CN116171490A - 半导体装置、电力变换装置、移动体以及半导体装置的制造方法 - Google Patents

半导体装置、电力变换装置、移动体以及半导体装置的制造方法 Download PDF

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Abstract

目的在于提供一种能够在超声波接合时抑制金属粉的飞散、抑制在半导体装置中发生放电以及异常动作的技术。半导体装置(50)具有：绝缘基板(1)，其具有绝缘层(2)和形成于绝缘层(2)之上的金属图案(3)；以及电极(10)，其接合到金属图案(3)之上。在电极(10)的比与金属图案(3)接合侧的面即接合面的外周部更靠内周侧处形成收容部(11)，该收容部(11)向上方凹陷，并且能够对在电极(10)与金属图案(3)接合时产生的金属粉(31)进行收容，电极(10)的接合面的外周部接合到金属图案(3)之上。

Description

半导体装置、电力变换装置、移动体以及半导体装置的制造 方法
技术领域
本发明涉及半导体装置、电力变换装置、移动体以及半导体装置的制造方法。
背景技术
近年来，随着半导体装置的小型化以及高密度化的进步，采用引线框作为热循环耐性高、也适于高温工作的电极。与此相伴，在向形成绝缘基板的表面侧的金属图案之上接合电极时，采用超声波接合的案例正在增加。
例如，在专利文献1提出了在电极的表面设置凸起，提高进行超声波接合时的接合强度的方法。
专利文献1：日本特开2005-259880号公报
发明内容
然而，在现有的方法中存在以下问题：由于超声波接合时的振动，在电极与金属图案之间的接合面产生的金属粉飞散至半导体装置的内部，因而在半导体装置中发生放电或引起异常动作。
在此，本发明的目的在于提供一种能够抑制超声波接合时的金属粉的飞散，抑制在半导体装置中发生放电以及异常动作的技术。
本发明涉及的半导体装置具有：绝缘基板，其具有绝缘层和形成于所述绝缘层之上的金属图案；以及电极，其接合到所述金属图案之上，在所述电极的比与所述金属图案接合侧的面即接合面的外周部更靠内周侧处形成收容部，该收容部向上方凹陷，并且能够对在所述电极与所述金属图案接合时产生的金属粉进行收容，所述电极的所述接合面的所述外周部接合到所述金属图案之上。
发明的效果
根据本发明，能够通过将在电极与金属图案的接合时产生的金属粉收容至收容部而抑制金属粉的飞散。由此，能够抑制在半导体装置中以金属粉为起因而发生放电以及异常动作。
本发明的目的、特征、方案以及优点通过以下的详细说明和附图而变得更加清楚。
附图说明
图1是实施方式1涉及的半导体装置的剖面示意图。
图2是实施方式1涉及的半导体装置具有的电极与金属图案的超声波接合的说明图。
图3是从下方观察实施方式1涉及的半导体装置具有的电极的接合面的图。
图4是从上方观察实施方式1涉及的半导体装置具有的金属图案的与电极的接合面相对的部位的图。
图5是实施方式2涉及的半导体装置具有的电极与金属图案的超声波接合的说明图。
图6是从下方观察实施方式2涉及的半导体装置具有的电极的接合面的图。
图7是实施方式3涉及的半导体装置具有的电极与金属图案的超声波接合的说明图。
图8是从下方观察实施方式3涉及的半导体装置具有的电极的接合面的图。
图9是实施方式4涉及的半导体装置具有的电极与金属图案的超声波接合的说明图。
图10是从上方观察实施方式4涉及的半导体装置具有的金属图案的与电极的接合面相对的部位的图。
图11是实施方式5涉及的半导体装置具有的电极与金属图案的超声波接合的说明图。
图12是从上方观察实施方式5涉及的半导体装置具有的金属图案的与电极的接合面相对的部位的图。
图13是实施方式6涉及的半导体装置具有的电极与金属图案的超声波接合的说明图。
图14是从上方观察实施方式6涉及的半导体装置具有的金属图案的与电极的接合面相对的部位的图。
