DE112019007175T5 - Leistungshalbleitermodul und leistungswandlergerät - Google Patents

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Jun Fujita
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    • H01L2224/29339—Silver [Ag] as principal constituent
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    • H01L2224/29347—Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
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    • H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/48476—Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas, e.g. pre-ball, wedge-on-ball, ball-on-ball between the wire connector and the bonding area
    • H01L2224/48491—Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas, e.g. pre-ball, wedge-on-ball, ball-on-ball between the wire connector and the bonding area being an additional member attached to the bonding area through an adhesive or solder, e.g. buffer pad
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    • H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
    • H01L2224/49111—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain the connectors connecting two common bonding areas, e.g. Litz or braid wires
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    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/495—Material
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    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/83053—Bonding environment
    • H01L2224/83054—Composition of the atmosphere
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/83053—Bonding environment
    • H01L2224/83054—Composition of the atmosphere
    • H01L2224/83075—Composition of the atmosphere being inert
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
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    • H01L2224/83417—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
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Abstract

Ein Leistungshalbleitermodul (1) enthält ein Schaltungssubstrat (10), ein Leistungshalbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat (20) und mindestens einen Bondingbereich (5). Der mindestens eine Bondingbereich (5) beinhaltet einen ersten Metallbereich distal zum Halbleitersubstrat (20), einen zweiten Metallbereich proximal zum Halbleitersubstrat (20) und eine Bondingschicht (15), die den ersten Metallbereich und den zweiten Metallbereich miteinander verbindet. Bei gleicher Temperatur ist die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs kleiner als die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs und ist kleiner als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (15).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul und ein Leistungswandlergerät.
  • STAND DER TECHNIK
  • Die Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2008-41 707 A (PTL 1) beschreibt ein Halbleiterbauelement, das ein Halbleiterbauelement, ein Metallsubstrat und eine Bondingschicht enthält, die das Halbleiterbauelement mit dem Metallsubstrat verbindet. In dem Halbleiterbauelement ist bei der identischen Temperatur die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze der Bondingschicht größer oder gleich der 0,2%-igen Offset-Streckgrenze des Metallsubstrats.
  • PTL 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2008-41 707 A
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die Lebensdauer eines Leistungshalbleitermoduls und eines Leistungswandlergeräts zu verlängern.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Ein Leistungshalbleitermodul gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Schaltungssubstrat, ein Leistungshalbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat und mindestens einen Bondingbereich. Der mindestens eine Bondingbereich beinhaltet einen ersten Metallbereich distal zum Halbleitersubstrat, einen zweiten Metallbereich proximal zum Halbleitersubstrat und eine Bondingschicht, die den ersten Metallbereich und den zweiten Metallbereich miteinander verbindet. Bei gleicher Temperatur ist die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs kleiner als die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs und ist kleiner als die Scherfestigkeit der Bondingschicht.
  • Ein Leistungswandlergerät nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Hauptwandlerschaltung und eine Steuerschaltung. Die Hauptwandlerschaltung beinhaltet das Leistungshalbleitermodul der vorliegenden Erfindung und wandelt die Eingangsleistung um und gibt die umgewandelte Leistung aus. Die Steuerschaltung gibt ein Steuersignal zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung an die Hauptwandlerschaltung aus.
  • Effekt der Erfindung
  • Die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs ist kleiner als die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs und ist kleiner als die Scherfestigkeit der Bondingschicht. Daher wird auch bei einer thermischen Beanspruchung des Leistungshalbleitermoduls selektiv ein Riss im ersten Metallbereich distal zum Halbleitersubstrat erzeugt. Der Riss wird durch die Bondingschicht daran gehindert, sich zum Leistungshalbleiterbauelement hin auszubreiten. Das Auftreten des Risses kann im Leistungshalbleiterbauelement verhindert werden. Gemäß dem Leistungshalbleitermodul und dem Leistungswandlergerät der vorliegenden Erfindung kann die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls und des Leistungswandlergeräts verlängert werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Draufsicht, die ein Leistungshalbleitermodul gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
    • 2 ist eine schematische Schnittdarstellung des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform entlang der Linie II-II in 1;
    • 3 ist eine schematische Schnittdarstellung, die einen Prozess eines Verfahrens zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform zeigt;
    • 4 ist eine schematische Schnittdarstellung eines auf den Prozess in 3 folgenden Prozesses im Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform;
    • 5 ist eine schematische Schnittansicht, die einen auf den Schritt in 4 folgenden Schritt in dem Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform zeigt;
    • 6 ist eine schematische Schnittansicht, die einen auf den Schritt in 5 folgenden Schritt in dem Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform zeigt;
    • 7 ist eine schematische Schnittansicht, die einen auf den Schritt in 6 folgenden Schritt in dem Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform zeigt;
    • 8 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Leistungshalbleitermodul gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
    • 9 ist eine schematische Draufsicht, die ein Leistungshalbleitermodul gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
    • 10 ist eine schematische Schnittdarstellung des Leistungshalbleitermoduls der dritten Ausführungsform entlang der Linie X-X in 9;
    • 11 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Leistungshalbleitermodul gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt, und
    • 12 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungsumwandlungssystems gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und die sich überschneidende Beschreibung wird weggelassen.
  • Ausführungsform 1
  • Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird ein Leistungshalbleitermodul 1 gemäß einer ersten Ausführungsform beschrieben. Das Leistungshalbleitermodul 1 beinhaltet im Wesentlichen ein Schaltungssubstrat 10, ein Leistungshalbleiterbauelement 19, und mindestens einen Bondingbereich (erster Bondingbereich 5).
  • Das Schaltungssubstrat 10 beinhaltet ein Schaltungsmuster 12. Das Schaltungssubstrat 10 kann ferner ein Isoliersubstrat 11 enthalten. Das Schaltungssubstrat 10 kann ferner eine Rückleiterschicht 13 enthalten.
  • Das Isoliersubstrat 11 beinhaltet eine erste Hauptoberfläche 11a gegenüber dem Leistungshalbleiterbauelement 19 und eine zweite Hauptoberfläche 11b auf einer der ersten Hauptoberfläche 11a gegenüberliegenden Seite. Das Isoliersubstrat 11 besteht zum Beispiel aus einem anorganischen keramischen Material wie Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AIN), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumdioxid (SiO2) oder Bornitrid (BN). Das Isoliersubstrat 11 kann ein isolierendes Harzsubstrat sein, z.B. ein Glas-Epoxid-Substrat.
  • Das Schaltungsmuster 12 ist auf der ersten Hauptoberfläche 11a des Isoliersubstrats 11 vorgesehen. Das Schaltungsmuster 12 wird beispielsweise aus einem leitfähigen Metallmaterial wie Al, AlSi, AlCu oder AlSiCu gebildet. Das Schaltungsmuster 12 kann beispielsweise eine Dicke von mehr als 0,1 mm oder gleich 0,1 mm und weniger als 1,0 mm oder gleich 1,0 mm haben. Die Rückleiterschicht 13 ist auf der zweiten Hauptoberfläche 11b des Isoliersubstrats 11 vorgesehen. Die Rückleiterschicht 13 ist insbesondere nicht begrenzt, sondern wird aus einem Metalllaminat gebildet, in dem Al-Folie und Cu-Folie aufeinander laminiert sind. Die Al-Folie der Rückleiterschicht 13 ist zwischen der Cu-Folie der Rückleiterschicht 13 und dem Isoliersubstrat 11 vorgesehen. Die Rückleiterschicht 13 kann eine einzelne Schicht sein. Zum Beispiel kann die Rückleiterschicht 13 eine Dicke von mehr als 0,1 mm oder gleich 0,1 mm und weniger als 0,6 mm oder gleich 0,6 mm haben.
  • Das Leistungshalbleiterelement 19 ist insbesondere nicht begrenzt, sondern ist ein vertikaler Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). Das Leistungshalbleiterbauelement 19 kann ein lateraler MOSFET, ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder dergleichen sein. Das Leistungshalbleiterbauelement 19 beinhaltet ein Halbleitersubstrat 20. Das Halbleitersubstrat 20 hat eine erste Oberfläche, die dem Schaltungsmuster 12 gegenüberliegt, und eine zweite Oberfläche, die sich auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Oberfläche befindet. Bei der ersten Fläche kann es sich um eine Rückseite des Halbleitersubstrats 20 handeln, bei der zweiten Fläche um eine Vorderseite des Halbleitersubstrats 20. Das Halbleitersubstrat 20 besteht zum Beispiel aus Silizium (Si) oder einem Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder Diamant.
  • Die Leistungshalbleitervorrichtung 19 beinhaltet ferner eine erste Elektrode, die dem Schaltungsmuster 12 gegenüberliegt. Die erste Elektrode kann eine Drain-Elektrode 23 sein. Die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) ist auf der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats 20 vorgesehen. Das Leistungshalbleiterbauelement 19 beinhaltet ferner eine zweite Elektrode, die an einer vom Schaltungssubstrat 10 entfernten Seite vorgesehen ist. Die zweite Elektrode kann eine Gate-Elektrode 21 und eine Source-Elektrode 22 beinhalten. Die zweite Elektrode (Gate-Elektrode 21 und Source-Elektrode 22) ist auf der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats 20 angeordnet. Die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) und die zweite Elektrode (Gate-Elektrode 21 und Source-Elektrode 22) bestehen aus einem leitfähigen Metallmaterial wie AlSi, AlCu, AlSiCu oder Cu. Zum Beispiel können die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) und die zweite Elektrode (Gate-Elektrode 21 und Source-Elektrode 22) eine Dicke von mehr als 2 µm oder gleich 2 µm und weniger als 10 µm oder gleich 10 µm haben.
  • Eine Barrieremetallschicht (nicht abgebildet), wie z.B. eine Ti-Schicht, kann auf der Oberfläche der zweiten Elektrode (Gate-Elektrode 21 und Source-Elektrode 22) gegenüber dem Halbleitersubstrat 20 angebracht werden. Zwischen dem Halbleitersubstrat 20 und der ersten Elektrode (Drain-Elektrode 23) kann eine Silizidschicht, z.B. eine NiSi-Schicht, vorgesehen sein.
