DE112016007205T5

DE112016007205T5 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112016007205T5
Application number: DE112016007205.8T
Authority: DE
Inventors: Shigeto Fujita; Tetsuya Matsuda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2019-06-06
Also published as: WO2018047300A1; JP6699737B2; US20190189538A1; US10658268B2; JPWO2018047300A1; CN109716515A; CN109716515B

Abstract

Eine untere Elektrode, ein auf der unteren Elektrode vorgesehener Halbleiterchip, ein oberhalb oder unterhalb des Halbleiterchips vorgesehenes Druckkissen, eine obere Elektrode, die auf einer Struktur vorgesehen ist, in der das Druckkissen mit dem Halbleiterchip überlagert ist, und ein Verbindungsleiter, der einen neuen Strompfad zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode nur schafft, wenn eine Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode größer als ein vorbestimmter Wert wird, werden vorgesehen. Die Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode ist variabel, und das Druckkissen verbindet die untere Elektrode und die obere Elektrode über den Halbleiterchip ungeachtet der Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode miteinander elektrisch.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die zum Beispiel zum Schalten eines großen Stroms genutzt wird.
Hintergrund
Patentliteratur 1 offenbart eine Leistungs-Halbleitervorrichtung in Press- bzw. Druckpackform (engl. press-pack). Die Patentliteratur 1 offenbart in 1 eine Leistungs-Halbleitervorrichtung in Druckpackform mit einer Vielzahl von Halbleiterchips im Inneren. Der Halbleiterchip ist zum Beispiel ein IGBT. Eine elektrische Verbindung in dem Halbleiterchip wird durch einen Druckkontakt der oberen Oberflächen und der unteren Oberflächen einzelner Elemente der Halbleitervorrichtung verwirklicht. Um einen Druck auf die Vielzahl von Halbleiterchips gleichmäßig auszuüben, sind eine Federstruktur und ein Spiel in einem elektrischen Leitungspfad für jeden Halbleiterchip notwendig.
Ein Druckkissen bietet dieses Spiel und stellt die elektrische Verbindung sicher. Mitunter ist eine Vielzahl von Druckkissen vorgesehen, um eine Stromführungskapazität für normalen Strom zu erhöhen. Eine Feder ist verschiedentlich zwischen den Druckkissen vorgesehen; diese Feder dient als eine Induktivität, selbst wenn sie eine Leitfähigkeit aufweist, und sie weist insbesondere für Wellen mit hoher Frequenz eine hohe Impedanz auf. Daher fließt durch die Feder kein Strom.
Stand der Technik
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2004-528724 A

Zusammenfassung
Technisches Problem
Wenn in einer Halbleitervorrichtung in Druckpackform ein Kurzschluss auftritt, ist eine Explosion der Vorrichtung zu bedenken. Beispielsweise schmilzt durch einen durch ein Druckkissen fließenden Kurzschlussstrom aufgrund der Erzeugung Joulescher Wärme das Druckkissen und bricht, so dass ein Lichtbogen erzeugt wird. Ein Elektrizitätspfad innerhalb der Vorrichtung wird unterbrochen, was an der Unterbrechungsstelle einen Lichtbogen erzeugt, und aufgrund der Wärme des Lichtbogens expandiert darin eine Atmosphäre oder wird ein Festkörper darin verdampft, so dass deren Explosion verursacht wird.
Eine robuste explosionssichere Struktur, die in der Vorrichtung bei einer Explosion wie oben betrachtet vorgesehen ist, ist ein Faktor gewesen, der eine Verkleinerung und niedrige Kosten der Vorrichtung verhindert hat. Mitunter waren/war eine Beschränkung eines Betriebsstrombereichs und/oder ein separates Vorsehen eines Kurzschlussschutzes notwendig.
Die vorliegende Erfindung ist konzipiert, um die oben erwähnten Probleme zu lösen, und deren Aufgabe besteht darin, eine Halbleitervorrichtung vorzusehen, die imstande ist, zu verhindern, dass ein Druckkissen schmilzt und bricht.
