DE112019006032T5

DE112019006032T5 - Halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE112019006032T5
Application number: DE112019006032.5T
Authority: DE
Inventors: Takukazu Otsuka
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2021-10-07
Also published as: US20220013427A1; WO2020116116A1; CN113169144B; JP7204779B2; CN113169144A; US11972997B2; JPWO2020116116A1

Abstract

Ein Halbleiterbauteil (A10) beinhaltet ein leitfähiges Substrat (20) und ein Halbleiterelement (40). Das leitfähige Substrat (20) weist eine Vorderfläche (20A), die in eine Dickenrichtung (z) weist, und eine Rückfläche (20B) auf, die in eine der Vorderfläche (20A) gegenüberliegende Richtung weist. Das Halbleiterelement (40) ist elektrisch an die Vorderfläche (20A) gebondet. Das leitfähige Substrat (20) beinhaltet eine erste Basisschicht (211), eine zweite Basisschicht (212) und eine Metallschicht (22). Die erste Basisschicht (211) und die zweite Basisschicht (212) sind aus Graphit hergestellt, das aus gestapelten Graphenen zusammengesetzt ist. Die Metallschicht (22) liegt zwischen der ersten Basisschicht (211) und der zweiten Basisschicht (212). Die Graphene der ersten Basisschicht (211) sind in einer ersten Stapelrichtung gestapelt, die senkrecht ist zu der Dickenrichtung (z). Die Graphene der zweiten Basisschicht (212) sind in einer zweiten Stapelrichtung gestapelt, die senkrecht ist zu der Dickenrichtung (z) und die die erste Stapelrichtung kreuzt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Halbleiterbauteile, in denen Halbleiterelemente eingebaut sind.
STAND DER TECHNIK
Herkömmlicherweise sind Halbleiterbauteile in starkem Umfange bekannt, in denen Halbleiterelemente wie MOSFETs und IGBTs eingebaut sind. Das Patentdokument 1 offenbart ein Halbleiterbauteil, das ein derartiges Halbleiterelement beinhaltet. Das Halbleiterbauteil weist ein Muster einer Metallfolie („metal foil“) auf, die auf einem Trägersubstrat (einem isolierenden Substrat in Patentdokument 1) abgeschieden ist. Das Halbleiterelement ist elektrisch an das Metallmuster gebondet.
Während des Betriebs des Halbleiterbauteils, das in Patentdokument 1 offenbart ist, wird durch das Halbleiterelement Wärme erzeugt, so dass die Temperatur des Metallmusters erhöht wird. Muster von Metallfolien sind relativ dünn und haben daher einen relativ hohen Wärmewiderstandswert pro Einheitslänge („thermal resistance per unit length“), und zwar in einer Richtung senkrecht zu der Dickenrichtung. Demzufolge ist die Wärmeleitung in dem Metallmuster in einer Richtung senkrecht zu der Dickenrichtung beschränkt, und die Temperatur des Metallmusters nimmt nur graduell ab. Als ein Ergebnis hiervon neigt die Temperatur des Metallmusters dazu, an Orten nahe dem Halbleiterelement hoch zu bleiben.
Dokument des Standes der Technik
Patentdokument
Patentdokument 1: JP-A-2009-158787
Überblick über die Erfindung
Von der Erfindung zu lösendes Problem
Die vorliegende Offenbarung ist im Hinblick auf die oben beschriebenen Umstände erdacht worden, und es ist ihre Hauptaufgabe, ein Halbleiterbauteil mit verbesserter Wärmeableitung („thermal dissipation“) bereitzustellen.
