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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungs-Halbleitervorrichtung,
insbesondere eine harzverkapselte Leistungs-Halbleitervorrichtung, die eine effiziente
Wärmestrahlung
realisiert, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Stand der Technik
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Konventionellerweise
werden Leistungs-Halbleitervorrichtungen für elektronische Bauteile, wie
zum Beispiel Wechselrichter, Gleichrichter oder Stellantriebe verwendet.
5 zeigt
eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Leistungs-Halbleitervorrichtung.
Wie in
5 gezeigt ist und auch aus der
US 2003/0201530 A1 ,
insbesondere aus
10c bekannt ist,
umfasst die Leistungs-Halbleitervorrichtung eine Leiterplatte mit
Metallplatten
103a und
103b, die mit beiden Seiten
eines Keramikmaterials
102 verbunden bzw. bondiert sind,
wobei die Leiterplatte auf einer Metallbasisplatte
101 unter
Verwendung eines Lots
104a fixiert ist. Ein Halbleiterelement
106 ist
auf einer Oberflächenseitenmetallplatte
103a der
vorgenannten Leiterplatte unter Verwendung eines Lots
104b fest
angebracht.
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Ein
Außengehäuse 107 mit
einem eingegossenen Auslassanschluss 108 ist an der Metallbasisplatte 101 so
befestigt, dass es auf der Metallplatte 101 aufgerichtet
ist. Eine elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterelement 106 und
dem Auslassanschluss 108 wird durch einen Aluminiumkontaktierungsdraht 109 hergestellt.
Ein Harzmaterial 110, wie zum Beispiel Silikongel, wird
zum Einfüllen
in einen Innenraum verwendet, der durch das Außengehäuse 107 begrenzt ist.
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In
den vorstehend angeführten
elektronischen Vorrichtungen, wie zum Beispiel Wechselrichtern,
Gleichrichtern oder Stellantrieben werden hinsichtlich Halbleiterelementen,
welche für
verschiedene Arten von Leistungssystemen verwendet werden können, die
normalerweise eingebaut sind, wie etwa Dioden, Transistoren, IGBT
(Insulated-Gate-Bipolartransistor) oder MOSFET keramische Werkstoffe
ausgewählt,
durch welche Isolierungs- und Wärmeleitfähigkeitsfunktionen
der Leiterplatte in Abhängigkeit von
jedem Wärmefreisetzungswert
ausgeführt
werden. In Vorrichtungen von mittlerer bis hoher Kapazität, die hohe
Wärmefreisetzungswerte
aufweisen, werden hauptsächlich
Aluminiumnitridkeramiken verwendet. In Vorrichtungen von geringer
bis mittlerer Kapazität
werden Aluminiumoxidkeramiken eingesetzt.
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Da
die Nachfrage nach einer Reduzierung der Umweltbelastungen gestiegen
ist, ist insbesondere die Anwendung von Leistungs-Halbleitervorrichtungen,
die in Kraftfahrzeugen, wie zum Beispiel Hybridfahrzeugen, eingebaut
sind, rasch fortgeschritten. Herkömmlicherweise weisen in Kraftfahrzeugantriebssystemen
angewendete Leistungsvorrichtungen hohe Wärmefreisetzungswerte auf, so
dass Leiterplatten eingesetzt werden, die Aluminiumnitrid in einer
Isolierschicht verwenden.
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Mit
dem Fortschritt von Materialentwicklungstechnologien hat Siliciumnitrid
Aufmerksamkeit erregt, da es überlegene
Festigkeitseigenschaften besitzt, und es werden angewandte Forschungen
bezüglich
Siliciumnitrid durchgeführt,
das sowohl hohe Festigkeit als auch hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, um es für Siliciumnitrid-Leiterplatten
als Material einzusetzen, das als Ersatz für Aluminiumnitrid-Leiterplatten
verwendet werden kann (siehe zum Beispiel die Druckschriften 1 bis
3).
- Druckschrift 1: JP 09162325 A
- Druckschrift 2: JP
10190176 A
- Druckschrift 3: JP
2002084046 A
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Die
DE 102 27 658 A1 offenbart
ein Leistungs-Halbleitermodul bestehend aus einem Metall-Keramik-Substrat,
das mit Halbleiter-Leistungsbauelementen
bestückt
ist, sowie einer Leiterplatine oder Leiterplatte aus organischem
Material, die mit Bauelementen bestückt ist und eine die Leistungsbauelemente
ansteuernde Treiberstufe bildet. Der Schichtaufbau des Metall-Keramik-Substrats
besteht aus einer Keramikschicht, z. B. Aluminiumoxidschicht, die
beidseitig mit jeweils einer Metallschicht versehen ist. Die Dicke
der Keramikschicht beträgt beispielsweise
0,2–2
mm, während
die Metallschichten beispielsweise einen Dickenbereich zwischen
0,1 und 0,9 mm besitzen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Hinsichtlich
der Wärmeeigenschaften
ist Aluminiumnitrid dem Siliciumnitrid überlegen. Als typisches Beispiel
weist Aluminiumnitrid eine Wärmeleitfähigkeit
von 150 W/(m·K)
auf und Siliciumnitrid besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 70 W/(m·K). Für den Einbau
in Kraftfahrzeuge ist zusätzlich
zu einer hohen Wärmestrahlung
eine zuverlässige
mechanische Festigkeit, einschließlich einer Erschütterungsfestigkeit
oder Stoßfestigkeit,
erforderlich. Wie vorstehend angegeben ist, ist Aluminiumnitrid
ein Material von überlegener
Wärmeleitfähigkeit.
Allerdings ist Aluminiumnitrid hinsichtlich seiner Festigkeitseigenschaften
etwas minderwertiger. Wenn wiederholt eine Wärmebelastung ausgeübt wird,
wie bei einem Wärmezyklus,
oder eine Erschütterung
oder ein Stoß wiederholt
ausgeübt
werden, stellt die Entstehung eines Materialbruchs, wie zum Beispiel
eine Rissbildung, ein Problem dar. Wenn eine Leiterplatte unter
Verwendung eines Materials, das einem Materialbruch erliegen kann,
als Isolierschicht konfiguriert wird, kann der vorgenannte Materialbruch
zum Ausfall eines ganzen Systems führen, der sich z. B. aus dem
isolierten Bruch der Leiterplatte oder der Versperrung eines Wärmepfads
in einem eingebauten Element mit hoher Wärmestrahlung ergibt. Angesichts
dieser Probleme sind zusätzlich
zu hoher Wärmestrahlung
hohe Festigkeitseigenschaften für
eine Leiterplatte gewünscht,
die in Kraftfahrzeugen eingebaut werden soll, in denen strikte Zuverlässigkeit
erforderlich ist. Als ein typisches Beispiel in diesem Zusammenhang
weist Aluminiumnitrid eine Biegefestigkeit von etwa 350 MPa auf.
Siliciumnitrid ist insofern überlegen,
als es eine Biegefestigkeit von nicht weniger als 700 MPa aufweist.
