DE102016015994B3 - semiconductor device - Google Patents

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Abstract

Eine Halbleiter-Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiter-Vorrichtung werden angegeben, wobei verhindert wird, dass eine Schicht (14) aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel aus einem Bereich zwischen einem Halbleiter-Modul und einem Kühlkörper (15) herausgedrückt wird, wenn das Halbleiter-Modul einem Wärmezyklus wiederholt unterliegt. Die Halbleiter-Vorrichtung weist ein Halbleiter-Modul auf, das Folgendes aufweist: eine metallische Platte (8) auf einer Montage-Seite; einen Kühlkörper (15) zur Wärmeabstrahlung; sowie eine thermisch leitfähige Schicht (14), die ein erstes Füllmaterial enthält und zwischen der metallischen Platte (8) und dem Kühlkörper (15) angeordnet ist, um die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen. Die thermisch leitfähige Schicht (14) weist ein zweites Füllmaterial (14a) in einem mittleren Bereich einer Montage-Seite zwischen der metallischen Platte (8) und dem Kühlkörper (15) auf. Das zweite Füllmaterial (14a) weist einen Korndurchmesser auf, der größer als der des ersten Füllmaterials ist, und weist einen Korndurchmesser auf, der kleiner als die Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht (14) ist.A semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device are provided, wherein a layer (14) of a thermally conductive lubricant is prevented from being pushed out from a region between a semiconductor module and a heat sink (15) when the Semiconductor module is repeatedly subjected to a heat cycle. The semiconductor device includes a semiconductor module including: a metal plate (8) on a mounting side; a heat sink (15) for heat radiation; and a thermally conductive layer (14) containing a first filler material and interposed between the metallic plate (8) and the heatsink (15) to increase thermal conductivity. The thermally conductive layer (14) has a second filling material (14a) in a middle portion of a mounting face between the metal plate (8) and the heatsink (15). The second filler (14a) has a grain diameter larger than that of the first filler and has a grain diameter smaller than the layer thickness of the thermally conductive layer (14).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the Invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Vorrichtung, die auf einem Kühlkörper montiert ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleiter-Vorrichtung.The present invention relates to a semiconductor device mounted on a heat sink and a method of manufacturing such a semiconductor device.

2. Beschreibung des Standes der Technik2. Description of the Prior Art

In den letzten Jahren weist ein Halbleiter-Modul mit einem darauf montierten Halbleiter-Chip entsprechend der Zunahme der elektrischen Energie, die mit Steigerungen von Funktion und Leistungsfähigkeit verknüpft ist, eine beachtliche Zunahme des Wärmewertes oder einen beachtlichen Anstieg der Wärmedichte durch einen Miniaturisierungsprozess auf. Daher haben die Arten von Halbleiter-Vorrichtungen zugenommen, die eine Wärmeabstrahlungs- oder Wärmeabführungs-Einheit erfordern.In recent years, a semiconductor module with a semiconductor chip mounted thereon shows a remarkable increase in calorific value or a remarkable increase in heat density through a miniaturization process in accordance with the increase in electric power associated with increases in function and performance. Therefore, the types of semiconductor devices that require a heat radiation or heat dissipation unit have increased.

Um die Wärme, die erzeugt wird, wenn ein derartiges Halbleiter-Modul in Betrieb ist, effizient zu einem Kühlkörper zu transferieren, der eine Wärmeabstrahlungs-Einheit ist, und diese in den Außenraum der Baugruppe freizusetzen, welche die Halbleiter-Vorrichtung aufweist, ist es notwendig, den thermischen Widerstand zwischen dem Halbleiter-Modul und dem Kühlkörper auf ein niedriges Niveau zu drücken.In order to efficiently transfer the heat generated when such a semiconductor module is in operation to a heat sink, which is a heat radiating unit, and release it to the exterior of the package including the semiconductor device, it is necessary to reduce the thermal resistance between the semiconductor module and the heat sink to a low level.

Als eine Einrichtung, um den thermischen Widerstand zwischen dem Halbleiter-Modul und dem Kühlkörper auf ein niedriges Niveau zu drücken, ist es bekannt, dass eine Schicht, die ein thermisch leitfähiges Schmiermittel verwendet (im Folgenden als eine thermisch leitfähige Schicht oder eine Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel bezeichnet), zwischen dem Halbleiter-Modul und dem Kühlkörper verwendet wird, wobei es ein Phänomen gibt, dass der thermische Widerstand der Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel während des Betriebes des Halbleiter-Moduls ansteigt, nachdem der Kühlkörper an dem Halbleiter-Modul montiert worden ist. Dies wird durch das Auftreten eines mit dem Betrieb des Halbleiter-Moduls verknüpften Wärmezyklus verursacht.As a means of suppressing the thermal resistance between the semiconductor module and the heat sink to a low level, it is known that a layer using a thermally conductive lubricant (hereinafter referred to as a thermally conductive layer or a layer of a thermally conductive grease) is used between the semiconductor module and the heatsink, there is a phenomenon that the thermal resistance of the thermally conductive grease layer increases during the operation of the semiconductor module after the heatsink is attached to the semiconductor module has been installed. This is caused by the occurrence of a thermal cycle associated with the operation of the semiconductor module.

Die Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel wird durch die Verringerung der Viskosität durch die Wärme, die erzeugt wird, wenn das Halbleiter-Modul erwärmt wird, in höherem Maße fluid, wobei dadurch ein Verziehen in dem Halbleiter-Modul auftritt, und sie wird leicht aus einem Bereich zwischen dem Halbleiter-Modul und dem Kühlkörper herausgedrückt.The layer of a thermally conductive lubricant becomes more fluid by the reduction in viscosity by the heat generated when the semiconductor module is heated, thereby warping occurs in the semiconductor module, and it becomes easily off pressed out of an area between the semiconductor module and the heat sink.

Andererseits wird die Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel in geringerem Maße fluid, während sie abgekühlt wird, wenn das Verziehen des Halbleiter-Moduls zurückgeht. Daher wird es schwierig für die Schicht aus dem thermisch leitfähigen Schmiermittel, dem Umkehrvorgang des Verziehens des Halbleiter-Moduls zu folgen, und daher geschieht es leicht, dass Luft zwischen dem Modul und dem Kühlkörper eingeschlossen wird.On the other hand, the layer of a thermally conductive lubricant becomes less fluid while being cooled as warping of the semiconductor module decreases. Therefore, it becomes difficult for the thermally conductive lubricant layer to follow the reverse process of warping of the semiconductor module, and hence air is liable to be trapped between the module and the heat sink.

Dies wird unter Bezugnahme auf die 11A und 11B beschrieben. Diese Halbleiter-Vorrichtung verwendet ein Halbleiter-Modul vom Gehäuse-Typ. Dieses Halbleiter-Modul M vom Gehäuse-Typ weist Folgendes auf: eine metallische Basisplatte 13, eine Mehrzahl von DBC-Keramik-Substraten 12 (Direct Bonding Copper, direkt bondendes Kupfer), die durch eine Substrat-Bondverbindung 5 mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit an der metallischen Basisplatte 13 montiert sind, eine Mehrzahl von Leistungs-Halbleiterchips 4, die jeweils an den DBC-Keramik-Substraten 12 montiert sind, sowie einen Bondingdraht 3, der die Leistungs-Halbleiterchips 4 verbindet.This is with reference to the 11A and 11B described. This semiconductor device uses a package type semiconductor module. This package type semiconductor module M comprises: a metal base plate 13, a plurality of DBC (Direct Bonding Copper) ceramic substrates 12 bonded by a substrate bonding compound 5 having a high thermal conductivity of the metal base plate 13, a plurality of power semiconductor chips 4 mounted on the DBC ceramic substrates 12, respectively, and a bonding wire 3 connecting the power semiconductor chips 4. FIG.

Dieses Halbleiter-Modul M vom Gehäuse-Typ weist des Weiteren Folgendes auf: einen Harz-Gehäuserahmen 10 auf der metallischen Basisplatte 13, der so angeordnet ist, dass er eine Fläche umschließt, auf der die Leistungs-Halbleiterchips 4 montiert sind, eine eingebettete Sammelschiene 9, die in dem Harz-Gehäuserahmen 10 eingebettet ist, für eine elektrische Verbindung mit dem Außenraum des Harz-Gehäuserahmens 10 sowie ein Silikon-Gel 11 zum Abdichten des Innenraums des Harz-Gehäuserahmens 10.This package-type semiconductor module M further includes: a resin package frame 10 on the metal base plate 13, which is arranged so as to enclose a surface on which the power semiconductor chips 4 are mounted, an embedded bus bar 9 embedded in the resin case frame 10 for electrical connection with the outside of the resin case frame 10, and a silicone gel 11 for sealing the inside of the resin case frame 10.

Für die Halbleiter-Vorrichtung ist eine Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel, die ein Füllmaterial enthält, zwischen der metallischen Basisplatte 13 und einem Kühlkörper 15 angeordnet, wobei die Wärme der Leistungs-Halbleiterchips 4 durch die metallische Basisplatte 13 und die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel hindurch zu dem Kühlkörper 15 in dem Außenraum des Halbleiter-Moduls M transferiert wird und in den Außenraum der Baugruppe der Halbleiter-Vorrichtung abgestrahlt wird.For the semiconductor device, a layer 14 of a thermally conductive lubricant containing a filler material is interposed between the metal base plate 13 and a heat sink 15, and the heat of the power semiconductor chips 4 is dissipated by the metal base plate 13 and the layer 14 of a thermally conductive lubricant through to the heat sink 15 in the exterior of the half conductor module M and is radiated to the outside of the package of the semiconductor device.

Vor dem Auftreten eines Wärmezyklus, der in 11A gezeigt ist, wird das Verziehen des Halbleiter-Moduls und der Umkehrvorgang in der Halbleiter-Vorrichtung durch den Wärmezyklus eines Kühl-Zustands gemäß 11A und eines erwärmten Zustands gemäß 11B wiederholt. Dies drückt die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel hinaus, wobei ein Herauspumpen von dazwischenliegender Luft auftritt.Before the occurrence of a thermal cycle that occurs in 11A As shown in FIG. 1, the warp of the semiconductor module and the reversing operation in the semiconductor device by the heat cycle become according to a cooling state 11A and according to a heated condition 11B repeated. This pushes out the layer 14 of thermally conductive lubricant with pumping out of intervening air.

Was das nunmehr verfügbare thermisch leitfähige Schmiermittel betrifft, ist ein Schmiermittel kommerziell erhältlich, das eine thermische Leitfähigkeit von 3,0 W/m*K übersteigt. Andererseits beträgt die thermische Leitfähigkeit von Luft 0,024 W/m*K, was extrem niedrig ist, so dass der Wärmewiderstand beachtlich ansteigt, wenn das Herauspumpen auftritt.As for the thermally conductive lubricant now available, a lubricant exceeding a thermal conductivity of 3.0 W/m*K is commercially available. On the other hand, the thermal conductivity of air is 0.024 W/m*K, which is extremely low, so that the thermal resistance increases considerably when pumping out occurs.

Als ein Verfahren zum Steuern dieses Herauspumpens gibt es eine Technologie zum Ausbilden eines Vorsprungs mit einem hohen thermischen Leitvermögen auf einem Kühlkörper, z.B. mittels Drucken und Härten einer metallischen Paste, wie in der Japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2008-306 010 A beschrieben (im Folgenden als Patentdokument 1 bezeichnet).As a method for controlling this pumping out, there is a technology of forming a protrusion having a high thermal conductivity on a heat sink by means of, for example, printing and curing a metallic paste, as in Japanese Patent Application Laid-Open JP 2008-306 010 A (hereinafter referred to as Patent Document 1).

