DE102018213859A1

DE102018213859A1 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE102018213859A1
Application number: DE102018213859.1A
Authority: DE
Inventors: Sho Kumada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2019-04-04
Also published as: CN109616460B; US10468368B2; US20190103374A1; JP6890520B2; JP2019067986A; CN109616460A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Verbesserung einer Verbindungsfestigkeit zwischen einer Verbindungsschicht und einem Harz bereitgestellt. Eine Leistungshalbleitervorrichtung umfasst ein Verdrahtungselement (1), ein Halbleiterelement (2), eine Verbindungsschicht (3), welche das Verdrahtungselement und das Halbleiterelement miteinander verbindet, und ein Harz (5), welches das Verdrahtungselement (1), das Halbleiterelement (2), und die Verbindungsschicht (3) überdeckt. Die Verbindungsschicht (3) umfasst eine erste Verbindungsschicht (31s), welche an das Harz (5) angrenzt und über einen Hohlraum (31sh) verfügt, welcher mit dem Harz (5) gefüllt ist. Ein Füllmaterial (5f), welches im Harz (5) enthalten ist, verfügt über eine maximale Breite, die größer ist, als ein minimaler Durchmesser des Hohlraums (31sh) in der ersten Verbindungsschicht (31s).

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitervorrichtung, die Verdrahtungselemente und Halbleiterelemente umfasst, welche mit den Verdrahtungselementen verbunden sind.
Beschreibung des Standes der Technik
Halbleitervorrichtungen, insbesondere Leistungshalbleitervorrichtungen werden zur Steuerung einer elektrischen Hauptversorgung für unterschiedliche Geräte, wie industrielle Vorrichtungen, Haushaltsgeräte, und Informationsterminals eingesetzt. Die Leistungshalbleitervorrichtungen müssen insbesondere in Transportvorrichtungen oder anderen Geräten hochzuverlässig sein. Inzwischen wurde eine Leistungshalbleitervorrichtung entwickelt, welche ein Halbleiterelement umfasst, das aus einem Halbleiter mit einer breiten Bandlücke hergestellt ist, wie zum Beispiel Siliciumkarbid (SiC) anstelle eines herkömmlichen Siliciums (Si). Eine solche Leistungshalbleitervorrichtung wurde entwickelt, um eine hohe Leistungsdichte und einen Betrieb bei hohen Temperaturen zu erreichen.
Um eine Verbindungszuverlässigkeit während eines Hochtemperaturbetriebs zu verbessern, muss nicht nur eine Hitzebeständigkeit des Halbleiterelements an sich, sondern auch eine Zuverlässigkeit eines Verbindungsmaterials, welches das Halbleiterelement mit Schaltungselementen verbindet, verbessert werden. Dementsprechend wird ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungshalbleitervorrichtung vorgeschlagen, welches ein Sinterverbinden umfasst, d.h., einen Prozess zum Verbinden des Halbleiterelements mit den Schaltungselementen, wie einem Schaltungssubstrat und einem Kühlkörper, mit einem Verbindungsmaterial, das einen Sintermetallkörper enthält (z.B. Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungs-Nr. 2011-249257).
Währenddessen verfügen Metallpartikel typischerweise über Oberflächenzustände, die sehr viel aktiver sind, als jene von massivem Metall, wenn sie Partikeldurchmesser besitzen, die kleiner als eine vordefinierte Größe sind, wodurch eine fortschreitende Reaktion zur Reduzierung einer Oberflächenenergie erleichtert wird. Daher enthält das beim Sinterverbinden eingesetzte Verbindungsmaterial Sintermetallpartikel mit Größen im Bereich von einer Nanometergrößenordnung bis zu einigen Mikrometergrößenordnungen. Die Sintermetallpartikel in einem solchen Verbindungsmaterial schmelzen und verfestigen sich bei einer Temperatur, die niedriger als der Schmelzpunkt des massiven Metalls ist, aber sie schmelzen nicht erneut, bis die Temperatur den Schmelzpunkt des massiven Metalls nach einem Verbindungsprozess unter Verwendung des Verbindungsmaterials erreicht. Daher ermöglicht das Sinterverbinden mit den Sintermetallpartikeln ein Verbinden bei einer Temperatur, welche unter dem Schmelzpunkt von Metall, wie einem massiven Metall liegt, wodurch eine Leistungshalbleitervorrichtung erzielt wird, die eine Beschädigung von Elementen verhindert, welche durch einen Anstieg der Verbindungstemperatur verursacht wird und die eine Zunahme an Fertigungskosten verhindert, und die einen höheren Hitzebeständigkeit besitzt, als die Verbindungstemperatur.
