DE112021007373T5 - Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Naoki Yoshimatsu
Shintaro Araki
Rui Konishi
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Bereitgestellt wird eine Halbleitervorrichtung mit einer ausgezeichneten Wärmeableitung unter geringen Kosten. Die Halbleitervorrichtung umfasst einen Wärmespreizer, ein Halbleiterelement, einen Metallblock, einen Anschluss und ein Versiegelungsmaterial. Das Halbleiterelement weist eine vorderseitige Oberflächenelektrode auf. Das Halbleiterelement ist auf eine obere Oberfläche des Wärmespreizers montiert. Der Metallblock weist eine Bonding-Oberfläche und eine wärmeableitende Oberfläche auf. Die Bonding-Oberfläche ist an die vorderseitige Oberflächenelektrode des Halbleiterelements gebondet. Die wärmeableitende Oberfläche ist unter Zwischenschaltung des isolierenden Bauteils mit der oberen Oberfläche des Wärmespreizers verbunden. Der Metallblock ist so angeordnet, dass er sich oberhalb zumindest einer Seite des Halbleiterelements spannt. Der Anschluss weist eine Plattenform auf. Das erste Ende des Anschlusses ist an den Metallblock gebondet. Das zweite Ende des Anschlusses ist auf der vom ersten Ende aus entgegengesetzten Seite positioniert und so ausgebildet, dass es mit einer externen Schaltung verbunden werden kann. Das Versiegelungsmaterial versiegelt den Wärmespreizer, das Halbleiterelement, den Metallblock und das erste Ende des Anschlusses. Das zweite Ende des Anschlusses ist aus dem Versiegelungsmaterial freigelegt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung.
  • HINTERGRUNDTECHNIK
  • Wenn das Halbleiterelement eine Schaltoperation durchführt, wird durch den Innenwiderstand des Halbleiterelements Wärme erzeugt. Die Wärme wird über einen Wärmespreizer oder dergleichen an den Kühler abgegeben. Beispielsweise bildet eine in Patentdokument 1 beschriebene Halbleitervorrichtung einen Wärmeableitungspfad von einem Halbleiterelement zu einem kühlenden Körper über einen Kühlkörperblock, bei dem es sich um einen Metallkörper handelt, der an eine vordere Oberfläche des Halbleiterelements gebondet ist, und einen oberseitigen Kühlkörper, der an den Kühlkörperblock gebondet ist.
  • DOKUMENT NACH DEM STAND DER TECHNIK
  • PATENTDOKUMENT
  • Patentdokument 1: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2003-258166
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
  • Der in der Seite der vorderen Oberfläche des Halbleiterelements ausgebildete Wärmeableitungspfad wird vorzugsweise von einer Komponente gebildet, die Wärme leicht leitet und eine große Wärmekapazität aufweist. Auf der anderen Seite ist unter dem Gesichtspunkt der Bearbeitbarkeit und Kosten der mit der vorderseitigen Oberflächenelektrode des Halbleiterelements verbundene Anschluss vorzugsweise eine dünne Platte. Das heißt, es ist schwierig, sowohl eine hohe Wärmeableitung als auch niedrige Produktionskosten zu erzielen.
  • Um die obigen Probleme zu lösen, stellt die vorliegende Offenbarung eine Halbleitervorrichtung mit einer ausgezeichneten Wärmeableitung bei geringen Kosten bereit.
  • MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Wärmespreizer, ein Halbleiterelement, einen Metallblock, einen Anschluss und ein Versiegelungsmaterial. Das Halbleiterelement weist eine Elektrode an der vorderen Oberfläche bzw. eine vorderseitige Oberflächenelektrode auf. Das Halbleiterelement ist auf einer oberen Oberfläche des Wärmespreizers montiert. Der Metallblock weist eine Bonding-Oberfläche und zumindest eine wärmeableitende Oberfläche auf. Die Bonding-Oberfläche ist an die vorderseitige Oberflächenelektrode des Halbleiterelements gebondet. Die zumindest eine wärmeableitende Oberfläche ist unter Zwischenschaltung des isolierenden Bauteils mit der oberen Oberfläche des Wärmespreizers verbunden. Der Metallblock erstreckt sich von der Bonding-Oberfläche zu der zumindest einen wärmeableitenden Oberfläche so, dass er oberhalb zumindest einer Seite des Halbleiterelements vorragt bzw. sich spannt. Der Anschluss weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Das erste Ende ist an den Metallblock gebondet. Das zweite Ende ist auf der vom ersten Ende aus entgegengesetzten Seite positioniert und so ausgebildet, dass es mit einer externen Schaltung verbunden werden kann. Das Versiegelungsmaterial versiegelt den Wärmespreizer, das Halbleiterelement, den Metallblock und das erste Ende des Anschlusses. Das zweite Ende des Anschlusses ist aus dem Versiegelungsmaterial freigelegt.
  • EFFEKTE DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird eine Halbleitervorrichtung mit ausgezeichneter Wärmeableitung bei geringen Kosten bereitgestellt.
  • Die Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen ersichtlicher werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung in einer ersten Ausführungsform zeigt.
    • 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung in der ersten Ausführungsform zeigt.
    • 3 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung in der ersten Ausführungsform zeigt.
    • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung in der ersten Ausführungsform zeigt.
    • 5 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung in einer zweiten Ausführungsform zeigt.
    • 6 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung in der zweiten Ausführungsform zeigt.
    • 7 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung in einer dritten Ausführungsform zeigt.
    • 8 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung in der dritten Ausführungsform zeigt.
    • 9 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung in einer vierten Ausführungsform zeigt.
    • 10 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung in der vierten Ausführungsform zeigt.
    • 11 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration in einer fünften Ausführungsform zeigt.
    • 12 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung in der fünften Ausführungsform zeigt.
    • 13 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung in einer sechsten Ausführungsform zeigt.
    • 14 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung in der sechsten Ausführungsform zeigt.
    • 15 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung in einer siebten Ausführungsform zeigt.
    • 16 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung in der siebten Ausführungsform zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • <Erste Ausführungsform>
  • 1 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung 101 in einer ersten Ausführungsform zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung 101 zeigt. 2 zeigt einen entlang einer in 1 gezeigten Linie A-A' genommenen Querschnitt.
  • Die Halbleitervorrichtung 101 umfasst einen Wärmespreizer 1, ein Halbleiterelement 2, einen Metallblock, 3 einen ersten Hauptanschluss 4A, einen zweiten Hauptanschluss 4B, einen Signalanschluss 5, einen Metalldraht 6, ein isolierendes Bauteil 7, ein Versiegelungsmaterial 8 und eine Isolierfolie 9. 1 zeigt einen Zustand, in dem das das Halbleiterelement 2 oder dergleichen oben bedeckende Versiegelungsmaterial 8 durchsichtig ist. Das Gleiche gilt für die im Folgenden gezeigten Draufsichten. 2 zeigt einen Zustand, in dem die Halbleitervorrichtung 101 unter Zwischenschaltung einer wärmeableitenden Paste 12 auf einem Kühler 11 montiert ist. Außerdem ist in der Querschnittsansicht in 2 der zweckmäßigen Beschreibung halber eine Schraffur des Wärmespreizers 1 und des Versiegelungsmaterials 8 weggelassen. Das Gleiche gilt für die Querschnittsansichten unten.