Mittel, um die Probleme zu lösen
Gemäß einer vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleitervorrichtung eine untere Elektrode, einen auf der unteren Elektrode vorgesehenen Halbleiterchip, ein oberhalb oder unterhalb des Halbleiterchips vorgesehenes Druckkissen, eine obere Elektrode, die auf einer Struktur vorgesehen ist, in der das Druckkissen mit dem Halbleiterchip überlagert ist, und einen Verbindungsleiter, der einen neuen Strompfad zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode nur schafft, wenn eine Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode größer als ein vorbestimmter Wert wird, wobei die Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode variabel ist und das Druckkissen die untere Elektrode und die obere Elektrode über den Halbleiterchip ungeachtet der Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode miteinander elektrisch verbindet.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleitervorrichtung eine untere Elektrode, eine oberhalb der unteren Elektrode vorgesehene obere Elektrode, einen zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode vorgesehenen Halbleiterchip, einen Metallblock, der zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode so vorgesehen ist, dass er mit dem Halbleiterchip überlagert ist, und zwei Druckkissen, die zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode vorgesehen sind, wobei die beiden Druckkissen dafür konfiguriert sind, die untere Elektrode und die obere Elektrode über den Halbleiterchip miteinander elektrisch zu verbinden, und so vorgesehen sind, dass sie einander gegenüberliegen, was erlaubt, dass der Metallblock zwischen den beiden Druckkissen angeordnet wird, wobei, wenn ein durch die beiden Druckkissen fließender Strom größer als ein vorbestimmter Wert wird, eine Distanz zwischen den beiden Druckkissen abnimmt und eine Kontaktfläche der beiden Druckkissen mit einer lateralen Oberfläche des Metallblocks zunimmt.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann verhindert werden, dass ein Druckkissen schmilzt und bricht, indem ein auf das Druckkissen beaufschlagter Kurzschlussstrom reduziert und/oder eine Wärmedissipation des Druckkissens gesteigert wird.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1.
2 ist ein Diagramm, das eine Baugruppe der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 beispielhaft veranschaulicht.
3 ist eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung im Kurzschluss.
4 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2.
5 ist eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung im Kurzschluss.
6 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 3.
7 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 4.
8 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 5.
9 ist eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung im Kurzschluss.
10 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 6.
11 ist eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung im Kurzschluss.

Beschreibung von Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden Halbleitervorrichtungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Den gleichen oder entsprechenden Komponenten sind die gleichen Bezugszeichen gegeben, und deren wiederholte Beschreibung wird mitunter weggelassen.
Ausführungsform 1
1 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung 1 gemäß Ausführungsform 1. Diese Halbleitervorrichtung 1 enthält eine untere Elektrode 10. Ein Halbleiterchip 12 ist auf der unteren Elektrode 10 vorgesehen. Der Halbleiterchip 12 ist zum Beispiel ein IGBT oder eine Diode. Auf dem Halbleiterchip 12 ist eine aus Metall gebildete Platte 14 vorgesehen.
Eine Struktur mit einem Verbindungsleiter 16 und Druckkissen 30 und 32 ist auf der Platte 14 vorgesehen. Der Verbindungsleiter 16 weist einen ersten Teil 17 und einen zweiten Teil 18 auf. Der erste Teil 17 ist ein Teil, der an der unteren Elektrode 10 befestigt ist, indem er an der Platte 14 befestigt ist, und sich mit der unteren Elektrode 10 formschlüssig bewegt. Ein Hohlraum 17a ist im ersten Teil 17 ausgebildet. Damit ist darin eine obere Oberfläche 17b einer Innenwand vorhanden.
Der zweite Teil 18 umfasst einen linearen Leiter 20A, ein unteres Endteil 20C, das ein horizontal langer Leiter ist, der am oberen Ende des linearen Leiters 20A vorgesehen ist, und ein unteres Endteil 20B, das ein horizontal langer Leiter ist, der am unteren Ende des linearen Leiters 20A vorgesehen ist. Der lineare Leiter 20A und das untere Endteil 20B bilden eine umgekehrte T-Form. Der lineare Leiter 20A ist ein Leiter, der sich von der Oberseite einer Öffnung des ersten Teils 17 nach unten erstreckt, indem er die Öffnung durchdringt. Da das untere Ende des linearen Leiters 20A im Hohlraum 17a positioniert ist, ist auch das untere Endteil 20B im Hohlraum 17a positioniert. Als Folge ist das untere Endteil 20B unterhalb des oberen Endes des ersten Teils 17 positioniert.
Die Druckkissen 30 und 32 bilden eine Federelektrode einer Leistungs-Halbleitervorrichtung in Druckpackform. Eine Platte 34 ist auf den Druckkissen 30 und 32 vorgesehen, und eine obere Elektrode 36 ist auf der Platte 34 vorgesehen. Die oberen Enden der Druckkissen 30 und 32 sind an der Platte 34 befestigt, und deren untere Enden sind an der oberen Oberfläche des ersten Teils 17 befestigt. Die Druckkissen 30 und 32 expandieren und kontrahieren in der y-Richtung, das heißt in der Richtung senkrecht zur unteren Oberfläche der unteren Elektrode 10 und der oberen Oberfläche der oberen Elektrode 36. Daher verbinden die Druckkissen 30 und 32 die untere Elektrode 10 und die obere Elektrode 36 über den Halbleiterchip 12 ungeachtet der Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 elektrisch miteinander.
