半导体装置、半导体装置的制造方法及电力变换装置与流程

1.本发明涉及半导体装置、半导体装置的制造方法及电力变换装置。


背景技术：

2.当前，正在流通通过利用环氧树脂类的封装树脂将半导体元件覆盖而提高了可靠性的半导体装置。
3.就现有的半导体装置而言，为了对在从半导体晶片切割半导体元件时刀片堵塞而使生产率降低，或在半导体元件的外周部产生碎裂这样的缺陷进行抑制，通常采用使切割线的聚酰亚胺开口的结构。因此，从半导体元件的最外端起几十μm左右，存在没有聚酰亚胺的部分。
4.在对通过利用封装树脂将这样的半导体元件覆盖而形成的半导体装置实施温度循环试验等时，从没有聚酰亚胺的部分起，在封装树脂和半导体元件之间产生剥离。以该剥离为起点，发展成半导体元件的聚酰亚胺剥离，存在引起半导体装置的末端构造的劣化这样的问题。
5.特别地，就具有以杨氏模量高的sic为半导体材料的半导体元件的半导体装置而言，在封装树脂和半导体元件之间产生的温度循环时的应力变高，该问题变得明显。
6.例如，在专利文献1中公开了如下技术，即，为了抑制半导体元件的外周部从封装树脂剥离，在从半导体晶片切割了半导体元件后，进一步利用碳类粘接剂将半导体元件的外周部覆盖。
7.专利文献1：国际公开第2014/122892号
8.但是，在专利文献1所记载的技术中，由于在从半导体晶片切割了半导体元件后，进一步利用碳类粘接剂将半导体元件的外周部覆盖，因此需要使用模板掩模而形成碳类粘接层的追加工序。这样，对于晶片工艺结束后的半导体元件需要追加工序，因此存在半导体装置的制造成本大幅升高的问题。


技术实现要素：

9.因此，本发明的目的在于，提供在半导体装置中能够对生产率的降低及制造成本的升高进行抑制，并且对封装树脂和半导体元件的剥离进行抑制的技术。
10.本发明涉及的半导体装置具有：半导体元件，其被从半导体晶片切割为在俯视观察时呈四边形状；以及封装树脂，其对所述半导体元件进行封装，所述半导体元件具有流过主电流的单元区域、与所述单元区域相比设置于外周侧的末端区域、将所述末端区域的外周部的上表面覆盖的保护膜，所述保护膜具有延展部，该延展部在所述半导体元件的四角处延展至最外端，所述延展部具有与所述末端区域的切断面连续的切断面，所述延展部在所述半导体元件的除了所述四角之外的四边处没有延展至最外端。
11.发明的效果
12.根据本发明，半导体元件具有将末端区域的外周部的上表面覆盖的保护膜，因此
能够降低从封装树脂受到的应力。并且，延展部具有与末端区域的切断面连续的切断面，因此在末端区域的切断面和延展部的切断面之间，不会产生对准公差及加工公差等公差。其结果，在半导体元件的四角，能够抑制末端区域的外周部的上表面与封装树脂接触，因此，就半导体元件而言，能够进一步降低从封装树脂受到的应力。由此，能够对封装树脂和半导体元件的剥离进行抑制。
13.另外，延展部具有与末端区域的切断面连续的切断面，在形成保护膜后从半导体晶片对半导体元件进行切割。由此，对于晶片工艺结束后的半导体元件不需要追加工序，因此能够对半导体装置的制造成本的升高进行抑制。
14.并且，由于半导体元件的除了四角之外的四边的最外端没有被保护膜覆盖，因此能够在对刀片的堵塞进行抑制的同时，从半导体晶片对半导体元件进行切割。由此，能够对半导体装置的生产率的降低进行抑制。
附图说明
15.图1是实施方式1涉及的半导体装置的俯视图及末端构造的剖视图。
16.图2是表示由实施方式1涉及的半导体装置所具有的半导体元件的延展部的宽度带来的应力降低效果的模拟结果的图。
17.图3是实施方式1的变形例涉及的半导体装置的俯视图及末端构造的剖视图。
18.图4是用于说明实施方式1的变形例涉及的半导体装置的制造方法的说明图。
19.图5是表示实施方式2涉及的电力变换系统的结构的框图。
具体实施方式
20.《实施方式1》
21.下面使用附图对实施方式1进行说明。图1(a)是实施方式1涉及的半导体装置的俯视图。图1(b)是图1(a)的a-a线剖视图。图1(c)是图1(a)的b-b线剖视图。此外，在图1(a)中，为了使附图易于观察，省略了封装树脂2的图示。图2是表示由实施方式1涉及的半导体装置所具有的半导体元件1的延展部5a的宽度带来的应力降低效果的模拟结果的图。