  • Der Wärmespreizer 1 ist beispielsweise aus Metall gebildet. Der Wärmespreizer 1 hält auf seiner oberen Oberfläche unter Zwischenschaltung eines Bonding-Materials 15 das Halbleiterelement 2. Das Bonding-Material 15 ist beispielsweise ein Lötmetall.
  • Das Halbleiterelement 2 ist auf einer oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 montiert. Das Halbleiterelement 2 ist aus beispielsweise einem Halbleiter wie etwa Si oder einem sogenannten Halbleiter mit breiter Bandlücke wie etwa SiC, GaN oder Galliumoxid gebildet. Das Halbleiterelement 2 ist ein Leistungs-Halbleiterelement, eine integrierte Schaltung (IC) zur Steuerung, um das Leistungs-Halbleiterelement zu steuern, oder dergleichen. Das Halbleiterelement 2 ist beispielsweise ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), eine Schottky-Sperrschicht bzw. -Barrierendiode oder dergleichen. Alternativ dazu kann es sich bei dem Halbleiterelement 2 um einen rückwärts leitenden IGBT (RC-IGBT) handeln, in dem ein IGBT und eine Freilaufdiode in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
  • Das Halbleiterelement 2 in der ersten Ausführungsform ist ein IGBT. 3 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration des Halbleiterelements 2 zeigt. Das Halbleiterelement 2 liegt in einem Chip-Zustand vor und hat eine rechteckige planare Form. Das Halbleiterelement 2 umfasst eine vorderseitige Oberflächenelektrode 2A, eine Steuerelektrode 2B und einen Abschlussbereich 2C auf seiner vorderen Oberfläche. Ein (nicht gezeigter) Zellenbereich, in dem eine Vielzahl von IGBT-Zellen in einem Array angeordnet ist, ist innerhalb des Abschlussbereichs 2C angeordnet. Die vorderseitige Oberflächenelektrode 2A ist ein Elektroden-Pad, das als Emitter des IGBT fungiert. Die Steuerelektrode 2B weist ein Gate-Pad, ein Emitter-Mess-Pad, ein Temperaturerfassungs-Pad und dergleichen auf. Das Gate-Pad fungiert als Gate des IGBT. Da sie über den Metalldraht 6 mit dem Signalanschluss 5 verbunden ist, wird auf die Steuerelektrode 2B auch als Signaldraht-Pad verwiesen. Der Abschlussbereich 2C ist um den Zellenbereich herum, das heißt am äußeren peripheren Teilbereich des Chips, angeordnet. Der Abschlussbereich 2C weist einen Schutzring auf, der eine Struktur zum Halten einer Stehspannung des Halbleiterelements 2 ist. Das Halbleiterelement 2 weist auf seiner rückseitigen Oberfläche eine (nicht gezeigte) rückseitige Oberflächenelektrode auf. Die rückseitige Oberflächenelektrode fungiert als Kollektor des IGBT. Die rückseitige Oberflächenelektrode ist unter Zwischenschaltung des Bonding-Materials 15 an die obere Oberfläche des Wärmespreizers 1 gebondet. Hier ist die rückseitige Oberflächenelektrode an einen auf der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 angeordneten (nicht gezeigten) Die-Pad-Bereich gebondet.
  • Der Metallblock 3 umfasst eine Bonding-Oberfläche 3A und eine wärmeableitende Oberfläche 3B. Die Bonding-Oberfläche 3A und die wärmeableitende Oberfläche 3B sind auf der unteren Oberfläche des Metallblocks 3 positioniert. Die Bonding-Oberfläche 3A ist unter Zwischenschaltung des Bonding-Materials 16 an die vorderseitige Oberflächenelektrode 2A des Halbleiterelements 2 gebondet. Das Bonding-Material 16 ist beispielsweise ein Lötmetall. Die wärmeableitende Oberfläche 3B ist unter Zwischenschaltung des isolierenden Bauteils 7 mit einer oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 verbunden. Genauer gesagt ist die wärmeableitende Oberfläche 3B mit der oberen Oberfläche des isolierenden Bauteils 7 in Kontakt und ist die untere Oberfläche des isolierenden Bauteils 7 mit der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 in Kontakt. Der Metallblock 3 erstreckt sich vom Bonding-Teilbereich zwischen der Bonding-Oberfläche 3A und der vorderseitigen Oberflächenelektrode 2A des Halbleiterelements 2 über eine Seite (die rechte Seite in 1) des Halbleiterelements 2 hinaus zur Außenseite des Halbleiterelements 2 und ist nach unten gebogen. Das heißt, der Metallblock 3 in der ersten Ausführungsform weist eine L-förmige Querschnittsform auf und ist so angeordnet, dass er sich oberhalb einer Seite des Halbleiterelements 2 spannt.
  • Der Metallblock 3 ist vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet und weist eine große Wärmekapazität auf. Der Metallblock 3 ist vorzugsweise aus beispielsweise Kupfer oder einer Kupfer enthaltenden Legierung gebildet. Kupfer oder eine Kupfer enthaltende Legierung weist eine gute Bonding-Eigenschaft mit dem Lötmetall auf. Der aus Kupfer oder einer Kupfer enthaltenden Legierung gebildete Metallbock 3 hat eine ausgezeichnete Montageeigenschaft. Der Metallblock 3 ist vorzugsweise aus einem Material mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 7 ppm/°C oder mehr und 12 ppm/°C oder weniger gebildet. Die Dicke des Metallblocks 3 beträgt beispielsweise etwa 2 mm.
  • Der Metallblock 3 weist in der Bonding-Oberfläche 3A ein Durchgangsloch 3C auf. Das Durchgangsloch 3C dringt zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Metallblocks 3 durch. Das Durchgangsloch 3C ist annähernd in der Mitte der Bonding-Oberfläche 3A angeordnet. Mit anderen Worten ist in Draufsicht das Durchgangsloch 3C annähernd in der Mitte des Bonding-Teilbereichs zwischen der Bonding-Oberfläche 3A und der vorderseitigen Oberflächenelektrode 2A des Halbleiterelements 2 angeordnet.
  • Das isolierende Bauteil 7 gewährleistet eine notwendige Stehspannung in Bezug auf eine zwischen dem Emitter und dem Kollektor angelegte Spannung. Die Dicke des isolierenden Bauteils 7 ist vorzugsweise so gering, dass Wärme vom Metallblock 3 effizient auf den Wärmespreizer 1 übertragen wird. Das heißt, das isolierende Bauteil 7 ist vorzugsweise dünn, solange eine Stehspannung gewährleistet ist.
