DE10310067A1

DE10310067A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE10310067A1
Application number: DE10310067A
Authority: DE
Inventors: Misuk Yamazaki; Tatsuo Yamazaki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2023-03-08
Also published as: TW591852B; DE10310067B4; TW200304260A; JP2003264252A; US7061090B2; US20030168722A1; JP3858732B2

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung umfasst einen auf einer oberen Fläche innerhalb einer Gehäuseelektrode durch ein Bindingmaterial gebondeten Halbleiterchip und eine Anschlusselektrode, die auf eine obere Fläche des Halbleiterchips durch ein Bondingmaterial gebondet ist, mit einem Raum der Gehäuseelektrode, der zur Versiegelung der gebondeten Abschnitte mit einem Isoliermaterial gefüllt ist, wobei ein Kanal auf einer oberen Oberfläche der Gehäuseelektrode von einem Rand des Halbleiterchips vorgesehen ist, um auf diese Weise den Hitzeverzug zu verringern, der aufgrund eines Unterschieds der linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterchip und der Gehäuseelektrode in erheblichem Maße an einem Ende des Bondingmaterials erzeugt wird, sowie zur Verbesserung der Lebensdauer in Bezug auf thermische Ermüdung.

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und insbesondere eine Halbleitervorrichtung, die einen Wechselstromoutput eines Wechselstromgenerators in einen Gleichstromoutput umwandelt.
In Bezug auf eine Gleichrichtereinrichtung für einen Wechselstromgenerator wird in der JP-A-4-229639 ein Aufbau vorgeschlagen, bei der ein Halbleiterchip mit einem Isoliermaterial auf der Basis von Epoxidharz eingekapselt ist, um eine Halbleitervorrichtung zu erhalten, deren elektrische Eigenschaften sich selbst unter erschwerten Bedingungen, bei denen das Bauteil wiederholt einem Thermoschock ausgesetzt wird, nicht verschlechtern. Diese eingekapselte Struktur ist dazu vorgesehen, einen notwendigen Leitungspfad zu sichern, indem die Kontraktion des Harzes nach der Formgebung ausgenutzt wird, um einen Druck in einer Richtung senkrecht zu einer Ebene eines Halbleiterchips, die an eine Gehäuseelektrode gebondet ist, aufzubringen, selbst wenn Risse in einem Bondingmaterial zur Verbindung der Gehäuseelektrode und des Halbleiterchips auftreten. Außerdem schlägt die JP-A-10-215552 in ähnlicher Weise einen Aufbau vor, bei dem ein Kanal um den Halbleiterchip herum vorgesehen ist, der mit einem isolierenden Harzmaterial bei einem hohen, den Atmosphärendruck übersteigenden, Druck ausgefüllt und dann derart geformt wird, dass eine Restdruckspannung in dem isolierenden Harzmaterial erzeugt wird.
Wenn eine Halbleitervorrichtung an einem Ort wie beispielsweise dem Motorraum eines Kraftfahrzeugs montiert wird, ist sie starken Einflüssen, wie z. B. einer hohen Temperatur und einem Anstieg an Wärmemenge ausgesetzt, der durch einen Generator aufgrund der Schwankungen der elektrischen Last auf der Fahrzeugseite erzeugt wird. Insbesondere Kraftfahrzeuge sind unter erschwerten Bedingungen wiederholten Erwärmungs- und Abkühlungsvorgängen ausgesetzt, die sich über einen weiten Temperaturbereich erstrecken, der durch Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter etc. bedingt ist, und daher erfordern Kraftfahrzeuge eine Halbleitervorrichtung, die hervorragende Wärmeabstrahleigenschaften und eine hervorragende Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wenn die Halbleitervorrichtung wiederholt einer Vielzahl von Thermoschockbelastungen ausgesetzt ist, wird ein Bondingmaterial, wie z. B. Lot, einem Verzug unterworfen, der durch unterschiedliche lineare thermische Ausdehnungskoeffizienten der Bauteilkomponenten, die die Halbleitervorrichtung bilden, erzeugt wird. Falls keine geeigneten Gegenmaßnahmen ergriffen werden, treten Risse in dem Verbindungsmaterial (Bondingmaterial) auf. Durch das Auftreten von Rissen wird eine Querschnittsfläche des einen Stromleitungspfad bildenden Bondingmaterials verringert, und der elektrische Widerstand steigt an. Infolgedessen nimmt die Wärmebildung zu, und ein Betrag an Wärmeabstrahlung durch das Bondingmaterial wird verringert, sodass die Temperatur des Halbleiterchips ungewöhnlich stark zunimmt. Wenn daher die Temperatur einen Schmelzpunkt des Bondingmaterials erreicht oder der Halbleiterchip eine Grenze an Hitzebeständigkeit erreicht, kann die Gleichrichterfunktion verloren gehen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass die in den oben zitierten Veröffentlichungen beschriebenen Strukturen nicht ausreichend sind, um eine Halbleitervorrichtung zu erhalten, die derartigen Betriebsbedingungen vollständig gewachsen ist und in effektiver Weise eine Verbesserung der Lebensdauer in Bezug auf die thermische Ermüdung sowie verbesserte Wärmeabstrahleigenschaften erreicht.