  • Die Leistungshalbleitervorrichtung 19 kann ferner eine Isolierschicht 24 enthalten. Die Isolierschicht 24 ist auf der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats 20 vorgesehen. Die Isolierschicht 24 ist an einer Außenkante der zweiten Elektrode (Gate-Elektrode 21 und Source-Elektrode 22) und zwischen der Gate-Elektrode 21 und der Source-Elektrode 22 ausgebildet. Die Isolierschicht 24 verbessert die elektrische Isolierung zwischen der Gate-Elektrode 21 und der Source-Elektrode 22. Die Isolierschicht 24 wird beispielsweise aus einem isolierenden Harz wie Polyimid gebildet.
  • Das Leistungshalbleiterelement 19 ist auf dem Schaltungsmuster 12 angebracht. Das Leistungshalbleiterbauelement 19 ist durch eine erste Bondingschicht 15 mit dem Schaltungsmuster 12 verbunden. Insbesondere ist die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) des Leistungshalbleiterbauelements 19 durch die erste Bondingschicht 15 mit dem Schaltungsmuster 12 verbunden.
  • Der mindestens eine Bondingbereich beinhaltet einen ersten Metallbereich distal zum Halbleitersubstrat 20, einen zweiten Metallbereich proximal zum Halbleitersubstrat 20 und eine Bondingschicht, die den ersten Metallbereich und den zweiten Metallbereich miteinander verbindet. Im Einzelnen beinhaltet der mindestens eine Bondingbereich den ersten Bondingbereich 5. Der erste Metallbereich ist das Schaltungsmuster 12, der zweite Metallbereich ist die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23), und die Bondingschicht ist die erste Bondingschicht 15. Das heißt, der erste Bondingbereich 5 beinhaltet ein Schaltungsmuster 12 distal zum Halbleitersubstrat 20, die erste Elektrode (Drainelektrode 23) proximal zum Halbleitersubstrat 20 und die erste Bondingschicht 15, die das Schaltungsmuster 12 und die erste Elektrode (Drainelektrode 23) miteinander verbindet.
  • Bei gleicher Temperatur ist die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs (Schaltungsmuster 12) kleiner als die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)). Tabelle 1 veranschaulicht die bei Raumtemperatur gemessene 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des Metallmaterials. In Tabelle 1 ist AlSi (Si 1 Gew.-%) eine AlSi-Legierung mit 1 Gew.-% Si. AlCu (Cu 0,5 Gew.-%) ist eine AlCu-Legierung mit 0,5 Gew.-% Cu. AlSiCu (Si 1 Gew.-%, Cu 0,5 Gew.-%) ist eine AlSiCu-Legierung mit 1 Gew.-% Si und 0,5 Gew.-% Cu. Im Allgemeinen ist die 0,2 %-ige Streckgrenze eines Werkstoffs ein Indikator für die Zugbruchfestigkeit des Werkstoffs. Ein Größenverhältnis zwischen der 0,2%-igen Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs und der 0,2%-igen Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs ändert sich nicht in einem Betriebstemperaturbereich (z.B. größer -55°C oder gleich -55°C und kleiner als 300°C) des Leistungshalbleitermoduls 1. In der Beschreibung bedeutet der Betriebstemperaturbereich des Leistungshalbleitermoduls 1 einen Temperaturbereich des Leistungshalbleitermoduls 1 während des Betriebs oder des Stillstands des Leistungshalbleiterbauelements 19. Tabelle 1
    Metall-Material Al AlSi AlCu AlSiCu Cu
    (Si 1 wt%) (Cu 0,5 wt%) (Si 1 wt%, Cu 0,5 wt%)
    0,2% Offset Streck Grenze (MPa) 30 45 50 90 200
  • Tabelle 1 zeigt Beispiele für eine Kombination von Metallmaterialien für den ersten Metallbereich (Schaltungsmuster 12) und den zweiten Metallbereich (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) wie folgt. Wenn der erste Metallbereich (Schaltungsmuster 12) aus Al besteht, kann der zweite Metallbereich (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) aus AlSi, AlCu, AlSiCu oder Cu hergestellt werden. Wenn der erste Metallbereich (Schaltungsmuster 12) aus AlSi besteht, kann der zweite Metallbereich (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) aus AlCu, AlSiCu oder Cu hergestellt werden. Wenn der erste Metallbereich (Schaltungsmuster 12) aus AlCu besteht, kann der zweite Metallbereich (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) aus AlSiCu oder Cu hergestellt werden. Wenn der erste Metallbereich (Schaltungsmuster 12) aus AlSiCu besteht, kann der zweite Metallbereich (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) aus Cu hergestellt werden. In einem Beispiel der ersten Ausführungsform ist der erste Metallbereich (Schaltungsmuster 12) aus Al gebildet und hat die 0, 2% Offset-Streckgrenze von 30 MPa bei Raumtemperatur, und der zweite Metallbereich (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) ist aus AlSi (Si 1 Gew.-%) gebildet und hat die 0, 2% Offset-Streckgrenze von 45 MPa bei Raumtemperatur.
  • Bei der gleichen Temperatur ist die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs (Schaltungsmuster 12) kleiner als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (erste Bondingschicht 15). Insbesondere kann bei gleicher Temperatur die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) größer sein als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (erste Bondingschicht 15). Die Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) ist insbesondere nicht begrenzt, sondern kann aus einem Metall-Nanopartikel-Sinterkörper gebildet sein. Beispielsweise haben die Metall-Nanopartikel einen Durchmesser von 10 nm oder weniger. Die aus dem Metallnanopartikel-Sinterkörper gebildete Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) enthält keinen Hohlraum von mehr als 0,1 µm oder gleich 0,1 µm. Der Metallnanopartikel-Sinterkörper wird beispielsweise durch Sintern von Metallnanopartikeln wie Silbernanopartikeln oder Kupfemanopartikeln bei einer niedrigen Temperatur von höchstens 300 °C in einer Luft- oder Stickstoffatmosphäre erhalten.
  • In einem Beispiel der ersten Ausführungsform ist der erste Metallbereich (Schaltungsmuster 12) aus Al gebildet und hat die 0,2% Offset-Streckgrenze von 30 MPa bei Raumtemperatur, und die Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) ist aus einem Silber-Nanopartikel-Sinterkörper gebildet und hat eine Scherfestigkeit mehr als 30 MPa und weniger als 40 MPa oder gleich 40 MPa bei Raumtemperatur. Beispielsweise wird der Sinterkörper aus Silbernanopartikeln mit einer Scherfestigkeit von mehr als 30 MPa und weniger als 40 MPa oder gleich 40 MPa durch Sintern von Silbernanopartikeln bei einer Temperatur von mehr als 250°C oder gleich 250°C und weniger als 300°C oder gleich 300°C erhalten. Das Größenverhältnis zwischen der 0,2%-igen Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs und der Scherfestigkeit der Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) ändert sich im Betriebstemperaturbereich (z.B. größer -55°C oder gleich -55°C und kleiner als 300°C) des Leistungshalbleitermoduls 1 nicht.
  • Wenn sich die Sintertemperatur der Metallnanopartikel ändert, ändert sich auch die Dichte (Porosität) des Sinterkörpers aus Metallnanopartikeln. Aus diesem Grund kann die Scherfestigkeit des Sinterkörpers aus Metallnanopartikeln durch Einstellen der Sintertemperatur der Metallnanopartikel angepasst werden. Wenn sich die Last, die während des Sinterns der Metallnanopartikel auf die Silbernanopartikel einwirkt, ändert sich auch die Dichte (Porosität) des Sinterkörpers aus Metallnanopartikeln. Aus diesem Grund kann die Scherfestigkeit des Sinterkörpers aus Metallnanopartikeln durch Einstellen der Last angepasst werden.
  • Zum Beispiel kann die Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) eine Dicke größer 20 µm oder gleich 20 µm oder eine Dicke größer 35 µm oder gleich 35 µm haben. Aus diesem Grund wird die mechanische Festigkeit der Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) verbessert, und die Entstehung eines Risses in der Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) kann verhindert werden. Selbst wenn thermische Zyklen auf das Leistungshalbleitermodul 1 einwirken, kann der Riss selektiv im ersten Metallbereich (Schaltungsmuster 12) distal zum Halbleitersubstrat 20 erzeugt werden. Beispielsweise kann die Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) eine Dicke von weniger als 100 µm oder gleich 100 µm oder eine Dicke von weniger als 50 oder gleich 50 µm haben. Eine Erhöhung der Kosten des Leistungshalbleitermoduls 1 kann vermieden werden, da keine Notwendigkeit besteht, eine spezielle Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) zu bilden.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 kann ferner Anschlussklemmen 25, 26, 27 haben. Zum Beispiel sind die Anschlussklemmen 25, 26, 27 aus einem metallischen Material wie Cu oder Al gebildet. Die Anschlussklemmen 25, 26, 27 sind mit dem Schaltungsmuster 12 verklebt. Insbesondere werden die Anschlussklemmen 25, 26, 27 mit Ultraschall auf das Schaltungsmuster 12 geklebt/gebondet. Die Anschlussklemme 26 ist über das Schaltungsmuster 12 elektrisch mit der ersten Elektrode (Drain-Elektrode 23) des Leistungshalbleiterbauelements 19 verbunden. Die Anschlussklemme 26 kann eine Drain-Klemme sein.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 kann ferner leitende Drähte 28, 29 aufweisen. leitende Drähte 28, 29 sind aus einem Metallmaterial wie Al oder Cu hergestellt. Die leitenden Drähte 28, 29 können aus demselben Metallmaterial gebildet sein. Beispielsweise können die leitenden Drähte 28, 29 aus Al bestehen. Die leitenden Drähte 28, 29 können aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Der leitende Draht 28 kann aus Cu und der leitende Draht 29 aus Al gebildet sein.
