DE102016219126A1

DE102016219126A1 - Halbleitervorrichtung und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102016219126A1
Application number: DE102016219126.8A
Authority: DE
Inventors: Yuki INABA; Daisuke Inoue; Shin Soyano
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2017-05-11
Also published as: CN106952897B; US10396023B2; JP2017092185A; CN106952897A; US20170133308A1; JP6634778B2

Abstract

Die Halbleitervorrichtung umfasst ein vielschichtiges Substrat, das mit einer Isolierplatte und einer Leiterplatte versehen ist, einen Halbleiterchip mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die Vorderseite mit einer Hauptelektrode und einer darauf ausgebildeten Steuerelektrode verbunden ist, und die Rückseite mit der Leiterplatte verbunden ist, ein erstes Verdrahtungssubstrat, das ein erstes leitfähiges Element aufweist und derart angeordnet ist, dass es der mit dem ersten leitfähigen Element elektrisch verbundenen Hauptelektrode gegenüberliegt, ein zweites Verdrahtungssubstrat, das ein zweites leitfähiges Element aufweist und derart angeordnet ist, dass es der Steuerelektrode gegenüberliegt, und das eine Öffnung aufweist, und ein leitender Pfosten mit einem ersten Ende und einem anderen Ende, wobei das erste Ende elektrisch und mechanisch mit der Steuerelektrode verbunden ist, und das andere Ende elektrisch und mechanisch mit dem zweiten leitfähigen Element verbunden ist, wobei das erste leitfähige Element dicker als das zweite leitfähige Element ist, und das erste Verdrahtungssubstrat innerhalb der Öffnung angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Ein Beispiel für Leistungs-Halbleitermodule, die Halbleitervorrichtungen zum Steuern großer elektrischer Ströme und großer Spannungen sind, weist ein vielschichtiges Substrat mit einer Isolierplatte und einer Leiterplatte, einen Halbleiterchip mit einer Vorderseite verbunden mit einer Elektrode und eine mit der Leiterplatte befestigten Rückseite und eine externe Anschlussklemme und ferner eine gedruckte Schaltung und leitende Pfosten als Verdrahtungselemente auf, wobei die gedruckte Schaltung der Vorderseite des Halbleiterchips und der Leiterplatte gegenüberliegt, und die leitenden Pfosten ein elektrisch und mechanisch mit der Elektrode des Halbleiterchips verbundenes erstes Ende und ein mit der gedruckten Schaltung verbundenes anderes Ende aufweisen (siehe JP 2014-57005A ). Das Verdrahtungselement mit der gedruckten Schaltung und die leitenden Pfosten ermöglichen den Umlauf eines größeren elektrischen Stroms als Bonddrähte, und ferner eine Miniaturisierung von Leistungs-Halbleitermodulen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE AUFGABEN
Bei dem in Patentdokument 1 beschriebenen Leistungs-Halbleitermodul ist der Halbleiterchip zum Beispiel ein IGBT oder ein Leistungs-MOSFET, auf deren Vorderseite eine Hauptelektrode und eine Steuerelektrode gebildet sind. Unter der Vielzahl leitender Pfosten haben einige leitende Pfosten ein Ende, das elektrisch und mechanisch mit der Hauptelektrode verbunden ist, und andere leitende Pfosten haben ein Ende, das elektrisch und mechanisch mit der Steuerelektrode verbunden ist. Die gedruckte Schaltung, mit der die anderen Enden dieser leitenden Pfosten elektrisch und mechanisch verbunden sind, hat eine gestapelte leitfähige Folie, insbesondere eine Kupferfolie, die selektiv auf einem Isoliersubstrat gebildet ist, um einen bestimmten elektrischen Schaltkreis zu bilden.
Die Kupferfolie der gedruckten Schaltung erzeugt während des Betriebs des Leistungs-Halbleitermoduls Wärme infolge von Strom, der von der Hauptelektrode des Halbleiterchips fließt. Das Leistungs-Halbleitermodul ist so entworfen, dass der Temperaturanstieg eines Gehäuses, der durch die Wärmeerzeugung der gedruckten Schaltung verursacht wird, innerhalb eines bestimmten Bereichs gesteuert werden kann.
In den letzten Jahren wurden Leistungs-Halbleitermodule darauf ausgerichtet es zu ermöglichen, größere elektrische Ströme als jemals zuvor anzuwenden, und dementsprechend, um die entsprechende Wärmeerzeugung von gedruckten Schaltungen im ausgelegten Bereich zu steuern, wird vorgeschlagen, die Dicke der Kupferfolie der gedruckten Schaltung dicker als jemals zuvor zu erhöhen.
Die Kupferfolie der gedruckten Schaltung umfasst einen Kupferfolienbereich für die Hauptelektrode des Halbleiterchips und den für dessen Steuerelektrode, die selektiv durch Ätzen gebildet sind. Der Kupferfolienbereich für die Hauptelektrode und der Kupferfolienbereich für die Steuerelektrode haben die dieselbe Dicke aufgrund gemeinsamer Herstellungsprozesse der gedruckten Schaltung. Wenn die Dicke eine Kupferfolie der gedruckten Schaltung dementsprechend mehr als je zuvor vergrößert wird, wird das Kupferfolien-Teil für die Steuerelektrode unnötig dick.
Während jedoch große Ströme durch das Kupferfolien-Teil für die Hauptelektrode des Halbleiterchips fließen, muss das Kupferfolien-Teil für die Steuerelektrode nicht so große elektrische Ströme wie die Hauptelektrode zulassen. Entsprechend hat die größere Dicke der Kupferfolie der gedruckten Schaltung mehr als jemals zuvor zu einer unnötigen Dicke des Kupferfolien-Teils für die Steuerelektrode geführt.
Außerdem, wenn die Dicke der Kupferfolie der gedruckten Schaltung mehr als je zuvor vergrößert wurde, war es schwierig selektiv ein schmales Kupferfolien-Teil für die Steuerelektrode durch Ätzen auszubilden.
Die vorliegende Erfindung löst die oben beschriebenen Probleme vorteilhaft und es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die es erlaubt, große elektrische Ströme an die mit der Hauptelektrode des Halbleiterchips verbundenen Verdrahtungselemente anzulegen und die unnötig verdickte leitfähige Folie des mit der Steuerelektrode verbundenen Verdrahtungselements zu verhindern, sowie ein Herstellungsverfahren davon.
MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABEN
Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein vielschichtiges Substrat, das mit einer Isolierplatte und einer Leiterplatte versehen ist,
einen Halbleiterchip mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die Vorderseite mit einer Hauptelektrode und einer darauf ausgebildeten Steuerelektrode verbunden ist, und die Rückseite mit der Leiterplatte verbunden ist,
ein erstes Verdrahtungssubstrat, das ein erstes leitfähiges Element aufweist und derart angeordnet ist, dass es der mit dem ersten leitfähigen Element elektrisch verbundenen Hauptelektrode gegenüberliegt,
ein zweites Verdrahtungssubstrat, das ein zweites leitfähiges Element aufweist und derart angeordnet ist, dass es der Steuerelektrode gegenüberliegt, und das eine Öffnung aufweist, und
einen leitenden Pfosten mit einem ersten Ende und einem anderen Ende, wobei das erste Ende elektrisch und mechanisch mit der Steuerelektrode verbunden ist, und das andere Ende elektrisch und mechanisch mit dem zweiten leitfähigen Element verbunden ist,
wobei das erste leitfähige Element dicker als das zweite leitfähige Element ist,
wobei das erste Verdrahtungssubstrat innerhalb der Öffnung angeordnet ist.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung kann das mit der Hauptelektrode des Halbleiterchips verbundene Verdrahtungselement einen größeren angelegten elektrischen Strom erlauben und eine unnötigerweise verdickte leitfähige Folie des mit der Steuerelektrode verbundenen Verdrahtungselements vermeiden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Schnittansicht eines Leistungs-Halbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A ist eine teilweise vergrößerte Draufsicht eines Hauptteils von 1.
2B ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht eines Hauptteils von 1.
2C ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung beschreibt.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils eines Leistungs-Halbleitermoduls einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Draufsicht eines Elements des Leistungs-Halbleitermoduls der 3.
5A ist eine perspektivische Ansicht eines Metallblocks, die eine Oberfläche einer Seite darstellt, die einem Halbleiterchip gegenüberliegt.
5B ist eine perspektivische Ansicht eines Metallblocks, die eine Oberfläche einer Seite darstellt, die mit einer Anschlussklemme verbunden ist.
6 ist eine Draufsicht einer gedruckten Schaltung.
7 ist eine Rückansicht der gedruckten Schaltung.
