CN118120051A - 半导体装置、电力变换装置及半导体装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供能够对制造过程中的接合材料的再熔融进行抑制，能够对由接合材料的再熔融造成的品质降低进行抑制的半导体装置。半导体装置具有：第1绝缘材料，其具有上表面及下表面；第1导体图案，其设置于第1绝缘材料的上表面之上；第2导体图案，其设置于第1绝缘材料的下表面之上；半导体元件，其通过第1接合材料与第1导体图案的上表面接合；以及第1基座板，其通过第2接合材料与第2导体图案的下表面接合，第1绝缘材料的导热率κ1与第1绝缘材料的厚度D1之比κ1/D1满足κ1/D1≤35×104W/(m2K)，第1接合材料的固相线温度大于或等于第2接合材料的固相线温度，第1接合材料的固相线温度与第2接合材料的固相线温度之差为40℃以内。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置、电力变换装置及半导体装置的制造方法。
背景技术
在专利文献1中记载有模塑型的半导体装置。在专利文献1中特别地记载有：模塑型的半导体装置由于小型且可靠性优异，易于操作，所以广泛用于空调设备的控制等。
专利文献1：日本特开2015-115382号公报
发明内容
在半导体装置的制造过程中，存在接合材料再熔融，半导体装置的品质降低的问题。
本发明就是为了解决这样的问题而提出的，其目的在于，提供能够对制造过程中的接合材料的再熔融进行抑制，能够对由接合材料的再熔融造成的品质降低进行抑制的半导体装置。
本发明的半导体装置具有：第1绝缘材料，其具有上表面及下表面；第1导体图案，其设置于第1绝缘材料的上表面之上；第2导体图案，其设置于第1绝缘材料的下表面之上；半导体元件，其通过第1接合材料与第1导体图案的上表面接合；以及第1基座板，其通过第2接合材料与第2导体图案的下表面接合，第1绝缘材料的导热率κ1与第1绝缘材料的厚度D1之比κ1/D1满足κ1/D1≤35×104W/(m2K)，第1接合材料的固相线温度大于或等于第2接合材料的固相线温度，第1接合材料的固相线温度与第2接合材料的固相线温度之差为40℃以内。
发明的效果
根据本发明，提供如下半导体装置，即，能够对制造过程中的接合材料的再熔融进行抑制，能够对由接合材料的再熔融造成的品质降低进行抑制。
另外，通过下面所示的详细的说明和附图，本发明说明书所公开的技术涉及的目的、特征、方案、优点会变得更清楚。
附图说明
图1是实施方式1的半导体装置的剖视图。
图2是实施方式1的半导体装置的俯视图。
图3是实施方式2的半导体装置的剖视图。
图4是实施方式2的半导体装置的剖视图。
图5是实施方式2的半导体装置的俯视图。
图6是实施方式3的半导体装置的剖视图。
图7是实施方式3的半导体装置的剖视图。
图8是实施方式4的半导体装置的剖视图。
图9是实施方式5的半导体装置的剖视图。
图10是表示实施方式1的半导体装置的制造方法的流程图。
图11是表示电力变换***的结构的框图，该电力变换***应用了实施方式6的电力变换装置。
具体实施方式
在下面的说明中，上及下是指将半导体装置的一个方向表示为上方向，将其相反方向表示为下方向，不是对半导体装置制造时或使用时的上下方向进行限定。
<A.实施方式1>
<A-1.结构>
图2是半导体装置151的俯视图。为了示出半导体装置151的内部构造，在图2中省略了半导体装置151所具有的封装材料10。图1是实施方式1的半导体装置151的剖视图，是图2的A-A线处的剖视图。
半导体装置151具有半导体单元101、基座板11(第1基座板的一个例子)、接合材料12(第2接合材料的一个例子)。
半导体单元101具有绝缘基板25、接合材料4(第1接合材料的一个例子)、半导体元件5a1、半导体元件5a2、半导体元件5b1、半导体元件5b2、导线6、导线7、主端子8a、主端子8b、主端子8c、信号端子9及封装材料10。
半导体元件5a1及半导体元件5a2是Si的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极晶体管)，半导体元件5b1及半导体元件5b2是Si的二极管。在不需要区分半导体元件5a1、半导体元件5a2、半导体元件5b1及半导体元件5b2的情况下，将半导体元件5a1、半导体元件5a2、半导体元件5b1及半导体元件5b2各自也称为半导体元件5。
半导体装置151也可以具有IGBT与二极管成为一体的RC-IGBT(Reverse-Conducting IGBT，反向导通IGBT)以替代具有IGBT和二极管。另外，半导体装置151也可以具有例如SiC或GaN的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)及SiC或GaN的SBD以替代Si的IGBT及Si的二极管。
在不需要区分主端子8a、主端子8b及主端子8c的情况下，将各自也称为主端子8。各主端子8为电力用端子。
