DE112016002608T5 - Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung und Leistungs-Halbleitervorrichtung - Google Patents

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semiconductor device
electrode terminal
bonding
bonded
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Yutaka Yoneda
Junji Fujino
Kazuyoshi SHIGE
Yoichi Hironaka
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, Folgendes anzugeben: ein Verfahren zur Herstellung einer besonders zuverlässigen Leistungs-Halbleitervorrichtung, die einem Bruch eines Leitungsmusters und einer isolierenden Schicht vorbeugt, und die eine Bondingstärke aufweist, die höher als die beim herkömmlichen Bonding zwischen dem Elektrodenanschluss und des Leitungsmusters ist; und eine derartige Leistungs-Halbleitervorrichtung. Dem Bruch des Leitungsmusters und der isolierenden Schicht wird vorgebeugt, indem folgende Maßnahmen einbezogen werden: ein Schritt, bei dem ein Elektrodenanschluss (3) auf einen Vorsprung (52c) gesetzt wird, der auf dem Leitungsmuster (52a) angeordnet ist, das auf der Schaltungsflächen-Seite der Keramikplatte (5) ausgerichtet ist, so dass ein zentraler Bereich einer zu bondenden Oberfläche (3j) des Elektrodenanschlusses in Kontakt mit einem Kopfbereich des Vorsprungs gelangt; und ein Schritt, in dem eine der zu bondenden Oberfläche (3j) gegenüberliegende Oberfläche (3z) des Elektrodenanschlusses mittels einer Sonotrode (50) mit Druck beaufschlagt und in Ultraschallschwingungen versetzt wird, so dass der Elektrodenanschluss an das Leitungsmuster (52a) gebondet wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung, bei dem ein Elektrodenanschluss an ein Halbleiterelement oder dergleichen gebondet wird, und eine derartige Leistungs-Halbleitervorrichtung. Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung, bei der das besagte Bonding mittels Ultraschall-Bonding ausgeführt wird, und auf eine derartige Leistungs-Halbleitervorrichtung.
  • HINTERGRUND ZUM STAND DER TECHNIK
  • Bei einer herkömmlichen Leistungs-Halbleitervorrichtung, insbesondere bei einer Starkstrom-Leistungs-Halbleitervorrichtung, muss der Elektrodenanschluss der Leistungs-Halbleitervorrichtung, der mit einer externen Schaltung verbunden werden soll, über einen großen Bereich gebondet werden, damit ein starker Strom effizient durch diesen Bereich fließen kann. Daher hat man für das Bonden des Elektrodenanschlusses ein Lötverfahren verwendet (siehe beispielsweise das Patentdokument 1). Wenn allerdings die Temperaturumgebung, in der die Leistungs-Halbleitervorrichtung verwendet wird, extremer wird, kann das herkömmliche Löten die benötige Zuverlässigkeit möglicherweise nicht erfüllen.
  • Beim herkömmlichen Löten besteht jedoch die Möglichkeit, dass das Lot, das eine Grundplatte und eine Keramikplatte aneinander bondet, während der Elektrodenanschluss gelötet wird, durch die Wärmeanwendung erneut schmilzt, wenn die Leistungs-Halbleitervorrichtung so aufgebaut ist, dass die Keramikplatte, die eine Keramikplatte und Leitungsmuster aufweist, an beiden Oberflächen dieser Platte an die Grundplatte gelötet ist.
  • Daher darf als Lot für das Bonden des Elektrodenanschlusses kein Lot verwendet werden, dessen Schmelzpunkt nahe dem Schmelzpunkt desjenigen Lots liegt, das die Grundplatte und die Keramikplatte aneinander bondet. Es tritt also das Problem auf, dass verschiedene Lot-Typen benötigt werden, so dass ein kompliziertes Verfahren entsteht.
  • Um dieses Problem zu lösen, gibt es ein Verfahren, bei dem der Elektrodenanschluss mittels Ultraschall an das Leitungsmuster auf der Keramikplatte gebondet wird. Da es sich beim Ultraschall-Bonding um ein Feststoff-Bonding handelt, das keinen Erwärmungs-Schritt benötigt, kann während des Bondens des Elektrodenanschlusses dieser über eine große Fläche gebondet werden, ohne dass das Lot, das die Grundplatte und die Keramikplatte aneinander bondet, erneut geschmolzen wird.
  • Zusätzlich kann die Zuverlässigkeit des Bondingbereichs im Vergleich zu der des Lötens verbessert werden. Ultraschall-Bonding ist eine Technologie, mit der eine Bondingschicht gebildet wird, indem die aneinander zu bondenden Materialien unter Verwendung einer Sonotrode Ultraschallschwingungen ausgesetzt werden, während sie mit Druck beaufschlagt werden. Dabei werden eine Oxidschicht, die entlang der Bonding-Schnittstelle ausgebildet ist, und an dieser Schicht anhaftender Schmutz entfernt, und die neu geschaffenen Oberflächen können fest miteinander verbunden werden.
  • Dabei wird davon ausgegangen, dass das Leitungsmuster während des Bondings Spannungskonzentrationen verursacht und in der Umgebung des Bondingbereichs des Leitungsmusters bricht. Bei der Leistungs-Halbleitervorrichtung fließt während des Betriebs ein Strom, der in dem Leistungs-Halbleiterelement fließt, in dem Leitungsmuster durch den Bondingbereich des Elektrodenanschlusses. Daher besteht das Risiko, dass dann, wenn das Leitungsmuster einem Bruch unterliegt, dies dazu führt, dass kein Strom in der Leistungs-Halbleitervorrichtung fließt.
  • Obgleich es üblich ist, dass das Leitungsmuster integral mit einer isolierenden Schicht ausgebildet ist, so dass dem Fließen eines Stroms auf der Wärmeabführungs-Oberfläche der Leistungs-Halbleitervorrichtung vorgebeugt wird, so wird, wenn das Leitungsmuster einem Bruch unterliegt, zudem gleichzeitig die isolierende Schicht, die integral mit dem Leitungsmuster ausgebildet ist, brechen. Dies birgt das gefährliche Risiko, dass die Isoliereigenschaften des Erzeugnisses nicht sichergestellt sind.
  • Um dieses Problem zu bewältigen, ist vor diesem Hintergrund in dem Patentdokument 2 eine solche Anordnung angegeben, bei der eine Harzschicht zwischen einem Anschluss-Endbereich und einem Leitungsmuster ausgebildet ist. Dementsprechend existiert in der Nähe des Endes des Elektrodenanschlusses zwischen dem Anschluss und dem Leitungsmuster ein weiches Element, so dass verhindert wird, dass der Anschluss-Endbereich und das Leistungsmuster während des Ultraschall-Bondings in direkten Kontakt miteinander gelangen. Zudem wird somit der auf das Leitungsmuster wirkende Druck verringert. Dadurch kann verhindert werden, dass das Leitungsmuster bricht, so dass das Bonding bei erhöhtem Druck ausgeführt werden kann.
  • Darüber hinaus ist ein solches Verfahren denkbar, bei dem die Bondingbedingungen mit geringen Anforderungen konzipiert werden, so dass dem Bruch des Leitungsmusters und der isolierenden Schicht vorgebeugt wird. Wenn allerdings die Bondingbedingungen unzureichend konzipiert werden, tritt das Problem auf, dass die Bondingstärke des Bondingbereichs abnimmt.