  • Der erste Hauptanschluss 4A hat eine Plattenform. Der erste Hauptanschluss 4A weist ein Ende und das auf der von dem einen Ende aus entgegengesetzten Seite positionierte andere Ende auf. Das eine Ende des ersten Hauptanschlusses 4A ist unter Zwischenschaltung eines Bonding-Materials 17 an die obere Oberfläche des Metallblocks 3 gebondet. Das Bonding-Material 17 ist beispielsweise ein Lötmetall. Das andere Ende des ersten Hauptanschlusses 4A ist zur Außenseite des Versiegelungsmaterials 8 herausgeführt. Das andere Ende des ersten Hauptanschlusses 4A ist so ausgebildet, dass es mit einer externen Schaltung verbunden werden kann. Der erste Hauptanschluss 4A ist ein Emitter, der unter Zwischenschaltung des Metallblocks 3 mit der vorderseitigen Oberflächenelektrode 2A des Halbleiterelements 2 verbunden ist. Der erste Hauptanschluss 4A weist einen gebogenen Teilbereich zwischen dem einen Ende und dem anderen Ende auf.
  • Der zweite Hauptanschluss 4B hat eine Plattenform. Der zweite Hauptanschluss 4B weist ein Ende und das auf der von dem einen Ende aus entgegengesetzten Seite positionierte andere Ende auf. Das eine Ende des zweiten Hauptanschlusses 4B ist unter Zwischenschaltung eines Bonding-Materials (in 14 gezeigten Bonding-Materials 18) an die obere Oberfläche des Wärmespreizers 1 gebondet. Das Bonding-Material 18 ist beispielsweise ein Lötmetall. Das andere Ende des zweiten Hauptanschlusses 4B ist zur Außenseite des Versiegelungsmaterials 8 herausgeführt. Das andere Ende des zweiten Hauptanschlusses 4B ist so ausgebildet, dass es mit einer externen Schaltung verbunden werden kann. Der zweite Hauptanschluss 4B ist ein Kollektor, der unter Zwischenschaltung des Wärmespreizers 1 mit der rückseitigen Oberflächenelektrode des Halbleiterelements 2 verbunden ist. Der zweite Hauptanschluss 4B weist einen gebogenen Teilbereich zwischen dem einen Ende und dem anderen Ende auf.
  • Der Signalanschluss 5 weist eine Plattenform auf. Der Signalanschluss 5 weist ein Ende und das auf der von dem einen Ende aus entgegengesetzten Seite positionierte andere Ende auf. Das eine Ende des Signalanschlusses 5 ist über den Metalldraht 6 an die Steuerelektrode 2B gebondet. Der Metalldraht 6 ist beispielsweise ein Aluminiumdraht. Das andere Ende des Signalanschlusses 5 ist zur Außenseite des Versiegelungsmaterials 8 herausgeführt. Das andere Ende des Signalanschlusses 5 ist so ausgebildet, dass es mit einer externen Schaltung verbunden werden kann. Der Signalanschluss 5 weist einen gebogenen Teilbereich zwischen dem einen Ende und dem anderen Ende auf.
  • Der erste Hauptanschluss 4A, der zweite Hauptanschluss 4B und der Signalanschluss 5 sind vorzugsweise aus beispielsweise Kupfer oder einer Kupfer enthaltenden Legierung gebildet. Der erste Hauptanschluss 4A, der zweite Hauptanschluss 4B, der Signalanschluss 5 sind dünner als der Metallblock 3. Die Dicken des ersten Hauptanschlusses 4A, des zweiten Hauptanschlusses 4B und des Signalanschlusses 5 betragen vorzugsweise 1 mm oder weniger. Da der erste Hauptanschluss 4A, der zweite Hauptanschluss 4B und der Signalanschluss 5 dünner als der Metallblock 3 sind, ist im Herstellungsschritt der Halbleitervorrichtung 101 das Schneiden oder Biegen einfach.
  • Die Isolierfolie 9 ist an eine untere Oberfläche des Wärmespreizers 1 angebracht. Die Isolierfolie 9 hat eine Konfiguration, in der eine Isolierschicht 9A und eine Kupferfolie 9B integriert sind. Die Dicke der Isolierschicht 9A beträgt etwa 0,2 mm. Die Dicke der Kupferfolie 9B beträgt etwa 0,1 mm.
  • Das Versiegelungsmaterial 8 versiegelt den Wärmespreizer 1, das Halbleiterelement 2, den Metallblock 3, das eine Ende des ersten Hauptanschlusses 4A, das eine Ende des zweiten Hauptanschlusses 4B, den Metalldraht 6, das eine Ende des Signalanschlusses 5 und die Seite der oberen Oberfläche der Isolierfolie 9. Die untere Oberfläche der Kupferfolie 9B der Isolierfolie 9, das andere Ende des ersten Hauptanschlusses 4A, das andere Ende des zweiten Hauptanschlusses 4B und das andere Ende des Signalanschlusses 5 sind aus dem Versiegelungsmaterial freigelegt. Das Versiegelungsmaterial 8 ist beispielsweise ein Gießharz. Im IGBT zur Leistungssteuerung wird eine hohe Spannung zwischen dem Emitter und dem Kollektor angelegt. Die Stehspannung des IGBT wird durch das Gießharz und den Schutzring des Abschlussbereichs 2C gewährleistet.
  • Der Kühler 11 ist unter Zwischenschaltung der wärmeableitenden Paste 12 an der Halbleitervorrichtung 101 angebracht. Die wärmeableitende Paste 12 füllt einen winzigen Zwischenraum, der zwischen der Kupferfolie 9B der Isolierfolie 9 und dem Kühler 11 erzeugt werden kann. Die wärmeableitende Paste 12 erleichtert die Wärmeübertragung zwischen der Isolierfolie 9 und dem Kühler 11. Der Kühler 11 gibt im Halbleiterelement 2 erzeugte Wärme nach außen ab.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 101 in der ersten Ausführungsform beschrieben. 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 101 zeigt.
  • In Schritt S1 wird das Halbleiterelement 2 unter Zwischenschaltung des Bonding-Materials 15 auf der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 montiert.
  • In Schritt S2 wird der Metallblock 3 an einer vorbestimmten Position in Bezug auf das Halbleiterelement 2 und den Wärmespreizer 1 platziert. Zu dieser Zeit wird die Position der Bonding-Oberfläche 3A des Metallblocks 3 so eingestellt, dass sie oberhalb der vorderseitigen Oberflächenelektrode 2A des Halbleiterelements 2 liegt. Genauer gesagt wird in Draufsicht die Position des Durchgangslochs 3C des Metallblocks 3 auf die Nähe bzw. unmittelbare Umgebung der Mitte der vorderseitigen Oberflächenelektrode 2A des Halbleiterelements 2 eingestellt. Die Position der wärmeableitenden Oberfläche 3B des Metallblocks 3 wird so eingestellt, dass sie oberhalb des auf der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 angeordneten isolierenden Bauteils 7 liegt. Das isolierende Bauteil 7 kann in Schritt S2 vorher an einer vorbestimmten Position auf der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 angeordnet werden oder kann zwischen dem Metallblock 3 und dem Wärmespreizer 1 eingefügt werden. Ähnlich wird der Leiterrahmen, in dem der erste Hauptanschluss 4A, der zweite Hauptanschluss 4B und der Signalanschluss 5 integriert sind, an einer vorbestimmten Position in Bezug auf den Metallblock 3 und den Wärmespreizer 1 platziert. Eine Spannvorrichtung wird genutzt, um jede Komponente zu positionieren. Wenn die Positionsbeziehung zwischen dem Metallblock 3 und dem Halbleiterelement 2 durch die Spannvorrichtung vorübergehend fixiert ist, wird ein Spalt zwischen der Bonding-Oberfläche 3A des Metallblocks 3 und der vorderseitigen Oberflächenelektrode 2A des Halbleiterelements 2 ausgebildet.
