DE19724909A1

DE19724909A1 - Halbleitervorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE19724909A1
Application number: DE19724909A
Authority: DE
Inventors: Hisao Tomizawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 1998-12-17
Also published as: FR2742925A1; JPH09181229A; GB9626677D0; FR2742925B1; JP2992873B2; GB2308736A; GB2308736B

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung ins besondere derjenigen Art, welche eine Halterung aufweist, die auf einer Schaltplatte befestigt ist, um ein Halblei terelement auf der Halterung zu tragen.

Eine bekannte Halbleitervorrichtung weist eine Schalt platte auf, auf welcher eine aus Kupfer bestehende Halte rung befestigt ist, um ein Halbleiterelement zu tragen. Die Halterung hat die Wirkung, die vom Halbleiterelement beim Betrieb erzeugte Wärme nach außen abzustrahlen, um die elektrische Stromkapazität zu erhöhen.

Bei dieser Halterung besteht jedoch die Tendenz, daß sie auf der Schaltplatte aufgrund einer unregelmäßigen Menge an Bötmetall zwischen einer ebenen Fläche der Halterung und der Schaltplatte schräg befestigt wird. Zusätzlich ist es sehr schwierig, die Halterung auf der Schaltplatte in einer exakt aufrecht stehenden Lage mit gleichförmiger Dicke des Lötmetalls über die gesamte ebene Fläche der Halterung zu befestigen. Darüber hinaus ist es auch prak tisch unmöglich, eine Vielzahl von Halterungen auf der Schaltplatte mit konstanter Dicke des Lötmetalls für ein gleiches Niveau festzulöten, obwohl die Halterungen auf der Schaltplatte korrekt in der aufrecht stehenden Lage befestigt sind.

In dem Fall, daß die Halterung auf der Schaltplatte in einer schrägen Stellung befestigt wird, kann ein Halblei terelement nicht korrekt auf der Halterung befestigt wer den, und die Enden von dünnen Drähten können nicht an den Elektroden des Halbleiterelements angeschlossen werden, was eine fehlerhafte oder nicht vorhandene Verbindung der dünnen Drähte zur Folge hat. Weiterhin verursacht eine ungleichmäßige oder nicht ausreichende Dicke des Lötme talls unkorrekte elektrische Eigenschaften oder eine Ver schlechterung der Halbleitervorrichtung in einem Umge bungstest, wie beispielsweise einem strengen thermischen Test oder thermischen Ermüdungstest, und manchmal ergeben sich aus der schrägen Befestigung der Halterung gewisse Probleme bei der Herstellung der Halbleitervorrichtung.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Halbleitervor richtung zu schaffen, mit der eine schiefe Befestigung einer Halterung auf einer Schaltplatte verhindert werden kann. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, bei welcher eine Halte rung auf sichere Weise auf einer Schaltplatte korrekt in der aufrechtstehenden Lage befestigt ist.

Die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung weist einen Träger, eine Halterung, die auf dem Träger mittels Löt metall befestigt ist, und ein Halbleiterelement auf, das auf der Halterung befestigt ist. Die Halterung weist we nigstens eine geneigte, am Umfang ausgebildete Oberfläche auf, die zum Träger hin gerichtet ist, sowie eine Vielzahl von Füßen, die innerhalb der geneigten Oberfläche ausge bildet sind, um wenigstens eine Eindellung (Vertiefung) zwischen den Füßen zu bilden. Die geneigte Oberfläche divergiert weg vom Träger, und die Füße sind mit dem Trä ger in Kontakt. Das Lötmetall ist in einem zwischen dem Träger und der Halterung vorgesehenen Zwischenraum an geordnet, der die Eindellung und einen sich erweiternden Bereich zwischen dem Träger und der geneigten Oberfläche der Halterung umfaßt.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Halterung eine im wesentlichen rechtwinkelige Form auf, um vier geneigte Oberflächen zu bilden, und die Füße bilden eine kreuzförmige Eindellung, die sich von jeder geneigten Oberfläche nach innen erstreckt. Die Füße sind als Säulen oder längliche Vorsprünge ausgebildet, die voneinander getrennt sind und von der Halterung vorstehen. Der Träger umfaßt eine Schaltplatte, auf der wenigstens eine Elek trode und ein Schaltungsleiter ausgebildet sind, um eine elektrische Verbindung zu schaffen.

