DE10066445B4

DE10066445B4 - Halbleitervorrichtung mit Abstrahlungs-Struktur

Info

Publication number: DE10066445B4
Application number: DE10066445A
Authority: DE
Inventors: Kuniaki Aichi-ken Mamitsu; Yasuyoshi Aichi-ken Hirai; Kazuhito Aichi-ken Nomura; Yutaka Aichi-ken Fukuda; Kazuo Aichi-ken Kajimoto; Takeshi Aichi-ken Miyajima; Tomoatsu Aichi-ken Makino; Yoshimi Aichi-ken Nakase
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2020-11-25
Also published as: FR2801423B1; US20040089940A1; US6798062B2; US20040070060A1; DE10058446A1; US20040097082A1; US6967404B2; DE10066442B4; US6703707B1; DE10066441B4; US20040089941A1; US20040089925A1; US20040070072A1; DE10066443B8; US6998707B2; US6992383B2; DE10058446B4; US20040089942A1; DE10066446B4; US20050167821A1

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung, mit:
einem Halbleiterchip (501a, 501b) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche;
einem ersten Abstrahlungsbauteil (503) mit einem konvexen Abschnitt (506), der mit der ersten Oberfläche des Halbleiterchips über ein erstes Verbindungsbauteil (502) mit thermischer Leitfähigkeit in Verbindung steht; und
einem zweiten Abstrahlungsbauteil (504), welches mit der zweiten Oberfläche des Halbleiterchips über ein zweites Verbindungsbauteil (502) mit thermischer Leitfähigkeit in Verbindung steht;
einer Steuerelektrode, die auf der ersten Oberfläche des Halbleiterchips vorhanden ist;
einem Leiterrahmen (509), der elektrisch mit der Steuerelektrode verbunden ist, wobei das erste Abstrahlungsbauteil oder das zweite Abstrahlungsbauteil einen vorstehenden Abschnitt (507a, 507b) auf einer Seite in Richtung des Halbleiterchips weisend hat;
der vorstehende Abschnitt fest in eine Bohrung (512a, 512b) eingeführt ist, welche in dem Leiterrahmen ausgebildet ist, um das erste Abstrahlungsbauteil oder das zweite Abstrahlungsbauteil festzulegen; und
wobei ein Abstandshalter (513) in einem Raum angeordnet...

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einer Abstrahlungsstruktur. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Halbleitervorrichtung, bei der Wärme an beiden Seiten eines hierin aufgenommenen Halbleiterchips abgestrahlt wird.
Die JP-6-291 223 A offenbart ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung, bei der Hitze oder Wärme an beiden Seiten oder von beiden Seiten eines Halbleiterchips abgestrahlt wird. Die 1A bis 1C zeigen diese Halbleitervorrichtung. Gemäß diesen Figuren schließt ein Paar von Abstrahlungsbauteilen J2 und J3 mehrere Halbleiterchips J1 zwischen sich ein, wobei die Abstrahlungsbauteile thermisch und elektrisch mit den Halbleiterchips J1 verbunden sind. Die Anzahl von Halbleiterchips J1, die in einer Ebene angeordnet sind, und die Abstrahlungsbauteile J2 und J3 sind mit einem Kunststoff oder Kunstharz J5 eingegossen oder gekapselt.
Jedes der Abstrahlungsbauteile J2 und J3 dient als eine Elektrode und hat eine Oberfläche, Welche frei von dem Kunstharz J5 an einer gegenüberliegenden Seite der Fläche ist, welche die Halbleiterchips J1 kontaktiert. Jedes der Abstrahlungsbauteile J2 und J3 führt die Abstrahlung von Wärme dadurch aus, dass die freiliegende Oberfläche einen Kontaktkörper (nicht gezeigt) berühren kann, der eine Abstrahlungswirkung durchführen kann. Ein Steueranschluss J4, der mit einer Steuerelektrode der Halbleiterchips J1 verbunden ist, steht zur Außenseite des Kunstharzes J5 vor.
Für die Abstrahlungsbauteile J2 und J3 wird entweder W (Wolfram) oder Mo (Molybdän) verwendet, da diese Materialien einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der annähernd gleich demjenigen der Halbleiterchips J1 ist. Das Abstrahlungsbauteil J2, welches mit den Oberflächen der Halbleiterchips J1 verbunden ist, an denen die Steuerelektrode ausgebildet ist, ist eine Emitterelektrode, und das Abstrahlungsbauteil J3, welches mit den Oberflächen der Halbleiterchips J1 an der gegenüberliegenden Seite der Steuerelektrode verbunden ist, ist eine Kollektorelektrode.
Eine Mehrzahl von Lötkissen J7 steht von einer isolierenden Platte J6 vor, welche mittig eine Durchgangsbohrung hat, in welche das Abstrahlungsbauteil J2 als Emitterelektrode vorragt. Die Lötkissen J7 sind mit Bondierungskissen verbunden, welche in Mustern auf den jeweiligen Halbleiterchips J1 vorhanden sind, die auf dem Abstrahlungsbauteil J3 als die Kollektorelektrode angeordnet sind.
Wenn die Abstrahlungsbauteile J2 und J3, welche auch als Elektroden dienen, aus einem Metall gefertigt sind, beispielsweise W oder Mo mit linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten annähernd gleich demjenigen der Halbleiterchips J1, welche aus Si (Silizium) sind, haben diese Metalle bezüglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit ungefähr ein Drittel von derjenigen von Cu (Kupfer) oder Al (Aluminium) und die thermische Leitfähigkeit beträgt ungefähr ein Drittel bis zwei Drittel hiervon. Somit verursacht unter Berücksichtigung der Umstände, dass wachsender Bedarf für einen hohen Stromfluss im Halbleitchip besteht, die Verwendung von W oder Mo als Abstrahlungsbauteil und gleichzeitig als Elektrode viele Probleme.
Weiterhin wird allgemein ein größerer Chip notwendig, um einen größeren Strom aufnehmen zu können. Es gibt jedoch viele technologische Probleme, die Chipgröße zu erhöhen, und es ist leichter, eine Mehrzahl kleinerer Chips herzustellen und diese zu einer Packung oder einem Gehäuse zusammenzufassen.
In der Technik, wie sie in der oben genannten Veröffentlichung offenbart ist, sind die mehreren Halbleiterchips J1 in der Halbleitervorrichtung ausgebildet. Da jedoch gemäß 1A das Abstrahlungsbauteil J2 eine einfache rechteckförmige Gestalt hat und in der Mitte der Vorrichtung angeordnet ist, ist die Anordnung unterschiedlicher Halbleiterchips in einer Vorrichtung eingeschränkt. Mit anderen Worten, wenn sich die Halbleiterchips voneinander beispielsweise in der Dicke unterscheiden, ist es schwierig, die eine Emitterelektrode mit ihrer einfachen Form mit allen unterschiedlichen Halbleiterchips zu verbinden.
Aus der US 4 196 442 ist eine Halbleitervorrichtung bekannt, mit einem Halbleiterchip mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; einem ersten Abstrahlungsbauteil mit einem konvexen Abschnitt, der mit der ersten Oberfläche des Halbleiterchips über ein erstes Verbindungsbauteil mit thermischer Leitfähigkeit in Verbindung steht; einem zweiten Abstrahlungsbauteil, welches mit der zweiten Oberfläche des Halbleiterchips über ein zweites Verbindungsbauteil mit thermischer Leitfähigkeit in Verbindung steht; und einer Steuerelektrode, die auf der ersten Oberfläche des Halbleiterchips vorhanden ist.
Die JP 07-007 125 A zeigt einen mehrschichtigen Leiterrahmen (lead frame), bei dem ein Abstrahlungsbauteil vorstehende Abschnitte hat, welche in leiterrahmenseitige Bohrungen einführbar sind.
Die US 5 299 097 zeigt eine Halbleitervorrichtung und einen Leiterrahmen hierfür, bei der ein Chipträgerteil über Abstandshalter an einem Leiterrahmen befestigt ist.
Die US 4 470 063 beschreibt eine kohlefaserverstärkte Elektrode für Halbleiter mit unterschiedlich verteilten Elastizitätsmodulen und somit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, um eine bessere Anpassung an den Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitersubstrats zu erhalten.
Die US 3 387 191 zeigt einen Belastungsaufnehmer zur Aufnahme von Halbleiterelementen.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Probleme im Stand der Technik gemäß den 1A bis 1C gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, die Abstrahlungseigenschaft und die elektrische Leitfähigkeit einer Halbleitervorrichtung mit Abstrahlungsbauteilen zu verbessern, welche thermisch und elektrisch mit den beiden Flächen eines hierin aufgenommenen Halbleiterchips verbunden sind.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung bzw. vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungsformen hiervon sind in den Unteransprüchen angegeben.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen hiervon unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt:
1A schematisch eine Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik;
1B eine Schnittdarstellung durch die Halbleitervorrichtung von 1A entlang der dortigen Linie IB-IB;
1C eine Schnittdarstellung durch die Halbleitervorrichtung von 1A entlang der dortigen Linie IC-IC;
2A eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
2B eine vergrößerte Schnittdarstellung durch die Halbleitervorrichtung von 2A in dem dort mit 2B gekennzeichneten Bereich;
3 eine Tabelle von Metallen, welche für ein Abstrahlungsbauteil verwendbar sind;
4A eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
4B bis 4D Schnittdarstellungen, in welche jeweils ein Abstrahlungsbauteil der ersten Seite und einen Si-Chip in 4A zeigen;
5A bis 5D Schnittdarstellungen, welche jeweils entlang der Linie VA-VA, VB-VB und VC-VC in den 4B bis 4D genommen wurden;
6 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
8A eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
8B eine Schnittdarstellung durch die Ausführungsform von 8A entlang der dortigen Linie VIIIB-VIIIB;
9A eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
9B eine vergrößerte Schnittdarstellung eines mit dem Pfeil IXB in 9A gekennzeichneten Teils;
9C eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel in 9A;
10 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
11 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
12 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
13 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
14A bis 14C Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung der Halbleitervorrichtung in 13 in den einzelnen Stufen;
15 eine Schnittdarstellung zur schematischen Veranschaulichung eines zweiten Leitungsbauteils und eines Lötbauteils als modifiziertes Beispiel von 13;
16 eine Schnittdarstellung zur schematischen Veranschaulichung eines Herstellungsverfahrens für eine weitere Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
17 eine Schnittdarstellung zur schematischen Veranschaulichung eines Herstellungsverfahrens einer Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
18 eine Schnittdarstellung zur schematischen Veranschaulichung eines anderen Verfahrens zur Herstellung der Halbleitervorrichtung von 17;
19 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
20A bis 20C Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens der Halbleitervorrichtung von 19;
21 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
22 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
23 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung einer Halbleitervorrichtung als Modifikation von 19;
24 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
25 eine vergrößerte Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines durch die gestrichelte Linie in 24 angedeuteten Teils;
26 eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung in einer Richtung des Pfeiles XXVI in 24;
27 eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
28A eine Schnittdarstellung durch die Halbleitervorrichtung von 27 entlang der dortigen Linie XXVIIIA-XXVIIIA;
28B eine Schnittdarstellung durch die Halbleitervorrichtung von 27 entlang der dortigen Linie XXVIIIB-XXVIIIB;
29 eine Darstellung eines Äquivalentschaltkreises in einem IGBT-Chip der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform;
30A bis 30D schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines Herstellungsverfahrens von Abstrahlungsbauteilen in der ersten Ausführungsform;
31 eine Darstellung einer Situation von der Seite gesehen, welche sich bei einem Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung ergibt;
32A bis 32C schematische Darstellungen eines Schrittes für die Kaltverformungs-Befestigung;
33 eine Schnittdarstellung durch einen IGBT-Chip als ein Beispiel;
34 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
35A und 35B Schnittdarstellungen eines Abstrahlungsbauteils zur Verwendung in einem modifizierten Beispiel der zweiten Ausführungsform; und
36 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung einer Halbleitervorrichtung in einer modifizierten Ausführungsform der ersten Ausführungsform.
Vor Erläuterung des Erfindungsgegenstandes seien Ausgestaltungen und Abwandlungen hiervon beschrieben, welche nicht unmittelbar den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß der beigefügten Ansprüche betreffen, jedoch zur Abrundung des Offenbarungsgehalts und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung als sinnvoll erachtet werden.
Gemäß 2A ist ein Paar von Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 so angeordnet, dass sie zwischen sich zwei Si-Chips 1a und 1b einschließen, die in einer Ebene liegen. Die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 sind thermisch und elektrisch mit den Hauptelektroden der Si-Chips 1a und 1b über Bondierbauteile 4 verbunden. Nachfolgend bedeutet ”Verbindung” eine thermische und elektrische Verbindung mit Ausnahme derjenigen Fälle, in denen eine spezielle Beschreibung erfolgt. Eine Steuerelektrode des Si-Chips 1a ist elektrisch mit einem Steueranschluss 5 verbunden, der über einen Draht 8, der durch einen Drahtbondiervorgang gebildet ist, mit einem Leiterrahmen verbunden ist.
Genauer gesagt, das Abstrahlungsbauteil (Abstrahlungsbauteil der ersten Seite) 2, welches oberen Oberflächen (ersten Oberflächen) 6a der Si-Chips 1a und 1b gegenüberliegt, an welchen die Drahtbondierung durchgeführt wird, wird mit vorstehenden Abschnitten 2a gebildet, welche an Positionen stufenförmig vorstehen oder vorspringen, welche den Hauptelektroden der Si-Chips 1a und 1b gegenüberliegen. Die vorderen Enden der vorstehenden Abschnitte 2a sind im wesentlichen flach und die flachen Abschnitte sind jeweils mit den Hauptelektroden über die Bondierbauteile 4 verbunden. Im wesentlichen flach bedeutet hier flach bis zu einem Grad, dass keine Störung beim Sondieren zwischen den vorstehenden Abschnitten 2a und den Hauptelektroden erfolgt.
Nachfolgend werden die vorstehenden Abschnitte 2a näher erläutert. Gemäß 2B wird, wenn die Si-Chips 1a und 1b Leistungsbauteile sind, jede Haltespannung an Umfangsabschnitten der Si-Chips 1a und 1b durch Schutzringe 7 gehalten, die an einer Oberfläche eines jeden Chips ausgebildet sind, d. h. auf der Oberfläche 6a oder einer Oberfläche (zweite Oberfläche) 6b gegenüber der Oberfläche 6a.
Wenn metallische Materialien als die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 an die beiden Oberflächen eines jeden Si-Chips 1a bzw. 1b angeheftet werden, wird das Abstrahlungsbauteil 2 an der Oberfläche (der ersten Oberfläche) 6a angeheftet, wo die Schutzringe 7 vorhanden sind. Es sei hier noch festgehalten, dass voran stehend und nachfolgend ”angeheftet” eine jeweils angepasste Verbindung zwischen zwei oder mehr Bauteilen bedeutet, z. B. eine Bondierverbindung, Lötverbindung, Klebverbindung etc.
Gemäß 2B muss jedoch ein durch den Pfeil B an den Umfangsabschnitten der Si-Chips 1a und 1b dargestellter Abstand, d. h. an den Bereichen, von denen einer durch eine gestrichelte Linie in dieser Figur dargestellt ist, das Abstandsbauteil 2 der ersten Seite elektrisch von den Schutzringen 7 isoliert sein, sowie von den Kantenflächen der Si-Chips 1a sowie 1b. Von daher müssen hier isolierte Bereiche geschaffen werden.
Deshalb hat das Abstrahlungsbauteil 2 die vorstehenden Abschnitte 2a an den Positionen, die den Hauptelektroden der Si-Chips 1a und 1b gegenüberliegen. Mit anderen Worten, das Abstrahlungsbauteil 2 hat vertiefte Abschnitte an den Positionen gegenüber den Schutzringen 7 der Chips 1a und 1b, um die Bereiche hoher Haltespannung (isolierten Bereiche) zu vermeiden. Das Abstrahlungsbauteil 3 (Abstrahlungsbauteil der zweiten Seite oder auf der zweiten Seite), welches an den anderen Oberflächen 6b der Chips 1a und 1b angeheftet ist, hat keinen vorstehenden Abschnitt und ist im wesentlichen flach. Mit anderen Worten, das Abstrahlungsbauteil 3 der zweiten Seite ist im wesentlichen so flach, dass es die Anbringbarkeit an den Chips 1a und 1b am Abstrahlungsbauteil 3 nicht behindert. In den jeweiligen Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 bilden die jeweiligen Oberflächen gegenüber den Oberflächen, die in Richtung der Si-Chips 1a und 1b weisen, Abstrahlungsoberflächen 10, welche ebenfalls im wesentlichen flach und annähernd parallel zueinander sind.
In der dargestellten Ausgestaltung ist der drahtgebondete Si-Chip ein IGBT 1a (Insulated Gate Bipolar Transistor), wohingegen der andere Si-Chip eine FWD 1b (Free-Wheel Diode = Freilaufdiode) ist. Im IGBT 1a ist das Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite (auf der ersten Seite) ein Emitter, das Abstrahlungsbauteil 3 der zweiten Seite (auf der zweiten Seite) ein Kollektor und die Steuerelektrode ein Gate. Wie in 2A gezeigt, ist die Dicke der FWD 1b höher als die des IGBT 1a. Von daher ist in dem Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite der vorstehende Abschnitt 2a gegenüber dem IGBT 1a mit einem Vorstehungsbetrag versehen, der relativ größer als derjenige des anderen vorstehenden Abschnittes 2a ist, der der FWD 1b gegenüberliegt.
Für die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 der ersten und zweiten Seite kann beispielsweise ein metallisches Material mit Cu oder Al als Hauptkomponente verwendet werden, welches eine elektrische Leitfähigkeit und eine thermische Leitfähigkeit größer als W oder Mo hat und billiger als diese Materialien ist. 3 zeigt eine Tabelle von Beispielen metallischer Materialien, welche als die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 verwendbar sind. Wie in 3 gezeigt, können die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 aus einem der Metalle ”a” bis ”l”, unoxidiertem Kupfer etc., sein. Hier ist beispielsweise das Metall ”a” eine Legierung, welche (in Massenverhältnissen) Fe (Eisen) mit 2,3%, Zn (Zink) mit 0,1%, P (Phosphor) mit 0,03% und Cu (Kupfer) als Rest enthält.
Die Bondierbauteile 4 haben bevorzugt eine Scherfestigkeit, welche der Scherfestigkeit überlegen ist, welche durch thermische Belastung erzeugt wird, und haben sowohl ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit als auch elektrische Leitfähigkeit. Als solche leitfähige Bauteile 4 können beispielsweise ein Weichlot, ein Hartlot oder ein leitfähiger Kleber verwendet werden. Der Draht 8 für die Drahtbondierung kann aus Au (Gold), Al (Aluminium) oder dergleichen sein, wie er für Drahtbondierungen allgemein verwendet wird.
Weiterhin sind gemäß 2A diese Bauteile 1 bis 5 und 8 mit Kunststoff oder Kunstharz 9 eingegossen, wobei die Abstrahlungsoberflächen 10 der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 an den gegenüberliegenden Seiten der Si-Chips 1a und 1b freigelassen werden und gleichzeitig der Steueranschluss 5 an der gegenüberliegenden Seite der Drahtbondierung freigelassen wird.
Die Abstrahlungsoberflächen 10 der jeweiligen Abstrahlungsbauteile 2 und 3 dienen als Elektroden und gleichzeitig zur Abstrahlung von Wärme. Das Kunstharz 9 hat bevorzugt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten annähernd gleich dem der Abstrahlungsbauteile 2 und 3. Beispielsweise kann als derartiges Kunstharz 9 ein Gießharz auf Epoxybasis verwendet werden.
Weiterhin sind die mit Kunstharz eingegossenen Bauteile 1 bis 5 und 8 von einem Paar von Verdrahtungsbauteilen 11 eingeschlossen, so dass die Abstrahlungsoberflächen 10 die Verdrahtungsbauteile 11 kontaktieren. Jedes der äußeren Verdrahtungsbauteile 11 ist eine flache Platte mit einem Abschnitt mit Plattenform oder einer feinen Drahtform, welche zur Außenseite hin verbindbar ist. Die Verdrahtungsbauteile 11 und die mit Kunstharz eingegossenen Bauteile 1 bis 5 und 8 sind weiterhin von einem Paar von äußeren Kühlbauteilen 13 eingeschlossen, wobei plattenförmige isolierende Substrate 12 mit hoher thermischer Leitfähigkeit zwischengeschaltet sind. Die mit Kunstharz versiegelten oder eingegossenen Bauteile 5 und 8, die äußeren Verdrahtungsbauteile 11, die isolierenden Substrate 12 hoher thermischer Leitfähigkeit und die äußeren Kühlbauteile 13 sind durch Schraubbolzen 14 oder dergleichen miteinander verbunden, welche von den äußeren Kühlbauteilen 13 her eingeschraubt sind.
Die äußeren Verdrahtungsbauteile 11 oder die nach außen führenden Verdrahtungsbauteile 11 können aus jeglichem Material sein, vorausgesetzt, sie haben ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Die isolierenden Substrate 12 hoher thermischer Leitfähigkeit können beispielsweise aus Aln (Aluminiumnitrid), SiN (Siliziumnitrid), Al₂O₃ (Aluminiumdioxid), SiC (Siliziumcarbid), BN (Bornitrid), Diamant oder dergleichen sein. Die äußeren Kühlbauteile 13 sind so aufgebaut, dass sie eine Abstrahlungsrippe oder Kühlrippe haben oder wassergekühlt sind.