  • Nachdem jede Komponente positioniert ist, wird jede Bonding-Stelle in dem Wärmespreizer 1, dem Halbleiterelement 2, dem Metallblock 3 und dem Leiterrahmen mittels eines Bonding-Materials gebondet. Das heißt, der Metallblock 3 wird mittels des Bonding-Materials 16 an das Halbleiterelement 2 gebondet, der erste Hauptanschluss 4A wird mittels des Bonding-Materials 17 an den Metallblock 3 gebondet, und der zweite Hauptanschluss 4B wird mittels des Bonding-Materials 18 an den Wärmespreizer 1 gebondet. Im Bonding-Schritt zwischen dem Metallblock 3 und dem Halbleiterelement 2 wird das geschmolzene Bonding-Material 16 vom Durchgangsloch 3C aus zugeführt. Das Bonding-Material 16 breitet sich in einem Spalt zwischen der Bonding-Oberfläche 3A und der vorderseitigen Oberflächenelektrode 2A aus. Das Bonding-Material 16 ist beispielsweise ein Lötmetall. Dementsprechend wird der Metallblock 3 so fixiert, dass er sich über eine Seite des Halbleiterelements 2 spannt.
  • In Schritt S3 wird der Metalldraht 6 mittels Ultraschall an den Signalanschluss 5 und die Steuerelektrode 2B gebondet. Dieser Schritt ist ein sogenannter Draht-Bonding-Schritt.
  • In Schritt S4 werden der Wärmespreizer 1, das Halbleiterelement 2, der Metallblock 3, das eine Ende des ersten Hauptanschlusses 4A, das eine Ende des zweiten Hauptanschlusses 4B, der Metalldraht 6, das eine Ende des Signalanschlusses 5 und die Seite der oberen Oberfläche der Isolierfolie 9 in den Hohlraum der Gussform gelegt. Harzpellets bzw. ein Harzgranulat wird einen Topf gelegt. Das geschmolzene Harz wird aus dem Topf durch einen Kolben in die erhitzte Form extrudiert. Das Harz gelangt durch den Angusskanal und strömt durch das Einspritztor bzw. den Einspritzkanal der Form in den Hohlraum. Danach wird das Harz ausgehärtet, und der Wärmespreizer 1, das Halbleiterelement 2, der Metallblock 3, das eine Ende des ersten Hauptanschlusses 4A, das eine Ende des zweiten Hauptanschlusses 4B, der Metalldraht 6, das eine Ende des Signalanschlusses 5 und die Seite der oberen Oberfläche der Isolierfolie 9 sind versiegelt. Das Harz entspricht dem Versiegelungsmaterial 8.
  • In Schritt S5 wird unnötiges, am Teilbereich des Einspritzkanals ausgehärtetes Harz abgeschnitten, und ein Gehäuse wird gebildet. Darüber hinaus werden koppelnde Teilbereiche des Leiterrahmens geschnitten, und der erste Hauptanschluss 4A, der zweite Hauptanschluss 4B und der Signalanschluss 5 werden voneinander getrennt. Jeder des ersten Hauptanschlusses 4A, des zweiten Hauptanschlusses 4B und des Signalanschlusses 5 wird in eine vorbestimmte Form gebogen. Somit ist die Halbleitervorrichtung 101 fertiggestellt.
  • Als Nächstes wird der Betrieb der Halbleitervorrichtung 101 in der ersten Ausführungsform beschrieben. Sowohl das andere Ende des ersten Hauptanschlusses 4A als auch das andere Ende des zweiten Hauptanschlusses 4B sind mit einer (nicht gezeigten) Sammel- bzw. Stromschiene verbunden.
  • Wenn vom Signalanschluss 5 eine Spannung zwischen dem Gate und dem Emitter des IGBT über das Gate-Pad angelegt wird, wird der IGBT angesteuert. Das heißt, der Strom fließt von der Stromschiene auf der Kollektorseite zu dem zweiten Hauptanschluss 4B, dem Wärmespreizer 1, dem Halbleiterelement 2, dem Metallblock 3, dem ersten Hauptanschluss 4A und der Sammelschiene auf der Emitterseite in dieser Reihenfolge. Zu dieser Zeit wird Wärme durch den Innenwiderstand des Halbleiterelements 2 erzeugt. Die Halbleitervorrichtung 101 in der ersten Ausführungsform gibt nicht nur die Wärme unter Zwischenschaltung des Wärmespreizers 1, der Isolierfolie 9 und der wärmeableitenden Paste 12 von der rückseitigen Oberfläche des Halbleiterelements 2 an den Kühler 11 ab, sondern gibt auch die Wärme von der vorderen Oberfläche des Halbleiterelements 2 unter Zwischenschaltung des Metallblocks 3, des isolierenden Bauteils 7, des Wärmespreizers 1, der Isolierfolie 9 und der wärmeableitenden Paste 12 an den Kühler 11 ab.
  • Da der Metallblock 3 eine Funktion zum Übertragen von Wärme und eine Funktion zum Speichern von Wärme hat, ist der Metallblock 3 vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet, und die Wärmekapazität des Metallblocks 3 ist vorzugsweise groß. Daher ist der Metallblock 3 vorzugsweise dick. Andererseits ist der erste Hauptanschluss 4A, da er im Herstellungsschritt der Halbleitervorrichtung 101 geschnitten oder gebogen wird, vorzugsweise dünner als der Metallblock 3. Wenn der Metallblock 3 und der erste Hauptanschluss 4A eine integrierte Komponente bilden, weist die integrierte Komponente einen dickeren Teilbereich und einen dünneren Teilbereich auf. Das heißt, da die Komponente eine spezielle und komplizierte Form hat, steigen die Produktionskosten. Wenn auf der anderen Seite die Halbleitervorrichtung den Metallblock 3 nicht aufweist, wird die im Halbleiterelement 2 erzeugte Wärme ebenfalls über den ersten Hauptanschluss 4A mit der Form einer dünnen Platte abgeleitet, kann man aber keinen ausreichenden Wärmeableitungseffekt erwarten.
