DE10117775A1

DE10117775A1 - Leistungshalbleitermodul sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen Leistungshalbleitermoduls

Info

Publication number: DE10117775A1
Application number: DE10117775A
Authority: DE
Inventors: Fabian Zwick; Alexander Stuck; Raymond Zehringer
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2002-10-17

Abstract

Bei einem Leistungshalbleitermodul (18) ist wenigstens ein Halbleiterchip (16) auf einer flächigen Elektrode (24) angeordnet und die Elektrode (24) über eine isolierende Zwischenschicht (20) mit einer darunterliegenden Grundplatte (11) flächig verbunden. DOLLAR A Bei einem solchen Leistungshalbleitermodul (18) wird die Spannungsfestigkeit dadurch verbessert, dass die isolierende Zwischenschicht (20) Lufthohlräume aufweist, deren Durchmesser im Mittel weniger als 1 mum betragen und vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 100 nm liegen.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft ein Leistungshalbleitermodul gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Leistungshalb leitermoduls.

STAND DER TECHNIK

Zur elektrischen Isolierung der anliegenden Spannungen von mehreren 1000 V in Hochleistungshalbleitermodulen verwendet man heutzutage meistens oxidische und nicht oxidische Keramiken sowie isolierende Kunststoffpartikel (Epoxy). Die Keramiken sind billig und resistent und haben für elektrische Isolatoren eine gute thermische Leitfähigkeit. Diese thermische Leitfähigkeit ist wichtig, um die ent standene Wärme abzuführen. So verwendet man bei IGBT-Modulen wie sie von der Anmelderin produziert oder von der Firma Ixys Corporation beispielsweise unter der Typenbezeichnung MID100-12A3 angeboten werden, meistens soge nannte DCB-Substrate (DCB = Direct Copper Bonding).

Der schematische Aufbau eines solchen bekannten Leistungshalbleitermoduls mit DCB-Substrat ist im Längsschnitt in Fig. 1 dargestellt. Das Leistungshalbleitermo dul 10 gemäss Fig. 1 umfasst ein (oder mehrere) Halbleiterchip(s) 16, die auf ei nem DCB-Substrat 12 befestigt (z. B. aufgelötet) sind. Das DCB-Substrat 12 ist seinerseits auf einer darunterliegenden Grundplatte 11 angeordnet (z. B. aufgelö tet). Das DCB-Substrat 12 besteht aus einer zentralen Keramikplatte 14 z. B. aus Al₂O₃ oder AIN, auf deren Ober- und Unterseite jeweils eine Elektrode 13 bzw. 15 in Form einer Cu-Platte durch einen DCB-Prozess direkt aufgebondeten ist. Die Keramikplatte 14 hat beispielsweise eine Dicke von 0,6 mm, während die Elektro den 13, 15 eine Dicke von z. B. 0,3 mm aufweisen.

An den Kanten 17 der Elektrode bzw. Cu-Platte 13 ist das elektrische Feld über höht, weshalb es dort meist zu einem elektrischen Durchbruch kommt. Um dies zu vermeiden, bedeckt man die Ränder der Elektrode 13 zwar mit Gel, doch wegen der mangelnden Adhäsion des Gels können an diesen Stellen leicht Luftbläschen entstehen. Lufthohlräume von mehreren 100 µm Durchmesser (gleichzeitig auch die Korngrösse der verwendeten Keramiken) können dabei einen entscheidenden Einfluss haben. Wirft man einen Blick auf die sogenannte Paschenkurve, welche die Durchbruchsspannung von Gasblasen gegen das Produkt von deren Durch messer und Druck darstellt, so sieht man, dass zum Beispiel für Luft mit einem Druck von 1 bar die minimale Durchbruchsspannung bei ca. 100 µm Blasen durchmesser liegt. Für grössere und kleinere Durchmesser steigt die Durchbruch spannung an.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, wel ches sich durch eine deutlich erhöhte Durchbruchsspannung in den kritischen Be reichen des Moduls auszeichnet, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines sol chen Leistungshalbleitermoduls anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 7 ge löst. Der Kern der Erfindung besteht darin, für das Modul eine isolierende Zwi schenschicht zu wählen, die Lufthohlräume aufweist, deren Durchmesser im Mittel weniger als 1 µm betragen, und vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 100 nm liegen. Hierdurch steigt in einem ersten Schritt gemäss der Paschenkurve die Durchbruchsspannung im Bereich der Zwischenschicht deutlich an. Vorzugsweise wird der reduzierte Hohlraumdurchmesser dadurch erreicht, dass die isolierende Zwischenschicht als ein aus einer Nanokeramik bestehender Keramikfilm ausge bildet ist, und dass die mittlere Korngrösse des Keramikfilms zwischen 10 und 100 nm liegt. Anstelle des Keramikfilms ist aber auch ein Epoxyfilm mit entsprechender Partikelgrösse denkbar. Die isolierende Zwischenschicht bzw. der Keramikfilm weist dabei vorzugsweise eine Dicke (D) von wenigen µm auf.

