專利名稱：半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用化合物半導(dǎo)體層形成的MISFET，特別涉及高耐壓、適用于大電流的MISFET。
背景技術(shù)：
一直以來，在將包括功率元件的多個(gè)半導(dǎo)體芯片組裝而成的功率模塊中，使因功率元件的電力損失而產(chǎn)生的半導(dǎo)體元件的發(fā)熱的發(fā)散是重要的課題(例如，參照文獻(xiàn)1(功率電子學(xué)手冊(cè)(R&D計(jì)劃編制)，主編今井孝二(602頁))。所以，在以往的半導(dǎo)體裝置中，為了將功率元件冷卻而保持在安全動(dòng)作溫度以下，使功率元件與封盒基材接觸，按照使在功率元件中產(chǎn)生的熱因熱傳導(dǎo)而經(jīng)過封盒基材被放出的方式來設(shè)計(jì)。所以，在使用多個(gè)半導(dǎo)體芯片構(gòu)成功率模塊的情況下，如上所述，需要使各半導(dǎo)體設(shè)備與封盒基材接觸。
圖11是表示將3個(gè)Si功率設(shè)備組裝而成的以往的半導(dǎo)體功率模塊的構(gòu)造的剖面圖。如同圖所示，以往的半導(dǎo)體功率模塊具備在背面附設(shè)了用于熱量釋放的散熱片101a的基材101、被利用焊錫固定于基材101的上面的3個(gè)作為Si功率設(shè)備的Si芯片102、103、104、將各Si芯片102、103、104之間電連接的接合線105。利用該構(gòu)造，由于可以將各Si芯片102、103、104中產(chǎn)生的熱利用熱傳導(dǎo)有效地向基材101發(fā)散，因此就可以將作為功率設(shè)備的Si芯片102、103、104的溫度抑制在作為其溫度保證范圍的150℃以下。
但是，在所述以往的半導(dǎo)體功率模塊中，為了將構(gòu)成半導(dǎo)體功率模塊的多個(gè)Si芯片102、103、104分別搭載在基材101上，需要至少具有將Si芯片102、103、104的各面積進(jìn)行加和運(yùn)算了的面積以上的面積的基材101。其結(jié)果是，處理比較大的電流的半導(dǎo)體功率模塊的封盒的面積就不得不成為很大的值。
特別是，在以往的作為功率設(shè)備的Si芯片為MOSFET、IGBT、二極管等的情況下，考慮Si的熱傳導(dǎo)率為1.5W/cmK左右，為了使在動(dòng)作時(shí)因流過Si芯片的電流產(chǎn)生的熱有效地散逸，Si芯片中電流密度最高的部分的溫度需要被按照不超過150℃的方式設(shè)計(jì)。Si芯片中的半導(dǎo)體功率元件當(dāng)達(dá)到超過150℃的溫度時(shí)就會(huì)發(fā)生熱失控而成為短路狀態(tài)，無法作為電流控制元件發(fā)揮作用。例如，當(dāng)動(dòng)作時(shí)的半導(dǎo)體功率元件的內(nèi)部的電流密度在10A/cm2以上時(shí)，就需要進(jìn)行使半導(dǎo)體功率元件內(nèi)部產(chǎn)生的熱散逸的工作。特別是，當(dāng)在半導(dǎo)體功率元件內(nèi)部的電流密度在50A/cm2以上時(shí)，由于半導(dǎo)體功率元件的內(nèi)部產(chǎn)生的熱變得明顯，因此在為釋放熱的設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行相當(dāng)多的工作。
如上所述，在半導(dǎo)體功率模塊的設(shè)計(jì)中，由于熱的釋放變得十分重要，因此作為功率設(shè)備的Si芯片被按照與成為熱釋放通路的基材可靠地接觸的方式設(shè)計(jì)，以被稱為芯片焊接(die bond)的方法利用焊錫等與基材直接連接。其結(jié)果是，半導(dǎo)體裝置的面積不得不變大。
另外，由于為了在具有較寬面積的基材上并列配置的多個(gè)半導(dǎo)體元件之間進(jìn)行電連接，就需要較長(zhǎng)的接合線，因此也會(huì)有較長(zhǎng)的電線的電阻將因半導(dǎo)體裝置的電阻造成的電力損失進(jìn)一步增大的問題。
另外，在基材為引線(lead)或墊板(die pad)的情況下，其端部雖然為被利用焊錫等連接在印刷配線基板等母基板上的外部連接端子，但是向基材放出大量的熱的結(jié)果是，當(dāng)外部連接端子的溫度變得過高時(shí)，焊錫等接合金屬就會(huì)熔化，或使連接變?nèi)醯?，有可能損害與母基板的連接的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種可以有效地使大電流流過的功率半導(dǎo)體裝置，是使用了與母基板的接合的可靠性高的寬能帶隙半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的第1半導(dǎo)體裝置具備包括使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體芯片、被與半導(dǎo)體芯片的表面的一部分連接而頭端部成為外部連接端子的導(dǎo)電性的基材、與半導(dǎo)體芯片的表面的一部分接觸的熱傳導(dǎo)構(gòu)件、將它們密封的密封材。
這樣，來自作為較大的熱的發(fā)生源的半導(dǎo)體芯片的熱的大部分就經(jīng)過熱傳導(dǎo)構(gòu)件而被向半導(dǎo)體裝置的外部放出，向外部連接端子傳導(dǎo)的熱量變小。所以，就不會(huì)有因母基板和外部連接端子的連接部的溫度上升造成連接的可靠性惡化的情況，可以在將功率半導(dǎo)體元件的溫度保持在有效的適度的高溫的同時(shí)，維持較高的可靠性。
功率半導(dǎo)體元件在具有50A/cm2以上的電流密度的電流流過的區(qū)域的情況下，使用本發(fā)明的構(gòu)造的意義就很大。
通過還具備與熱傳導(dǎo)構(gòu)件接觸并從密封材中向外突出地設(shè)置的散熱片，就可以進(jìn)一步提高放熱性。
也可以還具備覆蓋密封材的覆蓋膜，在該情況下，最好還具備夾隔覆蓋膜而與熱傳導(dǎo)構(gòu)件相面對(duì)的散熱片。
在基材和半導(dǎo)體芯片之間，通過夾隔由導(dǎo)電性材料制成的第1中間構(gòu)件、由與第1中間構(gòu)件相比熱傳導(dǎo)率更小的材料構(gòu)成的第2中間構(gòu)件，就能夠?qū)ο蚧牡臒岬膫鲗?dǎo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。
通過使半導(dǎo)體芯片和基材的接觸面積小于半導(dǎo)體芯片的面積的1/2，就可以有效地抑制熱向基材的傳導(dǎo)。
功率半導(dǎo)體元件為縱型元件，通過還具備被層疊在半導(dǎo)體芯片上并且一部分與基材連接的另外的半導(dǎo)體芯片，就能夠構(gòu)成半導(dǎo)體模塊。
在基材的外部連接端子被按照搭載于要求比較低的溫度下的連接的印刷配線基板上的方式構(gòu)成的情況下，也可以利用本發(fā)明維持連接的可靠性。