Gemäß der in JP-A-4-229639 beschriebenen Struktur ist es möglich, ungewöhnlich starke Temperaturanstiege eines Halbleiterchips bis zu einem gewissen Grad zu unterdrücken, indem ein Anstieg des elektrischen Widerstands und eine Menge an Hitzebildung unterdrückt wird, indem ein Leitungspfad gesichert wird. Diese mit Harz eingekapselte Struktur dient jedoch nur dazu, einen Druck auf die Gehäuseelektrode durch Ausnutzung der Kontraktion des Harzes nach der Formgebung zu erzeugen und ist daher ursprünglich nicht dafür vorgesehen, den Verzug des Verbindungsmaterials zu verringern, der durch die Unterschiede der linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verursacht wird. Daher hat diese Struktur bis zu einem gewissen Grad die Wirkung, dass die Betriebslebensdauer verlängert wird, sie kann jedoch das Problem der Entstehung von Verzug des Bondingmaterials nicht vollständig lösen.
Bei der in der JP-A-10-215552 beschriebenen Struktur tritt selbst bei hohen Temperaturen (140°C) keine Verringerung des Elastizitätsmoduls des isolierenden Harzmaterials auf. Aus diesem Grund ist es möglich, eine Verringerung der Wirkung der Unterdrückung der freien Expansion der Gehäuseelektrode infolge der Verringerung des Elastizitätsmoduls zu verhindern. Jedoch tritt ein Problem bezüglich der Lebensdauer des isolierenden Harzmaterials selbst auf, wie z. B. eine Beschädigung des Isoliermaterials, da die Steifigkeit des isolierenden Harzmaterials hoch ist. Da außerdem der Halbleiterchip im Vergleich zu den Abstrahlflächen an einem höheren Ort angeordnet ist, ergibt sich eine hohe Hitzebeständigkeit und unzureichende Wärmeabstrahleigenschaften.
JP-A-11-243165 zeigt einen Aufbau, der mit einem ringförmigen Kanal versehen ist, der einen schwalbenschwanzförmigen Querschnitt nahe einer Mitte zwischen einem Halbleiterchip und einer Wand innerhalb einer konkaven Trägerelektrode (Gehäuseelektrode) aufweist. Es ist anzunehmen, dass der Kanal nahe der Mitte zwischen dem Halbleiterchip und der Wand vorgesehen ist um zu verhindern, dass das in die konkave Trägerelektrode eingefüllte Harz von der Trägerelektrode getrennt wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitereinrichtung bereitzustellen die geeignet ist, Risse in einem Halbleiterchip zu verhindern, die durch Unterschiede bezüglich gegenseitiger, thermisch bedingter Deformation zwischen einer Gehäuseelektrode und einem Halbleiterchip, die durch ein Bondingmaterial elektrisch miteinander verbunden sind, verursacht werden, sowie den Verzug eines Bondingmaterials zu verringern und die Wärmeabstrahleigenschaften des Halbleiterchips zu verbessern.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Zur Lösung der oben beschriebenen Probleme stellt die vorliegende Erfindung eine Halbleitervorrichtung bereit mit einem Halbleiterchip, der durch ein Bondingmaterial auf einer oberen Fläche innerhalb einer Gehäuseelektrode gebondet ist und eine Anschlusselektrode, die auf einer oberen Fläche des Halbleiterchips durch ein Bondingmaterial gebondet ist mit einem Raum der Gehäuseelektrode, der mit einem Isoliermaterial zur Versiegelung der gebondeten Abschnitte gefüllt ist, wobei ein Kanal auf einer oberen Fläche der Gehäuseelektrode von einem Rand des Halbleiterchips vorgesehen ist, um auf diese Weise den Hitzeverzug zu verringern, der in hohem Maße aufgrund eines Unterschieds zwischen den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterchips und der Gehäuseelektrode an einem Ende des Bondingmaterials erzeugt wird und, um auf diese Weise die Lebensdauer in Bezug auf thermische Ermüdung zu verbessern.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt mit einer Anschlusselektrode zur Verbindung mit einem Anschluss, einer Gehäuseelektrode, die an einer Außenfläche einen konvexen Wandabschnitt aufweist, und einem Halbleiterchip mit Gleichrichterfunktion, der zwischen der Anschlusselektrode und der Gehäuseelektrode angeordnet ist und mit diesen durch ein Bondingmaterial verbunden ist, wobei die Gehäuseelektrode in einem Abschnitt zwischen einem Rand des Halbleiterchips und dem konvexen Wandabschnitt einen ersten Abschnitt, der dünner ist als die Dicke eines Abschnitts der Gehäuseelektrode, auf der der Halbleiterchip angeordnet ist, und einen zweiten Abschnitt aufweist, dessen Dicke größer ist als die des ersten Abschnitts, und der derart geformt ist, dass er eine Breite aufweist, die sich innerhalb eines Abstands vom Rand des Halbleiterchips erstreckt, der das Fünffache der Dicke des Bondingmaterials beträgt, durch das der Halbleiterchip an die Gehäuseelektrode gebondet ist.
