DE102014217266B4 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Halbleitervorrichtung, die umfasst:ein isolierendes Substrat (12), das ein Keramiksubstrat (14) enthält;ein Halbleiterelement (22), das an einer oberen Oberfläche des isolierenden Substrats (12) befestigt ist;ein Gehäuse (30), das aus einem Harz ausgebildet ist und einen Rahmenabschnitt (30A) aufweist, der das Halbleiterelement (22) umgibt;einen Metallträger (40), der aus einem Metall gebildet ist, und der über dem isolierenden Substrat (12) gelegen ist, von einer Seite zu der gegenüberliegenden Seite des Rahmenabschnitts (30A) über das isolierende Substrat (12) verläuft und an dem Rahmenabschnitt (30A) befestigte Enden aufweist;einen Niederhalteabschnitt (30C), der in der Weise von dem Metallträger (40) nach unten ausgeht, dass er eine nach oben konvexe Biegung des isolierenden Substrats (12) verhindert; undeinen Klebstoff (32), der das isolierende Substrat (12) und das Gehäuse (30) miteinander verbindet,wobei das isolierende Substrat (12) durch den Niederhalteabschnitt (30C) nach unten gedrückt und dadurch in eine nach unten konvexe Form gebogen ist und eine untere Oberfläche des isolierenden Substrats (12) auf einer geringeren Höhe als eine untere Oberfläche des Gehäuses (30) gelegen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleitervorrichtungen und insbesondere eine Halbleitervorrichtung, die z. B. für die Hochstromsteuerung verwendet wird.
  • JP H07 - 326 711 A offenbart eine Halbleitervorrichtung mit einer grundplattenfreien Struktur, d. h. mit einer Struktur, die keine Grundplatte oder dergleichen aufweist. In dieser Halbleitervorrichtung ist ein isolierendes Substrat durch Klebstoff an dem Gehäuse befestigt.
  • Halbleitervorrichtungen mit einer grundplattenfreien Struktur weisen eine verhältnismäßig niedrige Starrheit auf, da sie nicht über eine Grundplatte oder dergleichen verfügen. Somit führt das Befestigen einer Halbleitervorrichtung mit einer grundplattenfreien Struktur an einer Wärmesenke mittels Schrauben usw. gelegentlich zur Anwendung einer Kraft auf das isolierende Substrat der Halbleitervorrichtung, wodurch das Substrat in eine nach oben konvexe Form gebogen wird. Dieses nach oben konvexe Biegen kann zur Rissbildung in dem isolierenden Substrat führen und den Wärmewiderstand zwischen dem isolierenden Substrat und der Wärmesenke erhöhen.
  • DE 10 2010 041 892 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul, das eine Grundplatte aus einem wärmeleitenden Metall, ein Gehäuse und eine Abdeckung umfasst. Auf der Grundplatte sind Isolationseinrichtungen mit jeweils einer Halbleiterbaugruppe versehen. Jede Baugruppe besteht aus einem leitenden Element und einem Leistungshalbleiterbauelement (z.B. einer Diode bzw. einer Thyristorvorrichtung). Jedes der leitenden Elemente und das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement sind mit sich vertikal nach oben erstreckenden ersten und zweiten Kontaktvorrichtungen versehen. Diese werden über Verbindungsmittel bzw. eine Verbindungsvorrichtung eines Verbindungsmoduls kontaktiert.
  • US 8 159 822 B2 offenbart ein auf einer Wärmsenke befestigtes Leitungshalbleitermodul. Zwischen einer Abdeckung eines betreffenden Modulgehäuses und einem Substrat, auf welchem die Leistungshalbleiterchips angeordnet sind, erstrecken sich in vertikaler Richtung Kontaktdruckelemente, die durch horizontale Querstreben verbunden sind. Durch matrixweises Anordnen der Kontaktdruckelemente soll einem Verbiegen des Substrats z.B. aufgrund von zwischenliegender Wärmeleitpaste vorgebeugt werden.