图15是示出具有实施方式7涉及的电力变换装置的电力变换***的结构的框图。
图16是示出实施方式8涉及的移动体的结构的框图。
具体实施方式
<实施方式1>
下面，使用附图对实施方式1进行说明。图1是实施方式1涉及的半导体装置50的剖面示意图。
如图1所示，半导体装置50具有绝缘基板1、半导体元件20以及电极10。
绝缘基板1具有绝缘层2、金属图案3以及下表面图案4。绝缘层2由陶瓷或环氧树脂形成。金属图案3设置于绝缘层2的上表面，下表面图案4设置于绝缘层2的下表面。金属图案3被分割为例如2个。
半导体元件20固定于绝缘基板1的上表面，更具体地是半导体元件20固定于金属图案3的上表面。另外，半导体元件20经由配线导线21连接至与固定有半导体元件20的金属图案3不同的金属图案3。此外，在图1中，半导体元件20虽然只示出了1个，但也可以设置多个。
半导体元件20是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)芯片、Di(Diode)芯片或MOSEFT(metal oxide semiconductor field effecttransistor)芯片。在此，在半导体元件20为多个的情况下，也可以将IGBT芯片、Di芯片以及MOSEFT芯片的若干者组合起来。
电极10是引线框，电极10通过超声波接合而接合到金属图案3的上表面。半导体装置50还具有未图示的壳体、基座板、盖以及封装材料等，绝缘基板1、半导体元件20以及电极10由壳体以及封装材料进行保护。
接下来，使用图2～图4对电极10与金属图案3的接合进行说明。图2是电极10与金属图案3的超声波接合的说明图。图3是从下方观察电极10的接合面的图。图4是从上方观察金属图案3的与电极10的接合面相对的部位的图。
如图2和图3所示，电极10具有能够对在电极10与金属图案3的接合时产生的金属粉31进行收容的收容部11。收容部11形成于电极10中的比与金属图案3接合侧的面即接合面的外周部更靠内周侧处。更具体地，收容部11是在电极10的接合面的中央部形成的向上方凹陷的凹部。
此外，在图3中，虽然收容部11从下方观察时形成为矩形状，但不限于此，也可以从下方观察时形成为圆状。另一方面，电极10的接合面的外周部形成为平面状。即，电极10的接合面的外周部相对于收容部11向下方凸出。
如图2和图4所示，金属图案3的与电极10的接合面相对的部位形成为平面状。因此，金属图案3的与电极10的接合面相对的部位和电极10的接合面的外周部接触。
接下来，对半导体装置的制造方法中的电极10与金属图案3的接合方法进行说明。
首先，准备绝缘基板1以及电极10。接下来，如图2所示，使电极10的接合面的外周部接触到金属图案3之上，一边使用超声波接合工具30对电极10的接合部10a的上表面施加载荷一边进行超声波接合。虽然在超声波接合时因电极10与金属图案3摩擦而产生金属粉31，但金属粉31被收容于在电极10的接合面形成的收容部11，因此能够抑制金属粉的飞散。此外，电极10的接合部10a是与金属图案3接合的电极10的一端侧的部分，接合部10a的下表面是电极10的接合面。
如上所述，实施方式1涉及的半导体装置50具有：绝缘基板1，其具有绝缘层2和形成于绝缘层2之上的金属图案3；以及电极10，其接合到金属图案3之上，在电极10的比与金属图案3接合侧的面即接合面的外周部更靠内周侧形成收容部11，该收容部11向上方凹陷，并且能够收容在电极10与金属图案3接合时产生的金属粉31，电极10的接合面的外周部接合到金属图案3之上。
通过将在电极10与金属图案3接合时产生的金属粉31收容于收容部11，能够抑制金属粉31的飞散。由此，能够抑制在半导体装置50中以金属粉31为起因而发生放电以及异常动作。由此，能够实现半导体装置50的可靠性提高。
另外，通过抑制金属粉31的飞散，能够削减飞散的金属粉31的去除以及半导体装置的外观检查所需的工时。