  • Um dieses Problem zu bewältigen, ist in dem Patentdokument 3 eine solche Anordnung angegeben, bei der ein Kupferelement als Elektrodenanschluss verwendet wird, das Vorsprünge an seiner Endoberfläche, die an das Leitungsmuster gebondet werden soll, aufweist, wobei jeder Vorsprung eine Vorsprungshöhe aufweist, die mindestens gleich oder größer als die Dicke der Oxidschicht ist, die auf der Oberfläche der anderen Seite gefertigt ist, und das so angepasst ist, dass es härter ist als das Leitungsmuster.
  • Da die Vorsprünge an den Endoberflächen ausgebildet sind, die an den Elektrodenanschluss gebondet werden sollen, werden die Vorsprünge auf der Oberfläche des Elements auf der anderen Seite gleiten, so das die Oxidschicht bricht oder platzt, so dass ein direkter Kontakt mit der unter dieser Schicht innenliegenden Oberfläche hergestellt wird. Wenn in diesem Zustand weiter kontinuierlich Ultraschallschwingungen angewendet werden, tritt ein plastisches Fließen an der zu bondenden Oberfläche des Elektrodenanschlusses einschließlich der Bereiche der Vorsprünge auf. Dies vergrößert die aneinanderhaftenden Bereiche der innenliegenden Metalloberflächen, so dass der Elektrodenanschluss und das Element auf der anderen Seite mittels Ultraschall mit einer ausreichenden Bondingstärke aneinander gebondet werden, ohne dabei von der Oxidschicht beeinflusst zu werden.
  • PATENTLITERATUR
    • Patentdokument 1: JP 2006-253516 A (Absatz [0012], 1)
    • Patentdokument 2: JP 2010-082668 A (Absatz [0013], 1)
    • Patentdokument 3: JP 2005-259880 A (Absatz [0008], 1)
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • TECHNISCHES PROBLEM
  • Gemäß dem Patentdokument 2 wird allerdings in einem Bereich, in dem das weiche Element existiert, kein Bondingbereich zwischen dem Elektrodenanschluss und dem Leitungsmuster ausgebildet, so dass der entstandene Bondingbereich kleiner ist als die Größe des Elektrodenanschlusses. Zudem gilt es zu bedenken, dass das weiche Element durch das Ultraschall-Bonding einem Bruch unterliegt, um in dem Bondingbereich zu verbleiben, und so einen Faktor für das Abnehmen der Bondingstärke darstellt.
  • Da ein Kupferelement verwendet wird, das härter als das Leitungsmuster ist, gilt es derweil hinsichtlich Patentdokument 3 zu bedenken, dass die Vorsprünge während des Bondings nicht verformt werden können, um in das Leitungsmuster einzudringen, so dass das Leitungsmuster und die isolierende Schicht brechen, obwohl die Bondingbedingungen schwach konzipiert wurden.
  • Die Erfindung wurde konzipiert, um die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen. Die Aufgabe der Erfindung bezieht sich daher auf eine Halbleitervorrichtung, bei der ein Elektrodenanschluss mittels Ultraschall an ein Leitungsmuster auf eine isolierende Schicht gebondet wird, und darauf, Folgendes anzugeben: ein Verfahren zur Herstellung einer sehr zuverlässigen Leistungs-Halbleitervorrichtung, die einem Bruch des Leitungsmusters und der isolierenden Schicht vorbeugt, ohne eine Harzschicht zu verwenden, und die zwischen dem Elektrodenanschluss und dem Leitungsmuster eine höhere Bondingstärke aufweist als die beim herkömmlichen Bonding; und eine derartige sehr zuverlässige Leistungs-Halbleitervorrichtung.
  • LÖSUNG DES PROBLEMS
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass es Folgendes aufweist: einen Schritt, in dem ein Elektrodenanschluss auf einen Vorsprung gelegt wird, der auf einer Elektrodenschicht angeordnet ist und der in einer dem zentralen Bereich der zu bondenden Oberfläche des Elektrodenanschlusses zugewendeten Position ausgebildet ist, so dass die zu bondende Oberfläche des Elektrodenanschlusses in Kontakt mit einem Kopfbereich des Vorsprungs gelangt; und einen Schritt, in dem eine der zu bondenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Elektrodenanschlusses mittels einer Sonotrode mit Druck beaufschlagt und in Ultraschallschwingungen versetzt wird, so dass der Elektrodenanschluss an die Elektrodenschicht gebondet wird.
  • WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
  • Gemäß der Erfindung werden der Kopfbereich des Vorsprungs, der auf der Elektroden-schicht ausgebildet ist, die besagte Schicht und der Elektrodenanschluss mittels Ultraschall aneinander gebondet, so dass einem Bruch der Elektrodenschicht oder anderer Komponenten vorgebeugt werden kann, was sonst aufgrund von Spannungskonzentrationen, die durch den angewendeten Druck während des Anwendens der Ultraschallwelle verursacht werden, auftreten kann.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A und 1B sind ein Teilschnitt und eine Draufsicht, die eine Anordnung vor dem Bonden einer Hauptkomponente der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung zeigen.
  • 2A, 2B und 2C sind Querschnittsansichten von einem Bereich, in dem ein Leitungsmuster und ein Elektrodenanschluss in den jeweiligen Schritten aneinander gebondet werden und mit denen ein Verfahren zur Herstellung einer Hauptkomponente der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung gezeigt wird.
  • 3A, 3B und 3C sind Querschnittsansichten von einem Bereich, in dem ein Leitungsmuster und ein Elektrodenmuster in den jeweiligen Schritten aneinander gebondet sind und mit denen ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel gezeigt wird.
  • 4A und 4B sind ein Teilschnitt und eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Form des Vorsprungs der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung zeigen.
  • 5A und 5B sind ein Teilschnitt und eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Form des Vorsprungs der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung zeigen.
  • 6A und 6B sind ein Teilschnitt und eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Form des Vorsprungs der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung zeigen.
  • 7A und 7B sind ein Teilschnitt und eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Form des Vorsprungs der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung zeigen.
  • 8A und 8B sind ein Teilschnitt und eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Form des Vorsprungs der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung zeigen.
  • 9A und 9B sind ein Teilschnitt und eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Form des Vorsprungs der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung zeigen.
  • 10A und 10B sind ein Teilschnitt und eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Form des Vorsprungs der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung zeigen.
  • 11A und 11B sind ein Teilschnitt und eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Form des Vorsprungs der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung zeigen.
  • 12A und 12B sind ein Teilschnitt und eine Draufsicht, die eine Anordnung vor dem Bonden einer Hauptkomponente einer Leistungs-Halbleitervorrichtung 2 der Erfindung zeigen.
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN GEMÄSS DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Leistungs-Halbleitervorrichtungen als Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es sei angemerkt, dass in den jeweiligen Zeichnungen den gleichen oder ähnlichen Komponenten die gleichen Bezugszeichen zugewiesen sind. In den Darstellungen der jeweiligen Zeichnungen sind die Größen und Maßstäbe der entsprechenden Komponenten unabhängig voneinander.
  • Daher kann beispielsweise ein solcher Fall auftreten, dass bei den Querschnittsansichten in einer Relation, bei der die Anordnung in einer der Querschnittsansichten teilweise von der der anderen abweicht, die Darstellungen von unveränderten gemeinsamen Komponenten hinsichtlich der Größen und Maßstäbe von diesen gemeinsamen Komponenten voneinander abweichen.
  • Zudem ist jede der Leistungs-Halbleitervorrichtungen derart konfiguriert, dass sie mehrere andere Komponenten aufweist; dennoch werden zur Vereinfachung der Beschreibung nur jene Komponenten angegeben, die für die Beschreibung nötig sind, so dass die anderen Teile (zum Beispiel ein Leistungs-Halbleiterelement, ein Gehäuse und dergleichen) in der Beschreibung weggelassen sind.
