DE102014222993B4 - Halbleitervorrichtung und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Abstract

Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung, mit den Schritten:
(a) Vorbereiten eines isolierenden oder leitfähigen Substrats und wenigstens eines Halbleiterelements (1), das eine Elektrode als eine Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) auf einer Seite des Halbleiterelements (1) aufweist;
(b) Anordnen eines sinterbaren Verbindungsmaterials (2) in wenigstens einem Verbindungsbereich (3a) einer Hauptoberfläche des Substrats; und
(c) Sintern des Verbindungsmaterials (2), während die Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) mit dem Verbindungsmaterial (2) in Druckkontakt gebracht wird, um das Substrat und das Halbleiterelement (1) zu bonden,
wobei die Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) eine äußere Kante aufweist,
das Verbindungsmaterial (2), das in Schritt (b) vor dem Sintern in dem Verbindungsbereich (3a) angeordnet wird, in Draufsicht von der äußeren Kante der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) ausgehend nach innen positioniert wird, und
das Verbindungsmaterial (2) selbst nach dem Schritt (c) in Draufsicht von der äußeren Kante der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) ausgehend um 30 bis 200 µm nach innen positioniert ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und ein Herstellungsverfahren dafür, und insbesondere ein Verfahren zum Bonden eines Halbleiterelements.
  • US 2008 / 0 173 398 A1 offenbart ein Verbindungsmaterial mit Metallpartikeln, die mit einer organischen Substanz ummantelt sind. Die organische Substanz weist 2 bis 8 Kohlenstoffatome auf. Die Metallpartikel weisen einen ersten Anteil mit einer Größe von 100 nm oder weniger und einen zweiten Anteil mit einer Größe von 100 nm bis 100 µm auf. Jeder der Anteile weist mindestens einen Höchstpunkt in der Größenverteilung auf einer volumetrischen Basis auf.
  • US 2009 / 0 244 868 A1 offenbart ein Verbindungsmaterial für eine Al-Elektrode einer Halbleitervorrichtung. Das Verbindungsmaterial weist Metallpartikel mit einem Durchmesser von 1 nm bis 50 µm als Hauptverbindungsmittel auf. Ein Halbleiterelement und eine Al-Elektrode sind durch eine Verbindungsschicht aus Ag oder Cu miteinander verbunden, die dazwischen vorhanden ist. Die Verbindungsschicht und die Al-Elektrode sind durch eine amorphen Schicht miteinander verbunden, die dazwischen vorhanden ist.
  • JP 2011 - 29 472 A beschreibt ein Verbindungsmaterial zur elektrischen Verbindung eines auf einer Leiterplatte gebildeten Verbindungsanschlusses mit einem auf einem Halbleiterchip gebildeten Elektrodenanschluss. Das Verbindungsmaterial umfasst die folgenden Komponenten: (A) Silberoxid; (B) eine organischen Verbindung,
  • die durch Erhitzen mit mindestens einem an Sauerstoff gebundenen Metall aus Cu, Pd, Pt und Au oder einem Salz einer organischen Säure mit daran ionisch gebundenem Metall zu Silberoxid von (A) oxidiert wird; und (C) ein Lösungsmittel, das (B) dispergieren oder auflösen kann und zu Beginn der Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen (A) und (B) flüssig ist. Gemäß einer Ausführungsform ist das Verbindungsmaterial von der äußeren Kante der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements aus nach innen angeordnet.
  • In Anbetracht strengerer Umweltregularien in den letzten Jahren wuchs ein Bedarf an umweltfreundlichen elektronischen Geräten (d. h. elektronischen Geräten mit hoher Qualität, hohem Leistungsvermögen und Energieeinsparung). Insbesondere gab es Bedarf an einem elektronischen Hochleistungsgerät wie für Industrieausrüstungen, eine Antriebssteuervorrichtung für ein mit einem Motor versehenes elektrisches Haushaltsgerät, eine Fahrzeugsteuervorrichtung für ein Elektrofahrzeug und ein Hybridfahrzeug, eine Steuervorrichtung für ein Schienenfahrzeug, eine Steuervorrichtung für Solarstromerzeugung und dergleichen. Ferner gab es Bedarf an hoher Effizienz und niedrigen Verlusten beim Betrieb unter Hochlastumgebung (in Hochtemperaturumgebung) elektronischer Geräte. Die Hochtemperaturumgebung ist eine Umgebung bei einer Temperatur von 150°C bis 175°C oder höher (z. B. 200°C). Es wurden zunehmend Halbleiterelemente entwickelt, die in Hochtemperaturumgebung arbeiten. Auch eine hohe Stromdichte wurde als eine Eigenschaft eines Gehäuses vorangebracht.
  • Energieeinsparvermögen unter Hochtemperaturumgebung wurde für ein elektronisches Gerät gefordert, das insbesondere als eine Fahrzeugsteuervorrichtung und eine Steuervorrichtung für ein Schienenfahrzeug verwendet wird. Die normale Betriebstemperatur betrug z. B. 150°C oder weniger. Es ist jedoch mit einem steigenden Bedarf zur Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung von 200°C oder mehr zu rechnen. Unter einer Hochtemperaturumgebung von 200°C oder mehr können als Halbleiterelement anstelle von Si gut SiC oder GaN eingesetzt werden.
  • In Anbetracht dieser Umstände war es notwendig, Materialien und Strukturen von elektronischen Vorrichtungen zu überprüfen, um einen Schaltverlust zu unterdrücken und einen niedrigen Verlust und eine hohe Effizienz bei Betrieb in Hochtemperaturumgebung zu realisieren. Da ein Verbindungsabschnitt in einer bei einer elektronischen Vorrichtung angewendeten Halbleitervorrichtung für eine Verschlechterung am anfälligsten ist, war insbesondere das Realisieren hoher Qualität, hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer des Verbindungsabschnitts ein großes Problem.
  • Dann wurde zum Verbessern der Hochtemperaturhaltbarkeit des Verbindungsabschnitts anstelle eines Lotmaterials ein sinterbares Verbindungsmaterial (Material, das in der Lage ist, gesintert zu werden) verwendet (siehe z. B. JP 2004-107728 A ). Wenn ein Halbleiterelement mit einem sinterbaren Verbindungsmaterial an ein Substrat gebondet wird, wird das Verbindungsmaterial durch Unterdrucksetzen und gleichzeitig Heizen des Verbindungmaterials zwischen einer hinteren Oberfläche des Halbleiterelements und einer vorderen Oberfläche des Substrats gesintert, um so das Bonden durchzuführen.