另外，收容部11是在电极10的接合面的中央部形成的凹部，因此收容部11相对于电极10的接合面的比例变大，金属粉31的收容能力提高。由此，抑制金属粉31飞散的效果提高。
另外，半导体装置50还具有接合到金属图案3之上的半导体元件20，半导体元件20包含宽带隙半导体，因此能够实现半导体装置50的节能化。
<实施方式2>
接下来，对实施方式2涉及的半导体装置进行说明。图5是实施方式2涉及的半导体装置50具有的电极10与金属图案3的超声波接合的说明图。图6是从下方观察电极10的接合面的图。此外，在实施方式2中，对于与在实施方式1中说明过的结构要素相同的结构要素标注相同标号而省略说明。
如图5和图6所示，在实施方式2中，收容部11是沿电极10的接合面的外周部形成的槽部。
此外，在图6中，收容部11从下方观察时形成为矩形框状，但不限定于此，也可以是从下方观察时形成为圆环状。另一方面，电极10的接合面的外周部和中央部形成为平面状。即，电极10的接合面的外周部以及中央部相对于收容部11向下方凸出。
与实施方式1的情况同样地，金属图案3的与电极10的接合面相对的部位形成为平面状。因此，金属图案3的与电极10的接合面相对的部位和电极10的接合面的外周部以及中央部接触。
如上所述，在实施方式2涉及的半导体装置50中，收容部11是沿电极10的接合面的外周部形成的槽部，因此与实施方式1的情况相比，能够增加电极10与金属图案3的接合面积。由此，能够使电极10与金属图案3的接合强度提高。
<实施方式3>
接下来，对实施方式3涉及的半导体装置的制造方法进行说明。图7是实施方式3涉及的半导体装置50具有的电极10与金属图案3的超声波接合的说明图。图8是从下方观察电极10的接合面的图。此外，在实施方式3中，对于与在实施方式1、2中说明过的结构要素相同的结构要素标注相同标号而省略说明。
如图7和图8所示，在实施方式3中，收容部11是沿电极10的接合面的外周部形成的槽部。另外，在接合前的状态下，在电极10的比收容部11更靠内周侧、即电极10的接合面的中央部，形成有向下方凸出的凸出部12。此时，在电极10的接合面的外周部与金属图案3之间空出间隙。
此外，在图8中，收容部11从下方观察时形成为矩形框状，凸出部12从下方观察时形成为矩形状，但不限定于此，收容部11也可以是从下方观察时形成为圆环状，凸出部12也可以是从下方观察时形成为圆状。
接下来，对半导体装置的制造方法中的电极10与金属图案3的接合方法进行说明。使电极10的接合面的凸出部12接触到金属图案3之上，一边使用超声波接合工具30对电极10的接合部10a的上表面施加载荷一边进行超声波接合。由于在超声波接合时施加的载荷，凸出部12被压溃，因此电极10的接合面的外周部与金属图案3之间的间隙消失，电极10的接合面的外周部接合到金属图案3之上。电极10的接合面的外周部与金属图案3之间没有间隙，因此能够将在凸出部12产生的金属粉31收容至收容部11。
如上所述，在实施方式3涉及的半导体装置的制造方法中，收容部11是沿电极10的接合面的外周部而形成的槽部，在电极10的比收容部11更靠内周侧处形成有向下方凸出的凸出部12。
因而，能够将在电极10的接合面的中央部即凸出部12产生的金属粉31收容至收容部11，因此抑制金属粉31飞散的效果提高。
<实施方式4>
接下来，对实施方式4涉及的半导体装置50进行说明。图9是实施方式4涉及的半导体装置50具有的电极10与金属图案3的超声波接合的说明图。图10是从上方观察金属图案3的与电极10的接合面相对的部位的图。此外，在实施方式4中，对于与在实施方式1～3中说明过的结构要素相同的结构要素标注相同标号而省略说明。
如图9和图10所示，在实施方式4中，在金属图案3的与电极10的接合面相对的部位形成有向下方凹陷的凹陷部5。具体地，凹陷部5形成于金属图案3的与电极10的接合面相对的部位及其周边区域。因此，凹陷部5的俯视轮廓大于电极10的接合部10a的仰视轮廓。