Das vorstehend vermerkte Patentdokument 1 bildet jedoch einen Vorsprung z.B. durch Drucken und Sintern einer metallischen Paste, so dass diese den Prozess des Aufbringens des Schmiermittels an einen Ort durchlaufen muss, an dem konkave und konvexe Bereiche ausgebildet sind, was dazu führt, dass das Fertigungsverfahren komplex wird.However, Patent Document 1 noted above forms a protrusion by, for example, printing and sintering a metallic paste, so it must go through the process of applying the lubricant to a place where concave and convex portions are formed, resulting in the manufacturing process being complex becomes.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung wurde realisiert, um derartige Probleme, wie vorstehend angemerkt, zu berücksichtigen, und ihre Aufgabe besteht darin, eine Halbleiter-Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiter-Vorrichtung anzugeben, wobei verhindert wird, dass die Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel aus einem Bereich zwischen dem Halbleiter-Modul und dem Kühlkörper herausgedrückt wird, während das Halbleiter-Modul den Wärmezyklus wiederholt durchläuft, so dass der Anstieg des Wärmewiderstands aufgrund von dazwischenliegender Luft unterbunden wird.The present invention has been accomplished to address such problems as noted above, and its object is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, wherein the layer of a thermally conductive lubricant is prevented from being smeared is squeezed out from a region between the semiconductor module and the heat sink while the semiconductor module repeatedly undergoes the heat cycle, so that the increase in thermal resistance due to air intervening is suppressed.

Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, weist eine Halbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung Folgendes auf:

  • ein Halbleiter-Modul mit einer metallischen Platte an einer Montage-Seite;
  • einen Kühlkörper zur Wärmeabstrahlung; und
  • eine thermisch leitfähige Schicht, die ein erstes Füllmaterial enthält und zwischen der metallischen Platte und dem Kühlkörper angeordnet ist, um die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen,
  • wobei die thermisch leitfähige Schicht ein zweites Füllmaterial in einem mittleren Bereich einer Montage-Seite zwischen der metallischen Platte und dem Kühlkörper aufweist, wobei das zweite Füllmaterial einen Korndurchmesser aufweist, der größer als der des ersten Füllmaterials ist, und einen Korndurchmesser aufweist, der kleiner als die Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht ist.
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes:
  • a semiconductor module having a metal plate on a mounting side;
  • a heat sink for heat radiation; and
  • a thermally conductive layer containing a first filler material disposed between the metallic plate and the heatsink to increase thermal conductivity,
  • wherein the thermally conductive layer has a second filler material in a central region of a mounting face between the metal plate and the heat sink, the second filler material having a grain diameter larger than that of the first filler material and having a grain diameter smaller than is the layer thickness of the thermally conductive layer.

Außerdem gibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Vorrichtung an, das Folgendes aufweist:

  • - Anordnen einer thermisch leitfähigen Schicht auf einer metallischen Platte eines Halbleiter-Moduls, wobei die metallische Platte eine Montage-Seite bildet;
  • - Hinzufügen eines zweiten Füllmaterials, das einen Korndurchmesser aufweist, der größer als der eines ersten Füllmaterials ist, das in der thermisch leitfähigen Schicht enthalten ist, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, und das einen Korndurchmesser aufweist, der kleiner als die Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht ist, in einem mittleren Bereich der Montage-Seite der thermisch leitfähigen Schicht; und
  • - Ausüben eines Drucks auf das zweite Füllmaterial, um es in die thermisch leitfähige Schicht einzubetten, in einem Zustand, in dem die thermisch leitfähige Schicht sandwichartig zwischen der metallischen Platte und dem Kühlkörper angeordnet ist.
In addition, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
  • - arranging a thermally conductive layer on a metal plate of a semiconductor module, the metal plate forming a mounting side;
  • - adding a second filler having a grain diameter larger than that of a first filler included in the thermally conductive layer to increase thermal conductivity and having a grain diameter smaller than the layer thickness of the thermally conductive layer is, in a central area of the mounting side of the thermally conductive layer; and
  • - applying pressure to the second filling material to embed it in the thermally conductive layer in a state where the thermally conductive layer is sandwiched between the metal plate and the heat sink.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Füllmaterial (ein zweites Füllmaterial), das in einem mittleren Bereich einer thermisch leitfähigen Schicht eingebettet ist, die zwischen dem Halbleiter-Modul und dem Kühlkörper angeordnet ist, einen Korndurchmesser auf, der größer als der eines Füllmaterials (eines ersten Füllmaterials) ist, das von Anfang an in der thermisch leitfähigen Schicht enthalten ist, und der kleiner als die Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht ist, so dass verhindert wird, dass die Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel aus einem Bereich zwischen dem Halbleiter-Modul und dem Kühlkörper herausgedrückt wird. Dadurch kann ein komplexer Fertigungsprozess, bei dem eine Schmiermittelschicht auf einen Vorsprung aufgebracht wird, der mittels Drucken der metallischen Paste, Sintern etc. gebildet wird, eliminiert werden.According to the present invention, a filler (a second filler) embedded in a central portion of a thermally conductive layer interposed between the semiconductor module and the heat sink has a grain diameter larger than that of a filler (a first Filling material) contained in the thermally conductive layer from the beginning and which is smaller than the layer thickness of the thermally conductive layer, so that the layer of a thermally conductive lubricant is prevented from a region between the semiconductor module and pushed out of the heatsink. Thereby, a complex manufacturing process in which a lubricant layer is applied to a protrusion formed by metallic paste printing, sintering, etc. can be eliminated.

Figurenlistecharacter list

In den begleitenden Zeichnungen sind:

  • 1 eine Querschnittsansicht einer Halbleiter-Vorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, die ein Halbleiter-Modul vom Form-Typ verwendet;
  • 2A bis 2D Querschnittsansichten, die Herstellungsprozesse für die Halbleiter-Vorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigen;
  • 3 eine schematische perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für einen Prozess gemäß der jeweiligen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem ein Füllmaterial zu der Halbleiter-Vorrichtung hinzugefügt wird;
  • 4 eine Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel für einen Prozess zeigt, bei dem bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ein Füllmaterial hinzugefügt wird;
  • 5 eine graphische Darstellung, die ein vergleichendes Beispiel für Wärmewiderstände nach dem Wärmezyklus (HC) bei Vorhandensein eines hinzugefügten Füllmaterials und bei Nicht-Vorhandensein des hinzugefügten Füllmaterials gemäß der Halbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • 6 eine Draufsicht, welche die Position eines Füllmaterials zeigt, das zusätzlich zu der Halbleiter-Vorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung hinzugefügt worden ist;
  • 7 eine Querschnittsansicht, die einen Montage-Aufbau der Halbleiter-Vorrichtung zeigt, den das Halbleiter-Modul vom Form-Typ gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung verwendet;
  • 8 eine Querschnittsansicht der Halbleiter-Vorrichtung, die ein Halbleiter-Modul vom Gehäuse-Typ gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung verwendet;
  • 9A bis 9D Querschnittsansichten, die Herstellungsprozesse für die Halbleiter-Vorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigen;
  • 10 eine Draufsicht, welche die Position eines Füllmaterials zeigt, das zusätzlich zu der Halbleiter-Vorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung hinzugefügt worden ist, und
  • 11A bis 11B Querschnittsansichten, die schematisch das Auftreten eines Verziehens durch Wärmezyklen in der herkömmlichen Halbleiter-Vorrichtung zeigen.
In the accompanying drawings are:
  • 1 12 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention using a mold-type semiconductor module;
  • 2A until 2D Cross-sectional views showing manufacturing processes for the semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention;
  • 3 12 is a schematic perspective view showing an example of a process in which a filler is added to the semiconductor device according to each embodiment of the present invention;
  • 4 12 is a cross-sectional view showing another example of a process in which a filler is added in Embodiment 1 of the present invention;
  • 5 a graph showing a comparative example of thermal resistances after the heat cycle (HC) in the presence of an added filler and in the absence of the added filler according to the semiconductor device of the present invention,
  • 6 12 is a plan view showing the position of a filling material added in addition to the semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention;
  • 7 12 is a cross-sectional view showing a mounting structure of the semiconductor device that the mold-type semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention uses;
  • 8th 12 is a cross-sectional view of the semiconductor device using a package-type semiconductor module according to Embodiment 2 of the present invention;
  • 9A until 9D Cross-sectional views showing manufacturing processes for the semiconductor device according to Embodiment 2 of the present invention;
  • 10 12 is a plan view showing the position of a filling material added in addition to the semiconductor device according to Embodiment 2 of the present invention, and
  • 11A until 11B Cross-sectional views schematically showing the occurrence of thermal cycle warping in the conventional semiconductor device.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT

Im Folgenden werden die jeweiligen Ausführungsformen einer Halbleiter-Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.Hereinafter, the respective embodiments of a semiconductor device and a method of manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

Ausführungsform 1Embodiment 1

Halbleiter-Vorrichtungsemiconductor device

Eine Halbleiter-Vorrichtung gemäß Ausführungsform 1 weist ein Halbleiter-Modul M vom Form-Typ (zum Beispiel ein Inverter-Modul) auf, wie in 1 gezeigt. Dieses Halbleiter-Modul M vom Form-Typ besteht aus einer Mehrzahl von Leiterrahmen 1 (im Folgenden bisweilen durch die Singularform als ein Leiterrahmen dargestellt), einem Leistungs-Halbleiterchip 4, der über eine Substrat-Bondverbindung 5 mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit und elektrischen Leitfähigkeit an dem Leiterrahmen 1 montiert ist, sowie einem Bondingdraht 3, der die Leiterrahmen 1 verbindet.A semiconductor device according to Embodiment 1 includes a form-type semiconductor module M (for example, an inverter module) as shown in FIG 1 shown. This form-type semiconductor module M consists of a plurality of lead frames 1 (hereinafter sometimes represented by the singular form as a lead frame), a power semiconductor chip 4 bonded via a substrate bonding 5 having high thermal conductivity and electrical conductivity is mounted on the lead frame 1, and a bonding wire 3 connecting the lead frames 1.

Dieses Halbleiter-Modul M vom Form-Typ weist des Weiteren Folgendes auf: einen Verteiler 6 für die innere Wärme, der auf der Rückseite des Leiterrahmens 1 angeordnet ist, um die Funktion der Wärmeabstrahlung zu realisieren, einen thermisch leitfähigen Isolations-Flächenkörper 7, der auf der Rückseite des Verteilers 6 für die innere Wärme angeordnet ist, eine Kupferfolie (metallische Platte) 8, die auf der Rückseite des thermisch leitfähigen Isolations-Flächenkörpers 7 angeordnet ist, sowie ein Formharz 2, das einen Teil der Kupferfolie 8 und des Leiterrahmens 1 freilässt und die anderen vorstehend erwähnten Komponenten einformt oder abdichtet.This mold type semiconductor module M further comprises: an internal heat spreader 6 arranged on the back side of the lead frame 1 to realize the function of heat radiation, a thermally conductive insulating sheet 7 which arranged on the back of the internal heat spreader 6, a copper foil (metallic plate) 8 arranged on the back of the thermally conductive insulation sheet 7, and a molding resin 2 forming a part of the copper foil 8 and the lead frame 1 releases and molds or seals the other components mentioned above.

Die Halbleiter-Vorrichtung ist derart strukturiert, dass eine Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel (thermisch leitfähige Schicht) 14 zwischen der Kupferfolie 8 des Halbleiter-Moduls M und einem Kühlkörper 15 angeordnet ist, die Wärme des Leistungs-Halbleiterchips 4 durch den Verteiler 6 für die innere Wärme, den thermisch leitfähigen Isolations-Flächenkörper 7, die Kupferfolie 8 sowie die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel zu dem Kühlkörper 15 transferiert wird und die Wärme von dem Kühlkörper in den Außenraum der Baugruppe der Halbleiter-Vorrichtung abgestrahlt oder abgeführt wird.The semiconductor device is structured such that a thermally conductive lubricant layer (thermally conductive layer) 14 is interposed between the copper foil 8 of the semiconductor module M and a heat sink 15, the heat of the power semiconductor chip 4 through the distributor 6 for the internal heat, the thermally conductive insulation sheet 7, the copper foil 8, and the thermally conductive lubricant layer 14 is transferred to the heatsink 15, and the heat is radiated or dissipated from the heatsink to the outside of the package of the semiconductor device.

