DE10340837A1 - Einheit geringer Ausdehnung, Herstellungsverfahren dafür und damit versehener Halbleiter - Google Patents

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Abstract

Eine Einheit geringer Ausdehnung (8) umfasst ein Blechbauteil (9), das auf einer und/oder in einer oberen und unteren Oberflächenschicht jeweils eine Eisen-Nickel-Schicht (10) hat. Während das Blechbauteil (9) einen verhältnismäßig großen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, haben die auf den und/oder in den oberen und unteren Oberflächenschichten des Blechbauteils (9) ausgebildeten Eisen-Nickel-Schichten (10) einen verhältnismäßig kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Einheit geringer Ausdehnung (8) insgesamt auf einen verhältnismäßig kleinen Wert beschränkt ist. Davon abgesehen enthält das Blechbauteil (9) reines Eisen, dessen Wärmeleitfähigkeit verhältnismäßig hoch ist und sind gleichzeitig die Eisen-Nickel-Schichten (10) verhältnismäßig dünn, so dass die Einheit geringer Ausdehnung (8) in ihrer Dickenrichtung eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit hat.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einheit geringer Ausdehnung und insbesondere eine Einheit geringer Ausdehnung, die als Heat-Spreader (Wärmeableitblech) für eine Halbleitervorrichtung genutzt werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Herstellungsverfahren für eine solche Einheit geringer Ausdehnung und eine mit der Einheit geringer Ausdehnung versehene Halbleitervorrichtung.
  • In 4 ist eine herkömmliche Halbleitervorrichtung gezeigt. Bei dieser Vorrichtung ist auf der Oberfläche eines Substrates 1 aus Aluminium eine Isolierschicht 2 ausgebildet. Ein Halbleiterbauelement 4 ist mittels eines Lots 3 mit einer (nicht gezeigten) Verdrahtungsschicht verbunden, die auf der Oberfläche der Isolierschicht 2 ausgebildet ist.
  • Die von dem Halbleiterbauelement 4 erzeugte Wärme wird über die Isolierschicht 2 zu dem Substrat 1 übertragen. Da das Substrat 1 aus Aluminium besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit relativ hoch ist, wird die Wärme effizient von dem Substrat 1 nach außen abgestrahlt.
  • Bei dem obigen Aufbau hat das in dem Halbleiterbauelement 4 verwendete Halbleitermaterial, etwa Silizium, einen verhältnismäßig kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten, während das in dem Substrat 1 verwendete Aluminium einen verhältnismäßig großen Ausdehnungskoeffizienten hat. Daher entsteht zwischen dem Substrat 1 und dem Halbleiterbauelement 4 infolge einer Temperaturänderung eine thermische Belastung. Diese thermische Belastung kann dazu führen, dass sich die Halbleitervorrichtung 4 verzieht und dass das Lot, das zur Verbindung des Halb- 1eiterbauelements 4 mit der Isolierschicht 2 verwendet wird, reißt.
  • Um die thermische Belastung abzubauen, wird beispielsweise in einer Halbleitervorrichtung, die in einem Fahrzeug verwendet wird, in dem der Temperaturunterschied äußerst hoch ist, zwischen dem Halbleiterbauelement 4 und der Isolierschicht 2 wie in 5 gezeigt ein Heat-Spreader 5 eingebaut.
  • Wie in 6 dargestellt ist, entspricht der Heat-Spreader 5 einem Verbundmaterial, in dem ein Blech 6 aus Invar auf beiden Seiten von zumindest einem Kupfermaterial 7 bedeckt ist. Die japanischen Gebrauchsmusterschriften Nr. 63-20448 und 63-20449 offenbaren solche Heat-Spreader. Invar ist eine Legierung, deren Wärmeausdehnungskoeffizient äußerst gering ist. Daher dehnt sich das Blech 6 bei normaler Temperatur kaum aus. Bei Aufbringung des Halbleiterbauelements 4 auf dem Heat-Spreader 5 wird demzufolge die thermische Belastung abgebaut.
  • In dem in 6 gezeigten Heat-Spreader 5 hat das aus Invar bestehende Blech 6 eine verhältnismäßig geringe Wärmeleitfähigkeit von etwa 10 W/mK. Obwohl das Kupfermaterial 7 eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit hat, ist daher die Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung des Heat-Spreaders 5, die sich durch beidseitiges Bedecken des Blechs 6 mit dem Kupfermaterial 7 ergibt, mit etwa 30 W/mK verhältnismäßig gering. Aufgrund dieser verhältnismäßig geringen Wärmeleitfähigkeit reduziert sich das Abstrahlvermögen des Heat-Spreaders 5. Außerdem ist das für den Heat-Spreader 5 verwendete Verbundmaterial verhältnismäßig teuer.
