DE112016007096B4 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Halbleitervorrichtung, aufweisend:- ein Elektrodensubstrat (1);- einen Halbleiterchip (3), der an eine obere Oberfläche des Elektrodensubstrats (1) über ein erstes Lot (2) gebondet ist;- einen Leiterrahmen (5), der an eine obere Oberfläche des Halbleiterchips (3) über ein zweites Lot (4) gebondet ist; und- eine Zwischenplatte (6), die in dem ersten Lot (2) zwischen dem Elektrodensubstrat (1) und dem Halbleiterchip (3) ausgebildet ist,- innerhalb des gesamten Arbeitstemperaturbereichs der Halbleitervorrichtung eine Fließgrenze der Zwischenplatte (6) höher als Fließgrenzen des Elektrodensubstrats(1) und des ersten Lots (2) ist,- eine Vielzahl von Höckern (10) zwischen dem Elektrodensubstrat (1) und dem Halbleiterchip (3) ausgebildet ist und- die Zwischenplatte (6) in Draufsicht innerhalb der Vielzahl von Höckern (10) positioniert ist.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungs-Halbleitervorrichtung wie etwa einen IGBT, einen MOSFET oder eine Diode.
  • Hintergrund
  • Offenbart wird eine Halbleitervorrichtung, in der ein Halbleiterchip über ein Lot an ein Aluminiumelektrodensubstrat gebondet ist und eine Kupferelektrode über ein Lot an die obere Oberfläche des Halbleiterchips gebondet ist (zum Beispiel siehe PTL 1).
  • Zitatliste
  • Patentliteratur
  • [PTL 1] WO 2015 / 029 186 A1
  • Die JP 2013 - 113 638 A betrifft eine Halbleitervorrichtung, die aufweist: ein Halbleiterelement; ein Temperaturerfassungselement, das so ausgebildet ist, dass es in Kontakt mit dem Halbleiterelement steht und die Temperatur des Halbleiterelements erfassen kann; einen Kühlkörper, der über ein erstes Verbindungsteil mit einer Oberfläche des Halbleiterelements verbunden ist; und eine Metallplatte, die über ein zweites Verbindungsteil mit der anderen Oberfläche des Halbleiterelements verbunden ist. Ein gering wärmeleitender Teil mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als derjenigen der Metallplatte und derjenigen der Wärmesenke ist an jeder Position ausgebildet, die von der Metallplatte zur Wärmesenke führt und das Temperaturerfassungselement in planarer Ansicht überlappt.
  • Die JP 2003 - 133 337 A zeigt ein Verfahren zur Halbleitermontage, das in der Lage ist, eine Erhöhung im Arbeitsaufwand einzuschränken und die Dicke einer Lotschicht bei einer Halbleitermontagestruktur, bei der eine Pufferplatte verwendet wird, gleichmäßig zu verbessern. Eine Pufferplatte mit einem Durchgangsloch wird auf einer Sammelschiene als Metallelektrodenplatte durch die Zwischenlage eines Lötmittels angeordnet, und ein Halbleiterelement wird auf der Pufferplatte montiert. Danach wird das Lötmittel durch Erhitzen geschmolzen wird, dringt das geschmolzene Lötmittel in einen Spalt zwischen dem Halbleiterelement und der Pufferplatte durch das Durchgangsloch der Pufferplatte ein. Das Lötmittel dringt in den Spalt zwischen dem Halbleiterelement und der Pufferplatte, breitet sich von der Mitte zur Peripherie der Verbindungsfläche des Halbleiterelements aus, während die Verbindungsfläche benetzt wird, und der gesamte Zwischenraum zwischen dem Halbleiterelement und der Pufferplatte wird mit dem Lötmittel gefüllt. Danach wird das Lötmittel wird abgekühlt und verfestigt, um einen Montageprozess abzuschließen. An der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche der Pufferplatte ist ein Vorsprung vorgesehen, durch den die Dicke der Halbleiterschichten gesteuert werden kann.
  • Die JP S56- 172 938 U und die JP S56- 65 650 U betreffen Halbleitervorrichtungen, die jeweils ein Elektrodensubstrat, einen Halbleiterchip, der an eine obere Oberfläche des Elektrodensubstrats über ein erstes Lot angebracht ist, einen Leiterrahmen, der an eine obere Oberfläche des Halbleiterchips über ein zweites Lot angebracht ist, und eine Zwischenplatte, die in dem ersten Lot zwischen dem Elektrodensubstrat und dem Halbleiterchip ausgebildet ist, aufweisen.