Die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthält von Anfang an ein Füllmaterial (ein erstes Füllmaterial; nicht gezeigt) und weist ein Füllmaterial (ein zweites Füllmaterial) 14a auf, das von außen hinzugefügt wird und das eingebettet wird. Das zweite Füllmaterial 14a weist einen Korndurchmesser auf, der kleiner als die Schichtdicke der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel ist und größer als der Korndurchmesser des ersten Füllmaterials ist, wobei es die Rolle einer tragenden Stütze spielt, so dass verhindert werden kann, dass die thermisch leitfähige Schicht zwischen dem Halbleiter-Modul und dem Kühlkörper herausgedrückt wird.The thermally conductive lubricant layer 14 contains a filler (a first filler; not shown) from the beginning and has a filler (a second filler) 14a that is added from the outside and that is embedded. The second filler 14a has a grain diameter smaller than the layer thickness of the thermally conductive lubricant layer 14 and larger than the grain diameter of the first filler, playing the role of a supporting support, so that the thermally conductive layer between the semiconductor module and the heat sink is pushed out.

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-VorrichtungProcess for manufacturing a semiconductor device

Die 2A bis 2D zeigen die folgenden Fertigungsprozesse (1) bis (4) für die Halbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die in 1 gezeigt ist:

  • (1) Herstellen eines auf dem Fachgebiet bekannten Halbleiter-Moduls M vom Form-Typ, ausgenommen die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel 14, das Füllmaterial 14a sowie der Kühlkörper 15 bei der in 1 gezeigten Halbleiter-Vorrichtung;
  • (2) Aufbringen der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel, die ein Füllmaterial (nicht gezeigt) enthält, auf der Kupferfolie 8 in dem Halbleiter-Modul M, d.h. der Montagefläche des Halbleiter-Moduls M;
  • (3) Hinzufügen des Füllmaterials 14a mit einem Korndurchmesser, der größer als der des Füllmaterials ist, das von Anfang an in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist, und der kleiner als die Schichtdicke der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel ist, in dem mittleren Bereich der Montagefläche der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel; und
  • (4) Montieren dieses Halbleiter-Moduls M an dem Kühlkörper 15 über die beschichtete Fläche aus der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel.
the 2A until 2D show the following manufacturing processes (1) to (4) for the semiconductor device according to the present invention shown in FIG 1 is shown:
  • (1) Manufacturing a mold-type semiconductor module M known in the art, excluding the layer 14 of a thermally conductive lubricant 14, the filler 14a, and the heat sink 15 in FIG 1 shown semiconductor device;
  • (2) applying the layer 14 of a thermally conductive lubricant containing a filler material (not shown) to the copper foil 8 in the semiconductor module M, ie the mounting surface of the semiconductor module M;
  • (3) Adding the filler 14a having a grain diameter larger than that of the filler contained in the thermally conductive lubricant layer 14 from the beginning and smaller than the layer thickness of the thermally conductive lubricant layer 14 , in the central area of the mounting surface of the layer 14 of a thermally conductive lubricant; and
  • (4) Mount this semiconductor module M on the heat sink 15 via the coated surface of the thermally conductive grease layer 14 .

Im Folgenden werden die vorstehenden Prozesse (1) bis (4) im Detail beschrieben:

  • (1) Zunächst einmal weist dieses Halbleiter-Modul M vom Form-Typ dieser Ausführungsform 1 Folgendes auf: die Leiterrahmen 1, den Leistungs-Halbleiterchip 4, der über die Substrat-Bondverbindung 5 mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit und elektrischen Leitfähigkeit an dem Leiterrahmen 1 montiert ist, sowie einen Bondingdraht 3, der die Leiterrahmen 1 verbindet.
The following describes the above processes (1) to (4) in detail:
  • (1) First of all, this mold-type semiconductor module M of this embodiment 1 has: the lead frames 1, the power semiconductor chip 4 bonded to the lead frame 1 via the substrate bonding 5 with high thermal conductivity and electrical conductivity is mounted, and a bonding wire 3, which connects the lead frame 1.

Das Halbleiter-Modul M vom Form-Typ weist außerdem Folgendes auf: einen Verteiler 6 für die innere Wärme, der auf der Rückseite des Leiterrahmens 1 angeordnet ist, um die Funktion einer Wärmeabstrahlung zu realisieren, einen thermisch leitfähigen Isolations-Flächenkörper 7, der auf der Rückseite des Verteilers 6 für die innere Wärme angeordnet ist, eine Kupferfolie 8, die auf der Rückseite des thermisch leitfähigen Isolations-Flächenkörpers 7 angeordnet ist, sowie ein Formharz 2, das einen Teil der Kupferfolie 8 und des Leiterrahmens 1 freilässt und die anderen Komponenten einformt.The mold-type semiconductor module M also includes: an internal heat spreader 6 arranged on the back side of the lead frame 1 to realize the function of heat radiation, a thermally conductive insulation sheet 7 having arranged on the back of the internal heat spreader 6, a copper foil 8 arranged on the back of the thermally conductive insulation sheet 7, and a molding resin 2 exposing a part of the copper foil 8 and the lead frame 1, and the other components molds.

Die Wärme des Leistungs-Halbleiterchips 4 wird durch den Verteiler 6 für die innere Wärme, den thermisch leitfähigen Isolations-Flächenkörper 7 sowie die Kupferfolie 8 in den Außenraum des Halbleiter-Moduls M abgestrahlt.The heat of the power semiconductor chip 4 is radiated to the outside of the semiconductor module M through the internal heat spreader 6 , the thermally conductive insulating sheet 7 , and the copper foil 8 .

(2) Die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel wird auf die Fläche (Montagefläche) aufgebracht, welche die Kupferfolie 8 des in dem vorstehenden Prozess (1) hergestellten Halbleiter-Moduls M freilässt. Das Aufbringen der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel wird in einem Zustand, in dem die Kupferfolie 8, deren Fläche zu beschichten ist, in der dargestellten Weise nach oben gerichtet ist, durch das Verwenden von Folgendem ausgeführt: eines Spachtels; eines Siebdruck-Prozesses mit einer Metallmaske oder einem Gitter; eines Beschichtens durch einen Schlitz; eines Beschichtens mit einer Stange oder dergleichen.(2) The thermally conductive lubricant layer 14 is applied to the surface (mounting surface) exposing the copper foil 8 of the semiconductor module M manufactured in the above process (1). The application of the thermally conductive lubricant layer 14 is carried out in a state where the copper foil 8, the surface of which is to be coated, faces upward as shown, by using: a spatula; a screen printing process with a metal mask or grid; coating through a slot; coating with a bar or the like.

Als ein Beispiel kann ein Siebdruck-Prozess unter Verwendung von einer Metallmaske mit einer Dicke von 50 µm ausgeführt werden, bei der quadratische Strukturen, die jeweils ein Quadrat von 9 mm aufweisen, mit einem Rastermaß von 10 mm angeordnet sind. Die vorstehend erwähnte Metallmasken-Struktur stellt lediglich ein Beispiel dar, so dass auch eine Struktur, wie beispielsweise eine Waben-Struktur, eine Diamant-Form oder dergleichen verwendet werden kann.As an example, a screen printing process can be performed using a metal mask with a thickness of 50 μm, in which square patterns each having a square of 9 mm are arranged at a pitch of 10 mm. The metal mask structure mentioned above is just an example, so a structure such as a honeycomb structure, a diamond shape or the like can also be used.

Es ist wirkungsvoll, wenn die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel eine geringere Schichtdicke aufweist, um den Wärmewiderstand niedrig zu halten, basierend auf der folgenden Gleichung (A). Thermischer Widerstand = ( Dicke/Fl a ¨ che ) / thermische Leitf a ¨ higkeit

Figure DE102016015994B3_0001
It is effective that the thermally conductive lubricant layer 14 has a smaller layer thickness to keep the heat resistance low based on the following equation (A). thermal resistance = ( thickness/bottle a ¨ che ) / thermal conductivity a ¨ ability
Figure DE102016015994B3_0001

Da die Bearbeitbarkeit und die Gleichmäßigkeit verschlechtert werden, wenn beim Drucken infolge einer übermäßigen Verringerung der Dicke Reibung verursacht wird, so wird die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel bevorzugt mit einer Dicke von 30 µm bis 300 µm aufgebracht. Insbesondere ist die Beschichtung mit einer Dicke von 30 µm bis 130 µm bevorzugt, um den Wärmewiderstand auf einen niedrigen Wert zu verringern.Since workability and uniformity are deteriorated when friction is caused in printing due to an excessive reduction in thickness, the thermally conductive lubricant layer 14 is preferably coated in a thickness of 30 µm to 300 µm. In particular, the coating having a thickness of 30 µm to 130 µm is preferable in order to reduce the heat resistance to a low level.

Für die thermisch leitfähige Schicht, die zwischen dem Halbleiter-Modul M und dem Kühlkörper 15 angeordnet ist, können außer der Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel ein Gel-Flächenkörper, ein Gummi-Flächenkörper, ein verstärktes Klebemittel etc. verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform wird aufgrund der öligen physischen Eigenschaft in erster Linie die Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel als thermisch leitfähige Schicht verwendet, um ein Herauspumpen zu verhindern.For the thermally conductive layer disposed between the semiconductor module M and the heat sink 15, a gel sheet, a rubber sheet, a reinforced adhesive, etc. can be used in addition to the thermally conductive lubricant layer. In this embodiment, the thermally conductive lubricant layer is primarily used as the thermally conductive layer to prevent pumping out because of the oily physical property.

Bei dem in 1 gezeigten Halbleiter-Modul M vom Form-Typ wird die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel zwischen der Kupferfolie 8 und dem Kühlkörper 15 aufgebracht. Dies bewirkt, dass die Wärme durch den Verteiler 6 für die innere Wärme → den thermisch leitfähigen Isolations-Flächenkörper 7 → die Kupferfolie 8 zu dem Kühlkörper 15 transferiert wird.At the in 1 In the mold-type semiconductor module M shown, the layer 14 of a thermally conductive lubricant is applied between the copper foil 8 and the heat sink 15. This causes the heat to be transferred to the heat sink 15 through the internal heat spreader 6 → the thermally conductive insulation sheet 7 → the copper foil 8 .

Die zu dem Kühlkörper 15 transferierte Wärme wird von dem Kühlkörper in den Außenraum der Baugruppe der Halbleiter-Vorrichtung abgestrahlt. Um die während des Betriebs des Halbleiter-Moduls M erzeugte Wärme effektiv zu dem Kühlkörper 15 zu transferieren und sie in den Außenraum der Halbleiter-Vorrichtung freizusetzen, ist es notwendig, den Wärmewiderstand zwischen dem Halbleiter-Modul M und dem Kühlkörper 15 auf ein niedriges Niveau zu verringern.The heat transferred to the heatsink 15 is radiated from the heatsink to the outside of the package of the semiconductor device. In order to effectively transfer the heat generated during the operation of the semiconductor module M to the heatsink 15 and release it to the exterior of the semiconductor device, it is necessary to reduce the thermal resistance between the semiconductor module M and the heatsink 15 to a low level to reduce.

Da der Wärmewiderstand durch die vorstehende Gleichung (A) ausgedrückt wird, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt werden, um den Wärmewiderstand auf einen niedrigen Wert zu drücken:

  1. (a) Erhöhen der Wärmeleitfähigkeit des Materials für ein Anhaften der Wärmeabstrahlungsfläche des Halbleiter-Moduls M an dem Kühlkörper 15,
  2. (b) Erweitern der Wärmeabstrahlungsfläche des Halbleiter-Moduls M und
  3. (c) Verkürzen des Abstands zwischen der Abstrahlungsfläche des Halbleiter-Moduls M und des Kühlkörpers 15, wobei das thermisch leitfähige Schmiermittel häufig als ein Material verwendet wird, das die vorstehenden Bedingungen (a) bis (c) erfüllt.
Since the thermal resistance is expressed by the above equation (A), the following conditions must be satisfied in order to suppress the thermal resistance to a low value:
  1. (a) increasing the thermal conductivity of the material for adhering the heat radiation surface of the semiconductor module M to the heat sink 15,
  2. (b) expanding the heat radiation area of the semiconductor module M and
  3. (c) Shortening the distance between the radiating surface of the semiconductor module M and the heat sink 15, wherein the thermally conductive lubricant is often used as a material that satisfies the above conditions (a) to (c).