Mittel zum Lösen des Problems
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Halbleiterbauteil bereit, das aufweist: ein leitfähiges Substrat mit einer Vorderfläche, die in einer Dickenrichtung zu einer Seite weist, und einer Rückfläche, die gegenüber der Vorderfläche hin zu einer entgegengesetzten Seite weist; und ein Halbleiterelement, das elektrisch an die Vorderfläche gebondet ist. Das leitfähige Substrat beinhaltet eine erste Basisschicht und eine zweite Basisschicht, die jeweils aus Graphit hergestellt sind, das aus gestapelten Graphenen („stacked graphenes“) zusammengesetzt ist, und eine Metallschicht, die zwischen der ersten Basisschicht und der zweiten Basisschicht angeordnet ist. Die Graphene der ersten Basisschicht sind in einer ersten Stapelrichtung senkrecht zu der Dickenrichtung gestapelt („stacked“). Die Graphene der zweiten Basisschicht sind in einer zweiten Stapelrichtung gestapelt, die senkrecht ist zu der Dickenrichtung und die die erste Stapelrichtung kreuzt bzw. schneidet bzw. quer hierzu ausgerichtet ist(„intersecting“).
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich deutlicher aus den nachstehenden detaillierten Beschreibungen mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterbauteils gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine Draufsicht auf das in 1 gezeigte Halbleiterbauteil.
3 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie III-III von 2.
4 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie IV-IV von 2.
5 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil von 3 zeigt.
6 ist eine schematische Darstellung von gestapelten Graphen-Lagen („stacked graphene sheets“) aus Graphit, die eine erste Basisschicht eines leitfähigen Substrats bilden.
7 ist eine schematische Ansicht von Graphit, das die erste Basisschicht bildet.
8 ist eine schematische Darstellung von gestapelten Graphen-Lagen aus Graphit, die eine zweite Basisschicht eines leitfähigen Substrats bilden.
9 ist eine schematische Ansicht von Graphit, das die zweite Basisschicht bildet.
10 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen einer ersten Stapelrichtung und einer zweiten Stapelrichtung darstellt, und zwar bei einer Betrachtung in einer Dickenrichtung des leitfähigen Substrats.
11 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil von 5 zeigt.
12 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Teil eines Halbleiterbauteils gemäß einer Variation der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
13 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Teil eines Halbleiterbauteils gemäß einer weiteren Variation der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
14 ist eine Ansicht eines Halbleiterbauteils gemäß noch einer weiteren Variation der ersten Ausführungsform und stellt die Beziehung zwischen einer ersten Stapelrichtung und einer zweiten Stapelrichtung dar, und zwar bei Betrachtung in der Dickenrichtung des leitfähigen Substrats.
15 ist eine Draufsicht eines Halbleiterbauteils (bei einer Betrachtung durch ein Abdichtungsharz hindurch) gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
16 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie XVI-XVI in 15.
17 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil von 16 zeigt.
18 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen einer ersten Stapelrichtung, einer zweiten Stapelrichtung und einer dritten Stapelrichtung darstellt, und zwar bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung des leitfähigen Substrats.
19 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Teil des Halbleiterbauteils gemäß einer Variation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
20 ist eine Ansicht, die in Beziehung zwischen einer ersten Stapelrichtung, einer zweiten Stapelrichtung und einer dritten Stapelrichtung zeigt, und zwar bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung des leitfähigen Substrats.

MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 wird ein Halbleiterbauteil A10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Das Halbleiterbauteil A10 beinhaltet ein Trägersubstrat 10, eine Bond-Schicht 19, ein leitfähiges Substrat 20, eine Bond-Schicht 29, ein erstes Eingangs-Terminal 31, ein zweites Eingangs-Terminal 32, ein erstes Ausgangs-Terminal 33, ein zweites Ausgangs-Terminal 34, eine Vielzahl von Halbleiterelementen 40 und ein Abdichtungsharz 60. Zusätzlich hierzu weist das Halbleiterbauteil A10 ein Paar von isolierenden Schichten 26, ein Paar von Gate-Verdrahtungsschichten 271, ein Paar von Sensor-Verdrahtungsschichten 272, ein Paar von Gate-Terminals 35 und ein Paar von Sensor-Terminals 36 auf. Das Halbleiterbauteil A10, das in den Figuren gezeigt ist, ist ein Leistungswandler bzw. Leistungskonverter (Leistungsmodul), der MOSFETs als die Halbleiterelemente 40 beinhaltet. Das Halbleiterbauteil A10 kann beispielsweise als eine Ansteuerungsquelle für einen Motor, als ein Inverter für eine Vielzahl von elektrischen Produkten und als ein Gleichstrom/Gleichstrom-Konverter verwendet werden. Es ist anzumerken, dass 1 das Abdichtungsharz 60 weglässt. Aus Zweckmäßigkeitsgründen zeigen die 2 bis 5 das Abdichtungsharz 60 transparent. Die 2 bis 4 zeigen das Abdichtungsharz 60 als Phantom (Strich-Doppelpunkt-Linien).
In der Beschreibung des Halbleiterbauteils A10 wird die Dickenrichtung des leitfähigen Substrats 20 und des Trägersubstrats 10 als die „Dickenrichtung z“ bezeichnet. Eine Richtung senkrecht zu der Dickenrichtung z wird als die „erste Richtung x“ bezeichnet. Die Richtung senkrecht zu sowohl der Dickenrichtung z und der ersten Richtung x wird als die „zweite Richtung y“ bezeichnet. Wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, hat das Halbleiterbauteil A10 bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung z eine rechteckige Form. Die erste Richtung x und die zweite Richtung y entsprechen den Richtungen, entlang derer sich die Ränder bzw. Kanten des rechteckigen Halbleiterbauteils A10 erstrecken. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit der Beschreibung des Halbleiterbauteils A10 wird jene Seite in der ersten Richtung x, auf der das erste Eingangs-Terminal 31 und das zweite Eingangs-Terminal 32 angeordnet sind, als die „erste Seite in der ersten Richtung x“ bezeichnet, und jene Seite in der ersten Richtung x, auf der das erste Ausgangs-Terminal 33 und das zweite Ausgangs-Terminal 34 angeordnet sind, wird als die „zweite Seite in der ersten Richtung x“ bezeichnet.
Wie es in den 1 bis 4 gezeigt ist, lagert das Trägersubstrat 10 das leitfähige Substrat 20. In dem Beispiel des Halbleiterbauteils A10 hat das Trägersubstrat 10 bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung z eine im Wesentlichen quadratische Form. Das Trägersubstrat 10 weist eine Trägerfläche 10A und eine Bodenfläche 10B auf, die in der Dickenrichtung z voneinander weg weisen. Die Trägerfläche 10A weist hin zu dem leitfähigen Substrat 20. Wie es in den 3 und 4 gezeigt ist, liegt die Bodenfläche 10B gegenüber dem Abdichtungsharz 60 frei. Das Halbleiterbauteil A10 kann an einer Wärmesenke montiert werden, wobei die Bodenfläche 10B hin zu der Wärmesenke weist. Das Trägersubstrat 10 des Halbleiterbauteils A10 beinhaltet eine erste Trägerplatte 11, eine zweite Trägerplatte 12 und eine Bodenplatte 13.
Wie es in den 3 und 4 gezeigt ist, ist die erste Trägerplatte 11 in der Dickenrichtung z zwischen der zweiten Trägerplatte 12 und der Bodenplatte 13 angeordnet. Die erste Trägerplatte 11 ist elektrisch isolierend. Die erste Trägerplatte 11 ist aus einem keramischen Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Beispiele eines derartigen Keramikmaterials beinhalten Aluminiumnitrid (AlN).
