DE3009295A1 - Halbleiterbaustein - Google Patents

Halbleiterbaustein

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DE3009295A1 DE19803009295 DE3009295A DE3009295A1 DE 3009295 A1 DE3009295 A1 DE 3009295A1 DE 19803009295 DE19803009295 DE 19803009295 DE 3009295 A DE3009295 A DE 3009295A DE 3009295 A1 DE3009295 A1 DE 3009295A1
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Description

Halbleiterbaustein
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterbaustein, insbesondere auf einen isolierten Halbleiterbaustein.
Eine wichtige Funktion eines Halbleiterbausteire
ist es, eine wirksame Wärmeleitung zwischen dem Halbleiterelement in diesem Baustein und einem externen Kühlkörper, auf dem der Baustein während des Betriebes angebracht ist, zu schaffen. Eine große Anzahl von Faktoren bestimmt die Wirksamkeit des Wärmeüberganges zwischen dem Halbleiterelement und dem externen Kühlkörper. Die· Erfindung betrifft hauptsächlich jene Faktoren, die von dem Aufbau des Halbleiterbausteines selbst ab-0 hängen, darin eingeschlossen das Halbleiterelement, die elektrisch isolierende Schicht, die das Halbleiterelement gegen den Bausteinkühlkörper isoliert, und den Baustein-
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kühlkörper selbst, der zur Befestigung an einen externen Kühlkörper mittels herkömmlicher mechanischer Methoden ausgelegt ist. Ein typischer Halbleiterbaustein besteht nach der herkömmlichen Technik aus einer Anzahl verschiedener Materialien und einer Vielzahl von Grenzschichten, die die Materialien zur elektrischen Verbindung mit dem Halbleiterelement und zur thermischen Verbindung zwischen dem Halbleiterelement und dem externen Kühlkörper verbinden Die dicht gedrängte Anordnung dieser unterschiedliehen Materialien kann zu thermischen Beanspruchungen an den Grenzschichten zwischen den einzelnen Bestandteilen führen, wenn der Baustein im Normalbetrieb Aufheiz- und Abkühlphasen unterworfen ist. Wie allgemein bekannt, erhöht sich die Temperatur eines solchen Bausteines mit dem Einschalten und sinkt mit dem Abschalten. Die unterschiedliche Ausdehnung der Gehäusebestandteile aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten beansprucht unweigerlich die Grenzschichten zwischen den Materialien und ist ein wesentlicher Grund für die thermische Ermüdung im Gehäuse und letztendlich für den vorzeitigen Ausfall des Bausteins. Sollte es wünschenswert sein, mehrere Halbleiterelemente in einem einzelnen Hybridbaustein zusammenzufassen, so vergrößert sich das Problem noch, da zusätzliche Bestandteile, die zur Verbindung von zwei oder mehr Einzelelementen im Gesamtaufbau erforderlich sind, sowohl den thermischen Widerstand zwischen dem Halbleiterelement und dem Kühlkörper vergrößern als auch möglicherweise die Anzahl von Grenzschichten zwischen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten vergrößern. Diese Grenzschichten sind jedoch die Stellen, die mögliche Ausfälle aufgrund thermischer Ermüdung hervorrufen können.
Wegen seiner hervorragenden elektrischen und
OJ thermischen Leitfähigkeit ist Kupfer ein geeignetes Material zur Verbindung mehrerer in einem einzigen Halbleiter-
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baustein untergebrachte^ Halbleiterelemente miteinander. Zur Schaffung einer leicht lötbaren Oberfläche werden Kupferteile oftmals mit einer Schicht aus Nickel oder alternativ mit einer Schicht aus einer Kombination von Nickel und Silber überzogen. Diese plattierten Kupferelemente können sowohl mit eindn metallisierten Keramik-Isolierglied als auch mit einer Elektroden- oder Spannungsentlastungsplatte eines Halbleiterelementes oder einer-untergruppe verlötet werden. Keramik-Isolierelementez. B. aus Berylliumoxid oder Aluminiumoxid, können leicht metallisiert werden, beispielsweise mit Molybdänmangan oder alternativ mit Kupfer nach dem direkten Bond-Verfahren, das z. B. in der US-PS 3 994 430 beschrieben ist, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird. Typischerweise wurde Lot als Verbindungsmittel benutzt. Der Schmelzpunkt von Blei-Zinn-Lot, das weit verbreitete Anwendung findet, hängt von dem relativen Verhältnis der beiden Bestandteile ab. So hat z. B. Lot, das zu 37 % aus Blei und zu 63 % aus Zinn besteht, eine Schmelztemperatur von 181 0C, während Lot aus 50 % Blei und 50 % Zinn einen Schmelzpunkt von 216 0C besitzt. Wenn Materialien mit stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten mit einer Lötschicht verbunden werden, so werden in ihr große Spannungen sowohl durch den Bond- bzw. Verbindungsvorgang selbst als auch beim Auftreten von Temperaturdurchläufen hervorgerufen.Blei-Zinn-Lote der beschriebenen Arten haben einen ziemlich niedrigen Schmelzpunkt und weisen daher eine ziemlich niedrige Restspannung (Spannung, die durch das Bonden verschiedener Materialien entsteht) auf. Sie ermüden jedoch in besonderem Maße mit der Erhöhung der Häufigkeit des Auftretens von Temperaturdurchlaufbeanspruchungen. Zum Beispiel werden oft SilJc iumbausteine an einen Teil aus hitzebeständigem Metall mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der nahe bei dem des Siliciums liegt, gebondet. Wolfram,
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Molybdän und ähnliches werden häufig eingesetzt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient für Molybdän beträgt 4,9 χ 10 cm/cm 0C. Der Wärmeausdehnungskoeffizient für Kupfer beträgt 17,0 χ 10 cm/cm 0C. Die Beanspruchungen, die an der Grenzschicht zwischen dem hitzebeständigen Metall und dem Kupfer auftreten, sind extrem hoch und hängen weiterhin von der Temperatur ab, bei der die Verbindung hergestellt wurde, wobei höhere Bond-Temperaturen zu höherer Restspannung führt. Dementsprechend werden Tieftemperaturlote bevorzugt, um die Größe der Spannungen an der Grenzschicht auf einer erträglichen Höhe zu halten. Solche Tieftemperatur-Weichlote haben jedoch, wie erwähnt, eine begrenzte Ermüdungslebensdauer, was zum Teil durch nicht erfolgtes Entspannen solcher Schichten, nicht vollständige plastische Deformation und dergleichen hervorgerufen wird.