Die Bedingung (b) ist nicht zwangsläufig realistisch, da die Abmessung des Halbleiter-Moduls M zunimmt. Und zwar ist es notwendig, die Wärmeleitfähigkeit der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel zu erhöhen und die Schichtdicke der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel zu verringern, um den Wärmewiderstand für einen effektiven Transfer der Wärme auf einen niedrigen Wert zu reduzieren.The condition (b) is not necessarily realistic as the size of the semiconductor module M increases. Namely, it is necessary to increase the thermal conductivity of the thermally conductive lubricant layer 14 and to decrease the layer thickness of the thermally conductive lubricant layer 14 in order to reduce the thermal resistance to a low value for effective heat transfer.

Die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel besteht aus verschiedenen Additiven, wie beispielsweise einem Basis-Öl, einem Füllmaterial (dem ersten Füllmaterial), Antioxidationsmitteln etc. Für das Basis-Öl wird ein flüssiger Kohlenwasserstoff, ein Silikon-Öl oder ein Fluor-Öl etc. verwendet. Für das Füllmaterial wird Folgendes verwendet: ein Oxid, wie beispielsweise Zinkoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumoxid; ein Nitrid, wie beispielsweise Bornitrid und Aluminiumnitrid; sowie ein Metallpulver, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer, die hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit ausgezeichnet sind.The thermally conductive lubricant layer 14 consists of various additives such as a base oil, a filler (the first filler), antioxidants, etc. For the base oil, a liquid hydrocarbon, a silicone oil or a fluorine oil is used etc used. For the filler, the following are used: an oxide such as zinc oxide, magnesium oxide and aluminum oxide; a nitride such as boron nitride and aluminum nitride; and a metal powder such as aluminum or copper, which are excellent in thermal conductivity.

Was die thermische Leitfähigkeit betrifft, beträgt sie für Zinkoxid 25 W/m*K, für Magnesiumoxid 60 W/m*K, für Aluminiumoxid 32 W/m*K, für Bornitrid 60 W/m*K, für Aluminiumnitrid 150 W/m*K, für Aluminium 236 W/m*K beziehungsweise für Kupfer 400 W/m*K. Die thermischen Leitfähigkeiten für flüssigen Kohlenwasserstoff, Silikon-Öl, Fluor-Öl und dergleichen, die das Basis-Öl darstellen, betragen 0,1 bis 0,4 W/m*K, während der Wert für Luft extrem niedrig bei 0,024 W/m*K liegt.As for thermal conductivity, zinc oxide is 25 W/m*K, magnesium oxide is 60 W/m*K, aluminum oxide is 32 W/m*K, boron nitride is 60 W/m*K, aluminum nitride is 150 W/m *K, for aluminum 236 W/m*K or for copper 400 W/m*K. The thermal conductivities for liquid hydrocarbon, silicone oil, fluorine oil and the like, which are the base oil, are 0.1 to 0.4 W/m*K, while that for air is extremely low at 0.024 W/m *K lies.

Wie aus den jeweiligen Werten der thermischen Leitfähigkeit ersichtlich, kann zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel eine Anzahl von Füllmaterialien mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit anstelle des Basis-Öls mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit hinzugefügt werden. Mit zunehmender Menge des Füllmaterials steigt jedoch die Viskosität an, so dass es schwierig wird, das thermisch leitfähige Schmiermittel ohne ein Einschließen von Luft, deren thermische Leitfähigkeit gering ist, dünn und gleichmäßig auf der Wärmeabstrahlungsfläche des Halbleiter-Moduls M oder des Kühlkörpers 15 aufzubringen.As can be seen from the respective thermal conductivity values, to increase the thermal conductivity of the thermally conductive lubricant layer 14, a number of filler materials having a high thermal conductivity can be added in place of the base oil having a low thermal conductivity. However, as the amount of the filler increases, the viscosity increases, making it difficult to apply the thermally conductive lubricant thinly and uniformly to the heat radiating surface of the semiconductor module M or the heat sink 15 without including air whose thermal conductivity is low.

Abgesehen von dem Hinzufügen einer Anzahl der Füllmaterialien können für die Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit verschiedene Arten von Füllmaterialien kombiniert werden, oder es können Füllmaterialien mit verschiedenen Korndurchmessern kombiniert werden, um das Füllmaterial minutiös und dicht einzubringen. Durch Kombinieren von Füllmaterialien mit großen Abmessungen mit jenen mit kleinen Abmessungen kann das Füllmaterial mit kleinen Abmessungen zwischen dem Füllmaterial mit großen Abmessungen eingebettet werden, so dass die Wärme effektiv transferiert werden kann.Besides adding a number of the fillers, various kinds of fillers can be combined to increase the thermal conductivity, or fillers with different grain diameters can be combined to pack the filler minutely and densely. By combining large-sized fillers with those of small-sized ones, the small-sized filler can be sandwiched between the large-sized filler, so that the heat can be transferred effectively.

Es ist anzumerken, dass der Korndurchmesser des Füllmaterials, das für die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel verwendet wird, 0,1 µm bis 50 µm beträgt, da die Gleichmäßigkeit der Dicke der aufgebrachten Schicht verschlechtert wird, wenn ein Füllmaterial mit großen Abmessungen hinzugefügt wird. Der vorstehende Bereich wird angewendet, auch wenn Füllmaterialien mit unterschiedlichen Abmessungen verwendet werden.It should be noted that the grain diameter of the filler used for the thermally conductive lubricant layer 14 is 0.1 µm to 50 µm because the thickness uniformity of the applied layer is deteriorated when a large-sized filler is added becomes. The above range is applied even when filling materials with different dimensions are used.

(3) Ein Füllmaterial (ein zweites Füllmaterial) 14a wird neu zu der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel hinzugefügt, die mittels des verstehenden Prozesses (1) aufgebracht worden ist. Für das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a kann Folgendes verwendet werden: ein Oxid, wie beispielsweise Zinkoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumoxid; ein Nitrid, wie beispielsweise Bornitrid und Aluminiumnitrid; und ein Metallpulver, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer etc. sowie Glasperlen. Für eine Verringerung des thermischen Widerstands ist es bevorzugt, das metallische Pulver mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit zu verwenden.(3) A filler (a second filler) 14a is newly added to the thermally conductive lubricant layer 14 applied by the understanding process (1). For the newly added filler 14a, the following can be used: an oxide such as zinc oxide, magnesium oxide, and aluminum oxide; a nitride such as boron nitride and aluminum nitride; and a metal powder such as aluminum or copper, etc., and glass beads. For a reduction in thermal resistance, it is preferable to use the metallic powder having a high thermal conductivity.

Das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a kann durch die Verwendung einer elektrostatischen Siebdruck-Prozess-Vorrichtung hinzugefügt werden, wie zum Beispiel in 3 gezeigt, wobei die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel, die mittels des vorstehenden Prozesses (2) aufgebracht worden ist, zuoberst angeordnet wird. Und zwar legt die elektrostatische Siebdruck-Prozess-Vorrichtung eine Spannung 23 über den Objekttisch 26 und die Siebdruckplatte 25 hinweg an, die eine Öffnung mit einer Struktur 27 aufweist, durch die hindurch das Füllmaterial 14a eingebracht wird.The newly added filler material 14a can be added through the use of an electrostatic screen printing process device, such as in FIG 3 10 with the layer 14 of thermally conductive lubricant applied by process (2) above being placed on top. Namely, the electrostatic screen printing process device applies a voltage 23 across the stage 26 and the screen printing plate 25, which has an opening with a structure 27 through which the filling material 14a is introduced.

In dem elektrostatischen Feld, das von der angelegten Spannung 23 zwischen der Siebdruckplatte 25 und dem Objekttisch 26 erzeugt wird, wird das Füllmaterial 14a durch die Verwendung einer Druck-Bürste 24 herausgedrückt. Das Füllmaterial 14a wird an einer vorgegebenen Position des auf dem Objekttisch 26 angeordneten Halbleiter-Moduls hinzugefügt, wobei die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel zuoberst angeordnet wird.In the electrostatic field created by the applied voltage 23 between the screen printing plate 25 and the stage 26, the filler material 14a is pushed out by the use of a pressure brush 24. FIG. The filler 14a is added at a predetermined position of the semiconductor module placed on the stage 26 with the layer 14 of a thermally conductive lubricant placed uppermost.

Die Vorzüge der elektrostatischen Siebdruck-Prozess-Vorrichtung bestehen darin, dass das Füllmaterial hinzugefügt werden kann, indem eine Struktur an einem Ort der Siebdruckplatte 25 angeordnet wird, an dem das Füllmaterial eingebracht werden soll, und dass das Füllmaterial vertikal zu dem Modul strömt und ohne Kontakt in das Modul eingebracht werden kann, indem das Füllmaterial in das elektrostatische Feld hinausgedrückt wird.The merits of the electrostatic screen printing process device are that the filler material can be added by arranging a structure at a location of the screen printing plate 25 where the filler material is to be introduced, and that the filler material flows vertically to the module and without Contact can be introduced into the module by forcing the filling material out into the electrostatic field.

Darüber hinaus kann das Füllmaterial mit einem Verteiler für ein Partikelpulver vom Typ einer Mikropipette, mit einem Pulver-Spray oder dadurch hinzugefügt werden, dass es durch ein Netz 21 mit 50 µm bis 200 µm hindurchgeschoben wird, wie in 4 gezeigt. Außerdem kann eine geeignete Menge des Füllmaterials mit einem Spachtel 22 etc. aufgebracht werden.In addition, the filler may be added with a micropipette-type particulate powder distributor, with a powder spray, or by passing it through a mesh 21 of 50 µm to 200 µm, as in Fig 4 shown. In addition, an appropriate amount of the filler can be applied with a spatula 22, etc.

Das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a ist nach dem Hinzufügen in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel eingebettet, so dass es erforderlich ist, dass der Korndurchmesser des Füllmaterials kleiner als die aufgebrachte Schichtdicke der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel ist. The newly added filler 14a is embedded in the thermally conductive lubricant layer 14 after the addition, so that the grain diameter of the filler is required to be smaller than the applied layer thickness of the thermally conductive lubricant layer 14 .

Außerdem ist es erforderlich, dass er größer als der Korndurchmesser des Füllmaterials ist, das in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist.In addition, it is required to be larger than the grain diameter of the filler material contained in the thermally conductive lubricant layer 14 .

Und zwar weist das Füllmaterial, das in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist, einen Korndurchmesser von 0,1 µm bis 50 µm auf, so dass das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a einen Korndurchmesser von 50 µm bis 150 µm aufweist, was größer als der erstgenannte Korndurchmesser ist. Wenn das Füllmaterial, das in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist, einen Korndurchmesser von 0,1 µm bis 30 µm aufweist, so kann das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a einen Korndurchmesser von 30 µm bis 150 µm aufweisen.Namely, the filler contained in the thermally conductive lubricant layer 14 has a grain diameter of 0.1 μm to 50 μm, so that the newly added filler 14a has a grain diameter of 50 μm to 150 μm, which is larger than the first-mentioned grain diameter. If the filler contained in the thermally conductive lubricant layer 14 has a grain diameter of 0.1 μm to 30 μm, the newly added filler 14a may have a grain diameter of 30 μm to 150 μm.

Da der Korndurchmesser des neu hinzugefügten Füllmaterials 14a größer als jener des Füllmaterials ist, das in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist, spielt das Füllmaterial 14a eine Rolle als Stopper zwischen dem Kühlkörper 15 und der Kupferfolie 8.Since the grain diameter of the newly added filler 14a is larger than that of the filler contained in the thermally conductive lubricant layer 14, the filler 14a plays a role as a stopper between the heat sink 15 and the copper foil 8.

