DE10066443B4 - Halbleitervorrichtung mit Abstrahlungsbauteilen - Google Patents

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    • H01L2224/37099—Material
    • H01L2224/371—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
    • 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 (501a, 501b) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche;
einem ersten Abstrahlungsbauteil (503), welches über ein erstes Verbindungsbauteil (502) mit thermischer Leitfähigkeit mit der ersten Oberfläche des Halbleiterchips in Verbindung ist;
einem zweiten Abstrahlungsbauteil (504), welches über ein zweites Verbindungsbauteil (502) mit thermischer Leitfähigkeit mit der zweiten Oberfläche des Halbleiterchips in Verbindung ist, wobei das zweite Abstrahlungsbauteil einen konkaven Abschnitt (508) zur Aufnahme des Halbleiterchips hierin aufweist;
einer Steuerelektrode, die auf der ersten Oberfläche des Halbleiterchips vorhanden ist; und
einem Leiterrahmen (509), der elektrisch mit der Steuerelektrode verbunden ist, wobei
das erste Abstrahlungsbauteil und das zweite Abstrahlungsbauteil einen vorstehenden Abschnitt (507a, 507b) auf Seiten des Halbleiterchips haben, wobei der vorstehende Abschnitt in eine Öffnung (512a, 512b) eingesetzt ist, welche in dem Leiterrahmen (509) ausgebildet ist, um das erste Abstrahlungsbauteil und das zweite Abstrahlungsbauteil mit dem Leiterrahmen zu...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit Abstrahlungsbauteilen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Halbleitervorrichtung, bei der Wärme an beiden Seiten eines hierin aufgenommenen Halbleiterchips abgestrahlt wird.
  • Die JP 6-291 223 A offenbart ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung, bei der Hitze oder Wärme an beiden Seiten oder von beiden Seiten eines Halbleiterchips abgestrahlt wird. Die 1A bis 1C 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.
  • Aus der US 4 196 442 A ist eine Halbleitervorrichtung bekannt, mit einem Halbleiterchip mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, einem ersten Abstrahlungsbauteil, welches über ein erstes Verbindungsbauteil mit thermischer Leitfähigkeit mit der ersten Oberfläche des Halbleiterchips in Verbindung ist und einem zweiten Abstrahlungsbauteil, welches über ein zweites Verbindungsbauteil mit thermischer Leitfähigkeit mit der zweiten Oberfläche des Halbleiterchips in Verbindung ist, wobei das zweite Abstrahlungsbauteil einen konkaven Abschnitt zur Aufnahme des Halbleiterchips aufweist.
  • Aus der US 4 935 803 A ist eine besondere Vorgehensweise zur Kontaktierung von Halbleiterelementen mit Leiterrahmen bekannt.
  • Die JP 07-007 125 A zeigt einen Mehrschicht-Leiterrahmen zur Kontaktierung mit einem Halbleiterelement, bei dem ein vorstehender Abschnitt eines Abstrahlungsbauteils in eine Öffnung des Leiterrahmens eingesetzt ist.
  • Die US 5 299 097 A zeigt die Möglichkeit einer Stiftbefestigung zwischen einem Halbleiterelement und Teilen eines Leiterrahmens mit zwischengeschalteten Abstandshaltern.
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Probleme im Stand der Technik gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, 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 und eine gute Befestigung der Abstrahlungsbauteile gewährleistet ist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 bzw. 2 angegebenen Merkmale. Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung bzw. vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungsformen hiervon sind in den 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 von 1A entlang der dortigen Linie IB-IB;
  • 1C eine Schnittdarstellung durch die Halbleitervorrichtung von 1A entlang der dortigen Linie IC-IC;
  • 2 eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung in einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
  • 3A eine Schnittdarstellung durch die Halbleitervorrichtung von 2 entlang der dortigen Linie XXVIIIA-XXVIIIA;
  • 3B eine Schnittdarstellung durch die Halbleitervorrichtung von 2 entlang der dortigen Linie XXVIIIB-XXVIIIB;
  • 4 eine Darstellung eines Äquivalentschaltkreises in einem IGBT-Chip der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung;
  • 5A bis 5D schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines Herstellungsverfahrens von Abstrahlungsbauteilen der Ausführungsform;
  • 6 eine Darstellung einer Situation von der Seite gesehen, welche sich bei einem Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung ergibt;
  • 7A bis 7C schematische Darstellungen eines Schrittes für die Kaltverformungs-Befestigung;
  • 8 eine Schnittdarstellung durch einen IGBT-Chip als ein Beispiel;
  • 9 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
  • 10A und 10B Schnittdarstellungen eines Abstrahlungsbauteils zur Verwendung in einem modifizierten Beispiel der zweiten Ausführungsform; und
  • 11 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung einer Halbleitervorrichtung in einer modifizierten Ausführungsform der ersten Ausführungsform.