Unterdessen werden die hochreaktiven Sintermetallpartikel mittels einer organischen Schutzschicht überdeckt, um ein Fortschreiten der Reaktion vor einem Verbindungsprozess zu unterbinden. Diese organische Schutzschicht wird im Verbindungsprozess durch Erhitzen aufgelöst und entfernt. Dies fördert einen Kontakt zwischen den Metallpartikeln. Dementsprechend schreitet das Sintern voran, wodurch ein Verbinden ermöglicht wird.
Leider ist eine Haftkraft zwischen einem Sintermetallkörper und einem Harz in einem spritzgepressten Leistungshalbleitermodul, in dem ein Halbleiterelement mit einem Verdrahtungselement mit Sintermetallpartikeln verbunden ist, unzureichend. Dies bewirkt, dass sich das Harz von einer Verbindungsschicht des Sintermetallkörpers oder von anderen Komponenten löst.
Zusammenfassung
Um das obige Problem zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu Verbesserung einer Verbindungsfestigkeit zwischen einer Verbindungsschicht und einem Harz bereitzustellen.
Eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verdrahtungselement, ein Halbleiterelement, eine Verbindungsschicht, welche das Verdrahtungselement und das Halbleiterelement miteinander verbindet, und ein Harz, welches das Verdrahtungselement, das Halbleiterelement, und die Verbindungsschicht überdeckt. Die Verbindungsschicht umfasst eine erste Verbindungsschicht, die so bereitgestellt wird, dass sie an das Harz angrenzt und über einen Hohlraum verfügt, der mit dem Harz gefüllt ist. Ein Füllmaterial, das im Harz enthalten ist, verfügt über eine maximale Breite, die größer ist, als ein minimaler Durchmesser des Hohlraums in der ersten Verbindungsschicht.
Das Harz ist fest an der ersten Verbindungsschicht verankert. Dies verbessert eine Haftkraft zwischen der Verbindungsschicht und dem Harz.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlicher.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht eines Aufbaus eines Hauptteils einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
2 ist eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie A-A in 1 entnommen wurde;
3 ist ein Flussdiagramm von Hauptprozessschritten zur Herstellung der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform;
4 veranschaulicht schematisch einen Zusammenhang zwischen einem Hohlraumanteil einer Verbindungsschicht und einer Verbindungsfestigkeit zwischen der Verbindungsschicht und einem Harz;
5 ist eine vergrößerte schematische Ansicht einer ersten Verbindungsschicht nach einem Spritzpressen;
6 ist eine vergrößerte Ansicht der ersten Verbindungsschicht nach dem Spritzpressen;
7 ist eine Draufsicht eines weiteren Aufbaus des Hauptteils der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform;
8 ist eine Draufsicht eines Aufbaus eines Hauptteils einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform; und
9 ist eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie A-A in 8 entnommen wurde.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
<Erste bevorzugte Ausführungsform>
1 ist eine Draufsicht eines Aufbaus eines Hauptteils einer spritzgepressten Leistungshalbleitervorrichtung 101 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie A-A in 1 entnommen wurde. Es wird darauf hingewiesen, dass zur klaren Beschreibung die Darstellung der Verdrahtungselemente, wie Drähte, in den 1 und 2 ausgelassen sind; darüber hinaus ist die Darstellung eines Harzes 5, welches einige Komponenten der Leistungshalbleitervorrichtung 101 versiegelt, in 1 ausgelassen.
Wie in 1 veranschaulicht, umfasst die Leistungshalbleitervorrichtung 101 ein Verdrahtungselement 1, ein Halbleiterelement 2, eine Verbindungsschicht 3, welche das Verdrahtungselement 1 und das Halbleiterelement 2 miteinander verbindet, und ein Harz 5. Das Harz 5 überdeckt das Verdrahtungselement 1, das Halbleiterelement 2, und die Verbindungsschicht 3, so dass die rückwärtige Fläche des Verdrahtungselements 1 (eine Fläche, die einer das Halbleiterelement 2 bereitstellenden Fläche gegenüberliegt) frei liegt. Des Weiteren verfügt die Leistungshalbleitervorrichtung 101 über einen spritzgepresste Struktur.