Im Ergebnis wird verhindert, dass auf das Füllmaterial, das von Anfang an in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist und einen Korndurchmesser aufweist, der kleiner als jener des neu hinzugefügten Füllmaterials 14a ist, von dem Kühlkörper 15 und der Kupferfolie 8 ein Druck ausgeübt wird, so dass verhindert werden kann, dass die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel aus einem Bereich zwischen dem Halbleiter-Modul M und dem Kühlkörper 15 herausgedrückt wird.As a result, the filler, which is contained in the thermally conductive lubricant layer 14 from the beginning and has a grain diameter smaller than that of the newly added filler 14a, is prevented from penetrating from the heat sink 15 and the copper foil 8 Pressure is applied so that the thermally conductive lubricant layer 14 can be prevented from being pushed out from a region between the semiconductor module M and the heat sink 15 .

Da es einem Druck von dem Halbleiter-Modul M und dem Kühlkörper 15 unterliegt, weist das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a bevorzugt eine abgerundete Form auf, bevorzugter eine Kugelform.Since it is subjected to pressure from the semiconductor module M and the heat sink 15, the newly added filling material 14a preferably has a rounded shape, more preferably a spherical shape.

Wenn der Korndurchmesser des neu hinzugefügten Füllmaterials 14a größer als die aufgebrachte Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel ist, wird das Füllmaterial aus der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel vorstehen. Demzufolge kommt Luft zwischen die Grenzfläche der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel und der Kupferfolie 8, so dass der thermische Widerstand zunimmt. Daher ist es erforderlich, dass der Korndurchmesser des neu hinzugefügten Füllmaterials 14a kleiner als die aufgebrachte Schichtdicke der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel ist.When the grain diameter of the newly added filler material 14a is larger than the applied layer 14 of thermally conductive lubricant, the filler material will protrude from the layer 14 of thermally conductive lubricant. As a result, air comes between the interface of the thermally conductive lubricant layer 14 and the copper foil 8, so that the thermal resistance increases. Therefore, the grain diameter of the newly added filler 14a is required to be smaller than the applied layer thickness of the thermally conductive lubricant layer 14 .

Dementsprechend weist das Füllmaterial 14a bevorzugt einen Korndurchmesser von 50 % bis 80 % der aufgebrachten Schichtdicke auf. Um den Wärmewiderstand der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel auf ein niedriges Niveau zu drücken, weist das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a außerdem bevorzugt eine thermische Leitfähigkeit auf, die höher als jene des Füllmaterials ist, das in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist, was es ermöglicht, dass der thermische Widerstand durch Verwenden des Füllmaterials mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit auf ein niedriges Niveau verringert wird.Accordingly, the filler material 14a preferably has a grain diameter of 50% to 80% of the applied layer thickness. In addition, in order to suppress the thermal resistance of the thermally conductive lubricant layer 14 to a low level, the newly added filler material 14a preferably has a thermal conductivity higher than that of the filler material contained in the thermally conductive lubricant layer 14 is which enables the thermal resistance to be reduced to a low level by using the filler material having a higher thermal conductivity.

Als ein Beispiel für die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel wird ein Schmiermittel eingesetzt, das eine thermische Leitfähigkeit von 0,94 W/m*K aufweist und das erste Füllmaterial mit einem Korndurchmesser von 30 µm oder weniger aufweist; für das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a werden Glasperlen (mit etwa 1,0 W/m*K) eingesetzt; und die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel wird mit Kupfer mit einer Dicke von 5 mm sandwichartig angeordnet, von dem angenommen wird, dass es eine Platte auf Kupfer-Basis ist, bei welcher der thermische Widerstand gemessen wird.As an example of the thermally conductive lubricant layer 14, a lubricant having a thermal conductivity of 0.94 W/m*K and containing the first filler having a grain diameter of 30 μm or less is employed; glass beads (with about 1.0 W/m*K) are used for the newly added filling material 14a; and the layer 14 of a thermally conductive lubricant is sandwiched with copper of a thickness of 5 mm, which is assumed to be a copper-based plate of which the thermal resistance is measured.

Für das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a werden im Hinblick auf die aufgebrachte Schichtdicke von 200 µm der Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel das eine mit Glasperlen mit einem Korndurchmesser von 100 µm und das andere ohne Glasperlen im Hinblick auf die aufgebrachte Schichtdicke von 200 µm hergestellt.For the newly added filler 14a, in view of the applied layer thickness of 200 µm of the thermally conductive lubricant layer, the one with single-grain glass beads is used diameter of 100 µm and the other without glass beads in view of the applied layer thickness of 200 µm.

In 5 ist der thermische Widerstand nach dem Wärmezyklus (HC) von 0 °C bis 85 °C gezeigt. Wie aus der Figur ersichtlich, besteht vor dem Wärmezyklus kein Unterschied hinsichtlich des thermischen Widerstands zwischen dem Vorhandensein und dem Nicht-Vorhandensein des hinzugefügten Füllmaterials, während unterbunden wird, dass der thermische Widerstand nach dem Wärmezyklus ansteigt, wenn das Füllmaterial neu hinzugefügt wird, dass er jedoch bei Nicht-Vorhandensein des Füllmaterials ansteigt.In 5 shows the thermal resistance after the heat cycle (HC) from 0 °C to 85 °C. As can be seen from the figure, before the heat cycle, there is no difference in thermal resistance between the presence and absence of the added filler, while the thermal resistance is suppressed from increasing after the heat cycle when the filler is newly added, that it however, increases in the absence of the filler material.

Die Position, an der das Füllmaterial 14a neu hinzugefügt wird, liegt bevorzugt innerhalb von 1/3 in der Mitte der Wärmeabstrahlungsseite der Kupferfolie 8 des Halbleiter-Moduls M, wie durch einen Bereich 20 innerhalb einer gestrichelten Linie in 6 gezeigt. Das Verziehen des Halbleiter-Moduls M weist in dem mittleren Bereich eine große Verformung auf, da die Kante mit einer Schraube etc. fixiert ist.The position where the filling material 14a is newly added is preferably within 1/3 of the center of the heat radiation side of the copper foil 8 of the semiconductor module M as indicated by an area 20 within a broken line in FIG 6 shown. The warp of the semiconductor module M has a large deformation in the middle portion because the edge is fixed with a screw, etc.

Daher kann die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel insbesondere in der Mitte leicht herausgedrückt werden.Therefore, the thermally conductive lubricant layer 14 can be easily squeezed out, particularly at the center.

Daher ist es zur Verhinderung des Vorstehenden notwendig, das Füllmaterial 14a, das neu hinzugefügt wird, zumindest an der Position 20 hinzuzufügen (innerhalb von 1/3 in der Mitte unter drei gleich aufgeteilten Bereichen in der Längsrichtung und der Breitenrichtung und innerhalb von 1/9 der Fläche). Wenn eine Mehrzahl von Leistungs-Halbleiterchips 4 montiert ist, können sie direkt unter jedem Leistungs-Halbleiterchip zusätzlich zu der Mitte hinzugefügt werden. Wenn die Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel auf der Seite des Kühlkörpers aufgebracht ist, wird das Füllmaterial außerdem an der entsprechenden Position hinzugefügt.Therefore, in order to prevent the above, it is necessary to add the filler 14a that is newly added at least at the position 20 (within 1/3 at the center among three equally divided areas in the longitudinal and width directions and within 1/9 the area). When a plurality of power semiconductor chips 4 are mounted, they can be added directly under each power semiconductor chip in addition to the center. In addition, when the layer of thermally conductive lubricant is applied on the side of the heat sink, the filler material is added at the appropriate position.

(4) Das Halbleiter-Modul M wird durch die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel, in der das Füllmaterial 14a neu hinzugefügt wird, an dem Kühlkörper 15 montiert. Wenn das Halbleiter-Modul M an dem Kühlkörper 15 montiert ist, wird mit einer Tellerfeder 16 und einem Tellerfederträger 17 ein Druck auf diese ausgeübt, so dass das Halbleiter-Modul M an dem Kühlkörper 15 befestigt werden kann, wie in 7 gezeigt. Unter diesem Druck wird das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a in die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel eingebettet.(4) The semiconductor module M is mounted on the heat sink 15 through the thermally conductive lubricant layer 14 in which the filler 14a is newly added. When the semiconductor module M is mounted on the heat sink 15, a pressure is exerted on them with a plate spring 16 and a plate spring support 17, so that the semiconductor module M can be fixed on the heat sink 15, as in FIG 7 shown. Under this pressure, the newly added filler material 14a becomes embedded in the layer 14 of thermally conductive lubricant.

Ausführungsform 2Embodiment 2

Halbleiter-Vorrichtungsemiconductor device

Die Halbleiter-Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform 2 verwendet ein Halbleiter-Modul M vom Gehäuse-Typ, wie in 8 gezeigt, das sich von der in 11A gezeigten Halbleiter-Vorrichtung dahingehend unterscheidet, dass das Füllmaterial 14a nicht in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel eingebettet ist.The semiconductor device according to this embodiment 2 uses a package type semiconductor module M as shown in FIG 8th shown, which is different from the in 11A differs from the semiconductor device shown in that the filler material 14a is not embedded in the layer 14 of a thermally conductive lubricant.

Außerdem ist der Korndurchmesser des Füllmaterials (des zweiten Füllmaterials) 14a, das in dem mittleren Bereich der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel eingebettet ist, bei dieser Ausführungsform 2 größer als jener des Füllmaterials (des ersten Füllmaterials), das von Anfang an in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist, und er ist kleiner als die aufgebrachte Schichtdicke der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel.In addition, the grain diameter of the filler (the second filler) 14a embedded in the central portion of the thermally conductive lubricant layer 14 in this embodiment 2 is larger than that of the filler (the first filler) used from the beginning in the Layer 14 of a thermally conductive lubricant is contained and it is less than the applied layer thickness of the layer 14 of a thermally conductive lubricant.

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-VorrichtungProcess for manufacturing a semiconductor device

Die 9A bis 9D zeigen die folgenden Herstellungsprozesse (1) bis (4) für eine Halbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des in 8 gezeigten Halbleiter-Moduls vom Gehäuse-Typ:

  • (1) Herstellen eines auf dem Fachgebiet bekannten Halbleiter-Moduls M vom Gehäuse-Typ, ausgenommen die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel, das Füllmaterial 14a sowie der Kühlkörper 15 gegenüber der in 8 gezeigten Halbleiter-Vorrichtung;
  • (2) Aufbringen der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel, die das Füllmaterial enthält, auf der Montagefläche des Halbleiter-Moduls M;
  • (3) Hinzufügen des Füllmaterials 14a, das einen Korndurchmesser aufweist, der größer als jener des Füllmaterials ist, das von Anfang an in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist, und der kleiner als die Schichtdicke der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel ist, in dem mittleren Bereich der Montagefläche der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel; und
  • (4) Montieren dieses Halbleiter-Moduls M an dem Kühlkörper 15 über die Beschichtungsfläche der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel.
the 9A until 9D show the following manufacturing processes (1) to (4) for a semiconductor device according to the present invention using FIG 8th package type semiconductor module shown:
  • (1) Manufacturing a case-type semiconductor module M known in the art, except for the thermally conductive lubricant layer 14, the filler material 14a, and the heat sink 15 opposite to that in FIG 8th shown semiconductor device;
  • (2) applying the layer 14 of a thermally conductive lubricant containing the filler material to the mounting surface of the semiconductor module M;
  • (3) Adding the filler 14a having a grain diameter larger than that of the filler contained in the thermally conductive lubricant layer 14 from the beginning is to be held, and which is smaller than the layer thickness of the layer 14 of a thermally conductive lubricant, in the central region of the mounting surface of the layer 14 of a thermally conductive lubricant; and
  • (4) Mount this semiconductor module M on the heat sink 15 via the coating surface of the layer 14 of a thermally conductive lubricant.

Im Folgenden werden die vorstehenden Prozesse (1) bis (4) im Detail beschrieben:

  • (1) Zunächst einmal weist das Inverter-Modul als Halbleiter-Modul M vom Gehäuse-Typ gemäß dieser Ausführungsform 2 Folgendes auf: eine metallische Basisplatte 13, eine Mehrzahl von DBC-Keramik-Substraten 12, die durch die Substrat-Bondverbindung 5 mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit und elektrischen Leitfähigkeit auf der metallischen Basisplatte 13 gebildet sind, Leistungs-Halbleiterchips 4, die jeweils auf den DBC-Keramik-Substraten 12 montiert sind, sowie einen Bondingdraht 3, der die Leistungs-Halbleiterchips 4 verbindet.
The following describes the above processes (1) to (4) in detail:
  • (1) First of all, as a package type semiconductor module M according to this embodiment 2, the inverter module comprises: a metal base plate 13; high thermal conductivity and high electrical conductivity are formed on the metallic base plate 13, power semiconductor chips 4 mounted on the DBC ceramic substrates 12, respectively, and a bonding wire 3 connecting the power semiconductor chips 4.