8 ist eine Schnittansicht einer Abwandlung des Leistungs-Halbleitermoduls der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht der 8.
10 ist eine Schnittansicht, die einen Fluss eines Dichtharzes während dem Gießen des Leistungs-Halbleitermoduls darstellt.
11 ist eine erklärende Zeichnung eines Herstellungsverfahrens des Leistungs-Halbleitermoduls der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine schematische Schnittansicht einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung.
13A ist eine teilweise vergrößerte Draufsicht eines Hauptteils von 12.
13B ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht eines Hauptteils von 12.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
(Ausführungsform 1)
Im Folgenden wird Ausführungsform 1 der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Der in der vorliegenden Anmeldung verwendete Begriff „elektrisch und mechanisch verbunden” ist nicht auf einen Fall beschränkt, in dem Gegenstände durch direktes Bonden miteinander verbunden sind, sondern umfasst auch einen Fall, in dem die Gegenstände über ein elektrisch leitfähiges Verbindungsmaterial wie zum Beispiel Lot oder ein metallisches gesintertes Material miteinander verbunden sind.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Leistungs-Halbleitermoduls 1, das eine Halbleitervorrichtung dieser Ausführungsform ist. 2A, B zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des mit II gekennzeichneten Bereichs in 1.
In 1 und 2A, B umfasst das Leistungs-Halbleitermodul 1, das eine Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist, ein vielschichtiges Substrat 2, einen Halbleiterchip 3, leitende Pfosten 4, ein erstes Verdrahtungssubstrat 5 und ein zweites Verdrahtungssubstrat 6. Ferner umfasst das Leistungs-Halbleitermodul 1 externe Anschlussklemmen 7A, 7B und ein Versiegelungsharz 8.
Das vielschichtige Substrat 2 besteht aus einem Stapel mit einer Isolierplatte 2a, einer auf einer Vorderseite, in anderen Worten, auf einer Hauptfläche der Isolierplatte 2a angeordneten Leiterplatte 2b und einer auf einer Rückseite der Isolierplatte 2a angeordneten Metallplatte 2c. Die Isolierplatte 2a ist zum Beispiel aus einem isolierenden keramischen Material wie zum Beispiel Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid gefertigt und die Leiterplatte 2b und die Metallplatte 2c sind beispielsweise aus einem Metall wie zum Beispiel Kupfer gefertigt. Für die Isolierplatte 2a können außer den keramischen Materialien auch Elemente verwendet werden, die ein isolierendes Harz wie beispielsweise Polyimid und ein Glas-Epoxid-Material enthalten. Ferner ist die Leiterplatte 2b selektiv auf der Isolierplatte 2a gebildet, so dass ein bestimmter elektrischer Schaltkreis gebildet ist. Ein Substrat wie zum Beispiel ein DCB-(„Direct Copper Bonding”)Substrat kann als vielschichtiges Substrat 2 verwendet werden. Das DCB-Substrat ist ein Substrat aus einer Isolierplatte 2a, auf die eine Leiterplatte 2b und eine Metallplatte 2c aus zum Beispiel Kupfer direkt gebondet sind. Da die Isolierplatte 2a isolierend ist sind die Leiterplatte 2b und die Metallplatte 2c elektrisch voneinander isoliert. Der Halbleiterchip 3 ist elektrisch und mechanisch an die Vorderseite der Leiterplatte 2b durch ein Verbindungsmaterial wie zum Beispiel Lot 9 verbunden. Wie weiter unten beschrieben ist ein Kühler 10 thermisch und mechanisch mit der Rückseite der Metallplatte 2c verbunden. Im dargestellten Beispiel ist das spezifische Mittel zum Herbeiführen der thermischen und mechanischen Verbindung ein Verbindungsmaterial wie zum Beispiel Lot 9.
Beispiele des Halbleiterchips 3 können unter anderem einen IGBT („Insulated-Gate Bipolar Transistor”, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), einen Leistungs-MOSFET („Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) und eine FWD („Free Wheeling Diode”, Freilaufdiode) umfassen, sowie einen RB-IGBT („Reverse Blocking-Insulated Gate Bipolar Transistor”, rückwärts sperrender Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), und einen RC-IGBT („Reverse Conducting-Insulated Gate Bipolar Transistor”, rückwärts leitender Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), die in Vertikalrichtung eines einzelnen Halbleiterchips gebildet sind. Halbleiterchips aus SiC (zum Beispiel ein SiC-MOSFET) haben eine höhere Spannungsfestigkeit und können mit höheren Frequenzen schalten als solche aus Silizium.
Der Halbleiterchip 3 hat ein senkrechtes Schaltelement, das auf einem Halbleitersubstrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite angeordnet ist, und die Vorderseite weist eine Hauptelektrode 3a und eine Steuerelektrode 3b auf, wie in 2B dargestellt ist. Ferner umfasst der Halbleiterchip 3 eine Hauptelektrode an dessen Rückseite (in der Figur nicht dargestellt). Wenn der Halbleiterchip 3 beispielsweise ein IGBT ist, sind auf der Vorderseite eine Emitter-Elektrode, die die Hauptelektrode 3a ist, und eine Gate-Elektrode, die die Steuerelektrode 3b ist, ausgebildet. Eine Kollektorelektrode ist auf der Rückseite ausgebildet.
Der Halbleiterchip 3 ist nicht auf einen IGBT oder Leistungs-MOSFET beschränkt und muss lediglich eine Kombination aus einem oder mehrere Halbleiterchips mit einer Hauptelektrode und einer Steuerelektrode auf der Vorderseite mit der Fähigkeit zum Ausführen von Schaltoperationen sein.
Der leitende Pfosten 4A ist ein stangenähnliches leitendes Element mit einem ersten Ende und einem anderen Ende, wobei das erste Ende derart angeordnet ist, dass es der auf der Vorderseite des Halbleiterchips 3 ausgebildeten Hauptelektrode 3a gegenüberliegt. Die Hauptelektrode 3a ist zum Beispiel durch ein Verbindungsmaterial wie Lot 9 elektrisch und mechanisch mit dem leitenden Pfosten 4A verbunden. Das andere Ende des leitenden Pfostens 4A ist elektrisch und mechanisch mit dem ersten Verdrahtungssubstrat 5 verbunden, das so angeordnet ist, dass es der Hauptelektrode 3a des Halbleiterchips 3 gegenüberliegt.
Der leitende Pfosten 4B ist ein stangenähnliches leitendes Element mit einem ersten Ende und einem anderen Ende, wobei das erste Ende derart angeordnet ist, dass es der auf der Vorderseite des Halbleiterchips 3 ausgebildeten Steuerelektrode 3b gegenüberliegt. Das andere Ende des leitenden Pfostens 4B ist elektrisch und mechanisch mit dem zweiten Verdrahtungssubstrat 6 verbunden, das so angeordnet ist, dass es der Steuerelektrode 3b des Halbleiterchips 3 gegenüberliegt.
Die Steuerelektrode 3b ist zum Beispiel durch ein Verbindungsmaterial wie Lot 9 elektrisch und mechanisch mit dem leitenden Pfosten 4B verbunden. Der leitende Pfosten 4A und der leitende Pfosten 4B sind stiftförmig, wofür zweckmäßigerweise ein metallisches Material mit niedrigem elektrischen Widerstand und hoher thermischer Leitfähigkeit verwendet wird, wobei Kupfer oder Aluminium besonders vorteilhaft sind. Mehrere leitende Pfosten 4A und mehrere leitende Pfosten 4B sind vorzugsweise jeweils für die Hauptelektrode 3a und die Steuerelektrode 3b des Halbleiterchips 3 angeordnet. Die thermische Leitfähigkeit kann somit verbessert werden.
Der leitende Pfosten 4A ist beispielsweise durch Presspassung des leitenden Pfostens 4A in ein Loch, das an einem festgelegten Ort des ersten Verdrahtungssubstrats 5 ausgebildet ist, elektrisch und mechanisch mit dem ersten Verdrahtungssubstrat 5 verbunden. Der leitende Pfosten 4B ist beispielsweise durch Presspassung des leitenden Pfostens 4B in ein Loch, das an einem festgelegten Ort des zweiten Verdrahtungssubstrats 6 ausgebildet ist, elektrisch und mechanisch mit dem ersten Verdrahtungssubstrat 6 verbunden. Weichlöten, Hartlöten oder Gesenkschmieden („swage”) können anstatt der Pressanpassung durchgeführt werden.
