DE19721061A1

DE19721061A1 - Halbleitermodul

Info

Publication number: DE19721061A1
Application number: DE19721061A
Authority: DE
Inventors: Takatoshi Kobayashi; Toshifusa Yamada
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-05-21
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 1997-11-27
Also published as: JPH09312357A; US5767576A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, an dem mehrere Leistungstransistormodule angebracht sind.

Fig. 3(a) ist eine Explosionsansicht eines herkömmlichen Halb leitermoduls, das zwei Halbleiterchips (IGBTs 5, 5) aufnimmt, Fig. 3(b) eine isometrische Ansicht eines herkömmlichen Halb leitermoduls und Fig. 3(c) eine äquivalente Schaltung zu dem herkömmlichen Halbleitermodul. Unter Bezug auf Fig. 3(a) und 3(b) umfaßt das herkömmliche Halbleitermodul nun eine Packung aus einer Metallgrundplatte 1 aus Kupfer zur Wärmeabstrahlung, einem Harzgehäuse 2 und einem Anschlußblock 3. In Fig. 3(a) sind zwei Keramiksubstrate 4, 4 nebeneinander angeordnet und auf die Metallgrundplatte 1 gebondet. An jeder Metallgrundplat te 1 sind ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gateelek trode) 5 und eine Freilaufdiode 6 angebracht. Das Keramik substrat 4 ist ein Kupfersubstrat zum Direktbonden, das aus ei ner Keramikplatte aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumni trid (AlN) sowie Kupferfolien besteht, die direkt an die Ober- und Unterseite bzw. Bodenseite der Keramikplatte gebondet sind. Die Kupferfolie an der Oberseite der Keramikplatte ist in Ent sprechung zu dem Kollektor, Emitter und dem Gate des IGBT 5 strukturiert. Die Kupferfolie an der Bodenseite der Keramik platte ist flach, so daß die Bodenkupferfolie direkt an die Me platte ist flach, so daß die Bodenkupferfolie direkt an die Me tallgrundplatte 1 gelötet werden kann. Die Anschlußsymbole sind in Fig. 3(b) und Fig. 3(c) beschrieben.

Bei der Montage des Halbleitermoduls an einer Vorrichtung wird die Metallgrundplatte 1 an einer Endfläche einer Kühlrippe und solchen Wärmeableitern angebracht und verschraubt, wobei Schrauben durch Löcher 1a, 1a eingeführt werden, die an beiden Enden der Grundplatte 1 gebohrt sind.

Das herkömmliche Halbleitermodul von Fig. 3(a), 3(b) und Fig. 3(c) unterliegt folgenden Problemen.

Bei einem Modul, bei dem Halbleiterchips auf mehreren Kera miksubstraten angebracht sind, steigen die Zahl der Bestandtei le und die Zusammenbaukosten, da in Entsprechung zu der Anzahl von Halbleiterchips, die an einem Modul angebracht werden sol len, mehrere Tafeln von Keramiksubstraten erforderlich sind.

Die Außenabmessungen des Moduls nehmen ebenfalls zu, da zwi schen den Keramiksubstraten ein vorbestimmter Abstand liegen sollte, wenn mehrere Keramiksubstrate verlötet werden, die ne beneinander auf einer Metallgrundplatte positioniert sind.