Bei dem obigen Aufbau ist, was den elektrischen Pfad betrifft, der Stromfluss in der Reihenfolge von äußerem Verdrahtungsteil 11, welches das Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite kontaktiert, Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite, Si-Chips 1a und 1b, Abstrahlungsbauteil 3 der zweiten Seite, Verdrahtungsbauteil 11, welches das Abstrahlungsbauteil 3 der zweiten Seite kontaktiert oder umgekehrt. Was den thermischen Pfad betrifft, so wird in den Si-Chips 1a und 1b erzeugte Wärme zu den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 der ersten und zweiten Seite, den Verdrahtungsbauteilen 11, den isolierenden Substraten 12 hoher thermischer Leitfähigkeit und den äußeren Kühlbauteilen 13 übertragen und dann abgestrahlt.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung der 2A und 2B erläutert. Zunächst werden die Hauptelektronen auf den zweiten Oberflächen 6b der Si-Chips 1a und 1b mit dem Abstrahlungsbauteil 3 der zweiten Seite über die Bondierungsbauteile 4 verbunden. Sodann werden die Steuerelektrode des Si-Chips 1a und der Steueranschluss 5 miteinander über eine Drahtbondierung elektrisch verbunden. Danach werden die Hauptelektroden auf den ersten Oberflächen 6a der Si-Chips 1a und 1b mit den Vorderenden der vorstehenden Abschnitte 2a des Abstrahlungsbauteiles 2 der ersten Seite über Bondierungsbauteile 4 verbunden. Hierbei werden die vorstehenden Abschnitte 2a des Abstrahlungsbauteiles 2 der ersten Seite vorab durch einen Pressvorgang oder dergleichen gebildet.
Nachfolgend wird ein Gesenk (nicht gezeigt) vorbereitet, und die Si-Chips 1a und 1b und die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 der ersten und zweiten Seite werden in dem Gesenk oder der Form angeordnet und mit Kunststoff oder Kunstharz eingegossen. Somit kann eine elektrische Isolation zwischen den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 erhalten werden. Nachfolgend werden, wie oben beschrieben, was die Abstrahlungsoberflächen 10 betrifft, die äußeren Verdrahtungsbauteile 11, die isolierenden Substrate 12 hoher thermischer Leitfähigkeit und die äußeren Kühlbauteile 13 in dieser Reihenfolge angeordnet. Sodann werden die äußeren Kühlbauteile 13 mit Schraubbolzen befestigt, so dass die Bauteile 11 bis 13 festgelegt sind. Im Anschluss daran ist die Halbleitervorrichtung vollständig.
Da wie beschrieben die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 der ersten und zweiten Seite aus einem metallischen Material gefertigt sind, welches Cu oder Al als Hauptkomponente enthält, welches sehr gute thermische und elektrische Leitfähigkeit hat, lässt sich die Halbleitervorrichtung mit verbesserter Abstrahlungsleistung und verbesserter elektrischer Leitfähigkeit erzeugen. Da weiterhin diese Teile bei geringeren Kosten im Vergleich zu dem herkömmlichen Fall hergestellt werden können, bei dem W oder Mo verwendet wird, lässt sich die Halbleitervorrichtung mit niedrigeren Kosten fertigen. Weiterhin ist das metallische Material, welches als Hauptkomponente Cu oder Al enthält, im Vergleich zu W oder Mo weich, so dass die Bearbeitbarkeit zur Ausbildung der vorstehenden Abschnitte 2a an dem Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite gut ist.
Da die vorstehenden Abschnitte 2a an dem Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite angeordnet sind und mit den jeweiligen unterschiedlichen Si-Chips 1a und 1b verbunden sind, kann die Verbindung zwischen den jeweiligen Si-Chips 1a und 1b und dem Abstrahlungsbauteil 2 problemlos durchgeführt werden. Insbesondere lassen sich die Beträge des Vorstehens und die Formen der vorstehenden Abschnitte 2 abhängig von der Dicke der Si-Chips 1a und 1b und den Formen der Hauptelektroden der Si-Chips 1a und 1b abändern. Aufgrund hiervon lassen sich unterschiedliche Halbleiterchips 1a und 1b problemlos in der Halbleitervorrichtung aufnehmen.
Die Abstrahlungsoberflächen 10 der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 können Formunregelmäßigkeiten aufweisen oder parallel zueinander sein. Wie beschrieben sind die Abstrahlungsoberflächen 10 flach und annähernd parallel zueinander gemacht. Dies ist möglich, da die Oberflächenstufe, d. h. der Dickenunterschied zwischen den Si-Chips 1a und 1b, durch die vorstehenden Abschnitte 2a aufgenommen werden kann, indem deren Höhen oder Vorstehbeträge abhängig von den jeweiligen Dicken der Si-Chips 1a und 1b eingestellt werden.
Im Ergebnis können gemäß obiger Beschreibung, da die Abstrahlungsoberflächen 10 im wesentlichen flach und annähernd parallel zueinander sind, beim Befestigen der Bolzen an den Abstrahlungsoberflächen 10, wobei die Verdrahtungsbauteile 11, die isolierenden Substrate 12 hoher thermischer Leitfähigkeit und die äußeren Kühlbauteile 13 dazwischengeschaltet sind, die Oberflächen 10 und diese Bauteile 11 bis 13 sicher und leicht an den jeweiligen Übergangsflächen in Kontakt miteinander gebracht werden.
Da weiterhin die Abstrahlungsoberflächen 10 annähernd parallel zueinander sind, wird eine beim Anziehen der Bolzen erzeugte Kraft gleichförmig auf die Bauteile 1 bis 5, 8, 9 und 11 bis 13 übertragen. Somit werden diese Bauteile 1 bis 5, 8, 9 und 11 bis 13 durch Kraftkonzentrationen nicht beschädigt oder zerstört und der Zusammenbauvorgang lässt sich verbessern.
Allgemein gesagt, obgleich der IGBT 1a und die FWD 1b als Paar verwendet werden, wird, wenn sich der Abstand zwischen dem IGBT 1a und FWD 1b verringert, der Betrieb eines Schaltkreises idealer. Da der IGBT 1a und die FWD 1b einander benachbart in der einstückig kunstharzgekapselten oder -vergossenen Halbleitervorrichtung angeordnet sind, kann der Betrieb des IGBT 1a in dieser Halbleitervorrichtung den Idealzustand erreichen.
Wenn es Aufgabe ist, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, unterschiedliche Halbleiterchips 1a und 1b problemlos aufzunehmen, sind die Materialien zur Ausbildung der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 der ersten und zweiten Seite nicht auf die Materialien beschränkt, welche Cu oder Al als Hauptkomponente enthalten, sondern es können auch andere elektrische Materialien mit elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden. Wenn beispielsweise das Verhindern von Bruch der Bondierungsbauteile 4 aufgrund thermischer Belastung größere Wichtigkeit hat, sollten die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 der ersten und zweiten Seite aus einem metallischen Material sein, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der annähernd demjenigen der Si-Chips 1a und 1b ist. Wenn andererseits eine Abstrahlungseigenschaft und die elektrische Leitfähigkeit von größerer Wichtigkeit sind, sollten die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 aus einem metallischen Material sein, welches Cu oder Al als Hauptkomponente enthält.
Der Kunststoff oder das Kunstharz 9, welches verwendet wird, isoliert nicht nur die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 voneinander, sondern verstärkt auch die Anheftung oder Verbindung zwischen den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 und den Chips 1a und 1b, indem die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 mit den Chips 1a und 1b verbunden werden. Selbst wenn somit die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 aus einem metallischen Material mit Cu oder Al als Hauptkomponente gefertigt sind, was einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergibt, der unterschiedlich zu demjenigen der Si-Chips 1a und 1b ist, kann ein Bruch der Bondierungsbauteile 4 aufgrund von thermischen Belastungen durch das Kunstharz 9 verhindert werden.
Insbesondere wenn das Kunstharz 9 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der annähernd gleich demjenigen der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 ist, wirken Belastungen auf die Si-Chips 1a und 1b und führen zu einer Ausdehnung und Zusammenziehung ähnlich derjenigen der Abstrahlungsbauteile 2 und 3, wenn sich die Temperatur ändert. Von daher werden auf die Bondierungsbauteile 4 aufgebrachte Belastungen gemindert und die Erzeugung von Spannungen wird eingeschränkt, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit an den Verbindungsabschnitten führt.
Obgleich das Abstrahlungsbauteil 3 der zweiten Seite keinen vorstehenden Abschnitt aufweist, kann ein derartiger vorstehender Abschnitt vorgesehen werden. Thermisch leitfähiges Fett, eine Paste oder dergleichen kann auf die Kontaktflächen zwischen den äußeren Verdrahtungsbauteilen 11 und den isolierenden Substraten 12 hoher thermischer Leitfähigkeit und zwischen die isolierenden Substrate 12 hoher thermischer Leitfähigkeit und den äußeren Kühlbauteilen 13 aufgebracht werden, um die thermische Anbindung weiter zu verbessern.
Der Kontakt zwischen jedem äußeren Verdrahtungsbauteil 11 und dem isolierenden Substrat 12 hoher thermischer Leitfähigkeit wird vorteilhafterweise aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Bauteilen 11 und 12 mechanisch festgelegt. Jede Abstrahlungsoberfläche 10 und jedes äußere Verdrahtungsbauteil 11 können jedoch auch durch ein Weichlot, ein Hartlot oder dergleichen miteinander verbunden werden, da diese Bauteile aus Materialien gefertigt werden können, welche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, welche sich nicht wesentlich voneinander unterscheiden.
Der Körper des Abstrahlungsbauteiles 2 der ersten Seite kann von den vorstehenden Abschnitten 2a getrennt sein. Beispielsweise können die vorstehenden Abschnitte 1a an einem plattenförmigen Körper des Bauteiles 2 durch Weichlöten, Hartlöten etc. angeheftet werden. Das Material zur Bildung des Abstrahlungsbauteiles 2 der ersten Seite ist nicht immer notwendigerweise identisch zu demjenigen, aus welchem das Abstrahlungsbauteil 3 der zweiten Seite gebildet wird. Obgleich in der vorliegenden Ausgestaltung das Eingießen mit dem Kunstharz in einer Form oder einem Gesenk erfolgt, kann dieser Versiegelungsvorgang auch durch Eintauchen ohne irgendeine Form erfolgen.
Obgleich beschrieben wurde, dass das Kunstharz 9 zum Eingießen oder Versiegeln einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der annähernd gleich demjenigen der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 der ersten und zweiten Seite ist, ist das Harz 9 nicht hierauf beschränkt, sondern es kann jedes andere geeignete Harz sein, wenn keine Notwendigkeit besteht, die Anhaftfestigkeit zwischen den Si-Chips 1a und 1b und den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 zu berücksichtigen.
Obgleich voran stehend beschrieben wurde, dass der IGBT 1a und die FWD 1b als Si-Chips verwendet werden, ist in manchen Fällen, beispielsweise wenn nur ein Si-Chip verwendet wird oder die gleiche Art von Si-Chip verwendet wird, die Verbindungsstruktur zwischen dem Si-Chip bzw. den Si-Chips und den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 nicht kompliziert. In diesen Fällen müssen die vorstehenden Abschnitte 2a nicht an einem der Abstrahlungsbauteile 2 bzw. 3 ausgebildet werden. Wie oben beschrieben, kann eine Halbleitervorrichtung mit verbesserten Abstrahlungseigenschaften und elektrischer Leitfähigkeit durch Ausbilden der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 aus einem metallischen Material geschaffen werden, welches als Hauptkomponente Cu oder Al enthält, mit einer elektrischen Leitfähigkeit und einer thermischen Leitfähigkeit höher oder besser als derjenigen von W oder Mo.
4A zeigt eine weitere Halbleitervorrichtung und die 4B bis 4D sind Schnittdarstellungen, in welchen Teilansichten verschiedener Abstrahlungsbauteile 2 der ersten Seite und Si-Chips 1a und 1b gezeigt sind, welche den jeweiligen Abstrahlungsbauteilen 2 gegenüberliegen. Die 5A bis 5C sind Schnittdarstellungen entlang den Linien VA-VA, VB-VB, VC-VC in den 4B bis 4D.
In 4A ist das Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite teilweise weggelassenen und die Querschnittsformen der 4B bis 4D sind auf den weggelassenen Teil anwendbar. 4A zeigt auch nicht die äußeren Verdrahtungsbauteile 11, die isolierenden Substrate 12 hoher thermischer Leitfähigkeit und die äußeren Kühlbauteile 13. Nachfolgend werden unterschiedliche Abschnitte zu 2 erläutert. In den 4A bis 4D und 5A bis 5C sind gleiche Teile wie in 2A mit gleichen Bezugszeichen versehen und die entsprechende Beschreibung ist vereinfacht.
Wie in den 4A bis 4D und 5A bis 5C gezeigt, weist das Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite einen Raum 15 in einem Abschnitt auf, der mit den Si-Chips 1a und 1b verbunden ist. Der Raum 15 kann, wie in dem Beispiel von 5A, eine Gitterform haben oder aus mehreren konzentrischen Kreisen bestehen, wie im Beispiel von 5B, oder aus mehreren konzentrischen Rechtecken bestehen, wie im Beispiel von 5C gezeigt. Die Form des Raumes 15 in einer Richtung senkrecht zur Verbindungsoberfläche zwischen dem Abstrahlungsbauteil 2 und den Si-Chips 1a und 1b ist wie in den 4B, 4C oder 4D gezeigt. Mit anderen Worten, es gibt Fälle, wo der Raum 15 an den Verbindungsabschnitten mit den Si-Chips 1a und 1b offen ist oder in der Abstrahlungsoberfläche 10 offen ist oder sowohl an den Verbindungsabschnitten mit den Si-Chips 1a und 1b und der Abstrahlungsoberfläche 10 geschlossen ist.
Der Raum 15 kann beispielsweise durch einen Schneidvorgang gebildet werden. Wenn der Raum 15 sowohl an den Verbindungsabschnitten mit den Si-Chips 1a und 1b und der Abstrahlungsoberfläche 10 geschlossen ist, wie in 4D gezeigt, kann er durch Ausbilden des Abstrahlungsbauteiles mit dem Raum offen an den Verbindungsabschnitten mit den Si-Chips 1a und 1b dadurch gebildet werden, dass zunächst ein Schnitt gemäß 4B erfolgt und dann eine Metallplatte angeheftet wird, um die offenen Abschnitte zu verschließen.
Hiermit lassen sich die gleichen Effekte wie oben erzielen. Zusätzlich ist der Raum 15 in dem Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite ausgebildet, was die Steifigkeit des Abstrahlungsbauteiles 2 verringert. Im Ergebnis lassen sich auf die Si-Chips 1a und 1b und die Bondierungsbauteile 4 aufgebrachte Belastungen verringern, so dass ein Bruch der Si-Chips 1a und 1b verhindert werden kann und die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen den Si-Chips 1a und 1b und dem Abstrahlungsbauteil 2 verbessert ist.
Der Raum 15 ist für Fälle dargestellt, in denen er sich in Dickenrichtung der Si-Chips 1a und 1b erstreckt; dieser Raum kann sich jedoch auch in die Oberflächenrichtung der Si-Chips 1a und 1b erstrecken. Weiterhin kann der Raum in dem Abstrahlungsbauteil 3 der zweiten Seite ausgebildet werden. Der Raum 15 muss nicht gleichförmig in den Abschnitten ausgebildet werden, welche die Si-Chips 1a und 1b kontaktieren, und kann geeignet an den benötigten Positionen ausgebildet werden.
Weiterhin ist die Formgebung des Raums 15 nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt, immer vorausgesetzt, dass sich die Steifigkeit des Abstrahlungsbauteiles verringern lässt. Wenn die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 aus einem metallischen Material mit Cu oder Al gefertigt sind, ist es leicht, den Raum 15 auszubilden, da die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 leicht bearbeitbar sind.
6 zeigt eine Halbleitervorrichtung, wobei die äußeren Verdrahtungsteile 11, die isolierenden Substrate 12 hoher thermischer Leitfähigkeit und die äußeren Kühlbauteile 13 von 2A weggelassen sind. In 6 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile wie in 2A.
Gemäß 6 sind metallische Bauteile (teilweise freiliegende metallische Bauteile) 16 aus Mo, W, Cu-Mo oder dergleichen mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten annähernd gleich dem der Si-Chips an den Abschnitten der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 der ersten und zweiten Seite angeordnet, welche in Richtung der Si-Chips 1a und 1b weisen. Die teilweise freiliegenden metallischen Bauteile 16 können vorab an den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 durch Löten, Hartlöten, einen Schrumpfsitz oder einen Presssitz angeordnet oder ausgebildet werden. Zur Ausrichtung der teilweise freiliegenden metallischen Bauteile 16 gegenüber den Si-Chips 1a und 1b mit hoher Genauigkeit sollten die Si-Chips 1a und 1b und die teilweise freiliegenden metallischen Bauteile 16 vor dem Sondieren oder Anheften zwischen den metallischen Bauteilen 16 und den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 durch Löten, Hartlöten oder dergleichen festgelegt werden.
Da der thermische Ausdehnungskoeffizient an den Verbindungsabschnitten zwischen den Si-Chips 1a und 1b und den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 der ersten und zweiten Seite einander angenähert sind, lassen sich thermische Belastungen aufgrund von Temperaturänderungen an den Verbindungsabschnitten verringern und die Verbindungsfestigkeit kann verbessert werden. Weiterhin nähert die Hinzufügung der metallischen Bauteile 16, welche den thermischen Ausdehnungskoeffizienten annähernd gleich demjenigen der Si-Chips 1a und 1b haben, die Belastung der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 insgesamt an Si an, so dass auf die Si-Chips 1a und 1b einwirkende Belastungen verringert werden können.
Somit kann die Halbleitervorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit bezüglich der Verbindungsfestigkeiten zwischen den Si-Chips 1a und 1b und den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 und ohne Bruch der Si-Chips 1a und 1b geschaffen werden. Die teilweise freiliegenden metallischen Bauteile 16 müssen nicht an den gesamten Bereich eines jeden Abstrahlungsbauteiles 2 oder 3 vorhanden sein, der mit den Si-Chips 1a und 1b verbunden ist. Die teilweise freiliegenden metallischen Bauteile 16 sollen jedoch an den notwendigen Positionen geeignet angeordnet werden. Auch kann der Raum 15 wenigstens entweder in dem Abstrahlungsbauteil 2 oder dem Abstrahlungsbauteil 3 ausgebildet werden.
7 zeigt eine Abwandlung der äußeren Verdrahtungsbauteile 11. In 7 sind gleiche Teile wie in 2A mit gleichen Bezugszeichen versehen. In 7 sind die isolierenden Substrate 12 hoher thermischer Leitfähigkeit und die äußeren Kühlbauteile 13 weggelassen.
Wie in 7 gezeigt, sind leitfähige Anschlüsse 17, welche mit den Hauptelektroden der Si-Chips 1a und 1b verbunden sind, an den Kanten der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 der ersten und zweiten Seite als Hauptelektrodenanschlüsse herausgeführt, um elektrisch mit der Außenseite verbunden zu werden. Die leitfähigen Bauteile 17 haben die gleiche Funktion wie die äußeren Verdrahtungsbauteile 11 von 2A.
Die leitfähigen Bauteile 17 stehen von den entsprechenden Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 von annähernd der gleichen Position bezüglich den entsprechenden Bauteilen 2 und 3 und in eine annähernd identische Richtung vor, welche senkrecht zu den Abstrahlungsoberflächen 10 ist. Das bedeutet, dass die leitfähigen Bauteile 17 annähernd parallel zueinander sind, und somit kann eine parasitäre Induktivität verhindert werden, wie noch beschrieben wird. Die Wurzel- oder Basisteile der leitfähigen Bauteile 17 sind einander benachbart. Die Halbleitervorrichtung von 7 benötigt die äußeren Verdrahtungsbauteile 11 von 2A nicht und die Abstrahlungsoberflächen 10 kontaktieren die äußeren Kühlbauteile 13 mit den isolierenden Substraten 12 hoher thermischer Leitfähigkeit dazwischen, obgleich diese Teile nicht gezeigt sind.
Es ist bevorzugt, dass die jeweiligen Abstrahlungsbauteile 2 und 3 und die jeweiligen leitfähigen Bauteile 17 im Hinblick auf den elektrischen Widerstand einstückig zueinander sind. Wenn die leitfähigen Bauteile 17 jedoch separat ausgebildet und mit den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 verbunden werden, sind für die Verbindung Schraubverbindungen, Weichlöten, Hartlöten etc. verwendbar. Die leitfähigen Bauteile 17 können aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, solange sie eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit haben.
Es lassen sich die gleichen Effekte wie oben erzielen. Da zusätzlich die elektrische Verbindung zur Außenseite über die leitfähigen Bauteile 17 gemacht werden kann, ist es nicht notwendig, die äußeren Verdrahtungsbauteile 11 mit den Strahlungsoberflächen 10 der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 zu verbinden. Im Ergebnis wird im Vergleich zu dem Fall, wo die äußeren Verdrahtungsbauteile 11 verwendet werden, die Anzahl von Verbindungsschnittstellen in der Wärmeübertragungsrichtung verringert, so dass der Wärmewiderstand ebenfalls verringert wird. Somit kann die Abstrahlungseigenschaft weiter verbessert werden. Zusätzlich lässt sich die Dicke der Halbleitervorrichtung in Dickenrichtung der Si-Chips 1a und 1b verringern, was zu einer Verringerung der Gesamtgröße der Halbleitervorrichtung führt.