Das erste Verdrahtungssubstrat 5 ist derart angeordnet, so dass es der Hauptelektrode 3a des Halbleiterchips 3 gegenüberliegt. Ferner ist das zweite Verdrahtungssubstrat 6 ist derart angeordnet, so dass es der Steuerelektrode 3b des Halbleiterchips 3 gegenüberliegt. Wie in 2A dargestellt hat das zweite Verdrahtungssubstrat 6 eine Öffnung 6c auf gleicher Ebene und das erste Verdrahtungssubstrat 5 ist innerhalb dieser Öffnung 6c angeordnet. Das erste Verdrahtungssubstrat 5 ist vorzugsweise in Kontakt mit der Innenseite dieser Öffnung 6c. Das erste Verdrahtungssubstrat 5 und das zweite Verdrahtungssubstrat 6 können auf derselben Ebene angeordnet sein. Obwohl die Form der Öffnung 6c in Draufsicht im dargestellten Beispiel rechteckig ist können verschiedene Formen für ein leichtes Anbringen des ersten Verdrahtungssubstrats 5 verwendet werden, wobei diese vieleckig, kreisrund, elliptisch usw. sein können.
Wie in 2B gezeigt wird das erste Verdrahtungssubstrat 5 durch einen Stapel aus einem ersten Isoliersubstrat 5a und ersten leitfähigen Elementen 5b, die auf beiden Seiten des Isoliersubstrats 5a angeordnet sind, gebildet. Im dargestellten Beispiel ist das erste leitfähige Element 5b des ersten Verdrahtungssubstrats 5 vollständig auf dem ersten Isoliersubstrat 5a gebildet. Das verwendete erste Isoliersubstrat 5a kann eines aus einem isolierenden Harz wie zum Beispiel Polyimid sein oder eines aus einem Glas-Epoxid-Material und einer keramischen Isolierplatte. Das erste leitfähige Element 5b ist zum Beispiel eine Kupferfolie. Das erste leitfähige Element 5b des ersten Verdrahtungssubstrats 5 kann auf jeder der Oberflächen des ersten Isoliersubstrats 5a gebildet sein, aber es ist vorzugsweise auf jeder der beiden Oberflächen des ersten Isoliersubstrats 5a gebildet, um ein Verbiegen des ersten Verdrahtungssubstrats 5 zu verhindern und die elektromagnetische Abschirmung zu verbessern. Im dargestellten Beispiel ist die Form des ersten Verdrahtungssubstrats 5 in Draufsicht rechteckig aber sie kann auch vieleckig, kreisrund, elliptisch usw. sein.
Das zweite Verdrahtungssubstrat 6 wird durch einen Stapel aus einem zweiten Isoliersubstrat 6a und zweiten leitfähigen Elementen 6b, die auf beiden Seiten des Isoliersubstrats 6a angeordnet sind, gebildet. Im dargestellten Beispiel ist das zweite leitfähige Element 6b des zweiten Verdrahtungssubstrats 6 selektiv auf dem zweiten Isoliersubstrat 6a ausgebildet, so dass eine festgelegte Verdrahtung zum Bilden eines elektrischen Schaltkreises gebildet wird. Man beachte, dass 2A auf eine Darstellung des durch das selektive Ausbilden des zweiten leitfähigen Elements 6b gebildeten Verdrahtungsmusters verzichtet. Das Leistungs-Halbleitermodul 1 kann durch Verkürzen des zweiten leitfähigen Elements 6b des zweiten Verdrahtungssubstrats 6 miniaturisiert werden. Zusätzlich kann die Anordnung der Steueranschlussklemmen gemäß den Anforderungen eines Kunden verändert werden, indem nur die Verdrahtung des zweiten leitfähigen Elements 6b des zweiten Verdrahtungssubstrats 6 verändert wird. Das erste Verdrahtungssubstrat 5 und das zweite Verdrahtungssubstrat 6 sind vorzugsweise so angeordnet, dass die Seitenfläche des ersten Isoliersubstrats 5a der inneren Seitenfläche der Öffnung 6c des zweiten Isoliersubstrats 6a gegenüberliegt. Fern kann ein beliebiges Verfahren zum gegenseitigen Befestigen des ersten Verdrahtungssubstrats 5 und des zweiten Verdrahtungssubstrats 6 verwendet werden, so lange das erste leitfähige Element 5b nicht elektrisch mit dem zweiten leitfähigen Element 6b verbunden wird. Zum Beispiel kann ein entlang des zweiten Isoliersubstrats 6a innerhalb der Öffnung 6c ausgebildeter Vorsprung an der Seitenfläche des ersten Isoliersubstrats 5a montiert werden, um die beiden Substrate auszurichten und zu fixieren. Ferner kann eine isolierende Platte oder ein Distanzstück in einen Raum zwischen der Öffnung 6c des zweiten Verdrahtungssubstrats 6 und des ersten Verdrahtungssubstrats 5 eingesetzt werden, um die beiden Substrate zu befestigen.
Das verwendete zweite Isoliersubstrat 6a kann eines aus einem isolierenden Harz wie zum Beispiel Polyimid sein oder eines aus einem Glas-Epoxid-Material und einer keramischen Isolierplatte. Das zweite leitfähige Element 6b ist zum Beispiel eine Kupferfolie. Das zweite leitfähige Element 6b des zweiten Verdrahtungssubstrats 6 kann auf jeder der Oberflächen des zweiten Isoliersubstrats 6a gebildet sein, aber es ist vorzugsweise auf jeder der beiden Oberflächen des zweiten Isoliersubstrats 6a gebildet, um ein Verbiegen des zweiten Verdrahtungssubstrats 6 zu verhindern und die elektromagnetische Abschirmung zu verbessern.
Die Dicke des ersten leitfähigen Elements 5b des ersten Verdrahtungssubstrats 5 ist größer als die Dicke des weiten leitfähigen Elements 6b des zweiten Verdrahtungssubstrats 6. Die größere Dicke des ersten leitfähigen Elements 5b des ersten Verdrahtungssubstrats 5 erlaubt eine Wärmeentwicklung des ersten leitfähigen Elements 5b zu verhindern, selbst wenn ein großer elektrischer Strom von 200 A (Ampere) oder 400 A an das erste leitfähige Element 5b angelegt wird.
Außerdem, da die Dicke des zweiten leitfähigen Elements 6b des zweiten Verdrahtungssubstrats 6 vergleichsweise dünner als die des ersten leitfähigen Elements 5b ist, muss die Dicke des zweiten leitfähigen Elements 6b, durch das ein elektrischer Strom von wenigen A fließt, nicht unnötigerweise so groß sein wie die des ersten leitfähigen Elements 5b des ersten Verdrahtungssubstrats 5, und ferner kann das zweite leitfähige Element 6b leicht selektiv durch Ätzen ausgebildet werden, um einen elektrischen Schaltkreis zu bilden.
Die Dicke des ersten leitfähigen Elements 5b ist jene in Richtung des Stapels des ersten Isoliersubstrats 5a und des ersten leitfähigen Elements 5b, Die Dicke des zweiten leitfähigen Elements 6b ist jene in Richtung des Stapels des zweiten Isoliersubstrats 6a und des zweiten leitfähigen Elements 6b,
Die externen Anschlussklemmen 7A, 7B des Leistungs-Halbleitermoduls 1 sind Anschlussklemmen, die die Hauptelektrode 3a und andere Komponenten auf der Vorderseite und Rückseite des Halbleiterchips 3 elektrisch nach außen verbinden und außerdem wird eine elektrische Netzleistung über die Anschlussklemmen übertragen. Ein Ende der externen Anschlussklemmen 7A, 7B ist elektrisch mit der Leiterplatte 2b des vielschichtigen Substrats 2 verbunden, zum Beispiel durch ein Verbindungsmaterial wie Lot 9. Das andere Ende der externen Anschlussklemmen 7A, 7B wird von der Oberfläche eines Dichtharzes 8, das eine äußere Form des Leistungs-Halbleitermoduls 1 bildet, nach außen geführt. Eingang und Ausgang der Stromversorgung von außen wird über die externen Anschlussklemmen 7A, 7B durchgeführt. Das Leistungs-Halbleitermodul 1 weist neben den externen Anschlussklemmen 7A, 7B eine nicht dargestellte Steueranschlussklemme auf. Die Steueranschlussklemme ist eine Anschlussklemme zum Steuern des Halbleiterchips 3 und ein Ende der Anschlussklemme ist elektrisch über das zweite Verdrahtungssubstrat 6 mit der auf der Vorderseite des Halbleiterchips 3 gebildeten Steuerelektrode 3b verbunden.
