半導體裝置及其制造方法
【專利摘要】一種半導體裝置，包括金屬構件(54)、半導體元件(30)、樹脂部(66)、底料層、以及剝離抑制部。所述金屬構件具有包括半導體元件安裝區(540b)和樹脂緊密接觸區(540a)的表面，所述樹脂緊密接觸區從所述半導體元件安裝區延伸至所述金屬構件的外周邊緣。所述半導體元件安裝在所述半導體元件安裝區上。所述樹脂部延伸到所述金屬構件的側表面外的位置，與所述樹脂緊密接觸區緊密接觸，并一體地覆蓋所述半導體元件和所述金屬構件。所述底料層布置在所述樹脂緊密接觸區和所述樹脂部之間。所述剝離抑制部被構造成抑制所述金屬構件和所述樹脂部在所述樹脂緊密接觸區的外周部彼此剝離。
【專利說明】
半導體裝置及其制造方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種半導體裝置及其制造方法。
【背景技術】
[0002]已知有一種半導體裝置，其包括半導體元件和用于從半導體元件的兩個表面散熱的一對散熱片，并且，半導體裝置被構造為使得該裝置幾乎完全由模制樹脂覆蓋。該半導體裝置包括接合半導體元件和散熱片的焊接層、涂覆在與散熱片表面上的樹脂相接觸的表面的聚酰胺樹脂等，以提高樹脂的粘結性。在該半導體裝置中，聚酰胺樹脂的涂層厚度被限定為約為焊料層的厚度尺寸的20%以下(例如，參見日本專利申請公開第號(JPA))o
[0003]根據上述JP 中描述的構造，當通過降低半導體元件周圍的聚酰胺樹脂的涂層厚度而提高散熱片和半導體元件周圍的模制樹脂之間的粘結性時，當熱應力起作用時可以防止模制樹脂被剝離。
[0004]現在，模制樹脂在成型后由于吸收水分會部分膨脹。在膨脹期間，在如散熱片等的金屬構件的外周部中在垂直于金屬構件表面的方向上產生拉伸應力，并且，會在金屬構件的外周部中引起樹脂部的剝離。另外，由于處于金屬構件的外周部的如聚酰胺樹脂的底料層的厚度變薄，粘結強度降低且樹脂部趨于被剝離。在這樣的金屬構件的外周部中的樹脂部的剝離可以產生由于當在樹脂部的側部中產生裂紋時異物侵入到半導體元件的安裝區域而引起的耐壓性降低、半導體元件絕緣性的降低等。

【發明內容】

[0005]本發明提供一種可阻止金屬板的外周部的樹脂部被剝離的半導體裝置及其制造方法。
[0006]根據本發明的第一方案的半導體裝置包括金屬構件、半導體元件、樹脂部、底料層、以及剝離抑制部。金屬構件具有包括半導體元件安裝區和樹脂緊密接觸區的表面，樹脂緊密接觸區從半導體元件安裝區延伸至金屬構件的外周邊緣。半導體元件安裝在半導體元件安裝區上。樹脂部延伸到金屬構件的側表面外的位置，與樹脂緊密接觸區緊密接觸，并且一體地覆蓋半導體元件和金屬構件。底料層被布置在樹脂緊密接觸區和樹脂部之間。剝離抑制部被構造成抑制金屬構件和樹脂部由于樹脂部吸收水分而在樹脂緊密接觸區的外周部彼此剝離。
[0007]根據本發明的第二方案的半導體裝置包括金屬構件、半導體元件、樹脂部、以及底料層。金屬構件具有包括半導體元件安裝區和樹脂緊密接觸區的表面，樹脂緊密接觸區從半導體元件安裝區延伸至金屬構件的外周邊緣。半導體元件安裝在半導體元件安裝區上。樹脂部具有吸濕性并延伸到金屬構件的側表面外的位置，樹脂部與樹脂緊密接觸區緊密接觸，并一體地覆蓋半導體元件和金屬構件。底料層被布置在樹脂緊密接觸區和樹脂部之間。此外，構造為抑制金屬構件和樹脂部在所述樹脂緊密接觸區的外周部彼此剝離的剝離抑制構件設置至金屬構件和樹脂部中的至少一個。
[0008]根據本發明的第一和第二方案的半導體裝置，可以抑制在金屬構件的外周部的樹脂部的剝離。
[0009]根據本發明的第三方案的半導體裝置的制造方法，包括:在引線框架原材料上執行鍍金屬處理;通過在鍍過的引線框架原材料上執行壓力加工來形成具有從鍍層露出的側表面的引線框架原材料;在壓力加工后的引線框架原材料的表面上安裝半導體元件;在安裝了半導體元件的引線框架原材料的表面和側表面上涂覆底料;并且在涂覆底料后通過對樹脂進行塑模而將引線框架原材料和半導體元件一體地密封以使樹脂與引線框架原材料的表面和側表面緊密接觸。
[0010]根據本發明的第三方案的制造方法，可以抑制金屬構件的外周部的樹脂部的剝離。
【附圖說明】
[0011]下面將參照附圖對本發明的示范性實施例的特征、優點以及技術和工業意義進行描述，其中相同的附圖標記表示相同的元件，其中:
[0012]圖1是示出本發明的實施例(第一實施例)的半導體裝置的俯視圖；
[0013]圖2是通過省略圖1的半導體裝置的樹脂部得到的示意圖；
[0014]圖3是沿圖1中II1-1II線截取的橫截面視圖；
[0015]圖4是沿圖1中IV-1V線截取的橫截面視圖；
[0016]圖5是圖3的X部分的放大圖；
[0017]圖6是示出在樹脂部66吸收水分膨脹期間作用在樹脂緊密接觸區540a和樹脂部66之間的界面上的垂直應力的分析結果的示意圖；
[0018]圖7是示出底料層的厚度和抗張強度之間的關系的示意圖；
[0019]圖8是示出根據本實施例(實施例1)的剝離抑制部的橫截面視圖；
[0020]圖9A和圖9B是示出凹槽部100的效果的橫截面視圖；
[0021]圖1OA到1D是示出凹槽部100的橫截面形狀的變型的示意圖；
[0022]圖1lA到圖1lD是示出包括根據實施例1的剝離抑制部的半導體裝置1A的制造方法的實施例的示意圖；
