DE3243689A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung

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Description

Halbleitervorrichtung
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleitervorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Halbleiterbauteil für hohe Leistung.
Mit dem Fortschritt der Technologie des Oberflächenschutzes und der Kunststoff- bzw. Harzversiegelung eines Halbleiterchips wurde es möglich, ein Halbleiterbauteil für hohe Leistung zu miniaturisieren und zu vereinfachen, die Isolationseigenschaften zu verbessern und eine zusammengesetzte Integration vieler Funktionen und niedrige Kosten des Halbleiterbauteiles zu erreichen. Obwohl seit dem Erscheinen eines derartigen Hochleistungs-Halbleiterbauteiles nur etwa zwei Jahre vergangen sind, wird das Bauteil auf den verschiedensten Gebieten in schnell zunehmendem Maße verwendet.
Fig. 1 stellt einen Querschnitt durch ein herkömmliches Hochleistungs-Halbleiterbauteil dar. Ein ein Seitenteil eines Außenbehälters darstellendes Rohr 2 mit rechteckigem Querschnitt ist an einer Strahlungs-Metallplatte 1 mittels eines Klebemateriales 3 wie beispielsweise einem Kleber oder einem Klebeband befestigt und aus einem relativ gering wärmefesten Harz bzw. Kunststoff zum Spritzgießen wie bei-
spielsweise Kunststoff der PBT-Gruppe, der PPS-Gruppe, der Phenol-Gruppe und dergleichen gebildet. Ein aus Isolationsmaterial gebildetes Bett 4 für externe Elektroden ist auf der.Strahlungs-Metal!platte 1 durch einen Kleber 3 befestigt. Externe Elektroden 5 sind mittels eines Lötmateriales 6 auf dem Unterrahmen 4 befestigt. Eine Aluminiumoxid-Keramikplatte 8, auf deren beiden Seiten metallisierte Schichten 9 gedruckt sind, ist auf der Strahlungs-Metallplatte 1 durch das Lötmaterial 6 befestigt bzw. verbunden. Die Aluminiumoxid-Keramikplatte 8 isoliert einen HaIbleiter-Leistungschip 7 und überträgt in wirksamer Weise Wärme zur Strahlungs-Metallplatte 1. Eine Wärmesenkenplatte bzw. Kühlplatte 10 ist auf der Aluminiumoxid-Keramikplatte 8 mittels des Lötmateriales 6 befestigt und ein Halbleiterchip 7 ist mit einer Oberseite der Wärmesenkenplatte 10 verbunden. Aluminiumleitungen 11 verbinden den Halbleiterchip 7 mit den externen Elektroden bzw. Außenelektroden 5. Das Rohr 2 ist mit einem Versiegelungsharz bzw. -kunststoff
12 gefüllt, so daß der Halbleiterchip 7 isoliert und versiegelt ist und eine mechanische Beanspruchung der Aluminiumleitungen 11 verringert ist. Der Versiegelungskunststoff 12 kann ein weicher Silikonkunststoff sein. Auf dem Versiegelungskunststoff 12 ist ein Kunststoff bzw. Harz
13 zum Schutz angebracht, so daß die Außenelektroden 5 fixiert und vor einer mechanischen Einwirkung von außen geschützt werden. Der Schutzkunststoff 13 kann ein relativ harter Epoxy-Kunststoff bzw. -Harz sein.
Wie oben beschrieben wurde, ist eine herkömmliche Vorrichtung so ausgebildet, daß das Rohr 2 und das Bett 4 für die Außenelektroden getrennt an die Strahlungs-Metallplatte 1 geklebt oder gelötet sind, und deshalb erfordert das In-Stellung-Bringen und Befestigen der entsprechenden Teile viel Zeit und es entstehen ferner Schwierigkeiten mit
BADORIGfNAL
.- 6
der entsprechenden Klebung oder Lötung. Insbesondere wird, da der Außenbehälter 2 aus synthetischem Harz oder Kunststoff besteht und deshalb eine Lötverbindung zur Strählungs-Metallplatte 1 unmöglich ist, der Behälter 2 an der Platte 1 mittels eines Klebers befestigt. Zudem ist der Behälter 2 relativ groß und besitzt eine komplizierte Form und deshalb tritt leicht eine Verformung aufgrund von Wärmeschrumpfung auf. Aus diesem Grunde dringt oft Feuchtigkeit von außen in das Innere vom angeklebten Teil ein. Beispielsweise hat sich bei einem Test, bei dem eine HaIbleitervorrichtung in Wasser von 2 kg/cm bei 125° C getaucht wurde, was einen von Unterwasser-Beschleunigungstests darstellt, der Defekt eingestellt, daß eine Verschlechterung des Halbleiterchips 7 und eine Verringerung der Durchschlagfestigkeit innerhalb von 50 bis 100 Stunden verursacht wurden.
Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, bei der bzw. dem das In-Stellung-Bringen und Befestigen der Elektroden in einfacher Weise erreicht werden kann. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, bei der bzw. dem ein Eindringen von Wasser von außen verhindert werden kann, so daß eine Verschlechterung eines Halbleiterchips und eine Verringerung der Durchschlagsfestigkeit minimal gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Halbleitervorrichtung gelöst, die gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches
Die Erfindung betrifft also den Aufbau eines Hochleistungs-
BAD ORlGiNAt.
Halbleiterbauteiles. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine metallisierte Schicht auf den inneren und äußeren Oberflächen der Boden- bzw. Grundplatte und der Oberfläche des stufenförmigen Teiles des Außenbehälters gebildet, so daß die Mehrzahl von Außenelektroden und das Halbleiterteil an den metallisierten Schichten durch Hartlöten befestigt sind. Die Halbleitervorrichtung enthält ein an die metallisierte Schicht auf der inneren Oberfläche der Grundplatte des Außenbehälters mittels eines Hartlotes gelötetes gemeinsames Metallsubstrat, eine auf das gemeinsame Metallsubstrat mittels eines Weichlotes gelötete Wärmesenkenplatte bzw. Kühlplatte und ein auf die Wärmesenkenplatte mittels eines Weichlotes gelötetes Halbleiterchip. Löten mittels eines Hartlotes beinhaltet vorzugsweise Löten mit einem Silberlot und Löten mit einem Weichlot vorzugsweise Löten mit einem Zinnlot.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen herkömmlichen Hochleistungs-Halbleiterbaustein;
und
Fig. 2 und 3
eine Draufsicht auf bzw. einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Hochleistungs-Halbleiter-
baustein.
Die Figuren 2 und 3 sind eine Draufsicht auf bzw. ein Querschnitt durch einen Hochleistungs-Halbleiterbaustein einer Halbleitervorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die durch die Bezugszeichen 6, 7 und
10 bis 12 angegebenen Teile sind die gleichen wie die durch dieselben Bezugszeichen angegebenen Teile in der oben beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung. Ein keramischer Außenbehälter 21 aus einem Aluminiumoxid-Keramikmaterial weist eine Boden- bzw. Grundplatte und eine Öffnung im oberen Bereich auf und ist mit einem stufenförmigen Bereich 21a im Mittelbereich an einer Innenwand ausgebildet. Auf der Oberfläche des stufenförmigen Bereiches 21a des Außenbehälters 21 und auf den Innen- und Außenflächen der Grundplatte des Behälters 21 sind metallisierte Schichten 22 vorgesehen. Eine Mehrzahl von Außenelektroden 23 bis 25, die aus nickelUberzogenem bzw. -plattiertem Kupferblech gefertigt sind und in der Art eines Rahmens geformt sind, sind an ihrem untersten Teil an den.stufenförmigen Bereich 21a über die metallisierte Schicht 22 mittels eines Silberlotes 26 gelötet. Nachdem der Satz von Rahmen durch eine Presse in einer durch eine Querrippe angegebenen Weise ausgestanzt wurde, werden durch die Querrippe angegebene Bereiche geschnitten, so daß die einzelnen Elektroden voneinander entfernt sind. Obwohl die oberen Bereiche der Außenelektroden 23 bis 25 bei dieser Ausführungsform in Horizontalrichtung abgebogen sind, können sie auch senkrecht nach oben stehend ausgebildet sein.
Ein gemeinsames Metallsubstrat 27 aus einer nickelüberzogenen bzw. -plattierten Kupferplatte ist mittels eines Silberlotes auf die obere Fläche des Bodens des Außenbehälters 21 über die metallisierte Schicht 22 gelötet. Auf dem gemeinsamen Metallsubstrat 27 ist über ein Lötmaterial 6 eine Wärmesenkenplatte bzw. Kühlplatte 10 angeordnet. Ein Halbleiter-Leistungschip 7 und ein Diodenchip 28 für einen Rückflußstrom sind auf der Wärmesenkenplatte 10 über ein Lötmaterial 6 angeordnet. Ein weiteres Diodenchip
BAD ORIGINAL Γ
29 zur Beschleunigung ist auf dem unteren Teil der Außenelektrode 25 über bzw. durch das Lötmaterial 6 angeordnet. Jedes der oben beschriebenen Teile wird durch eine Wärmebehandlung gelötet. Jedes der Halbleiterchips 7, 28 und 29 wird mit einem entsprechenden Teil durch jede der Aluminiumleitungen 11 per Draht verbunden. Eine Metallplatte 30 aus nickelüberzogenem Kupferblech wird bzw. ist mittels eines Silberlotes 26 auf die Außenfläche der Unterseite des keramischen Außenbehälters 21 über die metallisierte Schicht 22 gelötet, so daß die gesamte Halbleitervorrichtung leicht an einen anderen Abstrahler und eine Rippe zur Abstrahlung gelötet und an diese befestigt werden kann. Die Metallplatte 30 dient auch als Elektrode des Halbleiters. Nach dem Drahtverbinden wird der Außenbehälter 21 mit einem Versiegelungskunststoff bzw. -harz 12 gefüllt, so daß der Behälter 21 vollständig versiegelt ist.