  • <Erste Ausführungsform>
  • Eine erste bevorzugte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 2 bis 8 beschrieben. Wie in diesen Figuren gezeigt, sind in der ersten Ausführungsform Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite mit zwei Si-Chips 501a und 501b in Bondierverbindung, welche in einer Ebene angeordnet sind, was über ein Bondierbauteil 502 erfolgt, welches thermische Leitfähigkeit hat, um die Chips 501a und 501b einzuschließen.
  • Das Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite ist mit den Oberflächen (ersten Oberflächen) 505a der Si-Chips 501a und 501b in Verbindung, an welchen die Drahtbondierung erfolgt, und das Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite ist mit den anderen Oberflächen (zweiten Oberflächen) 505b der Si-Chips 501a und 501b an der gegenüberliegenden Seite der Oberflächen 505a in Verbindung. In 2 sind Abschnitte des Abstrahlungsbauteiles 504 der zweiten Seite, welche mit anderen Bauteilen überlappen, durch eine Zweipunkt-Strich-Linie dargestellt, und Abschnitte der Si-Chips 501a und 501b, welche andere Bauteile überlappen, sind mit strichpunktierten Linien dargestellt.
  • In dieser Ausführungsform ist der in 2 drahtbondierte Si-Chips ein IGBT-Chip 501a und der andere Si-Chip ist ein FWD-Chip 501b. Im IGBT-Chip 501a dient das Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite als Emitteranschluss und das Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite dient als Kollektoranschluss. Auf der Oberfläche des IGBT-Chips 501a, der in Richtung des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite weist, ist eine Steuerelektrode (nicht gezeigt) zum Empfang oder zum Weitergeben elektrischer Signale von oder zu der Außenseite ausgebildet und mit einer inneren Leitung 510 in Drahtbondierverbindung.
  • Ein Äquivalentschaltkreis des IGBT-Chips 501a ist beispielsweise in 4 dargestellt und besteht im wesentlichen aus einem Kollektor C, einem Emitter E, einem Gate G, einem Stromerkennungsanschluss Is, einer Anode A, welche ein Diodenanschluss für Thermoempfindlichkeit ist, und einer Kathode K.
  • Wie in den 2, 3A und 3B gezeigt, ist die Flächenform des Abstrahlungsbauteils 503 der ersten Seite im wesentlichen ein Rechteck und hat Streifenabschnitte 503a und 503b, welche sich jeweils von gegenüberliegenden Ecken des Rechtecks in entgegengesetzte Richtungen aufeinander zu erstrecken. Das Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite hat konvexe Abschnitte (vorstehende Abschnitte) 506, welche jeweils in Dickenrichtung hiervon vorstehen, um Hauptelektroden auf den Si-Chips 501a und 501b auf Seiten der Oberflächen 505a gegenüberzuliegen. Die vorderen Enden der konvexen Abschnitte 506 sind in einer Höhenlage flach, welche den Bondiervorgang der Si-Chips 501a und 501b nicht stört, und die Formen der flachen Vorderenden entsprechen den ebenen Formen der Hauptelektroden auf den Si-Chips 501a und 501b.
  • Auf der Oberfläche des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite, welche in Richtung der Si-Chips 501a und 501b weist, sind vorstehende Abschnitte 507a an drei Stellen angeordnet, welche auf den Streifenabschnitten 503a und 503b und auf einer Innenseite einer Seite liegen, welche parallel zu den Richtungen ist, in welche die Streifenabschnitte 503a und 503b verlaufen. Die vorstehenden Abschnitte 507a stehen in Richtung der Seite der Si-Chips 501a und 501b vor.
  • Das Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite ist annähernd gleich dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite, hat jedoch zwei Streifenabschnitte 504a, welche an unterschiedlichen Stellen gegenüber den Streifenabschnitten 503a des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite liegen. In Dickenrichtung sind konkave Abschnitte 508 angeordnet, welche passgenau die Si-Chips 501a und 501b aufnehmen. Die Tiefen der konkaven Abschnitte 508 betragen ungefähr 0,1 bis 0,3 mm.
  • Weiterhin hat die Oberfläche des Abstrahlungsbauteiles 504 der zweiten Seite, welche in Richtung der Si-Chips 501a und 501b weist, vorstehende Abschnitte 507b, welche in Richtung der Seite der Si-Chips 501a und 501b vorstehen und an drei Stellen liegen, welche bei den Streifenabschnitten 504a und 504b und an einer Innenseite einer Seite parallel zu der Richtung liegen, in der sich die Streifenabschnitte 504a und 504b erstrecken. Die vorstehenden Abschnitte 507b des Abstrahlungsbauteiles 504 der zweiten Seite sind so angeordnet, dass sie die vorstehenden Abschnitte 507a des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite nicht überlappen, wenn sie von oben her betrachtet werden, wie in 2 gezeigt.
