[发明专利]半导体装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体装置及其制造方法，特别涉及IGBT模块、功率MOSFET模块等适用于大功率半导体装置(功率模块)的半导体装置及其制造方法。

背景技术

非专利文献1中公开了一种功率模块。该功率模块具有如下结构：功率元件(半导体芯片)的一个主面(下表面)通过焊锡粘合在散热器上，该功率元件的另一个主面(上表面)上所形成的表面电极通过焊锡直接粘合在引线框的内部引线上。

图35是表示非专利文献1所公开的功率模块101的大致结构的剖视图。该功率模块101中，功率元件102的上表面上所形成的表面电极(未图示)通过焊锡层104直接粘合在主端子103上。功率元件102的上表面上所形成的另一表面电极(未图示)则通过引线(金属细线)106与控制端子105机械地电连接。功率元件102的下表面通过焊锡层107粘合在散热器(金属块)108上。该散热器108的下表面通过由绝缘性树脂形成的绝缘片材109而粘合在金属层110上。另外，功率模块101的各构成要素被模塑树脂111密封。主端子103和控制端子105分别有一部分从该模塑树脂111的外部轮廓突出。

专利文献1中公开了另一种功率模块。该功率模块具有以下结构：在半导体芯片与散热板之间设有由陶瓷等绝缘材料形成的绝缘基板。

图36是表示专利文献1所公开的功率模块201的大致结构的剖视图。在该功率模块201中，绝缘基板203的一个面(上表面)上形成有导电体203a，在该导电体203a的表面通过焊锡层204固定有半导体芯片202。绝缘基板203由陶瓷等绝缘材料形成。绝缘基板203的另一个面(下表面)上也形成有导电体203b。该导电体203b的表面通过焊锡层206固定在设置于半导体芯片202下方的散热板205上。

现有专利文献

专利文献

专利文献1：国际公开2008-123386号

非专利文献

非专利文献1：菊池正雄等4人，「ダイレクトリード接合型大容量パワーモジュール」（直接引线接合型大容量功率模块），三菱电机技报，2010年4月，第84卷第4号第232页

发明内容

发明所要解决的技术问题

搭载在功率模块上的半导体芯片的材料通常是Si(硅)。而近年来，正在研发SiC(碳化硅)制或GaN(氮化镓)制的半导体芯片。该SiC制或GaN制的半导体芯片的特长之一在于高温下也能够进行工作。具体而言，Si制半导体芯片无法在超过150℃的温度下工作。而SiC制或GaN制的半导体芯片在300℃以上的高温下也能够进行工作。因此，与搭载有Si制半导体芯片的功率模块相比，需要搭载有SiC制或GaN制半导体芯片的功率模块能够应对高温的情况。

然而，上述非专利文献1和专利文献1分别公开的功率模块的结构并不能应对高温的情况。

具体而言，上述非专利文献1中公开的功率模块101的结构中，若功率元件102的材料为SiC，则功率元件102的热膨胀系数变为3～4ppm/℃。另一方面，主端子103及散热器108的材料均为铜(Cu)时，主端子103及散热器108的热膨胀系数均为17ppm/℃。因此，随着功率元件102的温度变化，在将主端子103与功率元件102接合起来的焊锡层(接合部)104、和将散热器108与功率元件102接合起来的焊锡层(接合部)107上均会产生应力。该应力会随着功率元件102的温度变高而变大。因此，这些接合部(焊锡层104、107)各自受到的应力负载会随着功率元件102的温度范围变大而变大。从而，当功率元件102的材料为SiC，且在功率模块101工作过程中功率元件102的温度高于Si制半导体芯片时，会在接合部反复地产生应力，从而有可能导致接合部损坏，接合不良，或者热阻变差。

另外，上述专利文献1中公开的功率模块201的结构中，若散热板205的材料为铜(Cu)，则该散热板205的热膨胀系数为17ppm/℃。另一方面，绝缘基板203的材料均为氮化铝(AlN)时，该绝缘基板203的热膨胀系数为4ppm/℃。因此，随着半导体芯片202的温度变化，会在将绝缘基板203与散热板205接合起来的焊锡层(接合部)206上产生应力。该应力会随着半导体芯片202的温度变高而变大。因此，接合部(焊锡层206)受到的应力负载会随着半导体芯片202的温度范围变大而变大。从而，当半导体芯片202的材料为例如SiC，且在功率模块201工作过程中半导体芯片202的温度高于Si制半导体芯片时，会在接合部反复地产生应力，从而有可能导致接合部损坏，热阻变差。