DE112018008233T5 - Halbleiteranordnung, verfahren zur herstellung einer halbleiteranordnung und leistungswandler - Google Patents

Halbleiteranordnung, verfahren zur herstellung einer halbleiteranordnung und leistungswandler Download PDF

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Yusuke KAJI
Seiki Hiramatsu
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Abstract

Es wird eine Halbleiteranordnung aufgezeigt, deren Zuverlässigkeit durch Verhindern des Ablösens eines Verdrahtungsteils in einem Verbindungsbereich des Verdrahtungsteils aufgrund von thermischer Belastung verbessert wird. Die Halbleiteranordnung weist Folgendes auf: ein Isoliersubstrat (3) mit Metallschichten (32, 33), die an einer vorderen Oberfläche und einer hinteren Oberfläche vorgesehen sind; ein Halbleiterelement (5) mit einer unteren Oberfläche, die mit der Metallschicht (32) an einer vorderen Oberflächenseite verbunden ist, und mit einer Elektrode (51) an einer oberen Oberfläche; eine Basisplatte (1), die mit der hinteren Oberfläche verbunden ist; ein Gehäuseelement (8), das in Kontakt mit der Basisplatte (1) ist, und das Isoliersubstrat (3) umgibt; ein Anschlusselement (7), das an einer inneren Umfangsseite des Gehäuseelements (8) vorgesehen ist; ein Verdrahtungsteil (6), das das Anschlusselement (7) und das Halbleiterelement (5) verbindet; ein Metall-Dünnschichtelement (11), das eine Oberfläche des Anschlusselements (7) und eine Oberfläche der durch das Verdrahtungsteil (6) verbundenen Elektrode (51) durchgehend bedeckt, und einen Füllkörper (4), der eine Oberfläche des Metall-Dünnschichtelements (11) und des Isoliersubstrats (3), das von dem Metall-Dünnschichtelement (11) freiliegt, bedeckt und in einen Bereich eingefüllt ist, der von der Basisplatte (1) und dem Gehäuseteil (8) umgeben ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einer Spannungsreduktionsstruktur in einem Verbindungsbereich eines Verdrahtungsmaterials.
  • STAND DER TECHNIK
  • Von Wechselrichtervorrichtungen, die in Industrieanlagen, Automobilen und elektrischen Bahnen eingebaut sind, wird verlangt, dass sie unter härteren Umgebungsbedingungen betrieben werden oder eine längere Lebensdauer haben als bisher, und dass sie eine hohe Zuverlässigkeit hinsichtlich der während des Betriebs der Wechselrichtervorrichtungen erzeugten Wärme aufweisen.
  • In einer Halbleiteranordnung, die in einer Wechselrichtervorrichtung angebracht ist, wird ein Zuverlässigkeitstest durchgeführt, der den Betrieb der Wechselrichtervorrichtung simuliert, und Beispiele dafür sind ein Leistungszyklus-Test, ein Wärmezyklus-Test und dergleichen. Wenn ein Leistungszyklustest oder ein Wärmezyklustest durchgeführt wird, tritt eine Beanspruchung in einem Verbindungsteil oder einem Verdrahtungsteil eines in der Halbleiteranordnung angebrachten Halbleiterelements auf, und es kommt zu einer Ablösung oder dergleichen in einem Verbindungsbereich des Verbindungsteils oder des Verdrahtungsteils, wodurch die Lebensdauer der Halbleiteranordnung erreicht wird.
  • Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen, eine Verdrahtung unter Verwendung eines Verdrahtungsmaterials durchzuführen, das mit einem Metall beschichtet ist, um die Lebensdauer eines Verbindungsteils oder eines Verdrahtungsteils, das für eine Halbleiteranordnung verwendet wird, in einem Zuverlässigkeitstest wie einem Leistungszyklustest oder einem Wärmezyklustest (zum Beispiel Patentdokument 1) zu verbessern. Außerdem ist eine Halbleiteranordnung beschrieben worden, bei der eine elektronische Schaltung, die aus einem Halbleiterelement, einem Chipkondensator, einem Chipwiderstand, einem Verbindungsmaterial und einem Substrat gebildet ist, vollständig direkt mit einem Glasüberzugsfilm beschichtet ist (z.B. Patentdokument 2).
  • STAND DER TECHNIK
    • Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung JP 2009-531 870 A
    • Patentdokument 2: WO 2014/128 899
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Bei dem in Patentdokument 1 beschriebenen herkömmlichen Verdrahtungsmaterial ist es jedoch je nach Beschreibung des Metalls, mit dem das Verdrahtungsteil beschichtet ist, nicht möglich, das Verdrahtungsteil vor thermischer Belastung zu schützen. Da außerdem andere Bauteile, wie z. B. ein gleichzeitig mit dem Verdrahtungsmaterial verwendetes Verbindungsmaterial, nicht beschichtet werden, ist es nicht möglich, die Zuverlässigkeit zu verbessern. Da die Glasbeschichtung in einem konventionellen elektronischen Steuergerät, wie in Patentdokument 2 beschrieben, den gesamten elektronischen Schaltkreis beschichtet, beschichtet die Glasbeschichtung außerdem einen sehr großen Bereich. Infolgedessen kann es in dem Fall, in dem die elektronische Steuereinrichtung (Halbleiteranordnung) eine große Größe hat, zu einem Abschälen eines Teils der Glasbeschichtung kommen. Darüber hinaus wird der abgeschälte Teil der Glasbeschichtung wahrscheinlich aufgrund einer thermischen Ausdehnung/Schrumpfung gedehnt und kann das Halbleiterelement erreichen, wodurch die Zuverlässigkeit der Halbleiteranordnung verringert wird.
  • Die vorliegende Erfindung soll die oben genannten Probleme lösen und eine Halbleiteranordnung aufzeigen, die eine verbesserte Zuverlässigkeit hat, indem sie die thermische Spannung reduziert und das Abschälen eines Verdrahtungsteils in einem Verbindungsbereich des Verdrahtungsteils aufgrund der thermischen Spannung unterdrückt.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Eine Halbleiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet Folgendes: ein Isoliersubstrat mit Metallschichten, die an einer vorderen Oberfläche und einer hinteren Oberfläche vorgesehen sind; ein Halbleiterelement mit einer unteren Oberfläche, die mit der Metallschicht an einer vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats verbunden ist, und mit einer Elektrode an einer oberen Oberfläche; eine Basisplatte, die mit der hinteren Oberfläche des Isoliersubstrats verbunden ist, ein Gehäuseelement, das das Isoliersubstrat zusammen mit der Basisplatte umgibt; ein Anschlusselement, das an einer inneren Umfangsseite des Gehäuseelements vorgesehen ist; ein Verdrahtungsteil, das das Anschlusselement und das Halbleiterelement verbindet; ein Metall-Dünnschichtelement, das das Verdrahtungsteil durchgehend bedeckt, und das Anschlusselement und die Elektrode, die durch das Verdrahtungsteil verbunden sind; und einen Füllkörper, der eine Oberfläche des Metall-Dünnschichtelements und des Isoliersubstrats bedeckt, die von dem Metall-Dünnschichtelement freiliegt, und mit diesem in Kontakt steht und der in einen Bereich gefüllt ist, der von der Basisplatte und dem Gehäuseelement umgeben ist.
  • Effekt der Erfindung
  • Da ein Bereich, in dem das Verdrahtungsteil verbunden ist, kontinuierlich mit dem Metall-Dünnschichtelement beschichtet ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die thermische Spannung, die im Verbindungsbereich auftreten kann, reduziert und ein Ablösen kann unterdrückt werden Somit kann die Zuverlässigkeit der Halbleiteranordnung verbessert werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische planare Strukturansicht, die eine Halbleiteranordnung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 2 ist eine schematischer Strukturquerschnitt, der die Halbleiteranordnung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 3 ist ein vergrößerter schematischer Strukturquerschnitt eines Verbindungsbereichs der Halbleiteranordnung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 4 ist ein schematischer Strukturquerschnitt, der Schritte zur Herstellung der Halbleiteranordnung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 5 ist ein schematischer Strukturquerschnitt, der einen Schritt zur Herstellung der Halbleiteranordnung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 6 ist ein schematischer Strukturquerschnitt, der einen Schritt zur Herstellung der Halbleiteranordnung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 7 ist ein schematischer Strukturquerschnitt, der eine Halbleiteranordnung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 8 ist ein schematischer Strukturquerschnitt, der eine weitere Halbleiteranordnung in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 9 ist ein vergrößerter schematischer Strukturquerschnitt eines Verbindungsbereichs der anderen Halbleiteranordnung in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
    • 10 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Energiewandlersystems zeigt, auf das ein Leistungswandler in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Zunächst wird die Gesamtkonfiguration einer Halbleiteranordnung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen schematisch sind und nicht die exakte Größe und dergleichen der gezeigten Komponenten wiedergeben. Darüber hinaus handelt es sich bei den mit denselben Bezugszeichen bezeichneten Bauteilen um identische oder entsprechende Bauteile. Dies wird in der gesamten Beschreibung so gemacht.