  • Der Metallblock 3 und der erste Hauptanschluss 4A in der ersten Ausführungsform sind voneinander getrennte Komponenten. Die Halbleitervorrichtung 101 weist einen Metallblock 3 auf, der dicker als der erste Hauptanschluss 4A ist, um die Wärmekapazität zu erhöhen, und weist einen ersten Hauptanschluss 4A auf, der dünner als der Metallblock 3 ist, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Daher werden sowohl eine hohe Wärmeableitung als auch geringe Produktionskosten erreicht.
  • Ein Wagen mit einem Elektromotor wie etwa ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug ist mit einer Inverterschaltung versehen. Die Inverterschaltung, die den Dreiphasen-Motor ansteuert, hat eine Konfiguration, in der sechs Halbleitervorrichtungen 101 kombiniert sind. Die Inverterschaltung steuert die Drehzahl und dergleichen des Dreiphasen-Motors mittels einer Steuerung mit Pulsweitenmodulation (PWM). Der Motor kann vorübergehend gesperrt bzw. blockiert werden, wie etwa wenn der Wagen mit dem Elektromotor auf einen Bordstein fährt. Zu dieser Zeit fließt ein großer Strom durch das Halbleiterelement 2. Obgleich die Zeit, während der der große Strom fließt, eine kurze Zeitspanne von etwa 1 Sekunde oder weniger ist, ist die im Halbleiterelement 2 erzeugte Wärmemenge groß.
  • In der Halbleitervorrichtung 101 in der ersten Ausführungsform wird die Wärme nicht nur von der rückseitigen Oberfläche des Halbleiterelements 2 unter Zwischenschaltung des Wärmespreizers 1, der Isolierfolie 9 und der wärmeableitenden Paste 12 an den Kühler 11 abgegeben, sondern auch von der vorderen Oberfläche des Halbleiterelements 2 unter Zwischenschaltung des Metallblocks 3, des isolierenden Bauteils 7, des Wärmespreizers 1, der Isolierfolie 9 und der wärmeableitenden Paste 12 an den Kühler 11 abgegeben. Daher wird eine hohe Wärmeableitung erzielt.
  • Zusammengefasst weist die Halbleitervorrichtung 101 in der ersten Ausführungsform den Wärmespreizer 1, das Halbleiterelement 2, den Metallblock 3, den ersten Hauptanschluss 4A und das Versiegelungsmaterial 8 auf. Das Halbleiterelement 2 weist die vorderseitige Oberflächenelektrode 2A auf. Das Halbleiterelement 2 ist auf der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 montiert. Der Metallblock 3 weist die Bonding-Oberfläche 3A und zumindest eine wärmeableitende Oberfläche 3B auf. Die Bonding-Oberfläche 3A ist an die vorderseitige Oberflächenelektrode 2A des Halbleiterelements 2 gebondet. Die zumindest eine wärmeableitende Oberfläche 3B ist unter Zwischenschaltung des isolierenden Bauteils 7 mit der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 verbunden. Der Metallblock 3 erstreckt sich von der Bonding-Oberfläche 3A zu der zumindest einen wärmeableitenden Oberfläche 3B so, dass er sich oberhalb zumindest einer Seite des Halbleiterelements 2 spannt. Der erste Hauptanschluss 4A weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Das erste Ende ist an den Metallblock 3 gebondet. Das zweite Ende ist auf der vom ersten Ende aus entgegengesetzten Seite positioniert und so ausgebildet, dass es mit einer externen Schaltung verbunden werden kann. Das Versiegelungsmaterial 8 versiegelt den Wärmespreizer 1, das Halbleiterelement 2, den Metallblock 3 und das erste Ende des ersten Hauptanschlusses 4A. Das zweite Ende des ersten Hauptanschlusses 4A ist aus dem Versiegelungsmaterial 8 freigelegt.
  • Diese Halbleitervorrichtung 101 erreicht sowohl eine hohe Wärmeableitung als auch geringe Produktionskosten. Die Halbleitervorrichtung 101 wird für eine Inverterschaltung, die einen Motor eines Elektrofahrzeugs, eines Zugs oder dergleichen steuert, oder eine Wandlerschaltung zur Regeneration genutzt.
  • Außerdem weist der Metallblock 3 in der ersten Ausführungsform in der Bonding-Oberfläche 3A ein Durchgangsloch 3C auf. Wenn der Metallblock 3 aus Kupfer oder einer Kupfer enthaltenden Legierung gebildet ist und das Halbleiterelement 2 aus Si gebildet ist, ist ein Unterschied zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Metallblocks 3 und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterelements 2 groß. Wenn ein Wiederaufschmelzschritt auf das Bonding bzw. die Verbindung zwischen dem Metallblock 3 und dem Halbleiterelement 2 angewendet wird, ist eine mit der Temperaturänderung verbundene Spannung groß. Die Dicke des Lötmetalls ändert sich vor und nach dem Wiederaufschmelzschritt ungeachtet dessen, ob das Bonding-Material 16 ein plattenförmiges Lötmetall oder cremeförmiges Lötmetall ist. In der ersten Ausführungsform wird geschmolzenes Lötmetall vom Durchgangsloch 3C des Metallblocks 3 aus zugeführt. Daher stimmt die Dicke des Bonding-Materials 16 mit der Breite des Spalts überein und wird sie auf einen konstanten Wert gesteuert. Daher wird die Halbleitervorrichtung 101 mit hoher Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit realisiert.
  • Wenn darüber hinaus der Metallblock 3 aus einem Material mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 7 ppm/°C oder mehr und 12 ppm/°C oder weniger gebildet ist, wird die Spannung auf dem Chip zum Zeitpunkt der Erwärmung in einem Bonding-Schritt oder dergleichen reduziert. Daher wird die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 101 verbessert.
  • Wenn das Halbleiterelement 2 aus SiC mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, wird die Wärmeableitung verbessert, sodass die Größe des Halbleiterelements 2 reduziert werden kann.
  • <Zweite Ausführungsform>
  • Eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung in einer zweiten Ausführungsform werden beschrieben. In der zweiten Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie jene der ersten Ausführungsform mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und wird deren detaillierte Beschreibung unterlassen.
  • 5 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung 102 in der zweiten Ausführungsform zeigt. 6 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung 102 zeigt. 6 zeigt einen entlang einer in 5 gezeigten Linie B-B' genommenen Querschnitt.
  • Der Metallblock 3 weist eine Vielzahl wärmeableitender Oberflächen 3B auf. Die Vielzahl wärmeableitender Oberflächen 3B ist auf der unteren Oberfläche des Metallblocks 3 positioniert. Hier umfasst der Metallblock 3 eine erste wärmeableitende Oberfläche 31 B und eine zweite wärmeableitende Oberfläche 32B. Sowohl die erste wärmeableitende Oberfläche 31 B als auch die zweite wärmeableitende Oberfläche 32B sind unter Zwischenschaltung des isolierenden Bauteils 7 mit einer oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 verbunden. Die Bonding-Oberfläche 3A des Metallblocks 3 ist zwischen der ersten wärmeableitenden Oberfläche 31 B und der zweiten wärmeableitenden Oberfläche 32B positioniert.
