DE19952966A1 - Modular semiconductor device, e.g. a power semiconductor module, has a tin-soldered heat sink of reduced thickness relative to the tin solder layer - Google Patents
Modular semiconductor device, e.g. a power semiconductor module, has a tin-soldered heat sink of reduced thickness relative to the tin solder layerInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine modulartige Halbleitervorrichtung, welche einen Wärmeleitungssockel hat, der an einem Kühlkörper bzw. einer Wärmesenke zum Zwecke der Kühlung festgemacht werden kann, und welche Vorrichtung eine Stapelstruktur hat, bei der Lötzinn, die zweite leitfähige Schicht, ein isolierendes Substrat, die erste leitfähige Schicht und ein Halbleiterelement auf dem Wärmeleitungssockel vorgesehen sind.The present invention relates to a modular one Semiconductor device which has a heat conduction base the on a heat sink or a heat sink for the purpose of Cooling can be fixed, and which device one In the case of solder, the stack structure has the second conductive one Layer, an insulating substrate, the first conductive Layer and a semiconductor element on the heat conduction base are provided.
Auf dem Gebiet der Halbleiterelemente, wie den Leistungsschaltelementen, sind modulartige Halbleitervorrichtungen, bei welchen ein oder mehrere Halbleiterelemente in einem Paket untergebracht sind, allgemein bekannt.In the field of semiconductor elements such as the Power switching elements are modular Semiconductor devices in which one or more Semiconductor elements are housed in one package, well known.
Fig. 1 ist eine typische Ansicht, welche die schematische Struktur einer konventionellen, modulartigen Halbleitervorrichtung zeigt. Bei dieser modulartigen Halbleitervorrichtung, werden bezüglich eines isolierenden Substrates 4, welches gebildet wird durch Verbindung der ersten leitfähigen Schicht mit einer Oberfläche einer isolierenden Keramikschicht 1 und der zweiten leitfähigen Schicht 3 mit deren anderer Oberfläche, ein oder mehrere Halbleiterelemente 5 mit der ersten leitfähigen Schicht verbunden, und ein Wärmeleitungssockel 7 ist durch Lötzinn 6 mit der zweiten leitfähigen Schicht 3 verbunden. Fig. 1 is a typical view showing the schematic structure of a conventional module type semiconductor device. In this modular semiconductor device, one or more semiconductor elements 5 are connected to the first conductive layer with respect to an insulating substrate 4 which is formed by connecting the first conductive layer to one surface of an insulating ceramic layer 1 and the second conductive layer 3 to the other surface thereof , and a heat conduction base 7 is connected to the second conductive layer 3 by solder 6 .
Der Wärmeleitungssockel 7 kann an einem Kühlkörper (nicht abgebildet) befestigt werden, der aus dem gleichen wärmeleitfähigen Material besteht, mit Hilfe eines Bolzens oder dergleichen.The heat conduction base 7 can be attached to a heat sink (not shown), which is made of the same heat conductive material, by means of a bolt or the like.
Indem die modulartige Halbleitervorrichtung so aufgebaut ist, wird während die Halbleiterelemente 5 von dem externen Kühlkörper isoliert sind, Wärme, die während des Betriebes von den Halbleiterelementen 5 erzeugt wird, zu dem externen Kühlkörper geführt, durch das isolierende Substrat 4 und den Wärmeleitungssockel 7.By the module-like semiconductor device is thus constructed is are isolated during the semiconductor elements 5 of the external heat sink, heat generated during operation of the semiconductor elements 5, led to the external heat sink, through the insulating substrate 4 and the heat conducting base. 7
In der oben beschriebenen modulartigen Halbleitervorrichtung verbindet jedoch Lötzinn 6 das isolierende Substrat 4 mit dem Wärmeleitungssockel 7, der einen anderen linearen Ausdehnungskoeffizienten hat wie das isolierende Substrat 4. Aus diesem Grund ist der Lötzinn 6 ein schadensanfälliger Bereich in einem Temperaturzyklus. Ein tatsächlicher Fehler oder Schaden wird meist durch Ermüdung des Lötzinns 6 verursacht.However, in the modular semiconductor device described above, solder 6 connects the insulating substrate 4 to the heat conduction base 7 , which has a different linear expansion coefficient than the insulating substrate 4 . For this reason, the solder 6 is a damaged area in a temperature cycle. An actual fault or damage is usually caused by fatigue of the solder 6 .
Die Teile der modulartigen Halbleitervorrichtung werden in einem Temperaturzyklus, der aus einem Temperaturanstieg und einem Temperaturabfall besteht, durch die Wiederholung der Wärmeerzeugung und Kühlung in der Folge der Einschalt/Ausschalt-Steuerung des Stroms während des Betriebes wiederholt gedehnt und zusammengezogen.The parts of the modular semiconductor device are shown in a temperature cycle consisting of a temperature rise and there is a drop in temperature by repeating the Heat generation and cooling as a result of On / off control of the current during the Operation repeatedly stretched and contracted.
