DE112010005383T5

DE112010005383T5 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112010005383T5
Application number: DE112010005383T
Authority: DE
Inventors: Osamu Ikeda; Tomotake Tohei
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2013-01-03
Anticipated expiration: 2030-11-20
Also published as: JP2011192686A; JP5702937B2; WO2011111137A1; DE112010005383B4

Abstract

Es ist eine Halbleitervorrichtung beschrieben, bei der metallische Leiter (zum Beispiel aus Cu oder einer Cu-Legierung) mit einem kleinen elektrischen Widerstandswert und einem großen linearen Ausdehnungskoeffizienten zu einem Drahtgeflecht verflochten sind, wobei der Draht mittels eines leitenden Verbindungsmaterials mit einem Verbindungsabschnitt für den Draht an der Oberseite eines Halbleiterelements der Halbleitervorrichtung verbunden ist. Spannungen im leitenden Verbindungsmaterial aufgrund der linearen Ausdehnung des Leiters mit kleinem elektrischen Widerstand und großem linearen Ausdehnungskoeffizienten werden damit abgebaut, so daß sowohl ein kleiner elektrischer Widerstand als auch eine hohe Zuverlässigkeit der Verbindung erreicht werden kann. Es wird damit eine Technik zum Verbinden von Anschlüssen an der Oberseite des Leistungs-Halbleiterelements mit einem kleinen elektrischen Widerstand und einer hohen Zuverlässigkeit der Drahtverbindung erhalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungs-Halbleitervorrichtung mit einem Verbindungsabschnitt für ein Element mit einer Elektrode an der Oberseite, der einen geringen elektrischen Widerstand aufweist und gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit der Verbindung sichert.
STAND DER TECHNIK
Das Anschließen von Elektroden an der Oberseite eines Leistungs-Halbleiterelements in einem Leistungsmodul erfolgt, wie in der 1 der Zeichnung gezeigt, in der Regel durch Drahtbonden mit einem dicken Al-Draht 1 mit einem Durchmesser von 300 bis 400 μm. Da durch den Drahtbondabschnitt des Leistungsmoduls ein hoher Strom im Bereich von einigen zehn bis zu einigen hundert Ampere und mehr fließt, erhitzen sich der Al-Draht des Bondabschnitts und das Leistungs-Halbleiterelement etc. durch die dabei erzeugte Joulesche Wärme. Bei den dabei auftretenden Temperaturänderungen entstehen aufgrund des Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Al-Draht und dem Element Spannungen im Bondabschnitt des Al-Drahts. Bei wiederholtem Ein/Ausschalten des Stroms entstehen in der Umgebung der Verbindungsfläche des Bondabschnitts mit dem Al-Draht durch die thermischen Spannungen Ermüdungsbrüche. Durch das immer weitere Ansteigen der Kapazität der Leistungsmodule wird auch der Strom durch die Leistungs-Halbleiterelemente immer größer. Die Zuverlässigkeit der Verbindung mit dem Drahtbondabschnitt bei thermischen Spannungen wird damit immer mehr zu einem wichtigen Thema.
Zur Verringerung der thermischen Spannungen im Bondabschnitt mit dem Al-Draht wurde bereits vorgeschlagen, die Anzahl der Al-Drähte zu erhöhen. Die Verringerung des in jedem einzelnen Al-Draht fließenden Stromes ermöglicht eine Verringerung der im Drahtbondabschnitt erzeugten Wärme und verbessert damit die Zuverlässigkeit der Verbindung. Es ist jedoch schwierig, mit diesem Verfahren die Wärmeerzeugung stark zu verringern, da die Zahl der Al-Drähte durch die Fläche des Leistungs-Halbleiterelements begrenzt wird. Bei einer Vergrößerung der Fläche des Leistungs-Halbleiterelements für mehr Drähte wird auch das Leistungsmodul größer. Es ist daher eine Verbindung mit einem niedrigen elektrischen Widerstand erforderlich, die das Drahtbonden mit einem Al-Draht ersetzt. In der Patent-Druckschrift 1 ist ein Verfahren zum Ultraschallbonden eines breiten Al-Bandes anstelle eines dicken Al-Drahtes für das Anschließen einer Elektrode an der Oberseite mit einem kleinen elektrischen Widerstand beschrieben. In den Patent-Druckschriften 2 und 3 ist jeweils ein Verfahren zum Anlöten eines Cu-Verbindungsstücks anstelle des Al-Drahtes an die Oberseite eines Elements beschrieben. Bei jedem dieser Verfahren kann durch einen im Vergleich zum Drahtbonden mit einem dicken Al-Draht geringeren elektrischen Widerstand die Wärmeerzeugung beim Durchfließen des Stroms herabgesetzt werden.