Eine teilweise Lösung des Problems der begrenzten Ermüdungslebensdauer ist der Einsatz von Hartloten, z.B. von eutektische^ Gold-Zinn-Loten mit Schmelzpunkten
im Bereich von 280 0C. Solche Hartlote haben eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Spannungen, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien hervorgerufen werden, als Niedertemperatur-Weichlote ; aber die höhere mechanische Festigkeit des Lotmaterials bringt weitere Probleme mit sich, die in gleichem Maße nachteilig sein können wie die kurze thermische Erschöpfungslebensdauer. Wenn z. B. ein Material mit einem hohen Ausdehnungskoeffizienten direkt auf die Oberfläche eines Halbleiterelementes mittels Hartlot gebondet wird, so treten mit großer Wahrscheinlichkeit Brüche an der gelöteten Grenzschicht des spröden Halbleiterelementes auf. Solche Hartlotmittel
sind zudem noch sehr teuer.
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Wie erwähnt, hängen die thermischen Spannungen, die an den Berührungsflächen.- zweier verschiedener Materialien auftreten, direkt von der Bondtemperatur ab. In kleinen Bausteinen, d. h.,in Bausteinen mit kleinen Abmessungen, kann die Verwendung von Bondmaterialien für höhere Temperatur . (z. B. Lot mit einem Schmelzpunkt von 280 0C) eine akzeptable Lösung darstellen. In größeren Bausteinen reichen die Spannungen, die im Lot während des Bondens entstehen, jedoch oftmals aus, das eine oder andere der gebondeten Materialien plastisch zu verformen, was zu einer Verbiegung oder ähnlichem, wie es gewöhnlich gefunden wird, führt. Solche Verbiegungen führen zu einem Verlust an Ebenheit von Teilen des Halbleitergehäuses, besonders des Baustexnkühlkörpers. Das kann zu. thermisehen Driftproblemen führen, um so mehr, wenn das Gehäuse nicht gut an einem externen Kühlkörper befestigt werden kann. Im Extremfall kann die Verformung der Gehäuseelemente ausreichen, das Halbleiterelement zu sprengen oder anderweitig zu beschädigen, und somit zu einem Baustein-' ausfall führen.
Demgemäß werden in großflächigen Hochleistungsbausteinen Preßhalterungssysteme eingesetzt. Die verschiedenen Elemente des Bausteines werden in engen, *·^ aber nicht gebondeten Kontakt gebracht und durch äußere oder innere Federkräfte zusammengedrückt. Solche Bausteine finden breite Anwendung in der Hochleistungshalbleiterindustrie. Solche Preßbausteine leiden jedoch unter mehreren Nachteilen. Sie sind etwas komplexer und erheblieh teurer und benötigen nicht nur einen äußeren Kühlkörper, sondern noch zusätzlich zur Erzeugung der erforderlichen zusammenpressenden Kräfte eine Klammer oder dgl.,um richtig zu arbeiten. Solche Systeme sind teurer und von größerer Komplexität als Bausteine, bei
denen solche zusätzlichen strukturellen Elemente entfallen.
Weiterhin ist die Wirksamkeit der Wärmeübertragung vom
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-9- de (3809295 Baustein zu einem äußeren Kühlkörper bei Einsatz "trockener" Berührungsflächen erheblich geringer als b«i einem Baustein, bei dem gebondete oder andere "nasse" Berührungsflächen geeignet eingesetzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiterbaustein zu schaffen, der einen geringeren Wärmewiderstand zwischen einem Halbleiterelement und einem Bausteinkühlkörper besitzt und, damit kombiniert, bei dem während ■)0 des Betriebs geringere thermische Spannungen aufgrund verschiedener thermischer Expansion der Bestandteile des Gehäuses auftreten.
Weiterhin soll mit der Erfindung ein Vielelement-Halbleiterbaustein bzw. -block geschaffen werden,in dem zwei oder mehr Halbleiterelemente mit Hilfe von Zwischengliedern mit geringem elektrischen Widerstand verbunden sind. Diese Zwischenglieder sollen so angeordnet sein, daß sie den thermischen Widerstand zwischen den Halbleiterelementen und dem Bausteinkühlkörper nicht vergrößern.
Ferner soll erfindungsgemäß ein verbesserter Halbleiterbaustein geschaffen werden,bei dem Hochtemperatur-Weichlote, z. B. solche, die hauptsächlich aus Blei bestehen, oder Hartlote verwendet werden können, womit hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer auch bei wiederholten Temperaturdurchläufen gewährt ist.
Weiterhin soll der Halbleiterbaustein erfindungsgemäß mit niedrigen Kosten und in leicht herzustellender Ausführung herstellbar sein.
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Es wird somit ein Halbleiterbaustein geschaffen, dessen Kühlkörper so ausgeführt ist, daß er mit einem externen Kühlkörper oder Wärmetauscher verbunden werden kann. Eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material ist so auf den Bausteinkühlkörper aufgebracht, daß sie nur geringen thermischen Widerstand gegen ihn besitzt. Eine relativ dünne Stromverteilungsschicht aus hochgeglühtem, elektrisch leitendem Material ist mit der Strom-Verteilungsschicht verbunden. Eine etwas dickere Schicht mit höherer Leitfähigkeit umgibt das elektrische Element und kontaktiert die dünne Schicht und schafft damit eine widerstandsarme elektrische Verbindung zwischen der Oberfläche des Halbleiterelementes und der dünnen Stromverteilungsschicht. Die Schicht stellt eine elektrische Verbindung zu dem Halbleiterelement her, ohne mit dem Wärmewiderstand oder dem differentiellen Wärmeausdehnungskoeffizienten einer dickeren, vollständig nichtgeglühten Schicht behaftet zu sein. Im wesentlichen dient die dünne Schicht nur als Stromverteilungsschicht und ist vom thermischen Standpunkt aus vollkommen durchlässig.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung
näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbausteins gemäß der bisherigen Ausführung.
ou Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbausteins gemäß einen Ausführungsbeispiel.
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Fig. 3 ist eine- auseinandergezogene Darstellung
der Elemente eines Halbleiterbausteins gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 4 ist eine Außenansicht eines Vielelement-
Halbleiterbausteins gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht des Bausteins
nach Fig. 4.