Wenn hierbei der Wärmeleitungssockel 7 beispielsweise aus Kupfer besteht, ist die Stärke der Ausdehnung und Stärke der Kontraktion um einen Faktor 4 verschieden zwischen der isolierenden Keramikschicht 1 und dem Wärmeleitungssockel 7 unter diesen Elementen. Here, if the heat conduction base 7 is made of copper, for example, the strength of the expansion and the strength of the contraction differ by a factor of 4 between the insulating ceramic layer 1 and the heat conduction base 7 under these elements.
Wenn die Ausdehnung und Kontraktion mit einer solche großen Differenz wiederholt wird, kann möglicherweise ein Ermüdungsbruch im Lötzinn 6 zwischen dem isolierenden Substrat 4 und dem Wärmeleitungssockel 7 auftreten. Der Ermüdungsbruch des Lötzinns 6 bewirkt auch den oben genannten Fehler, wodurch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verringert wird.If the expansion and contraction is repeated with such a large difference, fatigue fracture in the solder 6 between the insulating substrate 4 and the heat conduction base 7 may occur. Fatigue fracture of the solder 6 also causes the above-mentioned failure, reducing the reliability of the device.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modulartige Halbleitervorrichtung zu schaffen, welche in der Lage ist, den durch einen Temperaturzyklus verursachten Ermüdungsbruch bzw. Ermüdungsschaden von Lötzinn zu verhindern und damit die Zuverlässigkeit zu erhöhen.It is an object of the present invention to provide a modular one To provide a semiconductor device capable of the fatigue fracture caused by a temperature cycle or to prevent fatigue damage from solder and thus the Increase reliability.
Die vorliegende Erfindung ist entworfen für eine modulartige Halbleitervorrichtung, welche eine isolierende Keramikschicht umfaßt, eine erste leitfähige Schicht, die mit einer Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist, eine zweite leitfähige Schicht, die mit der anderen Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist, ein Halbleiterelement, welches mit der ersten leitfähigen Schicht verbunden ist, und einen Wärmeleitungssockel, der mit der zweiten leitfähigen Schicht durch Lötzinn verbunden ist.The present invention is designed for a modular one Semiconductor device which has an insulating ceramic layer comprises a first conductive layer covered with a Surface of the insulating ceramic layer is connected, a second conductive layer that matches the other Surface of the insulating ceramic layer is connected Semiconductor element, which with the first conductive layer is connected, and a heat conduction base, which with the second conductive layer is connected by solder.
Hierbei ist die erste Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis tb/ts der Dicke tb des Wärmeleitungssockels zur Dicke ts des Lötzinns in den Bereich von 6.7 bis 80 fällt.The first invention is characterized in that the ratio t b / t s of the thickness t b of the heat conduction base to the thickness t s of the solder falls in the range from 6.7 to 80.
Wie aus dem oben gesagten klar hervorgeht, soll nach der vorliegenden Erfindung das Verhältnis tb/ts frt Dicke tb des Wärmeleitungssockels zur Dicke ts des Lötzinns in den Bereich von 6.7 bis 80 fallen. Damit ist es möglich, den durch einen Temperaturzyklus verursachten Ermüdungsbruch bzw. Ermüdungsschaden des Lötzinns zu verhindern, und somit die Zuverlässigkeit zu verbessern. As is clear from the above, according to the present invention, the ratio t b / t s frt thickness t b of the heat conduction base to the thickness t s of the solder should fall in the range from 6.7 to 80. This makes it possible to prevent the fatigue fracture or fatigue damage to the solder caused by a temperature cycle, and thus to improve the reliability.
Hierbei kann der Wärmeleitungssockel aus Kupfer (Cu), Aluminium (Al) oder MMC (metal matrix composite, d. h. Metallmatrixverbund) bestehen. In diesem Fall ist es möglich, neben dem obengenannten Vorteil auch die Kühleffizienz zu verbessern.The heat conduction base made of copper (Cu), Aluminum (Al) or MMC (metal matrix composite, i.e. Metal matrix composite) exist. In this case it is possible in addition to the advantage mentioned above, the cooling efficiency too improve.
Zusätzlich kann die isolierende Keramikschicht aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid bestehen. In diesem Fall, da eine isolierende Keramikschicht verwendet wird, welche eine hervorragende Isolierwirkung und große Festigkeit hat, ist es möglich, neben dem obengenannten Vorteil die Zuverlässigkeit weiter zu verbessern.In addition, the insulating ceramic layer can be made of Aluminum nitride, aluminum oxide or silicon nitride exist. In this case, because an insulating ceramic layer is used which is excellent insulation and great Has strength, it is possible in addition to the above Advantage to further improve reliability.
Darüber hinaus kann der Lötzinn hauptsächlich aus Zinn, Blei oder Silber bestehen. In diesem Fall, da ein Lötzinn verwendet wird, welcher eine hervorragende mechanische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit hat, ist es möglich, neben dem oben genannten Vorteil die Zuverlässigkeit weiter zu erhöhen.In addition, the solder can mainly consist of tin, lead or silver. In this case, there is a solder which is an excellent mechanical Strength, corrosion resistance and thermal conductivity has, it is possible in addition to the advantage mentioned above To further increase reliability.