LISTE DER ZITIERTEN DRUCKSCHRIFTEN
PATENT-DRUCKSCHRIFTEN

Patent-Druckschrift 1: JP-A-2004-336043
Patent-Druckschrift 2: JP-A-2001-332664
Patent-Druckschrift 3: JP-A-2008-182074

ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG TECHNISCHES PROBLEM
Bei den Verfahren der Patent-Druckschriften 1 bis 3 treten die folgenden Probleme auf. Im Falle der Patent-Druckschrift 1 wird das den Al-Draht ersetzende breite Al-Band durch Ultraschallbonden befestigt. Da das Al-Band breiter ist als der Al-Draht, wird das Werkzeug zum Aufbringen der Ultraschallwellen und zum Erzeugen der Ultraschallenergie beim Bonden groß. Es gibt damit eine Grenze für die Breite des Al-Bandes, das mit dem Leistungs-Halbleiterelement verbunden werden kann, da sonst die Gefahr besteht, daß das Leistungs-Halbleiterelement beim Bonden beschädigt wird. Es besteht zwar die Möglichkeit, alternativ ein Cu-Band mit einem geringen elektrischen Widerstand zu verwenden. Die zum Bonden erforderliche Ultraschallenergie ist bei einem Cu-Band jedoch größer als bei einem Al-Band, so daß auch die Gefahr größer ist, daß das Halbleiterelement beim Bonden beschädigt wird. Es ist daher schwierig, beim Bonden mit einem Band den elektrischen Widerstand des Verbindungsabschnitts für ein Element mit einer Elektrode an der Oberseite erheblich zu verringern. Im Fall der Patent-Druckschriften 2 und 3 wird, wie in der 2 der Zeichnung gezeigt, ein Cu-Verbindungsstück an die Elektrode an der Oberseite des Elements angelötet. Der elektrische Widerstand kann damit stark verringert werden, da der spezifische elektrische Widerstand von Cu, der im Bereich von etwa 1,7 × 10^–8 Ω·m (20°C) bis 2,9 × 10^–8 Ω·m (200°C) liegt, kleiner ist als der spezifische elektrische Widerstand von Al, der im Bereich von etwa 2,7 × 10^–8 Ω·m (20°C) bis 4,8 × 10^–8 Ω·m (200°C) liegt. Es ist dabei jedoch schwierig, eine Verbindung mit hoher Zuverlässigkeit zu erhalten, da die Lötstelle durch die thermischen Spannungen aufgrund des Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Leistungs-Halbleiterelement und dem Cu schnell schlechter wird. Bei der Patent-Druckschrift 3 wird deshalb die Rundungsform der Lötstelle kontrolliert, um dadurch die Zuverlässigkeit der Verbindung zu erhöhen, wobei es jedoch auch mit diesem Verfahren schwierig ist, die Zuverlässigkeit der Verbindung ausreichend hoch zu halten. Es wurde daher versucht, den Umfangsabschnitt des Halbleiterelements durch Fließformen so zu begrenzen, daß sich ein Aufbau ergibt, bei dem die Spannungen nicht an der Lötstelle konzentriert werden. Bei den Verfahren der Patent-Druckschriften 2 und 3 ist es jedoch generell schwierig, eine Verschlechterung der Lötstelle zu verhindern, da große Leistungsmodule in ein weiches Gel eingeschlossen werden.
Mit der vorliegenden Erfindung sollen diese Probleme gelöst werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleitervorrichtung mit einer hohen Zuverlässigkeit der Verbindungen zu schaffen, bei der der elektrische Widerstand eines Verbindungsabschnitts an der Oberseite eines Elements klein ist und damit ein elektrischer Anschluß möglich ist, durch den ein großer Strom fließen kann.
