DE102011076886A1

DE102011076886A1 - Leistungshalbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102011076886A1
Application number: DE102011076886A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Nishibori; Toshiaki Shinohara; Tatsuo Oota
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2011-12-08
Also published as: CN102270613A; JP2011253950A; US20110298121A1; KR101244834B1; KR20110132522A

Abstract

Eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der Erfindung umfasst eine Wärmesenke (3) aus Cu mit einer Dicke von 2 bis 3 mm, ein isolierendes Substrat (2), das an die Wärmesenke (3) unter Zwischensetzung einer ersten Bondschicht (Untersubstratlot (5)) gebondet ist, und Leistungshalbleiterelemente (1a, 1b), welche auf dem isolierenden Substrat (2) angebracht sind. In der Wärmesenke (3) ist ein Pufferschlitz (3a) am Umfang eines Bereichs ausgebildet, welcher an das isolierende Substrat (2) gebondet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitervorrichtung mit einer Konfiguration, in der ein Leistungshalbleiterelement an eine metallene Schaltungsstruktur eines isolierenden Substrats durch ein Lotmaterial oder dergleichen gebondet ist und darüber hinaus eine metallene rückseitige Oberflächenstruktur des isolierenden Substrats an eine Wärmesenke durch ein Lötmaterial oder dergleichen gebondet ist.
Die japanische Patentanmeldung 7-202088 (1995) offenbart eine Leistungshalbleitervorrichtung mit einer Konfiguration, in der das isolierende Substrat, auf dem ein Halbleiterelement angebracht ist, auf einer metallenen Basisplatte, welche als Wärmedissipationsplatte dient, installiert und dann verlötet wird, wobei ein Gehäuse aus Harz, ein externer Leitungsanschluss und dergleichen damit kombiniert werden.
In einem Zuverlässigkeitserfassungstest zum Erfassen der Zuverlässigkeit im Hinblick auf thermische Belastung der Leistungshalbleitervorrichtung für die allgemeine Industrie, welche eine solche Konfiguration aufweist, wird beispielsweise ein Wärmezyklustest ausgeführt, in dem die Umgebungstemperatur verändert wird, ohne dass dem Leistungshalbleiterelement Strom zugeführt wird, und die Widerstandseigenschaften eines unter einem isolierenden Substrat vorhandenen Lotes bei Ermüdung werden untersucht. In dem Wärmezyklustest werden die Schwankungen der Temperatur so eingestellt, dass die Temperatur zwischen –40 und 125°C liegt.
Zusätzlich wird ein Leistungszyklustest durchgeführt, in welchem Strom mit Unterbrechungen einem Leistungshalbleiterelement zugeführt wird, ohne die Umgebungstemperatur zu verändern, und es werden hauptsächlich die Widerstandseigenschaften eines Al-Drahtbondabschnittes, welcher auf dem Leistungshalbleiterelement vorhanden ist, eines Lotes, das unter dem Leistungshalbleiterelement vorhanden ist, und dergleichen bei Ermüdung untersucht. In dem Leistungszyklustest ist die Maximaltemperatur des Leistungshalbleiterelements auf 125°C begrenzt und die Lastbedingungen werden so eingestellt, dass eine Temperaturdifferenz des Leistungshalbleiterelements zwischen dem Zeitpunkt, wenn Strom zugeführt wird, und dem Zeitpunkt, wenn kein Strom zugeführt wird, konstant gehalten werden kann.
Jedoch sind die Temperaturbedingungen in diesem Test strenger geworden, um der jüngsten Verkleinerung von Leistungshalbleitervorrichtungen und dem Annehmen eines Elements mit hohem Wärmewiderstand zu entsprechen. Somit verschieben sich die Schwankungen der Temperatur in Wärmezyklustests von einem Bereich von –40°C bis 125°C zu einem Bereich von –40°C bis 150°C, und die Maximaltemperatur des Leistungshalbleiterelements im Leistungszyklustest wird von 125°C auf 175°C verschoben. Bei einer Leistungshalbleitervorrichtung, die in einer solchen Hochtemperaturumgebung eingesetzt wird, besteht das Problem, dass eine Rissbildung im Lötbondabschnitt zwischen dem Leistungshalbleiterelement und einem isolierenden Substrat und in einem Al-Drahtbondabschnitt des Leistungshalbleiterelements zu einem frühen Zeitpunkt auftritt, so dass die Lebensdauer (Zuverlässigkeit), welche üblicherweise erforderlich ist, nicht erhalten wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Leistungshalbleitervorrichtung anzugeben, welche keine Rissbildung in einem Bondabschnitt um ein Leistungshalbleiterelement herum und in einem Bondabschnitt zwischen einem isolierenden Substrat und einer Wärmesenke verursacht, und zwar nicht einmal unter Hochtemperaturbelastungsbedingungen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1 sowie nach Anspruch 10 gelöst. Fortbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine erste Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der Erfindung umfasst eine Wärmesenke, ein isolierendes Substrat und ein Leistungshalbleiterelement. Die Wärmesenke ist aus Cu hergestellt und weist eine Dicke von 2 bis 3 mm auf. Das isolierende Substrat ist unter Zwischensetzung einer ersten Bondschicht an die Wärmesenke gebondet. Das Leistungshalbleiterelement ist auf dem isolierten Substrat angebracht. In der Wärmesenke ist an einem Umfang eines Bereichs, der an das isolierende Substrat gebondet ist, ein Schlitz ausgebildet.