[0023]圖12是示出根據本發明另一實施例(實施例2)的剝離抑制部的橫截面視圖；
[0024]圖13是示出根據實施例2的變型實施例的剝離抑制部的橫截面視圖；
[0025]圖14是示出根據本發明的另一實施例(實施例3)的剝離抑制部的橫截面視圖；
[0026]圖15A到圖15D是示出包括根據實施例3的剝離抑制部的半導體裝置1B的制造方法的實施例的示意圖；
[0027]圖16是示出根據本發明的另一實施例(實施例4)的剝離抑制部的橫截面視圖；并且
[0028]圖17A到圖17D是示出包括根據實施例4的剝離抑制部的半導體裝置1C的制造方法的實施例的示意圖。
具體實施例
[0029]下文中，將參照附圖對各個實施例進行說明。
[0030]圖1是示出根據實施例(第一實施例)的半導體裝置的俯視圖。圖2是通過省略圖1中半導體裝置的樹脂部得到的示意圖。圖3是沿圖1的II1-1II線的橫截面視圖。圖4是沿圖1的IV-1V線的橫截面視圖。在圖3和圖4中，省略下面描述的底料層80和剝離抑制部。
[0031]半導體裝置10通常用于諸如用于驅動混合動力車輛和電動車輛中的行走馬達的逆變器和變換器等的電力變換器中。然而，半導體裝置10可以用于車輛的其它應用中(例如，用于電動轉向裝置)，或者可以用于除車輛之外的不同應用中(例如，用于其他電驅動裝置的電源裝置等)。
[0032]為了方便起見，在下面的描述中，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)元件的厚度方向被取為Z方向。此外，正交于Z方向并且排布了構成上下臂的兩個IGBT元件的方向被取為X方向。此外，既正交于X方向又正交于Z方向的方向被取為Y方向。而且，在以下的說明中，盡管為了方便起見，Z方向對應于垂直方向，并且第一端子60相對于第一散熱片50而所在的側被取為“上側”，但半導體裝置10的安裝方向是可選的。
[0033]如圖1到圖4所示，半導體裝置10包括IGBT元件20和30、FWD(續流二極管)元件28和38、高電位電源端子40、低電位電源端子42、輸出端子44、以及包括柵極端子46g的控制端子46。此外，半導體裝置10包括四個散熱片50、52、54和56、接觸部58、兩個端子60和62、焊料64、以及樹脂部66。
[0034]IGBT元件20和FWD元件28形成上下臂的上臂，并且，IGBT元件30和FWD元件38形成上下臂的下臂。
[0035]如圖2和圖3所示，IGBT元件20包括在其下表面側上的集電極22以及在其上表面側上的發射極24和柵電極26。
[0036]第一散熱片50被布置在IGBT元件20的下表面側上。集電極22通過焊料64與第一散熱片50的上側上的表面50a電連接和機械連接。在圖2所示的實施例中，FWD元件28的陰極也與第一散熱片50的上側上的表面50a連接。
[0037]如圖2所示，第一散熱片50是大致上呈矩形的金屬板，并且包括從第一散熱片50的矩形的一邊沿Y方向延伸的高電位電源端子40。第一散熱片50可以由單個異形引線框架和高電位電源端子40等一起形成。可替代地，高電位電源端子40可以形成為與第一散熱片50相分離的主體且附接到第一散熱片50。高電位電源端子40通過第一散熱片50而與IGBT元件20和FWD元件28電連接。如圖1所示，高電位電源端子40的一部分從樹脂部66的側表面(具有Y方向作為法線的側表面)向外突出。
[0038]如圖3和圖4所示，第一散熱片50的下側上的表面50b從樹脂部66的下側上的表面66a露出。這樣，由IGBT元件20和FWD元件28產生的熱量能夠從第一散熱片50的表面50b向外散發。在圖3所示的實施例中，雖然第一散熱片50的下側上的表面50b與樹脂部66的下側上的表面66a齊平，但是，可以在Z方向上偏移。
[0039]在IGBT元件20的頂面側上布置第一端子60使得第一端子60在Z方向上不與柵電極26重疊，而是面對發射極24。第一端子60是平的金屬板(金屬塊)，但可以具有彎曲部。第一端子60的下側上的表面通過焊料64與發射極24電連接和機械連接。FWD元件28的陽極也連接到第一端子60的下側上的表面。第一端子60具有用于將IGBT元件20和FWD元件28與第二散熱片52電連接的中繼功能，以及用于確保在執行對柵電極26的引線接合時的高度的功會K。
[0040]柵電極26通過接合線48與對應上臂的控制端子46的柵極端子46g連接，對應上臂的控制端子46可以由單個異形引線框架和第一散熱片50、高電位電源端子40等一起形成。除了柵極端子46g以外，對應上臂的控制端子46還可以包括與溫度測量二極管、感測發射極等連接的端子。如圖1和圖2所示，對應上臂的控制端子46從與樹脂部66中的高電位電源端子40的突出側相對的側上的側表面(具有Y方向作為法線的側表面)向外突出。
[0041]第二散熱片52被布置在第一端子60上側上的表面上。第二散熱片52的下側上的表面52a通過焊料64與第一端子60上側上的表面電連接和機械連接。這樣，第二散熱片52通過第一端子60與IGBT元件20的發射極24和FWD元件28的陽極電連接。
