DE112014005925B4 - Halbleitervorrichtung - Google Patents
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Abstract
Halbleitervorrichtung (1), aufweisend:eine Halbleiterschicht (2);eine Elektrodenschicht (3), die auf der Halbleiterschicht (2) angeordnet ist;eine Rissstartpunktschicht (10), die über der Halbleiterschicht (2) angeordnet ist; undeine Lotschicht (4), die mit der Elektrodenschicht (3) und der Rissstartpunktschicht (10) in Kontakt steht; wobeieine Verbindungskraft zwischen der Lotschicht (4) und der Rissstartpunktschicht (10) geringer ist als eine Verbindungskraft zwischen der Lotschicht (4) und der Elektrodenschicht (3),die Rissstartpunktschicht (10) an der Elektrodenschicht (3) angeordnet ist, undeine Dicke der Rissstartpunktschicht (10) geringer als eine Breite der Rissstartpunktschicht (10) ist.
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung.
- Stand der Technik
- Bei einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung kann ein Fall auftreten, bei welchem, aufgrund eines Temperaturzyklus, in dem die Temperatur der Halbleitervorrichtung wiederholt während deren Verwendung ansteigt und fällt, eine Belastung auf das Innere der Halbleitervorrichtung wirkt und ein Bruch bzw. Riss (eine Rissbildung) auftritt. Die
JP 2011-023631 A JP 2011-023631 A - Kurzfassung
- Technisches Problem
- Bei der aus der
JP 2011-023631 A - Selbst bei der in der
JP 2011-023631 A US 2011 / 0 198 755 A1 US 2007 / 0 246 833 A1 JP 2013 - 211 497 A - Lösung des technischen Problems
- Eine hier offenbarte Halbleitervorrichtung umfasst eine Halbleiterschicht, eine Elektrodenschicht, die auf der Halbleiterschicht angeordnet ist, eine Rissstartpunktschicht, die über der Halbleiterschicht angeordnet ist, und eine Lotschicht, die mit der Elektrodenschicht und der Rissstartpunktschicht in Kontakt steht. Eine Verbindungskraft zwischen der Lotschicht und der Rissstartpunktschicht ist geringer als eine Verbindungskraft zwischen der Lotschicht und der Elektrodenschicht.
- Die Rissstartpunktschicht ist an der Elektrodenschicht angeordnet, und eine Dicke der Rissstartpunktschicht ist geringer als eine Breite der Rissstartpunktschicht.
- Gemäß diesem Aufbau dient die Rissstartpunktschicht, wenn während des Temperaturzyklus eine Belastung auf das Innere der Halbleitervorrichtung wirkt, als Startpunkt eines Risses und der Riss breitet sich eher in die Lotschicht als in die Elektrodenschicht aus. Wenn die Rissstartpunktschicht nicht existiert, gibt es keinen Auslöser für die Erzeugung eines Risses, so dass sich der Riss nicht in die Lotschicht sondern in die Elektrodenschicht ausbreiten kann. Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration jedoch läuft der Riss in die Lotschicht, wodurch die Rissstartpunktschicht als Auslöser dient. Somit kann gewährleistet werden, dass sich ein Riss weniger wahrscheinlich in die Elektrodenschicht ausbreitet.
- Ferner kann die Elektrodenschicht aus einem Material bestehen, dass leichter eine Legierung mit der Lotschicht bildet als die Rissstartpunktschicht.
- Die Rissstartpunktschicht kann ferner aus Aluminium, Aluminium-Silizium, Kohlenstoff oder Polyimidharz bestehen.