Die zweite Trägerplatte 12 ist auf die erste Trägerplatte 11 gestapelt. Die zweite Trägerplatte 12 weist die Trägerfläche 10A auf. In dem Halbleiterbauteil A10 ist das leitfähige Substrat 20 an die zweite Trägerplatte 12 gebondet. Die zweite Trägerplatte 12 ist aus einem Metall hergestellt, wie eine Metallfolie aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung. Demzufolge ist die zweite Trägerplatte 12 elektrisch leitfähig. In dem Beispiel des Halbleiterbauteils A10 weist die zweite Trägerplatte 12 eine erste Region 121, eine zweite Region 122 und eine dritte Region 123 auf. Diese drei Regionen sind voneinander beabstandet.
Die Bodenplatte 13 ist auf die erste Trägerplatte 11 gestapelt, und zwar auf der der zweiten Trägerplatte 12 gegenüberliegenden Seite. Die Bodenplatte 13 weist die Bodenfläche 10B auf. Ähnlich zu der zweiten Trägerplatte 12 ist die Bodenplatte 13 aus Metall hergestellt, wie eine Metallfolie aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung. Demzufolge ist die Bodenplatte 13 elektrisch leitfähig. Wie es in den 3 und 4 zu sehen ist, hat die Bodenplatte 13 bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung z eine kleinere Fläche bzw. einen kleineren Flächeninhalt als die erste Trägerplatte 11. Demzufolge ist die Außenlinie bzw. der Umriss der ersten Trägerplatte 11 außerhalb der Außenlinie bzw. des Umrisses der Bodenplatte 13 angeordnet. Das heißt, das Trägersubstrat 10 weist bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung z einen ausgenommenen Abschnitt 13A um die Bodenplatte 13 herum auf. Der ausgenommene Abschnitt 13A ist von dem Abdichtungsharz 60 bedeckt.
Das Trägersubstrat 10 des Halbleiterbauteils A10 kann aus einem direkt gebondeten Kupfer-Substrat („direct bonded copper” (DBC) substrate”) gebildet sein, um die Herstellung zu erleichtern. Ein DBC-Substrat beinhaltet eine Keramikplatte und ein Paar von Kupferfolienschichten, die in der Dickenrichtung z an die beiden Seiten der Keramikplatte gebondet sind. Die Keramikplatte wird als die erste Trägerplatte 11 ausgebildet. Das Paar von Kupferfolienschichten werden als die zweite Trägerplatte 12 bzw. die Bodenplatte 13 ausgebildet, wobei unnötige Abschnitte weggeätzt werden.
Wie es in den 3 und 4 gezeigt ist, bedeckt die Bond-Schicht 19 wenigstens einen Abschnitt der Trägerfläche 10A des Trägersubstrats 10. In dem Halbleiterbauteil A10 bedeckt die Bond-Schicht 19 die Trägerfläche 10A, die in jeder der ersten Region 121, der zweiten Region 122 und der dritten Region 123 der zweiten Trägerplatte 12 enthalten ist.
Wie es in den 3 und 4 gezeigt ist, ist das leitfähige Substrat 20 über die Bond-Schicht 19 an die zweite Trägerplatte 12 des Trägersubstrats 10 gebondet. Bei dem Halbleiterbauteil A10 bildet das leitfähige Substrat 20 Leitungspfade, die die Halbleiterelemente 40 mit externen Komponenten des Halbleiterbauteils A10 verbinden, und zwar über das erste Eingangs-Terminal 31, das zweite Eingangs-Terminal 32, das erste Ausgangs-Terminal und das zweite Ausgangs-Terminal 34. Das leitfähige Substrat 20 weist eine Vorderfläche 20A und eine Rückfläche 20B auf, die in der Dickenrichtung z in einander entgegengesetzte Richtungen bzw. voneinander weg weisen. Die Vorderfläche 20A weist in der Dickenrichtung z hin zu der gleichen Seite wie die Trägerfläche 10A des Trägersubstrats 10. Die Rückfläche 20B weist hin zu der Trägerfläche 10A des Trägersubstrats 10 bzw. liegt dieser gegenüber.