  • Ausführungsform 1
  • 1 ist eine schematische Draufsicht, die eine Halbleiteranordnung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist ein schematischer Strukturquerschnitt, der die Halbleiteranordnung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist ein schematischer Strukturquerschnitt entlang einer strichpunktierten Linie AA in 1. In den Zeichnungen beinhaltet die Halbleiteranordnung 100 eine Basisplatte 1, ein Verbindungsmaterial 2, ein Isoliersubstrat 3, einen Füllkörper 4, ein Halbleiterelement 5, einen Bonddraht 6, bei dem es sich um ein Verdrahtungsteil handelt, einen Elektrodenanschluss 7, bei dem es sich um ein Anschlusselement handelt, ein Gehäusematerial 8, bei dem es sich um ein Gehäuseteil handelt, eine Isolierschicht 9, bei der es sich um ein Isolierteil handelt, und ein Metall-Dünnschichtelement 11.
  • In 1 ist das Gehäusematerial 8 mit einem äußeren Umfangsbereich der Basisplatte 1 verbunden, um das Isoliersubstrat 3 zu umgeben. Zwischen dem inneren Umfang des Gehäusematerials 8 und einer gestrichelten Linie befindet sich ein Elektrodenanschluss-Anordnungsbereich 81, an dem der Elektrodenanschluss 7 angeordnet ist. Am Halbleiterelement 5 ist eine Isolierschicht 9 ausgebildet, die den Umfang einer Elektrode 51 umgibt. Der Bonddraht 6 verbindet den Elektrodenanschluss 7 und die Elektrode 51 des Halbleiterelements 5.
  • In 2 beinhaltet das Isoliersubstrat 3 eine Keramikplatte 31, die ein Isolierelement ist, und Metallschichten 32 und 33, die auf einer vorderen Oberfläche und einer hinteren Oberfläche der Keramikplatte 31 ausgebildet sind. Als Keramikplatte 31 kann Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumnitrid (AIN), Aluminiumoxid (AlO: Alumina) oder Zr-haltiges Aluminiumoxid verwendet werden. Insbesondere sind A1N und Si3N4 in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit bevorzugt, und Si3N4 ist in Bezug auf die Materialfestigkeit bevorzugt.
  • Weiterhin kann als Isolierelement anstelle der Keramikplatte 31 auch ein Harzisoliersubstrat verwendet werden, das durch Aushärten eines Harzes gebildet wird, das darin dispergiertes Keramikpulver enthält. Als Keramikpulver kann Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumdioxid (SiO2), Aluminiumnitrid (AIN), Bornitrid (BN), Siliziumnitrid (Si3N4) oder ähnliches verwendet werden. Das keramische Pulver ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es können z. B. Diamant (C), Siliziumkarbid (SiC), Boroxid (B2O3) oder dergleichen verwendet werden.
  • Weiterhin kann als Pulver anstelle des Keramikpulvers beispielsweise Pulver aus einem Harz wie Silikonharz oder Acrylharz verwendet werden. Was die Form des Pulvers betrifft, so wird häufig kugelförmiges Pulver verwendet. Die Form des Pulvers ist jedoch nicht darauf beschränkt und es können z. B. Pulver wie Fragmentpulver, körniges Pulver, skaliertes Pulver oder Aggregatpulver verwendet werden. Was die Menge des in das Harz eingefüllten Pulvers betrifft, so ist es nur notwendig, das Pulver in einer Menge einzufüllen, die es dem Harz ermöglicht, die erforderlichen Wärmeableitungs- und Isolationseigenschaften zu erhalten. Darüber hinaus wird als Material für das Harzisoliersubstrat im Allgemeinen Epoxidharz verwendet. Das Material für das Harz-Isoliersubstrat ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es können z. B. Polyimidharz, Silikonharz, Acrylharz oder ähnliches verwendet werden, und jedes Harz, das sowohl Isoliereigenschaften als auch Klebefähigkeit aufweist, kann verwendet werden.
  • In dem Halbleiterelement 5 ist die Elektrode 51 auf mindestens einer oberen Oberflächenseite des Halbleiterelements 5 ausgebildet. Eine Elektrode (nicht dargestellt) ist auch an einer unteren Oberflächenseite des Halbleiterelements 5 ausgebildet. Das Halbleiterelement 5 ist auf der Metallschicht 32 (einer Oberseite) an einer vorderen Oberflächenseite der Keramikplatte 31 angebracht. Das Halbleiterelement 5 ist mit der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite der Keramikplatte 31 elektrisch verbunden, beispielsweise über das Verbindungsmaterial 2, das aus Lot besteht. Zusätzlich wird als Halbleiterelement 5 beispielsweise ein leistungssteuerndes Halbleiterelement (Schaltelement) wie ein MOSFET (Metall Oxide Semiconductor Feldeffekt Transistor) oder ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) zur Steuerung eines großen Stroms, eine Refluxdiode oder ähnliches verwendet.
  • Als Material, aus dem das Halbleiterelement 5 besteht, ist zum Beispiel neben Silizium (Si) auch Siliziumkarbid (SiC), das ein Halbleiter mit großem Bandabstand ist, anwendbar. Ein Si-Halbleiterelement oder ein SiC-Halbleiterelement, das ein solches Material als Substratmaterial verwendet, ist anwendbar. Weitere Beispiele für einen Halbleiter mit mit großem Bandabstand sind ein Material auf Galliumnitridbasis (GaN), Diamant und dergleichen. In dem Fall, in dem ein Halbleiter mit großem Bandabstand verwendet wird, ermöglicht er, da er eine hohe zulässige Stromdichte und eine geringe Verlustleistung aufweist, die Verkleinerung der Vorrichtung, die ein Leistungshalbleiterelement verwendet.
  • Um eine untere Fläche des Halbleiterelements 5 mit der Metallschicht 32 auf einer vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 zu verbinden, wird im Allgemeinen Lot als Verbindungsmaterial 2 verwendet. Das Verbindungsmaterial 2 ist jedoch nicht auf Lot bzw. Lötzinn beschränkt und anstelle von Lötzinn können z. B. Sintersilber, ein elektrisch leitfähiger Klebstoff oder ein Flüssigphasendiffusionsmaterial verwendet werden. Das gesinterte Silber oder das Flüssigphasendiffusionsmaterial hat im Vergleich zu einem Lotmaterial eine hohe Schmelztemperatur und schmilzt nicht wieder, wenn die Metallschicht 33 auf einer Rückseite des Isoliersubstrats 3 mit der Basisplatte 1 verbunden wird, wodurch die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen dem Halbleiterelement 5 und dem Isoliersubstrat 3 verbessert wird.
  • Da das gesinterte Silber oder das Flüssigphasendiffusionsmaterial eine höhere Schmelztemperatur als das Lot hat, kann außerdem die Betriebstemperatur der Halbleiteranordnung 100 erhöht werden. Da das gesinterte Silber eine bessere Wärmeleitfähigkeit als das Lot hat, verbessert es die Wärmeableitungseigenschaften und die Zuverlässigkeit des Halbleiterelements 5. Da das Flüssigphasendiffusionsmaterial das Verbinden mit einer Last durchführen kann, die niedriger ist als die des Sintersilbers, hat es eine gute Verarbeitbarkeit und kann den Einfluss einer Beschädigung des Halbleiterelements 5 aufgrund einer Verbindungslast verhindern.
  • Die Basisplatte 1 wird auf der Rückseite der Metallschicht 33 auf der Rückseite des Isoliersubstrats 3 über das Verbindungsmaterial 2, wie z. B. Lot, angebracht. Die Basisplatte 1 dient als Bodenplatte der Halbleiteranordnung 100, und es wird ein von der Basisplatte 1 und dem um den Umfang der Basisplatte 1 angeordneten Gehäusematerial 8 umgebener Bereich gebildet. Als Material für die Basisplatte 1 wird Kupfer, Aluminium o.ä. verwendet. Das Material für die Basisplatte 1 ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es kann beispielsweise auch eine Legierung wie eine Aluminium-Siliziumkarbid-Legierung (AlSiC) oder eine Kupfer-Molybdän-Legierung (CuMo) verwendet werden. Weiterhin kann die Metallschicht 33 auf der Rückseite des Isoliersubstrats 3 auch als Basisplatte 1 dienen.