In praktischen Anwendungen ist es jedoch schwierig, hohe Festigkeit
und hohe Wärmeleitfähigkeit
zu realisieren.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Leistungs-Halbleitervorrichtung
zur Verfügung zu
stellen, die sowohl hohe Festigkeit als auch hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzt, so dass sie auf Gebieten eingesetzt werden kann, in denen
verschiedene Arten strikter Zuverlässigkeit, wie zum Beispiel
für den Einbau
in Kraft fahrzeugen, erforderlich sind, sowie ein Herstellungsverfahren
dafür vorzusehen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Leistungs-Halbleitervorrichtung
nach Patentanspruch 1 vorgesehen. Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung,
die vorzugsweise harzverkapselt ist, umfasst eine wärmeleitende
Basisplatte, eine Leiterplatte, die mit der Basisplatte durch ein
Bindungs- bzw. Bondingmaterial verbunden bzw. bondiert ist, eine
elektronische Komponente, die auf der Leiterplatte angebracht ist,
und ein Außengehäuse zum Bilden
eines Halteabschnitts bezüglich
der elektronischen Komponente auf der Innenseite unter Verwendung
der Basisplatte und des Außengehäuses, wobei
das Außengehäuse an der
Basisplatte befestigt ist. Die Leiterplatte umfasst eine elektrisch
isolierende Platte und Metallplatten, die mit beiden Seiten der isolierenden
Platte verbunden sind. Die Summe der Dicken der Metallplatten liegt
im Bereich von 0,9 mm bis 2,2 mm. Auch wird die minimale Dicke des
Bindematerials mithilfe von Abstand haltenden Elementen so aufrechterhalten,
dass sie nicht weniger als 50 μm beträgt. Wenn
die Metallplatten relativ dick sind, können in dem Bindematerial entstandene
Hohlräume durch
Einhalten der Dicke des Bindematerials auf nicht weniger als 50 μm entfernt
werden.
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Vorzugsweise
ist ein Wandabschnitt in dem vorgenannten Bindematerial angeordnet,
durch den ein herausleitender Pfad für ein in dem Bindematerial entstandenes
Gas gebildet wird. Wenn die Metallplatten relativ dick sind, können in
dem Bindematerial entstandene Hohlräume durch Ausbilden des herausleitenden
Pfads im Bindematerial entfernt werden.
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Vorzugsweise
werden im Wesentlichen kugelförmige
Elemente zum Bilden eines Wandabschnitts werden zum Bindematerial
zugegeben.
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Wenn
die Metallplatten relativ dick sind, können in dem Bindematerial entstandene
Hohlräume durch
Zugabe der Elemente zur Bildung des Wandabschnitts im Bindematerial
entfernt werden.
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Die
vorstehend angegebenen Elemente umfassen Metallteilchen mit einem
Schmelzpunkt, der höher
als jener des Bindematerials ist, oder Vorsprünge, die auf zumindest einer
von der Basisplatte oder der Metallplatte ausgebildet sind. Die
Elemente einschließlich
der Metallteilchen oder der Metallvorsprünge umfassen eine erste Elementgruppe
und eine zweite Elementgruppe, deren Durchmesser oder Höhen verschieden
sind. Die erste Elementgruppe ist so angeordnet, dass sie einen
Raum zwischen der Basisplatte und der Metallplatte, die mit der
Rückseite
der isolierenden Platte verbunden ist, spezifiziert. Die zweite
Elementgruppe ist so angeordnet, dass sie einen Pfad begrenzt.
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Der
maximale Durchmesser der Metallteilchen oder die maximale Höhe der Metallvorsprünge liegt
in einem Bereich von 50 μm
bis 200 μm.
Die Menge der zugegebenen Elemente liegt in einem Bereich von 0,005
Vol.-% bis 5 Vol.-% im Verhältnis
zum Volumen der leitenden Komponente im Bondingmaterial. Dies verhindert
eine Anhäufung
und es kann leicht ein Pfad geformt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird zudem ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung
gemäß dem Verfahrensanspruch
10 zur Verfügung
gestellt.
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Die
Bedingungen für
den reduzierten Druck umfassen einen Zustand der Art, dass ein im
zweiten Bondingmaterial im Aufschmelzschritt entstandener Hohlraum
aus dem Ende der Platte entfernt wird, wodurch ein Gas im zweiten
Bondingmaterial sich leicht bewegen kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden durch Verwenden einer Leiterplatte,
in der dicke Metallplatten an beiden Seiten von Siliciumnitrid,
das in den Stärkeeigenschaften überlegen
ist, gebondet sind, und durch Löten
der Leiterplatte an eine Lotschicht, die auf einer Basisplatte mit
im Wesentlichen kugelförmigen
Elementen, die auf der Lotschicht unter reduziertem Druck angeordnet
sind, angebracht ist, fast keine hohlraumartigen Defekte in der
Lotschicht erzeugt, wodurch eine Leistungs-Halbleitervorrichtung
realisiert wird, die hinsichtlich der Wärmestrahlungseigenschaften
und der Festigkeitszuverlässigkeit
im Vergleich zu einer herkömmlichen
Leistungs-Halbleitervorrichtung überlegen
ist.
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Auch
wird es durch Verwendung der Leiterplatte, in der dicke Metallplatten
an beiden Seiten von Siliciumnitrid gebondet sind, möglich, den
Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Leiterplatte dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
einer Metallbasisplatte anzunähern,
wodurch die Belastungsermüdung
verringert wird, die in einem Lotabschnitt, der die Leiterplatte
und die Metallbasisplatte verbindet, entstanden ist, und eine längere Betriebszeit
für die
Leistungs-Halbleitervorrichtung
realisiert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A bis 1D zeigen
Ansichten eines Zusammensetzungsschritts für eine Leistungs-Halbleitervorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2A, 2B zeigen
Ansichten der Defektentfernung in einer Lotschicht während der
Dekompression gemäß der vorliegenden
Ausführungsform.
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3A bis 3C zeigen
Querschnittsansichten von Elementen, die bei der Defektentfernung in
einer Lotschicht gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
wirksam sind.
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4A bis 4D zeigen
Querschnittsansichten modifizierter Beispiele von Elementen die
bei der Defektentfernung in einer Lotschicht gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wirksam sind.
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5 zeigt
schematisch die Konfiguration einer konventionellen Leistungs-Halbleitervorrichtung
im Querschnitt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wenn
Siliciumnitrid, das dem Aluminiumnitrid hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit
unterlegen ist, als Isolierschicht der Leiterplatte verwendet wird, wenn
die Dicke der Isolierschicht in einem Bereich verringert wird, durch
den die Isoliereigenschaften gesichert werden können, wird es möglich, die
Wärmestrahlungseigenschaften
denjenigen einer Aluminiumnitrid-Leiterplatte anzunähern. Wenn
ferner die Dicke von Metallplatten, die an den beiden Seiten der Isolierschicht
gebondet sind, erhöht
wird, um die Wärmeausbreitung
zu verbessern, kann eine Leiterplatte realisiert werden, die hinsichtlich
der Wärmeleitfähigkeit überlegener
ist als in dem Fall, in dem Aluminiumnitrid verwendet wird. Durch
Bonding dicker Metallplatten mit einer dünnen Isolierschicht ist es
wahrscheinlich, dass Defekte, wie zum Beispiel eine Rissbildung,
in der Isolierschicht aufgrund von Belastungen, die beim Löten erzeugt
werden, entstehen. Jedoch kann die vorstehend genannte Konfiguration
durch Verwendung von Siliciumnitrid, das hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften überlegen
ist, realisiert werden.
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Wenn
jedoch die Leiterplatte auf einer Basisplatte von guter Wärmeleitfähigkeit
durch Löten
angebracht wird, wird aus einer Untersuchung festgestellt, dass
die Leiterplatte mit darauf gebondeten dicken Metallplatten eine
dünne Lotschicht
wegen des zusätzlichen
Gewichts aufweist, so dass die Hohlräume in der Lotschicht eingeschlossen
werden könnten.
Somit schränken
die Hohlräume
in der Lotschicht die Wärmestrahlungseigenschaften
ein, so dass eine Technologie zum Steuern der Hohlraumentstehung wichtig
ist.
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Auf
der Basis der vorgenannten Betrachtung wird eine Leistungs-Halbleitervorrichtung
anhand von Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Es wird eine Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 1A bis 1D zeigen
die einzelnen Schritte des Zusammenbaus für z. B. eine harzgekapselte
Halbleitervorrichtung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform.