  • Die DE 11 2010 006 032 T5 offenbart ein Leistungsmodul, welches aufweist: eine Halbleitervorrichtung; ein Basisteil, welches aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist, auf welchem die Halbleitervorrichtung montiert ist; ein Signal-Leitungsteil, welches aus dem gleichen Material wie das Basisteil ausgebildet ist, wobei das Signal-Leitungsteil mit der Halbleitervorrichtung elektrisch verbunden ist; und ein dünnes Platten-Leitungsteil, welches aus dem gleichen Material wie das Basisteil derart ausgebildet ist, dass dieses von dem Basisteil nahtlos ausgebildet ist und dünner als das Basisteil ist, wobei sich das dünne Platten-Leitungsteil bezüglich des Basisteils auf der gleichen Seite wie das Signal-Leitungsteil erstreckt, wobei das dünne Platten-Leitungsteil mit einem vorbestimmten Anschluss der Halbleitervorrichtung mittels des Basisteils derart elektrisch verbunden ist, dass dieses einen Potential-Erfassungsanschluss zum Erfassen eines Potentials des vorbestimmten Anschlusses der Halbleitervorrichtung ausbildet.
  • Zusammenfassung
  • Technisches Problem
  • Es gibt indessen einen Punkt, an dem eine Fließgrenzen-Beziehung zwischen dem Aluminiumelektrodensubstrat und dem Lot innerhalb eines Temperaturbereichs in Kühl/Heizzyklen und Leistungszyklen, das heißt in einem Arbeitstemperaturbereich der Halbleitervorrichtung, umgekehrt wird. Deshalb werden das Aluminiumelektrodensubstrat und das Lot verformt und kehren nicht zu den individuellen ursprünglichen Positionen zurück. Wenn deren Verformungsbeträge so akkumuliert werden, dass sie groß sind, wird überdies letztendlich der Halbleiterchip verformt, was problematischerweise eine Verschlechterung seiner Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit bewirkt. Insbesondere ist für einen SiC-Chip, der bei einer hohen Temperatur genutzt werden kann, oder dergleichen der Arbeitstemperaturbereich weit, was eine große Temperaturbelastung hervorruft.
  • Eine Verformung eines Halbleiterchips kann beispielweise unterdrückt werden, indem die obere Oberfläche des Halbleiterchips mit einem Spritzpress-Harz bedeckt wird. In der Halbleitervorrichtung, in der ein Bonden mit einem Lot auf der oberen Oberfläche eines Halbleiterchips durchgeführt wird, kann jedoch, da die obere Oberfläche des Halbleiterchips von Lot bedeckt ist, das tendenziell verformt wird, er nicht mit dem Formharz fixiert werden, und daher ist eine Unterdrückung einer Verformung des Halbleiterchips problematischerweise schwierig.
  • Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die Probleme wie oben zu lösen, und deren Aufgabe besteht darin, eine Halbleitervorrichtung zu erhalten, die imstande ist, die Zuverlässigkeit in Bezug auf Kühl/Heizzyklen und Leistungszyklen zu verbessern.
  • Lösung für das Problem
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einer Halbleitervorrichtung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: ein Elektrodensubstrat; einen Halbleiterchip, der über ein erstes Lot an eine obere Oberfläche des Elektrodensubstrats gebondet ist; einen Leiterrahmen, der über ein zweites Lot an eine obere Oberfläche des Halbleiterchips gebondet ist; und eine Zwischenplatte, die im ersten Lot zwischen dem Elektrodensubstrat und dem Halbleiterchip vorgesehen ist, wobei innerhalb des gesamten Arbeitstemperaturbereichs der Halbleitervorrichtung eine Fließgrenze der Zwischenplatte höher als Fließgrenzen des Elektrodensubstrats und des ersten Lots ist. Ferner ist erfindungsgemäß eine Vielzahl von Höckern zwischen dem Elektrodensubstrat und dem Halbleiterchip ausgebildet. Die Zwischenplatte ist in Draufsicht innerhalb der Vielzahl von Höckern positioniert.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • In der vorliegenden Erfindung ist in dem ersten Lot zwischen dem Elektrodensubstrat und dem Halbleiterchip die Zwischenplatte vorgesehen. Ferner ist innerhalb des gesamten Arbeitstemperaturbereichs der Halbleitervorrichtung die Fließgrenze der Zwischenplatte höher als die Fließgrenzen des Elektrodensubstrats und des ersten Lots. Daher kann eine Zuverlässigkeit in Bezug auf Kühl/Heizzyklen und Leistungszyklen verbessert werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1 zur Erläuterung des technischen Hintergrunds der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 2 ist ein Diagramm, das Temperaturabhängigkeiten von Fließgrenzen des Elektrodensubstrats, des ersten und zweiten Lots und der Zwischenplatte veranschaulicht.