10
Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Bausteins.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Bausteins der bisherigen Ausführung mit einem Halbleiterelement 10, das auf eine Wärmesparmungs-Entlastungsplatte 12 aufgebracht ist. Das Halbleiterelement 10 und die Entlastungsplatte 12 sind miteiner Elektrode 14 über eine Lötschicht 16 verbunden. Die Elektrode 14 weist einen Abschnitt mit einem Verbindungsteil 18 auf, über den zweckdienlich die elektrische Verbindung zu einem anderen Halbleiterelement im selben Gehäuse
hergestellt werden kann. Weiterhin ist die Elektrode 14 mit einer 'Isolierschicht 20 verbunden, die wiederum mit einem internen Kühlkörper 22 verbunden ist. Das Herstellen der Verbindung der Isolierschicht 20 mit dem Kühlkörper 22 wie auch der Verbindung der Elektrode 14 mit der Isolierschicht 20 erfolgt durch Metallisieren des Isoliermaterials, z.B. mit dem bekannten Mo-Mn-
ou System, und dann durch das Verlöten des so metallisierten Isoliermaterials mit dem Kühlkörper und der Elektrode. Herkömmlicherweise werden die Elektrode und der Kühlkörper so ausgewählt, daß sie einen niedrigen thermischen und elektrischen Widerstand besitzen, und werden daher
oft aus Kupfer hergestellt. Grenzschichten 24 und 26 zwischen der Isolierschicht 20 und der Elektrode 18 bzw. dem Kühlkörper 22, sind häufig Vielelement-Grenzschichten
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und werden hier nur aus Gründen der Darstellungsvereinfachung als einzelne Schichten gezeigt. Ein Leistungsanschluß 28 für große Ströme ist ebenfalls mit der Elektrode 14 durch Hartlöten oder dgl. verbunden und stellt die elektrisehe Verbindung zum unteren Anschluß des Bausteines dar. Die Verbindung zum oberen Kontakt des Haibleiterbausteins 10 wird herkömmlicherweise über eine biegsame Leitung 30, eine Scheibe 32 und eine Bondschicht 34 hergestellt. Die Scheibe 32 kann geeigneterweise eine Molybdän-Scheibe sein, die mit der Oberseite des Halbleiterelementes 10 verlötet ist. Gleichermaßen kann die biegsame Leitung 30 mit der Scheibe 32 an einem Abschnitt verlötet sein, der hier nicht im Detail gezeigt wird.
Wärme, die im Halbleiterelement 10 erzeugt wird, muß durch die Entlastungsschicht 12, die Lötschicht ' 16, die Elektrode 14, die Grenzschicht 24, die Isolierschicht 20, die Grenzschicht 26, den Kühlkörper 22 und zuletzt durch die Grenzschicht zwischen Kühlkörper 22 und einem externen Kühlkörper fließen, bevor sie an die Luft abgegeben wird..Das Vorhandensein einer großen Anzahl der hierfür notwendigen Elemente und Grenzschichten zwischen ihnen vergrößert den Wärmewiderstand eines Bausteins nach der bisherigen Ausführung. Weiterhin führt die Vielzahl von unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterelement 10 und dem äußeren Kühlkörper zur Erzeugung von beträchtlichen mechanischen Spannungen, die besonders an den Grenzschichten auftreten, wenn der Baustein sich während des Betriebes aufheizt und abkühlt.
Ein Halbleiterbaustein gemäß einö^ Ausführungsbeispiels
ist in Fig. 2 gezeigt. Obwohl die Erfindung besonders nützlich ist für Halbleiterbausteine, die zwei oder mehr Halbleiterelemente in einem einzigen Gehäuse
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] vereinen, und hier auch überlegene Ergebnisse erzielt v/erden, versteht es sich, daß die Anwendung sich nicht nur darauf beschränkt und auch Halbleiterbausteine mit nur einem Halbleiterelement umfaßt. Entsprechend zeigt Fig. 2 ein einzelnes Halbleiterelement als Ausschnitt aus einem Zweielement-Halbleiterbaustein, das jedoch mit nur geringfügigen Änderungen, die im weiteren beschrieben werden, zum Beispiel ein Einelement-Halbleiterbaustein ergibt.
Fig. 3 ist eine auseinandergezogene Darstellung des Aufbaus nach Fig. 2, bei der die einzelnen Elemente leichter erkennbar sind. Gleiche Bezugsziffern in den Fig. 2 und 3 bezeichnen gleiche Elemente. Es ist ein Basisteil 40 vorgesehen, das durch hohe Wärmeleitfähigkeit charakterisiert ist und das aufgrund des Ausgleichs von Spannungen auf beiden Seiten der elektrisch isolierenden Schicht dünner als es bislang möglich war ausgeführt werden kann, ohne daß unerwünschte Verformungen beim Bonden des Bausteins auftreten. Das Basisteil 40 wird typischerweise aus Kupfer hergestellt, da Kupfer eine hervorragende thermische Leitfähigkeit besitzt und relativ leicht in der gewünschten Form herzustellen ist. Obwohl Kupfer das gegenwärtig bevorzugte Material für das Basisteil 40
ist, können dabei auch andere Materialien
eingesetzt werden, z. B. Stahl oder Kombinationen von zwei oder mehr Materialien, so z. B. Kupfer und Stahl, da diese Materialien billiger sind. Aufgrund der Widerstandsfähigkeit und des Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl kann ein relativ dünneres Basisteil verwendet werden, so daß demnach beispielsweise ein Basisteil aus Stahl eingesetzt werden, dessen Stärke zwischen 1/3 und 1/6 der Stärke eines Basisteils aus Kupfer liegt.
