半導(dǎo)體裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置。尤其涉及半導(dǎo)體元件以樹(shù)脂模塑且該半導(dǎo)體元件與在模塑表面露出的引線(xiàn)框架接合的半導(dǎo)體裝置。這樣的半導(dǎo)體裝置有時(shí)被稱(chēng)為半導(dǎo)體卡或者半導(dǎo)體封裝體。
【背景技術(shù)】
[0002]已知在對(duì)電動(dòng)車(chē)的行駛用馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的逆變器、電壓轉(zhuǎn)換器中，使用以樹(shù)脂模塑了處理大電流的半導(dǎo)體元件而成的半導(dǎo)體裝置(半導(dǎo)體封裝)(例如，參照日本特開(kāi)2006 — 179655號(hào)公報(bào))。典型的這樣的半導(dǎo)體元件是開(kāi)關(guān)電路所使用的晶體管。以下，有時(shí)將模塑了半導(dǎo)體元件的樹(shù)脂的塊稱(chēng)為“樹(shù)脂模塑體”。樹(shù)脂模塑體通過(guò)注塑成形而形成。在樹(shù)脂模塑體的兩側(cè)安裝有被稱(chēng)為引線(xiàn)框架的金屬板。樹(shù)脂模塑體的內(nèi)部的半導(dǎo)體元件與各自的引線(xiàn)框架接合。引線(xiàn)框架有時(shí)作為電極使用，有時(shí)作為簡(jiǎn)單的散熱板使用。另外，典型的情況下，引線(xiàn)框架與半導(dǎo)體元件的接合使用焊接材料。但是，接合也可以使用焊接材料以外的材料，例如Ni納米粒子等。以下，將把引線(xiàn)框架與半導(dǎo)體元件接合的材料稱(chēng)為接合材料。
[0003]以樹(shù)脂模塑半導(dǎo)體元件是為了保護(hù)半導(dǎo)體元件不受外部的灰塵、水分影響、以及為了抑制將半導(dǎo)體元件和引線(xiàn)框架接合的接合材料的疲勞劣化。由于半導(dǎo)體元件與引線(xiàn)框架的熱膨脹率不同，所以由半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱循環(huán)反復(fù)對(duì)接合材料施加應(yīng)力。通過(guò)以樹(shù)脂來(lái)模塑引線(xiàn)框架的一部分和半導(dǎo)體元件，可抑制半導(dǎo)體元件與引線(xiàn)框架的變形。結(jié)果，能夠抑制施加給接合材料的應(yīng)力，可抑制接合材料的疲勞劣化。
[0004]即使以樹(shù)脂進(jìn)行模塑，疲勞劣化也一點(diǎn)點(diǎn)地發(fā)展。若疲勞劣化發(fā)展到一定程度，則存在將半導(dǎo)體元件接合的接合材料產(chǎn)生裂縫的情況。與半導(dǎo)體元件接觸的接合材料所產(chǎn)生的裂縫有可能對(duì)半導(dǎo)體元件造成不良。鑒于此，本說(shuō)明書(shū)提供一種即使疲勞劣化發(fā)展到接合材料產(chǎn)生裂縫的可能性提高的程度，也會(huì)降低裂縫產(chǎn)生對(duì)半導(dǎo)體元件造成的影響的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]當(dāng)在電流路徑中與和半導(dǎo)體元件直接接觸的位置不同的位置接合材料破損時(shí)，雖然電阻上升，但半導(dǎo)體元件因破損而受到的影響較小。鑒于此，在本說(shuō)明書(shū)公開(kāi)的技術(shù)中，在半導(dǎo)體元件與引線(xiàn)框架之間配置金屬隔離物。而且，以第一接合材料將半導(dǎo)體元件和金屬隔離物接合，并以第二接合材料將金屬隔離物和引線(xiàn)框架接合。這里，第二接合材料使用強(qiáng)度比第一接合材料的強(qiáng)度低的材料。其中，金屬隔離物可以是導(dǎo)電性的金屬塊或者金屬板。
[0006]根據(jù)上述的構(gòu)成，若在半導(dǎo)體元件與引線(xiàn)框架之間反復(fù)施加應(yīng)力，則與半導(dǎo)體元件和金屬隔離物間的接合部相比，引線(xiàn)框架和金屬隔離物間的接合部先產(chǎn)生裂縫。但是，引線(xiàn)框架和金屬隔離物間的接合部所產(chǎn)生的裂縫不會(huì)對(duì)半導(dǎo)體元件造成損傷?；蛘?，即使造成損傷也很微小。因此，即使引線(xiàn)框架和金屬隔離物之間的接合部受到損傷而電阻上升，半導(dǎo)體元件受到的影響也較小。并且，因引線(xiàn)框架和半導(dǎo)體元件的熱膨脹率的不同引起的形變被破損的接合部吸收。從而，在半導(dǎo)體元件與金屬隔離物之間的接合部中應(yīng)力被緩和，該接合部難以發(fā)生破損。