  • Wenn, wie oben beschrieben, das Bonden mit dem sinterbaren Verbindungmaterial durchgeführt wird, wird z. B. das Verbindungsmaterial zwischen der hinteren Oberfläche des Halbleiterelements und der vorderen Oberfläche des Substrats zusätzlich zur Erwärmung unter Druck gesetzt. Als Ergebnis gab es einen Fall, bei dem das Sintern durchgeführt wird, während das Verbindungsmaterial durch das Unterdrucksetzen um das Halbleiterelement herum vorsteht. Das vorstehende Verbindungsmaterial wird gesintert, ohne ausreichend unter Druck gesetzt zu sein. Das Verbindungsmaterial, das gesintert worden ist, während es vorsteht, fällt leicht ab, weil keine Hohlkehlenform ausgebildet wird, wie im Fall des Lotmaterials. Als Ergebnis gab es ein Problem, dass in einem Herstellungsschritt nach einem Schritt zum Bonden des Halbleiterelements das vorstehende Verbindungsmaterial durch Vibrationen oder dergleichen abfällt, was ein Problem wie beispielsweise einen Kurzschluss verursachen kann.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung, bei welcher eine Hochtemperaturhaltbarkeit, eine Qualität und eine Zuverlässigkeit eines Verbindungsabschnitts, der ein Halbleiterelement und ein Substrat miteinander verbindet, unter Verwendung eines sinterbaren Verbindungsmaterials verbessert sind, sowie ein Herstellungsverfahren dafür zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Durch das Herstellungsverfahren gemäß dem Anspruch 1 ist das Verbindungsmaterial in Draufsicht von der äußeren Kante der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements ausgehend um 30 bis 200 µm nach innen angeordnet, und deshalb ist es möglich, das Verbindungsmaterial zu erwärmen und gleichzeitig einen ausreichenden Druck auf das Verbindungsmaterial auszuüben. Da selbst nach dem Bonden das Verbindungsmaterial nicht um das Halbleiterelement vorsteht, tritt außerdem kein Fall ein, dass das vorstehende Verbindungsmaterial in einem Schritt nach dem Verbindungsschritt (z. B. einem Schritt des Drahtbondens) oder nach Fertigstellung der Halbleitervorrichtung abfällt. Als Ergebnis ist es möglich, die Halbleitervorrichtung mit hoher Qualität und hoher Zuverlässigkeit zusätzlich zur Hochtemperaturhaltbarkeit, die durch Verwenden des sinterbaren Verbindungsmaterials erzielt wird, zu erzielen.
  • Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen, zum Teil schematisch:
    • 1 eine Querschnittsansicht eines Halbleitermoduls mit einer Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
    • 2 eine Draufsicht eines isolierenden Substrats zum Erläutern eines Herstellungsverfahrens des Halbleitermoduls gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
    • 3 eine Querschnittsansicht eines Halbleitermoduls mit einer Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
    • 4 eine Draufsicht eines isolierenden Substrats zum Erläutern eines Herstellungsverfahrens des Halbleitermoduls gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • (Aufbau)
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleitermoduls, das eine Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel enthält und das auf eine in einer Hochtemperaturumgebung benutzten elektronischen Vorrichtung angewendet ist. Die Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel enthält ein isolierendes Substrat 3, das ein Substrat mit einer isolierenden Eigenschaft ist, ein an das isolierende Substrat 3 gebondetes Halbleiterelement 1, und ein sinterbares Verbindungsmaterial 2 (Verbindungsmaterial, das in der Lage ist, gesintert zu werden), welches das isolierende Substrat 3 und das Halbleiterelement 1 miteinander verbindet.
  • Das isolierende Substrat 3 ist durch ein Lot 13 oder ein sinterbares Verbindungsmaterial an eine Wärmeabstrahlplatte 4 gebondet. Das isolierende Substrat 3 enthält ein Schaltungsmuster auf einer Oberfläche davon. Das Schaltungsmuster auf der Oberfläche des isolierenden Substrats 3 und eine Rückseitenelektrode des Halbleiterelements 1 sind mittels des sinterbaren Verbindungsmaterials 2 aneinander gebondet.
  • Die Wärmeabstrahlplatte 4 ist mit z. B. einem Klebstoff 12 an einem Gehäuse 8 befestigt, um als eine Außenhülle des Halbleitermoduls zu dienen. Das Gehäuse 8 schließt Umgebungen des isolierenden Substrats 3 des Halbleiterelements 1, eines Drahtes 7 und eines Steuerboards 11, die später beschrieben werden, ein. Das Gehäuse 8 aus Kunstharz ist integral mit einer Elektrode 9 ausgebildet. Eine Oberseitenelektrode des Halbleiterelements 1 und die Elektrode 9 sind mit dem Draht 7 miteinander verbunden. Ferner ist das Steuerboard 11 mit einer Antriebsschaltung und einer Schutzschaltung darauf durch die Elektrode 9 mit dem Halbleiterelement 1 verbunden.
  • Ferner sind durch Einspritzen eines Dichtungsmaterials 10 in das Gehäuse 8 das isolierende Substrat 3, das Halbleiterelement 1, der Draht 7 und das Steuerboard 11 vergossen.
  • Es werden nun die Bauteile in mehr Einzelheiten beschrieben. Man beachte, dass die nachfolgend beschriebenen Größen jedes Bauteils nur beispielhaft sind und die Erfindung nicht auf die beschriebenen Größen beschränkt ist. Die Wärmeabstrahlplatte 4 ist z. B. eine Kühlerplatte mit einer Seitenlänge von 50 bis 300 mm, einer Dicke von 3 bis 5 mm und einer großen thermischen Kapazität und ist aus Cu, Al oder einem Al-SiC-Verbund gemacht. Die Wärmeabstrahlplatte 4 ist durch ein sinterbares Verbindungsmaterial einer Dicke von etwa 20 bis 150 µm oder einem Lot 13 mit einer Dicke von etwa 100 bis 200 µm an das isolierende Substrat 3 gebondet.
  • Das isolierende Substrat 3 ist aus Al2O3, AlN, Si3N4, ZrAl2O3 oder dergleichen mit einer konstanten Dicke von 0,2 bis 3 mm gebildet. Wenn eine hintere Oberfläche des isolierenden Substrats 3 und die Wärmeabstrahlplatte 4 mittels des Lots 13 miteinander verbunden werden, wird die hintere Oberfläche des isolierenden Substrats 3 mit einer Ni-Metallisierung mit einer Dicke von 2 bis 10 µm behandelt. Ferner ist das Schaltungsmuster auf einer Oberfläche des isolierenden Substrats 3 (d. h. einer Oberfläche an einer oberen Seite in 1) gegenüber der Wärmeabstrahlplatte 4 gebildet. Die Oberfläche, auf welcher das Schaltungsmuster gebildet ist, wird mit einer Schutzschicht behandelt. Das Halbleiterelement 1 wird an das an der oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 3 gebildete Schaltungsmuster durch das sinterbare Verbindungsmaterial 2 gebondet.