    • 3 ist eine Draufsicht, die eine Zwischenplatte gemäß einer Ausführungsform 2 zur Erläuterung des technischen Hintergrunds der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht, genommen entlang I-II in 3.
    • 5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform veranschaulicht.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden Halbleitervorrichtungen zur Erläuterung des technischen Hintergrunds der vorliegenden Erfindung und gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die gleichen Komponenten werden durch die gleichen Symbole bezeichnet, und deren wiederholte Beschreibung kann weggelassen werden.
  • Ausführungsform 1 zum technischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung
  • 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1 zur Erläuterung des technischen Hintergrunds der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird für eine Stromversorgung genutzt, die zum Beispiel einen Motor für Fahrzeugleistung antreibt. Ein Halbleiterchip 3 ist über ein erstes Lot 2 an die obere Oberfläche eines Elektrodensubstrats 1 gebondet. Ein Leiterrahmen 5 ist über ein zweites Lot 4 an die obere Oberfläche des Halbleiterchips 3 gebondet.
  • Der Halbleiterchip 3 ist eine Schalt-Halbleitervorrichtung wie etwa ein IGBT oder ein MOSFET oder eine Freilauf-Halbleitervorrichtung wie etwa eine Diode, wobei diese beispielsweise aus Silizium geschaffen sind. Die Dicke des Halbleiterchips 3 ist gemäß dessen Stehspannungsklasse optimiert. Beispielsweise ist bei der Spannung einer Lithiumlonen-Batterie, die häufig für ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug genutzt wird, das in Betracht gezogen wird, die Stehspannungsklasse des Halbleiterchips 3 wünschenswerterweise 600 V bis 800 V. Um die elektrischen Charakteristiken, insbesondere einen DC-Verlust, zu verbessern, beträgt die Dicke des Halbleiterchips 3 wünschenswerterweise 100 µm oder weniger.
  • Das Elektrodensubstrat 1 wird zum Beispiel auf einem isolierenden Substrat durch Walzen oder Gießen in eine Plattenform ausgebildet. Insbesondere ist auf der unteren Oberfläche des isolierenden Substrats ein Leitersubstrat vorgesehen, und eine Vielzahl von Kühlerhebungen ist auf dem Leitersubstrat vorgesehen. Indem Kühlwasser direkt auf das Leitersubstrat und auf die Vielzahl von Kühlerhebungen gebracht wird, kann vom Halbleiterchip 3 erzeugte Wärme effizient gekühlt werden. Das Elektrodensubstrat 1, das Leitersubstrat und die Vielzahl von Kühlerhebungen können einteilig ausgebildet werden, indem sie über ein Aluminiumgussverfahren so gegossen werden, dass sie das isolierende Substrat umgeben. Das Hauptmaterial des Elektrodensubstrats 1 und dergleichen ist Aluminium. Dadurch wird eine Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Kühlwasser sichergestellt, während eine elektrische und thermische Leitfähigkeit gewahrt wird und Kosten und Gewicht niedrig gehalten werden können. Um eine Wärmeleitung zu verbessern, ist Aluminium mit einer hohen Reinheit von 99 % oder mehr wünschenswert.
  • Die ersten und zweiten Lote 2 und 4 sind zum Beispiel Sn-Cu-basierte, Sn-Agbasierte oder Sn-Ag-Cu-basierte bleifreie Lote. Dadurch kann der Halbleiterchip 3 in einer reduzierenden Atmosphäre leicht elektrisch und thermisch an den Leiterrahmen 5 oder das Elektrodensubstrat 1 gebondet werden. Ferner können die ersten und zweiten Lote 2 und 4 ihre Festphasenzustände sogar bei oder unterhalb von 200°C beibehalten, was ein Arbeitstemperaturbereich des Halbleiterchips 3 ist.
  • Das Hauptmaterial das Leiterrahmens 5 ist beispielsweise Kupfer. Der Leiterrahmen 5 wird, nachdem ein Cu-Plattenmaterial zum Beispiel durch Walzen eines Cu-Materials geschaffen ist, durch eine Stanzbearbeitung in eine beliebige Form weiterverarbeitet. Der Leiterrahmen 5 ist mit dem zweiten Lot 4 elektrisch verbunden.