  • EP 1 843 393 A2 offenbart ein Leistungshalbleitermodul in Druckkontaktausführung, zur Anordnung auf einem Kühlbauteil. Hierbei sind Lastanschlusselemente jeweils als Metallformkörper mit mindestens einem bandartigen Abschnitt und mit einer Anzahl solcher von diesem ausgehenden Kontaktfüßen ausgebildet. Die Kontaktfüße reichen von dem bandartigen Abschnitt bis zum Substrat und bilden dort schaltungsgerechte Kontakte der Lastanschlüsse aus. Zwischen dem bandartigen Abschnitt der Lastanschlusselemente und dem Substrat ist ein Isolierstoffformkörper angeordnet und dieser weist Ausnehmungen zur Durchführung der Kontaktfüße auf.
  • DE 195 30 264 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul, bei welchem ein auf einer Grundplatte aufgebrachter Halbleiterchip von je einem Kontaktstempel kontaktiert wird. Die Lage der Kontaktstempel ist entsprechend einem Abstand von den Halbleiterchips zu einem die Kontaktstempel aufnehmenden Hauptanschluß individuell einstellbar. Die Kontaktstempel werden entweder mittels einer Feder mit Druck beaufschlagt oder mittels einer Lotschicht fixiert. Die Grundplatte liegt auf einem massiven Kupferblock auf.
  • DE 10 2008 051 560 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse, das mehrere Einspannelementen und mindestens ein Trägerelement aufweist. Eine Abdeckung wird durch die mehreren Einspannelemente und das mindestens eine Trägermittel elastisch deformiert. In dem Gehäuse ist mindestens ein Substrat vorgesehen, das mindestens einen Halbleiterchip trägt.
  • Die Erfindung soll die oben erwähnten Probleme lösen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die dafür konfiguriert ist, die nach oben konvexe Biegung ihres isolierenden Substrats zu minimieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Merkmale und Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden.
  • In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung enthält eine Halbleitervorrichtung ein isolierendes Substrat, ein Halbleiterelement, das an einer oberen Oberfläche des isolierenden Substrats befestigt ist, ein Gehäuse, das aus einem Harz ausgebildet ist und einen Rahmenabschnitt aufweist, der das Halbleiterelement umgibt, einen Metallträger, der über dem isolierenden Substrat gelegen ist und ein an dem Rahmenabschnitt befestigtes Ende aufweist, einen Niederhalteabschnitt, der in der Weise von dem Metallträger nach unten ausgeht, dass er eine nach oben konvexe Biegung des isolierenden Substrats verhindert, und einen Klebstoff, der das isolierende Substrat und das Gehäuse miteinander verbindet.
  • Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
    • 1 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
    • 2 eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung;
    • 3 eine perspektivische Ansicht des Metallträgers usw.;
    • 4 eine schematische Darstellung der Art und Weise, in der die Halbleitervorrichtung an einer Wärmsenke befestigt ist;
    • 5 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
    • 6 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
    • 7 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
    • 8 eine Querschnittsdarstellung eines Abschnitts einer teilweise fertiggestellten Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform;
    • 9 einen Schritt des thermischen Härtens des Klebstoffs;
    • 10 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
    • 11 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
    • 12 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer siebenten Ausführungsform der Erfindung;
    • 13 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer achten Ausführungsform der Erfindung; und
    • 14 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer neunten Ausführungsform der Erfindung.
  • Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Halbleitervorrichtungen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
  • Dieselben oder einander entsprechende Komponenten sind überall in der Patentschrift mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gegebenenfalls nur einmal beschrieben.
  • Erste Ausführungsform
  • 1 ist eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung 10 in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Halbleitervorrichtung 10 weist ein isolierendes Substrat 12 auf. Das isolierende Substrat 12 enthält ein Keramiksubstrat 14, ein auf der Oberseite des Keramiksubstrats 14 ausgebildetes Metallmuster 16 und einen auf der Unterseite des Keramiksubstrats 14 ausgebildeten Metallfilm 18. Das Metallmuster 16 und der Metallfilm 18 sind z. B. aus Aluminium ausgebildet. Somit sind in dem isolierenden Substrat 12 beide Oberflächen des Keramiksubstrats 14 mit Aluminium beschichtet.
  • Auf der oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 12 sind durch Lötmittel 20 Halbleiterelemente 22 befestigt. Die Halbleiterelemente 22 können Isolierschichtbipolartransistoren (IG-BTs) oder Dioden sein, sind darauf aber nicht beschränkt.