  • Die Anschlussklemme 25 ist über den leitenden Draht 28 elektrisch mit der zweiten Elektrode (Gate-Elektrode 21) des Leistungshalbleiterbauelements 19 verbunden. Die Anschlussklemme 25 kann ein Gateanschluss sein. Die Anschlussklemme 27 ist über den leitenden Draht 29 elektrisch mit der zweiten Elektrode (Source-Elektrode 22) des Leistungshalbleiterbauelements 19 verbunden. Die Anschlussklemme 27 kann ein Sourceanschluss sein. Im Leistungshalbleiterbauelement 19 ist der Strom, der durch die Source-Elektrode 22 fließt, größer als der Strom, der durch die Gate-Elektrode 21 fließt. Aus diesem Grund kann der leitende Draht 29 einen größeren Durchmesser haben als der leitende Draht 28. Die Anzahl der leitenden Drähte 29 kann größer sein als die Anzahl der leitenden Drähte 28.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 kann ferner ein Gehäuse 30 beinhalten. Das Gehäuse 30 kann das Leistungshalbleiterbauelement 19 und das Schaltungssubstrat 10 aufnehmen. Das Gehäuse 30 kann ein Wärmeableitungselement 31 und eine Umrahmung 37 beinhalten. Das Schaltungssubstrat 10 ist mit dem Wärmeableitungselement 31 verbunden. Das Wärmeableitungselement 31 strahlt die vom Leistungshalbleiterbauelement 19 erzeugte Wärme an die Außenseite des Leistungshalbleitermoduls 1 ab. Das Wärmeableitungselement 31 kann beispielsweise aus einem Metallmaterial wie Aluminium gebildet sein.
  • Im Einzelnen beinhaltet das Wärmeableitungselement 31 eine dritte Hauptoberfläche 31a, die dem Schaltungssubstrat 10 zugewandt ist, und eine vierte Hauptoberfläche 31b, die der dritten Hauptoberfläche 31a gegenüberliegt. Auf der dritten Hauptoberfläche 31a des Wärmeableitungselements 31 ist eine Metallüberzugsschicht 32 vorgesehen, bei der es sich um eine Ni-P-Plattierungsschicht handeln kann. Die Rückleiterschicht 13 des Schaltungssubstrats 10 und die Metallüberzugsschicht 32 sind durch eine Lotschicht 35 miteinander verbunden. Die Lotschicht 35 kann beispielsweise aus bleifreiem Lot auf SnAgCu-Basis bestehen. Das Wärmeableitungselement 31 kann eine Vielzahl von Rippen 31f aufweisen. Die Vielzahl der Rippen 31f ragen aus der vierten Hauptfläche 3 1b heraus. Die Vielzahl der Rippen 31f erhöht die Wärmeabstrahlungsfähigkeit des Wärmeableitungselements 31.
  • Die Umrahmung 37 wird mit einem Befestigungselement wie einer Schraube oder einem Klebstoff am Wärmeableitungselement 31 befestigt. Die Umrahmung 37 kann aus einem isolierenden Harz wie einem Polyphenylensulfid (PPS)-Harz, einem Epoxidharz, einem Polyimidharz oder einem Acrylharz gebildet werden.
  • Ein Dichtungselement 38 ist in mindestens einem Bereich des Innenraums des Gehäuses 30 vorgesehen. Das Dichtungselement 38 dichtet das Leistungshalbleiterbauelement 19 ab. Das Dichtungselement 38 kann ferner die Enden der mit dem Schaltungsmuster 12 verbundenen Anschlussklemmen 25, 26, 27 abdichten. Das Dichtungselement 38 kann das Schaltungssubstrat 10 weiter abdichten. Das Dichtungselement 38 kann beispielsweise aus einem isolierenden Harz wie einem Silikonharz, einem Epoxidharz, einem Urethanharz, einem Polyimidharz, einem Polyamidharz oder einem Acrylharz gebildet sein.
  • Das Dichtungselement 38 kann einen Füllstoff wie z.B. feine Partikel enthalten. Der Füllstoff kann in einem isolierenden Harz dispergiert sein. Der Füllstoff kann zum Beispiel aus einem anorganischen keramischen Material wie Siliziumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AIN), Bornitrid (BN), Siliziumnitrid (Si3N4), Diamant (C), Siliziumkarbid (SiC) oder Boroxid (B2O3) bestehen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Dichtungselements 38 kann durch Zugabe des Füllstoffs in das Isolierharz eingestellt werden. Der Füllstoff kann eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als das isolierende Harzmaterial, das ein Hauptbestandteil des Dichtungselements 38 ist, und kann die Wärmeleitfähigkeit des Dichtungselements 38 verbessern.
  • Unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 wird nun ein Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • Wie in 3 dargestellt, beinhaltet das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 der ersten Ausführungsform das Verbinden des Leistungshalbleiterbauelements 19 mit dem Schaltungsmuster 12 unter Verwendung der ersten Bondingschicht 15. Insbesondere wird eine Metallnanopartikelpaste, wie z.B. eine Silbernanopartikelpaste, auf das Schaltungsmuster 12 aufgebracht. Die Metallnanopartikelpaste hat beispielsweise eine Dicke von mehr als 20 µm oder gleich 20 µm und weniger als 100 µm oder gleich 100 µm. Zum Beispiel wird die Metallnanopartikelpaste bei einer ersten Temperatur von mehr als 100°C oder gleich 100°C und weniger als 200°C oder gleich 200°C kalziniert, um einen kalzinierten Metallnanopartikelkörper zu erhalten.
  • Die Leistungshalbleitervorrichtung 19 wird auf dem kalzinierten Metallnanopartikelkörper platziert. Die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) des Leistungshalbleiterbauelements 19 ist in Kontakt mit dem kalzinierten Metall-Nanopartikel-Körper. An das Leistungshalbleiterbauelement 19 wird eine Last angelegt, um das Leistungshalbleiterbauelement 19 in Bezug auf den kalzinierten Metallnanopartikelkörper zu positionieren. Zum Beispiel ist die Last größer 1 MPa oder gleich 1 MPa und kleiner 10 MPa oder gleich 10 MPa. Die Anwendung der Last auf das Leistungshalbleiterbauelement 19 wird gestoppt. Zum Beispiel wird der kalzinierte Metallnanopartikelkörper bei einer zweiten Temperatur gesintert, die höher ist als die erste Temperatur, um eine erste Bondingschicht 15 zu erhalten, die aus dem Metallnanopartikel-Sinterkörper gebildet wird. Die zweite Temperatur kann beispielsweise weniger als 300 °C oder gleich 300 °C oder weniger als 250 °C oder gleich 250 °C betragen. Die Sinterzeit bei der zweiten Temperatur beträgt beispielsweise mehr als 5 Minuten oder gleich 5 Minuten und weniger als 60 Minuten oder gleich 60 Minuten. Auf diese Weise wird die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) des Leistungshalbleiterbauelements 19 mit Hilfe der ersten Bondingschicht 15 auf das Schaltungsmuster 12 geklebt.
  • Wie in 4 dargestellt, beinhaltet das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 der ersten Ausführungsform das Verbinden der Anschlussklemmen 25, 26, 27 mit dem Schaltungsmuster 12. Insbesondere werden die Anschlussklemmen 25, 26, 27 mit Ultraschall auf das Schaltungsmuster 12 geklebt/gebondet. Wie in 5 dargestellt, beinhaltet das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 der ersten Ausführungsform das Bonden der leitenden Drähte 28, 29 an die zweiten Elektrode (Gate-Elektrode 21 und die Source-Elektrode 22) des Leistungshalbleiterbauelements 19 und die Anschlussklemmen 25, 27. Die leitenden Drähte 28, 29 können mit einem Wedge Wire Bonder gebondet werden.
  • Wie in 6 und 7 dargestellt, beinhaltet das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 der ersten Ausführungsform die Unterbringung des Leistungshalbleiterbauelements 19 und des Schaltungssubstrats 10 im Gehäuse 30. Insbesondere ist, wie in 6 dargestellt, das Schaltungssubstrat 10 mit dem Wärmeableitungselement 31 verbunden. Insbesondere werden die Rückleiterschicht 13 des Schaltungssubstrats 10 und die Metallüberzugsschicht 32, die auf der dritten Hauptoberfläche 31a des Wärmeableitungselements 31 vorgesehen ist, durch die Lotschicht 35 miteinander verbunden. Dann wird, wie in 7 dargestellt, die Umrahmung 37 am Wärmeableitungselement 31 befestigt. Insbesondere wird die Umrahmung 37 mit Hilfe eines Klebstoffs und von Schrauben am Wärmeableitungselement 31 befestigt.
  • Anschließend beinhaltet das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 der ersten Ausführungsform das Abdichten des Leistungshalbleiterbauelements 19 mit dem Dichtungselement 38. Insbesondere wird das Dichtungsmaterial in mindestens einen Bereich des Innenraums des Gehäuses 30 eingebracht. Das Dichtungsmaterial wird einer Entschäumungsbehandlung unterzogen. Zum Aushärten wird das Dichtungsmaterial erhitzt. Auf diese Weise wird ein Dichtungselement 38 erhalten, das das Leistungshalbleiterbauelement 19 abdichtet. Das Dichtungselement 38 kann ferner die Enden der mit dem Schaltungsmuster 12 verbundenen Anschlussklemmungen 25, 26, 27 abdichten. Das Dichtungselement 38 kann das Schaltungssubstrat 10 weiter abdichten. Auf diese Weise wird das Leistungshalbleitermodul 1 in den 1 und 2 erhalten.
  • Nachfolgend wird eine Wirkung des Leistungshalbleitermoduls 1 der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 der ersten Ausführungsform beinhaltet das Schaltungssubstrat 10, das Leistungshalbleiterbauelement 19 mit dem Halbleitersubstrat 20 und den mindestens einen Bondingbereich (erster Bondingbereich 5). Der mindestens eine Bondingbereich (erster Bondingbereich 5) beinhaltet den ersten Metallbereich (Schaltungsmuster 12) distal zum Halbleitersubstrat 20, den zweiten Metallbereich (erste Elektrode (Drainelektrode 23)) proximal zum Halbleitersubstrat 20 und die Bondingschicht (erste Bondingschicht 15), die den ersten Metallbereich (Schaltungsmuster 12) und den zweiten Metallbereich (erste Elektrode (Drainelektrode 23)) miteinander verbindet. Bei gleicher Temperatur ist die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs (Schaltungsmuster 12) kleiner als die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) und ist kleiner als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (erste Bondingschicht 15).