Durch Verringern der Dicke der Wärmesenke auf 2 bis 3 mm, was geringer ist als die Dicke einer herkömmlichen Wärmesenke, wird eine Beanspruchung der ersten Bondschicht verringert. Zusätzlich wird durch Ausbilden des Schlitzes in der Wärmesenke eine Biegung, welche durch die Verringerung der Dicke der Wärmesenke hervorgerufen werden kann, unterdrückt.
Eine zweite Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der Erfindung umfasst ein isolierendes Substrat, ein Leistungshalbleiterelement, eine Pufferplatte und einen Al-Draht. Das Leistungshalbleiterelement ist auf das isolierende Substrat unter Zwischensetzung einer Bondschicht gebondet. Die Pufferplatte ist auf dem Leistungshalbleiterelement vorhanden. Der Al-Draht ist an die Pufferplatte zur elektrischen Verdrahtung gebondet. Der Linearexpansionskoeffizient (Längenausdehnungskoeffizient bzw. Linearausdehnungskoeffizient) der Pufferplatte liegt in der Mitte zwischen demjenigen des Al-Drahtes und demjenigen des Leistungshalbleiterelements.
Aufgrund der Pufferplatte, deren Linearexpansionskoeffizient in der Mitte zwischen demjenigen des Al-Drahtes und demjenigen des Leistungshalbleiterelements liegt, kann eine Belastung, welche auf einen Bondabschnitt des Al-Drahtes ausgeübt wird, verringert werden und somit wird die Zuverlässigkeit verbessert.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Technik;
2 ist eine Querschnittsansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1;
3 ist eine Draufsicht, welche ein isolierendes Substrat und eine Schaltungsstruktur zeigt;
4 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Konfiguration des isolierenden Substrats zeigt;
5 ist eine Vergrößerungsansicht, welche eine Vertiefung der Schaltungsstruktur zeigt;
6 ist eine Draufsicht, welche einen Pufferschlitz einer Wärmesenke zeigt;
7 ist eine Draufsicht, welche einen Pufferschlitz der Wärmesenke zeigt;
8 ist eine Draufsicht, welche einen Pufferschlitz der Wärmesenke zeigt;
9 ist eine Querschnittsansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 2;
10 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Konfiguration einer Pufferplatte zeigt;
11 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Konfiguration der Pufferplatte zeigt;
12 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Konfiguration der Pufferplatte zeigt; und
13 ist eine Draufsicht, welche Formen der Pufferplatte zeigt.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zugrunde liegende Technik
1 zeigt eine Querschnittansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Technik. Leistungshalbleiterelemente 1a, 1b sind an eine Schaltungsstruktur 201a eines isolierenden Substrats 2 unter Zwischensetzung von Loten 4a, 4b, welche unter den Elementen vorhanden sind, gebondet. Schaltungsstrukturen 201a, 201b, 201c, von denen jede aus Cu-Material hergestellt ist und eine Dicke von 0,25 bis 0,3 mm aufweist, sind auf einer Oberfläche aus Aluminiumnitrid (AlN) eines Basiselements 202 ausgebildet, das aus Keramik gemacht ist und eine Dicke von 0,635 mm aufweist. Eine rückwärtige Oberflächenstruktur 203 aus dem gleichen Material und von der gleichen Dicke wie die Schaltungsstrukturen 201a, 201b, 201c ist auf einer rückwärtigen Oberfläche des Basiselements 202 aus (AlN) ausgebildet. Diese werden zuvor durch ein Hartlötmaterial aus aktivem Metall basierend auf Ag, Cu, Ti gebondet, um das isolierende Substrat 2 zu bilden.
Die rückwärtige Oberflächenstruktur 203 des isolierenden Substrats 2 ist an eine Wärmesenke 3 aus Cu-Material, welche eine Dicke von 4 mm aufweist, gebondet, wobei ein Untersubstratlot 5 zwischengesetzt ist. Ein Harzgehäuse 6 ist an die Wärmesenke 3 mit einem Haftmittel 9 gebondet, so dass es das isolierende Substrat 2 und die Leistungshalbleiterelemente 1a, 1b, die darauf ausgebildet sind, umgibt. Ein Elektrodenanschluss 7 und Signalanschlüsse 8a, 8b sind auf dem Harzgehäuse 6 angebracht. Der Elektrodenanschluss 7 ist an die Schaltungsstruktur 201b mit einem am Anschluss angebrachten Lot 10 gebondet. Das Leistungshalbleiterelement 1a und der Signalanschluss 8a sind durch einen Aluminiumdraht 11a miteinander verdrahtet. Das Leistungshalbleiterelement 1a und das Leistungshalbleiterelement 1b sind durch einen Aluminiumdraht 11b miteinander verdrahtet. Die Leitungsstruktur 201c und der Signalanschluss 8b sind durch einen Aluminiumdraht 11c miteinander verdrahtet. Das Innere des Harzgehäuses 6 ist mit einem Dichtungsharz abgedichtet, wie beispielsweise einem Silikongel oder einem Epoxidharz. Ein Steuerungssubstrat mit einer darauf aufgebrachten elektronischen Komponente zum elektrischen Steuern der Leistungshalbleitervorrichtung ist nicht gezeigt.