  • Insbesondere werden Metallfilme zum Bonden mit Lot, die aus Ni enthaltenden Materialien bestehen, durch ein Elektroplattierungsverfahren, Sputtern oder ein Gasphasenabscheidungsverfahren wie etwa eine Aufdampfung individuell auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Halbleiterchips 3 gebildet. Die Metallfilme zum Bonden mit Lot auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche sind mit den ersten und zweiten Loten 2 bzw. 4 elektrisch und thermisch verbunden.
  • Zwischen dem Elektrodensubstrat 1 und dem Halbleiterchip 3 ist im ersten Lot 2 eine Zwischenplatte 6 vorgesehen. Das Hauptmaterial der Zwischenplatte 6 ist Kupfer. Die Zwischenplatte 6 wird, nachdem ein Cu-Plattenmaterial beispielsweise durch Walzen eines Cu-Materials geschaffen ist, mittels Stanzbearbeitung in eine beliebige Form weiterverarbeitet.
  • Die obere Oberfläche des Elektrodensubstrats 1, das erste Lot 2, der Halbleiterchip 3, das zweite Lot 4, die Zwischenplatte 6 und ein Teil des Leiterrahmens 5 werden mittels eines Versiegelungsmaterials 7 bedeckt. Als das Versiegelungsmaterial 7 kann ein Spritzpress-Harz oder Vergussharz genutzt werden. Eine Verformung des Halbleiterchips 3 bei dem Bereich, wo das Versiegelungsmaterial 7 mit dem Halbleiterchip 3 in direktem Kontakt steht, kann unterdrückt werden.
  • Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Zuerst werden auf dem Elektrodensubstrat 1 die Zwischenplatte 6, das erste Lot 2 und der Halbleiterchip 3 sequentiell gestapelt. Als Nächstes wird das erste Lot 2 in einer reduzierenden Atmosphäre erhitzt und geschmolzen, und die untere Oberfläche des Halbleiterchips 3 wird über das erste Lot 2 und die Zwischenplatte 6 elektrisch und thermisch an die obere Oberfläche des Elektrodensubstrats 1 gebondet. Um die maximale thermische Bindung zu erzielen, ist es wünschenswert, dass nahezu die gesamte Oberfläche der unteren Oberfläche des Halbleiterchips 3 gebondet wird. Um zu vermeiden, dass aufgrund von in das erste Lot 2 gezogener Luft Poren bzw. Hohlräume entstehen, ist es außerdem wünschenswert, dass die Luft aus dem ersten Lot 2 durch Schmelzen des ersten Lots 2 unter einem reduzierten Druck abgezogen und danach der Druck wiederhergestellt wird. Die Stapelreihenfolge der Zwischenplatte 6 und des ersten Lots 2 kann vertauscht werden. In diesem Fall kann, wenn die Zwischenplatte 6 genau unter dem Halbleiterchip 3 platziert wird, indem die Platzierung so vorgenommen wird, dass Grate der Zwischenplatte 6 infolge der Stanzbearbeitung der Seite des ersten Lots 2 zugewandt sind, verhindert werden, dass der Halbleiterchip 3 beschädigt wird, was die Ausbeute verbessern kann.
  • Als Nächstes wird der Leiterrahmen 5 unter Verwendung des zweiten Lots 4 mit der oberen Oberfläche des Halbleiterchips 3 elektrisch verbunden. Hier muss die obere Oberfläche des Halbleiterchips 3 nicht thermisch an den Leiterrahmen 5 gebondet werden. Außerdem muss die Kriechstrecke zwischen dem Endteil des Halbleiterchips 3 und dem Leiterrahmen 5 gewährleistet sein. Ferner müssen Signalanschlüsse auf der oberen Oberfläche des Halbleiterchips 3 unter Verwendung von Leiterdrähten oder dergleichen mit externen Elektroden verbunden werden. Daher wird der Leiterrahmen 5 partiell an die obere Oberfläche des Halbleiterchips 3 gebondet. Als Nächstes werden die obere Oberfläche des Elektrodensubstrats 1, das erste Lot 2, der Halbleiterchip 3, das zweite Lot 4, die Zwischenplatte 6 und zumindest ein Teil des Leiterrahmens 5 mittels des Versiegelungsmaterials 7 bedeckt. Durch den obigen Prozess wird die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellt.