Das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt die folgenden Schritte: Schaf fen einer Halterung mit einer Vielzahl von integral ausge bildeten Füßen und wenigstens einer geneigten Oberfläche, die am Umfang ausgebildet ist; Stapeln einer adhäsiven Lötpaste, der Halterung, einer adhäsiven Lötpaste und eines Halbleiterchips der Reihe nach auf einer Elektrode, die auf einem Träger ausgebildet ist, um eine Unterbau gruppe zu bilden; und Erwärmen der Unterbaugruppe, um die Lötpasten erneut zu schmelzen und diese anschließend zur vollständigen Fixierung abzukühlen, um die Halterung und den Halbleiterchip auf dem Träger gleichzeitig zu befesti gen. Im Lötmetall erzeugtes Gas wird während des Erwär mungsprozesses durch wenigstens eine Vertiefung, die zwi schen den Füßen und der geneigten Oberfläche ausgebildet ist, aus dem Lötmetall freigegeben, wodurch der Einschluß von Blasen verhindert wird.

Die in der Halterung vorgesehenen Füße verhindern eine schiefe Befestigung der Halterung auf dem Träger mit einer im wesentlichen gleichförmigen Dicke des Lötmetalls zwi schen dem Träger und der Halterung. Zusätzlich wird die Halterung auf dem Träger fest durch das Lötmetall befe stigt, das in die Eindellung zwischen den Füßen und in den sich erweiternden Bereich zwischen dem Träger und der geneigten Oberfläche der Halterung gefüllt wird, um ein Abblättern oder Lösen der Halterung vom Träger zu verhin dern, wenn die Halbleitervorrichtung unter einer sich stark verändernden Umgebungstemperatur verwendet wird. Hieraus folgt, daß die Halbleitervorrichtung während einer langen Dauer gute elektrische Eigenschaften aufrecht er halten und den Produktionsertrag verbessern kann. Eine Vielzahl von voneinander getrennten Füßen schafft eine stabile Befestigung der Halterung und verhindert eine schiefe Stellung derselben, da im Lötmetall erzeugtes Gas durch die Eindellung hindurch aus dem Lötmetall freigege ben wird, wodurch das Einfangen von Blasen verhindert und die Lötfestigkeit erhöht wird.

Die vorstehenden sowie weitere Ziele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielshaft näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine Teilschnittdarstellung einer Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Halbleitervorrich tung,

Fig. 2 eine Teildraufsicht der Halbleitervorrich tung,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Halterung, die in der in Fig. 1 gezeigten Halbleitervorrichtung verwendet wird,

Fig. 4 eine Bodenansicht der Halterung,

Fig. 5 eine Teilschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 6 eine Seitenansicht der Halterung, die in der in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsform verwendet wird, und

Fig. 7 eine Bodenansicht der Halterung, die in der in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsform verwendet wird.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen eine erste Ausführungsform der Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt die Halbleitervorrichtung eine Schalt platte 1, um einen Träger aus Keramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) zu bilden, eine Halterung 2, die auf der Schaltplatte 1 befestigt ist, und einen Diodenchip 3 aus Silizium (Si) als Halbleiterelement. Obwohl nicht gezeigt, umfaßt die Halterung 2 eine Basis aus Kupfer und eine metallische Beschichtung, die auf der Basis ausge bildet ist. Die metallische Beschichtung besteht aus einer ersten Beschichtungslage aus Nickel (Ni), die auf der Basis ausgebildet ist, und einer zweiten Beschichtungslage aus Silber (Ag), die auf der ersten Lage ausgebildet ist.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, sind eine Elektrode (Anschlußfläche) 4 und ein mit der Elektrode 4 verbundener Schaltungsleiter 5 auf einer Hauptfläche 1a der Schalt platte 1 angeordnet. Die Elektrode 4 hat eine im wesentli chen rechtwinkelige Form, die ähnlich zur Form der Halte rung 2 ist, um die Halterung 2 auf der Elektrode 4 vor zugsweise zu verkleben.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, umfaßt die Halterung 2 einen plattenförmigen Hauptkörper 6 und vier säulen artige Füße 7. Eine geneigte Oberfläche 8 ist am zur Schleife gestalteten Umfang einer ersten Hauptfläche 6a des Hauptkörpers 6 ausgebildet, welche zur Schaltplatte 1 hin gerichtet ist. Die geneigte Oberfläche 8 divergiert weg von der Schaltplatte 1, um einen erweiterten Bereich 13 zwischen der Schaltplatte 1 und der geneigten Ober fläche 8 des Hauptkörpers 6 zu bilden. Bei dieser Aus führungsform weist die geneigte Oberfläche 8 eine Gewölbe form mit einem gewissen Krümmungsradius auf. Vier Füße 7 sind in der Nachbarschaft von vier Ecken 6b und geringfü gig innerhalb der geneigten Oberfläche 8 ausgebildet, um eine kreuzende Eindellung 14 zwischen den Füßen 7 zu bil den, von denen alle im wesentlichen dieselbe Längener streckung von der ersten Hauptfläche 6a aus haben. Zwei Ecken 6b der Halterung 2, die in Fig. 2 mit einer gestri chelten Linie gezeigt sind, sind mit dem Schaltungsleiter 5 verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist ein Oberflä chenbereich der Elektrode 4 geringfügig größer als ein ebener Bereich der Halterung 2. Am Umfang der zweiten Hauptfläche 6c ist keine geneigte Oberfläche vorgesehen.