  • Wenn das Leistungshalbleiterbauelement 19 arbeitet, steigt die Temperatur des Leistungshalbleitermoduls 1, und der erste Metallbereich (Schaltungsmuster 12) und der zweite Metallbereich (erste Elektrode (Drainelektrode 23)) dehnen sich thermisch aus. Wenn die Temperatur des Leistungshalbleitermoduls 1 ansteigt, kann davon ausgegangen werden, dass auf den ersten Metallbereich (Schaltungsmuster 12) und den zweiten Metallbereich (erste Elektrode (Drainelektrode 23)) eine Zugspannung ausgeübt wird. Wenn der erste Metallbereich (Schaltungsmuster 12) aus einem anderen Material als der zweite Metallbereich (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) besteht, unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Metallbereichs (Schaltungsmuster 12) vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Metallbereichs (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)). Auf die Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) wirken Scherspannungen, weil die Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) zwischen dem ersten Metallbereich (Schaltungsmuster 12) und dem zweiten Metallbereich (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) angeordnet ist.
  • Die 0,2 % Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs (Schaltungsmuster 12) ist kleiner als die 0,2 % Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) und ist kleiner als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (erste Bondingschicht 15). Aus diesem Grund entsteht auch bei der thermischen Beanspruchung des Leistungshalbleitermoduls 1 gezielt ein Riss im ersten Metallbereich (Schaltungsmuster 12) distal zum Halbleitersubstrat 20. Der Riss wird durch die Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) an der Entwicklung zum Leistungshalbleiterbauelement 19 hin gehindert. Auf diese Weise kann die Entstehung eines Risses im Leistungshalbleiterbauelement 19 verhindert werden. Die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1 kann dadurch verlängert werden.
  • Im Leistungshalbleitermodul 1 der ersten Ausführungsform kann die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) größer sein als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) bei gleicher Temperatur. Aus diesem Grund kann der zweite Metallbereich (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)), selbst dann, wenn ein Riss im ersten Metallbereich (Schaltungsmuster 12) distal zum Halbleitersubstrat 20 entsteht, verhindern, dass sich der Riss bis zum Leistungshalbleiterbauelement 19 entwickelt. Auf diese Weise kann die Entstehung des Risses im Leistungshalbleiterbauelement 19 verhindert werden. Die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1 kann verlängert werden.
  • Im Leistungshalbleitermodul 1 der ersten Ausführungsform beinhaltet das Schaltungssubstrat 10 das Schaltungsmuster 12. Das Leistungshalbleiterbauelement 19 beinhaltet ferner eine erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) gegenüber dem Schaltungsmuster 12. Der mindestens eine Bondingbereich beinhaltet den ersten Bondingbereich 5. Der erste Bondingbereich 5 beinhaltet das Schaltungsmuster 12 als ersten Metallbereich, die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) als zweiten Metallbereich und die erste Bondingschicht 15 als Bondingschicht. Aus diesem Grund wird der Riss, auch wenn thermische Zyklen auf das Leistungshalbleitermodul 1 einwirken, selektiv im Schaltungsmuster 12 distal zum Halbleitersubstrat 20 erzeugt. Der Riss wird durch die erste Bondingschicht 15 und die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) daran gehindert, sich zum Halbleitersubstrat 20 des Leistungshalbleiterbauelements 19 zu entwickeln. Auf diese Weise kann die Entstehung eines Risses im Leistungshalbleiterbauelement 19 verhindert werden. Die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1 kann dadurch verlängert werden.
  • Im Leistungshalbleitermodul 1 der ersten Ausführungsform wird die Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) aus einem Metallnanopartikel-Sinterkörper gebildet. Die Scherfestigkeit des Metallnanopartikel-Sinterkörpers kann durch Einstellen der Sintertemperatur und dergleichen der Metallnanopartikel eingestellt werden. Die aus dem Metallnanopartikel-Sinterkörper gebildete Bondingschicht (erste Bondingschicht 15) kann Optionen von Materialien des ersten Metallbereichs (Schaltungsmuster 12) und des zweiten Metallbereichs (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23)) erweitern. Dadurch kann ein Leistungshalbleitermodul 1 mit hoher Leistung und niedrigen Kosten erhalten werden.
  • Ausführungsform 2
  • Unter Bezugnahme auf 8 wird nun ein Leistungshalbleitermodul 1b gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Das Leistungshalbleitermodul 1b der zweiten Ausführungsform hat den gleichen Aufbau wie das Leistungshalbleitermodul 1 der ersten Ausführungsform, unterscheidet sich aber im Wesentlichen in den folgenden Punkten.
  • Im Leistungshalbleitermodul 1b ist die Rückleiterschicht 13 eine einzelne Schicht. In einem Beispiel der zweiten Ausführungsform kann die Rückleiterschicht 13 z.B. aus Cu gebildet sein. Die Rückleiterschicht 13 kann wie bei der ersten Ausführungsform ein Laminat sein.
  • Im Leistungshalbleitermodul 1b wird das Schaltungssubstrat 10 mit dem Wärmeableitungselement 31 unter Verwendung einer zweiten Bondingschicht 35b anstelle der Metallüberzugsschicht 32 und der Lotschicht 35 verbunden (siehe 2). Die zweite Bondingschicht 35b kann beispielsweise eine Dicke von 20 µm oder mehr und 100 µm oder weniger aufweisen. Die zweite Bondingschicht 35b ist insbesondere nicht beschränkt, sondern kann aus einem Sinterkörper aus Metallnanopartikeln gebildet werden. Beispielsweise haben die Metallnanopartikel einen Durchmesser von höchstens 10 nm. Die aus dem Metallnanopartikel-Sinterkörper gebildete Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b) enthält keinen Hohlraum von mehr als 0,1 µm oder gleich 0,1 µm . Der Sinterkörper aus Metallnanopartikeln wird beispielsweise durch Sintern von Metallnanopartikeln wie Silbernanopartikeln oder Kupfemanopartikeln bei einer niedrigen Temperatur von höchstens 300 °C in einer Luft- oder Stickstoffatmosphäre erhalten.
  • Der mindestens eine Bondingbereich beinhaltet einen zweiten Bondingbereich 6. Der zweite Bondingbereich 6 beinhaltet das Wärmeableitungselement 31 als ersten Metallbereich, die Rückleiterschicht 13 als zweiten Metallbereich und die zweite Bondingschicht 35b als Bondingschicht. Bei gleicher Temperatur ist die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs (Wärmeableitungselement 31) kleiner als die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (Rückleiterschicht 13) und ist kleiner als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b). Insbesondere kann bei gleicher Temperatur die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (Rückenleiter Schicht 13) größer sein als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b). In einem Beispiel der zweiten Ausführungsform ist das Wärmeableitungselement 31 aus Al, die Rückleiterschicht 13 aus Cu und die zweite Bondingschicht 35b aus einem Silbernanopartikel-Sinterkörper gebildet. Die Scherfestigkeit der zweiten Bondingschicht 35b (Silbernanopartikel-Sinterkörper) bei Raumtemperatur beträgt beispielsweise mehr als 30 MPa und weniger als 40 MPa oder gleich 40 MPa.
  • Die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs (Wärmeabführungselement 31) im zweiten Bondingbereich 6 kann niedriger sein als die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs (Schaltungsmuster 12) im ersten Bondingbereich 5. Aus diesem Grund wird ein Riss bei Auftreten thermischer Zyklen auf das Leistungshalbleitermodul 1b früher im ersten Metallbereich (Wärmeableitungselement 31) des zweiten Bondingbereichs 6 erzeugt, der weiter vom Leistungshalbleiterbauelement 19 entfernt ist als der erste Metallbereich (Schaltungsmuster 12) des ersten Bondingbereichs 5. Die Zeit, bis der Riss das Leistungshalbleiterbauelement 19 erreicht, kann verlängert werden. Die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1b kann so verlängert werden.
  • Beispielsweise kann die Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b) eine Dicke von größer 20 µm oder gleich 20 µm oder eine Dicke von größer 35 µm oder gleich 35 µm aufweisen. Aus diesem Grund wird die mechanische Festigkeit der Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b) verbessert, und die Entstehung eines Risses in der Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b) kann verhindert werden. Selbst wenn thermische Zyklen auf das Leistungshalbleitermodul 1b einwirken, kann der Riss selektiv im ersten Metallbereich (Wärmeableitungselement 31) distal zum Leistungshalbleiterbauelement 19 (Halbleitersubstrat 20) erzeugt werden. Zum Beispiel kann die Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b) eine Dicke von weniger als 100 µm oder gleich 100 µm oder eine Dicke von weniger als 50 oder gleich 50 µm haben. Eine Erhöhung der Kosten des Leistungshalbleitermoduls 1b kann unterdrückt werden, da es nicht notwendig ist, eine spezielle Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b) zu bilden.
  • Das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1b der zweiten Ausführungsform beinhaltet das gleiche Verfahren wie das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 der ersten Ausführungsform, unterscheidet sich jedoch im Prozess des Verbindens des Schaltungssubstrats 10 mit dem Wärmeableitungselement 31. Bei dem Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1b der zweiten Ausführungsform beinhaltet das Verkleben/Bonden des Schaltungssubstrats 10 mit dem Wärmeableitungselement 31 das Verkleben/Bonden der Rückleiterschicht 13 des Schaltungssubstrats 10 und des Wärmeableitungselements 31 (dritte Hauptoberfläche 31a) miteinander durch die zweite Klebeschicht 35b.
  • Insbesondere wird eine Metallnanopartikelpaste wie eine Silbernanopartikelpaste auf die dritte Hauptoberfläche 31a des Wärmeableitungselements 31 aufgebracht. Die Metallnanopartikelpaste hat beispielsweise eine Dicke von mehr als 20 µm oder gleich 20 µm und weniger als 100 µm oder gleich 100 µm. Beispielsweise wird die Metallnanopartikelpaste bei einer ersten Temperatur von größer 100 °C oder gleich 100 °C und kleiner 200 °C oder gleich 200 °C kalziniert, um einen kalzinierten Metallnanopartikelkörper zu erhalten.