Das Versiegelungsharz 8 versiegelt mindestens den Halbleiterchip 3, das vielschichtige Substrat 2, das erste Verdrahtungssubstrat 5, das zweite Verdrahtungssubstrat 6, den leitenden Pfosten 4A und den leitenden Pfosten 4B. Das Versiegelungsharz 8 hat keine besonderen Beschränkungen so lange es ein Harz ist, das zum Beispiel eine festgelegte Isolierleistung und eine festgelegte Formbarkeit aufweist und es können duroplastische Harze verwendet werden. Das zu verwendende Versiegelungsharz 8 kann insbesondere ein Harz wie zum Beispiel ein Epoxidharz oder ein Maleimidharz sein. Ferner kann dem Harz ein Füllstoff aus einem thermisch hochleitenden Material beigemischt sein, um Wärmeabfuhr zu verbessern. Als Füllstoff kann ein Material wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder Bornitrid verwendet werden.
In dieser Ausführungsform bildet der Versiegelungsharz 8 die äußere Form, in anderen Worten das Gehäuse des Leistung-Halbleitermoduls 1, das keinem anderen Gehäuse ausgestattet ist. Die Formgebung des Versiegelungsharzes 8 kann durch Gießen, insbesondere Spritzpressen erfolgen, ist aber nicht auf Spritzpressen beschränkt. Zum Beispiel kann die Formgebung durch Verguss des Harzes erfolgen. Außerdem ist das Leistungs-Halbleitermodul 1 nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt und kann auch derart ausgestaltet sein, dass es außer dem Versiegelungsharz mit einer zusätzlichen Hülle versehen ist.
Die Metallplatte 2c des vielschichtigen Substrats 2 ist auf der Vorderseite eines Kühlers 10 befestigt. Der Kühler 10 umfasst in seinem Innenraum eine Vielzahl von Lamellen 10b. Der Raum zwischen den Lamellen 10b wirkt als Kühlkanal 10a. Ein Kühlmedium zirkuliert von außen in diesen Kühlkanal 10a. Das Kühlmedium hat keine bestimmte Einschränkung und es können nicht nur flüssige Kältemittel wie zum Beispiel wässriges Ethylenglykol oder Wasser verwendet werden, sondern es auch ein gasförmiges Kältemittel wie zum Beispiel Luft verwendet werden, und außerdem kann ein Kältemittel mit veränderlichem Aggregatzustand verwendet werden wie zum Beispiel Fluorchlorkohlenwasserstoff, das im Kühler verdampft um ihn über die Verdampfungswärme zu kühlen. Die Befestigung des Kühlers 10 mit der Metallplatte 2c wird im dargestellten Beispiel durch Bonden mit einem Verbindungsmaterial wie zum Beispiel Lot 9 erreicht. Bonden des Kühlers 10 mit der Metallplatte 2c durch das Lot 9 ermöglicht eine Weiterleitung von Wärme, die sich vom Halbleiterchip 3 zum vielschichtigen Substrat 2 ausbreitet, zum Kühler 10.
Das für das Bonden des Halbleiterchips 3 und der Leiterplatte 2b verwendete Lot 9, das für das Bonden des Halbleiterchips 3 und der leitfähigen Pfosten 4A oder 4B verwendete Lot 9 und das für das Bonden des Kühlers 10 und der Metallplatte 2c verwendete Lot 9 kann ein Lotmaterial wie zum Beispiel ein Sn-Ag-, Sn-Cu-, Sn-Sb- und Sn-Sb-Ag-Lotmaterial sein. Im Leistungs-Halbleitermodul 1 kann als Lot 9 für jede Verbindung dasselbe Material verwendet werden und es können zum Beispiel auch verschiedene Lotmaterialien als Lot 9 zum Bonden des Halbleiterchips 3 und der Leiterplatte 2b und als Lot 9 zum Bonden des Halbleiterchips 3 und der leitenden Pfosten 4A und so weiterverwendet werden.
Das Leistungs-Halbleitermodul 1 umfasst das erste leitfähige Element 5b des ersten Verdrahtungssubstrats 5, das wie oben beschrieben dicker als das zweite leitfähige Element 6b des zweiten Verdrahtungssubstrats 6 ist.
Im Allgemeinen folgt die Wärmeerzeugung während einem elektrischen Stromfluss in einem Leiter dem Jouleschen Gesetz, Q = I²·R·t, wobei Q die Wärmemenge, I der elektrische Strom, R der Widerstand und t die Bestromungszeit ist.
Ferner wird der Widerstand des Leiters durch die folgende Formel ausgedrückt, R = ρ·L/S, wobei R der Widerstand, ρ der spezifische Widerstand, L die Länge des Leiters und S die Querschnittsfläche des Leiters ist.
Die oben beschrieben zwei Formeln zeigen, dass zum Verringern der Wärmemenge eines Leiters, durch den ein elektrischer Strom fließt, ein kleiner elektrischer spezifischer Widerstand, ein kürzerer Verdrahtungsweg und eine größere Querschnittsfläche wirksam sind.
Bei der Produktentwicklung muss die Wärmeerzeugung aufgrund von Bestromung niedriger als eine bestimmte Wärmemenge eingestellt werden und bei einem Verdrahtungssubstrat, das einen Teil eines Schaltkreises der Stromversorgung des Halbleiterchips 3 darstellt, kann es schwierig sein, einen größeren elektrischen Strom anzulegen aufgrund einer oberen Grenze der Dicke eines leitfähigen Elements, wobei dieser obere Grenzwert durch Produktionsbeschränkungen des Verdrahtungssubstrats bestimmt wird. Außerdem, selbst wenn ein dickeres leitfähiges Element erreicht werden konnte, führte es bei der Pressanpassung des leitenden Pfostens zu einer erhöhten notwendigen Kraft, höheren Herstellungskosten und zudem Schwierigkeiten beim Ausbilden von leitfähigen Elementen für schmale Steuerelektroden durch selektives Ätzen.
Dementsprechend ist es zum Lösen der oben genannten Probleme effektiv ein Verdrahtungssubstrat durch das erste Verdrahtungssubstrat 5 und das zweite Verdrahtungssubstrat 6 einzurichten, wobei das erste leitfähige Element 5b des ersten Verdrahtungssubstrats 5 dicker als das zweite leitfähige Element 6b des zweiten Verdrahtungssubstrats 6 ist.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren des Leistungs-Halbleitermoduls 1 gemäß der Ausführungsform 1 anhand von 2C beschrieben.
Zuerst werden ein vielschichtiges Substrat 2 mit einer Isolierplatte 2a und einer Leiterplatte 2b, ein Halbleiterchip 3 mit einer Vorderseite und einer Rückseite und einer Hauptelektrode 3a und einer Steuerelektrode 3b auf der Vorderseite, ein erstes Verdrahtungssubstrat 5 mit einem ersten leitfähigen Element 5b, ein zweites Verdrahtungssubstrat 6 mit einem zweiten leitfähigen Element 6b, das dünner als das erste leitfähige Element 5b ist und eine Öffnung 6c hat, und ein leitender Pfosten 4B mit einem ersten Ende und einem andere Ende, das elektrisch und mechanisch mit dem zweiten leitfähigen Element 6b verbunden ist, vorbereitet (S1).
Dann wird die Rückseite des Halbleiterchips 3 an der Leiterplatte 2b befestigt (S2); das erste Verdrahtungssubstrat 5 wird so angeordnet, dass es der Hauptelektrode 3a gegenüberliegt und das erste leitfähige Element 5b wird elektrisch mit der Hauptelektrode 3a verbunden (S3); das zweite Verdrahtungssubstrat 6 wird so angeordnet, dass es der Steuerelektrode 3b gegenüberliegt, so dass sich das erste Verdrahtungssubstrat 5 innerhalb der Öffnung 6c befindet und ein Ende des leitenden Pfostens 4B wird elektrisch und mechanisch mit der Steuerelektrode 3b verbunden (S4).
Bei solch einem Herstellungsverfahren umfasst das erste Verdrahtungssubstrat 5 vorzugsweise ein erstes Isoliersubstrat 5a, das eine Vorderseite und eine Rückseite hat, und das erste leitfähige Element 5a ist vorzugsweise mindestens auf der Vorderseite und/oder der Rückseite des ersten Isoliersubstrats 5a gebildet. Ferner umfasst das zweite Verdrahtungssubstrat 6 vorzugsweise ein zweites Isoliersubstrat 6a, das eine Vorderseite und eine Rückseite hat, und das zweite leitfähige Element 6b ist vorzugsweise mindestens auf der Vorderseite und/oder der Rückseite des zweiten Isoliersubstrats 6a gebildet. Ferner wird vorzugsweise eine Öffnung 6c auf dem zweiten Isoliersubstrat 6a angeordnet.
(Ausführungsform 2)
Als nächstes wird Ausführungsform 2 der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben.
