DE112009000447T5

DE112009000447T5 - Halbleitervorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE112009000447T5
Application number: DE112009000447T
Authority: DE
Inventors: Yoshinari Ikeda; Shin Soyano; Akira Morozumi; Kenji Suzuki; Yoshikazu Takahashi
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: US8450845B2; DE112009005537B3; JP2013034029A; US20130267064A1; JP5365627B2; US20110037166A1; JP2014060410A; WO2009125779A1; US8673691B2; JPWO2009125779A1; JP5757314B2; DE112009000447B4

Abstract

Halbleitervorrichtung mit:
einem ersten Substrat mit einer ersten Isolierplatte, einer ersten Metallfolie mit einem Abschnitt, der in einem Bereich auf der Innenseite von Enden einer ersten Hauptoberfläche der ersten Isolierplatte vorgesehen ist, und einer zweiten Metallfolie mit einem Abschnitt, der in einem Bereich auf der Innenseite von Enden einer zweiten Hauptoberfläche der ersten Isolierplatte vorgesehen ist,
einem zweiten Substrat mit einer zweiten Isolierplatte, einer dritten Metallfolie mit einem Abschnitt, der in einem Bereich auf der Innenseite von Enden einer ersten Hauptoberfläche der zweiten Isolierplatte vorgesehen ist, und einer vierten Metallfolie mit einem Abschnitt, der in einem Bereich auf der Innenseite von Enden einer zweiten Hauptoberfläche der zweiten Isolierplatte vorgesehen ist, wobei die dritte Metallfolie so angeordnet ist, dass sie der ersten Metallfolie zugewandt ist; und
einem Halbleiterelement, das zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat vorgesehen ist und eine erste Hauptelektrode, die elektrisch mit der ersten Metallfolie...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung und insbesondere eine Halbleitervorrichtung, die ein Leistungshalbleiterelement trägt, und ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In Invertervorrichtungen, Dauerleistungsversorgungsvorrichtungen, Werkzeugmaschinen und Industrierobotern werden Leistungshalbleiterelemente tragende Halbleitervorrichtungen (Halbleiterkapselungen bzw. -gehäuse) unabhängig von der Hauptvorrichtung eingesetzt.
Beispielsweise ist 16 eine Hauptansicht einer Halbleitervorrichtung, die ein Leistungshalbleiterelement trägt.
Wie in der Figur gezeigt ist, wird in einer Halbleitervorrichtung 100 eine parallele Verbindungsschaltung zwischen einer Metallstange 130a und einer Metallstange 130b gebildet, indem Hauptelektroden eines IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate)-Elements 110Na und Elektroden einer Diode 110Nb in jeweiligen Kontakt mit den Stangen gebracht werden, eine parallele Verbindungsschaltung wird zwischen der Metallstange 130b und einer Metallstange 130c gebildet, indem Hauptelektroden eines IGBT-Elements 110Pa und Elektroden einer Diode 110Pb in jeweiligen Kontakt mit den Stangen gebracht werden, die jeweiligen parallelen Verbindungsschaltungen werden über die Metallstange 130b in Reihe geschaltet und mit einem Kunstharz abgedichtet, und die IGBT-Elemente, Dioden und Metallstangen werden durch einen Schrumpfdruck eines Dichtungsharzes 150 elektrisch verbunden (siehe z. B. Patentdokument 1).
In der Halbleitervorrichtung 100, die eine solche Konfiguration aufweist, wird von dem IGBT-Element 110Na und der Diode 110Nb erzeugte Wärme leicht zu einer Wärme ableitenden Lamelle bzw. Rippe 170N geleitet. Wärme, die von dem IGBT-Element 110Pa und der Diode 110Pb erzeugt wird, wird leicht zu einer Wärme ableitenden Lamelle 170P geleitet. Somit weist die Halbleitervorrichtung 100 einen Aufbau auf, in dem Wärme zu einer Oberflächenseite jedes Wärme erzeugenden Halbleiterelements geleitet wird, und die Wärmeableitung wird vereinfacht.
Weiterhin ist auch vorgeschlagen worden, eine Wärmeableitung von sowohl der oberen als auch der Unterseitenseite von Halbleiterelementen zu versuchen (siehe z. B. Patentdokumente 2 und 3).
Es ist auch eine Technik bekannt, durch die ein Halbleiterelement thermisch mit einem Kühlkörper über eine Wärmeverbindung, eine Kunstharzschicht oder eine Isolierschicht verbunden wird, die durch ein Aerosolablagerungsverfahren gebildet ist (siehe z. B. Patentdokument 4).
Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2006-134990
Patentdokument 2: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-22844
Patentdokument 3: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-173680
Patentdokument 4: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2006-165498
Jedoch ist bei einigen Konfigurationen der herkömmlichen Halbleitervorrichtungen die Wärmeableitungsfähigkeit unzureichend und die Vorrichtungszuverlässigkeit verringert, oder die Erhöhung der Wärmeableitungsfähigkeit verhindert es, dass die Dicke der Vorrichtungen reduziert und diese verkleinert werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Angesichts des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, in der Wärme, die von den von der Vorrichtung getragenen Halbleiterelementen erzeugt wird, wirksam abgeleitet wird, und auch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Halbleitervorrichtung vorzusehen.
Zur Lösung des vorstehend beschriebenen Problems wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die Folgendes einschließt: ein erstes Substrat mit einer ersten Isolierplatte, einer ersten Metallfolie mit einem Abschnitt, der in einem Bereich auf der Innenseite von Enden einer ersten Hauptoberfläche der ersten Isolierplatte vorgesehen ist, und einer zweiten Metallfolie mit einem Abschnitt, der in einem Bereich auf der Innenseite von Enden einer zweiten Hauptoberfläche der ersten Isolierplatte vorgesehen ist; ein zweites Substrat mit einer zweiten Isolierplatte, einer dritten Metallfolie mit einem Abschnitt, der in einem Bereich auf der Innenseite von Enden einer ersten Hauptoberfläche der zweiten Isolierplatte vorgesehen ist, und einer vierten Metallfolie mit einem Abschnitt, der in einem Bereich auf der Innenseite von Enden einer zweiten Hauptoberfläche der zweiten Isolierplatte vorgesehen ist, wobei die dritte Metallfolie so angeordnet ist, dass sie der ersten Metallfolie zugewandt ist; ein Halbleiterelement, das zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat vorgesehen ist und eine erste Hauptelektrode, die elektrisch mit der ersten Metallfolie verbunden ist, und eine zweite Hauptelektrode aufweist, die elektrisch mit der dritten Metallfolie verbunden ist; und ein Dichtungsharz, das das Halbleiterelement abdichtet, wobei das Dichtungsharz Seitenflächen und Endoberflächen der ersten Isolierplatte auf der Außenseite von der ersten und zweiten Metallfolie, Seitenflächen und Endoberflächen der zweiten Isolierplatte auf der Außenseite von der dritten und vierten Metallfolie und Seitenflächen der zweiten und vierten Metallfolie abdeckt, und eine Hauptoberfläche der zweiten Metallfolie auf der Seite gegenüber derjenigen der ersten Isolierplatte und eine Hauptoberfläche der vierten Metallfolie auf der Seite gegenüber derjenigen der zweiten Isolierplatte vom Dichtungsharz unbedeckt sind.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die Folgendes einschließt: eine erste Metallplatte; eine zweite Metallplatte, die gegenüber der ersten Metallplatte vorgesehen ist; ein Halbleiterelement, das zwischen der ersten und der zweiten Metallplatte angeordnet und mit der ersten Metallplatte und der zweiten Metallplatte elektrisch verbunden ist; eine erste Abscheidungsschicht mit Isoliereigenschaften, die auf einer Hauptoberfläche der ersten Metallplatte auf der Seite gegenüber derjenigen des Halbleiterelements ausgebildet ist; und eine zweite Abscheidungsschicht mit Isoliereigenschaften, die auf einer Hauptoberfläche der zweiten Metallplatte auf der Seite gegenüber derjenigen des Halbleiterelements ausgebildet ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung bereitgestellt, das folgende Schritte beinhaltet: Bereitstellen erster und zweiter Metallfolien auf einer Hauptoberfläche einer ersten Isolierplatte und Ausbilden eines ersten Substrats; Anordnen einer ersten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche eines ersten Halbleiterelements so vorgesehen ist, dass sie der ersten Metallfolie zugewandt ist, und elektrisches Verbinden der ersten Hauptelektrode und der ersten Metallfolie; Anordnen einer zweiten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche eines zweiten Halbleiterelements so vorgesehen ist, dass sie der zweiten Metallfolie zugewandt ist, und elektrisches Verbinden der zweiten Hauptelektrode und der zweiten Metallfolie; Vorsehen von dritten und vierten Metallfolien auf einer Hauptoberfläche einer zweiten Isolierplatte und Ausbilden eines zweiten Substrats; und Anordnen einer Oberflächenseite des zweiten Substrats, wo die dritte und vierte Metallfolie vorgesehen sind, so dass sie einer Oberflächenseite des ersten Substrats, wo die ersten und zweiten Halbleiterelemente angeordnet sind, zugewandt ist, elektrisches Verbinden der dritten Metallfolie und einer dritten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche des ersten Halbleiterelements auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche vorgesehen ist, wo die erste Hauptelektrode vorgesehen ist, und elektrisches Verbinden der vierten Metallfolie und einer vierten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche des zweiten Halbleiterelements auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche vorgesehen ist, wo die zweite Hauptelektrode vorgesehen ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung bereitgestellt, das die folgenden Schritte beinhaltet: Vorsehen erster und zweiter Metallfolien auf einer Hauptoberfläche einer ersten Isolierplatte und Ausbilden eines ersten Substrats; Anordnen einer ersten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche eines ersten Halbleiterelements vorgesehen ist, so dass sie der ersten Metallfolie zugewandt ist, und elektrisches Verbinden der ersten Hauptelektrode und der ersten Metallfolie; Vorsehen einer dritten Metallfolie auf einer Hauptoberfläche einer zweiten Isolierplatte und Ausbilden eines zweiten Substrats; Anordnen einer zweiten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche eines zweiten Halbleiterelements vorgesehen ist, so dass sie der dritten Metallfolie zugewandt ist, und elektrisches Verbinden der zweiten Hauptelektrode und der dritten Metallfolie; und Anordnen einer Oberflächenseite des zweiten Substrats, wo das zweite Halbleiterelement angeordnet ist, so dass sie einer Oberflächenseite des ersten Substrats, wo das erste Halbleiterelement angeordnet ist, zugewandt ist, elektrisches Verbinden der dritten Metallfolie und einer dritten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche des ersten Halbleiterelements vorgesehen ist, auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche, wo die erste Hauptelektrode vorgesehen ist, und elektrisches Verbinden der zweiten Metallfolie und einer vierten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche des zweiten Halbleiterelements auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche vorgesehen ist, wo die zweite Hauptelektrode vorgesehen ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung bereitgestellt, das die folgenden Schritte beinhaltet: Vorsehen einer ersten Metallfolie auf einer Hauptoberfläche einer ersten Isolierplatte und Ausbilden eines ersten Substrats; Anordnen einer ersten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche eines ersten Halbleiterelements vorgesehen ist, so dass sie der ersten Metallfolie zugewandt ist, und elektrisches Verbinden der ersten Hauptelektrode und der ersten Metallfolie; Anordnen einer zweiten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche eines zweiten Halbleiterelements vorgesehen ist, so dass sie der ersten Metallfolie zugewandt ist, und elektrisches Verbinden der zweiten Hauptelektrode und der ersten Metallfolie; Vorsehen einer zweiten Metallfolie auf einer Hauptoberfläche einer zweiten Isolierplatte und Ausbilden eines zweiten Substrats; und Anordnen einer Oberflächenseite des zweiten Substrats, wo die zweite Metallfolie angeordnet ist, so dass sie einer Oberflächenseite des ersten Substrats, wo das erste und zweite Halbleiterelement angeordnet sind, zugewandt ist, und elektrisches Verbinden einer dritten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche des ersten Halbleiterelements vorgesehen ist, auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche, wo die erste Hauptelektrode vorgesehen ist, und einer vierten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche des zweiten Halbleiterelements auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche vorgesehen ist, wo die zweite Hauptelektrode vorgesehen ist, mittels der zweiten Metallfolie.
Gemäß der offenbarten Halbleitervorrichtung und dem offenbarten Verfahren zur Herstellung derselben ist es möglich, eine hoch zuverlässige Halbleitervorrichtung zu realisieren, in der von dem angebrachten Halbleiterelement erzeugte Wärme wirksam zu den oberen und unteren Hauptoberflächenseiten der Halbleitervorrichtung abgeleitet werden kann.
Die vorstehend beschriebenen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, welche die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
2 ist eine schematische Hauptansicht, die ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt (erste Ansicht).
3 ist eine schematische Hauptansicht, die ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt (zweite Ansicht).
4 ist eine schematische Hauptansicht, die ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt (dritte Ansicht).
5 ist eine schematische Hauptansicht, die ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt (vierte Ansicht).
6 ist eine schematische Hauptansicht, die ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt (erste Ansicht).
7 ist eine schematische Hauptansicht, die ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt (zweite Ansicht).
8 ist eine schematische Hauptansicht, die ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt (dritte Ansicht).
9 ist eine Hauptquerschnittsansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Halbleitervorrichtung mit einem gestapelten Aufbau.
10 ist ein schematisches Diagramm der Halbleitervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
11 ist ein schematisches Diagramm der Halbleitervorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
12 ist eine Erläuterungszeichnung, die ein Beispiel des Isolierschichtausbildungsvorgangs unter Anwendung eines Aerosolablagerungsverfahrens veranschaulicht.
13 ist eine Erläuterungszeichnung, die ein weiteres Beispiel des Isolierschichtausbildungsvorgangs unter Anwendung eines Aerosolablagerungsverfahrens veranschaulicht.
14 ist ein schematisches Diagramm der Halbleitervorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel.
15 ist ein schematisches Diagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel.
16 ist eine Hauptansicht einer Halbleitervorrichtung, die ein Leistungshalbleiterelement trägt.
