半导体模组的制作方法

1.本发明涉及半导体模组。


背景技术：

2.在日本特开2017－152655号公报中公开了半导体元件。在该半导体元件中，在半导体衬底上设有多个金属膜、将其覆盖的保护膜这样的表面构造。多个金属膜中例如包含主电极及信号布线，它们相互邻接而设置。


技术实现要素：

3.半导体元件被装入在半导体模组中，并被封固在封固体的内部。在半导体模组中，对应于温度而在各个构成要素中发生热变形。此时，在半导体衬底与表面构造之间容易发生较大的剪切应力，在电极及信号布线这样的金属膜中有可能发生超过弹性范围的较大变形(即，塑性变形)。若反复发生这样的变形，则有可能在半导体衬底与表面构造之间发生剥离、或在多个金属膜之间发生短路或绝缘缺陷。这样的问题在采用杨氏模量比较高的碳化硅(sic)的半导体模组中是显著的，需要进行应对。
4.本说明书公开的半导体模组具备半导体元件和将半导体元件封固的封固体。半导体元件具备：半导体衬底；保护膜，设在半导体衬底的表面上并且沿着半导体衬底的外周缘以框状延伸；金属膜，设在半导体衬底的表面上并且至少一部分位于半导体衬底与保护膜之间；以及伪金属膜，设在半导体衬底的表面上并且位于金属膜与保护膜的外周缘之间。在半导体衬底的表面设有容纳伪金属膜的一部分的凹部。保护膜设有与半导体衬底的凹部对置并且容纳伪金属膜的一部分的凹部或孔。即，伪金属膜设于半导体衬底的凹部和保护膜的凹部或孔。
5.通常，关于半导体衬底与表面构造(保护膜、金属膜)之间的剥离，在半导体元件的外周部分发生的剥离成为起点。即，在半导体元件的外周部分发生的剥离沿着半导体衬底的表面向内侧进展。并且，该剥离向半导体衬底与表面构造之间进展，达到例如金属膜，从而引起金属膜的变形及伴随它的短路等。基于该认识，在上述的半导体模组中，在金属膜与保护膜的外周缘之间设有伪金属膜。该伪金属膜位于半导体衬底和保护膜双方，作为妨碍上述剥离的进展的壁发挥功能。由此，即使在半导体元件的外周部分发生的剥离向半导体衬底与表面构造之间进展，也能够避免该剥离达到金属膜。
附图说明
6.图1是表示实施例的半导体模组10的外观的平面图。
7.图2是图1中的ii－ii线的剖视图。
8.图3是图2中的iii部的放大图。
9.图4是半导体元件30的平面图。
10.图5是表示在半导体模组10中发生的剥离s的一例的图。
11.图6是表示一变形例的半导体模组10x的主要部分(与图3对应)的剖视图。
12.图7是表示一变形例的半导体模组10y的主要部分(与图3对应)的剖视图。
13.图8是表示一变形例的半导体模组10z的主要部分(与图3对应)的剖视图。
14.图9是一变形例的半导体元件30x的平面图。
具体实施方式
15.在本技术的一实施方式中，伪金属膜可以由硬度不同的两种以上的金属材料构成。通过使用两种以上的金属材料，能够实现兼具各种各样的特性的伪金属膜。
16.在上述的实施方式中，伪金属膜可以具有第1金属层和设在第1金属层上的第2金属层。该情况下，构成第2金属层的金属材料的硬度可以比构成上述第1金属层的金属材料的硬度高。进而，第1金属层及第2金属层双方可以设于半导体衬底的凹部以及保护膜的凹部或孔这双方。
17.在本技术的一实施方式中，半导体元件可以还具备设在半导体衬底的表面上并且位于半导体衬底与金属膜之间的绝缘膜。该情况下，伪金属膜可以沿着绝缘膜的外周缘设置。根据这样的结构，能够有效地抑制在半导体元件的外周部分发生的剥离沿着绝缘膜向半导体衬底与金属膜之间进展。
18.在本技术的一实施方式中，伪金属膜可以至少沿着半导体衬底的四个角部设置。在半导体衬底的四个角部，伴随着热变形的应力容易局部地变高，剥离的发生及进展显著地显现。因而，通过向这样的角部设置伪金属膜，能够有效地抑制剥离的进展。