Wie in 1A gezeigt ist, weist eine Leiterplatte 1a für die Halbleitervorrichtung
eine Konfiguration auf, in der an eine Siliciumnitridplatte 2 mit
einer Dicke von 0,635 mm Kupferplatten von 1,0 mm und 0,8 mm aufweist,
die durch aktives Metall mit ihren beiden Seiten verbunden sind.
Eine Kupferplatte 3a wird mit der Oberflächenseite
der Siliciumnitridplatte 2 verbunden und ein vorgeschriebenes
Schaltungsmuster wird auf der Kupferplatte 3a durch ein
bekanntes Verfahren, wie etwa ein Ätzverfahren, ausgebildet. Im
Folgenden wird die Kupferplatte auf der Vorderseite der Siliciumnitridplatte 2 als
Schaltungsmuster bezeichnet und die Kupferplatte auf ihrer Rückseite
wird als hinteres Muster bezeichnet. Obwohl Kupfermaterialien, die
in jeder Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie zum Beispiel im
Schaltungsmuster, im hinteren Muster und in der Basisplatte, zur Endbearbeitung
meist nickelplattiert werden, wird auf Zeichnungen der Nickelplattierung
verzichtet.
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Zunächst werden
Zinn-Silber-Kupfer-Weichlotschichten 4a mit einer Dicke
von 200 μm
an einer vorgeschriebenen Stelle auf dem Schaltungsmuster 3a,
an der ein Leistungs-Halbleiterelement angebracht ist, und an einer
vorgeschriebenen Stelle einer Basisplatte 1, auf der die
Leiterplatte 1a angeordnet ist, beispielsweise unter Anwendung
einer Drucktechnologie ausgebildet. Nickelteilchen 5 mit
einer maximalen Teilchengröße von 100 μm und einer durchschnittlichen
Teilchengröße von 70 μm werden in
der Lotschicht 4a auf der Basisplatte 1 mit guter Wärmeleitfähigkeit
verteilt. In diesem Fall beträgt
das Volu menverhältnis
der Nickelteilchen bezüglich
des Metallelements des Weichlotmetalls mit Ausnahme des Flussmittelelements
0,2 Vol.-% (1A).
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Dann
werden ein Halbleiterelement (Chip) 6, z. B. ein Diodenelement
mit einer Chipgröße von 6,5 mm × 8 mm und
einem Sollstrom von 100 A, die Leiterplatte 1a und die
Basisplatte 1 an vorbestimmten Stellen angeordnet. Danach
werden sie in einen (in den Figuren nicht gezeigten) Aufschmelzofen
zum Aufschmelzlöten
gesetzt. Nachdem das Innere des Aufschmelzofens durch eine Stickstoffatmosphäre ersetzt
ist, wird der Aufschmelzofen auf 280°C erhitzt. Wenn das Lot geschmolzen
ist, wird das Innere des Ofens auf 1 Pa dekomprimiert, es wird Stickstoff eingeführt und
der Aufschmelzofen wird auf etwa Raumtemperatur abgekühlt, wodurch
der Lötbondingsschritt
(1B) abgeschlossen ist.
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Nachdem
das Flussmittel ausgewaschen ist, wird ein Außengehäuse 7 mit einem eingegossenen Auslassanschluss 8 an
der Basisplatte 1 befestigt (1C) und
eine vorgegebene Verbindung wird durch einen Aluminiumkontaktierungsdraht 9 hergestellt.
Dann wird Silikongel 10 in eine Packung injiziert, die
durch die Basisplatte 1 und das Außengehäuse 7 begrenzt ist,
und das Silikongel 10 wird wärmegehärtet, wodurch eine harzgekapselte
Leistungs-Halbleitervorrichtung A vollendet wird (siehe 1D).
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Wenn
die Lotbindungsschicht 4a unter der Leiterplatte 1a der
harzgekapselten Halbleitervorrichtung A mit einem Ultraschall-Reflektoskop,
das in den Figuren nicht gezeigt ist, betrachtet wird, können fast keine
Defekte, wie etwa Hohlräume,
in der Lotbindungsschicht 4a gefunden werden (das Flächenverhältnis von
Defektabschnitten zur Lotbindungsfläche ist nicht größer als
0,5%). Wenn zur Erzeugung von Wärme
ein Strom an das eingebaute Bauelement angelegt wird, beträgt der Wärmewiderstand
der Halbleitervorrichtung 0,2°C/W.
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In
diesem Fall werden die Wärmezyklenvorgänge 500-mal
bei –60°C bis 150°C an der
zusammengesetzten harzgekapselten Halbleitervorrichtung vorgenommen.
Nach den Wärmezyklenvorgängen wird
der Zustand der Vorrichtung betrachtet und die Eigenschaften des
Bauelements werden gemessen. Als Ergebnis werden keine Abnormalitäten, wie
etwa zum Beispiel die Zerstörung
der Bauelemente oder ein Abblättern
der verbundenen Abschnitte, beobachtet und der Wärmewiderstand zeigt fast keine Veränderung.
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Die
Halbleitervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird detaillierter unter Bezugnahme auf
die 2 und 3 beschrieben.
Die 2A und 2B zeigen
schematisch Zustände,
in denen Hohlräume
(Defekte) in der Lotschicht während
der Dekompression im Herstellungsschritt der Halbleitervorrichtung
entfernt werden. 2A zeigt einen Fall, in dem
die Dicke der Lotschicht weniger als 50 μm beträgt, und 2B zeigt
einen Fall, in dem die Dicke der Lotschicht nicht weniger als 50 μm beträgt. Die 3A bis 3C zeigen
Querschnittsansichten von Konfigurationen, die bei der Entfernung
der Hohlräume
(Defekte) in der Lotschicht in der Halbleitervorrichtung wirksam sind.
Die Beschreibung erfolgt dementsprechend unter Bezugnahme auf 1.
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Die
Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
umfasst, wie in 1D gezeigt ist, die Basisplatte 1 mit
guter Wärmeleitfähigkeit,
die isolierte Leiterplatte 2, die mit der Basisplatte 1 über ein
Bondingmaterial verbunden ist, verschiedene Arten elektronischer
oder elektrischer Komponenten, ein schließlich des Halbleiterelements 6,
das verbunden und auf der isolierten Leiterplatte 2 durch ein
weiteres Bondingmaterial angebracht ist, und das an der Basisplatte 1 befestigte
Außengehäuse 7.
Ein Packungsgehäuse
zur Unterbringung des Halbleiterelements 6 ist durch die
Basisplatte 1 und das Außengehäuse 7 konfiguriert.
In der Halbleitervorrichtung, in der das vorstehend angegebene Halbleiterelement 6 durch
ein Harz 10 verkapselt ist, weist die isolierte Halbleiterplatte 2 eine
Konfiguration auf, bei der mehrere Metallplatten 3a und 3b an
beiden Seiten einer Keramikplatte gebondet sind und die Summe der
Dicken der Metallplatten 3a und 3b, die an den
beiden Seiten gebondet sind, in einem Bereich von 0,9 mm bis 2,2
mm liegt. Auch weist die Leiterplatte 2 Elemente zur Sicherstellung
einer Dicke von nicht weniger als 50 μm als Dicke des Bondingmaterials 4a,
das Fluidität
besitzt, auf, so dass ein in dem Bondingmaterial 4a entstandenes
Gas in einem Herstellungsschritt leicht bewegt werden kann.