Ferner, bei der entworfenen, modulartigen
Halbleitervorrichtung, ist die zweite Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Dicke des
Wärmeleitungssockels und jener des Lötzinns eine der
folgenden Bedingungen (1) bis (5) erfüllt:
Further, in the designed modular semiconductor device, the second invention is characterized in that the relationship between the thickness of the heat conductive base and that of the solder satisfies one of the following conditions (1) to (5):
- (1) Wenn der Wärmeleitungssockel eine Dicke von nicht weniger als 2 mm und weniger als 4 mm hat, hat der Lötzinn eine Dicke von nicht weniger als 50 µm.(1) If the heat conduction base does not have a thickness has less than 2 mm and less than 4 mm, the Solder tin has a thickness of not less than 50 µm.
- (2) Wenn der Wärmeleitungssockel eine Dicke von nicht weniger als 4 mm und weniger als 6 mm hat, hat der Lötzinn eine Dicke von nicht weniger als 100 µm.(2) If the heat conduction base is not a thickness has less than 4 mm and less than 6 mm, the Solder tin has a thickness of not less than 100 µm.
- (3) Wenn der Wärmeleitungssockel eine Dicke von nicht weniger als 6 mm und weniger als 8 mm hat, hat der Lötzinn eine Dicke von nicht weniger als 150 µm. (3) If the heat conduction base is not a thickness has less than 6 mm and less than 8 mm, the Solder tin has a thickness of not less than 150 µm.
- (4) Wenn der Wärmeleitungssockel eine Dicke von nicht weniger als 8 mm und weniger als 9 mm hat, hat der Lötzinn eine Dicke von nicht weniger als 200 µm.(4) If the heat conduction base is not a thickness has less than 8 mm and less than 9 mm, the Solder tin has a thickness of not less than 200 µm.
- (5) Wenn der Wärmeleitungssockel eine Dicke von nicht weniger als 9 mm hat, hat der Lötzinn eine Dicke von nicht weniger als 250 µm.(5) If the heat conduction base is not a thickness has less than 9 mm, the solder has a thickness of not less than 250 µm.
Da die zweite Erfindung die Kombination der Dicke des Wärmeleitungssockels und jener des Lötzinns, wie oben beschrieben, geeignet spezifiziert, ist es möglich, einen durch einen Temperaturzyklus verursachten Ermüdungsbruch bzw. Ermüdungsschaden des Lötzinns zu verhindern und somit die Zuverlässigkeit zu verbessern.Since the second invention is the combination of the thickness of the Heat conduction base and that of solder, as above described, suitably specified, it is possible to Fatigue fracture caused by a temperature cycle or To prevent fatigue damage to the solder and thus the Improve reliability.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt und gehen entweder aus der Beschreibung oder durch Verwirklichung der Erfindung hervor. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können mittels von Maßnahmen und Kombinationen, die im Folgenden besonders herausgestellt werden, vorteilhaft verwirklicht und erzielt werden.Additional objects and advantages of the invention will be found in the following description and either go out of the Description or by realizing the invention. The objects and advantages of the invention can be achieved by means of Measures and combinations that are special below be highlighted, advantageously realized and achieved become.
Die begleitenden Zeichnungen, welche durch Bezugnahme in die Offenbarung eingeschlossen sind, veranschaulichen gegenwärtig bevorzugte Ausführungen der Erfindung, und dienen zusammen mit der obigen allgemeinen Beschreibung und der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungen dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.The accompanying drawings, which are incorporated by reference in FIG Disclosures included are currently illustrating preferred embodiments of the invention, and serve together with the general description above and the following detailed description of the preferred embodiments explain the principles of the invention.
Fig. 1 ist eine typische Ansicht, welche die schematische Struktur einer konventionellen modulartigen Halbleitervorrichtung zeigt; Fig. 1 is a typical view showing the schematic structure of a conventional module type semiconductor device;
Fig. 2 ist eine typische Ansicht, welche die schematische Struktur einer modulartigen Halbleitervorrichtung in der ersten Ausführung nach der vorliegenden Erfindung zeigt; Fig. 2 is a typical view showing the schematic structure of a module type semiconductor device in the first embodiment according to the present invention;
Fig. 3 zeigt das Verhältnis der Sockeldicke tb zur Lötzinndicke ts bei der ersten Ausführung; und Fig. 3 shows the ratio of the base thickness t b to Lötzinndicke s t in the first embodiment; and
Fig. 4 zeigt die Sockeldicke tb für jede Lötzinndicke, die angewendet wurde auf die modulartige Halbleitervorrichtung bei der fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung. Fig. 4 shows the base thickness t b for each solder thickness applied to the module type semiconductor device in the fifth embodiment of the present invention.
Nun werden die Ausführungen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.Now, the implementations of the present invention are described in Described with reference to the accompanying drawings.
Fig. 2 ist eine typische Ansicht, welche die schematische Struktur einer modulartigen Halbleitervorrichtung der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. Die gleichen Bestandselemente wie in Fig. 1 tragen die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1, und daher wird deren Beschreibung nicht wiederholt. Dies gilt genauso für die übrigen Ausführungen, so daß keine erneute Beschreibung hiervon vorgenommen wird. FIG. 2 is a typical view showing the schematic structure of a module type semiconductor device of the first embodiment of the present invention. The same constituent elements as in Fig. 1 have the same reference numerals as in Fig. 1, and therefore their description will not be repeated. This also applies to the other explanations, so that there is no renewed description thereof.