19.在本技术的一实施方式中，伪金属膜可以沿着半导体衬底的外周缘环绕一圈。根据这样的结构，能够更可靠地抑制在半导体元件的外周部分发生的剥离进展至金属膜的位置。
20.本技术的一实施方式中，伪金属膜可以还作为对信号进行传送的信号布线发挥功能。换言之，通过对既有的信号布线赋予上述的伪金属膜的结构，能够使该信号布线还兼作伪金属膜。
21.实施例
22.参照图1－图4，对实施例的半导体模组10进行说明。本实施例的半导体模组10例如能够用于电动汽车的电力控制装置，构成变换器、逆变器等电力变换电路的一部分。另外，本说明书中的电动汽车广义地表示具有对车轮进行驱动的马达(motor)的汽车，例如包括通过外部电力进行充电的电动汽车、除了马达以外还具有引擎(engine)的混合动力车、以及以燃料电池为电源的燃料电池车等。
23.如图1、图2所示，半导体模组10具备半导体元件30和将半导体元件30封固的封固体14。封固体14由绝缘性的材料构成。虽然没有特别限定，但本实施例中的封固体14例如由环氧树脂这样的封固用材料构成，其中含有二氧化硅这样的添加物。封固体14大体具有板形状，具有上表面14a、下表面14b、第1端面14c、第2端面14d、第1侧面14e及第2侧面14f。
24.半导体元件30是功率半导体元件，具有半导体衬底32、上表面电极34和下表面电极36。上表面电极34位于半导体衬底32的上表面，下表面电极36位于半导体衬底32的下表面。上表面电极34和下表面电极36隔着半导体衬底32相互被电连接。虽然没有特别限定，但本实施例中的半导体元件30是开关元件，能够使上表面电极34与下表面电极36之间选择性
地导通及断开。半导体衬底32的种类没有特别限定。半导体衬底32例如可以是硅衬底、碳化硅衬底或氮化物半导体衬底。关于上表面电极34及下表面电极36，例如能够用铝、镍或金等一种或多种金属构成。作为一例，本实施例中的上表面电极34及下表面电极36具有在铝合金(例如铝－硅类合金)层之上设有镍层的层叠构造。
25.作为一例，本实施例中的半导体元件30是mosfet(metal－oxide－semiconductor field－effect transistor)，其半导体衬底32采用了碳化硅(sic)衬底。上表面电极34与在半导体衬底32内构成的mosfet构造的源极连接，下表面电极36与mosfet构造的漏极连接。另外，半导体元件30也可以是igbt(insulated gate bipolar transistor)或rc(reverse conducting)－igbt。该情况下，上表面电极34与在半导体衬底32内构成的igbt的发射极连接，下表面电极36与igbt构造的集电极连接。关于半导体元件30的种类及具体构造，并不限于这里所例示的，能够各种各样地变更。此外，半导体模组10也可以具有例如mosfet(或igbt)与二极管的组合这样的两个以上半导体元件。
26.半导体模组10还具备第1导体板16和第2导体板18。第1导体板16和第2导体板18夹着半导体元件30而相互对置。第1导体板16和第2导体板18例如由金属这样的导体构成。第1导体板16和第2导体板18被封固体14一体地保持。第1导体板16的上表面16a位于封固体14的内部，经由焊料层13而与半导体元件30的下表面电极36接合。另一方面，第1导体板16的下表面16b在封固体14的下表面14b露出。由此，第1导体板16构成与半导体元件30电连接的电路的一部分，并且也作为将半导体元件30的热向外部释放的散热板发挥功能。