  • 2 ist ein Diagramm, das Temperaturabhängigkeiten von Fließgrenzen des Elektrodensubstrats, der ersten und zweiten Lote und der Zwischenplatte veranschaulicht. Die Fließgrenze gibt hier eine 0,2 % Fließgrenze an, welche eine Spannung ist, die eine plastische Dehnung von 0,2 % bei Entlastung für viele Metallmaterialien hervorruft, die kein Fließphänomen zeigen. Es gibt einen Punkt, an dem eine Größenbeziehung zwischen der Fließgrenze des Elektrodensubstrats 1 und der Fließgrenze der ersten und zweiten Lote 2 und 4 innerhalb eines Arbeitstemperaturbereichs der Halbleitervorrichtung umgekehrt wird. Dementsprechend werden das erste Lot 2 und das Elektrodensubstrat 1 in verschiedenen Temperaturbereichen verformt. Beispielsweise wird das Elektrodensubstrat 1 kaum verformt, wenn das erste Lot 2 verformt wird, und das erste Lot 2 wird kaum verformt, wenn das Elektrodensubstrat 1 verformt wird. Daher kehrt die Position jedes Materials nicht zur ursprünglichen zurück, sondern dessen Verformungsbetrag wird akkumuliert. Der Verformungsbetrag nimmt aufgrund einer Wiederholung von Kühl-/Heizzyklen zu.
  • Daher ist in der vorliegenden Ausführungsform die Zwischenplatte 6 in dem ersten Lot 2 zwischen dem Elektrodensubstrat 1 und dem Halbleiterchip 3 vorgesehen. Die Fließgrenze der Zwischenplatte 6 ist ferner innerhalb des gesamten Arbeitstemperaturbereichs der Halbleitervorrichtung höher als die Fließgrenzen des Elektrodensubstrats 1 und des ersten Lots 2. Dementsprechend wird, selbst wenn das Elektrodensubstrat 1 und das erste Lot 2 während Kühl-/Heizzyklen verformt werden, die Zwischenplatte 6 nicht verformt, und daher kann eine Verformung des Halbleiterchips 3 unterdrückt werden. Insbesondere erreicht genau unter dem zweiten Lot 4, da der Halbleiterchip 3 mit dem Versiegelungsmaterial 7 nicht in direktem Kontakt steht, das Versiegelungsmaterial 7 ihn nicht hinsichtlich dessen Fixierkraft. Im Fall einer Verformung des zweiten Lots 4 aufgrund einer durch Kühl-/Heizzyklen und Leistungszyklen hervorgerufenen Spannung wird die Zwangskraft verloren, und der Halbleiterchip 3 tendiert zu einer Verformung. Im Gegensatz dazu kann, da die Zwischenplatte 6, welche kaum verformt wird, unter dem Halbleiterchip 3 vorgesehen ist, eine Verformung des Halbleiterchips 3 unterdrückt werden. Als Folge kann eine Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit in Bezug auf Kühl-/Heizzyklen und Leistungszyklen verbessert werden. Insbesondere kann, während in der vorliegenden Ausführungsform die Materialien der ersten und zweiten Lote 2 und 4 die gleichen sind, der gleiche Effekt erhalten werden, selbst wenn sie verschiedene Materialien sind, solange sie die oben erwähnte Beziehung der Fließgrenzen aufweisen.
  • Außerdem wird im Fall einer Verwendung eines bei einer hohen Temperatur verwendbaren Halbleiterchips, wie etwa Siliziumcarbid, die Hochtemperaturseite des Arbeitstemperaturbereichs bis auf 200°C ausgedehnt. Außerdem wird für Automobilanwendungen dessen Niedertemperaturseite bis zu -55°C hinab ausgedehnt. Daher werden die Verformungsbeträge des Elektrodensubstrats 1 und des ersten Lots 2 tendenziell groß, und es ist erforderlich, dass die Verformung des Halbleiterchips 3 durch die Zwischenplatte 6 unterdrückt wird.
  • Außerdem tritt eine Spannung aufgrund von Kühl-/Heizzyklen auf, die durch eine Differenz im linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Zwischenplatte 6 und dem ersten Lot 2 hervorgerufen wird. Diese Spannung erreicht ihr Maximum an den Endteilen des Halbleiterchips 3. Falls das erste Lot 2 durch die Zwischenplatte 6 segmentiert ist, wird die Dicke des ersten Lots 2 an den Endteilen des Halbleiterchips 3 gering, was eine große Spannung hervorruft. Falls insbesondere die Zwischenplatte 6 in dem ersten Lot 2 geneigt ist, wird die Dicke des Endteils des ersten Lots 2 partiell noch kleiner, was eine signifikant größere Spannung hervorruft. Daher wird die Zwischenplatte 6 kleiner als der Halbleiterchip 3 und das erste Lot 2 ausgebildet, und sie wird in Draufsicht innerhalb des Halbleiterchips 3 und des ersten Lots 2 positioniert. Dadurch kann die Zwischenplatte 6 in dem ersten Lot 2 vollständig vergraben werden, und es kann verhindert werden, dass das erste Lot 2 am Endteil des ersten Lots 2 durch die Zwischenplatte 6 segmentiert wird. Als Folge kann eine Zuverlässigkeit hinsichtlich Kühl-/Heizzyklen weiter verbessert werden.