Das Verdrahtungselement 1 ist ein rechteckiger Block, der aus einem Metall hergestellt ist, welches über eine hohe elektrische Leitfähigkeit verfügt, wie Kupfer (Cu), eine Kupferlegierung, oder Aluminium (A1). Das Verdrahtungselement 1 ist nicht auf einen Block beschränkt; praktisch sind verschiedene Formen für das Verdrahtungselement 1 anwendbar. Das Verdrahtungselement 1 kann zum Beispiel ein isolierendes Keramiksubstrat, welches ein Metalldrahtmuster umfasst, das auf einer Platte angeordnet ist, welche Anschlussrahmen genannt wird, oder ein keramikbasiertes isolierendes Material sein.
Das Halbleiterelement 2 umfasst ein Leistungshalbleiterelement, wie einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), eine Schottky-Diode (SBD), oder einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Das Halbleiterelement 2 ist zum Beispiel aus Silicium (Si) hergestellt; alternativ besteht das Halbleiterelement 2 aus einem Halbleitermaterial mit einer breiten Bandlücke, wie Siliciumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), oder Diamant.
Das Halbleiterelement 2 umfasst in der ersten bevorzugten Ausführungsform einen Si IGBT als ein Schaltelement. Das Halbleiterelement 2 ist etwa 0,1 bis 0,4 mm dick und verfügt zum Beispiel über eine rechteckige Hauptfläche 21. Das Halbleiterelement 2 verfügt über eine rückwärtige Fläche 22, welche mit einer Kollektor-Elektrode (nicht gezeigt) versehen ist. Auf der Hauptfläche 21 sind eine Emitter-Elektrode (nicht gezeigt), die eine Hauptleistungselektrode ist, und eine Gate-Elektrode, die eine Steuerelektrode ist, angeordnet. In manchen Ausführungsformen ist eine Komponente, wie ein Verdrahtungselement, angrenzend an die Hauptfläche 21 verbunden; darüber hinaus ist eine Kühlvorrichtung angrenzend an die untere Fläche des Verdrahtungselements 1 angeordnet. Darüber hinaus versiegelt das Harz 5 eine Fläche, die mit einer Schaltung versehen ist, die zum Beispiel ein Halbleiterelement 2 umfasst. Das Harz 5 ist typischerweise ein wärmehärtendes Harz in einer spritzgepressten Leistungshalbleitervorrichtung.
Die Verbindungsschicht 3 beinhaltet Metall, wie Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), oder Nickel (Ni). Die Verbindungsschicht 3 ist aus einem Sintermetall-Verbindungsmaterial hergestellt, das Aggregat- oder Metallpartikel, wie Au, Ag, Cu, oder Ni beinhaltet, die in einem organischen Bestandteil (organisches Dispersionsmaterial) zu einer Paste aufgelöst sind.
