DE10066442B4 - Halbleitervorrichtung mit Abstrahlungs-Struktur - Google Patents
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- H01L2224/32245—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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- H01L2224/37138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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Abstract
Eine Halbleitervorrichtung mit: einem Halbleiterchip (301, 302), der eine Elementausbildungsoberfläche (301a, 302a) und eine Rückenoberfläche (301b, 302b) hat; einem ersten leitfähigen Bauteil (303), welches mit der Elementausbildungsoberfläche des Halbleiterchips über ein erstes Verbindungsbauteil (304-1) verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat; einem zweiten leitfähigen Bauteil (305), welches mit der Rückenoberfläche des Halbleiterchips über ein zweites Verbindungsbauteil (304-2) verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat; und einem dritten leitfähigen Bauteil (306), welches mit dem ersten leitfähigen Bauteil über ein drittes Verbindungsbauteil (304-3) verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat, wobei die Verbindung an einer dem Halbleiterchip gegenüberliegenden Seite des ersten leitfähigen Bauteils (303) erfolgt, wobei ein Verbindungsbereich zwischen dem ersten leitfähigen Bauteil (303) und dem dritten leitfähigen Bauteil (306) kleiner als derjenige zwischen dem ersten leitfähigen Bauteil (303) und dem Halbleiterchip (301, 302) ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einer Abstrahlungsstruktur. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Halbleitervorrichtung, bei der Wärme an beiden Seiten eines hierin aufgenommenen Halbleiterchips abgestrahlt wird.
- Halbleitervorrichtungen der in Frage stehenden Art sind. z. B. aus der
US 4 196 442 A oder derWO 98/43 301 A1 - Weiterhin offenbart die
JP 6-291 223 A 1A bis1C zeigen diese Halbleitervorrichtung. Gemäß diesen Figuren schließt ein Paar von Abstrahlungsbauteilen J2 und J3 mehrere Halbleiterchips J1 zwischen sich ein, wobei die Abstrahlungsbauteile thermisch und elektrisch mit den Halbleiterchips J1 verbunden sind. Die Anzahl von Halbleiterchips J1, die in einer Ebene angeordnet sind, und die Abstrahlungsbauteile J2 und J3 sind mit einem Kunststoff oder Kunstharz J5 eingegossen oder gekapselt. - Jedes der Abstrahlungsbauteile J2 und J3 dient als eine Elektrode und hat eine Oberfläche, welche frei von dem Kunstharz J5 an einer gegenüberliegenden Seite der Fläche ist, welche die Halbleiterchips J1 kontaktiert. Jedes der Abstrahlungsbauteile J2 und J3 führt die Abstrahlung von Wärme dadurch aus, dass die freiliegende Oberfläche einen Kontaktkörper (nicht gezeigt) berühren kann, der eine Abstrahlungswirkung durchführen kann. Ein Steueranschluss J4, der mit einer Steuerelektrode der Halbleiterchips J1 verbunden ist, steht zur Außenseite des Kunstharzes J5 vor.
- Für die Abstrahlungsbauteile J2 und J3 wird entweder W (Wolfram) oder Mo (Molybdän) verwendet, da diese Materialien einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der annähernd gleich demjenigen der Halbleiterchips J1 ist. Das Abstrahlungsbauteil J2, welches mit den Oberflächen der Halbleiterchips J1 verbunden ist, an denen die Steuerelektrode ausgebildet ist, ist eine Emitterelektrode, und das Abstrahlungsbauteil J3, welches mit den Oberflächen der Halbleiterchips J1 an der gegenüberliegenden Seite der Steuerelektrode verbunden ist, ist eine Kollektorelektrode.
- Eine Mehrzahl von Lötkissen J7 steht von einer isolierenden Platte J6 vor, welche mittig eine Durchgangsbohrung hat, in welche das Abstrahlungsbauteil J2 als Emitterelektrode vorragt. Die Lötkissen J7 sind mit Bondierungskissen verbunden, welche in Mustern auf den jeweiligen Halbleiterchips J1 vorhanden sind, die auf dem Abstrahlungsbauteil J3 als die Kollektorelektrode angeordnet sind.
- Wenn die Abstrahlungsbauteile J2 und J3, welche auch als Elektroden dienen, aus einem Metall gefertigt sind, beispielsweise W oder Mo mit linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten annähernd gleich demjenigen der Halbleiterchips J1, welche aus Si (Silizium) sind, haben diese Metalle bezüglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit ungefähr ein Drittel von derjenigen von Cu (Kupfer) oder Al (Aluminium) und die thermische Leitfähigkeit beträgt ungefähr ein Drittel bis zwei Drittel hiervon. Somit verursacht unter Berücksichtigung der Umstände, dass wachsender Bedarf für einen hohen Stromfluss im Halbleitchip besteht, die Verwendung von W oder Mo als Abstrahlungsbauteil und gleichzeitig als Elektrode viele Probleme.
- Weiterhin wird allgemein ein größerer Chip notwendig, um einen größeren Strom aufnehmen zu können. Es gibt jedoch viele technologische Probleme, die Chipgröße zu erhöhen, und es ist leichter, eine Mehrzahl kleinerer Chips herzustellen und diese zu einer Packung oder einem Gehäuse zusammenzufassen.