如上所述，在实施方式4涉及的半导体装置50中，在金属图案3的与电极10的接合面相对的部位形成有向下方凹陷的凹陷部5，因此能够简单地进行电极10相对于金属图案3的定位。由此，能够使超声波接合工序中的半导体装置50的成品率提高。
<实施方式5>
接下来，对实施方式5涉及的半导体装置50进行说明。图11是实施方式5涉及的半导体装置50具有的电极10与金属图案3的超声波接合的说明图。图12是从上方观察金属图案3的与电极10的接合面相对的部位的图。此外，在实施方式5中，对于与在实施方式1～4中说明过的结构要素相同的结构要素标注相同标号而省略说明。
如图11和图12所示，与实施方式4的情况同样地，在金属图案3形成有凹陷部5。进一步地在凹陷部5形成有向上方凸出并且被电极10的收容部11收容的凸起部6。
凸起部6与收容部11的形状相匹配地形成。例如，在收容部11从下方观察时形成为矩形框状的情况下，凸起部6从上方观察时也形成为矩形框状，在收容部11从下方观察时形成为圆环状的情况下，凸起部6从上方观察时也形成为圆环状。
在凸起部6收容于收容部11的状态下，在收容部11与凸起部6之间形成有间隙，在该间隙收容金属粉31。
如上所述，在实施方式5涉及的半导体装置50中，在金属图案3的凹陷部5形成有向上方凸出并且被电极10的收容部11收容的凸起部6。能够将在超声波接合工具30的正下方、即因收容部11与凸起部6之间的摩擦而产生的金属粉31收容于收容部11与凸起部6之间的间隙，因此能够使抑制金属粉31飞散的效果进一步提高。
另外，与实施方式4的情况相比能够更加简单地进行电极10相对于金属图案3的定位。由此，能够使超声波接合工序中的半导体装置50的成品率进一步提高。
<实施方式6>
接下来，对实施方式6涉及的半导体装置50进行说明。图13是实施方式6涉及的半导体装置50具有的电极10与金属图案3的超声波接合的说明图。图14是从上方观察金属图案3的与电极10的接合面相对的部位的图。此外，在实施方式6中，对于与在实施方式1～5中说明过的结构要素相同的结构要素标注相同标号而省略说明。
如图13和图14所示，在实施方式6中，在与电极10的接合面的外周部相对的金属图案3的部位设置有能够捕捉金属粉31的捕捉部7。更具体地，捕捉部7设置于金属图案3的与电极10的接合面的外周部相对的部位及其周边区域。捕捉部7是与电极10的接合面的外周部的形状相匹配地形成的，从上方观察时形成为矩形框状。
另外，捕捉部7由与金属图案3不同的材料构成。与金属图案3不同的材料是指例如粘接剂或焊料等。捕捉部7能够采用凝固前的膏状态、凝固中途的状态以及凝固状态中的任一个状态来捕捉金属粉31。
凹陷部5形成于比捕捉部7更靠内周侧即电极10的接合面的中央部。
如上所述，在实施方式6涉及的半导体装置50中，在与电极10的接合面的外周部相对的金属图案3的部位设置有由与金属图案3不同的材料构成并且能够捕捉金属粉31的捕捉部7。
因而，能够使用捕捉部7来捕捉因电极10的接合面的外周部与金属图案3的摩擦而产生的金属粉31。由此，能够使抑制金属粉31飞散的效果进一步提高。
<实施方式7>
接下来，对实施方式7涉及的电力变换装置进行说明。图15是示出具有实施方式7涉及的电力变换装置200的电力变换***的结构的框图。此外，在实施方式7中，对于与在实施方式1～6中说明过的结构要素相同的结构要素标注相同标号而省略说明。
图15示出的电力变换***由电源100、电力变换装置200和负载300构成。电源100为直流电源，将直流电力供给到电力变换装置200。电源100能够由各种电源构成，例如可以由直流***、太阳能电池、蓄电池构成，也可以由与交流***连接的整流电路、AC/DC转换器构成。另外，电源100也可以由将从直流***输出的直流电力变换为规定的电力的DC/DC转换器构成。