Bezugszeichenliste

1, 1a, 1b, 2, 3, 4, 5: Halbleitervorrichtung
10A, 10B: Isoliersubstrat
10aa, 10ba, 10ga: Isolierplatte
10c, 10e, 10m, 10n, 10p, 71, 72: externe Verbindungselektrode
10ab, 10ac, 10ad, 10bb, 10bc, 10aca, 10acb, 10bca, 10bcb, 10gb: Metallfolie
10ada, 10adb: Isolierschicht
10g: Steueranschluss
11, 12, 13, 14, 15, 16: Lötschicht
17: Verbindungselement
20, 20a, 20b: Halbleiterelement
20ae, 20be: Emitterelektrode
20g: Steuerelektrode
20w: Metalldraht
30, 30a, 30b, 33A, 33B, 34: Metallplatte
31, 32: Metallblockkörper
40: Wärme ableitende Lamelle
40a: Strömungskanal
50: Dichtungsharz
61, 62: Düse
70: Strukturkörper
73: Führungsstange

BESTE ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
<Erstes Ausführungsbeispiel>
1 ist eine schematische Ansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Wie in der Figur gezeigt ist, wird in einer Halbleitervorrichtung (Halbleiterkapselung) 1 ein Isoliersubstrat 10A als Grundkörper verwendet und zumindest ein Halbleiterelement 20 ist auf dem Isoliersubstrat 10A mit einer bleifreien Lötschicht 11 aus einem Zinn(Sn)/Silber(Ag)-System, die dazwischen gefügt ist, angebracht.
Das Isoliersubstrat 10A ist mit einer Isolierplatte 10aa, einer auf der Unterseite der Isolierplatte 10aa vorgesehenen Metallfolie 10ab und auf der Oberseite der Isolierplatte 10aa vorgesehenen Metallfolien 10ac, 10ad versehen. Die Metallfolie 10ab und die Metallfolien 10ac, 10ad sind selektiv und jeweils auf der Ober- und Unterseite der Isolierplatte 10aa vorgesehen und durch die Isolierplatte 10aa getrennt. Die auf der Unterseite der Isolierplatte 10aa vorgesehene Metallfolie 10ab beinhaltet einen Abschnitt, der in einem Bereich der Isolierplatte 10aa vorgesehen ist, der sich auf der Innenseite von den Enden der Unterseite befindet. Gleichermaßen beinhalten die auf der Oberseite der Isolierplatte 10aa vorgesehenen Metallfolien 10ac, 10ad Abschnitte, die in einem Bereich der Isolierplatte 10aa vorgesehen sind, der sich auf der Innenseite von den Enden der Oberseite befindet. Im Isoliersubstrat 10A ist somit die Metallfolie 10ab in einem vorgegebenen Bereich der Unterseite vorgesehen und die Metallfolien 10ac, 10ad sind in vorgegebenen Bereichen der Oberseite der Isolierplatte 10aa vorgesehen. Wenn beispielsweise Kupfer (Cu) oder ein Kupfer (Cu) als Hauptbestandteil enthaltendes Metall für die auf der Isolierplatte 10aa vorgesehenen Metallfolien 10ab, 10ac, 10ad verwendet wird, können die Metallfolien 10ab, 10ac, 10ad auf der Isolierplatte 10aa beispielsweise mittels eines DCB(Direct Copper Bonding, direktes Kupfer-Verbinden)-Verfahrens ausgebildet werden.
Außerdem kann zusätzlich zu dem vorgenannten bleifreien Lötmetall eines Zinn(Sn)/Silber(Ag)-Systems ein bleifreies Lötmetall eines Zinn(Sn)/Antimon(Sb)-Systems als Lötmaterial der Lötschicht 11 verwendet werden, die zwischen dem Isoliersubstrat 10A und dem Halbleiterelement 20 vorgesehen ist. Wenn ein bleifreies Lötmetall eines Zinn(Sn)/Antimon(Sb)-Systems verwendet wird, kann die Eigenschaft des Wärmeermüdungswiderstands weiter verbessert werden.
Weiterhin ist das Halbleiterelement 20 das so genannte Leistungshalbleiterelement und entspricht z. B. einem RC(Reverse Conducting, rückwärts leitendes)-IGBT-Element. Neben dem RC-IGBT-Element können ein gewöhnliches IGBT-Element, ein Leistungs-MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) und ein FWD(Free Wheeling Diode, Freilaufdiode)-Element als Halbleiterelement 20 verwendet werden.
In der Halbleitervorrichtung 1 wird eine Hauptelektrode (z. B. eine Kollektorelektrode) des Halbleiterelements 20 über die Lötschicht 11 mit der Metallfolie 10ac verbunden. Eine Metallplatte 30, die als Wärmeverteiler fungiert, oder ein Leiterrahmen wird über eine bleifreie Lötschicht 12 mit der anderen Hauptelektrode (beispielsweise einer Emitterelektrode) verbunden, die auf der Hauptoberfläche auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche vorgesehen ist, wo die vorgenannte eine Hauptelektrode (z. B. die Kollektorelektrode) des Halbleiterelements 20 angeordnet ist. Eine (in der Figur nicht gezeigte) Steuerelektrode des Halbleiterelements 20, die auf der Oberflächenseite, wo die andere Hauptelektrode (beispielsweise die Emitterelektrode) angeordnet ist, separat vorgesehen ist, und die Metallfolie 10ad sind mittels eines Metalldrahts 20w elektrisch verbunden.
Weiterhin ist in der Halbleitervorrichtung 1 ein separates Isoliersubstrat 10B, das ein Grundkörper ist, gegenüber dem Isoliersubstrat 10A angeordnet.
Das Isoliersubstrat 10B ist mit einer Isolierplatte 10ba, einer auf der Oberseite der Isolierplatte 10ba vorgesehenen Metallfolie 10bb und einer auf der Unterseite der Isolierplatte 10ba vorgesehenen Metallfolie 10bc versehen. Die Metallfolie 10bb und die Metallfolie 10bc sind selektiv und jeweils auf der Ober- und Unterseite der Isolierplatte 10ba vorgesehen und durch die Isolierplatte 10ba getrennt. Die auf der Oberseite der Isolierplatte 10ba vorgesehene Metallfolie 10bb beinhaltet einen Abschnitt, der in einem Bereich der Isolierplatte 10ba vorgesehen ist, der sich auf der Innenseite von den Enden der Oberseite befindet. Gleichermaßen beinhaltet die auf der Unterseite der Isolierplatte 10ba vorgesehene Metallfolie 10bc einen Abschnitt, der in einem Bereich der Isolierplatte 10ba vorgesehen ist, der sich auf der Innenseite von den Enden der Unterseite befindet. Im Isoliersubstrat 10B ist die Metallfolie 10bb somit in einem vorgegebenen Bereich der Oberseite vorgesehen und die Metallfolie 10bc ist in einem vorgegebenen Bereich der Unterseite der Isolierplatte 10ba vorgesehen. Wenn beispielsweise Kupfer (Cu) oder ein Kupfer (Cu) als Hauptbestandteil enthaltendes Metall für die auf der Isolierplatte 10ba vorgesehenen Metallfolien 10bb, 10bc verwendet wird, können die Metallfolien 10bb, 10bc auf der Isolierplatte 10ba beispielsweise durch Anwenden des DCB-Verfahrens ausgebildet werden.
Die über dem Isoliersubstrat 10A angeordnete Metallplatte 30 und die Metallfolie 10bc des Isoliersubstrats 10B werden über eine bleifreie Lötschicht 13 verbunden.
Die Isoliersubstrate 10A, 10B, die Metallplatte 30 und das Halbleiterelement 30 werden elektrisch und thermisch miteinander verbunden.
Des Weiteren ist in der Halbleitervorrichtung 1 ein Dichtungsharz 50 in einem Spalt zwischen den Isoliersubstraten 10A, 10B und auf deren Seitenflächen mit der Aufgabe vorgesehen, die Isoliersubstrate 10A, 10B, das Halbleiterelement 20 und den Metalldraht 20w zu schützen. Die Hauptoberflächen der Metallfolien 10ab, 10bb, die auf den Seiten der Isoliersubstrate 10A, 10B vorgesehen sind, welche denjenigen gegenüber liegen, die dem Halbleiterelement 20 zugewandt sind, sind vom Dichtungsharz 50 unbedeckt und liegen frei, das heißt, sind nicht vom Dichtungsharz 50 bedeckt. In der Halbleitervorrichtung 1 sind flache Oberflächen durch die Hauptoberflächen der Metallfolien 10ab, 10bb und auch Hauptoberflächen (in der Figur Oberflächen entlang der gestrichelten Linien A-B) gebildet, die von Teilen des Dichtungsharzes 50 gebildet werden.
Wie in 1 gezeigt, ist das Dichtungsharz 50 so geformt, dass es das Halbleiterelement 30 abdichtet und auch die Seitenflächen der auf der Unterseite der Isolierplatte 10aa vorgesehenen Metallfolie 10ab, Endoberflächen der Unterseite der Isolierplatte 10aa, wo die Metallfolie 10ab nichtvorgesehen ist, Seitenflächen der Isolierplatte 10aa, Endoberflächen der Oberseite der Isolierplatte 10aa, wo die Metallfolien 10ac, 10ad nicht vorgesehen sind, und auch Seitenflächen und Oberseiten der Metallfolien 10ac, 10ad bedeckt. Gleichermaßen bedeckt das Dichtungsharz 50 die Seitenflächen der auf der Oberseite der Isolierplatte 10ba vorgesehenen Metallfolie 10bb, Endoberflächen der Oberseite der Isolierplatte 10ba, wo die Metallfolie 10bb nicht vorgesehen ist, Seitenflächen der Isolierplatte 10ba, Endoberflächen der Unterseite der Isolierplatte 10ba, wo die Metallfolie 10bc nicht vorgesehen ist, und Seitenflächen und die Unterseite der Metallfolie 10bc.
Somit ist das Dichtungsharz 50 so ausgebildet, dass es die von der Isolierplatte 10aa und den Metallfolien 10ab, 10ac, 10ad in den Endabschnitten des Isoliersubstrats 10A gebildeten Stufen bedeckt und auch die von der Isolierplatte 10ba und den Metallfolien 10bb, 10bc in den Endabschnitten des Isoliersubstrats 10B gebildeten Stufen bedeckt. Als Ergebnis erhöht sich die Bindungsfläche des Dichtungsharzes 50 und der Endabschnitte der Isoliersubstrate 10A, 10B über diejenige in dem Fall, in dem solche Stufen nicht ausgebildet worden sind, d. h. in dem Fall, in dem die Seitenflächenpositionen der Isolierplatten und Metallfolien einander entsprechen. Daher kann die Bindungsfähigkeit der Isoliersubstrate 10A, 10B und des Dichtungsharzes 50 gesteigert werden. Insbesondere, wenn ein keramisches, Sauerstoff enthaltendes Material, wie etwa Aluminiumoxid (Al₂O₃), für die Isolierplatten 10aa, 10ba verwendet wird, trägt der Sauerstoff der Isolierplatten 10aa, 10ba zur Bindung mit dem Dichtungsharz 50 bei und die Bindungsfähigkeit kann weiter gesteigert werden.
Wo Stufen so durch die Isolierplatte 10aa und Metallfolien 10ab, 10ac, 10ad an den Endabschnitten des Isoliersubstrats 10A gebildet werden, wird weiterhin ein Kriechabstand zwischen der Metallfolie 10ab der Unterseite und den Metallfolien 10ac, 10ad der Oberseite größer als in dem Fall, in dem die Seitenflächenpositionen der Isolierplatte und Metallfolien einander entsprechen und keine Stufe gebildet wird. Als Ergebnis wird die Isolierfähigkeit davon erhöht. Gleichermaßen wird dort, wo Stufen so durch die Isolierplatte 10ba und Metallfolien 10bb, 10bc an den Endabschnitten des Isoliersubstrats 10B gebildet werden, ein Kriechabstand zwischen der Metallfolie 10bb der Oberseite und der Metallfolie 10bc der Unterseite größer als in dem Fall, in dem keine Stufe gebildet wird, Als Ergebnis wird die Isolierfähigkeit davon erhöht. Weiterhin wird, da die Endabschnitte der Isoliersubstrate 10A, 10B dort, wo eine solche Stufe vorhanden ist, vom Dichtungsharz 50 bedeckt sind, die Isolierfähigkeit weiter verbessert.
Weiterhin ist in der Halbleitervorrichtung 1 eine Wärme ableitende Lamelle 40 über ein Verbindungselement 17 mit der im Isoliersubstrat 10A vorgesehenen Metallfolie 10ab thermisch verbunden. Des Weiteren ist eine Wärme ableitende Lamelle 40 auch über ein Verbindungselement 17 mit der im Isoliersubstrat 10B vorgesehenen Metallfolie 10bb thermisch verbunden. In diesem Fall kann beispielsweise eine leitende Verbindung, ein bleifreies Lötmaterial eines Zinn(Sn)/Silber(Ag)-Systems oder ein Lötmaterial eines Zinn(Sri)/Blei(Pb)-Systems für das Verbindungselement 17 verwendet werden. Das Verbindungselement 17 kann über die gesamte flache Oberfläche entlang der gestrichelten Linie A-B ausgebildet sein und kann auch selektiv, beispielsweise zwischen der Metallfolie 10ab und der Wärme ableitenden Lamelle 40 und zwischen der Metallfolie 10bb und der Wärme ableitenden Lamelle 40 ausgebildet sein. Wenn ein Lötmaterial für das Verbindungselement 17 verwendet wird, können die Metallfolien 10ab, 10bb und die Wärme ableitenden Lamellen 40 über das Lötmaterial fest verbunden sein, um eine Aufschmelzbearbeitung durchzuführen.
Die Wärme ableitende Lamelle 40 kann von einem wassergekühlten System sein, in dem eine Flüssigkeit, wie etwa Wasser, als Kühlmittel in einem Strömungskanal 40a zum Fließen gebracht wird, oder von einem luftgekühlten System, in dem ein Gas, wie etwa Luft, als Kühlmittel zum Strömen gebracht wird. Bei Bedarf können die Wärme ableitenden Lamellen 40 direkt, das heißt, nicht über die Verbindungselemente 17, durch Druckbeaufschlagung mit den Metallfolien 10ab, 10bb durch Einklemmen von außen verbunden werden.