[0042]第二散熱片52是大致上呈矩形的金屬板且被布置為使得在俯視圖中(在Z方向上的向下視圖)第二散熱片52的大部分與第一散熱片50重疊。如圖2所示，第二散熱片52具有與第一散熱片50的外部形狀大致相同的矩形形狀。第二散熱片52的上側上的表面52b從樹脂部66的上側上的表面66b露出。因此，由IGBT元件20和FWD元件28產生的熱量可以通過第一端子60從第二散熱片52的表面52b向外散發。在圖3和圖4所不的實施例中，盡管第二散熱片52的上側上的表面52b是與樹脂部66的上側上的表面66b齊平，但可以在Z方向上偏移。
[0043]作為接觸部58的元件的第一接觸部58a—體地設置至第二散熱片52。然而，第一接觸部58a可以形成為與第二散熱片52相分離的主體，并且附接到第二散熱片52。第一接觸部58a在X方向上朝向IGBT元件30延伸。
[0044]如圖2和圖3所示，IGBT元件30包括下表面側上的集電極32和上表面側上的發射極34和柵電極36 JGBT元件30布置為在X方向上與IGBT元件20平行。在圖3所示的實施例中，IGBT元件30被布置為處于IGBT元件30相對于IGBT元件20在Y方向上無偏移的關系中。然而，IGBT元件30可以具有Y方向上的偏移。
[0045]IGBT元件30的下表面側上布置有第三散熱片54。集電極32通過焊料64與第三散熱片54的上表面54a電連接和機械連接。在圖2所示的實施例中，FWD元件38的陰極也與第三散熱片54的上表面54a相連接。
[0046]如圖2所示，第三散熱片54是大致上呈矩形的金屬板，并具有從第三散熱片54的矩形的一邊在Y方向上延伸的輸出端子44。第三散熱片54可以由單個異形引線框架和輸出端子44等一起形成。可替代地，輸出端子44可以形成為與第三散熱片54相分離的主體，并且附接到第三散熱片54。因此，輸出端子44通過第三散熱片54與IGBT元件30和FWD元件38電連接。如圖2所示，輸出端子44的一部分從樹脂部66的側表面(具有Y方向作為法線的側表面)向外突出。輸出端子44所從中突出的樹脂部66的側表面與高電位電源端子40所從中突出的樹脂部66的側表面相同。
[0047]如圖3和圖4所示，在第三散熱片54的下側上的表面54b從樹脂部66的下側上的表面66a露出。這樣，通過IGBT元件30和FWD元件38產生的熱量可以從第三散熱片54的表面54b向外散發。在圖3和圖4所示的實施例中，盡管第三散熱片54的下側上的表面54b與樹脂部66的下側上的表面66a齊平，但可以在Z方向上偏移。
[0048]作為接觸部58的元件的第二接觸部58b—體地設置至第三散熱片54中。然而，第二接觸部58b可以形成為與第三散熱片54相分尚的主體，并且附接到第三散熱片54。如圖3所示的實施例中，第二接觸部58b在向上方向上朝向第四散熱片56的下側上的表面56a延伸，并且在X方向上朝向IGBT元件20側延伸。如圖3所示，第二接觸部58b通過焊料64與第一接觸部58a電連接和機械連接。第二接觸部58b和第一接觸部58a在X方向上形成在第二散熱片52和第三散熱片54之間，并且在X方向上在第二散熱片52和第三散熱片54之間相互電連接和機械連接。
[0049]第二端子62布置在IGBT元件30的頂面側上，使得第二端子62在Z方向上不與柵電極36重疊，而是面對發射極34。第二端子62是平的金屬板(金屬塊)，但是可以具有彎曲部。在第二端子62的下側上的表面通過焊料64與發射極34電連接和機械連接。FWD元件38的陽極也連接到第二端子62的下側上的表面上。第二端子62具有用于將IGBT元件30和FWD元件38與第四散熱片56進行電連接的中繼功能，以及用于確保執行對柵電極36的引線接合時的高度的功能。
[0050]柵電極36通過接合線48與對應下臂的控制端子46的柵極端子46g相連接。對應下臂的控制端子46可以由單個異形引線框架和第三散熱片54、輸出端子44等一起形成。除了柵極端子46g以外，對應下臂的控制端子46還可以包括與溫度測量二極管、感測發射極等連接的端子。如圖1和圖2所示，對應下臂的控制端子46從與樹脂部66中高電位電源端子40的抽出側相對的側上的側表面(具有Y方向作為法線的側表面)向外突出。
[0051]第四散熱片56布置在第二端子62的上側上的表面上。第四散熱片56的下側上的表面56a通過焊料64與第二端子62的上側上的表面電連接和機械連接。由此，第四散熱片56通過第二端子62與IGBT元件30的發射極34和FWD元件38的陽極電連接。
[0052]第四散熱片56是大致上呈矩形的金屬板且被布置為使得在俯視圖(在Z方向上的向下視圖)中第四散熱片56的大部分與第三散熱片54重疊。如圖2所示，第四散熱片56具有與第三散熱片54的外部形狀大致相同的矩形形狀。第四散熱片56的上側上的表面56b從樹脂部66的上側上的表面66b露出。因此，由IGBT元件30和FWD元件38產生的熱量可以通過第二端子62從第四散熱片56的表面56b向外散發。在圖3和圖4所示的實施例中，盡管第四散熱片56的上側上的表面56b與樹脂部66的上側上的表面66b齊平，但可以在Z方向上偏移。
[0053]第四散熱片56包括限定表面56a和56b的主體部56c和在X方向上從主體部56c的側表面延伸到IGBT元件20側的延伸部56d。延伸部56d與主體部56c形成為一體。然而，延伸部56d可以形成為與主體部56c相分離的主體，并且附接到主體部56c。延伸部56d以與接觸部58相同的方式形成在X方向上第四散熱片56的主體部56c和第二散熱片52(除了第一接觸部58A之外的主體部)之間。然而，延伸部56d相對于接觸部58在Y方向上偏移，以便不與接觸部58重疊。