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Ferner
sind die folgenden Bedingungen (a) und (b) bei der Halbleitervorrichtung
mit der Basisplatte 1 von guter Wärmeleitfähigkeit, der Leiterplatte 1a,
die mit der Basisplatte 1 durch das Bondingmaterial 4a verbunden
ist, verschiedenen Typen von elektronischen oder elektrischen Komponenten
einschließlich
des Halbleiterelements 6, das durch das Bondingmaterial 4b verbunden
und auf der Leiterplatte 1a angebracht ist, und dem Außengehäuse 7, das
an der Basisplatte 1 befestigt ist, vorgesehen, worin das
Packungsgehäuse
zum Unterbringen des Halbleiterelements 6 durch die Basisplatte 1 und
das Außengehäuse 7 konfiguriert
ist und das Halbleiterelement 6 durch ein Harz 10 verkapselt
ist.
- Bedingung (a): Die Leiterplatte 1a weist eine
Konfiguration auf, in der mehrere Metallplatten 3a und 3b an beiden
Seiten der Ke ramikplatte 2 gebondet sind und die Summe
der Dicken der Metallplatten 3a und 3b, die jeweils
an beiden Seiten gebondet sind, in einem Bereich von 0,9 mm bis
2,2 mm liegt.
- Bedingung (b): Im Wesentlichen kugelförmige Elemente werden dem Bondingmaterial 4a zugegeben. Die
Elemente werden dem vorgenannten Bondingmaterial 4a zugegeben
und sind metallische Zusätze, wie
zum Beispiel Nickel, in im Wesentlichen kugelförmiger Form mit einer maximalen
Teilchengröße von zum
Beispiel 50 μm
bis 200 μm.
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Im
Gegensatz hierzu ist auch das Dickengleichgewicht bezüglich der
Metallplatten auf beiden Seiten wichtig, um die Verwerfung der Leiterplatte
zu verringern. Es ist zweckmäßig, dass
die Dicke der Metallplatte auf der Rückseite mit einer großen Fläche dünner ist
als jene der Metallplatte auf der Vorderseite.
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Hinsichtlich
der Verbesserung der Wärmestrahlungseigenschaften
werden die Metallplatten auf beiden Seiten wirksam, wenn die Dicke
erhöht wird.
Angesichts der Bindungszuverlässigkeit
mit dem auf der Metallplatte auf der Vorderseite angebrachten Halbleiterelement
ist die Dicke der Metallplatten jedoch begrenzt. Da die metallischen
Eigenschaften allmählich
bemerkbar werden, wenn die Dicke der Vorderseitenplatte zunimmt,
ist eine Fehlanpassung mit dem darauf angeordneten Halbleiterelement
hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten
erhöht,
so dass die Größe des Halbleiterelements,
das angebracht werden kann, begrenzt ist. Es muss möglich sein,
ein Halbleiterelement von etwa 1 cm2 anzubringen,
um eine ausreichende Stromkapazität sicherzustellen. Wenn jedoch
die Vorderseitenplattendicke 1,5 mm überschreitet, wird es schwierig, die
Zuverlässigkeit
der Lotschicht sicherzustellen, die ein Halbleiterelement bindet,
dessen Größe 1 cm2 beträgt.
Obwohl es möglich
ist, eine Konfiguration zu realisieren, bei der die Vorderseitenplattendicke/Rückseitenplattendicke
1,5 mm/1,2 mm beträgt, wird
die Vorderseitenplattendicke/Rückseitenplattendicke
bevorzugt so gesteuert, dass sie nicht mehr als 1,2 mm/1,0 mm hinsichtlich
der Vereinbarkeit mit der Größe des vorstehend
angegebenen angebrachten Halbleiterelements beträgt. Gleichzeitig ist es notwendig,
dass die Vorderseitenplattendicke/Rückseitenplattendicke nicht
weniger als 0,5 mm/0,4 mm beträgt,
um unter Verwendung einer Siliciumnitrid-Leiterplatte Wärmeleitfähigkeitseigenschaften zu realisieren,
die denjenigen einer Aluminiumnitrid-Leiterplatte äquivalent
sind. Wegen der vorgenannten Gründe
liegt die Kombination der Vorderseitenplattendicke und der Rückseitenplattendicke
(Vorderseitenplattendicke/Rückseitenplattendicke)
in einem Bereich von 0,5 mm/0,4 mm bis 1,2 mm/1 mm. Mit anderen
Worten liegt die Summe der Dicken der Metallplatten, die an beide
Seiten gebondet sind, erfindungsgemäß in einem Bereich von 0,9
mm bis 2,2 mm.
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Die
elektrisch isolierende Platte, z. B. die Keramikplatte aus einer
Siliciumnitrid-Isolierschicht, wird in den Wärmeleitungseigenschaften wirksam, wenn
ihre Dicke abnimmt. Im Gegensatz dazu unterliegen die Isolierungseigenschaften
jedoch einer Abnahme und gleichzeitig neigt die Platte zu Verwerfungen.
Die Dicke der Isolierschicht und die Dicke der Metallplatten auf
beiden Seiten in der Leiterplatte werden in Anbetracht der anvisierten
Wärmeleitungseigenschaften,
Isolierungseigenschaften und des Betrags der Verwerfung eingesetzt
(es wird eine Dicke von etwa 0,1 mm bis 2 mm bevorzugt).
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Wie
vorstehend erwähnt
ist, wird, wenn das Gewicht der Leiterplatte erhöht wird, die Lotschicht unter
der Leiterplatte wegen des Gewichts derselben dünn. Wenn die Dicke der Lotschicht
nicht mehr als 30 μm
beträgt,
sind Defekte, wie zum Beispiel Hohlräume, die sich aus einem Restgas
in der Lotschicht ergeben haben, in der Lotschicht ein geschlossen und
die Wärmestrahlungseigenschaften
sind eingeschränkt.
Die Defekte können
nicht durch bloßes
Dekomprimieren entfernt werden. Wenn die Dicke der Lotschicht unter
der Platte zu dick ist, ist die Wärmestrahlung eingeschränkt, so
dass die Dicke der Lotschicht auf etwa 100 μm auf der Basis des Gleichgewichts
eines Belastungsentspannungseffekts, den die Lotschicht annimmt,
eingestellt wird. Grundsätzlich
umfassen konventionelle Beispiele in der Lotschicht angeordnete
Abstandhalter oder auf einem Bauteil angeordnete Vorsprünge, um
die Dicke der Lotschicht sicherzustellen. Jedoch wurde festgestellt, dass
durch Anordnen von Elementen in der Lotschicht unter der Leiterplatte,
wobei die Elemente die Bewegung eines Gases erleichtern, der Rückstand von
Defekten, wie etwa Hohlräume,
die in der Lotschicht in einem Erwärmungsschritt entstanden sind, im
Wesentlichen durch Dekompression verringert werden kann. In einer
Untersuchung wurde festgestellt, dass die Wirkungen der Defektentfernung
zur minimalen Dicke der Lotschicht nach dem Anbringen einer Komponente
in Beziehung stehen und wirksam funktionieren, wenn die Dicke der
Lotschicht nicht weniger als 50 μm
beträgt.
Eine Fläche,
in der die Dicke der Lotschicht etwa 40 μm beträgt, weist Fälle auf, in denen die Defekte
nicht entfernt werden können
und es schwierig ist, eine stabile Defektentfernung zu realisieren.
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Wie
in 2A gezeigt ist, dehnt sich, wenn die Dicke der
Lotschicht wie vorstehend erwähnt
weniger als 50 μm
beträgt,
wenn der Druck von einem Normaldruck (linke Figur) in einen verringerten
Druck (mittlere Figur) geändert
wird, das Volumen eines Defekts (Hohlraums) 11 in der Lotschicht 4a gemäß dem Grad
seiner Dekompression aus (11a). Jedoch hat die Haftfestigkeit
zwischen dem Defekt 11 und den oberen und unteren Oberflächen einen
starken Einfluss, so dass die Bewegung des Defekts 11 in
der Richtung in der gleichen Ebene der Bindungsfläche zwischen
der Kupferplatte 3b und der Ba sisplatte 1 einer
Beschränkung
unterliegt. Selbst nachdem die Dekompression aufgehoben ist (rechte
Figur), neigt der Defekt 11 zum Verbleib in der Lotschicht 4a (11b).
