。
使用图6所示的示意性截面图对本发明的其他实施方式的功率半导体模块11进行说明。应予说明，在图6所示的功率半导体模块11中，对与图1所示的部件相同的部件标记相同符号。因此，在以下的说明中，省略与已经对各部件进行了说明的内容相同的说明。
图6的功率半导体模块11将作为导热率比树脂壳体6高的散热部件的导热性树脂8B配置于金属基座2与主端子7的内侧的端部7a之间。更具体来说，导热性树脂8B构成树脂壳体6的一部分，覆盖主端子7，并与金属基座2接触地配置。
导热性树脂8B可以使用导热率比作为树脂壳体6材料的PPS树脂、PBT树脂或聚氨酯树脂高的树脂。PPS树脂、PBT树脂或聚氨酯树脂的导热率的上限为0.33W/m·K左右。所以，作为导热性树脂8B，例如通过使用导热率在17W/m·K以上的树脂，能够提高从主端子7进行的散热。另外，作为导热性树脂8B，可以使用通过在树脂中添加高导热填料而提高了导热率的树脂。
导热性树脂8B是具有绝缘性的树脂。因此，在金属基座2与主端子7的内侧的端部7a之间，可以不隔着导热性低的树脂壳体6的树脂，而仅配置导热性树脂8B。
以覆盖主端子7的方式配置的导热性树脂8B能够通过主端子7与导热性树脂8B的嵌入式成型而一体化。将一体化的主端子7和导热性树脂8B安装在树脂壳体6的成型模具，通过嵌入式成型，从而获得主端子7与导热性树脂8B一体化的树脂壳体6。
在图7，示意性地用箭头表示图6所示的功率半导体模块1的散热的路径以及大小。在图中，箭头越大表示散热量越大。
本实施方式的功率半导体模块11在金属基座2与主端子7的内侧的端部7a之间具备导热率比树脂壳体6高的导热性树脂8B。因此，能够将由主端子7产生的热从内侧的端部7a经由导热性树脂8B高效地向金属基座2散热。因此，在从键合线9经由层叠基板3的散热的基础上，还能够进行经由导热性树脂8B的散热，所以与以往相比能够提高从主端子7的散热。
导热性树脂8B也可以与金属基座2接触地仅配置在金属基座2与主端子7的内侧的端部7a之间。另外，如图6所示，导热性树脂8B可以以构成树脂壳体6的一部分并覆盖主端子7的方式配置。当以覆盖主端子7的方式配置导热性树脂8B时，因为与主端子7的接触面积大，所以能够进一步提高从主端子7的散热性。
导热性树脂8B的位置可以以比较自由的方式配置在树脂壳体6内。例如，如果在金属基座2与主端子7的内侧的端部7a之间以最少限度的量配置导热性树脂8B，则能够抑制成本上升。另外，还可以将导热性树脂8B配置到直到树脂壳体6的外侧的侧壁，使来自主端子7的热从树脂壳体6的侧壁散热。进一步地，在该情况下，也可以将树脂壳体6的侧壁的表面设成凹凸状，提高表面积而提高散热性。
使用图8所示的示意性截面图对本发明的其他实施方式的功率半导体模块21进行说明。应予说明，在图8中，对与在图1以及图6中使用的部件相同的部件标记相同符号，因此以下省略与已经说明的内容重复的说明。
图8的功率半导体模块21为，在金属基座2与主端子7的内侧的端部7a之间，以与金属基座2接触的方式配置有金属块8。进一步地，以覆盖主端子7的方式配置导热性树脂8B。
由于本实施方式的功率半导体模块21具备作为散热部件的金属块8和导热性树脂8B，所以能够将主端子7散热时的热进一步有效地从内侧的端部7a向金属基座2散热。
对本实施方式的功率半导体模块的制造方法进行说明。
图1所示的具备金属块8的功率半导体模块1的制造方法的一例包括使将主端子7和金属块8一体地固定的树脂壳体6成型的工序。
更具体而言，该工序为(1)在嵌入式成型用模具中放置主端子7和金属块8，(2)将嵌入式成型用模具的上下模具的位置对齐，(3)将树脂壳体6用的树脂填充到模具内并固化，之后(4)将上下模具打开，取出并冷却树脂壳体6，(5)去除毛刺后完成。该(1)～(5)的工序与一体地固定了主端子的树脂壳体6的成型工序相同，能够制造不增加现有的制造工序而提高了主端子7的散热性的功率半导体模块。
图6所示的具备导热性树脂8B的功率半导体模块11的制造方法的一例包括使将主端子7和导热性树脂8B一体地固定的树脂壳体6成型的工序。更具体而言，该工序为(1)在第一嵌入式成型用模具中放置主端子7，(2)将第一嵌入式成型用模具的上下模具的位置对齐，(3)将导热性树脂8B填充到模具内并固化，之后(4)将上下模具打开，取出并冷却一体化的主端子7和导热性树脂8B，(5)去除毛刺后完成主端子部件。(6)接下来，在第二嵌入式成型用模具中放置主端子部件，(7)将第二嵌入式成型用模具的上下模具的位置对齐，(8)将树脂壳体6用的树脂填充在模具内并固化，之后(9)将上下模具打开，取出并冷却树脂壳体6，(10)去除毛刺后完成。该(1)～(10)的工序与将主端子一体地固定的树脂壳体6的成型工序相同，能够制造不增加现有的制造工序而提高了主端子7的散热性的功率半导体模块。
以上，使用附图以及实施方式对本发明的半导体装置进行了具体说明，但本发明的半导体装置并不限定于实施方式以及附图所记载的内容，在不脱离本发明的主旨范围内可以进行各种变形。

Claims (7)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：
金属基座；
树脂壳体，其为框形且粘接于所述金属基座；
半导体芯片，其具有主电极并配置于所述树脂壳体的内侧；
主端子，其与所述半导体芯片的所述主电极电连接，被一体地固定于所述树脂壳体，并具有在所述树脂壳体的内侧露出的内侧的端部和在所述树脂壳体的外侧露出的外侧的端部；以及
散热部件，其以与所述金属基座接触的方式配置在所述金属基座与所述主端子的所述内侧的端部之间，且导热率比所述树脂壳体高。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述散热部件的宽度比所述主端子的宽度大。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
所述散热部件横跨多个所述主端子而延伸配置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述散热部件为金属块。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述散热部件为导热性树脂。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，
所述导热性树脂覆盖所述主端子。
7.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，
所述导热性树脂构成所述树脂壳体的一部分。
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