Die Zahl der Bestandteile und die Montageschritte können ver ringert werden, und die Abmessungen des Halbleitermoduls können reduziert werden, indem mehrere Halbleiterchips wie z. B. in Fig. 3(c) auf einer einzigen Tafel aus einem Keramiksubstrat angebracht werden. Allerdings wird ein Keramiksubstrat, auf dem viele Halbleiterchips angebracht sind, unweigerlich größer als das geteilte Keramiksubstrat, auf dem typischerweise ein Halb leiterchip angebracht ist. Da sich das größere Keramiksubstrat stärker biegen muß, wenn das Keramiksubstrat einer Wärmebean spruchung unterliegt, entstehen tendenziell Risse und Spalte in dem Keramiksubstrat, auf dem viele Halbleiterchips angebracht sind. Das Aluminiumnitridsubstrat, das eine hervorragende Wär meleitfähigkeit und Wärmestrahlung aufweist, ist nicht so zäh wie ein Aluminiumoxidsubstrat. Die Größe und Anwendbarkeit des Alu miniumnitridsubstrats sind begrenzt, da durch die Wärmebean spruchung oder die Biegebeanspruchung Risse und Spalten entste hen, wenn das Aluminiumnitridsubstrat an den Wärmeableiter ge schraubt wird.

Falls unter dem strukturierten Bereich, auf dem der Halbleiter chip oder die Chips angebracht sind, Risse und Spalten entste hen, während das Halbleitermodul in Betrieb ist, dann sinkt die dielektrische Festigkeit zwischen dem unter Spannung stehenden und dem nicht unter Spannung stehenden Abschnitt an der Seite der Metallgrundplatte, und es kann ferner zu Beschädigungen wie einem Erdschluß kommen.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten einen Klemmtest mit Klavierdraht durch, um die Biegefestigkeit des Keramik substrats zu untersuchen. Bei dem Test wurden Klavierdrähte mit einem Durchmesser von etwa 0,5 mm sandwichartig zwischen der Bodenseite der Metallgrundplatte des Halbleitermoduls und einer Flächenplatte angeordnet, die eine Kühlrippe imitierte. Weiter wurden Risse und Spalte, die durch die Biegelast entstanden, die durch das Verschrauben der Packung des Halbleitermoduls an der Flächenplatte ausgeübt wurde, sowie die Stellen untersucht, wo diese Risse und Spalte entstanden. Der Test brachte zutage, daß an unspezifizierten Stellen in dem Aluminiumnitridsubstrat Risse und Spalte entstehen. Die zufälligen Risse und Spalte senken die dielektrische Festigkeit und damit die Zuverlässig keit des Halbleitermoduls.

In Anbetracht des oben Gesagten liegt eine Aufgabe der Erfin dung darin, ein Halbleitermodul vorzusehen, das ein Keramik substrat umfaßt, auf dem mehrere Halbleiterchips angebracht sind, und bei dem leicht verhindert werden kann, daß Risse und Spalte, so diese in dem Keramiksubstrat entstehen sollten, wei tere Schäden wie eine Senkung der dielektrischen Festigkeit verursachen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Keramiksubstrat vorzusehen, bei dem leicht verhindert wer den kann, daß Risse und Spalte, so diese darin entstehen soll ten, weitere Schäden wie eine Senkung der dielektrischen Fe stigkeit verursachen.

Nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleitermodul vorgesehen, das eine Packung mit einem Harzge häuse und einer Metallgrundplatte umfaßt; ein an die Metall grundplatte gelötetes Keramiksubstrat, wobei die Metallgrund platte eine Oberseite und eine Unterseite umfaßt; mehrere mit einander verbundene Halbleiterchips; eine erste, an die Ober seite gebondete Kupferfolie sowie eine zweite, an die Untersei te gebondete Kupferfolie; wobei das Keramiksubstrat in mehrere Zonen eingeteilt ist, in denen jeweils ein Halbleiterchip ange bracht ist; wobei die erste Kupferfolie mit mehreren Strukturen strukturiert ist, die den mehreren Halbleiterchips entsprechen; wobei ferner zwischen den Zonen eine oder mehrere Schnapplinien gebildet sind.