Beispielsweise kann ein Keramikmaterial, das zumindest eines von Siliciumnitrid (SiN), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AlN) enthält, für die vorstehend beschriebenen Isolierplatten 10aa, 10ba verwendet werden.
Beispielsweise kann Kupfer (Cu) oder ein Kupfer (Cu) als Hauptbestandteil enthaltendes Metall für die Metallfolien 10ab, 10ac, 10ad, 10bb und 10bd verwendet werden.
Beispielsweise kann ein Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) oder Legierungen davon als Hauptbestandteil enthaltendes Material auch für die Wärme ableitende Lamelle 40 verwendet werden.
Beispielsweise können Aluminium (Al) und Gold (Au) für den Metalldraht 20w verwendet werden.
Beispielsweise kann von Silikongel, einem Epoxidharz, einem Cyanatharz und einem Silikonharz irgendeines als Dichtungsharz 50 verwendet werden. Bei Bedarf kann ein Füllmaterial, das von einem anorganischen Material (Bornitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN) und Siliciumnitrid (SiN)) gebildet wird, im Harz enthalten sein.
Die Dicke der Isolierplatten 10aa, 10ba beträgt 0,2 mm bis 0,7 mm und die Dicke der Metallfolien 10ab, 10ac, 10ad, 10bb und 10bc beträgt 0,2 mm bis 1,0 mm.
Wo solche dünnen Isoliersubstrate 10A, 10B über und unter dem Halbleiterelement 20a vorgesehen und die Komponenten verbunden sind, kann Wärme, die vom Halbleiterelement 20 erzeugt wird, wirksam von den oberen und unteren Hauptoberflächen des Halbleiterelements 20 zu den oberen und unteren Wärme ableitenden Lamellen 40 über das Isoliersubstrat 10A und das Isoliersubstrat 10B geleitet werden.
Somit weist die Halbleitervorrichtung 1 eine gute elektrische Verbindung zu der auf dem Isoliersubstrat 10A vorgesehenen Metallfolie 10ac und der auf dem Isoliersubstrat 10B vorgesehenen Metallfolie 10bc in den oberen und unteren Hauptelektroden des Halbleiterelements 20 auf. Gleichzeitig kann von dem Halbleiterelement 20 erzeugte Wärme wirksam von den oberen und unteren Hauptoberflächen des Halbleiterelements 20 zu den oberen und unteren Wärme abstrahlenden Lamellen 40 über das Isoliersubstrat 10A und das Isoliersubstrat 10B geleitet werden. Als Ergebnis kann die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 1 erhöht werden.
Ein Verfahren zum Montieren (Herstellen) einer Halbleitervorrichtung wird nachstehend eingehender unter Verwendung einer Halbleitervorrichtung der so genannten 2-in-1-Struktur (eine Packung, in der zwei Elemente in einer Packung getragen sind) mittels Beispiels beschrieben. Die nachstehenden 2 bis 7 veranschaulichen ein Beispiel, in dem ein Arm einer Inverterschaltung hergestellt wird, aber dieses Beispiel ist nicht besonders beschränkend. Weiterhin wird auf eine Lötmetallschicht, die zwischen die Elemente eingeführt ist, hier in den Figuren verzichtet, aber diese Schicht kann durch Durchführen des so genannten Aufschmelzbearbeitens auf einem pastenähnlichen oder schichtähnlichen Lötmaterial ausgebildet werden. Durch Ausbilden einer solchen Lötschicht ist es möglich, eine elektrische Verbindung zwischen den Elementen sicherzustellen.
2 ist eine schematische Hauptansicht, die ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. 2(A) ist eine Hauptdraufsicht auf einen Abschnitt der Halbleitervorrichtung. 2(B) ist eine ausgeschnittene Querschnittsansicht entlang X1-Y1 in 2(A). 2(C) ist eine ausgeschnittene Querschnittsansicht entlang X2-Y2 in 2(A).
Wie in der Figur gezeigt, wird das Isoliersubstrat 10A gebildet, indem die Metallfolie 10ab auf der Unterseite der Isolierplatte 10aa beispielsweise durch das DCB-Verfahren und die Metallfolien 10aca, 10acb, 10ad auf der Oberseite der Isolierplatte beispielsweise durch das DCB-Verfahren angebracht werden. Teile der Metallfolien 10aca, 10acb stehen vom Ende der Isolierplatte 10aa vor.
Kontaktelektroden, die sich auf der Unterseite der Halbleiterelemente 20a, 20b befinden, welche RC-IGBT-Elemente sind, werden über die Lötschicht 11 jeweils mit den Metallfolien 10aca, 10acb verbunden.
Eine Metallplatte 30a, die als Leiterrahmen fungiert, wird über die Lötschicht 12 mit einer Emitterelektrode 20ae verbunden, die auf der Oberseitenseite des Halbleiterelements 20a vorgesehen ist. Eine Metallplatte 30b, die als Leiterrahmen fungiert, wird über die Lötschicht 12 mit einer Emitterelektrode 20be verbunden, die auf der Oberseitenseite des Halbleiterelements 30 vorgesehen ist.
Steuerelektroden 20g der Halbleiterelemente 20a, 20b und die Metallfolie 10ad sind mittels eines Metalldrahts 20w elektrisch verbunden.
Wie in 2(A) gezeigt, erstreckt sich die Metallplatte 30a, die mit der Emitterelektrode 20ae des Halbleiterelements 20a verbunden ist, von der Emitterelektrode 20a in Richtung des Halbleiterelements 20b, und der Endabschnitt der Metallplatte 30a ist mit der Metallfolie 10acb elektrisch verbunden. Die elektrische Verbindung des Endabschnitts und der Metallfolie 10acb kann durch Löten, Ultraschallverbinden oder Laserschweißen erfolgen.
Die Höhen (beispielsweise die Höhe über der Hauptoberfläche der Isolierplatte 10aa) der mit den Emitterelektroden 20ae, 20be verbundenen Metallplatten 30a, 30b werden vorzugsweise auf den gleichen Wert eingestellt.
Ein externer Verbindungsanschluss 10p, der als Positivelektroden-Eingangsanschluss dient, ist elektrisch mit dem Abschnitt der Metallfolie 10aca verbunden, die sich von der Isolierplatte 10aa erstreckt. Des Weiteren ist ein externer Verbindungsanschluss 10m, der als Wechselstrom-Ausgangsanschluss dient, mit einem Abschnitt der Metallfolie 10acb verbunden, die sich von der Isolierplatte 10aa erstreckt.
Mehrere Steueranschlüsse 10g sind elektrisch und jeweils mit mehreren auf der Isolierplatte 10aa vorgesehenen Metallfolien 10ad verbunden, und die Steueranschlüsse 10g und die Steuerelektroden 20g sind miteinander durch den Metalldraht 20w und die Metallfolie 10ad elektrisch verbunden.
Die externen Verbindungsanschlüsse 10p, 10m, Metallfolien 10aca, 10acb, der Steueranschluss 10g und die Metallfolie 10ad können durch irgendein Verfahren, wie etwa Laserschweißen, Löten, Ultraschallverbinden und direktes Verbinden durch Erhitzen unter Druck elektrisch verbunden werden.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren werden die Steueranschlüsse log mit der Metallfolie 10ad durch Ausbilden des Isoliersubstrats 10A, Löten durch die Lötschicht 11 der Halbleiterelemente 20a, 20b, Löten durch die Lötschicht 12 der Metallplatten 30a, 30b und anschließend elektrisches Verbinden der Steuerelektrode 20g und der Metallfolie 10ad sowie elektrisches Verbinden der externen Verbindungsanschlüsse 10p, 10m und der Metallfolien 10aca, 10acb verbunden. Wo die Steueranschlüsse 10g in einer späteren Stufe des Verfahrens so angebracht werden, kann der thermische Verlauf der Steueranschlüsse 10g im Halbleitervorrichtungs-Ausbildungsvorgang verkürzt werden.
Wenn zum Beispiel ein im Anschluss integrierter Leiterrahmen verwendet wird, der durch Stanzen der Steueranschlüsse ausgebildet wird, wird das Lötender Halbleiterelemente und Metallplatten zu einem solchen im Anschluss integrierten Leiterrahmen geführt. Jedoch ist in diesem Fall der Anschlussabschnitt des Leiterrahmens während des Lötens ebenfalls der Hitze ausgesetzt. Daher können die Anschlüsse leicht durch Hitze deformiert werden, da die Anschlüsse verkleinert bzw. miniaturisiert sind. Eine solche Verformung der Anschlüsse kann verschiedene Nachteile bewirken, beispielsweise kann sie es unmöglich machen, die Anschlüsse in vorgegebene Löcher einzusetzen, die im Verdrahtungssubstrat vorgesehen sind, oder die Anschlüsse mit den vorgegebenen Positionen auf dem Verdrahtungssubstrat zu verbinden.
Im Gegensatz hierzu kann, wo die Steueranschlüsse 10g in einem späteren Stadium angebracht werden, wie hier vorstehend beschrieben, der thermische Verlauf der Steueranschlüsse 10g durch Vergleich mit dem Fall verkürzt werden, in dem ein in den Anschluss integrierter Leiterrahmen verwendet wird und die Verformung der Steueranschlüsse 10g durch Hitze wirksam verhindert werden kann. Da eine solche Anbringung der Steueranschlüsse 10g in einem späteren Stadium es ermöglicht, die Verformung der Steueranschlüsse zu verhindern, können die Steueranschlüsse 10g des Weiteren leicht miniaturisiert werden und eine Steigung zwischen den Steueranschlüssen 10g kann leicht verringert werden.
Eine erste Einheit wird somit vorbereitet, die das Isoliersubstrat 10A, auf dem Metallfolien 10aca, 10acb vorgesehen sind, das Halbleiterelement 20a, bei dem eine Kollektorelektrode mit der Metallfolie 10aca verbunden ist, das Halbleiterelement 20b, bei dem eine Kollektorelektrode mit der Metallfolie 10acb verbunden ist, und die externen Verbindungsanschlüsse 10p, 10m aufweist.
3 ist ein schematisches Hauptdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. 3(A) ist eine Hauptdraufsicht auf einen Abschnitt der Halbleitervorrichtung. 3(B) ist eine ausgeschnittene Querschnittsansicht entlang X3-Y3 in 3(A). 3(C) ist eine ausgeschnittene Querschnittsansicht entlang X4-Y4 in 3(A).
Zunächst wird das Isoliersubstrat 10B durch Anordnen der Metallfolie 10bb auf der Oberseite der Isolierplatte 10ba, beispielsweise durch das DCB-Verfahren, und Anordnen der Metallfolien 10bca, 10bcb auf der Unterseite der Isolierplatte 10ba, beispielsweise durch das DCB-Verfahren, ausgebildet. Ein Teil der Metallfolie 10bcb steht vom Ende der Isolierplatte 10ba vor.
Ein externer Verbindungsanschluss 10n, der als Negativelektroden-Eingangsanschluss dient, ist mit dem Abschnitt der Metallfolie 10bcb, der von der Isolierplatte 10ba vorsteht, elektrisch verbunden. Der externe Verbindungsanschluss 10n und die Metallfolie 10bcb können durch irgendein Verfahren, wie etwa Laserschweißen, Löten, Ultraschallverbinden und direktes Verbinden durch Erhitzen unter Druck elektrisch verbunden werden.
Eine zweite Einheit wird somit vorbereitet, die das Isoliersubstrat 10B, auf dem Metallfolien 10bca, 10bcb vorgesehen sind, und den externen Verbindungsanschluss 10n aufweist.
4 ist ein schematisches Hauptdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. 4(A) ist eine Hauptdraufsicht auf einen Abschnitt der Halbleitervorrichtung. 4(B) ist eine ausgeschnittene Querschnittsansicht entlang X5-Y5 in 4(A). 4(C) ist eine ausgeschnittene Querschnittsansicht entlang X6-Y6 in 4(A).
Zunächst werden eine Hauptfläche der ersten Einheit, die mittels Beispiels in 2 gezeigt ist, und eine Hauptfläche der zweiten Einheit, die mittels Beispiels in 3 gezeigt ist, einander gegenüberliegend angeordnet und so ausgerichtet, dass die Metallplatten 30a, 30b und die Metallfolien 10bca, 10bcb einander gegenüberliegen. Die Metallplatte 30a und die Metallfolie 10bca und ebenfalls die Metallplatte 30b und die Metallfolie 10bcb sind über die Lötschicht 13 miteinander verbunden.
Als Ergebnis wird ein Zustand angenommen, in dem eine Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20a mit einer auf der Seite gegenüber der Kollektorelektrode vorgesehenen Emitterelektrode 20ae elektrisch verbunden ist und eine Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20b mit einer auf der Seite gegenüber der Kollektorelektrode vorgesehenen Emitterelektrode 20be elektrisch verbunden ist.
Somit sind die Emitterelektrode 20ae des Halbleiterelements 20a und die Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20b durch die Metallplatte 30a und die Metallfolie 10acb in Reihe geschaltet. Weiterhin ist der als der Positivelektroden-Eingangsanschluss dienende externe Verbindungsanschluss 10p über die Metallfolie 10aca mit der Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20a elektrisch verbunden und der als ein Negativelektroden-Eingangsanschluss dienende externe Verbindungsanschluss 10n ist über die Metallfolie 10bcb mit einer Emitterelektrode 20be des Halbleiterelements 20b elektrisch verbunden. Der als ein Wechselstrom-Ausgangsanschluss dienende externe Verbindungsanschluss 10m ist über die Metallfolie 10acb mit einem Zwischenknoten elektrisch verbunden, an dem die Emitterelektrode 20ae des Halbleiterelements 20a und die Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20b in Reihe geschaltet sind.
Die Isoliersubstrate 10A, 10B, Metallplatten 30a, 30b und Halbleiterelemente 20a, 20b sind somit elektrisch verbunden und ebenfalls thermisch verbunden.