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Wegen seiner relativ geringen Dicke kann das Basisteil 40 leicht aus einer größeren Materialplatte ausgestanzt werden und somit äußerst billig hergestellt werden, verglichen mit den bisherigen Hersteliungsmethoden, bei denen die Dicke des Materials Lochen oder Stanzen zur Herstellung des Basisteils ausschließt. Das Basisteil 40 dient als Kühlkörper für den Baustein und gleichzeitig zur übertragung der Wärme an einen externen Kühlkörper, an dem es befestigt ist. Eine Isolierschicht 42 ist an ihrer Unterseite mit einer Bondschicht 44 belegt, die so ausgelegt ist, daß sie mit dem < Basisteil· 40 verträglich und durch Löten oder dgl. verbindbar ist. Entsprechend einem vorzugsweise gewähltem Ausführungsbeispiel ist die Bondschicht 44
eine direkt gebondete Kupferschicht. Die Isolierschicht 42 · ist z.B. eine keramische; Schicht aus Aluminiumoxid oder Beryllerde oder einem ähnliche Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, das sich direkt mit der Schicht 44 verbindet, wie es z. B. in der US-PS 3 994 430 beschrieben wird, auf die hiermit Bezug genommen wird. Die Bondschicht 44 kann auch eine metallisierte Schicht sein, wie sie bei dem bekannten Molybdän-Mangan-Metallisierungsprozeß entsteht. Als weitere Möglichkeit kann jede Schicht aus einem Material eingesetzt werden, das mit geringem thermischen Widerstand eine Verbindung zum Basisteil 40 ergibt. . Die obere Seite der Isolierschicht 42 ist mit einer stromverteilenden Schicht 46 mit geringem elektrischen Widerstand versehen, die die doppelte Funktion ausübt, einerseits, wie noch beschrieben wird,
Strom von einer Halbleiteruntergruppe 50 zu einer Elektrode 48 zu leiten, und andererseits die thermische Verbindung zwischen der Halbleiteruntergruppe 50 und der Isolierschicht 42 herzustellen. Vorzugsweise ist die stromverteiiende Schicht 46 ebenfalls eine direkt gebondete Kupferschicht,
die zur Verringerung der Spannungen in der Isolierschicht
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42 gleichzeitig mit der Schicht 44 hergestellt wird und dieser sehr ähnlich ist. Bei dem vorzugsweise gewähltem Ausführungsbeispiel ist jede der Schichten 44 und 46 ungefähr 0,25 mm dick und zeigt die Eigenschaften völliger Entspannung von Kupferschichten, wie es in der erwähnten US-PS 3 994 430 beschrieben ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Isolierschicht 42 mit der Stromverteilungsschicht 46 und der Bondschicht 44 entsprechend dem Direktbondverfahren verbunden, wobei die Kupferschichten 44 und 46 vor der Verbindung mit dem Basisteil 40 mit Nickel beschichtet und mit einer Lötschicht überzogen werden. Vorzugsweise wird auch das Basisteil 40 zur Verbesserung der Lötbarkeit nickelbeschichtet.
Zur Vergrößerung der Spannungsfestigkeit eines derartigen Bausteins sind die stromverteilende Schicht 46 und die Bondschicht 44 geringfügig kleiner ausgeführt als die Isolierschicht 42, wodurch längere Überschlags- und Kriechstrecken zwischen den beiden Schichten bzw. zwischen der stromverteilenden Schicht 46 und dem Basisteil 40 entstehen. Weiterhin sind, wie aus der Darstellung zu entnehmen ist, die Ecken der stromverteilenden Schicht 46 mit einem Radius versehen, wodurch einerseits die Überschlags- und Kriechstrecken noch weiter vergrößert und andererseits die an den Ecken einer direkt mit keramischen Grenzschichten verbundenen Kupferplatte entstehenden Stellen erhöhter thermischer Belastung beseitigt werden.Die Elektrode 48 ist vorzugsweise eine Elektrode mit niedrigem elektrischen Widerstand, die entsprechend der Strombelastbarkeit des Bausteins hohe Ströme führt. . Es ist jedoch nicht notwendig, daß die Elektrode 48 einen besonders niedrigen Wärmewiderstand besitzt, da sie nur zum Stromtransport dient und sich nicht im Wärmepfad zwischen der Halbleiter-
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Untergruppe 50 und dem als Kühlkörper dienenden Basisteil 40 befindet. Vorzugsweise wird die Elektrode 48 aus demselben Material wie das Basisteil 40 hergestellt und hat damit ähnliche Wärmeausdehnungseigenschaften, sodaß sich die Spannungen auf den gegenüberliegenden. Seiten der Isolierschicht 42 gleichen. Gemäß
einem anderen Ausführungsbeispiel kann
die Elektrode 48 aus einem Material hergestellt werden, das eine gute elektrische Leitfähigkeit, aber im Vergleich zu Kupfer eine relativ schlechte thermische Leitfähigkeit
besitzt. Aluminium hat sich als vorteilhaftes Material für die Elektrode 48 erwiesen, da seine elektrische Leitfähigkeit relativ hoch ist und seine Kosten im Vergleich zu Kupfer niedrig sind. Die Elektrode 48 besitzt einen Anschlußteil 52, über den, wie im weiteren . beschrieben wird, die elektrische Verbindung zwischen mehreren Elementen in einem einzigen Bausteingehäuse
erfolgt. Die Elektrode 48 ist weiterhin mit einer öffnung 54 versehen, in die die Halbleiteruntergruppe 50 in direktem Kontakt mit der stromverteilenden Schicht 46 eingesetzt wird. Vorzugsweise wird die öffnung 54 mit einem abgeschrägten Bereich 56 versehen, wodurch sich die Spannungsbelastbarkeit des Bausteins durch die Vergrößerung des Abstands zwischen dem Halbleiterelement 58 und der Elektrode 48 vergrößert. Die Halbleiteruntergruppe 50 besteht aus einem Halbleiterelement 58 und einer Spannungsentlastungsplatte 60, die vorzugsweise schon vor dem Zusammenbau des Bausteins zusammengebondet werden. Die Verwendung solcher Halbleiteruntergruppen in Bausteinen für höhere Ströme ist bekannt. Als Material für die Spannungsentlastungsplatte wird gewöhnlich Wolfram oder Molybdän bei Verwendung eines SiIi iumhalbleiterelements eingesetzt, da die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieserMaterialien gut übereinstimmen. Der Kontakt zu
*" der oberen Seite des Halbleiterelements 58 wirkt vorzugsweise übereine thermisch passende Scheibe 62 hergestellt, die vorteilhaft aus Molybdän oder Wolfram besteht
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und ζ. B. mit einer Nickel-Silber-Legierung geeignet beschichtet und mit der oberen Seite des Elementes 58 verlötet ist. Falls erwünscht, kann eine vorgeformte Lötscheibe 64 verwendet werden .Eine elektrische Zuleitung 66 wird mit der oberen spannungsentlastenden Scheibe 62 in herkömmlicher Manier durch Hartlöten bei einer relativ hohen Temperatur von ungefähr 700 0C verbunden, bevor die Scheibe 62 mit dem Halbleiterelement 58 verbunden wird.