  • Das Gehäusematerial 8 soll sich im Einsatztemperaturbereich der Halbleiteranordnung 100 nicht thermisch verformen und die Isoliereigenschaft beibehalten.
  • Daher wird für das Gehäusematerial 8 ein Harz mit einem hohen Erweichungspunkt, wie z.B. ein PPS (Poly Phenylen Sulfid) Harz oder ein PBT (Polybutylenterephthalat) Harz, verwendet. Das Gehäusematerial 8 beinhaltet an einer inneren Umfangsseite des Gehäusematerials 8 einen Elektrodenanschluss-Anordnungsbereich 81, an dem der Elektrodenanschluss 7 angeordnet ist.
  • Das Gehäusematerial 8 und die Basisplatte 1 sind mit einem Klebstoff (nicht dargestellt) verklebt. Der Klebstoff ist zwischen einer Unterseite des Gehäusematerials 8 und der Basisplatte 1 vorgesehen. Als Material für den Klebstoff wird in der Regel Silikonharz, Epoxidharz o. ä. verwendet. Der Klebstoff wird auf mindestens eines, das Gehäusematerial 8 und die Basisplatte 1 aufgetragen, um das Gehäusematerial 8 und die Basisplatte 1 zu fixieren, und danach verbindet der Klebstoff diese durch thermische Aushärtung.
  • Der Elektrodenanschluss 7 ist an dem Elektrodenanschluss-Anordnungsbereich 81 an der inneren Umfangsseite des Gehäusematerials 8 ausgebildet, um in Kontakt mit einer Innenwand des Gehäuseteils 8 zu stehen und wird verwendet, um einen Strom und eine Spannung von/nach außen einzugeben/auszugeben. Der Elektrodenanschluss 7 beinhaltet an dem Elektrodenanschluss-Anordnungsbereich 81 des Gehäusematerials 8 einen Anschlussbereich 71 des Elektrodenanschlusses 7, der einen mit dem Bonddraht 6 verbundenen Bereich darstellt. Als Elektrodenanschluss 7 kann beispielsweise eine 0,5 mm dicke Kupferplatte verwendet werden, die durch Ätzen, Stanzen oder dergleichen in eine vorgegebene Form gebracht wurde.
  • Der Bonddraht 6 stellt die elektrische Verbindung zwischen Metallschichten 32 oder zwischen Halbleiterelement 5 und Elektrodenanschluss 7 her. Der Bonddraht 6 ist beispielsweise ein Walzdraht aus einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung mit einem Drahtdurchmesser von 0,1 bis 0,5 mm. Obwohl hier der Bonddraht 6 für die Verbindung verwendet wird, ist zu beachten, dass auch ein Band (plattenförmiges Element) für die Verbindung verwendet werden kann.
  • Der Füllkörper 4 füllt den von dem Gehäusematerial 8 und der Basisplatte 1 umgebenen Bereich aus, um die Isoliereigenschaft im Inneren der Halbleiteranordnung 100 zu gewährleisten. Der Füllkörper 4 dichtet das Isoliersubstrat 3, die Metallschichten 32 und 33, das Halbleiterelement 5 und den Bonddraht 6 ab. In einen Bereich, der mit dem Metall-Dünnschichtelement 11 bedeckt ist, wird der Füllkörper 4 über das Metall-Dünnschichtelement 11 gefüllt. Als Füllkörper 4 wird z. B. Silikonharz verwendet. Der Füllkörper ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann aus jedem Material bestehen, das den gewünschten Elastizitätsmodul, die gewünschte Wärmebeständigkeit und die gewünschte Klebefähigkeit aufweist. Als Material für den Füllkörper 4 kann z. B. Epoxidharz, Urethanharz, Polyimidharz, Polyamidharz, Acrylharz oder ähnliches verwendet werden, oder es kann ein Harzmaterial verwendet werden, das zur Verbesserung der Festigkeit und der Wärmeableitungseigenschaften darin dispergiertes Keramikpulver enthält.
  • Das Metall-Dünnschichtelement 11 ist auf den Oberflächen des Bonddrahtes 6 und den durch den Bonddraht 6 elektrisch verbundenen Bereichen (Elektrode 51 des Halbleiterelements 5, Elektrodenanschluss 7 und Anschlussbereich 71 des Elektrodenanschlusses 7) ausgebildet. Das Metall-Dünnschichtelement 11 beschichtet den Bonddraht 6 und die Oberfläche der Elektrode 51 des Halbleiterelements 5, die Oberfläche des Elektrodenanschlusses 7 und die Oberfläche des Anschlussbereichs 71 des Elektrodenanschlusses 7, also die Bereiche, die durch den Bonddraht 6 elektrisch verbunden sind, kontinuierlich mit einem einzigen Material. Darüber hinaus wird in dem Bereich, der mit dem kontinuierlich gebildeten Metall-Dünnschichtelement 11 bedeckt ist, keine Grenzfläche während der Bildung des Metall-Dünnschichtelements 11 gebildet und es gibt keinen Bereich, der ein Abschälen oder einen Riss aufgrund von thermischer Spannung verursachen kann.
  • Als Material für das Metall-Dünnschichtelement 11 kann ein Metallmaterial verwendet werden, das einen höheren Elastizitätsmodul und einen niedrigeren linearen Ausdehnungskoeffizienten als der Bonddraht 6 hat. z.B. kann in dem Fall, in dem der Bonddraht 6 aus Aluminium besteht, Gold, Silber, Titan, Kupfer, Nickel oder ähnliches verwendet werden. In dem Fall, in dem der Bonddraht 6 aus Kupfer besteht, ist Nickel geeignet. Das Metall-Dünnschichtelement 11 hat wünschenswerterweise einen Elastizitätsmodul von 70 GPa oder mehr und 230 GPa oder weniger. Wenn das Metall-Dünnschichtelement 11 beispielsweise aus Gold besteht, hat es einen Elastizitätsmodul von 78 GPa, und wenn das Metall-Dünnschichtelement 11 aus Nickel besteht, hat es einen Elastizitätsmodul von 200 bis 220 GPa. Das Metall-Dünnschichtelement 11 hat eine Dicke von 0,1 µm oder mehr und 50 µm oder weniger. Wenn die Dicke des Metall-Dünnschichtelements 11 weniger als 0,1 µm beträgt, kann das Metall-Dünnschichtelement 11 möglicherweise keine ausreichende Festigkeit erreichen. Wenn die Dicke des Metall-Dünnschichtelements 11 dicker als 50 µm ist, ist das Metall-Dünnschichtelement 11 zu hart und kann Risse und Ähnliches in anderen Bauteilen verursachen. Daher hat das Metall-Dünnschichtelement 11 vorzugsweise eine Dicke von 0,1 µm oder mehr und 50 µm oder weniger.
  • Darüber hinaus kann das Metall-Dünnschichtelement 11 unter Berücksichtigung der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Schritte zur Herstellung der Halbleiteranordnung 100 oxidiert werden, wenn ein Zeitintervall zwischen dem Formen des Metall-Dünnschichtelements 11 und dem Füllen des Füllkörpers 4 in dem von der Basisplatte 1 und dem Gehäusematerial 8 umgebenen Bereich liegt. Daher ist in dem Fall, in dem ein langes Zeitintervall von der Bildung des Metall-Dünnschichtelements 11 bis zum Füllen des Füllkörpers 4 liegt, das für das Metall-Dünnschichtelement 11 verwendete Material vorzugsweise ein Material, das weniger wahrscheinlich oxidiert wird, und Gold, Titan, Nickel und dergleichen sind besser geeignet. Weiterhin ist zum Beispiel eine Beschichtungsfolie als Metall-Dünnschichtelement 11 einsetzbar.
  • 3 ist ein vergrößerter schematischer Strukturquerschnitt eines Verbindungsbereichs der Halbleiteranordnung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 ist ein vergrößerter schematischer Strukturquerschnitt in einem Elektrodenbereich des in 2 gezeigten Halbleiterelements.
