DE102004064235B3 - Halbleitervorrichtung mit Wärmeabstrahlplatte und Anheftteil - Google Patents

Halbleitervorrichtung mit Wärmeabstrahlplatte und Anheftteil Download PDF

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Naohiko Hirano
Nobuyuki Kato
Kuniaki Mamitsu
Yoshimi Nakase
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Abstract

Halbleitervorrichtung mit: einem Wärmeerzeugungselement (10) mit einem Wärme erzeugenden Chip; einem Anheftteil (50); einer ersten Wärmeabstrahlplatte (30), die auf einer ersten Seite (12) des Wärmeerzeugungselementes (10) über das Anheftteil (50) angeordnet ist, wobei der Wärme erzeugende Chip auf der ersten Seite (12) des Wärmeerzeugungselementes (10) angeordnet ist; einer zweiten Wärmeabstrahlplatte (20), die auf einer zweiten Seite (13) des Wärmeerzeugungselementes (10) über das Anheftteil (50) angeordnet ist, wobei kein Wärme erzeugender Chip auf der zweiten Seite (13) des Wärmeerzeugungselementes (10) angeordnet ist und wobei die zweite Seite (13) des Wärmeerzeugungselementes (10) gegenüber der ersten Seite (12) liegt; und einem Kunstharzverguß (60), der praktisch die gesamte Vorrichtung eingießt, wobei die ersten und zweiten Wärmeabstrahlplatten (20, 30) in der Lage sind, von dem Wärmeerzeugungselement (10) erzeugte Wärme abzustrahlen; das Wärmeerzeugungselement (10) elektrisch und thermisch mit den ersten und zweiten Wärmeabstrahlplatten (20, 30) über das Anheftteil (50) verbunden ist; das Wärmeerzeugungselement (10) weiterhin einen Vorrichtungsbereich (R1) und einen Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) beinhaltet; der Wärme erzeugende Chip in dem Vorrichtungsbereich (R1) angeordnet ist, so dass der Vorrichtungsbereich (R1) zur Wärmeerzeugung beiträgt; kein Wärme erzeugender Chip in dem Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) angeordnet ist, so dass der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) nicht zur Wärmeerzeugung beiträgt; der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) außerhalb des Vorrichtungsbereichs (R1) angeordnet ist, so dass der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) den Vorrichtungsbereich (R1) umgibt; und der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) eine Breite (T2) hat, welche gleich oder größer als eine Dicke (T) des Wärmeerzeugungselementes (10) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einer Wärmeabstrahlplatte und einem Anheftteil.
  • Ein Halbleiterchip mit einer hohen Durchbruchspannung und einer hohen Stromkapazität erzeugt im Betrieb viel Wärme. Daher ist es notwendig, die von dem Chip abgestrahlte Wärmeabstrahlung zu verbessern. Was die Wärmeabstrahlung betrifft, so ist eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterchip für große Stromführung in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung JP 2003-110 064 A (d. h. der US-Patentanmeldungsveröffentlichung US 2003/0 022 464 A1 ) beschrieben. Die Halbleitervorrichtung weist ein Paar von Wärmesenken aus Metall auf, welche auf beiden Seiten des Halbleiterchips über eine oder mittels einer Lotschicht angeordnet sind. Insbesondere sind die Wärmesenken an dem Halbleiterchip mit der Lotschicht angeheftet (gebondet). Somit wird die im Chip erzeugte Wärme von beiden Seiten des Chips über die Wärmesenken abgestrahlt. Von daher wird die Wärmeabstrahlleistung verbessert. Hierbei ist die Halbleitervorrichtung mit den Wärmesenken aus Kunststoff gegossen. Die Außenfläche einer jeden Wärmesenke ist jedoch frei von dem gegossenen Kunststoff, so dass die Wärmeabstrahlleistung nicht beeinträchtigt wird.
  • Bei dieser Halbleitervorrichtung ist der jeweilige thermische Ausdehnungskoeffizient von Halbleiterchip, Wärmesenke und Gießkunststoff unterschiedlich. Von daher wird eine hohe Belastung aufgrund von Wärme an jedem Verbindungsabschnitt zwischen diesen Bauteilen erzeugt. Die hohe Belastung oder Spannung aufgrund von Wärme können den Chip zum Brechen bringen. Um den Chip zu schützen, wird die Dicke des Chips gering gemacht, so dass die Verzerrung an dem Anheftabschnitt zwischen Chip und Lotschicht gering wird.
  • Bei der obigen Halbleitervorrichtung sind jedoch Abmessungen und Form der Wärmesenke nicht definiert. Von daher kann eine Belastung in der Lotschicht zwischen dem Chip und der Wärmesenke erhöht werden, so dass das Anheftteil durch die Belastung bricht.
  • US 6 265 784 B1 offenbart eine harzversiegelte Halbleitervorrichtung, die mit einem organischen Harzverdrahtungssubstrat versehen ist, einen LSI-Chip, der eine integrierte Halbleiterschaltung aufweist und in einer reinen Chippackungsform über eine Vielzahl von elektrischen Verbindungselementen an dem organischen Harzverdrahtungssubstrat befestigt ist, und ein Harz, das in einen Spaltabschnitt zwischen dem organischen Harzverdrahtungssubstrat und dem LSI-Chip eingebracht ist. In dieser harzversiegelten Halbleiteranordnung sind ein Längselastizitätsmodul des einzubringenden Harzes, dessen Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung und seine Stegform optimiert. Das eingebrachte Harz ist vorzugsweise auch schwarz eingefärbt, um nachteilige Auswirkungen sichtbarer Überstände auf dem LSI-Chip zu minimieren.
  • Angesichts des beschriebenen Problems ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, welche eine hohe Zuverlässigkeit ihres Anheftteils hat. Insbesondere soll eine Belastung in dem Anheftteil zwischen dem Wärmeerzeugungselement und einer Wärmeabstrahlplatte verringert werden, so dass das Anheftteil vor Brüchen geschützt ist. Weiterhin, selbst wenn ein Riss in dem Anheftteil erzeugt wird, soll der Riss die Wärmeabstrahlung nicht beeinflussen, so dass sich die Wärmeabstrahlung nicht wesentlich verringert.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, und alternativ gelöst durch eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der beigefügten Unteransprüche.
  • Allgemein wird in der Vorrichtung eine Belastung (Dehnung, Spannung, etc.) in dem Anheftteil, welches zwischen dem Wärmeerzeugungselement und der Wärmeabstrahlplatte liegt, verringert, so dass das Anheftteil vor einer Rissbildung geschützt ist. Somit ist die Zuverlässigkeit, d. h. die Festigkeit des Anheftteiles, das zwischen dem Wärmeerzeugungselement und der Wärmeabstrahlplatte liegt, verbessert, so dass die Halbleitervorrichtung hinsichtlich des Anheftteiles hohe Zuverlässigkeit hat.
  • Zur Lösung der Aufgabe beinhaltet eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung somit: ein Wärmeerzeugungselement mit einem Wärme erzeugenden Chip; ein Anheftteil; eine erste Wärmeabstrahlplatte, die auf einer ersten Seite des Wärmeerzeugungselementes über das Anheftteil angeordnet ist, wobei der Wärme erzeugende Chip auf der ersten Seite des Wärmeerzeugungselementes angeordnet ist; eine zweite Wärmeabstrahlplatte, die auf einer zweiten Seite des Wärmeerzeugungselementes über das Anheftteil angeordnet ist, wobei kein Wärme erzeugender Chip auf der zweiten Seite des Wärmeerzeugungselementes angeordnet ist und wobei die zweite Seite des Wärmeerzeugungselementes gegenüber der ersten Seite liegt; und ein Kunstharzverguß, der praktisch die gesamte Vorrichtung eingießt, wobei die ersten und zweiten Wärmeabstrahlplatten in der Lage sind, von dem Wärmeerzeugungselement erzeugte Wärme abzustrahlen; das Wärmeerzeugungselement elektrisch und thermisch mit den ersten und zweiten Wärmeabstrahlplatten über das Anheftteil verbunden ist; das Wärmeerzeugungselement weiterhin einen Vorrichtungsbereich und einen Nicht-Vorrichtungsbereich beinhaltet; der Wärme erzeugende Chip in dem Vorrichtungsbereich angeordnet ist, so dass der Vorrichtungsbereich zur Wärmeerzeugung beiträgt; kein Wärme erzeugender Chip in dem Nicht-Vorrichtungsbereich angeordnet ist, so dass der Nicht-Vorrichtungsbereich nicht zur Wärmeerzeugung beiträgt; der Nicht-Vorrichtungsbereich außerhalb des Vorrichtungsbereichs angeordnet ist, so dass der Nicht-Vorrichtungsbereich den Vorrichtungsbereich umgibt; und der Nicht-Vorrichtungsbereich eine Breite hat, welche gleich oder größer als eine Dicke des Wärmeerzeugungselementes ist. Selbst wenn bei der obigen Vorrichtung ein Riss in dem Anheftteil erzeugt wird, beeinflusst der Riss die Abstrahlung nicht, so dass die Leistung der Wärmeabstrahlung nicht wesentlich verringert wird.
  • Alternativ beinhaltet eine die Aufgabe lösende Halbleitervorrichtung erfindungsgemäß ein Wärmeerzeugungselement mit einem Wärme erzeugenden Chip; ein Anheftteil; einen Drahtanschluss, der auf einer ersten Seite des Wärmeerzeugungselementes über das Anheftteil angeordnet ist, wobei der Wärme erzeugende Chip auf der ersten Seite des Wärmeerzeugungselementes angeordnet ist; einer Wärmeabstrahlplatte, die an einer zweiten Seite des Wärmeerzeugungselementes über das Anheftteil angeordnet ist, wobei kein Wärme erzeugender Chip auf der zweiten Seite des Wärmeerzeugungselementes angeordnet ist und wobei die zweite Seite des Wärmeerzeugungselementes gegenüber der ersten Seite ist; und einem Kunststoffverguß, der praktisch die gesamte Vorrichtung eingießt, wobei die Wärmeabstrahlplatte in der Lage ist, von dem Wärmeerzeugungselement erzeugte Wärme abzustrahlen; das Wärmeerzeugungselement elektrisch und thermisch mit der Wärmeabstrahlplatte und dem Drahtanschluss entsprechend über das Anheftteil verbunden ist; der Kunststoffverguß einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der als α definiert ist; die Wärmeabstrahlplatte und der Drahtanschluss einen anderen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der als β definiert ist; und die Koeffizienten von α und β eine Beziehung von 0,8 × β ≤ α ≤ 1,5 × β haben. Selbst wenn in der obigen Vorrichtung ein Riss in dem Anheftteil erzeugt wird, beeinflusst der Riss die Wärmeabstrahlung nicht, so dass die Leistung der Wärmeabstrahlung nicht wesentlich beeinflusst wird.