  • Die Endteile der Zwischenplatte 6 sind von den Endteilen des Halbleiterchips 3 außerdem nach innen zurückgezogen, und die Zwischenplatte 6 ist so eingerichtet, dass sie aus dem ersten Lot 2 nicht freigelegt ist. Konkret wird eine Distanz d1 zwischen dem Endteil des Halbleiterchips 3 und dem Endteil der Zwischenplatte 6 so eingerichtet, dass sie größer als eine Dicke t1 des ersten Lots 2 ist. Dadurch wird, selbst wenn die Zwischenplatte 6 im ersten Lot 2 geneigt ist, die Dicke des ersten Lots 2 am Endteil des Halbleiterchips 3 nicht kleiner, was eine stabile Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit erreichen kann.
  • Außerdem ist das zweite Lot 4 in Draufsicht innerhalb der Zwischenplatte 6 positioniert. Wenn das zweite Lot 4 aufgrund einer durch Leistungszyklen hervorgerufenen Spannung verformt wird, ergibt sich eine Verformung des Halbleiterchips 3. Daher kann eine Verformung des Halbleiterchips 3 unterdrückt werden, indem er mit der Zwischenplatte 6 abgestützt wird.
  • Ausführungsform 2 zum technischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung
  • 3 ist eine Draufsicht, die eine Zwischenplatte gemäß einer Ausführungsform 2 zur Erläuterung des technischen Hintergrunds der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 4 ist eine Querschnittsansicht, genommen entlang I-II in 3. Die vorliegende Ausführungsform 2 ist mit Ausnahme der Ausgestaltung der Zwischenplatte 6 der Ausführungsform 1 ähnlich.
  • Eine Vielzahl von Durchgangslöchern 8 wird beispielsweise durch eine Stanzbearbeitung in der Zwischenplatte 6 vorgesehen. Da das erste Lot 2 durch die Durchgangslöcher 8 sowohl die Oberseite als auch die Unterseite benetzen und sich ausbreiten kann, ist es dadurch nicht notwendig, dass das erste Lot 2 auf sowohl der Seite der oberen Oberfläche als auch der Seite der unteren Oberfläche der Zwischenplatte 6 platziert wird. Dementsprechend können die Anzahl von Komponenten für das erste Lot 2 und dessen Montagevorgang reduziert werden, und Produktionskosten können verringert werden.
  • Außerdem bedeckt ein Beschichtungsfilm 9 die Oberflächen der Zwischenplatte 6. Das Hauptmaterial des Beschichtungsfilms 9 ist Nickel, und der Beschichtungsfilm 9 hat eine höhere Benetzbarkeit gegenüber dem ersten Lot 2 als diejenige der Zwischenplatte 6. Da die Benetzbarkeit mit Lot verbessert werden kann, kann dadurch eine Hohlraumdefektrate reduziert werden, und Kosten durch Produktionsverluste können reduziert werden.
  • Da der Beschichtungsfilm 9 nach einer Stanzbearbeitung der Durchgangslöcher 8 gebildet wird, wird er außerdem auf den Seitenwänden der Vielzahl von Durchgangslöchern 8 ausgebildet. Dadurch kann eine Entstehung von Hohlräumen unterdrückt werden, da das erste Lot 2 auch die Seitenwände der Durchgangslöcher 8 benetzt und sich darin ausbreitet und die Innenseiten der Durchgangslöcher 8 mit ihm gefüllt werden, und eine Zuverlässigkeit kann verbessert werden.