3 zeigt einen Hauptteil des Leistungs-Halbleitermoduls 11, das eine Halbleitervorrichtung dieser Ausführungsform 2 ist, als perspektivische Ansicht. Für ein besseres Verständnis sind in 3 Darstellungen der externen Anschlussklemme 7A, der externen Anschlussklemme 7B und des Versiegelungsharzes 8 weggelassen und Aspekte des Hauptteils vor dem Versiegeln mit dem Versiegelungsharz 8 dargestellt. In den folgenden Zeichnungen werden dieselben Bezugszeichen denselben Elementen, wie denen in 1 und 2A, B dargestellten, zugeordnet. Entsprechend werden in der folgenden Beschreibung Erklärungen von bereits beschriebenen Elementen ausgelassen.
In 3 umfasst das Modul zwei Halbleiterchips 3 (in der Zeichnung nicht dargestellt). Der Halbleiterchip 3 ist zum Beispiel ein RC-IGBT. Der RC-IGBT umfasst ein IGBT-Element und ein FWS-Element auf einem Chip.
Der Halbleiterchip 3 (in der Zeichnung nicht dargestellt) ist elektrisch und mechanisch mit der Leiterplatte 2b des vielschichtigen Substrats 2 verbunden. Ein Metallblock 15 als erstes Verdrahtungssubstrat ist elektrisch und mechanisch mit der auf der Vorderseite des Halbleiterchips 3 ausgebildeten Hauptelektrode 3a (in der Zeichnung nicht dargestellt) verbunden. Außerdem ist eine gedruckte Schaltung 16 als zweites Verdrahtungssubstrat so angeordnet, dass es der auf der Vorderseite des Halbleiterchips 3 ausgebildeten Steuerelektrode 3b (in der Zeichnung nicht dargestellt) gegenüberliegt, und die Steuerelektrode 3b und die zweiten Kupferfolien-Teile 16c der gedruckten Schaltung 16 sind elektrisch über die leitenden Pfosten 4B verbunden.
Das für die Steuerelektrode gebildete schmale zweite Kupferfolien-Teil 16c ist selektiv auf einer flexiblen Isolierplatte 16a der gedruckten Schaltung 16 ausgebildet und ein Ende (oberes Ende) des leitenden Pfostens 4B ist zum Beispiel durch Pressanpassung elektrisch und mechanisch mit einem longitudinalen Ende des zweiten Kupferfolien-Teils 16c verbunden. Ein Ende (unteres Ende) einer externen Anschlussklemme 7C als Steueranschlussklemme ist durch ein Verbindungsmaterial wie zum Beispiel Lot 9 mit dem anderen longitudinalen Ende des zweiten Kupferfolien-Teils 16c verbunden. Die flexible Isolierplatte 16a entspricht dem zweiten Isoliersubstrat der vorliegenden Erfindung und das zweite Kupferfolien-Teil 16c entspricht dem zweiten leitfähigen Element der vorliegenden Erfindung.
Eine breite Anschlussklemme 7d ist unter anderem durch Laserschweißen mit dem einen Metallblock 15 des Halbleiterchips 3 verbunden. Eine breite Anschlussklemme 7e ist unter anderem durch Laserschweißen mit dem anderen Metallblock 15 des Halbleiterchips 3 verbunden. Eine breite Anschlussklemme 7f ist unter anderem durch Laserschweißen mit der Leiterplatte 2b des vielschichtigen Substrats 2 verbunden.
4 ist eine Draufsicht, bei der von den in 3 dargestellten Elementen die gedruckte Schaltung 16, die Anschlussklemme 7d, die Anschlussklemme 7e und die Anschlussklemme 7f weggelassen sind. In anderen Worten, 4 zeigt die Isolierplatte 2a und die Leiterplatte 2b des vielschichtigen Substrats 2, den Halbleiterchip 3 und den Metallblock 15 in der Zeichnung. In 4 ist die Leiterplatte 2b in ein erstes Schaltkreisteil 2ba, ein zweites Schaltkreisteil 2bb, ein drittes Schaltkreisteil 2bc, ein viertes Schaltkreisteil 2bd und ein fünftes Schaltkreisteil 2be aufgeteilt.
Das erste Schaltkreisteil 2ba ist elektrisch mit einer Hauptelektrode auf der Rückseite des Halbleiterchips 3A verbunden. Dieses erste Schaltkreisteil 2ba umfasst einen herausragenden Teil 2bf und die Oberseite dieses herausragenden Teils 2bf ist mit der Anschlussklemme 7f Laser-verschweißt. Das zweite Schaltkreisteil 2bb ist elektrisch mit einer Hauptelektrode der Rückseite des anderen Halbleiterchips 3B verbunden. Das vierte Schaltkreisteil 2bd ist an einem Ort angeordnet, der dem unteren Ende der externen Anschlussklemme 7C gegenüberliegt. Das vierte Schaltkreisteil 2bd kann oder kann nicht elektrisch mit der externen Anschlussklemme 7C verbunden sein. Das fünfte Schaltkreisteil 2be ist an einem Ort angeordnet, der dem unteren Ende der externen Anschlussklemme 7C gegenüberliegt. Das fünfte Schaltkreisteil 2be kann oder kann nicht elektrisch mit der externen Anschlussklemme 7C verbunden sein.
Die beiden RC-IGBTs sind auf dem vielschichtigen Substrat 2 angeordnet und mit der Leiterplatte 2b, dem Metallblock 15, der Anschlussklemme 7d, der Anschlussklemme 7e, der Anschlussklemme 7f und der gedruckten Schaltung 16 verbunden, um obere und untere Arme einer Wechselrichterschaltung zu bilden. Zwei elektrisch parallel verbundene Paare von Halbleiterchips 3 können auf einem vielschichtigen Substrat 2 angeordnet sein, um einen oberen Arm und einen unteren Arm in einer Phase zu bilden, die eine Wechselrichterschaltung bildet.
5A ist eine perspektivische Ansicht des Metallblocks 15, die die Oberfläche einer Seite darstellt, die dem Halbleiterchip 3 gegenüberliegt, und 5B ist eine perspektivische Ansicht, die die Oberfläche einer Seite darstellt, die mit der Anschlussklemme 7d oder der Anschlussklemme 7e verbunden ist. Wie in 5A, B gezeigt, hat der Metallblock 15 des dargestellten Beispiels eine flächige und ungefähr rechteckige Form von ungefähr derselben Fläche wie jene der Hauptelektrode 3a des Halbleiterchips 3 und ein plattenartiges Basisteil 15a mit einer festgelegten Dicke und einer Vielzahl von Stiftteilen 15b, die aus dem Basisteil 15a herausragen. Das Basisteil 15a kann ungefähr die Form eines rechteckigen Parallelepipeds haben. Die Spitze des Stiftteils 15b ist durch ein Verbindungsmaterial wie zum Beispiel Lot 9 elektrisch und mechanisch mit der Hauptelektrode 3a des Halbleiterchips 3 verbunden. Der Metallblock 15 ist ein elektrisch leitfähiges und thermisch leitfähiges Metall wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium. Die Dicke des Basisteils 15a, in anderen Worten der Abstand zwischen der Oberfläche der Seite im Basisteil 15a, die dem Halbleiterchip 3 gegenüberliegt, und der Oberfläche der Seite, die mit der Anschlussklemme 7d oder der Anschlussklemme 7e verbunden ist, ist größer als die Dicke eines ersten Kupferfolien-Teils 16b der gedruckten Schaltung 16. Demnach erlaubt der Metallblock 15 einen Umlauf eines großen elektrischen Stroms. Der Metallblock 15 ist aus einem wärmeableitenden Material gefertigt und kann außerdem Wärme in einen Raum zwischen jedem der Stifte im Stiftteil abstrahlen. Dementsprechend erlaubt das Verwenden des Metallblocks 15 ein Verhindern von Wärmeerzeugung während der Bestromung.
Die Form jedes der Stifte im Stiftteil 15b ist nicht besonders beschränkt auf die dargestellte zylindrische Form und kann eine prismenartige oder finnenartige Form sein.
Da der Metallblock 15 verwendet wird, ist eine für die Pressanpassung der leitenden Pfosten in die Kupferfolie notwendige Kraft nicht erforderlich, anders als im Fall einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung, bei der gedruckte Schaltungen mit dicker Kupferfolie verwendet werden, und daher wird vermieden, dass der leitende Pfosten bricht oder sich verbiegt.
Varianten des Metallblocks 15 dieser Ausführungsform umfassen einen Metallblock ohne das Stiftteil 15b. In anderen Worten, es können plattenartige Metallblöcke nur mit dem Basisteil 15a sein. In diesem Fall ist auch ein plattenartiger Metallblock, der in Richtung seiner Dicke von einem Loch durchdrungen wird, eine Abwandlung des Metallblocks 15 dieser Ausführungsform.