[0007]換言之，本說(shuō)明書(shū)公開(kāi)的技術(shù)在半導(dǎo)體元件與引線(xiàn)框架之間，在不與半導(dǎo)體元件接觸的部位設(shè)置相對(duì)脆弱的接合部，最先在此處產(chǎn)生裂縫。由此來(lái)保護(hù)與半導(dǎo)體元件接觸的接合部，進(jìn)而降低因疲勞劣化產(chǎn)生的裂縫對(duì)半導(dǎo)體元件造成的影響。
[0008]在本說(shuō)明書(shū)公開(kāi)的技術(shù)中，作為第二接合材料，使用與第一接合材料相比強(qiáng)度低的材料。這里，“強(qiáng)度”是指相對(duì)于應(yīng)力集中的強(qiáng)度，物理上能夠通過(guò)兩個(gè)不同的指標(biāo)的任意一個(gè)來(lái)定義。一個(gè)定義是基于預(yù)先決定的基準(zhǔn)的預(yù)測(cè)壽命的定義。預(yù)測(cè)壽命能夠通過(guò)耐久試驗(yàn)、模擬來(lái)決定。例如，實(shí)施在規(guī)定的溫度條件和負(fù)載條件下反復(fù)賦予負(fù)載的試驗(yàn)，到產(chǎn)生裂縫為止的反復(fù)次數(shù)越多，確定為是強(qiáng)度越高的接合材料。其中，由于不存在全部的半導(dǎo)體裝置共用的耐久試驗(yàn)，所以試驗(yàn)條件根據(jù)半導(dǎo)體裝置被使用的環(huán)境來(lái)決定。
[0009]與“強(qiáng)度”有關(guān)的另一個(gè)定義是基于屈服強(qiáng)度(屈服應(yīng)力)的大小的定義。屈服強(qiáng)度越大，能夠確定為是強(qiáng)度越高的接合材料。此外，在是無(wú)法確定屈服強(qiáng)度的金屬的情況下，可以由0.2%屈服強(qiáng)度(proof stress)代替屈服強(qiáng)度。對(duì)于不具有明確的屈服強(qiáng)度的金屬，以變形量達(dá)到0.2%時(shí)的應(yīng)力來(lái)決定“0.2%屈服強(qiáng)度”。對(duì)于不具有明確的屈服強(qiáng)度的金屬采用0.2%屈服強(qiáng)度的值作為屈服強(qiáng)度的代替是在材料力學(xué)的技術(shù)領(lǐng)域通常廣泛使用的手法。在本說(shuō)明書(shū)中，“0.2%屈服強(qiáng)度”也作為“屈服強(qiáng)度”之一來(lái)處理。
[0010]作為“強(qiáng)度”，是采用預(yù)測(cè)壽命(例如耐久試驗(yàn)的結(jié)果)，還是采用屈服強(qiáng)度取決于半導(dǎo)體裝置被使用的環(huán)境。在持續(xù)施加變動(dòng)較少的平均的反復(fù)應(yīng)力的環(huán)境下，優(yōu)選以預(yù)測(cè)壽命來(lái)決定強(qiáng)度。另一方面，在應(yīng)力的變動(dòng)比較大、不經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間接合材料便因一次(或者數(shù)次)較大的應(yīng)力而破損的可能性較高的情況下，優(yōu)選以屈服應(yīng)力來(lái)決定強(qiáng)度?；蛘撸策m合設(shè)定融合了預(yù)測(cè)壽命和屈服強(qiáng)度的特別的評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)決定強(qiáng)度。雖然反復(fù)進(jìn)行了敘述，但“強(qiáng)度”并沒(méi)有唯一的基準(zhǔn)，本說(shuō)明書(shū)公開(kāi)的技術(shù)中的“強(qiáng)度”并不限定于特定的基準(zhǔn)。本說(shuō)明書(shū)公開(kāi)的技術(shù)思想在于將第二接合材料選定為對(duì)于因半導(dǎo)體元件的熱量而產(chǎn)生的反復(fù)應(yīng)力比第一接合材料先破損的可能性較高的物質(zhì)。
[0011]第一、第二接合材料可以是種類(lèi)不同的焊接材料，也可以是焊接材料以外的接合材料。在半導(dǎo)體裝置的技術(shù)領(lǐng)域中，包含焊接材料的接合材料被統(tǒng)稱(chēng)為“粘晶(die bond)”。粘晶除了焊接材料之外，還包含鎳納米粒子、銀納米粒子。并且，接合材料也可以是擴(kuò)散接合中的嵌入材料。即，在擴(kuò)散接合的情況下，嵌入材料擴(kuò)散后的接合部分本身能夠包含于本說(shuō)明書(shū)中的“接合材料”。
[0012]本說(shuō)明書(shū)公開(kāi)的詳細(xì)技術(shù)和進(jìn)一步的改進(jìn)在以下的“【具體實(shí)施方式】”中進(jìn)行說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是第一實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的示意立體圖。