[0054]低電位電源端子42與第四散熱片56電連接。具體地，如圖4所示，低電位電源端子42通過焊料64與第四散熱片56的延伸部56d電連接和機械連接。低電位電源端子42可以由單個異形引線框架和第三散熱片54、輸出端子44、對應下臂的控制端子46等一起形成。如圖2所示，低電位電源端子42的一部分從樹脂部66的側表面(具有Y方向上的法線的側表面)向外突出。低電位電源端子42所從中突出的樹脂部66的側表面與高電位電源端子40和輸出端子44所從中突出的樹脂部66的側表面相同。
[0055]低電位側端子42布置在X方向上第四散熱片56的主體部56c和第二散熱片52之間的區域70(除了第一接觸部58a之外的主體部)中，也就是，布置有延伸部56d的區域70中。因此，如圖2所示，高電位電源端子40、低電位電源端子42和輸出端子44布置為低電位電源端子42在X方向上位于輸出端子44和高電位電源端子40之間的位置關系。在圖中所示的實施例中，整個低電位電源端子42布置在第四散熱片56的主體部56c和第二散熱片52(除了第一接觸部58a之外的主體部)之間的區域中。
[0056]樹脂部66—體地密封IGBT元件20和30、FWD元件28和38、高電位電源端子40的一部分、低電位電源端子42的一部分、輸出端子44的一部分、控制端子46的一部分、在各個散熱片50、52、54和56中除了表面50b、52b、54b和56b之外的部分、接觸部58以及相應的端子60和62。在圖中所示的實施例中，樹脂部66形成為大致上呈長方體的外形。如上所述，如圖2所示，高電位電源端子40、低電位電源端子42和輸出端子44在Y方向上從樹脂部66的側表面突出。高電位電源端子40、低電位電源端子42以及輸出端子44在樹脂部66的側表面上的突出位置可以是Z方向上的任意位置，例如，在Z方向上接近樹脂部66的側表面上的中心。
[0057]在各個散熱片50、52、54和56中形成底料層80(參照圖5)以提高樹脂部66和相應的各個散熱片50、52、54和56之間的粘結性，底料層80由如聚酰胺膜形成。底料層80可以由諸如聚酰胺-酰亞胺、聚酰亞胺或環氧樹脂等其他材料形成。底料層80可以由任意的涂覆法(浸漬法、旋轉法、點膠法等)進行涂覆。為了提高底料層80與各個散熱片50、52、54和56的粘結性，對相應的散熱片50，52，54和56應用諸如鍍鎳或鍍金的鍍金屬處理。
[0058]這樣構造的半導體裝置10是一體地包括構成上下臂(包括在單個樹脂部66中)的兩個IGBT元件20和30的所謂的2合I封裝。另外，散熱片50、52、54和56布置在IGBT元件20和30的每一個的Z方向上的兩側上，來自IGBT元件20和30的熱量可以從Z方向上的兩側被散發，也就是，這是一種放熱性優異的構造。然而，半導體裝置10可以不是2合I封裝，可以具有包括IGBT元件20或30的構造，或者可以是所謂的6合I封裝，其一體地包括(包括在單個樹脂部66中)三相(U相、V相和W相)各自的上下臂的IGBT元件20和30。
[0059]另外，高電位電源端子40和低電位電源端子42相鄰地布置在X方向上(其間沒有插入輸出端子44)。因此，相比于輸出端子44在X方向上布置在高電位電源端子40和低電位電源端子42之間的構造，可以縮短在X方向上高電位電源端子40和低電位電源端子42之間的距離。因此，可以減小切換IGBT元件20和30時所產生的浪涌電壓。然而，從樹脂部66露出的相應端子40、42和44的數量、種類、對齊方式等是任意的。例如，可以任意地選擇相應的端子40、42和44所從中露出的樹脂部66的側。
[0060]如下所述，第一散熱片50、第三散熱片54、高電位電源端子40、低電位電源端子42、輸出端子44、以及相應于上下臂的控制端子46可以由單個的異形引線框架形成。因此，可以實現生產率優異的構造。然而，這些構成元件的制造方法是任意的。
[0061]根據本實施例的半導體裝置10包括剝離抑制部，其阻止了由于樹脂部66吸收水分而引起的散熱片50、52、54和56與樹脂部66從各散熱片50、52、54和56的表面的外周部彼此剝離。下面，將對剝離抑制部進行更詳細的說明。下文中，作為一個典型的例子，將對阻止第三散熱片54和樹脂部66彼此之間剝離的剝離抑制部進行說明。剝離抑制部可以設置至每個散熱片50、52、54和56，或者可以設置至散熱片50、52、54和56中的任何一個、兩個或三個。在圖1到圖4中，省略剝離抑制部而未在圖中示出。
[0062]在以下描述中，為方便起見，以俯視圖中的第三散熱片54的中心0(見圖2)為參照使用“內部”和“外部”。也就是說，“內部”是接近第三散熱片54的中心O的一側，而“外部”遠離第三散熱片54的中心O的一側。
[0063]這里，首先，在描述剝離抑制部之前，將對由于樹脂部66的水分吸收而造成剝離的原理進行說明。
[0064]圖5是圖3中X部分的局部放大圖，在圖5中，為了便于描述剝離的原理，在圖中省略剝離抑制部。在下文中，未設置剝離抑制部的構造(構造例如圖5所示)被作為參考實施例。