- In der Technik, wie sie in der oben genannten Veröffentlichung offenbart ist, sind die mehreren Halbleiterchips J1 in der Halbleitervorrichtung ausgebildet. Da jedoch gemäß
1A das Abstrahlungsbauteil J2 eine einfache rechteckförmige Gestalt hat und in der Mitte der Vorrichtung angeordnet ist, ist die Anordnung unterschiedlicher Halbleiterchips in einer Vorrichtung eingeschränkt. Mit anderen Worten, wenn sich die Halbleiterchips voneinander beispielsweise in der Dicke unterscheiden, ist es schwierig, die eine Emitterelektrode mit ihrer einfachen Form mit allen unterschiedlichen Halbleiterchips zu verbinden. - Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Probleme im Stand der Technik gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, die Abstrahlungseigenschaft und die elektrische Leitfähigkeit einer Halbleitervorrichtung mit Abstrahlungsbauteilen zu verbessern, welche thermisch und elektrisch mit den beiden Flächen eines hierin aufgenommenen Halbleiterchips verbunden sind. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleitervorrichtung so auszugestalten, dass hierin problemlos mehrere unterschiedliche Halbleiterchips aufgenommen werden können.
- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 bzw. 8 angegebenen Merkmale.
- Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung bzw. vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungsformen hiervon sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
- Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen hiervon unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
- Es zeigt:
-
1A schematisch eine Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik; -
1B eine Schnittdarstellung durch die Halbleitervorrichtung von1A entlang der dortigen Linie IB-IB; -
1C eine Schnittdarstellung durch die Halbleitervorrichtung von1A entlang der dortigen Linie IC-IC; -
2 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung einer ersten bevorzugten Ausführungsform; -
3A bis3C Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens der Halbleitervorrichtung von2 ; -
4 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform; -
5 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung einer dritten bevorzugten Ausführungsform; und -
6 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung einer Halbleitervorrichtung als Modifikation der ersten Ausführungsform; - <Erste Ausführungsform>
- Eine erste bevorzugte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf
2 erläutert. Halbleiterchips, welche in dieser Ausführungsform verwendet werden, sind ein Halbleiterchip, in welchem ein IGBT ausgebildet ist (IGBT-Chip)301 , und ein Halbleiterchip, in welchem eine FWD gebildet ist (FWD-Chip)302 . Die Halbleiterchips301 und302 bestehen hauptsächlich aus Silizium und haben eine Dicke von ungefähr 0,5 mm. In den Halbleiterchips301 und302 sind die Oberflächen mit ausgebildeten Elementen als Hauptoberflächen301a und302a bezeichnet und die gegenüberliegenden Oberflächen werden als Rückenoberflächen301b und302b bezeichnet. Auf der Hauptoberfläche301a des IGBT-Chips301 ist eine Emitterelektrode ausgebildet und auf der Rückenoberfläche301b des IGBT-Chips301 ist eine Kollektorelektrode ausgebildet, obgleich diese Elektroden in der Zeichnung nicht dargestellt sind. - An die Hauptoberflächen
301a und302a der Halbleiterchips301 und302 sind Rückenoberflächen303b von Wärmesenken (E-Wärmesenken; ”E” steht für ”Emitter”)303 als erste leitfähige Bauteile über ein Lot304-1 als erstes Verbindungsbauteil mit elektrischer Leitfähigkeit angeheftet. In den E-Wärmesenken303 ist eine Verbindungsfläche zwischen dem IGBT-Chip301 und der E-Wärmesenke303 annähernd gleich der Fläche der Emitterelektrode des IGBT-Chips301 . Infolgedessen kann die E-Wärmesenke303 die Emitterelektrode in einem Bereich so groß wie möglich kontaktieren und ist daran gehindert, einen Umfangsabschnitt der Emitterelektrode zu kontaktieren. - Auf der Hauptoberfläche
301a des IGBT-Chips301 besteht ein Bereich, beispielsweise ein Schutzring, der ein Problem verursachen kann, wenn er auf gleichem Potential mit der Emitterelektrode liegt. Wenn die Wärmesenke303 diesen Bereich berührt, hätte dieser Bereich das gleiche Potential wie die Emitterelektrode über die Wärmesenke303 . Von daher wird der Kontaktbereich des IGBT301 und der E-Wärmesenke303 annähernd gleich dem Bereich der Emitterelektrode des IGBT-Chips301 gemacht. Infolgedessen kann die E-Wärmesenke303 an den IGBT-Chip301 ohne irgendwelche Probleme angeheftet werden. - An die Rückenoberflächen
301b und302b der Halbleiterchips301 und302 ist eine Hauptoberfläche305a eines zweiten leitfähigen Bauteiles305 über ein Lot304-2 als zweites Verbindungsbauteil angeheftet (elektrisch verbunden). An die Hauptoberflächen303a der Wärmesenken303 gegenüber den Rückenoberflächen303b wird eine Rückenoberfläche306b eines dritten leitfähigen Bauteiles306 über ein Lot304-3 als drittes Verbindungsbauteil angeheftet (elektrisch verbunden). - Die E-Wärmesenken