Der Zusammenbau des Basisteils 40, der Isolierschicht 42, auf die die stromverteilende Schicht 46 und die Bondschicht 44 schon vorher aufgebracht wurden, der Elektrode 48 und der schon vorher zusammengesetzten Untergruppe, die aus der Halbleiteruntergruppe 50, der spannungsentlastenden Scheibe 62, der Zuleitung 66 und den Elementen dazwischen besteht, wird vorzugsweise in einem einzigen Hoch temperatur-Lötschritt erreicht, bei dem ein Lot aus 95,2 % Blei, 0,05 % Zinn und 2,5 % silber verwendet werden. Diese Montage kann geeigneterweise in einem Tunnelofen oder dgl. ·. stattfinden. Die zu lötenden Berührungsflächen liegen dabei zwischen der Bondschicht 44 und dem Basisteil 40, zwischen der Elektrode 48 und der stromverteilenden Schicht 46, zwisehen der Halbleiteruntergruppe 50 und der stromverteilenden Schicht 46 und zwischen der Halbleiteruntergruppe 50 und der Scheibe 62.
Durch einen Vergleich des Aufbaus des bekannten in Fig. 1 dargestellten . Bausteins und des vorliegenden, in Fig. 2 gezeigten Bausteins kann leicht eine Anzahl von Vorzügen des letzteren aufgezeigt werden. Es ist ersichtlich, daß die Elektrode 48 nicht zu dem thermischen Widerstand zwischen der Halbleiteruntergruppe 50 und dem Basisteil 40 beiträgt, wohingegen die
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Elektrode 18 bei dem bekannten Halbleiter-Baustein im Wärmepfad zwischen der Halbleiteruntergruppe 10, 12 und dem Kühlkörper 22 liegt. Der Wärmewiderstand des herkömmlichen Bausteins vergrößert sich nicht nur durch das Vorhandensein der Elektrode 14 im thermischen Pfad zwischen dem Halbleiterelement und dem äußeren Kühlkörper, sondern auch durch das Vorhandensein einer weiteren Grenzschicht 16 zwischen dem Halbleiterelement und der Elektrode. Bei dem Ausführungsbeispiel tragen weder die Elektrode noch die Grenzschicht zum thermischen Widerstand des Bausteins bei. Ferner ist die Halbleiteruntergruppe 12 in dem bekannten Aufbau mit der Elektrode 14 verbunden, die, wie es auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fall ist, aus Kupfer besteht,
•5 dessen thermische Eigenschaften sehr schlecht zu denjenigen des Siliziums und Molybdäns des Halbleiterelements bzw. der Trägerplatte passen. Als Material für die Elektrode 14 muß nichtgetempertes Kupfer verwendet werden, da für eine gute Verarbeitbarkeit er-
^O hebliche mechanische Festigkeit notwendig ist. Der Wegfall von nichtgetempertem Material zwischen der Halbleiteruntergruppe 50 und der relativ dünnen und hochgetemperten stromverteilenden Schicht 46 stellt eine erhebliche Verbesserung dar. Dementsprechend liegen
■" die bei dem beschriebenen Baustein bei Temperaturdurchläufen auftrtenden thermischen Spannungen erheblich unter den bisher möglichen. Dadurch erhöht sich nicht nur die Zuverlässigkeit des Bausteins erheblich,sondern, und das ist gleichermaßen wichtig, es können auch Löt-
Vorgänge bei hoher Temperatur unter Einsatz von Hochtemperaturloten beim Zusammenbau des Bausteins durchgeführt werden, wodurch sich die Widerstandsfähigkeit des Bausteins gegen thermische Ermüdung beträchtlich
erhöht.
35
Fig. 4 ist eine Außenansicht eines Zweielement-
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' Halbleiterbausteins als Ausführungsbeispiel. Ein Gehäuse 70 aus Kunststoff oder einem anderen isolierenden Material ist mit dem Basisteil 40 verbunden. Elektrische Anschlüsse 72, 74 und 76 ergeben Bausteinverbindungen für hohe Ströme und Gateanschlüsse 78 und ergeben Verbindungen für niedrige Steuerströme.
Der Aufbau des Bausteins gemäß Fig. 4 ist in der . Schnittansicht in Fig. 5 dargestellt, in der auch die Verbindung von zwei Halbleiterelementen in einem einzigen Gehäuse erkennbar ist.
Gleiche Elemente in den Fig. 2, 3, 4 und 5 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Anschlußstützen
^ 28 und 84 für hohe Ströme sind mit Elektroden 48 und verbunden. Die Schraubanschlüsse 72, 74 und 76 sind mit den Anschlußstutzen 28 und 84 und der Zuleitung 66 mittels Niedertemperaturlötung zur Erzielung hoher mechanischer Festigkeit verbunden. Auf gleiche Weise
^ sind die Gateanschlüsse 78 bzw. 80 mit Gateelektroden 88 bzw. 90 der Halbleiterelemente 58 bzw. 92 verbunden. Eine Anzahl erheblicher Vorteile und weitere Details des in den Fig. 4 und 5 abgebildeten Gehäuse3 können
der US-PS 963 807 entnommen werden. 25
Obgleich vorteilhafte Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, besteht keine Einschränkung hierauf. So könnte z.B. statt der hier bevorzugten relativ dicken, direkt gebondeten Stromverteilungselektrode aus
Kupfer auch eine relativ dünnere stromverteilende Schicht eingesetzt werden, die z.B. nach dem Molybdän-Mangan-Metallisierungsverfahren hergestellt wird. Die Dicke der Metallisierungsschicht, die nach dem Molybdän-Mangan-Metallisierungsverfahren direkt erzielt werden
kann, liegt in der Größenordnung von 25 bis 50 pm, wohingegen direkt gebondete Kupferelektroden in einem einzigen Schritt mit einer Dicke von 250 μΐη oder mehr hergestellt werden können. Werden die dünneren strom-
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verteilenden Schichten eingesetzt, so ist es vorteilhaft, eine elektrische Verbindung nicht nur zwischen der Elektrode 48 und der stromverteilenden Schicht 46, sondern auch direkt zwischen der Elektrode 48 und der Spannungsentlastungsplatte 60 herzustellen, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Verbindung kann leicht durch die Einführung eines Lötringes 96 in den die Spannungsentlastungsplatte 60 umgebenden Umfangsraum erreicht werden. Wenn der Raum zwischen der Elektrode und der Spannungsentlastungsplatte 60 genügend klein ist, d.h. im Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm oder weniger liegt, so dringt beim Zusammenbau der Elemente Lot durch Kapillarwirkung in den umfangsraum 94.