Wenn eine Wärmezyklusbelastung auf die Leistungshalbleitervorrichtung der vorstehenden Konfiguration ausgeübt wird, tritt im Untersubstratlot 5 aufgrund eines Missverhältnisses zwischen den effektiven Linearexpansionskoeffizienten (α ist nahezu gleich 7 ppm) des isolierenden Substrats und dem Linearexpansionskoeffizienten (α = 17 ppm) der Wärmesenke 3 aus dem Cu-Material eine Beanspruchung auf. Gemäß dem Prozess der Wärmezyklusbelastung tritt eine sehr kleine Rissbildung auf, und die Rissbildung schreitet fort, so dass sie die Wärmedissipation des Leistungshalbleiterelements behindert und schließlich die Leistungshalbleiterelemente 1a, 1b zerbricht. Hierbei ist bei Schwankungen der Temperatur des Wärmezyklus zwischen –40°C und 125°C eine Struktur für das Verhindern des vorstehend erwähnten Phänomens konstruiert, welche einem Zuverlässigkeit gewährleistenden Lebenszyklus genügt. Jedoch wurde herausgefunden, dass, wenn beim Festsetzen der Schwankungen der Temperatur im Wärmezyklustest der Temperaturbereich von –40°C bis 125°C zum Temperaturbereich von –40°C bis 150°C geändert wird, die Beanspruchung im Untersubstratlot basierend auf einer Analyse um etwa 45% zunimmt, und entsprechend der Zunahme der Beanspruchung ist die ausfallsichere Lebensdauer nach einer aktuellen Auswertung auf etwa 1/10 oder weniger reduziert.
Zusätzlich tritt in Bondabschnitten zwischen dem Leistungshalbleiterelement 1a und den Aluminiumdrähten 11a, 11b eine thermische Belastung auch basierend auf einem Missverhältnis (Δα ist nahezu gleich 19 ppm) zwischen dem Linearexpansionskoeffizienten (α ist nahezu gleich 4 ppm) des Leistungshalbleiterelements 1a und dem Linearexpansionskoeffizienten (α ist nahezu gleich 23 ppm) der Aluminiumdrähte 11a, 11b auf, welche durch die Wärmebelastung des Wärmezyklus hervorgerufen wird. Somit schreitet die sehr kleine Rissbildung fort. Eine Struktur, welche der nötigen den Lebenszyklus garantierenden Zuverlässigkeit genügt, ist so ausgelegt, dass sie das vorstehend beschriebene Phänomen nicht hervorruft, wenn die Maximaltemperatur des Leistungshalbleiterelements 1a im Leistungszyklustest auf 125°C begrenzt ist. Es wurde jedoch herausgefunden, dass, wenn die Maximaltemperatur von 125°C auf eine höhere Temperatur von 175°C verschoben wird, die Lebensdauer der Bondabschnitte zwischen den Aluminiumdrähten 11a, 11b und dem Leistungshalbleiterelement 1a auf etwa 1/4 verkürzt wird.
Somit wurden in der Erfindung verschiedene Vorrichtungen zum Aufrechterhalten der ausfallsicheren Lebensdauer der Vorrichtung selbst unter Belastungsbedingungen bei Hochtemperaturen entwickelt.
Ausführungsform 1
2 zeigt eine Konfiguration einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1. Dieselben Komponententeile wie jene der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der zugrunde liegenden Technik, die in 1 gezeigt ist, sind durch die gleichen oder entsprechende Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Leistungshalbleitervorrichtung dieser Ausführungsform umfasst die Leistungshalbleiterelemente 1a, 1b, ein isolierendes Substrat 2, an das die Leistungshalbleiterelemente 1a, 1b unter Zwischensetzung von Unterelementloten 4a bzw. 4b gebondet sind, und die Wärmesenke 3, an welche das isolierende Substrat 2 unter Zwischensetzung des Untersubstratlotes 5 gebondet ist.
Das isolierende Substrat 2 umfasst ein Basiselement 212 aus Si₃N₄, welches ein isolierendes Basiselement ist, eine rückwärtige Oberflächenstruktur 213 aus Cu, die auf einer rückwärtigen Oberfläche des Basiselements 212 aus Si₃N₄ vorhanden ist, und Schaltungsstrukturen 211a, 211b, 211c aus Cu mit derselben Dicke wie die rückwärtige Oberflächenstruktur 213, welche auf einer Oberfläche des Basiselements 212 aus Si₃N₄ vorhanden sind. Diese werden zuvor durch ein Hartlötmaterial aus aktivem Metall basierend auf Ag, Cu, Ti gebondet, um das isolierende Substrat 2 zu bilden.