绝缘基板25具有：绝缘材料1(第1绝缘材料的一个例子)，其具有上表面及下表面；导体图案2(第1导体图案的一个例子)，其设置于绝缘材料1的上表面之上；以及导体图案3(第2导体图案的一个例子)，其设置于绝缘材料1的下表面之上。绝缘材料1与导体图案2例如通过直接接合而进行接合。绝缘材料1与导体图案3例如通过直接接合而进行接合。
各半导体元件5通过接合材料4与导体图案2的上表面接合。
导线6是电力用导线。如图2所示，半导体元件5a1与半导体元件5b1、半导体元件5b1与导体图案2、导体图案2与主端子8a、导体图案2与主端子8c、半导体元件5a2与半导体元件5b2、半导体元件5b2与主端子8b通过导线6进行连接。
导线7是信号用导线。半导体元件5a1与信号端子9、及半导体元件5a2与信号端子9通过导线7进行连接。
就半导体单元101而言，绝缘材料1、导体图案2、导体图案3的一部分、接合材料4、半导体元件5、导线6、导线7、各主端子8的一部分、各信号端子9的一部分被封装材料10封装。就半导体单元101而言，导体图案3的下表面从封装材料10露出。
半导体单元101经由接合材料12搭载于基座板11的上表面之上。基座板11通过接合材料12与导体图案3的下表面接合。
绝缘材料1例如是绝缘树脂。该绝缘材料树脂例如是以环氧树脂为主要成分的绝缘材料树脂。绝缘材料1例如是陶瓷。该陶瓷例如是以Al2O3为主要成分的陶瓷。
为了提高散热性，绝缘材料1的导热率越高越好，另外，绝缘材料1越薄越好。另一方面，如果绝缘材料1的导热率高且绝缘材料1薄，则在制造工序中从半导体单元101的下侧施加于半导体单元101的热量容易传导至接合材料4，如果传导至接合材料4的热量多，则会引起接合材料4再熔融的问题。为了对制造工序中的接合材料4的再熔融进行抑制，优选绝缘材料1的导热率κ1与绝缘材料1的厚度D1(参照图1)之比κ1/D1满足κ1/D1≤35×104W/(m2K)。例如，绝缘材料1的导热率κ1小于或等于35W/(m·K)且绝缘材料1的厚度D1大于或等于100μm。通过将绝缘材料1的厚度D1设为大于或等于100μm，与绝缘材料1的厚度D1小于100μm的情况相比，绝缘材料1的绝缘性能及强度提高。如果作为绝缘材料1而使用绝缘树脂，则容易降低绝缘材料1的导热率，容易抑制接合材料4的再熔融。
导体图案2的材料例如是金属。该金属例如是铝、铝合金、铜或铜合金。
导体图案2经由接合材料4与半导体元件5接触。导体图案2具有将半导体元件5所发出的热量扩散的功能。优选导体图案2具有充分的厚度，以能够将半导体元件5发出的热量充分地在面内方向上扩散。优选的导体图案2的厚度依赖于导体图案2的面内方向的布局，但例如是0.4mm～1.2mm。
通过在导体图案2的上表面设置凹坑或狭缝等凹凸，能够使导体图案2与封装材料10的密合性提高。
导体图案3的材料例如是金属。该金属例如是铝、铝合金、铜或铜合金。
接合材料4例如是焊料。接合材料4例如是无铅且以Sn为主要成分的焊料。
在图2中示出了半导体装置151具有4个半导体元件的情况，但半导体装置151所具有的半导体元件可以是1个，可以是2个，可以是3个，也可以大于或等于5个。
导线6的材料例如是铝、铝合金、铜或铜合金。
导线6也可以是将铝和铜组合起来的导线，例如，是使用了外周部为铝而内部为铜的复合材料的导线。
虽然也取决于导线6所要求的电流容量，但优选的导线6的直径例如是200μm～1000μm。作为导线6，通过使用在与延伸方向交叉的方向上宽度宽的带状形状的导线，能够增加电流容量。
导线7的材料例如是铝、铝合金、铜或铜合金。与导线6不同，导线7不需要流动大电流，因此导线7的直径也可以小于导线6的直径。导线7的直径例如是100μm～400μm。
主端子8的材料例如是铜或铜合金。为了轻量化，作为主端子8的材料也可以使用铝或铝合金。通过将主端子8设得厚，能够对电流流过主端子8时的主端子8的自发热进行抑制。优选的主端子8的厚度例如是0.5mm～2.0mm。
信号端子9的材料例如是铜或铜合金。为了轻量化，作为信号端子9的材料也可以使用铝或铝合金。信号端子9与导线7相同，不需要流动大电流。因此，信号端子9的厚度为1mm左右就足够。
封装材料10例如是树脂。该树脂例如是环氧类树脂。
通过半导体元件5的发热，封装材料10的温度上升。为了对由该温度上升造成的封装材料10的线膨胀系数的变动进行抑制，优选的封装材料10的玻璃化转变温度Tg例如大于或等于175℃。
为了抑制封装材料10与导体图案2的剥离及抑制接合材料12的裂缝，封装材料10的线膨胀系数的优选的值例如是18～24ppm/℃。通过使封装材料10的线膨胀系数小于或等于接合材料12的线膨胀系数，从而能够降低在接合材料12产生的应力，由此，能够提高半导体装置151的可靠性。在封装材料10发生玻璃化转变的情况下，该线膨胀系数是指封装材料10的小于或等于玻璃化转变温度Tg的温度下的线膨胀系数。通过对封装材料10的填料进行调整，能够对封装材料10的线膨胀系数进行调整。
接合材料12例如是焊料。接合材料12例如是无铅且以Sn为主要成分的焊料。
通过将接合材料12薄化，从而能够减小在制造时使接合材料12熔融所需要的热量，降低制造成本。另外，通过将接合材料12薄化，从而对接合材料12的热阻进行抑制。接合材料12的厚度例如小于或等于150μm。