  • Die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite sind beispielsweise aus Cu (Kupfer) gefertigt. Die Bondierungs- oder Verbindungsbauteile 502 sind aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise einem Lot, einem Hartlot oder dergleichen. Die Oberflächen 505b der Si-Chips 501a und 501b sind in die vertieften Abschnitte 508 eingesetzt und über die Verbindungsbauteile 502 mit dem Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite in Verbindung. Die konvexen Abschnitte 506 des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite sind mit den Hauptelektroden der Oberflächen 505a der Si-Chips 501a und 501b in Verbindung.
  • Weiterhin steht die Steuerelektrode der Si-Chips 501a und 501b in elektrischer Verbindung mit dem inneren Leiter 510 eines Leiterrahmens 509, was über einen Draht 511 und eine Drahtbondierung erfolgt. In 2 sind Abschnitte des Leiterrahmens 509, welche andere Abschnitte überlappen, gestrichelt dargestellt. Wie später noch beschrieben, hat der Leiterrahmen 509 sechs Befestigungsabschnitte 509a und 509b, welche jeweils Öffnungen, im folgenden Bohrungen genannt, 512a und 512b zur Aufnahme der vorspringenden Abschnitte 507a und 507b der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite aufweisen. Hierbei kann Al (Aluminium), Au (Gold) etc. für den Draht 511 verwendet werden, und Cu, eine Cu-Legierung, eine 42-Legierung oder dergleichen können für den Leiterrahmen 509 verwendet werden.
  • Sodann werden gemäß 3B die vorstehenden Abschnitte 507b, welche am Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite ausgebildet sind, in die Löcher oder Bohrungen 512b in den Befestigungsabschnitten 509b des Leiterrahmens 509 eingeführt und dann kaltverformt, z. B. gestaucht oder verstemmt. Weiterhin wird jeder der vorstehenden Abschnitte 507a, welche auf dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite ausgebildet sind, in jedes der Löcher oder Bohrungen 512a eingeführt, welche im Befestigungsabschnitt 509a ausgebildet sind, und gleichermaßen in einem Zustand kalt verformt, in welchem ein Abstandshalter 513 zwischen dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite und dem Leiterrahmen 509 eingesetzt ist.
  • Der Abstandshalter 513 ist ein säulenförmiges oder prismatisches Metallstück aus beispielsweise Kupfer und weist eine Bohrung auf, um es dem vorstehenden Abschnitt 507a zu ermöglichen, einzutreten. Der Abstandshalter 513 positioniert das Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite bezüglich der Si-Chips 501a und 501b in Dickenrichtung der Si-Chips 501a und 501b. Wenn der Abstandshalter 513 beispielsweise prismatisch geformt ist, hat er einen quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge von 2 mm und einer Dicke von ungefähr 0,6 mm.
  • Wie weiterhin in den 2, 3A und 3B gezeigt, sind die Si-Chips 501a und 501b und die Abstrahlungsbauteile 503 und 504, welche gemäß obiger Beschreibung miteinander verbunden sind, so mit Kunststoff oder Kunstharz 514 eingebettet oder ein gegossen, dass jede Oberfläche der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite an den gegenüberliegenden Oberflächen, welche in Richtung der Si-Chips 501a und 501b weisen, aus dem Kunstharz 514 vorragen oder von diesem nicht bedeckt sind. In 2 ist die Kontur des Kunstharzes 514 mit einer gestrichelten Linie angedeutet. An den Streifenabschnitten 503a, 503b, 504a und 504b der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite stehen die Streifenabschnitte 503a und 504b, welche sich in eine Richtung entgegengesetzt zu der Seite erstrecken, wo der innere Leiter 510 angeschlossen ist, zur Außenseite des Kunstharzes 514 vor, und die nach außen vorstehenden Streifenabschnitte 503a und 504b dienen jeweils als äußere Elektroden der Si-Chips 501a und 501b.
  • Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung des Halbleitersubstrates beschrieben. Zunächst werden der Leiterrahmen 509 und die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite gemäß den 2, 3A und 3B bereitgestellt oder vorbereitet. Der Leiterrahmen 509 wird beispielsweise durch einen Stanzvorgang in eine gewünschte Form gebracht.