Die Metallpartikel mit Größen im Nanometerbereich, die im Sintermetall-Verbindungsmaterial enthalten sind, verfügen jeweils über einen relativ großen Oberflächenbereich, und besitzen dadurch jeweils eine relativ große Oberflächenenergie. Die Metallpartikel sind dadurch sehr reaktionsfreudig. Daher ist im Sintermetall-Verbindungsmaterial ein Phänomen hinsichtlich dessen Metalls anwendbar, bei welchem die Ausbreitung einer Metallverbindung bei einer Temperatur fortschreitet, die unterhalb des Schmelzpunktes eines massiven Zustandes liegt. Jedoch verursacht ein bloßer Kontakt der hochreaktiven Metallpartikel allein mit Raumtemperatur ein Sintern, d.h., ein Fortschreiten eines Diffusionsverbindens. Das Sintermetall-Verbindungsmaterial umfasst darüber hinaus ein Schutzmaterial, wie eine Schutzschicht, welche die Oberflächen der Metallpartikel überdeckt, um ein unbeabsichtigtes Fortschreiten einer Sinterreaktion zu verhindern, welche durch die Koagulation dieser Metallpartikel bewirkt wird. Ein Beispiel für das Schutzmaterial ist ein organisches Dispersionsmaterial zum individuellen Verteilen und Festhalten der einzelnen Metallpartikel. Um eine Sinterreaktion in einem Verbindungsschritt zu erzeugen, enthält das gesinterte Metallverbindungsmaterial darüber hinaus zum Beispiel zusätzlich einen Dispersionsmaterialfänger, der mit dem organischen Dispersionsmaterial unter Erwärmung reagiert, um die Metallpartikel freizulegen, und einen flüchtigen organischen Bestandteil, der eine durch die Reaktion zwischen dem organischen Dispersionsmaterial und dem Dispersionsmaterialfänger erzeugte Substanz fängt und dann die erzeugte Substanz verdampft und auflöst. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzlich zum Erwärmen eine Anwendung von Druck die Verbindungsfestigkeit zwischen den Metallpartikeln verbessert und zu einer festen Verbindungsschicht 3 führt.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verbindungsschicht 3 eine erste Verbindungsschicht 31s und eine zweite Verbindungsschicht 31m. Die erste Verbindungsschicht 31s grenzt an das Harz 5 an. Die zweite Verbindungsschicht 31m ist umgeben vom Verdrahtungselement 1, vom Halbleiterelement 2, und der ersten Verbindungsschicht 31s. Die erste Verbindungsschicht 31s verfügt über Hohlräume, die mit dem Harz 5 gefüllt sind. Die zweite Verbindungsschicht 31m verfügt über einen geringeren Hohlraumanteil, als die erste Verbindungsschicht 31s. Es wird darauf hingewiesen, dass ein Hohlraumanteil mit einem Volumen eines Hohlraums pro Volumeneinheit korrespondiert, das heißt, dieser wird bestimmt durch die erste Verbindungsschicht 31s oder die zweite Verbindungsschicht 31m und die Hohlräume.
Das Folgende beschreibt ein Verfahren zu Herstellung der Leistungshalbleitervorrichtung 101 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform. 3 ist ein Flussdiagramm von Hauptprozessschritten zur Herstellung der Leistungshalbleitervorrichtung 101 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform, und veranschaulicht einen Schritt zur Herstellung der Verbindungsschicht 3, welche das Verdrahtungselement 1 und das Halbleiterelement 2 miteinander verbindet, und einen Schritt zum Spritzpressen einer einheitlichen Komponente, welche aus diesen besteht. Es wird darauf hingewiesen, dass das Veranschaulichen eines Schrittes zur Verdrahtung des Halbleiterelements 2 und weitere Prozessschritte im Sinne einer klare Beschreibung in 3 ausgelassen werden.
Der erste Schritt ist ein Schritt S1 oder ein Schritt zur Anwendung eines Verbindungsmaterials zum Aufbringen des Sintermetall-Verbindungsmaterials auf das Verdrahtungselement 1, beispielweise durch ein Siebdruckverfahren. Der Druckprozess zum Aufbringen des Sintermetall-Verbindungsmaterials wird unter Verwendung einer Druckmaske und einer Rakel ausgeführt. Der Anwendungsschritt für die Materialanwendung auf dem Verdrahtungselement 1 umfasst das Bereitstellen des gesinterten Metallverbindungsmaterials in Form einer Paste auf einer Fläche der Druckmaske, und dann ein Abschaben der Paste.
Hier wird ein Hohlraumanteil der Verbindungsschicht 3 nach dem Verbinden gesteuert, indem eine Anwendungsmenge teilweise angepasst wird, um einen Hohlraumanteil der Paste zu steuern, indem ein Verbindungszustand angepasst wird, was später beschrieben wird. In der ersten Ausführungsform werden die zweite Verbindungsschicht 31m, die über einen kleinen Hohlraumanteil verfügt, und die erste Verbindungsschicht 31s, die über einen relativ großen Hohlraumanteil verfügt, jeweils in gewünschten Bereichen ausgebildet. Auf diese Weise reduzieren die Hohlräume in der Verbindungsschicht 3 die Menge an verwendetem, Sintermetall-Verbindungsmaterial, welches die Sintermetallpartikel umfasst, das teurer ist, als ein Verbindungsmaterial, wie ein Lötmaterial. Als Methoden zum Reduzieren der Menge des verwendeten Sintermetall-Verbindungsmaterials sind eine Reduzierung eines Anwendungsbereichs und eine Reduzierung einer Anwendungsdicke über einen Anwendungsbereich bekannt. Diese Methoden sind jedoch ungeeignet, da sie eine Reduzierung einer Wärmeableitungsfähigkeit, eine Zunahme eines elektrischen Widerstandes, und eine Reduzierung einer Zuverlässigkeit verursachen.