303 und die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile305 und306 können aus metallischen Bauteilen mit elektrischer Leitfähigkeit gemacht werden In dieser Ausführungsform sind die E-Wärmesenken303 aus Cu (Kupfer) und die zweiten und dritten Bauteile305 und306 sind aus einer Kupferlegierung. Die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile305 und306 sind plattenförmig. Die E-Wärmesenken303 sind ebenfalls plattenförmige Bauteile, haben jedoch abgestufte Bereiche303c , wie noch beschrieben wird. - Jede der E-Wärmesenken
303 ist so gebildet, dass sie in Richtung des dritten leitfähigen Bauteiles306 über den Stufenabschnitt303c vorsteht, und hat einen dünnen Abschnitt oder Bereich303d an der Seite der Halbleiterchips301 und302 . Der dünne Abschnitt303d ist in Dickenrichtung des Halbleiterchips301 gedünnt. Infolgedessen ist in jeder der E-Wärmesenken303 der Verbindungsbereich zwischen der E-Wärmesenke303 und dem dritten leitfähigen Bauteil306 geringer als zwischen der E-Wärmesenke303 und dem Halbleiterchip301 oder302 . - An den Oberflächenabschnitten der E-Wärmesenken
303 , wo diese an den entsprechenden Halbleiterchips301 und302 und den dritten leitfähigen Bauteilen306 angeheftet werden, erfolgt eine Oberflächenbehandlung, beispielsweise eine Plattierung mit Ni (Nickel), um die Benetzbarkeit mit dem Lot304 zu verbessern. Die anderen äußeren Oberflächen der E-Wärmesenken303 für einen Kontakt mit einem zu beschreibenden Abdichtbauteil werden oxidiert. Die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile305 und306 sind an ihren gesamten äußeren Oberflächen mit Ni plattiert. In den zweiten und dritten leitfähigen Bauteilen305 und306 und den E-Wärmesenken303 beträgt die Dicke im dicksten Bereich ungefähr 1 mm und die Dicke im dünnen Bereich ungefähr 0,4 mm. - Ein Kontakt- oder Anschlusspunkt (nicht gezeigt) ist auf der Hauptoberfläche des IGBT-Chips
301 ausgebildet und mit einem Steueranschluss307 eines Leiterrahmens über einen Bondierungsdraht308 elektrisch in Verbindung. Sodann werden die Halbleiterchips301 und302 , die E-Wärmesenken303 , die Hauptoberfläche305a des zweiten leitfähigen Bauteils305 , die Rückenoberfläche306b des dritten leitfähigen Bauteils306 und ein Teil des Steueranschlusses307 einstückig mit Harz oder Kunststoff309 als Versiegelungsbauteil eingegossen. Als Harz309 kann beispielsweise ein Gießharz auf Epoxybasis verwendet werden. Infolgedessen sind die Bauteile301 bis308 einstückig oder im Block eingegossen, wobei die Rückenoberfläche305b des zweiten leitfähigen Bauteils305 , die Hauptoberfläche306a des dritten leitfähigen Bauteils306 und ein Teil des Steueranschlusses307 aus dem Kunstharz309 herausragen. - Auf diese Weise wird die Halbleitervorrichtung dieser Ausführungsform hergestellt. In dieser Halbleitervorrichtung wird von Halbleiterchips
301 und302 erzeugte Wärme in E-Wärmesenken303 übertragen und dann über die Verbindungsbauteile304-2 bzw.304-3 an die zweiten bzw. dritten leitfähigen Bauteile305 und306 und dann von der Rückenoberfläche305b des zweiten leitfähigen Bauteiles305 und der Hauptoberfläche306a des dritten leitfähigen Bauteiles306 abgestrahlt. - Wenn Kühlbauteile (Kühlrippen oder dergleichen) vorhanden sind, um an der Rückenoberfläche
305b des zweiten leitfähigen Bauteiles305 und der Hauptoberfläche306a des dritten leitfähigen Bauteiles306 anzuliegen, kann die Wärmeabstrahlung noch weiter erleichtert oder verbessert werden. Hierbei bilden die E-Wärmesenken303 und die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile305 und306 elektrische Pfade für die jeweiligen Halbleiterchips301 und302 . Genauer gesagt, die elektrische Verbindung mit der Kollektorelektrode des IGBT-Chips301 erfolgt über das zweite leitfähige Bauteil305 , während die elektrische Verbindung mit der Emitterelektrode des IGBT-Chips301 über das dritte leitfähige Bauteil306 und die E-Wärmesenke303 erfolgt. - Wie oben erläutert, hat in dieser Ausführungsform jede der E-Wärmesenken
303 , welche an den Oberflächen301a und302a der Halbleiterchips301 und302 angeheftet ist, den abgestuften Abschnitt303c und infolgedessen den dünnen Abschnitt303d . Da der dünne Abschnitt303d eine geringe Steifigkeit hat, kann der dünne Abschnitt303d einer Verformung des Kunstharzes309 , von welchem er umgeben ist, folgen und thermische Belastungen aufnehmen, wenn die Halbleitervorrichtung Temperaturschwankungen unterworfen wird. Eine Belastungskonzentration an dem Lot304-1 , welches die Halbleiterchips301 und302 und die E-Wärmesenken303 miteinander verbindet, kann somit aufgefangen oder verteilt werden. - Allgemein gesagt, je kleiner die Lötfläche eines Lotes ist, umso kleiner wird die Verbindungsfestigkeit des Lotes. Von daher ist jeder der E-Wärmesenken