- Figurenliste
-
-
1 zeigt eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform; -
2 zeigt eine Schnittansicht, die einen Hauptteil der Halbleitervorrichtung in vergrößerter Weise darstellt (eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in1 ); -
3 zeigt eine Schnittansicht, welche einen Hauptteil einer Halbleitervorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform in vergrößerter Weise zeigt; -
4 zeigt eine Schnittansicht, die einen Hauptteil einer Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform in vergrößerter Weise zeigt; -
5 zeigt eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform; -
6 zeigt eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform; -
7 zeigt eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform; -
8 zeigt eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform; und -
9 zeigt eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform; - Beschreibung von Ausführungsformen
- Nachfolgend werden Ausführungsformen Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Wie in den
1 und2 gezeigt ist, hat eine Halbleitervorrichtung1 gemäß einer Ausführungsform eine Halbleiterschicht2 , eine Elektrodenschicht3 , die auf der Halbleiterschicht2 ausgebildet ist, Rissstartpunktschichten10 , die über der Halbleiterschicht2 angeordnet sind, sowie eine Lotschicht4 , die mit der Elektrodenschicht3 und den Rissstartpunktschichten10 in Verbindung steht. Die jeweiligen Schichten sind entlang der vertikalen Richtung (z-Richtung) gestapelt. Es sei angemerkt, dass, obgleich die Rissstartpunktschichten10 von den Lotschichten4 bedeckt sind und somit in der Draufsicht von1 nicht sichtbar sind, die Rissstartpunktschichten10 zur Erläuterung anhand von gestrichelten Linien in1 angedeutet sind. - Die Halbleiterschicht
2 ist derart ausgestaltet, dass n-dotierte oder p-dotierte Bereiche durch Einbringen von Störstellen in ein Halbleitersubstrat aus Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC) oder dergleichen ausgebildet werden. Als Halbleiterschicht2 kann beispielsweise eine Diode, ein Transistor, ein Thyristor oder dergleichen verwendet werden. Genauer gesagt kann ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder dergleichen verwendet werden. - Die Elektrodenschicht
3 hat eine erste Schicht31 , die an einer vorderen Fläche der Halbleiterschicht2 angeordnet ist, und eine zweite Schicht32 , die an einer vorderen Fläche der ersten Schicht31 angeordnet ist. Die erste Schicht31 steht mit der Halbleiterschicht2 in Kontakt und die zweite Schicht32 steht mit der Lotschicht4 in Kontakt. Eine Verbindungskraft zwischen der Lotschicht4 und der Elektrodenschicht3 (der zweiten Schicht32 ) ist größer als eine Verbindungskraft zwischen der Lotschicht4 und den Rissstartpunktschichten10 . Damit die Elektrodenschicht3 (die zweite Schicht32 ) eine hohe Verbindungskraft mit der Lotschicht4 hat, ist die Elektrodenschicht3 derart ausgebildet, dass sie leichter eine Legierung mit der Lotschicht4 bildet als die Rissstartpunktschichten10 . Insbesondere kann als Material der zweiten Schicht32 auf der Seite der vorderen Fläche der Elektrodenschicht3 , die mit der Lotschicht4 verbunden wird, ein Material verwendet werden, das leichter eine Legierung mit einem Material der Lotschicht4 bildet, als ein Material der Rissstartpunktschichten10 . Genauer gesagt kann als Material für die zweite Schicht32 beispielsweise Nickel (Ni) oder Kupfer (Cu) verwendet werden. - Eine Schutzschicht