LÖSUNG DER PROBLEME
Die obigen Probleme werden erfindungsgemäß mit einer Halbleitervorrichtung gelöst, die umfaßt: Ein Halbleiterelement mit einer Elektrode, einem Leiter und einem leitenden Verbindungsmaterial zum Verbinden der Elektrode des Halbleiterelements mit dem Leiter; wobei die Halbleitervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Leiter ein leitendes Drahtgeflecht ist, bei dem eine Anzahl von Leitungsdrähten miteinander verflochten ist.
VORTEILHAFTE AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung wird wie oben angegeben eine Halbleitervorrichtung erhalten, bei der der elektrische Widerstand eines Anschlusses an der Oberseite eines Elements herabgesetzt ist und die Spannungen an einer Lötstelle verringert sind, so daß die Zuverlässigkeit der Verbindung auch dann hoch ist, wenn ein hoher Strom durch die Halbleitervorrichtung fließt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Schnittansicht eines Leistungsmoduls;
2 ist eine schematische Darstellung eines Aufbaus, bei dem an eine Elektrode an der Oberseite eines Elements eine Cu-Platte angelötet ist;
3 ist eine schematische Schnittansicht einer Verbindung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 ist eine schematische Schnittansicht der Verbindung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 ist eine schematische Schnittansicht der Verbindung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6 ist eine schematische Schnittansicht der Verbindung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
7 ist eine schematische Ansicht des Zustands nach einer Verschlechterung durch thermische Schocks bei einem Element mit einer Elektrode an der Oberseite, an die eine Cu-Platte angelötet ist;
8 ist eine schematische Ansicht des Zustands nach einer Verschlechterung durch thermische Schocks bei einem Element mit einer Elektrode an der Oberseite bei dem erfindungsgemäßen Aufbau;
9 ist eine schematische Schnittansicht der Verbindung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
10 ist eine Tabelle mit Testergebnissen für erfindungsgemäße Beispiele und Vergleichsbeispiele.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Anhand der Zeichnungen wird eine Ausführungsform der Erfindung bei der Anwendung an einem Leistungs-Halbleitermodul beschrieben.
Die 3 und 4 zeigen eine Schnittansicht bzw. eine Aufsicht auf das Leistungs-Halbleitermodul der Ausführungsform. Ein Leistungs-Halbleiterelement 6 ist über ein leitendes Verbindungsmaterial 2 (Lot) mit einer Elektrode (nicht gezeigt) auf einem Substrat 3 verbunden. Über ein leitendes Verbindungsmaterial 9 (Lot) ist ein Leiter 8 aus einem Drahtgeflecht mit dem Halbleiterelement 6 verbunden. Der Drahtgeflechtleiter 8 ist mittels des leitenden Verbindungsmaterials 9 (Lot) mit einer anderen Elektrode (nicht gezeigt) auf dem Substrat 3 verbunden. Die Länge des durch das Verbindungsmaterial 9 angeschlossenen Drahtgeflechtleiters 8 ist nicht kleiner als 1/3 der Abmessung der Halbleiterelements 6 in der gleichen Richtung.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Drahtgeflechtleiter 8 durch das leitende Verbindungsmaterial 9 mit der Elektrode an der Oberseite des Halbleiterelements 6 verbunden. Auch bei der Verwendung eines härteren Materials wie Al kann das Drahtgeflecht dadurch weicher gemacht werden, daß der Durchmesser der Einzeldrähte, die das Drahtgeflecht bilden, entsprechend eingestellt wird. Damit können die Spannungen verringert werden, die im Verbindungsabschnitt an der Oberseite des Halbleiterelements 6 erzeugt werden. Da bei dem Drahtgeflecht die Einzeldrähte wie in der 5 gezeigt durch das leitende Verbindungsmaterial laminiert werden, ist der elektrische Widerstand klein, so daß ein hoher Strom fließen kann.