Das Halbleitermodul nach der Erfindung ist derart aufgebaut, daß Risse und Spalten durch Biegebeanspruchung nicht zufällig an unspezifizierten Stellen des Keramiksubstrats entstehen, sondern auf die spezifizierte eine oder mehrere Zonen längs ei ner oder mehrerer Schnapplinien eingegrenzt sind. Da eine oder mehrere Schnapplinien zwischen den Zonen gebildet sind, an de nen Halbleiterchips angebracht sind, kommt es in dem Kera miksubstrat selbst dann nicht zu wesentlichen Isolationsproble men, wenn längs der einen oder mehreren Schnapplinien Risse und Spalten entstehen. Demnach ist die Zuverlässigkeit des Halblei termoduls der Erfindung verbessert, bei dem mehrere Halbleiter chips auf einem einzigen Aluminiumnitridkeramiksubstrat ange bracht sind. Da mehrere Halbleiterchips auf einem einzigen Alu miniumnitridkeramiksubstrat angebracht sind, sind die Anzahl der Bestandteile und Herstellungsschritte bei dem Halbleitermo dul der Erfindung reduziert.

Die eine oder mehreren Schnapplinien können an der Oberseite, der Bodenseite oder an beiden Seiten des Keramiksubstrats ge bildet sein.

Die eine oder mehreren Schnapplinien weisen vorteilhaft eine Tiefe von 0,2 t bis 0,3 t und eine Breite von 0,1 t bis 0,3 t auf, wobei t die Dicke des Keramiksubstrats ist.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein zusätzliches Mittel verwendet, das nicht für die Eingrenzung von Rissen und Spalten schädlich ist, die durch eine Biegebeanspruchung auf die spezi fizierte Zone oder die Zonen längs der einen oder mehreren Schnapplinien verursacht werden, um die dielektrische Festig keit zwischen den Kupferfolienstrukturen, an denen Halbleiter chips angebracht sind, und dem nicht unter Spannung stehenden Abschnitt an der Metallgrundplattenseite zu sichern.

Vorteilhaft liegen eine oder mehrere Leiterbrücken, deren Enden an die Strukturen der ersten Kupferfolie gelötet sind, über den Schnapplinien.

Alternativ umfaßt die erste Kupferfolie einen oder mehrere ge krümmte Überbrückungsabschnitte, die zu den Strukturen der er sten Kupferfolie kontinuierlich sind und über den Schnapplinien liegen.

Als weitere Alternative umfaßt die erste Kupferfolie einen oder mehrere Verbindungsabschnitte, die zu den Strukturen der ersten Kupferfolie kontinuierlich sind, nicht an das Keramiksubstrat gebondet sind und über den Schnapplinien liegen.

Die obengenannten eine oder mehrere Leiterbrücken, die gekrümm ten Überbrückungsabschnitte oder Verbindungsabschnitte erleich tern die Sicherung der elektrischen Verbindung zwischen den Kupferfolienstrukturen an der Seite des unter Spannung stehen den Abschnitts, selbst wenn Risse und Spalte verursacht werden. Die eine oder mehreren Leiterbrücken, die gekrümmten Überbrüc kungsabschnitte oder Verbindungsabschnitte sind nicht schädlich für die sichere Eingrenzung von Rissen und Spalten, die durch eine Biegebeanspruchung auf die spezifizierte Zone oder Zonen längs einer oder mehrerer Schnapplinien verursacht werden, noch zum Sicherstellen eines ausreichenden Kriechabstands zwischen den ersten Kupferfolienstrukturen an der Seite des unter Span nung stehenden Abschnitts, wo die Halbleiterchips angebracht sind, und der zweiten Kupferfolie, die an die Metallgrundplatte an der Seite des nicht unter Spannung stehenden Abschnitts ge bondet sind.