  • Selbst wenn bei dieser Vorrichtung eine hohe Belastung auf die Vorrichtung aufgebracht wird, wird eine Dehnungs- oder Spannungsbelastung oder sonstige Belastung in dem Anheftteil, welches an einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Wärmeerzeugungselement und dem Anheftteil liegt, verringert, so dass eine Rissbildung in dem Anheftteil verhindert wird. Somit wird die Zuverlässigkeit, d. h. die Festigkeit des Anheftteiles verbessert, so dass die Halbleitervorrichtung eine hohe Zuverlässigkeit hinsichtlich des Anheftteiles hat.
  • Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich besser aus der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung und Beispielen in Verbindung mit der Erfindung, die als solche nicht Teil der Erfindung bilden, jedoch Merkmale beinhalten können, die auch Merkmale der Erfindung sein können, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
  • Es zeigt:
  • 1 in Querschnittsdarstellung eine Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Beispiel in Verbindung mit der Erfindung;
  • 2 in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen einer elastischen Dehnung und einer Dicke eines Wärmesenkenblocks gemäß dem ersten Beispiel;
  • 3 in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen einer elastischen Dehnung und der Breite eines Kantenbereichs gemäß dem ersten Beispiel;
  • 4 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung des Wärmesenkenblocks der Vorrichtung gemäß dem ersten Beispiel;
  • 5 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung eines Wärmesenkenblocks einer Halbleitervorrichtung gemäß einemzweiten Beispiel in Verbindung mit der Erfindung;
  • 6 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung des Wärmesenkenblocks gemäß dem zweiten Beispiel im Falle eines Verkippens;
  • 7 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem dritten Beispiel in Verbindung mit der Erfindung;
  • 8 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 9 eine Draufsicht auf einen Halbleiterchip der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform;
  • 10 in einer graphischen Darstellung eine Beziehung zwischen einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α eines Kunststoffvergusses und der elastischen Dehnung;
  • 11 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem vierten Beispiel in Verbindung mit der Erfindung;
  • 12 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 13 eine Querschnittsdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem fünften Beispiel in Verbindung mit der Erfindung;
  • 14 in einer graphischen Darstellung eine Beziehung zwischen dem Elastizitätsmodul der Dehnung und der Temperatur bei dem fünften Beispiel;
  • 15A eine Querschnittsdarstellung der Halbleitervorrichtung zur Erläuterung einer hohen Druckbelastung und 15B eine vergrößerte Teilschnittdarstellung zur Erläuterung der hohen Druckbelastung bei dem fünften Beispiel;
  • 16A eine Querschnittsdarstellung der Halbleitervorrichtung zur Erläuterung einer kleinen Druckkraft und 16B eine vergrößerte Teilschnittdarstellung der kleinen Druckkraft bei dem fünften Beispiel; und
  • 17 in einer graphischen Darstellung ein TMA-Verfahren zur Definition der Einfriertemperatur bei dem fünften Beispiel.
  • (Erstes Beispiel in Verbindung mit der Erfindung)
  • Von den Erfindern wurden Überlegungen bezüglich eines Wärmeabstrahlblockes (d. h. eines Wärmesenkenblocks) in einer Halbleitervorrichtung angestellt. Dies deshalb, als Abmessungen und Form des Wärmeabstrahlblocks eine Verzerrung oder Verwerfung an einem Anheftabschnitt zwischen dem Wärmeabstrahlblock und einer Lotschicht beeinflussen können. Insbesondere wird die Verwerfung durch ein Verfahren der finiten Elemente (d. h. FEM = finite element method) analysiert. Im Ergebnis wird beispielsweise, wenn der Wärmeabstrahlblock dick ist, ein Anheftteil, welches zwischen dem Wärmeerzeugungselement, d. h. einem Halbleiterchip und dem Wärmeabstrahlblock angeordnet ist, erheblich verzerrt. In diesem Fall kann das Anheftteil durch eine Wärmezyklusbelastung reißen. Eine detaillierte Beschreibung hiervon folgt nun.
  • 1 zeigt eine Halbleitervorrichtung S1 gemäß einem ersten Beispiel in Verbindung mit der Erfindung. Die Vorrichtung S1 beinhaltet einen Halbleiterchip 10 als Wärmeerzeugungselement, obere und untere Wärmesenken 20 und 30 als Wärmeabstrahlplatte, einen Wärmesenkenblock 40 als Wärmeabstrahlblock, und ein Anheftteil 50, welches dazwischen angeordnet ist. Ein Kunststoffverguß 60 gießt diese Bauteile ein. Das Anheftteil 50 ist beispielsweise aus einer Lotschicht gemacht. Der Boden des Chips 10 und die Oberseite der unteren Wärmesenke 20 sind mit dem Anhefteil 50 miteinander verbunden oder aneinander angeheftet und die Oberseite des Chips 10 und der Boden des Wärmesenkenblocks 41 sind ebenfalls mit dem Anheftteil 50 miteinander verbunden oder aneinander angeheftet. Weiterhin sind eine Oberseite 42 des Wärmesenkenblocks 50 und der Boden der oberen Wärmesenke mit dem Anheftteil 50 verbunden oder aneinander angeheftet. Das Anheftteil 50 kann ein leitfähiger Kleber oder dergleichen sein.
  • Bei der obigen Vorrichtung S1 wird von dem Chip 10 erzeugte Wärme von der Oberseite des Chips 10 über das Anheftteil 50, den Wärmesenkenblock 40, das Anheftteil 50 und die obere Wärmesenke 30 abgestrahlt. Weiterhin wird von dem Chip 10 erzeugte Wärme vom Boden des Chips 10 über das Anheftteil 50 und die untere Wärmesenke 20 abgestrahlt. Der Halbleiterchip 10 beinhaltet hierbei beispielsweise eine Leistungsvorrichtung, beispielsweise einen IGBT (insulated gate bipolar transistor) und einen Thyristor. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Chip 10 eine Konstruktion des Grabengate-Typs hat. Weiterhin kann der Chip ein anderer Halbleiterchip anstelle der Leistungsvorrichtung sein. Weiterhin kann der Chip einen anderen Vorrichtungsaufbau anstelle des Grabengate-Typs haben.
  • Der Chip 10 ist eine rechteckförmige dünne Platte. Die oberen und unteren Wärmesenken 20 und 30 und der Wärmesenkenblock 40 sind aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise einer Kupferlegierung, einer Aluminiumlegierung oder dergleichen. Der Wärmesenkenblock 40 kann aus einer üblichen Eisenlegierung sein.
  • Die oberen und unteren Wärmesenken 20 und 30 sind elektrisch mit Elektroden (nicht gezeigt), beispielsweise einer Kollektorelektrode oder einer Emitterelektrode in dem Chip 10 über das Anheftteil 50, d. h. die Lotschicht verbunden. Die untere Wärmesenke 20 ist insgesamt eine rechteckförmige Platte. Die untere Wärmesenke 20 beinhaltet einen unteren Anschluss 21, der zur Außenseite der Vorrichtung S1 vorsteht. Der Wärmesenkenblock 40 ist beispielsweise etwas kleiner als der Chip 10. Der Wärmesenkenblock 40 ist eine rechteckförmige Platte. Die obere Wärmesenke 30 ist insgesamt eine rechteckförmige Platte. Die obere Wärmesenke 30 weist einen oberen Anschluss 31 auf, der in Richtung Außenseite der Vorrichtung S1 vorsteht. Die oberen und unteren Anschlüsse 21 und 31 stehen in die gleiche Richtung vor. Der obere Anschluss 31 der oberen Wärmesenke 30 und der untere Anschluss 21 der unteren Wärmesenke 20 sind mit einer äußeren Verdrahtung der Vorrichtung S1 entsprechend verbunden.
  • Ein Kunststoffverguß oder eine Vergußmasse 60 schließt die Vorrichtung S1 ein. Genauer gesagt, das Paar von Wärmesenken 20 und 30, der Halbleiterchip 10 und der Wärmesenkenblock 40 sind in dem Kunststoff- oder Kunstharzverguß 60 dicht eingeschlossen. Der Kunststoffverguß 60 wird aus einem üblichen Vergußgussmaterial gefertigt, beispielsweise Epoxyharz bzw. Epoxidharz. Wenn die Wärmesenken 20 und 30 etc. in den Kunststoffverguß 60 eingegossen werden, wird ein Gußwerkzeug (nicht gezeigt) bestehend aus oberen und unteren Gußwerkzeughälften zum Gießen verwendet, so dass ein Transfer-Gußverfahren durchgeführt wird. Auf diese Weise werden die Wärmsenken 20 und 30 etc. eingegossen. Ein Leitungsrahmen (”lead frame”) 70 ist um den Chip 10 in dem Kunststoffverguß 60 herum angeordnet. Der Leiterrahmen 70 ist elektrisch mit dem Chip 10 über einen Draht 80 verbunden. Der Draht 80 wird durch ein Drahtbondierungsverfahren gebildet und ist aus Gold, Aluminium etc. gefertigt.
  • Bei der Vorrichtung S1 beträgt die Dicke des Wärmesenkenblocks 40 zwischen 0,5 mm und 1,5 mm. Weiterhin ist ein Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 abgerundet (nachfolgend R-förmig bezeichnet; R = ”round”), so dass das Anheftteil 50, das an dem Kantenabschnitt 43 liegt, dicker wird. Obgleich der Kantenabschnitt 43 die R-Form hat, kann der Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 auch abgeschrägt verlaufend oder ein sonstiger Kantenabschnitt ohne Ecke sein. Insbesondere liegt der Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40 dem Chip 10 über das Anheftteil 60 gegenüber. Der Kantenabschnitt 43 ist am Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40 angeordnet, so dass das Anheftteil 50, das zwischen dem Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40 und dem Chip 10 liegt, am Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 dicker ist.
  • Die Vorrichtung S1 wird wie folgt hergestellt. Zunächst werden der Chip 10 und der Wärmesenkenblock 40 auf die Oberseite der unteren Wärmesenke 20 aufgelötet. Genauer gesagt, der Halbleiterchip 10 wird über das Anheftteil 50, d. h. die Lotschicht auf die Oberseite der unteren Wärmesenke 20 laminiert. Weiterhin wird der Wärmesenkenblock 40 über die Lotschicht 50 auf den Chip 10 laminiert. Danach wird die Lotschicht 50 durch ein Heizgerät (d. h. eine Lot-Reflowanlage) aufgeschmolzen und wieder ausgehärtet, so dass der Chip und der Wärmesenkenblock 40 an der unteren Wärmesenke 20 befestigt sind.
  • Nachfolgend wird eine Steuerelektrode, beispielsweise ein Gatekissen des Chips 10 und der Leiterrahmen 70 elektrisch mit dem Draht 80 durch ein Drahtbondierungsverfahren angeschlossen. Dann wird die obere Wärmesenke 30 auf den Wärmesenkenblock 40 gelötet. In diesem Fall wird die obere Wärmesenke 30 auf dem Wärmesenkenblock 40 über eine Lotfolie befestigt. Danach wird die Lotfolie durch eine Heizvorrichtung aufgeschmolzen und wieder ausgehärtet. Die ausgehärtete Lotfolie schafft das Anheftteil 50. Somit sind die untere Wärmesenke 20, der Chip 10 und der Wärmesenkenblock 40 und die obere Wärmesenke 30 zusammengeheftet und elektrisch und thermisch miteinander über das Anheftteil 50 verbunden.