Wenn ein Halbleiter eine polygonale Form aufweist, ist ein erster Abstand zwischen einem ersten Rand des Halbleiterchips und einem entsprechenden ersten Ende des ersten Abschnitts vorzugsweise kleikleiner als ein zweiter Abstand zwischen einem zweiten Rand des Halbleiterchips und einem entsprechenden zweiten Ende des ersten Abschnitts, und der zweite Abstand beträgt vorzugsweise nicht mehr als das Fünffache der Dicke des Bondingmaterials, durch das der Halbleiterchip an die Gehäuseelektrode gebondet ist.
Wenn der erste Abschnitt der Gehäuseelektrode, d. h. der Kanal, nicht vorgesehen ist und der Halbleiterchip durch das Bondingmaterial an die Gehäuseelektrode gebondet wird, steht das Bondingmaterial vom Rand des Halbleiterchips in Richtung des konvexen Wandabschnitts der Gehäuseelektrode ab, und die Bondinglänge zwischen dem Bondingmaterial und der Gehäuseelektrode wird vergrößert. Aus diesem Grund wird die durch die Gehäuseelektrode bewirkte thermische Deformation des Bondingmaterials vergrößert und der thermische Verzug des Bondingmaterials, der aufgrund der Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Halbleiterchip und der Gehäuseelektrode auftritt, wird vergrößert, insbesondere am Rand des Bondingmaterials.
Bei der Erfindung ist jedoch ein erster Abschnitt, d. h. ein Kanal, der sich vom Rand des Halbleiterchips erstreckt, vorgesehen. Daher kann das Bondingmaterial nicht vom Rand des Halbleiterchips in Richtung auf den konvexen Wandabschnitt hervorstehen und die Länge des Bondingmaterials beträgt infolgedessen die gleiche wie die der Gehäuseelektrode, sodass der durch die Gehäuseelektrode bewirkte thermische Verzug des Bondingmaterials klein ist und die Lebensdauer in Bezug auf thermische Ermüdung erhöht wird.
Außerdem kann der erste Abschnitt oder der Kanal Spannungen absorbieren, die auftreten können, wenn die Gehäuseelektrode mechanisch an einer Wärmeabstrahlplatte fixiert ist, und daher ist es möglich, Spannungen zu verringern, die auf den Halbleiterchip wirken.
Der Abschnitt der Gehäuseelektrode, auf die der Halbleiterchip platziert ist, ist vorzugsweise auf einer Ebene nicht höher als der konvexe Wandabschnitt angeordnet. Durch diese Struktur wird die Wärmeabstrahlleistung verbessert.
Die Breite des ersten Abschnitts beträgt vorzugsweise nicht weniger als 50% der Dicke des Bondingmaterials, durch das der Halbleiterchip an der Gehäuseelektrode gebondet ist.
Die Breite des ersten Abschnitts beträgt vorzugsweise nicht mehr als 90% des Abstands zwischen einer Position an der Gehäuseelektrode, die einem äußeren Rand des Halbleiterchips entspricht, welcher dem konvexen Wandabschnitt am nächsten gelegen ist, und dem konvexen Wandabschnitt.
Eine Tiefe des ersten Abschnitts der Gehäuseelektrode beträgt vorzugsweise nicht weniger als 30% der Dicke des Abschnitts der Gehäuseelektrode, auf dem der Halbleiterchip angeordnet ist.
Eine Höhe eines Teils des konvexen Wandabschnitts, der sich in Kontakt mit einer Wärmeabstrahlplatte befindet, die umfangsseitig der Halbleitervorrichtung angeordnet ist, beträgt vorzugsweise nicht mehr als eine Dicke der Wärmeabstrahlplatte.
Durch diese Struktur wird es ermöglicht zu verhindern, dass der Halbleiterchip durch äußeren Stoß oder Erschütterung aus der Wärmeabstrahlplatte herausfällt.
Vorzugsweise weist die Halbleitervorrichtung außerdem ein aus Weichgummimaterial hergestelltes Isoliermaterial auf, das in einen Abschnitt eingefüllt ist, der von dem konvexen Wandabschnitt der Gehäuseelektrode umschlossen ist.
Da die Steifigkeit des Isoliermaterials selbst gering ist, ist es möglich, Spannungen zu unterdrücken, die auf den Halbleiterchip wirken, und durch die eine Deformation der Gehäuseelektrode verursacht wird, wenn die Gehäuseelektrode mechanisch an der Wärmeabstrahlplatte fixiert ist.
Vorzugsweise enthält die Gehäuseelektrode Zirkon-Kupfer.
