树脂密封型半导体装置以及树脂密封型半导体装置的制造方法

技术领域

本申请涉及树脂密封型半导体装置以及半导体装置的制造方法。

背景技术

在安装了功率用半导体元件的半导体装置中，正在推进大容量化。为了使大电流流过功率用半导体元件，需要使作为主端子的引线框大型化。但是，由于引线框的大型化，半导体元件、引线框和接合材料的线膨胀系数不匹配而产生的热变形力变大。因此，为了使热变形力降低，通常多采用利用模塑树脂进行密封的构造。

另外一方面，在半导体元件与引线框那样的导体构件之间进行焊接时，剩余的焊料有时从半导体元件与导体构件之间溢出。此时，如果剩余的焊料朝向半导体元件浸润扩散，则在半导体元件中有可能导致短路或绝缘不良等不良情况。因此，公开了设置引导溢出的焊料的槽来抑制焊料的浸润扩散的技术(例如，参照专利文献1)

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2020-188162号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在专利文献1中，焊料介于导体构件突出的面与半导体元件之间，在导体构件的突出部的侧面形成有用于抑制焊料被广泛覆盖的槽部，焊料层的厚度没有被限制。因此，在焊接时的按压工序中，接合层的厚度有可能产生偏差。

本申请公开了一种用于解决上述问题的技术，其目的在于提供一种能够限制接合材料的最小厚度、并且能够进行抑制以使得接合材料不向适当范围外漏出的树脂密封型半导体装置。

用于解决技术问题的技术手段

本申请所公开的树脂密封型半导体装置包括：半导体元件；经由第一接合材料与所述半导体元件的一个面相接合的散热器；接合到所述散热器的与所述半导体元件相接合的面的第一引线框；经由第二接合材料接合到所述半导体元件的另一个面的第二引线框；以及模塑树脂，该模塑树脂以使所述第一引线框的一部分以及所述第二引线框的一部分露出的方式将所述第一引线框、所述第二引线框和所述半导体元件、所述散热器一起密封，所述树脂密封型半导体装置中，所述第二引线框在与所述半导体元件相对的面上具有：限制所述第二接合材料的厚度的突起部；以及形成在所述第二接合材料的周边部的槽。

发明效果

根据本申请所公开的树脂密封型半导体装置，通过设置在第二引线框上的突起部，能够限制将半导体元件和第二引线框相接合的接合材料的厚度，能够通过设置在第二引线框上的槽来抑制接合材料的浸润扩散。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的树脂密封型半导体装置的结构的局部剖面示意图。

图2是表示实施方式1所涉及的树脂密封型半导体装置的结构的俯视示意图。

图3是表示实施方式1所涉及的树脂密封型半导体装置的制造工序的图。

图4是表示实施方式2所涉及的树脂密封型半导体装置的结构的局部剖面示意图。

图5是表示实施方式2所涉及的树脂密封型半导体装置的结构的俯视示意图。

图6是表示实施方式2所涉及的树脂密封型半导体装置的芯片上接合材料的接合角度与在半导体元件中产生的最大应力之间的关系的图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本申请公开的树脂密封型半导体装置的实施方式。另外，在各图中，同一标号表示相同或相当部分。

实施方式1.

以下，利用附图对实施方式1所涉及的树脂密封型半导体装置进行说明。

图1是表示实施方式1所涉及的树脂密封型半导体装置的结构的局部剖面示意图，图2是树脂密封型半导体装置的俯视示意图。图1相当于图2中A-A方向的剖面的一部分。

树脂密封型半导体装置(以下简称为半导体装置)具备作为开关元件的半导体元件1、作为整流元件的半导体元件2、散热器3、第一引线框12、13、第二引线框5、模塑树脂11。作为开关元件的半导体元件1通过芯片下接合材料(参照图3)与散热器3的一个面相接合。

作为整流元件的半导体元件2通过芯片下接合材料与散热器3的一个面相接合。第一引线框12、13通过引线接合材料(未图示)与散热器3的一个面的端部相接合。为了确保散热器3与第一引线框12、13之间的电导通，引线接合材料通过焊料接合材料的接合或超声波的金属接合等来形成，并将散热器3与第一引线框12、13一体接合。