Der nächste Schritt ist ein Schritt S2 oder ein Schritt zur Befestigung des Halbleiterelements 2 an einer geeigneten Position auf dem Sintermetall-Verbindungsmaterial, wie es auf dem Verdrahtungselement 1 angewendet wurde.
Der nächste Schritt ist ein Schritt S3 oder ein Pressverbindungsschritt zum Erhitzen einer Struktur auf eine geeignete Temperatur (z.B. eine Temperatur von 80°C, eine 30-minütige Anwendung) zum Trocknen, welche durch die vorangegangenen Schritte ausgebildet wurde, um einen organischen Lösemittelbestandteil im Sintermetall-Verbindungsmaterial zu entfernen. Die Struktur wird dann einer Druckanwendung (z.B. ein Druck von 10 MPa) unterzogen, während sie auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die für das Verbinden notwendig ist (z.B. eine Temperatur von 200 bis 350°C, eine 30-minütige Anwendung), wobei ein Druck auf das gesinterte Verbindungsmaterial mittels eines Herabdrückens des Halbleiterelements 2 ausgeübt wird. Das Sintermetall-Verbindungsmaterial verbindet durch Sintern somit eine Verbindungsfläche des Verdrahtungselements 1, eine Verbindungsfläche des Halbleiterelements 2, und die Metallpartikel miteinander. Auf diese Weise wird die Verbindungsschicht 3, welche die erste Verbindungsschicht 31s mit einem hohen Hohlraumanteil und die zweite Verbindungsschicht 31m mit einem geringen Hohlraumanteil umfasst, ausgebildet.
Der abschließende Schritt ist ein Schritt S4 oder ein Spritzpress-Schritt zum Überdecken der vereinten Komponente, welche aus dem Verdrahtungselement 1 und dem Halbleiterelement 2 besteht, die mittels der Verbindungsschicht 3 miteinander verbunden sind, mit Ausnahme der rückwärtigen Fläche des Verdrahtungselements 1, durch Verwenden des Harzes 5. Dies komplettiert die Leistungshalbleitervorrichtung 101. Zu diesem Zeitpunkt sind die Hohlräume in der ersten Verbindungsschicht 31s mit dem Harz 5 gefüllt.
Für die fertiggestellte Leistungshalbleitervorrichtung 101 wiederholen sich während des Betriebs Temperaturerhöhungen und Temperaturabfälle. Daher wird aufgrund eines Unterschieds im Längenausdehnungskoeffizienten eine Scherkraft an einer Grenzfläche zwischen einem Sintermetallkörper und einem Harz erzeugt. Sobald diese Kraft eine Haftkraft zwischen dem Sintermetallkörper und dem Harz überschreitet, löst sich das Harz vom gesinterten Formteil ab.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform werden die Hohlräume in der ersten Verbindungsschicht 31s mit einem hohen Hohlraumanteil mit dem Harz 5 während des Spritzpress-Schrittes gefüllt. Solch ein Aufbau verbessert dank eines Ankereffekts eine Haftkraft zwischen einem Sintermetallkörper der ersten Verbindungsschicht 31s und dem Harz, wodurch das Ablösen des Harzes 5 vom Sintermetallkörper verhindert wird. Zusätzlich wird das Harz 5 durch einen herkömmlichen Schritt (Spritzpressen) eingefüllt. Dies beseitigt eine Zunahme von Prozessschritten und verhindert somit einen Kostenanstieg.