Wie es in den 2 bis 4 gezeigt ist, beinhaltet das leitfähige Substrat 20 ein erstes leitfähiges Segment 201, ein zweites leitfähiges Segment 202 und ein drittes leitfähiges Segment 203. Das erste leitfähige Segment 201 ist an die erste Region 121 der zweiten Trägerplatte 12 gebondet. Das zweite leitfähige Segment 202 ist an die zweite Region 122 der zweiten Trägerplatte 12 gebondet. Das dritte leitfähige Segment 203 ist an die dritte Region 123 der zweiten Trägerplatte 12 gebondet. Das heißt, das erste leitfähige Segment 201, das zweite leitfähige Segment 202 und das dritte leitfähige Segment 203 sind voneinander beabstandet.
Bei dem Halbleiterbauteil A10 beinhaltet das leitfähige Substrat 20 einen Basisabschnitt 21, eine erste Verdrahtungsschicht 251 und eine zweite Verdrahtungsschicht 252. Wie es in 5 gezeigt ist, weist der Basisabschnitt 21 eine erste Basisschicht 211, eine zweite Basisschicht 212 und eine Metallschicht 22 auf. Die erste Basisschicht 211 und die zweite Basisschicht 212 machen hinsichtlich des Volumens den überwiegenden Teil des leitfähigen Substrats 20 aus. Die erste Basisschicht 211 und die zweite Basisschicht 212 sind aus Einkristall-Graphit zusammengesetzt. Graphit ist eine Anzahl von übereinandergestapelten Lagen aus Graphen. Eine Lage aus Graphen („ein Graphen“) ist aus Kohlenstoffatomen zusammengesetzt, die aneinandergebondet sind, um hexagonale Gitter zu bilden.
Graphit zeigt eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit von Graphit ist in der In-Ebenen-Richtung bzw. Basalebenen-Richtung („in-plane direction“) von Graphen relativ hoch. Die Wärmeleitfähigkeit in der In-Ebenen-Richtung beträgt etwa 1500 W/ (m · K). In der Stapelrichtung des Graphens ist die Wärmeleitfähigkeit von Graphit relativ niedrig. Die Wärmeleitfähigkeit in der Stapelrichtung beträgt etwa 5 W/(m·K).
Wie es in den 6 und 7 gezeigt ist, hat die erste Basisschicht 211 die Graphen-Lagen 211A, die in einer Richtung (erste Stapelrichtung N1) gestapelt sind, die senkrecht ist zu der Dickenrichtung z und parallel zu der zweiten Richtung y. Das heißt, die In-Ebenen-Richtung der Graphen-Lagen 211A, die die erste Basisschicht 211 bilden, erstreckt sich entlang einer Ebene, die durch die erste Richtung x und die Dickenrichtung z definiert ist. Die erste Basisschicht 211 weist in der In-Ebenen-Richtung der Graphen-Lagen 211A eine hohe Wärmeleitfähigkeit und folglich eine gute Wärmeableitung auf. Die erste Basisschicht 211 dieser Konfiguration ist so definiert, dass sie die „xz-Orientierung“ hat, die so genannt ist, um die stark wärmeleitfähige In-Ebenen-Richtung der Graphen-Lagen 211A anzugeben.