22.如图1(a)、(b)、(c)所示，半导体装置具有半导体元件1、封装树脂2。半导体元件1通过从包含多个半导体元件1的半导体晶片10(参照图4)进行切割，从而在俯视观察时形成为四边形状。半导体元件1的半导体材料例如为硅(si)或碳化硅(sic)。封装树脂2例如以环氧树脂作为主要材料而构成，对半导体元件1进行封装。
23.半导体元件1具有设置有多个单元且流过主电流的单元区域3、与单元区域3相比设置于外周侧的末端区域4、将末端区域4的外周部的上表面覆盖的保护膜5。单元区域3形成为大致四边形状，是半导体元件1的除了外周部以外的部分。末端区域4是将单元区域3包围的部分即半导体元件1的外周部。
24.保护膜5具有延展部5a，该延展部5a在四边形状的半导体元件1的四角延展至最外端。延展部5a具有与末端区域4的切断面4a连续的切断面，在半导体元件1的除了四角之外的四边处没有延展至最外端。因此，在半导体元件1的除了四角之外的四边处，末端区域4的上表面露出。
25.保护膜5例如以聚酰亚胺作为主要材料而构成，在晶片工艺中通过照相制版工艺
形成。例如，采用如下方法，即，在将感光性的聚酰亚胺前驱体溶液涂敷于半导体晶片10(参照图4)整体后，进行预烘烤，通过照相制版工艺形成任意图案，进行正式烘烤。
26.在非感光性的聚酰亚胺的情况下，在照相制版工艺中使用抗蚀剂，通过越过抗蚀剂而进行蚀刻，形成任意图案。这样，如果涂敷于半导体晶片10整体，通过利用照相制版工艺进行蚀刻的方法形成了聚酰亚胺图案，则能够使聚酰亚胺厚度固定。在聚酰亚胺形成工艺后，完成任意晶片工艺，执行对半导体晶片10进行切割而切出各个半导体元件1的切割工序。
27.在切割工序中，通常使用圆盘状的磨石刀片。此时，为了抑制聚酰亚胺堵塞磨石，多数情况下在切割线11(参照图4)处通常没有设置聚酰亚胺。
28.相对于此，在本实施方式中，作为聚酰亚胺图案的保护膜5在半导体元件1的四角处延展至切割线11，延展部5a通过由刀片实现的切割与末端区域4一起被切断。
29.在保护膜5延展至切割线11的情况下，存在刀片的磨石被堵塞的风险，但通过使保护膜5所覆盖的区域仅限于半导体元件1的四角，能够对刀片的磨石被堵塞进行抑制。
30.另外，保护膜5中的延展至切割线11的部分在切割时被切断，因此延展部5a具有与末端区域4的切断面4a连续的切断面5b。在连续的切断面处，几乎不产生台阶，因此能够提高末端区域4的切断面4a与延展部5a的切断面5b的一致性。
31.另外，由于通过切割将保护膜5机械地切断，因此能够使切断面5b处的聚酰亚胺厚度与保护膜5的除此之外的部分的聚酰亚胺厚度相等。这样，由于能够通过固定厚度的保护膜5将末端区域4的四角覆盖，因此能够降低在半导体元件1和封装树脂2之间产生的应力。
32.另外，优选延展部5a在半导体元件1的四角处以至少200μm延展至最外端。如图2所示，如果扩大延展部5a的宽度，则在保护膜5和末端区域4的界面产生的应力降低。在延展部5a的宽度为200μm时，与没有延展部5a的情况(0μm)相比，能够将该应力减半。
33.此外，虽然在图2中未图示，但通过使延展部5a的宽度大于200μm，存在在保护膜5和末端区域4的界面产生的应力进一步降低的倾向。在延展部5a和末端区域4的界面处，例如，能够设置氧化膜。通过设置氧化膜，从而能够使延展部5a和末端区域4的密合性提高，因此能够抑制延展部5a从末端区域4剥离，能够使半导体装置的可靠性进一步提高。
34.另外，关于设置有延展部5a的部分之外的切割线11，可以设置氧化膜，也可以不设置，能够基于其它条件任意地进行选择。
35.《实施方式1的变形例》
36.下面，对实施方式1的变形例进行说明。图3(a)是实施方式1的变形例涉及的半导体装置的俯视图。图3(b)是图3(a)的c-c线剖视图。图3(c)是图3(a)的d-d线剖视图。此外，在图3(a)中，为了使附图易于观察，省略了封装树脂2的图示。图4是用于说明实施方式1的变形例涉及的半导体装置的制造方法的说明图，是表示包含多个半导体元件1的半导体晶片10的一部分的俯视图。
37.例如，在半导体元件1为具有沟槽栅极的mosfet的情况下，进行在半导体元件1的上表面刻入沟槽栅极用的槽的沟槽工序。通常，在沟槽工序中，仅在单元区域3形成沟槽栅极用的槽，但在本实施方式1的变形例中，如图3(a)、(b)、(c)所示，在末端区域4中的延展部5a的正下方，即，末端区域4中的被延展部5a覆盖的部分，也设置有在沟槽工序中与沟槽栅极相等深度的台阶部4b。由此，能够使延展部5a和末端区域4的密合性提高，进一步有效地