Zur Verstärkung dieser Kapillarwirkung wird die Spannungsentlastungsplatte 60 auf der Rückseite und zumindest bis in halbe Höhe der Ränder mit Nickel oder Nickel-Silber beschichtet. Ein Vergleich der thermischen Widerstände des Bausteins in der bekannten Ausführung und des als Ausführungsbeispiel in Fig. 2 dargestellten Bausteines zeigt, daß der Wärmewiderstand, der zwischen der Übergangszone und dem Kühlkörper 22 gemessen wird, bei dem bekannten Baustein zwischen 0,22 und 0,28°C/W liegt, wohingegen der Wärmewiderstand bei dem Ausführungsbeispiel bei ungefähr 0,15°C/W liegt. Weiterhin wird die Lebensdauer bis zur thermischen Ermüdung zumindest eine Größenordnung' höher als die des bekannten Bausteins geschätzt. All diese Verbesserungen werden mit einem Baustein erreicht, dessen Herstellungskosten unter
ou dem bisher möglichen liegen.
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Es wird ein Halbleiterbaustein mit einem äußerst geringen Wärmewiderstand zwischen einem Halbleiterelement und einem Kühlkörper beschrieben, wobei das Halbleiterelement direkt auf eine dünne, auf einer elektrisch isolierenden Schicht aufgebrachten stromverteilenden Schicht mit geringem thermischen Widerstand aufgebracht ist. Eine mit der stromverteilenden Schicht verbundene Elektrode umgibt das Halbleiterelement, so daß durch sie kein zusätzlicher thermischer Widerstand zwischen dem Halbleiterelement und dem Kühlkörper entsteht. Dabei kann ohne Vergrößerung des thermischen
Widerstands relativ billiges Elektrodenmaterial verwendet werden.
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Leerseite

Claims (16)

  1. - BüHLiNG - Kinne
    GDiine - Pci ιΚ«αμΜ "· ' -QpL-lng. H.Tiedtke
    RUPE - KELLMANN ..-..- ■■ Dipi.-Chem. G.Bühling
    Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann
    Bavariaring 4, Postfach 2024 8000 München 2
    Tel.: 089-539653 Telex: 5-24845 tipat cable: Germaniapatent Mund" 11. März 1980
    DE 0238 / case 36-SP-1173 Fichot
    Patentansprüche
    1/ Halbleiterbaustein, gekennzeichnet durch ein Basisteil (40), das mit geringem Wärmewiderstand mit einem externen Kühlkörper verbindbar ist, 15
    eine auf das Basisteil (40) aufgebrachte und mit diesem über eine Bondschicht (44) mit geringem Wärmewiderstand verbundene Isolierschicht (42),
    eine mit geringem Wärmeübergangswiderstand auf die Isolierschicht (42) aufgebrachte niederohmige strornverteilende Schicht (46) ,
    ein Halbleiterelement (58) auf der stromverteilenden Schicht (46) und
    eine das Halbleiterelement (58) mit Zwischenraum umgebende Elektrode (48), die auf die stromverteilende Schicht (46) aufgebracht ist und die elektrische Verbindung zu dem Halbleiterelement (58) herstellt, ohne zu dem Wärmewiderstand zwischen dem Halbleiterelement (58) und dem Basisteil (40) beizutragen. 30
  2. 2. Baustein nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Spannungsentlastungspiatte (60), die sich zwischen dem Halbleiterelement (58) und der stromverteilenden Schicht (46) befindet.
    35
    Ro/rs
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    Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939844 Postscheck (München) Kto. 870-43-804
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  3. 3. Baustein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsentlastungsplatte (60) eine Schicht aus einem Material enthält/ dessen Wärmeausdehnungskoeffizient dem von Silicium nahekommt.
  4. 4. Baustein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem von Silicium und dem der Isolierschicht (42) liegt.
  5. 5. Baustein nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsentlastungsplatte (60) eine Schicht aus Metall enthält, das aus der Gruppe mit Molybdän und Wolfram ausgewählt ist.
  6. 6. Baustein nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die stromverteilende Schicht (46) eine relativ dünne, elektrisch leitende Schicht ist.
  7. 7. Baustein nach Anspruch 6, dadurch geke'nnzeichnet, daß die stromverteilende Schicht (46) aus Molybdän-Mangan besteht.
  8. 8. Baustein nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da-! durch gekennzeichnet, daß die Spannungsentlastungsplatte
    (60) und die stromverteilende Schicht (46) mittels einer Lotschicht aus Hochtemperatur-Weichlot verbunden sind.
  9. 9. Baustein nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot ein Blei-Zinn-Lot ist.
  10. 10. Baustein nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (96) zur elektrischen Verbindung der Elektrode ('48) mit den Seitenrändern der Spannungsentlastungsplatte (60). 35
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  11. 11. Baustein nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch verbindende Vorrichtung (96) ein ringförmiger Lötbereich zwischen der Spannungsentlastungsplatte (60) und der Elektrode (48) ist.
  12. 12. Baustein nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (48) einen das Halbleiterelement (58) umgebenden abgeschägten Bereich (56) besitzt, der den Abstand zwischen dem HaIbleiterelement (58) und der Elektrode (48) vergrößert, wodurch sich die Durchbruchsspannung zwischen diesen erhöht.
  13. 13. Baustein nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der direkt gebondeten Kupferschicht ungefähr zwischen 0,1 mm und 0,4 mm liegt.
  14. 14. Baustein nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode
    (48) aus Aluminium besteht.
  15. 15. Baustein nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stromverteilende Schicht (46) eine direkt gebondete Kupferschicht ist, die zur Herabsetzung der Spannung zwischen der stromverteilenden Schicht (4.6) und dem Halbleiterelement (58) auf ein Mindestmaß einen hochgetemperten metallurgischen Zustand hat.
    ow
  16. 16. Baustein nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil (40) ein Stahlteil ist.