第二引线框5具有用于维持接合时的高度的钓部14，通过芯片上接合材料4a与半导体元件1相接合，并且通过芯片上接合材料4a与半导体元件2相接合。另外，第二引线框5具有开口孔6和用于限制芯片上接合材料4a的最小厚度的突起部10。模塑树脂11构成为内部包含有半导体元件1、2、散热器3、芯片下接合材料、第一引线框12、13的一部分、第二引线框5的一部分、引线接合材料、形成在第二引线框5上的开口孔6、作为该开口孔6的下方区域的开口部下区域7以及芯片上接合材料4a，对它们从外部进行密封。第一引线框12、13和第二引线框5具有从模塑树脂11露出的部位，作为端子与外部相连接。

半导体元件1例如由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应管)那样的半导体开关元件构成。IGBT是向负载流过大电流来驱动负载的元件。半导体元件1、2例如优选由硅(Si)形成，但并不限定于硅。例如，构成半导体元件1、2的半导体芯片更优选由从碳化硅(SiC)、氮化镓类材料(例如氮化镓(GaN))、金刚石构成的组所选择的任一个材料来形成。这些材料是带隙比硅更宽的所谓宽带隙半导体材料。与使用MOSFET等硅半导体材料的半导体元件相比，使用这样的宽带隙半导体材料所形成的半导体元件1、2能够应用于高温下的动作。即，宽带隙半导体材料是适合于流过大电流的半导体材料。

另外，半导体元件1的有源面的电极被分割，从而即使流过大电流也能够使得有源面的温度分布均匀，并优选分割为2个以上。

作为半导体元件1、2的表面部的有源面的电极如上述那样与成为主端子的第二引线框5通过由焊料接合材料等构成的芯片上接合材料4a相接合。

在图2中可知，半导体元件1的有源面的电极被分割成两部分，以与各个电极对应的方式配置芯片上接合材料4a。另外，芯片上接合材料4a用虚线表示。两个电极间上的第二引线框5设置有开口孔6，以使得模塑树脂11能够容易地填充到开口部下区域7(参照图1)。

散热器3、第一引线框12、13、以及第二引线框5使用导电性良好的金属。从电阻抗、加工性、成本等观点来看，即使在导电性良好的金属中，铜材也是最优选的。此处，铜材是指纯铜或以铜为主要成分的铜合金。

包含第二引线框5的开口孔6及开口部下区域7而将整体密封的模塑树脂11优选使用具有接近于散热器3、第一引线框12、13以及第二引线框5的线膨胀系数的线膨胀系数的树脂，以使得因线膨胀系数的不匹配而产生的热变形力不会变大。纯铜的线膨胀系数从16[ppm/K]至17[ppm/K]，因此模塑树脂11的线膨胀系数也优选从15[ppm/K]至18[ppm/K]。

接着，使用图3，对实施方式1所涉及的半导体装置的制造方法进行说明。图3相当于图2中B-B方向的剖面图。

首先，在图3中(A)的贴片工序中，在散热器3的一个面上隔开间隔地配置作为开关元件的半导体元件1和作为整流元件的半导体元件2，经由芯片下接合材料4b相接合。作为开关元件的半导体元件1例如由硅形成，使用搭载有IGBT且有源面的电极为2个的半导体芯片。在图3中仅图示了一个电极1a。作为整流元件的半导体元件2例如由硅形成，使用搭载有二极管且有源面的电极为1个的半导体芯片。

芯片下接合材料4b优选从由焊料接合材料、以银为主要成分的烧结性填料、以银为主要成分的钎料、锡中分散了铜的材料、以金为主要成分的金锡、金锗等金类合金构成的组中选择的、任意的接合材料。这些接合材料是热传导性和导电性高的接合材料。

接着，在图3中(B)的回流工序中，使用引线接合材料(未图示)将成为输入输出端子的第一引线框12、13与散热器3相连接。第一引线框12、13与散热器3的搭载有半导体元件1、2的面的端部相接合。另外，使用芯片上接合材料4a将成为主端子的第二引线框5与半导体元件1的两个电极1a相接合，并且使用芯片上接合材料4a将成为主端子的第二引线框5与半导体元件2的电极2a相接合。在图3(B)中仅示出了半导体元件1的两个电极中的一个电极1a，但如图2所示，第二引线框5也与另一个电极相连接。