Die rückwärtige Oberflächenstruktur 213 des isolierenden Substrats 2 ist an eine Wärmesenke 3 aus Cu unter Zwischensetzung eines Untersubstratlotes 5 gebondet. Ein Harzgehäuse 6 ist durch ein Haftmittel 9 an die Wärmesenke 3 gebondet, so dass es das isolierende Substrat 2 und die Leistungshalbleiterelemente 1a, 1b umgibt. Ein Elektrodenanschluss 7 und Signalanschlüsse 8a, 8b sind auf dem Harzgehäuse 6 angebracht. Der Elektrodenanschluss 7 ist durch ein am Anschluss angebrachtes Lot 10 an die Schaltungsstruktur 201b gebondet. Das Leistungshalbleiterelement 1a und der Signalanschluss 8a sind durch einen Aluminiumdraht 11a miteinander verdrahtet. Das Leistungshalbleiterelement 1a und das Leistungshalbleiterelement 1b sind miteinander durch einen Aluminiumdraht 11b verdrahtet. Als Verdrahtungsmaterial können stattdessen auch ein Aluminiumband, ein Cu-Draht, ein Al-Cu-Verbundband oder dergleichen eingesetzt werden. Die Schaltungsstruktur 201c und der Signalanschluss 8b sind miteinander durch einen Aluminiumdraht 11c verdrahtet. Das Innere des Harzgehäuses 6 ist mit einem Dichtungsharz 12, wie beispielsweise Silikongel oder Epoxidharz abgedichtet. Ein Steuersubstrat mit einer darauf angebrachten elektronischen Komponente zum elektrischen Steuern der Leistungshalbleitervorrichtung ist nicht gezeigt.
Isolierendes Substrat
In dieser Ausführungsform wird das Basiselement 12 aus Si₃N₄ als das isolierende Basiselement des isolierenden Substrats 2 verwendet. Das Basiselement 212 aus Si₃N₄ weist eine transversale Bruchfestigkeit von etwa 600 Mpa auf, was das Doppelte der transversalen Bruchfestigkeit von etwa 300 Mpa des herkömmlichen Basiselements 202 aus Aluminiumnitrid (AlN) ist. Das Basiselement 212 aus Si₃N₄ weist eine Dicke von 0,25 bis 0,35 mm auf, was kleiner ist als die Dicke des herkömmlichen Basiselements 202 aus AlN von 0,635 mm. Andererseits weisen jede der Schaltungsstrukturen 211a, 211b, 211c und die rückwärtige Oberflächenstruktur 213 eine Dicke von 0,35 bis 0,45 mm auf, welche größer ist als die Dicke der herkömmlichen Schaltungsstrukturen 201a, 201b, 201c und der rückwärtigen Oberflächenstruktur 203 von 0,25 bis 0,3 mm. Hierdurch wird der Linearexpansionskoeffizient insgesamt von etwa 7 ppm auf etwa 10 ppm erhöht und somit näher an den Linearexpansionskoeffizienten der Wärmesenke 3 von 17 ppm gebracht.
Das Basiselement 212 aus Si₃N₄ weist eine thermische Leitfähigkeit von etwa 90 W/mK auf, welche etwa um die Hälfte geringer ist als die thermische Leitfähigkeit des herkömmlichen Basiselements 202 aus AlN von 180 W/mK. Jedoch ist der Wärmewiderstand des Basiselements 212 aus Si₃N₄ gleich demjenigen des herkömmlichen Basiselements 202 aus AlN, da die Dicke des Basiselements 212 aus Si₃N₄ halb so groß ist wie die Dicke des herkömmlichen Basiselements 202 aus AlN.
Da jede der Schaltungsstrukturen 211a, 211b, 211c die gleiche Dicke wie die rückwärtige Oberflächenstruktur 213 aufweist, wird das folgende Verhältnis hergestellt: Volumen der Schaltungsstrukturen 211a, 211b, 211c ≤ Volumen der rückwärtigen Oberflächenstruktur 213. Somit wird beim Erhitzen das isolierende Substrat 2 in eine Richtung so gebogen, dass das isolierende Substrat 2 eine Konkavität an der Seite nahe den Schaltungsstrukturen 211a, 211b, 211c ausbildet. Dies ermöglicht es, dass Luftblasen (Hohlräume) in dem Untersubstratlot 5, die beim Löten erzeugt werden, leicht abgeleitet werden können.
3 ist eine Draufsicht, welche das Si₃N₄-Basiselement 212 des isolierenden Substrats 2 und die darauf gebondete Schaltungsstruktur 211a zeigt. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 3. 5 ist eine Vergrößerungsansicht des Teils B von 4. Wie in 3 gezeigt, sind Vertiefungen 214 um Oberflächen 215 der Schaltungsstruktur 211a ausgebildet, auf der die Leistungshalbleiterelemente anzubringen sind. Die Bearbeitung durch einen Ätzprozess oder dergleichen wird so ausgeführt, dass in Querschnittsansicht ein Durchmesser D₁ eines Oberflächenbereiches der Vertiefung 214 geringfügig größer sein kann als ein Durchmesser D₂ eines kreisförmigen Abschnitts derselben. Durch Vorsehen solcher Vertiefungen 214 in der Schaltungsstruktur 211a kann die Haftung zwischen einem Epoxidharz 12 und dem isolierenden Substrat 2 aufgrund eines Verankerungseffekts erhöht werden, wenn das Innere des Harzgehäuses 6 durch das Epoxidharz 12 abgedichtet ist. Selbst wenn eine Rissbildung in den Unterelementloten 4a, 4b zum Zeitpunkt einer hohen Temperatur auftritt, kann das Öffnen der Risse verhindert werden und ein Fortschreiten der Risse wird aufgrund der Zunahme der Haftung unterdrückt. Der Linearexpansionskoeffizient des Epoxidharzes 12 wird auf 12 bis 16 ppm eingestellt, was geringer ist als der Linearexpansionskoeffizient 20 bis 26 ppm der Unterelementlote 4a, 4b.