27.第2导体板18的下表面18b位于封固体14的内部，隔着导体衬垫20而与半导体元件30的上表面电极34连接。另外，第2导体板18的下表面18b经由焊料层17而与导体衬垫20接合，导体衬垫20经由焊料层15而与半导体元件30的上表面电极34接合。另一方面，第2导体板18的上表面18a在封固体14的上表面14a露出。与第1导体板16同样，第2导体板18构成与半导体元件30电连接的电路的一部分，并且也作为将半导体元件30的热向外部释放的散热板发挥功能。
28.半导体模组10具备第1电力端子22、第2电力端子24和多个信号端子26。第1电力端子22及第2电力端子24从封固体14的第1端面14c突出。第1电力端子22在封固体14的内部被与第1导体板16电连接，第2电力端子24在封固体14的内部被与第2导体板18电连接。由此，第1电力端子22与第2电力端子24之间经由半导体元件30而被电连接。多个信号端子26从封固体14的第2端面14d突出。各个信号端子26例如通过引线键合而与半导体元件30的信号焊盘38(参照图4)电连接。
29.接着，参照图3、图4，对半导体元件30的细节部分进行说明。如图3、图4所示，半导体元件30具备在半导体衬底32的表面32f上设置的保护膜40、以及在半导体衬底32与保护膜40之间设置的多个金属膜42。保护膜40由绝缘体构成，作为一例，在本实施例中采用聚酰亚胺树脂。保护膜40沿着半导体衬底32的外周缘32e以框状设置，划定了使上表面电极34露出的开口40w。
30.在多个金属膜42中，除了上述的上表面电极34以外，还包括栅极布线42g等。栅极布线42g是从外部输入的栅极信号的传送线，与设于半导体衬底32的mosfet构造的栅极连接。栅极布线42g沿着上表面电极34的周缘设置，在平面视图中将上表面电极34包围。栅极布线42g由铝类合金构成。但是，构成栅极布线42g及其他金属膜42的材料并不限定于铝类
合金。在半导体衬底32与金属膜42之间，形成有绝缘膜46(例如，氧化硅膜)，金属膜42(除了上表面电极34以外)与半导体衬底32电绝缘。
31.半导体元件30还具备伪金属膜44。伪金属膜44由金属材料构成。伪金属膜44设在半导体衬底32的表面32f上，位于金属膜42(这里是栅极布线42g)与保护膜40的外周缘40e之间。虽然没有特别限定，但本实施例中的伪金属膜44沿着绝缘膜46的外周缘46e设置，沿着半导体衬底32的外周缘32e环绕一圈。
32.伪金属膜44对于半导体衬底32和保护膜40双方形成为楔状。即，在半导体衬底32的表面32f设有凹部32c，该凹部32c容纳伪金属膜44的一部分。此外，在保护膜40设有孔40c，该孔40c与半导体衬底32的凹部32c对置并且容纳伪金属膜44的一部分。这样，伪金属膜44位于半导体衬底32的凹部32c和保护膜40的孔40c双方中。
33.在半导体模组10中，对应于温度而在各个构成要素中发生热变形。此时，在半导体衬底32与表面构造(保护膜40、金属膜42)之间，容易发生较大的剪切应力，在上表面电极34及栅极布线42g这样的金属膜42中，有可能发生超过弹性范围的较大变形(即塑性变形)。若反复发生这样的变形，则有可能在半导体衬底32与表面构造之间发生剥离、或在多个金属膜42之间发生短路或绝缘缺陷等。这样的问题在采用杨氏模量比较高的碳化硅(sic)的本实施例的半导体模组10中显著地显现。