Nun wird die vorliegende Erfindung im einzelnen unter Bezug auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen erläutert, die die be vorzugten Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen. In den Figuren sind die gleichen Teile wie in Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Fig. 1(a) ist eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Halb leitermoduls nach der Erfindung von oben, und Fig. 1(b) ein Querschnitt des Keramiksubstrats von Fig. 1(a). Unter Bezug auf Fig. 1(a) und 1(b) ist nun ein Keramiksubstrat 4 an eine Me tallgrundplatte 1 gelötet. Ein Satz aus einem IGBT 5 und einer Freilaufdiode 6 ist an der rechten Seite und ein weiterer Satz an der linken Seite an dem Keramiksubstrat 4 angebracht. Zwei Halbbrückenschaltungen von Fig. 3(c) sind gebildet, indem der rechte und der linke Satz aus dem IGBT 5 und einer Freilaufdi ode 6 auf dem Keramiksubstrat 4 miteinander verbunden sind.

Das Keramiksubstrat 4 ist ein Kupfersubstrat zum Direktbonden, das aus einer Keramikplatte 4a aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AlN) sowie Kupferfolien 4b und 4c besteht, die direkt an die Ober- bzw. Unterseite der Keramikplatte gebondet sind. Die an die Oberseite der Keramikplatte 4a gebondete Kup ferfolie 4b ist in zwei Strukturzonen A und B unterteilt, wie dies in Fig. 1(a) gezeigt ist. In der Strukturzone A ist die Kupferfolie 4b in Entsprechung zu dem Kollektor C1, dem Emitter E1 und dem Gate G1 eines IGBT 5 strukturiert. In der Struktur zone B ist die Kupferfolie 4b in Entsprechung zu dem Kollektor C2, dem Emitter E2 und dem Gate G2 eines weiteren IGBT 5 struk turiert. Das Keramiksubstrat 4 ist über die Kupferfolie 4c an die Metallgrundplatte 1 gelötet, die an die Bodenseite des Ke ramiksubstrats 4 gebondet ist.

Eine Schnapplinie 7, die aus einer Nut mit V-förmigem Quer schnitt besteht, wird gebildet, indem die Oberfläche der Kera mikplatte 4b längs der Grenze zwischen den Zonen A und B ge ritzt wird. Die Schnapplinie 7 ist an der Oberseite der Kera mikplatte 4a gebildet, wie dies in Fig. 1(b) gezeigt ist. Die Schnapplinie 7 kann auch an der Ober- und Bodenseite der Kera mikplatte 4a gebildet sein, wie dies in Fig. 2(c) gezeigt ist.

Die Schnapplinie 7 ist längs der Grenze zwischen den Struktur zonen angeordnet, um die Risse und Spalte einzugrenzen, die durch die mechanische Beanspruchung verursacht werden, während die Packung des Halbleitermoduls an die Kühlrippe geschraubt wird, oder durch die Wärmebeanspruchung, die von dem Wärmezy klus erzeugt wird, während die Halbleitervorrichtung in dem Mo dul arbeitet; ferner entlang der Strukturzonengrenze, und um zu verhindern, daß Risse und Spalte zufällig an unspezifizierten Stellen des Keramiksubstrats entstehen, so daß die dielektri sche Festigkeit des Keramiksubstrats nicht vermindert werden kann. Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, daß die Nutentiefe "a" der Schnapplinie 7 bevorzugt von 0,2 t bis 0,3 t und die Breite "b" von 0,1 t bis 0,3 t bezüglich der Dicke "t" (z. B. 0,635 mm) der Keramikplatte 4a eingestellt wird.

Die folgenden Mittel werden verwendet, um eine sichere elektri sche Verbindung zwischen den strukturierten Kupferfolien 4b, 4b, genauer die elektrische Verbindung zwischen der Kupferfoli enstruktur E1 in der Zone A und der Kupferfolienstruktur C2 in der Zone B herzustellen und einen Abbau der Isolierung zwischen dem unter Spannung stehenden Abschnitt und dem nicht unter Spannung stehenden Abschnitt an der Seite der Metallgrundplatte zu verhindern.

In Fig. 1(b) liegt eine einzelne gekrümmte Leiterbrücke 8 über der Ritzlinie 7. Beide Enden der Leiterbrücke 8 sind an die Strukturzonen A und B gelötet. Die Leiterbrücke 8 verbindet die Kupferfolienstrukturen E1 und C2 miteinander.