  • Das Halbleiterelement 1 ist z. B. ein Leistungshalbleiterelement, beispielsweise ein Halbleiterelement wie ein IGBT, ein MOSFET oder eine Diode, die große Strommengen verarbeiten kann. Das Halbleiterelement 1 bildet z. B. eine Dreiphasenschaltung, so dass ein AC-Ausgang realisiert wird. Man beachte, dass das Halbleiterelement 1 nicht auf den IGBT, den MOSFET oder die Diode aus Si beschränkt ist, sondern auch aus SiC oder GaN gemacht sein kann. Wenn z. B. das Halbleiterelement 1 ein IGBT ist, ist die an einer unteren Oberfläche des Halbleiterelements 1 vorgesehene Rückseitenelektrode eine Kollektorelektrode und die an einer Oberfläche des Halbleiterelements 1 vorgesehenen Oberseitenelektroden sind eine Emitterelektrode und eine Gateelektrode.
  • Wenn das Halbleiterelement 1 eine Dreiphasenschaltung bildet, ist das Halbleiterelement 1 (z. B. die Diode, der IGBT oder der MOSFET) für jede Phase durch eine Drahtverbindung mit dem Draht 7 aus Aluminium oder dergleichen an das Schaltungsmuster auf dem isolierenden Substrat 3 gebondet und durch Verdrahten in der elektronischen Vorrichtung angeschlossen.
  • Das Gehäuse 8 ist aus einem Kunstharz wie beispielsweise PPS, PBT oder Epoxidharz gemacht. Die Elektrode 9 ist ein AC-Ausgangsanschluss oder ein Eingangs-/Ausgangsanschluss, der einen Ausgang und einen Eingang nach und von außen bereitstellt, und ist aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer Dicke von etwa 1 mm gemacht. Die Elektrode 9 ist integral mit dem Gehäuse 8 ausgebildet.
  • Die Elektrode 9 auf der rechten Seite in 1 ist mittels des Drahtes 7 mit der Oberseitenelektrode (z. B. Gateelektrode) des Halbleiterelements 1 (z. B. IGBT) verbunden, und die Elektrode 9 ist mit dem Steuerboard 11 mit einer Antriebsschaltung und einer Schutzschaltung darauf verbunden und empfängt einen Eingang eines Steuersignals zum Durchführen eines Schaltvorgangs. Wie in 1 veranschaulicht, ist das Steuerboard 11 durch die Elektrode 9 so abgestützt, dass es oberhalb des isolierenden Substrats 3 in einem Zustand im Wesentlichen parallel zum isolierenden Substrat 3 angeordnet ist.
  • Die Oberseitenelektrode (z. B. Emitterelektrode) des Halbleiterelements 1 (z. B. IGBT) ist mittels des Drahtes 7 mit einer Elektrode des Halbleiterelements 1 daneben verbunden. Die Elektrode 9 auf der linken Seite in 1 ist mittels Drahtverbindung mit einem Motor, einer Batterie und einem Kabelbaum außerhalb des Gehäuses 8 verbunden.
  • Das Dichtungsmaterial 10 ist ein isolierendes Gelmaterial basierend auf Si. Man beachte, dass ein Deckel (nicht dargestellt) durch einen Klebstoff an dem Gehäuse 8 angebracht ist.
  • Man beachte, dass in einem Verbindungsabschnitt zwischen jedem der Halbleiterelemente 1 und dem isolierenden Substrat 3 das Verbindungsmaterial 2 in Draufsicht nicht von einer Verbindungsoberfläche, die einem Bonden an das Halbleiterelement 1 unterzogen werden soll, nach außen vorsteht. Man beachte, dass in diesem Ausführungsbeispiel die einem Bonden des Halbleiterelements 1 zu unterziehende Verbindungsoberfläche die untere Oberfläche des Halbleiterelements 1 ist. Insbesondere hat z. B. die untere Oberfläche des Halbleiterelements 1 eine Seite von 4 mm bis 18 mm, und das Verbindungsmaterial 2 ist bezüglich jeder Seite der unteren Oberfläche des Halbleiterelements 1 um 30 µm bis 200 µm nach innen positioniert. Man beachte, dass es bevorzugt ist, dass ein Ende des Verbindungsmaterials 2 von jeder Seite der unteren Oberfläche des Halbleiterelements 1 innerhalb 500 µm oder weniger positioniert ist.
  • Auf diese Weise bedeutet die Tatsache, dass das Verbindungsmaterial 2 in Draufsicht von der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements 1 nicht nach außen vorsteht, dass das Verbindungsmaterial 2 in einem Schritt des Sinterns des Verbindungsmaterials 2 zwischen dem Halbleiterelement 1 und dem isolierenden Substrat 3 ausreichend unter Druck gesetzt worden ist.
  • Dagegen würde, wie einleitend zum Stand der Technik beschrieben, wenn das Verbindungsmaterial in Draufsicht von der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements 1 nach außen vorsteht, dies bedeuten, dass das vorstehende Verbindungsmaterial 2 ohne ausreichende Unterdrucksetzung gesintert worden ist. Es bestünde dann eine Möglichkeit, dass der vorstehende Abschnitt abfällt.
  • In dem Verbindungsabschnitt zwischen den Halbleiterelementen 1 und dem isolierenden Substrat 3 wird eine Dicke des Verbindungsmaterials 2 nach dem Bonden zu etwa 20 µm bis 200 µm. Bei einer Lotverbindung war es notwendig, dass eine Dicke eines Lots 1.000 µm oder mehr beträgt, um die Zuverlässigkeit des Verbindungsabschnitts zu gewährleisten. Wenn dagegen das sinterbare Verbindungsmaterial 2 benutzt wird, wird die Zuverlässigkeit nicht beeinträchtigt, selbst wenn die Dicke 1.000 µm oder weniger beträgt.
  • (Herstellungsverfahren)
  • Zuerst wird das sinterbare Verbindungsmaterial 2 gemäß diesem Ausführungsbeispiel beschrieben. Das Verbindungsmaterial 2 in einer Pastenform enthält feine Metallpartikel, ein Lösemittel und einen Oberflächenstabilisator. Die feinen Metallpartikel sind aus Ag, Cu, Au, Pd, Pt oder dergleichen und haben einen Durchmesser von größer gleich 1 nm und kleiner gleich 10 µm. Eine Oberfläche der feinen Metallpartikel ist mit einem organischen Schutzfilm bedeckt. Unter Verwendung des Verbindungsmaterials 2 mit den feinen Metallpartikeln in Nanogröße oder Mikrogröße wird eine Senkung des Schmelzpunkts bewirkt und es ist möglich, eine Sinterverbindung bei einer Temperatur niedriger als eine für das Verbindungsmaterial spezifische Schmelztemperatur durchzuführen. Nach dem Bonden ist der Schmelzpunkt erhöht, sodass er mit jenem eines Volumenmaterials vergleichbar ist, und es können eine hohe Hitzebeständigkeit und Zuverlässigkeit erzielt werden.