  • Die 5A bis 5D zeigen schematisch ein Verfahren zur Herstellung der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite. Gemäß 5A werden die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite aus einem aufgewickelten Rohmaterial oder Bauteil 515 aus Kupfer oder dergleichen ausgeschnitten, wobei die konvexen Abschnitte 506 in dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite und die konkaven Abschnitte 508 in dem Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite durch eine Pressbearbeitung unter Verwendung eines Stempels 516 und eines Gesenks 517 gebildet werden, wobei der Stempel 516 in eine Richtung F in 5A bewegt wird. Die 5B bis 5D zeigen den Ablauf zur Ausbildung der vorstehenden Abschnitte 507a und 507b. Wie in diesen Figuren gezeigt, wird eine Extrusions- oder Extrudierbearbeitung durchgeführt, um die vorstehenden Abschnitte 507a und 507b zu bilden, indem ein Stempel 518 und ein Gesenk 519 verwendet werden, welches in seiner Mitte eine Vertiefung aufweist, und indem der Stempel 518 in Richtung des Pfeiles H bewegt wird.
  • Nachfolgend werden die Si-Chips 501a und 501b mit dem Leiterrahmen 509 und den Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 der ersten und zweiten Seite, welche wie oben beschrieben hergestellt wurden, zusammengebaut. 6 zeigt schematisch die Ausbildung oder Anordnung der jeweiligen Bauteile 501a, 501b, 502 bis 504 und 509 während dieses Zusammenbauvorganges, von der Seite her betrachtet. Gemäß 6 werden die vorstehenden Abschnitte 507b des Abstrahlungsbauteiles 504 der zweiten Seite in die Löcher 512b der Befestigungsabschnitte 509b des Leiterrahmens 509 eingeführt und wie oben erwähnt kalt verformt, d. h. zum Beispiel verstemmt, gestaucht, verkeilt etc. In die konkaven Abschnitte 508 werden die Si-Chips 501a und 501b passgenau auf seiten der Oberfläche 505b über Lotfolien 502 als Verbindungsbauteile eingesetzt.
  • Die Lotfolien oder Lötfolien 502 haben Formen entsprechend denjenigen der entsprechenden Hauptoberflächen, die auf den Oberflächen 505a der Si-Chips 501a und 501b liegen. Die Abstandshalter 513 werden entsprechend jeweils an die vorstehenden Abschnitte 507a des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite angebracht. Sodann werden die vorstehenden Abschnitte 507a in die Löcher oder Bohrungen 512a der Befestigungsabschnitte 509a des Leiterrahmens 509 eingeführt und dann kalt verformt. Die konvexen Abschnitte 506 des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite sind nicht gezeigt.
  • Der Befestigungsvorgang durch die Kaltverformung in diesem Zusammenbauvorgang wird nachfolgend noch genauer erläutert. Die 7A bis 7C zeigen schematisch den Befestigungsvorgang durch die Kaltverformung. Gemäß dieser Figuren wird nach Einsetzen der vorstehenden Abschnitte 507a und 507b der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite in die Löcher 512a und 512b der Befestigungsabschnitte 509a und 509b des Leiterrahmens 509 jeweils der vorspringende Abschnitt 507a und 507b, der von der Bohrung 512a bzw. 512b vorsteht, durch Bewegen eines Stempels 520 in Richtung des Pfeiles I verformt. Somit werden gemäß 7C die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite und der Leiterrahmen 509 miteinander befestigt.
  • Nachfolgend werden die Si-Chips 501a und 501b, die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 und der Leiterrahmen 509 unter Lot-Reflow in einem Wasserstoffofen oder dergleichen miteinander verbunden, so dass die Bauteile 501a, 501b, 503 und 504 einstückig miteinander verbunden sind. Danach wird zwischen der Steuerelektrode auf der Oberfläche 505a des IGBT-Chips 501 und dem Leiterrahmen 509 eine Drahtbondierung durchgeführt, wonach dann ein Eingießen oder Einbetten durch Kunstharz oder Kunststoff 514 durchgeführt wird. Hierdurch erfolgt eine Isolation zwischen den Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 der ersten und zweiten Seite, und die Halbleitervorrichtung der beschriebenen Ausführungsform ist fertig gestellt.
  • Da bei der beschriebenen Ausführungsform die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite jeweils an die beiden Oberflächen 505a und 505b der Si-Chips 501a und 501b über das Bondierungs- oder Befestigungsbauteil 502 befestigt sind, läßt sich die Abstrahlungseigenschaft verbessern. Weiterhin kann das Befestigungsbauteil 502 aus einem Klebstoff gefertigt werden, der hohe thermische Leitfähigkeit hat, beispielsweise aus einem Lot oder Hartlot. Auch dies verbessert die Abstrahlungseigenschaften.
  • Die Si-Chips 501a und 501b können mit dem Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite dadurch verbunden werden, dass sie in die vertieften Abschnitte 508 des Ab strahlungsbauteiles 504 der zweiten Seite eingesetzt werden. Weiterhin können die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite mit dem Leiterrahmen 509 durch Einführen der vorspringenden Abschnitte 507a und 507b der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 in die Bohrungen 512a und 512b der Befestigungsabschnitte 509a und 509b des Leiterrahmens 509 und durch eine entsprechende Kaltverformung befestigt werden. Im Ergebnis lassen sich die Relativlagen dieser Bauteile in einer Richtung parallel zu den Oberflächen der Si-Chips 501a und 501b festlegen.