通過使寬能帶隙半導(dǎo)體為SiC，就可以獲得作為特別大輸出的功率設(shè)備發(fā)揮作用的半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的第2半導(dǎo)體裝置具備包括使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體芯片、被與半導(dǎo)體芯片的表面的一部分連接的導(dǎo)電性的基材、與半導(dǎo)體芯片的表面的一部分接觸的熱傳導(dǎo)構(gòu)件、與熱傳導(dǎo)構(gòu)件接觸并將半導(dǎo)體芯片、基材及熱傳導(dǎo)構(gòu)件密封的容器、被與基材電連接并從容器中突出的外部連接端子。
這樣，來自作為很大的熱的發(fā)生源的半導(dǎo)體芯片的熱的大部分就會(huì)經(jīng)過熱傳導(dǎo)構(gòu)件及容器而被向半導(dǎo)體裝置的外部放出，向外部連接端子傳遞的熱量變小。所以，就不會(huì)有因母基板和外部連接端子的連接部的溫度上升造成連接的可靠性惡化的情況，可以在將功率半導(dǎo)體元件的溫度保持在有效的適度的高溫的同時(shí)，維持較高的可靠性。
在容器內(nèi)，通過將半導(dǎo)體芯片、基材及熱傳導(dǎo)構(gòu)件的周圍利用玻璃、樹脂、惰性氣體或被減壓了的氣體充滿，就可以更高地維持容器內(nèi)的環(huán)境，發(fā)揮高的可靠性。
最好還具備夾隔容器的一部分而與所述熱傳導(dǎo)構(gòu)件相面對(duì)地設(shè)置的散熱片。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的半導(dǎo)體裝置(功率模塊)的構(gòu)成的剖面圖。
圖2A、圖2B分別依次是實(shí)施方式1的第1具體例的半導(dǎo)體裝置的剖面圖及電路圖。
圖3A、圖3B分別依次是實(shí)施方式1的第2具體例的半導(dǎo)體裝置的剖面圖及電路圖。
圖4、圖4B分別依次是實(shí)施方式1的第3具體例的半導(dǎo)體裝置的剖面圖及電路圖。
圖5A、圖5B是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的半導(dǎo)體裝置的2個(gè)構(gòu)成例的剖面圖。
圖6是實(shí)施方式2的第1具體例的半導(dǎo)體裝置的剖面圖。
圖7A～圖7C是表示實(shí)施方式2的第1具體例的半導(dǎo)體裝置的制造工序的剖面圖。
圖8是表示功率晶體管TR1的向印刷配線基板上的安裝狀態(tài)的一個(gè)例子的剖面圖。
圖9是實(shí)施方式2的第2具體例的半導(dǎo)體裝置的剖面圖。
圖10是實(shí)施方式2的第3具體例的半導(dǎo)體裝置的剖面圖。
圖11是以往的半導(dǎo)體裝置的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
-實(shí)施方式1-圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的半導(dǎo)體裝置(功率模塊)的構(gòu)成的剖面圖。
本發(fā)明的實(shí)施方式1的半導(dǎo)體裝置(半導(dǎo)體功率模塊)如圖1所示，具備由Cu等金屬材料制成的基材11、被層疊在基材11上的大小或功能不同的第1～第3半導(dǎo)體芯片12、13、15(例如晶體管、二極管、IGBT等)。該半導(dǎo)體功率模塊的特征是，半導(dǎo)體芯片12、13、15的至少1個(gè)半導(dǎo)體芯片的電極與其他的半導(dǎo)體芯片的電極或活性區(qū)域連接，各半導(dǎo)體芯片12、13、15被層疊，以及具備多個(gè)半導(dǎo)體芯片12、13、15當(dāng)中的至少1個(gè)半導(dǎo)體芯片使用寬能帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體功率元件。
根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體功率模塊，與以往的具備了Si功率設(shè)備的半導(dǎo)體功率模塊不同，通過具備包括至少1個(gè)使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的半導(dǎo)體功率元件的多個(gè)半導(dǎo)體芯片，并具有將半導(dǎo)體芯片之間層疊的構(gòu)造，就可以實(shí)現(xiàn)利用以往的半導(dǎo)體功率模塊無法獲得的小型化、小面積化。
這里，本說明書中所說的「寬能帶隙半導(dǎo)體」是指，作為傳導(dǎo)帶的下端和價(jià)電子帶的上端的能量差的能帶隙在2.0eV以上的半導(dǎo)體。作為此種寬能帶隙半導(dǎo)體，可以舉出碳化硅(SiC)、GAN、AlN等III族氮化物、金剛石等。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體功率模塊中，作為半導(dǎo)體芯片可以不特別限定地使用周知的芯片，例如可以舉出肖特基二極管、pn二極管、MISFET、MESFET、J-FET、晶閘管(thyristor)等。另外，多個(gè)半導(dǎo)體芯片的1個(gè)也可以是電容元件、電感元件、電阻元件等無源元件。
在半導(dǎo)體芯片之間的連接方法中，有利用了金屬之間的相互擴(kuò)散的直接接合、利用焊錫的接合、利用焊盤(bump)的接合、利用了導(dǎo)電性粘結(jié)劑的連接等，使用任意一種都可以。
另外，作為封盒可以不特別限定地使用周知的材料，例如可以舉出樹脂密封封盒、陶瓷封盒、金屬封盒、玻璃封盒等。在任意一種情況下，作為基材，一般來說使用由熱傳導(dǎo)性比較高的金屬(例如Cu)制成的材料。
一般來說，寬能帶隙半導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)率與Si相比顯示出數(shù)倍以上的值，在碳化硅(SiC)中為4.9W/cmK，在金剛石中為20W/cmK。由于具有此種較高的熱傳導(dǎo)率，因此在包括使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的半導(dǎo)體功率元件的半導(dǎo)體功率模塊中，由于在半導(dǎo)體功率元件中產(chǎn)生的熱的放出效率比較高，因此就可以將半導(dǎo)體功率元件內(nèi)的高電流密度部分的溫度的上升也抑制得比較低。即，如圖1所示，通過將半導(dǎo)體芯片12、13、15之間層疊，即使在小面積的半導(dǎo)體功率模塊中高密度地配置了半導(dǎo)體芯片12、13、15的情況下，由于在半導(dǎo)體功率元件中產(chǎn)生熱被有效地向基材11放出，因此就可以將半導(dǎo)體功率元件的高電流密度部分(例如功率晶體管的源區(qū)域)的溫度保持在比較低的溫度。