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Im
Gegensatz hierzu dehnt sich im Fall der 2B, in
dem die Dicke der Lotschicht nicht weniger als 50 μm beträgt, das
Volumen des Defekts aus und der Defekt kann sich während der
Dekompression leicht nach außen
bewegen, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass der Defekt aus der
Lotschicht entfernt wird, steigt (siehe die mittlere Figur und die rechte
Figur in 2B). Vorzugsweise liegt die
Dicke der vorgenannten Bindungsfläche in der Normalrichtung bezüglich Elementen,
die die Dicke der Lotschicht spezifizieren, in einem Bereich von
50 μm bis 200 μm angesichts
der Bedingungen der vorstehend genannten Lötdicke.
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Was
den Dekompressionsgrad während
der Dekompression betrifft, so ist durch eine Untersuchung ein Dekompressionsgrad
von nicht mehr als 100 Pa notwendig. Obwohl angenommen wird, dass der
Dekompressionsgrad keine untere Grenze hat, ist es schwierig, einen
Dekompressionsgrad von nicht mehr als 0,1 Pa zu realisieren, wenn
das Objekt eine Halbleitervorrichtung mit verschiedenen Arten von
Materialien ist. Der Dekompressionsgrad, der eine wirksame Defektentfernung
realistischer umsetzt, beträgt
1 Pa bis 100 Pa.
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Es
ist zweckmäßig, als
Elemente verschiedene Typen von Elementen anzuwenden, die in den 3A bis 3C gezeigt
sind. 3A zeigt eine Querschnittsansicht
einer Konfiguration, in der vorstehende Elemente 1-a, deren
Höhe 50 μm bis 200 μm bezüglich der
Normalrichtung des Bindebereichs beträgt, auf der Lotbindungsflächenseite
der Basisplatte 1 angeordnet sind. Wie in 3A gezeigt
ist, kann die Dicke der Lotschicht 4a so spezifiziert werden,
dass sie den vorstehend ge nannten Wert hat, indem bewirkt wird,
dass die oberen Stirnflächen
der vorstehenden Elemente 1-a an die untere Stirnfläche der
Siliciumnitridplatte 2 stoßen. 3B zeigt
eine Querschnittsansicht einer Konfiguration, in der vorstehende
Elemente 3b-a, die nach unten vorstehen und deren Höhe 50 μm bis 200 μm bezüglich der
Normalrichtung der Bindungsfläche
beträgt,
auf der hinteren Oberflächenmetallplatte 3b auf
der Rückseite der
isolierten Leiterplatte angeordnet sind. In diesem Fall kann die
Dicke der Lotschicht 4a auch so spezifiziert werden, dass
sie den zuvor genannten Wert hat, indem bewirkt wird, dass die unteren
Stirnflächen der
vorstehenden Elemente 3b-a an die obere Stirnfläche der
Basisplatte 1 stoßen.
In 3C sind im Wesentlichen kugelförmige Elemente 5,
deren maximale Teilchengröße 50 μm bis 200 μm beträgt, in der Lotschicht 4a unter
der Leiterplatte 1a angeordnet (1,
wie oben). Die im Wesentlichen kugelförmigen Elemente 5,
die in 3C gezeigt sind, sind imstande,
stabil zu existieren, ohne zu schmelzen, selbst wenn sich das Lot
in geschmolzenem Zustand befindet. Metallmaterialteilchen, die aus
der Gruppe ausgewählt
sind, die aus Nickel, Zink, Gold, Silber, Titan, Kupfer und Platin
besteht, sind hinsichtlich der Benetzbarkeit als Lot geeignet. Jedoch
sind die Materialien nicht nur auf diese Substanzen beschränkt, solange
sie für
den Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Wenn
das zugegebene Volumen der im Wesentlichen kugelförmigen Elemente
zuviel ist, neigen sie zur Bildung einer Anhäufung, so dass es angezeigt
ist, das Volumen auf einen Bereich von 0,005 Vol.-% bis 5 Vol.-%
in Bezug auf das Volumen des Lots einzustellen. Wenn das Volumen
5 Vol.-% überschreitet,
besteht die Neigung, dass eine Überlappung
der im Wesentlichen kugelförmigen
Elemente 5 entsteht und die Dicke der Lotschicht dick wird.
Wenn im Gegensatz hierzu das Volumen nicht mehr als 0,005 Vol.-%
beträgt,
wird es schwierig, die Elemente 5 gleichmäßig zu verteilen und
in einigen Fällen
ist die Verteilung der Elemente 5 vorbelastet, so dass
gewünschte
Hohlraumdurchgänge
eventuell nicht gebildet wer den. Indem das zugegebene Volumen innerhalb
des vorgenannten Bereichs gehalten wird, besteht die Tendenz, dass
sich während
der Hohlraumbildung Durchgänge
(Pfade) nach außen
formen.
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Indem
ein geeigneter Raum für
die Bindungsfläche
unter Verwendung der vorgenannten vorstehenden Elemente und der
kugelförmigen
Elemente aufrechterhalten wird und indem Pfade in der Lotschicht
ausgebildet werden, durch welche Hohlräume nach außen entweichen können, wird
bewirkt, dass Hohlräume,
die in einem Herstellungsschritt, insbesondere einem Aufschmelzlötschritt,
entstanden sind, dazu gebracht werden, nach außen zu entweichen, wodurch
ein Rückstand
von Defekten aufgrund von Hohlräumen
verhindert wird.
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Die
vorgenannten vorstehenden Elemente und die kugelförmigen Elemente
sind ein Beispiel, so dass die vorstehenden Elemente eine Nut bilden
können,
die sich beispielsweise von einer Endseite der Lotschicht zur anderen
Endseite erstreckt.
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Wie
zuvor angegeben ist, wird in der Leistungs-Halbleitervorrichtung
gemäß der vorliegenden Ausführungsform
festgestellt, dass eine Leiterplatte unter Verwendung von Siliciumnitrid
für die
Isolierschicht realisiert werden kann, wobei die Leiterplatte eine überlegene
Festigkeit selbst dann besitzt, wenn eine Metallplatte verbunden
wird, deren Dicke etwa 1 mm beträgt.
Ferner wird in einem Schritt zur Anbringung der Leiterplatte auf
der Basisplatte 1 festgestellt, dass die Erzeugung hohlraumartiger
Defekte in der Lotschicht durch Löten unter verringertem Druck unter
Verwendung eines Lots, dem Nickelteilchen zugesetzt sind, reduziert
werden kann, wodurch die Entstehung von Defekten gesteuert wird.
Dies ist insofern von Vorteil, als die Entstehung der Defekte gesteuert
werden kann und fast derselbe Wärmewiderstand
wie der einer Aluminiumnitrid-Leiterplatte (im Fall des Vergleichsbeispiels
5, das nachstehend angeführt
ist) selbst dann realisiert werden kann, wenn Siliciumnitrid verwendet
wird, da es möglich
wird, die mit der Leiterplatte 1a verbundene Metallplatte
dicker zu machen.
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Im
Folgenden wird ein modifiziertes Beispiel der 3 beschrieben.