303 der Verbindungsbereich mit dem dritten leitfähigen Bauteil306 kleiner gemacht als derjenige mit dem Halbleiterchip301 ode302 . Infolgedessen werden Risse wahrscheinlich im Lot304-3 erzeugt, welches die E-Wärmesenke303 und das dritte leitfähige Bauteil306 verbindet. - Dies hat zur Folge, dass, wenn thermische Belastungen anwachsen, Risse zunächst in dem Lot
304-3 erzeugt werden, welches die E-Wärmesenke303 und das dritte leitfähige Bauteil306 verbindet, so dass die thermischen Belastungen aufgefangen oder abgeschwächt werden, und somit lassen sich thermische Belastungen, welche auf das Lot304-1 einwirken, welche die E-Wärmesenke303 und den Halbleiterchip301 oder302 verbinden, verringern. - Selbst wenn somit Risse im Lot
304-3 erzeugt werden, welches die E-Wärmesenke303 und das dritte leitfähige Bauteil306 verbindet, gleichen sich diejenigen Verformungen, welche durch Temperaturschwankungen verursacht werden, aneinander an, dass sowohl die E-Wärmesenke303 als auch das dritte leitfähige Bauteil306 als Hauptkomponente Kupfer enthalten, und Risse pflanzen sich in dem Lot304-3 nicht wesentlich fort. Selbst wenn sich die Risse fortpflanzen, treten keine wesentlichen Probleme auf, da der Strompfad durch die gesamte Verbindungsoberfläche zwischen der E-Wärmesenke303 und dem dritten leitfähigen Bauteil306 gebildet ist. - Da weiterhin die Oberflächenabschnitte der E-Wärmesenke
303 für einen Kontakt mit dem Harz309 oxidiert hat, kann die Anhaftung mit dem Harz309 verbessert werden. Im Ergebnis gleichen sich die Verformung des Harzes309 aufgrund thermischer Belastungen und die Verformung der E-Wärmesenke303 aneinander an, und Belastungskonzentrationen im Lot304-1 zwischen der E-Wärmesenke303 und dem Halbleiterchip301 oder302 lassen sich auffangen oder abschwächen. Durch Plattieren der Kupferlegierung mit Nickel kann die Anhaftung zwischen der Kupferlegierung und dem Harz309 verbessert werden. Somit werden die Oberflächen der zweiten und dritten leitfähigen Bauteile305 und306 mit Nickel plattiert und nicht oxidiert. - Thermische Belastungskonzentrationen auf das Lot
304-1 , welches die Halbleiterchips301 und302 und die E-Wärmesenken303 verbindet, können unterdrückt werden, so dass Risse daran gehindert werden können, dieses Lot304-1 zu erreichen. Auch wenn mehrere Zellen in der Hauptoberfläche (Elementausbildungsoberfläche)301a des IGBT-Chips301 gebildet werden, wird eine Stromkonzentration auf einer Zelle im Mittelpunkt vermieden und Bruch der Zelle wird verhindert. - Da weiterhin jede der E-Wärmesenken
303 den Stufenabschnitt303c hat, wird im Vergleich zu einem Fall einer prismenförmigen Wärmesenke ohne Stufe eine Kriechdistanz von der Schnittstelle zwischen dem dritten leitfähigen Bauteil306 und dem Harz309 zum Verbindungsabschnitt zwischen dem Halbleiterchip301 oder302 und der E-Wärmesenke303 lang. Aufgrund hiervon kann vermieden oder unterbunden werden, dass Risse an der Schnittstelle zwischen dem dritten leitfähigen Bauteil306 und dem Harz309 den Verbindungsbereich zwischen dem Halbleiterchip und der E-Wärmesenke303 erreichen. - Was die Halbleitervorrichtung gemäß der beschriebenen Ausführungsform betrifft, so wurde ein thermischer Schockzyklustest durchgeführt, bei dem die Halbleitervorrichtung Umgebungen von –40°C und 125°C jeweils für 60 Minuten ausgesetzt wurde, ein Widerstand zwischen dem dritten leitfähigen Bauteil
306 und dem Steueranschluss307 gemessen wurde und eine Änderungsrate des Widerstandes unter Verwendung eines Ausgangswertes als Referenz berechnet wurde. Es bestätigte sich, dass die Änderungsrate im Widerstandswert sich auch bei 200 Zyklen nicht wesentlich erhöht hatte. Es wurde weiterhin bestätigt, dass die Änderungsrate im Widerstandswert der Halbleitervorrichtung dieser Ausführungsform im Vergleich zu einem Fall gering war, in welchem die Wärmesenke keinen Stufenabschnitt hatte. - Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung der beschriebenen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die
3A bis3C beschrieben. Zunächst werden die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile305 und306 aus Platten einer Kupferlegierung oder dergleichen beispielsweise durch Stanzen gefertigt. Danach werden die gesamten äußeren Oberflächen der zweiten und dritten leitfähigen Bauteile305 und306 mit Nickel plattiert. - Sodann werden Kupferplatten zur Bildung der E-Wärmesenken
303 vorbereitet. Sowohl an der Hauptoberfläche als auch den Rückenoberflächen einer jeden Kupferplatte wird eine Nickelplattierung durchgeführt. Sodann werden Kupferbauteile mit einer Größe entsprechend den E-Wärmesenken303 aus den mit Nickel plattierten Kupferplatten durch Stanzen oder dergleichen gebildet. Sodann wird jedes der Kupferbauteile einem Pressvorgang unterworfen, um den Stufenabschnitt303c zu erhalten. Danach sind die E-Wärmesenken303 fertig. Jede dieser E-Wärmesenken303 hat Abschnitte, welche mit Nickel plattiert sind, um eine Anhaftung an dem Halbleiterchip301 oder302 und an das dritte leitfähige Bauteil306 zu haben, und Abschnitte, welche durch das Stanzen freigelegt wurden und nicht mit Nickel plattiert sind. An den freiliegenden Abschnitten wird die Plattierung durch den Pressvorgang wieder abgelöst. - Wie in