Als eine weitere Ausgestaltungsform sind die leitfähigen Bauteile 17 so vorgesehen, dass sie annähernd parallel zueinander in benachbarten Positionen stehen, und in der Halbleitervorrichtung fließen die Ströme in den jeweiligen leitfähigen Bauteilen 17 mit der gleichen Intensität in einander entgegen gesetzte Richtungen. Wenn Ströme in den zueinander parallelen leitfähigen Bauteilen in einander entgegen gesetzten Richtungen fließen, heben sich um die leitfähigen Bauteile herum erzeugte Magnetfelder gegenseitig auf. Im Ergebnis lässt sich eine parasitäre Induktivität wesentlich verringern.
Die Abstrahlungsbauteile sind aus einem metallischen Material gefertigt, welches als Hauptkomponente Cu oder Al enthält, wenn es Ziel ist, die Abstrahlungseigenschaft und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Da in diesem Fall die Bearbeitbarkeit von Cu und Al gut ist, lassen sich die leitfähigen Bauteile 17 problemlos durch Pressen, Schneiden oder dergleichen formen.
Wenn die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 ein Material mit hoher Härte, beispielsweise W oder Mo, verwenden, um die unterschiedlichen Halbleiterchips leicht mit Kunstharz eingießen zu können, sind die leitfähigen Bauteile 17 bevorzugt als separate Bauteile ausgebildet, da es schwierig sein würde, sie dann einstückig an den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 auszuformen.
Die 8A und 8B zeigen eine Halbleitervorrichtung, wobei die äußeren Verdrahtungsbauteile 11, die isolierenden Substrate 12 hoher thermischer Leitfähigkeit und die äußeren Kühlbauteile 13 von 2A weggelassen sind.
Gemäß den 8A und 8B sind kissen- oder tröpfchenförmige Bondierungsteile 4 gleichförmig zwischen den Hauptelektroden auf den Hauptoberflächen 6a der Si-Chips 1a und 1b und dem Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite angeordnet, und die zwischen den Bondierungsteilen 4 geschaffenen Freiräume sind mit einem Kunststoff oder Kunstharz 18 gefüllt. Das Harz 18 hat Materialeigenschaften ähnlich demjenigen von Metall, beispielsweise gute Benetzbarkeit, und verhindert Belastungskonzentrationen an den kissenförmigen Bondierungsbauteilen 4. Das Harz wird nachfolgend als RAB-Harz 18 bezeichnet (RAB = Resist Assist Bonding). Das RAB-Harz 18 besteht genauer gesagt aus Harz auf Epoxybasis, welches mit Siliziumoxid- oder Silica-Füllstoffen gemischt ist.
Zur Ausbildung des obigen Aufbaus wird nach Verbindung der Si-Chips 1a und 1b mit dem Abstrahlungsbauteil 3 der zweiten Seite und der Drahtbondierung die Anzahl von Bondierungsbauteilen 4 in Kissen-, Tröpfchen- oder Höckerform auf den Hauptelektroden der Si-Chips 1a und 1b auf der Seite der ersten Oberflächen 6a ausgebildet und mit dem Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite verbunden.
Nachfolgend wird das RAB-Harz 18 in eine Einspritzvorrichtung eingebracht und in die Räume um die Bondierungsbauteile 4 herum eingespritzt. Selbst wenn zu diesem Zeitpunkt das Harz nicht direkt in all die Räume eingespritzt werden kann, füllen sich die Räume allmählich mit dem Harz aufgrund des Kapillarphänomens. Danach werden gemäß obiger Beschreibung die integrierten Si-Chips 1a und 1b und die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 in eine Form eingebracht und einstückig mit dem Harz 9 vergossen.
Das RAB-Harz 18 kann eine plastische Verformung der Bondierungsbauteile 4 begrenzen. Weiterhin kann das RAB-Harz 18 Risse verhindern, welche in den Bondierungsbauteilen 4 aufgrund thermischer Belastungen erzeugt werden bzw. eine Rissfortpflanzung oder -ausbreitung verhindern. Mit anderen Worten, das RAB-Harz 18 verfestigt die Verbindung zwischen den Si-Chips 1a und 1b und dem Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite und erhöht die Verbindungszuverlässigkeit.
Obgleich die kissenförmigen Bondierbauteile 4 zur Verbindung der Si-Chips 1a und 1b mit dem Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite vorgesehen sind, können sie auch zur Verbindung der Si-Chips 1a und 1b mit dem Abstrahlungsbauteil 3 der zweiten Seite verwendet werden. Wenn das Harz 9 in die Räume um die Kissen oder Höcker herum eingespritzt werden kann, um diese Räume vollständig zu füllen, ist es nicht notwendig, vorab das RAB-Harz 18 einzuspritzen. In diesem Fall wirkt das Gießharz 9, welches die Räume um die Kissen herum füllt, als RAB-Harz 18.
Um die Steifigkeit zu verringern, kann eine Vorgehensweise gemäß 9C angewendet werden, bei der das Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite durch Ausformen einer ausreichend dünnen metallischen Platte gebildet wird, um einen vorstehenden Abschnitt zu haben, um einen isolierenden Bereich zu vermeiden, und diese Platte wird an die Si-Chips 1a und 1b mit einer verringerten Steifigkeit angeheftet. Da jedoch bei diesem Verfahren die Abstrahlungsoberfläche 10 des Abstrahlungsbauteiles 2 der ersten Seite nicht flach ist, ist es schwierig, dass äußere Verdrahtungsbauteil 11 und das äußere Kühlbauteil 13 zu kontaktieren.
In diesem Zusammenhang wird gemäß den 9A und 9B ein isolierender Film 20 auf dem Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite ausgebildet, mit einem Öffnungsmuster 19, welches sich in Bereichen entsprechend den inneren Seiten der Si-Chips 1a und 1b mit Ausnahme der Umfangsabschnitte der Chips öffnet, wo die Schutzringe 7 vorhanden sind. Mit anderen Worten, der isolierende Film 20 wird an Bereichen entsprechend den isolierten Bereichen in 2B ausgebildet und öffnet sich an Bereichen entsprechend den Hauptelektroden der Si-Chips 1a und 1b auf der Seite der ersten Oberflächen 6a.
Der isolierende Film 20 ist bevorzugt geschlossen ohne Löcher und sollte eine thermische Zusammenziehung des Abstrahlungsbauteiles überstehen. Ein Film aus Polyimid oder Glas ist für den isolierenden Film 20 verwendbar. Wenn die Halbleitervorrichtung hergestellt wird, werden, nachdem der isolierende Film 20 auf dem Abstrahlungsbauteil 2 ausgebildet worden ist, die Si-Chips 1a und 1b an das Abstrahlungsbauteil 2 auf der Seite der ersten Oberflächen 6a angeheftet.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren können die Schutzringe 7 elektrisch von dem Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite durch den isolierenden Film 20 isoliert werden. Das Abstrahlungsbauteil 2 kann in Plattenform ohne vorspringendem Abschnitt 2a gebildet werden, um die Schutzringe 7 der Si-Chips 1a und 1b zu vermeiden. In diesem Fall kann die Steifigkeit des Abstrahlungsbauteiles 2 durch die verringerte Dicke des Abstrahlungsbauteiles 2 verringert werden, solange es die Abstrahlungseigenschaften erlauben. Im Ergebnis lassen sich Druckkräfte auf den Si-Chips 1a und 1b vermindern.
Wenn die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 der ersten und zweiten Seite keine vorstehenden Abschnitte haben, erfolgt eine geeignete Anpassung an Fälle mit nur einem Si-Chip oder mehreren Si-Chips, welche zueinander identische Dicken haben. Auch wenn mehrere Si-Chips, die sich in ihrer Dicke voneinander unterscheiden, vorhanden sind, gibt es kein Problem, wenn der Dickenunterschied durch die Höhenbeträge der Bondierungsbauteile 4 aufgenommen oder ausgeglichen werden kann.
Der isolierende Film 20 ist auf dem Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite ausgebildet; er kann jedoch auch auf dem Abstrahlungsbauteil 3 der zweiten Seite ausgebildet werden. Wenn es einen Bereich gibt, der mit dem Harz 9 zum Versiegeln nicht gefüllt wird, kann eine Isolation durch das Harz 9 nicht ausreichend erhalten werden. Die Isolation kann jedoch durch den isolierenden Film 20 sicher bereitgestellt werden, wenn dieser vorab im betreffenden Bereich ausgebildet wird. Diese Verhinderung durch den isolierenden Film 20 ist auch bei dem Fall anwendbar, wo das Abstrahlungsbauteil 2 die vorstehenden Abschnitte 2a hat.
Wie in 10 gezeigt, wird die elektrische Verbindung zwischen der Steuerelektrode und dem Steueranschluss 5 durch einen Höcker oder ein Kissen 21 geschaffen, welches beispielsweise aus einem Weichlot, Hartlot, einem leitfähigen Kleber oder dergleichen ist. Bei diesem modifizierten Beispiel muss der Drahtbondierungsschritt nicht durchgeführt werden und der Steueranschluss 5 kann gleichzeitig mit der Verbindung zwischen den Si-Chips 1a und 1b und den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 verbunden werden. Somit lässt sich der Herstellungsvorgang vereinfachen. Auch erfolgt keine Drahtverschiebung der Drahtbondierung während des Eingießens mit Harz.
Wie in 11 gezeigt, hat jedes der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 der ersten und zweiten Seite einen keilförmigen Querschnitt und die vorstehenden Abschnitte 2a sind an dem Abstrahlungsbauteil 2 der ersten Seite ausgebildet. Eine Seitenfläche des Abstrahlungsbauteiles 2 der ersten Seite und eine Seitenfläche des Abstrahlungsbauteiles 3 der zweiten Seite (untere Seite in der Figur) dienen als Abstrahlungsoberflächen 10. Die Abstrahlungsoberflächen 10 der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 der ersten und zweiten Seite sind annähernd senkrecht zu den Verbindungsoberflächen der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 mit den Si-Chips 1a und 1b und liegen in einer Ebene miteinander. Die Abstrahlungsoberflächen 10 kontaktieren das äußere Kühlbauteil 13 über das isolierende Substrat 12 mit hoher thermischer Leitfähigkeit und sind durch isolierende Schraubbolzen 22 festgelegt.
Hierbei besteht keine Notwendigkeit, zwei außen liegende Kühlbauteile 13 vorzubereiten, so dass die Flexibilität beim Zusammenbau der Halbleitervorrichtung mit dem außen liegenden Kühlbauteil 13 verbessert ist. Beispielsweise ist die Halbleitervorrichtung für ein herkömmliches Kühlsystem austauschbar, welches an nur einer Seite ein Kühlteil aufweist. Da zusätzlich die Anzahl von isolierenden Substraten 12 hoher thermischer Leitfähigkeit verringert werden kann, nämlich auf eine, lassen sich Bauteilkosten verringern.
Obgleich die Abstrahlungsoberflächen 10 senkrecht zu den Verbindungsoberflächen der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 mit den Si-Chips 1a und 1b sind, können sie an verschiedenen Arten von äußeren Kühlbauteilen angebracht werden, indem die Winkel geeignet geändert werden. Wenn die leitfähigen Bauteile der vierten Ausführungsform verwendet werden, können die leitfähigen Bauteile von den Seitenflächen der Abstrahlungsbauteile 2 und 3 unterschiedlich zu den Abstrahlungsoberflächen 10 herausgeführt werden.
Gemäß 12 sind jeweils vier Schraubenlöcher 23a in den entsprechenden Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 der ersten und zweiten Seite von den Abstrahlungsoberflächen 10 her die Si-Chips 1a und 1b nicht erreichend ausgebildet. Jedes der äußeren Verdrahtungsbauteile 11 weist vier Schraubenlöcher 23b auf, welche diese durchtreten und den Schraubenlöchern 23a entsprechen. Sodann werden (nicht gezeigte) Schrauben durch die Schraubenlöcher 23a und 23b von den Oberflächen der äußeren Verdrahtungsbauteile 11 an einander gegenüberliegenden Seiten der entsprechenden Abstrahlungsoberflächen 10 her eingeführt. Somit sind die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 und die äußeren Verdrahtungsbauteile 11 miteinander verbunden. Hierbei werden die Schraubenlöcher 23a und 23b durch einen Bohrer oder dergleichen gebildet.
Da hierbei die Abstrahlungsbauteile 2 und 3 die Schraubenlöcher 23a haben, welche diese nicht vollständig durchtreten, berühren die Schrauben die Si-Chips 1a und 1b nicht, und die Schraubenlöcher 23a und 23b können somit an beliebigen Positionen gebildet werden. Da weiterhin die Befestigung durch die Schrauben erfolgt, wirkt kein Druck auf die Si-Chips 1a und 1b, selbst wenn der Druck zum Befestigen der äußeren Verdrahtungsbauteile 11 auf die entsprechenden Abstrahlungsbauteile 2 und 3 erhöht wird. Im Ergebnis lassen sich die Kontaktwiderstände zwischen den Abstrahlungsbauteilen 2 und 3 und den äußeren Verdrahtungsbauteilen 11 verringern, und die Abstrahlungseigenschaft und die elektrische Leitfähigkeit kann verbessert werden.
Insbesondere kann die Befestigung mit Schrauben an Positionen des Abstrahlungsbauteiles 3 der zweiten Seite unmittelbar unter den Si-Chips 1a und 1b durchgeführt werden. Somit lässt sich eine thermische und elektrische Verbindung zwischen den Si-Chips 1a und 1b und dem Abstrahlungsbauteil 3 der zweiten Seite sicherstellen. Die thermischen Verbindungen der Halbleitervorrichtung zu den äußeren Verdrahtungsbauteilen 11 sind verschraubt, und die isolierenden Substrate 12 hoher thermischer Leitfähigkeit und die äußeren Kühlbauteile 13 können beispielsweise auf gleiche Weise wie in der 2A dargestellt angeordnet werden. Ein Schraubenloch 23a oder 23b ist für jedes der Bauteile 2, 3 und 11 ausreichend, um die genannte Befestigung durchzuführen.
Die Halbleitervorrichtung gemäß 13 enthält ein IGBT-Element 101 und eine Diode 102, welche als Halbleiterelemente einen Schaltkreis bilden. Die Halbleiterelemente 101 und 102 sind an einer Oberfläche 103a eines plattenförmigen ersten Leitungsbauteils 103 (erstes leitfähiges Bauteils) angeheftet, welches beispielsweise aus Kupfer gefertigt ist, was über erste Lötbauteile 104 erfolgt, welche aus 10 Gew.-% Sn (Zinn) und 90 Gew.-% Pb (Blei) bestehen und einen Schmelzpunkt von 320°C haben. Blockförmige Wärmesenken 105 aus Kupfer sind über die ersten Lötbauteile 104 entsprechend an den Halbleiterelementen 101 und 102 befestigt.
An den Wärmesenken 105 ist ein zweites Leitungsbauteil (zweites leitfähiges Bauteil) 107 aus Kupfer oder dergleichen an einer Oberfläche 107a über zweite Lötbauteile 106 befestigt, welche einen Schmelzpunkt haben, der unter demjenigen der ersten Lötbauteile 104 liegt. Die zweiten Lötbauteile 106 enthalten beispielsweise Zinn mit 90 Gew.-% oder mehr und haben einen Schmelzpunkt von 240°C.
Die Oberfläche 103a des ersten Leitungsbauteiles 103 und die Oberfläche 107a des zweiten Leitungsbauteiles 107 weisen aufeinander zu, wobei die Halbleiterelemente 101 und 102 dazwischen liegen, und erstrecken sich annähernd parallel zueinander (beispielsweise beträgt eine Neigung zwischen den Leitungsbauteilen 103 und 107 0,1 mm oder weniger). Auch bei dieser Halbleitervorrichtung sind eine äußere Leitung 108 und das IGBT-Element 101 elektrisch miteinander über einen Bondierungsdraht 109 aus Gold oder Aluminium zur elektrischen Verbindung mit der Außenseite verbunden.
Die Bauteile 101 bis 109, welche wie oben erläutert zusammengebaut sind, werden mit Gießharz 110 aus beispielsweise Epoxyharz eingekapselt und versiegelt und sind somit vor der Umgebung geschützt. Die anderen Oberflächen 103b, 107b der Leitungsbauteile 103 und 107 liegen von dem Harz 110 unbedeckt, d. h. frei, vor und diesen als Abstrahlungsoberflächen.
Somit besteht bei dieser Halbleitervorrichtung der Schaltkreis aus den beiden Halbleiterelementen 101 und 102 und den beiden Leitungsbauteilen 103 und 107, welche gleichzeitig als Elektroden dienen. Eine Signalverbindung zwischen den Halbleiterelementen 101 und 102 und der Außenseite erfolgt über die Leitungsbauteile 103 und 107, den Draht 109 und die äußere Leitung 108. Die Leitungsbauteile 103 und 107 dienen auch als Abstrahlungsbauteile und erleichtern die Wärmeabstrahlung beispielsweise durch Anordnen von Kühlbauteilen (nicht gezeigt) auf den Oberflächen 103b und 107b mittels isolierenden Bauteilen.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung unter Bezugnahme auf die 14A bis 14C beschrieben. Zunächst werden die Halbleiterelemente 101 und 102 an die Oberfläche 103a des ersten Leitungsbauteiles 103 mit dem ersten Lötbauteil bzw. den ersten Lötbauteilen 104 befestigt. Sodann werden die Wärmesenken 105 an den ersten und zweiten Halbleiterelementen 101 und 102 ebenfalls mit den ersten Lötbauteilen 104 befestigt. Dieser Zustand ist in 14A gezeigt. Diese zusammengefassten Bauteile werden als Werkstück 150 bezeichnet.
Nachfolgend wird die Oberfläche 107a des zweiten Leitungsbauteiles 107 an den Halbleiterelementen 101 und 102 befestigt, an welchen bereits die Wärmesenken 105 befestigt sind, was über die zweiten Lötbauteile 106 erfolgt, welche niedrigeren Schmelzpunkt haben. Insbesondere ist gemäß 14B das zweite Leitungsbauteil 107 auf einer Aufspannvorrichtung oder Lehre 160 angeordnet, wobei die Oberfläche 107a nach oben weist, und die zweiten Lötbauteile 106 werden auf bestimmten Positionen der Oberfläche 107a abgesetzt. Sodann wird das Werkstück 150 von 14A umgedreht und auf die Oberfläche 107a des zweiten Leitungsbauteiles 107 mittels den zweiten Lötbauteilen 106 angeordnet.
Weiterhin wird ein plattenförmiges Gewicht 161 aus rostfreiem Stahl oder dergleichen auf die andere Oberfläche 103b des ersten Leitungsbauteiles 103 gesetzt. Die Lehre 160 ist mit einem Abstandshalter 162 versehen, der eine spezielle Höhe hat (beispielsweise 1 mm) und der aus Kohlenstoff oder dergleichen besteht, um den Spalt zwischen den beiden Leitungsbauteilen 103 und 107 zu bestimmen. Dieser Zustand ist in 14B gezeigt. Sodann werden die Bauteile in diesem Zustand in einen Heizofen gebracht, wobei nur die zweiten Lötbauteile 106 aufschmelzen.
Somit wird das Werkstück 150 durch das Gewicht 161 unter Druck gesetzt und, wie in 14C gezeigt, werden die zweiten Lötbauteile 106 gequetscht und der Spalt zwischen den beiden Leitungsbauteilen 103 und 107 wird bis auf die Höhe des Abstandshalters 162 verringert. Somit wird der Grad der Parallelität zwischen den beiden Leitungsbauteilen 103 und 107 gesteuert. Darüber hinaus, wenn die Schmelzpunkte des ersten Lötbauteiles 104 bzw. des zweiten Lötbauteiles 106 bei 320°C bzw. 240°C liegen, werden in diesem Verfahren eine Reflow-Temperatur von 250°C und eine mittels des Gewichtes 161 aufgebrachte Last von 0,08 g/mm² verwendet.
Die Dicke des zweiten Lötbauteiles 106 beträgt bevorzugt ungefähr 100 μm bis 300 μm. Wenn es zu dünn ist, wird die Dicke zur Steuerung des Grades der Parallelität zwischen den beiden Leitungsbauteilen 103 und 107 unzureichend. Wenn es zu dick ist, wird die thermische Leitfähigkeit zwischen den Halbleiterelementen und den Leitungsbauteilen ungenügend. Weiterhin enthalten die zweiten Lötbauteile 106 Zinn mit 90 Gew.-% oder mehr, was vorteilhaft ist, eine ausreichende thermische Leitfähigkeit sicherzustellen. Nach den obengenannten Schritten erfolgt eine Drahtbondierung zu der äußeren Leitung 108 und das Einbetten oder Eingießen in Kunstharz oder Kunststoff. Im Ergebnis wird die Halbleitervorrichtung von 13 fertig gestellt.
Bei dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren erfolgt in dem Werkstück 150, bei dem die beiden Oberflächen der Halbleiterelemente 101 und 102 durch die ersten und zweiten Leitungsbauteile (Abstrahlungsbauteile) 103 und 107 über die ersten und zweiten Lötbauteile 104 und 106 eingeschlossen sind, ein Reflow-Vorgang oder erneutes Aufschmelzen nur an den zweiten Lötbauteilen 106, da die zweiten Lötbauteile 106 einen niedrigeren Schmelzpunkt als die ersten Lötbauteile 104 haben.