Das Zirkon-Kupfer weist eine höhere Streckgrenze als das reine Kupfer auf. Daher ist es möglich, einen Einfluss der Deformation der Gehäuseelektrode auf die Deformation des Halbleiterchips zu verringern, wenn die Gehäuseelektrode mechanisch an der Wärmeabstrahlplatte fixiert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung geschaffen mit: einer Anschlusselektrode zur Verbindung mit einem Anschluss; einem Halbleiterchip mit einer Gleichrichterfunktion, der auf der Anschlusselektrode durch eine Bondingschicht angeordnet ist; und einer Gehäuseelektrode, die durch ein Bondingmaterial unterhalb des Halbleiterchips angeordnet ist, wobei die Gehäuseelektrode einen konvexen Wandabschnitt, der die Gehäuseelektrode umfangseitig umschließt, einen innerhalb des konvexen Wandabschnitts ausgebildeten Abschnitt, auf dem der Halbleiterchip angeordnet ist, einen außerhalb des Abschnitts, auf dem der Halbleiterchip angeordnet ist, ausgebildeten ersten Abschnitt, dessen Dicke dünner ist als die Dicke des Abschnitts, auf dem der Halbleiterchip angeordnet ist, und einen zwischen dem ersten Abschnitt und dem konvexen Wandabschnitt ausgebildeten zweiten Abschnitt aufweist, dessen Dicke größer ist als die Dicke des ersten Abschnitts, wobei ein Abstand zwischen einem Rand des Halbleiterchips, der dem konvexen Wandabschnitt am nächsten liegt, und dem ersten Abschnitt nicht mehr als das Fünffache der Dicke der Bondingschicht beträgt, durch die der Halbleiterchip an die Gehäuseelektrode gebondet ist.
Kurze Beschreibung verschiedener Ansichten der Zeichnung
Fig. 1 ist eine senkrechte Schnittdarstellung eines Hauptteils eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung;
Fig. 2 ist eine Draufsicht des ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem die Form des Halbleiterchips kreisförmig ist;
Fig. 3 ist eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die Form des Halbleiterchips rechteckig ist;
Fig. 4 ist eine senkrechte Schnittdarstellung eines Hauptteils eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung;
Fig. 5 ist eine senkrechte Schnittdarstellung eines Hauptteils eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung;
Fig. 6 ist eine senkrechte Schnittdarstellung eines Hauptteils eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung;
Fig. 7 ist eine senkrechte Schnittdarstellung eines Hauptteils eines sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung;
Fig. 8 ist eine senkrechte Schnittdarstellung eines Hauptteils eines siebten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung; und
Fig. 9 ist eine Darstellung, die ein Verhältnis zwischen dem Produkt Tiefe mal Breite in mm eines auf der Gehäuseelektrode der Halbleitervorrichtung vorgesehenen Kanals und einem Verzugsbereich/maximalen Verzugsbereich bei Abkühlung in Relativwerten zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Bezug nehmend auf die Zeichnung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt und umfasst eine Anschlusselektrode 1 zur Verbindung mit einem Anschluss (nicht gezeigt), eine Gehäuseelektrode 5 mit einem konvexen Wandabschnitt 5d entlang des Umfangs der Gehäuseelektrode 5 und einen Halbleiterchip 3 mit Gleichrichterfunktion, der durch ein Bondingmaterial 2, 2a zwischen der Anschlusselektrode 1 und der Gehäuseelektrode 5 platziert ist. Die Gehäuseelektrode 5 beinhaltet in einem Abschnitt zwischen einem Rand 3a des Halbleiterchips 3 und dem konvexen Wandabschnitt 5d einen ersten Abschnitt 5b, der dünner ist als die Dicke eines Abschnitts der Gehäuseelektrode 5, auf der der Halbleiterchip 3 platziert ist, und einen zweiten Abschnitt 5c, dessen Dicke größer ist als die Dicke des ersten Abschnitts 5b. Der erste Abschnitt 5b ist derart ausgebildet, dass er sich innerhalb eines Abstands erstreckt, der das Fünffache der Dicke des Bondingmaterials 2a beträgt, durch das der Halbleiterchip 3 an die Gehäuseelektrode 5 gebondet ist, vom Rand 3a des Halbleiterchips 3. Zur Verbesserung der Wärmeabstrahlleistung ermöglicht es dieser Aufbau, dass der Halbleiterchip direkt durch das Bondingmaterial 2a mit der Gehäuseelektrode 5 ohne ein Zwischenteil verbunden ist. Normalerweise sind die Anschlusselektrode 1 aus einem Metall auf Kupfer- oder Eisenbasis hergestellt. Wenn diese Elektroden ausgebildet sind, beträgt der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient beispielsweise für ein Metall auf Kupferbasis 17 ppm/°C. Andererseits beträgt der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des Halbleiterchips 3 ppm/°C. Demnach ist ein großer Unterschied in Bezug auf die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterchip 3 und der Gehäuseelektrode 5 gegeben. Das Bondingmaterial 2a zwischen dem Halbleiterchip 3 und der Gehäuseelektrode 5 verformt sich zusammen mit der Gehäuseelektrode 5 auf einer Gehäuseelektrodenseite und verformt sich zusammen mit dem Halbleiterchip auf einer Halbleiterchipseite. Dementsprechend wird die Deformation des Bondingmaterials auf der Halbleiterchipseite durch den Halbleiterchip 3 unterdrückt, was einen großen Verzug an einem Ende des Bondingmaterials 2a verursacht. Wie oben beschrieben, beinhaltet die Gehäuseelektrode 5 in einem Abschnitt von der Position, an der der Halbleiterchip 3 an dem konvexen Wandabschnitt 5d angeordnet ist, den ersten Abschnitt 5b, der dünner ist als der Abschnitt, auf dem der Halbleiterchip 3 angeordnet ist, und den zweiten Abschnitt 5c, der dicker ist als der erste Abschnitt 5b. Daher ist es möglich, die Deformation des Bondingmaterials 2a zusammen mit der Gehäuseelektrode 5a zu verringern.