5 ist eine schematische Hauptansicht, die ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. 5(A) ist eine Hauptdraufsicht auf einen Abschnitt der Halbleitervorrichtung. 5(B) ist eine ausgeschnittene Querschnittsansicht entlang X7-Y7 in 5(A). 5(C) ist eine ausgeschnittene Querschnittsansicht entlang X8-Y8 in 5(A).
Das Dichtungsharz 50 ist in der Lücke zwischen den Isoliersubstraten 10A, 10B und auf den Seitenflächen der Isoliersubstrate mit der Aufgabe, die Isoliersubstrate 10A, 10B, die Halbleiterelemente 20a, 20b und den Metalldraht 20w zu schützen.
In diesem Fall ist das Dichtungsharz 50 so vorgesehen, dass die Hauptoberfläche der auf dem Isoliersubstrat 10A vorgesehenen Metallfolie 10ab und die Hauptoberfläche der auf dem Isoliersubstrat 10B vorgesehenen Metallfolie 10bb vom Dichtungsharz 50 unbedeckt sind und freiliegen.
Beispielsweise wird der Grundaufbau einer Halbleitervorrichtung 1a mit einer 2-in-1-Struktur durch ein solches Herstellungsverfahren vollendet. Dann wird eine Wärme ableitende Lamelle 40 über ein Lötmaterial oder eine elektrisch leitende Verbindung mit der Hauptoberfläche der Metallfolien 10ab, 10bb der Halbleitervorrichtung 1a thermisch verbunden.
Die Halbleitervorrichtung 1 mit einer 2-in-1-Struktur kann auch durch ein anderes Montageverfahren (Herstellungsverfahren) ausgebildet werden. Dieses andere Montageverfahren wird nachstehend erläutert.
6 ist eine schematische Hauptansicht, die ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. 6(A) und 6(B) sind Hauptdraufsichten auf Abschnitte der Halbleitervorrichtung.
Wie in 6(A) gezeigt, wird eine Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20a über die Lötschicht 11 mit der Metallfolie 10aca des Isoliersubstrats 10A verbunden. Des Weiteren wird die als Wärmeverteiler fungierende Metallplatte 30a über die Lötschicht 12 mit der Emitterelektrode 20ae auf der oberen Oberflächenseite des Halbleiterelements 20a verbunden.
Teile der Metallfolien 10aca, 10acb des Isoliersubstrats 10A stehen vom Ende der Isolierplatte 10aa vor.
Die Steuerelektrode 20g des Halbleiterelements 20a und die Metallfolie 10ad des Isoliersubstrats 10A sind über den Metalldraht 20w elektrisch verbunden.
Der externe Verbindungsanschluss 10p, der als Positivelektroden-Eingangsanschluss dient, ist mit dem Abschnitt der Metallfolie 10aca elektrisch verbundne, der von der Isolierplatte 10aa vorsteht. Der als Negativelektroden-Eingangsanschluss dienende externe Verbindungsanschluss 10n ist mit dem Abschnitt der Metallfolie 10acb, der von der Isolierplatte 10aa vorsteht, elektrisch verbunden.
Jeder der mehreren Steueranschlüsse 10g ist mit einer jeweiligen Metallfolie der mehreren Metallfolien 10a des Isoliersubstrats 10A elektrisch verbunden. Als Ergebnis sind die Steueranschlüsse 10g und die Steuerelektroden 20g über den Metalldraht 20w und die Metallfolie 10ad elektrisch verbunden.
Die externen Verbindungsanschlüsse 10p, 10n und die Metallfolien 10aca, 10acb und ebenfalls die Steueranschlüsse 10g und die Metallfolie 10ad können durch irgendein Verfahren, wie etwa Laserschweißen, Löten, Ultraschallverbinden und direktes Verbinden durch Erhitzen unter Druck elektrisch verbunden werden.
Eine erste Einheit wird somit vorbereitet, die das Isoliersubstrat 10A, das mit den Metallfolien 10aca, 10acb versehen ist, das Halbleiterelement 20a, das durch die Kollektorelektrode mit der Metallfolie 10aca verbunden ist, und die externen Verbindungsanschlüsse 10p, 10n aufweist.
Wie in 6(B) gezeigt, ist die Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20b über die Lötschicht 11 mit einem Abschnitt der Metallfolie 10bc des Isoliersubstrats 10B verbunden. Des Weiteren ist die als Wärmeverteiler fungierende Metallplatte 30b über die Lötschicht 12 mit der Emitterelektrode 20be auf der oberen Oberflächenseite des Halbleiterelements 20b verbunden.
Die Metallfolie 10bc des Isoliersubstrats 10B steht vom Ende der Isolierplatte 10ba vor.
Die Steuerelektrode 20g des Halbleiterelements 20b und die Metallfolie 10ad des Isoliersubstrats 10B sind über den Metalldraht 20w elektrisch verbunden.
Der als Wechselstrom-Ausgangsanschluss dienende externe Verbindungsanschluss 10m ist mit dem Abschnitt der Metallfolie 10bc, der von der Isolierplatte 10ba vorsteht, elektrisch verbunden.
Jeder der mehreren Steueranschlüsse 10g ist mit einer jeweiligen Metallfolie von den mehreren Metallfolien 10ad des Isoliersubstrats 10B elektrisch verbunden. Als Ergebnis sind die Steueranschlüsse 10g und die Steuerelektroden 20g über den Metalldraht 20w und die Metallfolie 10ad elektrisch verbunden.
Der externe Verbindungsanschluss 10pm und die Metallfolie 10bc und ebenfalls die Steueranschlüsse 10g und die Metallfolie 10ad können durch irgendein Verfahren, wie etwa Laserschweißen, Löten, Ultraschallverbinden und direktes Verbinden durch Erhitzen unter Druck elektrisch verbunden werden.
Eine zweite Einheit wird somit vorbereitet, die das Isoliersubstrat 10B, das mit der Metallfolie 10bc versehen ist, das Halbleiterelement 20b, das durch die Kollektorelektrode mit der Metallfolie 10bc verbunden ist, und den externen Verbindungsanschluss 10m aufweist.
7 ist eine schematische Hauptansicht, die ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. 7(A) ist eine Hauptdraufsicht auf einen Abschnitt der Halbleitervorrichtung. 7(B) ist eine ausgeschnittene Querschnittsansicht längs X9-Y9 in 7(A). 7(C) ist eine ausgeschnittene Querschnittsansicht längs X10-Y10 in 7(A).
Zunächst werden eine Hauptfläche der ersten Einheit, die mittels Beispiels in 6(A) gezeigt ist, und eine Hauptfläche der zweiten Einheit, die mittels Beispiels in 6(B) gezeigt ist, einander gegenüberliegend angeordnet und so ausgerichtet, dass die Metallplatten 30a, 30b und die Metallfolien 10bc, 10acb einander gegenüberliegen. Die Metallplatte 30a und die Metallfolie 10bc und ebenfalls die Metallplatte 30b und die Metallfolie 10acb sind über die Lötschicht 13 miteinander verbunden.
Als Ergebnis werden die Metallfolie 10bc und die Emitterelektrode 20ae, die auf der Seite des Halbleiterelements 20a vorgesehen ist, die derjenigen der Kollektorelektrode gegenüberliegt, und ebenfalls die Metallfolie 10acb und die Emitterelektrode 20be, die auf der Seite des Halbleiterelements 20b vorgesehen ist, die derjenigen der Kollektorelektrode gegenüberliegt, über die Metallplatten 30a, 30b elektrisch miteinander verbunden.
Somit sind die Emitterelektrode 20ae des Halbleiterelements 20a und die Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20b mittels der Metallfolie 10bc in Reihe geschaltet. Weiterhin ist der als Positivelektroden-Eingangsanschluss dienende externe Verbindungsanschluss 10p mit der Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20a elektrisch verbunden und der als Negativelektroden-Eingangsanschluss dienende externe Verbindungsanschluss 10n ist mit der Emitterelektrode 20be des Halbleiterelements 20b elektrisch verbunden. Der als Wechselstrom-Ausgangsanschluss dienende externe Verbindungsanschluss 10m ist über die Metallfolie 10bc mit einem Zwischenknoten elektrisch verbunden, an dem die Emitterelektrode 20ae des Halbleiterelements 20a und die Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20b in Reihe geschaltet sind.
Die Isoliersubstrate 10A, 10B, Metallplatten 30a, 30b und Halbleiterelemente 20a, 20b sind somit elektrisch verbunden und auch thermisch verbunden.
Dann wird, ähnlich wie bei der Konfiguration, die mittels Beispiels in 5 gezeigt ist, das Dichtungsharz 50 in dem Spalt zwischen den Isoliersubstraten 10A, 10B und auf den Seitenflächen der Isoliersubstrate mit der Aufgabe vorgesehen, die Isoliersubstrate 10A, 10B, die Halbleiterelemente 20a, 20b und den Metalldraht 20w zu schützen.
In diesem Fall ist das Dichtungsharz 50 so vorgesehen, dass die Hauptoberfläche der Metallfolie 10ab, die auf dem Isoliersubstrat 10A vorgesehen ist, und die Hauptoberfläche der Metallfolie 10bb, die auf dem Isoliersubstrat 10B vorgesehen ist, vom Dichtungsharz 50 unbedeckt sind und freiliegen.
Der Grundaufbau einer Halbleitervorrichtung mit einer 2-in-1-Struktur wird durch ein solches Herstellungsverfahren vollendet. Dann werden die Wärme ableitenden Lamellen 40 über Lötmaterialien oder elektrisch leitende Verbindungen mit den Hauptoberflächen der Metallfolien 10ab, 10bb thermisch verbunden. Alternativ werden die Wärme ableitenden Lamellen 40 direkt mit den Hauptoberflächen der Metallfolien 10ab, 10bb verbunden.
In dem durch die 2 bis 7 veranschaulichten Ausführungsbeispiel werden RC-IGBT-Elemente bei zwei Halbleiterelementen 20a, 20b angelegt und Hauptelektroden unterschiedlicher Typen dieser RC-IGBT-Elemente werden in Reihe geschaltet, aber eine Halbleitervorrichtung, in der Hauptelektroden derselben Art parallel geschaltet sind, kann ebenfalls hergestellt werden.
Beispielsweise ist 8 eine schematische Hauptansicht, die ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Im Grundaufbau der Halbleitervorrichtung sind die Halbleiterelemente 20a, 20b über die Lötschicht 11 mit der Metallfolie 10ac des Isoliersubstrats 10A verbunden und die Kollektorelektroden der Halbleiterelemente 20a, 20b sind mittels der Metallfolie 10ac elektrisch miteinander verbunden. Die Metallplatte 30 ist über die Lötschicht 12 mit den Emitterelektroden 20ae, 20be der Halbleiterelemente 20a, 20b verbunden und die Emitterelektroden 20ae, 20be der Halbleiterelemente 20a, 20b sind miteinander über die Metallplatte 30 verbunden. Die Metallfolie 10bc des Isoliersubstrats 10B ist mit der Metallplatte 30 über die Lötschicht 13 verbunden. Des Weiteren sind die externen Verbindungsanschlüsse 10c, 10e jeweils mit den Metallfolien 10ac, 10bc elektrisch verbunden. Der Grundaufbau einer solchen Halbleitervorrichtung kann beispielsweise auf die folgende Art und Weise montiert werden.
Beispielsweise wird eine Einheit vorbereitet, die das Isoliersubstrat 10A, das mit der Metallfolie 10ac versehen ist, das Halbleiterelement 20a, das durch die Kollektorelektrode mit der Metallfolie 10ac über die Lötschicht 11 verbunden ist, das Halbleiterelement 20b, das durch die Kollektorelektrode mit der Metallfolie 10ac über die Lötschicht 11 verbunden ist, und die Metallplatte 30 aufweist, die eine elektrische Kontinuität zwischen der Emitterelektrode 20ae, die auf der Seite des Halbleiterelements 20a vorgesehen ist, die der Kollektorelektrode gegenüberliegt, und der Emitterelektrode 20be sicherstellt, die auf der Seite des Halbleiterelements 20b vorgesehen ist, die der Kollektorelektrode gegenüberliegt, und das mit der Metallfolie 10bc vorgesehene Isoliersubstrat 10B ist gegenüber der Einheit angeordnet. Die Metallfolie 10bc und die Metallplatte 30 werden dann über die Lötschicht 13 verbunden.
Somit ist der Grundaufbau der Halbleitervorrichtung, der mittels Beispiels in 8 gezeigt ist, mit dem Isoliersubstrat 10A, dem Isoliersubstrat 10B, das so vorgesehen ist, dass es dem Isoliersubstrat 10A zugewandt ist, dem Halbleiterelement 20a, das in dem Spalt zwischen dem Isoliersubstrat 10A und dem Isoliersubstrat 10B angeordnet ist und die Kollektorelektrode und die Emitterelektrode 20ae aufweist, die auf der Seite gegenüber derjenigen der Kollektorelektrode vorgesehen sind, und dem Halbleiterelement 20b versehen, das die Kollektorelektrode und die Emitterelektrode 20be aufweist, die auf der Seite gegenüber derjenigen der Kollektorelektrode vorgesehen sind. Die Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20a und die Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20b sind über die Metallfolie 10ac, die auf dem Isoliersubstrat 10A vorgesehen ist, elektrisch verbunden und die Emitterelektrode 20ae und die Emitterelektrode 20be sind über die Metallplatte 30 elektrisch verbunden, die mit der Metallfolie 10bc des Isoliersubstrats 10B verbunden ist.
Durch Verwenden eines solchen Grundaufbaus ist es auch möglich, eine Halbleitervorrichtung herzustellen, in der Hauptelektroden derselben Art parallel geschaltet sind.
Weiterhin kann im Fall einer parallelen Schaltung das Halbleiterelement 20a ein IGBT-Element und das Halbleiterelement 20b ein FWD-Element sein. In diesem Fall sind die Kollektorelektrode des Halbleiterelements 20a, die das IGBT-Element ist, und die Kathodenelektrode des Halbleiterelements 20b, die das FWD-Element ist, mittels der Metallfolie 10ac elektrisch verbunden. Die Emitterelektrode des Halbleiterelements 20a, die das IGBT-Element ist, und die Anodenelektrode des Halbleiterelements 20b, die das FWD-Element ist, sind mittels der Metallplatte 30 elektrisch verbunden.