  • Außerdem ist es vorzuziehen, dass die Abmessung des Durchgangslochs 8 500 µmΦ oder weniger beträgt. Wenn gleich im ersten Lot 2 Hohlräume gebildet werden, wenn Luft in die Vielzahl von Durchgangslöchern 8 gezogen wird, gibt es einen geringen thermischen schädlichen Einfluss bei dem 500 µm oder weniger betragenden Hohlraumdurchmesser, und eine Verschlechterung einer Wärmebeständigkeit und eine Reduzierung des Kurzschlusswiderstands treten kaum auf. Wenn ein 500 µmΦ übertreffender Lufthohlraum in die Vielzahl von Durchgangslöchern 8 gezogen wird, werden außerdem, da der Lufthohlraum aufgrund der Oberflächenspannung des ersten Lots 2 in die Vielzahl von Durchgangslöchern 8 unterteilt wird, kaum 500 µmΦ übertreffende Hohlräume erzeugt, und eine Produktionsausbeute kann verbessert werden.
  • Außerdem wird zwischen dem ersten Lot 2 und dem Beschichtungsfilm 9 eine intermetallische Verbindung ausgebildet. Kirkendall-Hohlräume entstehen auf dieser intermetallischen Verbindung aufgrund der Kühl-/Heizzyklen, was daher gelegentlich zu Lotrissen führt. Dementsprechend ist es ähnlich zu Ausführungsform 1 wünschenswert, dass die Zwischenplatte 6 nicht aus dem ersten Lot 2 freigelegt ist.
  • Erfindungsgemäße Ausführungsform
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Zwischen dem Elektrodensubstrat 1 und den Endteilen des Halbleiterchips 3 ist unter Verwendung von Aluminiumdrähten oder dergleichen eine Vielzahl von Höckern 10 vorgesehen. Da die Höcker den Abstand zwischen dem Halbleiterchip 3 und dem Elektrodensubstrat 1 sicherstellen können, kann verhindert werden, dass der Halbleiterchip 3 geneigt implementiert wird, und kann verhindert werden, dass das erste Lot 2 partiell dünn ist.
  • Außerdem ist die Zwischenplatte 6 in Draufsicht innerhalb der Vielzahl von Höckern 10 positioniert. Dadurch wird eine Bewegung der Zwischenplatte 6 während des Schritts eines Bondens mit Lot durch die Höcker 10 eingeschränkt, und dadurch kann verhindert werden, dass die Zwischenplatte 6 aus dem Halbleiterchip 3 nach außen gleitet und aus dem ersten Lot 2 freigelegt wird.
  • Eine Dicke t2 der Zwischenplatte 6 ist außerdem geringer als eine Höhe h1 der Höcker. Dadurch kann, selbst wenn die Zwischenplatte 6 im ersten Lot 2 im Schmelzzustand während des Schritts eines Bondens mit Lot geneigt ist, die Höhe des Halbleiterchips 3 durch die Höcker 10 aufrechterhalten werden.
  • Insbesondere wird, wenn die Dicke des Halbleiterchips 3 100 µm oder weniger beträgt, obwohl ein Verlust des Halbleiterchips 3 reduziert werden kann, der Halbleiterchip 3 tendenziell so verformt, dass er einer Verformung peripherer Komponenten entspricht. Daher besteht eine hohe Notwendigkeit, die Zwischenplatte 6 vorzusehen, um eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit zu verhindern.
  • Außerdem kann das Hauptmaterial der Zwischenplatte 6 Molybdän sein. In diesem Fall wird die Zwischenplatte 6 beispielsweise gebildet, indem ein Molybdänmaterial gewalzt wird, um ein Plattenmaterial aus Molybdän zu schaffen, und es danach durch eine Stanzbearbeitung in eine beliebige Form weiterverarbeitet wird. Da durch die Verwendung von Molybdän der lineare Ausdehnungskoeffizient der Zwischenplatte 6 nahe an denjenigen von Silizium gebracht wird, was das Hauptmaterial des Halbleiterchips 3 ist, kann eine Spannung reduziert werden, die aufgrund der Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen beiden erzeugt wird. Da eine aufgrund thermischer Zyklen oder Leistungszyklen auf den Halbleiterchip 3 ausgeübte Spannung weiter entlastet werden kann, kann dementsprechend eine Zuverlässigkeit weiter verbessert werden, während eine elektrische und thermische Leitfähigkeit beibehalten wird.
