[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于例如功率半导体模块的半导体器件及其制造方法，特别是涉及具有如下连接结构的半导体器件及其制造方法：在绝缘衬底上安装功率半导体芯片并且将绝缘衬底与散热基底构件接合，使得由功率半导体芯片产生的热量能释放到外部。

背景技术

用于例如功率半导体模块的半导体器件中，随着电流容量及元器件密度增大且模块尺寸减小，流过封装件中布线的电流量会增加，从而需要提高模块的散热性。此外，在很多情况下，为了减小布线电感，使用利用了铜板的引线框，以取代现有技术中的铝引线接合。

图8是表示现有技术所涉及的半导体器件的纵向剖视图及俯视图。

图8(A)是沿图8(B)的线A－A所得到的纵向剖视图。由例如陶瓷构成的绝缘衬底1是在其两个表面接合有导体图案2a和2b的DBC(直接接合铜)衬底。此外，在绝缘衬底1的正面上作为铜电路而形成的导体图案2a上通过焊接安装有半导体芯片3。在绝缘衬底1的背面接合有导体图案2b，该导体图案2b具有与导体图案2a相同的厚度，且与散热基底构件4接合，使得由半导体芯片3产生的热量释放到外部。散热基底构件4形成树脂外壳5的底部，且有大小两个绝缘衬底1与散热基底构件4接合。半导体芯片3、内部连接端子7、和铝引线8被填充在树脂外壳5中的胶状密封构件6保护。

图8(B)是表示密封构件6填充之前的半导体衬底的状态的俯视图。半导体芯片3的金属电极3a和3b通过内部连接端子7和铝引线8而与导体图案2a的预定部分进行内部连接。此外，多个外部引出端子9a和9b从导体图案2a引出到树脂外壳5的上表面。内部连接端子7和外部引出端子9a及9b是通过对铜板进行加工而得到的引线框。

在诸如模块型功率半导体器件、智能功率模块、或分立半导体产品的半导体器件中，半导体芯片3的金属电极3a及3b与内部连接端子7之间、内部连接端子7与固定于绝缘衬底1的导体图案2a之间在器件内部进行布线，且外部引出端子9a及9b引出到器件的外部。在半导体器件中，通常来说，半导体芯片3与导体图案2a之间、导体图案2b与散热基底构件4之间、或者导体图案2a与内部连接端子7或外部引出端子9a及9b之间通过例如焊接、钎焊、超声波接合、或激光焊接来进行连接并布线。此外，通常来说，半导体器件的元器件为圆形或矩形，且通过使具有不同热膨胀系数的金属材料进行接合来形成。

图9是表示沿图8(A)的线IX-IX所得到的现有技术所涉及的半导体器件的剖视图。

在用于例如功率半导体模块的半导体器件中，通常来说，如图9所示，与散热基底构件4接合的导体图案2b为正方形或长方形。此外，一般而言，在半导体芯片与金属端子之间、在金属材料之间、或者在金属端子与固定于绝缘衬底的金属图案之间形成布线时，彼此连接的各个元器件具有与模块的外形相对应的形状，其为正方形或长方形。因此，在通过焊接或钎焊将半导体芯片与金属端子、或者将热膨胀系数不同的金属材料彼此连接时，在例如温度循环可靠性测试中，元器件具有不同的热膨胀系数，沿接合面产生的应力会集中在有棱角的隅角上。因此，焊料层或钎焊填料金属层容易破损或破裂。

图10是表示温度循环测试时在焊料固定层中产生的裂纹的图。图10(A)和10(B)示出在形成于图8所示的大小两个绝缘衬底1的背面上的导体图案2b通过焊接固定于散热基底构件4的状态下进行例如温度循环可靠性测试时元器件重复膨胀及收缩所产生的裂纹。

图10(A)和10(B)中，用箭头表示各个固定层13a和13b中产生的裂纹的扩展方向。在图10(A)所示的俯视时呈正方形的固定层13a的超声波照片中，将与焊料的产生裂纹部分相当的区域表示为较大的白色区域。

如上所述，在将与图10所示的金属构件12相对应的导体图案2b的下表面焊接在与金属构件11相对应的散热基底构件4上的半导体器件中，在固定层13的隅角产生较大的剪切应变，从而导致从隅角开始产生裂纹。当在绝缘衬底1的隅角产生的裂纹到达半导体芯片3的接合面时，从绝缘衬底1向散热基底构件4的热流被裂纹阻挡。因此，用于释放所产生的热量的半导体芯片3的散热性变差。其结果是，元件的结温异常上升，从而导致热损坏。

下述专利文献1披露了具有如下连接结构的半导体器件。当焊料层的厚度较小时，由于使用环境下的热循环，会导致因绝缘衬底与引线框之间的热膨胀差而向焊接部施加热应力，该热应力会导致较早地产生疲劳损坏。因此，在引线框或绝缘衬底的铜电路图案的焊接面上形成突起，以防止焊料层的厚度出现偏差。