  • Wenn Ag für die feinen Metallpartikel des Verbindungsmaterials 2 verwendet wird, wird das Verbindungsmaterial 2 zwischen dem Halbleiterelement 1 und einem leitfähigen Substrat 5 unter Druck gesetzt, während es auf eine Temperatur von etwa 180°C bis 350°C erwärmt wird. Nach dem Bonden kann das Verbindungsmaterial 2 eine Hitzebeständigkeit von etwa 900°C gewährleisten.
  • Bei dem Verbindungsmaterial 2 in Pastenform verbinden sich die Partikel nicht miteinander und sind im Lösemittel stabil, da die metallischen Partikel (z. B. Ag) mit dem Schutzfilm überzogen sind. Wenn das Verbindungsmaterial 2 erwärmt wird, verdampft das Lösemittel (z. B. organische Substanz), und die metallischen Partikel verbinden sich miteinander. Wenn die Größe der metallischen Partikel das Nano-Niveau erreicht, erhöht sich die Oberflächenenergie, und deshalb tritt ein solches Sinterphänomen ein, dass die Partikel bei einer Temperatur niedriger als ein Volumenschmelzpunkt aneinander haften und sich miteinander verbinden. Deshalb ist es nicht notwendig, das Halbleiterelement 1 und das isolierende Substrat 3 während des Bondens bis zum Volumenschmelzpunkt zu erwärmen, und es ist möglich, thermische Spannung, Verformung, Verwindung und dergleichen, die dadurch verursacht werden würden, zu vermeiden.
  • Es wird nun ein Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel beschrieben. Zuerst wird das isolierende Substrat 3 vorbereitet. Das Schaltungsmuster wird auf einer oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 3 gebildet. 2 ist eine Draufsicht des isolierenden Substrats 3. Als nächstes wird das sinterbare Verbindungsmaterial 2 in Pastenform in einem Verbindungsbereich 3a des Schaltungsmusters auf der oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 3 angeordnet. D. h. der Verbindungsbereich 3a ist ein Bereich, in dem das Verbindungsmaterial 2 angeordnet ist. Drucken wird durch z. B. Schablonendrucken durchgeführt. Man beachte, dass es auch möglich ist, das Verbindungsmaterial 2 gleichzeitig auf mehrere Verbindungsbereiche 3a zu drucken, wenn das Verbindungsmaterial 2 auf dem isolierenden Substrat 3 angeordnet wird. Ferner ist es möglich, ein Drucken auf mehrere isolierende Substrate 3 durch Anordnen der mehreren isolierenden Substrate 3 in einer Druckvorrichtung und Durchführen des Druckens gleichzeitig durchzuführen.
  • Als nächstes wird das Halbleiterelement 1 auf dem Verbindungsmaterial 2 montiert. In 2 ist der Bereich 3b ein Bereich, an dem eine Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements 1 vorsteht. Da die Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements 1 die untere Oberfläche des Halbleiterelements 1 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist, wird das Halbleiterelement 1 so montiert, dass seine untere Oberfläche den Bereich 3b überlappt. Hierbei ist der Verbindungsbereich 3a, in welchem das Verbindungsmaterial 2 angeordnet ist, von dem Bereich 3b nach innen positioniert. D. h. das Verbindungsmaterial 2 wird in dem Schritt des Anordnens des Verbindungsmaterials 2, der oben beschrieben wurde, von dem Bereich 3b nach innen angeordnet. Insbesondere wird z. B. jede Seite des Verbindungsbereichs 3a, in welchem das Verbindungsmaterial 2 angeordnet ist, von jeder Seite des Bereichs 3b um 30 bis 200 µm nach innen positioniert.
  • Dann wird das Verbindungsmaterial 2 gesintert, während die Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements 1, das montiert worden ist, mit dem Verbindungsmaterial 2 in Druckkontakt gebracht wird. Der Prozess des Unterdrucksetzens und des Erwärmens wird durch eine Warmpressvorrichtung durchgeführt. Die Heiztemperatur liegt in einem Bereich von 180°C bis 350°C, eine Druckkraft liegt in einem Bereich von 5 MPa bis 30 MPa, und dieser Zustand wird für 30 bis 180 Sekunden gehalten, um das Bonden durchzuführen. Durch diesen Prozess des Unterdrucksetzens und Heizens werden das isolierende Substrat 3 und das Halbleiterelement 1 durch das Verbindungsmaterial 2 aneinander gebondet. Man beachte, dass im Schritt des Durchführens des Unterdrucksetzens und Heizens durch die Warmpressvorrichtung mehrere isolierende Substrate 3 gemeinsam verarbeitet werden können.
  • Man beachte, dass das Halbleiterelement 1 ein MOSFET, ein IGBT, eine Diode oder dergleichen ist, die unter Verwendung eines Halbleiters wie beispielsweise SiC, GaN oder dergleichen als Material gemacht sind. Jede Seite der unteren Oberfläche des Halbleiterelements 1 liegt z. B. in einem Bereich von 4 bis 18 mm.
  • Als nächstes werden eine untere Oberfläche des isolierenden Substrats 3 und die Wärmeabstrahlplatte 4 miteinander verbunden. Das Verbinden wird durch ein Verlöten durchgeführt. Man beachte, dass, falls die untere Oberfläche des isolierenden Substrats 3 und die Wärmeabstrahlplatte 4 mittels des sinterbaren Verbindungsmaterials miteinander verbunden werden, beim Verbinden des Halbleiterelements 1 und des isolierenden Substrats 3 miteinander das isolierende Substrat 3 im Voraus durch das sinterbare Verbindungsmaterial an der Wärmeabstrahlplatte 4 befestigt werden kann und das Verbinden durch eine Warmpressvorrichtung gleichzeitig durchgeführt werden kann.
  • Als nächstes wird das Gehäuse 8 mittels des Klebstoffes 12 an der Wärmeabstrahlplatte 4 befestigt. Dann werden die Oberseitenelektroden des Halbleiterelements 1 oder die Oberseitenelektroden des Halbleiterelements 1 und die Elektrode 9 mittels des Drahtes 7 miteinander verbunden. Das Verbinden des Drahtes 7 wird durch Drahtbonden durchgeführt. Ferner wird das Steuerboard 11 mit der Elektrode 9 verbunden. Schließlich wird das Dichtungsmaterial 10 in das Gehäuse eingespritzt, so dass das isolierende Substrat 3, das Halbleiterelement 1, der Draht 7 und das Steuerboard 11 vergossen werden. Durch diese Schritte wird die elektronische Vorrichtung mit der Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel hergestellt.