  • In der Zeichnung ist der Bonddraht 6 mit einer Oberfläche der Elektrode 51 des Halbleiterelements 5 verbunden. Die Oberfläche der Elektrode 51, die von der Isolierschicht 9 umgeben ist, an die der Bonddraht 6 geklebt ist, ist mit einem Metall-Dünnschichtelement 11 beschichtet (daraus ausgebildet), so dass sie einen Verbindungsbereich des Bonddrahtes 6 einschließt. Da die Isolierschicht 9 in einem äußeren Umfangsbereich des Halbleiterelements 5 ausgebildet ist, um die Elektrode 51 auf einer oberen Oberfläche des Halbleiterelements 5 zu umgeben, ist das Metall-Dünnschichtelement 11 selektiv auf der Oberfläche der Elektrode 51 des Halbleiterelements 5 ausgebildet. Obwohl das Metall-Dünnschichtelement 11 auch auf der Seitenfläche des Halbleiterelements 5 ausgebildet ist, unterdrückt die im äußeren Umfangsbereich des Halbleiterelements 5 ausgebildete Isolierschicht 9 die Leitfähigkeit zwischen der Oberflächenseite und der Unterflächenseite des Halbleiterelements 5 über das Metall-Dünnschichtelement 11. Darüber hinaus ist das Metall-Dünnschichtelement 11 nicht um den Umfang des Verbindungsmaterials 2 herum ausgebildet. Dadurch wird auch die Leitfähigkeit zwischen der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 und der unteren Oberflächenseite des Halbleiterelements 5 durch die Ausbildung des Metall-Dünnschichtelements 11 unterdrückt.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiteranordnung 100 der ersten Ausführungsform, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, beschrieben.
  • Die 4 bis 6 sind schematische Schnittdarstellungen, die Schritte zur Herstellung der Halbleiteranordnung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Durch die in den 4 bis 6 gezeigten Schritte kann die Halbleiteranordnung 100 hergestellt werden.
  • Zunächst werden die Metallschicht 32 auf der Vorderseite der Keramikplatte 31 und die Metallschicht 33 auf der Rückseite der Keramikplatte 31 gebildet (ein Isoliersubstratbildungsschritt). Das Verbinden der Metallschichten 32 und 33 mit der Keramikplatte 31 erfolgt durch Hartlöten oder ähnliches. Da in jeder der Metallschichten 32 und 33 ein elektrischer Stromkreis gebildet wird bzw. ein Strom fließt, haben sie oft unterschiedliche Musterformen. In einem solchen Fall kann das Auftreten von thermischen Spannungen auf der vorderen und hinteren (oberen und unteren) Oberfläche der Keramikplatte 31 durch Anpassen der Größe und der Dicke der Metallschichten 32 und 33 unterdrückt werden.
  • Dann wird das Halbleiterelement 5 an einer vorbestimmten Position (ein Anordnungsbereich des Halbleiterelements 5) auf der Metallschicht 32 an der vorderen Oberfläche des Isoliersubstrats 3 mit dem Verbindungsmaterial 2 elektrisch verbunden (ein Schritt des Verbindens des Halbleiterelements). Durch das Verbinden des Halbleiterelements 5 mit dem Isoliersubstrat 3 auf diese Weise wird ein elektrischer Stromkreis gebildet. Das Verbindungsmaterial 2 ist nicht auf Lot beschränkt, und andere Verbindungsmaterialien sind ebenfalls anwendbar.
  • Dann wird eine hintere Oberfläche des Isoliersubstrats 3, mit dem das Halbleiterelement 5 verbunden ist, mit einer vorderen Oberfläche der Basisplatte 1 verbunden, und zwar über ein Lot, bei dem es sich um das Verbindungsmaterial 2 handelt (ein Basisplattenverbindungsschritt). Wie bei dem oben beschriebenen Halbleiterelement-Verbindeschritt kann das Verbinden mit Lot als Verbindungsmaterial 2 erfolgen. Das Verbindungsmaterial 2 ist nicht auf Lot beschränkt, es können auch andere Verbindungsmaterialien verwendet werden.
  • Dann wird eine innere Umfangsseite der Bodenfläche des Gehäusematerials 8 mit einem äußeren Umfangsbereich der Vorderfläche der Basisplatte 1 in Kontakt gebracht und über einen Klebstoff damit verbunden, so dass das Isoliersubstrat 3 von der Basisplatte 1 und dem Gehäusematerial 8 umgeben ist (ein Schritt zur Bildung eines Gehäuseteils). An der inneren Umfangsseite des Gehäusematerials 8 wird zuvor der Elektrodenanschluss 7 an einer vorbestimmten Position angeordnet (ausgebildet).
  • Dann wird, wie in 4 gezeigt, die Elektrode 51 des Halbleiterelements 5, die mit der Metallschicht 32 an der vorderen Oberfläche des Isoliersubstrats 3 verbunden ist, über den Bonddraht 6 elektrisch mit dem Elektrodenanschluss 7 verbunden, der am Gehäusematerial 8 angebracht ist (ein Verdrahtungsteil-Bildungsschritt). In ähnlicher Weise wird in dem Fall, in dem eine Vielzahl von Halbleiterelementen 5 verwendet wird, die Elektrode 51 eines Halbleiterelements 5 mit der Elektrode 51 eines anderen Halbleiterelements 5 über den Bonddraht 6 elektrisch verbunden (ein Verdrahtungsteil-Bildungsschritt).
  • Dann wird, wie in 5 gezeigt, das Metall-Dünnschichtelement 11 auf der Oberfläche des Bonddrahtes 6 ausgebildet (beschichtet) und die Oberfläche des Elektrodenanschlusses 7 und die Oberfläche der Elektrode 51 des Halbleiterelements 5 werden über den Bonddraht 6 elektrisch verbunden (ein Metall-Dünnschichtelement- Beschichtungsschritt). Das Metall-Dünnschichtelement 11 wird gebildet, um die Oberfläche des Bonddrahtes 6 zu beschichten und die Oberfläche des Elektrodenanschlusses 7 und die Oberfläche der Elektrode 51 des Halbleiterelements 5 zu bedecken. Dabei beschichtet das Metall-Dünnschichtelement 11 die durch den Bonddraht 6 verbundenen Anschlussbereiche kontinuierlich mit einem einzigen Material.
  • In der Halbleiteranordnung 100 in der ersten Ausführungsform ist das Metall-Dünnschichtelement 11 auf der Oberfläche des Bonddrahtes 6, einem seitlichen Oberflächenbereich des Halbleiterelementes 5, der Oberfläche der Elektrode 51 des Halbleiterelementes 5 und der Oberfläche des Elektrodenanschlusses 7 ausgebildet und durchgehend aus demselben Material gebildet. Somit gibt es im Inneren des Metall-Dünnschichtelements 11 keinen Grenzbereich zwischen den Materialien, der aus der Bildung des Metall-Dünnschichtelements 11 zu unterschiedlichen Zeiten (Zeitpunkten) resultiert.
  • Der Bonddraht 6 des Halbleiterelements 5 ist nicht mit der Metallschicht 32 verbunden, auf der das Halbleiterelement 5 angebracht ist, sondern mit einer anderen Metallschicht oder einem Elektrodenanschluss 7, nachdem er mit der Oberfläche der Elektrode 51 des Halbleiterelements 5 verbunden wurde. In dieser Struktur wird beispielsweise durch Eintauchen der Halbleiteranordnung 100, die dem Verdrahtungsteil-Bildungsschritt unterzogen wurde, in eine Galvanisierungslösung und Anlegen einer Spannung an einen Kanal, der den Elektrodenanschluss 7, das Halbleiterelement 5 und den Elektrodenanschluss 7 beinhaltet, der durch den Bonddraht 6 verbunden ist, eine elektrische Feldgalvanisierungsbehandlung durchgeführt. Das Metall-Dünnschichtelement 11 kann auf der Oberfläche des Bonddrahtes 6, der Oberfläche und einer Seitenfläche der Elektrode 51 des Halbleiterelements 5 und der Oberfläche des Elektrodenanschlusses 7 ausgebildet werden, ohne dass das Metall-Dünnschichtelement 11 auf der Oberfläche der Metallschicht 32 und dem Umfang des Verbindungsmaterials 2 ausgebildet wird.
  • Weiterhin kann bei der Ausbildung des Metall-Dünnschichtelements 11 das Metall-Dünnschichtelement 11 auch auf dem Elektrodenanschluss 7, dem Halbleiterelement 5, dem (weiteren) Halbleiterelement 5 und dem Elektrodenanschluss 7, die durch den Bonddraht 6 verbunden sind, ausgebildet werden, ohne dass eine elektrische Feldplattierung erfolgt. Es ist beispielsweise auch möglich, das Metall-Dünnschichtelement 11 auf dem Elektrodenanschluss 7, dem Halbleiterelement 5, dem Halbleiterelement 5 und dem Elektrodenanschluss 7, die durch den Bonddraht 6 verbunden sind, selektiv auszubilden, indem ein Bereich, in dem das Metall-Dünnschichtelement 11 nicht ausgebildet werden soll, unter Verwendung eines isolierenden Materials oder dergleichen maskiert wird, so dass das Metall-Dünnschichtelement 11 nicht auf der Oberfläche der Metallschicht 32 ausgebildet wird, und anschließend eine nicht-elektrolytische Plattierungsbehandlung durchgeführt wird.