Das Inverter-Modul als Halbleiter-Modul M vom Gehäuse-Typ weist des Weiteren Folgendes auf: auf der metallischen Basisplatte 13 eine eingebettete Sammelschiene 9, die in einem Harz-Gehäuserahmen 10 eingebettet ist, der so angeordnet ist, dass er eine Fläche umschließt, auf der die Leistungs-Halbleiterchips 4 montiert sind, und die in einem Harz-Gehäuserahmen 10 eingebettet ist, damit eine elektrische Verbindung mit dem Außenraum des Harz-Gehäuserahmens 10 besteht, sowie ein Silikon-Gel 11, um das Innere des Harz-Gehäuserahmens 10 einzuformen. Es ist so angeordnet, dass es die Wärme der Leistungs-Halbleiterchips 4 durch die metallische Basisplatte hindurch in den Außenraum des Halbleiter-Moduls freisetzt.The inverter module as a case type semiconductor module M further comprises: on the metallic base plate 13, an embedded bus bar 9 embedded in a resin case frame 10 arranged so as to enclose an area, on which the power semiconductor chips 4 are mounted and which is embedded in a resin case frame 10 to electrically connect to the outside of the resin case frame 10, and a silicone gel 11 to seal the inside of the resin case frame 10 to mold It is arranged in such a way that it releases the heat of the power semiconductor chips 4 through the metal base plate into the exterior of the semiconductor module.

(2) Die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel wird auf der Seite der metallischen Basisplatte 13 des Halbleiter-Moduls M oder des Kühlkörpers 15 aufgebracht. Das Aufbringen der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel wird ausgeführt, indem Folgendes verwendet wird: ein Spachtel; ein Siebdruck-Prozess mit einer Metallmaske oder einem Gitter; ein Beschichten durch einen Schlitz, ein Beschichten mit einer Stange oder dergleichen, wobei die metallische Basisplatte 13, welche die beschichtete Fläche ist, zuoberst angeordnet wird.(2) The layer 14 of a thermally conductive lubricant is coated on the metal base plate 13 side of the semiconductor module M or the heat sink 15 . Application of the layer 14 of thermally conductive lubricant is accomplished using: a spatula; a screen printing process with a metal mask or grid; coating through a slit, coating with a bar, or the like, with the metal base plate 13, which is the coated surface, being placed uppermost.

Als ein Beispiel kann ein Siebdruck-Prozess durch die Verwendung einer Metallmaske mit einer Dicke von 50 µm ausgeführt werden, bei der quadratische Strukturen, die jeweils ein Quadrat von 9 mm aufweisen, mit einem Rastermaß von 10 mm angeordnet sind. Die vorstehend erwähnte Metallmasken-Struktur stellt lediglich ein Beispiel dar, so dass auch eine Struktur, wie beispielsweise eine Waben-Struktur, eine Diamant-Form oder dergleichen verwendet werden kann.As an example, a screen printing process can be performed by using a metal mask with a thickness of 50 μm in which square patterns each having a square of 9 mm are arranged at a pitch of 10 mm. The metal mask structure mentioned above is just an example, so a structure such as a honeycomb structure, a diamond shape or the like can also be used.

Es ist anzumerken, dass die Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel, die bei dieser Ausführungsform 2 verwendet wird, die gleiche wie bei der Ausführungsform 1 ist. Es ist wirkungsvoll, wenn die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel eine geringere Schichtdicke aufweist, um den Wärmewiderstand auf einen niedrigen Wert zu verringern, basierend auf der vorstehenden Gleichung (A). Da jedoch die Bearbeitbarkeit und die Gleichmäßigkeit verschlechtert werden, wenn beim Drucken infolge einer übermäßigen Verringerung der Dicke Reibung verursacht wird, so wird die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel bevorzugt mit einer Dicke von 30 µm bis 300 µm aufgebracht. Insbesondere ist die Beschichtung mit einer Dicke von 30 µm bis 130 µm bevorzugter, um den Wärmewiderstand auf einen niedrigen Wert zu verringern.Note that the thermally conductive lubricant layer used in this embodiment 2 is the same as that in embodiment 1. It is effective that the thermally conductive lubricant layer 14 has a smaller layer thickness to reduce the thermal resistance to a low value based on the above equation (A). However, since workability and uniformity are deteriorated when friction is caused in printing due to an excessive reduction in thickness, the thermally conductive lubricant layer 14 is preferably coated in a thickness of 30 µm to 300 µm. In particular, the coating having a thickness of 30 µm to 130 µm is more preferable in order to reduce the heat resistance to a low value.

(3) Für das zu der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel, die mittels des vorstehenden Prozesses (2) aufgebracht worden ist, neu hinzugefügte Füllmaterial (das zweite Füllmaterial) 14a kann Folgendes verwendet werden: ein Oxid, wie beispielsweise Zinkoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumoxid; ein Nitrid, wie beispielsweise Bornitrid und Aluminiumnitrid; und ein Metallpulver, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer etc., sowie Glasperlen. Für eine Verringerung des thermischen Widerstands ist es bevorzugter, das metallische Pulver mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit zu verwenden.(3) For the filler material (the second filler material) 14a newly added to the thermally conductive lubricant layer 14 applied by the above process (2), the following can be used: an oxide such as zinc oxide, magnesium oxide and alumina; a nitride such as boron nitride and aluminum nitride; and a metal powder such as aluminum or copper, etc., and glass beads. For a reduction in thermal resistance, it is more preferable to use the metallic powder having a high thermal conductivity.

Das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a kann z.B. durch die Verwendung einer elektrostatischen Siebdruck-Prozess-Vorrichtung, wie in 3 gezeigt, oder eines Verteilers für ein Partikelpulver vom Typ einer Mikropipette hinzugefügt werden, wobei die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel, die mittels des vorstehenden Prozesses (2) aufgebracht worden ist, zuoberst angeordnet wird. Darüber hinaus kann das Füllmaterial mit einem Pulver-Spray oder dadurch hinzugefügt werden, dass es durch ein Netz mit 50 µm bis 200 µm hindurch geschoben wird. Außerdem kann eine geeignete Menge des Füllmaterials mit einem Spachtel 22 etc. aufgebracht werden.The newly added filling material 14a can be printed, for example, by using an electrostatic screen printing process device, as in FIG 3 or a micropipette-type particulate powder dispenser, with the layer 14 of thermally conductive lubricant applied by the above process (2) being placed on top. In addition, the filler material can be added with a powder spray or by pushing it through a 50 µm to 200 µm mesh. In addition, an appropriate amount of the filler can be applied with a spatula 22, etc.

Damit das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a nach dem Hinzufügen in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel eingebettet ist, ist es erforderlich, dass der Korndurchmesser des Füllmaterials kleiner als die aufgebrachte Schichtdicke der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel ist. Außerdem ist er größer als jener des Füllmaterials (des ersten Füllmaterials), das in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist.In order for the newly added filler 14a to be embedded in the thermally conductive lubricant layer 14 after the addition, the grain diameter of the filler is required to be smaller than the applied layer thickness of the thermally conductive lubricant layer 14 . In addition, it is larger than that of the filler (the first filler) contained in the thermally conductive lubricant layer 14 .

Dabei weist das Füllmaterial, das in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist, im Allgemeinen einen Korndurchmesser von 0,1 µm bis 50 µm auf, so dass das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a einen größeren Korndurchmesser von 50 µm bis 150 µm aufweisen muss, was größer als der erstgenannte Korndurchmesser ist. Wenn das Füllmaterial, das in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist, einen Korndurchmesser von 0,1 µm bis 30 µm aufweist, kann das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a einen Korndurchmesser von 30 µm bis 150 µm aufweisen.At this time, the filler contained in the thermally conductive lubricant layer 14 generally has a grain diameter of 0.1 μm to 50 μm, so that the newly added filler 14a is required to have a larger grain diameter of 50 μm to 150 μm , which is larger than the first grain diameter. If the filler contained in the thermally conductive lubricant layer 14 has a grain diameter of 0.1 μm to 30 μm, the newly added filler 14a may have a grain diameter of 30 μm to 150 μm.

Da der Korndurchmesser des neu hinzugefügten Füllmaterials 14a größer als jener des Füllmaterials gemacht wird, das in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist, spielt das Füllmaterial 14a eine Rolle als ein Stopper zwischen dem Kühlkörper 15 und der Kupferfolie 8.Since the grain diameter of the newly added filler 14a is made larger than that of the filler contained in the thermally conductive lubricant layer 14, the filler 14a plays a role as a stopper between the heat sink 15 and the copper foil 8.

Im Ergebnis wird verhindert, dass auf das Füllmaterial, das einen Korndurchmesser aufweist, der kleiner als jener des neu hinzugefügten Füllmaterials 14a ist, von dem Kühlkörper 15 und der Kupferfolie 8 ein Druck ausgeübt wird, so dass verhindert werden kann, dass die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel aus einem Bereich zwischen dem Halbleiter-Modul M und dem Kühlkörper 15 herausgedrückt wird. Da es einem Druck von dem Halbleiter-Modul M und dem Kühlkörper 15 unterliegt, weist das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a bevorzugt eine abgerundete Form auf, bevorzugter eine Kugelform.As a result, the filler having a grain diameter smaller than that of the newly added filler 14a is prevented from being pressed by the heat sink 15 and the copper foil 8, so that the layer 14 can be prevented from being peeled off a thermally conductive lubricant is squeezed out from a region between the semiconductor module M and the heat sink 15 . Since it is subjected to pressure from the semiconductor module M and the heat sink 15, the newly added filling material 14a preferably has a rounded shape, more preferably a spherical shape.

Wenn der Korndurchmesser des neu hinzugefügten Füllmaterials 14a ferner größer als die Schichtdicke der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel gemacht wird, ragt das Füllmaterial aus der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel heraus. Demzufolge kommt Luft zwischen die Grenzfläche der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel und der Kupferfolie 8, so dass der thermische Widerstand zunimmt.Further, when the grain diameter of the newly added filler 14a is made larger than the layer thickness of the layer 14 of a thermally conductive lubricant, the filler protrudes from the layer 14 of a thermally conductive lubricant. As a result, air comes between the interface of the thermally conductive lubricant layer 14 and the copper foil 8, so that the thermal resistance increases.

Daher ist es erforderlich, dass der Korndurchmesser des neu hinzugefügten Füllmaterials 14a kleiner als die aufgebrachte Schichtdicke der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel ist. Dementsprechend weist das Füllmaterial 14a bevorzugt einen Korndurchmesser von 50 % bis 80 % der aufgebrachten Schichtdicke auf.Therefore, the grain diameter of the newly added filler 14a is required to be smaller than the applied layer thickness of the thermally conductive lubricant layer 14 . Accordingly, the filler material 14a preferably has a grain diameter of 50% to 80% of the applied layer thickness.

Um den Wärmewiderstand der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel auf ein niedriges Niveau zu verringern, weist das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a außerdem bevorzugt eine thermische Leitfähigkeit auf, die höher als jene des Füllmaterials ist, das in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist. Es wird möglich, den thermischen Widerstand auf ein niedriges Niveau zu verringern, indem das Füllmaterial mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit verwendet wird.In addition, in order to reduce the thermal resistance of the thermally conductive lubricant layer 14 to a low level, the newly added filler material 14a preferably has a thermal conductivity higher than that of the filler material contained in the thermally conductive lubricant layer 14 is. It becomes possible to reduce the thermal resistance to a low level by using the filler having a higher thermal conductivity.