  • Wie oben beschrieben wird in dem Herstellungsschritt einer Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Verbindungsmaterial 2 in Draufsicht von der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements 1 nach innen angeordnet und dann wird das Verbindungsmaterial 2 erwärmt und unter Druck gesetzt. Als Ergebnis ist es möglich, das Verbindungsmaterial zu erwärmen, während ein ausreichender Druck auf das Verbindungmaterial 2 ausgeübt wird. Da selbst nach dem Bonden das Verbindungsmaterial 2 nicht um das Halbleiterelement 1 vorsteht, tritt außerdem kein solcher Fall ein, dass das vorstehende Verbindungsmaterial 2 in einem Schritt nach dem Verbindungsschritt (z. B. einem Schritt des Drahtbondens) oder nach einer Fertigstellung der Halbleitervorrichtung abfällt. Als Ergebnis ist es möglich, die Halbleitervorrichtung mit hoher Qualität und hoher Zuverlässigkeit zu erhalten.
  • Man beachte, dass, da der Schmelzpunkt des Verbindungsmaterials 2 nach dem Bonden auf einem Niveau vergleichbar zu jenem eines Volumenmaterials ist, wenn Ag als Verbindungsmaterial 2 verwendet wird, ein Bonden bei einer Bonding-Temperatur in einem Bereich von 180°C bis 350°C möglich ist. Ferner ist es möglich, nach dem Bonden eine Hochtemperaturhaltbarkeit von etwa 900°C zu erhalten. Als Ergebnis ist es möglich, die Halbleitervorrichtung mit der verbesserten Hochtemperaturhaltbarkeit zusätzlich zur hohen Qualität und hohen Zuverlässigkeit zu erhalten.
  • (Vorteile)
  • Das Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel enthält die Schritte (a) des Bereitstellens eines isolierenden oder leitfähigen Substrats; (b) des Anordnens eines sinterbaren Verbindungsmaterials 2 in wenigstens einem Verbindungsbereich 3a einer Hauptoberfläche des Substrats (z. B. isolierenden Substrats 3); und (c) des Sinterns des Verbindungsmaterials 2, während eine dem Bonden wenigstens eines Halbleiterelements 1 zu unterziehende Verbindungsoberfläche mit dem Verbindungsmaterial 2 in Druckkontakt gebracht wird, und des Bondens des Substrats (z. B. isolierenden Substrats 3) und des Halbleiterelements 1 durch das Verbindungsmaterial 2 aneinander. Der Verbindungsbereich 3a in Schritt (b) ist in Draufsicht von der Verbindungsoberfläche (d. h. dem Bereich 3b) des Halbleiterelements 1 nach innen positioniert, und das Verbindungsmaterial 2 steht selbst nach dem Schritt (c) in Draufsicht nicht von der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements 1 nach außen vor.
  • Demgemäß wird im Schritt des Anordnens des Verbindungsmaterials 2 auf einer oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 3 das Verbindungsmaterial 2 in Draufsicht von der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements 1 nach innen angeordnet, und deshalb ist es möglich, das Verbindungsmaterial 2 zu erwärmen, während ein ausreichender Druck auf das Verbindungsmaterial 2 ausgeübt wird. Da selbst nach dem Bonden das Verbindungsmaterial 2 nicht um das Halbleiterelement 1 vorsteht, findet außerdem kein solcher Fall statt, dass das vorstehende Verbindungsmaterial 2 in einem Schritt nach dem Verbindungsschritt (z. B. einem Schritt des Drahtbondens) oder nach einer Fertigstellung der Halbleitervorrichtung abfällt. Als Ergebnis ist es möglich, die Halbleitervorrichtung mit hoher Qualität und hoher Zuverlässigkeit zusätzlich zur Hochtemperaturhaltbarkeit, die durch Verwenden des sinterbaren Verbindungsmaterials 2 erzielt wird, zu erzielen.
  • Ferner ist nach dem Schritt (c) in dem Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Verbindungsmaterial 2 ein leitfähiges Metall mit Ag, Cu, Pd oder Au als Hauptkomponente.
  • Deshalb ist es durch Verwenden des Verbindungsmaterials 2 mit einem leitfähigen Metall mit Ag, Cu, Pd oder Au als Hauptkomponente möglich, die Wärmefestigkeitstemperatur des Verbindungsmaterials 2 mehr als jene des Lotmaterials mit Sn als Hauptkomponente zu erhöhen. Außerdem ist es durch Verwenden von Cu als Hauptkomponente des Materials für das Verbindungsmaterial 2 möglich, die Materialkosten zu reduzieren.
  • Ferner enthält das Verbindungsmaterial 2 in Schritt (b) im Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel metallische Partikel mit einem Durchmesser größer gleich 1 nm und kleiner gleich 10 µm.
  • Demgemäß ist es durch Verwenden feiner metallischer Partikel mit einem Durchmesser größer gleich 1 nm und kleiner gleich 10 µm als Verbindungsmaterial 2 möglich, eine Sinterverbindung bei einer Temperatur niedriger als eine für das Verbindungsmaterial spezifische Schmelztemperatur durchzuführen. Außerdem ist es durch Verwenden des Verbindungsmaterials 2, in welchem Partikel mit einem Durchmesser größer gleich 1 nm und kleiner gleich 10 µm vermischt sind, möglich, die Materialkosten zu reduzieren.
  • Ferner ist das Verbindungsmaterial 2 in Schritt (b) im Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel in einer Pastenform.
  • Demgemäß kann das Verbindungsmaterial 2 durch Verwenden des Verbindungsmaterials 2 in einer Pastenform durch Drucken angeordnet werden. Durch Anordnen des Verbindungsmaterials 2 durch Drucken kann das Verbindungsmaterial 2 in mehreren Bereichen gemeinsam angeordnet werden, und deshalb kann die Produktivität erhöht werden.
  • Ferner wird das Verbindungsmaterial 2 in Schritt (b) im Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch Drucken angeordnet.
  • Demgemäß kann das Verbindungsmaterial 2 durch Anordnen des Verbindungsmaterials 2 durch Drucken (z. B. Schablonendruck) in mehreren Bereichen gemeinsam angeordnet werden, und so kann die Produktivität erhöht werden.
  • Ferner sind in Schritt (b) im Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Verbindungsbereich 3a mehrere Verbindungsbereiche vorgesehen, und in Schritt (c) sind als Halbleiterelement 1 mehrere Halbleiterelemente vorgesehen, und die Halbleiterelemente 1 werden in den jeweiligen Verbindungsbereichen 3a gebondet.