Außerdem ist, wie oben beschrieben, der erste Abschnitt 5b so ausgebildet, dass er sich innerhalb eines Abstands von dem Ende 3a des Halbleiterchips 3 erstreckt, der das Fünffache der Dicke des Bondingmaterials 2a beträgt, durch das der Halbleiterchip 3 an die Gehäuseelektrode 5 gebondet ist. Daher wird ein Unterschied zwischen den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterchips 3 und der Gehäuseelektrode 5 gering, selbst dann, wenn die Vorrichtung einem wiederholten Aufheizen und Abkühlen unterzogen wird. Wenn das Ende des ersten Abschnitts 5b nicht an der gleichen Stelle wie das Ende 3a des Halbleiterchips 3 angeordnet ist, steht das Bondingmaterial 2, wenn der Halbleiterchip durch das Bondingmaterial 2a an die Gehäuseelektrode gebondet ist, von dem Ende 3a des Halbleiterchips 3 ab und fließt in Richtung der Gehäuseelektrode 5, da die Gehäuseelektrode 5 länger ist als der Halbleiterchip 3. Da jedoch bei der vorliegenden Erfindung das Ende des ersten Abschnitts 5b an der gleichen Position wie das Ende 3a des Halbleiterchips 3 angeordnet ist, kann der Fluss des Bondingmaterials 2a unterdrückt werden. Dementsprechend ist es möglich, den Betrag an Deformation des Bondingmaterials 2a zusammen mit der Gehäuseelektrode zu verringern, und dies reduziert den thermischen Verzug an dem Ende des Bondingmaterials 2a und hierdurch wird die Lebensdauer in Bezug auf die thermische Ermüdung erhöht.
Außerdem verursacht die Deformation der Gehäuseelektrode 5 Spannungen an dem Halbleiterchip 3, wenn eine Umfangsfläche 5a der Gehäuseelektrode 5 und eine Wärmeabstrahlplatte 6 mechanisch miteinander verbunden werden. Zu diesem Zeitpunkt hat der erste Abschnitt 5b die Wirkung Einflüsse der Deformation der Gehäuseelektrode auf die Deformation des Halbleiterchips 3 zu absorbieren, und auf diese Weise kann die Spannung verringert werden.
Außerdem ist ein Abschnitt, in dem der Halbleiterchip 3 angeordnet ist, vorzugsweise an einer Position nicht höher als der konvexe Wandabschnitt 5d ausgebildet, und der Halbleiterchip 3 ist innerhalb der Dicke der Wärmeabstrahlplatte 6 angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt.
Durch diesen Aufbau ist es möglich, die Wärmeabstrahleigenschalten zu verbessern.
Ein von der konvexen Wand 5d der Gehäuseelektrode 5 umschlossener Abschnitt wird mit einem Isoliermaterial 4 gefüllt. Das Isoliermaterial 4 besteht aus Weichgummimaterial. Das Weichgummimaterial hat eine Steifigkeit von 1 bis 3 MPa bei Normaltemperatur von 25°C und selbst bei höheren Temperaturen (200°C) beträgt die Steifigkeit 2 bis 4 MPa. Dies bedeutet, dass die physikalischen Eigenschaften des Weichgummimaterials sich selbst bei höheren Temperaturen nicht verschlechtern und das Material einer dauerhaften Verwendung standhält. Außerdem hat das Isoliermaterial selbst eine geringe Steifigkeit. Wenn die Umfangsfläche 5a der Gehäuseelektrode 5 und die Wärmeabstrahlplatte 6 mechanisch fest miteinander verbunden werden, wird die Deformation der Gehäuseelektrode 5 durch das Isoliermaterial 4 auf den Halbleiterchip 3 übertragen. Da jedoch das Isoliermaterial 4 aus Weichgummimaterial, wie oben beschrieben, eine geringe Steifigkeit aufweist ist es möglich, Spannungen zu reduzieren, die durch das Isoliermaterial 4 aufgrund der Deformation der Gehäuseelektrode 5 auf den Halbleiterchip 3 aufgebracht werden. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass organisches Gummi, wie z. B. Harz, das bei normalen Temperaturen eine höhere mechanische Festigkeit aufweist als das Weichgummimaterial, wie z. B. Siliciumgummi, bei höheren Temperaturen (150 bis 200°C oder höher) häufig seine Festigkeit verliert, kann zudem die Lebensdauer des Isoliermaterials im Vergleich zu Harz durch die Verwendung des Weichgummimaterials erhöht werden.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein erster Abstand d1 zwischen dem ersten Ende 3a des Halbleiterchips 3 und einem entsprechenden ersten Ende 5e des ersten Abschnitts 5b kleiner als ein zweiter Abstand d2 zwischen einem zweiten Ende 3a' des Halbleiterchips 3a und einem entsprechenden zweiten Ende 5f des ersten Abschnitt 5b. Der zweite Abstand d2 liegt im Bereich der fünffachen Dicke des Bondingmaterials 2a, durch das der Chip 3 an die Gehäuseelektrode 5 gebondet ist. Das erste Ende 3a kann einen Punkt darstellen, an dem der Abstand von einem Ende des Halbleiterchips zum anderen am längsten ist. Die Form des Halbleiterchips 3 kann anstatt rund oder rechteckig auch polygonal sein. Der Betrag an Deformation des Bondingmaterials 2, das zusammen mit der Gehäuseelektrode 5 deformiert wird, ist proportional zu einem Abschnitt des Bondingmaterials 2, der mit der Gehäuseelektrode 5 in Kontakt befindlich ist. Das Vorsehen eines Kanals, der dem ersten Abschnitt 5b entspricht, an einer Stelle, wo der Abschnitt des mit der Gehäuseelektrode 5 in Kontakt befindlichen Bondingmaterials 2 erheblich verringert werden kann unter gleichzeitiger Beibehaltung der elektrischen Eigenschaften beizubehalten ermöglicht es, einen Großteil der erfindungsgemäßen Wirkung zu erzielen.