[0065]如上所述，樹脂部66與第三散熱片54的表面54a、IGBT元件30、FWD元件38等緊密接觸。例如，第三散熱片54的表面54a與不包括IGBT元件30和FWD元件38之間的接合區(與焊層64接觸的部分)540b在內的區域540a緊密接觸。接合區540b對應于用于安裝IGBT元件30和FWD元件38的元件安裝區。區域540a形成在接合區540b的周圍并且從接合區540b延伸到表面54a的外周部。下文中，區域540a將被稱作“樹脂緊密接觸區540a”。在根據以下所述的實施例的一些情況中樹脂部66與第三散熱片54的側表面54c緊密接觸，且一些情況下不用有意地緊密接觸(或粘結強度降低)。
[0066]如上所述，底料層80形成在第三散熱片54上以提高樹脂部66和第三散熱片54之間的粘結性。底料層80至少形成在樹脂緊密接觸區540a。
[0067]樹脂部66被塑模后吸收大氣中的水分而擴張(膨脹)。當在樹脂部66(參照圖5的箭頭標記Rl)中的第三散熱片54的外側上的區域66c(在下文中，稱為“散熱片圍繞部66c”)擴張時，拉伸應力被施加到樹脂緊密接觸區540a和樹脂部66之間的接合表面。例如，在樹脂部66的散熱片圍繞部66c在吸收水分期間沿圖5中所示的箭頭A方向擴張的同時，向下的載荷F通過樹脂部66的散熱片圍繞部66c和第三散熱片54的側表面54c之間的緊密接觸部被施加到第三散熱片54。因此，第三散熱片54的外周部傾向于向下變形，拉伸應力產生在樹脂緊密接觸區540a和樹脂部66之間的接合表面中。結果是，在第三散熱片54的外周部中，第三散熱片54的表面54a與樹脂部66之間的粘結強度下降且趨向于發生剝離。
[0068]圖6是示出在樹脂部66吸收水分膨脹期間作用在樹脂緊密接觸區540a和樹脂部66之間的界面上的垂直應力的分析結果的示意圖。圖6的分析結果是與不包括剝離抑制部的參考實施例相關的。在圖6中，垂直應力在垂直軸中示出，O的下側示出壓縮方向，上側示出拉伸方向。橫軸示出從元件端Pl至外周邊緣P2的樹脂緊密接觸區540a的各個位置。在圖6中，虛線示出了吸收水分前的狀態，實線示出了吸收水分后的狀態。
[0069]吸收水分前的狀態(例如，在塑模后下一刻的狀態)是粘結強度高的狀態，如圖6中的虛線示出的，壓縮應力作用在第三散熱片54的表面54a和樹脂部66之間。另一方面，在樹脂部66吸收水分而膨脹的期間，如圖6中的實線所示，在第三散熱片54的表面54a和第三散熱片54的外周部中的樹脂部66之間的拉伸方向上產生了垂直應力。這是因為，如上所述，由于樹脂部66的散熱片圍繞部66c的擴張，向下的載荷F(見圖5)作用在第三散熱片54的外周部。
[0070]圖7是示出了底料層80的厚度與抗張強度之間的關系的示意圖，在圖7中，抗張強度在垂直軸中示出且底料層80的厚度在水平軸中示出。底料層80的厚度是當底料層80被沿垂直于第三散熱片54的表面54a的表面切割時產生的橫截面的厚度。
[0071]如圖7所示，抗張強度超過15MPa(兆帕)對應的底料層80的厚度為0.Ιμπι以上，抗張強度穩定在60MPa附近對應的底料層80的厚度為0.2μπι以上。
[0072]當在表面張力的影響下IGBT元件30和FWD元件38周圍的底料層變厚的同時，第三散熱片54的外周部變薄。這種現象的發生無關底料層80的涂覆方法。例如，在一些涂覆方法中，在元件端Pl處的底料層80的厚度為0.6μπι時，外周邊緣P2處的底料層80的厚度為0.05μm。這意味著，底料層80的抗張強度在第三散熱片54的外周部中相對下降。這成為引起上述的剝離的因素，即樹脂部66隨著第三散熱片54的外周部產生的拉伸應力而從第三散熱片54的外周部的樹脂緊密接觸區540a剝落。
[0073]圖8是示出根據本實施例(實施例1)的剝離抑制部的橫截面視圖。
[0074]本實施例的剝離抑制部通過形成在第三散熱片54的樹脂緊密接觸區540a中的凹槽部100來實現。優選地，凹槽部100形成在第三散熱片54的樹脂緊密接觸區540a的外周部的整個周界上(見圖11)，但也可以僅部分地形成而不擴展到整個周界。由于在涂覆底料層期間，凹槽部100成為底料的液體儲存器，可以避免底料在表面張力的影響下被從第三散熱片54的外周部吸到其內側。凹槽部100的深度是任意的，但例如可以是大約0.3mm。
[0075]凹槽部100形成在自第三散熱片54的表面54a的外周邊緣P2起向內側3mm以下的范圍內，優選地，形成為在自外周邊緣P2起向內側0.3mm至1.2mm的范圍內，并且，最優選地，設置在自外周邊緣P2起向內側0.4mm-0.8mm之間的范圍內。如圖6所示，這是因為當不存在凹槽部100時，拉伸應力在自第三散熱片54的表面54a的外周邊緣P2起向內側3mm以下的范圍內產生。另外，如圖6所示，當不存在凹槽部100時，5MPa的拉伸應力產生在自外周邊緣P2起向內側0.3mm至1.2mm的范圍內(參照圖6中的C)。另外，當不存在凹槽部100時，1MPa的拉伸應力產生在自外周邊緣P2起向內側0.4mm至0.8mm的范圍內(參照圖6的B)。當凹槽部100形成在產生這樣的拉伸應力的范圍內時，可以有效地增加在該范圍內以及在至外周邊緣P2的范圍內的底料層80的厚度。
[0076]自外周邊緣P2起的距離(例如，有關0.3至1.2mm的區域的“0.3mm”等)可以是自外周邊緣P2起測量的最短距離(當表面54a的形狀為矩形時，在垂直方向上到一邊的距離)。可替代地，其可以是沿著作為目標的從外周邊緣P2到IGBT元件30的距離為最短距離的方向測量的距離。