Vorzugweise wird der Endabschnitt des Drahtgeflechtleiters, der durch das leitende Verbindungsmaterial angeschlossen wird, gelockert und so ausgebreitet, wie es in der 6 gezeigt ist. Wenn die Drähte im jeweiligen Endabschnitt des Drahtgeflechtleiters, der durch das leitende Verbindungsmaterial 9 angeschlossen wird, damit nicht mehr verflochten, sondern gelockert und in Einzeldrähte aufgeteilt sind, kann der Endabschnitt des Drahtgeflechtleiters bereits mit einer kleinen Kraft verformt werden, so daß das Spannungsabbauvermögen besser ist. Da dabei die den Drahtgeflechtleiter bildenden Einzeldrähte miteinander durch das leitende Verbindungsmaterial verbunden sind, ist der elektrische Widerstand immer noch gering.
Vorzugsweise besteht der Drahtgeflechtleiter aus Drähten, die aus Cu oder einer Cu-Legierung mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 2,7 × 10^–8 Ω·m sind. Mit solchen Drähten aus Cu oder einer Cu-Legierung mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 2,7 × 10^–8 Ω·m für den Drahtgeflechtleiter ist der elektrische Widerstand im Vergleich zum Drahtbonden mit Al-Drähten kleiner. Bei Cu-Legierungen nimmt der elektrische Widerstand mit zunehmendem Cu-Gehalt ab. Vorzugsweise liegt daher der Cu-Gehalt nicht unter 95%. Das Schermodul von Cu beträgt etwa 0,44 × 10¹¹ Pa, was etwa 1,7 mal so groß ist wie das Schermodul von Al mit 0,26 × 10¹¹ Pa. Beim Drahtbonden mit Al-Draht beträgt der Durchmesser des Al-Drahtes im allgemeinen 0,4 mm, so daß der Durchmesser des Drahtes aus Cu oder einer Cu-Legierung vorzugsweise nicht kleiner ist als 0,2 mm. Wenn der Durchmesser kleiner ist als 0,01 mm, besteht die Möglichkeit, daß der Cu-Draht durch eine Reaktion mit dem Lot wegschmilzt, wenn für das leitende Verbindungsmaterial für die Verbindung Lot verwendet wird. Die 7 zeigt einen Schnitt durch den Verbindungsabschnitt im Zustand nach der Verschlechterung durch thermische Schocks, wenn wie in den Patent-Druckschriften 2 und 3 als Leiter eine Cu-Platte verwendet wird. Vom Umfang des leitenden Verbindungsmaterials her entwickeln sich Risse, durch die das leitende Verbindungsmaterial schlechter wird. Die 8 zeigt die Entwicklung der durch thermische Schocks entstehenden Risse an einem durch Lot angeschlossenen Drahtgeflechtleiter. Bei dem Drahtgeflechtleiter treten in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem jeweiligen Draht und dem leitenden Verbindungsmaterial kurze Risse auf, die auf die unmittelbare Umgebung der Grenzfläche Cu-Draht/Lot begrenzt sind, anders als im Fall der Cu-Platte. Es wird somit verhindert, daß die Risse zu durchgehend langen Rissen werden, so daß trotz der Verschlechterung durch thermische Schocks der elektrische Widerstand nicht höher wird.
Die Halbleitervorrichtung umfaßt auch einen Drahtgeflechtleiter, der aus Drähten aus Cu oder einer Cu-Legierung mit einem spezifischen elektrischen Widerstand kleiner als 2,7 × 10^–8 Ω·m und Drähten aus einem Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht.
Ein Drahtgeflechtleiter hat nämlich auch den Vorteil, daß wie in der 9 gezeigt verschiedene Materialien im Geflecht kombiniert werden können. Cu hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 17 ppm/K und ein Halbleiterelement einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3 ppm/K. Der Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist daher groß. Mit nur einem Drahtgeflechtaufbau kann daher nicht immer das notwendige Spannungsabbauvermögen erhalten werden. Deshalb werden gegebenenfalls mit den Drähten aus Cu oder einer Cu-Legierung Drähte mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zusammengeflochten, so daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Leiters im Vergleich zu einem Leiter aus Drähten aus Cu oder einer Cu-Legierung kleiner ist und damit die im Leiter-Verbindungsabschnitt erzeugten thermischen Spannungen geringer sind.