另外，當(dāng)在耐壓為相同程度的1kV的MISFET之間進(jìn)行比較時(shí)，使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的半導(dǎo)體功率元件與Si功率元件相比，顯示出小1個(gè)數(shù)量級(jí)以上的電力損失。在Si的IGBT和寬能帶隙半導(dǎo)體的MISFET中進(jìn)行比較時(shí)，使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的半導(dǎo)體功率元件與Si功率元件相比，也顯示出一半以下的電力損失。利用使用了此種寬能帶隙半導(dǎo)體的半導(dǎo)體功率元件的低損失性，在本發(fā)明的半導(dǎo)體功率模塊中，由于在半導(dǎo)體功率元件內(nèi)產(chǎn)生的熱自身也較小，因此與以往的使用了Si功率元件的半導(dǎo)體功率模塊相比，在以抑制內(nèi)部的溫度上升為目的時(shí)，就更為有利。
另外，使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的MISFET由于可以實(shí)現(xiàn)超過了使用了Si的IGBT程度的高耐壓、低損失性，因此就可以將MISFET的高速動(dòng)作性有效地用于對(duì)高電壓·大電流的信號(hào)的控制中。即，可以減少在半導(dǎo)體功率元件的動(dòng)作速度慢的情況下產(chǎn)生的開關(guān)損失。
特別是，在半導(dǎo)體功率模塊中，在多個(gè)半導(dǎo)體芯片當(dāng)中的至少1個(gè)半導(dǎo)體芯片中，流過50A/cm2以上的電流密度的電流的情況下，可以明顯地體現(xiàn)本發(fā)明的效果。其理由是，當(dāng)在半導(dǎo)體芯片中有產(chǎn)生50A/cm2以上的電流密度那樣的動(dòng)作時(shí)，在Si功率元件(例如MISFET)中，由于與電力損失對(duì)應(yīng)的發(fā)熱量變大，因此在為了確保Si功率元件的正常的動(dòng)作而必需的溫度150℃以下的限制內(nèi)，難以繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)作。與之相反，本發(fā)明的半導(dǎo)體功率模塊中，由于即使對(duì)于50A/cm2以上的電流密度也可以抑制發(fā)熱量，因此就可以良好地進(jìn)行動(dòng)作。
另外，使用了寬能帶隙半導(dǎo)體(例如SiC)的半導(dǎo)體功率元件即使因發(fā)熱而使半導(dǎo)體功率元件的溫度上升至200℃以上(進(jìn)一步到400℃以上)，半導(dǎo)體功率模塊也可以良好地動(dòng)作。當(dāng)然，隨著溫度的上升，由于顯示出半導(dǎo)體功率元件的電阻減少的性質(zhì)，因此在電流密度50A/cm2以上動(dòng)作而被保持為高溫時(shí)的一方與被保持為低溫的情況相比，電阻降低，可以實(shí)現(xiàn)更為高效的動(dòng)作。
即，本發(fā)明的半導(dǎo)體功率模塊通過將包括至少1個(gè)的使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的半導(dǎo)體功率元件的多個(gè)半導(dǎo)體芯片層疊，與如圖11所示的未將半導(dǎo)體芯片之間層疊的以往構(gòu)造的例子相比，因內(nèi)部溫度變得更高，就會(huì)顯示出動(dòng)作效率變高的效果。
另外，如圖1所示，最好至少和與半導(dǎo)體裝置的基材11接觸的第1半導(dǎo)體芯片12相比，層疊在第1半導(dǎo)體芯片12之上的第2半導(dǎo)體芯片13的一方更大。其理由是，當(dāng)作為向基材11的熱放出的路徑的第1半導(dǎo)體芯片12的一方較小時(shí)，由于從第2半導(dǎo)體芯片13向基材13的熱的放出量變小，因此第2半導(dǎo)體芯片13在高溫下動(dòng)作，可以獲得由如上所述的低損失動(dòng)作帶來的動(dòng)作效率的提高效果。
另外，最好將多個(gè)半導(dǎo)體芯片12、13、15層疊3層以上。這是因?yàn)?，如上所述，在層疊為3層以上的最上層的半導(dǎo)體芯片中產(chǎn)生的熱由于更難放熱，因此就可以明顯地獲得利用如上所述的半導(dǎo)體芯片溫度的上升帶來的動(dòng)作效率的提高效果。
另外，使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的半導(dǎo)體芯片優(yōu)選主電流在基板的上面和下面之間流動(dòng)的縱型元件(例如縱型MISFET、縱型二極管(肖特基二極管、pn二極管、pin二極管)、縱型IGBT等)。這是因?yàn)?，縱型元件由于電流在基板的上面和下面之間流動(dòng)，因此特別適于疊層構(gòu)造。
另外，在半導(dǎo)體功率模塊中，寬能帶隙半導(dǎo)體優(yōu)選碳化硅(SiC)。如上所述，作為提供即使在高溫下也可以實(shí)現(xiàn)作為功率元件的動(dòng)作的半導(dǎo)體芯片的半導(dǎo)體材料，雖然碳化硅(SiC)、GaN、AlN等III族的氮化物半導(dǎo)體、金剛石等適用，但是確認(rèn)，特別是SiC(其中尤其是4H-SiC基板)在低損失性·穩(wěn)定性·可靠性等方面優(yōu)良。這是起因于被供給低缺陷密度的晶片，與難以發(fā)生由晶體中的缺陷引起的絕緣破壞等問題對(duì)應(yīng)。
第1具體例圖2A、圖2B分別依次是實(shí)施方式1的第1具體例的半導(dǎo)體裝置的剖面圖及電路圖。
如圖2B所示，在本具體例的半導(dǎo)體裝置(半導(dǎo)體功率模塊)中，作為將輸入直流信號(hào)(input DC)升壓而將輸出直流信號(hào)(output DC)輸出的升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器發(fā)揮作用。在半導(dǎo)體功率模塊中，配置有電感元件IND1、作為縱型MISFET的功率晶體管TR1、肖特基二極管D1、電容元件CA1。
如圖2A所示，肖特基二極管D1具備占據(jù)由寬能帶隙半導(dǎo)體制成的SiC基板的大部分的N型漂移(drift)層21(活性區(qū)域)、與N型漂移層21進(jìn)行肖特基接觸的由Ni制成的肖特基電極22。此外，N型漂移層21被與由Cu等金屬制成的基材23連接，基材23被與用于將輸出電壓Vout輸出的輸出端子連接。
另一方面，功率晶體管TR1具備占據(jù)由寬能帶隙半導(dǎo)體制成的SiC基板的大部分的N型漂移層31(活性區(qū)域)、在N型漂移層31內(nèi)摻雜P型雜質(zhì)而形成的P型基底層32、在P型基底層32內(nèi)摻雜高濃度的N型雜質(zhì)而形成的N+型源層33、跨越夾持SiC基板的表面部的P型基底層32、N型漂移層31、P型基底層32的N+型源層33而形成的由硅氧化膜制成的柵極絕緣膜35、被設(shè)于柵極絕緣膜35之上的由Al等金屬或多晶硅制成的柵極電極36、跨越夾持SiC基板的表面部的P型基底層32的N+型源層33而形成的源電極37、設(shè)于SiC基板的上方的由硅氧化膜制成的層間絕緣膜38、貫穿層間絕緣膜38而與柵極電極36連接的由Al等金屬制成的柵極配線·插頭40、柵極配線·插頭40的引出電極42、貫穿層間絕緣膜38而與各源電極37連接的由Al等金屬制成的源配線·插頭41。源配線·插頭41當(dāng)中的位于層間絕緣膜38的上面上的部分被設(shè)為平板狀，該部分與由Cu等金屬制成的基材43連接，基材43被接地。另外，在N型漂移層31的下面設(shè)有由Ni、硅化鎳合金等金屬制成的背面電極39，背面電極39被與肖特基二極管D1的肖特基電極22連接。