  • Ausführungsform 1
  • 1A und 1B sind ein Teilschnitt bzw. eine Draufsicht, die eine Anordnung vor dem Bonden einer Hauptkomponente einer Leistungs-Halbleitervorrichtungen 100 gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung zeigen.
  • Wie in 1A und 1B gezeigt, weist die Leistungs-Halbleitervorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung Folgendes auf: eine Keramikplatte 5, die eine isolierende Platte ist, die ein Keramik-Basiselement 51 und Leitungsmuster 52a, 52b besitzt, die als Elektrodenschichten an beiden Oberflächen dieses Elements ausgebildet sind; ein Wärmeabführungs-Element 6; einen Elektrodenanschluss 3; und dergleichen.
  • Das Wärmeabführungs-Element 6 ist mittels eines Lots 8 an die Wärmeabführungs-Stirnseite (die Seite des Leitungsmusters 52b) der Keramikplatte 5 gebondet. Der Elektrodenanschluss 3 ist mittels Ultraschall an die Schaltungsflächen-Seite (die Seite des Leitungsmusters 52a) der Keramikplatte 5 gebondet. Der Elektrodenanschluss 3 ist elektrisch mit einer Hauptelektrode eines Leistungs-Halbleiterelements 1 verbunden. Im Folgenden wird eine detaillierte Beschreibung gegeben.
  • Es sei angemerkt, dass in jeder der Zeichnungen ein Koordinatensystem gezeigt ist, in dem die X-Richtung eine Richtung ist, die parallel zu der Keramikplatte 5 verläuft und entlang derer sich der Bondingbereich des Elektrodenanschlusses 3 erstreckt; in dem die Z-Richtung eine Richtung senkrecht zu der Keramikplatte 5 ist; und in dem die Y-Richtung eine Richtung ist, die senkrecht zu der Papierebene ist. Die X-Richtung, die Y-Richtung und die Z-Richtung des Koordinatensystems sind zueinander orthogonal.
  • Der Elektrodenanschluss 3 ist ein Verdrahtungselement, über das eine externe Schaltung und das Leitungsmuster 52a, das als eine Elektrodenschicht der Keramikplatte 5 ausgebildet ist, elektrisch miteinander verbunden sind. Als Material für den Elektrodenanschluss 3 ist ein Metall mit einem niedrigen elektrischen Widerstand bevorzugt.
  • Im Allgemeinen wird ein Erzeugnis, das aus einem Metallblech aus Cu, Al oder dergleichen geschnitten ist, oder ein Press-bearbeitungs-Erzeugnis hieraus verwendet. An dem einen Ende des Elektroden-anschlusses 3 ist der Bondingbereich ausgebildet, an dem der Elektrodenanschluss mit dem Leitungsmuster 52a verbunden ist. Das andere Ende des Elektroden-anschlusses 3 ist elektronisch mit einer anderen Schaltungskomponente oder der externen Schaltung verbunden.
  • Zudem ist es hinsichtlich des Elektrodenanschlusses 3 vorzuziehen, dass die Querschnittsfläche des Elektrodenanschlusses 3 so groß wie möglich ist, um den zulässigen Stromfluss zu erhöhen; es ist dennoch vorzuziehen, dass die Dicke des Elektrodenanschlusses 3 so dünn wie möglich ist, um die zu der Zeit des Ultraschall-Bondings eingesetzte Leistung in einfacherer Weise auf eine zu bondende Oberfläche 3j zu übertragen. Dementsprechend beträgt die Dicke des Plattenelements zum Ausbilden des Elektrodenanschlusses 3 oder die Dicke von zumindest dem Bereich, der die dem Leitungsmuster 52a zugewandte zu bondende Oberfläche 3j aufweist, vorzugweise etwa 0,5 mm bis 2,0 mm, und ihre Breite beträgt vorzugsweise etwa 2,0 mm bis 6,0 mm.
  • Die Keramikplatte 5 weist das Keramik-Basiselement 51 und die Leitungsmuster 52a, 52b auf, die auf beiden Oberflächen des Keramik-Basiselements 51 ausgebildet sind. Das Keramik-Basiselement 51 ist ein elektrischer Isolator und weist vorzugsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass eine Keramikplatte aus AlN, SiN, Al2O3 oder dergleichen mit einer Dicke von 0,635 mm oder 0,32 mm üblicherweise dafür verwendet wird. Für die Leitungsmuster 52a, 52b wird üblicherweise das gleiche Material verwendet.
  • Von diesen wird das Leitungsmuster 52a zum Ausbilden des Bondingbereichs gemeinsam mit dem Elektrodenanschluss 3 vorzugsweise aus einem Metall gefertigt, das einen geringen elektrischen Widerstand aufweist, da es ein Verdrahtungselement ist, über das das Leistungs-Halbleiterelement und die externe Schaltung elektrisch miteinander verbunden sind. Daher werden für die Leitungsmuster 52a, 52b üblicherweise Cu, Al oder dergleichen verwendet, die eine Dicke von etwa 1,0 mm oder geringer aufweisen.
  • Außerdem ist zumindest ein Vorsprung 52c in dem Oberflächenbereich des Leitungsmusters 52a ausgebildet, um mittels Ultraschall an mindestens eine zu bondende Oberfläche 3j des Elektrodenanschlusses 3 gebondet zu werden. Der Vorsprung 52c wird mittels spanender Bearbeitung, Ätzen oder dergleichen ausgebildet. Der Vorsprung 52c gemäß Ausführungsform 1 beispielsweise weist eine Kopfform auf, die eine Zylinder-Form mit einem Durchmesser ϕ von 2,0 mm und 0,1 mm Höhe besitzt.
  • Das Wärmeabführungs-Element 6 ist durch das Lot 8 an eine oder mehrere Keramikplatten 5 gebondet und dient selbst als Wärmeabführungs-Platte. Ferner ist eine Oberfläche des Wärmeabführungs-Elements 6, die sich gegenüber der durch das Lot 8 gebondeten Oberfläche befindet, unter Verwendung von thermisch leitfähigem Fett oder dgl. mit einem Kühlkörper verbunden. Daher wird Wärme, die in der Leistungs-Halbleitervorrichtung erzeugt wird, effizient nach außen abgeleitet. Dementsprechend ist als Material für das Wärmeabführungs-Element 6 ein Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit vorzuziehen und im Allgemeinen wird eine Metallplatte aus Cu, Al, AlSiC oder dergleichen mit einer Dicke von etwa 1 bis 5 mm dafür verwendet.
  • Das Lot 8 bondet die Wärmeabführungs-Oberflächenseite der Keramikplatte 5 und das Wärmeabführungs-Element 6 aneinander. Demnach ist als Material für das Lot 8 ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt und einer hohen Wärmeleitfähigkeit vorzuziehen und im Allgemeinen wird eine Legierung mit Sn, Pb, Ag, Cu oder dergleichen verwendet. Außerdem beträgt die Dicke des Lots im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und die Wärmeabführungs-Fähigkeit vorzugsweise etwa 0,1 mm bis 0,3 mm.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung einer Hauptkomponente der Leistungs-Halbleitervorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung beschrieben. 2A, 2B und 2C sind Darstellungen, die Herstellungsschritte für die Hauptkomponente der Leistungs-Halbleitervorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung zeigen.
