DE102007008912A1

DE102007008912A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102007008912A1
Application number: DE102007008912A
Authority: DE
Inventors: Masuo Fukuoka Koga; Tetsuo Mizoshiri; Yukimasa Fukuoka Hayashida
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-07-04
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2027-02-24
Also published as: US7554192B2; DE102007008912B4; US20080006932A1; JP4735446B2; JP2008016551A

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein isolierendes Substrat (11) mit einem oberen Leiter (12), der auf der Deckfläche desselben ausgebildet ist, und einem unteren Leiter (13), der auf der unteren Oberfläche ausgebildet ist, auf, ein Halbleiterelement (14), das auf das isolierende Substrat (11) mit einem dazwischen gefügten Lot (15) unter dem Element montiert ist, einen Kühlkörper (16), auf den das isolierende Substrat (11) mit einem dazwischen gefügten Lot (17) unter dem Substrat montiert ist, ein Silikongel (20), das das Halbleiterelement (14), das Lot (15) unter dem Element und den oberen Leiter (12) bedeckt, und einen Füllstoff (22), der den unteren Leiter (13) und das Lot (17) unter dem Substrat bedeckt und eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die größer ist als die thermische Leitfähigkeit von Luft und eine Fluidität aufweist, die höher ist als die Fluidität des Silikongels (20).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, bei der ein isolierendes Substrat, welches ein Halbleiterelement trägt, auf einem Kühlkörper angebracht ist und spezieller auf eine Halbleitervorrichtung mit niedrigem Preis und einer langen Lebensdauer.
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine bekannte Halbleitervorrichtung zeigt. 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils der Halbleitervorrichtung. Ein isolierendes Substrat 11 hat einen oberen Leiter 12, der auf der Deckfläche desselben ausgebildet ist, und einen unteren Leiter 13, der auf der unteren Oberfläche desselben ausgebildet ist. Ein Halbleiterelement 14 ist auf dem isolierenden Substrat 11 montiert mit einem Lot 15 unterhalb des Halbleiterelementes. Das isolierende Substrat 11 ist auf einem Kühlkörper 16 mit einem dazwischen gefügten Lot 17 unter dem Substrat montiert. Am Umfang des Kühlkörpers 16 ist ein Gehäuse 18 mittels eines Klebers 19 befestigt und innerhalb des Kühlkörpers 16 ist zum Sicherstellen der Isolation ein Silikongel 20 eingespritzt.
Es wurde eine Methode zum Verbessern der Wärmeableitung eines Halbleiterchips vorgeschlagen, bei der eine isolierende Flüssigkeit mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit in ein Wärme abstrahlendes Gehäuse eingefüllt wird, das einen Halbleiterchip und einen Kühlkörper beherbergt (siehe beispielsweise die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 63-096945 ).
Durch das wiederholte Aufheizen und Abkühlen aufgrund des Betriebs des Halbleiterelements 14 dehnen sich das isolierende Substrat 11 und der Kühlkörper 16 aus und ziehen sich wieder zusammen. Wenn die Halbleitervorrichtung für einen langen Zeitraum verwendet wird, werden deshalb Risse 21 in dem Lot 17 unter dem Substrat erzeugt. Da die Rissbereiche 21 Luftschichten bilden, welche eine sehr kleine thermische Leitfähigkeit haben, ist der Wärmeübertrag von dem Halbleiterelement 14 zu dem Kühlkörper 16 erniedrigt. Es gab das Problem, dass das Halbleiterelement 14 ungewöhnlich aufgeheizt wurde, die Halbleitervorrichtung zerstört wurde und die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung verkürzt war. Bei der Methode des Patentdokuments 1 musste eine isolierende Flüssigkeit verwendet werden und eine leitende Substanz mit einer hohen Wärmeabstrahlung bzw. -leitung konnte nicht verwendet werden. Deshalb war die Wärmeabstrahlung bzw. -leitung ungenügend.