  • Die Rückleiterschicht 13 des Schaltungssubstrats 10 wird auf den kalzinierten Körper aus Metallnanopartikeln gelegt. Die Rückleiterschicht 13 des Schaltungssubstrats 10 ist in Kontakt mit dem Metall-Nanopartikel-Kalzinatkörper. Die Last wird auf das Schaltungssubstrat 10 aufgebracht, um das Schaltungssubstrat 10 in Bezug auf den kalzinierten Metall-Nanopartikel-Körper zu positionieren. Die Last ist beispielsweise größer als 1 MPa oder gleich 1 MPa und kleiner als 10 MPa oder gleich 10 MPa. Die Anwendung der Last auf das Schaltungssubstrat 10 wird gestoppt. Zum Beispiel wird der kalzinierte Metallnanopartikelkörper bei einer zweiten Temperatur gesintert, die höher ist als die erste Temperatur, um eine zweite Bondingschicht 35b zu erhalten, die aus dem gesinterten Metallnanopartikelkörper gebildet wird. Die zweite Temperatur kann beispielsweise weniger als 300°C oder gleich 300°C oder weniger als 250°C oder gleich 250°C betragen. Die Sinterzeit bei der zweiten Temperatur beträgt beispielsweise mehr als 5 Minuten oder gleich 5 Minuten und weniger als 60 Minuten oder gleich 60 Minuten. Auf diese Weise wird die Rückleiterschicht 13 des Schaltungssubstrats 10 mit der dritten Hauptoberfläche 31a des Wärmeableitungselements 31 mittels der zweiten Bondingschicht 35b verbunden.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1b der zweiten Ausführungsform hat zusätzlich zu den Wirkungen des Leistungshalbleitermoduls 1 der ersten Ausführungsform die nachfolgend beschriebenen Wirkungen.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1b der zweiten Ausführungsform beinhaltet ferner das Wärmeableitungselement 31. Das Schaltungssubstrat 10 beinhaltet das Isoliersubstrat 11, das Schaltungsmuster 12 und die Rückleiterschicht 13. Das Isoliersubstrat 11 beinhaltet eine erste Hauptoberfläche 11a gegenüber dem Leistungshalbleiterbauelement 19 und eine zweite Hauptoberfläche 11b auf einer der ersten Hauptoberfläche 11a gegenüberliegenden Seite. Auf der ersten Hauptoberfläche 11a des Isoliersubstrats 11 ist ein Schaltungsmuster 12 vorgesehen. Die Rückleiterschicht 13 befindet sich auf der zweiten Hauptoberfläche 11b des Isoliersubstrats 11. Der mindestens eine Bondingbereich beinhaltet einen zweiten Bondingbereich 6. Der zweite Bondingbereich 6 beinhaltet das Wärmeableitungselement 31 als ersten Metallbereich, die Rückleiterschicht 13 als zweiten Metallbereich und die zweite Bondingschicht 35b als Bondingschicht.
  • Wenn das Leistungshalbleiterbauelement 19 arbeitet, steigt die Temperatur des Leistungshalbleitermoduls 1b, und der erste Metallbereich (Wärmeableitungselement 31) und der zweite Metallbereich (Rückleiterschicht 13) dehnen sich thermisch aus. Wenn die Temperatur des Leistungshalbleitermoduls 1b ansteigt, kann davon ausgegangen werden, dass auf den ersten Metallbereich (Wärmeableitungselement 31) und den zweiten Metallbereich (Rückleiterschicht 13) eine Zugspannung ausgeübt wird. Wenn der erste Metallbereich (Wärmeableitungselement 31) aus einem anderen Material als der zweite Metallbereich (Rückleiter Schicht 13) besteht, unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Metallbereichs (Wärmeableitungselement 31) vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Metallbereichs (Rückleiter Schicht 13). Die Scherspannung wirkt auf die Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b), weil die Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b) zwischen dem ersten Metallbereich (Wärmeableitungselement 31) und dem zweiten Metallbereich (Rückleiter Schicht 13) angeordnet ist.
  • Die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs (Wärmeableitungselement 31) ist kleiner als die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (Rückleiterschicht 13) und ist kleiner als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b). Aus diesem Grund tritt der Riss auch bei Auftreten thermischer Zyklen auf das Leistungshalbleitermodul 1b selektiv im ersten Metallbereich (Wärmeableitungselement 31) distal zum Halbleitersubstrat 20 auf. Der Riss wird durch die Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b) und den zweite Metallbereich (Rückleiterschicht 13) daran gehindert, sich zum Leistungshalbleiterbauelement 19 zu entwickeln. Auf diese Weise kann die Entstehung des Risses im Leistungshalbleiterbauelement 19 verhindert werden. Die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1b kann also verlängert werden.
  • Im Leistungshalbleitermodul 1b der zweiten Ausführungsform kann die um 0,2% versetzte Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (Rückleiterschicht 13) größer sein als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (zweite Bondingschicht 35b) bei gleicher Temperatur. Aus diesem Grund kann der zweite Metallbereich (Rückleiter Schicht 13) selbst dann, wenn ein Riss im ersten Metallbereich (Wärmeableitungselement 31) distal zum Halbleitersubstrat 20 auftritt, verhindern, dass sich der Riss zum Leistungshalbleiterbauelement 19 entwickelt. Auf diese Weise kann die Entstehung des Risses im Leistungshalbleiterbauelement 19 verhindert werden. Die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1b kann verlängert werden.
  • Bei dem Leistungshalbleitermodul 1b der zweiten Ausführungsform beinhaltet das Leistungshalbleiterbauelement 19 weiterhin die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) gegenüber dem Schaltungsmuster 12. Der mindestens eine Bondingbereich beinhaltet ferner den ersten Bondingbereich 5. Der erste Bondingbereich 5 beinhaltet das Schaltungsmuster 12 als ersten Metallbereich, die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) als zweiten Metallbereich und die erste Bondingschicht 15 als die Bondingschicht.
  • Das heißt, das Leistungshalbleitermodul 1b beinhaltet eine Vielzahl von Bondingbereichen (erster Bondingbereich 5; zweiter Bondingbereich 6). Jeder der mehreren Bondingbereiche (erster Bondingbereich 5; zweiter Bondingbereich 6) beinhaltet den ersten Metallbereich (Schaltungsmuster 12; Wärmeableitungselement 31) distal zum Halbleitersubstrat 20, den zweiten Metallbereich (erste Elektrode (Drainelektrode 23); Rückleiterschicht 13) proximal zum Halbleitersubstrat 20, die Bondingschicht (erste Bondingschicht 15; zweite Bondingschicht 35b), die den ersten Metallbereich (Schaltungsmuster 12; Wärmeableitungselement 31) und den zweiten Metallbereich (erste Elektrode (Drainelektrode 23); Rückleiterschicht 13) miteinander verbindet. Bei gleicher Temperatur ist die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs (Schaltungsmuster 12; Wärmeableitungselement 31) kleiner als die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23); Rückleiterschicht 13) und kleiner als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (erste Bondingschicht 15; zweite Bondingschicht 35b).
  • Daher können die im Leistungshalbleitermodul 1b erzeugten thermischen Spannungen und thermischen Dehnungen von der Mehrzahl der Bondingbereiche (erster Bondingbereich 5 und zweiter Bondingbereich 6) getragen werden. Die thermische Spannung und die thermische Dehnung, die auf jeden der mehreren Bondingbereiche (erster Bondingbereich 5 und zweiter Bondingbereich 6) wirken, werden verringert. Es ist möglich, die Rissentwicklung im schwächsten Bereich der mehreren Bondingbereiche (erster Bondingbereich 5; zweiter Bondingbereich 6) zu verringern. Die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1b kann weiter verlängert werden.
  • Ausführungsform 3
  • Unter Bezugnahme auf die 9 und 10 wird nun ein Leistungshalbleitermodul 1c einer dritten Ausführungsform beschrieben. Das Leistungshalbleitermodul 1c der dritten Ausführungsform hat den gleichen Aufbau wie das Leistungshalbleitermodul 1 der ersten Ausführungsform, unterscheidet sich aber im Wesentlichen in den folgenden Punkten.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1c beinhaltet ferner ein leitfähiges Pad 41. Wie in 9 dargestellt, hat das leitfähige Pad 41 in der Draufsicht (Draufsicht auf die erste Hauptoberfläche 11a des Isoliersubstrats 11) auf die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22) eine größere Fläche als die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22). Aus diesem Grund kann der leitende Draht 29 auch dann leichter mit dem leitfähigen Pad 41 verbunden werden, wenn der Durchmesser des leitenden Drahtes 29 größer als der des leitenden Drahtes 28 ist oder wenn die Anzahl der leitenden Drähte 29 größer als die Anzahl der leitenden Drähte 28 ist.
  • Das leitfähige Pad 41 hat ein größeres Volumen als die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22). Das leitfähige Pad 41 hat eine größere Wärmekapazität als die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22). Aus diesem Grund kann die im Leistungshalbleiterbauelement 19 erzeugte Wärme vom leitfähigen Pad 41 abgestrahlt werden. Das leitfähige Pad 41 ist dicker als die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22). Zum Beispiel ist das leitfähige Pad 41 (mit Ausnahme einer Unterschicht 42) aus Cu gebildet. Zum Beispiel kann das leitfähige Pad 41 (ohne Unterschicht 42) eine Dicke von mehr als 0,1 mm oder gleich 0,1 mm und weniger als 2,0 mm oder gleich 2,0 mm haben.
  • Das leitfähige Pad 41 beinhaltet einen leitfähigen Pad-Bereich gegenüber dem Leistungshalbleiterbauelement 19. Der leitfähige Pad-Bereich kann die Unterschicht 42 sein. Zum Beispiel ist der leitfähige Pad Bereich ( Unterschicht 42) aus Al gebildet. leitfähige Pads 41 können aus einem einzigen Metallmaterial gebildet sein. Die Dicke des leitfähigen Pad-Bereichs (Unterschicht 42) ist kleiner als die Dicke des leitfähigen Pads 41 (ohne Unterschicht 42). Zum Beispiel kann der leitfähige Pad-Bereich (Unterschicht 42) eine Dicke von mehr als 2 µm oder gleich 2 µm und weniger als 200 µm oder gleich 200 µm haben.