3A gezeigt, werden die Halbleiterchips301 und302 an die Hauptoberfläche305a des zweiten leitfähigen Bauteiles305 über das als zweites Verbindungsbauteil fungierende Lot304-2 angeheftet. Sodann werden die E-Wärmesenken303 an die entsprechenden Halbleiterchips301 und302 über das als erstes Verbindungsbauteil fungierende Lot304-1 angeheftet. Das Lot304 , welches zum Anheften oder Verbinden der Halbleiterchips301 und302 und des zweiten leitfähigen Bauteiles305 und der E-Wärmesenken303 verwendet wird, hat einen relativ hohen Schmelzpunkt. Beispielsweise kann ein Lot bestehend aus 10 Gew.-% Sn (Zinn) und 90 Gew.-% Pb (Blei) mit einem Schmelzpunkt von 320°C (Hochtemperaturlot) als Lot304 verwendet werden. Es wird der Zustand gemäß3A erreicht oder erhalten, der als Werkstück310 bezeichnet wird. - Nachfolgend wird gemäß
3B das dritte leitfähige Bauteil306 auf eine Lehre311 gesetzt, wobei die Rückenoberfläche306b nach oben weist, und das als drittes Verbindungsbauteil fungierende Lot304-3 wird auf die gewünschten Bereiche der Rückenoberfläche306b aufgebracht. Sodann wird das Werkstück301 von3A umgedreht und auf das dritte leitfähige Bauteil306 gesetzt. Das Lot304-3 zwischen dem dritten leitfähigen Bauteil306 und den Halbleiterchips301 und302 hat einen Schmelzpunkt unter demjenigen des Hochtemperaturlots, welches oben beschrieben wurde. Beispielsweise kann das Lot Sn mit 90 Gew.-% oder mehr enthalten und einen Schmelzpunkt von 240°C haben. Dieses Lot wird nachfolgend als Niedertemperaturlot bezeichnet. - Weiterhin wird ein plattenförmiges Gewicht
312 auf der Rückenoberfläche305b des zweiten leitförmigen Bauteiles305 angeordnet. Hierbei hat die Lehre311 einen Abstandshalter313 bestimmter Höhe zum Festlegen des Abstandes zwischen den zweiten und dritten leitfähigen Bauteilen305 und306 . Dieser Zustand ist in3C gezeigt. In diesem Zustand wird die Anordnung in einen Heizofen gebracht und ein Reflow-Vorgang wird nur bis zur Temperatur des Niedertemperaturlotes304-3 durchgeführt. Im Ergebnis wird das Werkstück310 durch das Gewicht312 niedergedrückt und gemäß3C wird das Niedertemperaturlot304-3 gequetscht, so dass der Abstand zwischen der Rückenoberfläche306b des dritten leitfähigen Bauteiles306 der Hauptoberfläche305a des zweiten leitfähigen Bauteiles305 der Höhe des Abstandshalters313 entspricht. Hierdurch kann der Grad der Parallelität zwischen den zweiten und dritten leitfähigen Bauteilen305 und306 eingestellt werden. - Weiterhin sind die E-Wärmesenken
303 mit den jeweiligen Halbleiterchips301 und302 in einem Zustand verbunden, in welchem die E-Wärmesenke303 nur die Emitterelektrode auf dem IGBT-Chip301 durch das Hochtemperaturlot304-1 kontaktiert, und sind mit dem dritten leitfähigen Bauteil306 über das Niedertemperaturlot304-3 in Verbindung. Wenn daher die Wärmesenken303 mit dem dritten leitfähigen Bauteil306 verbunden werden, schmilzt das Hochtemperaturlot304-1 nicht und die Verbindungspositionen der E-Wärmesenken303 mit den Halbleiterchips301 und302 können beibehalten werden. Wenn die Schmelzpunkte des Hochtemperaturlotes304-1 und des Niedertemperaturlotes304-3 auf jeweils 320°C bzw. 240°C gesetzt werden, beträgt die Reflow-Temperatur des Niedertemperaturlotes304-3 bevorzugt 250°C. - Danach werden, obgleich nicht gezeigt, der Steueranschluss
307 und der IGBT-Chip301 miteinander über den Bondierungsdraht308 elektrisch verbunden, und die Bauteile301 bis308 werden mit Kunststoff oder Harz309 eingegossen, wie in2 gezeigt. Dieses Eingießen in Kunstharz oder Kunststoff wird durch Einspritzen des Kunststoffes309 mit einer Temperatur von ungefähr 180°C in die Räume durchgeführt, welche zwischen und um die Bauteile301 bis308 vorliegen. Die Oberflächenabschnitte der E-Wärmesenken303 , welche aus Kupfer sind und nicht mit entweder den Halbleiterchips301 und302 oder dem dritten leitfähigen Bauteil306 in Verbindung steht, werden oxidiert. Danach ist die Halbleitervorrichtung fertig. - Allgemein gesagt, wenn eine Nickelplattierung an der E-Wärmesenke durchgeführt wird, wonach die E-Wärmesenke in eine Form gebracht wird, dass sie zwischen den Halbleiterchip und das dritte leitfähige Bauteil gebracht werden kann, wird die E-Wärmesenke in eine Plattierungsmaschine gebracht und die gesamte Fläche der äußeren Oberfläche der E-Wärmesenke wird plattiert. Von daher kann das auf der E-Wärmesenke angeordnete Lot leicht benetzen und sich in andere Bereiche ausdehnen, welche nicht die Verbindungsabschnitte mit dem Halbleiterchip und dem dritten leitfähigen Bauteil sind.