  • Weiterhin werden die vorspringenden Abschnitte 507a oder vorstehenden Abschnitte 507a des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite in die Löcher 512a der Befestigungsabschnitte 509a des Leiterahmens 509 mit den Abstandshaltern 513 zwischen dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite und dem Leiterrahmen 509 befestigt. Aufgrund hiervon kann das Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite mit dem Leiterrahmen 509 verbunden werden, wobei ein Befestigungsabstand für die Si-Chips 501a und 501b bereitgestellt wird, wobei weiterhin eine Ausrichtung oder Positionierung in Dickenrichtung der Si-Chips 501a und 501b möglich ist. Infolgedessen können die Relativpositionen der entsprechenden Bauteile sowohl in Oberflächenrichtung als auch Dickenrichtung der Si-Chips 501a und 501b festgelegt werden. Die Halbleitervorrichtung kann mit verringerten Abweichungen in den Anordnungspositionen der entsprechenden Bauteile bereitgestellt werden.
  • Wenn ein Leistungselement, beispielsweise ein IGBT, als Halbleiterchip in der beschriebenen Ausführungsform verwendet wird, kann sich noch das nachfolgende Problem betreffend die Isolation ergeben. 8 zeigt ein Beispiel eines derartigen IGBTs.
  • Wie in 8 gezeigt, ist ein Leistungselement, beispielsweise ein IGBT, mit eifern Schutzring 521 und einem EQR 522 (Äquipotenzialring) an einem Rand- oder Kantenbereich hiervon versehen, und der Schutzring 521 und der EQR 522 sind so ausgebildet, dass sie annähernd das gleiche Potenzial wie die Kollektorelektrode 523 haben. Der Schutzring 521 und der EQR 522 sind weiterhin auf der Oberfläche des Leistungselementes ausgebildet, auf der eine Emitterelektrode 524 ausgebildet ist. Mit anderen Worten, der Schutzring 521 und der EQR 522, welche auf gleichem Potenzial wie die Kollektorelektrode 523 sind, liegen im Nahbereich der Emitterelektrode 524 vor.
  • Im Falle des Leistungselementes, bei dem eine Potenzialdifferenz zwischen der Emitterelektrode 524 und der Kollektorelektrode 523 beispielsweise ungefähr 600 V beträgt, wird die Potenzialdifferenz zwischen dem Schutzring 621, dem EQR 522 und der Emitterelektrode 524 ebenfalls 600 V. Wenn daher ein Abstrahlungsbauteil 524 fehlerhafterweise von einer korrekten Position gegenüber der Seite des Schutzringes 521 und des EQR 522 verschoben angeordnet ist, wie durch den Pfeil J in 8 gezeigt, können der Schutzring 521 und der EQR 522 elektrisch mit der Emitterelektrode 524 über ein Verbindungsteil 526 in Verbindung gelangen, beispielsweise ein Lot, oder mit dem Abstrahlungsbauteil 525 direkt oder über eine Entladung. Selbst wenn der Schutzring 521 und der EQR 522 mit einem Schutzfilm 527 aus Polyimid oder dergleichen bedeckt sind, beträgt die Dicke dieses Films maximal etwa 1 bis 2 μm und die Durchbruchsspannung von 600 V kann nicht sichergestellt werden.
  • Im Gegensatz hierzu sind in der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform gemäß obiger Beschreibung in dem Zustand, in dem die Relativlagen der Si-Chips 501a und 501b, des Leiterrahmens 509 und der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite festgelegt sind, die konvexen Abschnitte 506 des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite mit den Hauptelektroden auf den Oberflächen 505a der Si-Chips 501a und 501b in Verbindung. Aufgrund hiervon kann das Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite in Kontakt mit nur den Hauptelektroden durch Steuerung der Formgebung der konvexen Abschnitte 506 gebracht werden. Dies kann auch das Problem betreffend die Isolation beseitigen, welches durch Abweichungen der Relativlage des Abstrahlungsbauteiles 503 gegenüber den Si-Chips 501a und 501b bewirkt wird.
  • Die vorliegende Ausführung beschreibt das Beispiel, bei dem die Abstandshalter 513 eng oder fest an den vorstehenden Abschnitten 507a des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite angebracht sind; die vorstehenden Abschnitte 507a und 507b können jedoch auch in einem abgestuften Zustand an den entsprechenden Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 beispielsweise durch Bilden des Stempels 519 zur Durchführung der Bearbeitung der 7B und 7C derart, dass dieser einen abgestuften Abschnitt in seiner Vertiefung hat, gebildet werden. Somit können die Abstandshalter mit den vorstehenden oder vorspringenden Abschnitten zusammengefasst werden.