  • Wie in 2A gezeigt, wird zunächst der Elektrodenanschluss 3 auf den Vorsprung 52c gesetzt, der auf dem Leitungsmuster 52a ausgebildet ist, so dass die zu bondende Oberfläche 3j in Kontakt mit dem Vorsprung 52c gelangt. Dann wird die gesamte Leistungs-Halbleitervorrichtung während des Zusammenbauens an einer nicht gezeigten Ultraschall-Bonding-Apparatur angerbracht, so dass in der Zeichnung nur Teile des Elektrodenanschlusses 3 und des Leitungsmusters 52a abgebildet sind. Anschließend wird eine Sonotrode 50 in A-Richtung (Z-Achsen-Richtung) abgesenkt, so dass ihr Kopf an der angegebenen Position in Kontakt mit einer der zu bondenden Oberfläche 3j gegenüberliegenden Oberfläche 3z des Elektrodenanschlusses 3 gelangt.
  • Um die Wirkung des Vorsprungs 52c in größtmöglichem Ausmaß zu entwickeln, sollte zu diesem Zeitpunkt das Zentrum des Kopfes der Sonotrode 50 in einer Position abgesenkt werden, die auf das Zentrum des Vorsprungs 52c ausgerichtet ist. Da hier die Oberflächen des Elektrodenanschlusses 3 und des Vorsprungs 52c je mit einer das Bonding hemmenden Schicht bedeckt sind, wie etwa einer Oxidschicht oder dergleichen, werden der Elektrodenanschluss 3 und der Vorsprung 52c nicht aneinander gebondet.
  • Wie in 2B gezeigt, wird anschließend die Sonotrode 50 gegen den Elektrodenanschluss gedrückt und in B-Richtung sowie in C-Richtung (X-Achsen-Richtung) in Ultraschallschwingung versetzt. Die Frequenz beträgt zu diesem Zeitpunkt beispielsweise mehrere zehn kHz, und die Sonotrode 50 wird in A-Richtung abgesenkt während sie in Schwingung versetzt ist. Dementsprechend reiben die Berührungsflächen des Vorsprungs 52c und des Elektrodenanschlusses 3 aneinander, so dass die das Bonding hemmende Schicht, wie etwa eine Oxid-schicht oder dergleichen, die die jeweilige Berührungsfläche bedeckt, entfernt wird.
  • Vorsprungsbereiche der Sonotrode 50 greifen in Bereiche der Oberfläche 3z auf der gegenüberliegenden Seite der zu bondenden Oberfläche 3j des Elektrodenanschlusses 3. Während das Bonding in der Reihenfolge von der Oberfläche des Vorsprungs 52c zu einem anderen Bereich weiter fortschreitet, werden sie an den Elektrodenanschluss 3 gebondet, während der Vorsprung 52c aufgrund des beaufschlagten Drucks und der Schwingungen, die von der Sonotrode 50 ausgehen, insbesondere in die Schwingungsrichtungen verformt wird, so dass sich der gebondete Bereich um den Vorsprung 52c zentriert ausbreitet. Daher bewegt sich der Endbereich des Bondingbereichs hin zu der Außenseite des Elektrodenanschlusses 3.
  • Wie in 2C gezeigt, verschwindet schließlich nach dem Verformen der Vorsprung 52c und gegenseitig miteinander in Kontakt stehende Flächen des Leitungsmusters 52a sowie des Elektrodenanschlusses 3 werden durch Ultraschallschwingungen aneinander gebondet, so dass eine starke Bondingschicht ausgebildet wird. Hierbei wird, wie zuvor beschrieben, die Oberfläche des Vorsprungs 52c als erstes gebondet, und davon ausgehend werden der Elektrodenanschluss 3 und das Leitungsmuster 52a aneinander gebondet, so dass sich der gebondete Bereich vergrößert, während das Bonding fortschreitet.
  • Dabei nimmt die Spannung aufgrund des beaufschlagten Drucks ab. Somit ist es möglich, einem Bruch des Leitungsmusters 52a und des Keramik-Basiselements 51 vorzubeugen, der aufgrund von Spannungskonzentration durch den beaufschlagten Druck während des Anlegens der Ultraschallwelle auftritt. Da der Vorsprung 52c vorzugsweise verformt wird, wird der plastische Fluss in dem Bondingbereich beschleunigt.
  • Daher können in dem Bereich um den Vorsprung herum feinere Kristallkörner erhalten werden, so dass der Bondingbereich stärker wird. Die Teile, die in einer solchen stärkeren Weise durch den Vorsprung 52c aneinander gebondet sind, können hinsichtlich des Zustands einer Bruchoberfläche nach dem Bonden, oder eines Zustands der Korngrößen nach dem Polieren eines Querschnitts betrachtet werden. Dabei ist es bevorzugt, dass die Oberflächenform der zu bondenden Oberfläche des Elektrodenanschlusses 3 planar ist, um einen großen Bereich der starken Bondingfläche mittels Verformen des Vorsprungs 52c zu erhalten.
  • 3A, 3B und 3C sind Darstellungen, die Herstellungsschritte für eine Hauptkomponente einer herkömmlichen Leistungs-Halbleitervorrichtung 100C zeigen. Wie in 3A gezeigt, wird in dem Fall der herkömmlichen Leistungs-Halbleitervorrichtung 100C die zu bondende Oberfläche 3j vollständig auf das Leitungsmuster 52a gesetzt, weil der Vorsprung 52c gemäß Ausführungsform 1 nicht auf dem Leitungsmuster 52a ausgebildet ist.
  • Aufgrund des beaufschlagten Drucks und der Schwingungen während des Ultraschall-Bondings reiben anschließend, wie in 3B gezeigt, die Berührungsflächen des Leitungsmusters 52a und des Elektrodenanschlusses 3 aneinander, so dass die das Bonding verhindernde Schicht, wie etwa eine Oxidschicht oder dergleichen, die die beiden Berührungsflächen bedeckt, entfernt wird; wenn allerdings das Ultraschall-Bonding mit dem Elektrodenanschluss 3 beginnt, der auf dem Leitungsmuster 52a ohne Vorsprung 52c liegt, werden beide Enden der zu bondenden Oberfläche 3j des Elektrodenanschlusses 3 gebondet.
  • Auch wenn der Druck und die Ultraschallschwingungen mittels der Sonotrode 50 aufgebracht werden, so werden sich solche Bondingbereiche nicht mehr ausdehnen, und die Spannung durch den beaufschlagten Druck wird nicht abnehmen. Die Oxidschicht oder dergleichen, die währenddessen entfernt wird, wird nicht nur zu den Außenseiten des Elektrodenanschlusses 3 hin verlagert, sondern auch in die Innenseite des Elektrodenanschlusses 3 verlagert.
  • Wenn die beiden Enden des Anschlusses gebondet sind, kann die Oxidschicht oder dergleichen, die an den zentralen Bereich des Elektrodenanschlusses 3 verlagert ist, nicht zu der Außenseite des Elektrodenanschlusses 3 hin entfernt werden und verbleibt zwischen den Berührungsflächen. Daher sind ihre entsprechenden Bereiche nicht aneinander gebondet, so dass folglich nicht-gebondete Bereiche existieren. Die entstandene gebondete Fläche nimmt dementsprechend ab. Dies stellt einen Faktor für die Abnahme der Bondingstärke oder der Zuverlässigkeit dar.
  • Wenn zudem dieser Zustand über einen langen Zeitraum anhält, kann ein solcher Fall auftreten, dass, wie in 3C gezeigt, ein Riss K an dem Bondingbereich zwischen dem Leitungsmuster 52a und dem Elektrodenanschluss 3 auftritt, so dass das Leitungsmuster 52a einem Bruch unterliegt. Während des Betriebs fließt in der Leistungs-Halbleitervorrichtung der Strom, der in dem Leistungs-Halbleiterelement fließt, durch den Bondingbereich von dem Elektrodenanschluss 3 in das Leitungsmuster 52a.
