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Halbleiteranordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung,
insbesondere eine Halbleiteranordnung des Kunstharzeinbettungstyps zur Verwendung
fUr relativ hohe Leistung.
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Eine Halbleiteranordnung des Kunstharzeinbettungstyps für verhältnismäßig
große Leistungen, wie z. B. ein Leistungstransistor, besteht aus einer Elektrodenunterlage
aus Kupfer oder einem anderen Material hoher Wärmeleitfähigkeit, einem mit der oberen
Oberfläche der Elektrodenunterlage mittels eines Lötmaterials verbundenen Halbleiterbauelement,
mit dem Halbleiterbauelement ebenfalls mittels eines Lötmaterials verbundenen Anschlußdrähten
und Kunstharz mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizient, in dem das Halbleiterbauelement
und die Ansehlußdrähte eingebettet sind. Da im Halbleiterbauelement
aufgrund
des Stromdurchflusses zur Zeit des Betriebs des Leistungstransistors eine große
Wärmemenge entwickelt wird, verursacht die Wärmedehnung des Kunstharzes das Auftreten
einer Scherbeanspruchung in dem das Halbleiterbauelement und die Anschlußdrähte
verbindenden Lötmaterial. Diese Scherbeanspruchung wirkt auf das Lötmaterial wiederholt
ein und führt häufig zum Ermüdungsbruch des Lötmaterials. Auch kann die Wärmedehnung
des Kunstharzes leicht eine Rißbildung im Halbleiterbauelement verursachen.
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Der Ermüdungsbruch des Lötmaterials und/oder die Rißbildung im Halbleiterbauelement
verringern die Betriebslebensdauer der Halbleiteranordnung. Dieses Problem wurde
bisher noch nicht gelöst.
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Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung
mit einem Halbleiterbauelement und damit mittels eines Lötmaterials verbundenen
Anschlußdrähten, bei der das Halbleiterbauelement und die Anschlußdrähte in einem
Kunstharz eingebettet sind, so auszubilden, daß die durch die im Halbleiterbauelement
aufgrund eines Laststroms entwickelte Wärme verursachte Scherbeanspruchung des Lötmaterials
verringert ist und keine Rißbildung im Halbleiterbauelement auftreten kann, die
sonst durch die Wärmedehnung des Kunstharzes verursacht werden könnte.
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Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine
Halbleiteranordnung mit einer Elektrodenunterlage, einem mit der Elektrodenunterlage
mittels eines Lötmaterials verbundenen Halbleiterbauelement, einer Mehrzahl von
mit dem Halbleiterbauelement mittels eines Lötmaterials verbundenen
Anschlußdrähten
und Kunstharz, in dem das Halbleiterbauelement und die damit verbundenen Anschlußdrahtenden
eingebettet sind, mit dem Kennzeichen, daß die Elektrodenunterlage in einer Oberfläche
eine Ausnehmung aufweist, das Halbleiterbauelement mittels des Lötmaterials mit
dem Boden der Ausnehmung verbunden ist und das Kunstharz in die Ausnehmung derart
eingefüllt und eingeformt ist, daß das Halbleiterbauelement und wenigstens der Teil
der Anschlußdrähte, der sich innerhalb der Ausnehmung befindet, im Kunstharz eingebettet
sind und die horizontale Wärmeausdehnung des Kunstharzes durch die Seitenwand der
Ausnehmung begrenzt ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen: Fig. 1 eine Aufsicht zur Veranschaulichung
der wesentlichen Teile einer herkömmlichen Halbleiteranordnung; Fig. 2 eine Seitenschnittansicht
längs der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 eine vergrößerte Teilschnittansicht längs
der Linie III-III in Fig. 2; Fig. 4 eine Seitenteilschnittansicht zur Veranschaulichung
der wesentlichen Teile einer Halbleiteranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
Fig. 5 eine Aufsicht zur Darstellung eines Beispiels
der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 vorhandenen Ausnehmung; und Fig. 6 eine Seitenteilschnittansicht
zur Veranschaulichung eines anderen AusfUhrungsbeispiels der Erfindung.