  • Dann wird unter Verwendung des Gießwerkzeuges (nicht gezeigt), der Kunststoff oder das Kunstharz in den Freiraum zwischen den Wärmesenken 20 und 30 eingefüllt und auf den Umfang der Wärmesenken 20 und 30 gegossen, so dass der Kunstharz- oder Kunststoffverguß 60 diesen Freiraum und den Umfang der Wärmesenken 20 und 30 versiegelt. Nach Aushärtung des Kunststoffes oder Kunstharzes wird die Halbleitervorrichtung S1 aus dem Gießwerkzeug entnommen. Hiermit ist die Vorrichtung S1 fertig.
  • Der Boden der unteren Wärmesenke 20 und die obere Seite der oberen Wärmesenke 30 liegen aus dem Verguß 60 heraus frei vor, so dass die Wärmeabstrahlung von den Wärmesenken 20 und 30 verbessert ist.
  • Die oberen und unteren Wärmesenken 20 und 30 als Wärmeabstrahlplatten zur Abstrahlung der vom Chip 10 als Wärmeerzeugungselement erzeugten Wärme liegen auf beiden Seiten des Chips 10 über das (unter Zwischenschaltung von dem) Anheftteil 50. Ein Wärmesenkenblock 40 liegt zwischen dem Chip 10 und der oberen Wärmesenke 30 über das (unter Zwischenschaltung von dem) Anheftteil 50, um eine elektrische und thermische Verbindung zwischen dem Chip 10 und der oberen Wärmesenke 30 herzustellen. Die Dicke des Wärmesenkenblocks 40 liegt im Bereich zwischen 0,5 mm und 1,5 mm. Praktisch die gesamte Vorrichtung S1 ist in den Verguß 60 eingegossen.
  • Der Grund, warum die Dicke des Wärmesenkenblocks 40 in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 1,5 mm gesetzt wird, ist wie folgt: 2 zeigt die elastische Scherbelastung, welche durch eine FEM-Analyse erhalten wird. Die elastische Scherbelastung oder elastische Scherdehnung wird in dem Anheftteil 50 erzeugt, das auf dem Chip 10 angeordnet ist und eine unterschiedliche Dicke zu dem Wärmesenkenblock 40 hat. Hier hat der Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 anstelle der abgeschrägten Kante eine rechtwinklige Kante. Wie in 2 gezeigt, wenn die Dicke des Wärmesenkenblocks 40 gering ist, wird die in dem Anheftteil 50 erzeugte Dehnungsbelastung gering, so dass die Zuverlässigkeit des Anheftteils verbessert ist. Dies deshalb, als das Anheftteil 50 vor Rissen geschützt ist, wenn die Dehnung in dem Anheftteil 50 klein ist. Der Wärmesenkenblock 40 ist zwischen dem Chip 10 und der oberen Wärmesenke 30 angeordnet, so dass der Freiraum oder Abstand zwischen dem Chip 10 und der oberen Wärmesenke 30 festgelegt ist. Wenn die Dicke des Wärmesenkenblocks 40 geringer als 0,5 mm ist, ist es schwierig, ausreichend Raum für den Draht 80 von dem Chip 10 her sicherzustellen. Insbesondere ist es notwendig, einen ausreichenden Abstand zwischen der oberen Wärmesenke 30 und dem Chip 10 sicherzustellen, so dass der Draht 80 nicht mit der oberen Wärmesenke 30 kontaktiert. Der Draht verbindet die Gateelektrode des Chips 10. Wenn beispielsweise. die Höhe des Drahtes 80 1 mm beträgt, die Dicke des Chips 10 0,2 mm beträgt und die Dicke eines jeden Bondierungsteils 0,1 mm beträgt, ist es notwendig, dass die Dicke des Wärmesenkenblocks 40 gleich oder größer als 0,5 mm ist. Umgekehrt, wenn die Dicke des Wärmesenkenblocks 40 gleich oder dicker als 0,5 mm ist, ist der Abstand zwischen der oberen Wärmesenke 30 und dem Chip 10 ausreichend sichergestellt.
  • Wenn jedoch die Dicke des Wärmesenkenblocks 40 noch größer wird, wird die Dehnbelastung in dem Anheftteil 50 groß oder ein thermischer Widerstand oder elektrischer Widerstand des Wärmesenkblocks 40 werden groß. Von daher beträgt die Dicke des Wärmesenkenblocks 40 gleich oder weniger als 1,5 mm. Diese obere Grenze der Dicke wird durch zusammenschauende Betrachtung eines Anstiegsverhältnisses der Dehnbelastung im Anheftteil 50, erhalten durch die FEM-Analyse und thermischen Widerstand und elektrischen Widerstand des Wärmesenkenblocks 40 bestimmt.
  • Wenn somit die Dicke des Wärmesenkenblocks 40 in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 1,5 mm ist, werden der Chip 10 und die obere Wärmesenke 30 thermisch und elektrisch verbunden. Weiterhin wird der Abstand zwischen dem Chip 10 und der oberen Wärmesenke 30 sichergestellt. Darüber hinaus wird eine Belastung in dem Anheftteil 50, das zwischen dem Chip 10 und dem Wärmesenkenblock 40 liegt, verringert.
  • In dieser Ausführungsform ist der Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 als abgeschrägte Kante ausgeführt, so dass die Dicke des Anheftteils 50, das an dem Kantenabschnitt 43 liegt, dicker wird. Dies deshalb, als sich Belastungen im Anheftteil 50 an dem Kantenabschnitt des Wärmesenkenblocks 40 konzentrieren, wie analytisch ermittelt worden ist. Um somit die Festigkeit des Anheftteiles 50 zu verbessern, wird die Form des Kantenabschnitts 43 des Wärmesenkenblocks 40 modifiziert. Damit wird die Dicke des Anheftteiles 50 an dem Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 dicker, d. h. dem Kantenabschnitt, an dem eine Belastungskonzentration auftritt.
  • Gemäß 1 hat der Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40, der den Chip 10 berührt, die R-Form. 3 zeigt eine elastische Scherdehnung in dem Anheftteil 50 der Vorrichtung S1 mit dem R-förmigen Kantenabschnitt des Wärmesenkenblocks 40, erhalten durch die FEM-Analyse. Insbesondere hat der Kantenabschnitt 43 eine Breite W und eine Höhe H wie in 4 gezeigt. Die elastische Scherdehnung in dem Anheftteil 50, welches auf den Chip 10 angeordnet ist, wird ermittelt.
  • Gemäß 3, wenn der Kantenabschnitt 43 die R-Form hat, d. h. wenn die Breite W des Kantenabschnittes nicht Null beträgt, wird die Dehnungsbelastung im Vergleich zu einer rechteckigen Kante (d. h. die Breite W ist 0) geringer. Dies deshalb, als die Dicke des Anheftteiles 50, d. h. die Lotschicht am Kantenabschnitt 43, dicker wird. Die Dehnungsbelastung konzentriert sich an dem Kantenabschnitt 43. Dieses Ergebnis kann für einen Fall erhalten werden, bei dem der Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 eine abgeschrägte Kante ist. Weiterhin ist eine Belastung im Anheftteil 50 für einen Fall, bei dem die Höhe H des Kantenabschnittes 43 0,20 mm beträgt, geringer als in einem Fall, in dem die Höhe H 0,05 mm beträgt.
  • Da somit der Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 eine abgeschrägte Kante oder abgerundete Kante ist, bei der die Ecke gebrochen ist (d. h. es tritt keine direkte Ecke auf), ist somit eine Belastungskonzentration am Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 im Vergleich zu einem Kantenabschnitt 43 mit einer rechtwinkligen Ecke verringert. Eine Belastung im Anheftteil 50 im Bereich des Kantenabschnittes 43 ist somit verringert.
  • Weiterhin wird die Dicke des Anheftteiles 50 größer, da die Ecke des Kantenabschnittes 43 des Wärmesenkenblocks 40 entfernt ist. Somit wird für das Anheftteil 50, welches an dem Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 liegt, wo eine Belastungskonzentration leicht auftritt, ausreichend Festigkeit sichergestellt.
  • Die Dicke des Wärmesenkenblocks 40 und die Form des Kantenabschnittes 43 werden daher so definiert, dass die Zuverlässigkeit, d. h. die Festigkeit des Anheftteiles 50 zwischen dem Chip 10 und dem Wärmesenkenblock 40 verbessert ist.
  • Gemäß 3 hat, wenn die Breite W des Kantenabschnitts gleich oder größer als 0,1 mm ist und die Höhe H des Kantenabschnittes 43 im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,20 mm liegt, das Anheftteil 50 ausreichend Zuverlässigkeit, d. h. ausreichend Festigkeit.
  • In der ersten Ausführungsform liegt der Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40 an welchem der Kantenabschnitt 43 mit der abgerundeten Ecke liegt, dem Chip 10 über das Anheftteil 50 gegenüber. Im Stand der Technik hat der Wärmesenkenblock eine rechtwinklige Kante, so dass die rechtwinklige Kante den Halbleiterchip beschädigen kann. Bei dieser Ausführungsform hat jedoch der Wärmesenkenblock 40 die abgerundete oder gebrochene Ecke oder Kante, d. h. der Kantenabschnitt 43 ist so gestaltet, dass der Halbleiterchip 10 vor Schaden geschützt ist.
  • Die Analyse hat weiterhin gezeigt, dass sich Belastungen an dem Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 konzentrieren. Insbesondere kann sich eine Belastung leicht an dem Kantenabschnitt 43 konzentrieren, der an dem Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40 liegt, wobei dieser Boden 41 in Richtung des Chips 10 weist, d. h. in Richtung des Wärmeerzeugungselements. Von daher ist es zur Belastungsverringerung in dem Anheftteil 50 wirksam, die Ecke des Wärmesenkenblocks 40 zu entfernen, nämlich die Ecke oder Kante, welche am Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40 liegt, der in Richtung des Chips 10 weist.
  • Der Wärmesenkenblock 40 ist aus Material mit guter thermischer Leitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit. Beispielsweise ist der Wärmesenkenblock 40 aus einer Kupferlegierung, einer Aluminiumlegierung oder einer herkömmlichen Eisenlegierung.
  • Weiterhin liegt der Elastizitätsmodul des Wärmesenkenblocks 40 in einem Bereich zwischen 60 GPa und 240 GPa. In diesem Fall wird die Belastung im Anheftteil 50, d. h. der Lotschicht nicht wesentlich beeinflusst. Dies wird durch eine FEM-Analyse bestätigt.