接合材料4的固相线温度大于或等于接合材料12的固相线温度，接合材料4的固相线温度与接合材料12的固相线温度之差为40℃以内。
优选基座板11的材料的导热率高。基座板11的材料例如是铝、铝合金、铜或铜合金。从热扩散及刚性的观点出发，优选的基座板11的厚度例如是2～4mm。
在基座板11的材料为铜或铜合金的情况下，如果基座板11的表面通过镀Ni等镀敷进行了覆盖处理，则基座板11的氧化及腐蚀会得到抑制。
如图2所示，在基座板11设置有用于将半导体装置151安装于冷却器等的孔110。也可以在基座板11不设置孔110。
基座板11的下表面例如如图1所示是平坦的。在使用半导体装置151时，由于半导体元件5的损耗而产生热量。半导体装置151例如经由油脂等TIM(Thermal InterfaceMaterial，热界面材料)安装于冷却器而被冷却。该冷却器可以是空冷式，也可以是水冷式。半导体装置151也可以包含冷却器。
为了实现半导体装置151的高电流密度化及高集成化，优选从半导体元件5的散热效率高。对于半导体装置151，通过将基座板11安装于半导体单元101，从半导体元件5的散热效率提高。因此，例如，即使安装于半导体装置151的冷却器是空冷式冷却器，冷却器的冷却性能低，也能够实现半导体装置151的高电流密度化及高集成化。
在本实施方式的半导体装置151中，接合材料4的固相线温度大于或等于接合材料12的固相线温度，并且，绝缘材料1的导热率κ1与绝缘材料1的厚度D1之比κ1/D1满足κ1/D1≤35×104W/(m2K)，因此会对由将基座板11接合于半导体单元101时的加热造成的接合材料4的再熔融进行抑制，对由接合材料4的再熔融造成的半导体装置151的品质降低进行抑制。
<A-2.制造方法>
图10是表示本实施方式的半导体装置的制造方法的流程图。
首先，在步骤S1中，准备绝缘基板25。如上所述，绝缘基板25是具有绝缘材料1、导体图案2、导体图案3的绝缘基板，该导体图案2设置于绝缘材料1的上表面之上，该导体图案3设置于绝缘材料1的下表面之上。
接着，在步骤S2中，通过接合材料4将各半导体元件5接合于绝缘基板25的导体图案2的上表面之上。
在步骤S2中，首先，以将接合材料4夹在半导体元件5和导体图案2之间的方式，将半导体元件5配置于导体图案2的上表面之上。接着，使温度上升而使接合材料4熔融。之后，通过降低温度，使接合材料4凝固，从而将各半导体元件5与导体图案2接合。
在步骤S2后，在步骤S3中，执行基于导线6及导线7进行的配线。
在步骤S3中，首先，通过导线6将半导体元件5a1与半导体元件5b1、半导体元件5b1与导体图案2、半导体元件5a2与半导体元件5b2连接。接着，配置主端子8及信号端子9。然后，通过导线7将信号端子9与半导体元件5a1、信号端子9与半导体元件5a2连接，另外，通过导线6将主端子8a与导体图案2、主端子8b与半导体元件5b2、及主端子8c与导体图案2连接。
在步骤S3后，在步骤S4中，通过封装材料10对半导体元件5进行封装。
从步骤S1起经过步骤S4，得到半导体单元101。
在步骤S4后，在步骤S5中，通过接合材料12将导体图案3的下表面与基座板11接合。
从步骤S1起经过步骤S5，得到半导体装置151。
在步骤S5中，在将接合材料12配置于半导体单元101和基座板11之间后，使各材料的温度上升而使接合材料12熔融。作为用于在半导体单元101及基座板11的热容量大的状况下高效地使接合材料12熔融的方法，具有通过使热板等与基座板11的下表面接触而进行加热的方法。
在步骤S5中如果接合材料4再熔融，则接合材料4由于从固体向液体的状态变化而膨胀，由此在封装材料10产生裂缝，半导体装置151的特性及可靠性降低。因此，优选不使接合材料4熔融而选择性地仅使接合材料12熔融。但是，如果从基座板11的下表面施加热量，则在半导体单元101的内部，热量也会从下表面侧传导至上表面侧，因此半导体单元101内部的接合材料4具有再熔融的可能性。
作为将半导体元件5接合于导体图案2的接合材料，通过采用熔点高的材料，例如烧结接合材料等，也能够对该接合材料的再熔融进行抑制。但是，在该情况下，由于在使用了烧结接合材料的接合中需要施加压力等原因，需要制造装置的大型化，产生与半导体单元101的尺寸相关的限制。另外，由于直接材料费及制造装置费高，因此半导体装置151的制造成本高。作为将半导体元件5接合于导体图案2的接合材料，通过使用焊料，从而对半导体装置151的制造成本进行抑制。
如果接合材料4的固相线温度大于或等于接合材料12的固相线温度，则会对步骤S5中的接合材料4的再熔融进行抑制。如果接合材料4的固相线温度大于或等于接合材料12的液相线温度，则会进一步对步骤S5中的接合材料4的再熔融进行抑制。如果接合材料4的固相线温度比接合材料12的液相线温度高，则会进一步对步骤S5中的接合材料4的再熔融进行抑制。