Zwischen den Druckkissen 30 und 32 ist eine Feder 33 vorgesehen. Diese Feder 33 übt eine Kraft aus, die die Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 verkleinert, wenn die Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 zunimmt, und übt eine Kraft aus, die die Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 vergrößert, wenn die Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 abnimmt.
Das oben erwähnte obere Endteil 20C des Verbindungsleiters 16 ist mit den oberen Oberflächen der Innenwand der Druckkissen 30 und 32 mechanisch und elektrisch verbunden. Dementsprechend ist der zweite Teil 18 über die Druckkissen 30 und 32 und die Platte 34 an der oberen Elektrode 36 befestigt und bewegt sich formschlüssig mit der oberen Elektrode 36.
1 ist eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung in dem Zustand, in dem durch den Halbleiterchip 12 kein Strom fließt. In dem Zustand, in dem durch den Halbleiterchip 12 kein Strom fließt, sind der erste Teil 17 und der zweite Teil 18 nicht miteinander in Kontakt. Außerdem sind auch in einem normalen Betrieb der Halbleitervorrichtung der erste Teil 17 und der zweite Teil 18 nicht miteinander in Kontakt. Dementsprechend fließt in dem Fall, in dem durch den Halbleiterchip 12 kein Strom fließt, und dem Fall, in dem die Halbleitervorrichtung normal arbeitet, kein Strom durch die Druckkissen 30 und 32 und fließt nicht durch den zweiten Teil 18.
2 ist ein Diagramm, das eine Baugruppe der Halbleitervorrichtung 1 gemäß Ausführungsform 1 beispielhaft veranschaulicht. Drei Halbleitervorrichtungen 1 teilen sich eine untere Elektrode 10. Sechs Halbleitervorrichtungen 1 sind auf einer Basisplatte 37 angeordnet. 2 veranschaulicht eine Stapelung von zwei Strukturen, in denen jeweils zwölf Halbleitervorrichtungen 1 auf der Basisplatte 37 montiert sind. 2 veranschaulicht eine aus den zwölf Halbleitervorrichtungen 1 aufgebaute Leistungs-Halbleitervorrichtung in Druckpackform. Auf diese Vorrichtung wird von der Oberseite und der Unterseite der Vorrichtung aus eine Kraft ausgeübt, und die einzelnen Elemente in der Vorrichtung sind miteinander in Druckkontakt gebracht, und dadurch sind elektrische Verbindungen in den Halbleiterchips verwirklicht.
Um einen Druck auf die Vielzahl von Halbleiterchips 12 gleichmäßig auszuüben, sind eine Federstruktur und ein Spiel in einem elektrischen Leitungspfad für jede Halbleitervorrichtung 1 notwendig. Die Druckkissen 30 und 32 bieten dieses Spiel und stellen die elektrische Verbindung sicher. Drei oder mehr Druckkissen für eine Halbleitervorrichtung können vorgesehen werden, um die Stromführungskapazität für normalen Strom zu erhöhen. Insbesondere hat, da die Feder 33 zwischen den Druckkissen 30 und 32 als eine Induktivität dient, selbst wenn sie Leitfähigkeit aufweist, sie eine hohe Impedanz insbesondere für Wellen mit hoher Frequenz, und durch die Feder 33 fließt kein Strom.
3 ist eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung 1 im Kurzschluss. Durchgehende Pfeile geben Richtungen von Kurzschlussströmen an. Kurzschlussströme in den entgegengesetzten Richtungen fließen durch die obere Elektrode 36, die ein oberer Stromanschluss ist, und die untere Elektrode 10, die ein unterer Stromanschluss ist. Diese Kurzschlussströme bewirken, dass eine abstoßende Kraft zwischen der oberen Elektrode 36 und der unteren Elektrode 10 auftritt. Diese abstoßende Kraft bewirkt, dass sich das untere Endteil 20B des zweiten Teils 18 im Hohlraum 17a nach oben bewegt. Wenn die Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 größer als ein vorbestimmter Wert wird, kommt dann das untere Endteil 20B in Kontakt mit dem ersten Teil 17. Konkret kommt die obere Oberfläche des unteren Endteils 20B mit der oberen Oberfläche 17b der Innenwand des ersten Teils 17 in Kontakt. Nur wenn die Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 größer als der vorbestimmte Wert wird, schafft somit der Verbindungsleiter 16 einen neuen Strompfad zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36.