Die Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, vermeidet die Nachteile der herkömmlichen Vorrichtung und besitzt viele Vorteile, wie sie im folgenden aufgeführt werden:
1. Da ein Rahmen aus Leiterblechen für die Außenelektroden
22 bis 25 verwendet wird, wird ein Ausrichten der Elektroden innerhalb des keramischen Außenbehälters 21 einfach und leicht erreicht. Zudem besteht, da die Außenelektroden 23 bis 25 mittels eines Silberlotes an den keramischen Außenbehälter 21 gelötet sind, keine Gefahr, daß das Silberlot beim Löten der Halbleiterchips im' Verlauf der Montage wieder schmilzt, und daher können die Außenelektroden
23 bis 25 perfekt an den Außenbehälter 21 angebracht werden.
2. Da ein Außenbehälter 21 mit einer Kastenform mit einer
SAD ORiGINAS-
-- ίο -
Öffnung im oberen Bereich und einer Grundplatte verwendet wird, kann Eindringen von Feuchtigkeit vollständig ausgeschaltet und damit das Ergebnis bei einem PCT-Test bedeutend verbessert werden.
3. Da ein stufenförmiger Bereich 21a an der Innenwand eines Außenbehälters 21 vorgesehen ist, werden Außenelektroden 23 bis 25, die an ihrem untersten Teil an der Oberfläche des stufenförmigen Bereiches 21a mittels einer Silberlotverbindung befestigt sind und in die ein großer elektrischer Strom fließt, direkt mit den Aluminiumleitungen 11 durch Überschall- bzw. Ultraschall-Verbinden (supersonic bonding) verbunden. Daher ermöglicht ein mechanischer Schutz der Aluminiumleitungen 11 allein aus weichem Silikon einen ausreichenden Schutz der Aluminiumleitungen 11 gegenüber mechanischen Beanspruchungen, die von der Seitenfläche des Außenbehälters 21 und den Außenelektroden übertragen werden, was eine Füllung mit hartem Epoxy-Kunststoff auf einer weichen Silikon-Kunststoff-Füllung erübrigt.
4. Da alle Teile innerhalb eines keramischen Außenbehälters mit einer Kastenform zusammengesetzt werden, wird das gegenseitige Ausrichten mit anderen Teilen einfach und die Massenproduktion leicht.
5. Da eine Metallplatte 30 und ein gemeinsames Metallsubstrat 27 mittels eines Hartlotes auf die Außen- bzw. Innenflächen eines Bodens eines kastenförmigen Außenbehälters zur gleichen Zeit gelötet werden, kann eine an den Außenbehälter zur Zeit des Lötens (hauptsächlich aufgrund einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung) angelegte mechanische Beanspruchung verringert werden.
6. Da die Außenelektroden 23 bis 25 an der Oberfläche eines an der Innenwand eines Außenbehälters 21 vorgesehenen
3AD ORIGINAL
stufenförmigen Bereiches 21a befestigt sind, wird ein sich unterhalb des stufenförmigen Bereiches befindender unterer Teil ein Isolationsbereich.
Damit wird ein Isolierabstand zwischen Halbleiterchips und Außenelektroden zu einer senkrechten Richtung erhöht und es wird daher möglich, den horizontalen Abstand zu verringern, so daß die gesamte Vorrichtung möglichst klein gehalten werden kann. -
Wie oben beschrieben wurde, wird bei einer erfindungsgemäßgen Halbleitervorrichtung, bei der ein keramischer Außenbehälter 21 mit einer Öffnung in dessen oberem Teil, einer Grundplatte und einem stufenförmigen Bereich 21a an der Stelle einer mittleren Höhe an der Innenfläche des Behälters vorgesehen ist und Außenelektroden 23 bis 25 eines Leiterblechrahmens mittels eines Hartlotes auf einer Oberfläche des genannten stufenförmigen Bereiches aufgelötet sind, das Zusammensetzen erleichtert und vereinfacht, eine billige und massenhafte Fertigung ermöglicht und ein Eindringen von Feuchtigkeit von außen verhindert, so daß die Zuverlässigkeit erhöht ist. Ferner kann, da eine Metallplatte 30 mittels eines Hartlotes an die Außenoberfläche eines Bodens eines Außenbehälters gelötet ist, die gesamte Vorrichtung leicht an einem anderen Abstrahler oder dergleichen mittels einer Weichlötung befestigt werden.