Wärmesenke
Ähnlich der zugrunde liegenden Technik wird als Wärmesenke 3 ein Cu-Material verwendet. Jedoch beträgt die Dicke derselben etwa 2 bis 3 mm, was um etwa 1 bis 2 mm kleiner ist als die Dicke der herkömmlichen Wärmesenke, um eine Beanspruchung des Untersubstratlotes 5 zu verringern, welche auftritt, wenn eine thermische Historie erhalten wird. In der Wärmesenke 3 ist der Pufferschlitz 3a angeordnet, so dass er sich am Umfang des isolierenden Substrats 2 befindet, um die Beanspruchung des Untersubstratlotes 5 weiter zu reduzieren und zusätzlich eine Biegung der Wärmesenke 3 zu unterdrücken, die durch die Verringerung der Dicke der Wärmesenke 3 hervorgerufen werden kann.
Die Größe des Pufferschlitzes liegt mit einer Breite von 2 bis 3 mm und einer Tiefe von 1,5 bis 2 mm in einem Bereich, in dem der Pufferschlitz 3a die Wärmesenke 3 nicht durchdringt. Jedoch werden die Details nicht nur in Abhängigkeit von der Wärmesenke 3 sondern auch durch Größe und die Struktur der umfangsseitigen Elemente, wie beispielsweise des isolierenden Substrats 2, durch ein Reduktionsziel bezüglich der Belastung des Untersubstratlotes 5, durch ein Reduktionsziel bezüglich der Biegung der Wärmesenke 3 und dergleichen festgelegt. Der Pufferschlitz 3a wird nicht an einem Endabschnitt der Wärmesenke 3 ausgebildet, um eine signifikante Abnahme der Biegefestigkeit der Wärmesenke 3 zu vermeiden.
Die 6 bis 8 sind Draufsichten, welche Beispiele der Form des Pufferschlitzes 3a unter der Voraussetzung zeigen, dass sechs isolierende Substrate 2 auf der Wärmesenke 3 angeordnet sind, wie in den 6 bis 8 gezeigt. Der Pufferschlitz 3a kann entlang dem äußeren Umfang des isolierenden Substrats 2 vorhanden sein, wie in 6 gezeigt, oder kann zwischen den isolierenden Substraten 2 vorhanden sein, wie in 7 gezeigt. Alternativ dazu kann der Pufferschlitz 3a mit Abständen zwischen den isolierenden Substraten 2 vorhanden sein, wie in 8 gezeigt. Der Pufferschlitz 3a ist so angeordnet, dass er nicht den Endbereich der Wärmesenke 3 erreicht. Der Pufferschlitz 3a, welcher eine beliebige der Formen aufweist, kann die Beanspruchung des Untersubstratlotes 5 verringern und zusätzlich eine Biegung der Wärmesenke 3 unterdrücken, die durch die Reduzierung der Dicke der Wärmesenke 3 hervorgerufen werden kann.
Effekte
Die Leistungshalbleitervorrichtung der Ausführungsform 1 stellt die folgenden Effekte bereit. Die Leistungshalbleitervorrichtung dieser Ausführungsform umfasst eine Wärmesenke 3 aus Cu mit einer Dicke von 2 bis 3 mm, das isolierende Substrat 2, das unter Zwischensetzung des Untersubstratlotes 5 (erste Bondschicht) auf die Wärmesenke 3 gebondet ist, und das Leistungshalbleiterelement 1a, das auf dem isolierenden Substrat 2 angebracht ist. In der Wärmesenke 3 ist der Pufferschlitz 3a am Umfang eines Bondbereiches zwischen der Wärmesenke 3 und dem isolierenden Substrat 2 ausgebildet. Durch Verringern der Dicke der Wärmesenke 3 im Vergleich zur konventionellen Wärmesenke wird die Beanspruchung des Untersubstratlotes 5 reduziert und darüber hinaus wird durch Ausbilden des Pufferschlitzes 3a eine Biegung der Wärmesenke 3 unterdrückt, welche durch die Reduzierung der Dicke der Wärmesenke 3 hervorgerufen werden kann.
Das isolierende Substrat 2 umfasst die rückwärtige Oberflächenstruktur 213 aus Cu, die an die Wärmesenke 3 unter Zwischensetzung des Untersubstratlotes 5 gebondet ist, das Basiselement 212 aus Si₃N₄, das auf der rückwärtigen Oberflächenstruktur 213 ausgebildet ist und als das isolierende Basiselement dient, und die Schaltungsstrukturen 211a, 211b, 211c aus Cu, die auf dem Basiselement 212 aus Si₃N₄ ausgebildet sind. Das Leistungshalbleiterelement 1a ist auf die Schaltungsstrukturen 211a, 211b, 211c unter Zwischensetzung des Unterelementlotes 4a (zweite Bondschicht) gebondet. Das Basiselement aus Si₃N₄ weist eine Dicke von 0,25 bis 0,35 mm auf. Die rückwärtige Oberflächenstruktur 213 und die Schaltungsstrukturen 211a, 211b, 211c weisen dieselbe Dicke von 0,35 von 0,45 mm auf. Die Dicke des isolierenden Basiselements ist im Vergleich mit dem herkömmlichen verringert, und stattdessen sind die Dicken der rückwärtigen Oberflächenstruktur 213 und der Schaltungsstrukturen 211a, 211b, 211c aus Cu vergrößert, um hierdurch den Linearexpansionskoeffizienten näher an den Linearexpansionskoeffizienten der Wärmesenke 3 aus Cu zu bringen. Somit wird die Beanspruchung des Untersubstratlotes 5, welche aufgrund einer Differenz der Linearexpansionskoeffizienten zwischen diesen auftritt, verringert.