电力变换装置200为在电源100和负载300之间连接的三相逆变器，将从电源100供给的直流电力变换为交流电力，将交流电力供给到负载300。如图15所示，电力变换装置200具有：主变换电路201，其将直流电力变换为交流电力而输出；驱动电路202，其输出对主变换电路201的各开关元件进行驱动的驱动信号；以及控制电路203，其将对驱动电路202进行控制的控制信号输出到驱动电路202。
负载300是通过从电力变换装置200供给的交流电力来驱动的三相电动机。此外，负载300不限于特定用途，用作在各种电气设备搭载的电动机，例如面向混合动力汽车、电动汽车、铁路车辆、电梯或空调机的电动机。
以下，说明电力变换装置200的详细内容。主变换电路201具有开关元件和续流二极管(未图示)，通过开关元件的通断，从而将从电源100供给的直流电力变换为交流电力，供给到负载300。主变换电路201的具体电路结构存在各种结构，但本实施方式7涉及的主变换电路201为两电平的三相全桥电路，该三相全桥电路能够由6个开关元件、与各个开关元件反向并联的6个续流二极管构成。针对主变换电路201的各开关元件和各续流二极管中的至少任1个，应用上述实施方式1～6中任一者涉及的半导体装置50。6个开关元件两个两个地串联连接而构成上下桥臂，各上下桥臂构成全桥电路的各相(U相、V相、W相)。而且，各上下桥臂的输出端子、即主变换电路201的3个输出端子连接到负载300。
驱动电路202生成对主变换电路201的开关元件进行驱动的驱动信号，供给到主变换电路201的开关元件的控制电极。具体地，驱动电路202按照来自后述的控制电路203的控制信号，将使开关元件成为接通状态的驱动信号和使开关元件成为断开状态的驱动信号输出到各开关元件的控制电极。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号是大于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(接通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号是小于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(断开信号)。
控制电路203控制主变换电路201的开关元件以将期望的电力供给到负载300。具体地，控制电路203基于应供给到负载300的电力来计算应当使主变换电路201的各开关元件成为接通状态的时间(接通时间)。例如，控制电路203能够通过与应当输出的电压对应地对开关元件的接通时间进行调制的PWM(Pulse Width Modulation)控制对主变换电路201进行控制。而且，控制电路203向驱动电路202输出控制指令(控制信号)，以在各时间点向应当成为接通状态的开关元件输出接通信号、向应当成为断开状态的开关元件输出断开信号。驱动电路202按照该控制信号向各开关元件的控制电极输出接通信号或断开信号作为驱动信号。
在如上所述的本实施方式7涉及的电力变换装置200中，将实施方式1～6涉及的半导体装置50用作主变换电路201的开关元件和续流二极管中的至少任1个，因此能够实现可靠性的提高。
在以上说明的本实施方式7中，说明了将实施方式1～6中任一者涉及的半导体装置50应用于两电平的三相逆变器的例子，但是本实施方式7不限于此，能够应用于各种电力变换装置。在本实施方式7中，设为实施方式1～6中任一者涉及的半导体装置50是两电平的三相逆变器，但也可以是三电平、多电平的电力变换装置，在将电力供给到单相负载的情况下也可以将上述半导体装置50应用于单相逆变器。另外，在将电力供给到直流负载等的情况下，也可以将上述半导体装置50应用于DC/DC转换器、AC/DC转换器。
另外，本实施方式7涉及的半导体装置200不限定于上述的负载是电动机的情况，也能够用作例如放电加工机、激光加工机、或加热烹调器、非接触器供电***的电源装置，还能够用作太阳能发电***、蓄电***等的功率调节器。
<实施方式8>