  • Dann wird, wie in 6 gezeigt, der Füllkörper 4 in den Bereich gefüllt, der von der Basisplatte 1 und dem Gehäusematerial 8 umgeben ist (ein Füllkörperfüllschritt). Der Füllkörper 4 wird in den von Gehäusematerial 8 und Basisplatte 1 umgebenen Bereich eingefüllt, z. B. mit einem Dispenser. Bezüglich der Füllposition (Füllmenge) des Füllkörpers 4 wird der Füllkörper 4 so weit gefüllt, dass er den Bonddraht 6 bedeckt (abdichtet). Nachdem der Füllkörper 4 gefüllt ist, wird eine Aushärtungsbehandlung durchgeführt. Die Aushärtungsbehandlung für den Füllkörper 4 wird beispielsweise unter Bedingungen von 150°C für zwei Stunden durchgeführt (ein Füllkörper-Aushärtungsschritt). Durch die Durchführung der Härtungsbehandlung auf diese Weise wird der gefüllte Füllkörper 4 gehärtet.
  • Durch die Durchführung der oben genannten Hauptfertigungsschritte kann die in 1 gezeigte Halbleiteranordnung 100 hergestellt werden.
  • Wie oben beschrieben, können bei der Halbleiteranordnung 100 in der ersten Ausführungsform die Oberfläche des Bonddrahtes 6 und die Oberfläche der Elektrode 51 des Halbleiterelements 5 mit dem Metall-Dünnschichtelement 11 bedeckt werden, das im Vergleich zum Füllkörper 4 ein hartes Material ist. Wenn ein Leistungszyklustest, ein Wärmezyklustest oder ähnliches durchgeführt wird, ist es wahrscheinlich, dass sich die thermische Belastung in der Nähe des Verbindungsbereichs zwischen Bonddraht 6 und Halbleiterelement 5 oder Elektrodenanschluss 7 oder einer gebogenen Stelle des Bonddrahts 6 konzentriert und daher kann es an diesem Bereich zu einem Abschälen oder einem Riss im Metall-Dünnschichtelement 11 kommen, was die ursprüngliche Leistung der Halbleiteranordnung 100 beeinträchtigen kann.
  • In dem Fall, in dem das Metall-Dünnschichtelement 11 durch eine Vielzahl von diskontinuierlichen Fertigungsschritten (Prozessen) gebildet wird, gibt es beispielsweise eine Schnittstelle zwischen den Metall-Dünnschichtelementen 11, die in den jeweiligen Prozessen gebildet werden. In diesem Fall konzentrieren sich die thermischen Spannungen in der Nähe eines Verbindungsbereichs zwischen Bonddraht 6 und Halbleiterelement 5 bzw. Elektrodenanschluss 7 oder einer Biegestelle des Bonddrahts 6. Außerdem kann, wenn eine Schnittstelle zwischen Metall-Dünnschichtelementen 11 in diesem Bereich vorhanden ist, ein Riss im Metall-Dünnschichtelement 11 auftreten, der von dieser Schnittstelle ausgeht, und wenn der Riss aufgrund eines Wärmezyklus wächst, kann der Riss eine vordere Oberfläche des Bonddrahtes 6 oder des Halbleiterelements 5 erreichen. In diesem Fall wird der Effekt der Verbesserung der Zuverlässigkeit durch das Formen des Metall-Dünnschichtelements 11 nicht vollständig erreicht.
  • In der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Halbleiteranordnung 100 ist das Metall-Dünnschichtelement 11 jedoch durchgehend in dem Bereich ausgebildet, in dem sich die Spannungen wahrscheinlich konzentrieren. Dadurch können Spannungen, die in der vorderen Oberfläche des Bonddrahtes 6 oder des Halbleiterelements 5 auftreten können, reduziert werden, und die Lebensdauer (Zuverlässigkeit) der Halbleiteranordnung 100 in einem Leistungszyklus-Test oder einem Wärmezyklus-Test kann verbessert werden.
  • In der Halbleiteranordnung 100, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, sind die Oberfläche des Bonddrahtes 6, die Oberfläche der Elektrode 51 des Halbleiterelements 5 und die Oberfläche des Elektrodenanschlusses 7 mit dem Metall-Dünnschichtelement 11 beschichtet, das im Vergleich zum Füllkörper 4 ein hartes Material ist. Dadurch können Spannungen im Verbindungsbereich oder in einem gebogenen Bereich des Bonddrahtes 6 aufgrund von thermischen Spannungen reduziert und die Zuverlässigkeit der Halbleiteranordnung 100 verbessert werden.
  • Ausführungsform 2
  • Eine zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass das in der ersten Ausführungsform verwendete Metall-Dünnschichtelement 11 auch auf der Oberfläche der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 vorgesehen ist. Da die Metallschicht 32 des Isoliersubstrats 3 durch den Bonddraht 6 elektrisch mit dem Elektrodenanschluss 7 verbunden ist und das Metall-Dünnschichtelement 11 auch auf der Oberfläche der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 ausgebildet ist, die auf diese Weise durch den Bonddraht 6 verbunden ist, können Spannungen im Verbindungsbereich des Bonddrahts 6 oder in einem gebogenen Bereich des Bonddrahts 6 reduziert werden, ein Ablösen des Metall-Dünnschichtelements 11 kann unterdrückt werden und die Zuverlässigkeit der Halbleiteranordnung kann verbessert werden. Da die übrigen Merkmale mit denen der ersten Ausführungsform übereinstimmen, wird auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet.
  • 7 ist ein schematischer Strukturquerschnitt, der eine Halbleiteranordnung in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Zeichnung beinhaltet eine Halbleiteranordnung 200 eine Basisplatte 1, ein Verbindungsmaterial 2, ein Isoliersubstrat 3, einen Füllkörper 4, ein Halbleiterelement 5, Bonddrähte 6, bei denen es sich um Verdrahtungsteile handelt, einen Elektrodenanschluss 7, bei dem es sich um ein Anschlusselement handelt, ein Gehäusematerial 8, eine Isolierschicht 9, bei der es sich um ein Isolierteil handelt, und ein Metall-Dünnschichtelement 11.
  • In 7 ist der Elektrodenanschluss 7 nicht nur über den Bonddraht 6 mit dem Halbleiterelement 5 elektrisch verbunden, sondern auch über den Bonddraht 6 mit der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 elektrisch verbunden. Somit ist das Metall-Dünnschichtelement 11 auch auf der Oberfläche der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 ausgebildet, mit der der Bonddraht 6 verbunden ist. Auch in diesem Fall ist das Metall-Dünnschichtelement 11 auf der Oberfläche des Bonddrahtes 6, der Oberfläche der Elektrode 51 des Halbleiterelements 5, der Oberfläche des Elektrodenanschlusses 7 und der Oberfläche der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 unter Verwendung desselben Materials kontinuierlich ausgebildet.
  • Als Material für das Metall-Dünnschichtelement 11 ist jedes Metallmaterial mit einem höheren Elastizitätsmodul und einem niedrigeren linearen Ausdehnungskoeffizienten als dem des Bonddrahtes 6 geeignet. Ferner kann durch die Verwendung eines Materials mit einem höheren Elastizitätsmodul als dem des Materials für die Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 die Adhäsion zwischen dem Füllkörper 4 und der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 verbessert werden und der Effekt der Verbesserung der Zuverlässigkeit der Halbleiteranordnung 200 wird leicht erreicht.
  • Wie oben beschrieben, ist in der in der zweiten Ausführungsform beschriebenen Halbleiteranordnung 200 zusätzlich zu dem zur ersten Ausführungsform beschriebenen Effekt auch ein Metall-Dünnschichtelement 11 auf der Oberfläche der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 ausgebildet, das das Phänomen der Verringerung der Zuverlässigkeit der Halbleiteranordnung 200 unterdrückt, das aufgrund der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 auftritt.