Wie es in den 8 und 9 gezeigt ist, hat die zweite Basisschicht 212 die Graphen-Lagen 212A, die in einer Richtung (zweite Stapelrichtung N2) gestapelt sind, die senkrecht ist zu der Dickenrichtung z. Die Stapelrichtung der Graphen-Lagen 212A (die zweite Stapelrichtung N2) kreuzt bzw. schneidet die Stapelrichtung der Graphen-Lagen 211A (die erste Stapelrichtung N1) der ersten Basisschicht 211. In der vorliegenden Ausführungsform liegt die Stapelrichtung der Graphen-Lagen 212A (die zweite Stapelrichtung N2) parallel zu der ersten Richtung x. Das heißt, die Stapelrichtung der Graphen-Lagen 212A (die zweite Stapelrichtung N2) ist senkrecht zu der Dickenrichtung z und auch zu der Stapelrichtung der Graphen-Lagen 211A (der ersten Stapelrichtung N1) . Daher bilden, wie es in 10 gezeigt ist, die erste Stapelrichtung N1 und die zweite Stapelrichtung N2 bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung z einen rechten Winkel. Die In-Ebenen-Richtung der Graphen-Lagen 212A, die die zweite Basisschicht 212 bilden, erstreckt sich entlang einer Ebene, die durch die zweite Richtung y und die Dickenrichtung z definiert ist. Die zweite Basisschicht 212 zeigt die hohe Wärmeleitfähigkeit und folglich die gute Wärmeableitung in der In-Ebenen-Richtung der Graphen-Lagen 212A. Die zweite Basisschicht 212 dieser Konfiguration wird so definiert, dass sie die „yz-Orientierung“ hat, die so genannt ist, um die stark wärmeleitende In-Ebenen-Richtung der Graphen-Lagen 212A zu zeigen bzw. anzudeuten.
Die Metallschicht 22 ist zwischen der ersten Basisschicht 211 und der zweiten Basisschicht 212 angeordnet, um die erste Basisschicht 211 und die zweite Basisschicht 212 aneinander zu bonden. Wie es in 11 gezeigt ist, beinhaltet die Metallschicht 22 des Halbleiterbauteils A10 einen ersten Metallteil 23 und einen zweiten Metallteil 24.
Der erste Metallteil 23 ist auf der ersten Basisschicht 211 gebildet. Der erste Metallteil 23 beinhaltet eine erste Schicht 231 und eine zweite Schicht 232. Die erste Schicht 231 bedeckt die erste Basisschicht 211. Die erste Schicht 231 ist beispielsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung hergestellt. Die erste Schicht 231 hat einen Young'schen Modul von 129,8 GPa (vorausgesetzt, dass die erste Schicht 231 aus Kupfer hergestellt ist). Die zweite Schicht 232 ist auf die erste Schicht 231 gestapelt. Die zweite Schicht 232 ist beispielsweise aus einem Material hergestellt, das Silber (Ag) enthält. Die zweite Schicht 232 weist einen Young'schen Modul von 82,7 GPa auf (vorausgesetzt, dass die zweite Schicht 232 aus Silber hergestellt ist). Die zusammengesetzte erste Basisschicht 211 und der erste Metallteil 23 können gebildet werden, indem die erste Schicht 231 an der ersten Basisschicht 211 angebracht wird, um ein Plattenelement bereitzustellen, und anschließend die zweite Schicht 232 durch Plattieren auf dem Plattenelement abgeschieden wird.
Der zweite Metallteil 24 ist auf der zweiten Basisschicht 212 gebildet. Der zweite Metallteil 24 beinhaltet eine erste Schicht 241 und eine zweite Schicht 242. Die erste Schicht 241 bedeckt die zweite Basisschicht 212. Ähnlich zu der ersten Schicht 231 des ersten Metallteils 23 ist die erste Schicht 241 aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung hergestellt. Die zweite Schicht 242 ist auf die erste Schicht 241 gestapelt. Ähnlich zu der zweiten Schicht 232 des ersten Metallteils 23 ist die zweite Schicht 242 aus einem Material hergestellt, das Silber enthält. Die zweite Basisschicht 212 und der zweite Metallteil 24 können auf eine ähnliche Weise gebildet werden wie die erste Basisschicht 211 und der erste Metallteil 23, was oben beschrieben wurde. Das heißt, die erste Schicht 241 wird an der zweiten Basisschicht 212 angebracht, um ein Plattenelement zu bilden, und anschließend wird die zweite Schicht 242 durch Plattieren auf dem Plattenelement abgeschieden.
Als Nächstes wird der Prozess des Bondens der ersten Basisschicht 211 und der zweiten Basisschicht 212 beschrieben.