抑制延展部5a从末端区域4剥离。
38.台阶部4b例如能够以对半导体元件1的四角进行倒角的形状设置。在该情况下，台阶部4b可以以直线状的倒角形状设置，也可以以沿末端构造的r的多边形状或曲面状等任意的倒角形状设置。
39.在台阶部4b从延展部5a伸出的情况下，存在由于封装树脂2与台阶部4b接触而在封装树脂2产生裂缝，成为封装树脂2剥离的起点的可能性，但由于台阶部4b被延展部5a覆盖，因此不会产生这样的问题。
40.如图4所示，在半导体元件1的四角，台阶部4b在半导体晶片10之上相邻的半导体元件1彼此之间不连接。因此，形成台阶部4b的台阶图案在切割线11之上的被刀片完全除去的区域12内中断。
41.通常，在照相制版工艺中，通过多次照射而在半导体晶片10之上形成图案，因此通过使沟槽图案在相邻的照射之间不重叠，能够对图案异常进行抑制。另外，在半导体元件1的四角，能够进一步将延展部5a的聚酰亚胺厚度设得厚，因此能够进一步有效地降低应力。
42.《效果》
43.如上所述，本实施方式涉及的半导体装置具有：半导体元件1，其被从半导体晶片10切割为在俯视观察时呈四边形状；以及封装树脂2，其对半导体元件1进行封装，半导体元件1具有流过主电流的单元区域3、与单元区域3相比设置于外周侧的末端区域4、将末端区域4的外周部的上表面覆盖的保护膜5，保护膜5具有延展部5a，该延展部5a在半导体元件1的四角处延展至最外端，延展部5a具有与末端区域4的切断面4a连续的切断面5b，该延展部5a在半导体元件1的除了四角之外的四边处没有延展至最外端。
44.因此，半导体元件1具有将末端区域4的外周部的上表面覆盖的保护膜5，因此能够降低从封装树脂2受到的应力。并且，延展部5a具有与末端区域4的切断面4a连续的切断面5b，因此在末端区域4的切断面4a和延展部5a的切断面5b之间，不会产生对准公差及加工公差等公差。其结果，在半导体元件1的四角，能够抑制末端区域4的外周部的上表面与封装树脂2接触，因此，就半导体元件1而言，能够进一步降低从封装树脂2受到的应力。由此，能够对封装树脂2和半导体元件1的剥离进行抑制。因此，能够实现半导体装置的耐久性的提高。
45.另外，延展部5a具有与末端区域4的切断面4a连续的切断面5b，在形成保护膜5后从半导体晶片10对半导体元件1进行切割。由此，对于晶片工艺结束后的半导体元件1不需要追加工序，因此能够对半导体装置的制造成本的升高进行抑制。
46.并且，由于半导体元件1的除了四角之外的四边的最外端没有被保护膜5覆盖，因此能够在对刀片的堵塞进行抑制的同时，从半导体晶片10对半导体元件1进行切割。由此，能够对半导体装置的生产率的降低进行抑制。
47.另外，保护膜5包含聚酰亚胺。由于使用能够通过以往的晶片工艺形成的材质，因此能够容易地形成保护膜5。
48.另外，由于延展部5a在半导体元件1的四角处以至少200μm延展至最外端，因此能够充分地降低从封装树脂2受到的应力。由此，即使在保护膜5以相对于非感光性的聚酰亚胺具有一半剥离耐力的感光性的聚酰亚胺作为主要材料而构成的情况下，也能够抑制保护膜5剥离。
49.另外，在单元区域3设置沟槽栅极，在末端区域4中的被延展部5a覆盖的部分设置
有与沟槽栅极相等深度的台阶部4b。
50.因此，能够使延展部5a和末端区域4的密合性提高，进一步有效地抑制延展部5a从末端区域4剥离。
51.另外，半导体元件1的半导体材料为sic。以往，就具有将杨氏模量高的sic设为半导体材料的半导体元件的半导体装置而言，在封装树脂和半导体元件之间产生的温度循环时的应力变高，引起半导体装置的末端构造的劣化的问题变得显著，但对于本实施方式涉及的半导体装置，由于能够对封装树脂2和半导体元件1的剥离进行抑制，因此能够对半导体装置的末端构造劣化进行抑制。
52.另外，台阶部4b由延伸至与半导体晶片10的切割线11重叠的部分的台阶图案形成，台阶图案与在半导体晶片10之上相邻的其它半导体元件1的台阶图案不重叠，因此能够以每次照射为单位形成台阶图案。由此，能够避免在切割线11之上形成无用的图案。
53.另外，延展部5a的切断面5b和末端区域4的切断面4a通过由刀片实现的切割形成，因此刀片的堵塞得到抑制。下面对该情况进行说明。