6 ist eine Vorderansicht der gedruckten Schaltung 16 und 7 ist eine Rückansicht der gedruckten Schaltung 16. In 6 und 7 ist die gedruckte Schaltung 16 eine Platine, bei der das erste Kupferfolien-Teil 16b und das zweite Kupferfolien-Teil 16c selektiv auf den beiden Oberflächen der flexiblen Isolierplatte 16a ausgebildet sind. Das erste Kupferfolien-Teil 16b und das zweite Kupferfolien-Teil 16c können jedoch auch auf nur einer der beiden Oberflächen ausgebildet sein.
Durch Verkürzen des zweiten Kupferfolien-Teils 16c der gedruckten Schaltung 16 kann das Leistungs-Halbleitermodul 1 miniaturisiert werden. Zusätzlich kann die Anordnung der Steueranschlussklemmen durch Ändern der Verdrahtung des zweiten Kupferfolien-Teils 16c gemäß Kundenanforderungen geändert werden.
Die flexible Isolierplatte 16a ist aus einem flexiblen isolierenden Harz gefertigt und es können zum Beispiel Polyimid-Harze verwendet werden. Die flexible Isolierplatte 16a hat eine Öffnung 16d, die zum Einführen und Durchdringen des Metallblocks 15 ausgebildet ist. Eine Vielzahl von Zungenstücken 16e sind entlang der Peripherie der Öffnung 16d ausgebildet. Durch Einführen und Durchdringen des Metallblocks 15 kommt die Zungenstücke 16e in Kontakt mit der Seitenfläche des Metallblocks 15 und werden gezwungen, eine verbogene Form anzunehmen. Der Metallblock 15 und die gedruckte Schaltung 16 können auf derselben Ebene angeordnet sein. Die gedruckte Schaltung 16 wird am Metallblock 15 ausgerichtet gehalten und somit integral daran befestigt. Die Form des Zungenstücks 16e ist nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt.
Andere Teile als die Zungenstücke 16e in der Öffnung 16d sind Teile, die eine Lücke bilden, wenn der Metallblock 15 in die Öffnung 16d eingeführt und hindurch gesteckt wird. Die Lücke wird durch das Zungenstück 16e definiert. Die Bildung der durch das Zungenstück 16e definierte Lücke erlaubt den Fluss des Versiegelungsharzes 8 durch die Lücke während des Gießens des Versiegelungsharzes 8.
Das zweite Kupferfolien-Teil 16c wird wie unter Verwendung der 3 beschrieben wurde in einer schmalen Form für die Steuerelektrode auf der flexiblen Isolierplatte 16a der gedruckten Schaltung 16 ausgebildet. Ein Ende (oberes Ende) des leitenden Pfostens 4B ist elektrisch und mechanisch, zum Beispiel durch Pressanpassung, mit einem longitudinalen Ende des zweiten Kupferfolien-Teils 16c verbunden. Der Abstand zwischen der gedruckten Schaltung 16 und dem vielschichtigen Substrat wird durch die Länge des leitenden Pfostens 4B bestimmt, dessen eines Ende mit dem zweiten Kupferfolien-Teil 16c verbunden ist, und dessen anderes Ende mit der Steuerelektrode 3b des Halbleiterchips 3 verbunden ist.
Ein Loch, das die gedruckte Schaltung 16 in Richtung der Dicke durchdringt, ist am anderen longitudinalen Ende des zweiten Kupferfolien-Teils 16c ausgebildet und ein Ende (unteres Ende) der externen Anschlussklemme 7C ist in dieses Durchgangsloch eingeführt und elektrisch und mechanisch, durch Pressanpassung oder ein Verbindungsmaterial wie zum Beispiel Lot 9, verbunden. Das untere Ende der externen Anschlussklemme 7C kann mit dem vierten Schaltkreisteil 2bd oder dem fünften Schaltkreisteil 2be des vielschichtigen Substrats 2 in Kontakt stehen oder nicht.
Das erste Kupferfolien-Teil 16b ist auf der flexiblen Isolierplatte 16a innerhalb eines Bereichs ausgebildet, der in der Nähe der Öffnung 16d liegt, und behindert weder im zweiten Kupferfolien-Teil 16c noch beeinträchtigt er die Verformung des Zungenstücks 16e. Das erste Kupferfolien-Teil 16b verhindert die Verformung der gedruckten Schaltung 16 und verbessert die elektromagnetische Abschirmungseigenschaft.
Das Leistungs-Halbleitermodul 11 dieser Ausführungsform umfasst den Metallblock 15 und die gedruckte Schaltung 16 und die Dicke des Basisteils 15a des Metallblocks 15 ist größer als die des zweiten Kupferfolien-Teils 16c der gedruckten Schaltung 16. In einem Beispiel beträgt die Dicke des Basisteils ungefähr 0,5–3,0 mm. Wenn die Dicke des Basisteils 0,5 mm oder mehr beträgt, kann die Wärmeerzeugung des Metallblocks 15 selbst in dem Fall, dass ein großer elektrischer Strom durch den Metallblock 15 fließt, verhindert werden. Wenn die Dicke des Basisteils 3,0 mm oder weniger beträgt, wird die Hauptelektrode 3a über den Lot 9 mit dem Stiftteil 15b des Halbleiterchips 3 verbunden, der eine angemessene Dicke aufweist, wodurch die Zuverlässigkeit des Leistungs-Halbleitermoduls 11 gesichert wird.
Ferner ist die Dicke des ersten Kupferfolien-Teils 16b der gedruckten Schaltung 16 nicht so groß wie die des Basisteils 15a des Metallblocks 15 und in einem Beispiel beträgt die Dicke des ersten Kupferfolien-Teils 16b ungefähr 0,1–0,3 mm. Wenn die Dicke des ersten Kupferfolien-Teils 16b 0,1 mm oder mehr beträgt, kann ein zweites Kupferfolien-Teil 16c ausgebildet werden, der nur eine Dicke aufweisen muss, die notwendig und ausreichend ist, um einen elektrisch Strom zum Steuern zu leiten. Ferner, wenn die Dicke des ersten Kupferfolien-Teils 16b 0,3 mm oder weniger beträgt, kann das zweite Kupferfolien-Teil 16c leicht und selektiv durch Ätzen ausgebildet werden, wobei das zweite Kupferfolien-Teil 16c gleichzeitig mit dem ersten Kupferfolien-Teil 16b ausgebildet wird, um einen elektrischen Schaltkreis zu bilden.
Außerdem wird die Öffnung 16d auf der gedruckten Schaltung 16 ausgebildet und durch Stecken des Metallblocks 15 durch die Öffnung 16d, kann die Position der mit dem Metallblock 15 verbundene Steuerelektrode 3b im Halbleiterchip 3 an der Position eines Endes des mit einem Ende des zweiten Kupferfolien-Teils 16c der gedruckten Schaltung 16 verbundenen leitenden Pfostens 4B ausgerichtet werden, so dass die Positionen einander gegenüberliegen. In anderen Worten, die Position der Steuerelektrode 3b und die Position des einen Endes des leitenden Pfostens 4B können ohne eine Justiervorrichtung automatisch und präzise aneinander ausgerichtet werden indem lediglich der Metallblock 15 durch die Öffnung 16d der gedruckten Schaltung 16 geführt wird. Demzufolge können Leistungs-Halbleitermodule mit hoher Zuverlässigkeit zu niedrigen Kosten hergestellt werden. Ein Ergebnis der Herstellung des Leistungs-Halbleitermoduls 11 der Ausführungsform 2 hat tatsächlich gezeigt, dass die Position der Steuerelektrode 3b automatisch und präzise an der Position des einen Endes des leitenden Pfostens 4B ausgerichtet werden konnte.
Insbesondere hat ein Leistungs-Halbleitermodul 11, bei dem das Zungenstück 16e aus der flexiblen Isolierplatte 16a der gedruckten Schaltung 16 entlang der Peripherie der Öffnung 16d gebildet wird, die folgende Wirkung. Diese Wirkung wird anhand von 8 und 9 beschrieben.
8 ist eine Schnittansicht eines Leistungs-Halbleitermoduls 12 einer Abwandlung des Leistungs-Halbleitermoduls 11 und 9 ist eine vergrößerte Schnittansicht der Umgebung des Metallblocks 15 und einer gedruckten Schaltung 16 im Leistungs-Halbleitermodul 12 der 8. In 8 und 9 sind identische Bezugszeichen denselben Elementen zugeordnet wie in 1–7 dargestellt sind und eine erneute Beschreibung wird im Folgenden übersprungen.