Unter Verwendung der plastischen Spannung bzw. Verzerrung, die an Lötzinn 6a erzeugt wird, als Leistungsfähigkeitsfunktion, werden nämlich bei jeder der ersten bis fünften Ausführungen der vorliegenden Erfindung Bedingungen für die Kombination der Dicke des Lötzinns 6a (im Folgenden als "Lötzinndicke" bezeichnet) ts und der Dicke eines Wärmeleitungssockels 7a (im Folgenden als "Sockeldicke" bezeichnet) tb und dergleichen angegeben, um keinen Ermüdungsfehler zu verursachen.Using the plastic stress or distortion, which is generated on solder 6 a, as a performance function, namely in each of the first to fifth embodiments of the present invention, conditions for the combination of the thickness of the solder 6 a (hereinafter referred to as "solder thickness") ) t s and the thickness of a heat conduction base 7 a (hereinafter referred to as "base thickness") t b and the like, so as not to cause a fatigue failure.
In anderen Worten hat die modulartige Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine Struktur, bei welcher nicht nur die Dicke des Lötzinns 6a, sondern auch die Dicke des Wärmeleitungssockels 7a beachtet wird, um die plastische Beanspruchung bzw. plastische Verformung, welche am Lötzinn 6a erzeugt wird, zu unterdrücken. Genauer gesagt kann in einem System, in welchem nur die Dicke des Lötzinns 6 erhöht wird (z. B. japanische Patentanmeldung Kokai Nr. 8-195471) die proportionale Relaxation einer Spannung zur Dicke des Lötzinns 6 erwartet werden, aber die thermische Leitfähigkeit des Lötzinns verringert sich, wodurch Wärme angesammelt bzw. aufgestaut wird. Es muß nicht erwähnt werden, daß ein solcher Wärmestau die Verformung bzw. Verspannung des Lötzinns 6 verursacht.In other words, the modular semiconductor device according to the present invention has a structure in which not only the thickness of the solder 6 a, but also the thickness of the heat conduction base 7 a is taken into account to the plastic stress or plastic deformation, which on the solder 6 a is generated to suppress. More specifically, in a system in which only the thickness of the solder 6 is increased (e.g. Japanese Patent Application Kokai No. 8-195471), the relaxation of a voltage proportional to the thickness of the solder 6 can be expected, but the thermal conductivity of the solder decreases, which accumulates or builds up heat. It need not be mentioned that such heat build-up causes the deformation or bracing of the solder 6 .
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung erwogen daher die Verdünnung des Wärmeleitungssockels 7 im Hinblick auf die Verringerung der Spannung bzw. Verformung des Lötzinns 6, entwickelten das Konzept und optimierten schließlich die Beziehung zwischen der Dicke des Lötzinns 6 und jener des Wärmeleitungssockels 7, um dadurch die vorliegende Erfindung zu machen.The inventors of the present invention therefore considered the thinning of the heat-conducting base 7 with a view to reducing the strain of the solder 6 , developed the concept, and finally optimized the relationship between the thickness of the solder 6 and that of the heat-conducting base 7 to thereby achieve the present one To make invention.
Bei den ersten bis fünften Ausführungen, wie in Fig. 2 gezeigt, wird Lötzinn 6a, der eine optimierte Dicke hat, anstelle des Lötzinns 6 verwendet, und genauso wird ein Wärmeleitungssockel 7a mit einer optimierten Dicke anstelle des Wärmeleitungssockels 7 verwendet.In the first to fifth embodiments, as shown in FIG. 2, solder 6 a, which has an optimized thickness, is used instead of the solder 6 , and likewise a heat conduction base 7 a with an optimized thickness is used instead of the heat conduction base 7 .
Nun wird die erste Ausführung beschrieben. Fig. 3 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung des Verhältnisses (tb/ts) der Sockeldicke tb zur Lötzinndicke ts bei der ersten Ausführung. Genauer gesagt bezieht sich die Fig. 3 auf die plastische Verformung bzw. plastische Verspannung des Lötzinns, und zeigt das Ergebnis der Bestimmung der abhängigen Kennzeichen des Verhältnisses tb/ts der Sockeldicke tb zur Lötzinndicke ts auf die plastische Verspannung bzw. plastische Verformung des Lötzinns mittels einer Analyse mit einem Finite-Elemente- Verfahren. The first embodiment will now be described. FIG. 3 is a view illustrating the ratio (t b / t s ) of the base thickness t b to the solder thickness t s in the first embodiment. More specifically, the Fig. 3 refers to the plastic deformation or plastic strain of the solder, and displays the result of the determination of the dependent characteristic of the ratio t b / t s, the base thickness t b t s to Lötzinndicke on the plastic strain or plastic Deformation of the solder by means of an analysis using a finite element method.