Der Pufferschlitz 3a weist eine Breite von 2 bis 3 mm und eine Tiefe von 1,5 bis 2 mm in einem Bereich auf, in dem der Pufferschlitz 3a die Wärmesenke 3 nicht durchdringt. Durch Versehen des Pufferschlitzes 3a mit einer solchen Größe wird die Biegung der Wärmesenke 3 verringert.
Darüber hinaus umfasst die Leistungshalbleitervorrichtung das Harzgehäuse 6 (äußeres Gehäuse), welches an die Wärmesenke 3 gebondet ist, so dass es das isolierende Substrat 2 und das Leistungshalbleiterelement 1a und das Dichtungsharz 12 umgibt, welches das isolierende Substrat 2 und das Leistungshalbleiterelement 1a innerhalb des Harzgehäuses 6 abdichtet. In den Schaltungsstrukturen 211a, 211b, 211c sind die Vertiefungen 214 außerhalb des Bereichs 215 ausgebildet, in dem das Leistungshalbleiterelement 1a gebondet ist. Durch Vorsehen der Vertiefungen 214 in der Schaltungsstruktur 211a wird die Haftung zwischen dem Expoxidharz 12 und dem isolierenden Substrat 2 aufgrund des Ankereffekts vergrößert, wenn das Innere des Harzgehäuses 6 mit dem Epoxidharz 12 abgedichtet ist. Somit kann selbst dann, wenn eine Rissbildung in den Unterelementloten 4a, 4b zum Zeitpunkt einer hohen Temperatur auftritt, eine Öffnung der Risse verhindert und ein Fortschreiten der Risse unterdrückt werden.
Ausführungsform 2
9 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Konfiguration einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 2 zeigt. Die gleichen Komponententeile wie diejenigen der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der zugrunde liegenden Technik, die in 1 gezeigt ist, werden durch die gleichen entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet. In der Leistungshalbleitervorrichtung dieser Ausführungsform ist eine Pufferplatte 13 vorhanden, welche unter Zwischensetzung eines Unterpufferplatten-Bondmaterials 14 auf das Leistungshalbleiterelement 1a gebondet ist, zusätzlich zur Konfiguration der zugrunde liegenden Technik.
Die Pufferplatte 13 und die Signalelektrode 8a sind miteinander durch den Al-Draht 11a verdrahtet. Die Pufferplatte 13 und das Leistungshalbleiterelement 1b sind miteinander durch den Al-Draht 11b verdrahtet. Die anderen Teile der Konfiguration sind gleich derjenigen der zugrunde liegenden Technik, weswegen deren Beschreibung ausgelassen wird. Obwohl die Leistungshalbleitervorrichtung dieser Ausführungsform basierend auf der Konfiguration der zugrunde liegenden Technik beschrieben wird, kann die Pufferplatte 13 auch in der Leistungshalbleitervorrichtung der Ausführungsform 1 vorhanden sein.
Die 10 bis 12 sind Querschnittsansichten, welche Beispiele einer Konfiguration der Pufferplatte 13 zeigen. 13 ist eine Draufsicht auf die Pufferplatte 13. Die Pufferplatte 13 ist beispielsweise aus einem Cu-Invar-Cu-Verbundmaterial hergestellt, welches Invar- und Cu-Folien umfasst, die auf einer Vorderseite und einer Rückseite der Pufferplatte 13 vorhanden sind, wie in 10 gezeigt. Alternativ dazu kann die Pufferplatte 13 aus einer CuMo-Legierung ausgebildet sein, wie in 11 gezeigt, oder aus einem Cu-CuMo-Cu-Verbundmaterial, das eine CuMo-Legierung und Cu-Folien umfasst, die auf einer Oberfläche und einer rückwärtigen Oberfläche der Pufferplatte 13 vorhanden sind, wie in 12 gezeigt.
Eine Oberflächenbehandlung unter Einsatz von Plattieren, physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder dergleichen kann auf zumindest einer Oberflächenseite der Belastungspufferplatte 13 ausgeführt werden, um eine Al-Dünnschicht oder eine Ni-Dünnschicht auszubilden, wodurch das Bonden mit dem Al-Draht 11a verbessert wird. Wenn beispielsweise eine Paste aus Mikro-Ag oder Nano-Ag als das Unterpufferplatten-Bondmaterial 14 verwendet wird, wird die Oberflächenbehandlung nicht auf der rückwärtigen Oberfläche ausgeführt, so dass die Al-Dünnschicht oder die Ni-Dünnschicht auf der Oberfläche ausgebildet wird, die an den Al-Draht gebondet ist, da bessere Bondeigenschaften erhalten werden können, wenn die rückwärtige Oberfläche der Pufferplatte 13 freiliegt. Um die Oberflächenbehandlung auf nur einer einzelnen Oberfläche durchzuführen, ist das Maskieren einer Oberfläche, die keine Plattierung benötigt, im Fall des Plattierens erforderlich, aber der Maskierungsprozess ist im Fall der PVD nicht erforderlich, was im Hinblick auf die Kosten vorteilhaft ist.