Das in 8 und 9 dargestellte Leistungs-Halbleitermodul 12 hat eine externe Anschlussklemme mit einer anderen Form als die des in 3 gezeigten Leistungs-Halbleitermoduls 11. Die Zungenstücke 16e aus einer flexiblen Isolierplatte 16a sind jedoch wie im Fall des Leistungs-Halbleitermoduls 11 entlang der Peripherie der Öffnung 16d der gedruckten Schaltung 16 gebildet.
Wenn die Größe der Öffnung 16d der gedruckten Schaltung 16 kleiner als die des Basisteils 15a des Metallblocks 15 ist, führt das vorspringend ausgebildete extrudierte Zungenstück 16e zu einem verbogenen Zustand des Zungenstücks 16e, während es in Kontakt mit dem Metallblock 15 gehalten wird, nachdem der Metallblock 15 wie durch die vergrößerte Schnittansicht in 9 gezeigt durch die Öffnung 16d gesteckt wird. Hierdurch kann die gedruckte Schaltung 16 integral am Metallblock 15 befestigt werden während sie an ihm ausgerichtet bleibt. Die Position der Steuerelektrode 3b kann somit automatisch und präzise an der Position eines Endes des leitenden Pfostens 4B ausgerichtet werden und folglich kann das Leistungs-Halbleitermodul mit hoher Zuverlässigkeit bei niedrigen Kosten hergestellt werden.
Außerdem erlaubt das ausgebildete Zungenstück 16e auch ein Ausrichten und Befestigen einer Vielzahl von Metallblöcken 15 in verschiedenen Größen unter Verwendung einer gedruckten Schaltung, indem das Zungenstück 16e verbogen wird.
Außerdem können in der Öffnung 16d beim Gießen des Versiegelungsharzes 8 gebildete Leerräume verringert werden, da andere Teile als das Zungenstück 16e Teile sind, die eine Lücke bilden, wenn der eingeführte Metallblock 15 die Öffnung 16d durchdringt. 10 gibt durch Pfeile den Fluss des Dichtharzes 8 beim Gießen im Leistungs-Halbleitermodul 12 an. Im Bereich über der gedruckten Schaltung 16 bewegt sich der Fluss mit einer hohen Geschwindigkeit und mit einer großen Menge, da der Fluss durch eine kleine Anzahl von Elementen behindert wird, und im Bereich zwischen der gedruckten Schaltung 16 und dem vielschichtigen Substrat 2 bewegt sich der Fluss mit einer relativ kleinen Geschwindigkeit mit einer geringen Menge, da er durch eine große Anzahl von Elementen behindert wird. Obwohl die gedruckte Schaltung 16, die als Begrenzung agiert, eher dazu tendiert aufgrund des Flussunterschieds Leerstellen zu erzeugen, ist sie ein Teil, in dem die Lücke gebildet wird, wenn der eingeführte Metallblock 15 die Öffnung 16d durchdringt, und die Lücke erlaubt dem Versiegelungsharz 8 vom Bereich über der gedruckten Schaltung 16 zwischen die gedruckte Schaltung 16 und das vielschichtige Substrat 2 zu fließen. Hierdurch können Leerstellen wirksam reduziert werden. In solch einer Gießform beträgt ein Abstand L1 von der gedruckten Schaltung 16 zur oberen Wand der Gießform ungefähr 1,0–3,0 mm und ein Abstand L2 zwischen der gedruckten Schaltung 16 und dem vielschichtigen Substrat 2 beträgt ungefähr 0,3–2,0 mm. Wenn der Abstand L1 von der gedruckten Schaltung 16 zur oberen Wand der Gießform 1,0 mm oder mehr beträgt ist ein Brechen des Versiegelungsharzes 8 weniger wahrscheinlich, selbst wenn sich das Leistungs-Halbleitermodul 12 zum Beispiel aufgrund von Wärme verformt. Wenn der Abstand L1 von der gedruckten Schaltung 16 zur oberen Wand der Gießform 3,0 mm oder weniger beträgt kann das Leistungs-Halbleitermodul einfacher hergestellt werden, und außerdem kann ein Betrag der Verzerrung des Leistungs-Halbleitermoduls 12 klein sein, was die Zuverlässigkeit sicherstellt. Wenn der Abstand L2 von der gedruckten Schaltung 16 zum vielschichtigen Substrat 2 0,3 mm oder mehr beträgt ist die Fließfähigkeit des Harzes zufriedenstellend und eine Bildung von Leerstellen kann verringert werden. Wenn der Abstand L2 von der gedruckten Schaltung 16 zum vielschichtigen Substrat 2 2,0 mm oder weniger beträgt kommt ein Problem wie zum Beispiel ein Verbiegen von Stiften nach dem Pressanpassen nicht vor, das durch den Harz, der währen des Spritzpressens fließt. Das Verhältnis von L1 zu L2 kann 0,5–10 betragen, wobei L1 der Abstand von der gedruckten Schaltung 16 zur oberen Wand der Gießform und L2 der Abstand von der gedruckten Schaltung 16 zum vielschichtigen Substrat 2 ist.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren des Leistungs-Haibleitermoduls 12 der Ausführungsform 2 beschrieben.
Wie in 11 dargestellt ist der Halbleiterchip 3 durch das Lot 9 mit der Leiterplatte 2b des vielschichtigen Substrats 2 verbunden und der Metallblock 15 ist durch das Lot 9 mit dem Halbleiterchip verbunden. Das Verbinden des Metallblocks 15 mit dem Halbleiterchip 3 kann nach dem Verbinden des Halbleiterchips 3 mit der Leiterplatte 2b durchgeführt werden und das Verbinden des Halbleiterchips 3 mit der Leiterplatte 2b und das Verbinden des Metallblocks 15 mit dem Halbleiterchip 3 kann gleichzeitig durchgeführt werden.
Dann wird der Metallblock 15 in die in der gedruckten Schaltung 16 gebildete Öffnung 16d eingelegt und durchgeführt. Als Ergebnis weist das entlang der Peripherie der Öffnung 16d ausgebildete Zungenstück 16e wie in 9 gezeigt eine verbogene Form auf und bleibt in Kontakt mit der Seitenfläche des Metallblocks 15.
Durch diesen beteiligten Herstellungsprozess wird die gedruckte Schaltung 16 integral am Metallblock 15 befestigt während sie an ihm ausgerichtet bleibt. Daher kann die Position der Steuerelektrode 3b automatisch und präzise an der Position eines Endes des leitenden Pfostens 4B ausgerichtet werden und folglich kann das Leistungs-Halbleitermodul mit hoher Zuverlässigkeit bei niedrigen Kosten hergestellt werden.
Ferner kann das Herstellungsverfahren des Leistungs-Halbleitermoduls 1 gemäß Ausführungsform 1 als Abwandlung des Herstellungsverfahrens des Leistungs-Halbleitermoduls 12 dieser Ausführungsform mit den im Folgenden beschriebenen geänderten Schritten und Elementen angewendet werden.
In anderen Worten wird der Metallblock 15 als erstes leitfähiges Element 5b übernommen. Das zweite Verdrahtungssubstrat 6 (16) umfasst das zweite Isoliersubstrat 6a (16a) mit einer Vorderseite und einer Rückseite; das zweite leitfähige Element 6b (16b) ist auf wenigstens auf der Vorderseite oder der Rückseite des zweiten Isoliersubstrats 6a (16a) ausgebildet; die Öffnung 6c (16d) ist auf dem zweiten Isoliersubstrat 6a (16a) angeordnet; das Zungenstück (16e) aus einem flexiblen Material ist entlang der Peripherie der Öffnung 6c (16d) ausgebildet. Ferner wird im Schritt des elektrischen und mechanischen Verbindens des einen Endes des leitenden Pfostens 4B mit der Steuerelektrode 3b, das zweite Verdrahtungssubstrat 6 (16) derart angeordnet, dass es der Steuerelektrode 3b gegenüberliegt, so dass das Zungenstück (16e) in Kontakt mit dem Metallblock 15 verbogen wird.