Die Position, an der das Füllmaterial 14a zusätzlich hinzugefügt wird, umschließt die Positionen der Leistungs-Halbleiterchips 4, wie in 10 gezeigt, und liegt bevorzugt innerhalb von 1/3 in dem mittleren Bereich der Wärmeabstrahlungsseite der metallischen Basisplatte 13 des Halbleiter-Moduls M. Das Verziehen des Halbleiter-Moduls M weist in dem mittleren Bereich eine große Verformung auf, da die Kante bzw. der Rand mit einer Schraube etc. fixiert ist. Daher kann die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel insbesondere in dem mittleren Bereich von 10 leicht herausgedrückt werden.The position where the filling material 14a is additionally added encloses the positions of the power semiconductor chips 4 as shown in FIG 10 shown, and is preferably within 1/3 in the central portion of the heat radiation side of the metal base plate 13 of the semiconductor module M. The warp of the semiconductor module M has a large deformation in the central portion because the edge fixed with a screw etc. Therefore, the layer 14 of a thermally conductive lubricant, particularly in the central region of 10 be pushed out easily.

Dementsprechend ist es bevorzugt, dass das Füllmaterial 14a, das zum Verhindern des Vorstehenden neu hinzugefügt wird, zumindest an der Position 20 hinzugefügt wird (innerhalb von 1/3 in der Mitte unter drei gleich aufgeteilten Bereichen in der Längsrichtung und der Breitenrichtung und innerhalb von 1/9 der Fläche). Wenn eine Mehrzahl von Leistungs-Halbleiterchips 4 montiert ist, können sie direkt unter jedem Leistungs-Halbleiterchip zusätzlich zu der Mitte hinzugefügt werden. Wenn die Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel auf der Seite des Kühlkörpers aufgebracht ist, kann das Füllmaterial außerdem an der entsprechenden Position hinzugefügt werden.Accordingly, it is preferable that the filler 14a, which is newly added for preventing the above, is added at least at the position 20 (within 1/3 at the center among three equally divided areas in the longitudinal direction and the width direction and within 1 /9 of the area). When a plurality of power semiconductor chips 4 are mounted, they can be added directly under each power semiconductor chip in addition to the center. In addition, when the layer of thermally conductive lubricant is applied on the side of the heat sink, the filler material can be added at the appropriate position.

(4) Das Halbleiter-Modul M wird durch die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel, in der das Füllmaterial 14a neu hinzugefügt wird, an dem Kühlkörper 15 montiert. Wenn das Halbleiter-Modul M an dem Kühlkörper 15 montiert ist, wird z.B. mit einer Schraube 18 ein Druck zwischen ihnen ausgeübt, so dass das Halbleiter-Modul M in der gleichen Weise, wie in 7 gezeigt, an dem Kühlkörper 15 befestigt werden kann. Unter diesem Druck wird das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a in die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel eingebettet.(4) The semiconductor module M is mounted on the heat sink 15 through the thermally conductive lubricant layer 14 in which the filler 14a is newly added. When the semiconductor module M is mounted on the heat sink 15, pressure is applied between them with a screw 18, for example, so that the semiconductor module M is fixed in the same manner as in FIG 7 shown on the heatsink 15 can be attached. Under this pressure, the newly added filler material 14a becomes embedded in the layer 14 of thermally conductive lubricant.

Ausführungsform 3Embodiment 3

Halbleiter-Vorrichtungsemiconductor device

Diese ist die gleiche wie bei den Ausführungsformen 1 und 2.This is the same as in Embodiments 1 and 2.

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-VorrichtungProcess for manufacturing a semiconductor device

Wenngleich die Prozesse bis zu dem Prozess zum Aufbringen der Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel die gleichen wie jene bei den Ausführungsformen 1 und 2 sind, kann die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel eine solche verwenden, welche die folgenden Merkmale aufweist:

  • 1) Die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel liegt zum Zeitpunkt des Aufbringens in der Form eines Schmiermittels vor, das aufgebracht werden kann, indem Folgendes verwendet wird: ein Spachtel; ein Siebdruck-Prozess, der eine Metallmaske oder ein Gitter verwendet; ein Beschichten durch einen Schlitz; ein Beschichten mit einer Stange oder dergleichen;
  • 2) nach dem Aufbringen wird die Oberfläche durch einen Lösungsmittel-Trocknungsprozess mit Werten im Bereich von 80 °C bis 150 °C und während 1 Minute bis 30 Minuten von Klebrigkeit frei und gummiartig. Der gummiartige Zustand ermöglicht ein Durchführen des Packens und des Transports; und
  • 3) nach einer Anbringung an dem Kühlkörper verändert sie sich beim Erreichen einer bestimmten Temperatur aufgrund der Wärme, die mit dem Betrieb des Halbleiter-Moduls verknüpft ist, in einen schmiermittelartigen Zustand, wobei sie sich gleichmäßig erstreckt.
Although the processes up to the process for applying the thermally conductive lubricant layer are the same as those in Embodiments 1 and 2, the thermally conductive lubricant layer 14 may use one having the following features:
  • 1) The layer 14 of thermally conductive lubricant is in the form of a lubricant at the time of application, which can be applied using: a spatula; a screen printing process using a metal mask or grid; coating through a slot; coating with a bar or the like;
  • 2) after application, a solvent drying process with values ranging from 80°C to 150°C for 1 minute to 30 minutes renders the surface tack-free and gummy. The rubbery state enables packing and transportation to be performed; and
  • 3) after being attached to the heatsink, upon reaching a certain temperature, due to the heat associated with the operation of the semiconductor module, it changes to a lubricating state while stretching smoothly.

Was die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel mit den vorstehend erwähnten Merkmalen betrifft, werden zum Beispiel LOCTITE PSX P, das von Henkel Company hergestellt wird, sowie Tpcm580 etc. genannt, das von Laird hergestellt wird, die kommerziell erhältlich sind.As for the thermally conductive lubricant layer 14 having the above-mentioned characteristics, there are mentioned, for example, LOCTITE PSX P manufactured by Henkel Company and Tpcm580 etc. manufactured by Laird, which are commercially available.

Das Verfahren zur Herstellung der Halbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird bezugnehmend auf Ausführungsform 1 folgendermaßen beschrieben:

  • (1) Herstellen eines auf dem Fachgebiet bekannten Halbleiter-Moduls M vom Form-Typ, ausgenommen die Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel, das Füllmaterial 14a sowie der Kühlkörper 15 gegenüber der in 1 gezeigten Halbleiter-Vorrichtung;
  • (2) Aufbringen der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel, wobei das Füllmaterial (nicht gezeigt) die vorstehenden Merkmale 1) bis 3) aufweist, auf der Kupferfolie 8 in dem Halbleiter-Modul M, d.h. der Montagefläche des Halbleiter-Moduls M;
  • (3) Hinzufügen des Füllmaterials 14a mit einem Korndurchmesser, der größer als jener des Füllmaterials ist, das von Anfang an in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist, und der kleiner als die Schichtdicke der Schicht 14 aus dem thermisch leitfähigen Schmiermittel ist, in dem mittleren Bereich der Montagefläche der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel; und
  • (4) Erwärmen des Lösungsmittels, das in der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel enthalten ist, damit es verflüchtigt wird (lösungsmittelgetrocknet wird), um zu erreichen, dass die Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel gummiartig wird; und
  • (5) Montieren des Halbleiter-Moduls M durch die Montagefläche der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel an dem Kühlkörper 15.
The method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to embodiment 1 as follows:
  • (1) Manufacturing a mold-type semiconductor module M known in the art, except for the thermally conductive lubricant layer 14, the filler material 14a, and the heat sink 15 opposite to that in FIG 1 shown semiconductor device;
  • (2) applying the layer 14 of a thermally conductive lubricant with the filler material (not shown) having the above features 1) to 3) on the copper foil 8 in the semiconductor module M, ie the mounting surface of the semiconductor module M;
  • (3) Adding the filler 14a having a grain diameter larger than that of the filler contained in the thermally conductive lubricant layer 14 from the beginning and smaller than the layer thickness of the thermally conductive lubricant layer 14 , in the central area of the mounting surface of the layer 14 of a thermally conductive lubricant; and
  • (4) heating the solvent contained in the thermally conductive lubricant layer 14 to be volatilized (solvent dried) to cause the thermally conductive lubricant layer to become gummy; and
  • (5) Mounting the semiconductor module M through the mounting surface of the thermally conductive lubricant layer 14 to the heat sink 15.

Mit Ausnahme der Hinzufügung des Prozesses (4) zu der Ausführungsform 1 und der vorstehenden Merkmalen 1) bis 3) der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel ist er ähnlich wie bei der Ausführungsform 1.Except for the addition of the process (4) to the embodiment 1 and the above features 1) to 3) of the thermally conductive lubricant layer 14, it is similar to the embodiment 1.

Außerdem kann die Ausführungsform 2 die Hinzufügung des vorstehenden Prozesses (4) sowie der vorstehenden Merkmale 1) bis 3) als jene der Schicht 14 aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel umfassen.In addition, the embodiment 2 may include the addition of the above process (4) as well as the above features 1) to 3) as those of the thermally conductive lubricant layer 14 .

Durch das Verwenden des Aufbaus der Halbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die mittels der vorstehenden Prozesse gefertigt wird, spielt das neu hinzugefügte Füllmaterial 14a eine Rolle als eine tragende Stütze, auch wenn das Halbleiter-Modul durch die Wärme im Betrieb des Halbleiter-Moduls verzogen worden ist, so dass verhindert werden kann, dass die Schicht aus einem thermisch leitfähigen Schmiermittel zwischen dem Halbleiter-Modul und dem Kühlkörper herausgedrückt wird, so dass verhindert wird, dass der thermische Widerstand aufgrund des Einschlusses von Luft ansteigt.By using the structure of the semiconductor device of the present invention manufactured through the above processes, the newly added filler material 14a plays a role as a supporting pillar even if the semiconductor module is warped by the heat in operation of the semiconductor module has been so that the layer of a thermally conductive lubricant between the semiconductor module and the heat sink can be prevented from being squeezed out, so that the thermal resistance is prevented from increasing due to the entrapment of air.