如果接合材料4的固相线温度过度地高于接合材料12的固相线温度，则会产生如下问题。在步骤S2中，接合材料4在固相线温度时凝固，之后，冷却至常温。在常温下，由于线膨胀系数的差异等，导体图案2及绝缘材料1从接合材料4直接或间接地受到与接合材料4的固相线温度和常温之差ΔT1成正比的力。相同地，在常温下，导体图案3及绝缘材料1从接合材料12直接或间接地受到与接合材料12的固相线温度和常温之差ΔT2成正比的力。在ΔT1与ΔT2之差大的情况下，绝缘材料1所受到的力在上侧和下侧大幅不同，因此在绝缘材料1产生翘曲或局部应力，半导体装置151的可靠性降低。因此，从半导体装置151的可靠性的观点出发，优选ΔT1与ΔT2之差，即，接合材料4的固相线温度与接合材料12的固相线温度之差小于或等于40℃。
由于制造工序中的接合材料4及接合材料12的温度具有波动，因此仅仅是接合材料4的固相线温度大于或等于接合材料12的固相线温度，则难以对步骤S5中的接合材料4的再熔融充分进行抑制。通过对绝缘材料1的热传导容易度进行抑制，能够对步骤S5中的接合材料4的再熔融进行抑制。通过绝缘材料1的导热率κ1与绝缘材料1的厚度D1之比κ1/D1满足κ1/D1≤35×104W/(m2K)的结构，能够对在从基座板11的下表面进行了加热时传导至接合材料4的热量进行抑制，能够对步骤S5中的接合材料4的再熔融进行抑制。由此，制造工序中所允许的温度的波动增加。
通过使导体图案3比导体图案2薄，从而能够降低导体图案3的热容量，例如，能够使导体图案3的热容量比导体图案2的热容量小。如果导体图案3的热容量小，则在步骤S5中从与基座板11相比更靠下侧处进行加热时，导体图案3与接合材料12的界面迅速升温，因此使接合材料12熔融所需要的加热时间变短，制造性及生产率提高。如果导体图案3的厚度小于或等于0.8mm，则会更显著地得到这些效果。
如上所述，在本实施方式的半导体装置的制造方法中，通过在步骤S2中使接合材料4熔融后使其凝固而进行导体图案2与半导体元件5的接合，之后，在步骤S5中使接合材料12熔融后使其凝固而进行导体图案3与基座板11的接合，在步骤S5中进行导体图案2和基座板11的接合时，从与基座板11相比更靠下侧处进行加热。从与基座板11相比更靠下侧处进行加热包含使热源接触基座板11的下表面而进行加热的情况。
在本实施方式的半导体装置151中，绝缘材料1的导热率κ1与绝缘材料1的厚度D1之比κ1/D1满足κ1/D1≤35×104W/(m2K)，接合材料4的固相线温度大于或等于接合材料12的固相线温度。由此，对步骤S5中的接合材料4的再熔融进行抑制，对由接合材料4的再熔融造成的半导体装置151的品质降低进行抑制。另外，通过使接合材料4的固相线温度与接合材料12的固相线温度之差为40℃以内，从而基于接合材料4的固相线温度与接合材料12的固相线温度之差对绝缘材料1所受到的损伤进行抑制，半导体装置151的可靠性提高。
<B.实施方式2>
图5是半导体装置152的俯视图。为了示出半导体装置152的内部构造，在图5中省略了半导体装置152所具有的封装材料10。图3是实施方式2的半导体装置152的剖视图，是图5的B-B线处的剖视图。图4是实施方式2的半导体装置152的剖视图，是图5的C-C线处的剖视图。
本实施方式的半导体装置152与实施方式1的半导体装置151相比，区别在于替代半导体单元101而具有半导体单元102这一点。除此之外，半导体装置152与半导体装置151相同。半导体单元102与半导体单元101相比，区别在于替代导线6、主端子8a、主端子8b及主端子8c而具有内部引线13、主端子8d、主端子8e及主端子8f这一点。除此之外，半导体单元102与半导体单元101相同。
如图3所示，内部引线13通过接合材料15与半导体元件5a1的上表面接合。内部引线13通过接合材料15与半导体元件5b1的上表面接合。内部引线13通过接合材料14与导体图案2的上表面接合。导体图案2与半导体元件5a1的上表面通过内部引线13进行连接。导体图案2与半导体元件5b1的上表面通过内部引线13进行连接。导体图案2中的通过接合材料14与导体图案2接合的部位和导体图案2中的通过接合材料4与半导体元件5a1接合的部位不是一体的。导体图案2中的通过接合材料14与导体图案2接合的部位和导体图案2中的通过接合材料4与半导体元件5b1接合的部位不是一体的。
主端子8e具有内部引线81和外部引线82。内部引线81是主端子8e中的被封装材料10封装的部分，与主端子8e中的从封装材料10凸出的部分即外部引线82是一体的。
内部引线81通过接合材料15与半导体元件5a2的上表面接合。内部引线81通过接合材料15与半导体元件5b2的上表面接合。
接合材料14及接合材料15例如是焊料。接合材料14及接合材料15例如是无铅且以Sn为主要成分的焊料。
与接合材料4的情况相同地，优选对制造时的接合材料14及接合材料15的再熔融进行抑制。为了对制造时的接合材料14及接合材料15的再熔融进行抑制，接合材料14的固相线温度例如大于或等于接合材料12的固相线温度，接合材料15的固相线温度例如大于或等于接合材料12的固相线温度。如果接合材料14的固相线温度与接合材料12的固相线温度之差为40℃以内，则会基于接合材料14的固相线温度与接合材料12的固相线温度之差对绝缘材料1所受到的损伤进行抑制，半导体装置152的可靠性提高。如果接合材料15的固相线温度与接合材料12的固相线温度之差为40℃以内，则会基于接合材料14的固相线温度与接合材料12的固相线温度之差对绝缘材料1所受到的损伤进行抑制，半导体装置152的可靠性提高。接合材料14的材料及接合材料15的材料例如与接合材料4的材料相同。