Die 4A bis 4B zeigen
verschiedene Formen von Elementen. Die Diagramme zeigen die Kombinationen
von Elementen mit unterschiedlichen durchschnittlichen Teilchengrößen oder
unterschiedlichen durchschnittlichen Höhen oder Elementen mit verschiedenen
Formen. Grundlegend weisen die Elemente eine erste Elementgruppe
und eine zweite Elementgruppe auf. Die erste Elementgruppe dient
zum Spezifizieren eines Raums. Die zweite Elementgruppe ist kleiner
als die erste Elementgruppe und wird nicht zum Spezifizieren des
Raums zwischen der Metallplatte 3b unter der isolierten
Leiterplatte 1a und der Basisplatte 1 benutzt.
Jedoch weist die zweite Elementgruppe eine Funktion zum Begrenzen
von Pfaden auf, um Hohlräume
zu entfernen, wenn die Lotschicht aufgeschmolzen wird. Die Teilchengrößen oder
-höhen
erfordern keine regelmäßige Formation,
wie in den Figuren gezeigt ist, so dass sie zum Beispiel eine Gaußsche Verteilung
aufweisen können.
Es kann auch eine dritte Elementgruppe angeordnet sein, deren Teilchengröße oder
-höhe kleiner
als jene der zweiten Elementgruppe ist.
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Eine
in 4A gezeigte Konfiguration umfasst erste kugelförmige Elemente
R1 mit einer Teilchengröße zum Spezifizieren
eines Raums zwischen der Kupferplatte 3b unter der isolierten
Leiterplatte 1a und der Basisplatte 1 und zweite
kugelförmige
Elemente R2 mit einem kleinerem Durchmesser im Verhältnis zu
den ersten kugelförmigen
Elemente R1. Die zweiten kugelförmigen
Elemente R2 bilden Pfade zwischen sich oder zwischen den zweiten
kugelförmigen
Elementen R2 und den ersten kugelförmigen Elementen R1 aus, um
Hohlräume
zu entfernen, die während
des Aufschmelzens entstanden sind.
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Eine
in 4B gezeigte Konfiguration umfasst erste Vorsprünge T1,
die auf der Basisplatte 1 oder der Kupferplatte 3b (in
der Figur sind die ersten Vorsprünge
T1 auf der Basisplatte 1 ausgebildet) zwischen der Kupferplatte 3b unter
der isolierten Leiterplatte 1a und der Basisplatte 1 ausgebildet
sind, wobei die ersten Vorsprünge
T1 eine Höhe
zum Spezifizieren eines Raums zwischen sich aufweisen, und zweite
Vorsprünge
T2, deren Höhe
geringer ist als die der ersten Vorsprünge T1. In diesem Fall bilden die
zweiten Vorsprünge
T2 Pfade zwischen sich oder zwischen den zweiten Vorsprüngen T2
und den ersten Vorsprüngen
T1 aus, um Hohlräume
zu entfernen, die während
des Aufschmelzens entstanden sind. Diese vorspringenden Elemente
können
z. B. durch Pressarbeit oder Schneidarbeit ausgebildet werden. Jedoch
sind diese Verfahren nicht begrenzt.
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Eine
in 4C gezeigte Konfiguration umfasst dritte kugelförmige Elemente
R3 mit einer Teilchengröße zum Spezifizieren
eines Raums zwischen der Kupferplatte 3b unter der isolierten
Leiterplatte 1a und der Basisplatte 1 und dritte
Vorsprünge
T3, deren Höhe
kleiner als die Teilchengröße ist.
In diesem Fall bilden die dritten Vorsprünge T3 Pfade zwischen sich oder
zwischen den dritten Vorsprüngen
T3 und den dritten kugelförmigen
Elementen R3 aus, um Hohlräume
zu entfernen, die während
des Aufschmelzens entstanden sind. In diesem Fall muss die Breite
von Nuten G1 größer sein
als die Teilchengröße der dritten
kugelförmigen
Elemente R3, so dass die dritten kugelförmigen Elemente R3 nicht in
den Nuten G1 hängen
bleiben, die zwischen den einander benachbarten dritten Vorsprüngen T3
ausgebildet sind.
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Eine
in 4D gezeigte Konfiguration umfasst vierte Vorsprünge T4 mit
einer Höhe
zum Spezifizieren eines Raums zwischen der Kupferplatte 3b unter
der isolierten Leiterplatte 1a und der Basisplatte 1 und
vierte kugelförmige
Elemente R4, deren Teilchengröße kleiner
als die Höhe
ist. In diesem Fall bilden die vierten Vorsprünge T4 Pfade zwischen sich oder
zwischen den vierten Vorsprüngen
T4 und den vierten kugelförmigen
Elementen R4 aus, um Hohlräume
zu entfernen, die während
des Aufschmelzens entstanden sind. In diesem Fall muss die Breite
von Nuten größer sein
als die Teilchengröße, so dass
die Teilchengröße der vierten
kugelförmigen
Elemente R4 nicht in den Nuten hängen
bleibt, die zwischen den einander benachbarten vierten Vorsprüngen T4 ausgebildet
sind. Obwohl es in den Figuren nicht gezeigt ist, kann eine konkave
Nut auf der Basisplatte 1 oder der Kupferplatte 3b ausgebildet
sein.
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Wie
vorstehend angegeben ist, ist es, wenn Siliciumnitrid als Isolierschicht
der Leiterplatte verwendet wird, möglich, Wärmestrahlungseigenschaften,
die jene einer Aluminiumnitrid-Leiterplatte übersteigen, durch Verdünnen der
Isolierschicht und Verdicken der an beiden Seiten gebondeten Metallplatten
zu realisieren. In Anbetracht dieser Tatsache beträgt die Dicke
der Vorderseitenmetallplatte vorzugsweise nicht weniger als 0,5
mm.
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Eine
Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben
(siehe 1). In der vorliegenden Ausführungsform
wird die Halbleitervorrichtung unter denselben Bedingungen wie in
der ersten Ausführungsform
zusammengesetzt, ausgenommen, dass die Konfiguration der verwendeten
Leiterplatte 1a anders ist. Die im vorliegenden Fall verwendete
Leiterplatte 1a umfasst das Siliciumnitrid 2,
dessen Dicke 0,3 mm beträgt,
mit Kupferplatten von 0,5 mm und 0,4 mm, die mit ihren beiden Seiten über aktives
Metall verbunden sind. Wenn die Lotbindungsschicht 4a unter
der Leiterplatte 1a der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
unter Einsatz eines Ultraschall-Reflektoskops betrachtet wird, werden
fast keine Defekte, wie etwa Hohlräume, in der Lotschicht 4a gefunden
(das Flächenverhältnis von
Defektabschnitten zur Lotbindungsfläche beträgt nicht mehr als 0,5%). Wenn
ein Strom an ein angebrachtes Element angelegt wird, um Wärme zu erzeugen,
und der Wärmewiderstand
der Halbleitervorrichtung gemessen wird, beträgt der Wärmewiderstand 0,2°C/W.
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Außerdem werden
bei der zusammengesetzten Halbleitervorrichtung Wärmezyklenvorgänge 500-mal
bei –60°C bis 150°C in gleicher
Weise vorgenommen. Nach den Wärmezyklenvorgängen werden
eine Zustandsbetrachtung und Eigenschaftsmessung durchgeführt. Als
Ergebnis hiervon wird festgestellt, dass keine Abnormalitäten, wie
etwa Zerstörung
von Bauteilen oder Abblättern
verbundener Abschnitte beobachtet werden und der Wärmewiderstand
fast keine Veränderung
in der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform zeigt.
Es wird festgestellt, dass Wärmewiderstandseigenschaften,
die denjenigen einer Aluminiumnitrid-Leiterplatte äquivalent
sind (Vergleichsbeispiel 5, das später beschrieben wird), realisiert
werden können,
indem die Dicke des Siliciumnitrids der Leiterplatte 1a dünner gemacht
wird als im Fall der ersten Ausführungsform,
selbst wenn die Dicken von Metallplatten, die an den beiden Seiten
gebondet sind, dünner
als im Fall der ersten Ausführungsform
sind.