Sodann wird in diesem Zustand Druck auf die obere Seite des ersten Leitungsbauteiles 103 (oder zweiten Leitungsbauteiles 107) aufgebracht, so dass die zweiten Lötbauteile 106 in dem Zustand verformt werden, in welchem die Halbleiterelemente 101 und 102 von dem ersten Lötbauteil 104 getragen werden. Infolgedessen kann der Grad der Parallelität zwischen den beiden Leitungsbauteilen 103 und 107 gesteuert werden. Beispielweise kann der Grad der Parallelität zwischen den beiden Leitungsbauteilen 103 und 107 auf gleich oder weniger als 0,1 mm gemacht werden.
Somit kann eine Halbleitervorrichtung mit einem ausreichenden Grad an Parallelität zwischen den beiden Bauteilen 103 und 107 geschaffen werden. In 13 kann die Halbleitervorrichtung unter Umständen auf das Gießharz 10 verzichten. In so einem Fall kann der Grad von Parallelität zwischen den beiden Bauteilen 103 und 107 leicht eingestellt werden.
Wie weiterhin in 15 gezeigt, kann das zweite Leitungsbauteil 107 vertiefte oder zurückgestufte Abschnitte 107c (mit beispielsweise einer Tiefe von ungefähr 0,1 mm) in der Oberfläche 107a haben, und die zweiten Lötbauteile 106 können in diesen vertieften Abschnitten 107c angeordnet werden. Selbst wenn die zweiten Lötbauteile 106 während des Neuaufschmelzens unter Unterdrucksetzens zerquetscht werden, um quasi extrudiert zu werden, verhindern die vertieften Abschnitte 107c den Austritt der Lötbauteile 106. Wenn weiterhin die Lötbauteile 106 aus Lötfolien bestehen, wird die Positionierung vereinfacht.
Das zweite Leitungsbauteil 107 kann an den Halbleiterelementen 101 und 102 über die zweiten Lötbauteile 106 ohne die Wärmesenken 105 angeheftet werden. Diese Variante betrifft eine Halbleitervorrichtung, bei der das Halbleiterelement zwischen das Paar von leitfähigen Bauteilen mittels der Lötbauteile eingeschlossen ist und die leitfähigen Bauteile nur entweder eine Abstrahlungsfunktion oder eine Elektrodenfunktion haben können.
Die Halbleitervorrichtung gemäß 16 besteht im wesentlichen aus einem Heizelement 201 und einem Paar von Abstrahlungsbauteilen 202 und 203 zum Abstrahlen von Wärme von dem Heizelement 201. Auf einer Oberfläche 201a des Heizelementes 201 ist das Abstrahlungselement 202 der ersten Seite über einen Abstrahlungsblock 204 und ein Verbindungsbauteil 205 angeheftet, wohingegen auf der anderen Oberfläche 201b des Heizelementes 200 das Abstrahlungsbauteil 203 der zweiten Seite über ein Befestigungselement 205 angeheftet ist. Somit schließen die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 das Halbleiterelement 201 über die Befestigungsbauteile 205 zwischen sich ein.
Das Heizelement 201 ist ein Leistungshalbleiterelement, beispielsweise ein IGBT oder ein Thyristor. Die Befestigungsbauteile 205 sind aus einem Lot gefertigt. Die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite und der Abstrahlungsblock 204 sind aus Cu (Kupfer). Jede Ebenenform der Bauteile 201 bis 204 ist im wesentlichen rechteckförmig.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung dieser Halbleitervorrichtung erläutert. Zunächst werden das Halbleiterelement 201, die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite und der Abstrahlungsblock 204 vorbereitet. Jedes der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite hat einen Bereich in einer Ebenenrichtung größer als das Halbleiterelement 201 und der Abstrahlungsblock 204.
Nachdem eine Lotpaste im Nahbereich der Mitte der Oberfläche 203a des Abstrahlungsbauteiles 203 der zweiten Seite aufgebracht worden ist, wird das Halbleiterelement 201 aufgesetzt. Dann wird auf ähnliche Weise eine Lotpaste auf das Halbleiterelement 201 aufgebracht und der Abstrahlungsblock 204 hierauf gesetzt. Weiterhin wird die Lotpaste auf den Abstrahlungsblock 204 aufgebracht.
Nachfolgend wird gemäß 16 eine Stütze oder Lehre 206 zum Festlegen des Abstandes zwischen den Abstrahlungsbauteilen 202 und 203 der ersten und zweiten Seite vorbereitet. Die Lehre 206 hat ein Paar von Oberflächen (parallelen Oberflächen) 206a und 206b, welche zueinander parallel sind. Die Lehre 206 wird so auf dem Abstrahlungsbauteil 203 der zweiten Seite angeordnet, dass die Oberfläche 206a die Oberfläche 203a des Abstrahlungsbauteiles 203 der zweiten Seite berührt, wo das Halbleiterelement 201 nicht liegt. Hierbei ist die Lehre 206 aus einem Material wie beispielsweise Al (Aluminium) mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als demjenigen der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite, welche aus Cu gefertigt sind.
Dann wird das Abstrahlungsbauteil 202 der ersten Seite auf der auf den Abstrahlungsblock 204 und der Oberfläche 206b der Lehre 206 aufgebrachten Lotpaste angeordnet, und von der oberen Oberfläche 202b des Abstrahlungsbauteiles 202 der ersten Seite wird bei Bedarf beispielsweise durch ein Gewicht 208 eine Last aufgebracht. Somit gerät das Abstrahlungsbauteil 202 der ersten Seite von außen her unter Druck, so dass die Oberfläche 202a des Abstrahlungsbauteiles 202 der ersten Seite auf der Lehre 206 aufsitzt.
Danach werden die Bauteile 201 bis 204, welche auf obige Weise zusammenlaminiert wurden, in diesem Zustand einem Reflow-Vorgang unterworfen, so dass die Lotpaste aushärtet und zu dem Lot 205 wird und das Halbleiterelement 201, der Abstrahlungsblock 204 und die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite miteinander verbunden werden. Danach wird das Gewicht 208 entfernt und die Lehre 206 wird durch Herausziehen in Seitenrichtung entfernt. Im Ergebnis ist die Halbleitervorrichtung dann fertig gestellt.
Der Abstand zwischen den Oberflächen (inneren Oberflächen) 202a und 203a der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite, welche in Richtung des Halbleiterchips 201 weisen, ist durch die Dicke der Lehre 206 steuerbar. Wenn somit im Ergebnis die Bauteile 201 bis 204 miteinander durch Laminierung zusammengefügt werden, besteht keine Notwendigkeit, Abmessungstoleranzen seitens der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite zu berücksichtigen. Von daher besteht auch keine Notwendigkeit, das Lot 205 dicker zu machen, um Abmessungstoleranzen der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite auszugleichen oder aufzunehmen. Somit kann die Halbleitervorrichtung mit einer Lotdicke bereitgestellt werden, welche so gering wie möglich gemacht ist.
Allgemein dehnen sich die jeweiligen Bauteile bei der Erwärmung durch den Reflow-Vorgang aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen. Die Formänderung aufgrund dieser Ausdehnung und Zusammenziehung wird groß, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient groß wird. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient der Lehre 206 im Vergleich zu den Ausdehnungskoeffizienten der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite und des Abstrahlungsblockes 204 groß ist, zieht sich die Lehre 206 viel weiter als die anderen Bauteile 201 bis 204 zusammen, wenn Rückkehr auf Raumtemperatur erfolgt, nachdem die Bauteile 201 bis 204 durch das Lot 205 zusammengefügt wurden, welches in einem Zustand aushärtet, in welchem sich die entsprechenden Bauteile 201 bis 204 beim Reflow ausdehnen.
Im Ergebnis wird der Spalt zwischen den Oberflächen 202a und 203a der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite größer als der Abstand zwischen den parallelen Oberflächen 206a und 206b der Lehre 206. Aufgrund dieser Tatsache kann die Lehre 206 leicht entfernt werden. Da auch der Grad der Parallelität zwischen den Abstrahlungsbauteilen 202 und 203 der ersten und zweiten Seite durch die parallelen Oberflächen 206a und 206b der Lehre 206 gesteuert werden kann, lässt sich der Grad der Parallelität zwischen den Abstrahlungsbauteilen 202 und 203 der ersten und zweiten Seite sicherstellen, auch dann, wenn die Dicke des Lotes 205 verringert wird.
Obgleich der thermische Ausdehnungskoeffizient der Lehre 206 größer als derjenige der anderen Bauteile 202 bis 204 ist, ist die Lehre 206 nicht auf diesen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beschränkt, solange die Lehre 206 entfernt werden kann, nachdem die Bauteile 201 bis 204 zusammengefügt worden sind. Auch ist die Form der Lehre 206 nicht auf die in der Figur gezeigten Form beschränkt, sondern kann auch andere Formen haben, solange die Lehre 206 den Abstand zwischen den Abstrahlungsbauteilen 202 und 203 der ersten und zweiten Seite bestimmen und festlegen kann.
Das Lot 205 wird als Verbindungsbauteil verwendet und wird beim Reflow-Vorgang durch Aushärten einer Lotpaste gebildet. Die Verbindung kann jedoch auch durch Zwischenlegen von Lotfolien zwischen die zu laminierenden Bauteile und durch Aufschmelzen und Aushärten der Lotfolien durchgeführt werden. Alternativ kann auch ein leitfähiger Klebstoff verwendet werden.
Die Anordnungsreihenfolge von Halbleiterelement 201, Abstrahlungsblock 204, Lotpaste und Lehre 206 auf dem Abstrahlungsbauteil 203 der zweiten Seite ist nicht auf die oben beschriebene beschränkt und ist änderbar, vorausgesetzt, dass der in der Figur gezeigte Aufbau erhalten werden kann. Es wurde beschrieben, dass die Lehre 206 parallele Oberflächen 206a und 206b hat; diese Oberflächen 206a und 206b müssen jedoch nicht immer notwendigerweise parallel zueinander sein, vorausgesetzt, dass die Lehre 206 den Abstand zwischen der Oberfläche 202a des Abstrahlungsbauteiles 202 der ersten Seite und der Oberfläche 203a des Abstrahlungsbauteiles 203 der zweiten Seite festlegen kann. Beispielsweise kann die Lehre 206 wenigstens drei Vorsprünge an Abschnitten haben, welche die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite berühren.
Weiterhin kann, obgleich in der Zeichnung nicht gezeigt, in einem Fall, in welchem ein Kontaktkissen, das auf der Oberfläche des Halbleiterelementes 201 ausgebildet ist, mit einem Leiterrahmen drahtbondiert wird, dieses Drahtbondieren durchgeführt werden, nachdem die Lehre 206 von den zusammengefügten Bauteilen entnommen oder entfernt worden ist. Wenn in diesem Fall das Halbleiterelement 201 im Nahbereich des Kantenbereichs des Abstrahlungsbauteiles 203 der zweiten Seite liegt, liegt ein Fall vor, in welchem das Drahtbondieren problemlos durchgeführt werden kann; die Form des Abstrahlungsbauteiles 203 der zweiten Seite kann jedoch geeignet abgeändert werden, so dass die Drahtbondierung zu dem Kontaktkissen vereinfacht wird.
Weiterhin lässt sich noch die folgende Vorgehensweise betrachten: Nachdem das Kontaktkissen auf dem Halbleiterelement 201 über einen Draht mit dem Leiterrahmen drahtbondiert worden ist, wird die Lehre 206 auf dem Abstrahlungsbauteil der ersten Seite angeordnet, wobei der Draht und der Leiterrahmen umgangen werden, und dann wird das Abstrahlungsbauteil der zweiten Seite angeordnet. In diesem Zustand können die Bauteile 201 bis 204 bondiert oder zusammengebracht werden. Die Halbleitervorrichtung kann mit einem Harz oder Kunststoff vergossen werden. Auch können die Abstrahlungsbauteile 202 bis 204 Keramiksubstrate mit metallisierten Oberflächen sein.
In 17 werden zunächst die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite, der Abstrahlungsblock 204 und das Halbleiterelement 201 vorbereitet. Die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite weisen Durchgangsbohrungen 221 und 231 auf, welche diese Bauteile in Dickenrichtung in den entsprechenden vier Ecken der Ebene durchdringen. Die Durchgangsbohrungen 221 und 231 nehmen erste und zweite vorspringende Abschnitte 261 und 271 auf, welche nachfolgend beschrieben werden.
Weiterhin werden erste und zweite Lehren 260 und 270 vorbereitet. Die Lehren 260 bzw. 270 haben rechteckförmige Plattenabschnitte, und in der ersten Lehre 260 stehen vier erste vorstehende Abschnitte 261 von einer Oberfläche 260a des Plattenabschnittes vor und in der zweiten Lehre 270 stehen vier zweite vorstehende Abschnitte 271 von einer Oberfläche 270a des Plattenabschnittes vor. Die ersten und zweiten vorstehenden Abschnitte 261 und 271 sind annähernd symmetrisch angeordnet, und zwar an inneren Abschnitten und nicht an den Kanten oder Rändern der Plattenabschnitte.
An den entsprechenden Kantenabschnitten der Lehren 260 und 270 stehen vorspringende Abschnitte 262 und 272 zur Positionierung von den Oberflächen 260a und 270a zum Festlegen des Abstandes zwischen der ersten Lehre 260 und der zweiten Lehre 270 vor. Die vorstehenden Abschnitte 261, 262, 271 und 272 haben vordere Endabschnitte 261a, 262a, 271a und 272a, von denen jeder eine im wesentlichen flache Stirnfläche hat. Die ersten und zweiten Lehren 260 und 270 sind beispielsweise aus C (Kohlenstoff) gefertigt.
Nachfolgend wird die Oberfläche 202a des Abstrahlungsbauteiles 202 der ersten Seite auf der Oberfläche 201a der Halbleitervorrichtung 201 über den Abstrahlungsblock 204 und eine Lotpaste angeordnet. Auf die andere Oberfläche 201b des Halbleiterelementes 201 wird das Abstrahlungsbauteil 203 der zweiten Seite auf Seiten der Oberfläche 203a über eine Lotpaste angeordnet. Somit werden das Abstrahlungsbauteil 203 der zweiten Seite, das Halbleiterelement 201 und der Abstrahlungsblock 204 über eine Lotpaste festgelegt, und das Abstrahlungsbauteil 202 der ersten Seite wird über eine aufzubringende Lotpaste an dem Abstrahlungsblock 204 befestigt.
Sodann wird die erste Lehre 260 mit der Oberfläche 260a nach oben weisend angeordnet und ein Federbauteil 290, bestehend aus einer Schraubenfeder und einer rechteckförmigen Basis 291, welche am Ende der Schraubenfeder befestigt ist, wird auf der Oberfläche 260a angeordnet. Das andere Ende der Schraubenfeder 290 kann mit der Oberfläche 260a der ersten Lehre 260 in Verbindung stehen oder nicht.
Sodann werden die laminierten Bauteile 201 bis 204 auf der ersten Lehre 260 so angeordnet, dass die Oberfläche 203b des Abstrahlungsbauteiles 203 der zweiten Seite von der Basis 290 der Schraubenfeder getragen wird, welche sich auf der Oberfläche 260a der Lehre 260 abstützt, wobei die ersten vorspringenden Abschnitte 261 in die Bohrungen 231 eingeführt werden, welche im Abstrahlungsbauteil 203 der zweiten Seite ausgebildet sind. Sodann wird das Gewicht 208 auf die Oberfläche 202b des Abstrahlungsbauteiles 202 der ersten Seite gesetzt. Die zweite Lehre 270 wird mit der Oberfläche 270a nach unten weisend ausgerichtet und der Oberfläche 202b des Abstrahlungsbauteiles 202 der ersten Seite angenähert und dann so eingebaut, dass die zweiten vorstehenden Abschnitte 271 in die Bohrungen 221 eingeführt werden, welche in dem Abstrahlungsbauteil 202 der ersten Seite ausgebildet sind. Somit sind die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite, der Abstrahlungsblock 204 und das Halbleiterelement 201, welche wie oben laminiert sind, von den ersten und zweiten Lehren 260 und 270 eingefasst.
Nachfolgend lässt man die vorderen Endabschnitte 262a der vorstehenden Abschnitte 262, die an der ersten Lehre 260 zum Positionieren ausgebildet sind, an den vorderen Endabschnitten 272a der vorspringenden Abschnitte 272, die an der zweiten Lehre 270 zur Positionierung ausgebildet sind, anstoßen. Infolgedessen kann ein festgelegter Abstand zwischen den ersten und zweiten Lehren 260 und 270 beibehalten werden. Mit anderen Worten, besagter Abstand wird die Summe der Längen der vorstehenden Abschnitte 262 und 272.
Zu diesem Zeitpunkt stehen die vorderen Endabschnitte 261a der ersten vorstehenden Abschnitte 261 an der Oberfläche 202a des Abstrahlungsbauteiles 202 der ersten Seite an und die vorderen Endabschnitte 271a der zweiten vorstehenden Abschnitte 271 stehen an der Oberfläche 203a des Abstrahlungsbauteiles 203 der zweiten Seite an. Weiterhin werden die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite von den Oberflächen 202a und 203a durch die elastische Kraft des Federbauteiles 290 und durch die Gewichtskraft des Gewichtes 208 unter Druck gesetzt.
Im Zustand, wo die entsprechenden Bauteile 201 bis 204 durch die ersten und zweiten Lehren 260 und 270 festgelegt sind, wird das Lot durch Reflow ausgehärtet, und die Abstrahlungsbauteile 202 und 230 der ersten und zweiten Seite, der Abstrahlungsblock 204 und das Halbleiterelement 201 werden durch das Lot 205 zusammengeheftet. Dann werden die erste Lehre 260 und die zweite Lehre 270 in eine Richtung nach oben bzw. nach unten bewegt, so dass die zusammengehefteten Bauteile 201 bis 204 aus den Lehren 260 bis 270 entnommen werden können. Danach ist die Halbleitervorrichtung fertig.
Es können die vorstehenden Abschnitte 261 und 271 jeweils an den Oberflächen 202a und 203a der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite anschlagen, wobei eine konstante Distanz zwischen den ersten und zweiten Lehren 260 und 270 erhaltbar ist. Infolgedessen lässt sich die Distanz oder der Abstand zwischen den Oberflächen 202a und 203a der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite einstellen oder regeln. Genauer gesagt, gemäß 17 ist die Überlagpungslänge K der ersten und zweiten vorstehenden Abschnitte 261 und 271 konstant. Weiterhin werden die Oberflächen 202a und 203a der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite jeweils von den vier ersten vorstehenden Abschnitten 261 und den vier zweiten vorstehenden Abschnitten 271 getragen. Somit kann der Grad der Parallelität zwischen den Abstrahlungsbauteilen 202 und 203 der ersten und zweiten Seite durch Einstellen der Längen der vorstehenden Abschnitte 261 und 271 sichergestellt werden.
Es besteht daher keine Notwendigkeit, Dimensionstoleranzen der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite zu berücksichtigen und keine Notwendigkeit, das Lot 205 dicker zu machen, um derartige Abmessungstoleranzen der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite zu kompensieren. Das Herstellungsverfahren kann eine Halbleitervorrichtung schaffen, bei der die Dicke des Lotes so dünn wie möglich gemacht wird.
Da weiterhin die Bohrungen 221 und 231 in den Abstrahlungsbauteilen 202 und 203 der ersten und zweiten Seite ausgebildet sind, schlagen die vorderen Endabschnitte 261a und 271a der ersten und zweiten vorstehenden Abschnitte 261 und 271 ausreichend an den Oberflächen 202a und 203a der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite an, indem sie die Bohrungen 231 und 221 durchtreten. Das Einführen der ersten und zweiten vorstehenden Abschnitte 261 und 271 in die Bohrungen 231 und 221 in den Abstrahlungsbauteilen 203 und 202 der zweiten und ersten Seite kann die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite in Horizontalrichtung, d. h. in einer Richtung parallel zu den Oberflächen 202a und 203a, positionieren.
Da das Abstrahlungsbauteil 203 der zweiten Seite von dem Federbauteil 290 gehalten wird, kann das Abstrahlungsbauteil 203 der zweiten Seite geeignet durch die Elastizität des Federbauteiles 290 unter Druck gesetzt werden, auch wenn der Abmessungsfehler im Abstrahlungsbauteil 203 der zweiten Seite hoch sein sollte. Da weiterhin das Abstrahlungsbauteil 202 der ersten Seite durch das bewegliche Gewicht 208 unter Druck gesetzt wird, kann das Abstrahlungsbauteil 202 der ersten Seite ausreichend oder geeignet unter Druck gesetzt werden, auch wenn der Abmessungsfehler im Abstrahlungsbauteil 202 der ersten Seite groß sein sollte.
Selbst wenn die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 zueinander unterschiedliche Dicken haben sollten, können die gleichen Lehren 260 und 270 wie oben beschrieben verwendet werden, da das Unter-Druck-Setzen durch das Federbauteil 290 und das Gewicht 208 gesteuert werden kann und aufgrund der gleichen Gründe wie oben beschrieben im Zusammenhang mit der Verwendung des Federbauteiles 290 und des Gewichtes 208.