[0014]圖2是圖1的II — II線(xiàn)向視的剖視圖。
[0015]圖3是表示第一接合材料、第二接合材料、元件的表面電極的屈服強(qiáng)度(0.2%屈服強(qiáng)度)的例子的曲線(xiàn)圖。
[0016]圖4是第二實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。
[0017]圖5是第三實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]圖1示出了第一實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置2的示意立體圖。圖2示出了圖1的II 一II線(xiàn)向視的剖視圖。半導(dǎo)體裝置2例如被用于向電動(dòng)汽車(chē)的行駛用馬達(dá)供給電流的逆變器的開(kāi)關(guān)電路。半導(dǎo)體裝置2具有以樹(shù)脂模塑了晶體管3的構(gòu)成。晶體管3例如是IGBTJi用了 SiC基板的MOS晶體管。晶體管3相當(dāng)于半導(dǎo)體元件的一個(gè)例子。
[0019]模塑晶體管3的樹(shù)脂例如可使用環(huán)氧類(lèi)的高強(qiáng)度的材料。將模塑晶體管3的樹(shù)脂整體稱(chēng)為樹(shù)脂模塑體13。樹(shù)脂模塑體13被成形為長(zhǎng)方體，在其最寬的兩個(gè)面固定有引線(xiàn)框架8a、8b (電極板)。如圖2所示，對(duì)引線(xiàn)框架8a、8b而言，沿厚度方向其一半被埋設(shè)于樹(shù)脂模塑體13。引線(xiàn)框架8a、8b是導(dǎo)電體(金屬)，與晶體管3的發(fā)射極和集電極(或者，漏極和源極)連接。晶體管3的發(fā)射極和集電極在晶體管3的表面露出。有時(shí)將在晶體管3的表面露出的導(dǎo)電部稱(chēng)為表面電極。引線(xiàn)框架8a、8b相當(dāng)于用于與外部的器件連接的晶體管3的電極端子。另外，晶體管3的控制電極19從樹(shù)脂模塑體13延伸突出。由于通向發(fā)射極和集電極的引線(xiàn)框架8a、8b中流通大電流，所以這些電極使用面積較大的金屬板(引線(xiàn)框架)，由于通向柵極的控制電極19不流通大電流，所以使用較細(xì)的金屬棒。
[0020]如圖2所示，晶體管3的相當(dāng)于發(fā)射極(或者集電極)的一面(表面電極)經(jīng)由第一焊接材料5與引線(xiàn)框架Sb接合。晶體管3的相當(dāng)于集電極(或者發(fā)射極)的另一個(gè)面(表面電極)經(jīng)由第一焊接材料5與金屬隔離物4的一個(gè)面接合。金屬隔離物4的另一個(gè)面經(jīng)由第二焊接材料6與另一個(gè)引線(xiàn)框架8a接合。換言之，金屬隔離物4位于引線(xiàn)框架8a與晶體管3之間，在其一個(gè)面上通過(guò)第一焊接材料5與晶體管3接合，在與一個(gè)面相反側(cè)的另一個(gè)面上通過(guò)第二焊接材料6與引線(xiàn)框架8a接合。在后面將進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，第二焊接材料6的強(qiáng)度比第一焊接材料5的強(qiáng)度低。在晶體管3與引線(xiàn)框架8a之間，為了在不與晶體管3接觸的部位使用焊接材料而插入金屬隔離物4。而且，在不與晶體管3接觸的位置使用強(qiáng)度較低的第二焊接材料6。
[0021]其中，由于樹(shù)脂模塑體13的厚度相對(duì)于晶體管3的厚度比較大，所以金屬隔離物4也起到填補(bǔ)其間的距離的作用。金屬隔離物4是導(dǎo)電性的金屬塊，或者金屬板。另外，各個(gè)位置的焊接材料也能夠稱(chēng)為將焊接材料的兩側(cè)的材料接合的接合部。
[0022]如上述那樣，第二焊接材料6使用強(qiáng)度比第一焊接材料5低的材料?！皬?qiáng)度”的基準(zhǔn)在這里采用0.2%屈服強(qiáng)度。作為0.2%屈服強(qiáng)度比較低的材料，已知有Sn - Cu焊接材料。Sn — Cu焊接材料是以錫(Sn)為主成分，并含有微量?0.7 (重量％ )左右的銅(Cu)的合金。作為第一焊接材料5的候補(bǔ)，例如有Sn — Sb焊接材料、Zn — Al焊接材料。Sn —Sb焊接材料是以錫(Sn)為主成分，并含有5?13(重量％ )左右的銻(Sb)的合金。Zn —Al焊接材料是以鋅(Zn)為主成分，并含有4?6(重量％)左右的鋁(Al)的合金。Sn —Sb焊接材料、Zn - Al焊接材料的0.2%屈服強(qiáng)度均比Sn — Cu焊接材料的0.2%屈