  • Der Metallblock 3 erstreckt sich vom Bonding-Teilbereich zwischen der Bonding-Oberfläche 3A und der vorderseitigen Oberflächenelektrode 2A des Halbleiterelements 2 zur Außenseite des Halbleiterelements 2 über eine erste Seite (die obere Seite in 5) des Halbleiterelements 2 hinaus und ist nach unten gebogen. Eine untere Oberfläche des nach unten gebogenen Teilbereichs ist die erste wärmeableitende Oberfläche 31 B. Der Metallblock 3 erstreckt sich vom Bonding-Teilbereich zur Außenseite des Halbleiterelements 2 über eine der ersten Seite des Halbleiterelements 2 entgegengesetzte zweite Seite (die untere Seite in 5) hinaus und ist nach unten gebogen. Eine untere Oberfläche des gebogenen Teilbereichs ist die zweite wärmeableitende Oberfläche 32B. Der Metallblock 3 in der zweiten Ausführungsform hat eine U-förmige Querschnittsform und ist so angeordnet, dass er sich über zwei Seiten des Halbleiterelements 2 spannt.
  • Das isolierende Bauteil 7 ist ein isolierender Harzfilm, der auf einer oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 ausgebildet ist. Der isolierende Harzfilm ist in einem Bereich mit Ausnahme eines Die-Pad-Bereichs, an den die rückseitige Oberflächenelektrode des Halbleiterelements 2 gebondet ist, und eines (nicht gezeigten) Bereichs zum Anschluss-Bonden, an den der zweite Hauptanschluss 4B gebondet ist, ausgebildet.
  • Das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 102 ist in der zweiten Ausführungsform ist ähnlich dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung in der ersten Ausführungsform. Jedoch wird in Schritt S1 ein Wärmespreizer 1, der mit dem isolierenden Harzfilm vorher in einem Bereich mit Ausnahme des Die-Pad-Bereichs und des Bereichs zum Anschluss-Bonden beschichtet ist, vorbereitet. Das Halbleiterelement 2 wird auf dem Die-Pad-Bereich des Wärmespreizers 1 montiert. Da der Die-Pad-Bereich von dem isolierenden Harzfilm umgeben ist, strömt zu dieser Zeit das Lötmetall nicht zur Peripherie des Die-Pad-Bereichs aus. In Schritt S2 wird die Bonding-Oberfläche 3A des Metallblocks 3 an die vorderseitige Oberflächenelektrode 2A des Halbleiterelements 2 gebondet und werden die erste wärmeableitende Oberfläche 31 B und die zweite wärmeableitende Oberfläche 32B unter Zwischenschaltung des isolierenden Harzfilms mit dem Wärmespreizer 1 verbunden.
  • In dieser Halbleitervorrichtung 102 wird, da der Metallblock 3 die Vielzahl wärmeableitender Oberflächen 3B aufweist, die Wärmeableitung verbessert. Beispielsweise kann die Chip-Temperaturverteilung des IGBT nivelliert bzw. ausgeglichen werden.
  • Da die wärmeableitende Oberfläche 3B des Metallblocks 3 unter Zwischenschaltung des dünnen isolierenden Harzfilms nahe an der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 liegt, wird eine günstige Wärmeableitung erhalten. Da die Dicke des isolierenden Harzfilms eine hohe Gleichmäßigkeit aufweist, wird darüber hinaus eine gleichmäßige Wärmeableitung auf jeder wärmeableitenden Oberfläche 3B erzielt. Da es nicht notwendig ist, das isolierende Bauteil 7 wie in der ersten Ausführungsform einzufügen, wird die Produktivität verbessert.
  • In der zweiten Ausführungsform wurde ein Beispiel der Halbleitervorrichtung 102 gezeigt, bei der sich der Metallblock 3 zur Außenseite der beiden Seiten des Halbleiterelements 2 erstreckt. Der Metallblock 3 kann sich zur Außenseite der drei Seiten des Halbleiterelements 2 erstrecken. Indem man drei wärmeableitende Oberflächen 3B vorsieht, wird die Wärmeableitung weiter verbessert.
  • <Dritte Ausführungsform>
  • Eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung in einer dritten Ausführungsform werden beschrieben. In der dritten Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie jene der ersten oder zweiten Ausführungsform mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und wird deren Beschreibung unterlassen.
  • 7 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung 103 in der dritten Ausführungsform zeigt. 8 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung 103 zeigt. 8 zeigt einen entlang einer in 7 gezeigten Linie C-C' genommenen Querschnitt.
  • Der Metallblock 3 weist einen ausgesparten bzw. vertieften Teilbereich 3D auf. Der vertiefte Teilbereich 3D ist auf der unteren Oberfläche des Metallblocks 3 angeordnet. Der vertiefte Teilbereich 3D ist in der Richtung von der unteren Oberfläche zur oberen Oberfläche des Metallblocks 3 in Bezug auf die Bonding-Oberfläche 3A vertieft.
  • Der vertiefte Teilbereich 3D ist außerhalb eines Bonding-Teilbereichs angeordnet, wo die Bonding-Oberfläche 3A und die vorderseitige Oberflächenelektrode 2A des Halbleiterelements gebondet sind. Der vertiefte Teilbereich 3D in der dritten Ausführungsform ist eine Vertiefung bzw. Rille, die oberhalb des Abschlussbereichs 2C des Halbleiterelements 2, das heißt oberhalb des Schutzrings, angeordnet ist. Die Verlaufsrichtung der Rille entspricht der Verlaufsrichtung des Schutzrings.
  • Das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 103 ist ähnlich dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung in der ersten Ausführungsform. In Schritt S4 verbessert, wenn das Harz in die Form eingespritzt wird, die Rille des Metallblocks 3 die Fluidität des Harzes oberhalb des Schutzrings. Daher wird die Erzeugung von Luftblasen unterdrückt und wird die Isolierungseigenschaft verbessert. Diese Halbleitervorrichtung 103 verhindert eine Abnahme der Stehspannung des Schutzrings.
  • <Vierte Ausführungsform>
  • Eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung in einer vierten Ausführungsform werden beschrieben. In der vierten Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie jene von irgendeiner der ersten bis dritten Ausführungsformen mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und wird deren detaillierte Beschreibung unterlassen.
  • 9 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung 104 in der vierten Ausführungsform zeigt. 10 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung 104 zeigt. 10 zeigt einen entlang einer in 9 gezeigten Linie D-D' genommenen Querschnitt.
  • Wie bei der dritten Ausführungsform weist der Metallblock 3 eine oberhalb des Schutzrings angeordnete Rille als den vertieften Teilbereich 3D auf. Der Metallblock 3 in der vierten Ausführungsform weist ein zwischen dem unteren Teilbereich der Rille und der oberen Oberfläche des Metallblocks 3 durchgehendes Loch 3E auf.
  • Das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 104 ist ähnlich dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung in der ersten Ausführungsform. In Schritt S4 entweichen, wenn das Harz in die Form eingespritzt wird, Luftblasen leicht aus dem Loch 3E. Diese Halbleitervorrichtung 104 verhindert eine Abnahme der Stehspannung des Schutzrings.