54.如果像以往那样，将半导体元件的外周部全部用保护膜覆盖，用刀片对被保护膜覆盖的半导体元件进行了切割，则刀片被保护膜的碎屑堵塞。相对于此，在本实施方式中，通过将被保护膜5覆盖的部分限定于半导体元件1的四角，从而能够降低导致堵塞的切割的时间及次数。另外，在对未被保护膜5覆盖的部分进行切割的过程中，保护膜5的碎屑容易脱落。由此，具有对刀片的堵塞进行抑制的效果。
55.《实施方式2》
56.本实施方式是将上述实施方式1涉及的半导体装置应用于电力变换装置。实施方式1涉及的半导体装置的应用并不限于特定的电力变换装置，但下面，作为实施方式2，对将实施方式1涉及的半导体装置应用于三相逆变器的情况进行说明。
57.图5是表示电力变换系统的结构的框图，该电力变换系统应用了实施方式2涉及的电力变换装置200。
58.图5所示的电力变换系统由电源100、电力变换装置200以及负载300构成。电源100为直流电源，将直流电力供给至电力变换装置200。电源100可以由各种电源构成，例如，能够由直流系统、太阳能电池、蓄电池构成，也可以由与交流系统连接的整流电路、ac/dc转换器构成。另外，也可以由将从直流系统输出的直流电力变换为规定电力的dc/dc转换器构成电源100。
59.电力变换装置200为连接于电源100和负载300之间的三相逆变器，将从电源100供给来的直流电力变换为交流电力，将交流电力供给至负载300。如图5所示，电力变换装置200具有：主变换电路201，其将直流电力变换为交流电力而输出；驱动电路202，其输出对主变换电路201的各开关元件进行驱动的驱动信号；以及控制电路203，其将对驱动电路202进行控制的控制信号输出至驱动电路202。
60.负载300为由从电力变换装置200供给来的交流电力驱动的三相电动机。此外，负载300并不限于特定的用途，其为搭载于各种电气设备的电动机，例如，用作面向混合动力汽车、电动汽车、铁路车辆、电梯、或空调设备的电动机。
61.以下，对电力变换装置200的详情进行说明。主变换电路201具有开关元件(未图示)和续流二极管(未图示)，通过开关元件的通断，从而将从电源100供给的直流电力变换
为交流电力，供给至负载300。主变换电路201的具体的电路结构是多种多样的，但本实施方式涉及的主变换电路201为2电平的三相全桥电路，能够由6个开关元件和分别与开关元件反并联的6个续流二极管构成。将上述实施方式1涉及的半导体装置应用于主变换电路201的各开关元件和各续流二极管中的至少任意者。6个开关元件两个两个地串联连接而构成上下桥臂，各上下桥臂构成全桥电路的各相(u相、v相、w相)。而且，各上下桥臂的输出端子，即主变换电路201的3个输出端子与负载300连接。
62.驱动电路202生成对主变换电路201的开关元件进行驱动的驱动信号，供给至主变换电路201的开关元件的控制电极。具体而言，按照来自后述的控制电路203的控制信号，将使开关元件成为接通状态的驱动信号、和使开关元件成为断开状态的驱动信号输出至各开关元件的控制电极。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号为大于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(接通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号为小于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(断开信号)。
63.控制电路203对主变换电路201的开关元件进行控制以将所期望的电力供给至负载300。具体而言，基于应该供给至负载300的电力对主变换电路201的各开关元件应该成为接通状态的时间(接通时间)进行计算。例如，能够通过与应该输出的电压对应地对开关元件的接通时间进行调制的pwm控制而对主变换电路201进行控制。而且，将控制指令(控制信号)输出至驱动电路202，以使得在各时刻将接通信号输出至应该成为接通状态的开关元件，将断开信号输出至应该成为断开状态的开关元件。驱动电路202按照该控制信号，将接通信号或断开信号作为驱动信号输出至各开关元件的控制电极。