  • Daher besteht das Risiko, dass dann, wenn das Leitungsmuster 52a einem Bruch unterliegt, kein Strom in die Leistungs-Halbleitervorrichtung fließt. Obgleich es üblich ist, dass das Leitungsmuster 52a integral mit einer isolierenden Schicht ausgebildet ist, so dass ein Stromfluss auf der Wärmeabführungs-Oberfläche der Leistungs-Halbleitervorrichtung verhindert wird, wird außerdem gleichzeitig auch die integral mit diesem Leitungsmuster ausgebildete Isolierschicht brechen, wenn das Leitungsmuster 52a einem Bruch unterliegt.
  • Das ist sehr gefährlich, weil damit das Risiko entsteht, dass die Isoliereigenschaften des Erzeugnisses nicht sichergestellt sind. Um diese Risiken zu vermeiden, gibt es ein Verfahren zum Reduzieren der Belastung und der Amplitude und zum Verkürzen der Anwendungszeit, welche die Bedingungen für das Anlegen der Ultraschallwelle darstellen; allerdings stellt dies zugleich einen Faktor für ein Verringern der Bondingstärke zwischen dem Elektrodenanschluss 3 und dem Leitungsmuster 52a dar, so dass Nachteil bei der Durchführung des Bondingvorgangs auftreten können.
  • Demgegenüber wird bei der Leistungs-Halbleitervorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung die entfernte Oxidschicht oder dergleichen entsprechend der Verformung des Vorsprungs 52c zu der Außenseite des Elektrodenanschlusses 3 hin verlagert, da der Vorsprung 52c in einem Bereich der Oberfläche des Leitungsmusters 52a ausgebildet ist, der mittels Ultraschall an die zu bondende Oberfläche 3j des Elektrodenanschlusses 3 zu bonden ist, und wird nicht in dem Bondingbereich verbleiben.
  • Das Bonding wird somit von der Innenseite der zu bondenden Oberfläche 3j des Elektrodenanschlusses 3 aus realisiert, so dass der gebondete Bereich im Vergleich mit der herkömmlichen Leistungs-Halbleitervorrichtung 100C vergrößert werden kann. Wenn der gebondete Bereich größer wird, so wird der elektrische Widerstand des Bondingbereiches entsprechend geringer, so dass die Wärmeerzeugung des Elektrodenanschlusses 3 aufgrund des Einschalt-Widerstands unterdrückt wird. Im Vergleich zu dem Fall, in dem der gebondete Bereich kleiner ist, kann man daher einen stärkeren Strom fließen lassen.
  • Weil der Vorsprung 52c vorzugsweise verformt wird, wird der plastische Fluss in dem Bondingbereich beschleunigt. Daher können im Vergleich mit dem herkömmlichen, mittels Ultraschall-Bonding gebondeten Bereich in dem Bereich um den Vorsprung herum feinere Kristallkörner erhalten werden. Dementsprechend bricht der Bondingbereich mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit als der herkömmlich mittels Ultraschall-Bonding gebondete Bereich, so dass ein in hohem Maße zuverlässiger Bondingbereich erhalten werden kann.
  • Da der gebondete Bereich größer wird, wird es außerdem erschwert, dass der Bondingbereich durch folgende Umstände einen Bruch erleidet: eine Wärmespannung, die in dem Bondingbereich aufgrund einer Temperaturänderung erzeugt wird, die durch den Betrieb der Leistungs-Halbleitervorrichtung und aufgrund eines Unterschiedsd er Längenausdehnungskoeffizientenen zwischen den Komponenten verursacht wird; und auch eine Zugspannung, der der Bondingbereich aufgrund einer Verformung der Leistungs-Halbleitervorrichtung als Ganzes ausgesetzt ist und die durch eine Temperaturänderung verursacht wird.
  • Somit kann eine besonders zuverlässige Leistungs-Halbleitervorrichtung erhalten werden. Daher kann eine Leistungs-Halbleitervorrichtung erhalten werden, die einen stärkeren Strom verarbeiten kann und die eine höhere Zuverlässigkeit aufweist, als die beim herkömmlichen Bonding zwischen dem Elektrodenanschluss 3 und dem Leitungsmuster 52a.
  • Es sei angemerkt, dass während des Ultraschall-Bondings, obgleich sich der Vorsprung 52c bei einer Druckbeaufschlagung durch die Sonotrode 50 von der Form in 2A zu den Seiten des Leitungsmusters 52 (in Z-Richtung) hin verformt, das Bonding nur zwischen dem Vorsprung 52c und dem Elektrodenanschluss 3 gebildet wird, sofern die Höhe des Vorsprungs 52c höher ist als die dem verformten Volumen entsprechende. Daher ist es möglich, dass das Leitungsmuster 52a und der Elektrodenanschluss 3 nicht miteinander in Kontakt stehen, so dass der gebondete Bereich sich nicht ausdehnt und daher der entstandene gebondete Bereich relativ zu der zu bondenden Oberfläche 3j des Elektrodenanschlusses 3 kleiner wird.
  • Zudem ist es möglich, dass Spannungskonzentrationen aufgrund des beaufschlagten Drucks und der Schwingungen in dem Wurzelbereich des Vorsprungs 52c auftreten, so dass der Vorsprung 52c und das Leitungsmuster 52a brechen. Dementsprechend wird die Höhe des Vorsprungs 52c vorzugsweise niedriger vorge-geben als diejenige, die einem durch den beaufschlagten Druck verformbaren Volumen des Vorsprungs 52c entspricht.
  • Zum Beispiel ist die Höhe des Vorsprungs 52c für den Fall, dass der Elektrodenanschluss 3, das Leitungsmuster 52a und der Vorsprung 52c alle aus Kupfer bestehen, vorzugsweise mit etwa 0,01 bis 0,2 mm vorgegeben. In dem Fall, in dem der Elektrodenanschluss 3 aus Kupfer besteht und das Leitungsmuster 52a sowie der Vorsprung 52c aus Aluminium bestehen, ist die Höhe des Vorsprungs 52c vorzugsweise mit etwa 0,01 bis 0,4 mm vorgegeben. Da der Bereich des Kopfs des Vorsprungs 52c wächst, wird derweil der über die Sonotrode 50 beaufschlagte Druck pro Flächeneinheit kleiner, so dass das verformte Volumen des Vorsprungs 52c kleiner wird.
  • Auch wenn es nötig ist, dass der Kopfbereich des Vorsprungs 52c kleiner ist als die zu bondende Oberfläche 3j des Elektrodenanschlusses 3, ist beispielsweise in dem Fall, in dem der Elektrodenanschluss 3, das Leitungsmuster 52a und der Vorsprung 52c alle aus Kupfer bestehen, der Kopfbereich des Vorsprungs 52c vorzugsweise mit etwa 10 mm2 oder weniger vorzugeben. In dem Fall, in dem der Elektrodenanschluss 3 aus Kupfer besteht und das Leitungsmuster 52a und der Vorsprung 52c aus Aluminium bestehen, ist der Kopfbereich des Vorsprungs 52c vorzugsweise mit etwa 15 mm2 oder weniger vorzugeben.
  • Wenn darüber hinaus die Vickershärte (nachfolgend „Härte”) des Vorsprungs 52 geringer als die des Elektrodenanschlusses 3 vorgegeben ist, wird der Vorsprung 52c selbst bei einem niedrigeren beaufschlagten Druck verformt. Dies ermöglicht es, den Effekt, dass dem Bruch des Leitungsmusters durch Spannungskonzentration vorgebeugt wird, zu verbessern und die Bondingstärke zu erhöhen, so dass die Härte des Vorsprungs 52c vorzugsweise geringer als die des Elektrodenanschlusses 3 vorzugeben ist.