In diesem Fall wird ein Beispiel betrachtet, in dem mehrere identische oder unterschiedliche Halbleiterelemente angebracht sind, aber es versteht sich von selbst, dass eine Halbleitervorrichtung durch Anbringen eines Halbleiterelements irgendeiner Art gebildet werden kann.
Falls notwendig, können mehrere in der vorstehend beschriebenen Weise erhaltene Halbleitervorrichtungen 1 gestapelt werden, wobei die Wärme ableitenden Lamellen 40 dazwischen gefügt sind.
9 ist eine Hauptquerschnittsansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Halbleitervorrichtung mit gestapeltem Aufbau.
9 zeigt eine Halbleitervorrichtung 1b einer 6-in-1-Struktur, in der Halbleitervorrichtungen mit einer 2-in-1-Struktur, wie sie etwa in 6 gezeigt sind, gestapelt sind, wobei die Wärme ableitenden Lamellen 40 dazwischen gefügt sind. 9 zeigt ein Beispiel eines Querschnitts, der dem X7-Y7-Querschnitt in 6 entspricht.
In diesem Fall kann eine bleifreie Lötschicht eines Zinn(Sn)/Silber(Ag)-Systems, eine Blei enthaltende Lötschicht eines Zinn(Sn)/Blei(Pb)-Systems oder eine elektrisch leitende Verbindung als Verbindungselement 17 verwendet werden, das die Halbleitervorrichtungen 1a und die Wärme ableitenden Lamellen 40 thermisch verbindet. Das Verbindungselement 17 kann bis zu einer Dicke von 100 μm bis 300 μm ausgebildet werden. Des Weiteren können Wärme ableitende Lamellen 40 auch eher direkt mit jeder Halbleitervorrichtung 1a als über das Verbindungselement 17 verbunden werden.
Beispielsweise kann eine Inverterschaltungsvorrichtung einer 6-in-1-Struktur leicht durch Stapeln von drei Halbleitervorrichtungen 1a einer 2-in-1-Struktur ausgebildet werden, wobei die Wärme ableitenden Lamellen 40 dazwischen gefügt sind.
Mehrere Halbleitervorrichtungen 1, wie sie etwa in 1 gezeigt sind, und die von den Grundaufbauten erhaltenen Vorrichtungen, wie sie etwa mittels Beispiels in den 7 und 8 gezeigt sind, können auch gestapelt werden, wobei die Wärme ableitenden Lamellen 40 in der gleichen Weise wie in dem in 9 gezeigten Beispiel dazwischen gefügt sind. Des Weiteren können mehrere Halbleitervorrichtungen des gleichen Aufbaus gestapelt werden, wobei die Wärme ableitenden Lamellen 40 dazwischen gefügt sind, und auch Halbleitervorrichtungen unterschiedlicher Aufbauten, die eine Wärmeableitung erfordern, können ebenso gestapelt werden, wobei die Wärme ableitenden Lamellen 40 dazwischen gefügt sind.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit dem Isoliersubstrat 10A, dem Isoliersubstrat 10B, das so vorgesehen ist, dass es dem Isoliersubstrat 10A zugewandt ist, und zumindest einem Halbleiterelement 20 versehen, das in den Spalt zwischen dem Isoliersubstrat 10A und dem Isoliersubstrat 10B angeordnet ist und eine Hauptelektrode sowie eine weitere Hauptelektrode aufweist, die auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptelektrode vorgesehen ist. Die Hauptelektrode ist mit zumindest einer Metallfolie 10ac, die am Isoliersubstrat 10A vorgesehen ist, elektrisch verbunden und die andere Hauptelektrode ist mit zumindest einer Metallfolie 10bc, die am Isoliersubstrat 10B vorgesehen ist, elektrisch verbunden.
Mit einer solchen Halbleitervorrichtung kann eine gute elektrische Verbindung auf den oberen und unteren Hauptoberflächen der angebrachten Halbleiterelemente realisiert werden, und die Wärmeableitung kann von den oberen und unteren Hauptoberflächen des Halbleiterelements und auch von den oberen und unteren Hauptoberflächen der Halbleitervorrichtung, wo die Halbleiterelemente angebracht worden sind, wirksam ausgeführt werden. Daher kann eine hochzuverlässige Halbleitervorrichtung realisiert werden.
Weiterhin ist es möglich, die Dicke der Halbleitervorrichtung zu verringern und die Vorrichtung zu miniaturisieren, indem die dünnen Isoliersubstrate 10A, 10B einander gegenüber angeordnet werden.
<Zweites Ausführungsbeispiel>
10 ist eine schematische Zeichnung, die eine Halbleitervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Wie in der Figur gezeigt ist, wird in einer Halbleitervorrichtung (Halbleiterkapselung) 2 ein Isoliersubstrat 10A als Grundkörper verwendet und ein Metallblockkörper 31 ist auf dem Isoliersubstrat 10A angebracht. Zumindest ein Halbleiterelement 20 ist auf dem Metallblockkörper 31 angebracht.
In diesem Fall ist das Isoliersubstrat 10A mit einer Isolierplatte 10aa, einer Metallfolie 10ab, die auf der Unterseite der Isolierplatte 10aa vorgesehen ist, und Metallfolien 10ac, 10ad versehen, die auf der Oberseite der Isolierplatte 10aa vorgesehen ist. Die Metallfolie 10ab und die Metallfolien 10ac, 10ad sind selektiv in jeweiligen vorgegebenen Bereichen auf der Ober- und Unterseite der Isolierplatte 10aa vorgesehen und werden somit durch die Isolierplatte 10aa getrennt. Die Metallfolien 10ab, 10ac und 10ad können unter Anwendung beispielsweise des DCB-Verfahrens ausgebildet werden.
Weiterhin ist das Halbleiterelement 20 das so genannte Leistungshalbleiterelement und entspricht beispielsweise einem RC-IGBT-Element. Zusätzlich zum RC-IGBT-Element können zum Beispiel ein gewöhnliches IGBT-Element, ein Leistungs-MOSFET und ein FWD-Element als das Halbleiterelement 20 angeordnet sein.
In der Halbleitervorrichtung 2 ist der Metallblockkörper 31 über eine bleifreie Lötschicht 14 mit der Metallfolie 10ac verbunden, die auf dem Isoliersubstrat 10A vorgesehen ist. Eine Hauptelektrode (beispielsweise eine Kollektorelektrode) des Halbleiterelements 20 ist über eine Lötschicht 11 mit dem Metallblockkörper 31 verbunden. Eine Metallplatte 30, die als Wärmeverteiler fungiert, oder ein Leiterrahmen ist über eine bleifreie Lötschicht 12 mit der anderen Hauptelektrode verbunden (beispielsweise einer Emitterelektrode), die auf der Hauptoberfläche auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche vorgesehen ist, wo die vorgenannte eine Hauptelektrode (beispielsweise die Kollektorelektrode) des Halbleiterelements 20 angeordnet ist. Eine Steuerelektrode (in der Figur nicht gezeigt) des Halbleiterelements 20, die auf der Oberflächenseite getrennt vorgesehen ist, wo die andere Hauptelektrode (beispielsweise die Emitterelektrode) angeordnet ist, und die Metallfolie 10ad, die zusammen mit der Metallfolie 10ac auf der Isolierplatte 10aa vorgesehen ist, sind mittels eines Metalldrahts 20w elektrisch verbunden.
Weiterhin ist in der Halbleitervorrichtung 2 ein separates Isoliersubstrat 10B, das ein Grundkörper ist, gegenüber dem Isoliersubstrat 10A angeordnet.
Das Isoliersubstrat 10B ist mit einer Isolierplatte 10ba, einer Metallfolie 10bb, die auf der Oberseite der Isolierplatte 10ba vorgesehen ist, und einer Metallfolie 10bc, die auf der Unterseite der Isolierplatte 10ba vorgesehen ist, versehen. Die Metallfolie 10bb und die Metallfolie 10bc sind selektiv und jeweils auf der Ober- und Unterseite der Isolierplatte 10ba vorgesehen und durch die Isolierplatte 10ba getrennt. Die Metallfolien 10bb und 10bc können unter Anwendung beispielsweise des DCB-Verfahrens ausgebildet werden.
In der Halbleitervorrichtung 2 ist ein Metallblockkörper 32 über eine bleifreie Lötschicht 15 mit der Metallfolie 10bc verbunden, die auf dem Isoliersubstrat 10B vorgesehen ist. Die Metallplatte 30 und der Metallblockkörper 32 sind über eine bleifreie Lötschicht 13 verbunden.
Die Isoliersubstrate 10A, 10B, Metallplatte 30, Metallblockkörper 31, 32 und das Halbleiterelement 20 sind elektrisch und thermisch miteinander verbunden.
Weiterhin ist in der Halbleitervorrichtung 2 ein Dichtungsharz 50 in einem Spalt zwischen den Isoliersubstraten 10A, 10B und auf deren Seitenflächen mit der Aufgabe vorgesehen, die Isoliersubstrate 10A, 10B, das Halbleiterelement 20 und den Metalldraht 20w zu schützen. Die Hauptoberflächen der Metallfolien 10ab, 10bb, die auf den Seiten der Isoliersubstrate 10A, 10B vorgesehen sind, die den Seiten gegenüberliegen, welche dem Halbleiterelement 20 zugewandt sind, werden vom Dichtungsharz 50 nicht bedeckt und liegen frei, das heißt, sind nicht vom Dichtungsharz abgedeckt. In der Halbleitervorrichtung 2 sind flache Oberflächen durch die Hauptoberflächen der Metallfolien 10ab, 10bb und auch Hauptoberflächen (Oberflächen entlang der gestrichelten Linien A-B in der Figur) ausgebildet, die von Teilen des Dichtungsharzes 50 gebildet werden.
Weiterhin ist in der Halbleitervorrichtung 2 eine Wärme ableitende Lamelle 40 über ein (in der Figur nicht gezeigtes) Verbindungselement 17 mit der Metallfolie 10ab, die auf dem Isoliersubstrat 10A vorgesehen ist, thermisch verbunden. Des Weiteren ist eine Wärme ableitende Lamelle 40 ebenfalls über das Verbindungselement 17 mit der Metallfolie 10bb, die auf dem Isoliersubstrat 10B vorgesehen ist, thermisch verbunden. In diesem Fall können zum Beispiel eine leitende Verbindung, ein bleifreies Lötmaterial eines Zinn(Sn)/Silber(Ag)-Systems oder ein Lötmaterial eines Zinn(Sn)/Blei(Pb)-Systems für das Verbindungselement 17 verwendet werden. Wenn ein Lötmaterial verwendet wird, können die Metallfolien 10ab, 10bb und die Wärme ableitenden Lamellen 40 über das Lötmaterial stark verbunden werden, um eine Aufschmelzbearbeitung durchzuführen.
Die Wärme ableitenden Lamellen 40 können von einem wassergekühlten System oder einem luftgekühlten System sein. Bei Bedarf können die Wärme ableitenden Lamellen 40 direkt, das heißt, nicht über das Verbindungselement 17, durch Druckbeaufschlagung mit den Metallfolien 10ab, 10bb durch Einklemmen von außen verbunden werden.
Beispielsweise kann ein Keramikmaterial, das von Siliciumnitrid (SiN), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Aluminiumnitrid (AlN) zumindest irgendeines enthält, für die vorstehend beschriebenen Isolierplatten 10aa, 10ba verwendet werden.
Zum Beispiel kann Kupfer (Cu) oder ein Kupfer (Cu) als Hauptbestandteil enthaltendes Metall für die Metallfolien 10ab, 10ac, 10ad, 10bb sowie 10bc und die Metallblockkörper 31 und 32 verwendet werden.
Beispielsweise kann auch ein Material, das Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) oder Legierungen davon als Hauptbestandteil enthält, für die Wärme ableitenden Lamellen 40 verwendet werden.
Zum Beispiel können Aluminium (Al) und Gold (Au) für den Metalldraht 20w verwendet werden.
Beispielsweise kann von Silikongel, einem Epoxidharz, einem Cyanatharz und einem Silikonharz irgendeines als Dichtungsharz 50 verwendet werden. Bei Bedarf kann in dem Harz ein Füllmaterial enthalten sein, das von einem anorganischen Material (Bornitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN) und Siliciumnitrid (SiN)) gebildet wird.
Die Dicke der Isolierplatten 10aa, 10ba beträgt 0,2 mm bis 0,7 mm und die Dicke der Metallfolien 10ab, 10ac, 10ad, 10bb und 10bc beträgt 0,2 mm bis 1,0 mm.
Durch Bereitstellen solcher dünner Isoliersubstrate 10A, 10B über und unter dem Halbleiterelement 20 und Verbinden der Bestandteile ist es möglich, Wärme, die vom Halbleiterelement 20 erzeugt wird, wirksam von den oberen und unteren Hauptoberflächen des Halbleiterelements 20 über das Isoliersubstrat 10A und die Isolierplatte 10B zu den oberen und unteren Wärme ableitenden Lamellen 40 zu führen.
Da Metallblockkörper 31, 32 über und unter dem Halbleiterelement 20 in der Halbleitervorrichtung 2 angeordnet sind, kann des Weiteren Wärme, die vom Halbleiterelement 20 erzeugt wird, in den Metallblockkörpern 31, 32 abgeleitet werden.