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Eine herkömmliche Halbleiteranordnung des Kunstharzeinbettungstyps
zur Verwendung fUr verhältnismäßig hohe Leistungen, wie z. B. ein Leistungstransistor,
ist in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Man erkennt hierin eine Elektrodenunterlage
1 aus Kupfer oder einem anderen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und ein Halbleiterbauelement
2 aus einem solchen Material wie Silizium, das einen P-N-Übergang aufweist und mit
der Oberseite der Elektrodenunterlage 1 mittels eines Lötmaterials 5 verbunden ist.
Außerdem sind meist aus Kupfer bestehende Anschlußdrähte 4 vorgesehen und zur Ableitung
des Ausganges des P-N-Überganges mit dem Halbleiterbauelement 2 mittels eines Lötmaterials
5 verbunden. Schließlich erkennt man ein Kunstharz 6, wie z. B. ein Epoxyharz oder
Silikoneharz, das zum wasserdichten Abschluß und Schutz des Halbleiterbauelements
2 und der Anschlußdrähte 4 vorgesehen ist, wobei es gleichzeitig die Anschlußdrähte
4 mechanisch hält. Dieses Kunstharz hat einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der angenähert sowohl für Epoxy- als auch fUr Silikoneharze 25 x 10 6 /°C ist und
damit weit höher als die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer, woraus die Elektrodenunterlage
1 oder die Anschlußdrähte 4 bestehen, und von Silizium liegt, woraus das Halbleiterbauelement
2 besteht, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten 17,7 x '6/0r bzw.
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2,8 x 10 6/oC betragen.
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Bei dem Leistungstransistor mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau
kann der P-N-tibergang des Halbleiterbauelements2während des Ein- und Ausschaltbetriebes
100 0C oder mehr
erreichen. Mit dem Anstieg der Temperatur des Halbleiterbauelements
2 dehnt sich das Kunstharz 6, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizient als
das Ha lb leiterbauelement 2 oder die Anschlußdrähte 4 hat, mehr als diese aus.
Die größere Wärmedehnung des Kunstharzes 6 verursacht das Auftreten einer großen
Scherbeanspruchung im Lötmaterial 5, das das Halbleiterbauelement 2 und die Anschlußdrähte
4 verbindet, Wie in Fig. 3 angedeutet ist, werden entsprechend der Wärmedehnung
des Kunstharzes 6 die Anschlußdrähte 4 verbogen und horizontal (in der durch die
Pfeile angedeuteten Richtung) verschoben. Andererseits dehnt sich das Halbleiterbauelement
2, das mit der Elektrodenunterlage 1 verbunden ist, in zweifacher Weise aus. Und
zwar hängt die gesamte Wärmedehnung des Halbleiterbauelements 2 von der Wärmedehnung
ab, die auf der Basis seines eigenen Wärmeausdehnungskoeffizienten unter zusätzlichem
Einfluß der Ausdehnung der Elektrodenunterlage 1 verursacht wird. Unter diesen Umständen
kann man annehmen, daß der scheinbare Wärmeausdehnungskoeffizient des Halbleiterbauelements
2 einen Wert zwischen denen des Halbleiterbauelements 2 selbst und der Elektrodenunterlage
1 annimmt. Wie man ohne weiteres feststellen kann, ist dieser scheinbare Wärmeausdehnungskoeffizient
im Vergleich mit dem des Kunstharzes sehr gering. Als Ergebnis entwickelt sich eine
Scherbeanspruchung tut im Lötmaterial 5, das da s das Halbleiterbauelement 2 und
die Anschlußdrähte 4 verbindet. Wie in der folgenden Formel (1) angedeutet wird,
ist die Scherbeanspruchung tg proportional dem Unterschied zwischen der WärmebeanspruchungA
eR des Kunstharzes 6 und der Wärmebeanspruchung ##P des Halbleiterbauelements
2.