Als Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizient wird vorzugsweise Invar, Mo oder W verwendet. Jedes dieser Materialien kann durch Drahtziehen und dergleichen zu Draht mit dem gewünschten Durchmesser verarbeitet werden. Invar hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 4 ppm/K, Mo einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5 ppm/K und W einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4,5 ppm/K. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Drahtgeflechtleiters kann daher durch eine Kombination von Invar, Mo oder W mit den Drähten aus Cu oder einer Cu-Legierung verkleinert werden.
Die Oberfläche der Drähte aus Cu oder einer Cu-Legierung mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 2,7 × 10^–8 Ω·m kann mit Ni, Ni-P und/oder Ni-B beschichtet sein. Wenn bleifreies Lot auf Sn-Basis mit Cu oder einer Cu-Legierung in Kontakt kommt, reagieren das Cu und das Sn miteinander und bilden an der Verbindungs-Grenzfläche eine Cu-Sn-Verbindung. Wenn die Cu-Sn-Verbindung dick ausgebildet wird, besteht die Möglichkeit, daß an Stellen, an denen die benachbarten Cu-Drähte nahe beieinander liegen, diese über die Verbindung miteinander verbunden werden. Das Spannungsabbauvermögen des Drahtgeflechts wird dadurch kleiner. Durch das Aufbringen einer Beschichtung auf Ni-Basis auf die Oberfläche der Drähte aus Cu oder einer Cu-Legierung wird das Wachstum der Verbindung an der Verbindungs-Grenzfläche unterdrückt, so daß das Spannungsabbauvermögen erhalten bleibt. Die Dicke der Beschichtung auf Ni-Basis liegt vorzugsweise im Bereich von 1 μm bis 5 μm. Wenn die Dicke der Beschichtung auf Ni-Basis kleiner ist als 1 μm, besteht die Möglichkeit, daß die Beschichtung auf Ni-Basis durch eine Grenzflächenreaktion verlorengeht und es unmöglich wird, einen Beschichtungseffekt zu erhalten. Wenn die Dicke der Beschichtung auf Ni-Basis nicht kleiner ist als 5 μm, besteht die Möglichkeit, daß das Spannungsabbauvermögen durch Ungleichmäßigkeiten in der Beschichtungsdicke und die Härte des Ni im Vergleich zu Cu geringer wird.
Das leitende Verbindungsmaterial für den elektrischen Anschluß des Drahtgeflechtleiters ist bleifreies Lot auf Sn-Basis.
Da bleifreies Lot auf Sn-Basis Cu und Cu-Legierungen mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 2,7 × 10^–8 Ω·m gut benetzt und mit dem Cu und der Cu-Legierung gut reagiert, kann mit dem bleifreien Lot auf Sn-Basis ein guter elektrischer Anschluß des Leiters erhalten werden. Da durch die Kapillarwirkung die Lücken im Drahtgeflecht mit dem Lot gefüllt werden, ergibt das Lot einen Anschluß des Drahtgeflechtleiters mit einem kleinen elektrischen Widerstand.
Bei der Halbleitervorrichtung kann das leitende Verbindungsmaterial für den Anschluß des Drahtgeflechtleiters ein reines Sn-Lot oder ein eutektisches Sn-Cu-Lot sein.
Von den verschiedenen Arten des bleifreien Lots auf Sn-Basis ist das reine Sn-Lot und das eutektische Sn-Cu-Lot ein Lot mit besonders geringer Fließspannung, so daß mit reinem Sn-Lot und mit eutektischem Sn-Cu-Lot ein noch besseres Spannungsabbauvermögen erhalten wird.
Beispiele 1 bis 11
Die folgenden Beispiele 1 bis 11 dienen der Bestätigung der Funktion und der Auswirkungen der Erfindung. Wie in der 3 gezeigt, wurde eine 200 μm dicke Lötfolie 2 aus Sn-7Cu (Massen-%) auf ein Substrat 3 gelegt, ein Leistungs-Halbleiterelement 6 mit der Größe 10 mm × 10 mm darauf angeordnet und die Verbindung bei 300°C für 5 Minuten in einer reduzierenden H₂-Atmosphäre ausgebildet. Bei jedem der Beispiele der 10 wurde auf das Substrat 3 und das damit verbundene Element 6 eine 100 μm dicke Lötfolie 9 gelegt, darauf ein 8 mm breiter, den verschiedenen Spezifikationen der 10 entsprechend ausgebildeter Drahtgeflechtleiter 8 angeordnet und die Verbindung bei 300°C für 5 Minuten in einer reduzierenden H₂-Atmosphäre ausgebildet. Am Substrat 3 wurde dann ein Gehäuse angebracht und in die Umgebung des Verbindungsabschnitts ein Gel injiziert und ausgehärtet. Auf diese Weise wurden Halbleitervorrichtungen hergestellt.