Die erste Hauptfläche 6a der Halterung 2 ist an der Elek trode 4 der Schaltplatte 1 mittels Lötzinn 9 als Lötmetall befestigt, das in die Eindellung 14 und den sich erwei ternden Bereich 13 eingefüllt wird. Da jede Bodenfläche 7a der Füße 7 mit der Elektrode 4 in Kontakt gebracht wird, kann die Halterung 2 aufgrund der gleichen Längenausdeh nung der vier Füße 7 auf der Elektrode 4 derart befestigt werden, daß die erste Hauptfläche 6a des Hauptkörpers 6 im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Elektrode 4 ge halten wird. Das Lötzinn 9 ist vollständig in einen den sich erweiternden Bereich 13 und die Eindellung 14 umfas senden Zwischenraum eingefüllt, der zwischen der Halterung 2 und der Elektrode 4 ausgebildet ist, um die erste Haupt fläche 6a des Hauptkörpers 6, die Seitenwände der Füße 7, die geneigten Oberflächen 8 und die Oberfläche der Elek trode 4 zu verbinden. Das Lötzinn 9 wird über die gesamte Oberfläche der Elektrode 4 und einen Teil des Schaltungs leiters 5 verteilt. Da der Oberflächenbereich der Elek trode 4 geringfügig größer als ein ebener Bereich des Hauptkörpers 6 ist, weist die Außenfläche des Lötzinns 9 eine inverse Trichterform auf, die zur Elektrode 4 hin divergiert.

Auf einer zweiten Hauptfläche 6c des Hauptkörpers 6 ist mittels Lötzinn 10 ein Diodenchip 3 befestigt. Bei dieser Ausführungsform wird ein bekanntes Aufschmelzlötverfahren verwendet, um Lötzinn 9 bzw. 10 zwischen der Halterung 2 und der Elektrode 4 und zwischen der Halterung 2 und dem Diodenchip 3 aufzubringen. Im einzelnen wird eine Unter baugruppe hergestellt, indem auf der Elektrode 4 der Reihe nach eine adhäsive Lötpaste, die Halterung 2, die adhäsive Lötpaste und der Diodenchip 3 gestapelt werden. Die Un terbaugruppe wird durch eine Wärmeeinrichtung oder einen Ofen transportiert, um die Lötpasten erneut zu schmelzen, und anschließend werden die Lötpasten zum vollständigen Fixieren abgekühlt, um die Halterung 2 und den Diodenchip 3 auf der Elektrode 4 gleichzeitig zu befestigen. Ein anderes Befestigungsverfahren kann für eine derartige Unterbaugruppe angewendet werden.

Diese erfindungsgemäße Ausführungsform kann die folgenden Wirkungen erzeugen:

1. Die Füße 7, die in der Nähe der vier Ecken 6b der Halterung 2 ausgebildet sind, sind mit der Elektrode 4 in Kontakt, um die Halterung 2 in Position zu brin gen, um hierdurch eine schiefe Befestigung der Halte rung 2 auf der Elektrode 4 zu verhindern. Zusätzlich wird der Hauptkörper 6 mittels der Füße 7 mit einer im wesentlichen gleichförmigen Dicke des Lötzinns 9 zwischen der Elektrode 4 und der Halterung 2 von der Elektrode 4 weggehalten und im wesentlichen parallel zu dieser gehalten.
2. Die Halterung 2 kann mittels des Lötzinns 9, das in die Eindellung 14 zwischen den Füßen 7 und in den sich erweiternden Bereich 13 zwischen der Elektrode 4 und der geneigten Oberfläche 8 der Halterung 2 einge füllt wird, fest auf der Elektrode 4 befestigt wer den.
3. Die Außenfläche des Lötzinns 9 weist die Form eines umgekehrten Trichters auf, der zur Elektrode 4 hin divergiert, deren Oberflächenbereich geringfügig grö- ßer als eine ebene Fläche des Hauptkörpers 6 ist, um eine ausreichende Verbindungsfläche mit dem Lötzinn 9 zu schaffen.
4. Eine zusätzliche Verbindungsfläche wird ferner durch einen Teil des Schaltungsleiters 5 geschaffen, über den das Lötzinn 9 verteilt wird.
5. Eine Vielzahl der voneinander getrennten Füße 7 schafft eine stabile Befestigung der Halterung 2, um einen schrägen Zustand der Halterung 2 zu vermeiden.
6. Gas, das im Lötzinn 9 erzeugt wird, wird durch die Eindellung 14 hindurch aus dem Lötzinn 9 freigegeben, um den Einschluß von Blasen zu verhindern, die durch Verdampfung von Fließmittel gebildet werden, die in der Lötpaste zur Verbesserung der Verbindungsfestig keit enthalten ist.
7. Ein Abblättern oder ein Lösen der Halterung 2 von der Elektrode 4 kann vermieden werden, wenn die Halblei tervorrichtung unter sich stark verändernden Umge bungstemperaturen verwendet wird.
8. Die sich ergebende Halbleitervorrichtung kann auf effektive Weise während einer langen Dauer gute elek trische Eigenschaften bewahren und den Produktions ertrag verbessern.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit der Halterung 11, welche als längliche Vor sprünge ausgebildete Füße 12 aufweist. In den Fig. 5 bis 7 werden gleichen Teilen dieselben Bezugszeichen wie denjenigen in den Fig. 1 bis 4 verliehen. Jeder der Füße 12 hat einen V-förmigen Querschnitt, und zwei Reihen der Füße 12 sind voneinander innerhalb zweier gegenüber liegender Seitenwände getrennt. Es ist offensichtlich, daß die zweite Ausführungsform ähnliche Wirkungen zu denjeni gen der vorhergehenden Ausführungsform hat.