Claims (7)

  1. PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN 9O
    FO 18-2605
    P/K/hu
    Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan
    Halbleitervorrichtung
    PATENTANSPRÜCHE
    IJ Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch
    einen Keramik-Außenbehälter (21) in Kastenform mit einer
    Öffnung in seinem oberen Teil und einer Grundplatte sowie
    einem stufenförmigen Bereich (21a) an der Stelle einer
    Zwischenhöhe einer Innenwand,
    eine Mehrzahl von Außenelektroden (23, 23', 24, 25) in Form eines Leiterblechrahmens, die auf einer Oberfläche des stufenförmigen Bereiches (21a) befestigt sind,
    eine auf der Außenoberfläche der Grundplatte des Außenbehälters (21) befestigte Metallplatte (30),
    ein auf einer Innenoberfläche der Grundplatte des Außenbehälters (21) befestigtes und mit der Mehrzahl von Außenelektroden (23, 23', 24, 25) und der Metallplatte (30) verbundenes .Halbleiterteil (7, 10, 27), und
    einen weichen Versiegelungskunststoff (12), mit dem der
    Außenbehälter (21) gefüllt ist.
    PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-SOOO MÜNCHEN 9O . WILLROIDERSTR. 8 ■ TEL. (089) 64064O
    BAD ORiOfNAL :
  2. 2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterteil (7, 10, 27) ein auf der inneren Oberfläche der Grundplatte des Außenbehälters (21) befestigtes gemeinsames Metallsubstrat (27), eine mittels eines Weichlotes auf das gemeinsame Metallsubstrat (27) gelötete Wärmesenkenplatte (10) und ein mittels eines Weichlotes (6) auf die Wärmesenkenplatte (10) gelötetes Halbleiterchip (7) aufweist.
  3. 3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch auf die innere und äußere Oberfläche der Grundplatte des Außenbehälters (21) und die Oberfläche des stufenförmigen Bereiches (21a) aufgebrachte metallisierte Schichten (22), wobei die Außenelektroden (23, 23', 24, 25), die Metallplatte (30) und das Halbleiterteil (7, 10, 27) an den entsprechenden metallisierten Schichten (22) mittels einer Hartlotverbindung (26) befestigt sind.
  4. 4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartlotverbindung (26) eine Silberlotverbindung und die Weichlotverbindung (6) eine Zinnlotverbindung aufweist..
  5. 5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektroden (23, 23', 24, 25) und das Halbleiterteil (7, 10, 27) durch Verwendung eines Klebemateriales befestigt sind.
  6. 6. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch die Schritte:
    Fertigen eines keramischen Außenbehälters in Kastenform mit einer Öffnung in dessen oberem Bereich und einer Grundplatte sowie einem stufenförmigen Bereich an der Stelle
    BAD ORIGINAL
    einer Zwischenhöhe einer Innenwand, Ausbilden von metallisierten Schichten auf inneren und äußeren Oberflächen der Grundplatte und der Oberfläche des stufenförmigen Bereiches,
    Löten eines gemeinsamen Metallsubstrates auf die metallisierten Schichten auf der inneren Oberfläche der Grundplatte mittels eines Hartlotes gleichzeitig mit dem Löten einer Metallplatte auf die metallisierte Schicht an der Außenoberfläche der Grundplatte mittels eines Hartlotes, Löten einer Mehrzahl von Außenelektroden in Form eines Leiterblechrahmens an die metallisierte Schicht auf der Oberfläche des stufenförmigen Bereiches mittels eines Hartlotes,
    Löten einer Wärmesenkenplatte an das gemeinsame Metallsubstrat mittels eines Weichlotes,
    Löten eines Halbleiterchips an die Wärmesenkenplatte mittels eines Weichlotes,
    elektrisches Verbinden des Halbleiterchips mit der Metallplatte und den Außenelektroden und
    Füllen eines weichen Versiegelungskunststoffes in den Außenbehälter.
  7. 7. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlöten durch Löten mittels eines Silberlotes und das Weichlöten durch Löten mittels eines Zinnlotes erfolgt. ■
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