Genauer gesagt, es sei beispielsweise im Zustand von 17 angenommen, dass Festkörper hoher Steifigkeit im Spalt zwischen dem Abstrahlungsbauteil 202 der ersten Seite und der zweiten Lehre 270 und in dem Spalt zwischen dem Abstrahlungsbauteil 203 der zweiten Seite und der ersten Lehre 260 liegen sollen, mit Höhen entsprechend der Spalte. Wenn in diesem Fall die Dicke der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite zu hoch sind, können auf die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite aufgebrachte Belastungen erhöht werden, indem sie zwischen die vorderen Endabschnitte 261a und 271a der vorstehenden Abschnitte 261 und 271 und die Festkörper gebracht werden. Dies kann zu einem Bruch der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite führen. Andererseits, wenn die Dicke der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite zu gering ist, können die vorderen Endabschnitte 261a und 271a der vorstehenden Abschnitte 261 und 271 nicht an den jeweiligen Abstrahlungsbauteilen 202 und 203 anliegen. Im Gegensatz hierzu können bei der beschriebenen Ausgestaltung die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite durch Verwenden des Federbauteiles 290 und des Gewichtes 208 hinreichend oder ausreichend unter Druck gesetzt werden.
Da weiterhin der Aufbau so ist, dass die Halbleitervorrichtung von den Lehren 260 und 270 durch Abheben der Lehren 260 bzw. 270 nach oben bzw. unten entnommen werden kann, ist die Entnahme einfach. Die Lehren 260 und 270 müssen nicht Plattenform haben, sondern können unterschiedliche Formen haben, solange die ersten und zweiten vorstehenden Abschnitte 261 und 271 vorgesehen sind. Um die Oberflächen 202a und 203a der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite zu lagern, ist es ausreichend, drei vorstehende Abschnitte 261 und 271 jeweils vorzusehen. Die vorderen Endabschnitte 261a, 262a, 271a und 272a der vorstehenden Abschnitte 261, 262, 271 und 272 müssen weiterhin nicht unbedingt flach sein.
Die vorstehenden Abschnitte 262 und 272 zur Positionierung müssen nicht an den jeweiligen Lehren 260 und 270 vorhanden sein. Beispielsweise kann das Abstrahlungsbauteil der zweiten Seite mit einem langen vorstehenden Abschnitt zur Positionierung mit einem vorderen Endabschnitt versehen sein, der an der Oberfläche 260a der Lehre 260 anschlägt, ohne dass der vorstehende Abschnitt zur Positionierung gegenüber der ersten Lehre 260 gebildet ist. Weiterhin kann eine externe Vorrichtung oder dergleichen den Abstand zwischen den Lehren 260 und 270 festlegen; hierbei besteht dann keine Notwendigkeit, die vorstehenden Abschnitte für die Positionierung vorzusehen.
In der Figur ist nur eine Halbleitervorrichtung während der Herstellung gezeigt; es versteht sich, dass mehrere oder verschiedene Halbleitervorrichtungen gleichzeitig unter Verwendung erster und zweiter Lehren hergestellt werden können, welche mehrere Paare erster und zweiter vorstehender Abschnitte haben. Obgleich die Bohrungen 221 und 231 zur Aufnahme der vorstehenden Abschnitte 261 und 271 so ausgebildet sind, dass die Abstrahlungsbauteile 202 und 203 der ersten und zweiten Seite durchtreten werden, können anstelle dieser Bohrungen 221 und 231 Kerben oder Ausnehmungen an den Kantenbereichen der Abstrahlungsbauteile 202 und 203 ausgebildet werden, welche den Durchtritt der vorstehenden Abschnitte 261 und 271 erlauben.
Weiterhin können beispielsweise die ersten vorstehenden Abschnitte 261 durch die Außenseite des Abstrahlungsbauteiles 203 der zweiten Seite verlaufen, indem der Bereich oder die Größe des Abstrahlungsbauteiles 203 der zweiten Seite verkleinert wird. In diesem Fall sind die Bohrungen 231 nicht in dem Abstrahlungsbauteil 203 der zweiten Seite ausgebildet. Das Abstrahlungsbauteil 202 der ersten Seite hat die Durchgangsbohrungen 221, um es zu ermöglichen, dass die zweiten vorstehenden Abschnitte 271 eingesetzt werden.
Weiterhin können die jeweiligen Abstrahlungsbauteile 202 und 203 an Kantenbereichen verformt oder gebogen sein, so dass die vorstehenden Abschnitte 261 und 271 vorbei laufen oder hindurch laufen können, wobei die vorderen Endabschnitte 261a der ersten vorstehenden Abschnitte 261 an der Oberfläche 202a des Abstrahlungsbauteiles 202 der ersten Seite anliegen und die vorderen Endabschnitte 271a der zweiten vorstehenden Abschnitte 271 an der Oberfläche 203a des Abstrahlungsbauteiles 203 der zweiten Seite anliegen.
Obgleich das Gewicht 208 am Abstrahlungsbauteil 202 der ersten Seite liegt, kann das Federbauteil 290 zwischen der Oberfläche 202b des Abstrahlungsbauteiles 202 der ersten Seite und der Oberfläche 270a der zweiten Lehre 270 liegen. Obgleich weiterhin das Federbauteil 290 aus einer Schraubenfeder besteht, kann es auch aus anderen elastischen Bauteilen bestehen. Weiterhin können die vorderen Endabschnitte 261a und 271a der ersten und zweiten vorstehenden Abschnitte 261 und 271 in Kontakt mit den Abstrahlungsbauteilen 202 und 203 gebracht werden, wenn der Reflow-Vorgang durchgeführt wird, um die Bauteile 201 bis 204 zu verbinden, wobei ein thermisch verformbares Bauteil, beispielsweise eine Form/Gedächtnis-Legierung, ein Birne tall oder dergleichen verwendet wird, welches sich während des Reflow-Vorgangs verformt.
Gemäß 18 kann bei Weglassen des Gewichtes 208 die zweite Lehre 270 eine Durchgangsöffnung 273 aufweisen, welche sich in Dickenrichtung erstreckt. In diesem Fall wird, nachdem die laminierten Bauteile von den ersten und zweiten Lehren 260 und 270 eingefasst worden sind, ein Bauteil 281 in die Durchgangsöffnung 273 von der Seite der Oberfläche 270b der Lehre 270 her eingesetzt und übt Druck auf die Oberfläche 202b des Abstrahlungsbauteiles 202 der ersten Seite aus.
Nachfolgend sei noch ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung dargelegt. Beim obigen Verfahren werden, nachdem die entsprechenden Bauteile 201 bis 204 unter Verwendung einer Lotpaste laminiert worden sind, sie von den ersten und zweiten Lehren 260 und 270 aufgenommen und eingeschlossen. Nachdem die laminierten Bauteile 201 bis 204 zur Verbindung durch das Lot 205 einem Reflow-Vorgang unterworfen worden sind, können die Bauteile, welche so zusammengefügt worden sind, erst dann von den ersten und zweiten Lehren 260 und 270 eingefasst werden und dann erneut einem Reflow-Vorgang unterzogen werden. Hierbei wird das ausgehärtete Lot geschmolzen oder erweicht, um es den Bauteilen 201 bis 204 zu ermöglichen, sich zu bewegen, und die Bauteile 201 bis 204 können abhängig von den durch die Lehren 260 bis 270 bestimmten Dimensionen neu angeordnet werden. In diesem Zustand wird dann das Lot 205 erneut ausgehärtet.
Alternativ hierzu kann der Zustand gemäß 17 verwendet werden, wobei das Federbauteil 290, die Basis 291, das Abstrahlungsbauteil 203 der zweiten Seite, eine Lotfolie, das Halbleiterelement 201, eine Lotfolie, der Abstrahlungsblock 204, eine Lotfolie, das Abstrahlungsbauteil 202 der ersten Seite, das Gewicht 208 und die zweite Lehre 270 in dieser Reihenfolge auf der ersten Lehre 260 angeordnet werden, wonach dann ein Reflow-Vorgang durchgeführt wird, um die Lotfolien zu schmelzen und auszuhärten und um die Bauteile 201 bis 204 zusammenzufügen.
Unter Bezugnahme auf 19 werden weitere Halbleiterchips beschrieben. Halbleiterchips, welche verwendet werden, sind ein Halbleiterchip, in welchem ein IGBT ausgebildet ist (IGBT-Chip) 301, und ein Halbleiterchip, in welchem eine FWD gebildet ist (FWD-Chip) 302. Die Halbleiterchips 301 und 302 bestehen hauptsächlich aus Silizium und haben eine Dicke von ungefähr 0,5 mm. In den Halbleiterchips 301 und 302 sind die Oberflächen mit ausgebildeten Elementen als Hauptoberflächen 301a und 302a bezeichnet und die gegenüberliegenden Oberflächen werden als Rückenoberflächen 301b und 302b bezeichnet. Auf der Hauptoberfläche 301a des IGBT-Chips 301 ist eine Emitterelektrode ausgebildet und auf der Rückenoberfläche 301b des IGBT-Chips 301 ist eine Kollektorelektrode ausgebildet, obgleich diese Elektroden in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
An die Hauptoberflächen 301a und 302a der Halbleiterchips 301 und 302 sind Rückenoberflächen 303b von Wärmesenken (E-Wärmesenken; ”E” steht für ”Emitter”) 303 als erste leitfähige Bauteile über ein Lot 304 als erstes Verbindungsbauteil mit elektrischer Leitfähigkeit angeheftet. In den E-Wärmesenken 303 ist eine Verbindungsfläche zwischen dem IGBT-Chip 301 und der E-Wärmesenke 303 annähernd gleich der Fläche der Emitterelektrode des IGBT-Chips 301. Infolgedessen kann die E-Wärmesenke 303 die Emitterelektrode in einem Bereich so groß wie möglich kontaktieren und ist daran gehindert, einen Umfangsabschnitt der Emitterelektrode zu kontaktieren.
Auf der Hauptoberfläche 301a des IGBT-Chips 301 besteht ein Bereich, beispielsweise ein Schutzring, der ein Problem verursachen kann, wenn er auf gleichem Potential mit der Emitterelektrode liegt. Wenn die Wärmesenke 303 diesen Bereich berührt, hätte dieser Bereich das gleiche Potential wie die Emitterelektrode über die Wärmesenke 303. Von daher wird der Kontaktbereich des IGBT 301 und der E-Wärmesenke 303 annähernd gleich dem Bereich der Emitterelektrode des IGBT-Chips 301 gemacht. Infolgedessen kann die E-Wärmesenke 303 an den IGBT-Chip 301 ohne irgendwelche Probleme angeheftet werden.
An die Rückenoberflächen 301b und 302b der Halbleiterchips 301 und 302 ist eine Hauptoberfläche 305a eines zweiten leitfähigen Bauteiles 305 über ein Lot 304 als zweites Verbindungsbauteil angeheftet (elektrisch verbunden). An die Hauptoberflächen 303a der Wärmesenken 303 gegenüber den Rückenoberflächen 303b wird eine Rückenoberfläche 306b eines dritten leitfähigen Bauteiles 306 über ein Lot 304 als drittes Verbindungsbauteil angeheftet (elektrisch verbunden).
Die E-Wärmesenken 303 und die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile 305 und 306 können aus metallischen Bauteilen mit elektrischer Leitfähigkeit gemacht werden.
In diesem Beispiel sind die E-Wärmesenken 303 aus Cu (Kupfer) und die zweiten und dritten Bauteile 305 und 306 sind aus einer Kupferlegierung. Die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile 305 und 306 sind plattenförmig. Die E-Wärmesenken 303 sind ebenfalls plattenförmige Bauteile, haben jedoch abgestufte Bereiche 303c, wie noch beschrieben wird.
Jede der E-Wärmesenken 303 ist so gebildet, dass sie in Richtung des dritten leitfähigen Bauteiles 306 über den Stufenabschnitt 303c vorsteht, und hat einen dünnen Abschnitt oder Bereich 303d an der Seite der Halbleiterchips 301 und 302. Der dünne Abschnitt 303d ist in Dickenrichtung des Halbleiterchips 301 ausgedünnt. Infolgedessen ist in jeder der E-Wärmesenken 303 der Verbindungsbereich zwischen der E-Wärmesenke 303 und dem dritten leitfähigen Bauteil 306 geringer als zwischen der E-Wärmesenke 303 und dem Halbleiterchip 301 oder 302.
An den Oberflächenabschnitten der E-Wärmesenken 303, wo diese an den entsprechenden Halbleiterchips 301 und 302 und den dritten leitfähigen Bauteilen 306 angeheftet werden, erfolgt eine Oberflächenbehandlung, beispielsweise eine Plattierung mit Ni (Nickel), um die Benetzbarkeit mit dem Lot 304 zu verbessern. Die anderen äußeren Oberflächen der E-Wärmesenken 303 für einen Kontakt mit einem zu beschreibenden Abdichtbauteil werden oxidiert. Die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile 305 und 306 sind an ihren gesamten äußeren Oberflächen mit Ni plattiert. In den zweiten und dritten leitfähigen Bauteilen 305 und 306 und den E-Wärmesenken 303 beträgt die Dicke im dicksten Bereich ungefähr 1 mm und die Dicke im dünnen Bereich ungefähr 0,4 mm.
Ein Kontakt- oder Anschlusspunkt (nicht gezeigt) ist auf der Hauptoberfläche des IGBT-Chips 301 ausgebildet und mit einem Steueranschluss 307 eines Leiterrahmens über einen Bondierungsdraht 308 elektrisch in Verbindung. Sodann werden die Halbleiterchips 301 und 302, die E-Wärmesenken 303, die Hauptoberfläche 305a des zweiten leitfähigen Bauteils 305, die Rückenoberfläche 306b des dritten leitfähigen Bauteils 306 und ein Teil des Steueranschlusses 307 einstückig mit Harz oder Kunststoff 309 als Versiegelungsbauteil eingegossen. Als Harz 309 kann beispielsweise ein Gießharz auf Epoxybasis verwendet werden. Infolgedessen sind die Bauteile 301 bis 308 einstückig oder im Block eingegossen, wobei die Rückenoberfläche 305b des zweiten leitfähigen Bauteils 305, die Hauptoberfläche 306a des dritten leitfähigen Bauteils 306 und ein Teil des Steueranschlusses 307 aus dem Kunstharz 309 herausragen.
In Halbleitervorrichtung wird von Halbleiterchips 301 und 302 erzeugte Wärme in E-Wärmesenken 303 übertragen und dann über das Lot 304 an die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile 305 und 306 und dann von der Rückenoberfläche 305b des zweiten leitfähigen Bauteiles 305 und der Hauptoberfläche 306a des dritten leitfähigen Bauteiles 306 abgestrahlt.
Wenn Kühlbauteile (Kühlrippen oder dergleichen) vorhanden sind, um an der Rückenoberfläche 305b des zweiten leitfähigen Bauteiles 305 und der Hauptoberfläche 306a des dritten leitfähigen Bauteiles 306 anzuliegen, kann die Wärmeabstrahlung noch weiter erleichtert oder verbessert werden. Hierbei bilden die E-Wärmesenken 303 und die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile 305 und 306 elektrische Pfade für die jeweiligen Halbleiterchips 301 und 302. Genauer gesagt, die elektrische Verbindung mit der Kollektorelektrode des IGBT-Chips 301 erfolgt über das zweite leitfähige Bauteil 305, während die elektrische Verbindung mit der Emitterelektrode des IGBT-Chips 301 über das dritte leitfähige Bauteil 306 und die E-Wärmesenke 303 erfolgt.
Wie oben erläutert, hat jede der E-Wärmesenken 303, welche an den Oberflächen 301a und 302a der Halbleiterchips 301 und 302 angeheftet ist, den abgestuften Abschnitt 303c und infolgedessen den dünnen Abschnitt 303d. Da der dünne Abschnitt 303d eine geringe Steifigkeit hat, kann der dünne Abschnitt 303d einer Verformung des Kunstharzes 309, von welchem er umgeben ist, folgen und thermische Belastungen aufnehmen, wenn die Halbleitervorrichtung Temperaturschwankungen unterworfen wird. Eine Belastungskonzentration an dem Lot 304, welches die Halbleiterchips 301 und 302 und die E-Wärmesenken 303 miteinander verbindet, kann somit aufgefangen oder verteilt werden.
Allgemein gesagt, je kleiner die Lötfläche eines Lotes ist, umso kleiner wird die Verbindungsfestigkeit des Lotes. Von daher ist jeder der E-Wärmesenken 303 der Verbindungsbereich mit dem dritten leitfähigen Bauteil 306 kleiner gemacht als derjenige mit dem Halbleiterchip 301 oder 302. Infolgedessen werden Risse wahrscheinlich im Lot 304 erzeugt, welches die E-Wärmesenke 303 und das dritte leitfähige Bauteil 306 verbindet.
Dies hat zur Folge, dass, wenn thermische Belastungen anwachsen, Risse zunächst in dem Lot 304 erzeugt werden, welches die E-Wärmesenke 303 und das dritte leitfähige Bauteil 306 verbindet, so dass die thermischen Belastungen aufgefangen oder abgeschwächt werden, und somit lassen sich thermische Belastungen, welche auf das Lot 304 einwirken, welche die E-Wärmesenke 303 und den Halbleiterchip 301 oder 302 verbinden, verringern.
Selbst wenn somit Risse im Lot 304 erzeugt werden, welches die E-Wärmesenke 303 und das dritte leitfähige Bauteil 306 verbindet, gleichen sich diejenigen Verformungen, welche durch Temperaturschwankungen verursacht werden, aneinander an, dass sowohl die E-Wärmesenke 303 als auch das dritte leitfähige Bauteil 306 als Hauptkomponente Kupfer enthalten, und Risse pflanzen sich in dem Lot 304 nicht wesentlich fort. Selbst wenn sich die Risse fortpflanzen, treten keine wesentlichen Probleme auf, da der Strompfad durch die gesamte Verbindungsoberfläche zwischen der E-Wärmesenke 303 und dem dritten leitfähigen Bauteil 306 gebildet ist.
Da weiterhin die Oberflächenabschnitte der E-Wärmesenke 303 für einen Kontakt mit dem Harz 309 oxidiert hat, kann die Anhaftung mit dem Harz 309 verbessert werden. Im Ergebnis gleichen sich die Verformung des Harzes 309 aufgrund thermischer Belastungen und die Verformung der E-Wärmesenke 303 aneinander an, und Belastungskonzentrationen im Lot 304 zwischen der E-Wärmesenke 303 und dem Halbleiterchip 301 oder 302 lassen sich auffangen oder abschwächen. Durch Plattieren der Kupferlegierung mit Nickel kann die Anhaftung zwischen der Kupferlegierung und dem Harz 309 verbessert werden. Somit werden die Oberflächen der zweiten und dritten leitfähigen Bauteile 305 und 306 mit Nickel plattiert und nicht oxidiert.
Thermische Belastungskonzentrationen auf das Lot 304, welches die Halbleiterchips 301 und 302 und die E-Wärmesenken 303 verbindet, können unterdrückt werden, so dass Risse daran gehindert werden können, dieses Lot 304 zu erreichen. Auch wenn mehrere Zellen in der Hauptoberfläche (Elementausbildungsoberfläche) 301a des IGBT-Chips 301 gebildet werden, wird eine Stromkonzentration auf einer Zelle im Mittelpunkt vermieden und Bruch der Zelle wird verhindert.
Da weiterhin jede der E-Wärmesenken 303 den Stufenabschnitt 303c hat, wird im Vergleich zu einem Fall einer prismenförmigen Wärmesenke ohne Stufe eine Kriechdistanz von der Schnittstelle zwischen dem dritten leitfähigen Bauteil 306 und dem Harz 309 zum Verbindungsabschnitt zwischen dem Halbleiterchip 301 oder 302 und der E-Wärmesenke 303 lang. Aufgrund hiervon kann vermieden oder unterbunden werden, dass Risse an der Schnittstelle zwischen dem dritten leitfähigen Bauteil 306 und dem Harz 309 den Verbindungsbereich zwischen dem Halbleiterchip und der E-Wärmesenke 303 erreichen.
Es wurde ein thermischer Schockzyklustest durchgeführt, bei dem die Halbleitervorrichtung Umgebungen von –40°C und 125°C jeweils für 60 Minuten ausgesetzt wurde, ein Widerstand zwischen dem dritten leitfähigen Bauteil 306 und dem Steueranschluss 307 gemessen wurde und eine Änderungsrate des Widerstandes unter Versendung eines Ausgangswertes als Referenz berechnet wurde. Es bestätigte sich, dass die Änderungsrate im Widerstandswert sich auch bei 200 Zyklen nicht wesentlich erhöht hatte. Es wurde weiterhin bestätigt, dass die Änderungsrate im Widerstandswert der Halbleitervorrichtung im Vergleich zu einem Fall gering war, in welchem die Wärmesenke keinen Stufenabschnitt hatte.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung unter Bezugnahme auf die 20A bis 20C beschrieben. Zunächst werden die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile 305 und 306 aus Platten einer Kupferlegierung oder dergleichen beispielsweise durch Stanzen gefertigt. Danach werden die gesamten äußeren Oberflächen der zweiten und dritten leitfähigen Bauteile 305 und 306 mit Nickel plattiert.
Sodann werden Kupferplatten zur Bildung der E-Wärmesenken 303 vorbereitet. Sowohl an der Hauptoberfläche als auch den Rückenoberflächen einer jeden Kupferplatte wird eine Nickelplattierung durchgeführt. Sodann werden Kupferbauteile mit einer Größe entsprechend den E-Wärmesenken 303 aus den mit Nickel plattierten Kupferplatten durch Stanzen oder dergleichen gebildet. Sodann wird jedes der Kupferbauteile einem Pressvorgang unterworfen, um den Stufenabschnitt 303c zu erhalten. Hiernach sind die E-Wärmesenken 303 fertig. Jede dieser E-Wärmesenken 303 hat Abschnitte, welche mit Nickel plattiert sind, um eine Anhaftung an dem Halbleiterchip 301 oder 302 und an das dritte leitfähige Bauteil 306 zu haben, und Abschnitte, welche durch das Stanzen freigelegt wurden und nicht mit Nickelplattiert sind. An den freiliegenden Abschnitten wird die Plattierung durch den Pressvorgang wieder abgelöst.