- Zusätzlich beträgt die Dicke der E-Wärmesenke
303 wenig, d. h. ungefähr 1 mm, und das Niedertemperaturlot304-3 und das Hochtemperaturlot304-1 sind nahe beieinander angeordnet. Wenn die Nickelplattierung auf der gesamten äußeren Oberfläche der E-Wärmesenke303 durchgeführt wird, ergibt sich ein Fall, bei dem das Niedertemperaturlot304-3 und das Hochtemperaturlot304-1 miteinander vermischen. Im Ergebnis könnte sich ein eutektisches Lot mit einem Schmelzpunkt weitaus niedriger als vom Niedertemperaturlot304-3 bilden, welches bei einer Temperatur von beispielsweise 180° aufschmilzt, bei der die Bauteile301 bis308 mit dem Kunststoff309 eingegossen werden. - Um dies zu vermeiden, wird in der beschriebenen Ausführungsform die Nickelplattierung nur an den Abschnitten der E-Wärmesenke
303 durchgeführt, wo diese mit dem Halbleiterchip301 oder302 und dem dritten leitfähigen Bauteil306 verbunden wird. Das Niedertemperaturlot304-3 und das Hochtemperaturlot304-1 sind mit der oxidierten Oberfläche von Kupfer dazwischen angeordnet. Da die Benetzbarkeit der oxidierten Oberfläche von Kupfer mit dem Lot304 niedrig ist, verlaufen das Hochtemperaturlot304-1 und das Niedertemperaturlot304-3 nicht in andere Bereiche als die Verbindungsbereiche und vermischen sich nicht miteinander. Obgleich Lot als Verbindungsbauteil (erste bis dritte Verbindungsbauteile) in dieser Ausführungsform verwendet wird, kann auch alternativ eine Silberpaste oder dergleichen verwendet werden. Die Verbindungsbauteile müssen auch nicht immer zueinander identisches Material haben. - <Zweite Ausführungsform>
-
4 zeigt eine Halbleitervorrichtung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in der Form des dritten leitfähigen Bauteils306 . Nachfolgend werden zur ersten Ausführungsform unterschiedliche Abschnitte näher erläutert. In4 haben gleiche Teile wie in2 gleiche Bezugszeichen und eine nochmalige detaillierte Erläuterung erfolgt nicht. - Gemäß
4 ist ein Stufenabschnitt306c an der Hauptoberfläche306a des dritten leitfähigen Bauteils306 ausgebildet. Dieser Stufenabschnitt306c wird mit dem Harz309 zur Versiegelung abgedeckt. Somit können Kriechabstände von der Schnittstelle zwischen dem Harz309 und dem dritten leitfähigen Bauteil306 zu den Verbindungsabschnitten der E-Wärmesenken303 mit den Halbleiterchips301 und302 zur Oberfläche der Halbleitervorrichtung weiter im Vergleich zu der ersten Ausführungsform erhöht werden. Im Ergebnis werden Risse noch stärker daran gehindert, sich in dem Lot304-1 auszubilden, welches die Halbleiterchips301 und302 und die E-Wärmesenken303 verbindet. - Die Kriechabstände können noch weiter erhöht werden, wenn der mit Harz
309 auf der Oberfläche306a des dritten leitfähigen Bauteiles306 bedeckte Bereich vergrößert wird. Der vergrößerte Bereich des dritten leitfähigen Bauteiles306 verschlechtert jedoch die Abstrahlungseigenschaften. Von daher sollte das dritte leitfähige Bauteil306 mit dem Harz309 bis zu einem Grad bedeckt sein, der die Abstrahlungseigenschaften nicht verschlechtert. - <Dritte Ausführungsform>
-
5 zeigt eine Halbleitervorrichtung einer dritten bevorzugten Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dahingehend, dass leitfähige Bauteile zwischen die entsprechenden Halbleiterchips301 und302 und das zweite leitfähige Bauteil305 gesetzt sind. Nachfolgend werden Teile beschrieben, welche unterschiedlich zur ersten Ausführungsform sind. In5 haben gleiche Teile wie in2 gleiche Bezugszeichen. - Gemäß
5 sind Kollektorwärmesenken (C-Wärmesenken)314 zwischen dem zweiten leitfähigen Bauteil305 und den Halbleiterchips301 und302 auf den Seiten der Rückenoberflächen301b und302b der Halbleiterchips301 und302 angeordnet. Die C-Wärmesenken314 haben Bereiche oder Flächen annähernd gleich der entsprechenden Halbleiterchips301 und302 in einer Richtung senkrecht zur Dickenrichtung der Halbleiterchips301 und302 . - Genauer gesagt, Oberflächen (Hauptoberflächen)
314a der C-Wärmesenken314 sind jeweils an den Rückenoberflächen301b und302b der Halbleiterchips301 und302 durch das Lot304-1 angeheftet. Rückenoberflächen314b der C-Wärmesenken314 sind an die Hauptoberfläche305a der zweiten leitfähigen Bauteile305 über das Lot304-2 angeheftet. - Das zweite leitfähige Bauteil
305 hat bezogen auf seine Dicke eine relativ große Fläche und hat daher die Möglichkeit, dass es sich biegt oder verformt. Wenn andererseits das Einspritzen des Kunstharzes309 durchgeführt wird, werden die Rückenoberfläche305b des zweiten leitfähigen Bauteils305 und die Hauptoberfläche306a des dritten leitfähigen Bauteils306 mit relativ hohem Druck zusammengehalten, um ein Austreten des Harzes309 zu verhindern. Wenn daher das zweite leitfähige Bauteil305 , welches die Halbleiterchips301 und302 hält, gebogen wird, kann der Druck, mit welchem die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile305 und306 während des Eingießens zusammengehalten werden, auf mechanischem Wege Beschädigungen an den Halbleiterchips301 und302 bewirken. - Um dies zu vermeiden, sind in dieser Ausführungsform die C-Wärmesenken