34.如图5所示，通常，关于半导体衬底32与表面构造(保护膜40、金属膜42)之间的剥离，在半导体元件30的外周部分发生的剥离s成为起点。即，在半导体元件30的外周部分发生的剥离s沿着半导体衬底32的表面32f向内侧进展。并且，该剥离s向半导体衬底32与表面构造之间进展，达到栅极布线42g、上表面电极34这样的金属膜42，从而引起金属膜42的变形及伴随它的短路等。基于该认识，在本实施例的半导体模组10中，在金属膜42与保护膜40的外周缘40e之间设有伪金属膜44。该伪金属膜44位于半导体衬底32和保护膜40双方，作为妨碍上述剥离s的进展的壁发挥功能。由此，即使在半导体元件30的外周部分发生的剥离s向半导体衬底32与表面构造之间进展，也能够避免该剥离s达到金属膜42。
35.作为一例，本实施例中的伪金属膜44具有第1金属层44a和设在第1金属层44a上的第2金属层44b。第1金属层44a由铝类合金(例如，铝－硅类合金)构成，第2金属层44b由镍构成。这里，构成第2金属层44b的镍的硬度比构成第1金属层44a的铝类合金的硬度高。这样，本实施例中的伪金属膜44具有两层构造，由硬度不同的两种以上的金属材料构成。并且，第1金属层44a及第2金属层44b双方设置于半导体衬底32的凹部32c和保护膜40的孔40c双方。
36.但是，构成伪金属膜44的金属材料并不限定于铝类合金及镍等。此外，伪金属膜44也可以由单一的金属材料构成，也可以用三种以上的金属材料构成。例如，如图6所示，在一变形例的半导体模组10x中，伪金属膜44由单一的金属材料构成。另外，在该变形例中，伪金属膜44被保护膜40覆盖，在保护膜40中设有容纳伪金属膜44的一部分的有底的孔40c(即，凹部)。此外，关于设置伪金属膜44的位置，也并不限于绝缘膜46的外周缘46e的位置，能够适当变更。例如，如图7所示，在另一变形例的半导体模组10y中，伪金属膜44设在从绝缘膜46的外周缘46e离开了的位置。
37.如图8所示，在另一变形例的半导体模组10z中，上述的伪金属膜44的结构也可以应用于栅极布线42g。由此，能够使栅极布线42g作为伪金属膜44发挥功能。根据这样的结构，由于不需要另外设置伪金属膜44，所以能够实现半导体元件30的小型化。
38.在上述的实施例的半导体模组10、10x、10y、10z中，半导体元件30的伪金属膜44以沿着半导体衬底32的外周缘32e环绕一圈的方式设置。相对于此，如图9所示的半导体元件30x那样，伪金属膜44也可以仅设在沿着半导体衬底32的四个角部的范围。在半导体衬底32的四个角部，伴随着热变形的应力容易局部地变高，剥离s的发生及进展显著地显现。因而，通过向这样的角部设置伪金属膜44，能够有效地抑制剥离s的进展。另外，也可以是，除了这样的伪金属膜44以外或者取而代之而在栅极布线42g的四个角部应用伪金属膜44的构造。
39.以上，详细地说明了本说明书公开的技术的具体例，但它们只不过是例示，并不限定权利要求的范围。在权利要求所记载的技术中，包括将以上例示的具体例各种各样地变形、变更的形态。在本说明书或附图中说明的技术要素单独地或通过各种组合而发挥技术作用，并不限定于申请时的权利要求所记载的组合。本说明书或附图所例示的技术能够同时达成多个目的，达成其中一个目的本身就具有技术作用。
40.标记说明
41.10、10x、10y、10z：半导体模组
42.14：封固体
43.16：第1导体板
44.18：第2导体板
45.22：第1电力端子
46.24：第2电力端子
47.26：信号端子
48.30、30x：半导体元件
49.32：半导体衬底
50.34：上表面电极
51.36：下表面电极
52.38：信号焊盘
53.40：保护膜
54.42：金属膜
55.44：伪金属膜
56.44a：伪金属膜的第1金属层
57.44b：伪金属膜的第2金属层
58.46：绝缘膜