  • Die Vorrichtung S1 kann den Wärmesenkenblock 40 mit der Dicke im Bereich zwischen 0,5 mm und 1,5 mm haben und kann den Kantenabschnitt 43 mit einer herkömmlichen rechtwinkligen Kante oder Ecke haben. Da in diesem Fall die Dicke des Wärmesenkenblocks 40 in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 1,5 mm liegt, kann die Vorrichtung einen ähnlichen Vorteil wie die Vorrichtung S1 von 1 haben. Somit ist die Zuverlässigkeit, d. h. die Festigkeit des Anheftteils 50, welches zwischen dem Chip 10 und dem Wärmesenkenblock 40 liegt, im Vergleich zur herkömmlichen Vorrichtung verbessert.
  • Weiterhin kann die Vorrichtung S1 den Wärmesenkblock 40 mit einer Dicke außerhalb des Bereichs zwischen 0,5 mm und 1,5 mm haben und kann den Kantenabschnitt 43 mit der abgeschrägten Kanten oder Eckenform haben. In diesem Fall kann, da der Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 abgeschrägt ist, so dass die Dicke des Anheftteils 50 im Bereich des Kantenabschnittes 43 größer wird, die Vorrichtung einen ähnlichen Vorteil wie die Vorrichtung S1 von 1 haben. Somit ist die Zuverlässigkeit, d. h. die Festigkeit des Anheftteils 50, das zwischen dem Chip 10 und dem Wärmesenkenblock 40 liegt, im Vergleich zu einer herkömmlichen Vorrichtung verbessert.
  • Weiterhin kann die Vorrichtung S1 einen anderen Wärmesenkenblock haben, der zwischen dem Chip 10 und der unteren Wärmesenke 20 liegt. In diesem Fall hat dieser andere Wärmesenkenblock einen ähnlichen Aufbau wie der Wärmesenkenblock 40.
  • (Zweites Beispiel in Verbindung mit der Erfindung)
  • Eine Halbleitervorrichtung S2 gemäß einem zweiten Beispiel in Verbindung mit der Erfindung ist in 5 gezeigt. Der Boden 41 des auf der Chipseite angeordneten Wärmesenkenblocks 40 ist abgerundet. Genauer gesagt, die gesamte Bodenfläche 41 des Wärmesenkenblocks 40 ist in Form einer sphärischen Oberfläche ausgebildet. Hierbei ist wenigstens entweder die Oberseite 42 oder der Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40 in Form einer sphärischen Oberfläche. Die Oberseite 42 des Wärmesenkenblocks 40 liegt auf Seiten der oberen Wärmesenke.
  • In 5 ist der Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40, der auf Seiten des Halbleiterchips liegt, in einer sphärischen Form ausgebildet. Die Oberseite 42 des Wärmesenkenblocks 40, der auf Seiten der oberen Wärmesenke liegt, kann ebenfalls eine sphärische Form haben. Weiterhin können sowohl der Boden 41 als auch die Oberseite 42 des Wärmesenkenblocks 40 eine sphärische Formgebung haben. Hierbei hat die Vorrichtung S2 einen Wärmesenkenblock 40 mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,5 mm und 1,5 mm.
  • Die Breite W des Kantenabschnittes 43 des Wärmesenkenblocks 40 kann gleich oder größer als 0,1 mm sein. Somit kann die gesamte Bodenfläche 41 des Wärmesenkenblocks 40 gerundet sein, d. h., kann eine sphärische Form haben. In diesem Fall hat die Vorrichtung S2 die gleichen Vorteile (d. h. Funktionen und Wirkungsweisen) wie die Vorrichtung S1 mit dem Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40 mit der abgerundete Kante.
  • Weiterhin, selbst wenn der Wärmesenkenblock 40 in der Vorrichtung S2 beim Zusammenbau verkippt wird, wie in 6 gezeigt, verringert sich die Dicke des Anheftteils 50 nicht wesentlich.
  • Es ist bevorzugt, dass die Bodenfläche oder der Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40 eine sphärische Form hat. Dies deshalb, als Beschädigungen des Halbleiterchips beschränkt werden. Weiterhin wird eine Belastung in dem Anheftteil 50, welches den Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40 kontaktiert, wirksam verringert, wobei dieser Boden 41 auf Seiten des Chips liegt, wo sich Belastungen leicht konzentrieren können. Weiterhin hat der Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40, der in Richtung des Chips 10 weist, keine Ecke. Selbst wenn daher das Anheftteil 50 extrem ausgedünnt wird, so dass der Chip 10 den Wärmesenkenblock 40 berührt, kann der Chip 10 vor Schäden geschützt werden.
  • Die Vorrichtung S2 kann den Wärmesenkenblock 40 mit der Dicke außerhalb des Bereichs zwischen 0,5 mm und 1,5 mm haben, wobei der Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40 die sphärische Formgebung hat. Da in diesem Fall der Boden 41 des Wärmesenkenblocks 40 in sphärischer Form vorhanden ist, wird die Zuverlässigkeit des Anheftteils 50, das zwischen dem Chip 10 und dem Wärmesenkenblock 40 liegt, im Vergleich zu einer herkömmlichen Vorrichtung immer noch verbessert.
  • (Drittes Beispiel in Verbindung mit der Erfindung)
  • Eine Halbleitervorrichtung S3 gemäß einem dritten Beispiel in Verbindung mit der Erfindung ist in 7 gezeigt. Der Halbleiterchip 10 hat einen Kantenabschnitt 11, der abgerundet ist, so dass das Anheftteil 50, welches den Chip 10 kontaktiert, dicker wird. Genauer gesagt, die Kante 11 des Chips 10 weist die bereits genannte R-Form auf, so dass das Anheftteil 50, welches an dem Kantenabschnitt 11 des Chips 10 liegt und zwischen dem Chip 10 und der unteren Wärmesenke 20 liegt, dicker wird.
  • In 7 hat die Vorrichtung S3 den Wärmesenkenblock 40 mit dem abgerundeten Kantenabschnitt 43. Die Vorrichtung S3 kann jedoch auch den Wärmesenkenblock 40 mit dem sphärisch geformten Boden 41 haben.
  • In diesem Fall hat die Vorrichtung S3 die gleichen Vorteile (d. h. Funktionen und Wirkungsweisen) wie die Vorrichtung S1 mit dem Kantenabschnitt 43 des Wärmesenkenblocks 40, der die runde Kante hat.
  • Laut FEM-Analyse konzentriert sich eine Belastung im Anheftteil 50 zwischen dem Chip 10 und der unteren Wärmesenke 20 leicht an dem Kantenabschnitt 11 des Chips 10 und dem Umfang hiervon. Von daher ist es bevorzugt, dass die Kante 11, welche auf Seiten der unteren Wärmesenke liegt, abgerundet ist. Hierdurch wird eine Belastung in dem Anheftteil 50 wirksam verringert.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Die Erfinder haben Untersuchungen an den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Wärmesenken 20 und 30 und dem Kunstharzverguß 60 angestellt. Wenn der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des Kunstharzvergusses 60 anwächst, ändert sich ein Abschnitt, wo leicht Risse auftreten, von einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Chip 10 und dem Wärmesenkenblock 40 zu einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Chip 10 und der unteren Wärmesenke 20. Genauer gesagt, der Abschnitt, wo leicht Risse auftreten, ändert sich oder wandert von dem Anheftteil 50, welches auf der Oberseite des Chips 10 liegt (d. h. auf einer Vorrichtungsausbildungsoberfläche des Chips 10) zu dem Anheftteil 50 am Boden oder der Bodenseite des Chips 10 (d. h. einer Oberfläche des Chips 10, wo keine Vorrichtung ausgebildet wird). Hierbei ist das Wärmeerzeugungselement auf der Vorrichtungsausbildungsoberfläche ausgebildet und kein Wärmeerzeugungselement ist auf der Nicht-Vorrichtungsausbildungsoberfläche ausgebildet.
  • Eine in der Praxis ausgeführte Halbleitervorrichtung wurde getestet. Wenn der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des Kunstharz- oder Kunstharzvergusses 60 sich von 14 ppm/°C auf 10 ppm/°C ändert, wird ein Riss an dem Anheftteil, das an der Vorrichtungsausbildungsoberfläche liegt (auf der Oberseite des Chips 10) größer. Der Riss wird erzeugt durch thermische Belastungen am Verbindungsabschnitt zwischen, dem Chip 10 und dem Anheftteil 50. Wenn der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des Kunstharzvergusses 60 von 40 ppm/°C auf 18 ppm/°C geändert wird, wird der Riss an dem Anheftteil, das an der Vorrichtungsausbildungsoberfläche liegt (d. h. auf der Oberseite des Chips 10) klein.
  • Hierbei ist es bevorzugt, dass der Riss an dem Verbindungsabschnitt erzeugt wird, der an der Nicht-Vorrichtungsausbildungsoberfläche liegt, und nicht an dem Verbindungsabschnitt, der an der Vorrichtungsausbildungsoberfläche des Anheftteils liegt. Der Grund hierfür ist wie folgt: an der Vorrichtungsausbildungsoberfläche (d. h. der Oberseite) des Chips 10 liegt das Anheftteil 50 praktisch über die gesamte Fläche des Vorrichtungsbereichs hinweg, welche zur Wärmeerzeugung beiträgt. Daher ist das Anheftteil 50 nicht in einem Nicht-Vorrichtungsausbildungsbereich angeordnet. Insbesondere ist die Fläche des Anheftteils 50 kleiner als die Vorrichtungsausbildungsoberfläche des Chips 10. Der Vorrichtungsbereich und der Nicht-Vorrichtungsbereich liegen auf der Vorrichtungsausbildungsoberfläche des Chips 10. Ein elektrisches Teil, beispielsweise ein IGBT oder dergleichen, das zur Wärmeerzeugung beiträgt, ist in dem Vorrichtungsbereich ausgebildet und kein elektrisches Teil ist in dem Nicht-Vorrichtungsbereich ausgebildet.
  • Auf der Nicht-Vorrichtungsausbildungsoberfläche (d. h. dem Boden) des Chips 10 ist die Fläche des Anheftteils 50 gleich oder größer als die Nicht-Vorrichtungsausbildungsoberfläche des Chips 10. Daher kontaktiert das Anheftteil 50 einen Teil der Nicht-Vorrichtungsausbildungsoberfläche entsprechend dem Nicht-Vorrichtungsbereich, der nicht zur Wärmeerzeugung beiträgt. Der Nicht-Vorrichtungsbereich liegt außerhalb des Vorrichtungsbereichs, so dass der Nicht-Vorrichtungsbereich den Vorrichtungsbereich umgibt. Allgemein gesagt, ein Riss wird zuerst am Umfang des Chips 10 erzeugt. Wenn somit der Riss am Verbindungsabschnitt der Vorrichtungsausbildungsoberfläche erzeugt wird, wird der Riss in dem Anheftteil 50 erzeugt, das in dem Vorrichtungsbereich liegt, so dass der Riss die Wärmeabstrahlung beeinflusst. Somit wird die Leistung der Wärmeabstrahlung verringert. Wenn der Riss in dem Verbindungsabschnitt der Nicht-Vorrichtungsausbildungsoberfläche erzeugt wird, wird der Riss in dem Anheftteil 50 erzeugt, das auf dem Teil entsprechend dem Nicht-Vorrichtungsbereich liegt, so dass der Riss die Wärmeabstrahlung nicht wesentlich beeinflusst. Somit wird die Leistung bei der Wärmeabstrahlung nicht wesentlich verringert.