6 ist zwischen einem Endabschnitt der ersten Schicht31 und einem Endabschnitt der zweiten Schicht32 in der Elektrodenschicht3 angeordnet. Als Material für die Schutzschicht6 kann beispielsweise Polyimidharz (PI) oder dergleichen verwendet werden. - Die Lotschicht
4 ist auf der vorderen Fläche der Elektrodenschicht3 angeordnet. Die Lotschicht4 verbindet ein angeschlossenes Element5 mit der Elektrodenschicht3 . Die Lotschicht4 füllt den Raum zwischen der Elektrodenschicht3 und dem angeschlossenen Element5 . Das angeschlossene Element5 ist nicht besonders beschränkt und ist eine Leiterplatine bzw. ein -rahmen aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer (Cu). Das angeschlossene Element5 leitet Elektrizität mit der Elektrodenschicht3 über die Lotschicht4 . Als Material für die Lotschicht4 kann ein Material, das herkömmlich zum Löten verwendet wird, genutzt werden, und beispielsweise kann eine Legierung, die Zinn (Sn), Silber (Ag) oder Kupfer (Cu) als Hauptbestandteil enthält, verwendet werden. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient der Lotschicht4 unterscheidet sich von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des angeschlossenen Elements5 . Ferner hat die Lotschicht4 einen ersten Bereich41 , der zwischen der Halbleiterschicht2 und dem angeschlossenen Element5 angeordnet ist, und einen zweiten Bereich42 , der an einer äußeren Seite relativ zum ersten Bereich41 angeordnet ist. Der erste Bereich41 befindet sich unter dem angeschlossenen Element5 . Der zweite Bereich42 ragt vom angeschlossenen Element5 in laterale Richtung (x-Richtung) vor und ist über die Schutzschicht6 angeordnet. Die Rissstartpunktschichten10 sind in dem zweiten Bereich42 angeordnet. - Die Rissstartpunktschichten
10 sind auf der Elektrodenschicht3 angeordnet und an Grenzteilen zwischen der Elektrodenschicht3 und der Lotschicht4 angeordnet. Die Rissstartpunktschichten10 sind an der zweiten Schicht32 der Elektrodenschicht3 angeordnet. Die Rissstartpunktschichten10 sind an Stellen angeordnet, die mit einem Endabschnitt der Lotschicht4 in Kontakt stehen. Die Rissstartpunktschichten10 sind vollständig von der Lotschicht4 bedeckt und in die Lotschicht4 eingebettet. Wenn die Lotschicht4 in Draufsicht betrachtet wird, umgibt die Lotschicht4 eine jede Rissstartpunktschicht10 und verbindet die Elektrodenschicht3 an einem Umfang der Rissstartpunktschicht10 . Die Rissstartpunktschichten10 verlaufen entlang der vorderen Fläche der Elektrodenschicht3 . Darüber hinaus hat jede Rissstartpunktschicht10 einen ersten Teil101 , der in eine Richtung entlang der vorderen Fläche der Halbleiterschicht2 verläuft (laterale Richtung: x-Richtung), und einen zweiten Teil102 , der relativ zum ersten Teil101 geneigt ist und vom ersten Teil101 in Richtung zur Seite der Halbleiterschicht2 verläuft. Der erste Teil101 befindet sich an einer äußeren Seite (einer Seite des Endabschnitts der Lotschicht4 ) und der zweite Teil102 befindet sich an einer inneren Seite relativ zum ersten Teil101 . Eine Kontaktfläche zwischen der Lotschicht4 und jeder Rissstartpunktschicht10 ist an einem Grenzteil zwischen dem ersten Teil101 und dem zweiten Teil102 gebogen. Darüber hinaus ist in Draufsicht eine Mehrzahl von Rissstartpunktschichten10 entlang des Endabschnitts der Lotschicht4 angeordnet. Die Lotschicht4 füllt den Umfang einer jeden Rissstartpunktschicht10 aus. Darüber hinaus sind die Rissstartpunktschichten10 derart in einem Umfang des angeschlossenen Elements5 angeordnet, dass sie das angeschlossene Element5 in Draufsicht umgeben. - Die Verbindungskraft zwischen der Lotschicht