  • Der mindestens eine Bondingbereich beinhaltet einen dritten Bondingbereich 7. Der dritte Bondingbereich 7 beinhaltet den leitfähigen Pad-Bereich (Unterschicht 42) als ersten Metallbereich, die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22) als zweiten Metallbereich und eine dritte Bondingschicht 43 als Bondingschicht. Beispielsweise kann die dritte Bondingschicht 43 eine Dicke von mehr als 20 µm oder gleich 20 µm und weniger als 100 µm oder gleich 100 µm haben. Die dritte Bondingschicht 43 ist insbesondere nicht begrenzt, sondern kann aus einem Metall-Nanopartikel-Sinterkörper gebildet werden. Beispielsweise haben die Metallnanopartikel einen Durchmesser von 10 nm oder weniger. Die aus dem Sinterkörper aus Metallnanopartikeln gebildete Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43) enthält keinen Hohlraum von mehr als 0,1 µm oder gleich 0,1 µm. Der Metallnanopartikel-Sinterkörper wird beispielsweise durch Sintern von Metallnanopartikeln wie Silbernanopartikeln oder Kupfernanopartikeln bei einer niedrigen Temperatur von höchstens 300 °C in einer Luft- oder Stickstoffatmosphäre erhalten.
  • Bei der identischen Temperatur ist die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs (leitfähiger Pad-Bereich (Unterschicht 42)) kleiner als die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (zweite Elektrode (Source-Elektrode 22)) und ist kleiner als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43). Insbesondere kann bei gleicher Temperatur die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (zweite Elektrode (Source-Elektrode 22)) größer sein als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43). In einem Beispiel der dritten Ausführungsform ist der leitfähige Pad-Bereich (Unterschicht 42) aus Al, die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22) aus AlSi (1 Gew.-% Si) und die dritte Bondingschicht 43 aus dem Silber-Nanopartikel-Sinterkörper gebildet. Die Scherfestigkeit der dritten Bondingschicht 43 (Silbernanopartikel-Sinterkörper) bei Raumtemperatur beträgt mehr als 30 MPa und weniger als 40 MPa oder gleich 40 MPa.
  • Die Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43) kann beispielsweise eine Dicke von mehr als 20 µm oder gleich 20 µm oder mehr als 35 µm oder gleich 35 µm haben. Aus diesem Grund wird die mechanische Festigkeit der Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43) verbessert, und das Auftreten von Rissen in der Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43) kann unterdrückt werden. Selbst wenn thermische Zyklen auf das Leistungshalbleitermodul 1c einwirken, kann der Riss selektiv im ersten Metallbereich (leitfähiger Pad-Bereich (Unterschicht 42)) distal zum Halbleitersubstrat 20 auftreten. Beispielsweise kann die Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43) eine Dicke von weniger als 100 µm oder gleich 100 µm oder eine Dicke von weniger als 50 oder gleich 50 µm haben. Der Kostenanstieg des Leistungshalbleitermoduls 1c kann unterdrückt werden, weil es nicht notwendig ist, eine spezielle Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43) zu bilden.
  • Das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1c der dritten Ausführungsform beinhaltet den gleichen Prozess wie das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 der ersten Ausführungsform, unterscheidet sich aber hauptsächlich in den folgenden Punkten von dem Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 der ersten Ausführungsform. Das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1c der dritten Ausführungsform beinhaltet ferner das Verkleben/Bonden des leitfähigen Pads 41 mit dem Leistungshalbleiterbauelement 19 mittels der dritten Klebeschicht 43. Nachdem das Leistungshalbleiterbauelement 19 mit Hilfe der ersten Bondingschicht 15 an das Schaltungsmuster 12 geklebt wurde, kann das leitfähige Pad 41 mit Hilfe der dritten Bondingschicht 43 an das Leistungshalbleiterbauelement 19 geklebt werden. Bevor die Anschlussklemmen 25, 26, 27 mit dem Schaltungsmuster 12 verklebt werden, kann das leitfähige Pad 41 mit dem Leistungshalbleiterbauelement 19 unter Verwendung der dritten Bondingschicht 43 verklebt werden.
  • Konkret wird die Metallnanopartikelpaste wie die Silbernanopartikelpaste auf die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22) des Leistungshalbleiterbauelements 19 aufgebracht. Die Metallnanopartikelpaste hat zum Beispiel eine Dicke von mehr als 20 µm oder gleich 20 µm und weniger als 100 µm oder gleich 100 µm. Beispielsweise wird die Metallnanopartikelpaste bei einer ersten Temperatur von mehr als 100 °C oder gleich 100 °C und weniger als 200 °C oder gleich 200 °C kalziniert, um einen kalzinierten Metallnanopartikelkörper zu erhalten.
  • Das leitfähige Pad 41 wird auf den kalzinierten Metallnanopartikelkörper gelegt. Der leitfähige Pad-Bereich (Unterschicht 42) ist in Kontakt mit dem Metall-Nanopartikel-Kalzinatkörper. Die Last wird auf das leitfähige Pad 41 aufgebracht, um das leitfähige Pad 41 in Bezug auf den kalzinierten Metallnanopartikelkörper zu positionieren. Zum Beispiel ist die Last größer 1 MPa oder gleich 1 MPa und kleiner 10 MPa oder gleich 10 MPa. Die Einwirkung der Last auf das leitfähige Pad 41 wird gestoppt. Beispielsweise wird der kalzinierte Metall-Nanopartikel-Körper bei einer zweiten Temperatur gesintert, die höher ist als die erste Temperatur, um die dritte Bondingschicht 43 zu erhalten, die aus dem gesinterten Metall-Nanopartikel-Körper gebildet wird. Die zweite Temperatur kann beispielsweise weniger als 300 °C oder gleich 300 °C oder weniger als 250 °C oder gleich 250 °C betragen. Die Sinterzeit bei der zweiten Temperatur beträgt beispielsweise mehr als 5 Minuten oder gleich 5 Minuten und weniger als 60 Minuten oder gleich 60 Minuten. Auf diese Weise wird der leitfähige Pad-Bereich (Unterschicht 42) des leitfähigen Pads 41 mit der zweiten Elektrode (Source-Elektrode 22) des Leistungshalbleiterbauelements 19 mittels der dritten Bondingschicht 43 verbunden.
  • Das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1c der dritten Ausführungsform beinhaltet das Bonden des leitenden Drahtes 29 nicht auf die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22) des Leistungshalbleiterbauelements 19, sondern auf das leitfähige Pad 41.
  • Nun wird die Wirkung des Leistungshalbleitermoduls 1c der dritten Ausführungsform beschrieben.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1c der dritten Ausführungsform beinhaltet ferner ein leitfähiges Pad 41 einschließlich des leitfähigen Pad-Bereichs (Unterschicht 42) gegenüber dem Leistungshalbleiterbauelement 19. Das Leistungshalbleiterbauelement 19 beinhaltet ferner die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22), die an der distalen Seite des Schaltungssubstrats 10 vorgesehen ist. In der Draufsicht auf die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22) hat das leitfähige Pad 41 eine größere Fläche als die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22). Der mindestens eine Bondingbereich beinhaltet einen dritten Bondingbereich 7. Der dritte Bondingbereich 7 beinhaltet den leitfähigen Pad-Bereich ( Unterschicht 42) als ersten Metallbereich, die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22) als zweiten Metallbereich und eine dritte Bondingschicht 43 als Bondingschicht.
  • Wenn das Leistungshalbleiterbauelement 19 in Betrieb ist, steigt die Temperatur des Leistungshalbleitermoduls 1c an, und der erste Metallbereich (leitfähiger Pad-Bereich (Unterschicht 42)) und der zweite Metallbereich (zweite Elektrode (Source-Elektrode 22)) dehnen sich thermisch aus. Wenn die Temperatur des Leistungshalbleitermoduls 1c ansteigt, kann davon ausgegangen werden, dass eine Zugspannung auf den ersten Metallbereich (leitfähiger Bereich (Unterschicht 42)) und den zweiten Metallbereich (zweite Elektrode (Source-Elektrode 22)) einwirkt. Wenn der erste Metallbereich (leitfähiger Bereich (Unterschicht 42)) aus einem anderen Material als der zweite Metallbereich (zweite Elektrode (Source-Elektrode 22)) besteht, unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Metallbereichs (leitfähiger Bereich ( Unterschicht 42)) vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Metallbereichs (zweite Elektrode (Source-Elektrode 22)). Die Scherspannung wirkt auf die Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43), weil die Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43) zwischen dem ersten Metallbereich (leitfähiger Pad Bereich (Unterschicht 42)) und dem zweiten Metallbereich (zweite Elektrode (Source-Elektrode 22)) angeordnet ist.
  • Die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs (Leitpad Bereich ( Unterschicht 42)) ist kleiner als die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (zweite Elektrode (Source-Elektrode 22)), und ist kleiner als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43). Aus diesem Grund wird ein Riss, selbst wenn thermische Zyklen auf das Leistungshalbleitermodul 1c einwirken, selektiv im ersten Metallbereich (leitfähiger Pad-Bereich (Unterschicht 42)) distal zum Halbleitersubstrat 20 erzeugt. Der Riss wird durch die Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43) daran gehindert, sich zum Leistungshalbleiterbauelement 19 zu entwickeln. Auf diese Weise kann die Entstehung des Risses im Leistungshalbleiterbauelement 19 verhindert werden. Die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1c kann verlängert werden.
  • Im Leistungshalbleitermodul 1c der dritten Ausführungsform kann die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (zweite Elektrode (Source-Elektrode 22)) größer sein als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (dritte Bondingschicht 43) bei gleicher Temperatur. Aus diesem Grund kann der zweite Metallbereich (zweite Elektrode (Source-Elektrode 22)), selbst dann, wenn der Riss im ersten Metallbereich (leitfähiger Pad-Bereich (Unterschicht 42)) distal zum Halbleitersubstrat 20 entsteht, ein Übergreifen des Risses auf das Leistungshalbleiterbauelement 19 verhindern. Auf diese Weise kann die Entstehung des Risses im Leistungshalbleiterbauelement 19 verhindert werden. Die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1c kann verlängert werden.