[0077]圖9A和圖9B是示出了凹槽部100的效果的橫截面視圖，以及在樹脂緊密接觸區540a的多個點測量的底料層80的厚度的測量結果圖。圖9A和圖9B示出了涂覆的實施例，其中凹槽部100具有不同的橫截面形狀。然而，由于涂覆條件不同，數值的差異不僅是由凹槽部100的截面形狀產生的。
[0078]在圖9A所示的實施例，通過設置凹槽部100，在第三散熱片54的外周部也可以保證約0.5mm的底料層80的厚度。如圖7所示，當底料層80的厚度被保持在約0.5mm時，高的抗張強度也可以給予第三散熱片54的外周部的底料層80，并且，可以有效地抑制樹脂部66從第三散熱片54的外周部的樹脂緊密接觸區540a剝離。
[0079]另外，在圖9B所示的實施例中，通過形成凹槽部100，在第三散熱片54的外周部也可以保證約0.1mm的底料層80的厚度。如圖7所示，當保證底料層80的厚度約為0.1mm時，也可以給予高抗張強度(15MPa以上的抗張強度)到第三散熱片54的外周部中的底料層80，并且，可以有效地抑制樹脂部66從第三散熱片54的外周部的樹脂緊密接觸區540a剝離。
[0080]此處，當如圖7所示的第三散熱片54的外周部的底料層80的厚度至少為0.1mm以上時，可以保證15MPa以上的抗張強度，可以應對圖6中所示的拉伸應力的最大值(小于15MPa)。然而，凹槽部100優選地構造成使得第三散熱片54的外周部中的底料層80的厚度為
0.2mm以上。參考圖7如上所述，這是因為相對于0.2μπι以上的底料層80的厚度，抗張強度穩定在60MPa附近。
[0081]由于凹槽部100成為液體存儲器，因此，凹槽部100中的底料層80的厚度變得相對較大。例如，在一個涂覆實施例中，具有3mm深度的凹槽部100中的底料層80的厚度達到約5μmD
[0082 ]圖1OA到圖1OD是顯示了凹槽部100的橫截面形狀的變型的示意圖。凹槽部的截面形狀是任意的，但也可以是如圖1OA到圖1OD中顯示的各凹槽部100a、100b、10c和10d中任一凹槽部的橫截面形狀。凹槽部10a的橫截面形狀是由矩形橫截面和三角形橫截面組合形成的，并且下側的三角形橫截面的上部(頂端部)與矩形橫截面重疊。凹槽部10b的截面形狀是矩形橫截面；凹槽部10c的橫截面形狀是三角形橫截面，其中，外側上的垂直壁垂直于表面54a。凹槽部10d的截面形狀為三角形橫截面，其中，外側上的垂直壁101相對于表面54a在垂直壁101的上邊緣側是外側的方向上傾斜。具體地，在凹槽部10d的情況下，凹槽部10d的垂直壁101與平行于表面54a的表面之間的角度優選地設置為45°以上。因此，在第三散熱片54受熱收縮期間，在剪切方向上相對于樹脂部66的第三散熱片54的相對運動(見箭頭標記A2)被抑制，并且，可以提高粘結強度。例如，典型地，由于第三散熱片54的線性膨脹系數大于樹脂部66，在樹脂部66被塑模后，第三散熱片54收縮的比塑模后的樹脂部66更多，樹脂部66趨向于相對于第三散熱片54在箭頭標記A2方向上相對移動。然而，通過凹槽部10d的垂直壁101可以抑制這樣的運動。
[0083]圖1IA到圖1ID是顯示了包括根據實施例1的剝離抑制部的半導體裝置1A的制造方法的實施例的示意圖。
[0084]首先，如圖1lA所示，制備引線框架(異形引線框架)300。在引線框架300中，通過壓力加工而形成凹槽部100。在圖1IA所示的實施例中，第一散熱片50和第三散熱片54的每一個形成有凹槽部100。
[0085]然后，如圖1IB所示，IGBT元件20和30、FWD元件28和38、各自的端子60和62、第二散熱片52和第四散熱片56被安裝在引線框架300上，然后，進行引線接合。此后，也涂敷底料而形成底料層80。
[0086]接著，如圖1IC所示，通過塑模成形而形成樹脂部66。
[0087]接著，樹脂部66各個上部，第二散熱片52和第四散熱片56等是機加工的，并且，如圖1lD所示，如連接條帶等引線框架300中多余的區域被切割，從而，完成半導體裝置10A。
[0088]圖12是示出根據本發明的另一實施例(實施例2)的剝離抑制部的橫截面視圖。
[0089]本實施例的剝離抑制部是由形成在散熱片環繞部分66c中的凹槽部120來實現的。如上所述，散熱片圍繞部66c對應于樹脂部66中第三散熱片54的外側區域(參照圖12中的箭頭標記Rl)。凹槽部120可以是由形成樹脂部66的模具的突出部或套筒形成的。
[0090]根據本實施例，由于散熱片圍繞部66c的體積減少了凹槽部120的量，因此，在吸收水分期間散熱片圍繞部66c本身的膨脹量減小。因此，可以減小由于樹脂部66的散熱片圍繞部66c的擴張而作用到第三散熱片54的向下的載荷F(參照圖5)。其結果是，拉伸應力(參見圖6)被減少，可以有效地抑制樹脂部66從第三散熱片54的外周部的樹脂緊密接觸區540a剝離。