  • Die Erfindung befasst sich mit einer Einheit geringer Ausdehnung, deren Kosten trotz verhältnismäßig hoher Wärmeleitfähigkeit verhältnismäßig gering sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Herstellungsverfahren für diese Einheit geringer Ausdehnung und eine mit der Einheit geringer Ausdehnung versehene Halbleitervorrichtung.
  • Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Einheit geringer Ausdehnung ein Blechbauteil und eine Eisen-Nickel-Schicht. Das Blechbauteil besteht aus einem Eisengruppenmaterial und hat eine Oberflächenschicht, auf der und/oder in der die Eisen-Nickel-Schicht ausgebildet ist.
  • Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet das Verfahren zur Herstellung der Einheit geringer Ausdehnung die Schritte: Anfertigen eines Blechbauteils aus einem Eisengruppenmaterial, Ausbilden einer Nickelschicht auf einer Seite des Blechbauteils und Ausbilden einer Eisen-Nickel-Schicht auf einer und/oder in einer Oberflächenschicht des Blechbauteils, indem nach dem Ausbilden der Nickelschicht durch eine Wärmebehandlung Nickel in der Nickelschicht innerhalb des Blechbauteils diffundieren gelassen wird.
  • Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet das Verfahren zur Herstellung der Einheit geringer Ausdehnung die Schritte: Anfertigen eines Blechbauteils aus einem Eisengruppenmaterial und Ausbilden einer Eisen-Nickel-Schicht auf einer und/oder in einer Oberflächenschicht des Blechbauteils, indem gleichzeitig Eisen und Nickel auf einer Seite des Blechbauteils aufgestäubt bzw. aufgesputtert werden.
  • Gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Halbleitervorrichtung eine Einheit geringer Ausdehnung und ein Halbleiterbauelement, wobei die Einheit geringer Ausdehnung ein Blechbauteil und eine Eisen-Nickel-Schicht umfasst. Das Blechbauteil besteht aus einem Eisengruppenmaterial und hat eine Oberflächenschicht, auf der und/oder in der die Eisen-Nickel-Schicht ausgebildet ist. Das Halbleiterbauelement ist mit einer Seite der Einheit geringer Ausdehnung verbunden.
  • Gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Halbleitervorrichtung eine Einheit geringer Ausdehnung, ein Halbleiterbauelement, eine Isolierschicht und ein Substrat, wobei die Einheit geringer Ausdehnung ein Blechbauteil, eine erste Eisen-Nickel-Schicht und eine zweite Eisen-Nickel-Schicht umfasst. Das Blechbauteil besteht aus einem Eisengruppenmaterial und hat an seinen abgewandten Seiten eine erste Oberflächenschicht und eine zweite Oberflächenschicht. Die erste Eisen-Nickel-Schicht ist auf der und/oder in der ersten Oberflächenschicht ausgebildet, während die zweite Eisen-Nickel-Schicht auf der und/oder in der zweiten Oberflächenschicht ausgebildet ist. Das Halbleiterbauelement ist mittels eines Lots mit der ersten Eisen-Nickel-Schicht verbunden, während die auf dem Substrat ausgebildete Isolierschicht mittels eines Lots mit der zweiten Eisen-Nickel-Schicht verbunden ist.
  • Ein genaueres Verständnis der Erfindung und ihrer Aufgaben und Vorteile ergibt sich aus der folgenden Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsbeispiele, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 in Schnittansicht eine Einheit geringer Ausdehnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2A und 2B in Schnittansicht Verfahrensschritte in einem Herstellungsverfahren für eine Einheit geringer Ausdehnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 3 in Schnittansicht eine Halbleitervorrichtung mit einer Einheit geringer Ausdehnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 4 in Schnittansicht eine herkömmliche Halbleitervorrichtung;
  • 5 in Schnittansicht eine weitere herkömmliche Halbleitervorrichtung; und
  • 6 vergrößert in Schnittansicht die herkömmliche Halbleitervorrichtung von 5.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird nun eine Einheit geringer Ausdehnung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. 1 zeigt in Schnittansicht eine Einheit geringer Ausdehnung 8, die ein Blechbauteil 9 und eine Eisen-Nickel-Schicht 10 umfasst. Die obere und untere Oberflächenschicht des Blechbauteils 9 weist jeweils auf sich und/oder in sich die Eisen-Nickel-Schicht 10 auf.
  • Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel hat das Blechbauteil 9 zwar einen verhältnismäßig großen Wärmeausdehnungskoeffizienten, doch haben die Eisen-Nickel-Schichten 10, die auf den und/oder in den oberen und unteren Oberflächenschichten des Blechbauteils 9 ausgebildet sind, einen verhältnismäßig geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Daher ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Einheit geringer Ausdehnung 8 insgesamt auf einen verhältnismäßig kleinen Wert beschränkt.
  • Davon abgesehen enthält das Blechbauteil 9 reines Eisen, dessen Wärmeleitfähigkeit verhältnismäßig hoch ist, so dass die Wärmeleitfähigkeit bei diesem Ausführungsbeispiel etwa 80 W/mK beträgt. Gleichzeitig sind die Eisen-Nickel-Schichten 10, die auf dem Blechbauteil 9 ausgebildet sind, verhältnismäßig dünn. Daher hat die Einheit geringer Ausdehnung 8 in ihrer Dickenrichtung eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit.
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 2A und 28 ein Herstellungsverfahren für eine Einheit geringer Ausdehnung 8 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel bezeichnen Bezugszahlen, die mit dem ersten Ausführungsbeispiel übereinstimmen, gleiche oder sich entsprechende Bauteile und wird auf die Beschreibung verzichtet, soweit sie sich deckt. Wie sich aus 2A ergibt, werden die obere und untere Seite des Blechbauteils 9 aus reinem Eisen vernickelt. Dadurch wird auf der und/oder in der Ober- und Unterseite des Blechbauteils 9 eine Nickelschicht 11 ausgebildet.
  • Anschließend wird, wie in 2B gezeigt ist, das Nickel in der Nickelschicht 11 durch eine Wärmebehandlung innerhalb des Blechbauteils 9 diffundieren gelassen. Dadurch wird auf einer und/oder in einer Oberflächenschicht des Blechbauteils 9 eine Eisen-Nickel-Schicht gebildet. Auf diese Weise wird die in 1 gezeigte Einheit geringer Ausdehnung 8 erzielt, die auf ihrer und/oder in ihrer oberen bzw. unteren Oberflächenschicht eine Eisen-Nickel-Schicht 10 aufweist.
  • Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das reine Eisen, das als Hauptausgangsmaterial für die Einheit geringer Ausdehnung 8 verwendet wird, verhältnismäßig preiswert. Außerdem lässt sich die Einheit geringer Ausdehnung 8 verhältnismäßig einfach durch Wärmebehandlung des vernickelten Blechbauteils 9 herstellen. Die Einheit geringer Ausdehnung 8 lässt sich daher zu einem äußerst geringen Preis herstellen.
  • Da die Dichte des Nickels nahe der Oberfläche der Einheit geringer Ausdehnung 8 verhältnismäßig hoch ist, lässt sich außerdem die Lotbenetzung verbessern. Dadurch, dass die Oberfläche der Einheit geringer Ausdehnung 8 mit Nickel bedeckt ist, wird außerdem eine Oxidation des Blechbauteils 9 verhindert.
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird nun eine Halbleitervorrichtung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Bei dem dritten Ausführungsbeispiel bezeichnen die Bezugszahlen, die mit dem ersten Ausführungsbeispiel übereinstimmen, gleiche oder sich entsprechende Bauteile und wird auf die Beschreibung verzichtet, soweit sie sich deckt. Wie sich aus 3 ergibt, weist die Halbleitervorrichtung eine Einheit geringer Ausdehnung 8 auf, die als Heat-Spreader verwendet wird. Auf einer Seite eines aus Aluminium bestehenden Substrates 1 ist eine Isolierschicht 2 ausgebildet. Die untere Eisen-Nickel-Schicht 10 der Einheit geringer Ausdehnung 8 ist mittels eines Lots 3 mit einer in 3 nicht gezeigten Verdrahtungsschicht verbunden, die auf der Oberfläche der Isolierschicht 2 ausgebildet ist. Außerdem ist das Halbleiterbauelement 4 mittels eines Lots 3 mit der oberen Eisen-Nickel-Schicht 10 der Einheit geringer Ausdehnung 8 verbunden.