  • Es ist somit bevorzugt, dass der Riss in dem Anheftteil 50 erzeugt wird, das auf der Nicht-Vorrichtungsausbildungsoberfläche liegt, wenn sich der Riss in dem Anheftteil 50 bildet. Auf diese Weise kann der Riss die Wärmeabstrahlung nicht beeinflussen.
  • Angesichts der obigen Untersuchungen wird eine Halbleitervorrichtung S4 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, wie in 8 gezeigt. 9 zeigt den Halbleiterchip 10. 9 ist eine Draufsicht auf eine obere Oberfläche 12 des Chips 10. Der Chip 10 ist beispielsweise eine rechteckförmige dünne Platte.
  • Der Chip 10 ist ein Wärmeerzeugungselement, d. h. ein Teil, welches zu der Wärmeerzeugung beiträgt; das Teil, welches die Wärme erzeugt, liegt auf der oberen Oberfläche 12 des Chips 10 (d. h. an der Vorrichtungsausbildungsoberfläche). Kein wärmeerzeugendes Teil ist an der Bodenfläche 13 des Chips 10 angeordnet (d. h. an der Nicht-Vorrichtungsausbildungsoberfläche). Die Bodenfläche 13 liegt gegenüber der oberen Oberfläche. Der Chip 10 beinhaltet einen IGBT und/oder Transistor, angeordnet auf der oberen Oberfläche 12 des Chips 10. Der IGBT und der Transistor erzeugen Wärme. Das elektrische Teil, welches zur Wärmeerzeugung beiträgt, ist in einem Vorrichtungsbereich R1 ausgebildet, der von einer Emitterelektrode 14 annähernd überdeckt wird.
  • Der Chip 10 beinhaltet den Vorrichtungsbereich R1 und einen Nicht-Vorrichtungsbereich R2, der außerhalb des Vorrichtungsbereiches R1 liegt. Kein Teil, welches zur Wärmeerzeugung beiträgt, ist in dem Nicht-Vorrichtungsbereich R2 ausgebildet, so dass keine Wärme in dem Nicht-Vorrichtungsbereich R2 erzeugt wird. Genauer gesagt, der Vorrichtungsbereich R1 mit Rechteckform liegt in einer Mitte des Chips 10, der ebenfalls Rechteckform hat. Der Nicht-Vorrichtungsbereich R2 hat eine rechteckförmige Rahmenform und liegt außerhalb des Vorrichtungsbereiches R1, so dass der Nicht-Vorrichtungsbereich R2 den Vorrichtungsbereich R1 umgibt. Der Nicht-Vorrichtungsbereich R2 liegt somit am Umfang des Chips 10. Hierbei sind der Vorrichtungsbereich R1 und der Nicht-Vorrichtungsbereich R2 auf der oberen Oberfläche 12 des Chips 10 angeordnet. In dem Nicht-Vorrichtungsbereich R2 auf der oberen Oberfläche 12 des Chips 10 ist eine Gateelektrode 15 ausgebildet. Eine Kollektorelektrode (nicht gezeigt) ist an der Bodenoberfläche 13 des Chips 10 ausgebildet. Die Kollektorelektrode ist eine Rückenelektrode und kein Teil, welches zur Wärmeerzeugung beiträgt, und ist an der Bodenoberfläche 13 ausgebildet. Auf der oberen Oberfläche 12 des Chips 10 ist das Anheftmaterial 50 praktisch über den gesamten Vorrichtungsbereich R1 hinweg angeordnet und liegt im Wesentlichen nicht auf dem Nicht-Vorrichtungsbereich R2. Das heißt, das Anheftteil 50 liegt auf dem Vorrichtungsbereich R1 präzise ohne Überschuss oder Mangel. Daher wird kein unnötiges Anheftteil 50 aufgebracht, d. h. kein Anheftteil 50 liegt auf dem Nicht-Vorrichtungsbereich R2. Der Wärmesenkenblock 40 ist mit dem Vorrichtungsbereich R1 auf der oberen Oberfläche 12 des Chips 10 über das Anheftteil 50 verbunden.
  • An der Bodenfläche 13 des Chips 10 liegt das Anheftteil 50 auf der gesamten Bodenfläche 13 des Chips 10 oder das Anheftteil 50 liegt auf einem etwas größeren Flächenbereich der Bodenoberfläche 13 des Chips 10. Somit kontaktiert das Anheftteil 50 thermisch die gesamte Bodenfläche 13 des Chips 10, welche einen Abschnitt entsprechend dem Nicht-Vorrichtungsbereich R2 beinhaltet, der im Wesentlichen nicht zu der Wärmeerzeugung beiträgt. Die untere Wärmesenke 20 ist mit der Bodenfläche 13 des Chips 10 über das Anheftteil 50 verbunden.
  • Die oberen und unteren Wärmesenken 20 und 30 und der Wärmesenkenblock 40 sind aus einem metallischen Material mit guter thermischer Leitfähigkeit und guter elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise einer Kupferlegierung oder Aluminiumlegierung. Es ist bevorzugt, dass die oberen und unteren Wärmesenken 20 und 30 und der Wärmesenkenblock 40 aus dem gleichen Material sind. Die oberen und unteren Wärmesenken 20 und 30 sind elektrisch mit Hauptelektroden, beispielsweise der Kollektorelektrode und der Emitterelektrode des Chips 10 über das Anheftteil 50, d. h. die Lotschicht verbunden. Die oberen und unteren Wärmesenken 20 und 30 können eine rechteckförmige Plattenform haben. Weiterhin kann der Wärmesenkenblock 40 eine etwas kleinere rechteckförmige Platte sein, welche etwas kleiner als der Chip 10 ist.
  • Die obere Wärmesenke 30 liefert die erste Wärmeabstrahlplatte, welche mit der oberen Oberfläche 12 des Chips 10 über das Anheftteil 50 verbunden ist. Die untere Wärmesenke 20 liefert die zweite Wärmeabstrahlplatte, welche mit der Bodenoberfläche 13 des Chips 10 über das Anheftteil 50 verbunden ist. Der Kunstharz- oder Kunstharzverguß 60 siegelt die oberen und unteren Wärmesenken 20 und 30, den Chip 10 und den Wärmesenkenblock 40 ein. Beispielsweise versiegelt der Verguß 60 den Freiraum zwischen den oberen und unteren Wärmesenken 20 und 30 und versiegelt den Umfang des Chips 10 und des Wärmesenkenblocks 40. Der Verguß 60 wird aus einem üblichen Vergußmaterial, beispielsweise Epoxyharz gefertigt.
  • In der Vorrichtung S4 ist der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des Kunstharz- oder Kunstharzvergusses 60 als α definiert und der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der oberen und unteren Wärmesenken 20 und 30 ist als β definiert. Die Beziehung zwischen den Koeffizienten α und β ist als 0,8 × β ≤ α ≤ 1,5 × β definiert.
  • Genauer gesagt, wenn die Wärmesenken 20 und 30 aus Kupfer sind, ist der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α des Kunstharzvergusses 60 in einem Bereich zwischen 14 ppm/°C und 25 ppm/°C. Bevorzugt ist der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α in einem Bereich zwischen 16 ppm/°C und 20 ppm/°C. Weiterhin ist der Elastizitätsmodul des Kunstharzvergusses 60 in einem Bereich zwischen 6 GPa und 24 GPa. Hierbei ist der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient β der oberen und unteren Wärmesenken 20 und 30 bei 17 ppm/°C.
  • Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α und der Elastizitätsmodul des Kunstharzvergusses 60 wird durch Einstellen eines Füllmaterials in dem Kunstharz gesteuert, wenn der Kunstharzverguß 60 aus Epoxyharz als Basismaterial gefertigt ist.
  • Nachfolgend wird der Grund beschrieben, warum die Beziehung zwischen den Koeffizienten α und β auf 0,8 × β ≤ α ≤ 1,5 × β gesetzt wird.
  • 10 ist eine Graphik, welche die Beziehung zwischen der elastischen Scherdehnung in dem Anheftteil 50 der Vorrichtung S4, erhalten durch eine FEM-Analyse, zeigt. Insbesondere zeigt die Kurve A in 10 die Belastung im Anheftteil 50 auf dem Chip 10, d. h. im Anheftteil 50 auf der oberen Oberfläche 12 des Chips 10, in 8 mit A bezeichnet. Die Kurve B in 10 zeigt die Belastung in dem Anheftteil 50 unter dem Chip 10, d. h. dem Anheftteil 50, das an der Bodenfläche 13 des Chips 10 liegt, wie in 8 mit B bezeichnet. Hierbei sind die Wärmesenken 20 und 30 aus Kupfer gefertigt. Das Anheftteil 50 ist aus einem Lot der Sn-Cu-Ni-Serie (d. h. Zinn-Kupfer-Nickel) mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 23 ppm/°C. Die Belastung im Anheftteil 50 wird an Punkten analysiert, welche durch die Pfeile A und B in 8 bezeichnet sind. Genauer gesagt, die Punkte in dem Anheftteil 50 liegen am Umfang des Chips 10.
  • Gemäß 10 wird, wenn der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α des Kunstharzvergusses 60 größer als 50 ppm/°C wird, die Belastung in dem Anheftteil 50 am Punkt B erhöht. Dies bedeutet, dass das Anheftteil 50 unter dem Chip 10 leicht durch thermische Belastungszyklen reißt (d. h. Risse bekommt), wenn der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α des Kunstharzvergusses 60 größer als 15 ppm/°C wird. Andererseits, wenn der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α des Kunstharzvergusses 60 größer als 15 ppm/°C wird, nimmt die Belastung im Anheftteil 50 am Punkt A ab. Dies bedeutet, dass das Anheftteil 50 am Chip 10 durch thermische Belastungszyklen leicht reißt (d. h. Risse bekommt) wenn der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α des Kunstharzvergusses 60 kleiner wird.
  • Wenn somit der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α des Kunstharzvergusses 60 kleiner als 15 ppm/°C ist, ist die Belastung im Anheftteil 50 am Punkt A größer als am Punkt B. Wenn der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α des Kunstharzvergusses 60 größer als 15 ppm/°C ist, ist die Belastung im Anheftteil 50 am Punkt B größer als am Punkt A. Das heißt. ein Teil des Anheftteils 50, der leicht Risse bekommt, liegt an der oberen Oberfläche 12 des Chips 10, wenn der lineare Ausdehnungskoeffizient α kleiner als 15 ppm/°C ist. Der Teil, der leicht Risse bekommt, liegt an der Bodenfläche des Chips 10, wenn der lineare Ausdehnungskoeffizient α größer als 15 ppm/°C ist. Somit ändert sich der Teil, der leicht Risse bekommt, oder er wandert vom Teil auf der oberen Oberfläche 12 zu dem Teil an der Bodenoberfläche 13, wenn der lineare Ausdehnungskoeffizient α des Kunstharzvergusses 60 größer wird.