4 und den Rissstartpunktschichten10 ist geringer als die Verbindungskraft zwischen der Lotschicht4 und der Elektrodenschicht3 . Damit die Rissstartpunktschichten10 eine geringere Verbindungskraft mit der Lotschicht4 haben, sind die Rissstartpunktschichten10 derart ausgestaltet, dass sie weniger leicht eine Legierung mit der Lotschicht4 bilden. Insbesondere kann als Material für die Rissstartpunktschichten10 ein Material verwendet werden, das weniger leicht eine Legierung mit dem Material der Lotschicht4 bildet (d.h. als Material für die Rissstartpunktschichten10 kann ein Material verwendet werden, das eine schlechtere Benetzung mit dem Material der Lotschicht4 hat). Genauer gesagt kann als Material für die Rissstartpunktschichten10 Aluminium (Al), Aluminium-Silizium (AlSi), Kohlenstoff (C), Polyimidharz (PI) oder dergleichen verwendet werden. Da die Verbindungskraft zwischen der Lotschicht4 und den Rissstartpunktschichten10 geringer ist als die Verbindungskraft zwischen der Lotschicht4 und der Elektrodenschicht3 verläuft ein Riss leicht in die Lotschicht4 , wodurch die Rissstartpunktschichten10 als Startpunkt für den Riss dienen können. Mit der Vorgabe, dass sich ein Riss in die Lotschicht4 in laterale Richtung (die x-Richtung) ausdehnen soll, wird die Dicke einer jeden Rissstartpunktschicht10 vorzugsweise geringer gewählt als eine Breite w einer jeden Rissstartpunktschicht10 . Die Dicke t einer jeden Rissstartpunktschicht10 ist ein Abstand zwischen den Rändern der Rissstartpunktschicht10 in vertikale Richtung (z-Richtung) und die Breite w ist ein Abstand zwischen den Rändern der Rissstartpunktschicht10 in laterale Richtung (x-Richtung). - Gemäß der Halbleitervorrichtung
1 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird eine Spannung an die Halbleiterschicht2 angelegt, um dadurch einen Stromfluss zu erzeugen. Wenn der Strom in der Halbleiterschicht2 fließt, wird Wärme erzeugt, und eine Temperatur der Halbleitervorrichtung1 steigt an. Wenn das Anlegen der Spannung beendet wird, fällt die Temperatur der Halbleitervorrichtung1 . Zu diesem Zeitpunkt wirkt, aufgrund des Zykluses des Anstiegs und Absinkens der Temperatur, eine Belastung auf das Innere der Halbleitervorrichtung1 . Gemäß der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung1 dienen die Rissstartpunktschichten10 , wenn eine Belastung auf das Innere wirkt, als Startpunkt eines Risses und der Riss breitet sich in die Lotschicht4 aus. In anderen Worten: wenn die Rissstartpunktschichten10 nicht existieren, gibt es keinen Auslöser für einen Riss, so dass sich der Riss nicht in die Lotschicht4 sondern in die Elektrodenschicht3 ausbreiten kann. Wenn sich der Riss in die Elektrodenschicht3 ausbreitet, kann die Halbleitervorrichtung nicht länger verwendet werden. Gemäß der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung1 jedoch ist die Verbindungskraft zwischen der Lotschicht4 und den Rissstartpunktschichten10 geringer als die Verbindungskraft zwischen der Lotschicht4 und der Elektrodenschicht3 , so dass sich der Riss in die Lotschicht4 ausbreitet, bevor er sich in die Elektrodenschicht3 ausbreitet, wodurch die Rissstartpunktschichten10 als Auslöser dienen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass sich der Riss weniger wahrscheinlich in die Elektrodenschicht3 ausbreitet. Wenn sich der Riss zudem in die Lotschicht4 ausbreitet, wird ein elektrischer Widerstand in der Lotschicht4 erhöht, und der Grad des Temperaturanstiegs wird größer als gewöhnlich. Durch die Erfassung des Temperaturanstiegs und dem Ausgeben eines Alarms kann somit eine Verschlechterung der Halbleitervorrichtung1 vermieden werden. - Darüber hinaus ist die Dicke t einer jeden Rissstartpunktschicht