  • In dem dritten Ausführungsbeispiel hat das Blechbauteil 9 der Einheit geringer Ausdehnung 8 eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit. Die von dem Halbleiterbauelement 4 erzeugte Wärme wird zu der oberen Eisen-Nickel-Schicht 10 der Einheit geringer Ausdehnung 8 übertragen, die mittels des Lots 3 mit dem Halbleiterbauelement 4 verbunden ist. Anschließend wird die Wärme über das in der Mitte der Einheit geringer Ausdehnung 8 befindliche Blechbauteil 9 zu der unteren Eisen-Nickel-Schicht 10 der Einheit geringer Ausdehnung 8 übertragen. Des Weiteren wird die Wärme dann über die Isolierschicht 2, die mittels des Lots 3 mit der unteren Eisen-Nickel-Schicht 10 der Einheit geringer Ausdehnung 8 verbunden ist, zu dem Substrat 1 übertragen. Da das Substrat 1 aus Aluminium besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit verhältnismäßig hoch ist, wird die Wärme effizient von dem Substrat 1 nach außen abgestrahlt.
  • Bei der vorliegenden Erfindung sind wahlweise auch die folgenden Ausführungsbeispiele möglich.
  • In dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel wird die Nickelschicht 11 der Einheit geringer Ausdehnung 8 ausgebildet, indem die Einheit geringer Ausdehnung 8 vernickelt wird. Wahlweise kann die Nickelschicht 11 der Einheit geringer Ausdehnung 8 aber auch durch entweder Flammspritzen, Gießen oder Aufstäuben (Sputtern) ausgebildet werden, anstatt die Einheit geringer Ausdehnung 8 zu vernickeln.
  • Wahlweise kann die Eisen-Nickel-Schicht 10 auf der und/oder in der Oberflächenschicht des Blechbauteils 9 auch ausgebildet werden, indem gleichzeitig Eisen und Nickel auf die Oberfläche des Blechbauteils 9 aufgestäubt werden. Dadurch wird ebenfalls die in 1 gezeigte Einheit geringer Ausdehnung 8 erzielt.
  • Bei dem oben beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel wird die Einheit geringer Ausdehnung 8 als Heat-Spreader für die Halbleitervorrichtung genutzt. Wahlweise kann die Einheit geringer Ausdehnung 8 aber auch als Substrat für die Halbleitervorrichtung genutzt werden, anstatt als Heat-Spreader für die Halbleitervorrichtung genutzt zu werden.
  • Bei sämtlichen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird für das reine, das Blechbauteil 9 bildende Eisen Elektrolyteisen oder weichmagnetisches Eisen verwendet. Angesichts der besseren Verfügbarkeit ist die Verwendung weichmagnetischen Eisens vorzuziehen.
  • Bei sämtlichen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht das Blechbauteil 9 aus reinem Eisen. Allerdings ist das Blechbauteil 9 nicht auf ein Blechbauteil 9 aus reinem Eisen beschränkt. Wahlweise kann das Blechbauteil 9 auch aus einem Eisengruppenmaterial wie beruhigtem Stahl oder Weichstahl bestehen. Dabei ist zu beachten, dass die Wärmeleitfähigkeit des Eisengruppenmaterials vorzugsweise in einem Bereich von etwa 60 W/mK bis etwa 80 W/mK liegen sollte. Insbesondere in Anbetracht der Wärmeleitfähigkeit ist die Verwendung reinen Eisens mit einer Wärmeleitfähigkeit von 80 W/mK vorzuziehen.
  • Die oben genannten Ausführungsbeispiele dienen nur der Veranschaulichung und können im Rahmen der Patentansprüche abgewandelt werden.

Claims (22)

  1. Einheit geringer Ausdehnung (8), gekennzeichnet durch ein Blechbauteil (9) und eine Eisen-Nickel-Schicht (10), wobei das Blechbauteil (9) aus einem Eisengruppenmaterial besteht und eine Oberflächenschicht hat und die Eisen-Nickel-Schicht (10) auf der und/oder in der Oberflächenschicht ausgebildet ist.