  • Hinsichtlich der Form des Vorsprungs 52c kann dieser zudem eine andere als die zylindrische Form aufweisen und jede Form wie etwa eine halbkugelförmige Form, eine rechteckige Säulenform, eine konische Form, eine Pyramidenstumpf-Form und dergleichen besitzen, so lange sie die zuvor beschriebenen Funktionen erfüllt; vorzugsweise handelt es sich allerdings um einen Vorsprung 52c1, der eine Form mit abgerundeten Ecken aufweist, wie zum Beispiel in 4A und 4B gezeigt.
  • Wenn der Vorsprung derart geformt ist, so ist es möglich, dem Bruch des Vorsprungs 52c1 und des Leitungsmusters 52a aufgrund einer Spannungskonzentration in dem Wurzelbereich des Vorsprungs 52c, die durch den beaufschlagten Druck und die Schwingungen der Sonotrode 50 während des Bondings verursacht wird, vorzubeugen.
  • Wenn außerdem, wie in 5A und 5B gezeigt, mehrere Vorsprünge 52c2 als Vorsprung vorhanden sind, der in dem Oberflächenbereich des Leitungsmusters 52a ausgebildet ist, um an die zu bondende Oberfläche 3j gebondet zu werden, kann das Abnehmen der Bondingstärke aufgrund eines einseitigen Kontakts zwischen dem Leitungsmuster 52a und dem Elektrodenanschluss 3, der auftritt, wenn die Keramikplatte 5 oder der Elektrodenanschluss 3 eine Neigung aufweisen, begrenzt werden.
  • Wenn zudem der Vorsprung 52c aufgrund des beaufschlagten Drucks und der Schwingungen der Sonotrode 50 während des Bondings verformt wird, dann wird er sich größtenteils in den Schwingungsrichtungen der Sonotrode 50 verformen, so dass, wenn der Vorsprung 52c beispielweise kreisförmig ist, der Bereich, in dem sich die Auswirkung durch den Vorsprung 52c entfaltet, in die Vibrationsrichtungen größer wird als in andere Richtungen.
  • Aus diesem Grund wird, wie in 6A und 6B gezeigt, ein Vorsprung 52c3 ausgebildet, bei dem die Form des Vorsprungs vorab in der Richtung, die senkrecht zu den Schwingungsrichtungen verläuft, länger als in der anderen Richtung ausgebildet ist, so dass der Bereich, in dem die Auswirkung des Erhöhens der Bondingstärke durch den Vorsprung entwickelt wird, effizient erweitert werden kann. Wenn beispielsweise die Schwingungsrichtungen der Y-Richtung entsprechen, ist es zu bevorzugen, dass das Längenverhältnis an dem Kopf des Vorsprungs 52c3 in der X-Richtung mit „zwei” und in der Y-Richtung mit „eins” vorgegeben ist.
  • Wie in 7A und 7B gezeigt, kann ein Vorsprung 52c4 außerdem derart ausgebildet sein, dass ein Bereich des Leitungsmusters 52a um diesen Vorsprung herum abgesenkt ist. Hier muss der Umfang des abgesenkten Bereiches größer ausgebildet sein als die Außenseite des Elektrodenanschlusses 3, um die Auswirkung des Vorsprungs zu entwickeln. Zudem ist es vorzuziehen, dass die Außenseite des Elektrodenanschlusses 3 kleiner oder gleich einer Außenseite ausgebildet ist, die durch den Elektrodenanschluss 3 entsteht, wenn er an jeder begrenzten Position hinsichtlich des erlaubten Verschiebungsbetrags in Relation zu dem Vorsprung 52c4 ausgerichtet ist. Dies ermöglicht eine Ausrichtung des Anschlusses vor dem Bonding während der Überprüfung des Erscheinungsbildes.
  • Wenn ferner, wie in 8A und 8B gezeigt, eine Aussparung 3a in dem Elektrodenanschluss 3 in seiner Position gegenüber dem Vorsprung 52c ausgebildet ist, die kleiner ist als der Vorsprung 52c, kann der Effekt des Erhöhens der Bondingstärke aufgrund eines Einpassungs- oder Stauchungseffekts verbessert werden, der aufgrund des mittels der Sonotrode 50 beaufschlagten Drucks auftritt. Darüber hinaus kann der Anschluss ausgerichtet werden, wenn die Aussparung 3a durch ein Durchgangsloch ersetzt wird.
  • Außerdem kann der Vorsprung 52c aus einem Bauteil gebildet sein, das sich von dem des Leitungsmusters 52a unterscheidet. Wenn zum Beispiel, wie in 9A und 9B gezeigt, ein Kupferdraht oder ein Kupferband auf das Leitungsmuster 52a in einem eine Schlaufe bildenden Zustand gebondet ist, kann ein Vorsprung 52c5 in einfacherer Weise ausgebildet werden als durch das Bearbeiten des Leitungsmusters 52a. Ferner wird der Schlaufen-Bereich vorzugsweise während des Bondings verformt.
  • Daher kann eine Beschädigung, die sonst an dem Leitungsmuster 52a und an dem Keramik-Basiselement 51 auftreten kann, weiter verringert werden. Gleichermaßen kann, wie in 10A und 10B gezeigt, ein Vorsprung 52c6 in einfacherer Weise gebildet werden als durch das Bearbeiten des Leitungsmusters 52a, wenn der Vorsprung 52c6, der eine niedrigere Dichte aufweist als die des Leitungsmusters 52a, durch thermisches Sprayen gebildet wird. Zudem wird der Vorsprung 52c6 mit der niedrigeren Dichte vorzugsweise während des Bondings verformt.
  • Daher kann eine Beschädigung, die sonst an dem Leitungsmuster 52a und an dem Keramik-Basiselement 51 auftreten kann, weiter verringert werden. Stattdessen kann vorab eine dünne Cu-Folie auf das Leitungsmuster 52a gebondet werden. Hierbei kann der Bondingvorgang der Cu-Folie verkürzt werden, wenn die Cu-Folie wie der Elektrodenanschluss 3 mittels Ultraschall-Bonding gebondet wird. Zusätzlich ist, wie in 11A und 11B gezeigt, die Form des Kopfes einer Sonotrode 50 auf die Cu-Folie übertragen.
  • Daher kann in einfacher Weise ein Effekt erhalten werden, der demjenigen in dem Fall gleicht, in dem, wie in 5 gezeigt, mehrere Vorsprünge 52c2 ausgebildet sind. Der aufgebrachte Druck, der für das Bonding der Cu-Folie nötig ist, wird niedriger als der aufgebrachte Druck für das Bonding des Elektrodenanschlusses 3. Daher tritt keine Beschädigung an dem Leitungsmuster 52a und dem Keramik-Basiselement 51 auf, während die Cu-Folie mittels Ultraschall auf das Leitungsmuster 52a gebondet wird.
  • Das Verfahren zur Herstellung der Leistungs-Halbleitervorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung weist Folgendes auf:
    einen Schritt, in dem der Elektrodenanschluss 3 auf den Vorsprung 52c gelegt wird, der auf dem Leitungsmuster 52a ausgebildet ist, das auf der Schaltungsflächen-Seite der Keramikplatte 5 ausgerichtet ist, so dass der zentrale Bereich der zu bondenden Oberfläche 3j des Elektrodenanschlusses in Kontakt mit dem Kopfbereich des Vorsprungs gelangt; und
    einen Schritt, in dem die der zu bondenden Oberfläche 3j gegenüberliegende Oberfläche 3z des Elektrodenanschlusses 3 mittels der Sonotrode 50 mit Druck beaufschlagt und in Ultraschallschwingungen versetzt wird, so dass der Elektrodenanschluss an das Leitungsmuster 52a gebondet wird.