  • Daher wird der lineare Koeffizient α des Kunstharzvergusses 60 auf größer als 15 ppm/°C gesetzt, so dass das Anheftteil 50, welches an der Bodenfläche 13 des Chips 10 liegt, leicht bricht. Insbesondere wird das leichtbrechende Teil so eingestellt, das es das Anheftteil 50 ist, welches an der Bodenfläche 13 des Chips 10 liegt und einen linearen Koeffizient α von mehr als 15 ppm/°C hat. Selbst wenn in diesem Fall ein Riss in dem Anheftteil erzeugt wird, beeinflusst der Riss die Wärmeabstrahlung nicht, so dass die Wärmeabstrahlleistung nicht wesentlich verringert wird.
  • Wie in 10 gezeigt, ändert sich das Teil, welches leicht bricht, bei einem linearen Koeffizient α von 15 ppm/°C. In der Praxis wurde die Vorrichtung S4 durch Ändern des linearen Koeffizient α des Kunstharzvergusses 60 getestet. Das Ergebnis zeigt, dass das Teil, welches leicht bricht, sich bei einem linearen Koeffizienten α von 14 ppm/°C ändert. Somit ist der kritische Wert des linearen Koeffizienten α, bei dem sich das Teil, welches leicht bricht ändert, und welcher durch den Praxistest erhalten worden ist, praktisch der gleiche Wert, der durch die FEM-Analyse gem. 10 erhalten worden ist.
  • Wenn somit die Beziehung zwischen dem linearen Koeffizienten α der Kunstharzvergusses 60 und dem linearen Koeffizienten β der Wärmesenken 20 und 30 0,8 ≤ α beträgt, wird die Belastung in dem Anheftteil 50 an der oberen Oberfläche 12 des Chips 10 gering und die Belastung im Anheftteil 50 an der Bodenfläche 13 des Chips 10 wird für den Fall groß, für den eine thermische Belastung auf die Vorrichtung S4 aufgebracht wird.
  • Hierbei wird der obere Grenzwert des linearen Koeffizienten α des Kunstharzvergusses 60 unter Bezugnahme auf den Stand der Technik bestimmt, wie er in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung JP 2003-110 0064 A beschrieben ist. Die Beziehung zwischen dem linearen Koeffizienten α des Kunstharzvergusses 60 und dem linearen Koeffizienten β der Wärmesenken 20 und 30 wird auf α ≤ 1,5 × β gesetzt.
  • Infolgedessen beträgt die Beziehung zwischen dem Koeffizienten α und β 0,8 × β α ≤ 1,5 × β. In diesem Fall wird das Teil, welches leicht durch thermische Belastungen bricht oder reißt, als das Anheftteil 50 eingestellt, welches an der Bodenfläche 13 des Chips 10 angeordnet ist.
  • Wenn hierbei die Wärmesenken 20 und 30 aus Kupfer gemacht sind, d. h., wenn der lineare Koeffizient β der Wärmesenken 20 und 30 17 ppm/°C beträgt, wird der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α des Kunstharzvergusses 60 in einem Bereich zwischen 14 ppm/°C und 25 ppm/°C gesetzt, so dass die Beziehung zwischen den Koeffizienten α und β bei 0,8 × β ≤ α ≤ 1,5 × β liegt.
  • Bevorzugt wird der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α des Kunstharzvergusses 60 in einem Bereich zwischen 16 ppm/°C und 20 ppm/°C gesetzt, wenn die Wärmesenken 20 und 30 aus Kupfer sind. Der Grund hierfür ist wie folgt: Der lineare Koeffizient α des Kunstharzvergusses 60 hat Herstellungsschwankungen, beispielsweise von ungefähr 62 ppm/°C. Daher liegt bevorzugt der untere Grenzwert des linearen Koeffizienten α bei 16 ppm/°C.
  • Für gewöhnlich wird ein Füllstoff dem Basismaterial hinzugefügt, welches den Kunstharzvergusses 60 bildet, so dass sich der lineare Koeffizient α des Kunstharzvergusses 60 ändert. Wenn der Füllstoff dem Basismaterial hinzugefügt wird, verringert sich der lineare Koeffizient α des Kunstharzvergusses 60. Daher ist es schwierig, den linearen Koeffizienten α des Kunstharzvergusses 60 zu erhöhen, ohne das Basismaterial zu ändern. Wenn weiterhin der lineare Koeffizient α des Kunstharzvergusses 60 groß wird, wird die Belastung in dem Anheftteil 50, welches unter dem Chip 10 liegt, größer. Angesichts einer Berücksichtigung der Balance der Belastungen in den Anheftteilen auf und unter dem Chip 10 ist es daher bevorzugt, dass der obere Grenzwert des linearen Koeffizienten α des Kunstharzvergusses 60 ungefähr 20 ppm/°C beträgt.
  • Wenn der lineare Koeffizient α des Kunstharzvergusses 60 geändert wird, ändert sich auch der Elastizitätsmodul des Kunstharzvergusses 60. Wenn jedoch der Elastizitätsmodul des Kunstharzvergusses 60 in einem Bereich zwischen 6 GPa und 24 GPa ist, werden Belastungen und die Dehnungen in jedem Teil der Vorrichtung S4 nicht wesentlich beeinflusst. Dieses Ergebnis wird durch die FEM-Analyse erhalten.
  • Hierbei kann der Chip 10 ein anderer Chip sein, solange der Chip eine Vorrichtungsausbildungsoberfläche beinhaltet mit einer Vorrichtung, welche zur Wärmeerzeugung beiträgt und eine andere Nicht-Vorrichtungsausführungsoberfläche hat, welche keine Vorrichtung trägt, die zur Wärmeerzeugung beiträgt. Die Vorrichtungsausbildungsoberfläche liegt gegenüber der anderen Nicht-Vorrichtungsausbildungsoberfläche.
  • Weiterhin kann, wenn er nicht notwendig ist, die Vorrichtung S4 keinen Wärmesenkenblock 40 haben.
  • (Viertes Beispiel in Verbindung mit der Erfindung)
  • Eine Halbleitervorrichtung S5 gemäß einem vierten Beispiel in Verbindung mit der Erfindung ist in 11 gezeigt. In 11 sind der Kunstharzverguß 60, der Leitrahmen 70 und der Draht 80 aus der Beschreibung weggelassen.
  • Der Nicht-Vorrichtungsbereich R2 hat eine Breite T2, welche gleich oder größer als die Dicke T des Chips 10 ist. Der Grund hierfür ist wie folgt.
  • Der Vorrichtungsbereich R1 liegt innerhalb des Nicht-Vorrichtungsbereich R2. Das Anheftteil 50 auf der oberen Oberfläche 12 des Chips 10 liegt nur auf dem Vorrichtungsbereich R1. An der Bodenfläche 13 des Chips 10 ist das Anheftteil 50, welches an der Bodenfläche 13 des Chips 10 liegt, gleich oder breiter als die gesamte Bodenfläche 13 des Chips 10.
  • In 11 stellen Pfeile Wärme dar, welche in dem Chip 10 erzeugt wird, d. h. von dem Vorrichtungsbereich R1 des Chips 10 erzeugt wird. Die Wärme pflanzt sich entlang der Pfeile fort und wird in Pfeilrichtung abgestrahlt. An dem Kantenabschnitt des Chips 10, d. h. an der Kante des Vorrichtungsbereichs R1 wird die Wärme von der Bodenfläche 13 schräg nach unten geleitet. Genauer gesagt, die Wärme wird in einer Richtung in einem Winkel von 45° von der Bodenfläche 13 abgeleitet. Dies deshalb, als die Leitung, d. h. die Leitungsgeschwindigkeit der Wärmeleitung in Richtung vertikaler Richtung praktisch gleich derjenigen ist, die in Horizontalrichtung leitet.
  • Da die Wärme in einer Richtung von 45° von der Bodenfläche 13 des Chips 10 abgeleitet wird, trägt ein Eckabschnitt 50a, der in 11 als gestrichelter Bereich dargestellt ist, nicht wesentlich zur Wärmeleitung bei. Der Eckabschnitt 50a ist in dem Anheftteil 50 angeordnet, das unter dem Chip 10 liegt und liegt oberhalb eines 45°-Pfeils in 11. Selbst wenn das Anheftteil 50 in dem Eckabschnitt 50a Risse hat, beeinflusst ein Riss in dem Eckabschnitt 50a die Wärmestrahlung nicht.
  • Wenn die Dicke T des Chips 10 gleich oder geringer als die Breite T2 des Nicht-Vorrichtungsbereich R2 ist, kann der Eckabschnitt 50a, der an der Kante des Anheftteils 50 liegt, geschaffen werden. Dies deshalb, als die Wärme in Richtung des 45°-Winkels von der Bodenfläche 13 des Chips 10 geleitet wird. Selbst wenn das Anheftteil 50 in dem Eckabschnitt 50a Risse hat, wird die Wärmeabstrahlleistung nicht beeinflusst.
  • Allgemein, ein Riss in dem Anheftteil 50 kann durch eine thermische Belastung in dem Anheftteil 50 bewirkt werden und entsteht an der Kante des Anheftteils 50. Insbesondere tritt der Riss zuerst in dem Eckabschnitt 50a auf. Wenn der Riss in dem Eckabschnitt 50a erzeugt wird, beeinflusst der Riss die Wärmeabstrahlung nicht.
  • In der Vorrichtung S5 wird das Teil, welches durch thermische Belastung leicht Risse bekommt, so eingestellt, dass es das Anheftteil 50 ist, das an der Bodenfläche 13 des Chips 10 liegt. Selbst wenn daher das Anheftteil Risse bekommt, wird der Riss im Eckabschnitt 50a erzeugt, so dass der Riss die Wärmeabstrahlungsleistung nicht beeinflusst.
  • Weiterhin kann in der Vorrichtung S5 die Beziehung zwischen dem linearen Koeffizienten α des Kunstharzvergusses 60 und dem linearen Koeffizienten β der Wärmesenken 20 und 30 auf 0,8 × β ≤ α ≤ 1,5 × β gesetzt werden. In diesem Fall wird das Teil, welches durch die thermische Belastung leicht Risse bekommt, besonders bevorzugt als das Anheftteil 50 eingestellt, das an der Bodenfläche 13 des Chips 10 liegt.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Eine Halbleitervorrichtung S6 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in 12 gezeigt. In der Vorrichtung S6 ist nur die untere Wärmesenke 20 als Wärmeabstrahlplatte an der Bodenfläche 13 des Chips 10 über das Anheftteil 50 ausgebildet. An der oberen Oberfläche 12 des Chips 10, welche den Vorrichtungsbereich R1 beinhaltet, ist ein Drahtanschluss 90 elektrisch mit der oberen Oberfläche 12 über das Anheftteil 50 in Verbindung.