另外，引出電極42被與配線52連接，配線52與柵電壓控制驅(qū)動(dòng)器相連。背面電極39被與配線51連接，配線51借助作為芯片感應(yīng)器的電感元件IND1，與用于接受輸入電壓Vin的輸入端子連接。另外，在基材23和基材43之間，夾隔有作為芯片電容器的電容元件CA1。
下面，對(duì)本具體例的半導(dǎo)體功率模塊的制造工序進(jìn)行說明。
首先，在基材23的上面上，利用例如焊錫等粘結(jié)作為比較小的半導(dǎo)體功率元件的肖特基二極管D1的N型漂移層21。此時(shí)的條件為使用AuSn焊錫或SnAgCu焊錫在300℃下進(jìn)行粘結(jié)。
然后，在肖特基二極管D1的肖特基電極22的上面上，粘結(jié)了作為比較大的半導(dǎo)體芯片的功率晶體管TR1。肖特基二極管D1和功率晶體管TR1的粘結(jié)雖然也可以利用焊錫進(jìn)行，但是在本具體例中，將肖特基二極管D1的肖特基電極22、功率晶體管TR1的背面電極39相互推靠，利用金屬的相互擴(kuò)散來接合。此時(shí)，施加載荷1kg/cm2、60～120kHz的超聲波。
另外，在功率晶體管TR1的源配線·插頭41的上面上利用焊錫搭載基材43，將兩者接合。此時(shí)，也可以在源配線·插頭41的上面上加上鍍金焊盤，與基材43進(jìn)行超聲波接合。在功率晶體管TR1的背面電極39、引出電極42上，分別連接配線51、52，在配線51上連接了作為芯片感應(yīng)器的電感元件IND1，在基材23、43之間連接了作為芯片電容器的電容元件CA1后，利用樹脂密封，將肖特基二極管D1、功率晶體管TR1、電容元件CA1、電感元件IND1、電容元件CA1及配線51、52作為1個(gè)封盒體組裝。樹脂密封的方法雖然未圖示，但是可以使用公知的各種樹脂密封技術(shù)。這里，作為芯片感應(yīng)器的電感元件IND1和作為芯片電容器的電容元件CA1也可以不與封盒內(nèi)一體化地附設(shè)在外面。
雖然在以往的半導(dǎo)體功率模塊的情況下，將半導(dǎo)體芯片103、104分別連接在基材101的上面上，但是在本具體例的半導(dǎo)體功率模塊中，由于在作為半導(dǎo)體芯片的肖特基二極管D1上層疊功率晶體管TR1，因此半導(dǎo)體功率模塊的占有面積減少。
另外，將與本具體例的半導(dǎo)體功率模塊相同構(gòu)造的功率模塊利用使用了Si的pn二極管、功率晶體管構(gòu)成，與本具體例進(jìn)行了比較。當(dāng)將功率晶體管TR1設(shè)為3mm見方的芯片時(shí)，在使用了Si芯片的以往的半導(dǎo)體功率模塊中，雖然5A的電流為額定值，結(jié)溫達(dá)到150℃以上，但是在本具體例的半導(dǎo)體功率模塊中，可以流過10A以上的電流，確認(rèn)即使電流以50A/cm2以上的電流密度流向功率晶體管TR1的N+型源區(qū)域33，半導(dǎo)體功率模塊也會(huì)穩(wěn)定地動(dòng)作。此時(shí)，本具體例的功率晶體管TR1或肖特基二極管D1的結(jié)溫被保持在150℃以下。
另外確認(rèn)，即使在本具體例的半導(dǎo)體功率模塊中，流過20A的電流，也會(huì)穩(wěn)定地動(dòng)作。此時(shí)，與流過了10A的電流的情況相比，肖特基二極管D1或功率晶體管TR1的結(jié)溫雖然上升到150℃以上，但是由于功率晶體管TR1的電阻值降低，因此確認(rèn)因電流增加使得損失率降低。
第2具體例圖3A、圖3B分別依次是實(shí)施方式1的第2具體例的半導(dǎo)體裝置的剖面圖及電路圖。
如圖3B所示，本具體例的半導(dǎo)體裝置(半導(dǎo)體功率模塊)中，作為將輸入直流信號(hào)(input DC)降壓而將輸出直流信號(hào)(output DC)輸出的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器發(fā)揮作用。在半導(dǎo)體功率模塊中，配置有電感元件IND1、作為縱型MISFET的功率晶體管TR1、肖特基二極管D1、電容元件CA1。
如圖3A所示，肖特基二極管D1具有與第1具體例的肖特基二極管D1相同的構(gòu)造。此外，肖特基電極22被與由Cu制成的基材23連接，基材23被借助電容元件CA1與輸出端子連接。
功率晶體管TR1也具有與第1具體例的功率晶體管TR1相同的構(gòu)造。此外，源配線·插頭41當(dāng)中的位于層間絕緣膜38的上面上的部分被與肖特基二極管D1的N型漂移層21接合。另外，背面電極39被與由Cu等金屬制成的基材43接合，基材43被與用于接受輸入電壓Vin的輸入端子連接。
另外，引出電極42被與配線52連接，配線52與柵電壓控制驅(qū)動(dòng)器相連。另外，源配線·插頭41當(dāng)中的位于層間絕緣膜38的上面上的部分被與配線54連接，配線54借助作為芯片感應(yīng)器的電感元件IND1，與用于將輸出電壓Vout輸出的輸出端子連接。
本具體例的半導(dǎo)體功率模塊的制造工序由于基本上與第1具體例相同，因此將說明省略。
第3具體例圖4A、圖4B分別依次是實(shí)施方式1的第3具體例的半導(dǎo)體裝置的剖面圖及電路圖。
如圖4B所示，本具體例的半導(dǎo)體裝置(半導(dǎo)體功率模塊)中，作為將正電壓的輸入直流信號(hào)(input DC)反轉(zhuǎn)而輸出負(fù)電壓的輸出直流信號(hào)(output DC)的反轉(zhuǎn)型DC-DC轉(zhuǎn)換器發(fā)揮作用。在半導(dǎo)體功率模塊中，配置有電感元件IND1、作為縱型MISFET的功率晶體管TR1、肖特基二極管D1、電容元件CA1。
如圖4A所示，肖特基二極管D1具有與第1具體例的肖特基二極管D1相同的構(gòu)造。此外，肖特基電極22被與由Cu等金屬制成的基材23連接，基材23的一端被與輸出端子連接，另一端被借助電容元件CA1接地。
功率晶體管TR1也具有與第1具體例的功率晶體管TR1相同的構(gòu)造。此外，源配線·插頭41當(dāng)中的位于層間絕緣膜38的上面上的部分被與肖特基二極管D1的N型漂移層21接合。另外，背面電極39被與由Cu等金屬制成的基材43連接，基材43被與用于接受正的輸入電壓Vin的輸入端子連接。
另外，引出電極42被與配線52連接，配線52與柵電壓控制驅(qū)動(dòng)器相連。另外，源配線·插頭41當(dāng)中的位于層間絕緣膜38的上面上的部分被與配線55連接，配線55被借助作為芯片感應(yīng)器的電感元件IND1接地。
本具體例的半導(dǎo)體功率模塊的制造工序由于基本上與第1具體例相同，因此將說明省略。
-實(shí)施方式2-圖5A、圖5B是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的半導(dǎo)體裝置的2個(gè)構(gòu)成例的剖面圖。