  • Als Material für die Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 wird beispielsweise Kupfer oder Aluminium verwendet. In dem Fall, in dem Kupfer als Material für die Metallschicht 32 des Isoliersubstrats 3 verwendet wird, ist es wahrscheinlich, dass bei einem Anstieg der Temperatur der Halbleiteranordnung 200 eine Ablösung zwischen Kupfer als Metallschicht 32 und Silikongel als Füllkörper 4 auftritt. Durch das Aufbringen von Nickel als Metall-Dünnschichtelement 11 auf die Oberfläche von Kupfer als Metallschicht 32 kann jedoch z.B. das Abschälen an der Grenzfläche zwischen Nickel und dem Silikongel, d.h. das Abschälen zwischen Metallschicht 32 und Metall-Dünnschichtelement 11, unterdrückt werden.
  • Da Aluminium einen niedrigen Elastizitätsmodul hat, gibt es ferner in dem Fall, in dem Aluminium als Material für die Metallschicht 32 des Isoliersubstrats 3 verwendet wird, dann, wenn die Halbleiteranordnung 200 in einem Leistungszyklustest, einem Wärmezyklustest oder dergleichen eine hohe Temperatur aufweist, Probleme wie das Auftreten von Verformungen des Aluminiums als Metallschicht 32 aufgrund von thermischer Belastung. Durch Ausbilden eines Metall-Dünnschichtelements 11 mit einem Elastizitätsmodul, das höher ist als das der Metallschicht 32, auf der Oberfläche der Metallschicht 32 kann jedoch eine Verformung des Aluminiums als Metallschicht 32 unterdrückt werden, und es kann eine sehr zuverlässige Halbleiteranordnung 200 erhalten werden.
  • In der in 7 gezeigten Halbleiteranordnung 200 sind die Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3, die Halbleiterelemente 5 und die Elektrodenanschlüsse 7 über Bonddrähte 6 elektrisch verbunden. Somit kann durch Anlegen einer Spannung an einen Kanal, der den Elektrodenanschluss 7, die Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3, das Halbleiterelement 5 und den Elektrodenanschluss 7 beinhaltet, die miteinander verbunden sind, um eine elektrische Feldplattierung durchzuführen, auch das Metall-Dünnschichtelement 11 auf der Oberfläche der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 gebildet werden.
  • 8 ist ein schematischer Strukturquerschnitt, der eine weitere Halbleiteranordnung in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Zeichnung beinhaltet eine Halbleiteranordnung 300 eine Basisplatte 1, ein Verbindungsmaterial 2, ein Isoliersubstrat 3, einen Füllkörper 4, Halbleiterelemente 5, Bonddrähte 6, die Verdrahtungsteile sind, Elektrodenanschlüsse 7, die Anschlusselemente sind, ein Gehäusematerial 8, das ein Gehäuseelement ist, eine Isolierschicht 9, die ein Isolierteil ist, und ein Metall-Dünnschichtelement 11.
  • In 8 ist der Bonddraht 6 zwar nicht mit der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 verbunden, aber das Metall-Dünnschichtelement 11 ist ebenfalls auf der Oberfläche der Metallschicht 32 ausgebildet. In einer solchen Struktur kann durch Ausbilden einer Maske als Isoliermaterial, um einen Bereich freizulegen, in dem das Metall-Dünnschichtelement 11 ausgebildet werden soll, und Ausführen einer nicht-elektrolytischen Plattierungsbehandlung auf der Halbleiteranordnung das Metall-Dünnschichtelement 11 auch auf der Oberfläche der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 ausgebildet werden, wie in 8 gezeigt.
  • Obwohl das Metall-Dünnschichtelement 11 in den in der zweiten Ausführungsform beschriebenen Halbleiterbauelementen 200 und 300 an mehreren Stellen ausgebildet ist, kann das Metall-Dünnschichtelement 11 an den mehreren Stellen gleichzeitig oder getrennt ausgebildet werden. Dabei ist es hinsichtlich des Ausformungszustandes des Metall-Dünnschichtelementes 11 nur erforderlich, dass auf dem kontinuierlich ausgebildeten Metall-Dünnschichtelement 11 kein weiteres Metall-Dünnschichtelement 11 ausgebildet ist (d.h. es ist nur erforderlich, dass keine Grenzfläche zwischen mehreren Metall-Dünnschichtelementen 11 ausgebildet ist).
  • 9 ist ein vergrößerter schematischer Strukturquerschnitt eines Verbindungsbereichs der Halbleiteranordnung in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 9 ist ein vergrößerter schematischer Strukturquerschnitt in einem Elektrodenbereich des in 7 und 8 gezeigten Halbleiterelements.
  • In der Zeichnung ist der Bonddraht 6 mit der Oberseite (der Oberfläche) der Elektrode 51 des Halbleiterelements 5 verbunden. Die von der Isolierschicht 9 umgebene Oberfläche der Elektrode 51, an die der Bonddraht 6 geklebt ist, ist mit einem Metall-Dünnschichtelement 11 beschichtet, so dass ein Verbindungsbereich des Bonddrahtes 6 vorhanden ist.
  • Darüber hinaus ist die Isolierschicht 9 zum Entspannen eines an das Halbleiterelement 5 angelegten elektrischen Feldes in einem äußeren peripheren Endbereich des Halbleiterelements 5 ausgebildet und das (erste) Metall-Dünnschichtelement 11, das auf dem Halbleiterelement 5 ausgebildet ist, ist auf der Elektrode 51 ausgebildet, die weiter innen liegt als die Isolierschicht 9 auf dem Halbleiterelement 5. Dabei ist das Metall-Dünnschichtelement 11 so ausgebildet, dass das erste Metall-Dünnschichtelement 11, das auf der oberen Oberflächenseite des Halbleiterelements 5 ausgebildet ist, nicht durchgängig zu dem zweiten Metall-Dünnschichtelement 11 ist, das von der Oberfläche der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 auf der unteren Oberflächenseite des Halbleiterelements 5 zu der Seitenfläche des Halbleiterelements 5 ausgebildet ist, wobei die Isolierschicht 9 als Begrenzung dient.
  • Wenn das erste Metall-Dünnschichtelement 11 und das zweite Metall-Dünnschichtelement 11 durchgängig ausgebildet sind, besteht beispielsweise auch zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche (PN-Schichten) des zu isolierenden Halbleiterelements 5 eine Plattierungsschicht als Metall-Dünnschichtelement 11, und es wird strukturell schwierig, die Isolierung als Halbleiteranordnung aufrecht zu erhalten. Das heißt, es entsteht eine Leitung zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Halbleiterelements 5.
  • Wenn das Metall-Dünnschichtelement 11 kontinuierlich einen hohen Elastizitätsmodul aufweist, kann außerdem, wenn in der Halbleiteranordnung in einem Leistungszyklus-Test oder einem Wärmezyklus-Test eine thermische Spannung auftritt, ein Riss oder ein Abschälen des Metall-Dünnschichtelements 11 an einem Bereich auftreten, an dem sich die Spannung konzentriert. Dieses Phänomen ist besonders auffällig, wenn die Halbleiteranordnung große Ausmaße hat. Wenn sich die Halbleiteranordnung aufgrund von Hitze verzieht, ist das Metall-Dünnschichtelement 11 möglicherweise nicht mehr in der Lage, der Spannung zu widerstehen, und es kann brechen. Wenn das Metall-Dünnschichtelement 11 aufgrund von thermischer Belastung bricht, kann der Bruch des Metall-Dünnschichtelements 11 durch einen Wärmezyklus fortschreiten, und der gebrochene Bereich kann auch die obere Fläche des Bonddrahtes 6 oder des Halbleiterelements 5 erreichen. Wenn der Bruch des Metall-Dünnschichtelements 11 die obere Oberfläche des Bonddrahtes 6 oder des Halbleiterelements 5 erreicht, konzentriert sich die Spannung in dem Bereich, den der Bruch erreicht, und der Effekt der Verbesserung der Zuverlässigkeit wird möglicherweise nicht vollständig erreicht.
  • In den in der zweiten Ausführungsform beschriebenen Halbleiterbauelementen 200 und 300 existieren jedoch das erste Metall-Dünnschichtelement 11 und das zweite Metall-Dünnschichtelement 11 unabhängig (diskontinuierlich), wobei die Isolierschicht 9 als Grenze dient. Dadurch verringert sich der Bereich, in dem das Metall-Dünnschichtelement 11 kontinuierlich geformt wird, und selbst in dem Fall, in dem thermische Spannungen auftreten, werden Spannungen, die am Metall-Dünnschichtelement 11 auftreten können, reduziert. Dadurch ist es möglich, eine Halbleiteranordnung zu erhalten, die über einen langen Zeitraum hinweg sehr zuverlässig ist.