Wenn eine lange Lebensdauer erforderlich war, wurde im Gegensatz dazu im Allgemeinen ein Material mit einer niedrigen Längenausdehnung, wie zum Beispiel Aluminiumsiliziumkarbid (AlSiC) und Kupfermolybdän (CuMo) anstelle von Kupfer (Cu) als Material für den Kühlkörper verwendet. Obwohl in diesem Falle nicht leicht Risse in dem Lot unter dem Substrat erzeugt wurden, gab es das Problem hoher Materialkosten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung zum Lösen der oben beschriebenen Probleme eine Halbleitervorrichtung mit ei nem niedrigem Preis und einer langen Lebensdauer bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein isolierendes Substrat mit einem oberen Leiter, der auf der Deckfläche ausgebildet ist, und einem unteren Leiter, der auf der unteren Oberfläche ausgebildet ist; ein Halbleiterelement, das auf das isolierende Substrat mit einem dazwischen gefügten Lot unter dem Element montiert ist; eine Wärmesenke, auf der das isolierende Substrat mit einem dazwischen gefügten Lot unter dem Substrat montiert ist; ein Silikongel, das das Halbleiterelement, das Lot unter dem Element und den oberen Leiter bedeckt; und einen Füllstoff, der den unteren Leiter und das Lot unter dem Substrat bedeckt und eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die größer als die thermische Leitfähigkeit von Luft ist, und eine Fluidität, die höher ist als die Fluidität des Silikongels.
Sogar wenn Risse in dem Lot unter dem Substrat auftreten, fließt gemäß der vorliegenden Erfindung ein Füllstoff in die Risse und ein Wärmeübertrag von dem Halbleiterelement zu dem Kühlkörper ist nicht sehr erniedrigt. Sogar wenn eine lange Lebensdauer erforderlich ist, kann daher ein Kühlkörper verwendet werden, der aus kostengünstigem Kupfermaterial (Cu) zusammengesetzt ist. Folglich kann eine Halbleitervorrichtung mit einem niedrigen Preis und einer langen Lebensdauer erhalten werden.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden deutlicher anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen. Von den Figuren zeigen:
1 eine Querschnittsansicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt,
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils der Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 eine Querschnittsansicht, die eine bekannte Halbleitervorrichtung zeigt,
6 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils der Halbleitervorrichtung.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils der Halbleitervorrichtung.
Ein isolierendes Substrat 11 hat einen oberen Leiter 12, der auf der Deckfläche desselben ausgebildet ist, und einen unte ren Leiter 13, der auf der unteren Oberfläche desselben ausgebildet ist. Ein Halbleiterelement 14 ist auf das isolierende Substrat 11 mit einem dazwischen gefügten Lot 15 unter dem Element montiert. Der untere Leiter 13 des isolierenden Substrats 11 ist mit einem Kühlkörper 16 mit einem dazwischen gefügten Lot 17 unter dem Substrat verbunden. An dem Umfang des Kühlkörpers bzw. der Wärmesenke 16 ist ein Gehäuse 18 durch ein Haftmittel 19 befestigt.
Der Füllstoff 22, der in das Gehäuse 18 injiziert ist, bedeckt den unteren Leiter 13 und das Lot 17 unter dem Substrat. Das auf den Füllstoff 22 injizierte Silikongel 20 bedeckt das Halbleiterelement 14, das Lot 15 unter dem Element und den oberen Leiter 12.
Als Füllstoff 22 ist ein Material mit einer größeren thermischen Leitfähigkeit als Luft und einer höheren Fluidität als jener des Silikongels 20 verwendet. Als solch ein Füllstoff 22 kann beispielsweise eine Fluor-basierte inaktive Flüssigkeit verwendet werden. Wenn speziell Fluorinert FC-40 (Produktname) von Sumitomo 3M, Ltd. verwendet wird, ist die thermische Leitfähigkeit von Fluorinert 0,067 W/mK verglichen zu der thermischen Leitfähigkeit von Luft von 0,024 W/mK. Fluorinert hat eine höhere Fluidität als Silikongel.
Sogar wenn ein Riss 21 in dem Lot 17 unter dem Substrat erzeugt wird, dringt dadurch im Vergleich zu dem Falle des bekannten Silikongels der Füllstoff 22 in den Riss 21 ein, zum Unterdrücken der Erniedrigung der Wärmeübertragungseigenschaften von dem Halbleiterelement 14 zu dem Kühlkörper 18. Sogar wenn eine lange Lebensdauer gefordert ist, kann deshalb der Kühlkörper 16 verwendet werden, der aus einem kostengünstigen Kupfer(Cu)-Material zusammengesetzt ist. Deshalb kann eine Halbleitervorrichtung mit einem niedrigen Preis und einer langen Lebensdauer erhalten werden.
Zweite Ausführungsform
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils der Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Füllstoff 22 enthält feine Teilchen 23 mit einer thermischen Leitfähigkeit, die höher als die thermische Leitfähigkeit des Füllstoffes 22 selbst ist. Weitere Bestandteile sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. Da die thermische Leitfähigkeit des Füllstoffes 22 verbessert ist, wird deshalb die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung länger als die Lebensdauer der ersten Ausführungsform.