In Fig. 3 zeigt der Grenzwert A der plastischen Verspannung bzw. Verformung des Lötzinns eine Ermüdungsgrenze, die erhalten wird aus dem Ergebnis von Ermüdungstests, die an jeweiligen Lötzinnproben durchgeführt wurden. Das bedeutet, daß wenn die plastische Verformung bzw. Verspannung des Lötzinns nicht größer ist als der Grenzwert A, kein Ermüdungsschaden im Lötzinn 6a auftritt. In Fig. 3 fällt das Verhältnis tb/ts der Sockeldicke von nicht mehr als dem Grenzwert A zur Lötzinndicke in den Bereich von 6.7 bis 80 (6.7 ≦ (tb/ts) ≦ 80).In FIG. 3, the limit value A of the plastic bracing or deformation of the solder shows a fatigue limit, which is obtained from the result of fatigue tests that were carried out on respective solder samples. This means that if the plastic deformation or bracing of the solder is not greater than the limit value A, there is no fatigue damage in the solder 6 a. In Fig. 3, the ratio t b / t s of the base thickness of not more than the limit value A to the soldering tin thickness falls in the range from 6.7 to 80 (6.7 ≦ (t b / t s ) ≦ 80).
Daher ist es mit dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau möglich, das Auftreten eines Ermüdungsschadens am Lötzinn 6a aufgrund des Temperaturzyklus zu verhindern, und die Zuverlässigkeit zu verbessern, durch Einstellen des Verhältnisses tb/ts der Sockeldicke tb zur Lötzinndicke ts in dem Bereich von 6.7 bis 80.Therefore, with the structure shown in FIG. 2, it is possible to prevent the occurrence of fatigue damage to the solder 6 a due to the temperature cycle, and to improve the reliability by adjusting the ratio t b / t s of the base thickness t b to the solder thickness t s in the range of 6.7 to 80.
Die zweite Ausführung ist ein spezifisches Beispiel der ersten Ausführung. Während das Verhältnis tb/ts der Sockeldicke tb zur Lötzinndicke ts in dem Bereich von 6.7-80 eingestellt ist, wird als Material für den Wärmeleitungssockel 7a Kupfer, Aluminium oder MMC gewählt. Hierbei sind die Bedingungen für den Wärmeleitungssockel 7 so, daß der Sockel 7 ein Leiter ist und eine exzellente thermische Leitfähigkeit im Hinblick auf die Kühleffizienz besitzt, und Kupfer, Aluminium oder MMC, welche diese Bedingungen erfüllen, werden als Material für den Sockel 7 verwendet.The second embodiment is a specific example of the first embodiment. While the ratio t b / t s of the base thickness t b to the tin thickness t s is set in the range of 6.7-80, copper, aluminum or MMC is selected as the material for the heat conduction base 7 a. Here, the conditions for the heat conduction base 7 are such that the base 7 is a conductor and has excellent thermal conductivity in view of the cooling efficiency, and copper, aluminum or MMC which meet these conditions are used as the material for the base 7 .
Durch den obigen Aufbau kann die zweite Ausführung neben dem Vorteil der ersten Ausführung die Kühleffizienz vorteilhaft verbessern. MMC ist insbesondere vorzuziehen, ausgehend von dem Gesichtspunkt der Verringerung der thermischen Ermüdung des Lötzinns 6a, da die Differenz der Koeffizienten der thermischen Ausdehnung zwischen dem Sockel 7 aus MMC und der isolierenden Keramikschicht 1 klein ist.With the above structure, the second embodiment can advantageously improve cooling efficiency in addition to the advantage of the first embodiment. MMC is particularly preferable from the viewpoint of reducing the thermal fatigue of the solder 6 a, since the difference in the coefficients of thermal expansion between the base 7 made of MMC and the insulating ceramic layer 1 is small.
Die dritte Ausführung ist ein spezifisches Beispiel der ersten Ausführung. Während das Verhältnis tb/ts der Sockeldicke tb zur Lötzinndicke ts in den Bereich von 6.7-80 eingestellt wird, wird als Material für die isolierende Keramikschicht 1 Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3) oder Siliziumnitrid (SiN) gewählt.The third embodiment is a specific example of the first embodiment. While the ratio t b / t s of the base thickness t b to the tin thickness t s is set in the range of 6.7-80, 1 aluminum nitride (AlN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or silicon nitride (SiN.) Is used as the material for the insulating ceramic layer ) selected.
Hierbei ist die isolierende Keramikschicht 1 ein zentrales Substrat, mit welchem ein Halbleiterelement 5 durch die erste leitfähige Schicht 2 verbunden wird. Die Bedingungen für die isolierende Keramikschicht 1 sind so, daß sie eine exzellente Isoliercharakteristik hat und eine exzellente Festigkeit hat im Hinblick auf mechanische Festigkeit. Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid, welche diese Bedingungen erfüllen, werden als Material spezifiziert.Here, the insulating ceramic layer 1 is a central substrate, to which a semiconductor element 5 is connected by the first conductive layer 2 . The conditions for the insulating ceramic layer 1 are such that it has an excellent insulation characteristic and an excellent strength in terms of mechanical strength. Aluminum nitride, aluminum oxide or silicon nitride that meet these conditions are specified as the material.