  • Während das Bonding fortschreitet, vergrößert sich daher der gebondete Bereich. Dementsprechend nimmt die Spannung aufgrund des beaufschlagten Drucks ab. Daher kann einem Bruch des Leitungsmusters 52a und des Keramik-Basiselements 51 vorgebeugt werden, der sonst aufgrund der Spannungskonzentration, die durch den beaufschlagten Druck während des Anwendens der Ultraschallwelle verursacht wird, auftreten kann.
  • Außerdem wird die Oxidschicht oder dergleichen, die auf der jeweiligen Oberfläche des Elektrodenanschlusses 3 und des Vorsprungs 52c angeordnet ist, der Verformung des Vorsprungs 52c entsprechend zu den Außenseiten des Elektrodenanschlusses hin verlagert und wird nicht in dem Bondingbereich verbleiben. Das Bonding wird also von der Innenseite der zu bondenden Oberfläche 3j des Elektrodenanschlusses 3 aus realisiert, so dass der gebondete Bereich im Vergleich mit der herkömmlichen Leistungs-Halbleitervorrichtung 100C vergrößert werden kann.
  • Wenn der gebondete Bereich größer wird, so wird der elektrische Widerstand des Bondingbereiches entsprechend geringer, so dass die Wärmeerzeugung des Elektrodenanschlusses 3 aufgrund des Einschalt-Widerstands unterdrückt wird. Im Vergleich zu dem Fall, in dem die gebondete Fläche kleiner ist, kann daher ein stärkerer Strom fließen.
  • Da der gebondete Bereich größer wird, wird es außerdem erschwert, dass der Bondingbereich durch folgende Umstände einen Bruch erleidet: eine Wärmespannung, die in dem Bondingbereich aufgrund einer Temperaturänderung erzeugt wird, die durch den Betrieb der Leistungs-Halbleitervorrichtung und aufgrund eines Unterschieds der Längenausdehnungskoeffizienten zwischen den Komponenten verursacht wird; und auch eine Zugspannung, der der Bondingbereich aufgrund einer Verformung der Leistungs-Halbleitervorrichtung als Ganzes ausgesetzt ist, und die durch eine Temperaturänderung verursacht wird.
  • Somit kann eine besonders zuverlässige Leistungs-Halbleitervorrichtung erhalten werden. Daher kann eine Leistungs-Halbleitervorrichtung erhalten werden, die einen stärkeren Strom verarbeiten kann und die eine höhere Zuverlässigkeit aufweist als die des herkömmlichen Bondings zwischen dem Elektrodenanschluss 3 und dem Leitungsmuster 52a.
  • Ausführungsform 2
  • Bei der Ausführungsform 1 ist ein Fall gezeigt, bei dem Ultraschall-Bonding verwendet wird, um das Leitungsmuster 52a der Keramikplatte 5 und den Elektrodenanschluss 3 aneinander zu bonden. Bei der Ausführungsform 2 wird hingegen ein Fall beschrieben, in dem Ultraschall-Bonding verwendet wird, um eine Vorderseiten-Elektrode eines Leistungs-Halbleiterelements und den Elektrodenanschluss 3 aneinander zu bonden.
  • 12A und 12B sind ein Teilschnitt bzw. eine Draufsicht, die die Anordnung vor dem Bonding einer Hauptkomponente einer Leistungs-Halbleitervorrichtung 101 gemäß Ausführungsform 2 der Erfindung zeigen. Wie in 12A und 12B gezeigt, weist die Leistungs-Halbleitervorrichtung 101 gemäß Ausführungsform 2 der Erfindung Folgendes auf: eine Vorderseiten-Elektrode 2 als eine Elektrodenschicht, die auf einer Oberfläche des Leistungs-Halbleiterelements 1 ausgebildet ist; den Elektrodenanschluss 3; und weitere Komponenten weiter. Unter der Vorderseiten-Elektrode 2 sind Transistoren 10 ausgebildet.
  • Das Leistungs-Halbleiterelement 1 ist ein Leistungs-Halbleiterelement, das einen Inverter, einen Konverter oder dergleichen bildet. Eine Oberfläche auf der Rückenoberflächen-Seite des Leistungs-Halbleiterelements 1 ist, obgleich nicht eigens abgebildet, mittels eines Lots auf das Leitungsmuster 52a der Keramikplatte 5 gebondet. Obwohl das Leistungs-Halbleiterelement 1 mit mindestens einem Halbleiter-Element gebildet werden kann, ist ein solches Leistungs-Halbleiterelement zu bevorzugen, bei dem ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) antiparallel mit einer Diode verbunden ist.
  • Als Material für das Leistungs-Halbleiterelement wird Si verwendet. Es sei angemerkt, dass das Leistungs-Halbleiterelement 1 hinsichtlich des Materials nicht auf Si beschränkt ist und aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke gebildet sein kann, der eine größere Bandlücke als Si aufweist. Beispiele für einen Halbleiter mit großer Bandlücke sind unter anderem SiC, GaN, Diamant und dergleichen.
  • Da das Leistungs-Halbleiterelement, bei dem SiC verwendet wird, bei einer höheren Temperatur betriebsfähig ist, nimmt die Temperaturänderung in der Halbleiter-Vorrichtung zu, so dass Wärmespannungen und Zugspannungen, die in dem Bondingbereich erzeugt werden, tendenziell größer werden.
  • Daher ist eine Leistungs-Halbleitervorrichtung, bei der SiC verwendet wird, vorzuziehen, da die Vorteile gemäß der Erfindung wirksamer werden. Im Vergleich mit dem Fall, in dem Si verwendet wird, ist in dem Fall, in dem Si verwendet wird, der Bereich der Vorderseiten-Elektrode 2 bezüglich des Nennstroms des Chips kleiner, so dass im Vergleich mit dem Fall, in dem Si verwendet wird, eine Technik für eine höhere Verdrahtungsdichte benötigt wird.
  • Daher werden gemäß der Leistungs-Halbleitervorrichtung, in der SiC verwendet wird, die Vorteile der Erfindung wirksamer, bei der der Elektrodenanschluss 3 mittels Ultraschall an die Vorderseiten-Elektrode 2 gebondet wird, so dass Bonding mit einem Mal auf einer großen Fläche geschaffen wird.
  • Die Vorderseiten-Elektrode 2 ist eine Metallschicht zur Verdrahtung von Elektroden, die an der Oberfläche des Leistungs-Halbleiterelements 1 ausgebildet ist. Üblicherweise wird Al als Material für die Vorderseite-Elektrode 2 verwendet; allerdings kann in einigen Fällen eine Al-Legierung, Cu, eine Cu-Legierung oder dergleichen verwendet werden. Gegebenenfalls ist sie in Form laminierter Metallschichten, ausgewählt aus Ti, Mo, Ni, Au und dergleichen, ausgebildet; es ist allerdings in jedem dieser Fälle möglich, einen ähnlichen Effekt zu erzielen.
  • Die Vorderseiten-Elektrode 2 gemäß Ausführungsform 2 besteht aus Al. Wie bei der Ausführungsform 1 ist ferner zumindest ein Vorsprung 2c in dem Oberflächenbereich der Vorderseiten-Elektrode 2 ausgebildet, die mittels Ultraschall zumindest an die zu bondende Oberfläche 3j des Elektrodenanschlusses 3 zu bonden ist.