  • Weiterhin sind die Abstandshalter 513 nicht darauf beschränkt, an den vorstehenden Abschnitten 507a des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite angebracht zu werden, sondern sie können auch an dem vorstehenden Abschnitt 507b des Abstrahlungsbauteiles 504 der zweiten Seite angebracht werden, um die Relativlagen der Si-Chips 501a und 501b, der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 und des Leiterrahmens 509 in Dickenrichtung der Si-Chips 501a und 501b festzulegen.
  • Wenn in der vorliegenden Ausführungsform die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite jeweils mit dem Leiterrahmen 509 durch entsprechende Kaltverformung verbunden sind, lassen sich Schwankungen oder Abweichungen in den Anordnungspositionen der Halbleiterchips sicher vermeiden. Es kann jedoch nur eines der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 durch eine Kaltverformung festgelegt werden, solange die Positions- oder Ausrichtungsgenauigkeit der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 verbessert und Schwankungen oder Abweichungen in den Anordnungspositionen der Halbleiterchips unterdrückt oder vermieden sind.
  • Jedes der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 hat eine Oberfläche, welche nach außen hin freiliegt, und zwar auf einer gegenüberliegenden Seite der Chips 501a und 501b. Diese freiliegende Oberfläche kann in Kontakt mit einem Kühlbauteil zur Beschleunigung der Wärmeabstrahlung gebracht werden. Die vorliegende Ausführungsform hat den IGBT-Chip 501a als Halbleiterchip exemplarisch verwendet und ist so aufgebaut, dass Abweichungen in den Anordnungspositionen des Halbleiterchips unterdrückt oder vermieden werden. Selbst wenn die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 nicht als Elektroden verwendet werden, bewirkt der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform, dass die Abstrahlungseigenschaften verbessert werden und dass Abweichungen in den Anordnungspositionen des Halbleiterchips vermieden sind.
  • Die Abstandshalter 513 sind an allen (in der vorliegenden Ausführungsform allen drei) vorstehenden Abschnitten 507a angebracht, die an dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite ausgebildet sind; die Abstandshalter, welche nur an zwei Stellen angebracht sind, sind ausreichend, um die Relativlagen zwischen dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite und den Si-Chips 501a und 501b in Dickenrichtung der Si-Chips 501a und 501b festzulegen. Die Verbindungs- oder Befestigungsbauteile 502 sind nicht auf Lotfolien beschränkt, sondern können auch Lotpasten oder dergleichen sein. Die Halbleitervorrichtung muss nicht unbedingt zwei Halbleiterchips 501a und 501b haben, sondern auch nur einen.
  • <Zweite Ausführungsform>
  • Wenn die Stromkapazität des IGBT-Chips 501a 100 A übersteigt, wächst die Chipgröße an und es ergibt sich der Fall, dass die Chipgröße auf 10 bis 16 mm anwächst. Wenn in so einem Fall die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 aus Kupfer gefertigt sind, wird, da der lineare Ausdehnungskoeffizient von Kupfer 5- bis 6mal größer als derjenige von Silizium ist, welches den IGBT-Chip 501a hauptsächlich ausmacht, das das Verbindungsteil 502 bildende Lot während thermischer Schwankungen geschwächt. Dies kann zum Auftreten von Rissen, einem Anstieg in dem thermischen Widerstand und einer Verschlechterung der Wärmeabstrahlungseigenschaft führen.
  • Unter Berücksichtigung dieses Sachverhaltes wurde die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß nachfolgendem Aufbau gemacht. In dieser Ausführungsform sind die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite aus einem Material gemacht, welches unterschiedlich zu demjenigen der ersten Ausführungsform ist. Nachfolgend werden unterschiedliche Teile oder Abschnitte zur ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Teile wie in dieser Ausführungsform sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Wie in 9 gezeigt, wird als Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite ein Metall mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten ähnlich demjenigen der Si-Chips 501a und 501b verwendet. Insbesondere werden im Ausführungsbeispiel Kaschierungsteile (CICs) verwendet, von denen jedes so aufgebaut ist, dass ein Bauteil (aus Invar) 528 durch Bauteile (Kupferbauteile) 529 beidseitig eingeschlossen ist. Der lineare Ausdehnungskoeffizient eines jeden CIC entspricht annähernd demjenigen von Si so nahe wie möglich, indem das Dickenverhältnis zwischen dem Invarbauteil 528 und dem Kupferbauteilen 529 sowie die Gesamtdicke entsprechend eingestellt wird. Die weiteren Einzelheiten und Merkmale, beispielsweise die Formgebungen der entsprechenden Bauteile, sind im wesentlichen wie in der ersten Ausführungsform.