Für einen Kontakt des unteren Endteils 20B mit dem ersten Teil 17, wenn die Kurzschlussströme fließen, ist nun die normale Distanz zwischen dem unteren Endteil 20B und der oberen Oberfläche 17b der Innenwand des ersten Teils geringfügig kleiner als eine Zunahme der Distanz zwischen der oberen Elektrode 36 und der unteren Elektrode 10 aufgrund eines Kurzschlusses eingestellt.
Da in Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranlasst werden kann, dass im Fall des Kurzschlusszustands ein Strom nicht nur durch die Druckkissen 30 und 32, sondern auch durch den Verbindungsleiter 16 fließt, können durch die Druckkissen 30 und 32 fließende Ströme reduziert werden, und ein Temperaturanstieg der Druckkissen 30 und 32 kann reduziert werden. Daher kann verhindert werden, dass die Druckkissen 30 und 32 schmelzen und brechen. Da die Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung nicht explodieren wird, kann dementsprechend eine herkömmlicherweise vorgesehene Maßnahme zum Explosionsschutz entfernt werden, was eine Verkleinerung und niedrige Kosten der Vorrichtung erreichen kann.
Außerdem sind in Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung die laterale Oberfläche des ersten Teils 17 und die laterale Oberfläche des zweiten Teils 18 stets voneinander getrennt. Deshalb kann ein Problem wie etwa ein Auftreten eines Lichtbogens aufgrund eines unzureichenden elektrischen Kontakts im normalen Betrieb verhindert werden. Da die Feder 33 vorgesehen ist, werden außerdem die obere Elektrode 36 und die untere Elektrode 10 nicht zu sehr voneinander getrennt. Deshalb kann man auch einen Effekt erwarten, dass ein Ablösen einer Komponente in der Halbleitervorrichtung in der longitudinalen Richtung des zweiten Teils 18 aufgrund einer auf den zweiten Teil 18 ausgeübten übermäßigen Kraft, die verursacht wird, indem die obere Elektrode 36 und die untere Elektrode 10 zu sehr voneinander getrennt sind, verhindert werden. Insbesondere wird vorzugsweise ein isolierender Film beispielsweise auf zumindest einer lateralen Oberfläche des linearen Leiters 20A, der lateralen Oberflächen der Druckkissen 30 und 32 und der lateralen Oberfläche des ersten Teils 17 ausgebildet, um ein Auftreten eines Lichtbogens zu verhindern.
Wie oben schafft in Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, wobei man sich darauf fokussiert, dass sich die Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 in Abhängigkeit von dem Vorhandensein oder Fehlen eines Kurzschlussstroms ändert, der Verbindungsleiter 16 einen neuen Strompfad zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36, nur wenn die Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 größer als ein vorbestimmter Wert wird. Verschiedene Modifikationen des Verbindungsleiters 16 und dergleichen können vorkommen, solange sie nicht deren Merkmale einbüßen. Beispielsweise müssen der lineare Leiter 20A und das untere Endteil 20B keine T-Form bilden; sondern sie können eine L-Form bilden. Außerdem soll das untere Endteil 20B im Kurzschluss hoch gehen, und in diesem Fall kann die obere Oberfläche des unteren Endteils 20B mit den unteren Oberflächen der Druckkissen 30 und 32 in Kontakt kommen.
Obgleich die Druckkissen 30 und 32 oberhalb des Halbleiterchips 12 vorgesehen sind, kann deren Stapelreihenfolge vertauscht werden, so dass die Druckkissen 30 und 32 unterhalb des Halbleiterchips 12 vorgesehen sind. Die obere Elektrode 36 ist oberhalb einer Struktur vorgesehen, in der die Druckkissen 30 und 32 mit dem Halbleiterchip 12 überlagert sind. Es kann jede beliebige Stapelreihenfolge der einzelnen Elemente zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 vorliegen, solange die Struktur, in der die Druckkissen 30 und 32 mit dem Halbleiterchip 12 überlagert sind, zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 angeordnet werden kann. Strukturen, in denen die Druckkissen 30 und 32 mit dem Halbleiterchip 12 „überlagert“ sind, sind nicht auf einen direkten Kontakt zwischen beiden beschränkt, sondern können ein Einfügen einer Platte oder dergleichen zwischen beiden einschließen. Zwischen solchen Elementen können Platten geeignet vorgesehen werden. Die Platten 14 und 22 können geeignet hinzugefügt oder eliminiert werden.
Außerdem kann die gesamte Konfiguration, die den Verbindungsleiter 16 und die Druckkissen 30 und 32 in 1 umfasst, mit der Oberseite nach unten umgedreht werden. In diesem Fall ist der erste Teil 17 oberhalb der Druckkissen 30 und 32 vorgesehen. Außerdem kann ein dem Hohlraum 17a des ersten Teils 17 entsprechender Teil in der Platte 14 oder der Platte 34 vorgesehen sein, um das untere Endteil 20B in diesem Hohlraum aufzunehmen und den ersten Teil 17 wegzulassen.