  • Der Drahtanschluss 90 ist aus leitfähigem Material gefertigt und ein Teil des Drahtanschlusses 90 steht von dem Kunstharzverguß 60 vor. Der vorstehende Teil des Drahtanschlusses 90 steht mit einem äußeren Schaltkreis elektrisch in Verbindung.
  • In der Vorrichtung S6 kann die Beziehung zwischen dem linearen Koeffizienten α des Kunstharzvergusses 60 und dem linearen Koeffizienten β der Wärmesenke 20 und dem Drahtanschluss 90 auf 0,8 × β ≤ α 1,5 × β gesetzt werden. Diese Beziehung schafft die gleichen Vorteile (d. h. die Funktionen und Auswirkungen) wie in der Vorrichtung S4 von 8. Insbesondere wird die Dehnungsbelastung in dem Anheftteil 50 an der oberen Oberfläche 12 des Chips 10 klein und die Dehnungsbelastung in dem Anheftteil 50 an der Oberfläche 13 des Chips 10 wird für den Fall groß, bei dem die thermische Belastung auf die Vorrichtung S6 angelegt wird. Von daher wird das Teil, welches durch die thermische Belastung leicht Risse bekommt, bevorzugt als das Anheftteil 50 eingestellt, welches an der Bodenfläche 13 des Chips 10 angeordnet ist.
  • Der Drahtanschluss 90 kann aus dem gleichen Material wie die untere Wärmesenke 20 gemacht sein. Wenn die Wärmesenke 20 und der Drahtanschluss 90 aus Kupfer gemacht sind, ist der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α des Kunstharzgusses 60 bevorzugt in einem Bereich zwischen 14 ppm/°C und 25 ppm/°C. Mehr bevorzugt ist der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α in einem Bereich zwischen 16 ppm/°C und 20 ppm/°C. Weiterhin bevorzugt ist der Elastizitätsmodul des Kunstharzvergusses 60 in einem Bereich zwischen 6 GPa und 24 GPa.
  • Weiterhin kann die Dicke T des Chips 10 gleich oder geringer als die Breite T2 des Nicht-Vorrichtungsbereichs R2 sein.
  • (Fünftes Beispiel in Verbindung mit der Erfindung)
  • Eine Halbleitervorrichtung S7 gemäß einem fünften Beispiel in Verbindung mit der Erfindung ist in 13 gezeigt. In der Vorrichtung S7 liegt der Abstand zwischen der oberen Oberfläche der unteren Wärmesenke 20 und der unteren Oberfläche der oberen Wärmesenke 30 beispielsweise im Bereich zwischen 1–2 mm. Der Kunstharzverguß 60 versiegelt den Abstand zwischen den Wärmesenken 20 und 30 und den Umfang des Chips 10 und des Wärmesenkenblocks 40. Wenn der Kunstharzverguß 60 die Wärmesenken 20 und 30 etc. versiegelt, wird das Gusswerkzeug (nicht gezeigt), welches aus Kupfer besteht, sowie untere Gießwerkzeuge für den Gießvorgang verwendet. Bevorzugt wird ein Überzugs-Hartmaterial, beispielsweise ein Polyamidharz (nicht gezeigt) auf die Oberflächen der Wärmesenken 20 und 30 des Wärmesenkenblocks 40 und den Chip 10 aufgebracht, so dass die Klebkraft zwischen dem Kunstharzverguß 60 und den Wärmesenken 20 und 30 und die Klebkraft zwischen dem Kunstharzverguß 60 und dem Wärmesenkenblock 40 größer wird.
  • Der Kunstharzverguß 60 ist beispielsweise aus Epoxyharz oder dergleichen gefertigt, welches unterschiedlich zu einem üblichen Epoxyharz ist. Die Einfriertemperatur Tg des Epoxyharzes in der Vorrichtung S7 ist höher als bei einem herkömmlichen Epoxyharz. Insbesondere beträgt die Einfriertemperatur Tg eines herkömmlichen Epoxyharzes ungefähr 100°C bis 130°C. Die Einfriertemperatur Tg des Epoxyharzes in der Vorrichtung S7 ist gleich oder höher 150°C. Dies ist deshalb, als der obere Grenzwert der Betriebstemperatur der Vorrichtung S7 für den Fall 150°C beträgt, bei dem die Vorrichtung S7 für ein Kraftfahrzeug (einschließlich eines Elektrofahrzeugs) verwendet wird. Hierbei ist der obere Grenzwert der Vorrichtung S7 sichergestellt.
  • Wenn herkömmliches Epoxyharz für die Vorrichtung S7 verwendet wird und die Vorrichtung S7 bei einer Betriebstemperatur von beispielsweise ungefähr 140°C bis 150°C verwendet wird, welche höher als die Einfriertemperatur Tg ist, nimmt der Elastizitätsmodul des Kunstharzes 60 rapide ab, so dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kunstharzverguß 60 rapide ansteigt. Von daher wird die Druckbelastung im Chip 10 aufgehoben, so dass die Belastung am Verbindungsabschnitt zwischen dem Chip 10 und der unteren Wärmesenke 20 zunimmt. Somit ist die Haltbarkeit im Verbindungsabschnitt verringert.
  • 14 zeigt die Beziehung zwischen dem Elastizitätsmodul und der Belastung in dem Kunstharzverguß 60 und der Gebrauchstemperatur. Genauer gesagt, eine gestrichelte Linie B1 zeigt die Beziehung zwischen dem Elastizitätsmodul in dem Kunstharzverguß 60 aus herkömmlichem Epoxyharz und der Atmosphärentemperatur um die Vorrichtung S7 herum. Eine weitere gestrichelte Linie B2 zeigt die Beziehung zwischen der Belastung an dem Verbindungsabschnitt in dem Kunstharzverguß 60 aus herkömmlichem Epoxyharz und der Atmosphärentemperatur um die Vorrichtung S7 herum. Eine durchgezogene Linie A1 zeigt die Beziehung zwischen dem Elastizitätsmodul in dem Kunstharzverguß 60 aus dem vorhandenen Epoxyharz und der Atmosphärentemperatur um die Vorrichtung S7 herum. Eine weitere durchgezogene Linie A2 zeigt die Beziehung zwischen der Belastung am Verbindungsabschnitt in dem Kunstharzverguß 60 aus dem vorliegenden Epoxyharz und der Atmosphärentemperatur um die Vorrichtung S7 herum. Hierbei ist die Temperatur T1 die Einfriertemperatur Tg des herkömmlichen Epoxyharzes.
  • Die Einfriertemperatur Tg des vorhandenen Epoxyharzes ist gleich oder größer als 150°C. Daher ändert sich bei der Betriebstemperatur von unter 150°C der Elastizitätsmodul des Kunstharzvergusses 60 mit dem vorhandenen Epoxyharz nicht wesentlich. Von daher ändert sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kunstharzvergusses 60 aus dem vorhandenen Epoxyharz nicht erheblich. Somit wird die Druckbelastung des Chips 10 ausreichend sichergestellt, so dass die Druckbelastung an einer Aufhebung beschränkt ist. Somit wird eine Belastung unterdrückt, so dass die Haltbarkeit am Verbindungsabschnitt erhöht ist.
  • 15A erläutert die Druckkraft zum Halten des Chips 10, welche ausreichend auf den Chip einwirkt. Ein Paar von Pfeilen in 15A gibt die Druckbelastung wieder. 156 erläutert die Belastung am Verbindungsabschnitt der Vorrichtung S7, welche unterdrückt wird.
  • 16A erläutert die Druckbelastung zum Halten des Chips 10, der mit herkömmlichem Epoxyglas eingegossen ist, wobei die Druckbelastung kleiner als in 15A ist. Ein Paar von Pfeilen in 16A gibt die Druckbelastung wieder. 16B erläutert die Belastung am Verbindungsabschnitt der Vorrichtung S7 mit einem herkömmlichen Epoxyharzverguß, wobei die Belastung größer als in 156 wird. Hierbei ist ein Kunstharzverguß 60a aus herkömmlichem Epoxyharz unterschiedlich zu dem Kunstharzverguß 60 in der Vorrichtung S7. Die Einfriertemperatur Tg des Kunstharzvergusses 60 wird auf folgende Weise höher. Das erste Verfahren zur Erhöhung der Einfriertemperatur Tg ist, dass eine funktionelle Gruppe (d. h. eine Seitenkette) in dem Epoxyharz vergrößert wird. Das zweite Verfahren ist, dass der Benzolring in dem Epoxyharz in Kreisform verkettet wird, so dass eine Querverbindung verkürzt wird, um die Querverbindungsdichte zu erhöhen. Ein allgemein bekanntes Harz mit hoher Einfriertemperatur ist beispielsweise ein Harz mit einem linear verketteten Benzolring oder ein Harz mit einer geringen Menge an Seitenketten. Das dritte Verfahren ist, dass die Menge an Füllstoff in dem Epoxyharz so gesteuert wird, dass die Einfriertemperatur Tg erhöht wird. Die obigen drei Verfahren werden geeignet kombiniert, so dass die Einfriertemperatur Tg des Kunstharzvergusses 60 auf eine bestimmte Temperatur angehoben wird, welche gleich oder größer als 150°C ist.
  • Bei diesem Beispiel wird die Einfriertemperatur Tg durch ein bekanntes TMA-Verfahren gemessen (d. h. ein thermomechanisches Analyseverfahren), so dass sich die Einfriertemperatur Tg steuern lässt. Die Einfriertemperatur Tg wird durch das TMA-Verfahren wie folgt ermittelt. Wenn die Temperatur angehoben wird, wird auch eine Verschiebung erhöht. Somit wird die Änderung der Verschiebung abhängig von der Temperaturänderung gemessen, so dass die Änderung der Verschiebung durch zwei gerade Linien angenähert wird. Die beiden geraden Linien schneiden sich an einem Punkt, der als Einfriertemperatur Tg definiert ist. Genauer gesagt, wie in 17 gezeigt, wird die Einfriertemperatur Tg des Kunstharzvergusses 60 erhalten. Hierbei zeigt eine Horizontalachse die Temperatur (°C) und eine vertikale Achse zeigt eine Verschiebung (z. B. Meter, Millimeter oder dergleichen). Eine durchgezogene Linie C1 gibt den Ausdehnungs-(oder Zusammendrückungs-)-grad des Kunstharzvergusses 60 wieder, wenn die Temperatur des Kunstharzvergusses 60 geändert wird. Die durchgezogene Linie C1 wird durch zwei gestrichelte Linien D1, D2 angenähert, so dass die Einfriertemperatur Tg erhalten wird.
  • In der Vorrichtung S7 wird der Elastizitätsmodul des Kunstharzvergusses 60 auf gleich oder kleiner als 20 GPa in einem Temperaturbereich gleich oder unter der Einfriertemperatur Tg gesetzt. Dies deshalb, als in dem Kunstharzverguß 60 erzeugte Belastungen größer als die Klebkraft des Epoxyharzes dann wird, wenn der Elastizitätsmodul größer als 20 GPa ist.