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ist, wie in Fig. 4 gezeigt, ein Zwischenteil 8, das einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem des Halbleiterchips 3 und dem der Gehäuseelektrode 5 liegt, zwischen dem Halbleiterchip 3 und der Gehäuseelektrode 5eingefügt. Das Zwischenteil 8 kann einen dreilagigen Aufbau aus Kupfer/Eisenlegierung/Kupfer aufweisen. Mit diesem Aufbau können auf das Bondingmaterial 2a und den Halbleiterchip 3 aufgebrachte mechanische Spannungen verringert und die Rissbildung innerhalb des Halbleiterchips 3 verhindert werden. Das Isoliermaterial 4 versiegelt die Anschlusselektrode 1, das Bondingmaterial 2 zwischen der Anschlusselektrode 1 und dem Chip 3, den Halbleiterchip 3, das Bondingmaterial 2a zwischen dem Halbleiterchip 3 und dem Zwischenteil 8, das Zwischenteil 8, ein Bondingmaterial 2b zwischen dem Zwischenteil 8 und der Gehäuseelektrode 5 und die Gehäuseelektrode 5. Das Isoliermaterial 4 besteht aus einem Weichgummimaterial. Zur Verringerung des thermischen Verzugs, der durch einen Unterschied der linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Zwischenteils 8 und der Gehäuseelektrode 5 verursacht wird, weist die Gehäuseelektrode 5, wie beim Beispiel der ersten Ausführungsform, in einem Abschnitt von einer Position, an der der Halbleiterchip 3 an dem konvexen Wandabschnitt 5d angeordnet ist, den ersten Abschnitt 5b auf, der dünner ist als die Dicke des Abschnitts der Gehäuseelektrode 5, auf der der Halbleiterchip 3 angeordnet ist, und den zweiten Abschnitt 5c, der dicker ist als der erste Abschnitt 5b. Der erste Abschnitt 5b ist derart ausgebildet, dass er sich innerhalb eines Abstands von einem Ende des Halbleiterchips 3 erstreckt, der das Fünffache der Dicke des Bondingmaterials 2b beträgt, durch das das Zwischenteil 8 an die Gehäuseelektrode 5 gebondet ist.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung, das in Fig. 5 gezeigt ist, ist eine Metallplatte 9 zwischen einer Anschlusselektrode 1 und dem Halbleiterchip 3vorgesehen. Die Metallplatte 9 besteht aus Invar (35% Nickel-Eisen- Legierung) und weist eine Dicke auf, die nicht weniger als 50% der Dicke des Halbleiterchips 3 beträgt, um auf den Halbleiterchip 3 aufgebrachte Spannungen zu verringern, die durch einen Unterschied der linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bedingt sind. Das Invar hat einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1,5 ppm/°C während der Halbleiterchip einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3 ppm/°C aufweist, der größer ist als der der Metallplatte 9. Eine Erhöhung der Dicke der Metallplatte 9 auf eine größere Dicke als die des Halbleiterchips 3, ermöglicht es, die Unterschiede bezüglich der linearen thermischen Ausdehnung zu verringern. Außerdem ermöglicht eine Erhöhung der Dicke der Metallplatte 9 die Fähigkeit, eine Deformation des Chips zu unterdrücken und daher kann davon ausgegangen werden, dass auf den Halbleiterchip wirkende Spannungen ebenfalls verringert werden. Da außerdem der Halbleiterchip 3 direkt mit der Gehäuseelektrode 5 verbunden ist, weist dieses Teil hervorragende Wärmeabstrahleigenschaften auf.
Zur Verringerung des thermischen Verzugs, der durch einen Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterchip 3 und der Gehäuseelektrode 5 verursacht wird, weist die Gehäuseelektrode 5 wie beim ersten Ausführungsbeispiel in einem Abschnitt von einer Stelle, an der der Halbleiterchip 3 an dem konvexen Gehäusewandabschnitt 5d angeordnet ist, einen ersten Abschnitt 5b auf, der dünner ist als die Dicke des Abschnitts der Gehäuseelektrode 5, auf dem der Halbleiterchip angeordnet ist, sowie den zweiten Abschnitt 5c, der dicker ist als der erste Abschnitt 5b.
Der erste Abschnitt 5b ist so ausgebildet, dass er sich innerhalb einer Entfernung von einem Ende des Halbleiterchips 3 erstreckt, die das Fünffache der Dicke des Bondingmaterials 2b beträgt, durch das das Zwischenteil 8 an die Gehäuseelektrode 5 gebondet ist.