Zum Vergleich ist eine Schnittansicht einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung 101 in 12 dargestellt und eine vergrößerte Ansicht eines mit XIII bezeichneten Teils der Vorrichtung ist in 13B dargestellt Die in 12 und 13A, B dargestellte Halbleitervorrichtung 101 umfasst eine gedruckte Schaltung 105 als Verdrahtungselement. Die gedruckte Schaltung 105 umfasst ein Isoliersubstrat 105a und eine Kupferfolie 105b und die Kupferfolie 105b enthält einen Bereich, der der Hauptelektrode 3a des Halbleiterchips 3 gegenüberliegt, und einen Bereich, der der Steuerelektrode 3b gegenüberliegt, wobei beide Bereiche dieselbe Dicke haben. Demzufolge war es weniger wahrscheinlich, dass die Kupferfolie 105b Wärme erzeugt, wenn versucht wurde einen großen elektrischen Strom von der Hauptelektrode 3a zur gedruckten Schaltung 105 zu leiten. Wenn die Dicke der Kupferfolie 105b erhöht wurde, wurde die Wärmeerzeugung der Kupferfolie 105b reduziert, andererseits war es schwierig durch Ätzen einen Abschnitt für einen elektrisch an die Steuerelektrode 3b anzuschließenden Schaltkreis auszubilden. Außerdem war die Dicke unnötig groß, da ein großer elektrischer Strom nicht durch die Steuerelektrode 3b geleitet wird, selbst in dem Fall, dass das Ätzen durchgeführt werden konnte. Im Gegensatz hierzu weist die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung die exzellente Wirkung im Vergleich mit herkömmlichen Halbleitervorrichtungen auf, wie aus Ausführungsform 1 und Ausführungsform 2 offensichtlich wird.
Wie oben beschrieben, obwohl die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung und dessen Herstellungsverfahren im Einzelnen unter Verwendung der Zeichnungen und Ausführungsformen beschrieben wurden, ist die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung nicht auf die Beschreibung der Ausführungsformen und Zeichnungen beschränkt ist und viele Abwandlungen möglich sind ohne vom Geiste der Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1, 11, 12: Leistungshalbleitermodul (Halbleitervorrichtung)
2: vielschichtiges Substrat
2a: Isolierplatte
2b: Leiterplatte
2c: Metallplatte
3: Halbleiterchip
3a: Hauptelektrode
3b: Steuerelektrode
4: leitender Pfosten
5: erstes Verdrahtungssubstrat
6: zweites Verdrahtungssubstrat
15: Metallblock
16: gedruckte Schaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014-57005 A [0002]

Claims

Halbleitervorrichtung, umfassend: ein vielschichtiges Substrat, das eine Isolierplatte und eine Leiterplatte aufweist, einen Halbleiterchip mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die Vorderseite mit einer darauf ausgebildeten Hauptelektrode und Steuerelektrode verbunden ist, und die Rückseite mit der Leiterplatte verbunden ist, ein erstes Verdrahtungssubstrat, das ein erstes leitfähiges Element aufweist, und derart angeordnet ist, dass es der mit dem ersten leitfähigen Element elektrisch verbundenen Hauptelektrode gegenüberliegt, ein zweites Verdrahtungssubstrat, das ein zweites leitfähiges Element aufweist, und derart angeordnet ist, dass es der Steuerelektrode gegenüberliegt, und das eine Öffnung aufweist, und ein leitender Pfosten mit einem ersten Ende und einem anderen Ende, wobei das erste Ende elektrisch und mechanisch mit der Steuerelektrode verbunden ist, und das andere Ende elektrisch und mechanisch mit dem zweiten leitfähigen Element verbunden ist, wobei das erste leitfähige Element dicker als das zweite leitfähige Element ist, wobei das erste Verdrahtungssubstrat innerhalb der Öffnung angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Verdrahtungssubstrat und das zweite Verdrahtungssubstrat auf derselben Ebene angeordnet sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Verdrahtungssubstrat mit einer Innenseite der Öffnung in Kontakt steht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Verdrahtungssubstrat integral mit dem zweiten Verdrahtungssubstrat verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Verdrahtungssubstrat ein erstes Isoliersubstrat aufweist, das eine Vorderseite und eine Rückseite hat, und das erste leitfähige Element mindestens auf der Vorderseite und/oder der Rückseite des ersten Isoliersubstrats ausgebildet ist, wobei das zweite Verdrahtungssubstrat ein zweites Isoliersubstrat aufweist, das eine Vorderseite und eine Rückseite hat, und das zweite leitfähige Element mindestens auf der Vorderseite und/oder der Rückseite des zweiten Isoliersubstrats ausgebildet ist, wobei eine Öffnung im zweiten Isoliersubstrat ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, wobei eine Seitenfläche des ersten Isoliersubstrats der inneren Seitenfläche der Öffnung gegenüberliegt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei das erste leitfähige Element als Metallblock ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei das zweite Verdrahtungssubstrat ein zweites Isoliersubstrat aufweist, das eine Vorderseite und eine Rückseite hat, und das zweite leitfähige Element mindestens auf der Vorderseite und/oder der Rückseite des zweiten Isoliersubstrats ausgebildet ist, wobei eine Öffnung im zweiten Isoliersubstrat ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Metallblock die Öffnung durchdringt und ein Ende des leitenden Pfostens an einem Ort mit der Steuerelektrode ausgerichtet ist, so dass der leitende Pfosten und die Steuerelektrode einander gegenüberliegen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei ein Zungenstück aus einem flexiblen Material entlang der Peripherie der Öffnung ausgebildet ist, und das Zungenstück verbogen ist während es in Kontakt mit dem Metallblock bleibt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, umfassend eine Lücke zwischen dem ersten Isoliersubstrat und dem Metallblock, wobei die Lücke durch eine Vielzahl der entlang der Peripherie der Öffnung ausgebildeten Zungenstücke definiert wird.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei das zweite Isoliersubstrat ein flexibles Material enthält.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei das zweite Verdrahtungssubstrat mit einer externen Anschlussklemme verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Metallblock auf einer seiner Oberflächen einen Stift aufweist, der dem Halbleiterchip gegenüberliegt, und der Stift elektrisch und mechanisch mit der Hauptelektrode verbunden ist.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines vielschichtigen Substrats, das eine Isolierplatte und eine Leiterplatte aufweist, eines Halbleiterchips, der eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, wobei die Vorderseite mit einer Hauptelektrode und einer Steuerelektrode verbunden ist, eines ersten Verdrahtungssubstrats mit einem ersten leitfähigen Element, eines zweiten Verdrahtungssubstrats, das ein zweites leitfähiges Element aufweist, das dünner als das erste leitfähig Element ist, und eine Öffnung aufweist, und eines leitenden Pfostens, der ein erstes Ende und ein anderes Ende aufweist, das elektrisch und mechanisch mit dem zweiten leitfähigen Element verbunden ist; Befestigen der Rückseite des Halbleiterchips mit der Leiterplatte; Anordnen des ersten Verdrahtungssubstrats, so dass es der Hauptelektrode gegenüberliegt, um das erste leitfähige Element elektrisch mit der Hauptelektrode zu verbinden; und Anordnen des zweiten Verdrahtungssubstrats, so dass es der Steuerelektrode gegenüberliegt, so dass das erste Verdrahtungssubstrat innerhalb der Öffnung angeordnet ist, um das erste Ende des leitenden Pfostens elektrisch und mechanisch mit der Steuerelektrode zu verbinden.
Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, wobei das erste Verdrahtungssubstrat ein erstes Isoliersubstrat aufweist, das eine Vorderseite und eine Rückseite hat, und das erste leitfähige Element mindestens auf der Vorderseite und/oder der Rückseite des ersten Isoliersubstrats ausgebildet ist, wobei das zweite Verdrahtungssubstrat ein zweites Isoliersubstrat aufweist, das eine Vorderseite und eine Rückseite hat, und das zweite leitfähige Element mindestens auf der Vorderseite und/oder der Rückseite des zweiten Isoliersubstrats ausgebildet ist, wobei die Öffnung auf dem zweiten Isoliersubstrat angeordnet wird.
Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, wobei das erste leitfähige Element durch einen Metallblock gebildet wird, wobei das zweite Verdrahtungssubstrat ein zweites Isoliersubstrat aufweist, das eine Vorderseite und eine Rückseite hat, das zweite leitfähige Element mindestens auf der Vorderseite und/oder der Rückseite des zweiten Isoliersubstrats ausgebildet ist, eine Öffnung auf dem zweiten Isoliersubstrat ausgebildet ist, und ein Zungenstück aus einem flexiblen Material entlang der Peripherie der Öffnung ausgebildet ist, wobei im Schritt des elektrischen und mechanischen Verbindens des ersten Endes des leitenden Pfostens mit der Steuerelektrode, das zweite Verdrahtungssubstrat derart angeordnet wird, so dass es der Steuerelektrode gegenüberliegt, so dass das Zungenstück verbogen wird, während es in Kontakt mit dem Metallblock bleibt.
Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung mit den Schritten: elektrisches und mechanisches Verbinden des Metallblocks mit der Hauptelektrode der Vorderseite des Halbleiterchips, gefolgt durch Stecken des Metallblocks durch die Öffnung der gedruckten Schaltung, die ein Zungenstück aus einem flexiblen Material aufweist, das entlang der Peripherie der Öffnung ausgebildet ist, um das Zungenstück in Kontakt mit dem Metallblock bleibend zu verbiegen.