[0091]凹槽部120優選地形成在整個周界上以便于包圍在散熱片圍繞部66c中的第三散熱片54。可替代地，凹槽部120可以部分地形成而不是在整個周界上。凹槽部120的截面形狀是任意的，可以是三角形的橫截面等而不限制于如圖所示的矩形橫截面。另外，適當地確定凹槽部120的深度或寬度(S卩，體積)使得可以顯著地減少載荷F(參照圖5)。例如，凹槽部120的深度可以與第三散熱片54的厚度相同。凹槽部120可以形成在圖12的橫截面視圖的橫向方向上的散熱片圍繞部66c中的任意位置，但是，優選地形成在第三散熱片54的附近。在這種情況下，可以有效地減小載荷F(參見圖5)的大小。在這點上，如圖13所示，最終，凹槽部120可以被形成為鄰近第三散熱片54的側表面54c。在這種情況下，凹槽部120的深度優選地設定為與第三散熱片54厚度相同或更小。
[0092]圖14是示出根據本發明的另一實施例(實施例3)的剝離抑制部的橫截面視圖。
[0093]根據本實施例的剝離抑制部是通過形成在散熱片圍繞部66c的表面上的防水材料涂層130來實現的。防水材料涂層130可以通過使用任意的防水材料形成。防水材料可以是如基于聚烯烴的樹脂、基于丙烯的樹脂或基于硅酮的樹脂。此外，涂覆方法是任意的，而絲網印刷法、浸漬法、噴涂法、點膠法等均可使用。
[0094]根據本實施例，由于防水材料涂層130，散熱片圍繞部66c的水分吸收量減少，并且散熱片圍繞部66c在吸收水分期間的膨脹量也減少。因此，可以減少由于樹脂部66的散熱片圍繞部66c的擴張而作用到第三散熱片54的向下的載荷F(參照圖5)。其結果是，拉伸應力(參見圖6)減小，并且可以有效地抑制樹脂部66從第三散熱片54的外周部的樹脂緊密接觸區540a剝離。
[0095]防水材料涂層130優選為形成在整個周界上，以便包圍散熱片圍繞部66c中的第三散熱片54的上部表面54a(參照圖15D)，但可以僅部分地形成而不是在整個周界上形成。適當地確定防水材料涂層130的涂層寬度W使得負荷F(參照圖5)可以顯著減小。防水材料涂層130的涂層寬度W優選地設定為散熱片圍繞部66C的厚度D或更大(在該圖所示的實施例中，W<D)。涂層寬度W在整個周界上不一定恒定，而是可以根據可用區域的寬度來適當地設定。另外，防水材料涂層130可以被附加地形成在散熱片圍繞部66c的側表面上。
[0096]圖15A到圖15D是示出包括根據實施例3的剝離抑制部的半導體裝置1B的制造方法的實施例的示意圖；
[0097]首先，如圖15A中所示，IGBT元件20和30、FWD元件28和38、各端子60和62、以及第二散熱片52和第四散熱片56被安裝在引線框架302上，且執行引線接合。此后，也涂覆底料并形成底料層80。
[0098]接著，如圖15B所示，樹脂部66由塑模成形而形成。
[0099]接著，如圖15C所示，樹脂部66各個上部、第二散熱片52、以及第四散熱片56等被機械加工，并且連接條帶等被切斷。
[0100]接著，如圖15D所示，防水材料涂覆在樹脂部66上以形成防水材料涂層130，然后，半導體裝置1B加工完成。
[0101]圖16是示出根據本發明的剝離抑制部的另一實施例(實施例4)的橫截面視圖。
[0102]本實施例的剝離抑制部是通過減小第三散熱片54的側表面54c和散熱片圍繞部66c之間的粘結力來實現的。如圖16所示，降低粘結力的方法可以是不在第三散熱片54的側表面54c上形成底料層80(然而，底料層80形成在第三散熱片54的上表面54a上)。可替代地，降低粘結力的方法可以是不將在第三散熱片54的上表面54a上應用的鍍金屬處理應用至第三散熱片54的側表面54c上，或者是一種去除伴隨著應用到第三散熱片54的上部表面54a上的鍍金屬處理而形成的第三散熱片54的側表面54c的鍍層。例如，在應用到第三散熱片54的上表面54a的鍍金屬處理是鍍鎳處理的情況下，第三散熱片54由銅形成，且底料層80由聚酰胺形成，即使當底料涂覆在第三散熱片54的側表面54c時，也可以實現粘結力的減少。這是因為，雖然聚酰胺與鎳之間具有高粘結性，但其與銅之間不具有高粘結性。這是因為銅易于在表面上生成氧化物膜，即使當涂覆有底料時，粘結性也被氧化膜破壞，其結果是，底料層80和第三散熱片54的側表面54c之間的粘結強度下降。
[0103]根據本實施例，由于第三散熱片54的側表面54c與散熱片圍繞部66c之間的粘結力減小，可以減少由于樹脂部66的散熱片圍繞部66c的膨脹而作用到第三散熱片54的向下負荷F(參照圖5)。也就是說，可以減小通過樹脂部66的散熱片圍繞部66c和第三散熱片54的側表面54c之間的緊密接觸部傳遞的向下載荷F(參照圖5)。其結果是，可以降低拉伸應力(見圖6)，并且，可以有效地抑制樹脂部66從第三散熱片54的外周部的樹脂緊密接觸區540a剝離。
[0104]圖17A到圖17D是示出包括根據實施例4的剝離抑制部的半導體裝置1C的制造方法的實施例的示意圖。
[0105]首先，如圖17A所示，制備引線框架304。引線框架304是通過對引線框架原材料(在本實施例中為銅)實施鍍鎳處理，然后，通過應用壓力加工形成的。通過在壓力加工之前應用鍍鎳處理，可以形成側表面未設置鍍鎳層90的引線框架304。也就是說，引線框架304的側表面為露出銅的狀態。如上所述，氧化膜在引線框架304的側表面生長。
[0106]然后，如圖17B所示，IGBT元件20和30、FWD元件28和38、各個端子60和62、第二散熱片52和第四散熱片56被安裝在引線框架304上，并且執行引線接合操作。此后，也涂覆底料以形成底料層80。此時，底料層也可以在引線框架304的側表面上涂覆。例如，當使用浸漬法進行涂覆時，必然會將底料層涂覆在引線框架304的側表面上。