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Die Scherbeanspruchung ß r wirkt auf das Lötmaterial 5 durch Wiederholung
des Ein-Aus-Betriebs der Anordnung wiederholt ein, so daß häufig der Ermüdungsbruch
des Lötmaterials 5 verursacht wird. Die Zahl N von Zyklen bis zum Bruch ist umgekehrt
proportional dem Quadrat der Scherbeanspruchung 9 wie die Formel (2) zeigt.
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Wie aus der Formel (2) ersichtlich ist, weist der herkömmliche, in
Fig. 1 bis 3 dargestellte Leistungstransistor, bei dem die Verschiebung der Harzeinformung
6 aufgrund der Wärmeausdehnung horizontal nicht beschränkt wird und bei dem daher
die Scherbeanspruchung A zu groß ist, einen geringeren Wert ftlr N auf, was sich
in einer kürzeren Lebensdauer des Leistungstransistors auswirkt.
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Wie schon erwähnt, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kunstharzes
6 beträchtlich größer als der der Elektrodenunterlage 1. Daher verursacht eine größere
änderung der Temperatur des Halbleiterbauelements 2 einen großen Unterschied der
Versetzung zwischen der Unterlage 1 und dem Kunstharz 6, wenn, wie es bei der herkömmlichen
Halbleiteranordnung der Fall ist, die horizontale Dehnungsbewegung des Kunstharzes
6 nicht beschränkt wird. Das Ergebnis ist eine große horizontal gerichtete Kraft,
die auf das Halbleiterbauelement 2 einwirkt, das im Kunstharz 6 eingebettet ist,
so daß sich häufig eine Rißbildung im Halbleiterbauelement 2 ergibt.
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Es wird nun ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung anhand der Fig.4
erläutert.
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Die wesentlichen Teile eines Leistungstransistors des Kunstharzeinbettungstyps
zur Verwendung bei verhältnismäßig hoher Leistung sind in Fig. 4 dargestellt, Man
erkennt eine Elektrodenunterlage 8 aus Kupfer oder einem anderen Material hoher
Wärmeleitfähigkeit, eine in der oberen Oberfläche der Elektrodenunterlage 8 vorgesehene
Ausnehmung 9 und in dieser Ausnehmung 9 sowohl ein Halbleiterbauelement 11 aus Silizium
oder einem anderen gleichwertigen Material, das mit der Elektrodenunterlage 8 an
deren Ausnehmungsboden mittels eines Lötmaterials 10 verbunden ist,Kls auch eine
Mehrzahl von Anschlußdrähten 15 aus solchem Material wie Kupfer, die mit dem Halbleiterbauelement
11 mittels eines Lötmaterials 12 verbunden sind. Außerdem erkennt man ein Kunstharz
14, wie z. B. ein Epoxyharz oder Silikoneharz, das zum Ausfüllen der Ausnehmung
9 eingeformt ist und in dem das Halbleiterbauelement 11 und solche Teile der Anschlußdrähte
15, die sich innerhalb der Ausnehmung 9 befinden, eingebettet sind.
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In dieser Weise sind das Halbleiterbauelement 11 und solche Teile
der Anschlußdrähte, die stich in der Nachbarschaft der Verbindungsstelle mit dem
Halbleiterbauelement 11 befinden, im Kunstharz 14 in der Ausnehmung 9 eingebettet.