主端子8d与导体图案2直接连接。主端子8f与导体图案2直接连接。作为将主端子8d及主端子8f与导体图案2直接连接的方法，举出US(Ultrasonic，超声波)接合及扩散接合等。
主端子8d、主端子8e及主端子8f的材料例如与实施方式1的半导体装置151的主端子8a、主端子8b及主端子8c的材料相同。另外，主端子8d、主端子8e及主端子8f的厚度例如与实施方式1的半导体装置151的主端子8a、主端子8b及主端子8c的厚度相同。
优选内部引线13的材料是电阻小的材料。该电阻小的材料例如是铜、铜合金、铝或铝合金。
与实施方式1的情况相比，通过对主电流流过导线6的部位进行变更，以使得主电流流过内部引线13、主端子8d、主端子8e或主端子8f，从而能够降低电阻，半导体装置152的电流容量增加。
图10是表示本实施方式的半导体装置的制造方法的流程图。本实施方式的半导体装置的制造方法在步骤S3中，替代基于导线6进行的配线而执行基于内部引线13及主端子8进行的配线，除了这一点之外与实施方式1的半导体装置的制造方法相同。
<C.实施方式3>
本实施方式的半导体装置153与实施方式2的半导体装置152相比，区别在于替代半导体单元102而具有半导体单元103这一点。另外，就半导体装置153而言，在半导体单元103的上侧通过接合材料20而接合有基座板21。除此之外，半导体装置153与半导体装置152相同。图6是实施方式3的半导体装置153的剖视图，是与半导体装置152的图3对应的剖面处的剖视图。图7是实施方式3的半导体装置153的剖视图，是与半导体装置152的图4对应的剖面处的剖视图。
半导体单元103与半导体单元102相比，还具有绝缘基板26。除此之外，半导体单元103与半导体单元102相同。绝缘基板26具有绝缘材料17、导体图案18及导体图案19。
如图6所示，导体图案18通过接合材料16与内部引线13的上表面接合。导体图案18通过接合材料16与内部引线13的上表面中的在俯视观察时与半导体元件5a1或半导体元件5b1重叠的区域接合。
如图7所示，导体图案18通过接合材料16与内部引线81的上表面接合。导体图案18通过接合材料16与内部引线81的上表面中的在俯视观察时与半导体元件5a2或半导体元件5b2重叠的区域接合。
绝缘材料17与导体图案18的上表面接合。导体图案19与绝缘材料17的上表面接合。就半导体单元103而言，导体图案19的一部分从封装材料10露出。基座板21经由接合材料20与导体图案19中的从封装材料10露出的部分接合。
在本实施方式的半导体装置153中，从半导体元件5产生的热量的一部分通过接合材料15、内部引线13、内部引线81、接合材料16、导体图案18、绝缘材料17、导体图案19、接合材料20及基座板21传导至半导体装置153的外部。因此，能够从上下两侧对半导体元件5进行冷却，能够实现半导体装置153的电流容量的提高及小型化。
接合材料16及接合材料20例如是焊料。接合材料16及接合材料20例如是无铅且以Sn为主要成分的焊料。
本实施方式的半导体装置的制造方法与实施方式2的半导体装置的制造方法相比，区别在于，在步骤S3(参照图10)后、步骤S4前通过接合材料16将绝缘基板26接合于内部引线13及内部引线81的上表面之上这一点，以及在步骤S5中除了绝缘基板25与基座板11的接合之外还进行绝缘基板26和基座板21的接合这一点。除此之外，本实施方式的半导体装置的制造方法与实施方式2的半导体装置的制造方法相同。
与接合材料4的情况相同地，优选对制造时的接合材料16的再熔融进行抑制。在制造半导体装置153时，在将绝缘基板26的导体图案19和基座板21接合的时候，在将接合材料20配置于半导体单元103和基座板21之间后，通过从与基座板21相比更靠上侧处的加热而使接合材料20熔融。因此，为了对接合材料16的再熔融进行抑制，优选在进行了从比基座板21更靠上侧处的加热时热量难以传导至接合材料16。另外，与绝缘材料1的情况相同地，优选基于接合材料16的固相线温度与接合材料20的固相线温度之差对绝缘材料17所受到的损伤进行抑制。
半导体装置153的结构是，例如，绝缘材料17的导热率κ2与绝缘材料17的厚度D2之比κ2/D2满足κ2/D2≤35×104W/(m2K)，接合材料16的固相线温度大于或等于接合材料20的固相线温度，接合材料16的固相线温度与接合材料20的固相线温度之差为40℃以内。通过这样的结构，对接合材料16的再熔融进行抑制，另外，基于接合材料16的固相线温度与接合材料20的固相线温度之差对绝缘材料17所受到的损伤进行抑制。
绝缘材料17的导热率κ2例如小于或等于35W/(m·K)，绝缘材料17的厚度D2例如大于或等于100μm。
接合材料16的固相线温度例如大于或等于接合材料20的液相线温度。
绝缘材料17例如是绝缘树脂。该绝缘材料树脂例如是以环氧树脂为主要成分的绝缘材料树脂。绝缘材料17例如是陶瓷。该陶瓷例如是以Al2O3为主要成分的陶瓷。
导体图案19例如比导体图案18薄。导体图案19的厚度例如小于或等于0.8mm。