[0107]接著，應用如圖17C所示的塑模成形以形成樹脂部66。此時，在樹脂部66也與引線框架304上不包括鎳鍍層的側表面緊密接觸的同時，如上所述，由于氧化膜的破壞，第三散熱片54的側表面54c與樹脂部66(散熱片圍繞部66c)之間的粘結力減小。
[0108]然后，如圖17D所示，樹脂部66的各個上部、第二散熱片52和第四散熱片56被機械加工，并且連接條帶等被切斷，從而，半導體裝置1C加工完成。
[0109]以上，已經對各實施例進行了詳細說明。然而，本發明并不限于特定的實施例，并且可以應用各種修改和變型。此外，可以對上述實施例的所有的或多個構成要素進行組合。
[0110]例如，根據上述的各實施例的剝離抑制部可以與任意的構造進行組合。例如，根據本實施例1的剝離抑制部可以與根據本實施例2的剝離抑制部、根據實施例3的剝離抑制部以及根據實施例4的剝離抑制部的任何一種、任意的兩種、或所有進行組合。
[0111]此外，上述的各實施例形成為雙面熱輻射構造，但是可以形成為單面熱輻射構造。也就是說，例如，可以使用不存在第二散熱片52、第四散熱片56和相應的端子60和62的構造，或者其中第二散熱片52和第四散熱片56設置為匯流條的形式的構造。另外，在這種情況下，例如，由于在吸收水分的過程中，仍然有向下的載荷F(參照圖5)施加到第三散熱片54的外周部，因此，根據上述各實施例的剝離抑制構件能有效地發揮作用。
【主權項】
1.一種半導體裝置，包括: 金屬構件，其具有包括半導體元件安裝區和樹脂緊密接觸區的表面，所述樹脂緊密接觸區從所述半導體元件安裝區延伸至所述金屬構件的外周邊緣； 半導體元件，其安裝在所述半導體元件安裝區上； 樹脂部，其延伸到所述金屬構件的側表面外的位置，所述樹脂部與所述樹脂緊密接觸區緊密接觸并一體地覆蓋所述半導體元件和所述金屬構件； 底料層，其布置在所述樹脂緊密接觸區和所述樹脂部之間； 剝離抑制部，其構造成抑制所述金屬構件和所述樹脂部由于所述樹脂部吸收水分而在所述樹脂緊密接觸區的外周部彼此剝離。2.根據權利要求1所述的半導體裝置，其中， 所述剝離抑制部包括凹槽部，其形成在所述樹脂緊密接觸區中并且位于自所述金屬構件的所述表面的所述外周邊緣起3mm以下的區域內。3.根據權利要求2所述的半導體裝置，其中， 所述底料層在所述樹脂緊密接觸區中的所述凹槽部外的區域形成為0.Ιμπι以上的厚度。4.根據權利要求1所述的半導體裝置，其中， 所述剝離抑制部包括凹槽部，其形成于所述金屬構件外的所述樹脂部的一部分中。5.根據權利要求1所述的半導體裝置，其中， 所述剝離抑制部包括形成于所述金屬構件外的所述樹脂部的一部分的表面上的防水材料涂層。6.根據權利要求1所述的半導體裝置，其中， 所述剝離抑制部包括構造為降低所述金屬構件的所述側表面和所述樹脂部之間的粘結力的粘結力降低部。7.根據權利要求6所述的半導體裝置，其中， 所述粘結力降低部是通過不在所述金屬構件的所述側表面上布置所述底料層而實現的。8.根據權利要求6所述的半導體裝置，其中， 所述粘結力降低部是通過不在所述金屬構件的所述側表面上布置形成在所述金屬構件的所述表面上的鍍層而實現的。9.一種半導體裝置，包括: 金屬構件，其具有包括半導體元件安裝區和樹脂緊密接觸區的表面，所述樹脂緊密接觸區從所述半導體元件安裝區延伸至所述金屬構件的外周邊緣； 半導體元件，其安裝在所述半導體元件安裝區上； 樹脂部，其具有吸濕性并延伸到所述金屬構件的側表面外的位置，所述樹脂部與所述樹脂緊密接觸區緊密接觸并一體地覆蓋所述半導體元件和所述金屬構件；以及底料層，其布置在所述樹脂緊密接觸區和所述樹脂部之間，其中構造為抑制所述金屬構件和所述樹脂部在所述樹脂緊密接觸區的外周部彼此剝離的剝離抑制部設置至所述金屬構件和所述樹脂部中的至少一個。10.根據權利要求9所述的半導體裝置，其中， 所述剝離抑制部包括凹槽部，其形成在所述樹脂緊密接觸區中并且位于自所述金屬構件的所述表面的所述外周邊緣起3mm以下的區域內。11.根據權利要求9或10所述的半導體裝置，其中， 所述剝離抑制部包括凹槽部，其形成于所述金屬構件外的所述樹脂部的一部分中。12.根據權利要求9至11中任一項所述的半導體裝置，其中， 所述剝離抑制部包括從所述底料層露出的所述側表面。13.根據權利要求9至12中任一項所述的半導體裝置，進一步包括: 形成在所述金屬構件的所述表面上的鍍層，其中 所述剝離抑制部包括從所述鍍層露出的所述金屬構件的所述側表面。14.一種制造半導體裝置的方法，包括如下步驟: 在引線框架原材料上執行鍍金屬處理； 通過在鍍過的引線框架原材料上執行壓力加工來形成具有從鍍層露出的側表面的引線框架原材料； 在壓力加工后的引線框架原材料的表面上安裝半導體元件； 在安裝了所述半導體元件的所述引線框架原材料的表面和側表面上涂覆底料；以及在涂覆所述底料后通過對所述樹脂進行塑模而將所述引線框架原材料和所述半導體元件一體地密封以使所述樹脂與所述引線框架原材料的所述表面和所述側表面緊密接觸。
【文檔編號】H01L23/051GK105849894SQ201480071098
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年12月18日
【發明人】門口卓矢, 平野敬洋, 西畑雅由, 福谷啓太, 奧村知巳
【申請人】豐田自動車株式會社