Nach dem Zusammenbau der Halbleitervorrichtung wurde der Betriebswiderstand des Halbleiterelements gemessen. Außerdem wurde ein Wärmezyklustest im Bereich von –40°C (10 Minuten) bis 125°C (10 Minuten) für 1000 Zyklen durchgeführt und die Änderung im Betriebswiderstand nach dem Wärmezyklustest gemessen. Wenn der Betriebswiderstand zum Zeitpunkt des Zusammenbaus kleiner war als der der Halbleitervorrichtung mit der Al-Band-Verbindung im Vergleichsbeispiel 2, wurde der Betriebswiderstand mit O bezeichnet. Wenn der Betriebswiderstand zum Zeitpunkt des Zusammenbaus gleich oder größer war als der der Halbleitervorrichtung im Vergleichsbeispiel 2, wurde er mit x bezeichnet. Wenn die Änderung im Betriebswiderstand nach 1000 Zyklen nicht größer war als das 1,2-fache des Anfangswerts, wurde das Ergebnis des Wärmezyklustests mit O bewertet. Wenn die Änderung im Betriebswiderstand nach 1000 Zyklen größer war als das 1,2-fache des Anfangswerts, wurde das Ergebnis des Wärmezyklustests mit x bewertet.
Wie in der Tabelle der 10 gezeigt, war der Betriebswiderstand nach dem Zusammenbau bei jedem der Beispiele kleiner als bei der Halbleitervorrichtung mit der Al-Band-Verbindung im Vergleichsbeispiel 2. Der Betriebswiderstand war bei jedem der Beispiele 1 bis 9 etwa das 0,8-fache des Betriebswiderstands der Halbleitervorrichtung mit der Al-Band-Verbindung. Der Betriebswiderstand war bei jedem der Beispiele 10 und 11 etwa das 0,9-fache des Betriebswiderstands der Halbleitervorrichtung mit der Al-Band-Verbindung. Beim Wärmezyklustest betrug der Anstieg im Betriebswiderstand nach 1000 Zyklen bei jedem der Beispiele nicht mehr als das 1,2-fache des Anfangswerts, wie es in der 10 gezeigt ist. Der Wert war in jedem der Beispiele 1 bis 9 etwa das 1,1-fache des Anfangswerts. Bei den Beispielen 10 und 11 wurde praktisch keine Änderung gegenüber dem Anfangswert festgestellt. Bei der Betrachtung eines Schnitts durch den Verbindungsabschnitt an der Oberseite des Elements wurden in den Beispielen 1 bis 9 Risse in der Nähe der Grenzflächen Cu-Draht/Lot von der in der 8 gezeigten Art festgestellt. Es wird angenommen, daß der Anstieg im Betriebswiderstand durch den Anstieg des elektrischen Widerstands des Verbindungsabschnitts wegen der Risse verursacht wird. Bei der Betrachtung eines entsprechenden Schnitts wurden bei den Beispielen 10 und 11 ähnliche Risse festgestellt, wobei jedoch die Anzahl der Risse klein war. Wenn die Beispiele hinsichtlich der Anzahl der auftretenden Risse in drei Gruppen eingeteilt werden, wiesen die Beispiele 10 und 11 die kleinste Anzahl von Rissen auf, die Beispiele 2, 4 und 5 bis 9 wiesen eine kleine Anzahl von Rissen auf, und die Beispiele 1 und 3 wiesen die größte Anzahl von Rissen auf. Es wurde so bestätigt, daß der durch die jeweilige Kombination erreichte Spannungsabbau effektiv ist, und daß auch eine Verbindung mit einem weichen Lot auf Sn-Basis und eine Lockerung des Drahtgeflechts im Verbindungsabschnitt für den Drahtgeflechtleiter effektiv ist.