Obgleich der Halbleiterchip 12 aus Silizium geschaffen sein kann, kann er aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke geschaffen sein, der eine größere Bandlücke als Silizium aufweist. Beispiele des Halbleiters mit breiter Bandlücke umfassen Siliziumcarbid, ein Material auf Galliumnitridbasis und Diamant. Durch Verwenden des Halbleiters mit breiter Bandlücke steigt die mögliche Betriebstemperatur der Vorrichtung. Überdies ermöglicht Siliziumcarbid, dass ein MOSFET, der eine monopolare Vorrichtung ist, eine hohe Stehspannung aufweist, was eine hohe Frequenz und hohe Effizienz erreichen kann. Insbesondere können diese Modifikationen auch auf Halbleitervorrichtungen gemäß den folgenden Ausführungsformen Anwendung finden.
Da die Halbleitervorrichtungen gemäß den folgenden Ausführungsformen eine große Ähnlichkeit mit derjenigen der Ausführungsform 1 aufweisen, werden vorwiegend ihre Unterschiede von derjenigen der Ausführungsform 1 beschrieben.
Ausführungsform 2
4 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2. Ein Verbindungsleiter 52 umfasst einen Metallblock 50, der auf den unteren Oberflächen der Innenwand des Druckkissens 30 und des Druckkissens 32 vorgesehen ist, einen linearen Leiter 52A, der am Metallblock 50 befestigt ist, und ein mit dem linearen Leiter 52A verbundenes oberes Endteil 52B. Der Metallblock 50 ist mit dem unteren Ende des linearen Leiters 52A verbunden. Das obere Endteil 52B ist mit dem oberen Ende des linearen Leiters 52A verbunden. Eine aus dem linearen Leiter 52A und dem oberen Endteil 52B aufgebaute T-förmige Struktur ist an der oberen Oberfläche des Metallblocks 50 befestigt.
Der Metallblock 50 ist vorzugweise zum Beispiel aus einem Material mit einer ausgezeichneten Wärmedissipation wie etwa Kupfer gebildet. Der Metallblock 50 ist ein großes Metallstück (engl. metal lump). Der Metallblock 50 gemäß Ausführungsform 2 hat eine Breite, die größer als die Distanz zwischen dem oberen Endteil des Druckkissens 30 und dem oberen Endteil des Druckkissens 32 ist, und ist länger als eine halbe Länge des Druckkissens 30, 32.
Der lineare Leiter 52A durchdringt einen Spalt zwischen dem oberen Endteil des Druckkissens 30 und dem oberen Endteil des Druckkissens 32. Ferner ist in der Platte 34 ein Hohlraum 34a vorgesehen. Das obere Endteil 52B ist in diesem Hohlraum 34a untergebracht. Im normalen Zustand ist das obere Endteil 52B mit der Platte 34 oder den Druckkissen 30 und 32 nicht in Kontakt. Ähnlich der Ausführungsform 1 kann ein isolierender Film auf zumindest einer der lateralen Oberfläche des linearen Leiters 52A und der lateralen Oberflächen der Druckkissen 30 und 32 ausgebildet werden.
Auf dem Metallstück 50 sind Federn 58 vorgesehen. Die Federn 58 sind zwischen den oberen Oberflächen der Innenwand der Druckkissen 30 und 32 und dem Metallblock 50 vorgesehen. Durch die Federn 58, die die Distanz zwischen den Druckkissen 30 und 32 und dem Metallblock 50 geeignet aufrecht erhalten, wird ein Ablösen zwischen den Komponenten der Halbleitervorrichtung verhindert, und eine elektrische Verbindung im Halbleiterchip 12 wird sichergestellt. Eine Platte 40 ist auf und unter den Druckkissen 30 und 32 vorgesehen. Die Platte 40 ist mit der oberen Oberfläche der Platte 14 in Kontakt.
5 ist eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung im Kurzschluss. Wenn ein Kurzschluss auftritt, nimmt die Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 zu, und dadurch kommt die untere Oberfläche des oberen Endteils 52B mit den oberen Oberflächen der Druckkissen 30 und 32 in Kontakt. Damit fließen Kurzschlussströme nicht nur durch die Druckkissen 30 und 32, sondern auch durch den Verbindungsleiter 52. Da durch die Druckkissen 30 und 32 fließende Kurzschlussströme verglichen mit dem Fall, in dem die Kurzschlussströme nur durch die Druckkissen 30 und 32 fließen, mehr reduziert werden können, kann daher verhindert werden, dass die Druckkissen 30 und 32 schmelzen und brechen. Da veranlasst wird, dass der Kurzschlussstrom insbesondere durch den Metallblock 50 fließt, kann eine Impedanz dieses Teils kleiner als diejenige in der Ausführungsform 1 ausgebildet sein. Deshalb kann ein größerer Effekt einer Verhinderung des Schmelzens und Brechens als derjenige für die Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 erwartet werden.