Somit weisen in der Halbleitervorrichtung 2 die oberen und unteren Hauptelektroden des Halbleiterelements 20 eine gute elektrische Verbindung mit der Metallfolie 10ac, die auf dem Isoliersubstrat 10A vorgesehen ist, und der Metallfolie 10bc, die auf dem Isoliersubstrat 10B vorgesehen ist, auf. Gleichzeitig kann Wärme, die vom Halbleiterelement 20 erzeugt wird, wirksam in den Metallblockkörpern 31, 32 abgeleitet und von den oberen und unteren Hauptoberflächen des Halbleiterelements 20 über das Isoliersubstrat 10A und das Isoliersubstrat 10B zu den oberen und unteren Wärme emittierenden Lamellen 40 wirksam geleitet werden. Als Ergebnis kann die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 2 erhöht werden. Insbesondere wird, da die Metallblockkörper 31, 32 angeordnet sind, Wärme, die von dem Halbleiterelement 20 erzeugt wird, nicht in Teilen der Isoliersubstrate 10A, 10B konzentriert. Daher kann von dem Halbleiterelement 20 erzeugte Wärme wirksam aus fast dem gesamten Bereich der Isoliersubstrate 10A, 10B zu den oberen und unteren Wärme ableitenden Lamellen 40 geleitet werden.
Somit ist in der Halbleitervorrichtung 2 ein Metallblockkörper 31 zwischen der Kollektorelektrode des Halbleiterelements 2 und der Metallfolie 10ac angeordnet. Des Weiteren sind die Metallplatte 30 und der Metallblockkörper 32 zwischen der Emitterelektrode des Halbleiterelements 20 und der Metallfolie 10bc angeordnet.
Bei Bedarf kann auf einen der Metallblockkörper 31, 32 verzichtet werden.
Eine Halbleitervorrichtung, die mehrere Halbleiterelemente 20 trägt, kann ebenfalls aufgebaut werden, indem dem Beispiel der in 10 gezeigten Halbleitervorrichtung 2 gefolgt wird. Beispielsweise kann auch eine Halbleitervorrichtung einer 2-in-1-Struktur, wie sie im ersten Ausführungsbeispiel erläutert ist, ausgebildet werden.
Bei Bedarf können mehrere Halbleitervorrichtungen 2 gestapelt werden, wobei die Wärme ableitenden Lamellen 40 dazwischen gefügt sind, und zwar auf die gleiche Weise wie die Halbleitervorrichtungen, die in 9 gezeigt und im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind. Eine bleifreie Lötschicht eines Zinn(Sn)/Silber(Ag)-Systems, eine Blei enthaltende Lötschicht eines Zinn(Sn)/Blei(Pb)-Systems oder eine elektrisch leitende Verbindung kann als das Verbindungselement verwendet werden, das die Halbleitervorrichtungen 2 und Wärme ableitenden Lamellen 40 thermisch verbindet. Eine Halbleitervorrichtung eines Aufbaus, der sich von demjenigen der Halbleitervorrichtung 2 unterscheidet, kann ebenfalls damit gestapelt werden, wobei die Wärme ableitende Lamelle 40 dazwischen gefügt ist.
<Drittes Ausführungsbeispiel>
11 ist eine schematische Zeichnung, die eine Halbleitervorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Wie in der Figur gezeigt, wird in einer Halbleitervorrichtung (Halbleiterkapselung) 3 eine Metallplatte (Chipkontaktstelle) 33A als Grundkörper verwendet und zumindest ein Halbleiterelement 20 ist auf der Metallplatte 33A angebracht.
In diesem Fall ist das Halbleiterelement 20 das so genannte Energiehalbleiterelement und entspricht beispielsweise einem RC-IGBT-Element. Zusätzlich zu dem RC-IGBT-Element können zum Beispiel ein gewöhnliches IGBT-Element, ein Leistungs-MOSFET und ein FWD-Element als Halbleiterelement 20 angeordnet werden.
In der Halbleitervorrichtung 3 wird eine Hauptelektrode (beispielsweise eine Kollektorelektrode) des Halbleiterelements 20 über eine Lötschicht 11 mit der Metallplatte 33A verbunden. Eine Metallplatte 30, die als Wärmeverteiler fungiert, oder ein Leiterrahmen ist über eine bleifreie Lötschicht 12 mit der anderen Hauptelektrode (zum Beispiel einer Emitterelektrode) verbunden, die auf der Hauptoberfläche auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche vorgesehen ist, auf der die vorgenannte eine Hauptelektrode (beispielsweise die Kollektorelektrode) des Halbleiterelements 20 angeordnet ist. Eine (in der Figur nicht gezeigte) Steuerelektrode des Halbleiterelements 20, die auf der Oberflächenseite, wo die andere Hauptelektrode (beispielsweise die Emitterelektrode) angeordnet ist, separat vorgesehen ist, und eine Metallplatte 34, die von der Metallplatte 33A getrennt angeordnet ist, sind mittels eines Metalldrahts 20w elektrisch verbunden.
Weiterhin ist in der Halbleitervorrichtung 3 eine separate Metallplatte (Chipkontaktstelle) 33B, die ein Grundkörper ist, gegenüber der Metallplatte 33A angeordnet. Die Metallplatte 30 und die Metallplatte 33B sind über eine bleifreie Lötschicht 13 verbunden.
Die Metallplatten 33A, 33B, die Metallplatte 30 und das Halbleiterelement 20 sind elektrisch und thermisch miteinander verbunden.
Weiterhin ist in der Halbleitervorrichtung 3 ein Dichtungsharz 50 in einem Spalt zwischen den Metallplatten 33A, 33B und auf ihren Seitenflächen und auch auf der Seitenfläche und der Oberseite der Metallplatte 34 mit der Aufgabe vorgesehen, die Metallplatten 33A, 33B, 34, das Halbleiterelement 20 und den Metalldraht 20w zu schützen. Die Hauptoberflächen der Metallplatten 33A, 33B auf den Seiten gegenüber denjenigen der Hauptoberflächen, die dem Halbleiterelement 20 und auch der Unterseite der Metallplatte 34 zugewandt sind, sind vom Dichtungsharz 50 unbedeckt und liegen frei, d. h., sind nicht vom Dichtungsharz 50 abgedeckt.
In der Halbleitervorrichtung 3 sind flache Oberflächen durch die Hauptoberflächen der Metallplatten 33A, 33B auf den Seiten gegenüber denjenigen der Hauptoberflächen ausgebildet, die dem Halbleiterelement 20, der Unterseite der Metallplatte 34 und auch Hauptoberflächen (Oberflächen entlang den gestrichelten Linien A-B in der Figur) zugewandt sind, die von Teilen des Dichtungsharzes 50 gebildet werden.
Isolierschichten 10ada, 10adb sind auf den vorgenannten flachen Oberflächen unter Anwendung eines Aerosolablagerungs(AD)-Verfahrens ausgebildet, durch das eine Ausgangsmaterialenergie bzw. ein Ausgangsmaterialpulver auf eine Oberfläche, auf der der Film ausgebildet werden soll, geblasen und abgelagert wird.
Mit dem Aerosolablagerungsverfahren wird zunächst Aerosol, in dem Teilchen in einem Trägergas enthalten sind, hergestellt, indem ein vorgegebenes Trägergas veranlasst wird, in einem Wirbelbett zu strömen, welches Teilchen beinhaltet, die als Ausgangsmaterial für die Isolierschichten 10ada, 10adb dienen. Dann wird das hergestellte Aerosol auf die Oberfläche, wo der Film ausgebildet werden soll, geblasen, d. h. auf die Oberfläche, die von den Metallplatten 33A, 33B, 34 und einem Teil des Dichtungsharzes 50 unter reduziertem Druck in einer Niedrigtemperaturumgebung, wie etwa einer Normaltemperaturumgebung, gebildet wird. In diesem Fall werden die Teilchen, die mit der Oberfläche zusammenstoßen, auf der der Film ausgebildet werden soll, durch den Aufprall bei der Kollision zerquetscht oder verformt und auf der Oberfläche abgelagert, wo der Film ausgebildet werden soll. Unter der Einwirkung der Kollisionsenergie haften die Teilchen fest an der Oberfläche, wo der Film ausgebildet werden soll, und werden auf ihr und dem Film abgelagert, der sich bereits auf der Oberfläche ausgebildet hat, auf der der Film ausgebildet werden soll.
Beispielsweise können Teilchen mit einer Größe von ungefähr 1 nm bis 3 μm, vorzugsweise ungefähr 5 nm bis 1 μm, für die Teilchen verwendet werden, die als Ausgangsmaterial dienen. Durch Einstellen einer Aerosolblasdüse oder Druckbedingungen ist es möglich, die Teilchen auf eine Geschwindigkeit von ungefähr mehreren zehn bis mehreren Hundert Meter pro Sekunde, beispielsweise von ungefähr 5 m/s bis 500 m/s, zu beschleunigen. Als Ergebnis eines Zusammenstoßes mit der Oberfläche, auf der der Film ausgebildet werden soll, werden die Teilchen auf einer Seite von ungefähr mehreren zehn Nanometern, beispielsweise einer Seite von ungefähr 0,5 nm bis 50 nm, zerquetscht und verformt. Es wird ein Film, in dem Bruchteile mit einer solchen Größe zusammengefügt werden, die keine Hohlräume enthält und die eine dichte Nanostruktur aufweist, so dass keine Korngrößen identifiziert werden können, auf der Oberfläche ausgebildet.
Durch Anwenden eines solchen Aerosolablagerungsverfahrens ist es möglich, flache Isolierschichten 10ada, 10adb auszubilden, die eine gute Haftung an der Oberfläche und eine dichte Nanostruktur bis zu einer gewünschten Filmdicke von ungefähr mehreren Mikrometer bis zu mehreren Hundert Mikrometer, beispielsweise eine Dicke von 10 μm bis 100 μm, aufweisen. Des Weiteren kann bei Anwendung des Aerosolablagerungsverfahrens die Wirkung von Restspannungen, wie sie in Substraten gesinterter Körper auftreten, vermieden werden.
Weiterhin ist in der Halbleitervorrichtung 3 eine Wärme ableitende Lamelle 40 über ein Verbindungselement 17 mit der Hauptoberfläche der Isolierschicht 10ada auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche, die dem Halbleiterelement 20 zugewandt ist, thermisch verbunden. Ebenfalls ist eine Wärme ableitende Lamelle 40 über ein Verbindungselement 17 mit der Hauptoberfläche der Isolierschicht 10adb auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche, die dem Halbleiterelement 20 zugewandt ist, thermisch verbunden. Beispielsweise wird eine elektrisch leitende Verbindung für die hier eingesetzten Verbindungselemente 17 verwendet. Wärme ableitende Lamellen 40 können von einem wassergekühlten System oder einem luftgekühlten System sein. Bei Bedarf können Wärme ableitende Lamellen 40 direkt, d. h. nicht über das Verbindungselement 17, durch Druckbeaufschlagung mit den Isolierschichten 10ada, 10adb durch Einklemmen von außen verbunden werden.
Beispielsweise kann ein Keramikmaterial, das von Siliciumnitrid (SiN), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN) und Bornitrid (BN) zumindest irgendeines enthält, für die vorstehend beschriebenen Isolierplatten 10ada, 10adb verwendet werden. Wenn die Isolierplatten 10ada, 10adb unter Anwendung des Aerosolablagerungsverfahrens ausgebildet werden, können keramische Teilchen dieser Materialien verwendet werden.
Zum Beispiel kann Kupfer (Cu) oder ein Kupfer (Cu) als Hauptbestandteil enthaltendes Metall für die Metallplatten 33A, 33B und 34 verwendet werden.
Beispielsweise kann auch ein Material, das Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) oder Legierungen davon als Hauptbestandteil enthält, für die Wärme ableitende Lamelle 40 verwendet werden.
Zum Beispiel können Aluminium (Al) und Gold (Au) für den Metalldraht 20w verwendet werden.
Beispielsweise kann von Silikongel, einem Epoxidharz, einem Cyanatharz und einem Silikonharz irgendeines als Dichtungsharz 50 verwendet werden. Bei Bedarf kann in dem Harz ein Füllmaterial enthalten sein, das von einem anorganischen Material (Bornitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN) und Siliciumnitrid (SiN)) gebildet wird.
Somit ist die Halbleitervorrichtung 3 mit zumindest einem Halbleiterelement versehen, das eine Hauptelektrode und eine weitere Hauptelektrode, die auf der Seite gegenüber derjenigen der vorgenannten Hauptelektrode vorgesehen ist, die Metallplatte 33A, die mit der Hauptelektrode verbunden ist, und die Metallplatte 33b, die mit der anderen Hauptelektrode elektrisch verbunden ist, aufweist. Des Weiteren ist die Isolierschicht 10ada auf der Oberfläche der Metallplatte 33A ausgebildet, die der mit der Hauptelektrode verbundenen Oberfläche gegenüberliegt, und die Isolierschicht 10adb ist auf der Oberfläche der Metallplatte 33B ausgebildet, die der mit der anderen Hauptelektrode elektrisch verbundenen Oberfläche gegenüberliegt.
Durch Anordnen solcher Metallplatten 33A, 33B über und unter dem Halbleiterelement 20 ist es möglich, die von dem Halbleiterelement 20 erzeugte Wärme von der oberen und unteren Hauptoberfläche des Halbleiterelements 20 wirksam zu den oberen und unteren Wärme ableitenden Lamellen 40 über die Metallplatte 33A und die Metallplatte 33B zu leiten.
Somit weisen in der Halbleitervorrichtung 3 die oberen und unteren Hauptelektroden des Halbleiterelements 20 eine gute elektrische Verbindung mit den Metallplatten 33A, 33B auf, und vom Halbleiterelement 20 erzeugte Wärme kann in den Metallplatten 33A, 33B wirksam abgeleitet und von den oberen und unteren Hauptoberflächen des Halbleiterelements 20 zu den oberen und unteren Wärme emittierenden Lamellen 40 wirksam geleitet werden. Als Ergebnis kann die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 3 erhöht werden.
Insbesondere kann dort, wo die Isolierschichten 10ada, 10adb durch das Aerosolablagerungsverfahren so ausgebildet werden, dass sie eine geringe Dicke, hohe Dichte und gute Haftung an den Metallplatten 33A, 33B haben, ein Wärmewiderstand in den Isolierschichten 10ada, 10adb verhindert werden, während eine hohe Isolierfähigkeit sichergestellt wird, und Wärme, die vom Halbleiterelement 20 erzeugt wird, kann wirksam zu den oberen und unteren Wärme ableitenden Lamellen 40 geleitet werden.