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Bei dieser Anordnung wird die horizontale Wärmedehnung des Kunstharzes
14 durch die Seitenwand 91 der Ausnehmung 9 beschränkt und begrenzt, und daher ergibt
sich eine geringere Verlagerung bzw. Verbiegung der Anschlußdrähte 15 bei einer
Wärmeentwicklung im Halbleiterbauelement 11, so daß die
Scherbeanspruchung
t r verringert ist. die sonst in größerem Meß im Lötmaterial 12 auftreten könnte,
Um dies zu bestätigen, wurde ein (nicht dargestellter) Widerstandsdraht-Dehnungsmesser
auf die Oberseite des in die Ausnehmung 9 eingeformten Kunstharzes 14 aufgeklebt,
und die Wärmebeanspruchung d Erzdes Kunstharzes aufgrund dessen Wärmeausdehnung
wurde unter Erhitzen des leistungstransistors gemessen. Als Ergebnis fand man, daß
## R 28,4 x 10-6/°C-war. In ähnlicher Weise wurde die Wärmebeanspruchung bei dem
herkömmlichen Leistungstransistor gemäß Fig. 1 bis 5 gemessen, und man fand, daß
in diesem Fall ##R 38,7 x 10-6/°C war. Wie sich ohne weiteres aus diesen Messungen
ergibt ermöglicht die Ausbildung der Ausnehmung 9 in der Elektrodenunterlage 8 gemäß
der Erfindung, die Wärmeausdehnung des Kunstharzes 14 um 50 % mehr als beim bekannten
Aufbau zu beschränken. So wird die im Lötmaterial 12 auftretende Scherbeanspruchungt
ç , wie in der Formel (1) angedeutet ist, verringert, wodurch sich die Zahl N der
Zyklen bis zum Ermüdungsbruch gemäß der Formel (2) erhöht und die Lebensdauer der
Halbleiteranordnung verlängert wird.
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Da weiter die Wärmeausdehnung des Kunstharzes in horizontaler Richtung
durch die Seitenwand 91 der Ausnehmung 9 begrenzt wird, verschiebt sich das Kunstharz
14 weniger relativ zur Unterlage 8 als ohne Ausnehmung. Im Ergebnis wirkt weniger
Kraft auf das Halbleiterbauelement 11 ein, so daß eine Rißbildung in diesem verhindert
wird.
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Ein Beispiel der geometrischen Form der Ausnehmung 9 im Leistungstransistor
nach Fig. 4 ist in Fig. 5 gezeigt. Hier bezeichnen gleiche Bezugsziffern wie in
Fig. 4 gleiche Bestandteile. Die Ausnehmung 9 ist in der Aufsicht kreisförmig,
und
das Halbleiterbauelement 11 ist in der Mitte des Bodens der Ausnehmung 9 mittels
des Lötmaterials 10 befestigt. Die so in der Aufsicht kreisförmig in der Oberseite
der Elektrodenunterlage 8 ausgebildete Ausnehmung 9 erleichtert einerseits die Verarbeitung
der Anordnung und verringert andererseits aufgrund der symmetrischen Verteilung
der im Halbleiterbauelement entwickelten Wärme die Verschiebung des Kunstharzes.
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Es soll nun eine Erklärung der Tiefe der Ausnehmung 9 gegeben werden.
Jeder der Anschlußdrähte 13 hat einen ersten horizontalen Teil 13a und einen zweiten
horizontalen Teil 13b. Der erste horizontale Teil 13a liegt im wesentlichen parallel
zur Oberseite der Elektrodenunterlage oder der Bodenoberfläche der Ausnehmung 9
in der Nähe des Endes des Anschlußdrahtes, das mit dem Halbleiterbauelement 11 verbunden
ist, während der zweite horizontale Teil 13b, der ebenfalls parallel zur Oberseite
der Elektrodenunterlage oder der Bodenoberfläche der Ausnehmung liegt, anschließend
an den ersten horizontalen Teil 13a angeordnet ist. Die Tiefe h der Ausnehmung 9
soll wenigstens das l,l-fache der Höhe vom Boden der Ausnehmung 9 bis zur Oberseite
des ersten horizontalen Teils 13a sein. Dies gilt, da die Anschlußdrähte sonst weniger
fest als bei der Anordnung nach Fig. 1 bis 5 gehalten wUrde, wenn man berücksichtigt,
daß erfindungsgemäß das Halbleiterbauelement und die Anschlußdrähte im Kunstharz
nur innerhalb der Ausnehmung eingebettet sind. Durch Sicherstellung der erwähnten
Tiefe h der Ausnehmung 9 und der völligen Einformung wenigstens bis über den ersten
horizontalen Teil 13a werden die Anschlußdrähte sicher gehalten.