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Eine
Halbleitervorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben
(siehe 1). In der vorliegenden Ausführungsform
wird die Halbleitervorrichtung unter denselben Bedingungen wie bei
der ersten Ausführungsform
zusammengesetzt, ausgenommen, dass die Konfiguration der verwendeten
Leiterplatte 1a anders ist. Die im vorliegenden Fall verwendete
Leiterplatte 1a umfasst das Siliciumnitrid 2,
dessen Dicke 0,3 mm beträgt,
mit Kupferplatten von 0,7 mm und 0,5 mm, die mit ihren beiden Seiten über aktives
Metall verbunden sind. Wenn die Lotbindungsschicht 4a unter
der Leiterplatte 1a der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
unter Einsatz eines Ultraschall-Reflektoskops betrachtet wird, werden
fast keine Defekte, wie etwa Hohlräume, in der Lotschicht 4a gefunden
(das Flächenverhältnis von
Defektabschnitten zur Lotbindungsfläche beträgt nicht mehr als 0,5%). Wenn
ein Strom an ein angebrachtes Element angelegt wird, um Wärme zu erzeugen,
und der Wärmewiderstand
der Halbleitervorrichtung gemessen wird, beträgt der Wärmewiderstand 0,13°C/W.
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Weiterhin
werden bei der zusammengesetzten Halbleitervorrichtung Wärmezyklenvorgänge 500-mal
bei –60°C bis 150°C in gleicher
Weise vorgenommen. Nach den Wärmezyklenvorgängen werden
eine Zustandsbetrachtung und Eigenschaftsmessung durchgeführt. Als
Ergebnis hiervon wird festgestellt, dass keine Abnormalitäten, wie
etwa Zerstörung
von Bauteilen oder Abblättern
verbundener Abschnitte beobachtet werden und der Wärmewiderstand
fast keine Veränderung
in der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform zeigt.
Es wird festgestellt, dass eine Leiterplatte, die der Aluminiumnitrid-Leiterplatte
sowohl in den Festigkeits- als auch den Wärmewiderstandseigenschaften überlegen
ist (Vergleichsbeispiel 5, das später beschrieben wird), realisiert
werden kann, indem die Dicke des Siliciumnitrids der Leiterplatte 1a dünner ausgeführt wird
als im Fall der ersten Ausführungsform.
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Nachstehend
werden die Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und eine Vorrichtung gemäß Vergleichsbeispielen beschrieben.
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In
einem ersten Vergleichsbeispiel wird eine Halbleitervorrichtung
unter denselben Bedingungen wie bei der ersten Ausführungsform
zusammengesetzt, ausgenommen, dass das Lot unter der Leiterplatte 1a (siehe 1, wie oben) anders ist. Das im vorliegenden
Fall verwendete Lot 4a unter der Leiterplatte 1a ist
ein Zinn-Silber-Kupfer-Weichlot,
dem keine Nickelteilchen 5 zugegeben werden (siehe 1).
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Wenn
die Lotbindungsschicht 4a unter der Leiterplatte 1a der
Halbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden
ersten Vergleichsbeispiel unter Verwendung eines Ultraschall-Reflektoskops
betrachtet wird, entstehen viele hohlraumartige Defekte in der Lotschicht 4a.
Insbesondere zeigen die hohlraumartigen Defekte die Neigung, sich
intensiv im mittleren Abschnitt der Leiterplatte 1a zu
verteilen (das Flächenverhältnis von
Defektabschnitten zur Lotbindungsfläche beträgt 15% bis 20%). Wenn ein Strom an
ein angebrachtes Element zum Erzeugen von Wärme angelegt wird und der Wärmewiderstand
der Halbleitervorrichtung gemessen wird, beträgt der Wärmewiderstand 0,25°C/W bis 0,3°C/W. Im ersten Vergleichsbeispiel
werden keine Nickelteilchen zur Lotschicht 4a unter der
Leiterplatte 1a zugegeben, so dass viele der hohlraumartigen
Defekte selbst dann entstehen, wenn das Löten unter vermindertem Druck
durchgeführt
wird. Es wird festgestellt, dass sich eine Fläche, in der die Defekte entstehen,
negativ auf die Wärmeemission
der Halbleitervorrichtung auswirkt, da die Fläche die Neigung zeigt, mit
einer Fläche
direkt unter dem angebrachten Element zu überlappen.
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Im
Folgenden ist ein zweites Vergleichsbeispiel beschrieben. Eine Halbleitervorrichtung
wird unter denselben Bedingungen wie im ersten Vergleichsbeispiel
zusammengesetzt, ausgenommen, dass die Aufschmelz-Lötbedingungen
geändert
werden. Die Aufschmelz-Lötbedingungen,
die im vorliegenden Fall angewendet werden, schließen in der ersten
Ausführungsform
keinen Dekompressionsschritt ein und das Aufschmelzen wird unter
Verwendung eines Erwärmungsprofils
einschließlich
einer Stickstoffatmosphäre
und einer Spitzentemperatur von 280°C durchgeführt.
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Wenn
die Lotbindungsschicht 4a unter der Leiterplatte 1a der
Halbleitervorrichtung gemäß dem dritten
Vergleichsbeispiel unter Verwendung eines Ultraschall-Reflektoskops
betrachtet wird, entstehen viele hohlraumartige Defekte in der Lotschicht 4a. Insbesondere
zeigen die hohlraumartigen Defekte die Neigung, sich intensiv in
dem mittleren Abschnitt der Leiterplatte 1a zu verteilen
(das Flächenverhältnis von
Defektabschnitten zur Lotbindungsfläche beträgt 15% bis 20%). Wenn ein Strom
an ein angebrachtes Element zum Erzeugen von Wärme angelegt wird und der Wärmewiderstand
der Halbleitervorrichtung gemessen wird, beträgt der Wärmewiderstand 0,25°C/W bis 0,3°C/W.
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Wie
beim zweiten Vergleichsbeispiel entstehen viele hohlraumartige Defekte,
wenn die Nickelteilchen 5 nicht zur Lotschicht 4a unter
der Leiterplatte 1a zugegeben werden und das Löten ohne
Dekompression durchgeführt
wird. Die Situation der Entstehung von Defekten ist dieselbe wie
im ersten Vergleichsbeispiel. Eine Fläche, in der die Defekte entstehen,
wirkt sich stark auf die Wärmeemission der
Halbleitervorrichtung aus, da die Fläche dazu neigt, mit einer Fläche direkt
unter dem angebrachten Element zu überlappen.
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Im
Folgenden ist ein drittes Vergleichsbeispiel beschrieben. Im dritten
Vergleichsbeispiel wird eine Halbleitervorrichtung unter denselben
Bedingungen wie im zweiten Vergleichsbeispiel zusammengesetzt, ausgenommen,
dass die Lotschicht 4a unter der Leiterplatte 1a zu
dem Lot 4a geändert
wird, dem die Nickelteilchen 5 (1),
die in der ersten und zweiten Ausführungsform verwendet werden, zugegeben
werden.
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Wenn
die Lotbindungsschicht 4a unter der Leiterplatte 1a der
Halbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden
zweiten Vergleichsbeispiel unter Verwendung eines Ultraschall-Reflektoskops
betrachtet wird, entstehen viele hohlraumartige Defekte in der Lotschicht 4a.
Insbesondere zeigen die hohlraumartigen Defekte die Neigung, sich
intensiv im mittleren Abschnitt der Leiterplatte 1a zu
verteilen (das Flächenverhältnis von
Defektabschnitten zur Lotbindungsfläche beträgt 15% bis 20%). Wenn ein Strom an
ein angebrachtes Element zum Erzeugen von Wärme angelegt wird und der Wärmewiderstand
der Halbleitervorrichtung gemessen wird, beträgt der Wärmewiderstand 0,25°C/W bis 0,3°C/W.