    030040/0656
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MX (1) MX148428A (de)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3136796A1 (de) * 1980-09-17 1982-07-15 Hitachi, Ltd., Tokyo Halbleiteranordnung und verfahren zu ihrer herstellung
DE3221199A1 (de) * 1981-06-05 1983-01-27 Hitachi, Ltd., Tokyo Halbleiteranordnung des isolierten typs
DE3127456A1 (de) * 1981-07-11 1983-02-03 Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim Stromrichteranordnung
DE3143339A1 (de) * 1981-10-31 1983-05-19 SEMIKRON Gesellschaft für Gleichrichterbau u. Elektronik mbH, 8500 Nürnberg Halbleiteranordnung
DE3147790A1 (de) * 1981-12-03 1983-06-09 Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim Leistungsmodul und verfahren zu seiner herstellung
DE3147789A1 (de) * 1981-12-03 1983-06-09 Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim Leistungsmodul und verfahren zu seiner herstellung
EP0163163A2 (de) * 1984-06-01 1985-12-04 Asea Brown Boveri Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung von Leistungshalbleitermodulen mit isoliertem Aufbau
DE3604882A1 (de) * 1986-02-15 1987-08-20 Bbc Brown Boveri & Cie Leistungshalbleitermodul und verfahren zur herstellung des moduls
DE3839383A1 (de) * 1988-11-22 1990-05-23 Semikron Elektronik Gmbh Verfahren zum herstellen einer halbleiterbaueinheit und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
US5182628A (en) * 1989-06-28 1993-01-26 Hitachi, Ltd. Semiconductor device having particular solder interconnection arrangement
DE4240843A1 (de) * 1992-12-04 1994-06-09 Bosch Gmbh Robert Anordnung zur Verlustwärmeableitung bei Leistungshalbleiterbauelementen
DE19530264A1 (de) * 1995-08-17 1997-02-20 Abb Management Ag Leistungshalbleitermodul

Families Citing this family (46)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5032898A (en) * 1979-12-10 1991-07-16 Amp Incorporated Electro-optic device assembly having integral heat sink/retention means
US4336568A (en) * 1980-07-24 1982-06-22 Westinghouse Electric Corp. Packaged solid state power controller with separable mounting for a power switching device, and method of assembly
FR2495846A1 (fr) * 1980-12-05 1982-06-11 Cii Honeywell Bull Dispositif de connexion electrique a haute densite de contacts
FR2495838A1 (fr) * 1980-12-05 1982-06-11 Cii Honeywell Bull Dispositif de refroidissement amovible pour supports de circuits integres
JPS58500187A (ja) * 1981-02-07 1983-02-03 モトロ−ラ・インコ−ポレ−テツド 多レベル・リ−ドを有する大電流パツケ−ジ
JPS5846663A (ja) * 1981-08-29 1983-03-18 ロ−ベルト・ボツシユ・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング 半導体ダイオ−ド薄片を有する整流装置
US4538168A (en) * 1981-09-30 1985-08-27 Unitrode Corporation High power semiconductor package
US4634638A (en) * 1981-12-17 1987-01-06 International Business Machines Corporation High melting point copper-gold-tin brazing alloy for chip carriers
US4510519A (en) * 1982-03-26 1985-04-09 Motorola, Inc. Electrically isolated semiconductor power device
US4583283A (en) * 1982-03-26 1986-04-22 Motorola, Inc. Electrically isolated semiconductor power device
US4594770A (en) * 1982-07-15 1986-06-17 Olin Corporation Method of making semiconductor casing
US4480262A (en) * 1982-07-15 1984-10-30 Olin Corporation Semiconductor casing
US4529836A (en) * 1983-07-15 1985-07-16 Sperry Corporation Stress absorption matrix
JPS611852U (ja) * 1984-06-08 1986-01-08 日本インター株式会社 複合半導体装置
US4775917A (en) * 1985-12-03 1988-10-04 Wells Manufacturing Company Thermal compensated circuit board interconnect apparatus and method of forming the same
US5012322A (en) * 1987-05-18 1991-04-30 Allegro Microsystems, Inc. Semiconductor die and mounting assembly
JPS6459947A (en) * 1987-08-31 1989-03-07 Toshiba Corp Semiconductor device
DE3837920A1 (de) * 1988-11-09 1990-05-10 Semikron Elektronik Gmbh Halbleiterelement
US5148264A (en) * 1990-05-02 1992-09-15 Harris Semiconductor Patents, Inc. High current hermetic package
US5519253A (en) * 1993-09-07 1996-05-21 Delco Electronics Corp. Coaxial switch module
US5444295A (en) * 1993-09-07 1995-08-22 Delco Electronics Corp. Linear dual switch module
US5563447A (en) * 1993-09-07 1996-10-08 Delco Electronics Corp. High power semiconductor switch module
KR100322177B1 (ko) 1993-12-27 2002-05-13 이누이 도모지 내연기관용점화장치
US5539254A (en) * 1994-03-09 1996-07-23 Delco Electronics Corp. Substrate subassembly for a transistor switch module
US5517059A (en) * 1994-04-26 1996-05-14 Delco Electronics Corp. Electron and laser beam welding apparatus
US5594355A (en) * 1994-07-19 1997-01-14 Delta Design, Inc. Electrical contactor apparatus for testing integrated circuit devices
US5717252A (en) * 1994-07-25 1998-02-10 Mitsui High-Tec, Inc. Solder-ball connected semiconductor device with a recessed chip mounting area
EP0706221B8 (de) * 1994-10-07 2008-09-03 Hitachi, Ltd. Halbleiteranordnung mit einer Mehrzahl von Halbleiterelementen
US5876859A (en) * 1994-11-10 1999-03-02 Vlt Corporation Direct metal bonding
US5906310A (en) * 1994-11-10 1999-05-25 Vlt Corporation Packaging electrical circuits
JP2732823B2 (ja) * 1995-02-02 1998-03-30 ヴィエルティー コーポレーション はんだ付け方法
SG59997A1 (en) * 1995-06-07 1999-02-22 Ibm Apparatus and process for improved die adhesion to organic chip carries
US5848083A (en) * 1996-10-24 1998-12-08 Sdl, Inc. Expansion-matched high-thermal-conductivity stress-relieved mounting modules
US6127727A (en) * 1998-04-06 2000-10-03 Delco Electronics Corp. Semiconductor substrate subassembly with alignment and stress relief features
US5895974A (en) * 1998-04-06 1999-04-20 Delco Electronics Corp. Durable substrate subassembly for transistor switch module