  • Demgemäß kann durch gemeinsames Anordnen des Verbindungsmaterials 2 in einer Pastenform in den mehreren Bereichen durch Drucken und weiter durch Montieren der mehreren Halbleiterelemente 1 in den jeweiligen Bereichen zum Durchführen eines Prozesses des Heizens und Unterdrucksetzens und durch gemeinsames Durchführen des Bondens die Produktivität erhöht werden.
  • Ferner beträgt eine Dicke des Verbindungsmaterials 2, das gesintert worden ist, nach dem Schritt (c) im Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel 1.000 µm oder weniger.
  • Als Ergebnis kann, obwohl im Allgemeinen eine Verbindungsdicke von 1.000 µm oder mehr im Lotmaterial notwendig war, die Verbindungsdicke durch Durchführen des Verbindens unter Verwendung des Verbindungsmaterials 2 gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf 1.000 µm oder weniger verringert werden. Wenn die Verbindungsdicke kleiner gemacht ist, kann eine Gesamtdicke der Halbleitervorrichtung kleiner gemacht werden. Wenn die Verbindungsdicke kleiner gemacht wird, kann weiter eine Menge des verwendeten Verbindungsmaterials reduziert werden, und deshalb können die Materialkosten reduziert werden.
  • Ferner enthält die Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein isolierendes oder leitfähiges Substrat; ein an eine Oberfläche des Substrats (z. B. isolierenden Substrats 3) gebondetes Halbleiterelement 1; und ein sinterbares Verbindungsmaterial 2, das das Substrat und eine einem Bonden zu unterziehende Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements 1 aneinander bondet. Das Verbindungsmaterial 2 ist das gesinterte Material, wenn die Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements mit dem Verbindungsmaterial 2 in Druckkontakt gebracht wird, und das Verbindungsmaterial steht in Draufsicht nicht von der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements 1 nach außen vor.
  • Da das gesinterte Verbindungsmaterial 2 nicht um das Halbleiterelement 1 vorsteht, tritt demgemäß kein solcher Fall ein, dass das vorstehende Verbindungsmaterial 2 abfällt und einen Kurzschluss einer Verdrahtung verursacht. Als Ergebnis ist es möglich, die Qualität und die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung zu verbessern.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • (Aufbau)
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleitermoduls, welches eine Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel enthält und welches auf eine elektronische Vorrichtung angewendet wird, die in einer Hochtemperaturumgebung verwendet wird. Die Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel enthält ein leitfähiges Substrat 5, ein an das leitfähige Substrat 5 gebondetes Halbleiterelement 1, und ein sinterbares Verbindungsmaterial 2, welches das leitfähige Substrat 5 und das Halbleiterelement 1 aneinander bondet. Man beachte, dass das leitfähige Substrat 5 eine metallische Platte ist.
  • Eine hintere Oberfläche (d. h. eine Oberfläche gegenüber einer Oberfläche, an die das Halbleiterelement 1 gebondet werden soll) des leitfähigen Substrats 5 ist an einer isolierenden Metallschicht 6 mit einer isolierenden Folie an einer unteren Oberfläche davon angebracht.
  • Wie in 3 veranschaulicht, ist eine Elektrode 9 an einem Ende des leitfähigen Substrats 5 vorgesehen. Außerdem ist eine Elektrode 9 an der anderen Stirnseite des leitfähigen Substrats 5 mittels eines Drahtes 7 mit einer Oberseitenelektrode des Halbleiterelements 1 verbunden.
  • Das leitfähige Substrat 5, das Halbleiterelement 1, das Verbindungsmaterial 2, die isolierende Metallschicht 6 und der Draht 7 sind durch ein Dichtungsmaterial 10 mit einem Epoxidharz als Hauptkomponente vergossen. Man beachte, dass ein Teil der unteren Oberfläche der isolierenden Metallschicht 6 und der Elektrode 9 aus dem Dichtungsmaterial 10 nach außen freiliegen. Man beachte, dass die Elektrode 9 durch eine Verdrahtung extern mit einem Motor, einer Batterie und einem Kabelbaum verbunden ist. Nachfolgend wird jede Komponente in mehr Einzelheiten beschrieben.
  • In der Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird z. B. ein Paar eines IGBT und einer Diode als Halbleiterelement 1 an das leitfähige Substrat 5 gebondet. Der IGBT als das Halbleiterelement 1 hat eine Kollektorelektrode als eine Rückseitenelektrode und eine Gateelektrode und eine Emitterelektrode als Oberseitenelektroden. In dem IGBT sind ein Eingang von außen (Ein-/Ausschalt-Steuerung) und eine externe Steuerung mittels der Elektroden 9 gemacht. Man beachte, dass das Halbleiterelement 1 nicht auf den IGBT beschränkt ist, sondern auch ein MOSFET, ein Transistor oder dergleichen verwendet werden können. Ferner ist das Halbleiterelement 1 nicht auf solche beschränkt, die Si als Material verwenden, sondern kann auch ein MOSFET, eine Diode oder dergleichen sein, die z. B. SiC oder GaN als Material verwenden. Man beachte, dass die Oberseitenelektrode und die Rückseitenelektrode des Halbleiterelements 1 mit einer Metallisierung mittels Ti-Ni-Au oder Ag behandelt werden.
  • Die Rückseitenelektrode (z. B. Kollektorelektrode) des Halbleiterelements 1 und das leitfähige Substrat 5 werden mittels des Verbindungsmaterials 2 elektrisch miteinander verbunden. Das leitfähige Substrat 5 ist eine Metallplatte aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer thermischen Leitfähigkeit von etwa 400 W/(m·K) und mit einem elektrischen Widerstand von nur etwa 2 µΩ·cm. Das leitfähige Substrat 5 hat eine Dicke von etwa 3 bis 5 mm und dient als Kühlerplatte.
  • Ein Ende des leitfähigen Substrats 5 erstreckt sich aus dem Dichtungsmaterial 10 heraus und ist als die Elektrode 9 ausgebildet. Das Halbleiterelement 1 wie beispielsweise der oben beschriebene MOSFET oder IGBT hat einen großen Wärmewert, um eine Schaltsteuerung eines großen Stroms durchzuführen. Deshalb ist es notwendig, das leitfähige Substrat 5 vorzusehen, das als Kühlerplatte mit einer derart hohen thermischen Leitfähigkeit funktioniert.
  • Die isolierende Metallschicht 6, die an der hinteren Oberfläche des leitfähigen Substrats 5 anhaftet, hat eine Schichtstruktur einer isolierenden Schicht und einer metallischen Schutzschicht. Ein Epoxidharz, das mit einem Füllmaterial wie beispielsweise Bornitrid oder Aluminiumoxid gemischt ist, wird für die isolierende Schicht verwendet. Die metallische Schutzschicht aus Kupfer, Aluminiumoxid oder dergleichen mit hoher thermischer Leitfähigkeit haftet an der isolierenden Schicht an. Obwohl in 3 nicht dargestellt, ist mit der isolierenden Metallschicht 6 eine Wärmeabstrahlplatte, eine mit mehreren Rippen versehene Wärmesenke, wassergekühlte Rippen oder dergleichen verbunden.