  • Da bei der zweiten Ausführungsform der lineare Ausdehnungskoeffizient der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite demjenigen der Si-Chips 501a und 501b angenähert ist, kann, selbst wenn die Größe der Si-Chips 501a und/oder 501b groß wird, eine thermische Belastung aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Si-Chips 501a und 501b und den Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 unterdrückt werden, und Belastungskonzentrationen im Bereich der Befestigungsbauteile 502 lassen sich vermeiden. Dies verhindert eine Verschlechterung der Verbindungseigenschaften zwischen den Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 und den Si-Chips 501a und 501b. Infolgedessen lassen sich Verschlechterungen in der Abstrahlungseigenschaft und eine Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit vermeiden, wenn die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 als Elektroden verwendet werden.
  • Die gleichen Effekte wie oben beschrieben lassen sich erhalten, wenn anstelle von Invar Mo (Molybdän) verwendet wird. In den Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 müssen die von den Kupferbauteilen 529 beidseitig eingeschlossenen Bauteile 528 nicht gleichförmig Invar oder Molybdän sein, sondern können sich voneinander unterscheiden. Die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 sind auch nicht auf kaschierte Bauteile beschränkt, sondern können andere Bauteile sein, beispielsweise aus einer Kupfer-Molybdän-Legierung mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten, der demjenigen von Silizium angenähert ist.
  • Die zweite Ausführungsform zeigt ein Beispiel, bei welchem ein Metall mit einem linearen Ausdehnungskoeffizient annähernd gleich demjenigen von Silizium für die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 verwendet wird, wobei konkret ein kaschiertes Bauteil, beispielsweise CIC, verwendet wird. Die thermischen Leitfähigkeiten von Invar und Molybdän sind jedoch gegenüber denjenigen von Kupfer schlechter und die Bauteile 528 aus Invar oder Molybän verschlechtern die Abstrahlungseigenschaften in Dickenrichtung der Si-Chips 501a und 501b. Dieses Problem wird durch die nachfolgende modifizierte Ausführungsform beseitigt.
  • In dieser modifizierten Ausführungsform sind gemäß den 10A und 10B mehrere Invarbauteile 528 teilweise in das Kupferbauteil 529 eingelegt oder eingebettet. 10A zeigt eine Querschnittsdarstellung durch das Abstrahlungsbauteil 503 oder 504 in einer Richtung parallel zu der Schicht, in der diese die Invarbauteile 528 enthält, wohingegen 10B einen Querschnitt durch die Abstrahlungsbauteile 503 oder 504 zeigt, in einer Richtung senkrecht zur Schicht, in der die Invarbauteile 528 enthalten sind.
  • Gemäß den 10A und 10B sind in dieser modifizierten Ausführungsform die Invarbauteile 528 an mehreren (beispielsweise vier) Positionen innerhalb des Kupferbauteiles 529 vorhanden. Infolgedessen haben die Abstrahlungsbauteile 503 und/oder 504 Abschnitte, welche in Dickenrichtung gesehen nur aus dem Kupferbauteil 529 bestehen, sodass die thermische Leitfähigkeit in Dickenrichtung des Abstrahlbauteiles 503 bzw. 504 nicht verschlechtert ist. Somit kann ein Abstrahlungsbauteil, welches in seiner thermischen Ausdehnung an Silizium angenähert ist, mit einer ausreichenden Abstrahlungsleistung geschaffen werden. Obgleich in dieser modifizierten Ausführungsform die Invarbauteile 528 an vier Positionen innerhalb des Kupferbauteiles 529 vorhanden sind, lassen sich die Invarbauteile 528 auch beispielsweise in Form eines feinen Gitters oder Netzes ausbilden, wo viele kleine Invarteile vorhanden sind. Anstelle der Invarbauteile können auch solche aus Molybdän verwendet werden. Weiterhin lassen sich Invarbauteile und Molybdänbauteile gleichzeitig verwenden.
  • 11 zeigt eine Halbleitervorrichtung einer weiteren modifizierten Ausführungsform. In den oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen ist die Steuerelektrode auf der Oberfläche 505a des IGBT-Chips 501a mit der inneren Leitung 510 über eine Drahtbondierung elektrisch verbunden; wie jedoch in 11 gezeigt, kann diese Verbindung auch durch ein tropfen- oder kissenförmiges Verbindungs- oder Bondierbauteil 530 aus einem Lot oder dergleichen erfolgen. Wenn somit zwischen den Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 und den Si-Chips 501a und 501b ein Lötvorgang durchgeführt wird, kann gleichzeitig die Verbindung zwischen dem inneren Leiter 510 und der Steuerelektrode ausgebildet werden. Dies führt zu einer Vereinfachung in der Herstellung.