接合材料20的厚度例如小于或等于150μm。
<D.实施方式4>
图8是实施方式4的半导体装置154的剖视图。半导体装置154与实施方式1的半导体装置151相比，替代基座板11而具有基座板11d。除此之外，半导体装置154与实施方式1的半导体装置151相同。
在基座板11d的下表面设置有凹凸。在图8中示出了通过基座板11d在下表面具有柱鳍22，从而在基座板11d的下表面设置有凹凸的情况。基座板11d的下表面的凹凸也可以通过其它构造来设置。例如，也可以通过在基座板11d的下表面设置槽，从而设置基座板11d下表面的凹凸。
通过在基座板11d的下表面设置有凹凸，从而将冷媒直接接触基座板11d的下表面时的冷媒与基座板11d之间的热交换的效率提高。因此，能够高效地对半导体元件5进行冷却，能够实现半导体装置154的电流容量的提高及小型化。
本实施方式的半导体装置的制造方法替代基座板11而使用基座板11d，除此之外，与实施方式1的半导体装置的制造方法相同。
半导体装置154也可以是从实施方式2或3的半导体装置152或半导体装置153的结构用基座板11d替换基座板11的结构的半导体装置。
<E.实施方式5>
图9是实施方式5的半导体装置155的剖视图。本实施方式的半导体装置155与实施方式1的半导体装置151相比，区别在于替代半导体单元101而具有半导体单元105这一点。除此之外，本实施方式的半导体装置155与实施方式1的半导体装置151相同。
就半导体单元105而言，导体图案3在导体图案3的下表面的外周部的至少局部区域中，没有通过接合材料12与基座板11接合。另外，就半导体单元105而言，封装材料10至少局部地将导体图案3的下表面的外周部覆盖。除此之外，半导体单元105与实施方式1的半导体单元101相同。
导体图案3也可以在导体图案3的下表面的外周部的局部区域中通过接合材料12与基座板11接合。导体图案3的下表面中的没有通过接合材料12与基座板11接合的区域也可以包含导体图案3的下表面的外周部的周向的整体。
封装材料10也可以局部地将导体图案3的外周部覆盖。封装材料10也可以在周向的整体将导体图案3的外周部覆盖。
通过利用接合材料12将半导体单元105和基座板11接合，从而导体图案3在常温下从接合材料12受到与接合材料12的固相线温度和常温之差ΔT2成正比的力。由于绝缘材料1经由导体图案3从接合材料12承受到力等而在绝缘材料1产生的应力容易在与导体图案3的端部对应的部位处最大。因此，以与导体图案3的端部对应的部位为起点，绝缘材料1的破损及裂缝发展的可能性高。
在本实施方式中，在导体图案3的下表面的外周部的至少局部区域中，未进行由接合材料12实现的与基座板11的接合。因此，能够缓和在绝缘材料1中的与导体图案3的端部对应的部位产生的应力，对绝缘材料1的破损及裂缝进行抑制。
通过使封装材料10至少局部地将导体图案3的外周部覆盖，也能够缓和在绝缘材料1中的与导体图案3的端部对应的部位产生的应力，对绝缘材料1的破损及裂缝进行抑制。
通过在封装材料10和基座板11之间隔开间隙，从而能够抑制以下情况，即，由于温度变化，封装材料10和基座板11接触而彼此回弹，使由接合材料12实现的接合产生问题。
本实施方式的半导体装置的制造方法在步骤S4(参照图10)中以封装材料10至少局部地将导体图案3的下表面的外周部覆盖的方式进行封装，除此之外，与实施方式1的半导体装置的制造方法相同。
<F.实施方式6>
本实施方式是将上述实施方式1至5中的任意者涉及的半导体装置应用于电力变换装置。实施方式1至5中的任意者涉及的半导体装置的应用并不限于特定的电力变换装置，但下面，作为实施方式6，对将实施方式1至5中的任意者涉及的半导体装置应用于三相逆变器的情况进行说明。
图11是表示电力变换***的结构的框图，该电力变换***应用了本实施方式涉及的电力变换装置。
图11所示的电力变换***由电源100、电力变换装置200、负载300构成。电源100为直流电源，将直流电供给至电力变换装置200。电源100可以由各种电源构成，例如，能够由直流***、太阳能电池、蓄电池构成，也可以由与交流***连接的整流电路或AC/DC转换器构成。另外，也可以由将从直流***输出的直流电力变换为规定电力的DC/DC转换器构成电源100。
电力变换装置200是连接于电源100和负载300之间的三相逆变器，将从电源100供给来的直流电力变换为交流电力，将交流电力供给至负载300。如图11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；以及控制电路203，其将对主变换电路201进行控制的控制信号输出至主变换电路201。
负载300为由从电力变换装置200供给来的交流电力驱动的三相电动机。此外，负载300并不限于特定的用途，其为搭载于各种电气设备的电动机，例如，用作面向混合动力汽车、电动汽车、铁路车辆、电梯或空调设备的电动机。