  • In der Vorrichtung S7 ist die Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kunstharzverguß 60 und der Wärmesenke 20 und 30 gleich oder kleiner als 50%, wenn die Temperatur gleich oder kleiner als die Einfriertemperatur Tg ist. Das heißt, das Epoxyharz, welches den Kunstharzverguß 60 bildet, hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gleich oder kleiner als eineinhalb mal des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Wärmesenke 20 und 30, welche beispielsweise aus einem metallischen Material ist. Dies deshalb, als in dem Kunstharzverguß 60 erzeugte Belastung größer als die Klebkraft des Epoxyharzes dann wird, wenn der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer als 50% ist.
  • Somit hat der Kunstharzverguß 60 zum Einsiegeln quasi der ganzen Vorrichtung S7 eine Einfriertemperatur Tg gleich oder größer als der obere Grenzwert der Betriebstemperatur der Vorrichtung S7. Der obere Grenzwert beträgt beispielsweise 150°C. Wenn daher die Vorrichtung S7 in einem gewöhnlichen Betriebstemperaturbereich verwendet wird, wird ausreichend Druckbelastung auf den Chip 10 aufgebracht. Infolge dessen, selbst wenn eine hohe thermische Belastung auf die Vorrichtung S7 einwirkt, wird die Dehnungsbelastung an dem Verbindungsabschnitt verringert.
  • Da weiterhin der Elastizitätsmodul des Epoxyharzes, welches den Harzverguß 60 bildet, auf gleich oder kleiner als 20 GPa gesetzt wird, wenn die Temperatur gleich oder niedriger als die Einfriertemperatur Tg ist, wird in dem Kunstharzverguß 60 erzeugte Belastung so begrenzt, dass sie die Klebkraft des Epoxyharzes übersteigt. Da weiterhin die Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kunstharzverguß 60 und der Wärmesenke 20 und 30 gleich oder kleiner als 50% ist, wenn die Temperatur gleich oder niedriger als die Einfriertemperatur Tg ist, wird die in dem Kunstharzverguß 60 erzeugte Belastung so begrenzt, dass sie die Klebkraft des Epoxyharzes nicht übersteigt.
  • In der Vorrichtung S7 kann wenigstens eine der Wärmesenken 20, 30 eine Dicke haben, welche fünfmal größer als die Dicke des Chips 10 ist. In diesem Fall wird die Belastung am Verbindungsabschnitt in der Vorrichtung S7 erheblich verringert, so dass die Vorrichtung S7 vor Bruch geschützt wird.

Claims (18)

  1. Halbleitervorrichtung mit: einem Wärmeerzeugungselement (10) mit einem Wärme erzeugenden Chip; einem Anheftteil (50); einer ersten Wärmeabstrahlplatte (30), die auf einer ersten Seite (12) des Wärmeerzeugungselementes (10) über das Anheftteil (50) angeordnet ist, wobei der Wärme erzeugende Chip auf der ersten Seite (12) des Wärmeerzeugungselementes (10) angeordnet ist; einer zweiten Wärmeabstrahlplatte (20), die auf einer zweiten Seite (13) des Wärmeerzeugungselementes (10) über das Anheftteil (50) angeordnet ist, wobei kein Wärme erzeugender Chip auf der zweiten Seite (13) des Wärmeerzeugungselementes (10) angeordnet ist und wobei die zweite Seite (13) des Wärmeerzeugungselementes (10) gegenüber der ersten Seite (12) liegt; und einem Kunstharzverguß (60), der praktisch die gesamte Vorrichtung eingießt, wobei die ersten und zweiten Wärmeabstrahlplatten (20, 30) in der Lage sind, von dem Wärmeerzeugungselement (10) erzeugte Wärme abzustrahlen; das Wärmeerzeugungselement (10) elektrisch und thermisch mit den ersten und zweiten Wärmeabstrahlplatten (20, 30) über das Anheftteil (50) verbunden ist; das Wärmeerzeugungselement (10) weiterhin einen Vorrichtungsbereich (R1) und einen Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) beinhaltet; der Wärme erzeugende Chip in dem Vorrichtungsbereich (R1) angeordnet ist, so dass der Vorrichtungsbereich (R1) zur Wärmeerzeugung beiträgt; kein Wärme erzeugender Chip in dem Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) angeordnet ist, so dass der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) nicht zur Wärmeerzeugung beiträgt; der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) außerhalb des Vorrichtungsbereichs (R1) angeordnet ist, so dass der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) den Vorrichtungsbereich (R1) umgibt; und der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) eine Breite (T2) hat, welche gleich oder größer als eine Dicke (T) des Wärmeerzeugungselementes (10) ist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Anheftteil (50) aus einem Lot besteht.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Anheftteil (50) aus einem Lot der Zinn-Kupfer-Nickel-Serie besteht.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Wärmeabstrahlplatte (30) aus dem gleichen Material wie die zweite Wärmeabstrahlplatte (20) besteht.
  5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kunstharzverguß (60) einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der als α definiert ist; die ersten und zweiten Wärmeabstrahlplatten (20, 30) einen anderen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der als β definiert ist; und die Koeffizienten α und β eine Beziehung von 0,8 × β ≤ α ≤ 1,5 × β haben.
  6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei ersten und zweiten Wärmeabstrahlplatten (20, 30) aus Kupfer bestehen und wobei der Kunstharzverguß (60) einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α in einem Bereich zwischen 14 ppm/°C und 25 ppm/°C hat.
  7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Kunstharzverguß (60) den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α in einem Bereich zwischen 16 ppm/°C und 20 ppm/°C hat.
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kunstharzverguß (60) einen Elastizitätsmodul im Bereich zwischen 6 GPa und 24 GPa hat.
  9. Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Anheftteil (50) aus einem Lot besteht.
  10. Halbleitervorrichtung mit: einem Wärmeerzeugungselement (10) mit einem Wärme erzeugenden Chip; einem Anheftteil (50); einem Drahtanschluß (90), der auf einer ersten Seite (12) des Wärmeerzeugungselementes (10) über das Anheftteil (50) angeordnet ist, wobei der Wärme erzeugende Chip auf der ersten Seite (12) des Wärmeerzeugungselementes (10) angeordnet ist; einer Wärmeabstrahlplatte (20), die an einer zweiten Seite (13) des Wärmeerzeugungselementes (10) über das Anheftteil (50) angeordnet ist, wobei kein Wärme erzeugender Chip auf der zweiten Seite (13) des Wärmeerzeugungselementes (10) angeordnet ist und wobei die zweite Seite (13) des Wärmeerzeugungselementes (10) gegenüber der ersten Seite (12) ist; und einem Kunststoffverguß (60), der praktisch die gesamte Vorrichtung eingießt, wobei die Wärmeabstrahlplatte (20) in der Lage ist, von dem Wärmeerzeugungselement (10) erzeugte Wärme abzustrahlen; das Wärmeerzeugungselement (10) elektrisch und thermisch mit der Wärmeabstrahlplatte (20) und dem Drahtanschluß (90) entsprechend über das Anheftteil (50) verbunden ist; der Kunststoffverguß (60) einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der als α definiert ist; die Wärmeabstrahlplatte (20) und der Drahtanschluß (90) einen anderen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der als β definiert ist; und die Koeffizienten von α und β eine Beziehung von 0,8 × β ≤ α ≤ 1,5 × β haben.
  11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Wärmeabstrahlplatte (20) aus dem gleichen Material wie der Drahtanschluß (90) besteht.
  12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Wärmeabstrahlplatte (20) und der Drahtanschluß (90) aus Kupfer sind und wobei der Kunststoffverguß (60) den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α in einem Bereich zwischen 14 ppm/°C und 25 ppm/°C hat.
  13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Kunstharzverguß (60) den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α in einem Bereich zwischen 16 ppm/°C und 20 ppm/°C hat.
  14. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Kunststoffverguß (60) einen Elastizitätsmodul im Bereich zwischen 6 GPa und 24 GPa hat.
  15. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Wärmeerzeugungselement (10) weiterhin einen Vorrichtungsbereich (R1) und einen Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) aufweist, wobei der Wärme erzeugende Chip in dem Vorrichtungsbereich (R1) angeordnet ist, so dass der Vorrichtungsbereich (R1) zur Wärmeerzeugung beiträgt; kein Wärme erzeugender Chip in dem Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) angeordnet ist, so dass der Nicht-Vorrichtungsbereich nicht zur Wärmeerzeugung beiträgt; der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) außerhalb des Vorrichtungsbereichs (R1) angeordnet ist, so dass der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) den Vorrichtungsbereich (R1) umgibt; und der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) eine Breite (T2) hat, welche gleich oder größer als eine Dicke (T) des Wärmeerzeugungselements (10) ist.
  16. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Anheftteil (50) aus einem Lot besteht.
  17. Halbleitervorrichtung mit: einem Wärmeerzeugungselement (10) mit einem Wärme erzeugenden Chip; einem Anheftteil (50); einem Drahtanschluß (90), der auf einer ersten Seite (12) des Wärmeerzeugungselementes (10) über das Anheftteil (50) angeordnet ist, wobei der Wärme erzeugende Chip auf der ersten Seite (12) des Wärmeerzeugungselementes (10) angeordnet ist; einer Wärmeabstrahlplatte (20), die an einer zweiten Seite (13) des Wärmeerzeugungselementes (10) über das Anheftteil (50) angeordnet ist, wobei kein Wärme erzeugender Chip auf der zweiten Seite (13) des Wärmeerzeugungselementes (10) angeordnet ist und wobei die zweite Seite (13) des Wärmeerzeugungselementes (10) gegenüber der ersten Seite (12) ist; und einem Kunststoffverguß (60), der praktisch die gesamte Vorrichtung eingießt, wobei die Wärmeabstrahlplatte (20) in der Lage ist, von dem Wärmeerzeugungselement (10) erzeugte Wärme abzustrahlen; das Wärmeerzeugungselement (10) elektrisch und thermisch mit der Wärmeabstrahlplatte (20) und dem Drahtanschluß (90) entsprechend über das Anheftteil (50) verbunden ist; das Wärmeerzeugungselement (10) weiterhin einen Vorrichtungsbereich (R1) und einen Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) beinhaltet; der Wärme erzeugende Chip in dem Vorrichtungsbereich (R1) angeordnet ist, so dass der Vorrichtungsbereich (R1) zur Wärmeerzeugung beiträgt; kein Wärme erzeugender Chip in dem Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) angeordnet ist, so dass der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) nicht zur Wärmeerzeugung beiträgt; der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) außerhalb des Vorrichtungsbereichs (R1) liegt, so dass der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) den Vorrichtungsbereich (R1) umgibt; und der Nicht-Vorrichtungsbereich (R2) eine Breite (T2) hat, welche gleich oder größer als eine Dicke (T) des Wärmeerzeugungselementes (10) ist.
  18. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Anheftteil (50) aus einem Lot besteht.
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