如圖5A所示，本發(fā)明的實(shí)施方式2的半導(dǎo)體裝置在第1構(gòu)成例中，具備包括使用寬能帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成的功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體芯片61、由Cu等具有導(dǎo)電性的金屬材料制成的作為墊板的基材62、由Cu等金屬材料制成并作為與半導(dǎo)體芯片61的平頭電極(pad electrode)(未圖示)連接的引線的基材63、被夾隔在半導(dǎo)體芯片61和基材62之間并與半導(dǎo)體芯片61的一部分接觸的第1中間構(gòu)件65及第2中間構(gòu)件68a、與半導(dǎo)體芯片61接觸的由熱傳導(dǎo)率高的材料(金屬、陶瓷等)制成的熱傳導(dǎo)構(gòu)件66、被設(shè)于熱傳導(dǎo)構(gòu)件66之上的散熱片67、將半導(dǎo)體芯片61、第2中間構(gòu)件65、68a及熱傳導(dǎo)構(gòu)件66密封的密封材68。此外，基材62、63的各頭端部向密封材68的外方突出，成為被搭載在印刷配線基板等上時(shí)的外部連接端子62a、63a。
這里，搭載了由寬能帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成的功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體芯片61的材質(zhì)、晶體管或二極管的種類等如在實(shí)施方式1中說明所示。
第2中間構(gòu)件68a由與第1中間構(gòu)件65相比熱傳導(dǎo)率更低的材料構(gòu)成，在與半導(dǎo)體芯片61的接觸面積方面，第2中間構(gòu)件68a的一方比第1中間構(gòu)件更大。例如，第1中間構(gòu)件65由熱傳導(dǎo)率為4(W/cm·deg)的銅制成，第2中間構(gòu)件68a由熱傳導(dǎo)率小于0.1(W/cm·deg)的材料制成。圖5A中所示的例子中，第2中間構(gòu)件68a為密封材68的一部分。熱傳導(dǎo)構(gòu)件66例如由熱傳導(dǎo)率為0.26(W/cm·deg)的氧化鋁(陶瓷)構(gòu)成。散熱片67既可以由與熱傳導(dǎo)構(gòu)件66相同的材料構(gòu)成，也可以由銅合金等金屬構(gòu)成。另外，散熱片67也可以是熱容量大的冷卻介質(zhì)。
另外，如圖5B所示，第2構(gòu)成例中，設(shè)有與半導(dǎo)體芯片61的兩面分別接觸的熱傳導(dǎo)構(gòu)件66。此外，在各熱傳導(dǎo)構(gòu)件66的表面上，分別設(shè)有散熱片67。
而且，如圖5A、圖5B的虛線所示，在第1、第2構(gòu)成例的任意一個(gè)中，在例如半導(dǎo)體芯片61中的功率半導(dǎo)體元件為3端子型元件(MISFET等)的情況下，就需要與半導(dǎo)體芯片61的電極相連的作為另一個(gè)引線的基材64。
本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的特征在于，與作為功率設(shè)備的半導(dǎo)體芯片61接觸的熱傳導(dǎo)構(gòu)件66被按照從密封材68中露出的方式設(shè)置。另外，基材62被夾隔第1中間構(gòu)件65而僅與半導(dǎo)體芯片61的一部分連接，不是像以往的半導(dǎo)體功率模塊那樣，基材62與半導(dǎo)體芯片61的全面接觸。
根據(jù)本實(shí)施方式，由于設(shè)有與半導(dǎo)體芯片61接觸的熱傳導(dǎo)構(gòu)件66，熱傳導(dǎo)構(gòu)件66從密封材68中露出，因此內(nèi)置有功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體芯片61內(nèi)產(chǎn)生的熱就被借助熱傳導(dǎo)構(gòu)件66放出，不會(huì)有外部連接端子62a、63a因半導(dǎo)體芯片61的發(fā)熱而過度地溫度上升的情況，并且能夠?qū)雽?dǎo)體芯片61適當(dāng)?shù)乇３衷诟邷叵聞?dòng)作效率良好的狀態(tài)。所以，外部連接端子62a、63a與印刷配線基板等的母基板的連接的可靠性提高。另外，利用熱發(fā)散性的提高，就可以實(shí)現(xiàn)小型化、小面積化。
特別是有如下的優(yōu)點(diǎn)，即，通過將基材62不是與半導(dǎo)體芯片61的全面連接，而是以上面或下面的1/2以下的面積直接或夾隔導(dǎo)電構(gòu)件連接，就可以更為有效地抑制作為基材62的頭端部的外部連接端子62a的溫度的上升。
而且，即使不設(shè)置熱傳導(dǎo)構(gòu)件66或散熱片67，作為密封材使用耐熱性高的澆注樹脂，也可以在將半導(dǎo)體芯片61的溫度保持為適當(dāng)值而保持高動(dòng)作效率的同時(shí)，抑制外部連接端子62a、63a的溫度過度地升高的情況。
另外，也可以取代密封樹脂，使用密封玻璃作為密封材，另外，也可以設(shè)置將密封樹脂或密封玻璃之上覆蓋的覆蓋膜。此時(shí)，散熱片只要被夾隔密封樹脂或密封玻璃設(shè)置在與熱傳導(dǎo)構(gòu)件相面對(duì)的位置上即可。
另外，也可以在熱傳導(dǎo)構(gòu)件66和半導(dǎo)體芯片61之間配置包括二極管等半導(dǎo)體元件的芯片，或取代第2中間構(gòu)件68a，配置包括二極管等半導(dǎo)體元件的芯片。該情況下，就可以像實(shí)施方式1那樣，構(gòu)成功率模塊。
在本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置中，作為半導(dǎo)體芯片，可以不特別限定地使用周知的芯片，例如可以舉出搭載了肖特基二極管、pn二極管、MISFET、MESFET、J-FET、晶閘管等的芯片。
在半導(dǎo)體芯片的平頭電極和基材之間的連接方法中，有利用了金屬之間的相互擴(kuò)散的直接接合、利用焊錫的接合、利用焊盤的接合、利用了導(dǎo)電性粘結(jié)劑的連接等，使用任意一種都可以。
另外，作為封盒可以不特別限定地使用周知的材料，例如可以舉出樹脂密封封盒、陶瓷封盒、金屬封盒、玻璃封盒等。在任意一種情況下，作為基材，一般來說使用由熱傳導(dǎo)性比較高的金屬(例如Cu)制成的材料。
另外，當(dāng)在耐壓為相同程度的1kV的MISFET之間進(jìn)行比較時(shí)，使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的半導(dǎo)體功率元件與Si功率元件相比，顯示出小1個(gè)數(shù)量級(jí)以上的電力損失。在Si的IGBT和寬能帶隙半導(dǎo)體的MISFET中進(jìn)行比較時(shí)，使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的半導(dǎo)體功率元件與Si功率元件相比，也顯示出一半以下的電力損失。利用使用了此種寬能帶隙半導(dǎo)體的半導(dǎo)體功率元件的低損失性，在本發(fā)明的半導(dǎo)體功率模塊中，由于在半導(dǎo)體功率元件內(nèi)產(chǎn)生的熱自身也較小，因此與以往的使用了Si功率元件的半導(dǎo)體功率模塊相比，為了抑制內(nèi)部的溫度上升，就更為有利。