314 an den Rückenoberflächen301b und302b der Halbleiterchips301 und302 angeordnet, und die C-Wärmesenken315 sind in ihrer Größe kleiner gemacht als das zweite leitfähige Bauteil305 . Von daher kann eine Verbiegung unterdrückt werden und die Halbleiterchips301 und302 können sicher vor Schäden bewahrt werden. Somit kann diese Ausführungsform mechanische Beschädigungen an den Halbleiterchips301 und302 zusätzlich zu den Effekten und Wirkungsweisen erzielen, wie sie in der ersten Ausführungsform realisiert sind. Nebenbei gesagt, in der in der zweiten Ausführungsform beschriebenen Anordnung, bei der das dritte leitfähige Bauteil306 den abgestuften Abschnitt306c hat, der mit dem Harz309 bedeckt ist, können die C-Wärmesenken314 ebenfalls verwendet werden. - In den beschriebenen Ausführungsformen haben die E-Wärmesenken
303 die dünnen Abschnitte303d auf seiten der Halbleiterchips301 und302 ; wie jedoch beispielsweise in6 gezeigt ist, können die Stufenabschnitte303d auf seiten des dritten leitfähigen Bauteils306 vorgesehen werden. Auch mit diesem Aufbau kann verhindert werden, dass sich thermische Belastungen auf dem Lot304-1 an den Verbindungsabschnitten zwischen den Halbleiterchips301 und302 und den Wärmesenken303 konzentrieren, was durch die geringe Steifigkeit der dünnen Abschnitte303d möglich ist, welche die thermischen Belastungen aufnehmen können, was im Vergleich zu dem Fall vorteilhaft ist, bei dem die E-Wärmesenken eine Prismenform haben. - In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist bei jeder der E-Wärmesenken
303 der Stufenabschnitt303c an dem gesamten Abschnitt vorgesehen, der das Harz309 kontaktiert; was das Lot304-1 betrifft, welches die Halbleiterchips301 und302 und die E-Wärmesenken303 verbindet, pflanzen sich jedoch Risse von der Umfangsseite des Harzes309 in Richtung Mittelpunkt fort. Von daher kann der Stufenabschnitt303c nur an dem Abschnitt vorgesehen werden, der in Richtung des äußeren Umfangs des Harzes309 weist. Hierbei bedeutet der Umfang des Harzes309 den Umfang eines Abschnittes, der die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile305 und306 umgibt, und entspricht in2 einer Oberfläche annähernd parallel zur Dickenrichtung der Halbleiterchips301 und302 . - Beschrieben wurde somit eine Halbleitervorrichtung mit: einem Halbleiterchip, der eine Elementausbildungsoberfläche und eine Rückenoberfläche hat; einem ersten leitfähigen Bauteil, welches mit der Elementausbildungsober-fläche des Halbleiterchips über ein erstes Verbindungsbauteil verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat; einem zweiten leitfähigen Bauteil, welches mit der Rückenoberfläche des Halbleiterchips über ein zweites Verbindungsbauteil verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat; und einem dritten leitfähigen Bauteil, welches mit dem ersten leitfähigen Bauteil über ein drittes Verbindungsbauteil verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat, wobei die Verbindung an einer dem Halbleiterchip gegenüberliegenden Seite des ersten leitfähigen Bauteils erfolgt, wobei ein Verbindungsbereich zwischen dem ersten leitfähigen Bauteil und dem dritten leitfähigen Bauteil kleiner als derjenige zwischen dem ersten leitfähigen Bauteil und dem Halbleiterchip ist.
- Beschrieben wurde weiterhin eine Halbleitervorrichtung, mit: einem Halbleiterchip, mit einer elementausbildenden Oberfläche und einer Rückenoberfläche an einer gegenüberliegenden Seite der Elementausbildungsoberfläche; einem ersten leitfähigen Bauteil, welches mit der Elementausbildungsoberfläche des Halbleiterchips über ein erstes Verbindungsbauteil verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat; einem zweiten leitfähigen Bauteil, welches mit der Rückenoberfläche des Halbleiterchips über ein zweites Verbindungsbauteil verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat; einem dritten leitfähigen Bauteil, welches mit dem ersten leitfähigen Bauteil über ein drittes Verbindungsbauteil verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat, wobei die Verbindung an einer dem Halbleiterchip gegenüberliegenden Seite des ersten leitfähigen Bauteils erfolgt, und einem Versiegelungsbauteil, welches die elementausbildende Oberfläche und die Rückenoberfläche des Halbleiterchips versiegelt, welche jeweils elektrisch mit den ersten und zweiten leitfähigen Bauteilen verbunden sind, sowie eine Fläche des dritten leitfähigen Bauteils versiegelt, welches elektrisch mit dem ersten leitfähigen Bauteil verbunden ist, wobei: das erste leitfähige Bauteil einen abgestuften Abschnitt an einem Abschnitt in Richtung eines äußeren Umfanges des Versiegelungsbauteiles weisend aufweist, wobei das erste leitfähige Bauteil einen Abschnitt geringer Dicke durch Vorsehen des abgestuften Abschnittes hat.
- Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die voranstehenden Ausführungsformen und deren Modifikationen und Abwandlungen beschrieben und in der beigefügten Zeichnung beschrieben; dem Fachmann auf diesem Gebiet ergibt sich jedoch, dass Änderungen hinsichtlich Form und Details gemacht werden können, ohne vom Gegenstand und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist.
Claims (12)
- Eine Halbleitervorrichtung mit: einem Halbleiterchip (
301 ,302 ), der eine Elementausbildungsoberfläche (301a ,302a ) und eine Rückenoberfläche (301b ,302b ) hat; einem ersten leitfähigen Bauteil (303 ), welches mit der Elementausbildungsoberfläche des Halbleiterchips über ein erstes Verbindungsbauteil (304-1 ) verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat; einem zweiten leitfähigen Bauteil (305 ), welches mit der Rückenoberfläche des Halbleiterchips über ein zweites Verbindungsbauteil (304-2 ) verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat; und einem dritten leitfähigen Bauteil (306 ), welches mit dem ersten leitfähigen Bauteil über ein drittes Verbindungsbauteil (304-3 ) verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat, wobei die Verbindung an einer dem Halbleiterchip gegenüberliegenden Seite des ersten leitfähigen Bauteils (303 ) erfolgt, wobei ein Verbindungsbereich zwischen dem ersten leitfähigen Bauteil (303 ) und dem dritten leitfähigen Bauteil (306 ) kleiner als derjenige zwischen dem ersten leitfähigen Bauteil (303 ) und dem Halbleiterchip (301 ,302 ) ist. - Halbleiterchip nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterchip und die ersten, zweiten und dritten leitfähigen Bauteile mit einem Versiegelungsbauteil (
309 ) versiegelt sind, wobei wenigstens ein Oberflächenteil des zweiten oder des dritten leitfähigen Bauteils von dem Versiegelungsbauteil nicht bedeckt ist. - Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste leitfähige Bauteil einen abgestuften Abschnitt (
303c ) in Richtung eines äußeren Umfanges des Versiegelungsbauteils (309 ) weisend aufweist, wobei der abgestufte Abschnitt zur Ausbildung eines Abschnittes (303d ) geringer Dicke des ersten leitfähigen Bauteiles ist. - Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei der abgestufte Abschnitt des ersten leitfähigen Bauteiles mit dem Versiegelungsbauteil bedeckt ist.
- Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei das erste leitfähige Bauteil teilweise in Richtung des dritten leitfähigen Bauteiles vorsteht, wobei der Abschnitt geringer Dicke dem Halbleiterchip gegenüberliegt.
- Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein äußerer Oberflächenabschnitt des ersten leitfähigen Bauteils, der das Versiegelungsbauteil kontaktiert, oxidiert ist.
- Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin mit einer Elektrode an der elementausbildenden Oberfläche des Halbleiterchips, wobei: ein Bereich der Elektrode annähernd gleich dem Verbindungsbereich zwischen dem ersten leitfähigen Bauteil und dem Halbleiterchip ist.
- Eine Halbleitervorrichtung, mit: einem Halbleiterchip (
301 ,302 ), mit einer elementausbildenden Oberfläche (301a ,302a ) und einer Rückenoberfläche (301b ,302b ) an einer gegenüberliegenden Seite der Elementausbildungsoberfläche; einem ersten leitfähigen Bauteil (303 ), welches mit der Elementausbildungsoberfläche des Halbleiterchips über ein erstes Verbindungsbauteil (304-1 ) verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat; einem zweiten leitfähigen Bauteil (305 ), welches mit der Rückenoberfläche des Halbleiterchips über ein zweites Verbindungsbauteil (304-2 ) verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat; einem dritten leitfähigen Bauteil (306 ), welches mit dem ersten leitfähigen Bauteil über ein drittes Verbindungsbauteil (304-3 ) verbunden ist, welches elektrische Leitfähigkeit hat, wobei die Verbindung an einer dem Halbleiterchip gegenüberliegenden Seite des ersten leitfähigen Bauteils (303 ) erfolgt, und einem Versiegelungsbauteil (309 ), welches die elementausbildende Oberfläche (301a ,302a ) und die Rückenoberfläche (301b ,302b ) des Halbleiterchips versiegelt, welche jeweils elektrisch mit den ersten und zweiten leitfähigen Bauteilen verbunden sind, sowie eine Fläche (306b ) des dritten leitfähigen Bauteils versiegelt, welches elektrisch mit dem ersten leitfähigen Bauteil verbunden ist, wobei: das erste leitfähige Bauteil einen abgestuften Abschnitt (303c ) an einem Abschnitt in Richtung eines äußeren Umfanges des Versiegelungsbauteiles weisend aufweist, wobei das erste leitfähige Bauteil einen Abschnitt geringer Dicke (303d ) durch Vorsehen des abgestuften Abschnittes hat. - Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der abgestufte Abschnitt des ersten leitfähigen Bauteiles von dem Versiegelungsbauteil bedeckt ist.
- Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei das erste leitfähige Bauteil zumindest teilweise in Richtung des dritten leitfähigen Bauteiles vorsteht, wobei der Abschnitt geringer Dicke in Richtung des Halbleiterchips weist.
- Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei ein äußerer Oberflächenabschnitt des ersten leitfähigen Bauteils, der das Versiegelungsbauteil kontaktiert, oxidiert ist.
- Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, weiterhin mit einer Elektrode auf der elementausbildenden Oberfläche des Halbleiterchips, wobei: ein Bereich der Elektrode annähernd gleich einem Verbindungsbereich zwischen dem ersten leitfähigen Bauteil und dem Halbleiterchip ist.
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