Bei einem in Fig. 6 gezeigten, fünften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung sind die Gehäuseelektrode 5 und die Wärmeabstrahlplatte 6 durch das Bondingmaterial 2 fest miteinander verbunden. Im Vergleich zu der Anordnung, bei der die Gehäuseelektrode 5 unter Verwendung eines Presspassungssystems in einem Loch der Wärmeabstrahlplatte 6 fixiert ist, das einen kleineren Durchmesser als das der Gehäuseelektrode 5 aufweist, wird davon ausgegangen, dass die auf die Gehäuseelektrode 5 aufgebrachten Spannungen verringert werden.
Ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung, das in Fig. 7 gezeigt wird, ähnelt dem ersten Ausführungsbeispiel. Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel ist eine Höhe Hb der mit der Wärmeabstrahlplatte 6 in Kontakt befindlichen konvexen Wand 5d nicht größer als eine Dicke Ha der Wärmeabstrahlplatte 6, die auf einer Umfangsseite der Gehäuseelektrode 5 angeordnet ist. Mit diesem Aufbau kann, wenn die Halbleitervorrichtung innerhalb eines Maschinenraums eines Kraftfahrzeugs montiert ist, verhindert werden, dass die an der Wärmeabstrahlplatte 6 befestigte Gehäuseelektrode aufgrund externer Stöße, Erschütterungen etc. herausspringt.
Ein in Fig. 8 gezeigtes, siebtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ist ähnlich dem sechsten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Das siebte Ausführungsbeispiel umfasst eine aus Zirkon-Kupfer hergestellte Gehäuseelektrode 5. Normalerweise weist Zirkon-Kupfer eine Streckgrenze von 427 MPa auf, die mehr als das Doppelte der Streckgrenze von reinem Kupfer von 207 MPa beträgt. Aus diesem Grund ist es möglich, einen durch die Deformation der Gehäuseelektrode 5 verursachten Einfluss auf die Deformation des Halbleiterchips 3 zu verringern, wenn die Umfangsfläche 5a der Gehäuseelektrode 5 und der Wärmeabstrahlplatte 6 durch ein Presspassungssystem mechanisch fest miteinander verbunden werden.
Die in Fig. 9 gezeigte Darstellung zeigt das durch numerische Berechnung ermittelte Verhältnis zwischen dem Produkt Breite x Tiefe des ersten Abschnitts, der einen auf der Gehäuseelektrode 5 vorgesehenen Kanal darstellt, und einem Verzugsbereich/maximalen Verzugsbereich bei einer vorbestimmten Temperatur.
Bezug nehmend auf die Fig. 1 und 9 beträgt die Breite W eines Kanals nicht weniger als 50% der Dicke T des Bondingmaterials 2a, durch das der Chip 3 an die Gehäuseelektrode 5 gebondet ist. Durch die Ausbildung des Kanals kann die Steifigkeit und die Stromleitungsleistung der Gehäuseelektrode 5 beeinträchtigt werden, und daher ist es notwendig, die Breite W des Kanals quantitativ zu bestimmen. Die Breite W des Kanals, von der eine erhebliche Wirkung des Kanals erwartet wird, beträgt nichtweniger als die zweifache Dicke T des Bondingmaterials 2a und nicht mehr als 50% des Abstands d3, der den Abstand von einer Stelle der Gehäuseelektrode 5, die dem äußeren Ende 3a des Halbleiterchips 3 entspricht, das der konvexen Wand 5d am nächsten liegt, bis zu der konvexen Wand 5d darstellt.
Außerdem beträgt die Breite gemäß der Stelle des Kanals nicht mehr als 90% des Abstands d3 von der Stelle der Gehäuseelektrode 5, die einem äußeren Ende 3a des Halbleiterchips 3 entspricht, das der konvexen Wand 5d am nächsten liegt. Dies ermöglicht es ebenfalls, die Breite gemäß der Stelle des Kanals zu begrenzen und die Wirkung des Kanals zu verbessern.
Die Tiefe T3 des Kanals, die die Dicke T3 des ersten Abschnitts 5a von einer Ebene, auf der der Halbleiterchip 3 montiert ist, bis zum Boden darstellt, ist nicht kleiner als 25% der Dicke T1 des Abschnitts der Gehäuseelektrode, auf dem der Halbleiterchip 3 montiert ist und beträgt nicht mehr als 50% der Dicke T1.
Wie der in Fig. 9 gezeigten Darstellung entnommen werden kann, kann eine ausreichende Wirkung erhalten werden, wenn die Breite und die Tiefe des Kanals 2T und 0,25 T1 betragen. Eine höhere Breite und Tiefe als diese Werte ergeben keinen signifikanten Unterschied.
Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die es ermöglicht, Rissbildung in dem Halbleiterchip zu verhindern, die durch einen Unterschied in der gegenseitigen thermischen Deformation zwischen einer Gehäuseelektrode und einem Halbleiterchip verursacht werden, die elektrisch miteinander durch ein Bondingmaterial verbunden sind. Zudem kann die Wärmeabstrahlleistung des Halbleiterchips verbessert werden.