散热器3与第一引线框12、13连接使用由焊料接合材料构成的引线接合材料(未图示)，但并不限于此，也可以使用超声波接合、熔接等接合方法。

在半导体元件1、2与第二引线框5的接合中，优选使用由厚度恒定的带状焊料构成的芯片上接合材料4a。芯片上接合材料4a的刚性低时会产生裂纹，因此芯片上接合材料4a的厚度优选为0.2～0.5mm左右。但是，由于是厚的带状焊料，有时会因制造偏差而使体积变化1成以上。另外，第二引线框5为了保持与半导体元件1、2间距离、即高度而由钓部14固定，但是在钓部14与钓部14之间产生翘曲而成为钓部14间的距离变小的谷状，导致第二引线框5与半导体元件1、2之间的距离产生偏差。因此，为了限制芯片上接合材料4a熔融后的最小厚度，在第二引线框5上需要突起部10。

另一方面，设在第二引线框5上的突起部10由于通过冲压加工而成形，因此在高度上具有约1成的偏差。例如，如果在焊料的体积变大的方向上产生偏差、并在突起部10的高度变小的方向上产生偏差，则在接合时作为芯片上接合材料4a的焊料有可能向第二引线框5的面方向外侧即适当范围外流出。进而，在芯片上接合材料4a向半导体元件1的两个电极间流动的情况下，产生下述等问题，即：导致电极间导通、或者填埋设在电极间的第二引线框5的开口孔6、在下一工序中树脂不能进入电极间。

在本实施方式1所涉及的第二引线框5中，在第二引线框5的与半导体元件1相对的面上设置突起部10，从突起部10至少在半导体元件1的两个电极间的一侧、比开口孔6更靠突起部10侧设置槽8。第2引线框5以槽8位于配置在半导体元件1、2上的芯片上接合材料4a即带状焊料的外周侧的方式载置于芯片上接合材料4a上。当芯片上接合材料4a熔融时，第二引线框和半导体元件1之间的剩余的芯片上接合材料4a沿着第二引线框5的面被引导至槽8，并且能够使作为芯片上接合材料4a的焊料的浸润速度降低并吸收溢出。即，槽8是用于防止焊料流动的槽。

进而，如图1所示，通过在槽8与开口孔6之间、例如在开口孔的入口设置向半导体元件1侧突出的阻挡壁9，从而即使在焊料越过槽8的情况下，阻挡壁9也能够防止焊料的浸润扩散，因此能够防止焊料流入开口孔6。

另外，在本实施方式中例示的第二引线框5上形成的开口孔6的形状为圆孔，但只要是贯穿半导体元件1的电极间上的第二引线框5的孔，则与形状无关。

另外，形成在第二引线框5上的槽8的形状是截面为三角形的槽，并为直线形状，但只要能够使焊料的浸润速度降低并吸收溢出，则不限于此，与槽的形状、位置、长度无关。

另外，虽然示出了在第二引线框5上形成的阻挡壁9设置在开口孔6的入口的例子，但只要能够防止焊料的流入，则与阻挡壁的形状、位置、长度无关。

接着，在图3中(C)的传递成形工序中，利用由热固性树脂构成的模塑树脂11对半导体元件1、2、散热器3、第一引线框12、13的一部分、包含开口孔6的第二引线框5的一部分、开口部下区域7以及芯片上接合材料4a进行密封。

模塑树脂11中不需要高热传导性，因此，对于环氧树脂等热固性树脂中所含有的无机填充材料，在含于热固性树脂时流动性较好，线膨胀系数的调整较为容易的氧化硅(二氧化硅)中，熔融二氧化硅最佳。由于树脂密封型半导体装置大量使用铜材，因此通过使模塑树脂11的线膨胀系数与铜的线膨胀系数一致，也就是说使模塑树脂11的线膨胀系数与铜的线膨胀系数相同或近似，从而能够实现树脂密封型半导体装置的内部的应力降低。因此，可以调整无机填充材料的量，使得模塑树脂11的线膨胀系数从15[ppm/K]变为18[ppm/K]。通过调整以匹配线膨胀系数，从而具有对温度循环的可靠性提高的效果。