Es ist damit offensichtlich, daß die Erfindung einen elektrischen Anschluß an der Oberseite des Halbleiterelements mit einem kleinen elektrischen Widerstand und einer großen Zuverlässigkeit der Verbindung ermöglicht. Auch wenn die Prozesse zum Erhalten des Gesamtaufbaus mit dem Prozeß zum Verbinden des Drahtgeflechtleiters mit dem Halbleiterelement und dem Prozeß zum Verbinden des Halbleiterelements mit dem Substrat getrennt beschrieben wurden, können der Drahtgeflechtleiter, die Lötfolie, das Halbleiterelement, die weitere Lötfolie und das Substrat auch aufeinandergelegt und dann in einem einzigen Prozeß miteinander verbunden werden.
Vergleichsbeispiele 1 und 2
Eine 200 μm dicke Lötfolie aus Sn-7Cu (Massen-%) wurde auf ein Substrat gelegt, ein Leistungs-Halbleiterelement mit der Größe 10 mm × 10 mm darauf angeordnet und die Verbindung bei 300°C für 5 Minuten in einer reduzierenden H₂-Atmosphäre ausgebildet. Beim Vergleichsbeispiel 1 wurden dann eine Elektrode auf dem Halbleiterelement und eine Elektrode auf dem Substrat durch zwölf Al-Drähte mit einem Durchmesser von 0,4 mm verbunden. Beim Vergleichsbeispiel 2 wurden die Elektrode auf dem Halbleiterelement und die Elektrode auf dem Substrat durch zwei Al-Bänder mit einer Dicke von 0,1 mm und einer Breite von 3 mm verbunden. Am Substrat 3 wurde dann ein Gehäuse angebracht und in die Umgebung des Verbindungsabschnitts ein Gel injiziert und ausgehärtet. Auf diese Weise wurden Halbleitervorrichtungen hergestellt.
Der Betriebswiderstand des Halbleiterelements wurde nach dem Zusammenbau der Halbleitervorrichtung und nach 1000 Zyklen des Wärmezyklustests im Bereich von –40°C (10 Minuten) bis 125°C (10 Minuten) gemessen. Wenn der Betriebswiderstand zum Zeitpunkt des Zusammenbaus kleiner war als der der Halbleitervorrichtung mit der Al-Band-Verbindung im Vergleichsbeispiel 2, wurde der Betriebswiderstand mit O bezeichnet. Wenn der Betriebswiderstand gleich oder größer war als der der Halbleitervorrichtung im Vergleichsbeispiel 2, wurde er mit x bezeichnet. Wenn die Änderung im Betriebswiderstand nach 1000 Zyklen nicht größer war als das 1,2-fache des Anfangswerts, wurde das Ergebnis des Wärmezyklustests mit O bewertet. Wenn die Änderung im Betriebswiderstand nach 1000 Zyklen größer war als das 1,2-fache des Anfangswerts, wurde das Ergebnis des Wärmezyklustests mit x bewertet.
Wie in der Tabelle der 10 gezeigt, war der Betriebswiderstand der Al-Draht-Verbindung beim Vergleichsbeispiel 1 um das 1,4-fache größer als bei der Al-Band-Verbindung im Vergleichsbeispiel 2. Es wurde bestätigt, daß der Betriebswiderstand nach dem Zusammenbau bei jedem der Vergleichsbeispiele 1 und 2 größer war als bei jedem der Beispiele 1 bis 11. Bei den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurde nach dem Wärmezyklustest praktisch keine Änderung gegenüber dem Anfangswert festgestellt.
Vergleichsbeispiel 3
Eine 200 μm dicke Lötfolie aus Sn-7Cu (Massen-%) wurde auf ein Substrat gelegt, ein Leistungs-Halbleiterelement mit der Größe 10 mm × 10 mm darauf angeordnet und die Verbindung bei 300°C für 5 Minuten in einer reduzierenden H₂-Atmosphäre ausgebildet. Auf dem Substrat und dem damit verbundenen Element wurde dann eine 100 μm dicke Lötfolie aus Sn-3,5 Ag (Massen-%) angeordnet, ein Leiter aus einer Cu-Platte mit einer Dicke von 0,2 mm und einer Breite von 8 mm darauf gelegt und die Verbindung bei 300°C für 5 Minuten in einer reduzierenden H₂-Atmosphäre ausgebildet. Am Substrat wurde dann ein Gehäuse angebracht und in die Umgebung des Verbindungsabschnitts ein Gel injiziert und ausgehärtet. Auf diese Weise wurde eine Halbleitervorrichtung hergestellt.