Durch den oben beschriebenen Aufbau, bei welchem eine isolierende Keramikschicht 1 verwendet wird, die exzellente isolierende Eigenschaften und große Festigkeit besitzt, kann die dritte Ausführung die Zuverlässigkeit der gesamten Vorrichtung verbessern, neben der Erzielung des Vorteils der ersten Ausführung.With the structure described above, in which an insulating ceramic layer 1 is used which has excellent insulating properties and great strength, the third embodiment can improve the reliability of the entire device, besides obtaining the advantage of the first embodiment.
Die vierte Ausführung ist ein spezifisches Beispiel der ersten Ausführung. Während das Verhältnis tb/ts der Sockeldicke tb zur Lötzinndicke ts in den Bereich von 6.7-80 eingestellt wird, wird die Hauptkomponente eines Lötzinns 6a als Zinn (Sn), Blei (Pb) oder Silber (Ag) gewählt. The fourth embodiment is a specific example of the first embodiment. While the ratio t b / t s of the base thickness t b to the solder thickness t s is set in the range from 6.7-80, the main component of a solder 6 a is selected as tin (Sn), lead (Pb) or silver (Ag).
Hierbei verbindet der Lötzinn 6a die isolierende Keramikschicht 1, mit welcher leitfähige Schichten verbunden sind, mit dem Wärmeleitungssockel 7a, und soll eine exzellente mechanische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und thermische Leitfähigkeit besitzen. Zinn, Blei oder Silber, welche diese Bedingungen erfüllen, sind in dem Lötzinn 6a hauptsächlich enthalten.Here, the solder 6 a connects the insulating ceramic layer 1 , with which conductive layers are connected, to the heat conduction base 7 a, and is said to have excellent mechanical strength, corrosion resistance and thermal conductivity. Tin, lead or silver which meet these conditions are mainly contained in the solder 6 a.
Durch den oben beschriebenen Aufbau, bei welchem ein Lötzinn mit exzellenter mechanischer Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und thermischer Leitfähigkeit verwendet wird, kann die vierte Ausführung die Zuverlässigkeit der gesamten Vorrichtung weiter verbessern, neben der Erzielung des Vorteils der ersten Ausführung.Due to the structure described above, in which a solder with excellent mechanical strength, Corrosion resistance and thermal conductivity the fourth version can be used Further improve the reliability of the entire device, in addition to obtaining the benefit of the first execution.
Fig. 4 zeigt die Sockeldicke tb für jede Lötzinndicke ts, die in der fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung auf die modulartige Halbleitervorrichtung angewendet wird. Genauer gesagt betrifft Fig. 4 die plastische Verspannung bzw. Verformung des Lötzinns, und zeigt das Ergebnis der Gewinnung der abhängigen Eigenschaft der Sockeldicke auf die plastische Verformung bzw. Verspannung des Lötzinns bei jeder Lötzinndicke. Fig. 4 shows the base thickness t b for each solder thickness t s applied to the module type semiconductor device in the fifth embodiment of the present invention. More specifically relates to Fig. 4, the plastic strain or deformation of the solder, and displays the result of the extraction of the dependent characteristic of the base thickness, the plastic deformation or strain of the solder at each Lötzinndicke.
Man beachte, daß ein in Fig. 4 gezeigter Grenzwert A eine Grenze angibt, bis zu welcher im Lötzinn 6a kein Ermüdungsfehler auftritt, wie bereits oben gesagt.Note that a limit value A shown in Fig. 4 indicates a limit up to which no fatigue failure occurs in the solder 6 a, as already said above.
In Fig. 4 hängt die Sockeldicke tb, welche nicht größer ist als der Grenzwert A, von der Lötzinndicke ts ab. Die Zahl der Kombinationen der Sockeldicke tb, welche eine plastische Lötzinnverformung haben, die kleiner ist als der Grenzwert A, mit der Lötzinndicke ts, beträgt fünf, wie folgt: In FIG. 4, the base thickness depends b t, which is not greater than the threshold value A, of the Lötzinndicke s t. The number of combinations of the base thickness t b , which have a plastic solder deformation that is smaller than the limit value A, with the solder thickness t s , is five, as follows:
- (1) Wenn die Sockeldicke tb nicht geringer als 2 mm und geringer als 4 mm ist, ist die Lötzinndicke ts nicht geringer als 50 µm (2 mm ≦ tb < 4 mm und 50 µm ≦ ts).(1) If the base thickness t b is not less than 2 mm and less than 4 mm, the soldering tin thickness t s is not less than 50 µm (2 mm ≦ t b <4 mm and 50 µm ≦ t s ).
- (2) Wenn die Sockeldicke tb nicht geringer als 4 mm und geringer als 6 mm ist, ist die Sockeldicke ts nicht geringer als 100 µm (4 mm ≦ tb < 6 mm und 100 µm ≦ ts).(2) If the base thickness t b is not less than 4 mm and less than 6 mm, the base thickness t s is not less than 100 µm (4 mm ≦ t b <6 mm and 100 µm ≦ t s ).
- (3) Wenn die Sockeldicke tb nicht geringer als 6 mm und geringer als 8 mm ist, ist die Lötzinndicke ts nicht geringer als 150 µm (6 mm ≦ tb < 8 mm und 150 µm ≦ ts).(3) If the base thickness t b is not less than 6 mm and less than 8 mm, the soldering tin thickness t s is not less than 150 µm (6 mm ≦ t b <8 mm and 150 µm ≦ t s ).