Das Harz 5 kann in die Hohlräume in der Verbindungsschicht 3 direkt unter der Mitte des Halbleiterelements 2 schwerer eingefüllt werden, als direkt unter dem äußeren Umfang des Halbleiterelements 2. Daher wird die erste Verbindungsschicht 31s mit einem großen Hohlraumanteil bevorzugt direkt unter dem äußeren Umfang des Halbleiterelements 2 angeordnet. Darüber hinaus verfügt die erste Verbindungsschicht 31s mit einem großen Hohlraumanteil über eine geringere thermische Leitfähigkeit, als die zweite Verbindungsschicht 31m mit einem geringen Hohlraumanteil, und verfügt somit über eine geringe Fähigkeit zur Ableitung von Wärme im Halbleiterelement 2 zum Verdrahtungselement 1. Währenddessen erzeugt das Halbleiterelement 2 Wärme während des Betriebs, und eine Temperatur in der Nähe der Mitte des Halbleiterelements 2 kann sich leichter Erhöhen, als eine Temperatur in der Nähe des äußeren Umfangs des Halbleiterelements 2. Aus diesem Grund ist es in Anbetracht einer Wärmeableitungsfähigkeit vorzuziehen, dass die erste Verbindungsschicht 31s im äußeren Umfang des Halbleiterelements 2 angeordnet wird, und dass die zweite Verbindungsschicht 31m in der Mitte des Halbleiterelements 2 angeordnet wird. Auf diese Weise erzielt ein Steuern des Hohlraumanteils der Verbindungsschicht 3 eine Leistungshalbleitervorrichtung, die hochwiderstandsfähig gegenüber Wärme und hochzuverlässig ist, während eine Wärmeableitungsfähigkeit zwischen dem Halbleiterelement 2 und dem Verdrahtungselement 1 erhalten bleibt.
Das Folgende beschreibt den Hohlraumanteil der Verbindungsschicht 3. 4 veranschaulicht schematisch einen Zusammenhang zwischen dem Hohlraumanteil der Verbindungsschicht 3 und der Verbindungsfestigkeit zwischen der Verbindungsschicht 3 und dem Harz 5.
Es ist schwer das Harz 5 in die Verbindungsschicht 3 einzubringen, wenn sich der Hohlraumanteil der Verbindungsschicht 3 in einem Bereich bewegt, der geringer ist, als 5%. Infolgedessen wird der Verankerungseffekt nicht ausreichend erzielt, wodurch die Haftkraft zwischen der Verbindungsschicht 3 und dem Harz 5 nicht ausreichend verbessert wird. Währenddessen besitzt die Verbindungsschicht 3 selbst nur eine unzureichende Festigkeit, wenn sich der Hohlraumanteil der Verbindungsschicht 3 in einem Bereich c bewegt, der größer als 20% ist. Infolgedessen verfügt das Innere der Verbindungsschicht 3 über einige wachsende Risse, während die Leistungshalbleitervorrichtung 101 in Betrieb ist, wodurch eine Zuverlässigkeit reduziert wird. Dementsprechend wird in der ersten Ausführungsform ein Hohlraumanteil der ersten Verbindungsschicht 31s, welche in der Verbindungsschicht 3 enthalten ist, so gesteuert, dass er in einem geeigneten Bereich b liegt, der 5% oder größer und 20% oder kleiner ist, um die Haftkraft zwischen der Verbindungsschicht 3 und dem Harz 5 zu verbessern, und um die Zuverlässigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung 101 zu verbessern.
Das Folgende beschreibt einen Zusammenhang zwischen der Größe eines Füllmaterials 5f, das im Harz 5 enthalten ist und der Größe eines Hohlraums 31sh in der ersten Verbindungsschicht 31s. Die 5 und 6 sind vergrößerte schematische Ansichten der ersten Verbindungsschicht 31s nach dem Spritzpressen. Konkret veranschaulicht 5 das Füllmaterial 5f, welches über eine maximale Breite verfügt, die größer ist, als ein maximaler Durchmesser, d.h. eine maximale Breite des Hohlraums 31sh in der ersten Verbindungsschicht 31s. Darüber hinaus veranschaulicht 6 das Füllmaterial 5f, welches hypothetisch über eine maximale Breite verfügt, die kleiner oder gleich dem maximalen Durchmesser, d.h., der maximalen Breite des Hohlraums 31sh in der ersten Verbindungsschicht 31s ist.