Die Durchbruchsspannung des Moduls kann in einem zweiten Schritt weiter da durch verringert werden, dass die Ecken und Kanten der Elektrode abgerundet sind, und dass die abgerundeten Ecken und Kanten von der isolierenden Zwi schenschicht bedeckt sind.

Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Metallplatte an den Ecken und Kanten mittels Kugelstrahlen abgerundet, wird als isolierende Zwischenschicht ein aus einer Nanokeramik gebildeter Kera mikfilm aufgebracht, und erfolgt das Aufbringen des Keramikfilms mittels einer Spray-Pyrolyse-Methode.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in einem Längsschnitt den schematisierten Aufbau eines Lei stungshalbleitermoduls mit DCB-Substrat nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein Leistungshalblei termodul gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er findung; und

Fig. 3a-h in mehreren Teilfiguren 3(a) bis 3(h) verschieden Schritte bei der Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls gemäss Fig. 2.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 2 ist in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein Leistungshalbleiter modul gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiederge geben. Das Leistungshalbleitermodul 18 umfasst wiederum eine Grundplatte 11, auf der ein auf einer Elektrode 24 angeordnetes Halbleiterchip 16 isoliert befestigt ist. Die Elektrode 24, z. B. eine Cu-Platte, hat abgerundete Ränder 21 (senkrecht zur Plattenebene) und Ecken (parallel zur Plattenebene). Die elektrische Isolie rung wird durch eine dünne isolierende Zwischenschicht 20, bevorzugt in Form eines Keramikfilms, bewirkt. Wesentlich ist dabei, dass die isolierende Zwischen schicht bzw. der Keramikfilm 20 Korngrössen im Nanometerbereich (10 nm- 100 nm) aufweist (aber auch Epoxyfilme mit entsprechenden Partikelgrössen sind denkbar). Die Lufthohlräume in der Zwischenschicht sind dann dementsprechend klein und die Durchbruchsspannung steigt gemäss der Paschenkurve an.

Darüber hinaus sind die Ecken und Kanten 21 der Elektrode (bzw. Cu-Platte) 24 zum Beispiel durch Kugelstrahlen abgerundet, um den Feldüberhöhungen entge genzuwirken. Dies ist bei den konventionell genutzten DCB-Substraten gemäss Fig. 1 nicht möglich. Zudem sind die abgerundeten Ecken und Kanten mit der iso lierenden Zwischenschicht bzw. dem Keramikfilm 20 überdeckt, so dass die elek trische Feldüberhöhung nicht mehr in der Luft oder dem Gel ist, sondern in der Keramik selbst. Die höhere Durchbruchsspannung der Nanokeramikfilme hat zur Folge, dass die Keramik dünner sein kann, was ihr thermisches Verhalten stark verbessert. Nanokeramikfilme von mehreren µm Dicke können zum Beispiel mit der an sich bekannten Spray-Pyrolyse-Methode hergestellt werden. Die Spray- Pyrolyse-Methode ist beispielsweise in den Druckschriften US-A-5,021,399, US-A- 5,447,708 und US-A-5,958,361 und dem dort zitierten Stand der Technik be schrieben.