以下，对电力变换装置200的详情进行说明。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，将从电源100供给来的直流电力变换为交流电力而供给至负载300。主变换电路201的具体的电路结构是多种多样的，但本实施方式涉及的主变换电路201为2电平的三相全桥电路，能够由6个开关元件和分别与开关元件反并联的6个续流二极管构成。主变换电路201的各开关元件及各续流二极管中的至少任一者是与上述实施方式1至5中的任一者涉及的半导体装置相当的半导体装置202所具有的开关元件或续流二极管。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个输出端子与负载300连接。
另外，主变换电路201具有对各开关元件进行驱动的驱动电路(未图示)，但驱动电路也可以内置于半导体装置202，还可以为具有与半导体装置202分体的驱动电路的结构。驱动电路生成对主变换电路201的开关元件进行驱动的驱动信号，供给至主变换电路201的开关元件的控制电极。具体而言，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至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，驱动信号为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，驱动信号为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对主变换电路201的开关元件进行控制以将所期望的电力供给至负载300。具体而言，基于应该供给至负载300的电力对主变换电路201的各开关元件应该成为接通状态的时间(接通时间)进行计算。例如，能够通过与应该输出的电压对应地对开关元件的接通时间进行调制的PWM控制而对主变换电路201进行控制。而且，将控制指令(控制信号)输出至主变换电路201所具有的驱动电路，以使得在各时间点将接通信号输出至应该成为接通状态的开关元件，将断开信号输出至应该成为断开状态的开关元件。驱动电路按照该控制信号，将接通信号或断开信号作为驱动信号而输出至各开关元件的控制电极。
在本实施方式涉及的电力变换装置中，由于将实施方式1至5中的任意者涉及的半导体装置用作主变换电路201所具有的半导体装置202，因此能够对半导体装置202的制造过程中的接合材料4的再熔融进行抑制，能够对电力变换装置的品质降低进行抑制。
在本实施方式中，对将实施方式1至5中的任意者涉及的半导体装置应用于2电平的三相逆变器的例子进行了说明，但实施方式1至5中的任意者涉及的半导体装置的应用并不限于此，能够应用于各种电力变换装置。在本实施方式中，设为2电平的电力变换装置，但也可以是3电平或多电平的电力变换装置，在将电力供给至单相负载的情况下也可以将实施方式1至5中的任意者涉及的半导体装置应用于单相逆变器。另外，在对直流负载等供给电力的情况下，也可以将实施方式1至5中的任意者涉及的半导体装置应用于DC/DC转换器或AC/DC转换器。
另外，应用了实施方式1至5中的任意者涉及的半导体装置的电力变换装置并不限于上述负载为电动机的情况，例如，也能够用作放电加工机、激光加工机、感应加热烹调器或非接触供电***的电源装置，并且也能够用作太阳能发电***或蓄电***等的功率调节器。
此外，可以将各实施方式自由地组合，对各实施方式适当进行变形、省略。
标号的说明
1绝缘材料，2、3、18、19导体图案，4、12、14、15、16、20接合材料，5、5a1、5a2、5b1、5b2半导体元件，6、7导线，8主端子，8a、8b、8c、8d、8e、8f主端子，9信号端子，10封装材料，11、11d、21基座板，13、81内部引线，17绝缘材料，22柱鳍，25、26绝缘基板，82外部引线，100电源，101、102、103、105半导体单元，151、152、153、154、155、202半导体装置，200电力变换装置，201主变换电路，203控制电路，300负载。
Claims (26)
1.一种半导体装置，其具有：
第1绝缘材料，其具有上表面及下表面；
第1导体图案，其设置于所述第1绝缘材料的所述上表面之上；
第2导体图案，其设置于所述第1绝缘材料的所述下表面之上；
半导体元件，其通过第1接合材料与所述第1导体图案的上表面接合；以及
第1基座板，其通过第2接合材料与所述第2导体图案的下表面接合，
所述第1绝缘材料的导热率κ1与所述第1绝缘材料的厚度D1之比κ1/D1满足κ1/D1≤35×104W/(m2K)，
所述第1接合材料的固相线温度大于或等于所述第2接合材料的固相线温度，
所述第1接合材料的固相线温度与所述第2接合材料的固相线温度之差为40℃以内。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述第1接合材料的固相线温度大于或等于所述第2接合材料的液相线温度。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，
所述第1绝缘材料的导热率κ1小于或等于35W/(m·K)，
所述第1绝缘材料的厚度D1大于或等于100μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置，其中，
所述第1接合材料为焊料，