Die vorstehenden Ausführungsformen der Erfindung können im Hinblick auf tatsächliche Anforderungen verändert werden. Beispielsweise können die Füße 7 einen rechtwinkeligen Querschnitt aufweisen, obwohl ein gerundeter Querschnitt der Füße 7 besser ist, um das Abgeben von Blasen im Löt zinn 9 zu fördern. Auch können die Füße 7 einen recht winkeligen oder U-förmigen Querschnitt haben. Der Haupt körper 6 kann scheibenförmig sein. Zusätzliche Schaltungs leiter können auf der Schaltplatte 1 vorgesehen sein, um eine Verbindung zur Elektrode 4 zu schaffen, die eine aus verschiedenen Formen ausgewählte Form haben kann. Der Schaltungsleiter 5 kann, falls erforderlich, weggelassen werden.

Claims

1. Halbleitervorrichtung mit einem Träger, einer Halte rung, die auf dem Träger mittels eines Lötmetalls befe stigt ist, wobei:
die Halterung mit wenigstens einer geneigten Oberfläche versehen ist, die am Umfang ausgebildet ist, der zum Trä ger hin gerichtet ist, sowie mit einer Mehrzahl von Füßen, die innerhalb der geneigten Oberfläche ausgebildet sind, um wenigstens eine Eindellung zwischen den Füßen zu bil den;
die geneigte Oberfläche vom Träger weg divergiert;
die Füße mit dem Träger in Kontakt sind;
das Lötmetall sich in einem Zwischenraum befindet, der zwischen dem Träger und der Halterung ausgebildet ist, wobei der Zwischenraum die Eindellung und einen sich er weiternden Bereich zwischen dem Träger und der geneigten Oberfläche der Halterung umfaßt.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Halte rung eine im wesentlichen rechtwinkelige Form aufweist, um vier geneigte Oberflächen zu bilden, wobei die Füße die Eindellung bilden, die sich von jeder geneigten Oberfläche nach innen erstreckt.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Füße als voneinander getrennte Säulen ausgebildet sind, die über die Halterung vorstehen.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Füße als längliche, sich über die Halterung hinaus erstreckende Vorsprünge ausgebildet sind.

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Träger eine Schaltplatte umfaßt, auf der wenigstens eine Elek trode und ein Schaltungsleiter ausgebildet sind, um eine elektrische Verbindung zu schaffen.

6. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, welches die Schritte umfaßt:
Bereitstellen einer Halterung, die mit einer Vielzahl von integral gebildeten Füßen und wenigstens einer am Umfang ausgebildeten geneigten Oberfläche versehen ist;
Stapeln einer adhäsiven Lötpaste, der Halterung, einer adhäsiven Lötpaste und eines Halbleiterchips der Reihe nach auf einer auf einem Träger angeordneten Elektrode, um eine Unterbaugruppe zu schaffen; und
Erwärmen der Unterbaugruppe, um die Lötpasten erneut zu schmelzen, und anschließend Kühlen derselben zum voll ständigen Fixieren, um die Halterung und den Halbleiter chip auf dem Träger gleichzeitig zu befestigen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das im Lötmetall er zeugte Gas während des Erwärmungsvorgangs durch wenigstens eine zwischen den Füßen geformte Eindellung und die ge neigte Oberfläche hindurch aus dem Lötmetall freigegeben wird, wodurch der Einschluß von Blasen verhindert wird.