Der Betriebswiderstand des Halbleiterelements wurde nach dem Zusammenbau der Halbleitervorrichtung und nach 1000 Zyklen des Wärmezyklustests im Bereich von –40°C (10 Minuten) bis 125°C (10 Minuten) gemessen. Wenn der Betriebswiderstand zum Zeitpunkt des Zusammenbaus kleiner war als der der Halbleitervorrichtung mit der Al-Band-Verbindung im Vergleichsbeispiel 2, wurde der Betriebswiderstand mit O bezeichnet. Wenn der Betriebswiderstand zum Zeitpunkt des Zusammenbaus gleich oder größer war als der der Halbleitervorrichtung im Vergleichsbeispiel 2, wurde er mit x bezeichnet. Wenn die Änderung im Betriebswiderstand nach 1000 Zyklen nicht größer war als das 1,2-fache des Anfangswerts, wurde das Ergebnis des Wärmezyklustests mit O bewertet. Wenn die Änderung im Betriebswiderstand nach 1000 Zyklen größer war als das 1,2-fache des Anfangswerts, wurde das Ergebnis des Wärmezyklustests mit x bewertet.
Wie in der Tabelle der 10 gezeigt, betrug der Betriebswiderstand nach dem Zusammenbau etwa das 0,6-fache des Betriebswiderstands der Halbleitervorrichtung mit der Al-Band-Verbindung des Vergleichsbeispiels 2, das heißt es war von allen Halbleitervorrichtungen einschließlich denen der Beispiele 1 bis 11 der niedrigste Wert. Der Betriebswiderstand stieg jedoch nach den 1000 Zyklen des Wärmezyklustests gegenüber dem Anfangswert auf das etwa 1,5-fache an, das heißt, daß die Zuverlässigkeit von allen Halbleitervorrichtungen einschließlich denen der Beispiele 1 bis 11 am niedrigsten war. Bei der Betrachtung eines Schnitts durch den Verbindungsabschnitt an der Oberseite des Elements zeigte sich, daß sich von den Endabschnitten des Lötabschnitts ausgehend Risse wie in der 7 gezeigt gebildet hatten und mehr als 50 der Verbindungsfläche dadurch geschädigt war.
BEZUGSZEICHENLISTE

1 Draht, 2 leitendes Verbindungsmaterial (Lot), 3 Substrat, 4 Lot, 5 Halteelement, 6 Leistungs-Halbleiterelement, 7 Leiter aus einer Cu-Platte, 8 Drahtgeflechtleiter, 9 leitendes Verbindungsmaterial, 10 Cu-Draht oder Draht aus einer Cu-Legierung, 11 Draht aus einem Material mit kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, 101 Riss.

Claims

Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterelement mit einer Elektrode; einem Leiter; und mit einem leitenden Verbindungsmaterial zum Verbinden der Elektrode des Halbleiterelements mit dem Leiter; dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter ein Drahtgeflechtleiter ist, bei dem eine Anzahl von Leiterdrähten miteinander verflochten ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des mit dem leitenden Verbindungsmaterial verbundenen Drahtgeflechtleiters nicht verflochten ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtgeflechtleiter Drähte aus Cu oder einer Cu-Legierung mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 2,7 × 10^–8 Ω·m enthält.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Drahtgeflechtleiter Leiterdrähte aus Cu oder einer Cu-Legierung mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 2,7 × 10^–8 Ω·m und Leiterdrähte aus einem Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einem linearen Ausdehnungskoeffizienten, der kleiner ist als der des Cu oder der Cu-Legierung, miteinander verflochten sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten Invar, Mo und/oder W ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Cu oder der Cu-Legierung mit Ni, Ni-P und/oder Ni-B beschichtet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Verbindungsmaterial bleifreies Lot auf Sn-Basis ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Verbindungsmaterial für den Anschluß des Drahtgeflechtleiters reines Sn-Lot oder eutektisches Sn-Cu-Lot ist.