In 5 gelangt das Füllmaterial 5f nicht vollständig in den Hohlraum 31sh; somit wird das Harz 5 in die erste Verbindungsschicht 31s gefüllt. Dies ermöglicht dem Harz 5 sich ausreichend mit an der ersten Verbindungsschicht 31s zu verankern, wodurch die Haftkraft zwischen der ersten Verbindungsschicht 31s und dem Harz 5 verbessert wird. Demgegenüber befindet sich das Füllmaterial 5f in 6 vollständig innerhalb des Hohlraums 31sh, somit wird das Harz 5 nicht in einen Spalt zwischen der Hohlraum 31sh und dem Füllmaterial 5f gefüllt. Dies liegt daran, dass das Füllen des Hohlraums 31sh durch das Harz 5, welches eine hohe Viskosität besitzt, einen Spalt mit einer Größe erfordert, der größer oder gleich einer bestimmten Größe ist. Infolgedessen ist das Harz 5 nicht ausreichend an der ersten Verbindungsschicht 31s in 6 verankert, wodurch die Haftkraft zwischen der ersten Verbindungsschicht 31s und dem Harz 5 nicht ausreichend verbessert wird.
Dementsprechend verfügt das Füllmaterial 5f, das im Harz 5 enthalten ist, in der ersten bevorzugten Ausführungsform über eine maximale Breite, die größer ist, als ein minimaler Durchmesser des Hohlraums 31sh in der ersten Verbindungsschicht 31s. Solch ein Aufbau erzielt den Zustand in 5, d.h., den Verankerungseffekt in wenigstens einem Hohlraum 31sh.
<Kern der ersten bevorzugten Ausführungsform>
Wie oben beschrieben umfasst die Leistungshalbleitervorrichtung 101 in der ersten bevorzugten Ausführungsform die Verbindungsschicht 3, welche das Halbleiterelement 2 und das Verdrahtungselement 1 miteinander verbindet. Die Verbindungsschicht 3 umfasst die erste Verbindungsschicht 31s, welche über den Hohlraum 31sh verfügt, der mit dem Harz 5 gefüllt ist. Das Füllmaterial 5f, das im Harz 5 enthalten ist, verfügt über eine maximale Breite, die größer ist, als ein minimaler Durchmesser des Hohlraums 31sh in der ersten Verbindungsschicht 31s. Solch ein Aufbau ermöglicht ein festes Verankern des Harzes 5 an der ersten Verbindungsschicht 31s, wodurch eine Haftkraft zwischen der Verbindungsschicht 3 und dem Harz 5 verbessert wird, während eine Kostenzunahme verhindert wird. Dies realisiert die spritzgepresste Leistungshalbleitervorrichtung 101, die hochhitzebeständig und bei niedrigen Kosten hochzuverlässig ist.
In der obigen Beschreibung ist das Füllmaterial 5f, das im Harz 5 enthalten ist, so ausgebildet, dass es über eine maximale Breite verfügt, die größer ist, als der minimale Durchmesser des Hohlraums 31sh in der ersten Verbindungsschicht 31s. Das Füllmaterial 5f, welches im Harz 5 enthalten ist, kann in beliebiger anderer Weise ausgebildet werden; zum Beispiel kann das Füllmaterial 5f über eine maximale Breite verfügen, die größer als ein maximaler Durchmesser des Hohlraums 31sh in der ersten Verbindungsschicht 31s ist. Solch ein Aufbau erzielt den Zustand in 5, d.h., den Verankerungseffekt nicht nur in einigen der Hohlräumen 31sh, sondern in allen Hohlräumen 31sh.
Obwohl in der obigen Beschreibung ein einzelnes Halbleiterelement 2 mit einem einzelnen Verdrahtungselement 1 verbunden ist, ist die Anzahl der Halbleiterelemente 2 nicht auf Eins beschränkt. Wie in 7 veranschaulicht, kann zum Beispiel eine Mehrzahl von Halbleiterelementen 2 mit einem einzelnen Verdrahtungselement 1 verbunden werden. Dieser Aufbau ermöglicht ein Verbinden einzelner Halbleiterelemente 2 im Ganzen mittels eines Verbindungsmaterials, und ermöglicht ein Pressverbinden der einzelnen Halbleiterelemente 2 im Ganzen. Somit verbessert dieser Aufbau die Produktivität.