  • Die Halbleitervorrichtung 10 weist ein Gehäuse 30 auf, das z. B. aus einem Polyphenylensulfidharz (PPS-Harz) ausgebildet ist. Das Gehäuse 30 weist einen Rahmenabschnitt 30A, einen Brückenabschnitt 30B und einen Niederhalteabschnitt 30C auf. Der Rahmenabschnitt 30A umgibt die Halbleiterelemente 22. Der Brückenabschnitt 30B verläuft von einer Seite zu der gegenüberliegenden Seite des Rahmenabschnitts 30A über das isolierende Substrat 12. Der Niederhalteabschnitt 30C verläuft von dem Brückenabschnitt 30B nach unten, um gegen den zentralen Abschnitt der Oberseite des isolierenden Substrats 12 zu drücken und dadurch zu verhindern, dass das isolierende Substrat 12 in eine nach oben konvexe Form gebogen wird.
  • An dem Brückenabschnitt 30B ist ein Metallträger 40 angebracht. Der Metallträger 40 ist ein Kupferstab. Beide Enden des Metallträgers 40 sind z. B. mittels Umspritzen in dem Rahmenabschnitt 30A befestigt. Das heißt, beide Enden des Metallträgers 40 sind in den Rahmenabschnitt 30A eingebettet. Der Metallträger 40 ist über dem isolierenden Substrat 12 gelegen.
  • 2 ist eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung 10. Wie gezeigt ist, ist in jeder der vier Ecken des Rahmenabschnitts 30A des Gehäuses 30 ein Durchgangsloch 30D ausgebildet. Der Metallträger 40 verläuft über den zentralen Abschnitt des isolierenden Substrats 12. Wie durch die Strichlinie in 2 angegeben ist, ist der Niederhalteabschnitt 30C direkt über dem zentralen Abschnitt des isolierenden Substrats 12 gelegen.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht des Metallträgers 40 usw. Der Metallträger 40 ist direkt über dem Brückenabschnitt 30B und dem Niederhalteabschnitt 30C gelegen. Der Niederhalteabschnitt 30C geht von dem Metallträger 40 nach unten aus, wobei der Metallträger 40 verhindert, dass er nach oben verlagert wird.
  • Wieder anhand von 1 ist das isolierende Substrat 12 durch Klebstoff 32 mit dem Gehäuse 30 verbunden. Genauer ist das Keramiksubstrat 14 des isolierenden Substrats 12 durch den Klebstoff 32 mit der Innenseite 30a des Rahmenabschnitts 30A des Gehäuses 30 verbunden, wobei der Rand des Keramiksubstrats 14 mit einem Innenstufenabschnitt 30b des Gehäuses 30 in Kontakt steht.
  • 4 ist eine schematische Darstellung der Art und Weise, in der die Halbleitervorrichtung 10 an einer Wärmesenke 50 befestigt wird. Die Oberfläche der Wärmesenke 50 wird mit einem Wärmeleitfett 52 beschichtet. Ferner werden in der Wärmesenke 50 Schraubenlöcher 50A ausgebildet. Durch die Durchgangslöcher 30D werden Schrauben 54 geführt und in die Schraubenlöcher 50A geschraubt. Im Ergebnis wird der Metallfilm 18 der Halbleitervorrichtung 10 mit der Wärmesenke 50 in Kontakt gebracht, wobei das Wärmeleitfett 52 dazwischenliegt. Auf diese Weise wird die Halbleitervorrichtung 10 der ersten Ausführungsform an der Wärmesenke 50 befestigt.
  • Wenn eine herkömmliche Halbleitervorrichtung des hier beschriebenen Typs durch Schrauben an der Wärmesenke 50 befestigt wird, kann sich das Gehäuse 30 wegen einer Kraft, die sich aus dem Anziehen der Schrauben ergibt, verformen und kann im Ergebnis das isolierende Substrat 12 in eine nach oben konvexe Form gebogen werden. Andererseits verhindert im Fall der Halbleitervorrichtung 10 der ersten Ausführungsform der Niederhalteabschnitt 30C, der ein neues Merkmal der Erfindung ist, dass sich das isolierende Substrat 12 konvex nach oben biegt, da der Niederhalteabschnitt 30C den zentralen Abschnitt des isolierenden Substrats 12 nach unten drückt. Darüber hinaus verhindert der an dem Niederhalteabschnitt 30C angeordnete Metallträger 40, dass der Niederhalteabschnitt 30C wegen der durch die Druckkraft auf das isolierende Substrat 12 verursachten Gegenkraft nach oben verlagert wird. Das heißt, es wird zuverlässig verhindert, dass das isolierende Substrat 12 in eine nach oben konvexe Form gebogen wird.