Wenn nun große Ströme in den gleichen Richtungen durch das Druckkissen 30 und das Druckkissen 32 fließen, tritt mitunter eine anziehende Kraft zwischen den Druckkissen 30 und 32 auf, so dass die Druckkissen 30 und 32 mit der lateralen Oberfläche des Metallblocks 50 in engen Kontakt kommen. Um dies zu verhindern, kann der Metallblock 50 in den Richtungen auf der Vorderseite und der Rückseite der bzw. aus der und in die Ansichtsebene verlängert werden, und dadurch kann die auf die Druckkissen 30 und 32 ausgeübte anziehende Kraft reduziert werden.
Ausführungsform 3
6 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 3. Die Verbindungsleiter 52, der den Metallblock 50 enthält, ist oberhalb der Platte 14 platziert. Der Hauptunterschied zwischen der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 3 und der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 besteht in der Form der Druckkissen. Die oberen Endteile der Druckkissen 60 und 62 in der Ausführungsform 3 sind an der Platte 34 befestigt. Daher sind die Druckkissen 60 und 62 mit der oberen Elektrode 36 mechanisch und elektrisch verbunden.
Die Druckkissen 60 und 62 sind mit dem Metallblock 50 nahe dessen Mitte der lateralen Oberfläche mit ihren nach innen gerichteten Federkräften in Kontakt. Obgleich die Druckkissen 60 und 62 mit dem Metallblock 50 elektrisch verbunden sind, sind sie daran nicht mechanisch befestigt. Daher gleiten die Druckkissen 60 und 62 auf der lateralen Oberfläche des Metallblocks 50 in Kontakt damit, wenn sich die Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 ändert.
Federn 66 sind auf der oberen Oberfläche des Metallblocks 50 positioniert. Diese Federn 66 stellen den Freiheitsgrad der Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 sicher, während elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten der Halbleitervorrichtung sichergestellt sind. Wenn durch den Halbleiterchip 12 Kurzschlussströme fließen, tritt zwischen der oberen Elektrode 36 und der unteren Elektrode 10 eine abstoßende Kraft auf, welche die Distanz zwischen der oberen Elektrode 36 und der unteren Elektrode 10 vergrößert. Dementsprechend gleiten die Druckkissen 60 und 62 auf der lateralen Oberfläche des Metallblocks 50, und das obere Endteil 52B kommt mit der unteren Oberfläche der Innenwand der Platte 34 in Kontakt. Somit kann bewirkt werden, dass ein Kurzschlussstrom durch den Verbindungsleiter 52 fließt. Durch Verlängern des Metallblocks 50 in der horizontalen Richtung parallel zur Ansichtsebene, in der Richtung aus der Ansichtsebene oder in der Richtung in die Ansichtsebene, kann insbesondere eine auf das Druckkissen 60 und das Druckkissen 62 ausgeübte anziehende Kraft eingestellt werden.
Ausführungsform 4
7 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 4. In dieser Halbleitervorrichtung sind zusätzlich zu den Druckkissen 30 und 32 Druckkissen 70 und 72 vorgesehen, und damit wird ein Stromwert für jedes Druckkissen reduziert. Da ein Temperaturanstieg jedes Druckkissens unterdrückt werden kann, indem die Anzahl von Druckkissen erhöht wird, ist dies effektiv, um ein Schmelzen und Brechen eines Druckkissens zu verhindern. Die Anzahl von Druckkissen muss eine Vielfache sein und ist nicht auf vier beschränkt. Es kann verhindert werden, dass ein Druckkissen schmilzt und bricht, indem eine Vielzahl von Druckkissen in einer Halbleitervorrichtung vorgesehen wird, um zu bewirken, dass Ströme diesen individuell zugeordnet werden.
Ausführungsform 5
8 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 5. In der Halbleitervorrichtung der Ausführungsform 5 sind aus der Halbleitervorrichtung in 4 der lineare Leiter 52A, das obere Endteil 52B und der Hohlraum 34a entfernt. Der Metallblock 50 ist so vorgesehen, dass er mit dem Halbleiterchip 12 überlagert ist. Die Druckkissen 30 und 32 sind zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 vorgesehen und verbinden die untere Elektrode 10 und die obere Elektrode 36 über den Halbleiterchip 12 miteinander elektrisch. Die Druckkissen 30 und 32 sind so vorgesehen, dass sie einander gegenüberliegen, was erlaubt, dass der Metallblock 50 dazwischen angeordnet wird.