  • In der Draufsicht auf die zweite Elektrode (Source-Elektrode 22) hat das leitfähige Pad 41 eine größere Fläche als die der zweiten Elektrode (Source-Elektrode 22). Aus diesem Grund kann der leitende Draht 29 auch bei einer Vergrößerung seines Durchmessers problemlos mit dem leitfähigen Pad 41 verbunden werden. Der elektrische Widerstand in einem Verbindungsbereich zwischen der zweiten Elektrode (Source-Elektrode 22) und dem leitenden Draht 29 kann durch Vergrößerung des Durchmessers des leitenden Drahtes 29 verringert werden. Die im Verbindungsbereich erzeugte Wärme kann verringert werden. Die im Leistungshalbleitermodul 1c während des thermischen Zyklus erzeugte thermische Spannung und thermische Belastung können verringert werden. Die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1c kann verlängert werden.
  • Das Wärmeleitpad 41 strahlt die im Leistungshalbleiterbauelement 19 erzeugte Wärme an die Außenseite des Leistungshalbleiterbauelements 19 ab. Die Temperatur während des Betriebs des Leistungshalbleiterbauelements 19 kann so gesenkt werden. Wenn die Temperatur des Leistungshalbleiterbauelements 19 sinkt, wird die Kurzschlusstoleranz des Leistungshalbleiterbauelements 19 verbessert. Aus diesem Grund kann die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1c verlängert werden.
  • Im Leistungshalbleitermodul 1c der dritten Ausführungsform beinhaltet das Leistungshalbleiterbauelement 19 weiterhin die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) gegenüber dem Schaltungsmuster 12. Der mindestens eine Bondingbereich beinhaltet ferner den ersten Bondingbereich 5. Der erste Bondingbereich 5 beinhaltet das Schaltungsmuster 12 als ersten Metallbereich, die erste Elektrode (Drain-Elektrode 23) als zweiten Metallbereich und die erste Bondingschicht 15 als Bondingschicht.
  • Das heißt, das Leistungshalbleitermodul 1c beinhaltet eine Vielzahl von Bondingbereichen (erster Bondingbereich 5; dritter Bondingbereich 7). Jeder der mehreren Bondingbereiche (erster Bondingbereich 5; dritter Bondingbereich 7) beinhaltet den ersten Metallbereich (Schaltungsmuster 12) distal zum Halbleitersubstrat 20; den leitfähigen Pad-Bereich (Unterschicht 42)), den zweiten Metallbereich (erste Elektrode (Drainelektrode 23)); Rückleiterschicht 13) proximal zum Halbleitersubstrat 20; und die Bondingschicht (erste Bondingschicht 15; zweite Bondingschicht 35b), die den ersten Metallbereich (Schaltungsmuster 12; Wärmeableitungselement 31) und den zweiten Metallbereich (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23); zweite Elektrode (Source-Elektrode 22)) miteinander verbindet. Bei gleicher Temperatur ist die 0,2 %-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs (Schaltungsmuster 12; leitfähiger Pad-Bereich (Unterschicht 42)) kleiner als die 0,2 %-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs (erste Elektrode (Drain-Elektrode 23); zweite Elektrode (Source-Elektrode 22)) und kleiner als die Scherfestigkeit der Bondingschicht (erste Bondingschicht 15; dritte Bondingschicht 43).
  • Aus diesem Grund können die im Leistungshalbleitermodul 1c erzeugten thermischen Spannungen und thermischen Dehnungen von der Mehrzahl der Bondingbereiche (erster Bondingbereich 5 und dritter Bondingbereich 7) getragen werden. Die auf jeden der mehreren Bondingbereiche (erster Bondingbereich 5 und dritter Bondingbereich 7) einwirkenden thermischen Spannungen und thermischen Belastungen werden reduziert. Es ist möglich, die Rissbildung im schwächsten Bereich der mehreren Bondingbereiche (erster Bondingbereich 5; dritter Bondingbereich 7) zu verringern. Die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1c kann weiter verlängert werden.
  • Ausführungsform 4
  • Unter Bezugnahme auf 11 wird nun ein Leistungshalbleitermodul 1d gemäß einer vierten Ausführungsform beschrieben. Das Leistungshalbleitermodul 1d der vierten Ausführungsform hat den gleichen Aufbau wie das Leistungshalbleitermodul 1b der zweiten Ausführungsform, unterscheidet sich aber im Wesentlichen in den folgenden Punkten von dem Leistungshalbleitermodul 1b der zweiten Ausführungsform. Das Leistungshalbleitermodul 1d beinhaltet weiterhin das leitfähige Pad 41 ähnlich wie die dritte Ausführungsform. Im Leistungshalbleitermodul 1d ist das leitfähige Pad 41 mit der zweiten Elektrode (Source-Elektrode 22) des Leistungshalbleiterbauelements 19 unter Verwendung der dritten Bondingschicht 43 der dritten Ausführungsform verbunden. Im Leistungshalbleitermodul 1d wird der leitende Draht 29 mit dem leitfähigen Pad 41 ähnlich der dritten Ausführungsform verbunden.
  • Das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1d der vierten Ausführungsform beinhaltet den gleichen Prozess wie das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1b der zweiten Ausführungsform, unterscheidet sich aber im Wesentlichen in den folgenden Punkten von der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1b der zweiten Ausführungsform. Das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1d der vierten Ausführungsform beinhaltet ferner das Verkleben/Bonden des leitfähigen Pads 41 mit dem Leistungshalbleiterbauelement 19 unter Verwendung der dritten Klebeschicht 43 ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform. Das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1d der vierten Ausführungsform beinhaltet das Verkleben/Bonden des leitenden Drahtes 29 mit dem leitfähigen Pad 41 ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1d der vierten Ausführungsform hat zusätzlich zu den Wirkungen der Leistungshalbleitermodule 1, 1b, 1c der ersten bis dritten Ausführungsform die folgenden Wirkungen: Im Leistungshalbleitermodul 1d der vierten Ausführungsform können die im Leistungshalbleitermodul 1d erzeugten thermischen Spannungen und thermischen Dehnungen von der Mehrzahl der Bondingbereiche (erster Bondingbereich 5, zweiter Bondingbereich 6 und dritter Bondingbereich 7) getragen werden. Die auf jeden der mehreren Bondingbereiche (erster Bondingbereich 5, zweiter Bondingbereich 6 und dritter Bondingbereich 7) einwirkenden thermischen Spannungen und thermischen Belastungen werden verringert. Aus diesem Grund ist es möglich, die Entwicklung eines Risses im schwächsten Bereich der Vielzahl von Bondingbereichen (erster Bondingbereich 5, zweiter Bondingbereich 6 und dritter Bondingbereich 7) zu verringern. Die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 1d kann weiter verlängert werden.
  • Ausführungsform 5
  • Die vorliegende Ausführungsform ist eine Anwendung der Leistungshalbleitermodule 1, 1b, 1c, 1d gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 4 auf ein Leistungswandlergerät. Ein Beispiel, bei dem ein Leistungswandlergerät 200 in der vorliegenden Ausführungsform ein dreiphasiger Wechselrichter ist, wird im Folgenden beschrieben, wobei das Leistungswandlergerät insbesondere nicht beschränkt ist.
  • Das Energieumwandlungssystem in 12 beinhaltet eine Stromversorgung 100, ein Leistungswandlergerät 200 und eine Last 300. Die Stromversorgung 100 ist eine Gleichstrom-Stromversorgung, und liefert Gleichstrom an ein Leistungswandlergerät 200. Die Stromversorgung 100 ist insbesondere nicht beschränkt, sondern kann mit einem Gleichstromsystem, einer Solarzelle oder einer Speicherbatterie aufgebaut sein, oder mit einer Gleichrichterschaltung oder einem an ein Wechselstromsystem angeschlossenen AC-DC-Wandler aufgebaut sein. Die Stromversorgung 100 kann mit einem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler aufgebaut sein, der die vom Gleichstromsystem abgegebene Gleichstromleistung in andere Gleichstromleistung umwandelt.
  • Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 ist ein dreiphasiger Wechselrichter, der zwischen die Stromversorgung 100 und die Last 300 geschaltet ist, die von der Stromversorgung 100 gelieferte Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umwandelt und die Wechselstromleistung an die Last 300 liefert. Wie in 12 dargestellt, beinhaltet das Leistungswandlergerät 200 eine Hauptwandlerschaltung 201, die die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umwandelt, um die Wechselstromleistung auszugeben, und eine Steuerschaltung 203, die ein Steuersignal zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung 201 an die Hauptwandlerschaltung 201 ausgibt.
  • Die Last 300 ist im Beispiel ein Drehstrommotor, der durch die vom Leistungswandlergerät 200 gelieferte Wechselstromleistung angesteuert wird. Die Last 300 ist aber nicht begrenzt, kann ein Motor sein, der in verschiedenen Elektrogeräten angebracht ist. Beispielsweise kann die Last 300 ein Hybridauto, Elektroauto, Schienenfahrzeug, Aufzug oder ein Motor für eine Klimaanlage sein.
  • Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 wird im Folgenden im Detail beschrieben. Die Hauptwandlerschaltung 201 beinhaltet ein Schaltelement (nicht abgebildet) und eine Rückflussdiode (nicht abgebildet). Das Schaltelement schaltet die von der Stromversorgung 100 gelieferte Spannung, wobei die Hauptwandlerschaltung 201 die von der Stromversorgung 100 gelieferte Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt, um die Wechselspannung an die Last 300 zu liefern. Obwohl es verschiedene spezifische Schaltungskonfigurationen der Hauptwandlerschaltung 201 gibt, handelt es sich bei der Hauptwandlerschaltung 201 der fünften Ausführungsform um eine zweistufige dreiphasige Vollbrückenschaltung, die mit sechs Schaltelementen und sechs Rückflussdioden, die in umgekehrter Richtung parallel zu den sechs Schaltelementen geschaltet sind, aufgebaut sein kann. Ein beliebiges Leistungshalbleitermodul 1, 1b, 1c, 1d der ersten bis vierten Ausführungsform wird an mindestens eines der Schaltelemente und die Rückflussdiode der Hauptwandlerschaltung 201 angelegt. Die sechs Schaltelemente sind zu je zwei Schaltelementen in Reihe geschaltet, um obere und untere Zweige zu bilden, und jeder der oberen und unteren Zweige bildet jede Phase (U-Phase, V-Phase und W-Phase) einer Vollbrückenschaltung. Jeweils eine Ausgangsklemme des oberen und unteren Zweigs, d. h. drei Ausgangsklemmen der Hauptwandlerschaltung 201, sind mit der Last 300 verbunden.