Wie in 20A gezeigt, werden die Halbleiterchips 301 und 302 an die Hauptoberfläche 305a des zweiten leitfähigen Bauteiles 305 über das Lot 304 angeheftet. Sodann werden die E-Wärmesenken 303 an die entsprechenden Halbleiterchips 301 und 302 über das Lot 304 angeheftet. Das Lot 304, welches zum Anheften oder Verbinden der Halbleiterchips 301 und 302 und des zweiten leitfähigen Bauteiles 305 und der E-Wärmesenken 303 verwendet wird, hat einen relativ hohen Schmelzpunkt. Beispielsweise kann ein Lot bestehend aus 10 Gew.-% Sn (Zinn) und 90 Gew.-% Pb (Blei) mit einem Schmelzpunkt von 320°C (Hochtemperaturlot) als Lot 304 verwendet werden. Hiernach wird der Zustand gemäß 20A erreicht oder erhalten, der als Werkstück 310 bezeichnet wird.
Nachfolgend wird gemäß 20B das dritte leitfähige Bauteil 306 auf eine Lehre 311 gesetzt, wobei die Rückenoberfläche 306b nach oben weist, und das Lot 304 wird auf die gewünschten Bereiche der Rückenoberfläche 306b aufgebracht. Sodann wird das Werkstück 301 von 20A umgedreht und auf das dritte leitfähige Bauteil 306 gesetzt. Das Lot 304 zwischen dem dritten leitfähigen Bauteil 306 und den Halbleiterchips 301 und 302 hat einen Schmelzpunkt unter demjenigen des Hochtemperaturlots, welches oben beschrieben wurde. Beispielsweise kann das Lot Sn mit 90 Gew.-% oder mehr enthalten und einen Schmelzpunkt von 240°C haben. Dieses Lot wird nachfolgend als Niedertemperaturlot bezeichnet.
Weiterhin wird ein plattenförmiges Gewicht 312 auf der Rückenoberfläche 305b des zweiten leitförmigen Bauteiles 305 angeordnet. Hierbei hat die Lehre 311 einen Abstandshalter 313 bestimmter Höhe zum Festlegen des Abstandes zwischen den zweiten und dritten leitfähigen Bauteilen 305 und 306. Dieser Zustand ist in 20C gezeigt. In diesem Zustand wird die Anordnung in einen Heizofen gebracht und ein Reflow-Vorgang wird nur bis zur Temperatur des Niedertemperaturlotes 304 durchgeführt. Im Ergebnis wird das Werkstück 310 durch das Gewicht 312 niedergedrückt und gemäß 20C wird das Niedertemperaturlot 304 gequetscht, so dass der Abstand zwischen der Rückenoberfläche 306b des dritten leitfähigen Bauteiles 306 der Hauptoberfläche 305a des zweiten leitfähigen Bauteiles 305 der Höhe des Abstandshalters 313 entspricht. Hierdurch kann der Grad der Parallelität zwischen den zweiten und dritten leitfähigen Bauteilen 305 und 306 eingestellt werden.
Weiterhin sind die E-Wärmesenken 303 mit den jeweiligen Halbleiterchips 301 und 302 in einem Zustand verbunden, in welchem die E-Wärmesenke 303 nur die Emitterelektrode auf dem IGBT-Chip 301 durch das Hochtemperaturlot 304 kontaktiert, und sind mit dem dritten leitfähigen Bauteil 306 über das Niedertemperaturlot 304 in Verbindung. Wenn daher die Wärmesenken 303 mit dem dritten leitfähigen Bauteil 306 verbunden werden, schmilzt das Hochtemperaturlot 304 nicht und die Verbindungspositionen der E-Wärmesenken 303 mit den Halbleiterchips 301 und 302 können beibehalten werden. Wenn die Schmelzpunkte des Hochtemperaturlotes 304 und des Niedertemperaturlotes 304 auf jeweils 320°C bzw. 240°C gesetzt werden, beträgt die Reflow-Temperatur des Niedertemperaturlotes 304 bevorzugt 250°C.
Danach werden, obgleich nicht gezeigt, der Steueranschluss 307 und der IGBT-Chip 301 miteinander über den Bondierungsdraht 308 elektrisch verbunden, und die Bauteile 301 bis 308 werden mit Kunststoff oder Harz 309 eingegossen, wie in 19 gezeigt. Dieses Eingießen in Kunstharz oder Kunststoff wird durch Einspritzen des Kunststoffes 309 mit einer Temperatur von ungefähr 180°C in die Räume durchgeführt, welche zwischen und um den Bauteilen 301 bis 308 vorliegen. Die Oberflächenabschnitte der E-Wärmesenken 303, welche aus Kupfer sind und nicht mit entweder den Halbleiterchips 301 und 302 oder dem dritten leitfähigen Bauteil 306 in Verbindung steht, werden oxidiert. Danach ist die Halbleitervorrichtung fertig.
Allgemein gesagt, wenn eine Nickelplattierung an der E-Wärmesenke durchgeführt wird, wonach die E-Wärmesenke in eine Form gebracht wird, dass sie zwischen den Halbleiterchip und das dritte leitfähige Bauteil gebracht werden kann, wird die E-Wärmesenke in eine Plattierungsmaschine gebracht und die gesamte Fläche der äußeren Oberfläche der E-Wärmesenke wird plattiert. Von daher kann das auf der E-Wärmesenke angeordnete Lot leicht benetzen und sich in andere Bereiche ausdehnen, welche nicht die Verbindungsabschnitte mit dem Halbleiterchip und dem dritten leitfähigen Bauteil sind.
Zusätzlich beträgt die Dicke der E-Wärmesenke 303 wenig, d. h. ungefähr 1 mm, und das Niedertemperaturlot 304 und das Hochtemperaturlot 304 sind nahe beieinander angeordnet. Wenn die Nickelplattierung auf der gesamten äußeren Oberfläche der E-Wärmesenke 303 durchgeführt wird, ergibt sich ein Fall, bei dem das Niedertemperaturlot 304 und das Hochtemperaturlot 305 miteinander vermischen. Im Ergebnis könnte sich ein eutektisches Lot mit einem Schmelzpunkt weitaus niedriger als vom Niedertemperaturlot 304 bilden, welches bei einer Temperatur von beispielsweise 180° aufschmilzt, bei der die Bauteile 301 bis 308 mit dem Kunststoff 309 eingegossen werden.
Um dies zu vermeiden, wird die Nickelplattierung nur an den Abschnitten der E-Wärmesenke 303 durchgeführt, wo diese mit dem Halbleiterchip 301 oder 302 und dem dritten leitfähigen Bauteil 306 verbunden wird. Das Niedertemperaturlot 304 und das Hochtemperaturlot 204 sind mit der oxidierten Oberfläche von Kupfer dazwischen angeordnet. Da die Benetzbarkeit der oxidierten Oberfläche von Kupfer mit dem Lot 304 niedrig ist, verlaufen das Hochtemperaturlot 304 und das Niedertemperaturlot 304 nicht in andere Bereiche als die Verbindungsbereiche und vermischen sich nicht miteinander. Obgleich Lot als Verbindungsbauteil (erste bis dritte Verbindungsbauteile) verwendet wird, kann auch alternativ eine Silberpaste oder dergleichen verwendet werden. Die Verbindungsbauteile müssen auch nicht immer zueinander identisches Material haben.
Gemäß 21 ist ein Stufenabschnitt 306c an der Hauptoberfläche 306a des dritten leitfähigen Bauteils 306 ausgebildet. Dieser Stufenabschnitt 306c wird mit dem Harz 309 zur Versiegelung abgedeckt. Somit können Kriechabstände von der Schnittstelle zwischen dem Harz 309 und dem dritten leitfähigen Bauteil 306 zu den Verbindungsabschnitten der E-Wärmesenken 303 mit den Halbleiterchips 301 und 302 zur Oberfläche der Halbleitervorrichtung weiter erhöht werden. Im Ergebnis werden Risse noch stärker daran gehindert, sich in dem Lot 304 auszubilden, welches die Halbleiterchips 301 und 302 und die E-Wärmesenken 303 verbindet.
Die Kriechabstände können noch weiter erhöht werden, wenn der mit Harz 309 auf der Oberfläche 306a des dritten leitfähigen Bauteiles 306 bedeckte Bereich vergrößert wird. Der vergrößerte Bereich des dritten leitfähigen Bauteiles 306 verschlechtert jedoch die Abstrahlungseigenschaften. Von daher sollte das dritte leitfähige Bauteil 306 mit dem Harz 309 bis zu einem Grad bedeckt sein, der die Abstrahlungseigenschaften nicht verschlechtert.
Gemäß 22 sind Kollektorwärmesenken (C-Wärmesenken) 314 zwischen dem zweiten leitfähigen Bauteil 305 und den Halbleiterchips 301 und 302 auf den Seiten der Rückenoberflächen 301b und 302b der Halbleiterchips 301 und 302 angeordnet. Die C-Wärmesenken 314 haben Bereiche oder Flächen annähernd gleich der entsprechenden Halbleiterchips 301 und 302 in einer Richtung senkrecht zur Dickenrichtung der Halbleiterchips 301 und 302.
Genauer gesagt, Oberflächen (Hauptoberflächen) 314a der C-Wärmesenken 314 sind jeweils an den Rückenoberflächen 301b und 302b der Halbleiterchips 301 und 302 durch das Lot 304 angeheftet. Rückenoberflächen 314b der C-Wärmesenken 314 sind an die Hauptoberfläche 305a der zweiten leitfähigen Bauteile 305 über das Lot 304 angeheftet.
Das zweite leitfähige Bauteil 305 hat bezogen auf seine Dicke eine relativ große Fläche und hat daher die Möglichkeit, dass es sich biegt oder verformt. Wenn andererseits das Einspritzen des Kunstharzes 309 durchgeführt wird, werden die Rückenoberfläche 305b des zweiten leitfähigen Bauteils 305 und die Hauptoberfläche 306a des dritten leitfähigen Bauteils 306 mit relativ hohem Druck zusammengehalten, um ein Austreten des Harzes 309 zu verhindern. Wenn daher das zweite leitfähige Bauteil 305, welches die Halbleiterchips 301 und 302 hält, gebogen wird, kann der Druck, mit welchem die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile 305 und 306 während des Eingießens zusammengehalten werden, auf mechanischem Wege Beschädigungen an den Halbleiterchips 301 und 302 bewirken.
Um dies zu vermeiden, sind die C-Wärmesenken 314 an den Rückenoberflächen 301b und 302b der Halbleiterchips 301 und 302 angeordnet, und die C-Wärmesenken 315 sind in ihrer Größe kleiner gemacht als das zweite leitfähige Bauteil 305. Von daher kann eine Verbiegung unterdrückt werden und die Halbleiterchips 301 und 302 können sicher vor Schäden bewahrt werden.
In den beschriebenen Ausführungen haben die E-Wärmesenken 303 die dünnen Abschnitte 303d auf Seiten der Halbleiterchips 301 und 302; wie jedoch beispielsweise in 23 gezeigt ist, können die Stufenabschnitte 303d auf Seiten des dritten leitfähigen Bauteils 306 vorgesehen werden. Auch mit diesem Aufbau kann verhindert werden, dass sich thermische Belastungen auf dem Lot 304 an den Verbindungsabschnitten zwischen den Halbleiterchips 301 und 302 und den Wärmesenken 303 konzentrieren, was durch die geringe Steifigkeit der dünnen Abschnitte 303d möglich ist, welche die thermischen Belastungen aufnehmen können, was im Vergleich zu dem Fall vorteilhaft ist, bei dem die E-Wärmesenken eine Prismenform haben.
In den oben beschriebenen Ausführungen ist bei jeder der E-Wärmesenken 303 der Stufenabschnitt 303c an dem gesamten Abschnitt vorgesehen, der das Harz 309 kontaktiert; was das Lot 304 betrifft, welches die Halbleiterchips 301 und 302 und die E-Wärmesenken 303 verbindet, pflanzen sich jedoch Risse von der Umfangsseite des Harzes 309 in Richtung Mittelpunkt fort. Von daher kann der Stufenabschnitt 303c nur an dem Abschnitt vorgesehen werden, der in Richtung des äußeren Umfangs des Harzes 309 weist. Hierbei bedeutet der Umfang des Harzes 309 den Umfang eines Abschnittes, der die zweiten und dritten leitfähigen Bauteile 305 und 306 umgibt, und entspricht in 19 einer Oberfläche annähernd parallel zur Dickenrichtung der Halbleiterchips 301 und 302.
In 24 werden ein IGBT 411 und eine FWD 412 (free-wheel diode), von denen jedes aus einem Si-Substrat gefertigt ist, als Halbleiterchips verwendet. Auf einer Seite einer jeden Elementausbildungsoberfläche (ersten Oberfläche) 401a des IGBT 411 und der FWD 412 sind über ein Lot 431 Abstrahlungsbauteile 421 und 422 der ersten und zweiten Seite befestigt. Ein drittes Abstrahlungsbauteil 423 ist über ein Lot 432 an einer gegenüberliegenden Seite der Chips 411 und 412 an den Abstrahlungsbauteilen 421 und 422 der ersten und zweiten Seite befestigt. Die ersten bis dritten Abstrahlungsbauteile 421 bis 423 sind beispielsweise aus Kupfer gefertigt und bilden ein Abstrahlungsbauteil 420 der ersten Seite.
Das dritte Abstrahlungsbauteil 423 ist eine Platte mit einem vorstehenden Abschnitt 423b und hat einen im wesentlichen L-förmigen Querschnitt, wobei der vorstehende Abschnitt 423b der kurze Schenkel in Dickenrichtung ist. Die Abstrahlungsbauteile 421 und 422 der ersten und zweiten Seite sind an einem langen Schenkel der L-Form des dritten Abstrahlungsbauteiles 423 befestigt. Der vorstehende Abschnitt 423b hat einen vorderen Endabschnitt 423a, der im wesentlichen in einer Ebene mit zweiten Oberflächen 401b der Chips 411 und 412 an einer gegenüberliegenden Seite der ersten Oberflächen 401a ist.
Als ein isolierendes Substrat hoher thermischer Leitfähigkeit ist ein DBC-Substrat 404 (Direct Bonding Copper) auf einer Seite der zweiten Oberflächen 401b der Chips 411 und 412 aufgebracht. Das DBC-Substrat 404 besteht aus einem AlN-Substrat 405 (Aluminiumnitrid), dessen erste und zweite Oberflächen 405a und 405b mit Kupferfolien 451 bis 454 versehen sind. Die zweiten Oberflächen 401b der Chips 411 und 412 sind jeweils mit einer ersten Kupferfolie 451 auf der ersten Oberfläche 405a des DBC-Substrates 404 über ein Lot 403 befestigt. Weiterhin ist der vordere Endabschnitt 423a des vorspringenden Abschnittes 423b des dritten Abstrahlungsbauteiles 423 über ein Lot 434 mit der zweiten Kupferfolie 452 des DBC-Substrats 404 in Verbindung.
Bezug nehmend auf 25, welche den mit der gestrichelten Linie in 24 umgebenen Teilbereich darstellt, wird nachfolgend der Elektroden- oder Verdrahtungsabschnitt des IGBT 411 erläutert. Wie in 25 gezeigt, ist auf einem Substrat 100 des IGBT 411 auf Seiten der ersten Oberfläche 401a ein Sperrmetall 111 (barrier metal) ausgebildet. Eine Emitterelektrode 112 und ein Kontaktpunkt 113 für eine Drahtbondierung sind weiterhin aus reinem Aluminium gebildet. Das Sperrmetall 111 besteht aus Ti (Titan) und TiN (Titannitrid), welche in dieser Reihenfolge auf dem Substrat 100 ausgebildet sind und eine Dicke von ungefähr 0,1 μm haben. Die Dicke der Elektrode 112 und 113 beträgt ungefähr 5 μm.
Weiterhin ist ein Metallfilm 114 auf der Emitterelektrode 112 ausgebildet, um mit dem Lot 431 ausreichend verbunden zu sein. Der Metallfilm 114 besteht aus Ti, Ni (Nickel) und Au (Gold), welche von der Seite der Emitterelektrode 112 her aufeinanderfolgend ausgebildet sind, und hat eine Gesamtdicke von ungefähr 0,6 μm. Auf diesen Metallfilm 114 wird, wie oben beschrieben, das Abstrahlungsbauteil 421 der ersten Seite über das Lot 431 befestigt. Hierbei beträgt die Dicke des Lotes 431 und des Abstrahlungsbauteiles 421 der ersten Seite ungefähr 0,1 mm bzw. ungefähr 1,5 mm.
Auf der Seite der zweiten Oberfläche 401b des Substrates 100 ist eine Kollektorelektrode 115 aus reinem Aluminium ohne Sperrmetall ausgebildet. Die Kollektorelektrode 115 hat beispielsweise eine Dicke von ungefähr 0,2 μm. Ein Metallfilm 116 wird dann auf der Kollektorelektrode 150 ähnlich zur Emitterelektrode 112 ausgebildet. Der Metallfilm 116 ist mit der ersten Kupferfolie 451 auf der ersten Oberfläche 405a des DBC-Substrates 404 über das Lot 433 in Verbindung. Der Elektrodenabschnitt der FWD 412 hat einen Aufbau im wesentlichen gleich dem des IGBT 411.
Wie weiterhin in den 24 und 25 gezeigt, ist das dritte Abstrahlungsbauteil 423 elektrisch mit einer Leitung 461 über einen Verbindungsanschluss 406a in Verbindung, um die Emitterelektrode 112 und die Leitung 461 (Emitteranschluss) als Außenanschluss elektrisch zu verbinden. Auf dem DBD-Substrat 404 ist ein Kontaktpunkt oder Kontaktkissen 453 gebildet und in Drahtbondverbindung mit dem Kontaktpunkt oder Kontaktkissen 113 auf der Oberfläche 401a des IGBT 411 über einen Draht 407. Das Kissen 453 des DBC-Substrates 404 ist weiterhin in Drahtbondverbindung mit einem Gateanschluss 408 über einen weiteren Draht 407. Als Drähte 407 werden Gold, Aluminium oder dergleichen verwendet, welche üblicherweise für Drahtbondierung verwendet werden können. Der Kontakt 453 des DBC-Substrates 404 ist dafür vorgesehen, einen Zwischenkontakt zwischen dem Punkt 113 und dem Gateanschluss 308 zu bilden.
Mit der Kupferfolie 454 auf der Rückenoberfläche 405b des DBC-Substrates 404 ist mittels eines Lotes 435 ein viertes Abstrahlungsbauteil (Abstrahlungsbauteil der zweiten Seite) 424 in Verbindung. Das Abstrahlungsbauteil 420 der ersten Seite und das Abstrahlungsbauteil 424 der zweiten Seite sind somit mit dem dazwischen liegenden DBC-Substrat 404 miteinander in Verbindung, und elektrische Isolation und elektrische Leitfähigkeit der entsprechenden Abstrahlungsbauteile 420 und 424 kann entsprechend sichergestellt werden.
Die Bauteile gemäß obiger Beschreibung werden dann mit Kunstharz oder Kunststoff eingegossen, so dass das vierte Abstrahlungsbauteil 424 eine Abstrahlungsoberfläche 409 hat, die zu einer gegenüberliegenden Seite der Oberfläche freiliegt, wo sich das DBC-Substrat 404 befindet. Als Kunstharz 400 kann beispielsweise ein Gießharz auf Epoxybasis dienen.
Nachfolgend wird die elektrische Verbindung in jedem Teil der Halbleitervorrichtung näher unter Bezugnahme auf 26 beschrieben, welche die Halbleitervorrichtung in einer Richtung aus Pfeil XXVI in 24 zeigt. Nebenbei gesagt, 24 zeigt einen Schnitt entlang Linie XXIV-XXIV in 26. Die Halbleitervorrichtung beinhaltet zwei Paare von IGBTs 411 und FWDs 412.
Das Abstrahlungsbauteil 420 der ersten Seite (421 bis 423) ist mit einer Einpunkt-Strich-Linie in der Figur dargestellt und ist gemäß obiger Beschreibung in elektrischer Verbindung mit dem Emitteranschluss 461 über den Verbindungsanschluss 406a. Die erste Kupferfolie 451 des DBC-Substrates 404 ist mit allen Elektroden auf den Oberflächen 401b dieser IGBTs 411 und FWDs 412 in Verbindung und hat einen vorstehenden Abschnitt 451a, der vorsteht, jedoch nicht in Kontakt mit der zweiten Kupferfolie 452 des DBC-Substrates 404 ist. Der vorstehende Abschnitt 451a ist elektrisch mit dem Kollektoranschluss 462 als Leitung über einen Verbindungsanschluss 406b in Verbindung.
In dieser Halbleitervorrichtung ist die Abstrahlungsoberfläche 409 mit einer Kühlrippe (nicht gezeigt) als Kühlbauteil (Radiator) durch eine Verschraubung oder dergleichen in Verbindung. Infolgedessen wird von den ersten Oberflächen 401a der Chips 411 und 412 erzeugte Wärme über das Abstrahlungsbauteil 420 der ersten Seite, das DBC-Substrat 404 und das Abstrahlungsbauteil 424 der zweiten Seite von der Abstrahlungsoberfläche 409 abgegeben. Somit ist die Abstrahlungsrichtung von den ersten Oberflächen 401a der Chips 411 und 412 entsprechend der Richtung, welche sich von den ersten Oberflächen 401a zu den zweiten Oberflächen 401b in den jeweiligen Chips 411 und 412 erstreckt (in 24 von oben nach unten).