  • <Fünfte Ausführungsform>
  • Eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung in einer fünften Ausführungsform werden beschrieben. In der fünften Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie jene der ersten bis vierten Ausführungsformen mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und wird deren detaillierte Beschreibung unterlassen.
  • 11 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung 105 in der fünften Ausführungsform zeigt. 12 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung 105 zeigt. 12 zeigt einen entlang einer in 11 gezeigten Linie E-E' genommenen Querschnitt.
  • Das isolierende Bauteil 7 zwischen der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 und der wärmeableitenden Oberfläche 3B des Metallblocks 3 ist ein Versiegelungsmaterial 8. Das heißt, das isolierende Bauteil 7 ist aus einem Gießharz gebildet. Um die Wärmeableitung vom Metallblock 3 zum Wärmespreizer 1 zu verbessern, ist es vorzuziehen, dass das Gießharz zwischen der wärmeableitenden Oberfläche 3B und dem Wärmespreizer 1 dünn ist, solange eine notwendige Stehspannung gewährleistet wird.
  • Das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 105 ist ähnlich dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung in der ersten Ausführungsform. Jedoch werden in Schritt S2 der Metallblock 3 und dergleichen in einem Zustand gebondet, in dem ein Spalt zwischen der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 und der wärmeableitenden Oberfläche 3B des Metallblocks 3 ausgebildet ist. Das heißt, nach Abschluss des Schritts S2 ist das isolierende Bauteil 7 nicht zwischen der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 und der wärmeableitenden Oberfläche 3B des Metallblocks 3 vorhanden. In Schritt S4 lässt man Harz in den Spalt zwischen der wärmeableitenden Oberfläche 3B des Metallblocks 3 und der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 strömen und wird das isolierende Bauteil 7 gebildet.
  • Das in den Spalt zwischen der wärmeableitenden Oberfläche 3B des Metallblocks 3 und der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 eingespritzte Gießharz erzielt sowohl eine isolierende Funktion zwischen dem Metallblock 3 und dem Wärmespreizer 1 als auch eine wärmeableitende Funktion vom Metallblock 3 zum Wärmespreizer 1. Da das in der ersten Ausführungsform gezeigte isolierende Bauteil 7 und der in der zweiten Ausführungsform gezeigte isolierende Harzfilm unnötig sind, wird eine Kostenreduzierung erreicht.
  • <Sechste Ausführungsform>
  • Eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung in einer sechsten Ausführungsform werden beschrieben. In der sechsten Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie jene von irgendeiner der ersten bis fünften Ausführungsformen mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und wird deren detaillierte Beschreibung unterlassen.
  • 13 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung 106 in der sechsten Ausführungsform zeigt. 14 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung 106 zeigt. 14 zeigt einen entlang einer in 13 gezeigten Linie F-F' genommenen Querschnitt. Das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 106 ist ähnlich dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung in der ersten Ausführungsform. In Schritt S5 wird das Harz von den zwei Einspritzkanälen 8A aus eingespritzt. 13 und 14 zeigen die Halbleitervorrichtung 106 in einem Zustand, bevor das in den Einspritzkanälen 8A ausgehärtete Harz abgeschnitten ist.
  • Der Metallblock 3 weist geneigte Oberflächen 3F an Endteilbereichen der wärmeableitenden Oberfläche 3B auf.
  • In Schritt S4 des Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 106 sind die Einspritzkanäle 8A zum Einspritzen des Harzes in der lateralen Richtung des Spalts zwischen der wärmeableitenden Oberfläche 3B des Metallblocks 3 und der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 angeordnet. Die Höhe der Einspritzkanäle 8A stimmt annähernd überein mit der Höhe der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1. Das Harz wird durch die Einspritzkanäle 8A in den Hohlraum der Form gefüllt.
  • Um Wärme von der wärmeableitenden Oberfläche 3B des Metallblocks 3 effizient zum Wärmespreizer 1 zu übertragen, ist es vorzuziehen, dass der Spalt zwischen der wärmeableitenden Oberfläche 3B und der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1 schmal ist. Da das Harz viskos ist, ist es jedoch schwierig, einen schmalen Zwischenraum zu füllen. Wenn der Spalt zu schmal ist, wird der Spalt nicht mit dem Harz gefüllt und werden der Kollektor und der Emitter des IGBT kurzgeschlossen. In der sechsten Ausführungsform sind die Einspritzkanäle 8A bei im Wesentlichen der gleichen Höhe wie die obere Oberfläche des Wärmespreizers 1 angeordnet. Das von den Einspritzkanälen 8A eingespritzte Harz strömt entlang der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1, wird weiter durch die geneigte Oberfläche 3F des Metallblocks 3 geleitet, und der Spalt wird mit dem Harz effizient gefüllt. Infolgedessen wird die Halbleitervorrichtung 106 realisiert, die sowohl die Sicherstellung der Isolationseigenschaft als auch eine Verbesserung der Wärmeableitung erreicht. Auch wenn der Metallblock 3 anstelle der geneigten Oberfläche 3F eine gekrümmte Oberfläche aufweist, wird ein ähnlicher Effekt erhalten.
  • <Siebte Ausführungsform>
  • Eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung in einer siebten Ausführungsform werden beschrieben. In der siebten Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie jene von irgendeiner der ersten bis sechsten Ausführungsformen mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und wird deren detaillierte Beschreibung unterlassen.
  • 15 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung 107 in der siebten Ausführungsform zeigt. 16 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung 107 zeigt. 16 zeigt einen entlang einer in 15 gezeigten Linie G-G' genommenen Querschnitt. Wie in der sechsten Ausführungsform zeigt 15 die Halbleitervorrichtung 107 in einem Zustand, bevor das in den Einspritzkanälen 8A ausgehärtete Harz abgeschnitten ist.
  • Der Metallblock 3 weist eine Vielzahl schmaler Rillen 3G auf der wärmeableitenden Oberfläche 3B auf. Die Verlaufsrichtung der streifenförmigen schmalen Rille 3G ist eine Richtung vom Einspritzkanal 8A in Richtung des Spalts zwischen der wärmeableitenden Oberfläche 3B des Metallblocks 3 und der oberen Oberfläche des Wärmespreizers 1. Mit anderen Worten ist der Einspritzkanal 8A an einem Zielort angeordnet, wo sich die schmale Rille 3G erstreckt. Da das vom Einspritzkanal 8A eingespritzte Harz entlang der streifenförmigen schmalen Rille 3G eingefüllt wird, wird die Fülleigenschaft weiter verbessert.
  • In der vorliegenden Offenbarung kann jede Ausführungsform frei kombiniert werden und kann jede Ausführungsform geeignet modifiziert oder weggelassen werden.