  • Die Hauptwandlerschaltung 201 beinhaltet eine Treiberschaltung (nicht abgebildet), die jedes Schaltelement ansteuert. Die Treiberschaltung kann in ein Halbleitermodul 202 integriert sein oder separat vom Halbleitermodul 202 bereitgestellt werden. Die Ansteuerungsschaltung erzeugt ein Ansteuerungssignal, das das in der Hauptwandlerschaltung 201 enthaltene Schaltelement ansteuert, und liefert das Ansteuerungssignal an eine Steuerelektrode des Schaltelements der Hauptwandlerschaltung 201. Insbesondere wird das Ansteuersignal zum Einschalten des Schaltelements und das Ansteuersignal zum Ausschalten des Schaltelements an die Steuerelektrode jedes Schaltelements entsprechend dem Steuersignal von der Steuerschaltung 203 ausgegeben. Das Ansteuersignal ist ein Spannungssignal (EIN-Signal), das größer als oder gleich einer Schwellenspannung des Schaltelements ist, wenn das Schaltelement in einem EIN-Zustand gehalten wird, und das Ansteuersignal ist ein Spannungssignal (AUS-Signal), das gleich oder kleiner als die Schwellenspannung des Schaltelements ist, wenn das Schaltelement in einem AUS-Zustand gehalten wird.
  • Die Steuerschaltung 203 steuert die Schaltelemente der Hauptwandlerschaltung 201 so, dass der Last 300 die gewünschte Leistung zugeführt wird. Insbesondere wird die Zeit (EIN-Zeit), während der jedes Schaltelement der Hauptwandlerschaltung 201 eingeschaltet werden soll, auf der Grundlage der an die Last 300 zu liefernden Leistung berechnet. Die Hauptwandlerschaltung 201 kann beispielsweise durch Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert werden, die die Einschaltzeit des Schaltelements in Abhängigkeit von der auszugebenden Spannung moduliert. Ein Steuerbefehl (Steuersignal) wird an die in der Hauptwandlerschaltung 201 enthaltene Ansteuerungsschaltung ausgegeben, so dass zu jedem Zeitpunkt das EIN-Signal an das einzuschaltende Schaltelement ausgegeben wird und zu jedem Zeitpunkt das AUS-Signal an das auszuschaltende Schaltelement ausgegeben wird. Die Treiberschaltung gibt das EIN-Signal oder das AUS-Signal als Treibersignal an die Steuerelektrode jedes Schaltelements entsprechend dem Steuersignal aus.
  • Im Leistungswandlergerät 200 der fünften Ausführungsform wird eines der Leistungshalbleitermodule 1, 1b, 1c, 1d der ersten bis vierten Ausführungsform als Halbleitermodul 202 in der Hauptwandlerschaltung 201 eingesetzt. Daher hat das Leistungswandlergerät 200 gemäß der fünften Ausführungsform eine verbesserte Zuverlässigkeit.
  • Obwohl das Beispiel, in dem die vorliegende Erfindung auf den zweistufigen dreiphasigen Wechselrichter angewendet wird, in der fünften Ausführungsform beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die fünfte Ausführungsform beschränkt, sondern kann auf verschiedene Leistungswandlergeräte angewendet werden. Obwohl das zweistufige Leistungswandlergerät in der fünften Ausführungsform verwendet wird, kann auch ein dreistufiges Leistungswandlergerät oder ein mehrstufiges Leistungswandlergerät verwendet werden. Wenn das Leistungswandlergerät eine einphasige Last versorgt, kann die vorliegende Erfindung auf einen einphasigen Wechselrichter angewendet werden. Wenn das Leistungswandlergerät die Leistung an eine Gleichstrom-Last oder dergleichen liefert, kann die vorliegende Erfindung in einem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler oder einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler verwendet werden.
  • Das Leistungswandlergerät, in der die vorliegende Erfindung verwendet wird, ist nicht auf den Fall beschränkt, dass die Last ein Motor ist. Beispielsweise kann das Leistungswandlergerät in einer Stromversorgungseinrichtung einer Funkenerosionsmaschine oder einer Laserbearbeitungsmaschine oder einer Stromversorgungseinrichtung eines Induktionserwärmungsherdes oder eines berührungslosen Stromversorgungssystems eingebaut sein. Das Leistungswandlergerät, auf das die vorliegende Erfindung angewendet wird, kann als Leistungsaufbereiter einer Solarstromerzeugungsanlage oder eines Speichersystems verwendet werden.
  • Es ist zu beachten, dass die beschriebenen ersten bis fünften Ausführungsformen in jeder Hinsicht beispielhaft und nicht einschränkend sind. Solange es keinen Widerspruch gibt, können mindestens zwei der beschriebenen ersten bis fünften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird nicht durch die obige Beschreibung definiert und es ist beabsichtigt, dass alle Änderungen in der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1a, 1b, 1c, 1d
    Leistungshalbleitermodul
    5
    erster Bondingbereich
    6
    zweiter Bondingbereich
    7
    dritter Bondingbereich
    10
    Schaltungssubstrat
    11
    Isoliersubstrat
    11a
    erste Hauptoberfläche
    11b
    zweite Hauptoberfläche
    12
    Schaltungsmuster
    13
    Rückleiterschicht
    15
    erste Bondingschicht
    19
    Leistungshalbleiterbauelement
    20
    Halbleitersubstrat
    21
    Gate-Elektrode
    22
    Source-Elektrode
    23
    Drain-Elektrode
    24
    Isolationsschicht
    25, 26, 27, 27
    Anschlussklemme
    28, 29
    leitender Draht
    30
    Gehäuse
    31
    Wärmeableitungselement
    31a
    dritte Hauptoberfläche
    31b
    vierte Hauptoberfläche
    31f
    Rippe
    32
    Metallüberzugsschicht
    35
    Lotschicht
    35b
    zweite Bondingschicht
    37
    Umrahmung
    38
    Dichtungselement
    41
    leitfähiges Pad
    42
    Unterschicht
    43
    dritte Bondingschicht
    100
    Stromversorgung
    200
    Leistungswandlergerät
    201
    Hauptumwandlerschaltung
    202
    Halbleitermodul
    203
    Steuerschaltung
    300
    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 2008041707 A [0002, 0003]

Claims (9)

  1. Leistungshalbleitermodul, das Folgendes aufweist: ein Schaltungssubstrat; ein Leistungshalbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat; und mindestens einen Bondingbereich, wobei der mindestens eine Bondingbereich einen ersten Metallbereich distal zu dem Halbleitersubstrat, einen zweiten Metallbereich proximal zu dem Halbleitersubstrat und eine Bondingschicht, die den ersten Metallbereich und den zweiten Metallbereich miteinander verbindet, aufweist, und wobei bei gleicher Temperatur die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des ersten Metallbereichs kleiner ist als die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs ist und kleiner ist als die Scherfestigkeit der Bondingschicht.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die 0,2%-ige Offset-Streckgrenze des zweiten Metallbereichs größer ist als die Scherfestigkeit der Bondingschicht bei gleicher Temperatur.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schaltungssubstrat ein Schaltungsmuster aufweist, das Leistungshalbleiterbauelement ferner eine erste Elektrode gegenüber dem Schaltungsmuster aufweist, der mindestens eine Bondingbereich einen ersten Bondingbereich beinhaltet, und der erste Bondingbereich das Schaltungsmuster als ersten Metallbereich , die erste Elektrode als zweiten Metallbereich und die erste Bondingschicht als die Bondingschicht beinhaltet.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, das ferner Folgendes aufweist: ein Wärmeableitungselement, wobei das Schaltungssubstrat ein Isoliersubstrat, ein Schaltungsmuster und eine Rückleiterschicht aufweist, das Isoliersubstrat eine erste Hauptoberfläche gegenüber dem Leistungshalbleiterbauelement und eine zweite Hauptoberfläche auf einer gegenüberliegenden Seite der ersten Hauptoberfläche aufweist, das Schaltungsmuster auf der ersten Hauptoberfläche vorgesehen ist, die Rückleiterschicht auf der zweiten Hauptoberfläche vorgesehen ist, der mindestens eine Bondingbereich einen zweiten Bondingbereich beinhaltet, und der zweite Bondingbereich das Wärmeableitungselement als ersten Metallbereich, die Rückleiterschicht als zweiten Metallbereich und eine zweite Bondingschicht als die Bondingschicht beinhaltet.
  5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, wobei das Leistungshalbleiterbauelement ferner eine dem Schaltungsmuster gegenüberliegende erste Elektrode aufweist, der mindestens eine Bondingbereich weiterhin einen ersten Bondingbereich aufweist, und der erste Bondingbereich das Schaltungsmuster als den ersten Metallbereich , die erste Elektrode als den zweiten Metallbereich und eine erste Bondingschicht als die Bondingschicht beinhaltet.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner Folgendes aufweist: ein leitfähiges Pad mit einem leitfähigen Pad-Bereich gegenüber dem Leistungshalbleiterbauelement, wobei das Leistungshalbleiterbauelement ferner eine zweite Elektrode aufweist, die an einer distalen Seite des Schaltungssubstrats vorgesehen ist, wobei das leitfähige Pad in einer Draufsicht auf die zweite Elektrode eine größere Fläche als die Fläche der zweiten Elektrode aufweist, der mindestens eine Bondingbereich einen dritten Bondingbereich aufweist, und der dritte Bondingbereich den leitfähigen Pad-Bereich als ersten Metallbereich , die zweite Elektrode als zweiten Metallbereich und eine dritte Bondingschicht (43) als die Bondingschicht beinhaltet.
  7. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bondingschicht aus einem Metall-Nanopartikel-Sinterkörper gebildet ist.
  8. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Metallbereich aus Al hergestellt ist, und der zweite Metallbereich aus AlSi, AlCu, AlSiCu, oder Cu besteht.
  9. Leistungswandlergerät, das Folgendes aufweist: eine Hauptwandlerschaltung mit dem Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Hauptwandlerschaltung Eingangsleistung umwandelt und die umgewandelte Leistung ausgibt; und eine Steuerschaltung zur Ausgabe eines Steuersignals zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung an die Hauptwandlerschaltung.
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