所述第2接合材料为焊料。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其中，
所述第1绝缘材料包含陶瓷。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其中，
所述第1绝缘材料包含绝缘树脂。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体装置，其中，
所述第2导体图案比所述第1导体图案薄。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体装置，其中，
所述第2导体图案的厚度小于或等于0.8mm。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体装置，其中，
所述第2接合材料的厚度小于或等于150μm。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的半导体装置，其中，
在所述第1基座板的下表面设置有凹凸。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的半导体装置，其中，
所述第2导体图案在所述第2导体图案的下表面的外周部的至少局部区域中没有通过所述第2接合材料与所述第1基座板接合。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的半导体装置，其中，
还具有对所述半导体元件进行封装的封装材料。
13.根据权利要求12所述的半导体装置，其中，
所述封装材料的线膨胀系数小于或等于所述第2接合材料的线膨胀系数。
14.根据权利要求12或13所述的半导体装置，其中，
所述封装材料至少局部地将所述第2导体图案的下表面的外周部覆盖。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的半导体装置，其中，
还具有内部引线，
所述内部引线通过第3接合材料与所述半导体元件的上表面接合。
16.根据权利要求15所述的半导体装置，其中，
所述第3接合材料的固相线温度大于或等于所述第2接合材料的固相线温度，
所述第3接合材料的固相线温度与所述第2接合材料的固相线温度之差为40℃以内。
17.根据权利要求15或16所述的半导体装置，其中，
所述内部引线通过第4接合材料与所述第1导体图案接合，通过所述内部引线将所述半导体元件的上表面和所述第1导体图案连接。
18.根据权利要求17所述的半导体装置，其中，
所述第4接合材料的固相线温度大于或等于所述第2接合材料的固相线温度，
所述第4接合材料的固相线温度与所述第2接合材料的固相线温度之差为40℃以内。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的半导体装置，其中，
还具有第2绝缘材料、第3导体图案、第4导体图案及第2基座板，
所述第3导体图案设置于所述第2绝缘材料的下表面之上，
所述第4导体图案设置于所述第2绝缘材料的上表面之上，
所述第3导体图案通过第5接合材料与所述内部引线的上表面接合，
所述第2基座板通过第6接合材料与所述第4导体图案的上表面接合。
20.根据权利要求19所述的半导体装置，其中，
所述第2绝缘材料的导热率κ2与所述第2绝缘材料的厚度D2之比κ2/D2满足κ2/D2≤35×104W/(m2K)，
所述第5接合材料的固相线温度大于或等于所述第6接合材料的固相线温度，
所述第5接合材料的固相线温度与所述第6接合材料的固相线温度之差为40℃以内。
21.根据权利要求20所述的半导体装置，其中，
所述第5接合材料的固相线温度大于或等于所述第6接合材料的液相线温度。
22.根据权利要求20或21所述的半导体装置，其中，
所述第4导体图案比所述第3导体图案薄。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的半导体装置，其中，
所述第4导体图案的厚度小于或等于0.8mm。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的半导体装置，其中，
所述第6接合材料的厚度小于或等于150μm。
25.一种电力变换装置，其具有：
主变换电路，其具有权利要求1至24中任一项所述的半导体装置；以及
控制电路，
所述主变换电路将输入进来的电力变换而输出，
所述控制电路将控制所述主变换电路的控制信号输出至所述主变换电路。
26.一种半导体装置的制造方法，其对权利要求1至24中任一项所述的半导体装置进行制造，
在该半导体装置的制造方法中，
通过在使所述第1接合材料熔融后使所述第1接合材料凝固而进行所述第1导体图案和所述半导体元件的接合，之后，通过在使所述第2接合材料熔融后使所述第2接合材料凝固而进行所述第2导体图案和所述第1基座板的接合，
在进行所述第2导体图案和所述第1基座板的所述接合时，从与所述第1基座板相比更靠下侧处进行加热。
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