  • Ferner wird angemerkt, dass es eine Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Komponenten der Halbleitervorrichtung 10 gibt. Somit würde das isolierende Substrat 12 wegen Änderungen der Temperatur der Halbleitervorrichtung 10, die sich aus Änderungen der Leistung der Vorrichtung ergeben, vertikal verlagert, wenn es den Niederhalteabschnitt 30C nicht gäbe, was dazu führen würde, dass auf das Lötmittel 20 eine Zugspannung ausgeübt würde. Dies kann veranlassen, dass sich in dem Lötmittel 20 Risse ausbilden. In der Halbleitervorrichtung 10 der ersten Ausführungsform verhindert die Anwesenheit des Niederhalteabschnitts 30C eine Verlagerung des isolierenden Substrats 12 und somit die Rissbildung in dem Lötmittel 20. Ferner verhindert die Tatsache, dass eine Verlagerung des isolierenden Substrats 12 verhindert wird, außerdem, dass Wärmeleitfett 52 (oder ein anderes wärmeableitendes Material) zwischen dem isolierenden Substrat 12 und der Wärmesenke 50 herausgepumpt wird.
  • In der ersten Ausführungsform ist der Metallträger 40 aus Kupfer ausgebildet und ist das Gehäuse 30 aus einem PPS-Harz ausgebildet, d. h., sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metallträgers 40 und des Gehäuses 30 im Wesentlichen gleich. Somit ist es unwahrscheinlich, dass sich der Metallträger 40 und das Gehäuse 30 wegen der Differenz ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten verformen. Außerdem hilft dies, eine Verlagerung des isolierenden Substrats 12 zu verhindern.
  • Es wird angemerkt, dass das isolierende Substrat 12 im Vergleich zu Fällen, in denen das Metallmuster 16 und der Metallfilm 18 aus Kupfer ausgebildet sind, eine niedrige Starrheit aufweist, da das Metallmuster 16 und der Metallfilm 18 des isolierenden Substrats 12 aus Aluminium ausgebildet sind. Da das isolierende Substrat 12 nur eine niedrige Starrheit aufweist, brauchen der Niederhalteabschnitt 30C und der Metallträger 40 nicht hochgradig starr zu sein, um ein Biegen oder Durchbiegen des isolierenden Substrats 12 zu verhindern. Somit können der Niederhalteabschnitt 30C und der Metallträger 40 aus einem Material mit einer verhältnismäßig niedrigen Starrheit ausgebildet sein, sodass eine breitere Vielfalt von Materialien verfügbar ist. Ferner können die Dicken oder die Breiten des Niederhalteabschnitts 30C und des Metallträgers 40 verringert werden, um ihre Kosten zu senken.
  • Der Metallträger 40 kann irgendeine Konfiguration aufweisen, die eine nach oben konvexe Biegung des isolierenden Substrats 12 verhindert. Zum Beispiel kann der Metallträger 40 eine flache Platte sein oder kann er alternativ eine kreuzförmige Konfiguration aufweisen. Im letzteren Fall können die vier Enden des Metallträgers an dem Rahmenabschnitt 30A befestigt sein. Ferner kann der zentrale Abschnitt des kreuzförmigen Metallträgers direkt über dem Niederhalteabschnitt 30C angeordnet sein, um eine nach oben konvexe Biegung des isolierenden Substrats 12 wirksam zu verhindern.
  • Vorzugsweise ist der Niederhalteabschnitt 30C in Kontakt mit dem isolierenden Substrat 12 konfiguriert, um eine nach oben konvexe Biegung des isolierenden Substrats 12 zu verhindern. Allerdings dient der Niederhalteabschnitt 30C dazu, auch dann zu verhindern, dass das isolierende Substrat 12 erheblich in eine nach oben konvexe Form gebogen wird, wenn es zwischen dem Niederhalteabschnitt 30C und dem isolierenden Substrat 12 einen geringfügigen Zwischenraum gibt. Somit erfordert die Erfindung nicht notwendig, dass der Niederhalteabschnitt 30C mit dem isolierenden Substrat 12 in Kontakt steht.