Wenn beispielsweise Substrate aus keramischen Sinterkörpern für Abschnitte der Isolierschichten 10ada, 10adb verwendet werden, können Substrate mit einer Dicke von 0,2 mm bis 0,7 mm unter Berücksichtigung der Isolierkapazität und Durchschlagspannung eingesetzt werden. Im Gegensatz dazu wird, wenn keramische Schichten unter Anwendung des Aerosolablagerungsverfahrens in Abschnitten der Isolierschichten 10ada, 10adb ausgebildet werden, die Isolierfähigkeit um einen Faktor von ungefähr 10 erhöht, da die keramischen Schichten so ausgebildet werden können, dass sie eine dichte Struktur aufweisen, die keine Hohlräume oder dergleichen enthält. Mit anderen Worten, wenn keramische Schichten unter Anwendung des Aerosolablagerungsverfahrens ausgebildet werden, kann die Dicke auf ungefähr 1/10 von derjenigen des Halbleiter-Sinterkörpersubstrats verringert werden, während eine ähnliche Isolierfähigkeit sichergestellt wird. Daher wird zur Dickenverringerung und Miniaturisierung der Halbleitervorrichtung 3 beigetragen.
Weiterhin weist die keramische Schicht, die durch Anwendung des Aerosolablagerungsverfahrens ausgebildet wird, eine Wärmeleitfähigkeit auf, die ähnlich derjenigen des Massekörpers ist. Somit ist es möglich, eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 80 W/m·K mit Siliciumnitrid (SiN), ungefähr 20 W/m·K mit Aluminiumoxid (Al₂O₃) und ungefähr 160 W/m·K bis ungefähr 180 W/m·K mit Aluminiumnitrid (AlN) sicherzustellen. Wie vorstehend beschrieben, kann die unter Anwendung des Aerosolablagerungsverfahrens ausgebildete Halbleiterschicht aufgrund ihres Herstellungsverfahrens und der Isolierfähigkeit mit geringer Dicke ausgebildet werden. Daher kann der Wärmewiderstand der keramischen Schicht reduziert werden. Daher kann, wenn die Isolierschichten 10ada, 10adb unter Anwendung des Aerosolablagerungsverfahrens ausgebildet werden, die Wärmeleitung zu den Wärme ableitenden Lamellen 40 sichergestellt werden, ohne Metallfolien auf den Oberflächen der Isolierschichten 10ada, 10adb auszubilden, die sich auf der Seite gegenüber derjenigen der Metallplatten 33A, 33B befinden.
Wenn das Aerosolablagerungsverfahren somit angewendet wird, ist es des Weiteren nicht notwendig, die Isolierplatten 10aa, 10ba von vorgegebener Größe vorab herzustellen und die mit den vorgegebenen Metallfolien versehenen Isoliersubstrate 10A, 10B unter Verwendung der vorbereiteten Isolierplatten auszubilden, da eine Isolierschicht, wie etwa eine keramische Schicht, auf der Oberfläche abgelagert werden kann, auf der der Film ausgebildet werden soll (flache Oberfläche), die erhalten wird, nachdem das Dichtungsharz 50 ausgebildet worden ist. Als Ergebnis kann das Herstellungsverfahren vereinfacht und die Kosten können reduziert werden.
Beispielsweise kann eine Isolierschicht durch das Aerosolablagerungsverfahren auf die folgende Art und Weise ausgebildet werden.
12 ist eine Erläuterungszeichnung, die ein Beispiel des Isolierschicht-Ausbildungsvorgangs unter Anwendung des Aerosolablagerungsverfahrens veranschaulicht. 13 ist eine Erläuterungszeichnung, die ein weiteres Beispiel des Isolierschicht-Ausbildungsvorgangs unter Anwendung des Aerosolablagerungsverfahrens veranschaulicht.
Beispielsweise werden zunächst das Halbleiterelement 20 und der Metalldraht 20w mit dem Kunstharz 50 abgedichtet, wobei die vorgegebenen Hauptoberflächen der Metallplatten 33A, 33B und 34 unbedeckt bleiben. Dann wird, wie in 12 gezeigt, ein vorgegebene Teilchen enthaltendes Aerosol aus Düsen 61, 62 jeweils auf die Oberfläche, auf der die Metallplatten 33a, 34 vom Kunstharz 50 frei liegen, und die Oberfläche, auf der die Metallplatte 33B vom Kunstharz 50 freiliegt, geblasen. Durch Bewegen der Düsen 61, 62 nach Maßgabe des vorgegebenen Zeichenmusters ist es möglich, das Aerosol so zu blasen, dass die Isolierschichten in den gewünschten Bereichen selektiv ausgebildet werden. Des Weiteren kann verhindert werden, dass das Aerosol an den nicht benötigten Abschnitten anhaftet, indem Metallmasken 63, 64 gegenüber der Oberfläche, auf der die Metallplatten 33A, 34 vom Kunstharz 50 freiliegen, und der Oberfläche, auf der die Metallplatte 33B vom Kunstharz 50 freiliegt, angeordnet werden. Als Ergebnis können die Isolierschichten gleichzeitig auf beiden Oberflächen, wo das Kunstharz 50 ausgebildet worden ist, ausgebildet werden.
Mit dem Modus des Ausführens der Aerosolablagerung, nachdem das Kunstharz 50 ausgebildet worden ist, können des Weiteren auch die Isolierschichten ausgebildet werden, wie in 13 gezeigt. Beispielsweise wird manchmal, nachdem das Kunstharz 50 ausgebildet worden ist, eine solche Konfiguration erhalten, dass mehrere Strukturkörper 70, bei denen externe Verbindungsanschlüsse 71, 72 aus dem Kunstharz 50 gezogen worden sind, mit einer Führungsstange 73 verbunden. Im Fall einer solchen Konfiguration wird ebenfalls ein vorgegebene Teilchen enthaltendes Aerosol aus den Düsen 61, 62 auf beide Oberflächen jedes Strukturkörpers 70 geblasen. Durch Bewegen der Düsen 61, 62 nach Maßgabe des vorgegebenen Zeichenmusters ist es notwendig, das Aerosol so zu blasen, dass die Isolierschichten in den gewünschten Bereichen selektiv ausgebildet werden. Des Weiteren kann verhindert werden, dass das Aerosol an den nicht benötigten Abschnitten anhaftet, indem Metallmasken 63, 64 gegenüber der Oberfläche, auf der die Metallplatten 33A, 34 vom Dichtungsharz 50 freiliegen, und der Oberfläche, auf der die Metallplatte 33B vom Dichtungsharz freiliegt, angeordnet werden. Als Ergebnis können die Isolierschichten gleichzeitig auf beiden Oberflächen, auf denen das Dichtungsharz 50 ausgebildet worden ist, ausgebildet werden. Ein solches Blasen aus den Düsen 61, 62 auf die Strukturkörper 70 kann nacheinander und kontinuierlich unter Bezug auf mehrere Strukturkörper 70 ausgeführt werden, und Isolierschichten können auf beiden Oberflächen aller Strukturkörper 70, die mit der Führungsstange 73 verbunden worden sind, ausgebildet werden. In 13 sind die Steueranschlüsse weggelassen.
12 und 13 veranschaulichen den Fall, in dem das Aerosol aus zwei entgegengesetzten Düsen geblasen wird und die Isolierschichten auf beiden Oberflächen ausgebildet werden, die die Ziele der Filmbildung sind, aber es versteht sich von selbst, dass die Isolierschichten auch Oberfläche für Oberfläche unter Verwendung einer Düse ausgebildet werden können.
Eine Halbleitervorrichtung, die mehrere Halbleiterelemente 20 trägt, kann unter Befolgung des in 11 gezeigten Beispiels der Halbleitervorrichtung 3 ebenfalls gebildet werden. Zum Beispiel kann auch eine Halbleitervorrichtung einer 2-in-1-Struktur ausgebildet werden, wie sie etwa im ersten Ausführungsbeispiel erläutert ist.
Bei Bedarf können mehrere Halbleitervorrichtungen 3 auf die gleiche Weise wie bei den in 9 gezeigten und im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Halbleitervorrichtungen gestapelt werden, wobei die Wärme ableitenden Lamellen 40 dazwischen gefügt sind. In diesem Fall kann eine elektrisch leitende Verbindung als das Verbindungselement verwendet werden, das die Halbleitervorrichtungen 3 und Wärme ableitenden Lamellen 40 thermisch verbindet. Eine Halbleitervorrichtung eines Aufbaus, der sich von demjenigen der Halbleitervorrichtung 3 unterscheidet, kann ebenfalls damit gestapelt werden, wobei die Wärme ableitende Lamelle 40 dazwischen gefügt ist.
<Viertes Ausführungsbeispiel>
14 ist eine schematische Zeichnung, die eine Halbleitervorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
In einer Halbleitervorrichtung 4 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist eine Metallfolie 10ac eines Isoliersubstrats 10A so weit wie die nähere Umgebung des Endabschnitts (Abschnitt C in der Figur) einer Isolierplatte 10aa vorgesehen.
Weiterhin ist in der Halbleitervorrichtung 4 eine Isolierplatte 10ga getrennt vor gesehen, ein Steueranschluss 10g ist mit der Oberseitenseite der Isolierplatte 10ga verbunden und eine Metallfolie 10gb ist mit der Unterseitenseite der Isolierplatte 10ga verbunden. Die Metallfolie 10gb ist mit dem Endabschnitt der Metallfolie 10ac über eine Lötschicht 16 verbunden. Der Steueranschluss 10g und die Metallfolie 10gb können beispielsweise durch das DCB-Verfahren ausgebildet werden.
Mit einer solchen Anordnung des Steueranschlusses 10g und dergleichen kann die Metallfolie auf der Isolierplatte 10aa so weit wie die nähere Umgebung des Endabschnitts der Isolierplatte 10aa vorgesehen und der Steueranschluss 10g und eine Steuerelektrode des Halbleiterelements 20 können mittels eines Metalldrahts 20w zuverlässig elektrisch verbunden werden. Durch Erstrecken der Metallfolie 10ac bis nahe an den Endabschnitt der Isolierplatte 10aa ist es möglich, vom Halbleiterelement 20 erzeugte Wärme wirksam auch in den gestreckten Abschnitt (Abschnitt C in der Figur) der Metallfolie 10ac abzuleiten und die Wärmeableitungswirkung kann erhöht werden.
Somit kann in der Halbleitervorrichtung 4 eine gute elektrische Verbindung auf den oberen und unteren Hauptoberflächen des Halbleiterelements 20 realisiert und die Wärmeableitung kann wirksam von den oberen und Unterseiten des Halbleiterelements 20 und auch von den oberen und unteren Hauptoberflächen der Halbleitervorrichtung 4, die das Halbleiterelement 20 tragen, geleitet werden.
Das Isoliersubstrat 10A, der Steueranschluss 10g, die Isolierplatte 10ga und die Metallfolie 10gb eines solchen Aufbaus kann auf die im zweiten Ausführungsbeispiel beschriebene Halbleitervorrichtung 2 und auch auf die im dritten Ausführungsbeispiel beschriebene Halbleitervorrichtung 3 angewendet werden. In der im dritten Ausführungsbeispiel beschriebene Halbleitervorrichtung 3 kann die Metallplatte 33A so weit wie die nähere Umgebung der Seitenfläche des Dichtungsharzes 50 reichen und, wie in 14 gezeigt, können der Steueranschluss 10g, die Isolierplatte 10ga und die Metallfolie 10gb auf der Metallplatte 33A angeordnet sein. Als Ergebnis kann die elektrische Verbindung des Steueranschlusses 10g und der Steuerelektrode zuverlässig durchgeführt werden, und die Wärmeableitungswirkung, die mit den Halbleitervorrichtungen 2 und 3 erreicht wird, die in dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel beschrieben sind, kann weiter gesteigert werden.
<Fünftes Ausführungsbeispiel>
15 ist eine schematische Zeichnung, die eine Halbleitervorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
In einer Halbleitervorrichtung 5 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ist eine Metallfolie 10ac eines Isoliersubstrats 10A so weit wie die nähere Umgebung des Endabschnitts (Abschnitt C in der Figur) einer Isolierplatte 10aa vorgesehen. Des Weiteren kann ein Endabschnitt eines Steueranschlusses 10g durch irgendein Verfahren, wie etwa Laserschweißen, Löten, Ultraschallverbinden und direktes Verbinden durch Erhitzen unter Druck mit einer Steuerelektrode verbunden werden, die auf einer Anordnungsoberflächenseite einer Hauptelektrode (zum Beispiel einer Emitterelektrode) eines Halbleiterelements 20 separat vorgesehen worden ist.
Mit einer solchen Anordnung des Steueranschlusses 10g und dergleichen kann die auf der Isolierplatte 10aa befindliche Metallfolie 10ac so weit wie die nähere Umgebung des Endabschnitts der Isolierplatte 10aa vorgesehen und der Steueranschluss 10g und die Steuerelektrode des Halbleiterelements 20 können zuverlässig auf drahtlose Weise elektrisch verbunden werden. Durch Erstrecken der Metallfolie 10ac bis nahe an den Endabschnitt der Isolierplatte 10aa ist es möglich, vom Halbleiterelement 20 erzeugte Wärme wirksam auch in den gestreckten Abschnitt (Abschnitt C in der Figur) der Metallfolie 10ac abzuleiten und die Wärmeableitungswirkung kann erhöht werden.
Somit kann in der Halbleitervorrichtung 5 eine gute elektrische Verbindung auf den oberen und unteren Hauptoberflächen des Halbleiterelements 20 realisiert und die Wärmeableitung kann wirksam von den oberen und unteren Hauptoberflächen des Halbleiterelements 20 und auch von den oberen und unteren Hauptoberflächen der Halbleitervorrichtung 5, die das Halbleiterelement tragen, geleitet werden.