Das Leistungshalbleitermodul gemäss Fig. 2 kann beispielsweise nach dem in Fig. 3 in mehreren Einzelschritten (Fig. 3(a)-(h)) dargestellten Verfahren hergestellt werden. Dabei wird von einer Metallplatte (Cu-Platte) 19 ausgegangen (Fig. 3(a)), die in einem ersten Schritt durch eine geeignete Methode, z. B. durch Kugelstrah len, an den Ecken und Kanten 21 abgerundet wird (Fig. 3(b)). Auf der Oberseite der Metallplatte 19 wird dann mittels einer Maske 22 ein Bereich abgedeckt, der zur späteren Montage des Halbleiterchips 16 freigehalten werden soll (Fig. 3(c)). Die maskierte Metallplatte 19 wird dann, z. B. mittels der o. g. Spray-Pyrolyse-Me thode, mit einer isolierenden Zwischenschicht 20 in Form eines Nanokeramikfilms bedeckt (Fig. 3(d)). Die Dicke D der Zwischenschicht 20 beträgt vorzugsweise we nige µm. Wie durch die wabenartige Schraffur angedeutet, ist die (mittlere) Korn grösse des Keramikfilms 20 um Grössenordnungen kleiner als bei der Keramik platte 14 aus Fig. 1, und beträgt weniger als 1 µm, und liegt vorzugsweise sogar im Bereich zwischen 10 und 100 nm.

Nachdem die Maske 22 entfernt worden ist (Fig. 3(e)), wird der Halbleiterchip 16 auf der freiliegenden Kontaktfläche 23 der Metallplatte 19 montiert (Fig. 3(f)). Die isolierte Metallplatte 19 mit dem Halbleiterchip 16 wird schliesslich auf der Grund platte ("base plate") 11 befestigt (Fig. 3(g) → Fig. 3(h)). Beim fertigen Leistungs halbleitermodul 18 gemäss Fig. 3(h) übernimmt dann die Metallplatte 19 die Funk tion einer Elektrode 24.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

,

18

Leistungshalbleitermodul

11

Grundplatte

12

DCB-Substrat

13

,

15

Elektrode (Cu-Platte)

14

Keramikplatte

16

Halbleiterchip

17

Kante (Elektrode)

19

Elektrode (Cu-Platte)

20

isolierende Zwischenschicht (insb. Keramikfilm)

21

Kante (abgerundet)

22

Maske

23

Kontaktfläche

Claims

1. Leistungshalbleitermodul (18), bei welchem wenigstens ein Halbleiterchip (16) auf einer flächigen Elektrode (24) angeordnet und die Elektrode (24) über eine isolierende Zwischenschicht (20) mit einer darunterliegenden Grundplatte (11) flächig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Zwi schenschicht (20) Lufthohlräume aufweist, deren Durchmesser im Mittel weniger als 1 µm betragen, und vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 100 nm liegen.

2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Zwischenschicht (20) als ein aus einer Nanokeramik beste hender Keramikfilm ausgebildet ist, und dass die mittlere Korngrösse des Kera mikfilms zwischen 10 und 100 nm liegt.

3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Zwischenschicht bzw. der Keramikfilm (20) eine Dicke (D) von wenigen µm aufweist.

4. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken und Kanten (21) der Elektrode (24) abgerundet sind, und dass die abgerundeten Ecken und Kanten (21) von der isolierenden Zwischenschicht (20) bedeckt sind.

5. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Elektrode (24) eine Cu-Platte ist.

6. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (16) ein steuerbares Leistungshalbleiter bauelement, insbesondere einen IGBT, umfasst.

7. Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine zur Bildung der Elektrode (24) vorgesehene Metallplatte (19), insbesondere eine Cu-Platte, an den Ecken und Kanten (21) abgerundet wird, dass in einem zweiten Schritt die abgerundete Metallplatte (19) auf der Unterseite und an den Kanten (21) mit der isolierenden Zwischenschicht (20) überdeckt wird, dass in einem drit ten Schritt der Halbleiterchip (16) auf der Oberseite der Metallplatte (19) ange bracht wird, und dass in einem vierten Schritt die Metallplatte (19) mit dem Halb leiterchip und der isolierenden Zwischenschicht (20) flächig auf der Grundplatte (11) befestigt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall platte (19) an den Kanten (21) mittels Kugelstrahlen abgerundet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass als isolierende Zwischenschicht (20) ein aus einer Nanokeramik gebildeter Keramikfilm aufgebracht wird, und dass das Aufbringen des Keramikfilms mittels einer Spray-Pyrolyse-Methode erfolgt.