In einer beliebigen der Konfigurationen ist der Linearexpansionskoeffizient der Pufferplatte 13 so ausgewählt, dass er etwa 7 bis 13 ppm beträgt, welches ein Mittelwert zwischen dem Linearexpansionskoeffizienten des Al-Drahtes 11a (etwa 23 ppm) und dem Linearexpansionskoeffizienten des Leistungshalbleiterelements 1a (etwa 4 ppm) ist.
Die Dicke der Pufferplatte 13 wird so reduziert, dass keine Belastung des Unterpufferplatten-Bondmaterials 14 ausgeübt wird, und die Dicke jedes Verbundmaterials wird innerhalb eines Bereichs von etwa 0,5 bis 1,0 mm gemäß dem angestrebten Linearexpansionskoeffizienten festgesetzt. In dem Fall, dass die Pufferplatte 13 aus einem Verbundmaterial ausgebildet ist, ist die Dicke des Verbundmaterials grundsätzlich gleich der Dicke eines Metallmaterials gemacht, welches auf der Oberfläche und der rückwärtigen Oberfläche positioniert ist, um eine Biegung der Pufferplatte 13 selbst zu unterdrücken.
Durch Formen der Pufferplatten 13 in Kreisform oder Ovalform in Draufsicht, wie in 13 gezeigt, wird eine thermische Beanspruchung, die in dem Unterpufferplatten-Bondmaterial 14 auftritt, verteilt und verringert, wodurch eine hohe Zuverlässigkeit für den Bond zwischen dem Unterpufferplatten-Bondmaterial 14 und dem Leistungshalbleiterelement 1a verwirklicht wird.
Gemäß einem durch numerische Analyse erhaltenen Resultat verringert, wenn eine Beanspruchung des Bondabschnittes, an welchem der Al-Draht 11a an das Leistungshalbleiterelement 1a gebondet ist, als 1 definiert wird, die Verwendung der Pufferplatte 13 mit einem Linearexpansionskoeffizient von 7 ppm das Beanspruchungsverhältnis auf 0,7, und die Verwendung der Pufferplatte mit einem Linearexpansionskoeffizienten von 11 ppm verringert das Beanspruchungsverhältnis auf 0,5. Als Linearexpansionskoeffizient der Pufferplatte 13 wird der Optimalwert unter Berücksichtigung eines Ausgleichs zwischen der ausfallssicheren Lebensdauer des Bondabschnitts des Al-Drahtes 11a, welcher an die Oberfläche der Pufferplatte 13 gebondet ist, und der ausfallssicheren Lebensdauer des Bondmaterials 14, das auf der rückwärtigen Oberfläche der Pufferplatte 13 zum Bonden des Leistungshalbleiterelements 1a vorhanden ist, ausgewählt.
Effekte
Die Leistungshalbleitervorrichtung der Ausführungsform 2 stellt die folgenden Effekte bereit. Die Leistungshalbleitervorrichtung der Ausführungsform 2 umfasst weiter die Pufferplatte 13 und den Al-Draht 11a. Die Pufferplatte 13 ist auf dem Leistungshalbleiterelement 1a unter Zwischensetzung des Unterpufferplatten-Bondmaterials 14 (dritte Bondschicht) ausgebildet. Der Al-Draht 11a ist für eine elektrische Verdrahtung an die Pufferplatte 13 gebondet. Der Linearexpansionskoeffizient der Pufferplatte 13 liegt in der Mitte zwischen demjenigen des Al-Drahtes 11a und demjenigen des Leistungshalbleiterelements 1a. Durch Bereitstellen einer solchen Pufferplatte 13 wird eine auf den Bondabschnitt des Al-Drahtes ausgeübte Beanspruchung verringert, um die Zuverlässigkeit zu verbessern.
Die Pufferplatte 13 ist aus einem beliebigen der Materialien Cu-Mo-Legierung, Cu/Invar/Cu und Cu/Cu-Mo-Legierung/Cu gemacht. Die Dünnschicht aus Al oder Ni ist mindestens auf der Oberfläche der Pufferplatte 13 ausgebildet, um hierdurch das Bonden mit dem Al-Draht 11a zu verbessern.
Wenn die Dünnschicht aus Al oder Ni nur auf einer Oberfläche der Pufferplatte 13 ausgebildet ist, ist ein Maskierungsprozess zum Maskieren einer Oberfläche, welche keiner Plattierung bedarf, im Fall des Plattierens erforderlich, wobei der Maskierungsprozess jedoch nicht in dem Fall der PVD erforderlich ist, was im Hinblick auf die Kosten vorteilhaft ist.
In dem Fall, dass die Paste aus Mikro-Ag oder Nano-Ag als das Unterpufferplatten-Bondmaterial 14 verwendet wird, werden gute Bondeigenschaften erhalten, wenn die rückwärtige Oberfläche der Pufferplatte 13 freiliegt, ohne dass die Dünnschicht aus Al oder Ni darauf ausgebildet ist.
Darüber hinaus wird durch Formen der Pufferplatte 13 in Kreisform oder Ovalform in Draufsicht die thermische Beanspruchung in dem Unterpufferplatten-Bondmaterial 14 verteilt und verringert, wodurch dem Bond zwischen dem Unterpufferplatten-Bondmaterial 14 und dem Leistungshalbleiterelement 1a eine hohe Zuverlässigkeit verliehen wird.