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Wenn die Höhe h der Ausnehmung 9 andererseits iibermäßig groß ist,
kommt der zweite horizontale Teil 13b der Anschlußdrähte so nahe an die Oberseite
der Elektrodenunterlage 8, und der Spalt zwischen der Oberseite der Elektrodenunterlage
8 und der Unterseite des zweiten horizontalen Teils 13b ist derartig verringert,
daß es schwierig ist, die Isolation dazwischen aufrechtzuerhalten. Der Spalt muß
wenigstens 0,4 mm oder mehr betragen, um eine ausreichende Isolation zwischen der
Elektrodenunterlage 8 und den Anschlußdrähten 13 zu gewährleisten. Es ist daher
erforderlich, fUr die Tiefe h einen Wert zu wählen, der gleich der Höhe vom Boden
der Ausnehmung 9 bis wenigstens 0,4 mm unter der Unterseite des zweiten horizontalen
Teils 13b der Anschlußdrähte ist.
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Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Halbleiteranordnung
gemäß der Erfindung, und gleiche Bestandteile sind mit gleichen Bezugsziffern wie
in Fig. 4 bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Kunstharz 14 nicht nur
in die Ausnehmung 9 eingeformt, sondern steigt ueber diese hinaus und bedeckt auch
die übrige Oberseite der Elektrodenunterlage 8, so daß die zweiten horizontalen
Teile 13b der Anschlußdrähte 13 ebenfalls im Kunstharz 14 eingebettet sind. Diese
Konstruktion schUtzt und hält die Anschlußdrähte 13 vollständiger und ist zur Isolation
zwischen den Anschlußdrähten 13 und der Elektrodenunterlage 8 wirksam.
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Auch in diesem Fall muß die Tiefe h der Ausnehmung 9 einen Wert annehmen,
der gleich der Höhe vom Boden der Ausnehmung 9 bis wenigstens 0,4 mm unter der Unterseite
des zweiten horizontalen Teils 13b ist, jedoch braucht die Anforderung des ersten
Beispiels, daß die Tiefe h der Ausnehmung 9 wenigstens das l,l-fache der Höhe vom
Boden der
Ausnehmung 9 bis zur Oberseite des ersten horizontalen
Teils 13a beträgt, nicht erfüllt zu werden. Unter Berücksichtigung des Prinzips
der Erfindung im Sinn der Wirkung, daß die Wärmeausdehnung des Kunstharzes 14 begrenzt
wird, um die Verlagerung und Verbiegung der Anschlußdrähte 15 zu verringern, beträgt
jedoch die Tiefe h hier vorzugsweise wenigstens die Höhe vom Boden der Ausnehmung
9 bis zur Oberseite des ersten horizontalen Teils 13a.
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Wie oben im einzelnen beschrieben wurde, ist die Halbleiteranordnung
gemäß der Erfindung derart gestaltet, daß die Ausnehmung in der Oberseite der Elektrodenunterlage
vorgesehen ist, um die horizontale Wärmeausdehnung des Kunstharzes zu begrenzen,
in dem das Halbleiterbauelement und die Anschlußdrähte eingebettet sind. In dieser
Weise wird die Scherbeanspruchung des Lötmaterials verringert, wodurch dessen Ermüdungsbruch
verhindert wird. Außerdem trägt die Tatsache, daß gleichzeitig im Halbleiterbauelement
keine Rißbildung mehr auftritt, zu einer merklich verlängerten Lebensdauer der Halbleiteranordnung
im Vergleich mit den bekannten Halbleiteranordnungen bei.
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Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Halbleiteranordnungen beschränkt,
läßt sich jedoch wirkungsvoll besonders auf fUr hohe ausgelegte Leistungstransistoren
anwenden.