  • Der Vorsprung 2c gemäß Ausführungsform 2 wird gleichzeitig zum Ausbilden der Vorderseiten-Elektrode 2 ausgebildet und weist einen kreisförmigen Kopfbereich mit einem Durchmesser ϕ von 1,0 mm und einer Höhe von 0,05 mm auf. Die übrige Konfiguration entspricht der Leistungs-Halbleitervorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1, so dass deren Beschreibung an dieser Stelle weggelassen ist.
  • Ähnlich wie bei dem bei der Ausführungsform 1 beschriebenen Leitungsmuster 52a muss in dem Leistungs-Halbleiterelement 1 ein Strom fließen, der benötigt wird, um die Leistungs-Halbleitervorrichtung anzusteuern. Dies gilt ebenso für den Fall, in dem der Elektrodenanschluss 3 mittels Ultraschall auf die Vorderseiten-Elektrode 2 des Leistungs-Halbleiterelements 1 gebondet wird.
  • Da die Plattendicke des Elements dicker wird und das Element härter wird, steigt außerdem die beim Ultraschall-Bonding für das Bonding benötigte Energie. Im Vergleich zu einem Ultraschall-Bonding für einen Al-Draht oder dergleichen, müssen daher die Bondingbedingungen, wie etwa die Belastung, die Bondingzeit, die Amplitude etc. verbessert werden.
  • Wenn die herkömmliche Halbleiter-Vorrichtung mit den Bondingbedingungen, die nötig sind, um einen ausreichenden Bondingbereich während des Ultraschall-Bondings zu erhalten, verwendet wird, ist die tatsächliche Dicke der Vorderseiten-Elektrode relativ zu dem verformbaren Volumen der Vorderseiten-Elektrode 2 zu dünn. Aufgrund des beaufschlagten Drucks und der Ultraschallschwingungen der Sonotrode 50 wird daher die Vorderseiten-Elektrode gemeinsam mit dem Elektrodenanschluss 3 verformt und teilweise entfernt, so dass der Transistor 10, der unter der Elektrode ausgebildet ist, bricht. Wenn die Verformung weiter fortschreitet, gelangt der Elektrodenanschluss 3 mit dem Leistungs-Halbleiterelement 1 in Kontakt, so dass das Leistungs-Halbleiterelement 1 bricht.
  • Im Gegensatz dazu ist, wie zuvor beschrieben und entsprechend der Leistungs-Halbleitervorrichtung 101 gemäß Ausführungsform 2 der Erfindung realisiert, der Vorsprung 2c in dem Bereich der Oberfläche der Vorderseiten-Elektrode 2 ausgebildet, um mittels Ultraschall an die zu bondende Oberfläche 3j des Elektrodenanschlusses 3 gebondet zu werden.
  • Dabei wird der Vorsprung 2c vorzugsweise durch den beaufschlagten Druck und durch die Ultraschallschwingungen der Sonotrode 50 verformt. Dies ermöglicht es, das Verformen der Vorderseiten-Elektrode 2 durch den beaufschlagten Druck und die Ultraschallschwingungen der Sonotrote 50 zu beschränken. Daher kann einem Bruch des Transistors 10 und des Leistungs-Halbleiterelements 1, die unterhalb der Elektrode ausgebildet sind, vorgebeugt werden.
  • Das Verfahren zur Herstellung der Leistungs-Halbleitervorrichtung 101 gemäß Ausführungsform 2 der Erfindung, weist, wie oben beschrieben, Folgendes auf:
    einen Schritt, in dem der Elektrodenanschluss 3 auf den Vorsprung 2c gelegt wird, der auf der Vorderseiten-Elektrode 2 des Leistungs-Halbleiterelements 1 ausgebildet ist, so dass der zentrale Bereich der zu bondenden Oberfläche 3j des Elektrodenanschlusses in Kontakt mit dem Kopfbereich des Vorsprungs gelangt;
    und einen Schritt, in dem die der zu bondenden Oberfläche 3j gegenüberliegende Oberfläche 3z des Elektrodenanschlusses 3 mittels der Sonotrode 50 mit Druck beaufschlagt und in Ultraschallschwingungen versetzt wird, so dass der Elektrodenanschluss an die Vorderseiten-Elektrode 2 gebondet wird.
  • Daher kann zusätzlich zu den Wirkungen der verbesserten Bondingeigenschaften gemäß Ausführungsform 1 die Wirkung einer Beschränkung des Verformens der Vorderseiten-Elektrode 2 durch den beaufschlagten Druck und die Ultraschallschwingungen der Sonotrode 50 erhalten werden, um so einem Bruch des Transistors und des Leistungs-Halbleiterelements, die unterhalb der Elektrode ausgebildet sind, vorzubeugen.
  • Wenn außerdem eine der Formen, wie sie jeweils in den 4 bis 11 bei der Ausführungsform 1 gezeigt wird, als Form für den Vorsprung 2c verwendet wird, kann jede der Wirkungen ähnlich wie bei der Ausführungsform 1 erhalten werden.
  • Es sei angemerkt, dass unbegrenzte Kombinationen der jeweiligen Ausführungsformen und eine geeignete Veränderung bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Leistungs-Halbleiterelement
    2
    Vorderseiten-Elektrode
    2c
    Vorsprung
    3
    Elektrodenanschluss
    3j
    zu bondende Oberfläche
    50
    Sonotrode
    51
    Keramik-Basiselement
    52a
    Leitungsmuster
    52c, 52c1, 52c2, 52c3
    Vorsprung,
    52c4, 52c5, 52c6, 52c7
    Vorsprung
    52d
    Ende des abgesenkten Bereichs
    100, 100-1, 100-2
    Leistungs-Halbleitervorrichtung
    100-3, 100-4, 100-5
    Leistungs-Halbleitervorrichtung
    100-6, 100-7, 100-8, 101
    Leistungs-Halbleitervorrichtung

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung, das die folgenden Schritte aufweist: – einen Schritt, in dem ein Elektrodenanschluss auf einen Vorsprung gesetzt wird, der auf einer Elektrodenschicht angeordnet ist und der eine geringere Härte aufweist als die des Elektrodenanschlusses, so dass ein Teil der zu bondenden Oberfläche, der auf einer Rückenoberflächen-Seite des Elektrodenanschlusses angeordnet ist, in Kontakt mit einem Kopfbereich des Vorsprungs gelangt; und – einen Schritt, in dem der Elektrodenanschluss und die Elektrodenschicht in einer solchen Weise aneinander gebondet werden, dass der Vorsprung durch einen Druck und Ultraschallschwingungen verformt wird, die von einer Sonotrode von einer Vorderseite des Elektrodenanschlusses aus darauf ausgeübt werden.
  2. Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Elektrodenschicht ein Leitungsmuster auf einer isolierenden Platte ist.
  3. Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Elektrodenschicht eine Vorderseiten-Elektrode auf einem Leistungs-Halbleiterelement ist.
  4. Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Vorsprung ein Material enthält, das sich von dem der Elektrodenschicht unterscheidet.
  5. Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kopfbereich des Vorsprungs eine Form aufweist, deren Breite in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Ultraschallschwingungen breiter ist als in der anderen Richtung.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Bereich um den Vorsprung herum als ein abgesenkter Bereich in Übereinstimmung mit dem Elektrodenanschluss geformt ist.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Vorsprung unter Verwendung eines linearen oder plattenartigen Elements eine Schleifenform aufweist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Vorsprung so ausgebildet ist, dass er eine niedrigere Dichte als die der Elektrodenschicht aufweist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Elektrodenanschluss in seiner Position, in der er auf den Kopfbereich des Vorsprungs gesetzt ist, eine Aussparung oder ein Durchgangsloch aufweist.
  10. Leistungs-Halbleitervorrichtung, die mit dem Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.
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