  • Beschrieben wurde eine Halbleitervorrichtung, welche zwei Halbleiterchips aufweist, welche zwischen ein Paar von Abstrahlungsbauteilen gesetzt sind und hierbei thermisch und elektrisch mit den Abstrahlungsbauteilen in Verbindung stehen. Eines der Abstrahlungsbauteile weist zwei vorstehende Abschnitte auf, wobei vordere Enden der vorstehenden Abschnitte mit den Hauptelektroden der Halbleiterchips in Verbindung sind. Die Abstrahlungsbauteile sind aus einem metallischen Material, welches Kupfer oder Aluminium als Hauptkomponente enthält. Die Halbleiterchips und die Abstrahlungsbauteile werden mit Kunststoff oder Kunstharz eingegossen, wobei nach außen hin freiliegende Abstrahlungsoberflächen verbleiben.
  • 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 (5)

  1. Eine Halbleitervorrichtung, mit: einem Halbleiterchip (501a, 501b) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; einem ersten Abstrahlungsbauteil (503), welches über ein erstes Verbindungsbauteil (502) mit thermischer Leitfähigkeit mit der ersten Oberfläche des Halbleiterchips in Verbindung ist; einem zweiten Abstrahlungsbauteil (504), welches über ein zweites Verbindungsbauteil (502) mit thermischer Leitfähigkeit mit der zweiten Oberfläche des Halbleiterchips in Verbindung ist, wobei das zweite Abstrahlungsbauteil einen konkaven Abschnitt (508) zur Aufnahme des Halbleiterchips hierin aufweist; einer Steuerelektrode, die auf der ersten Oberfläche des Halbleiterchips vorhanden ist; und einem Leiterrahmen (509), der elektrisch mit der Steuerelektrode verbunden ist, wobei das erste Abstrahlungsbauteil und das zweite Abstrahlungsbauteil einen vorstehenden Abschnitt (507a, 507b) auf Seiten des Halbleiterchips haben, wobei der vorstehende Abschnitt in eine Öffnung (512a, 512b) eingesetzt ist, welche in dem Leiterrahmen (509) ausgebildet ist, um das erste Abstrahlungsbauteil und das zweite Abstrahlungsbauteil mit dem Leiterrahmen zu verbinden.
  2. Eine Halbleitervorrichtung, mit: einem Halbleiterchip (501a, 501b) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; einem ersten Abstrahlungsbauteil (503), welches über ein erstes Verbindungsbauteil (502) mit thermischer Leitfähigkeit mit der ersten Oberfläche des Halbleiterchips in Verbindung ist, und einem zweiten Abstrahlungsbauteil (504), welches über ein zweites Verbindungsbauteil (502) mit thermischer Leitfähigkeit mit der zweiten Oberfläche des Halbleiterchips in Verbindung ist, wobei das zweite Abstrahlungsbauteil einen konkaven Abschnitt (508) zur Aufnahme des Halbleiterchips hierin aufweist, einer Steuerelektrode, die auf der ersten Oberfläche des Halbleiterchips vorhanden ist; und einem Leiterrahmen (509), der elektrisch mit der Steuerelektrode verbunden ist, wobei das erste Abstrahlungsbauteil und das zweite Abstrahlungsbauteil einen vorstehenden Abschnitt (507a, 507b) auf Seiten des Halbleiterchips haben, wobei der vorstehende Abschnitt in eine Öffnung (512a, 512b) eingesetzt ist, welche in dem Leiterrahmen (509) ausgebildet ist, wobei ein Abstandshalter (513) zwischen den Leiterrahmen und das erste Abstrahlungsbauteil und das zweite Abstrahlungsbauteile gesetzt ist, und wobei der Abstandshalter (513) das erste Abstrahlungsbauteil und das zweite Abstrahlungsbauteil bezüglich des Halbleiterchips in Dickenrichtung des Halbleiterchips positioniert.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Abstrahlungsbauteil einen konvexen Abschnitt (506) hat, der in Richtung des Halbleiterchips vorsteht; und wobei der konvexe Abschnitt mit dem Halbleiterchip über das erste Verbindungsbauteil in Verbindung steht.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Abstrahlungsbauteil oder das zweite Abstrahlungsbauteil aus einem Kupferbauteil (529) und einer Mehrzahl von Abschnitten (528) zusammengesetzt ist, welche teilweise innerhalb des Kupferbauteiles angeordnet sind und aus Invar oder Molybdän gefertigt sind.
  5. Halbleitervorrichung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Abstrahlungsbauteil, der Halbleiterchip und das zweite Abstrahlungsbauteil innerhalb eines Kunstharzbauteils (514) in einem Zustand eingesiegelt sind, wo sowohl das erste Abstrahlungsbauteil als auch das zweite Abstrahlungsbauteil eine Oberfläche hat, welche von dem Kunstharzbauteil auf einer Seite gegenüber des Halbleiterchips vorsteht.
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