Für die feinen Teilchen 23 kann ein Metall, wie zum Beispiel Kupfer (Cu) und Nickel (Ni), Kohlenstoff-Nanoröhren oder dergleichen verwendet werden. Die thermische Leitfähigkeit von Fluorinert, das hier als der Füllstoff 22 verwendet wird, ist 0,067 W/mK, während die thermische Leitfähigkeit von Kupfer 400 W/mK ist und die thermische Leitfähigkeit von Kohlenstoff-Nanoröhren 6000 W/mK ist.
Wenn in dem Fluorinert 0,7% oder mehr Kohlenstoff-Nanoröhren enthalten sind, wird zusätzlich die thermische Leitfähigkeit des Fluorinert höher als die thermische Leitfähigkeit des Lots (38 W/mK). Sogar wenn ein Riss 21 in dem Lot 17 unter dem Substrat erzeugt wird, dringt in diesem Fall der Füllstoff 22 in den Riss 21 und die Wärmeabstrahlung bzw. -leitung ist sogar verbessert. Da die Kohlenstoff-Nanoröhren einen Durchmesser von nicht mehr als 1 nm und eine Länge von nicht mehr als 10 nm haben, ist die Fluidität des Füllstoffs 22, der Kohlenstoff-Nanoröhren enthält, hoch und der Füllstoff 22 kann in einen Riss 21 einer Höhe von einigen zehn Mikrometern eindringen.
Der Füllstoff 22, der die leitenden feinen Teilchen 23 enthält, ist nicht isolierend. Da der Füllstoff 22 jedoch lediglich den unteren Leiter 13 und das Lot 17 unter dem Substrat bedeckt und da das Halbleiterelement 14, das Lot 15 unter dem Element und der obere Leiter 12 mit dem Silikongel 20 bedeckt sind, werden der untere Leiter 13, das Halbleiterelement 14 und dergleichen nicht kurzgeschlossen.
Dritte Ausführungsform
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Hauptteils der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie 4 zeigt, ist eine ausgehärtete Schicht 24 auf dem obersten Abschnitt des Füllstoffes 22 ausgebildet. Die ausgehärtete Schicht 24 kann gebildet werden durch Verwenden eines Füllstoffes 22, welcher durch Bestrahlen mit ultraviolettem Licht oder dergleichen ausgehärtet wird, oder durch Auftragen einer dünnen Schicht eines wärmehärtenden Harzes (einschließlich Silikongel oder dergleichen) auf die Oberfläche des Füllstoffes 22 und Durchführen einer Wärmebehandlung. Weitere Bestandteile sind die gleichen wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform. Dadurch hat die dritte Ausführungsform nicht lediglich ähnliche Vorteile wie die erste und zweite Ausführungsform, sondern sorgt ebenfalls für eine gleich bleibende Höhe eines Füllstoffes und erleichtert das Einbringen des Silikongels 20, welches das Halbleiterelement 14, das Lot 15 unter dem Element und den oberen Leiter 12 bedeckt. Deshalb können die Qualität und Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung verbessert werden.

Claims

Halbleitervorrichtung mit: einem isolierenden Substrat (11) mit einem oberen Leiter (12), der auf einer Deckfläche ausgebildet ist, und einem unteren Leiter (13), der auf einer unteren Oberfläche ausgebildet ist, einem Halbleiterelement (14), das auf das isolierende Substrat (11) mit einem dazwischen gefügten Lot (15) unter dem Element montiert ist, einer Wärmesenke (16), auf die das isolierende Substrat (11) mit einem dazwischen gefügten Lot (17) unter dem Substrat montiert ist, einem Silikongel (20), welches das Halbleiterelement (14), das Lot (15) unter dem Element und den oberen Leiter (12) bedeckt, und einem Füllstoff (22), der den unteren Leiter (13) und das Lot (17) unter dem Substrat bedeckt und eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die größer ist als die thermische Leitfähigkeit von Luft, und eine Fluidität aufweist, die höher ist als die Fluidität des Silikongels (20).
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Füllstoff (22) feine Teilchen (23) mit einer thermischen Leitfähigkeit enthält, die höher ist als die thermische Leitfähigkeit des Füllstoffes (22) selbst.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Füllstoff (22) eine ausgehärtete Schicht (24) aufweist, die auf dem obersten Teil desselben ausgebildet ist.