接下来，对实施方式8涉及的移动体400进行说明。图16是示出实施方式8涉及的移动体400的结构的框图。此外，在实施方式8中，对于与在实施方式1～7中说明过的结构要素相同的结构要素标注相同标号而省略说明。
在图16所示的移动体400中搭载实施方式7涉及的电力变换装置200，移动体400能够使用来自电力变换装置200的输出来移动。根据上述结构，能够通过变换器的小型化以及轻量化来实现移动体400的轻量化。其结果，能够期待移动体400的高效化以及高性能化。此外，在此虽然说明了移动体400是铁路车辆，但不限于此，例如也可以是混合动力汽车、电动汽车、电梯等。
虽然详细地说明了本发明，但上述的说明在所有方面都是例示而不是限定性的内容。可解释为能够设想未例示的无数变形例。
此外，能够将各实施方式自由组合，将各实施方式适当地变形、省略。
标号的说明
1绝缘基板，2绝缘层，3金属图案，5凹陷部，6凸起部，7捕捉部，10电极，11收容部，12凸出部，20半导体元件，31金属粉，200电力变换装置，201主变换电路，202驱动电路，203控制电路，400移动体。

Claims (11)

1.一种半导体装置，其具有：
绝缘基板，其具有绝缘层和形成于所述绝缘层之上的金属图案；以及
电极，其接合到所述金属图案之上，
在所述电极的比与所述金属图案接合侧的面即接合面的外周部更靠内周侧处形成收容部，该收容部向上方凹陷，并且能够对在所述电极与所述金属图案接合时产生的金属粉进行收容，
所述电极的所述接合面的所述外周部接合到所述金属图案之上。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述收容部是在所述电极的所述接合面的所述中央部形成的凹部。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述收容部是沿所述电极的所述接合面的所述外周部形成的槽部。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置，其中，
在所述金属图案的与所述电极的所述接合面相对的部位形成有向下方凹陷的凹陷部。
5.根据权利要求4所述的半导体装置，其中，
在所述金属图案的所述凹陷部形成有凸起部，该凸起部向上方凸出并且收容于所述电极的所述收容部。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置，其中，
在所述金属图案的与所述电极的所述接合面的所述外周部相对的部位设置有捕捉部，该捕捉部由与所述金属图案不同的材料构成并且能够捕捉所述金属粉。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体装置，其中，
还具有半导体元件，该半导体元件接合到所述金属图案之上，
所述半导体元件包含宽带隙半导体。
8.一种电力变换装置，其具有：
主变换电路，其具有权利要求1至7中任一项所述的半导体装置，该主变换电路对输入进来的电力进行变换而输出；
驱动电路，其将驱动所述半导体装置的驱动信号输出到所述半导体装置；以及
控制电路，其将控制所述驱动电路的控制信号输出到所述驱动电路。
9.一种移动体，其搭载有权利要求8所述的电力变换装置。
10.一种半导体装置的制造方法，其是权利要求1所述的半导体装置的制造方法，具有下述工序：
工序(a)，准备所述绝缘基板以及所述电极；以及
工序(b)，使所述电极的所述接合面的所述外周部接触到所述金属图案之上，一边使用超声波接合工具施加载荷一边进行超声波接合。
11.根据权利要求10所述的半导体装置的制造方法，其中，
在所述工序(a)中，所述收容部是沿所述电极的所述接合面的所述外周部形成的槽部，在所述电极的比所述槽部更靠内周侧处形成有向下方凸出的凸出部。
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