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Im
vorliegenden Vergleichsbeispiel entstehen viele hohlraumartige Defekte,
obwohl die Nickelteilchen 5 zur Lotschicht 4a unter
der Leiterplatte 1a zugegeben werden, aufgrund des Lötens ohne Dekompression.
Die Situation der Entstehung von Defekten ist dieselbe wie im ersten
und zweiten Vergleichsbeispiel. Eine Fläche, in der die Defekte entstehen,
wirkt sich auf die Wärmeemission
der Halbleitervorrichtung aus, da die Fläche dazu neigt, mit einer Fläche direkt
unter dem angebrachten Element zu überlappen.
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Im
Folgenden wird ein viertes Vergleichsbeispiel beschrieben. Durch
Austauschen von Siliciumnitrid in der Isolierschicht gegen Aluminiumnitrid
wird eine Leiterplatte 1a mit derselben Konfiguration wie die Leiterplatte 1a hergestellt,
die in der ersten und zweiten Ausführungsform verwendet wird.
In dieser Konfiguration entsteht, nachdem Metallplatten an beiden
Seiten des Aluminiumnitrids durch aktives Metall gebondet werden,
eine Rissbildung in dem Aluminiumnitrid zu dem Zeitpunkt, an dem
es auf Raumtemperatur abgekühlt
wird. Es wird festgestellt, dass, wenn Aluminiumnitrid so wie in
diesem Fall verwendet wird, eine Leiterplatte mit derselben Konfiguration
wie jene der Ausführungsformen
nicht realisiert werden kann.
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Nachstehend
wird ein fünftes
Vergleichsbeispiel beschrieben. Eine Halbleitervorrichtung wird unter
denselben Bedingungen wie in der ersten Ausführungsform zusammengesetzt,
ausgenommen, dass die Konfiguration einer verwendeten Leiterplatte
anders ist. Die im vorliegenden Fall verwendete Leiterplatte umfasst
Aluminiumnitrid, dessen Dicke 0,635 mm beträgt, mit Kupferplatten von 0,3
mm und 0,2 mm, die mit ihren beiden Seiten durch aktives Metall
verbunden sind. Wenn die Lotbindungsschicht 4a unter der
Leiterplatte 1 der Halbleitervorrichtung unter Verwendung
eines Ultraschall-Reflektoskops betrachtet
wird, werden fast keine Defekte, wie etwa ein Hohlraum, in der Lotschicht 4a gefunden
(das Flächenverhältnis von
Defektabschnitten zur Lotbindungsfläche beträgt nicht mehr als 0,5%). Wenn
ein Strom an ein angebrachtes Element zum Erzeugen von Wärme angelegt
wird und der Wärmewiderstand der
Halbleitervorrichtung gemessen wird, beträgt der Wärmewiderstand 0,2°C/W.
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Für die im
fünften
Vergleichsbeispiel zusammengesetzte Halbleitervorrichtung werden
Wärmezyklenvorgänge 500-mal
bei –60°C bis 150°C vorgenommen.
Nach den Wärmezyklenvorgängen werden eine
Zustandsbetrachtung und Eigenschaftsmessung durchgeführt. Als
Ergebnis hiervon entstehen Defekte ähnlich einem Abblättern aus
der Peripherie auf der Aluminiumnitridseite des verbun denen Abschnitts
des Schaltungsmusters. Die Fläche,
in der die Defekte entstehen, ist peripher, so dass der Wärmewiderstand
fast keine Veränderung
zeigt. Es wird jedoch festgestellt, dass die Festigkeit ein Problem ist,
wenn Aluminiumnitrid verwendet wird.
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Im
Folgenden wird ein sechstes Vergleichsbeispiel beschrieben. Eine
Halbleitervorrichtung wird unter denselben Bedingungen wie in der
ersten Ausführungsform
zusammengesetzt, ausgenommen, dass die Konfiguration einer im sechsten
Vergleichsbeispiel verwendeten Leiterplatte anders ist. Die im vorliegenden
Fall verwendete Leiterplatte 1a umfasst Siliciumnitrid,
dessen Dicke 0,635 mm beträgt,
mit Kupferplatten von 0,3 mm und 0,2 mm, die mit ihren beiden Seiten
durch aktives Metall verbunden sind. Mit anderen Worten unterscheiden
sich die Dicken der Kupferplatten nur von der ersten Ausführungsform
und das Material der Leiterplatte unterscheidet sich nur vom fünften Vergleichsbeispiel.
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Wenn
die Lotbindungsschicht 4a unter der Leiterplatte 1a der
Halbleitervorrichtung unter Verwendung eines Ultraschall-Reflektoskops betrachtet wird,
werden fast keine Defekte, wie etwa Hohlräume, in der Lotschicht 4a gefunden
(das Flächenverhältnis von
Defektabschnitten zur Lotbindungsfläche beträgt nicht mehr als 0,5%). Wenn
ein Strom an ein angebrachtes Element zum Erzeugen von Wärme angelegt
wird und der Wärmewiderstand
der Halbleitervorrichtung gemessen wird, beträgt der Wärmewiderstand 0,34°C/W.
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Für die im
vorliegenden Fall zusammengesetzte Halbleitervorrichtung werden
Wärmezyklenvorgänge 500-mal
bei –60°C bis 150°C vorgenommen.
Nach den Wärmezyklenvorgängen werden
eine Zustandsbetrachtung und Eigenschaftsmessung durchgeführt. Es
werden keine Abnormalitäten,
wie zum Beispiel Zerstörung
von Bauteilen oder Abblättern
verbundener Abschnitte, beobachtet und der Wärmewiderstand zeigt fast keine
Veränderung.
Obwohl die Siliciumnitrid-Leiterplatte hinsichtlich ihrer Festigkeit überlegen
ist, weist sie Nachteile in den Wärmewiderstandseigenschaften
auf, wenn dieselbe Konfiguration wie bei der Aluminiumnitrid-Leiterplatte (Vergleichsbeispiel
5) verwendet wird. Somit sind die Dicken der Kupferplatten vorzugsweise
so dick wie bei der ersten bis dritten Ausführungsform.
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Wie
vorstehend angegeben ist, kann in der Halbleitervorrichtung gemäß jeder
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung durch Verwendung der Leiterplatte, in der
dicke Metallplatten, deren Dickensumme nicht weniger als 0,9 mm
beträgt,
an beiden Seiten von Siliciumnitrid, das hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften überlegen
ist, gebondet sind, und durch Löten
der Leiterplatte an die Lotschicht, die auf der Basisplatte mit
kugelförmigen
Elementen aufgebracht ist, die auf der Lotschicht unter verringertem Druck
angeordnet sind, eine Lotbindungsschicht mit fast keinen hohlraumähnlichen
Defekten realisiert werden, wodurch eine Halbleitervorrichtung realisiert wird,
die hinsichtlich Wärmestrahlungseigenschaften und
Festigkeitszuverlässigkeit
im Vergleich zu einer herkömmlichen
Halbleitervorrichtung überlegen
ist. Des Weiteren können
durch Einschließen
von Elementen mit verschiedenen Durchmessern in der Lotschicht,
obwohl eine Funktion zum Spezifizieren eines Raums nicht vorgesehen
ist, aktiv Pfade für Hohlräume ausgebildet
werden. Obwohl anstelle von Vorsprüngen Nuten ausgebildet sein
können,
wird in diesem Fall bevorzugt eine Erstreckungsrichtung in kürzester
Richtung zu einer Plattenkante ausgebildet, nämlich als fast radiales Muster
von der zentralen Fläche
der Platte.