10 geringer als die Breite w einer jeden Rissstartpunktschicht10 , so dass der Riss, der auftritt, zulässt, dass die Rissstartpunktschichten10 als Startpunkt dienen und in eine Richtung der Breite (x-Richtung) geführt werden kann. Es ist somit möglich, das Ausdehnen des Risses in vertikale Richtung (z-Richtung) zu vermeiden, und es kann gewährleistet werden, dass der Riss weniger wahrscheinlich von der Lotschicht4 in die Elektrodenschicht3 oder die Halbleiterschicht2 verläuft. Da zudem die Rissstartpunktschichten10 mit dem Endabschnitt der Lotschicht4 in Kontakt stehen, und somit verursacht werden kann, dass ein Riss in den Endabschnitt der Lotschicht4 verläuft, kann verhindert werden, dass ein Riss im Mittelabschnitt der Lotschicht4 auftritt. - Obgleich vorstehend eine Ausführungsform beschrieben wurde, sind spezifische Aspekte nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise sind bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Rissstartpunktschichten
10 an der zweiten Schicht32 der Elektrodenschicht3 angeordnet. Die Rissstartpunktschichten10 sind jedoch nicht auf diesen Aufbau beschränkt und können unter der zweiten Schicht32 angeordnet sein. Bei einer anderen Ausführungsform ist, wie in3 gezeigt ist, eine Rissstartpunktschicht10 auf der ersten Schicht31 angeordnet, und die zweite Schicht32 befindet sich auf der Rissstartpunktschicht10 . Die zweite Schicht32 hat eine Öffnung35 , die an einer Stelle ausgebildet ist, an der die Rissstartpunktschicht10 angeordnet ist, und die Rissstartpunktschicht10 liegt an der Öffnung35 frei. Die Lotschicht4 deckt die Öffnung35 ab und steht mit der freiliegenden Rissstartpunktschicht10 in Kontakt. Die Rissstartpunktschicht10 dieses Aufbaus dient auch als die Schutzschicht6 in der Halbleitervorrichtung1 aus1 . Es sei angemerkt, dass in3 die gleichen Bestandteile wie in2 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und auf eine wiederholte Beschreibung hiervon verzichtet wird. - Darüber hinaus ist bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Endabschnitt der zweiten Schicht
32 der Elektrodenschicht3 an der Schutzschicht6 angeordnet. Der Endabschnitt der zweiten Schicht32 ist hierauf jedoch nicht beschränkt und kann, wie in4 gezeigt ist, nicht an der Schutzschicht6 angeordnet sein. Es sei angemerkt, dass in4 die gleichen Bestandteile wie in2 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und auf eine wiederholte Beschreibung hiervon verzichtet wird. - Darüber hinaus ist nicht besonders beschränkt, wie die Rissstartpunktschichten
10 in Draufsicht angeordnet sind. Wie beispielsweise in5 gezeigt ist, kann jede Rissstartpunktschicht10 derart entlang des Endabschnitts der Lotschicht4 angeordnet sein, dass sie in einer geraden Linie verlaufen. Jede Rissstartpunktschicht10 kann vollständig der entsprechenden Seite des angeschlossenen Elements5 zugewandt sein. Darüber hinaus kann, wie in6 gezeigt ist, eine Mehrzahl von Rissstartpunktschichten10 einer entsprechenden Seite des angeschlossenes Elements5 zugewandt angeordnet sein. Die Mehrzahl von Rissstartpunktschichten10 verläuft in einer geraden Linie und diese Rissstartpunktschichten10 sind voneinander beabstandet in Längsrichtung angeordnet. Wie zudem in7 gezeigt ist, kann eine Mehrzahl von Rissstartpunktschichten10 in zwei Reihen angeordnet sein. Eine Reihe der Rissstartpunktschichten10 ist an einer Stelle angeordnet, welche das angeschlossene Element5 in z-Richtung überlappt, und die andere Reihe der Rissstartpunktschichten10 ist an einer Stelle