In Fig. 2(a) liegt ein gekrümmter Überbrückungsabschnitt 4d über der Ritzlinie 7. Der Überbrückungsabschnitt 4d verbindet die Kupferfolienstrukturen E1 und C2 miteinander. Der Überbrüc kungsabschnitt 4d wird gleichzeitig als Teil der strukturierten Kupferfolie 4b gebildet, wenn diese gebildet wird.

In Fig. 2(b) liegt eine Verbinderstruktur 4e der strukturierten Kupferfolie 4b über der Ritzlinie 7. Die Verbinderstruktur 4e verbindet die Kupferfolienstrukturen E1 und C2 miteinander. Die Verbinderstruktur 4e ist nicht an die Keramikplatte 4a gebon det, sondern derart gekrümmt, daß sie über der Fläche der Kera mikplatte 4a schwebt.

Da ein Strukturverbindungsabschnitt ausgebildet ist, der über der Schnapplinie 7 liegt und nicht an das Substrat gebondet ist, reißt oder spaltet sich das Keramiksubstrat 4 wie beab sichtigt längs der Ritzlinie 7, wenn auf das Keramiksubstrat 4 eine Biegebeanspruchung ausgeübt wird. Falls das Keramik substrat 4 reißt oder sich spaltet, dann wird ein ausreichender Kriechabstand zwischen der strukturierten Kupferfolie 4b an der Seite des unter Spannung stehenden Abschnitts und der Kupferfo lie 4c aufrechterhalten, die an die Metallgrundplatte 1 gelötet ist, und es wird verhindert, daß die dielektrische Festigkeit des Keramiksubstrats absinkt.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein Leistungsmodul be schränkt, bei dem zwei IGBTs und Freilaufdioden auf einem Kera miksubstrat angebracht sind. Dem Fachmann ist klar, daß die vorliegende Erfindung auf ein Leistungsmodul anzuwenden ist, bei dem mehr als zwei, z. B. vier, sechs usw. IGBTs und Frei laufdioden auf einem Keramiksubstrat angebracht sind.

Erfindungsgemäß sind die Bestandteile, Herstellungsschritte und Abmessungen des Halbleitermoduls reduziert, indem mehrere Halb leiterchips auf einem einzigen Keramiksubstrat angebracht sind, und ein Absinken der dielektrischen Festigkeit wird verhindert, indem eine Schnapplinie (oder Schnapplinien) auf dem Kera miksubstrat außerhalb der strukturierten Kupferfolienzonen ge bildet sind, wo die Halbleiterchips angebracht sind, so daß verhindert wird, daß Risse und Spalte zufällig an unspezifi zierten Stellen des Keramiksubstrats entstehen. Die Risse und Spalte, die durch die Biegebeanspruchung und die Wärmebeanspru chung entstehen, die auf das Keramiksubstrat ausgeübt werden, während das Halbleitermodul an der Kühlrippe befestigt wird, sind absichtlich auf die Schnapplinie (oder Schnapplinien be grenzt, wobei verhindert wird, daß sie zufällig an unspezifi zierten Stellen des Keramiksubstrats entstehen. Demnach kann das Aluminiumnitridsubstrat, das eine hervorragende Wärmeab strahlung, aber nicht genügend Zähigkeit besitzt, leicht eine breitere Anwendung finden, und die Zuverlässigkeit der Halblei termodule, bei denen ein Aluminiumnitridsubstrat verwendet wird, ist verbessert.

Figurenbeschreibung

Fig. 1(a) ist eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Halbleitermoduls nach der Erfindung von oben.

Fig. 1(b) ist ein vergrößerter Querschnitt des Keramik substrats von Fig. 1(a).

Fig. 2(a) ist ein weiterer vergrößerter Querschnitt des Keramiksubstrats.

Fig. 2(b) ist noch ein vergrößerter Querschnitt des Kera miksubstrats.