另外，使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的MISFET由于可以實(shí)現(xiàn)超過了使用了Si的IGBT程度的高耐壓、低損失性，因此就可以將MISFET的高速動(dòng)作性有效地用于對(duì)高電壓·大電流的信號(hào)的控制中。即，可以減少在半導(dǎo)體功率元件的動(dòng)作速度慢的情況下產(chǎn)生的開關(guān)損失。
特別是，在半導(dǎo)體功率模塊中，在多個(gè)半導(dǎo)體芯片當(dāng)中的至少1個(gè)半導(dǎo)體芯片中，流過50A/cm2以上的電流密度的電流的情況下，可以明顯地體現(xiàn)本發(fā)明的效果。其理由是，當(dāng)在半導(dǎo)體芯片中有產(chǎn)生50A/cm2以上的電流密度那樣的動(dòng)作時(shí)，在Si功率元件(例如MISFET)中，由于與電力損失對(duì)應(yīng)的發(fā)熱量變大，因此在為了確保Si功率元件的正常的動(dòng)作而必需的溫度150℃以下的限制內(nèi)，難以繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)作。與之相反，本發(fā)明的半導(dǎo)體功率模塊中，由于即使對(duì)于50A/cm2以上的電流密度也可以抑制發(fā)熱量，因此就可以良好地進(jìn)行動(dòng)作。
另外，使用了寬能帶隙半導(dǎo)體(例如SiC)的半導(dǎo)體功率元件即使因發(fā)熱而使半導(dǎo)體功率元件的溫度上升至200℃以上(進(jìn)一步到400℃以上)，半導(dǎo)體功率模塊也可以良好地動(dòng)作。當(dāng)然，隨著溫度的上升，由于顯示出半導(dǎo)體功率元件的電阻減少的性質(zhì)，因此在電流密度50A/cm2以上動(dòng)作而被保持為高溫時(shí)的一方與被保持為低溫的情況相比，電阻降低，可以實(shí)現(xiàn)更為高效的動(dòng)作。
下面，對(duì)在實(shí)施方式2中，通過使基材與半導(dǎo)體芯片的上面或下面接觸的部分的面積小于上面或下面的面積的1/2，來抑制基材頭端的外部連接端子的溫度上升，較高地維持與母基板的連接的可靠性的理由說明如下。
以往，在向半導(dǎo)體元件提供了額定電力的情況下，按照使基材的溫度為90℃，而半導(dǎo)體元件的溫度達(dá)到150℃的方式，即使溫差達(dá)到60℃的方式，設(shè)計(jì)從Si半導(dǎo)體元件到基材的熱阻。即，Si半導(dǎo)體元件可以流出相當(dāng)于發(fā)熱至150℃的電流。相同地，當(dāng)安裝了SiC(碳化硅)的功率設(shè)備時(shí)，只要不大幅度地改變封盒，就需要將SiC半導(dǎo)體元件的溫度設(shè)定為200℃，將基材的溫度設(shè)定為與所述Si半導(dǎo)體元件的情況相同的90℃。該SiC半導(dǎo)體元件的情況的溫差達(dá)到110℃，是Si半導(dǎo)體元件的情況的溫差的大致2倍。所以，搭載了SiC半導(dǎo)體元件的SiC芯片(本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體芯片61)與基材之間的熱阻如果被設(shè)定為搭載了Si半導(dǎo)體元件的Si芯片的情況的2倍，則就會(huì)收縮于所述溫度范圍中。這意味著，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，當(dāng)將SiC芯片的上面或下面(表面或背面)的與基材的接觸面積設(shè)為上面或下面的面積的一半時(shí)，就可以使熱阻變?yōu)?倍，將基材的溫度保持在90℃以下，使SiC半導(dǎo)體元件在200℃下正常地動(dòng)作。如果在這里附加其他的熱傳導(dǎo)良好的散熱機(jī)構(gòu)(基材)，則可以進(jìn)一步減小接觸面積(增大熱阻)，在抑制SiC半導(dǎo)體元件的溫度上升的同時(shí)，抑制基材的溫度上升。即，通過將SiC芯片的上面或下面的與基材的接觸面積設(shè)為上面或下面的面積的一半以下，就可以不伴隨溫度上升地使之穩(wěn)定地動(dòng)作。這里，當(dāng)將封盒樹脂等大幅度地改變?yōu)榻饘俚龋狗夂凶陨淼哪蜔嵝栽?00℃以上時(shí)，則需要進(jìn)一步減小所述一半的接觸面積。
相反，當(dāng)將SiC芯片的與基材的接觸面積設(shè)為SiC芯片的上面或下面(表面或背面)的一半以上時(shí)，在將SiC半導(dǎo)體元件的溫度設(shè)定為作為封盒的耐熱溫度的200℃而流過電流的情況下，基材的溫度就會(huì)達(dá)到90℃以上，在基材和印刷配線基板等的接觸部分處產(chǎn)生由發(fā)熱造成的問題。
第1具體例圖6是實(shí)施方式2的第1具體例的半導(dǎo)體裝置的剖面圖。如圖6所示，本具體例的半導(dǎo)體裝置中，配置有作為縱型MISFET的功率晶體管TR1。
如圖6所示，功率晶體管TR1(半導(dǎo)體芯片61)具備占據(jù)由寬能帶隙半導(dǎo)體制成的SiC基板的大部分的N型漂移層31(活性區(qū)域)、在N型漂移層31內(nèi)摻雜P型雜質(zhì)而形成的P型基底層32、在P型基底層32內(nèi)摻雜高濃度的N型雜質(zhì)而形成的N+型源層33、跨越夾持SiC基板的表面部的P型基底層32、N型漂移層31、P型基底層32的N+型源層33而形成的由硅氧化膜制成的柵極絕緣膜35、被設(shè)于柵極絕緣膜35之上的由Al等金屬或多晶硅制成的柵極電極36、跨越夾持SiC基板的表面部的P型基底層32的N+型源層33而形成的源電極37、設(shè)于SiC基板的上方的由硅氧化膜制成的層間絕緣膜38、貫穿層間絕緣膜38而與柵極電極36連接的由Al等金屬制成的柵極配線·插頭40、柵極配線·插頭40的引出電極42、貫穿層間絕緣膜38而與各源電極37連接的由Al等金屬制成的源配線·插頭41。
源配線·插頭41當(dāng)中的位于層間絕緣膜38的上面上的部分被設(shè)為平板狀，該部分被借助金屬細(xì)線70與由Cu等金屬制成的基材63(引線)連接，基材63的頭端部成為與母基板的輸出端子部連接的外部連接端子63a。
另外，在N型漂移層31的下面設(shè)有由Ni、硅化鎳合金等金屬制成的背面電極39，背面電極39被借助第1中間構(gòu)件65與基材62(墊板)連接，基材63的頭端部成為與母基板的接地處連接的外部連接端子62a。
另外，引出電極42被借助金屬細(xì)線71與設(shè)于未圖示的剖面上的基材64(引線)連接，基材64的頭端部成為與母基板的柵偏置供給部連接的外部連接端子64a。
另外，在功率晶體管TR1的上面，安裝有由氧化鋁(陶瓷)制成的熱傳導(dǎo)構(gòu)件66，在熱傳導(dǎo)構(gòu)件66的上面，安裝有由銅合金板制成的散熱片67。