Claims

1. Halbleitervorrichtung mit
einer Anschlusselektrode (1) zur Verbindung mit einem Anschluss;
einer Gehäuseelektrode (5) mit einem konvexen Wandabschnitt (5d) an einer Außenfläche der Gehäuseelektrode (5) und
einem Halbleiterchip (3) mit Gleichrichterfunktion, der zwischen der Anschlusselektrode (1) und der Gehäuseelektrode (5) angeordnet ist und an diese durch ein Bondingmaterial (2, 2a) gebondet ist,
wobei die Gehäuseelektrode (5) in einem Abschnitt zwischen einem Rand (3a) des Halbleiterchips (3) und dem konvexen Wandabschnitt (5d) einen ersten Abschnitt (5b) aufweist, der dünner ist als die Dicke eines Abschnitts der Gehäuseelektrode (5), auf der der Halbleiterchip(3) angeordnet ist, und einen zweiten Abschnitt (5c), dessen Dicke größer ist als die des ersten Abschnitts (5b), und
der erste Abschnitt (5b) derart ausgebildet ist, dass er eine Breite aufweist, die sich innerhalb eines Abstands vom Rand (3a) des Halbleiterchips (3) erstreckt, der das Fünffache der Dicke des Bondingmaterials (2, 2a) beträgt, durch das der Halbleiterchip (3) an die Gehäuseelektrode (5) gebondet ist.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Abstand d1 zwischen einem ersten Rand (3a) des Halbleiterchips (3) und einem entsprechenden ersten Ende (5e) des ersten Abschnitts (5b) kleiner ist als ein zweiter Abstand d2 zwischen einem zweiten Rand des Halbleiterchips (3) und einem entsprechenden zweiten Ende (5f) des ersten Abschnitts (5b), und der zweite Abstand d2 nicht mehr als das Fünffache der Dicke des Bondingmaterials (2, 2a) beträgt, durch das der Halbleiterchip (3) an die Gehäuseelektrode (5) gebondet ist.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt der Gehäuseelektrode, auf dem der Halbleiterchip platziert ist, auf einer Ebene angeordnet ist, die nicht höher als der konvexe Wandabschnitt (5d) liegt.

4. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite W des ersten Abschnitts (5b) nicht weniger als 50% der Dicke T des Bondingmaterials (2a) beträgt, durch das der Halbleiterchip (3) an die Gehäuseelektrode (5) gebondet ist.

5. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite W des ersten Abschnitts (5b) nicht mehr als 90% eines Abstands von einer Stelle der Gehäuseelektrode (5) beträgt, die einem äußeren Rand (3a) des Halbleiterchips (3) entspricht, der dem konvexen Wandabschnitt (5d) am nächsten liegt, hin zu dem konvexen Wandabschnitt (5d).

6. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe des ersten Abschnitts (5b) der Gehäuseelektrode (5) nicht weniger als 30% der Dicke des Abschnitts der Gehäuseelektrode (5) beträgt, auf dem der Halbleiterchip (3) angeordnet ist.

7. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe eines Teils des konvexen Wandabschnitt (3d), der mit einer Wärmeabstrahlplatte (6) in Kontakt befindlich ist, die umfangsseitig der Halbleitervorrichtung angeordnet ist, nicht mehr als eine Dicke der Wärmeabstrahlplatte (6) beträgt.

8. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isoliermaterial (4) in einen von dem konvexen Wandabschnitt (5d) der Gehäuseelektrode (5) umschlossenen Abschnitt eingefüllt ist, wobei das Isoliermaterial (4) aus einem Weichgummimaterial besteht.

9. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseelektrode (5) Zirkon-Kupfer enthält.

10. Halbleitervorrichtung mit:
einer Anschlusselektrode (1) zur Verbindung mit einem Anschluss,
einem Halbleiterchip (3) mit Gleichrichterfunktion, der auf der Anschlusselektrode (1) durch einen Bondingschicht (2, 2a) angeordnet ist, und
eine Gehäuseelektrode (5), die unterhalb des Halbleiterchips (3) durch ein Bondingmaterial (2, 2a) angeordnet ist,
wobei die Gehäuseelektrode (5)
einen konvexen Wandabschnitt (5d), der die Gehäuseelektrode (5) umfangsseitig umschließt,
einen innerhalb des konvexen Wandabschnitts(5d) ausgebildeten Abschnitt, auf dem der Halbleiterchip (3) angeordnet ist, einen außerhalb des Abschnitts, auf dem der Halbleiterchip (3) angeordnet ist, ausgebildeten ersten Abschnitt (5b), dessen Dicke geringer ist als die des Abschnitts, auf dem der Halbleiterchip (3) angeordnet ist, und
einen zweiten Abschnitt (5c) aufweist, der zwischen dem ersten Abschnitt (5b) und dem konvexen Wandabschnitt (5d) ausgebildet ist, und dessen Dicke größer ist als die Dicke des ersten Abschnitts (5b),
wobei ein Abstand zwischen einem Rand (3a) des Halbleiterchips (3), der am nächsten zu dem konvexen Wandabschnitt (5d) gelegen ist, und dem ersten Abschnitt (5b) nicht mehr als das Fünffache einer Dicke der Bondingschicht (2a) beträgt, durch die der Halbleiterchip (3) an die Gehäuseelektrode (5) gebondet ist.