angeordnet, welche das angeschlossene Element5 in z-Richtung nicht überlappt. Wie ferner in8 gezeigt ist, kann eine Mehrzahl von Rissstartpunktschichten10 zwei Seiten (kurze Seiten) des angeschlossenen Elements5 zugewandt angeordnet sein. An Stellen, welche den anderen beiden Seiten (lange Seiten) des angeschlossenen Elements5 zugewandt sind, sind keine Rissstartpunktschichten10 angeordnet. Wie zudem in9 gezeigt ist, kann eine Mehrzahl von Rissstartpunktschichten10 , die in zwei Reihen entlang einer jeden Seite des angeschlossenen Elements5 angeordnet sind, zueinander versetzt angeordnet sein. Beispielsweise können einige der Mehrzahl von Rissstartpunktschichten10 , die in zwei Reihen entlang einer Seite des angeschlossenen Elements5 in y-Richtung angeordnet sind, zueinander in y-Richtung versetzt sein, so dass die Mehrzahl von Rissstartpunktschichten10 nicht in x-Richtung überlappen. Bei jeder der in den5 bis9 gezeigten Konfigurationen verläuft der Riss ebenso in die Lotschicht4 , wodurch die Rissstartpunktschichten10 als Auslöser für einen Riss dienen können. Es sei angemerkt, dass in den5 bis9 die gleichen Bestandteile wie in1 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und auf eine wiederholte Beschreibung hiervon verzichtet wird. - Vorstehend wurden bestimmte Beispiele der vorliegenden Anmeldung im Detail beschrieben, wobei diese lediglich beispielhaft sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der Ansprüche zu beschränken. Die in den Ansprüchen beschriebene Technologie umfasst Abwandlungen und Veränderungen der bestimmten Beispiele die vorstehend beschrieben wurden. Die in der Beschreibung und den Zeichnungen dargestellten technischen Merkmale können alleine oder in verschiedenen Kombinationen technisch genutzt werden und sind nicht auf die ursprünglich beanspruchten Kombinationen beschränkt. Darüber hinaus kann die in der Beschreibung und den Zeichnungen vorgestellte Technologie gleichzeitig eine Mehrzahl von Zielen erreichen, und der technische Nutzen derselben ist bereits erzielt, wenn eines dieser Ziele erreicht ist.
- Bezugszeichenliste
-
- 1:
- Halbleitervorrichtung
- 2:
- Halbleiterschicht
- 3:
- Elektrodenschicht
- 4:
- Lotschicht
- 5:
- angeschlossenes Element
- 6:
- Schutzschicht
- 10:
- Rissstartpunktschicht
- 31:
- erste Schicht
- 32:
- zweite Schicht
- 35:
- Öffnung
- 41:
- erster Bereich
- 42:
- zweiter Bereich
- 101:
- erster Teil
- 102:
- zweiter Teil
Claims (3)
- Halbleitervorrichtung (1), aufweisend: eine Halbleiterschicht (2); eine Elektrodenschicht (3), die auf der Halbleiterschicht (2) angeordnet ist; eine Rissstartpunktschicht (10), die über der Halbleiterschicht (2) angeordnet ist; und eine Lotschicht (4), die mit der Elektrodenschicht (3) und der Rissstartpunktschicht (10) in Kontakt steht; wobei eine Verbindungskraft zwischen der Lotschicht (4) und der Rissstartpunktschicht (10) geringer ist als eine Verbindungskraft zwischen der Lotschicht (4) und der Elektrodenschicht (3), die Rissstartpunktschicht (10) an der Elektrodenschicht (3) angeordnet ist, und eine Dicke der Rissstartpunktschicht (10) geringer als eine Breite der Rissstartpunktschicht (10) ist.
- Halbleitervorrichtung (1) nach
Anspruch 1 , wobei die Elektrodenschicht (3) aus einem Material besteht, dass leichter eine Legierung mit der Lotschicht (4) bildet als die Rissstartpunktschicht (10). - Halbleitervorrichtung (1) nach
Anspruch 1 oder2 , wobei die Rissstartpunktschicht (10) aus Aluminium, Aluminium-Silizium, Kohlenstoff oder Polyimidharz besteht.
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