Die Leistungshalbleitervorrichtung umfasst das isolierende Substrat 2, das Leistungshalbleiterelement 1a, die Pufferplatte 13 und den Al-Draht 11a. Das Leistungshalbleiterelement 1a ist auf das isolierende Substrat 2 unter Zwischensetzung der Unterelementlote 4a, 4b (Bondschicht) gebondet. Die Pufferplatte 13 ist auf das Leistungshalbleiterelement 1a unter Zwischensetzung des Unterpufferplatten-Bondmaterials 14 (Bondschicht) gebondet. Der Al-Draht 11a ist für eine elektrische Verdrahtung an die Pufferplatte 13 gebondet. Der Linearexpansionskoeffizient der Pufferplatte 13 liegt in der Mitte zwischen demjenigen des Al-Drahtes 11a und demjenigen des Leistungshalbleiterelements 1a. Durch Bereitstellen einer solchen Pufferplatte 13 wird eine Beanspruchung des Bondabschnitt des Al-Drahtes verringert, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 7-202088 [0002]

Claims

Leistungshalbleitervorrichtung, aufweisend: eine Wärmesenke (3) aus Cu mit einer Dicke von 2 bis 3 mm; ein isolierendes Substrat (2), das an die Wärmesenke (3) unter Zwischensetzung einer ersten Bondschicht (5) gebondet ist; und ein Leistungshalbleiterelement (1a, 1b), das auf dem isolierenden Substrat (2) angebracht ist, wobei in der Wärmesenke (3) ein Schlitz (3a) am Umfang eines Bereichs ausgebildet ist, welcher an das isolierende Substrat (2) gebondet ist.
Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Substrat (2) Folgendes aufweist: eine rückwärtige Oberflächenstruktur (213) aus Cu, welche an die Wärmesenke (3) unter Zwischensetzung der ersten Bondschicht (5) gebondet ist; ein Basiselement (212) aus Si₃N₄, das auf der rückwärtigen Oberflächenstruktur (213) vorhanden ist; und eine Schaltungsstruktur (211a, 211b, 211c) aus Cu, welche auf dem Basiselement (212) ausgebildet ist, wobei das Leistungshalbleiterelement (1a, 1b) an die Schaltungsstruktur (211a, 211b) unter Zwischensetzung einer zweiten Bondschicht (4a) gebondet ist, das Basiselement (212) eine Dicke von 0,25 bis 0,35 mm aufweist, die rückwärtige Oberflächenstruktur (213) und die Schaltungsstruktur (211a, 211b, 211c) die gleiche Dicke von 0,35 bis 0,45 mm aufweisen.
Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (3a) eine Breite von 2 bis 3 mm und eine Tiefe von 1,5 bis 2 mm in einem Bereich aufweist, in dem der Schlitz (3a) nicht die Wärmesenke (3) durchdringt.
Leistungshalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter aufweisend: eine Pufferplatte (13), welche auf dem Leistungshalbleiterelement (1a) unter Zwischensetzung einer dritten Bondschicht (14) vorhanden ist; und einen Al-Draht (11a, 11b), welcher an die Pufferplatte (13) für eine elektrische Verdrahtung gebondet ist, wobei der Linearexpansionskoeffizient der Pufferplatte (13) in der Mitte zwischen demjenigen des Al-Drahtes (11a, 11b) und demjenigen des Leistungshalbleiterelements (1a) liegt.
Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferplatte (13) aus einem beliebigen der folgenden Materialien hergestellt ist: Cu·Mo-Legierung, Cu/Invar/Cu und Cu/Cu·Mo-Legierung/Cu, wobei eine Dünnschicht aus Al oder Ni zumindest auf einer Oberfläche der Pufferplatte (13) ausgebildet ist.
Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschicht aus Al oder Ni unter Verwendung eines PVD-Verfahrens ausgebildet ist.
Leistungshalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Bondschicht (14) eine Paste aus Micro-Ag oder Nano-Ag ist.
Leistungshalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferplatte (13) eine Kreisform oder eine Ovalform in Draufsicht aufweist.
Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 2, aufweisend: ein Außengehäuse (6), das an die Wärmesenke (3) gebondet ist und das isolierende Substrat (2) und das Leistungshalbleiterelement (1a, 1b) umgibt; und ein Dichtungsharz (12), welches das isolierende Substrat (2) und das Leistungshalbleiterelement (1a, 1b) innerhalb des äußeren Gehäuses (6) abdichtet, wobei in der Leitungsstruktur (211a) eine Vertiefung in einem Bereich außerhalb eines Bereichs, an den das Leistungshalbleiterelement (1a) gebondet ist, ausgeführt ist.
Leistungshalbleitervorrichtung, aufweisend: ein isolierendes Substrat (2); ein Leistungshalbleiterelement (1a, 1b), das an das isolierende Substrat (2) unter Zwischensetzung einer Bondschicht (4a) gebondet ist; eine Pufferplatte (13), die an das Leistungshalbleiterelement (1a) unter Zwischensetzung einer Bondschicht (14) gebondet ist; und einen Al-Draht (11a, 11b), welcher an die Pufferplatte (13) für eine elektrische Verdrahtung gebondet ist, wobei der Linearexpansionskoeffizient der Pufferplatte (13) in der Mitte zwischen demjenigen des Al-Drahtes (11a, 11b) und demjenigen des Leistungshalbleiterelements (1a) liegt.