Wenn ein durch die beiden Druckkissen 30 und 32 fließender Strom nicht mehr als ein vorbestimmter Wert ist, sind, wie in 8 gezeigt ist, die beiden Druckkissen 30 und 32 von der lateralen Oberfläche des Metallblocks 50 getrennt. Da der normale Strom der oben erwähnte Strom ist, der „nicht mehr als der vorbestimmte Wert“ ist, fließt der normale Strom nur durch die Druckkissen 30 und 32, nicht durch den Metallblock 50.
9 ist eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung im Kurzschluss. Im Fall eines Kurzschlussversagens des Halbleiterchips 12 fließen Ströme in den gleichen Richtungen durch die Druckkissen 30 und 32. Wenn ein durch die beiden Druckkissen 30 und 32 fließender Strom aufgrund des auftretenden Kurzschlusses größer als der vorbestimmte Wert wird, tritt dann eine große anziehende Kraft zwischen den beiden Druckkissen 30 und 32 auf. Diese anziehende Kraft verringert die Distanz zwischen den beiden Druckkissen 30 und 32, und die Druckkissen 30 und 32 kommen mit der lateralen Oberfläche des Metallblocks 50 in Kontakt.
Wenn die anziehende Kraft zwischen den beiden Druckkissen 30 und 32 wie oben groß ist, kollabieren die Druckkissen 30 und 32, so dass sie am Metallblock 50 haften, und damit fließt der Kurzschlussstrom auch durch den Metallblock 50. Daher kann verhindert werden, dass die Druckkissen 30 und 32 schmelzen und brechen. Da eine große Wärmekapazität des Metallblocks 50 einen Temperaturanstieg der Druckkissen 30 und 32 unterdrückt, kann darüber hinaus der Effekt einer Verhinderung des Schmelzens und Brechens der Druckkissen 30 und 32 gesteigert werden. Durch Verlängern des Metallblocks 50 in den Richtungen aus der und in die Ansichtsebene kann insbesondere die auf die Druckkissen 30 und 32 ausgeübte Kraft eingestellt werden.
Ausführungsform 6
10 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 6. In der Halbleitervorrichtung der Ausführungsform 6 sind aus der Halbleitervorrichtung in 6 der lineare Leiter 52A, das obere Endteil 52B und der Hohlraum 34a entfernt. Die beiden Druckkissen 60 und 62 sind mit der oberen Elektrode 36 mechanisch und elektrisch verbunden. Ferner sind die beiden Druckkissen 60 und 62 mit Teilen der lateralen Oberfläche des Metallblocks 50 in Kontakt, während sie eine elastische Kraft auf die laterale Oberfläche des Metallblocks 50 ausüben. Weiterhin gleiten die beiden Druckkissen 60 und 62 auf der lateralen Oberfläche des Metallblocks 50 in Kontakt damit, wenn sich die Distanz zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 36 ändert.
Wenn ein durch die beiden Druckkissen 60 und 62 fließender Strom nicht mehr als ein vorbestimmter Wert ist, ist, wie in 10 gezeigt ist, die Kontaktfläche der beiden Druckkissen 60 und 62 mit der lateralen Oberfläche des Metallblocks 50 klein. Daher besteht ein gewisser Kontaktwiderstand zwischen den beiden Druckkissen 60 und 62 und der lateralen Oberfläche des Metallblocks 50.
11 ist eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung im Kurzschluss. Da im Kurzschluss des Halbleiterchips 12 eine anziehende Kraft zwischen den Druckkissen 60 und 62 ausgeübt wird, bewirkt diese anziehende Kraft, dass die Druckkissen 60 und 62 an der lateralen Oberfläche des Metallblocks 50 haften. Die Kontaktfläche der beiden Druckkissen 60 und 62 mit der lateralen Oberfläche des Metallblocks 50 nimmt nämlich zu. Da veranlasst werden kann, dass ein Kurzschlussstrom in dem Zustand fließt, in dem der Kontaktwiderstand zwischen den beiden Druckkissen 60 und 62 und der lateralen Oberfläche des Metallblocks 50 reduziert ist, kann verhindert werden, dass die Druckkissen 60 und 62 schmelzen und brechen.
Da eine große Wärmekapazität des Metallblocks 50 einen Temperaturanstieg der Druckkissen 60 und 62 unterdrückt, kann darüber hinaus der Effekt einer Verhinderung des Schmelzens und Brechens der Druckkissen 60 und 62 gesteigert werden. Durch Verlängern des Metallblocks 50 in der Richtung aus der Ansichtsebene, in der Richtung nach vorne der Ansichtsebene und in der Richtung in die Ansichtsebene kann insbesondere eine zwischen den Druckkissen 60 und 62 ausgeübte anziehende Kraft eingestellt werden.