US6404065B1 (en) 1998-07-31 2002-06-11 I-Xys Corporation Electrically isolated power semiconductor package
US6316737B1 (en) 1999-09-09 2001-11-13 Vlt Corporation Making a connection between a component and a circuit board
US6985341B2 (en) 2001-04-24 2006-01-10 Vlt, Inc. Components having actively controlled circuit elements
US7443229B1 (en) 2001-04-24 2008-10-28 Picor Corporation Active filtering
US6727585B2 (en) 2001-05-04 2004-04-27 Ixys Corporation Power device with a plastic molded package and direct bonded substrate
US6731002B2 (en) 2001-05-04 2004-05-04 Ixys Corporation High frequency power device with a plastic molded package and direct bonded substrate
EP1538667A3 (de) * 2003-12-06 2007-04-18 LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG Elektronisches Gerät mit elektrisch isoliertem metallischen Wärmeableitkörper
JP4965187B2 (ja) * 2006-08-09 2012-07-04 株式会社日立製作所 半導体装置
US7875972B2 (en) * 2009-06-25 2011-01-25 International Business Machines Corporation Semiconductor device assembly having a stress-relieving buffer layer
JP2016161410A (ja) * 2015-03-02 2016-09-05 株式会社東芝 歪検出素子、圧力センサ及びマイクロフォン
US10483175B2 (en) * 2015-12-04 2019-11-19 Mitsubishi Electric Corporation Power semiconductor device

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1809716A1 (de) * 1967-11-28 1969-08-28 Philips Nv Halbleitervorrichtung
DE1962003A1 (de) * 1968-12-17 1970-07-02 Texas Instruments Inc Halbleiteranordnung mit Waermeableitung
DE2035252A1 (de) * 1969-07-22 1971-02-25 Gen Electric Halbleiterbauelement
US3994430A (en) * 1975-07-30 1976-11-30 General Electric Company Direct bonding of metals to ceramics and metals
DE2731211A1 (de) * 1977-07-11 1979-01-25 Semikron Gleichrichterbau Halbleiterbaueinheit

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3089067A (en) * 1957-09-30 1963-05-07 Gen Motors Corp Semiconductor device
FR1357210A (fr) * 1962-05-10 1964-04-03 Bosch Gmbh Robert Nouveau dispositif à semi-conducteur
US3274456A (en) * 1962-11-21 1966-09-20 Gen Instrument Corp Rectifier assembly and method of making same
US3258661A (en) * 1962-12-17 1966-06-28 Sealed semiconductor device
DE1815989A1 (de) * 1968-12-20 1970-07-02 Semikron Gleichrichterbau Halbleiter-Anordnung
US3699402A (en) * 1970-07-27 1972-10-17 Gen Electric Hybrid circuit power module
JPS5228547B2 (de) * 1972-07-10 1977-07-27
DE2337694C2 (de) * 1973-07-25 1984-10-25 SEMIKRON Gesellschaft für Gleichrichterbau u. Elektronik mbH, 8500 Nürnberg Halbleitergleichrichteranordnung hoher Strombelastbarkeit
US4009485A (en) * 1974-12-23 1977-02-22 General Electric Company Semiconductor pellet assembly mounted on ceramic substrate
DE7512573U (de) * 1975-04-19 1975-09-04 Semikron Gesellschaft Fuer Gleichri Halbleitergleichrichteranordnung
DE2617335A1 (de) * 1976-04-21 1977-11-03 Siemens Ag Halbleiterbauelement

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1809716A1 (de) * 1967-11-28 1969-08-28 Philips Nv Halbleitervorrichtung
DE1962003A1 (de) * 1968-12-17 1970-07-02 Texas Instruments Inc Halbleiteranordnung mit Waermeableitung
DE2035252A1 (de) * 1969-07-22 1971-02-25 Gen Electric Halbleiterbauelement
US3994430A (en) * 1975-07-30 1976-11-30 General Electric Company Direct bonding of metals to ceramics and metals
DE2731211A1 (de) * 1977-07-11 1979-01-25 Semikron Gleichrichterbau Halbleiterbaueinheit

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3136796A1 (de) * 1980-09-17 1982-07-15 Hitachi, Ltd., Tokyo Halbleiteranordnung und verfahren zu ihrer herstellung
DE3221199C2 (de) * 1981-06-05 1988-03-31 Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, Jp
DE3221199A1 (de) * 1981-06-05 1983-01-27 Hitachi, Ltd., Tokyo Halbleiteranordnung des isolierten typs
DE3127456A1 (de) * 1981-07-11 1983-02-03 Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim Stromrichteranordnung
DE3143339A1 (de) * 1981-10-31 1983-05-19 SEMIKRON Gesellschaft für Gleichrichterbau u. Elektronik mbH, 8500 Nürnberg Halbleiteranordnung
DE3147789A1 (de) * 1981-12-03 1983-06-09 Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim Leistungsmodul und verfahren zu seiner herstellung
DE3147790A1 (de) * 1981-12-03 1983-06-09 Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim Leistungsmodul und verfahren zu seiner herstellung
EP0163163A2 (de) * 1984-06-01 1985-12-04 Asea Brown Boveri Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung von Leistungshalbleitermodulen mit isoliertem Aufbau
EP0163163A3 (en) * 1984-06-01 1987-04-01 Brown, Boveri & Cie Aktiengesellschaft Method of manufacturing power semiconductor modules mounted on an insulating base
DE3604882A1 (de) * 1986-02-15 1987-08-20 Bbc Brown Boveri & Cie Leistungshalbleitermodul und verfahren zur herstellung des moduls
DE3839383A1 (de) * 1988-11-22 1990-05-23 Semikron Elektronik Gmbh Verfahren zum herstellen einer halbleiterbaueinheit und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
US5182628A (en) * 1989-06-28 1993-01-26 Hitachi, Ltd. Semiconductor device having particular solder interconnection arrangement
DE4240843A1 (de) * 1992-12-04 1994-06-09 Bosch Gmbh Robert Anordnung zur Verlustwärmeableitung bei Leistungshalbleiterbauelementen
DE19530264A1 (de) * 1995-08-17 1997-02-20 Abb Management Ag Leistungshalbleitermodul
US5705853A (en) * 1995-08-17 1998-01-06 Asea Brown Boveri Ag Power semiconductor module

Also Published As

Publication number Publication date
JPS55133562A (en) 1980-10-17
US4278990A (en) 1981-07-14
FR2452178A1 (fr) 1980-10-17
FR2452178B1 (fr) 1986-04-18
BR8001625A (pt) 1980-11-18
MX148428A (es) 1983-04-20
CH652533A5 (de) 1985-11-15

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