  • In den Halbleiterbauelementen 200 und 300, die wie oben beschrieben aufgebaut sind, sind die Oberfläche des Bonddrahtes 6, die Oberfläche der Elektrode 51 des Halbleiterelements 5 und die Oberfläche des Elektrodenanschlusses 7 mit dem Metall-Dünnschichtelement 11 beschichtet, das im Vergleich zum Füllkörper 4 ein hartes Material ist. Auf diese Weise können Spannungen in einem Verbindungsbereich oder einem gebogenen Bereich des Bonddrahtes 6 aufgrund von thermischen Spannungen reduziert werden und die Zuverlässigkeit der Halbleiterbauelemente 200 und 300 kann verbessert werden.
  • Da außerdem das Metall-Dünnschichtelement 11 auch auf der Oberfläche der Metallschicht 32 auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats 3 ausgebildet ist, können Spannungen, die an einer Grenzfläche zwischen dem Metall-Dünnschichtelement 11 und dem Füllkörper 4 auftreten, abgebaut werden, ein Ablösen des Füllkörpers 4 von der Metallschicht 32 wird unterdrückt und die Zuverlässigkeit der Halbleiterbauelemente 200 und 300 kann verbessert werden.
  • Da das Metall-Dünnschichtelement 11 auf dem Bonddraht 6 und dem Verbindungsbereich des Bonddrahtes 6 nach der Verdrahtung des Halbleiterelementes 5 unter Verwendung des Bonddrahtes 6 gebildet wird, sollte beachtet werden, dass das Metall-Dünnschichtelement 11 nicht an einem Bereich mit Isolationseigenschaften gebildet wird und nur an einem Bereich mit elektrischer Leitfähigkeit gebildet wird. Dementsprechend ist der Bereich, in dem das Metall-Dünnschichtelement 11 kontinuierlich geformt wird, begrenzt und somit wird das Auftreten eines Bruchs des Metall-Dünnschichtelements 11 aufgrund von thermischer Belastung auch in einer großformatigen Halbleiteranordnung unterdrückt. Dadurch wird es möglich, eine Halbleiteranordnung zu erhalten, die auf einer langfristigen Basis sehr zuverlässig ist.
  • Ausführungsform 3
  • In einer dritten Ausführungsform wird eine Halbleiteranordnung gemäß der oben beschriebenen ersten oder zweiten Ausführungsform auf einen Leistungswandler angewendet. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf einen bestimmten Leistungswandler beschränkt ist, wird im Folgenden ein Fall beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung als dritte Ausführungsform auf einen dreiphasigen Wechselrichter angewendet wird.
  • 10 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Leistungswandlersystems zeigt, auf das ein Leistungswandler in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
  • Das in 10 gezeigte Leistungswandlersystem beinhaltet eine Stromquelle 1000, einen Leistungswandler 2000 und einen Last 3000. Die Stromquelle 1000 ist eine Gleichstromquelle (DC) und liefert Gleichstrom an den Leistungswandler 2000. Die Stromquelle 1000 kann aus einer Vielzahl von Geräten bestehen, z.B. aus einem Gleichstromsystem, einer Solarzelle oder einem Akkumulator, oder aus einer Gleichrichterschaltung, einem AC/DC-Wandler o.ä., die an ein Wechselstromsystem angeschlossen sind. Darüber hinaus kann die Stromquelle 1000 durch einen DC/DC-Wandler gebildet werden, der die von einem Gleichstromsystem abgegebene Gleichstromleistung in eine vorgegebene Leistung umwandelt.
  • Der Leistungswandler 2000 ist ein dreiphasiger Wechselrichter, der zwischen Stromquelle 1000 und Last 3000 geschaltet ist und die von der Stromquelle 1000 gelieferte Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umwandelt und die Wechselstromleistung an die Last 3000 liefert. Wie in 10 gezeigt, beinhaltet der Leistungswandler 2000 eine Hauptwandlerschaltung 2001, die die von der Stromquelle 1000 zugeführte Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umwandelt und die Wechselstromleistung ausgibt, und eine Steuerschaltung 2003, die ein Steuersignal zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung 2001 an die Hauptwandlerschaltung 2001 ausgibt.
  • Die Last 3000 ist ein hier Drehstrommotor, der durch die vom Leistungswandler 2000 gelieferte Wechselspannung getrieben wird. Es ist zu beachten, dass die Last 3000 nicht auf einen bestimmten Zweck beschränkt ist und ein Motor sein kann, der in einer Vielzahl von elektrischen Geräten eingebaut ist. z.B. wird er als Motor für ein Hybridauto, ein Elektroauto, ein Schienenfahrzeug, einen Aufzug, eine Klimaanlage oder ähnliches verwendet.
  • Im Folgenden werden Details des Leistungswandlers 2000 beschrieben. Die Hauptwandlerschaltung 2001 enthält ein Schaltelement und eine Rückflussdiode (nicht dargestellt), die in einer Halbleiteranordnung 2002 eingebaut sind. In Reaktion auf das Schalten des Schaltelements wandelt die Hauptwandlerschaltung 2001 die von der Stromquelle 1000 gelieferte Gleichspannung in Wechselspannung um und liefert die Wechselspannung an die Last 3000. Obwohl die Hauptwandlerschaltung 2001 eine Vielzahl spezifischer Schaltungskonfigurationen aufweisen kann, ist die Hauptwandlerschaltung 2001 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine zweistufige dreiphasige Vollbrückenschaltung und kann aus sechs Schaltelementen und sechs antiparallel zu den jeweiligen Schaltelementen geschalteten Rückflussdioden bestehen. Die Hauptwandlerschaltung 2001 wird durch die Halbleiteranordnung 2002 entsprechend der oben beschriebenen ersten oder zweiten Ausführungsform gebildet, die die Schaltelemente, die Rückflussdioden und dergleichen enthält. Je zwei Schaltelemente der sechs Schaltelemente sind in Reihe geschaltet, um obere und untere Zweige zu bilden, und die jeweiligen oberen und unteren Zweige bilden jeweilige Phasen (U-Phase, V-Phase und W-Phase) der Vollbrückenschaltung. Die Ausgangsanschlüsse der jeweiligen oberen und unteren Zweige, d.h. drei Ausgangsanschlüsse der Hauptwandlerschaltung 2001, sind mit der Last 3000 verbunden.
  • Weiterhin enthält die Hauptwandlerschaltung 2001 eine Treiber- oder Ansteuerschaltung (nicht dargestellt), die jedes Schaltelement treibt bzw. ansteuert. Die Ansteuerschaltung kann in der Halbleiteranordnung 2002 eingebaut sein oder separat von der Halbleiteranordnung 2002 vorgesehen sein. Die Ansteuerschaltung erzeugt ein Ansteuersignal zur Ansteuerung jedes Schaltelements der Hauptwandlerschaltung 2001 und liefert das Ansteuersignal an eine Steuerelektrode jedes Schaltelements der Hauptwandlerschaltung 2001. Insbesondere gibt die Ansteuerschaltung ein Ansteuersignal zum Einschalten des Schaltelements und ein Ansteuersignal zum Ausschalten des Schaltelements an die Steuerelektrode jedes Schaltelements entsprechend dem später beschriebenen Steuersignal der Steuerschaltung 2003 aus. Wenn das Schaltelement eingeschaltet gehalten wird, ist das Ansteuersignal ein Spannungssignal, das größer oder gleich einer Schwellenspannung des Schaltelements ist (EIN-Signal). Wenn das Schaltelement ausgeschaltet gehalten wird, ist das Ansteuersignal ein Spannungssignal, das kleiner oder gleich der Schwellenspannung des Schaltelements ist (AUS-Signal).
  • Die Steuerschaltung 2003 steuert jedes Schaltelement der Hauptwandlerschaltung 2001 so, dass die gewünschte Leistung der Last 3000 zugeführt wird. Insbesondere berechnet die Steuerschaltung 2003 eine Zeit, zu der jedes Schaltelement der Hauptwandlerschaltung 2001 eingeschaltet werden soll (EIN-Zeit), basierend auf der an die Last 3000 zu liefernden Leistung. Die Steuerschaltung 2003 kann die Hauptwandlerschaltung 2001 beispielsweise durch eine PWM-Steuerung steuern, die die EIN-Zeit jedes Schaltelements entsprechend einer auszugebenden Spannung moduliert. Zusätzlich gibt die Steuerschaltung 2003 ein Steuerkommando (Steuersignal) an die in der Hauptwandlerschaltung 2001 enthaltene Ansteuerschaltung aus, um das EIN-Signal an das einzuschaltende Schaltelement auszugeben und das AUS-Signal an das auszuschaltende Schaltelement zum jeweiligen Zeitpunkt auszugeben. Entsprechend dem Steuersignal gibt die Ansteuerschaltung das EIN-Signal oder das AUS-Signal als Ansteuersignal an die Steuerelektrode des jeweiligen Schaltelements aus.