  • Obgleich die Halbleiterelemente 22 üblicherweise aus Silicium ausgebildet sind, können sie aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke mit einer breiteren Bandlücke als Silicium ausgebildet sein. Beispiele für Halbleiter mit breiter Bandlücke enthalten Siliciumcarbid, Materialien auf Galliumnitridgrundlage und Diamant. Halbleiterelemente, die aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke ausgebildet sind, erzeugen bei hohen Stromdichten mehr Wärme als aus Silicium ausgebildete. Das heißt, falls die Halbleiterelemente 22 der Halbleitervorrichtung 10 aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke ausgebildet sind, besteht ein höheres Risiko, dass das isolierende Substrat 12 gebogen wird. Allerdings verhindert der Niederhalteabschnitt 30C auch in diesen Fällen, dass das isolierende Substrat 12 gebogen wird. An der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform können verschiedene andere Änderungen vorgenommen werden, während die obigen Merkmale der Erfindung beibehalten werden. Es wird angemerkt, dass solche Änderungen ebenfalls an den Halbleitervorrichtungen der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können.
  • Die Halbleitervorrichtungen der folgenden Ausführungsformen der Erfindung weisen mit der Halbleitervorrichtung 10 der ersten Ausführungsform viele gemeinsame Merkmale auf. Somit beschränkt sich die Beschreibung dieser Halbleitervorrichtungen hauptsächlich auf die Unterschiede von der Halbleitervorrichtung 10.
  • Zweite Ausführungsform
  • 5 ist eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese Halbleitervorrichtung weist anstelle des Niederhalteabschnitts 30C der ersten Ausführungsform einen Niederhalteabschnitt 30E und einen Niederhalteabschnitt 30F auf. Die Niederhalteabschnitte 30E und 30F sind in Kontakt mit dem isolierenden Substrat 12 konfiguriert, wodurch verhindert wird, dass das isolierende Substrat 12 in eine nach oben konvexe Form gebogen wird. Durch die Anwesenheit mehrerer (in diesem Fall zweier) Niederhalteabschnitte kann die konvexe Biegung nach oben des isolierenden Substrats 12 zuverlässig verhindert werden.
  • Es wird angemerkt, dass die Verlagerung des zentralen Abschnitts des isolierenden Substrats 12 größer als die der anderen Abschnitte des isolierenden Substrats 12 ist, wenn das isolierende Substrat 12 in eine nach oben konvexe Form gebogen wird. Dies ist der Grund dafür, dass der Niederhalteabschnitt 30C in der ersten Ausführungsform so angeordnet ist, dass er gegen den zentralen Abschnitt des isolierenden Substrats 12 drückt. Allerdings können irgendein Abschnitt oder irgendwelche mehreren Abschnitte des isolierenden Substrats 12 niedergehalten werden, um eine nach oben konvexe Biegung des isolierenden Substrats 12 zu verhindern. In der zweiten Ausführungsform sind die Niederhalteabschnitte 30E und 30F so angeordnet, dass sie an anderen Abschnitten als dem zentralen Abschnitt gegen das isolierende Substrat 12 drücken. Ferner kann irgendeine Anzahl von Niederhalteabschnitten vorgesehen sein.
  • Dritte Ausführungsform
  • 6 ist eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Diese Halbleitervorrichtung weist anstelle des Niederhalteabschnitts 30C der ersten Ausführungsform einen Niederhalteabschnitt 60 auf. Der Niederhalteabschnitt 60 ist aus einem elastischen Material wie etwa Kautschuk ausgebildet. Der Niederhalteabschnitt 60 und das Gehäuse 30 sind getrennte Komponenten. Der Niederhalteabschnitt 60 verhindert, dass das isolierende Substrat 12 erheblich in eine nach oben konvexe Form gebogen wird. Wenn die Kraft, die das isolierende Substrat 12 in eine nach oben konvexe Form biegt, äußerst stark ist, können sich in dem isolierenden Substrat 12 Risse ausbilden, falls die Verlagerung des isolierenden Substrats 12 durch einen inelastischen Niederhalteabschnitt vollständig eingeschränkt ist. In der zweiten Ausführungsform ermöglicht der elastische Niederhalteabschnitt 60 eine geringfügige Biegung des isolierenden Substrats 12 und verhindert dadurch, dass sich darin Risse bilden.