  2. Einheit geringer Ausdehnung (8) nach Anspruch 1, bei der das Eisengruppenmaterial reines Eisen ist.
  3. Einheit geringer Ausdehnung (8) nach Anspruch 2, bei der das reine Eisen Elektrolyteisen ist.
  4. Einheit geringer Ausdehnung (8) nach Anspruch 2, bei der das reine Eisen weichmagnetisches Eisen ist.
  5. Einheit geringer Ausdehnung (8) nach Anspruch 1, bei der das Eisengruppenmaterial beruhigter Stahl ist.
  6. Einheit geringer Ausdehnung (8) nach Anspruch 1, bei der das Eisengruppenmaterial Weichstahl ist.
  7. Einheit geringer Ausdehnung (8) nach Anspruch 1, bei der das Eisengruppenmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 60 W/mK bis etwa 80 W/mK hat.
  8. Einheit geringer Ausdehnung (8) nach Anspruch 7, bei der die Wärmeleitfähigkeit etwa 80 W/mK beträgt.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Einheit geringer Ausdehnung (8), mit den Schritten: Anfertigen eines Blechbauteils (9) aus einem Eisengruppenmaterial; Ausbilden einer Nickelschicht (11) auf einer Seite des Blechbauteils (9); und Ausbilden einer Eisen-Nickel-Schicht (10) auf einer und/oder in einer Oberflächenschicht des Blechbauteils (9), indem nach dem Ausbilden der Nickelschicht durch eine Wärmebehandlung Nickel in der Nickelschicht (11) innerhalb des Blechbauteils (9) diffundieren gelassen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei der die Nickelschicht (11) durch entweder Metallisieren, Flammspritzen, Gießen oder Aufstäuben aufgebracht wird.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Einheit geringer Ausdehnung (8), mit den Schritten: Anfertigen eines Blechbauteils (9) aus einem Eisengruppenmaterial; und Ausbilden einer Eisen-Nickel-Schicht (10) auf einer und/oder in einer Oberflächenschicht des Blechbauteils (9), indem gleichzeitig Eisen und Nickel auf einer Seite des Blechbauteils (9) aufgestäubt werden.
  12. Halbleitervorrichtung, mit einer Einheit geringer Ausdehnung (8) und einem Halbleiterbauelement (4), wobei die Einheit geringer Ausdehnung (8) durch ein Blechbauteil (9) und eine Eisen-Nickel-Schicht (10) gekennzeichnet ist, das Blechbauteil (9) aus einem Eisengruppenmaterial besteht und eine Oberflächenschicht hat, die Eisen-Nickel-Schicht (10) auf der und/oder in der Oberflächenschicht ausgebildet ist und das Halbleiterbauelement (4) mit einer Seite der Einheit geringer Ausdehnung (8) verbunden ist.
  13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Eisengruppenmaterial reines Eisen ist.
  14. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, bei der das reine Eisen Elektrolyteisen ist.
  15. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, bei der das reine Eisen weichmagnetisches Eisen ist.
  16. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Eisengruppenmaterial beruhigter Stahl ist.
  17. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Eisengruppenmaterial Weichstahl ist.
  18. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Eisengruppenmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 60 W/mK bis etwa 80 W/mK hat.
  19. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Wärmeleitfähigkeit etwa 80 W/mK beträgt.
  20. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Einheit geringer Ausdehnung (8) als Heat-Spreader verwendet wird.
  21. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Einheit geringer Ausdehnung (8) als Substrat genutzt wird.
  22. Halbleitervorrichtung, mit einer Einheit geringer Ausdehnung (8), einem Substrat (1), einer Isolierschicht (2) und einem Halbleiterbauelement (4), wobei die Einheit geringer Ausdehnung (8) durch ein Blechbauteil (9), eine erste Eisen-Nickel-Schicht (10) und eine zweite Eisen-Nickel-Schicht (10) gekennzeichnet ist, das Blechbauteil (9) aus einem Eisengruppenmaterial besteht und an seinen abgewandten Seiten eine erste Oberflächenschicht und eine zweite Oberflächenschicht hat, die erste Eisen-Nickel-Schicht (10) auf der und/oder in der ersten Oberflächenschicht ausgebildet ist, die zweite Eisen-Nickel-Schicht (10) auf der und/oder in der zweiten Oberflächenschicht ausgebildet ist, das Substrat (1) sich auf der Seite der ersten Eisen-Nickel-Schicht (10) befindet, die Isolierschicht (2) auf dem Substrat (1) ausgebildet ist und mittels eines Lots (3) mit der ersten Eisen-Nickel-Schicht (10) verbunden ist und das Halbleiterbauelement (4) mittels eines Lots (3) mit der zweiten Eisen-Nickel-Schicht (10) verbunden ist.
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