Eine solche Verbindung des Steueranschlusses 10g und der Steuerelektrode kann auch bei der im zweiten Ausführungsbeispiel beschriebenen Halbleitervorrichtung 2 und der im dritten Ausführungsbeispiel beschriebenen Halbleitervorrichtung 3 angewendet werden. Als Ergebnis kann die elektrische Verbindung des Steueranschlusses 10g und der Steuerelektrode zuverlässig durchgeführt und die Wärmeableitungswirkung der Halbleitervorrichtungen 2, 3, wie sie im zweiten und dritten Ausführungsbeispiel beschrieben sind, weiter verbessert werden.
In der obigen Erläuterung ist der Fall beschrieben, in dem Wärme ableitende Lamellen auf den oberen und Unterseitenseiten der Halbleitervorrichtung angeordnet sind, aber die gleiche Wirkung wie oben beschrieben kann auch mit der Halbleitervorrichtung erreicht werden, bei der eine Wärme ableitende Lamelle auf zumindest der Oberseite oder der Unterseite angeordnet ist.
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung ist auf einfache Weise beschrieben. Eine große Anzahl von Modifikationen und Variationen kann durch einen Fachmann auf dem Gebiet eingeführt werden, die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen präzisen Konfigurationen und Anwendungsbeispiele beschränkt und es wird davon ausgegangen, dass alle entsprechenden Beispiele und Äquivalente im Umfang der vorliegenden Erfindung beinhaltet sind, der durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.
ZUSAMMENFASSUNG
HALBLEITERVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die wirksame Ableitung von Wärme von den oberen und unteren Hauptoberflächen einer Halbleitervorrichtung, die ein Halbleiterelement trägt.
Eine Halbleitervorrichtung (1) ist mit einem Isoliersubstrat (10A), einem Isoliersubstrat (10B), das so vorgesehen ist, dass es dem Isoliersubstrat (10A) zugewandt ist, und einem Halbleiterelement (20) versehen, das zwischen dem Isoliersubstrat (10A) und dem Isoliersubstrat (10B) angeordnet ist und eine Kollektorelektrode und eine Emitterelektrode aufweist, die auf der Seite gegenüber derjenigen der Kollektorelektrode angeordnet ist. Die Kollektorelektrode ist elektrisch mit einer Metallfolie (10ac) verbunden, die auf dem Isoliersubstrat (10A) vorgesehen ist, und die Emitterelektrode ist mit der Metallfolie (10bc) elektrisch verbunden, die auf dem Isoliersubstrat (10B) vorgesehen ist. Als Ergebnis wird Wärme, die vom Halbleiterelement (20) erzeugt wird, wirksam von den oberen und unteren Hauptoberflächen der Halbleitervorrichtung (1) abgeleitet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006-134990 [0008]
JP 2004-22844 [0009]
JP 2007-173680 [0010]
JP 2006-165498 [0011]

Claims

Halbleitervorrichtung mit: einem ersten Substrat mit einer ersten Isolierplatte, einer ersten Metallfolie mit einem Abschnitt, der in einem Bereich auf der Innenseite von Enden einer ersten Hauptoberfläche der ersten Isolierplatte vorgesehen ist, und einer zweiten Metallfolie mit einem Abschnitt, der in einem Bereich auf der Innenseite von Enden einer zweiten Hauptoberfläche der ersten Isolierplatte vorgesehen ist, einem zweiten Substrat mit einer zweiten Isolierplatte, einer dritten Metallfolie mit einem Abschnitt, der in einem Bereich auf der Innenseite von Enden einer ersten Hauptoberfläche der zweiten Isolierplatte vorgesehen ist, und einer vierten Metallfolie mit einem Abschnitt, der in einem Bereich auf der Innenseite von Enden einer zweiten Hauptoberfläche der zweiten Isolierplatte vorgesehen ist, wobei die dritte Metallfolie so angeordnet ist, dass sie der ersten Metallfolie zugewandt ist; und einem Halbleiterelement, das zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat vorgesehen ist und eine erste Hauptelektrode, die elektrisch mit der ersten Metallfolie verbunden ist, und eine zweite Hauptelektrode aufweist, die elektrisch mit der dritten Metallfolie verbunden ist; und einem Dichtungsharz, das das Halbleiterelement abdichtet, wobei das Dichtungsharz Seitenflächen und Endoberflächen der ersten Isolierplatte auf der Außenseite von der ersten und zweiten Metallfolie, Seitenflächen und Endoberflächen der zweiten Isolierplatte auf der Außenseite von der dritten und vierten Metallfolie und Seitenflächen der zweiten und vierten Metallfolie bedeckt, und eine Hauptoberfläche der zweiten Metallfolie auf der Seite gegenüber derjenigen der ersten Isolierplatte und eine Hauptoberfläche der vierten Metallfolie auf der Seite gegenüber derjenigen der zweiten Isolierplatte vom Dichtungsharz unbedeckt sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Metallelement zumindest entweder zwischen der ersten Hauptelektrode und der ersten Metallfolie oder zwischen der zweiten Hauptelektrode und der dritten Metallfolie angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest eine von der zweiten Metallfolie und der vierten Metallfolie mit einem Wärmeableitungskörper thermisch verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei eine andere Halbleitervorrichtung mit dem Wärmeableitungskörper thermisch verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin mit einem Anschluss, der mit dem Halbleiterelement elektrisch verbunden und zur Außenseite des Dichtungsharzes hinaus geführt ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, weiterhin mit einer dritten Isolierplatte; und einer fünften Metallfolie, die auf einer ersten Hauptoberfläche der dritten Isolierplatte vorgesehen und mit der ersten Metallfolie elektrisch verbunden ist, wobei der Anschluss mit einer zweiten Hauptoberfläche der dritten Isolierplatte verbunden und durch einen Draht mit dem Halbleiterelement elektrisch verbunden ist.
Halbleitervorrichtung mit: einer ersten Metallplatte; einer zweiten Metallplatte, die gegenüber der ersten Metallplatte vorgesehen ist; einem Halbleiterelement, das zwischen der ersten und der zweiten Metallplatte angeordnet und mit der ersten Metallplatte und der zweiten Metallplatte elektrisch verbunden ist; einer ersten Abscheidungsschicht mit Isoliereigenschaften, die auf einer Hauptoberfläche der ersten Metallplatte auf der Seite gegenüber derjenigen des Halbleiterelements ausgebildet ist; und einer zweiten Abscheidungsschicht mit Isoliereigenschaften, die auf einer Hauptoberfläche der zweiten Metallplatte auf der Seite gegenüber derjenigen des Halbleiterelements ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, weiterhin mit einem Dichtungsharz, das das Halbleiterelement abdichtet, wobei das Dichtungsharz die Seitenflächen der ersten und zweiten Metallplatten abdeckt, die erste Abscheidungsschicht auf einer Hauptoberfläche der ersten Metallplatte auf der Seite gegenüber derjenigen des Halbleiterelements und auf dem Dichtungsharz ausgebildet ist, das die Seitenfläche der ersten Metallplatte abdeckt, und die zweite Abscheidungsschicht auf einer Hauptoberfläche der zweiten Metallplatte auf der Seite gegenüber derjenigen des Halbleiterelements und auf dem Dichtungsharz ausgebildet ist, das die Seitenfläche der zweiten Metallplatte abdeckt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein Wärmeableitungskörper mit zumindest einer von der ersten Abscheidungsschicht und der zweiten Abscheidungsschicht thermisch verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine andere Halbleitervorrichtung mit dem Wärmeableitungskörper thermisch verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit den folgenden Schritten: Bereitstellen erster und zweiter Metallfolien auf einer Hauptoberfläche einer ersten Isolierplatte und Ausbilden eines ersten Substrats; Anordnen einer ersten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche eines ersten Halbleiterelements so vorgesehen ist, dass sie der ersten Metallfolie zugewandt ist, und elektrisches Verbinden der ersten Hauptelektrode und der ersten Metallfolie; Anordnen einer zweiten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche eines zweiten Halbleiterelements so vorgesehen ist, dass sie der zweiten Metallfolie zugewandt ist, und elektrisches Verbinden der zweiten Hauptelektrode und der zweiten Metallfolie; Vorsehen von dritten und vierten Metallfolien auf einer Hauptoberfläche einer zweiten Isolierplatte und Ausbilden eines zweiten Substrats; und Anordnen einer Oberflächenseite des zweiten Substrats, wo die dritte und vierte Metallfolie vorgesehen sind, so dass sie einer Oberflächenseite des ersten Substrats, auf der die ersten und zweiten Halbleiterelemente angeordnet sind, zugewandt ist, elektrisches Verbinden der dritten Metallfolie und einer dritten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche des ersten Halbleiterelements, auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche vorgesehen ist, auf der die erste Hauptelektrode vorgesehen ist, und elektrisches Verbinden der vierten Metallfolie und einer vierten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche des zweiten Halbleiterelements auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche vorgesehen ist, auf der die zweite Hauptelektrode vorgesehen ist.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, weiterhin mit einem Schritt des elektrischen Verbindens der dritten Hauptelektrode und der zweiten Metallfolie durch Verwenden eines Metallelements, bevor das erste Substrat und das zweite Substrat einander gegenüber angeordnet werden.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei das erste Substrat eine fünfte Metallfolie aufweist, die auf einer Hauptoberfläche der ersten Isolierplatte auf der Seite gegenüber derjenigen der ersten und zweiten Metallfolie vorgesehen ist; das zweite Substrat eine sechste Metallfolie aufweist, die auf einer Hauptoberfläche der zweiten Isolierplatte auf der Seite gegenüber derjenigen der dritten und vierten Metallfolie vorgesehen ist, und wobei das Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung weiterhin, nach dem Schritt des elektrischen Verbindens der dritten Hauptelektrode und der dritten Metallfolie und des elektrischen Verbindens der vierten Hauptelektrode und der vierten Metallfolie, einen Schritt des Verwendens eines Dichtungsharzes und des Abdichtens der ersten und zweiten Halbleiterelemente und der ersten und zweiten Isolierplatten in einem Zustand umfasst, in dem eine Hauptoberfläche der fünften Metallfolie auf der Seite gegenüber derjenigen der ersten Isolierplatte und einer Hauptoberfläche der sechsten Metallfolie auf der Seite gegenüber derjenigen der zweiten Isolierplatte freigelegt sind.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit den folgenden Schritten: Vorsehen erster und zweiter Metallfolien auf einer Hauptoberfläche einer ersten Isolierplatte und Ausbilden eines ersten Substrats; Anordnen einer ersten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche eines ersten Halbleiterelements vorgesehen ist, so dass sie der ersten Metallfolie zugewandt ist, und elektrisches Verbinden der ersten Hauptelektrode und der ersten Metallfolie; Vorsehen einer dritten Metallfolie auf einer Hauptoberfläche einer zweiten Isolierplatte und Ausbilden eines zweiten Substrats; Anordnen einer zweiten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche eines zweiten Halbleiterelements vorgesehen ist, so dass sie der dritten Metallfolie zugewandt ist, und elektrisches Verbinden der zweiten Hauptelektrode und der dritten Metallfolie; und Anordnen einer Oberflächenseite des zweiten Substrats, wo das zweite Halbleiterelement angeordnet ist, so dass sie einer Oberflächenseite des ersten Substrats, wo das erste Halbleiterelement angeordnet ist, zugewandt ist, elektrisches Verbinden der dritten Metallfolie und einer dritten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche des ersten Halbleiterelements vorgesehen ist, auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche, auf der die erste Hauptelektrode vorgesehen ist, und elektrisches Verbinden der zweiten Metallfolie und einer vierten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche des zweiten Halbleiterelements auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche vorgesehen ist, auf der die zweite Hauptelektrode vorgesehen ist.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, wobei das erste Substrat eine vierte Metallfolie aufweist, die auf einer Hauptoberfläche der ersten Isolierplatte auf der Seite gegenüber derjenigen der ersten und zweiten Metallfolie vorgesehen ist; das zweite Substrat eine fünfte Metallfolie aufweist, die auf einer Hauptoberfläche der zweiten Isolierplatte auf der Seite gegenüber derjenigen der dritten Metallfolie vorgesehen ist, und wobei das Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung weiterhin, nach dem Schritt des elektrischen Verbindens der dritten Hauptelektrode und der dritten Metallfolie und des elektrischen Verbindens der vierten Hauptelektrode und der zweiten Metallfolie, einen Schritt des Verwendens eines Dichtungsharzes und des Abdichtens der ersten und zweiten Halbleiterelemente und der ersten und zweiten Isolierplatten in einem Zustand umfasst, in dem eine Hauptoberfläche der vierten Metallfolie auf der Seite gegenüber derjenigen der ersten Isolierplatte und einer Hauptoberfläche der fünften Metallfolie auf der Seite gegenüber derjenigen der zweiten Isolierplatte freigelegt sind.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit den folgenden Schritten: Vorsehen einer ersten Metallfolie auf einer Hauptoberfläche einer ersten Isolierplatte und Ausbilden eines ersten Substrats; Anordnen einer ersten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche eines ersten Halbleiterelements vorgesehen ist, so dass sie der ersten Metallfolie zugewandt ist, und elektrisches Verbinden der ersten Hauptelektrode und der ersten Metallfolie; Anordnen einer zweiten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche eines zweiten Halbleiterelements vorgesehen ist, so dass sie der ersten Metallfolie zugewandt ist, und elektrisches Verbinden der zweiten Hauptelektrode und der ersten Metallfolie; Vorsehen einer zweiten Metallfolie auf einer Hauptoberfläche einer zweiten Isolierplatte und Ausbilden eines zweiten Substrats; und Anordnen einer Oberflächenseite des zweiten Substrats, auf der die zweite Metallfolie angeordnet ist, so dass sie einer Oberflächenseite des ersten Substrats, wo das erste und zweite Halbleiterelement angeordnet sind, zugewandt ist, und elektrisches Verbinden einer dritten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche des ersten Halbleiterelements vorgesehen ist, auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche, auf der die erste Hauptelektrode vorgesehen ist, und einer vierten Hauptelektrode, die auf einer Hauptoberfläche des zweiten Halbleiterelements auf der Seite gegenüber derjenigen der Hauptoberfläche vorgesehen ist, auf der die zweite Hauptelektrode vorgesehen ist, mittels der zweiten Metallfolie.