  • Vierte Ausführungsform
  • 7 ist eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Halbleitervorrichtung wird das isolierende Substrat 12 durch den Niederhalteabschnitt 30C in eine nach unten konvexe Form nach unten gedrückt und gebogen. Die untere Oberfläche des isolierenden Substrats 12 ist auf einer geringeren Höhe als die untere Oberfläche des Gehäuses 30.
  • Es wird ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform beschrieben. 8 ist eine Querschnittsdarstellung eines Abschnitts einer teilweise fertiggestellten Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform, nachdem der Klebstoff 32 auf angrenzende Abschnitte des isolierenden Substrats 12 und des Gehäuses 30 aufgetragen worden ist, aber bevor der Klebstoff 32 thermisch ausgehärtet ist, um das isolierende Substrat 12 und das Gehäuse 30 miteinander zu verbinden. Wie gezeigt ist, ist die untere Oberfläche des isolierenden Substrats 12 durch eine Entfernung y unter der unteren Oberfläche des Gehäuses 30 vertikal beabstandet.
  • Anhand von 9 ist die folgende Beschreibung auf den Schritt des thermischen Aushärtens des Klebstoffs 32 gerichtet. Dieser Schritt verwendet eine Aushärtungsgrundplatte 70 mit Schraubenlöchern 70A. Zunächst werden Schrauben 72 durch die Schraubenlöcher 30D des Gehäuses 30 geführt und in die Schraubenlöcher 70A geschraubt, um die Halbleitervorrichtung an der Aushärtungsgrundplatte 70 zu befestigen. Im Ergebnis wird die untere Oberfläche des isolierenden Substrats 12 mit der unteren Oberfläche des Gehäuses 30 bündig gemacht und der Metallträger 40 in eine nach oben konvexe Form gebogen.
  • Daraufhin wird der Klebstoff 32 durch Anwendung von Wärme durch die Aushärtungsgrundplatte 70 auf das isolierende Substrat 12 thermisch ausgehärtet, wodurch das isolierende Substrat 12 und das Gehäuse 30 miteinander verbunden werden. Daraufhin werden die Schrauben 72 gelöst, um die Halbleitervorrichtung von der Aushärtungsgrundplatte 70 zu entnehmen. Im Ergebnis wird der Niederhalteabschnitt 30C durch die Rückstellkraft des elastischen Metallträgers 40 nach unten verlagert, sodass der Niederhalteabschnitte 30C das isolierende Substrat 12 nach unten drückt und dadurch in eine nach unten konvexe Form biegt.
  • Es wird angemerkt, dass die nach oben konvexe Biegung des isolierenden Substrats 12 zu einer Verringerung des Kontaktflächeninhalts und somit zu einer Zunahme des Wärmewiderstands zwischen dem isolierenden Substrat 12 und der Wärmesenke 50 führt. Um dies zu vermeiden, ist die Halbleitervorrichtung der vierten Ausführungsform wie oben beschrieben in der Weise konfiguriert, dass das isolierende Substrat 12 durch den Niederhalteabschnitt 30C in eine nach unten konvexe Form gebogen ist, sodass der Wärmewiderstand zwischen dem isolierenden Substrat 12 und der Wärmesenke 50 verhältnismäßig niedrig gehalten ist.
  • Fünfte Ausführungsform
  • 10 ist eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Der Metallträger 40 dieser Halbleitervorrichtung weist eine Aussparung 40A auf. Die Aussparung 40A ist mit einem Harz 30G gefüllt, das ein Teil des Gehäuses 30 ist. Das Harz 30G kann durch Umspritzen ausgebildet werden. Da die Aussparung 40A des Metallträgers 40 mit dem Harz 30G des Gehäuses 30 gefüllt ist, ist die Kontaktfläche zwischen dem Metallträger 40 und dem Gehäuse 30 größer als ohne sie. Ferner ermöglicht sie, die Starrheit des Niederhalteabschnitts 30C des Gehäuses 30 zu erhöhen und dadurch eine nach oben konvexe Biegung des isolierenden Substrats 12 zuverlässig zu verhindern.