  • In dem Leistungswandler gemäß der dritten Ausführungsform, der wie oben beschrieben aufgebaut ist, wird die Halbleiteranordnung gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform als Halbleiteranordnung 2002 der Hauptwandlerschaltung 2001 verwendet, und somit kann die Zuverlässigkeit verbessert werden.
  • Obwohl die vorliegende Ausführungsform ein Beispiel beschrieben hat, bei dem die vorliegende Erfindung auf einen zweistufigen dreiphasigen Wechselrichter angewendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und kann auf eine Vielzahl von Leistungswandlern angewendet werden. Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform ein zweistufiger Leistungswandler verwendet wird, kann auch ein dreistufiger oder mehrstufiger Leistungswandler verwendet werden. In dem Fall, in dem die Leistung an eine einphasige Last geliefert wird, kann die vorliegende Erfindung auf einen einphasigen Leistungswandler angewendet werden. Ferner kann in dem Fall, in dem Strom an eine Gleichstrom-Last oder dergleichen geliefert wird, die vorliegende Erfindung auch auf einen DC/DC-Wandler, einen AC/DC-Wandler oder dergleichen angewendet werden.
  • Ferner ist der Leistungswandler, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird, nicht auf den Fall beschränkt, dass die oben beschriebene Last ein Motor ist, sondern kann beispielsweise auch als Stromversorgungseinrichtung für eine elektrische Entladungsmaschine, eine Laserstrahlmaschine, eine Induktionsheizungs-Kocheinrichtung, ein berührungsloses Stromzuführungssystem oder dergleichen verwendet werden und kann auch als Leistungsaufbereiter für ein photovoltaisches Erzeugungssystem, ein Stromspeichersystem oder dergleichen verwendet werden.
  • Insbesondere wenn SiC als Halbleiterelement 5 verwendet wird, wird ein Leistungshalbleiterelement bei einer höheren Temperatur als die für Si betrieben, um die Eigenschaften von SiC voll auszunutzen. Da bei einer Halbleiteranordnung mit einem darin eingebauten SiC-Bauelement eine höhere Zuverlässigkeit erforderlich ist, wird der Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine hochzuverlässige Halbleiteranordnung zu erreichen, effektiver.
  • Es sollte verstanden werden, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen illustrativ und in keiner Hinsicht einschränkend sind. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch den Umfang der Ansprüche definiert und nicht durch den Umfang der oben beschriebenen Ausführungsformen und soll alle Modifikationen innerhalb des möglichen Umfangs und der Bedeutung einschließen. Darüber hinaus kann eine Ausführungsform durch geeignete Kombination einer Vielzahl von Komponenten gebildet werden, die in den oben beschriebenen Ausführungsformen beschrieben sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Basisplatte
    2
    Verbindungsmaterial
    3
    Isoliersubstrat
    4
    Füllkörper
    5
    Halbleiterelement
    6
    Bonddraht
    7
    Elektrodenanschluss
    8
    Gehäusematerial
    9
    Isolierschicht
    11
    Metall-Dünnschichtelement
    31
    Kreramikplatte
    32, 33
    Metallschicht
    51
    Elektrode
    71
    Anschlussbereich der Elektrodenklemme 7
    81
    Elektrodenanschluss-Anordnungsbereich des Gehäusematerials
    100, 200, 300, 2002
    Halbleiterbauelement
    1000
    Stromquelle
    2000
    Leistungsumwandlungsvorrichtung
    2001
    Hauptumwandlungsschaltung
    2003
    Steuerschaltung
    3000
    Last
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2009531870 A [0004]
    • WO 2014/128899 [0004]

Claims (11)

  1. Halbleiteranordnung, die Folgendes aufweist: ein Isoliersubstrat mit Metallschichten, die an einer vorderen Oberfläche und einer hinteren Oberfläche vorgesehen sind; ein Halbleiterelement mit einer unteren Oberfläche, die mit der Metallschicht auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats verbunden ist, und mit einer Elektrode auf einer oberen Oberfläche; eine Basisplatte, die mit der Rückfläche des Isoliersubstrats verbunden ist; ein Gehäuseelement, das in Kontakt mit der Basisplatte ist, und das Isoliersubstrat umgibt; ein Anschlusselement, das an einer inneren Umfangsseite des Gehäuseelements vorgesehen ist; ein Verdrahtungsteil, das das Anschlusselement und das Halbleiterelement verbindet; ein Metall-Dünnschichtelement, das eine Oberfläche des Anschlusselements und eine Oberfläche der Elektrode, die durch das Verdrahtungsteil verbunden ist, und eine Oberfläche des Verdrahtungsteils kontinuierlich bedeckt; und einen Füllkörper, der eine Oberfläche des Metall-Dünnschichtelements und das vom Metall-Dünnschichtelement freiliegende Isoliersubstrat bedeckt und in einen von der Basisplatte und dem Gehäuseteil umgebenen Bereich gefüllt ist.
  2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, wobei das Metall-Dünnschichtelement auch auf einer Oberfläche der Metallschicht auf der durch das Verdrahtungsteil verbundenen Stirnseite des Isoliersubstrats ausgebildet ist.
  3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, wobei das Metall-Dünnschichtelement auch auf einer Oberfläche der Metallschicht auf der vorderen Oberflächenseite des Isoliersubstrats ausgebildet ist, die nicht durch das Verdrahtungsteil verbunden ist.
  4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Metall-Dünnschichtelement ein Material ist, das einen höheren Elastizitätsmodul und einen niedrigeren linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der des Verdrahtungsteils.
  5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Metall-Dünnschichtelement einen Elastizitätsmodul von 70 GPa oder mehr und 230 GPa oder weniger aufweist.
  6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Metall-Dünnschichtelement eine Beschichtungsfolie ist.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: einen Halbleiterelement-Verbindungsschritt des Verbindens einer unteren Oberfläche eines Halbleiterelements, das eine Elektrode auf einer oberen Oberfläche aufweist, mit einer Metallschicht auf einer vorderen Oberflächenseite eines Isoliersubstrats, das Metallschichten aufweist, die an einer vorderen Oberfläche und einer hinteren Oberfläche vorgesehen sind; einen Basisplatten-Verbindungsschritt des Verbindens einer Basisplatte mit der Rückfläche des Isoliersubstrats; einen Gehäuseelement-Bildungsschritt des Bildens eines Gehäuseelements, das in Kontakt mit der Basisplatte ist, um das Isoliersubstrat zu umgeben, und ein Anschlusselement aufweist, das an einer inneren Umfangsseite vorgesehen ist; einen Verdrahtungsteil-Bildungsschritt zum Verbinden des Anschlusselements und des Halbleiterelements durch ein Verdrahtungsteil; einen Metall-Dünnschichtelement-Beschichtungsschritt des kontinuierlichen Bedeckens einer Oberfläche des Anschlusselements und einer Oberfläche der durch das Verdrahtungsteil verbundenen Elektrode mit einem Metall-Dünnschichtelement und einer Oberfläche des Verdrahtungsteils; und einen Füllkörper-Füllschritt des Einfüllens eines Füllkörpers, der eine Oberfläche des Metall-Dünnschichtelements und des von dem Metall-Dünnschichtelement freiliegenden Isoliersubstrats bedeckt, in einem Bereich, der von der Basisplatte und dem Gehäuseteil umgeben ist.
  8. Verfahren zur Herstellung der Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, wobei in dem Schritt des Beschichtens des Metall-Dünnschichtelements das Metall-Dünnschichtelement auch auf einer Oberfläche der Metallschicht auf der vorderen, nicht durch das Verdrahtungsteil verbundenen Oberflächenseite des Isoliersubstrats ausgebildet wird.
  9. Verfahren zur Herstellung der Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, wobei in dem Metall-Dünnschichtelement-Beschichtungsschritt das Metall-Dünnschichtelement auch auf einer Oberfläche der Metallschicht auf der vorderen Oberflächenseite des durch das Verdrahtungsteil verbundenen Isoliersubstrats ausgebildet wird.
  10. Verfahren zur Herstellung der Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Metall-Dünnschichtelement-Beschichtungsschritt durch eine Galvanikbehandlung durchgeführt wird.
  11. Leistungswandler, der Folgendes aufweist: eine Hauptwandlerschaltung, die die Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist und eine eingespeiste Leistung umwandelt und die umgewandelte Leistung ausgibt; und eine Steuerschaltung, die ein Steuersignal zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung an die Hauptwandlerschaltung ausgibt.
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