  • Durch einen Betrieb des Halbleiterelements 1 erzeugte Wärme wird durch das leitfähige Substrat 5 und die isolierende Metallschicht 6 transportiert und z. B. durch eine mit der isolierenden Metallschicht 6 verbundene Kühlerplatte (nicht dargestellt) weiter nach außen abgestrahlt. Auf diese Weise wird ein Temperaturanstieg des Halbleiterelements 1 unterdrückt.
  • Man beachte, dass, obwohl die Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel die isolierende Metallschicht 6 enthält, auch eine solche Ausgestaltung angewendet werden kann, bei der die isolierende Metallschicht 6 nicht vorgesehen ist und die hintere Oberfläche des leitfähigen Substrats 5 freiliegt. Außerdem kann eine solche Konfiguration eingesetzt werden, bei welcher das im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene isolierende Substrat 3 (z. B. ein Keramiksubstrat aus Aluminiumnitrid) anstelle des leitfähigen Substrats 5 und der isolierenden Metallschicht 6 vorgesehen ist.
  • Die Oberseitenelektrode (Gateelektrode) des Halbleiterelements 1 als IGBT ist mittels des Drahtes 7 mit der Elektrode 9 verbunden, und die andere Oberseitenelektrode (Emitterelektrode) des Halbleiterelements 1 ist durch den Draht 7 mit der Oberseitenelektrode des Halbleiterelements 1 als daneben angeordnete Diode verbunden. Die Rückseitenelektrode (Kollektorelektrode) des Halbleiterelements 1 ist durch das leitfähige Substrat 5 und die Elektrode 9 mit einem externen Anschluss elektrisch verbunden.
  • Die Elektrode 9 ist durch Biegen einer flachen Platte mit einem Stempel gebildet. Die flache Platte hat eine Dicke von etwa 0,5 bis 2 mm und die flache Platte ist aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gemacht. Im Allgemeinen ist eine Drahtverbindung von einer Oberfläche des Halbleiterelements 1 zu einer externen Elektrode durch ein Drahtbonden unter Verwendung des Drahts 7 aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium und durch Festphasenbonden gemacht. Die Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel soll eine Schaltsteuerung eines großen Stroms durchführen und einen großen Strom als Betriebsstrom fließen lassen. Deshalb sind mehrere Drähte 7 parallel angeordnet und ein dicker Metalldraht mit einem Durchmesser von etwa 300 bis 500 µm wird als Draht 7 verwendet.
  • Ferner steht wie im ersten Ausführungsbeispiel in einem Verbindungsabschnitt zwischen jedem der Halbleiterelemente 1 und dem leitfähigen Substrat 5 das Verbindungsmaterial 2 in Draufsicht nicht von einer dem Bonden an das Halbleiterelement 1 zu unterziehenden Verbindungsoberfläche nach außen vor. Man beachte, dass in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die dem Bonden des Halbleiterelements 1 zu unterziehende Verbindungsoberfläche eine untere Oberfläche des Halbleiterelements 1 ist. Insbesondere beträgt z. B. eine Seitenlänge der unteren Oberfläche des Halbleiterelements 1 4 mm bis 18 mm.
  • (Herstellungsverfahren)
  • Zuerst wird das leitfähige Substrat 5 mit einer Größe von 10 mm × 80 mm × 3 mm vorbereitet. 4 ist eine Draufsicht des leitfähigen Substrats 5. Als nächstes wird das sinterbare Verbindungsmaterial 2 in Pastenform in einem Verbindungsbereich 5a auf einer oberen Oberfläche des leitfähigen Substrats 5 angeordnet. Das Verbindungsmaterial 2 hat die gleiche Beschaffenheit wie das in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschriebene Verbindungsmaterial. Eine Spritze wird mit dem Verbindungsmaterial 2 gefüllt, und das Verbindungsmaterial 2 wird aus der Spritze ausgestoßen, um den Verbindungsbereich 5a zu überdecken. D. h. der Verbindungsbereich 5a ist ein Bereich, in dem das Verbindungsmaterial 2 angeordnet wird. In 4 ist ein Bereich 5b ein Bereich, an dem eine Verbindungsoberfläche (die untere Oberfläche des Halbleiterelements 1 in diesem Ausführungsbeispiel) des Halbleiterelements 1 vorsteht. Das Verbindungsmaterial 2 ist in einer Mitte des Bereichs 5b angeordnet.
  • Als nächstes wird das Halbleiterelement 1 auf dem leitfähigen Substrat 5 so montiert, dass die untere Oberfläche des Halbleiterelements 1 den Bereich 5b überlappt. Hierbei wird der Verbindungsbereich 5b, in welchem das Verbindungsmaterial 2 angeordnet ist, von dem Bereich 5b nach innen positioniert. D. h. das Verbindungsmaterial 2 wird in dem Schritt des Anordnens des Verbindungsmaterials 2 von dem Bereich 5b nach innen angeordnet, was oben beschrieben worden ist.
  • Das Verbindungsmaterial 2 wird dann gesintert, während die Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements 1, das montiert worden ist, mit dem Verbindungsmaterial 2 in Druckkontakt gebracht wird. Der Prozess des Unterdrucksetzens und Heizens wird durch eine Warmpressvorrichtung durchgeführt. Die Erwärmungstemperatur liegt in einem Bereich von 180°C bis 350°C, eine Druckkraft liegt in einem Bereich von 5 MPa bis 30 MPa und dieser Zustand wird für 30 bis 180 Sekunden gehalten, um das Bonden durchzuführen. Durch diesen Prozess des Unterdrucksetzens und Heizens werden das isolierende Substrat 3 und das Halbleiterelement 1 durch das Verbindungsmaterial 2 aneinander gebondet. Man beachte, dass in dem Schritt zum Durchführen des Prozesses des Heizens und Unterdrucksetzens durch die Warmpressvorrichtung auch mehrere leitfähige Substrate 5 gemeinsam verarbeitet werden können.
  • Während des Unterdrucksetzens verteilt sich das Verbindungsmaterial 2 in Pastenform von einer Aufbringstelle (Verbindungsbereich 5a) als Mitte zwischen der unteren Oberfläche des Halbleiterelements 1 und dem leitfähigen Substrat 5 mit einer Aufbringstelle (Verbindungsbereich 5a) als Mitte. Man beachte, dass eine Beschichtungsmenge des Verbindungsmaterials 2 eine Beschichtungsmenge ist, bei welcher das Verbindungsmaterial 2 während des Unterdrucksetzens nicht von der unteren Oberfläche (d. h. dem Bereich 5b) des Halbleiterelements 1 vorsteht. Eine Dicke des Verbindungsmaterials nach dem Bonden, d. h. nach dem Erwärmen und Unterdrucksetzen, beträgt etwa 20 bis 200 µm.