  • Sechste Ausführungsform
  • 11 ist eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Halbleitervorrichtung steht das isolierende Substrat 12 nicht in direktem Kontakt mit dem Rahmenabschnitt 30A des Gehäuses 30; zwischen dem isolierenden Substrat 12 und dem Rahmenabschnitt 30A liegt der Klebstoff 32. Da der Umfangsrand des isolierenden Substrats 12 mit dem Klebstoff 32, der einen niedrigeren Elastizitätsmodul als das Gehäuse 30 aufweist, in Kontakt steht und nur durch ihn gehalten ist, ist die auf das isolierende Substrat 12 ausgeübte mechanische Spannung, die sich aus der Verlagerung ergibt, verhältnismäßig niedrig, was das Risiko einer Rissbildung in dem isolierenden Substrat 12 verringert.
  • Siebente Ausführungsform
  • 12 ist eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer siebenten Ausführungsform der Erfindung. Die Halbleitervorrichtung enthält eine Elektrode 80, die mit dem Metallträger 40 verbunden ist. (Es wird angemerkt, dass der Metallträger 40 und die Elektrode 80 in einer alternativen Ausführungsform einteilig aus demselben Material ausgebildet sein können.) Der Metallträger 40 ist durch Drähte 82 und 84 mit den Halbleiterelementen 22 verbunden. Somit dient der Metallträger 40 als eine Elektrode der Halbleiterelemente 22 sowie dazu, den Niederhalteabschnitt 30C in der richtigen Stellung zu halten. Dadurch, dass der Metallträger 40 auf diese Weise verwendet wird, kann die Komponentenmontagedichtung der Halbleitervorrichtung verbessert werden und dadurch der Platz darin effizient genutzt werden, sodass die Halbleitervorrichtung verkleinert werden kann.
  • Achte Ausführungsform
  • 13 ist eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer achten Ausführungsform der Erfindung. Diese Halbleitervorrichtung weist anstelle des Niederhalteabschnitts 30C der ersten Ausführungsform einen Niederhalteabschnitt 90 auf. Der Niederhalteabschnitt 90 ist aus einem Metall ausgebildet und ist einteilig mit dem Metallträger 40 und ist durch Lötmittel 92 an einer Elektrode eines Halbleiterelements 22 befestigt. Dies beseitigt die Notwendigkeit, eine Elektrode 80 (siehe 14) mittels eines Drahts usw. mit der Halbleitervorrichtung 22 zu verbinden, was zu verringerten Herstellungskosten führt. Es wird angemerkt, dass die Elektrode 80, der Metallträger 40 und der Niederhalteabschnitt 90 einteilig aus einem Metall ausgebildet sein können, um die Herstellungskosten weiter zu senken.
  • Neunte Ausführungsform
  • 14 ist eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer neunten Ausführungsform der Erfindung. Die Halbleitervorrichtung weist anstelle des Niederhalteabschnitts 30C der ersten Ausführungsform einen Niederhalteabschnitt 90 auf. Der Niederhalteabschnitt 90 ist aus einem Metall und einteilig mit dem Metallträger 40 ausgebildet und an dem Metallmuster 16 befestigt, das mit den Elektroden der unteren Oberfläche der Halbleitervorrichtungen 22 elektrisch verbunden ist. Der Niederhalteabschnitt 90 ist durch die mechanische Spannung des Niederhalteabschnitts 90 und/oder durch die zum Biegen des isolierenden Substrats 12 in eine nach oben konvexe Form ausgeübte Kraft ohne Verwendung von Lötmittel mit dem Metallmuster 16 in Kontakt gehalten. Es wird angemerkt, dass das Lötmittel zum zuverlässigen Befestigen des Niederhalteabschnitts 90 an dem Metallmuster 16 verwendet werden kann.
  • Die Konfiguration der Halbleitervorrichtung der neunten Ausführungsform beseitigt die Notwendigkeit, dass die mit dem Metallträger 40 verbundene Elektrode 80 mittels eines Drahts usw. mit dem Metallmuster 16 verbunden ist, was zu verringerten Herstellungskosten führt. Es wird angemerkt, dass die Elektrode 80, der Metallträger 40 und der Niederhalteabschnitt 90 zusammen einteilig aus einem Metall ausgebildet sein können, um die Herstellungskosten weiter zu senken.