<Zweite bevorzugte Ausführungsform>
8 ist eine Draufsicht eines Aufbaus des Hauptteils der spritzgepressten Leistungshalbleitervorrichtung 101 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. 9 ist eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie A-A in 8 entnommen wurde. Identische oder ähnliche Komponenten zwischen der ersten bevorzugten Ausführungsform und der zweiten bevorzugten Ausführungsform werden mittels derselben Bezugszeichen gekennzeichnet, und überwiegend werden hier Komponenten beschrieben, die sich zwischen den bevorzugten Ausführungsformen unterscheiden.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Verbindungsschicht 3, die ein Sintermetallkörper ist, wie in 1 veranschaulicht, ausschließlich direkt unterhalb des Halbleiterelements 2 vorgesehen. In der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die Verbindungsschicht 3 nicht ausschließlich direkt unterhalb des Halbleiterelements 2 vorgesehen, sondern auch um das Halbleiterelement 2 herum. Mit anderen Worten ist die erste Verbindungsschicht 31s zwischen dem Verdrahtungselement 1 und dem Halbleiterelement 2 angeordnet, und ist in einer Draufsicht außerhalb des Halbleiterelements 2 angeordnet.
<Kern der zweiten bevorzugten Ausführungsform>
Solch ein Aufbau in der zweiten bevorzugten Ausführungsform vergrößert den Kontaktbereich zwischen der ersten Verbindungsschicht 31s und dem Harz 5 im Vergleich zum korrespondierenden Aufbau in der ersten bevorzugten Ausführungsform. Dies vergrößert das Volumen der ersten Verbindungsschicht 31s, deren Hohlräume mit dem Harz 5 gefüllt sind, wodurch eine Haftkraft zwischen der Verbindungsschicht 3 und dem Harz 5 weiter verbessert wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen in der vorliegenden Erfindung innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung frei kombiniert werden können, oder in geeigneter Weise modifiziert und ausgelassen werden können.
Während die Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung in allen Aspekten veranschaulichend und nicht einschränkend. Es versteht sich daher, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen erdacht werden können, ohne den Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Leistungshalbleitervorrichtung (101) umfassend: • ein Verdrahtungselement (1); • ein Halbleiterelement (2); • eine Verbindungsschicht (3), welche das Verdrahtungselement und das Halbleiterelement miteinander verbindet; und • ein Harz (5), welches das Verdrahtungselement, das Halbleiterelement, und die Verbindungsschicht überdeckt, • wobei die Verbindungsschicht eine erste Verbindungsschicht (31s) umfasst, welche an das Harz angrenzt und über einen Hohlraum (31sh) verfügt, welcher mit dem Harz gefüllt ist, und • wobei ein Füllmaterial (5f), welches im Harz enthalten ist, über eine maximale Breite verfügt, die größer ist, als ein minimaler Durchmesser des Hohlraums in der ersten Verbindungsschicht.
Leistungshalbleitervorrichtung (101) nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsschicht (3) des Weiteren eine zweite Verbindungsschicht (31m) umfasst, die bereitgestellt wird, um durch das Verdrahtungselement (1), das Halbleiterelement (2), und die erste Verbindungsschicht (31s) umgeben zu werden, und die über einen geringeren Hohlraumanteil verfügt, als die erste Verbindungsschicht.
Leistungshalbleitervorrichtung (101) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Verbindungsschicht (31s) zwischen dem Verdrahtungselement (1) und dem Halbleiterelement (2) angeordnet ist, und in einer Draufsicht außerhalb des Halbleiterelements angeordnet ist.
Leistungshalbleitervorrichtung (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Verbindungsschicht (31s) über einen Hohlraumanteil von 5% oder mehr und 20% oder weniger verfügt.
Leistungshalbleitervorrichtung (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verbindungsschicht (3) Silber, Gold, Kupfer, oder Nickel beinhaltet.
Leistungshalbleitervorrichtung (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Harz (5) ein wärmehärtendes Harz ist.
Leistungshalbleitervorrichtung (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Füllmaterial (5f), welches im Harz (5) enthalten ist, über eine maximale Breite verfügt, welche größer ist, als ein maximaler Durchmesser des Hohlraums (31sh) in der ersten Verbindungsschicht (31s).