Die bevorzugten Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Aspekt 1. Halbleiter-Vorrichtung, die Folgendes aufweist:
    • - ein Halbleiter-Modul (M) mit einer metallischen Platte (8) auf einer Montage-Seite;
    • - einen Kühlkörper (15) zur Wärmeabstrahlung; und
    • - eine thermisch leitfähige Schicht (14), die ein erstes Füllmaterial enthält und zwischen der metallischen Platte (8) und dem Kühlkörper (15) angeordnet ist, um die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen, wobei die thermisch leitfähige Schicht ein zweites Füllmaterial (14a) in einem mittleren Bereich auf einer Montage-Seite zwischen der metallischen Platte (8) und dem Kühl-körper (15) aufweist, wobei das zweite Füllmaterial (14a) einen Korndurch-messer aufweist, der größer als der des ersten Füllmaterials ist, und einen Korndurchmesser aufweist, der kleiner als die Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht (14) ist.
  • Aspekt 2. Halbleiter-Vorrichtung nach Aspekt 1, wobei der Korndurchmesser des ersten Füllmaterials 0,1 µm bis 50 µm beträgt und der Korndurchmesser des zweiten Füllmaterials (14a) 50 µm bis 150 µm beträgt.
  • Aspekt 3. Halbleiter-Vorrichtung nach Aspekt 1 oder 2, wobei die Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht (14) 30 µm bis 300 µm beträgt und die Korndurchmesser des zweiten Füll-materials (14a) 50 % bis 80 % der Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht (14) betragen.
  • Aspekt 4. Halbleiter-Vorrichtung nach einem der Aspekte 1 bis 3, wobei das zweite Füllmaterial (14a) eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die höher als die des ersten Füllmaterials ist.
  • Aspekt 5. Halbleiter-Vorrichtung nach einem der Aspekte 1 bis 4, wobei das erste Füllmaterial aus einem Oxid, einem Nitrid oder einem metallischen Pulver besteht und das zweite Füllmaterial (14a) aus einem Oxid, einem Nitrid, einem metallischen Pulver oder Glas besteht.
  • Aspekt 6. Halbleiter-Vorrichtung nach einem der Aspekte 1 bis 5, wobei das zweite Füllmaterial (14a) eine abgerundete Form aufweist, die eine Kugelform umfasst.
  • Aspekt 7. Halbleiter-Vorrichtung nach einem der Aspekte 1 bis 6, wobei die thermisch leitfähige Schicht (14) eine Schmiermittelschicht ist.
  • Aspekt 8. Halbleiter-Vorrichtung nach einem der Aspekte 1 bis 6, wobei die Schmiermittelschicht eine trockene und gummiartige Schicht ist.
  • Aspekt 9. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Vorrichtung, die Folgendes aufweist:
    • - Anordnen einer thermisch leitfähigen Schicht (14) auf einer metallischen Platte (8) eines Halbleiter-Moduls (M), wobei die metallische Platte (8) eine Montage-Seite bildet;
    • - Hinzufügen eines zweiten Füllmaterials (14a), das einen Korndurchmesser aufweist, der größer als der des ersten Füllmaterials ist, das in der thermisch leitfähigen Schicht (14) enthalten ist, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, und das einen Korndurchmesser aufweist, der kleiner als die Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht (14) ist, in einem mittleren Bereich der Montage-Seite der thermisch leitfähigen Schicht (14); und
    • - Ausüben eines Drucks auf das zweite Füllmaterial (14a), um es in die thermisch leitfähige Schicht (14) einzubetten, in einem Zustand, in dem die thermisch leitfähige Schicht (14) sandwichartig zwischen der metallischen Platte (8) und dem Kühlkörper (15) angeordnet ist.
  • Aspekt 10. Verfahren nach Aspekt 9, wobei der Korndurchmesser des ersten Füllmaterials 0,1 µm bis 50 µm beträgt und der Korndurchmesser des zweiten Füllmaterials (14a) 50 µm bis 150 µm beträgt.
  • Aspekt 11. Verfahren nach Aspekt 9 oder 10, wobei die Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht (14) 30 µm bis 300 µm beträgt und die Korndurchmesser des zweiten Füll-materials (14a) 50 % bis 80 % der Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht (14) betragen.
  • Aspekt 12. Verfahren nach einem der Aspekte 9 bis 11, wobei das zweite Füllmaterial (14a) eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die höher als die des ersten Füllmaterials ist.
  • Aspekt 13. Verfahren nach einem der Aspekte 9 bis 12, wobei das erste Füllmaterial aus einem Oxid, einem Nitrid oder einem metallischen Pulver besteht und das zweite Füllmaterial (14a) aus einem Oxid, einem Nitrid, einem metallischen Pulver oder Glas besteht.
  • Aspekt 14. Verfahren nach einem der Aspekte 9 bis 13, wobei das zweite Füllmaterial (14a) eine abgerundete Form aufweist, die eine Kugelform umfasst.
  • Aspekt 15. Verfahren nach einem der Aspekte 9 bis 14, wobei die thermisch leitfähige Schicht (14) eine Schmiermittelschicht ist.
  • Aspekt 16. Verfahren nach einem der Aspekte 9 bis 15, wobei durch einen Lösungsmitteltrocknungs-Prozess nach einer Einbettung des zweiten Füllmaterials (14a) erreicht wird, dass die Schmiermittelschicht gummiartig wird.
The preferred aspects of the present invention can be summarized as follows:
  • Aspect 1. A semiconductor device, comprising:
    • - A semiconductor module (M) with a metallic plate (8) on a mounting side;
    • - A heat sink (15) for heat radiation; and
    • - a thermally conductive layer (14) containing a first filler material and interposed between the metallic plate (8) and the heat sink (15) to increase thermal conductivity, the thermally conductive layer containing a second filler material (14a) in a central portion on a mounting side between the metal plate (8) and the heat sink (15), the second filler (14a) having a grain diameter larger than that of the first filler and a grain diameter has, which is smaller than the layer thickness of the thermally conductive layer (14).
  • Aspect 2. The semiconductor device according to aspect 1, wherein the grain diameter of the first filler is 0.1 µm to 50 µm and the grain diameter of the second filler (14a) is 50 µm to 150 µm.
  • Aspect 3. The semiconductor device according to aspect 1 or 2, wherein the layer thickness of the thermally conductive layer (14) is 30 µm to 300 µm and the grain diameters of the second filler material (14a) are 50% to 80% of the layer thickness of the thermally conductive layer (14) amount.
  • Aspect 4. The semiconductor device according to any one of aspects 1 to 3, wherein the second filling material (14a) has a thermal conductivity higher than that of the first filling material.
  • Aspect 5. The semiconductor device according to any one of aspects 1 to 4, wherein the first filler material consists of an oxide, a nitride or a metallic powder and the second filler material (14a) consists of an oxide, a nitride, a metallic powder or glass.
  • Aspect 6. The semiconductor device according to any one of aspects 1 to 5, wherein the second filling material (14a) has a rounded shape including a spherical shape.
  • Aspect 7. The semiconductor device according to any one of aspects 1 to 6, wherein the thermally conductive layer (14) is a lubricant layer.
  • Aspect 8. The semiconductor device according to any one of aspects 1 to 6, wherein the lubricant layer is a dry and rubbery layer.
  • Aspect 9. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
    • - arranging a thermally conductive layer (14) on a metal plate (8) of a semiconductor module (M), the metal plate (8) forming a mounting side;
    • - adding a second filler material (14a) having a grain diameter greater than that of the first filler material included in the thermally conductive layer (14) to increase thermal conductivity and having a grain diameter smaller than the layer thickness of the thermally conductive layer (14) is at a middle portion of the mounting side of the thermally conductive layer (14); and
    • - applying a pressure to the second filling material (14a) to embed it in the thermally conductive layer (14) in a state where the thermally conductive layer (14) is sandwiched between the metallic plate (8) and the heat sink (15 ) is arranged.
  • Aspect 10. The method according to aspect 9, wherein the grain diameter of the first filler is 0.1 µm to 50 µm and the grain diameter of the second filler (14a) is 50 µm to 150 µm.
  • Aspect 11. The method according to aspect 9 or 10, wherein the layer thickness of the thermally conductive layer (14) is 30 µm to 300 µm and the grain diameter of the second filling material (14a) is 50% to 80% of the layer thickness of the thermally conductive layer (14 ) amount.
  • Aspect 12. The method of any one of aspects 9 to 11, wherein the second filler material (14a) has a thermal conductivity higher than that of the first filler material.
  • Aspect 13. The method according to any one of aspects 9 to 12, wherein the first filler material consists of an oxide, a nitride or a metallic powder and the second filler material (14a) consists of an oxide, a nitride, a metallic powder or glass.
  • Aspect 14. The method of any one of aspects 9 to 13, wherein the second filler material (14a) has a rounded shape including a spherical shape.
  • Aspect 15. The method of any one of aspects 9 to 14, wherein the thermally conductive layer (14) is a lubricant layer.
  • Aspect 16. The method according to any one of aspects 9 to 15, wherein the lubricant layer is made rubbery by a solvent drying process after embedding the second filler material (14a).

Liste der Bezugszeichen

1
Leiterrahmen
2
Formharz
3
Bondingdraht
4
Leistungs-Halbleiterchip
5
Substrat-Bondverbindung
6
Verteiler für Wärme
7
thermisch leitfähiger Isolations-Flächenkörper
8
Kupferfolie (metallische Platte)
9
Sammelschiene
10
Harz-Gehäuserahmen
11
Silikon-Gel
12
DBC-Keramik-Substrate
13
metallische Basisplatte
14
thermisch leitfähige Schicht
14a
zweites Füllmaterial
15
Kühlkörper
16
Tellerfeder
17
Tellerfederträger
18
Schraube
20
Position
21
Netz
22
Spachtel
23
Spannung
24
Druck-Bürste
25
Siebdruckplatte
26
Objekttisch
27
Struktur
M
Halbleiter-Modul
List of References
1
ladder frame
2
molding resin
3
bonding wire
4
Power semiconductor chip
5
substrate bond connection
6
distributor for heat
7
thermally conductive insulation sheet
8th
copper foil (metallic plate)
9
busbar
10
Resin case frame
11
silicone gel
12
DBC ceramic substrates
13
metallic base plate
14
thermally conductive layer
14a
second filler
15
heatsink
16
disc spring
17
disc spring carrier
18
screw
20
position
21
network
22
spatula
23
tension
24
pressure brush
25
screen printing plate
26
object table
27
structure
M
semiconductor module

Claims (8)

Halbleiter-Vorrichtung, die Folgendes aufweist: - ein Halbleiter-Modul (M), der eine metallische Platte (8) auf einer Montage-Seite aufweist und der einen Leistungs-Halbleiterchip (4) aufweist; - einen Kühlkörper (15) zur Wärmeabstrahlung; und - eine thermisch leitfähige Schicht (14), die ein erstes Füllmaterial enthält und zwischen der metallischen Platte (8) und dem Kühlkörper (15) angeordnet ist, um die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen, - ein zweites Füllmaterial (14a), das in der thermisch leitfähigen Schicht (14) direkt unter dem Leistungs-Halbleiterchip (4) angeordnet ist und das einen Korndurchmesser aufweist, der größer als der des ersten Füllmaterials ist, und der kleiner ist als die Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht (14), wobei die thermisch leitfähige Schicht (14) in einem Bereich, beabstandet von dem Bereich direkt unter dem Leistungs-Halbleiterchip (4), kein Füllmaterial von der Art des zweiten Füllmaterials (14a) aufweist.A semiconductor device comprising: - a semiconductor module (M) having a metal plate (8) on a mounting side and having a power semiconductor chip (4); - A heat sink (15) for heat radiation; and - a thermally conductive layer (14) containing a first filler material and arranged between the metallic plate (8) and the heat sink (15) in order to increase the thermal conductivity, - a second filling material (14a) which is arranged in the thermally conductive layer (14) directly under the power semiconductor chip (4) and which has a grain diameter which is larger than that of the first filling material and which is smaller than the layer thickness the thermally conductive layer (14), wherein the thermally conductive layer (14) has no filling material of the type of the second filling material (14a) in a region spaced apart from the region directly under the power semiconductor chip (4). Halbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Korndurchmesser des ersten Füllmaterials 0,1 µm bis 50 µm beträgt und der Korndurchmesser des zweiten Füllmaterials (14a) 50 µm bis 150 µm beträgt.semiconductor device claim 1 , wherein the grain diameter of the first filler is 0.1 microns to 50 microns and the grain diameter of the second filler (14a) is 50 microns to 150 microns. Halbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht (14) 30 µm bis 300 µm beträgt und die Korndurchmesser des zweiten Füllmaterials (14a) 50 % bis 80 % der Schichtdicke der thermisch leitfähigen Schicht (14) betragen.semiconductor device claim 1 or 2 , wherein the layer thickness of the thermally conductive layer (14) is 30 μm to 300 μm and the grain diameter of the second filling material (14a) is 50% to 80% of the layer thickness of the thermally conductive layer (14). Halbleiter-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zweite Füllmaterial (14a) eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die höher als die des ersten Füllmaterials ist.Semiconductor device according to any one of Claims 1 until 3 , wherein the second filler (14a) has a thermal conductivity higher than that of the first filler. Halbleiter-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Füllmaterial aus einem Oxid, einem Nitrid oder einem metallischen Pulver besteht und wobei das zweite Füllmaterial (14a) aus einem Oxid, einem Nitrid, einem metallischen Pulver oder Glas besteht.Semiconductor device according to any one of Claims 1 until 4 wherein the first filler material consists of an oxide, a nitride or a metallic powder and wherein the second filler material (14a) consists of an oxide, a nitride, a metallic powder or glass. Halbleiter-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das zweite Füllmaterial (14a) eine abgerundete Form aufweist, die eine Kugelform umfasst.Semiconductor device according to any one of Claims 1 until 5 wherein the second filler (14a) has a rounded shape including a spherical shape. Halbleiter-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die thermisch leitfähige Schicht (14) eine Schmiermittelschicht ist.Semiconductor device according to any one of Claims 1 until 6 wherein the thermally conductive layer (14) is a lubricant layer. Halbleiter-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schmiermittelschicht eine trockene und gummiartige Schicht ist.Semiconductor device according to any one of Claims 1 until 6 , wherein the lubricant layer is a dry and gummy layer.
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