此外，在基材62的上面?zhèn)?，功率晶體管TR1、第1中間構(gòu)件65、基材63、64、金屬細(xì)線70、71及熱傳導(dǎo)構(gòu)件66被由環(huán)氧樹脂制成的密封材68密封。密封材68中的夾隔在功率晶體管TR1和基材62之間的部分成為第2中間構(gòu)件68a。
下面，對(duì)本具體例的半導(dǎo)體功率模塊的制造工序進(jìn)行說明。圖7A～圖7C是表示本具體例的半導(dǎo)體裝置的制造工序的剖面圖。
首先，在圖7A所示的工序中，在具有從平板部分中被彎曲成コ字形的引線的引線框架69上夾隔第1中間構(gòu)件65搭載功率晶體管TR1(半導(dǎo)體芯片62)，將功率晶體管TR1的源配線·插頭41(未圖示)和引線框架69的引線利用金屬細(xì)線70連接。另外，在功率晶體管TR1的上面上搭載由氧化鋁制成的熱傳導(dǎo)構(gòu)件66。
然后，在圖7B所示的工序中，將功率晶體管TR1、引線框架69的一部分、第1中間構(gòu)件65及金屬細(xì)線70利用由環(huán)氧樹脂制成的密封材68密封。此時(shí)，熱傳導(dǎo)構(gòu)件66的上面(表面)從密封材68中露出。
然后，在圖7C所示的工序中，將引線框架69切斷，剩余成為包括外部連接端子62a的基材62、包括外部連接端子63a的基材63的部分。另外，在熱傳導(dǎo)構(gòu)件66的上面上安裝由Cu等制成的散熱片67。利用以上的工序，就形成圖6所示的半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造。
而且，如圖6所示，雖然存在于未圖示的剖面上的基材64和引出電極被金屬細(xì)線71連接，但是在圖7A～圖7C中，該部分的圖示被省略。
圖8是表示功率晶體管TR1向印刷配線基板上的安裝狀態(tài)的一個(gè)例子的剖面圖。如同圖所示，在印刷配線基板80上，形成有接地配線81、具有與接地配線81連接的導(dǎo)體層的通孔83、源電壓供給配線82、具有與源電壓供給配線82連接的導(dǎo)體層的通孔84。此外，半導(dǎo)體裝置的外部連接端子62a與通孔83嵌合而借助焊錫(未圖示)與接地配線81連接，外部連接端子63a與通孔84嵌合而借助焊錫(未圖示)與輸出端子82連接。
而且，在圖8所示的狀態(tài)下，在印刷配線基板80上設(shè)有柵偏置供給配線及通孔，外部連接端子64a(參照?qǐng)D6)與通孔嵌合而借助焊錫與柵偏置供給配線連接，但是其圖示被省略。
在圖8所示的狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)由于在功率晶體管TR1中產(chǎn)生的大部分的熱經(jīng)過熱傳導(dǎo)構(gòu)件66被從散熱片67向外部放出，因此向外部連接端子62a、63a傳導(dǎo)的熱就被抑制得很小。
第2具體例圖9是實(shí)施方式2的第2具體例的半導(dǎo)體裝置的剖面圖。本具體例的半導(dǎo)體裝置中，除了具有如在第1具體例中所說明的構(gòu)造的功率晶體管TR1以外，還配置有肖特基二極管。
肖特基二極管D1具備占據(jù)由寬能帶隙半導(dǎo)體制成的SiC基板的大部分的N型漂移層21(活性區(qū)域)、與N型漂移層21進(jìn)行肖特基接觸的由Ni制成的肖特基電極22。肖特基二極管D1的N型漂移層21的背面被與功率晶體管TR1的源配線·插頭41連接。另外，肖特基電極22被借助由Cu等金屬制成的第1中間構(gòu)件74與由Cu等金屬制成的基材63連接，基材63的頭端部成為與母基板的輸出端子部連接的外部連接端子63a。本具體例中，密封材68中的夾隔在肖特基二極管D1的肖特基電極22和基材63之間的部分成為第2中間構(gòu)件68b。
另外，設(shè)有借助第1中間構(gòu)件65而連接在功率晶體管TR1的背面電極39上而頭端部成為與母基板的接地處連接的外部連接端子62a的基材62(墊板)、借助金屬細(xì)線71而連接在功率晶體管TR1的引出電極42上而頭端部成為外部連接端子64a的基材64(引線)。此外，在密封材68中的夾隔在功率晶體管TR1和基材62之間的部分成為第2中間構(gòu)件68a這一點(diǎn)上，與第1具體例相同。
在本具體例中，制造工序也與第1具體例相同，向母基板(印刷配線基板)上的安裝狀態(tài)如圖8所示。所以，利用本具體例，就可以在將功率晶體管TR1和肖特基二極管D1收納在1個(gè)封盒中而實(shí)現(xiàn)高密度安裝的同時(shí)，抑制向外部連接端子62a、63a傳遞的熱，從而可以較高地保持與母基板之間的連接的可靠性。
而且，也可以取代圖9所示的構(gòu)造，將肖特基二極管D1配置在熱傳導(dǎo)構(gòu)件66和功率晶體管TR1的源配線·插頭41之間。另外，此時(shí)，也可以將肖特基電極22借助金屬細(xì)線連接在基材63上。
第3具體例圖10是實(shí)施方式2的第3具體例的半導(dǎo)體裝置的剖面圖。如圖10所示，在本具體例的半導(dǎo)體裝置中，配置有具有與第2具體例相同構(gòu)造的作為縱型MISFET的功率晶體管TR1。本具體例的半導(dǎo)體裝置的特征在于，不是樹脂密封，而具有使用了金屬帽的玻璃密封構(gòu)造。
本具體例的半導(dǎo)體裝置如圖10所示，具備由陶瓷等絕緣體制成的基臺(tái)81、形成于基臺(tái)81上的作為由Cu等金屬板進(jìn)行了圖案處理的基材發(fā)揮作用的基材62、基材63及支撐構(gòu)件83、搭載于基材62及支撐構(gòu)件83上的功率晶體管TR1(半導(dǎo)體芯片61)、安裝于功率晶體管TR1的上面上的熱傳導(dǎo)構(gòu)件66。在基臺(tái)81上，設(shè)有與外部連接端子對(duì)應(yīng)的通孔88、89、從通孔88、89的壁面開始遍及基臺(tái)81的上面及下面地形成的導(dǎo)電膜84、86(或貫穿通孔88、89的導(dǎo)電棒)。另外，在基臺(tái)81的背面的導(dǎo)電膜84、86上，設(shè)有與母基板(印刷配線基板)連接的外部連接端子85。
此外，功率晶體管TR1的背面電極(未圖示)的端部被直接與基材62連接，基材62借助導(dǎo)電膜84(或貫穿通孔88的導(dǎo)電棒)與外部連接端子85連接。另外，功率晶體管TR1的源配線·插頭(未圖示)借助金屬細(xì)線70與基材63連接，基材63借助導(dǎo)電膜86(或貫穿通孔89的導(dǎo)電棒)與外部連接端子87連接。
而且，本具體例中，雖然省略了圖示，但是在未圖示的剖面中，引出電極借助金屬細(xì)線與基材連接，基材借助遍及基臺(tái)81的通孔、上面及下面而形成的導(dǎo)電膜，與外部連接端子連接。
此外，功率晶體管TR1、基材62、基材63、金屬細(xì)線70、支撐構(gòu)件83及熱傳導(dǎo)構(gòu)件66與由玻璃制成的密封材68一起，被封入由銅合金等金屬制成的金屬帽82內(nèi)。利用基臺(tái)81及金屬帽82，構(gòu)成將半導(dǎo)體芯片61(功率晶體管TR1)、基材62、63及熱傳導(dǎo)構(gòu)件66密封的容器。
而且，密封材68也可以是惰性氣體、空氣或被減壓至極低壓力的氣體(所謂的真空氣氛的氣體)。