- (4) Wenn die Sockeldicke tb nicht geringer als 8 mm und geringer als 9 mm ist, ist die Lötzinndicke ts nicht geringer als 200 µm (8 mm ≦ tb < 9 mm und 200 µm ≦ ts).(4) If the base thickness t b is not less than 8 mm and less than 9 mm, the soldering tin thickness t s is not less than 200 µm (8 mm ≦ t b <9 mm and 200 µm ≦ t s ).
- (5) Wenn die Sockeldicke tb nicht niedriger als 9 mm ist, ist die Lötzinndicke ts nicht geringer als 250 µm (9 mm ≦ tb und 250 µm ≦ ts).(5) If the base thickness t b is not less than 9 mm, the solder tin thickness t s is not less than 250 µm (9 mm ≦ t b and 250 µm ≦ t s ).
Somit ist es bei dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau durch Wahl einer der obigen fünf Kombinationen der Sockeldicke tb und der Lötzinndicke ts möglich, das Auftreten eines Ermüdungsschadens im Lötzinn 6a aufgrund eines Temperaturzyklus zu verhindern, und dadurch die Zuverlässigkeit zu verbessern.Thus, in the structure shown in FIG. 2, by selecting one of the above five combinations of the base thickness t b and the soldering tin thickness t s, it is possible to prevent fatigue damage from occurring in the solder 6 a due to a temperature cycle, and thereby to improve the reliability.
Bei der fünften Ausführung wurde ein Fall beschrieben, wo Materialien für den Wärmeleitungssockel 7a, die isolierende keramische Schicht 1 und den Lötzinn 6a nicht spezifiziert sind. Die vorliegende Erfindung sollte jedoch nicht hierauf beschränkt sein. Wie bei den zweiten bis vierten Ausführungen beschrieben, selbst wenn Materialien für den Wärmeleitungssockel 7a, die isolierende Keramikschicht 1 und den Lötzinn 6a spezifiziert werden, ist es möglich, den Vorteil der angewendeten Ausführung unter den zweiten bis vierten Ausführungen zu erzielen, neben dem Vorteil der fünften Ausführung.In the fifth embodiment, a case has been described where materials for the heat conduction base 7 a, the insulating ceramic layer 1 and the solder 6 a are not specified. However, the present invention should not be limited to this. As described in the second to fourth embodiments, even if materials for the heat conduction base 7 a, the insulating ceramic layer 1 and the solder 6 a are specified, it is possible to achieve the advantage of the embodiment used among the second to fourth embodiments, besides that Advantage of the fifth version.
Zusätzliche Vorteile und Modifikationen werden dem Fachmann leicht in den Sinn kommen. Daher ist die Erfindung in ihren breiteren Aspekten nicht auf die spezifischen Details und repräsentativen Ausführungen beschränkt, die hier gezeigt und beschrieben wurden. Dementsprechend können zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden, ohne sich vom Geist oder Umfang des allgemeinen erfinderischen Konzeptes zu entfernen, wie es durch die angehängten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.Additional advantages and modifications will become apparent to those skilled in the art easily come to mind. Therefore, the invention is in its broader aspects not on the specific details and limited representative designs shown here and have been described. Accordingly, numerous Modifications can be made without departing from the mind or Remove the scope of the general inventive concept, as indicated by the appended claims and their equivalents is defined.
Claims (13)
eine isolierende Keramikschicht (1);
eine erste leitfähige Schicht (2), die mit einer Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist;
eine zweite leitfähige Schicht (3), die mit der anderen Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist;
ein Halbleiterelement (5), welches mit der ersten leitfähigen Schicht verbunden ist; und
ein Wärmeleitungssockel (7a), der durch Lötzinn (6a) mit der zweiten leitfähigen Schicht verbunden ist,
wobei das Verhältnis tb/ts der Dicke tb des Wärmeleitungssockels zur Dicke ts des Lötzinns in den Bereich von 6.7-80 fällt.1. A modular semiconductor device comprising:
an insulating ceramic layer ( 1 );
a first conductive layer ( 2 ) bonded to a surface of the insulating ceramic layer;
a second conductive layer ( 3 ) bonded to the other surface of the insulating ceramic layer;
a semiconductor element ( 5 ) connected to the first conductive layer; and
a heat conduction base ( 7 a) which is connected by solder ( 6 a) to the second conductive layer,
the ratio t b / t s of the thickness t b of the heat conduction base to the thickness t s of the solder falls in the range from 6.7-80.
eine isolierende Keramikschicht (1);
eine erste leitfähige Schicht (2), die mit einer Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist;
eine zweite leitfähige Schicht (3), die mit der anderen Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist;
ein Halbleiterelement (5), welches mit der ersten leitfähigen Schicht verbunden ist; und
einen Wärmeleitungssockel (7a), der durch Lötzinn (6a) mit der zweiten leitfähigen Schicht verbunden ist, wobei
der Wärmeleitungssockel eine Dicke von nicht weniger als 2 mm und weniger als 4 mm hat; und
der Lötzinn eine Dicke von nicht weniger als 50 µm hat.9. A modular semiconductor device comprising:
an insulating ceramic layer ( 1 );
a first conductive layer ( 2 ) bonded to a surface of the insulating ceramic layer;
a second conductive layer ( 3 ) bonded to the other surface of the insulating ceramic layer;
a semiconductor element ( 5 ) connected to the first conductive layer; and
a heat conduction base ( 7 a), which is connected by solder ( 6 a) to the second conductive layer, wherein
the heat conduction base has a thickness of not less than 2 mm and less than 4 mm; and
the solder has a thickness of not less than 50 µm.