Von den zweiten Oberflächen 401b der Chips 411 und 412 erzeugte Wärme wird weiterhin ebenfalls von der Abstrahlungsoberfläche 409 über das DBC-Substrat 404 und das Abstrahlungsbauteil 424 der zweiten Seite abgegeben. In der Halbleitervorrichtung, in der die Chips angeordnet sind, erfolgt somit die Abstrahlung von Wärme von den beiden Oberflächen 401a und 401b der Chips 411 und 412 hauptsächlich durch die gleiche Abstrahlungsoberfläche 409.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung erläutert. Zunächst werden gemäß obiger Beschreibung der IGBT 411 mit dem Sperrmetall 111, die Emitterelektrode 112, die Kollektorelektrode 115 und die metallischen Filme 114 und 116 etc. und die FWD 412 vorbereitet. Die Elektroden 112 und 115, das Sperrmetall 111, die metallischen Filme 114 und 116 etc. werden durch Sputtern oder dergleichen ausgebildet. Sodann werden die Abstrahlungsbauteile 421 und 422 der ersten und zweiten Seite mit den ersten Oberflächen 401a der Chips 411 und 412 verlötet.
Das DBC-Substrat 404 mit den ersten und zweiten Oberflächen 405a und 405b, auf welchen die zu musternden Kupferfolien 451 bis 454 sind, wird vorbereitet, und der IGBT 411 und die FWD 412 werden an bestimmten Abschnitten des DBC-Substrates 404 angelötet. Danach wird das dritte Abstrahlungsbauteil 423 nicht nur mit den Abstrahlungsbauteilen 421 und 422 der ersten und zweiten Seite verbunden, sondern auch mit dem DBC-Substrat 404. Wenn die dritten Abstrahlungsbauteile 423 gelötet werden, verstärkt sich eine Dicke des Lotes am Verbindungsbereich mit dem DBC-Substrat 404 im Vergleich zu der Dicke an den Abstrahlungsbauteilen 421 und 422 der ersten und zweiten Seite und infolgedessen werden Schwankungen in der Lotdicke aufgenommen.
Der Lötvorgang selbst kann durch ein Reflow-Verfahren oder dergleichen durchgeführt werden. Wenn die Lotarten, die bei diesem Verfahren verwendet werden, geändert werden, so dass die Schmelzpunkte der Lote in der Reihenfolge der Lötvorgänge abnehmen, kann das Löten zuverlässig durchgeführt werden, ohne dass das Lot oder die Lote beeinflusst werden, mit welchen zunächst gearbeitet wurde. Dann werden der Emitteranschluss 461 und der Kollektoranschluss 462 mit dem dritten Abstrahlungsbauteil 423 verbunden, und der IGBT 411 und der Gateanschluss 408 werden über eine Drahtbondierung verbunden. Nachfolgend wird das vierte Abstrahlungsbauteil 424 auf das DBC-Substrat 404 gelötet und schließlich wird ein Kunstharzeinbettungsvorgang durchgeführt.
Da der Elastizitätsmodul von reinem Aluminium gering ist, lassen sich thermische Belastungen aufgrund von Unterschieden zwischen den Chips 411 und 412 und den Abstrahlungsbauteilen 421 bis 424 abschwächen. Genauer gesagt, der Elastizitätsmodul von reinem Aluminium beträgt 72 GPa und ein Elastizitätsmodul von Aluminium mit einem Zusatz von 1% Silizium beträgt ungefähr 75 GPa. Wenn das Aluminium verwendet wird, welches Silizium enthält, kann das Silizium auskristallisieren. Da in einem derartigen Fall der Elastizitätsmodul von Silizium 130 GPa beträgt, ist die Fähigkeit für die Abschwächung thermischer Belastungen zwar nur örtlich begrenzt, jedoch erheblich verringert.
Um diesem Sachverhalt zu begegnen, ist insbesondere aufgrund der Fertigung der Emitterelektrode 112 des IGBT 411 aus reinem Aluminium eine Belastungskonzeptration auf der Emitterzelle verhindert und Schwankungen in den elektrischen Eigenschaften, beispielsweise Vt, lassen sich unterdrücken. Von daher kann der Chip und die Halbleitervorrichtung mit hoher elektrischer Zuverlässigkeit geschaffen werden. Da weiterhin die Elektroden auf den zweiten Oberflächen 401b der Chips 411 und 412 aus reinem Aluminium gefertigt sind, wird verhindert, dass sich die Chips 411 und 412 aufgrund thermischer Belastungen verwerten.
Da weiterhin in den Elektroden 112, 113 und 115 kein Si enthalten ist, lässt sich eine Ausscheidung oder Ablagerung von Si verhindern. Dies ist besonders wirkungsvoll für den Kontakt 113 für die Drahtbondierung, da Si-Ausbildungen oder -Kügelchen Risse in der Vorrichtung durch Vibrationen (Belastungen) verursachen können, welche beim Drahtbondieren erzeugt werden. Somit kann von außen aufgebrachte Belastung durch Ausbilden der Elektroden 112, 113 und 115 aus reinem Aluminium abgeschwächt werden.
Wenn jedoch das reine Aluminium in direkten Kontakt mit dem aus Si gefertigtem Substrat 100 gelangt, werden Spitzen oder Kristalle der Legierung erzeugt. Von daher ist das Sperrmetall 111 zwischen den Elektroden 112 und 113 und dem Substrat 100 angeordnet und verhindert die Ausbildung derartiger Legierungsspitzen. Hierbei sei gesagt, dass das Sperrmetall nicht auf der äußeren Oberfläche 401b des IGBT 411 ausgebildet ist. Dies deshalb, als, selbst wenn Legierungsspitzen auf der anderen Oberfläche 401b erzeugt werden würden, dann diese Spitzen die Vorrichtung auf Seiten der Oberfläche 401a nicht erreichen könnten.
In der Halbleitervorrichtung, bei der ein Chip zwischen ein Paar von Abstrahlungsbauteilen gesetzt ist, welche jeweils Abstrahlungsoberflächen haben, schließen Kühlbauteile die Halbleitervorrichtung ein, um die Abstrahlungsoberflächen zu kontaktieren. Bei diesem Aufbau können sich jedoch Belastungen auf den Chip konzentrieren, die erzeugt werden, wenn die Kühlbauteile die Halbleitervorrichtung beidseitig einfassen.
Um diesem zu begegnen, ist die Abstrahlungsoberfläche 409 zur Abstrahlung von Wärme zur Außenseite der Halbleitervorrichtung an einer Seite (der Seite der zweiten Oberflächen 401b) der Chips 411 und 412 ausgebildet. Bei diesem Aufbau muss die Halbleitervorrichtung nicht beidseitig von den Kühlbauteilen zur Abstrahlung von Wärme eingefasst werden. Selbst wenn daher die Abstrahlungsoberfläche 409 fest mit dem äußeren Kühlbauteil verbunden wird, wirken keine starken Belastungen auf die Chips 411 und 412.
Insbesondere weil die Abstrahlungsoberfläche 409 auf der Seite der zweiten Oberflächen 401b der Chips 411 und 412 angeordnet ist, wird verhindert, dass sich Belastungen auf den ersten Oberflächen 401a der Chips 411 und 412 konzentrieren, und Schwankungen oder Abweichungen in den elektrischen Betriebseigenschaften der Vorrichtung, welche auf der Seite der ersten Oberfläche vorhanden ist, lassen sich sicher verhindern.
Da weiterhin die beiden Oberflächen 401a und 401b der Chips 411 und 412 an die Abstrahlungsbauteile 421, 422 und 424 angeheftet oder hieran befestigt sind, erfolgt die Wärmeabstrahlung von beiden Oberflächen 401a und 401b der Chips 411 und 412. Somit sind auch die Abstrahlungseigenschaften ausreichend.
Weiterhin ist die Abstrahlungsoberfläche 409 elektrisch von den Chips 411 und 412 durch das DBC-Substrat 404 isoliert, d. h. durch ein isolierendes Substrat, welches innerhalb der Halbleitervorrichtung angeordnet ist. Von daher besteht keine Notwendigkeit, eine elektrische Isolation zu berücksichtigen, wenn die Abstrahlungsoberfläche 409 an das außen liegende Kühlbauteil geheftet wird. Auch kann das eine isolierende Substrat 404 elektrische Isolation sowohl der ersten als auch der zweiten Oberflächen 401a und 401b der Chips sicherstellen.
Obgleich die Abstrahlungsoberfläche 409 auf Seiten der zweiten Oberflächen 401b der Chips 411 und 412 vorgesehen ist, kann auch der andere Abschnitt die Wärmeabstrahlung oder Wärmeabführung unterstützen. Beispielsweise kann das dritte Abstrahlungsbauteil 423 teilweise aus dem Kunstharz 400 herausragen, um die Abstrahlung von Wärme zu unterstützen. Die Elektrode 115, die auf den zweiten Oberflächen 401b der Chips 411 und 412 ausgebildet ist, muss nicht aus reinem Aluminium sein, um die Vorrichtungen der Chips 411 und 412 zu schützen. Die ersten bis dritten Abstrahlungsbauteile 421 bis 423 sind separate Bauteile und sind quasi einstückig angeheftet oder verbunden, um das Abstrahlungsbauteil 420 der ersten Seite zu bilden, was durch einen Lötvorgang erfolgt; sie können jedoch auch insgesamt einstückig, d. h. aus einem Teil, geformt sein.
Die Elektroden für die FWD 412 müssen nicht aus reinem Aluminium gefertigt sein, wenn es keine Probleme hinsichtlich thermischer Belastungen oder dergleichen gibt. Wenn das Abstrahlungsbauteil 420 der ersten Seite nicht elektrisch von dem Abstrahlungsbauteil 424 der zweiten Seite isoliert sein muss, kann das DBC-Substrat 404 aus AlN weggelassen werden. Das DBC-Substrat 404 kann auf das Kissen 453 verzichten, wenn das Kissen 113 des IGBT 411 direkt mit dem Gateanschluss 408 drahtbondiert werden kann.
<Erste Ausführungsform>
Eine Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in den 27, 28A und 28B gezeigt. Wie in diesen Figuren gezeigt, sind in dieser Ausführungsform Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite mit zwei Si-Chips 501a und 501b in Bondierverbindung, welche in einer Ebene angeordnet sind, was über ein Bondierbauteil 502 erfolgt, welches thermische Leitfähigkeit hat, um die Chips 501a und 501b einzuschließen.
Das Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite ist mit den Oberflächen (ersten Oberflächen) 505a der Si-Chips 501a und 501b in Verbindung, an welchen die Drahtbondierung erfolgt, und das Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite ist mit den anderen Oberflächen (zweiten Oberflächen) 505b der Si-Chips 501a und 501b an der gegenüberliegenden Seite der Oberflächen 505a in Verbindung. In 27 sind Abschnitte des Abstrahlungsbauteiles 504 der zweiten Seite, welche mit anderen Bauteilen überlappen, durch eine Zweipunkt-Strich-Linie dargestellt, und Abschnitte der Si-Chips 501a und 501b, welche andere Bauteile überlappen, sind mit strichpunktierten Linien dargestellt.
In dieser Ausführungsform ist der in 27 drahtbondierte Si-Chips ein IGBT-Chip 501a und der andere Si-Chip ist ein FWD-Chip 501b. Im IGBT-Chip 501a dient das Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite als Emitteranschluss und das Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite dient als Kollektoranschluss. Auf der Oberfläche des IGBT-Chips 501a, der in Richtung des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite weist, ist eine Steuerelektrode (nicht gezeigt) zum Empfang oder zum Weitergeben elektrischer Signale von oder zu der Außenseite ausgebildet und mit einer inneren Leitung 510 in Drahtbondierverbindung.
Ein Äquivalentschaltkreis des IGBT-Chips 501a ist beispielsweise in 29 dargestellt und besteht im wesentlichen aus einem Kollektor C, einem Emitter E, einem Gate G, einem Stromerkennungsanschluss Is, einer Anode A, welche ein Diodenanschluss für Thermoempfindlichkeit ist, und einer Kathode K.
Wie in den 27, 28A und 28B gezeigt, ist die Flächenform des Abstrahlungsbauteils 503 der ersten Seite im wesentlichen ein Rechteck und hat Streifenabschnitte 503a und 503b, welche sich jeweils von gegenüberliegenden Ecken des Rechtecks in entgegen gesetzte Richtungen aufeinander zu erstrecken. Das Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite hat konvexe Abschnitte (vorstehende Abschnitte) 506, welche jeweils in Dickenrichtung hiervon vorstehen, um Hauptelektroden auf den Si-Chips 501a und 501b auf Seiten der Oberflächen 505a gegenüberzuliegen. Die vorderen Enden der konvexen Abschnitte 506 sind in einer Höhenlage flach, welche den Bondiervorgang der Si-Chips 501a und 501b nicht stört, und die Formen der flachen Vorderenden entsprechen den ebenen Formen der Hauptelektroden auf den Si-Chips 501a und 501b.
Auf der Oberfläche des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite, welche in Richtung der Si-Chips 501a und 501b weist, sind vorstehende Abschnitte 507a an drei Stellen angeordnet, welche auf den Streifenabschnitten 503a und 503b und auf einer Innenseite einer Seite liegen, welche parallel zu den Richtungen ist, in welche die Streifenabschnitte 503a und 503b verlaufen. Die vorstehenden Abschnitte 507a stehen in Richtung der Seite der Si-Chips 501a und 501b vor.
Das Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite ist annähernd gleich dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite, hat jedoch zwei Streifenabschnitte 504a, welche an unterschiedlichen Stellen gegenüber den Streifenabschnitten 503a des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite liegen. In Dickenrichtung sind konkave Abschnitte 508 angeordnet, welche passgenau die Si-Chips 501a und 501b aufnehmen. Die Tiefen der konkaven Abschnitte 508 betragen ungefähr 0,1 bis 0,3 mm.
Weiterhin hat die Oberfläche des Abstrahlungsbauteiles 504 der zweiten Seite, welche in Richtung der Si-Chips 501a und 501b weist, vorstehende Abschnitte 507b, welche in Richtung der Seite der Si-Chips 501a und 501b vorstehen und an drei Stellen liegen, welche bei den Streifenabschnitten 504a und 504b und an einer Innenseite einer Seite parallel zu der Richtung liegen, in der sich die Streifenabschnitte 504a und 504b erstrecken. Die vorstehenden Abschnitte 507b des Abstrahlungsbauteiles 504 der zweiten Seite sind so angeordnet, dass sie die vorstehenden Abschnitte 507a des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite nicht überlappen, wenn sie von oben her betrachtet werden, wie in 27 gezeigt.
Die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite sind beispielsweise aus Cu (Kupfer) gefertigt. Die Bondierungs- oder Verbindungsbauteile 502 sind aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise einem Lot, einem Hartlot oder dergleichen. Die Oberflächen 505b der Si-Chips 501a und 501b sind in die vertieften Abschnitte 508 eingesetzt und über die Verbindungsbauteile 502 mit dem Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite in Verbindung. Die konvexen Abschnitte 506 des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite sind mit den Hauptelektroden der Oberflächen 505a der Si-Chips 501a und 501b in Verbindung.
Weiterhin steht die Steuerelektrode der Si-Chips 501a und 501b in elektrischer Verbindung mit dem inneren Leiter 510 eines Leiterrahmens 509, was über einen Draht 511 und eine Drahtbondierung erfolgt. In 27 sind Abschnitte des Leiterrahmens 509, welche andere Abschnitte überlappen, gestrichelt dargestellt. Wie später noch beschrieben, hat der Leiterrahmen 509 sechs Befestigungsabschnitte 509a und 509b, welche jeweils Bohrungen 512a und 512b zur Aufnahme der vorspringenden Abschnitte 507a und 507b der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite aufweisen. Hierbei kann Al (Aluminium), Au (Gold) etc. für den Draht 511 verwendet werden, und Cu, eine Cu-Legierung, eine 42-Legierung oder dergleichen können für den Leiterrahmen 509 verwendet werden.
Sodann werden gemäß 28B die vorstehenden Abschnitte 507b, welche am Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite ausgebildet sind, in die Löcher oder Bohrungen 512b in den Befestigungsabschnitten 509b des Leiterrahmens 509 eingeführt und dann kaltverformt, z. B. gestaucht oder verstemmt. Weiterhin wird jeder der vorstehenden Abschnitte 507a, welche auf dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite ausgebildet sind, in jedes der Löcher oder Bohrungen 512a eingeführt, welche im Befestigungsabschnitt 509a ausgebildet sind, und gleichermaßen in einem Zustand kaltverformt, in welchem ein Abstandshalter 513 zwischen dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite und dem Leiterrahmen 509 eingesetzt ist.
Der Abstandshalter 513 ist ein säulenförmiges oder prismatisches Metallstück aus beispielsweise Kupfer und weist eine Bohrung auf, um es dem vorstehenden Abschnitt 507a zu ermöglichen, einzutreten. Der Abstandshalter 513 positioniert das Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite bezüglich der Si-Chips 501a und 501b in Dickenrichtung der Si-Chips 501a und 501b. Wenn der Abstandshalter 513 beispielsweise prismatisch geformt ist, hat er einen quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge von 2 mm und einer Dicke von ungefähr 0,6 mm.
Wie weiterhin in den 27, 28A und 28B gezeigt, sind die Si-Chips 501a und 501b und die Abstrahlungsbauteile 503 und 504, welche gemäß obiger Beschreibung miteinander verbunden sind, so mit Kunststoff oder Kunstharz 514 eingebettet oder eingegossen, dass jede Oberfläche der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite an den gegenüberliegenden Oberflächen, welche in Richtung der Si-Chips 501a und 501b weisen, aus dem Kunstharz 514 vorragen oder von diesem nicht bedeckt sind. In 27 ist die Kontur des Kunstharzes 514 mit einer gestrichelten Linie angedeutet. An den Streifenabschnitten 503a, 503b, 504a und 504b der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite stehen die Streifenabschnitte 503a und 504b, welche sich in eine Richtung entgegengesetzt zu der Seite erstrecken, wo der innere Leiter 510 angeschlossen ist, zur Außenseite des Kunstharzes 514 vor, und die nach außen vorstehenden Streifenabschnitte 503a und 504b dienen jeweils als äußere Elektroden der Si-Chips 501a und 501b.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung des Halbleitersubstrates beschrieben. Zunächst werden der Leiterrahmen 509 und die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite gemäß den 27, 28A und 28B bereitgestellt oder vorbereitet. Der Leiterrahmen 509 wird beispielsweise durch einen Stanzvorgang in eine gewünschte Form gebracht.
Die 30A bis 30D zeigen schematisch ein Verfahren zur Herstellung der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite. Gemäß 30A werden die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite aus einem aufgewickelten Rohmaterial oder Bauteil 515 aus Kupfer oder dergleichen ausgeschnitten, wobei die konvexen Abschnitte 506 in dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite und die konkaven Abschnitte 508 in dem Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite durch eine Pressbearbeitung unter Verwendung eines Stempels 516 und eines Gesenks 517 gebildet werden, wobei der Stempel 516 in eine Richtung F in 30A bewegt wird. Die 30B bis 30D zeigen den Ablauf zur Ausbildung der vorstehenden Abschnitte 507a und 507b. Wie in diesen Figuren gezeigt, wird eine Extrusions- oder Extrudierbearbeitung durchgeführt, um die vorstehenden Abschnitte 507a und 507b zu bilden, indem ein Stempel 518 und ein Gesenk 519 verwendet werden, welches in seiner Mitte eine Vertiefung aufweist, und indem der Stempel 518 in Richtung des Pfeiles H bewegt wird.
Nachfolgend werden die Si-Chips 501a und 501b mit dem Leiterrahmen 509 und den Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 der ersten und zweiten Seite, welche wie oben beschrieben hergestellt wurden, zusammengebaut. 31 zeigt schematisch die Ausbildung oder Anordnung der jeweiligen Bauteile 501a, 501b, 502 bis 504 und 509 während dieses Zusammenbauvorganges, von der Seite her betrachtet. Gemäß 31 werden die vorstehenden Abschnitte 507b des Abstrahlungsbauteiles 504 der zweiten Seite in die Löcher 512b der Befestigungsabschnitte 509b des Leiterrahmens 509 eingeführt und wie oben erwähnt kaltverformt, d. h. zum Beispiel verstemmt, gestaucht, verkeilt etc. In die konkaven Abschnitte 508 werden die Si-Chips 501a und 501b passgenau auf Seiten der Oberfläche 505b über Lotfolien 502 als Verbindungsbauteile eingesetzt.
Die Lotfolien oder Lötfolien 502 haben Formen entsprechend denjenigen der entsprechenden Hauptoberflächen, die auf den Oberflächen 505a der Si-Chips 501a und 501b liegen. Die Abstandshalter 513 werden entsprechend jeweils an die vorstehenden Abschnitte 507a des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite angebracht. Sodann werden die vorstehenden Abschnitte 507a in die Löcher oder Bohrungen 512a der Befestigungsabschnitte 509a des Leiterrahmens 509 eingeführt und dann kaltverformt. Die konvexen Abschnitte 506 des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite sind in 7 nicht gezeigt.