熱傳導(dǎo)材料66的上面與金屬帽82的內(nèi)壁面接觸，在金屬帽82的壁當(dāng)中的與熱傳導(dǎo)構(gòu)件66接觸的部位的外壁面上，安裝有由銅合金板等制成的散熱片67。
根據(jù)本具體例，由于基材62或金屬細(xì)線70只與功率晶體管TR1的背面的一部分接觸，并且在基臺(tái)81和功率晶體管TR1之間熱傳導(dǎo)率比較小的玻璃占大部分，因此來自功率晶體管TR1的熱不會(huì)向基臺(tái)81、基材62極基材63傳遞很多，大部分的熱經(jīng)過熱傳導(dǎo)構(gòu)件66及金屬帽82的壁而從散熱片67中放出。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)外部連接端子和母基板之間的連接的可靠性的提高。
工業(yè)上的利用可能性本發(fā)明可以作為具有使用了碳化硅(SiC)、GAN、AlN等III族氮化物、金剛石等的寬能帶隙半導(dǎo)體的MISFET、MESFET、肖特基二極管、pn二極管、J-FET、晶閘管等半導(dǎo)體設(shè)備的半導(dǎo)體裝置或半導(dǎo)體功率模塊使用。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，其特征是，具備包括使用寬能帶隙半導(dǎo)體而構(gòu)成的功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體芯片、與所述半導(dǎo)體芯片的表面的一部分連接的由導(dǎo)電性材料制成的基材、與所述半導(dǎo)體芯片的表面的一部分接觸的熱傳導(dǎo)構(gòu)件、將所述半導(dǎo)體芯片及熱傳導(dǎo)構(gòu)件密封的密封材，所述基材的一部分向所述密封材的外方突出而成為的外部連接端子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，所述功率半導(dǎo)體元件具有流過50A/cm2以上的電流密度的電流的區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，所述密封材由樹脂或玻璃構(gòu)成，所述熱傳導(dǎo)構(gòu)件從所述密封材中露出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，還具備與所述熱傳導(dǎo)構(gòu)件接觸并從所述密封材向外方突出地設(shè)置的散熱片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，還具備覆蓋所述密封材的覆蓋膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，還具備以夾隔所述覆蓋膜而與所述熱傳導(dǎo)構(gòu)件相面對(duì)地設(shè)置的散熱片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6中任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，在所述基材和半導(dǎo)體芯片之間，夾隔有由導(dǎo)電性材料制成的第1中間構(gòu)件、由與該第1中間構(gòu)件相比熱傳導(dǎo)率更小的材料構(gòu)成的第2中間構(gòu)件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7中任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，所述半導(dǎo)體芯片和所述基材的接觸面積小于半導(dǎo)體芯片的面積的1/2。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8中任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，所述功率半導(dǎo)體元件為縱型元件，還具備層疊在所述半導(dǎo)體芯片上并且一部分與所述基材連接的另外的半導(dǎo)體芯片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，所述基材的外部連接端子按照搭載于印刷配線基板上的方式構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～10中任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，所述寬能帶隙半導(dǎo)體為SiC。
12.一種半導(dǎo)體裝置，其特征是，具備包括使用寬能帶隙半導(dǎo)體而構(gòu)成的功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體芯片、與所述半導(dǎo)體芯片的表面的一部分連接的由導(dǎo)電性材料制成的基材、與所述半導(dǎo)體芯片的表面的一部分接觸的熱傳導(dǎo)構(gòu)件、與所述熱傳導(dǎo)構(gòu)件接觸并將所述半導(dǎo)體芯片、基材及熱傳導(dǎo)構(gòu)件密閉的容器、與所述基材電連接并從所述容器中突出的外部連接端子。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，在所述容器內(nèi)，所述半導(dǎo)體芯片、基材及熱傳導(dǎo)構(gòu)件的周圍被玻璃、樹脂、惰性氣體或被減壓了的氣體充滿。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，還具備夾隔所述容器的一部分而與所述熱傳導(dǎo)構(gòu)件相面對(duì)地設(shè)置的散熱片。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體裝置，具備包括使用了寬能帶隙半導(dǎo)體的功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體芯片(61)、基材(62、63)、第1、第2中間構(gòu)件(65、68a)、熱傳導(dǎo)構(gòu)件(66)和散熱片(67)、半導(dǎo)體芯片(61)、將第1、第2中間構(gòu)件(65、68a)及熱傳導(dǎo)構(gòu)件(66)密封的密封材(68)。基材(62、63)的各頭端部成為外部連接端子(62a、63a)。第2中間構(gòu)件(68a)由熱傳導(dǎo)率比第1中間構(gòu)件(65)更低的材料構(gòu)成，在與半導(dǎo)體芯片(61)的接觸面積方面，第2中間構(gòu)件(68a)的一方大于第1中間構(gòu)件(65)。
文檔編號(hào)H01L25/04GK1748306SQ20048000358
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月4日
發(fā)明者北畠真, 楠本修, 內(nèi)田正雄, 高橋邦方, 山下賢哉 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社