Fig. 2(c) ist ein anderer vergrößerter Querschnitt des Ke ramiksubstrats.

Fig. 3(a) ist eine Explosionsansicht eines herkömmlichen Halbleitermoduls, in dem zwei Halbleiterchips aufgenommen sind.

Fig. 3(b) ist eine isometrische Ansicht des herkömmlichen Halbleitermoduls.

Fig. 3(c) ist die äquivalente Schaltung zu dem herkömmli chen Halbleitermodul.

Bezugszeichenliste

1 Metallgrundplatte
1a Schraubloch
2 Harzgehäuse
3 Anschlußblock
4 Keramiksubstrat
4a Keramikplatte
4b Kupferfolienstruktur
4c Kupferfolie an der Bodenflächenseite
4d Überbrückungsabschnitt
4e Verbindungsstruktur
5 IGBT (Halbleiterchip)
7 Schnapplinie
8 Leiterbrücke

Claims

1. Halbleitermodul, das folgendes umfaßt:
eine Packung mit einem Harzgehäuse (2) und einer Metall grundplatte (1);
ein an die Metallgrundplatte gelötetes Keramiksubstrat (4), wobei das Keramiksubstrat eine Keramikplatte (4a) mit ei ner Oberseite und einer Unterseite umfaßt;
mehrere miteinander verbundene Halbleiterchips;
eine erste, an die Oberseite gebondete Kupferfolie (4b) sowie eine zweite, an die Bodenseite gebondete Kupferfolie (4c);
wobei das Keramiksubstrat in mehrere Zonen aufgeteilt ist, in denen jeweils ein Halbleiterchip angebracht ist;
wobei die erste Kupferfolie (4b) mit mehreren Strukturen strukturiert ist, die den mehreren Halbleiterchips entsprechen;
wobei ferner zwischen den Zonen eine oder mehrere Schnapplinien (7) gebildet sind.

2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, bei welchem eine oder meh rere Schnapplinien (7) an der Oberseite des Keramiksubstrats (4) gebildet sind.

3. Halbleitermodul nach Anspruch 1, bei welchem eine oder meh rere Schnapplinien (7) an der Bodenseite des Keramiksubstrats (4) gebildet sind.

4. Halbleitermodul nach Anspruch 1, bei welchem die mehreren Schnapplinien (7) an der Oberseite und der Bodenseite des Kera miksubstrats (4) gebildet sind.

5. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei wel chem die eine oder mehreren Schnapplinien (7) eine Tiefe von 0,2 t bis 0,3 t und eine Breite von 0,1 t bis 0,3 t aufweisen, wo bei t die Dicke der Keramikplatte (4a) ist.

6. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei wel chem die Keramikplatte (4a) des Keramiksubstrats (4) aus Alumi niumnitrid besteht.

7. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner eine oder mehrere Leiterbrücken (8) über den Schnapplinien (7) aufweist, wobei die eine oder mehreren Leiterbrücken (8) zwei Enden aufweisen, die an die Strukturen der ersten Kupferfolie (4b) gelötet sind.

8. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei wel chem die erste Kupferfolie (4b) eine oder mehrere gekrümmte Überbrückungsabschnitte (4d) aufweist, wobei die Überbrückungs abschnitte (4d) über den Schnapplinien (7) liegen und die eine oder mehreren Überbrückungsabschnitte kontinuierlich zu den Strukturen der ersten Kupferfolie (4b) sind.

9. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei wel chem die erste Kupferfolie (4b) einen oder mehrere Verbindungs abschnitte (4e) aufweist, wobei die Verbindungsabschnitte (4e) über den Schnapplinien (7) liegen, der eine oder mehrere Ver bindungsabschnitte zu den Strukturen der ersten Kupferfolie (4b) kontinuierlich sind und die einen oder mehreren Verbin dungsabschnitte nicht an die Keramikplatte gebondet sind.