  • Das isolierende Substrat 12 weist eine höhere Bruchfestigkeit als die Halbleiterelemente 22 auf. Das heißt, dass die Halbleitervorrichtung der neunten Ausführungsform (in der der Niederhalteabschnitt 90 an dem isolierenden Substrat 12 befestigt ist) gegenüber der Halbleitervorrichtung der achten Ausführungsform (in der der Niederhalteabschnitt 90 an einem Halbleiterelement 22 befestigt ist) einen Vorteil aufweist, da der Niederhalteabschnitt 90 mit einer stärkeren Kraft gegen das isolierende Substrat 12 als gegen die Halbleiterelemente 22 gedrückt werden kann. Somit wird in der Halbleitervorrichtung der neunten Ausführungsform eine Verlagerung des isolierenden Substrats 12 zuverlässiger als in der Halbleitervorrichtung der achten Ausführungsform verhindert.
  • Es wird angemerkt, dass die Merkmale der Halbleitervorrichtungen der oben beschriebenen Ausführungsformen gegebenenfalls kombiniert werden können.
  • Somit weist die Halbleitervorrichtung der Erfindung einen Niederhalteabschnitt auf, der die Verlagerung des isolierenden Substrats der Halbleitervorrichtung nach oben verhindert und dadurch eine nach oben konvexe Biegung des isolierenden Substrats minimiert.

Claims (12)

  1. Halbleitervorrichtung, die umfasst: ein isolierendes Substrat (12), das ein Keramiksubstrat (14) enthält; ein Halbleiterelement (22), das an einer oberen Oberfläche des isolierenden Substrats (12) befestigt ist; ein Gehäuse (30), das aus einem Harz ausgebildet ist und einen Rahmenabschnitt (30A) aufweist, der das Halbleiterelement (22) umgibt; einen Metallträger (40), der aus einem Metall gebildet ist, und der über dem isolierenden Substrat (12) gelegen ist, von einer Seite zu der gegenüberliegenden Seite des Rahmenabschnitts (30A) über das isolierende Substrat (12) verläuft und an dem Rahmenabschnitt (30A) befestigte Enden aufweist; einen Niederhalteabschnitt (30C), der in der Weise von dem Metallträger (40) nach unten ausgeht, dass er eine nach oben konvexe Biegung des isolierenden Substrats (12) verhindert; und einen Klebstoff (32), der das isolierende Substrat (12) und das Gehäuse (30) miteinander verbindet, wobei das isolierende Substrat (12) durch den Niederhalteabschnitt (30C) nach unten gedrückt und dadurch in eine nach unten konvexe Form gebogen ist und eine untere Oberfläche des isolierenden Substrats (12) auf einer geringeren Höhe als eine untere Oberfläche des Gehäuses (30) gelegen ist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner mehrere der Niederhalteabschnitte (30E, 30F) umfasst.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Niederhalteabschnitt (60) aus einem elastischen Material ausgebildet ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Metallträger (40) eine Aussparung (40A) aufweist, die mit dem Harzmaterial des Gehäuses (30) gefüllt ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Metallträger (40) aus Kupfer ausgebildet ist und das Harz ein PPS-Harz ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das isolierende Substrat (12) mit dem Rahmenabschnitt (30A) nicht in direktem Kontakt steht und der Klebstoff (32) zwischen dem isolierenden Substrat (12) und dem Rahmenabschnitt (30A) liegt.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Metallträger (40) als eine Elektrode des Halbleiterelements dient.
  8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Niederhalteabschnitt (90) aus einem Metall und einteilig mit dem Metallträger (40) ausgebildet ist und an einer Elektrode des Halbleiterelements (22) befestigt ist.
  9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Niederhalteabschnitt (90) aus einem Metall und einteilig mit dem Metallträger (40) ausgebildet ist, wobei das isolierende Substrat (12) ein auf einer Oberseite des Keramiksubstrats (14) ausgebildetes Metallmuster (16) aufweist und wobei der Niederhalteabschnitt (90) an dem Metallmuster (16) befestigt ist.
  10. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das isolierende Substrat (12) auf beiden Oberflächen des Keramiksubstrats (14) beschichtetes Aluminium enthält.
  11. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Halbleiterelement (22) aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke ausgebildet ist.
  12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Halbleiter mit breiter Bandlücke Siliciumcarbid, ein Material auf Galliumnitridgrundlage oder Diamant ist.
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