64.在本实施方式涉及的电力变换装置200中，由于将实施方式1涉及的半导体装置用作主变换电路201的开关元件，因此能够实现耐久性的提高。
65.在本实施方式中，对将实施方式1涉及的半导体装置应用于2电平的三相逆变器的例子进行了说明，但实施方式1涉及的半导体装置的应用并不限于此，能够应用于各种电力变换装置。在本实施方式中，设为2电平的电力变换装置，但也可以是3电平、多电平的电力变换装置，在将电力供给至单相负载的情况下也可以将实施方式1涉及的半导体装置应用于单相逆变器。另外，在对直流负载等供给电力的情况下，也可以将实施方式1涉及的半导体装置应用于dc/dc转换器、ac/dc转换器。
66.另外，应用了实施方式1涉及的半导体装置的电力变换装置并不限于上述负载为电动机的情况，例如，也能够用作放电加工机、激光加工机、或感应加热烹调器、非接触供电系统的电源装置，而且也能够用作太阳能发电系统、蓄电系统等的功率调节器。
67.此外，可以将各实施方式自由地组合，对各实施方式适当进行变形、省略。
68.标号的说明
69.1半导体元件，2封装树脂，3单元区域，4末端区域，4a切断面，4b台阶部，5保护膜，5a延展部，5b切断面，10半导体晶片，11切割线，200电力变换装置，201主变换电路，202驱动电路，203控制电路。

技术特征：
1.一种半导体装置，其具有：半导体元件，其被从半导体晶片切割为在俯视观察时呈四边形状；以及封装树脂，其对所述半导体元件进行封装，所述半导体元件具有流过主电流的单元区域、与所述单元区域相比设置于外周侧的末端区域、将所述末端区域的外周部的上表面覆盖的保护膜，所述保护膜具有延展部，该延展部在所述半导体元件的四角处延展至最外端，所述延展部具有与所述末端区域的切断面连续的切断面，所述延展部在所述半导体元件的除了所述四角之外的四边处没有延展至最外端。2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述保护膜包含聚酰亚胺。3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，所述延展部在所述半导体元件的所述四角处以至少200μm延展至最外端。4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置，其中，在所述单元区域设置沟槽栅极，在所述末端区域中的被所述延展部覆盖的部分设置有与所述沟槽栅极相等深度的台阶部。5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其中，所述半导体元件的半导体材料为sic。6.一种半导体装置的制造方法，其对权利要求4所述的半导体装置进行制造，在该半导体装置的制造方法中，所述台阶部由延伸至与所述半导体晶片的切割线重叠的部分的台阶图案形成，所述台阶图案与在所述半导体晶片之上相邻的其它半导体元件的台阶图案不重叠。7.一种半导体装置的制造方法，其对权利要求1至5中任一项所述的半导体装置进行制造，在该半导体装置的制造方法中，所述延展部的所述切断面和所述末端区域的所述切断面通过由刀片实现的切割而形成。8.一种电力变换装置，其具有：主变换电路，其具有权利要求1至5中任一项所述的半导体装置，该主变换电路将输入进来的电力变换而输出；以及驱动电路，其将对所述半导体装置进行驱动的驱动信号输出至所述半导体装置；以及控制电路，其将对所述驱动电路进行控制的控制信号输出至所述驱动电路。

技术总结
目的是提供在半导体装置中能够对生产率的降低及制造成本的升高进行抑制并且对封装树脂和半导体元件的剥离进行抑制的技术。半导体装置具有：半导体元件(1)，其被从半导体晶片(10)切割为俯视观察时呈四边形状；以及封装树脂(2)，其对半导体元件(1)进行封装。半导体元件(1)具有流过主电流的单元区域(3)、与单元区域(3)相比设置于外周侧的末端区域(4)、将末端区域(4)的外周部的上表面覆盖的保护膜(5)。保护膜(5)具有在半导体元件(1)的四角处延展至最外端的延展部(5a)。延展部(5a)具有与末端区域(4)的切断面(4a)连续的切断面(5a)，延展部在半导体元件1的除四角外的四边处没有延展至最外端。最外端。最外端。


技术研发人员：中田洋辅
受保护的技术使用者：三菱电机株式会社
技术研发日：2023.01.19
技术公布日：2023/8/1