  • Durch Verwenden eines Verbundhalbleiters für den Halbleiterchip 3 kann er außerdem bei oder unterhalb einer hohen Temperatur genutzt werden. Insbesondere kann, indem ein Verbundhalbleiter wie etwa SiC mit Kohlenstoff als das Hauptmaterial genutzt wird, er bei oder unterhalb einer weiter höheren Temperatur genutzt werden. Der Halbleiterchip 3, der aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke besteht, der eine breitere Bandlücke als diejenige von Silizium aufweist, weist eine Hochspannungsfestigkeit und eine hohe zulässige Stromdichte auf und kann somit miniaturisiert werden. Die Verwendung solch eines miniaturisierten Halbleiterchips 3 ermöglicht die Miniaturisierung und hohe Integration der Halbleitervorrichtung, in der der Halbleiterchip 3 eingebaut ist. Da der Halbleiterchip 3 eine hohe Wärmebeständigkeit aufweist, kann ferner eine Kühlrippe eines Kühlkörpers miniaturisiert werden, und ein wassergekühlter Teil kann luftgekühlt werden, was zu einer weiteren Miniaturisierung der Halbleitervorrichtung führt. Da der Halbleiterchip 3 ferner einen geringen Leistungsverlust und eine hohe Effizienz aufweist, kann eine hocheffiziente Halbleitervorrichtung erreicht werden. Der Halbleiter mit breiter Bandlücke ist neben Siliziumcarbid zum Beispiel ein Material auf Galliumnitridbasis oder Diamant.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Elektrodensubstrat,
    2
    erstes Lot,
    3
    Halbleiterchip,
    4
    zweites Lot,
    5
    Leiterrahmen,
    6
    Zwischenplatte,
    9
    Beschichtungsfilm,
    8
    Durchgangsloch,
    10
    Höcker

Claims (18)

  1. Halbleitervorrichtung, aufweisend: - ein Elektrodensubstrat (1); - einen Halbleiterchip (3), der an eine obere Oberfläche des Elektrodensubstrats (1) über ein erstes Lot (2) gebondet ist; - einen Leiterrahmen (5), der an eine obere Oberfläche des Halbleiterchips (3) über ein zweites Lot (4) gebondet ist; und - eine Zwischenplatte (6), die in dem ersten Lot (2) zwischen dem Elektrodensubstrat (1) und dem Halbleiterchip (3) ausgebildet ist, - innerhalb des gesamten Arbeitstemperaturbereichs der Halbleitervorrichtung eine Fließgrenze der Zwischenplatte (6) höher als Fließgrenzen des Elektrodensubstrats(1) und des ersten Lots (2) ist, - eine Vielzahl von Höckern (10) zwischen dem Elektrodensubstrat (1) und dem Halbleiterchip (3) ausgebildet ist und - die Zwischenplatte (6) in Draufsicht innerhalb der Vielzahl von Höckern (10) positioniert ist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Arbeitstemperaturbereich von -55°C bis 200°C reicht.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zwischenplatte (6) in Draufsicht innerhalb des Halbleiterchips (3) und des ersten Lots (2) positioniert ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei eine Distanz zwischen einem Endteil des Halbleiterchips (3) und einem Endteil der Zwischenplatte (6) größer als eine Dicke des ersten Lots (2) ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Lot (4) in Draufsicht innerhalb der Zwischenplatte (6) positioniert ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend einen Beschichtungsfilm (9), der eine Oberfläche der Zwischenplatte (6) bedeckt und eine höhere Benetzbarkeit gegenüber dem ersten Lot (2) als diejenige der Zwischenplatte (6) aufweist.
  7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, wobei ein Hauptmaterial des Beschichtungsfilms (9) Nickel ist.
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Vielzahl von Durchgangslöchern (8) in der Zwischenplatte (6) ausgebildet ist.
  9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei: - eine Vielzahl von Durchgangslöchern (8) in der Zwischenplatte (6) ausgebildet ist und - der Beschichtungsfilm (9) auf Seitenwänden der Vielzahl von Durchgangslöchern (8) ausgebildet ist.
  10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine Abmessung des Durchgangslochs (8) 500 µmΦ oder weniger beträgt.
  11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der Zwischenplatte (6) geringer als eine Höhe der Vielzahl von Höckern (10) ist.
  12. Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Dicke des Halbleiterchips (3) 100 µm oder weniger beträgt.
  13. Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Hauptmaterial des Elektrodensubstrats (1) Aluminium ist.
  14. Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Hauptmaterial der Zwischenplatte (6) Kupfer ist.
  15. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei ein Hauptmaterial der Zwischenplatte (6) Molybdän ist.
  16. Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (3) mit einem ein Verbundhalbleiter ausgebildet ist.
  17. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 16, wobei ein Hauptmaterial des Verbundhalbleiters Kohlenstoff aufweist.
  18. Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche eingerichtet ist, für eine Stromversorgung zum Antreiben eines Motors für Fahrzeugleistung genutzt zu werden.
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