In den Erfindungen der Ausführungsformen 5 und 6 sind die Druckkissen in einem gewisse Maße dünn ausgebildet, so dass die Distanz zwischen den beiden Druckkissen gering wird, wenn ein durch die beiden Druckkissen fließender Strom größer als ein vorbestimmter Wert wird, und es wird ermöglicht, dass die Kontaktfläche der beiden Druckkissen mit der lateralen Oberfläche des Metallblocks zunimmt. Es können verschiedene Modifikationen jener vorkommen, solange sie nicht diese Merkmale einbüßen.
Insbesondere können die Merkmale der oben erwähnten Halbleitervorrichtungen gemäß den einzelnen Ausführungsformen geeignet kombiniert werden, um den Effekt der vorliegenden Erfindung zu steigern.
Bezugszeichenliste
10 untere Elektrode, 12 Halbleiterchip, 16 Verbindungsleiter, 30, 32 Druckkissen, 36 obere Elektrode
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004528724 A [0004]

Claims

Halbleitervorrichtung, umfassend: eine untere Elektrode; einen auf der unteren Elektrode vorgesehenen Halbleiterchip; ein Druckkissen, das oberhalb oder unterhalb des Halbleiterchips vorgesehen ist; eine obere Elektrode, die auf einer Struktur vorgesehen ist, in der das Druckkissen mit dem Halbleiterchip überlagert ist; und einen Verbindungsleiter, der einen neuen Strompfad zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode nur schafft, wenn eine Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode größer als ein vorbestimmter Wert wird, wobei die Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode variabel ist, und das Druckkissen die untere Elektrode und die obere Elektrode über den Halbleiterchip ungeachtet der Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode miteinander elektrisch verbindet.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verbindungsleiter umfasst einen ersten Teil, der sich mit der unteren Elektrode formschlüssig bewegt, und einen zweiten Teil, der sich mit der oberen Elektrode formschlüssig bewegt, ein unteres Endteil des zweiten Teils unter einem oberen Ende des ersten Teils positioniert ist, und das untere Endteil mit dem ersten Teil in Kontakt kommt, wenn die Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode größer als der vorbestimmte Wert wird.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine laterale Oberfläche des ersten Teils von einer lateralen Oberfläche des zweiten Teils stets getrennt ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Verbindungsleiter einen Metallblock enthält.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verbindungsleiter einen Metallblock enthält, und das Druckkissen mit einer lateralen Oberfläche des Metallblocks in Kontakt ist und auf der lateralen Oberfläche des Metallblocks in Kontakt damit gleitet, wenn sich die Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode ändert.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend eine Vielzahl der Druckkissen.
Halbleitervorrichtung, umfassend: eine untere Elektrode; eine oberhalb der unteren Elektrode vorgesehene obere Elektrode; einen Halbleiterchip, der zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode vorgesehen ist; einen Metallblock, der zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode so vorgesehen ist, dass er mit dem Halbleiterchip überlagert ist; und zwei Druckkissen, die zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode vorgesehen sind, wobei die beiden Druckkissen dafür konfiguriert sind, die untere Elektrode und die obere Elektrode über den Halbleiterchip miteinander elektrisch zu verbinden, und so vorgesehen sind, dass sie einander gegenüberliegen, was erlaubt, dass der Metallblock zwischen den beiden Druckkissen angeordnet wird, wobei wenn ein durch die beiden Druckkissen fließender Strom größer als ein vorbestimmter Wert wird, eine Distanz zwischen den beiden Druckkissen abnimmt und eine Kontaktfläche der beiden Druckkissen mit einer lateralen Oberfläche des Metallblocks zunimmt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei, wenn der durch die beiden Druckkissen fließende Strom nicht mehr als der vorbestimmte Wert ist, die beiden Druckkissen von der lateralen Oberfläche des Metallblocks getrennt sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die beiden Druckkissen mit einem Teil der lateralen Oberfläche des Metallblocks in Kontakt sind, während sie eine elastische Kraft auf die laterale Oberfläche des Metallblocks ausüben, und auf der lateralen Oberfläche des Metallblocks in Kontakt damit gleiten, wenn sich eine Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode ändert.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend eine Feder, die eine Kraft ausübt, welche die Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode verkleinert, wenn die Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode zunimmt, und eine Kraft ausübt, die die Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode vergrößert, wenn die Distanz zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode abnimmt.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Halbleiterchip aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke gebildet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Halbleiter mit breiter Bandlücke Siliziumcarbid, ein Material auf Galliumnitridbasis oder Diamant ist.