eine isolierende Keramikschicht (1);
eine erste leitfähige Schicht (2), die mit einer Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist;
eine zweite leitfähige Schicht (3), die mit der anderen Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist;
ein Halbleiterelement (5), welches mit der ersten leitfähigen Schicht verbunden ist; und
einen Wärmeleitungssockel (7a), der durch Lötzinn (6a) mit der zweiten leitfähigen Schicht verbunden ist, wobei
der Wärmeleitungssockel eine Dicke von nicht weniger als 4 mm und weniger als 6 mm hat; und der Lötzinn eine Dicke von nicht weniger als 100 µm hat.10. A modular semiconductor device comprising:
an insulating ceramic layer ( 1 );
a first conductive layer ( 2 ) bonded to a surface of the insulating ceramic layer;
a second conductive layer ( 3 ) bonded to the other surface of the insulating ceramic layer;
a semiconductor element ( 5 ) connected to the first conductive layer; and
a heat conduction base ( 7 a), which is connected by solder ( 6 a) to the second conductive layer, wherein
the heat conduction base has a thickness of not less than 4 mm and less than 6 mm; and the solder has a thickness of not less than 100 µm.
eine isolierende Keramikschicht (1);
eine erste leitfähige Schicht (2), die mit einer Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist;
eine zweite leitfähige Schicht (3), die mit der anderen Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist;
ein Halbleiterelement (5), welches mit der ersten leitfähigen Schicht verbunden ist; und
einen Wärmeleitungssockel (7a), der durch Lötzinn (6a) mit der zweiten leitfähigen Schicht verbunden ist, wobei
der Wärmeleitungssockel eine Dicke von nicht weniger als 6 mm und weniger als 8 mm hat; und
der Lötzinn eine Dicke von nicht weniger als 150 µm hat.11. A modular semiconductor device comprising:
an insulating ceramic layer ( 1 );
a first conductive layer ( 2 ) bonded to a surface of the insulating ceramic layer;
a second conductive layer ( 3 ) bonded to the other surface of the insulating ceramic layer;
a semiconductor element ( 5 ) connected to the first conductive layer; and
a heat conduction base ( 7 a), which is connected by solder ( 6 a) to the second conductive layer, wherein
the heat conduction base has a thickness of not less than 6 mm and less than 8 mm; and
the solder has a thickness of not less than 150 µm.
eine isolierende Keramikschicht (1);
eine erste leitfähige Schicht (2), die mit einer Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist;
eine zweite leitfähige Schicht (3), die mit der anderen Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist; ein Halbleiterelement (5), welches mit der ersten leitfähigen Schicht verbunden ist; und
einen Wärmeleitungssockel (7a), der durch Lötzinn (6a) mit der zweiten leitfähigen Schicht verbunden ist, wobei
der Wärmeleitungssockel eine Dicke von nicht weniger als 8 mm und weniger als 9 mm hat; und
der Lötzinn eine Dicke von nicht weniger als 200 µm hat.12. A modular semiconductor device comprising:
an insulating ceramic layer ( 1 );
a first conductive layer ( 2 ) bonded to a surface of the insulating ceramic layer;
a second conductive layer ( 3 ) bonded to the other surface of the insulating ceramic layer; a semiconductor element ( 5 ) connected to the first conductive layer; and
a heat conduction base ( 7 a), which is connected by solder ( 6 a) to the second conductive layer, wherein
the heat conduction base has a thickness of not less than 8 mm and less than 9 mm; and
the solder has a thickness of not less than 200 µm.
eine erste leitfähige Schicht (2), die mit einer Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist;
eine zweite leitfähige Schicht (3), die mit der anderen Oberfläche der isolierenden Keramikschicht verbunden ist;
ein Halbleiterelement (5), welches mit der ersten leitfähigen Schicht verbunden ist; und
einen Wärmeleitungssockel (7a), der durch Lötzinn (6a) mit der zweiten leitfähigen Schicht verbunden ist, wobei
der Wärmeleitungssockel eine Dicke von nicht weniger als 9 mm hat; und
der Lötzinn eine Dicke von nicht weniger als 250 µm hat.13. A modular semiconductor device comprising: an insulating ceramic layer ( 1 );
a first conductive layer ( 2 ) bonded to a surface of the insulating ceramic layer;
a second conductive layer ( 3 ) bonded to the other surface of the insulating ceramic layer;
a semiconductor element ( 5 ) connected to the first conductive layer; and
a heat conduction base ( 7 a), which is connected by solder ( 6 a) to the second conductive layer, wherein
the heat conduction base has a thickness of not less than 9 mm; and
the solder has a thickness of not less than 250 µm.
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