Der Befestigungsvorgang durch die Kaltverformung in diesem Zusammenbauvorgang wird nachfolgend noch genauer erläutert. Die 32A bis 32C zeigen schematisch den Befestigungsvorgang durch die Kaltverformung. Gemäß 32A und 32B wird nach Einsetzen der vorstehenden Abschnitte 507a und 507b der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite in die Löcher 512a und 512b der Befestigungsabschnitte 509a und 509b des Leiterrahmens 509 jeweils der vorspringende Abschnitt 507a und 507b, der von der Bohrung 512a bzw. 512b vorsteht, durch Bewegen eines Stempels 520 in Richtung des Pfeiles I verformt. Somit werden gemäß 32C die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite und der Leiterrahmen 509 miteinander befestigt.
Nachfolgend werden die Si-Chips 501a und 501b, die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 und der Leiterrahmen 509 unter Lot-Reflow in einem Wasserstoffofen oder dergleichen miteinander verbunden, so dass die Bauteile 501a, 501b, 503 und 504 einstückig miteinander verbunden sind. Danach wird zwischen der Steuerelektrode auf der Oberfläche 505a des IGBT-Chips 501 und dem Leiterrahmen 509 eine Drahtbondierung durchgeführt, wonach dann ein Eingießen oder Einbetten durch Kunstharz oder Kunststoff 514 durchgeführt wird. Hierdurch erfolgt eine Isolation zwischen den Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 der ersten und zweiten Seite, und die Halbleitervorrichtung der beschriebenen Ausführungsform ist fertig gestellt.
Da bei der beschriebenen Ausführungsform die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite jeweils an die beiden Oberflächen 505a und 505b der Si-Chips 501a und 501b über das Bondierungs- oder Befestigungsbauteil 502 befestigt sind, lässt sich die Abstrahlungseigenschaft verbessern. Weiterhin kann das Befestigungsbauteil 502 aus einem Klebstoff gefertigt werden, der hohe thermische Leitfähigkeit hat, beispielsweise aus einem Lot oder Hartlot. Auch dies verbessert die Abstrahlungseigenschaften.
Die Si-Chips 501a und 501b können mit dem Abstrahlungsbauteil 504 der zweiten Seite dadurch verbunden werden, dass sie in die vertieften Abschnitte 508 des Abstrahlungsbauteiles 504 der zweiten Seite eingesetzt werden. Weiterhin können die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite mit dem Leiterrahmen 509 durch Einführen der vorspringenden Abschnitte 507a und 507b der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 in die Bohrungen 512a und 512b der Befestigungsabschnitte 509a und 509b des Leiterrahmens 509 und durch eine entsprechende Kaltverformung befestigt werden. Im Ergebnis lassen sich die Relativlagen dieser Bauteile in einer Richtung parallel zu den Oberflächen der Si-Chips 501a und 501b festlegen.
Weiterhin werden die vorspringenden Abschnitte 507a oder vorstehenden Abschnitte 507a des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite in die Löcher 512a der Befestigungsabschnitte 509a des Leiterahmens 509 mit den Abstandshaltern 513 zwischen dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite und dem Leiterrahmen 509 befestigt. Aufgrund hiervon kann das Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite mit dem Leiterrahmen 509 verbunden werden, wobei ein Befestigungsabstand für die Si-Chips 501a und 501b bereitgestellt wird, wobei weiterhin eine Ausrichtung oder Positionierung in Dickenrichtung der Si-Chips 501a und 501b möglich ist. Infolgedessen können die Relativpositionen der entsprechenden Bauteile sowohl in Oberflächenrichtung als auch Dickenrichtung der Si-Chips 501a und 501b festgelegt werden. Die Halbleitervorrichtung kann mit verringerten Abweichungen in den Anordnungspositionen der entsprechenden Bauteile bereitgestellt werden.
Wenn ein Leistungselement, beispielsweise ein IGBT, als Halbleiterchip in der beschriebenen Ausführungsform verwendet wird, kann sich noch das nachfolgende Problem betreffend die Isolation ergeben. 33 zeigt ein Beispiel eines derartigen IGBTs.
Wie in 33 gezeigt, ist ein Leistungselement, beispielsweise ein IGBT, mit einem Schutzring 521 und einem EQR 522 (Äquipotentialring) an einem Rand- oder Kantenbereich hiervon versehen, und der Schutzring 521 und der EQR 522 sind so ausgebildet, dass sie annähernd das gleiche Potential wie die Kollektorelektrode 523 haben. Der Schutzring 521 und der EQR 522 sind weiterhin auf der Oberfläche des Leistungselementes ausgebildet, auf der eine Emitterelektrode 524 ausgebildet ist. Mit anderen Worten, der Schutzring 521 und der EQR 522, welche auf gleichem Potential wie die Kollektorelektrode 523 sind, liegen im Nahbereich der Emitterelektrode 524 vor.
Im Falle des Leistungselementes, bei dem eine Potentialdifferenz zwischen der Emitterelektrode 524 und der Kollektorelektrode 523 beispielsweise ungefähr 600 V beträgt, wird die Potentialdifferenz zwischen dem Schutzring 621, dem EQR 522 und der Emitterelektrode 524 ebenfalls 600 V. Wenn daher ein Abstrahlungsbauteil 524 fehlerhafterweise von einer korrekten Position gegenüber der Seite des Schutzringes 521 und des EQR 522 verschoben angeordnet ist, wie durch den Pfeil J in 33 gezeigt, können der Schutzring 521 und der EQR 522 elektrisch mit der Emitterelektrode 524 über ein Verbindungsteil 526 in Verbindung gelangen, beispielsweise ein Lot, oder mit dem Abstrahlungsbauteil 525 direkt oder über eine Entladung. Selbst wenn der Schutzring 521 und der EQR 522 mit einem Schutzfilm 527 aus Polyimid oder dergleichen bedeckt sind, beträgt die Dicke dieses Films maximal etwa 1 bis 2 μm und die Durchbruchsspannung von 600 V kann nicht sichergestellt werden.
Im Gegensatz hierzu sind in der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform gemäß obiger Beschreibung in dem Zustand, in dem die Relativlagen der Si-Chips 501a und 501b, des Leiterrahmens 509 und der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite festgelegt sind, die konvexen Abschnitte 506 des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite mit den Hauptelektroden auf den Oberflächen 505a der Si-Chips 501a und 501b in Verbindung. Aufgrund hiervon kann das Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite in Kontakt mit nur den Hauptelektroden durch Steuerung der Formgebung der konvexen Abschnitte 506 gebracht werden. Dies kann auch das Problem betreffend die Isolation beseitigen, welches durch Abweichungen der Relativlage des Abstrahlungsbauteiles 503 gegenüber den Si-Chips 501a und 501b bewirkt wird.
Die vorliegende Ausführung beschreibt das Beispiel, bei dem die Abstandshalter 513 eng oder fest an den vorstehenden Abschnitten 507a des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite angebracht sind; die vorstehenden Abschnitte 507a und 507b können jedoch auch in einem abgestuften Zustand an den entsprechenden Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 beispielsweise durch Bilden des Stempels 519 zur Durchführung der Bearbeitung der 32B und 32C derart, dass dieser einen abgestuften Abschnitt in seiner Vertiefung hat, gebildet werden. Somit können die Abstandshalter mit den vorstehenden oder vorspringenden Abschnitten zusammengefasst werden.
Weiterhin sind die Abstandshalter 513 nicht darauf beschränkt, an den vorstehenden Abschnitten 507a des Abstrahlungsbauteiles 503 der ersten Seite angebracht zu werden, sondern sie können auch an dem vorstehenden Abschnitt 507b des Abstrahlungsbauteiles 504 der zweiten Seite angebracht werden, um die Relativlagen der Si-Chips 501a und 501b, der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 und des Leiterrahmens 509 in Dickenrichtung der Si-Chips 501a und 501b festzulegen.
Wenn in der vorliegenden Ausführungsform die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite jeweils mit dem Leiterrahmen 509 durch entsprechende Kaltverformung verbunden sind, lassen sich Schwankungen oder Abweichungen in den Anordnungspositionen der Halbleiterchips sicher vermeiden. Es kann jedoch nur eines der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 durch eine Kaltverformung festgelegt werden, solange die Positions- oder Ausrichtungsgenauigkeit der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 verbessert und Schwankungen oder Abweichungen in den Anordnungspositionen der Halbleiterchips unterdrückt oder vermieden sind.
Jedes der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 hat eine Oberfläche, welche nach außen hin freiliegt, und zwar auf einer gegenüberliegenden Seite der Chips 501a und 501b. Diese freiliegende Oberfläche kann in Kontakt mit einem Kühlbauteil zur Beschleunigung der Wärmeabstrahlung gebracht werden. Die vorliegende Ausführungsform hat den IGBT-Chip 501a als Halbleiterchip exemplarisch verwendet und ist so aufgebaut, dass Abweichungen in den Anordnungspositionen des Halbleiterchips unterdrückt oder vermieden werden. Selbst wenn die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 nicht als Elektroden verwendet werden, bewirkt der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform, dass die Abstrahlungseigenschaften verbessert werden und dass Abweichungen in den Anordnungspositionen des Halbleiterchips vermieden sind.
Die Abstandshalter 513 sind an allen (in der vorliegenden Ausführungsform allen drei) vorstehenden Abschnitten 507a angebracht, die an dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite ausgebildet sind; die Abstandshalter, welche nur an zwei Stellen angebracht sind, sind ausreichend, um die Relativlagen zwischen dem Abstrahlungsbauteil 503 der ersten Seite und den Si-Chips 501a und 501b in Dickenrichtung der Si-Chips 501a und 501b festzulegen. Die Verbindungs- oder Befestigungsbauteile 502 sind nicht auf Lotfolien beschränkt, sondern können auch Lotpasten oder dergleichen sein. Die Halbleitervorrichtung muss nicht unbedingt zwei Halbleiterchips 501a und 501b haben, sondern auch nur einen.
<Zweite Ausführungsform>
Wenn die Stromkapazität des IGBT-Chips 501a 100 A übersteigt, wächst die Chipgröße an und es ergibt sich der Fall, dass die Chipgröße auf 10 bis 16 mm anwächst. Wenn in so einem Fall die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 aus Kupfer gefertigt sind, wird, da der lineare Ausdehnungskoeffizient von Kupfer 5- bis 6mal größer als derjenige von Silizium ist, welches den IGBT-Chip 501a hauptsächlich ausmacht, das das Verbindungsteil 502 bildende Lot während thermischer Schwankungen geschwächt. Dies kann zum Auftreten von Rissen, einem Anstieg in dem thermischen Widerstand und einer Verschlechterung der Wärmeabstrahlungseigenschaft führen.
Unter Berücksichtigung dieses Sachverhaltes wurde die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß nachfolgendem Aufbau gemacht. In dieser Ausführungsform sind die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite aus einem Material gemacht, welches unterschiedlich zu demjenigen der ersten Ausführungsform ist. Nachfolgend werden unterschiedliche Teile oder Abschnitte zur ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Teile wie in der ersten Ausführungsform sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie in 34 gezeigt, wird als Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite ein Metall mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten ähnlich demjenigen der Si-Chips 501a und 501b verwendet. Insbesondere werden im Ausführungsbeispiel Kaschierungsteile (CICs) verwendet, von denen jedes so aufgebaut ist, dass ein Bauteil (aus Invar) 528 durch Bauteile (Kupferbauteile) 529 beidseitig eingeschlossen ist. Der lineare Ausdehnungskoeffizient eines jeden CIC entspricht annähernd demjenigen von Si so nahe wie möglich, indem das Dickenverhältnis zwischen dem Invarbauteil 528 und dem Kupferbauteilen 529 sowie die Gesamtdicke entsprechend eingestellt wird. Die weiteren Einzelheiten und Merkmale, beispielsweise die Formgebungen der entsprechenden Bauteile, sind im wesentlichen wie in der ersten Ausführungsform.
Da bei der zweiten Ausführungsform der lineare Ausdehnungskoeffizient der Abstrahlungsbauteile 503 und 504 der ersten und zweiten Seite demjenigen der Si-Chips 501a und 501b angenähert ist, kann, selbst wenn die Größe der Si-Chips 501a und/oder 501b groß wird, eine thermische Belastung aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Si-Chips 501a und 501b und den Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 unterdrückt werden, und Belastungskonzentrationen im Bereich der Befestigungsbauteile 502 lassen sich vermeiden. Dies verhindert eine Verschlechterung der Verbindungseigenschaften zwischen den Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 und den Si-Chips 501a und 501b. Infolgedessen lassen sich Verschlechterungen in der Abstrahlungseigenschaft und eine Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit vermeiden, wenn die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 als Elektroden verwendet werden.
Die gleichen Effekte wie oben beschrieben lassen sich erhalten, wenn anstelle von Invar Mo (Molybdän) verwendet wird. In den Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 müssen die von den Kupferbauteilen 529 beidseitig eingeschlossenen Bauteile 528 nicht gleichförmig Invar oder Molybdän sein, sondern können sich voneinander unterscheiden. Die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 sind auch nicht auf kaschierte Bauteile beschränkt, sondern können andere Bauteile sein, beispielsweise aus einer Kupfer-Molybdän-Legierung mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten, der demjenigen von Silizium angenähert ist.
Die zweite Ausführungsform zeigt ein Beispiel, bei welchem ein Metall mit einem linearen Ausdehnungskoeffizient annähernd gleich demjenigen von Silizium für die Abstrahlungsbauteile 503 und 504 verwendet wird, wobei konkret ein kaschiertes Bauteil, beispielsweise CIC, verwendet wird. Die thermischen Leitfähigkeiten von Invar und Molybdän sind jedoch gegenüber denjenigen von Kupfer schlechter und die Bauteile 528 aus Invar oder Molybän verschlechtern die Abstrahlungseigenschaften in Dickenrichtung der Si-Chips 501a und 501b. Dieses Problem wird durch die nachfolgende modifizierte Ausführungsform beseitigt.
In dieser modifizierten Ausführungsform sind gemäß den 35A und 35B mehrere Invarbauteile 528 teilweise in das Kupferbauteil 529 eingelegt oder eingebettet. 35A zeigt eine Querschnittsdarstellung durch das Abstrahlungsbauteil 503 oder 504 in einer Richtung parallel zu der Schicht, in der diese die Invarbauteile 528 enthält, wohingegen 35B einen Querschnitt durch die Abstrahlungsbauteile 503 oder 504 zeigt, in einer Richtung senkrecht zur Schicht, in der die Invarbauteile 528 enthalten sind.
Gemäß den 35A und 35B sind in dieser modifizierten Ausführungsform die Invarbauteile 528 an mehreren (beispielsweise vier) Positionen innerhalb des Kupferbauteiles 529 vorhanden. Infolgedessen haben die Abstrahlungsbauteile 503 und/oder 504 Abschnitte, welche in Dickenrichtung gesehen nur aus dem Kupferbauteil 529 bestehen, so dass die thermische Leitfähigkeit in Dickenrichtung des Abstrahlbauteiles 503 bzw. 504 nicht verschlechtert ist. Somit kann ein Abstrahlungsbauteil, welches in seiner thermischen Ausdehnung an Silizium angenähert ist, mit einer ausreichenden Abstrahlungsleistung geschaffen werden. Obgleich in dieser modifizierten Ausführungsform die Invarbauteile 528 an vier Positionen innerhalb des Kupferbauteiles 529 vorhanden sind, lassen sich die Invarbauteile 528 auch beispielsweise in Form eines feinen Gitters oder Netzes ausbilden, wo viele kleine Invarteile vorhanden sind. Anstelle der Invarbauteile können auch solche aus Molybdän verwendet werden. Weiterhin lassen sich Invarbauteile und Molybdänbauteile gleichzeitig verwenden.
36 zeigt eine Halbleitervorrichtung einer weiteren modifizierten Ausführungsform. In den oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen ist die Steuerelektrode auf der Oberfläche 505a des IGBT-Chips 501a mit der inneren Leitung 510 über eine Drahtbondierung elektrisch verbunden; wie jedoch in 36 gezeigt, kann diese Verbindung auch durch ein tropfen- oder kissenförmiges Verbindungs- oder Bondierbauteil 530 aus einem Lot oder dergleichen erfolgen. Wenn somit zwischen den Abstrahlungsbauteilen 503 und 504 und den Si-Chips 501a und 501b ein Lötvorgang durchgeführt wird, kann gleichzeitig die Verbindung zwischen dem inneren Leiter 510 und der Steuerelektrode ausgebildet werden. Dies führt zu einer Vereinfachung in der Herstellung.
Beschrieben wurde eine Halbleitervorrichtung, welche zwei Halbleiterchips aufweist, welche zwischen ein Paar von Abstrahlungsbauteilen gesetzt sind und hierbei thermisch und elektrisch mit den Abstrahlungsbauteilen in Verbindung stehen. Eines der Abstrahlungsbauteile weist zwei vorstehende Abschnitte auf, wobei vordere Enden der vorstehenden Abschnitte mit den Hauptelektroden der Halbleiterchips in Verbindung sind. Die Abstrahlungsbauteile sind aus einem metallischen Material, welches Kupfer oder Aluminium als Hauptkomponente enthält. Die Halbleiterchips und die Abstrahlungsbauteile werden mit Kunststoff oder Kunstharz eingegossen, wobei nach außen hin freiliegende Abstrahlungsoberflächen verbleiben.
Insbesondere wurde eine Halbleitervorrichtung beschrieben, mit: einem Halbleiterchip mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; einem ersten Abstrahlungsbauteil mit einem konvexen Abschnitt, der mit der ersten Oberfläche des Halbleiterchips über ein erstes Verbindungsbauteil mit thermischer Leitfähigkeit in Verbindung steht; und einem zweiten Abstrahlungsbauteil, welches mit der zweiten Oberfläche des Halbleiterchips über ein zweites Verbindungsbauteil mit thermischer Leitfähigkeit in Verbindung steht; einer Steuerelektrode, die auf der ersten Oberfläche des Halbleiterchips vorhanden ist; einem Leiterrahmen, der elektrisch mit der Steuerelektrode verbunden ist, wobei das erste Abstrahlungsbauteil oder das zweite Abstrahlungsbauteil einen vorstehenden Abschnitt auf einer Seite in Richtung des Halbleiterchips weisend hat; der vorstehende Abschnitt fest in eine Bohrung eingeführt ist, welche in dem Leiterrahmen ausgebildet ist, um das erste Abstrahlungsbauteil oder das zweite Abstrahlungsbauteil festzulegen; und wobei ein Abstandshalter in einem Raum angeordnet ist, der zwischen dem ersten Abstrahlungsbauteil oder dem zweiten Abstrahlungsbauteil definiert ist, um das erste Abstrahlungsbauteil oder das zweite Abstrahlungsbauteil und den Halbleiterchip in Dickenrichtung des Halbleiterchips zu positionieren.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die voranstehenden Ausführungsformen und deren Modifikationen und Abwandlungen beschrieben und in der beigefügten Zeichnung beschrieben; dem Fachmann auf diesem Gebiet ergibt sich jedoch, dass Änderungen hinsichtlich Form und Details gemacht werden können, ohne vom Gegenstand und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist.

Claims

Eine Halbleitervorrichtung, mit: einem Halbleiterchip (501a, 501b) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; einem ersten Abstrahlungsbauteil (503) mit einem konvexen Abschnitt (506), der mit der ersten Oberfläche des Halbleiterchips über ein erstes Verbindungsbauteil (502) mit thermischer Leitfähigkeit in Verbindung steht; und einem zweiten Abstrahlungsbauteil (504), welches mit der zweiten Oberfläche des Halbleiterchips über ein zweites Verbindungsbauteil (502) mit thermischer Leitfähigkeit in Verbindung steht; einer Steuerelektrode, die auf der ersten Oberfläche des Halbleiterchips vorhanden ist; einem Leiterrahmen (509), der elektrisch mit der Steuerelektrode verbunden ist, wobei das erste Abstrahlungsbauteil oder das zweite Abstrahlungsbauteil einen vorstehenden Abschnitt (507a, 507b) auf einer Seite in Richtung des Halbleiterchips weisend hat; der vorstehende Abschnitt fest in eine Bohrung (512a, 512b) eingeführt ist, welche in dem Leiterrahmen ausgebildet ist, um das erste Abstrahlungsbauteil oder das zweite Abstrahlungsbauteil festzulegen; und wobei ein Abstandshalter (513) in einem Raum angeordnet ist, der zwischen dem ersten Abstrahlungsbauteil oder dem zweiten Abstrahlungsbauteil definiert ist, um das erste Abstrahlungsbauteil oder das zweite Abstrahlungsbauteil und den Halbleiterchip in Dickenrichtung des Halbleiterchips zu positionieren.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Abstrahlungsbauteil und das zweite Abstrahlungsbauteil aus einem metallischen Material gefertigt sind mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten annähernd gleich demjenigen des Halbleiterchips.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Abstrahlungsbauteil oder das zweite Abstrahlungsbauteil aus einem Kupferbauteil (529) und einer Mehrzahl von Abschnitten (528) besteht, welche teilweise innerhalb des Kupferbauteiles angeordnet sind und aus Invar oder Molybdän bestehen.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Abstrahlungsbauteil, der Halbleiterchip und das zweite Abstrahlungsbauteil mit einem Kunstharzbauteil (514) eingesiegelt sind, und zwar in einem Zustand, wobei das erste Abstrahlungsbauteil und das zweite Abstrahlungsbauteil eine Oberfläche haben, welche von dem Kunstharzbauteil an einer gegenüberliegenden Seite des Halbleiterchips frei liegt.