  • ERLÄUTERUNG DER BEZUGSZEICHEN
    • 1
    Wärmespreizer
    2
    Halbleiterelement
    2A
    vorderseitige Oberflächenelektrode
    2B
    Steuerelektrode
    2C
    Abschlussbereich
    3
    Metallblock
    3A
    Bonding-Oberfläche
    3B
    wärmeableitende Oberfläche
    3C
    Durchgangsloch
    3D
    vertiefter Teilbereich
    3E
    Loch
    3F
    geneigte Oberfläche
    3G
    schmale Rille
    4A
    erster Hauptanschluss
    4B
    zweiter Hauptanschluss
    5
    Signalanschluss
    6
    Metalldraht
    7
    isolierendes Bauteil
    8
    Versiegelungsmaterial
    8A
    Einspritzkanal
    9
    Isolierfolie
    9A
    Isolierschicht
    9B
    Kupferfolie
    11
    Kühler
    12
    wärmeableitende Paste
    15
    Bonding-Material
    16
    Bonding-Material
    17
    Bonding-Material
    31B
    erste wärmeableitende Oberfläche
    32B
    zweite wärmeableitende Oberfläche
    101 bis 107
    Halbleitervorrichtung
  • 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 2003258166 [0003]

Claims (16)

  1. Halbleitervorrichtung, aufweisend: einen Wärmespreizer; ein Halbleiterelement, das eine vorderseitige Oberflächenelektrode aufweist, wobei das Halbleiterelement auf einer oberen Oberfläche des Wärmespreizers montiert ist; einen Metallblock, der eine Bonding-Oberfläche, die an die vorderseitige Oberflächenelektrode des Halbleiterelements gebondet ist, und zumindest eine wärmeableitende Oberfläche aufweist, die unter Zwischenschaltung eines isolierenden Bauteils mit der oberen Oberfläche des Wärmespreizers verbunden ist, wobei sich der Metallblock von der Bonding-Oberfläche zu der zumindest einen wärmeableitenden Oberfläche so erstreckt, dass er sich oberhalb zumindest einer Seite des Halbleiterelements spannt; einen Anschluss, der ein erstes Ende, das an den Metallblock gebondet ist, und ein zweites Ende aufweist, das auf einer vom ersten Ende aus entgegengesetzten Seite positioniert und so ausgebildet ist, dass es mit einer externen Schaltung verbunden werden kann; und ein Versiegelungsmaterial, das den Wärmespreizer, das Halbleiterelement, den Metallblock und das erste Ende des Anschlusses versiegelt, wobei das zweite Ende des Anschlusses aus dem Versiegelungsmaterial freigelegt ist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Metallblock ein Durchgangsloch in der Bonding-Oberfläche aufweist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das isolierende Bauteil ein isolierender Harzfilm ist, der auf der oberen Oberfläche des Wärmespreizers angeordnet ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zumindest eine wärmeableitende Oberfläche eine Vielzahl wärmeableitender Oberflächen ist, die Bonding-Oberfläche zwischen der Vielzahl wärmeableitender Oberflächen positioniert und an die vorderseitige Oberflächenelektrode gebondet ist und sich der Metallblock von der Bonding-Oberfläche zu der Vielzahl wärmeableitender Oberflächen so erstreckt, dass er sich oberhalb einer Vielzahl von Seiten des Halbleiterelements spannt.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Metallblock einen vertieften Teilbereich außerhalb eines Bonding-Teilbereichs aufweist, in dem die Bonding-Oberfläche und die vorderseitige Oberflächenelektrode gebondet sind, und der vertiefte Teilbereich in einer Richtung von einer unteren Oberfläche des Metallblocks in Richtung der oberen Oberfläche bezüglich der Bonding-Oberfläche vertieft ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Metallblock ein Loch aufweist, das zwischen einem unteren Teilbereich des vertieften Teilbereichs und der oberen Oberfläche des Metallblocks durchgeht.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Metallblock aus einem Material mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 7 ppm/°C oder mehr und 12 ppm/°C oder weniger gebildet ist.
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Halbleiterelement aus SiC gebildet ist.
  9. Halbleitervorrichtung, aufweisend: einen Wärmespreizer; ein Halbleiterelement, das eine vorderseitige Oberflächenelektrode aufweist, wobei das Halbleiterelement auf einer oberen Oberfläche des Wärmespreizers montiert ist; einen Metallblock, der eine Bonding-Oberfläche, die an die vorderseitige Oberflächenelektrode des Halbleiterelements gebondet ist, und zumindest eine wärmeableitende Oberfläche aufweist, die unter Zwischenschaltung eines isolierenden Bauteils mit der oberen Oberfläche des Wärmespreizers verbunden ist, wobei sich der Metallblock von der Bonding-Oberfläche zu der zumindest einen wärmeableitenden Oberfläche so erstreckt, dass er sich oberhalb zumindest einer Seite des Halbleiterelements spannt; und ein Versiegelungsmaterial, das den Wärmespreizer, das Halbleiterelement und den Metallblock versiegelt, wobei es sich bei dem isolierenden Bauteil um das Versiegelungsmaterial handelt.
  10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Metallblock eine Vielzahl schmaler Rillen in der wärmeableitenden Oberfläche aufweist und Verlaufsrichtungen der Vielzahl schmaler Rillen unidirektional ausgerichtet sind.
  11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Metallblock eine geneigte Oberfläche oder eine gekrümmte Oberfläche an einem Endteilbereich der wärmeableitenden Oberfläche aufweist.
  12. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Metallblock aus einem Material mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 7 ppm/°C oder mehr und 12 ppm/°C oder weniger gebildet ist.
  13. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Halbleiterelement aus SiC gebildet ist.
  14. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Montieren eines Halbleiterelements auf einer oberen Oberfläche eines Wärmespreizers; und Fixieren eines Metallblocks so, dass er sich über zumindest eine Seite des Halbleiterelements spannt, wobei der Schritt zum Fixieren des Metallblocks umfasst: einen Schritt zum Bonden einer Bonding-Oberfläche des Metallblocks an eine vorderseitige Oberflächenelektrode des Halbleiterelements; und einen Schritt zum Verbinden einer wärmeableitenden Oberfläche des Metallblocks mit der oberen Oberfläche des Wärmespreizers unter Zwischenschaltung eines isolierenden Bauteils, der Schritt zum Verbinden der wärmeableitenden Oberfläche des Metallblocks einen Schritt zum Einspritzen eines Versiegelungsmaterials zum Versiegeln des Wärmespreizers, des Halbleiterelements und des Metallblocks als das isolierende Bauteil in einen Spalt zwischen der wärmeableitenden Oberfläche des Metallblocks und der oberen Oberfläche des Wärmespreizers umfasst und das Versiegelungsmaterial durch einen Einspritzkanal eingespritzt wird, der in einer lateralen Richtung des Spalts zwischen der wärmeableitenden Oberfläche des Metallblocks und der oberen Oberfläche des Wärmespreizers angeordnet ist.
  15. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, wobei eine Höhe des Einspritzkanals mit einer Höhe der oberen Oberfläche des Wärmespreizers übereinstimmt.
  16. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Metallblock eine Vielzahl schmaler Rillen in der wärmeableitenden Oberfläche aufweist und Verlaufsrichtungen der Vielzahl schmaler Rillen eine Richtung vom Einspritzkanal in Richtung des Spalts sind.
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