  • Wie oben beschrieben, können die zwei in 3 gezeigten Halbleiterelemente 1 durch die Warmpressvorrichtung gleichzeitig gebondet werden. Nicht nur zwei, sondern auch mehrere Halbleiterelemente 1 können gemeinsam erwärmt und unter Druck gesetzt sowie gleichzeitig gebondet werden, was hinsichtlich Produktivität exzellent ist.
  • Als nächstes werden die Oberseitenelektrode des Halbleiterelements 1 und eine Oberseitenelektrode eines weiteren Halbleiterelements 1 oder die Oberseitenelektrode des Halbleiterelements 1 und die Elektrode 9 durch Verdrahten mittels des Drahtes 7 aus z. B. Al mittels Keilbondens miteinander verbunden.
  • Dann werden schließlich das leitfähige Substrat 5, das Halbleiterelement 1, das Verbindungsmaterial 2 und der Draht 7 durch das Dichtungsmaterial 10 mit dem Epoxidharz als Hauptkomponente durch ein Pressspritzformverfahren vergossen. In diesem Fall haftet die isolierende Metallschicht 6 an dem leitfähigen Substrat 5 an.
  • Durch das Herstellungsverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, das Bonden bei einer Temperatur (180°C bis 350°C) niedriger als eine Schmelzpunkttemperatur des Volumenmaterials durchzuführen und ein hochqualitatives Bonden mit einer Wärmebeständigkeit bis zum Schmelzpunkt des Volumenmaterials zu erhalten. Als Ergebnis ist es möglich, eine Halbleitervorrichtung zu erhalten, die bei einer hohen Temperatur arbeiten kann, und eine hohe Zuverlässigkeit hat.
  • (Vorteile)
  • Im Schritt des Anordnens eines sinterbaren Verbindungsmaterials 2 in einem Verbindungsbereich 5a einer Hauptoberfläche des Substrats (d. h. des leitfähiges Substrat 5) im Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das Verbindungsmaterial 2 durch Ausstoßen aus einer Spritze angeordnet.
  • Demgemäß wird beim Durchführen des Bondens das Halbleiterelement 1 erwärmt, während das leitfähige Substrat 5 unter Druck gesetzt wird. Deshalb wird durch Anordnen des Verbindungsmaterials 2 in einer Mitte eines Bereichs, in dem das Halbleiterelement 1 angeordnet wird, das Verbindungsmaterial 2 unter Druck gesetzt und verteilt sich im Wesentlichen in einer konzentrischen Weise. Aus diesem Grund ist es möglich, das Bonden durchzuführen, selbst wenn das Verbindungsmaterial 2 mittels einer Spritze angeordnet wird.

Claims (12)

  1. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung, mit den Schritten: (a) Vorbereiten eines isolierenden oder leitfähigen Substrats und wenigstens eines Halbleiterelements (1), das eine Elektrode als eine Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) auf einer Seite des Halbleiterelements (1) aufweist; (b) Anordnen eines sinterbaren Verbindungsmaterials (2) in wenigstens einem Verbindungsbereich (3a) einer Hauptoberfläche des Substrats; und (c) Sintern des Verbindungsmaterials (2), während die Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) mit dem Verbindungsmaterial (2) in Druckkontakt gebracht wird, um das Substrat und das Halbleiterelement (1) zu bonden, wobei die Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) eine äußere Kante aufweist, das Verbindungsmaterial (2), das in Schritt (b) vor dem Sintern in dem Verbindungsbereich (3a) angeordnet wird, in Draufsicht von der äußeren Kante der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) ausgehend nach innen positioniert wird, und das Verbindungsmaterial (2) selbst nach dem Schritt (c) in Draufsicht von der äußeren Kante der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) ausgehend um 30 bis 200 µm nach innen positioniert ist.
  2. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt (c) das Verbindungsmaterial (2) ein leitfähiges Metall mit Ag, Cu, Pd oder Au als Hauptkomponente ist.
  3. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) das Verbindungsmaterial (2) Metallpartikel mit einem Durchmesser größer gleich 1 nm und kleiner gleich 10 µm aufweist.
  4. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) das Verbindungsmaterial (2) in einer Pastenform vorliegt.
  5. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) das Verbindungsmaterial (2) durch Drucken angeordnet wird.
  6. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) das Verbindungsmaterial (2) durch Ausstoßen aus einer Spritze angeordnet wird.
  7. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) ein sinterbares Verbindungsmaterial (2) in mehreren Verbindungsbereichen (3a) einer Hauptoberfläche des Substrats angeordnet wird, und in Schritt (c) zu bondende Verbindungsoberflächen mehrerer Halbleiterelemente (1) mit dem Verbindungsmaterial (2) in Druckkontakt gebracht wird und die Halbleiterelemente (1) in den jeweiligen Verbindungsbereichen (3a) gebondet werden.
  8. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt (c) eine Dicke des Verbindungsmaterials (2), das gesintert worden ist, 1.000 µm oder weniger beträgt.
  9. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement (1) eine Oberseitenelektrode aufweist, die Oberseitenelektrode auf einer Seite des Halbleiterelements (1) gegenüber der einen Seite vorhanden ist, und das Verfahren ferner einen Schritt (d) aufweist, in dem ein Draht (7) mit der Oberseitenelektrode des Halbleiterelements (1) verbunden wird.
  10. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (c) das Verbindungsmaterial (2), das zwischen dem Substrat und der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) in Druckkontakt gebracht wird, sich vom Verbindungsbereich (3a) nach außen ausbreitet.
  11. Halbleitervorrichtung, aufweisend: ein isolierendes oder leitfähiges Substrat (3, 5); ein Halbleiterelement (1), das eine Elektrode als eine Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) auf einer Seite des Halbleiterelements (1) aufweist und auf eine Oberfläche des Substrats gebondet ist; ein sinterbares Verbindungsmaterial (2), welches die Verbindung des Substrats mit dem Halbleiterelement (1) ausbildet, wobei die Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) eine äußere Kante aufweist, und das Verbindungsmaterial (2) in Draufsicht von der äußeren Kante der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements (1) ausgehend um 30 bis 200 µm nach innen positioniert ist.
  12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement (1) eine Oberseitenelektrode aufweist, die Oberseitenelektrode auf einer Seite des Halbleiterelements (1) gegenüber der einen Seite vorhanden ist, und die Halbleitervorrichtung ferner einen Draht (7) aufweist, der mit der Oberseitenelektrode des Halbleiterelements (1) verbunden ist.
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