如上所述，根据实施方式1，由于在通过芯片上接合材料4a与具有两个电极的半导体元件1相连接的主端子即第二引线框5的与半导体元件1相对的一侧，设置有突起部10，在两个电极之间设置有开口孔6以及在突起部10与开口孔6之间设置有槽8，因此能够通过突起部10限制熔融时的芯片上接合材料4a的厚度，即使剩余的芯片上接合材料4a流向开口孔6侧，也能够通过槽8使浸润速度降低并吸收。而且，通过在第二引线框5的开口孔6与槽8之间设置阻挡壁9，阻挡壁9防止跨越槽8的芯片上接合材料4a浸润扩散，因此能够防止向开口孔6的流入。

由此，由于具有限制芯片上接合材料4a的厚度、并且能够进行抑制以使得芯片上接合材料4a不向适当范围外漏出的结构，因此能够通过模塑树脂11将包含开口孔6和开口部下区域7在内完全填充。由此，能够防止在半导体元件1和芯片上接合材料4a上产生的应力增加，抑制在芯片上接合材料4a和半导体元件1上产生的裂纹，提供高品质且廉价的小型树脂密封型半导体装置。

实施方式2.

以下，利用附图对实施方式2所涉及的半导体装置进行说明。

图4是表示实施方式2所涉及的半导体装置的结构的局部剖面示意图，图5是半导体装置的俯视示意图。图4相当于图5中A-A方向的剖面的一部分。在实施方式1中，在第二引线框5的与半导体元件1相对的一侧，设置有突起部10、在两个电极间设置有开口孔6、及在突起部10与开口孔6之间设置有槽8，但在本实施方式2中与之不同的点在于，在第二引线框5的与半导体元件1及半导体元件2相对的一侧的芯片上接合材料4a的整个周边设置有槽8。实施方式2所涉及的槽8在制造工序中形成在配置有芯片上接合材料4a的部分的外周。除此之外的结构与实施方式1相同，省略说明。

在本实施方式2中，即使由于芯片上接合材料4a的体积和突起部10的高度发生偏差且在熔融时有剩余的焊料流动，但由于以与半导体元件1相对应的方式在内周的整周设置用于防止焊料流动的槽8，因此能够抑制焊料的流动。

进而，通过在配置有芯片上接合材料4a的部位的外周的整周设置槽8，从而能够控制芯片上接合材料4a与半导体元件1、2的接合角度，能够抑制在半导体元件1、2中产生的应力。以下，使用图6说明在半导体元件中产生的应力。

图6是表示本实施方式所涉及的半导体装置的芯片上接合材料的接合角度与在半导体元件中产生的最大应力之间的关系的图。在图6中，在半导体装置重复进行从-45℃到150℃的温度循环的情况下，求出在半导体元件中产生的最大应力值。这里，如图6所示，接合角度是芯片上接合材料4a的端部与半导体元件1、2所形成的角度θ。

半导体元件1、2的线膨胀系数为3[ppm/K]到5[ppm/K]，芯片下接合材料4b的线膨胀系数为18[ppm/K]到20[ppm/K]，芯片上接合材料4a的线膨胀系数为21[ppm/K]到23[ppm/K]，散热器3和第二引线框5的线膨胀系数为16[ppm/K]到17[ppm/K]，模塑树脂11的线膨胀系数为15[ppm/K]到18[ppm/K]，半导体元件1、2的线膨胀系数最小，芯片上接合材料4a的线膨胀系数最大。

半导体元件1、2由半导体材料构成，在半导体装置中强度最低，因此需要使在半导体元件1、2中产生的应力降低。在树脂密封型半导体装置从高温向低温发生温度变化的情况下，芯片上接合材料4a产生比半导体元件1、2要大的缩小的力，在半导体元件1、2中产生最大应力。在芯片上接合材料4a的接合角度θ为锐角的情况下，由于芯片上接合材料4a和第二引线框5的接合面积较小，因此，芯片上接合材料4a中仅在收缩方向上变形的力的比例占大多数。

在芯片上接合材料4a的接合角度θ为90°到135°的情况下，由于芯片上接合材料4a与第二引线框5之间的接合面积增加，因此，在芯片上接合材料4a中，在扩大方向上变形的力的比例增加。其结果，能够降低在半导体元件1、2中产生的最大应力。但是，在芯片上接合材料4a的接合角度为135°以上的情况下，在扩大方向上变形的力的比率变得过大，导致半导体元件1、2中产生的最大应力增加。另外，在半导体装置从低温向高温发生温度变化的情况下，仅力的方向相反，芯片上接合材料4a的接合角度θ与在半导体元件1、2中产生的最大应力的相关关系不变。

由此可知，芯片上接合材料4a的接合角度θ如果成为90°至135°，则能够抑制在半导体元件1、2中产生的应力。

接着，返回至图4及图5的本实施方式2的半导体元件的结构。例如，在半导体元件1、2与第二引线框5的接合中，作为芯片上接合材料4a使用由厚度恒定的带状焊料构成的芯片上接合材料4a，在芯片上接合材料4a的体积与突起部10的高度没有偏差的情况下，芯片上接合材料4a的接合角度θ接近90°。但是，由于芯片上接合材料4a的体积和突起部10的高度存在偏差，因此芯片上接合材料4a的接合角度θ发生变化。此时，在使得芯片上接合材料4a的接合角度θ成为适当范围的90°至135°的整周的接点上预先设置用于防止焊料流动的槽8。由于芯片上接合材料4a的体积与突起部10的高度的偏差引起的剩余的焊料沿着第二引线框的面被引导到槽8，因此，可以将芯片上接合材料4a的接合角度θ控制在适当范围的90°至135°。即，如图4所示，设置在芯片上接合材料4a与半导体元件1相接的位置的外周侧的槽8的位置成为芯片上接合材料4a与第二引线框5的接合位置，因此能将芯片上接合材料4a的接合角度θ设为适当范围。

另外，即使在本实施方式2中，通过在第二引线框5的开口孔6与槽8之间设置阻挡壁9，从而阻挡壁9防止跨越槽8的芯片上接合材料4a浸润扩散，因此也可以说能够防止向开口孔6的流入。

如上所述，根据本实施方式2所涉及的半导体装置，起到与实施方式1相同的效果。而且，由于在芯片上接合材料4a与半导体元件1相接的位置的外周侧且在芯片上接合材料4a的整周设置有槽8，因此，能够将芯片上接合材料4a的接合角度θ控制在适当范围的90°至135°。由此，能够降低在半导体元件1、2中产生的应力，能够进一步抑制裂纹的产生，能够提供更高品质且廉价的小型树脂密封型半导体装置。

其他实施方式.

(1)在实施方式1、2中，示出了第二引线框5的突起部10在与半导体元件1相对的一侧设置1个的例子，但并不限于此。也可以与半导体元件1的两个电极分别对应地设置。进而，也可以与半导体元件2相对地设置。

(2)在实施方式1、2中，示出了第二引线框5的开口孔6以对应于半导体元件1的两个电极之间的方式设置的例子，但并不限于此。在第二引线框5的面积较大的情况下，也可以以不会产生未被树脂密封的部分的方式设置在例如多个半导体元件1、2之间。另外，在半导体元件1具有3个以上的电极的情况下，可以在相邻的电极之间设置开口孔6。

虽然本申请记载了各种示例性的实施方式和实施例，但是在一个或多个实施方式中记载的各种特征、方式和功能不限于特定实施方式的应用，可以单独地或以各种组合来应用于实施方式。

因此，可以认为未例示的无数变形例也包含在本申请说明书所公开的技术范围内。例如，设为包括对至少一个构成要素进行变形、添加或省略的情况，以及提取至少一个构成要素并与其他实施方式的构成要素进行组合的情况。

标号说明

1 半导体元件

1a 电极

2 半导体元件

2a 电极

3 散热器

4a 芯片上接合材料

4b 芯片下接合材料

5 第二引线框

6 开口孔

7 开口部下区域

8 槽

9 阻挡壁

10 突起部

11 模塑树脂

12、13 第一引线框

14 钓部。