Zunächst wird der erste Metallteil 23, der auf der ersten Basisschicht 211 gebildet worden ist, in Kontakt gebracht bzw. angeordnet mit dem zweiten Metallteil 24, der auf der zweiten Basisschicht 212 gebildet ist. In diesem Zustand kontaktiert die zweite Schicht 232 des ersten Metallteils 23 die zweite Schicht 242 des zweiten Metallteils 24.
Darauffolgend werden die zweite Schicht 232 des ersten Metallteils 23 und die zweite Schicht 242 des zweiten Metallteils 24 durch Festkörper-Diffusion-Bonden aneinandergefügt. Das Diffusions-Bonden der zweiten Schicht 232 und 242 wird unter hoher Temperatur und Druck durchgeführt. Obgleich das Festkörper-Diffusions-Bonden in der Atmosphäre ausgeführt werden soll, kann es im Vakuum vollzogen werden.
Wie es in 11 gezeigt ist, werden Leerstellen („voids“) 22A zwischen der zweiten Schicht 232 des ersten Metallteils 23 und der zweiten Schicht 242 des zweiten Metallteils 24 gebildet. Die Leerstellen 22A werden gebildet, wenn das erste Metallteil 23 (die zweite Schicht 232) und das zweite Metallteil 24 (die zweite Schicht 242) durch Festkörper-Diffusions-Bonden aneinandergefügt werden.
Wie es in 5 gezeigt ist, ist die erste Verdrahtungsschicht 251 auf die zweite Basisschicht 212 gestapelt und beinhaltet die Vorderfläche 20A. Die zweite Verdrahtungsschicht 252 ist auf die erste Basisschicht 211 gestapelt und beinhaltet die Rückfläche 20B. Das heißt, der Basisabschnitt 21 (die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und die Metallschicht 22) ist zwischen der ersten Verdrahtungsschicht 251 und der zweiten Verdrahtungsschicht 252 angeordnet. Die Materialien der ersten Verdrahtungsschicht 251 und der zweiten Verdrahtungsschicht 252 können Kupfer oder eine Kupferlegierung sein und können Silber beinhalten. Die erste Verdrahtungsschicht 251 und die zweite Verdrahtungsschicht 252 haben im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie der erste Metallteil 23 und der zweite Metallteil 24, die oben beschrieben sind.
In einem Beispiel haben die Schichten des leitfähigen Substrates 20 die folgenden Dicken. Die erste Basisschicht 211 und die zweite Basisschicht 212 haben jeweils eine Dicke von etwa 0,5 bis 1,0 mm. Unter Bezugnahme auf den ersten Metallteil 23 und den zweiten Metallteil 24 haben die ersten Schichten 231 und 241 jeweils eine Dicke von etwa 2 bis 3 µm oder etwa 0,1 bis 0,5 mm, und die zweiten Schichten 232 und 242 haben jeweils eine Dicke von etwa 2 bis 3 µm. Die erste Verdrahtungsschicht 251 und die zweite Verdrahtungsschicht 252 haben jeweils eine Dicke von etwa 4 bis 6 µm oder etwa 0,1 bis 0,5 mm.
Wie es in den 1, 2 und 4 gezeigt ist, sind das Paar von isolierenden Schichten 26 auf den jeweiligen Vorderflächen 20A des ersten leitfähigen Segments 201 und des zweiten leitfähigen Segments 202 angeordnet. Die isolierenden Schichten 26 sind in der zweiten Richtung y voneinander beabstandet. Die isolierenden Schichten 26 haben eine Bandform, die in der ersten Richtung x länglich ist. Die isolierenden Schichten 26 sind beispielsweise aus einem Keramik oder aus einem Glasepoxidharz hergestellt. Die isolierenden Schichten 26 können Schichten sein, wenn von denen wenigstens eine Fläche aus einem isolierenden Material aus SiC hergestellt ist, um ein Beispiel zu nennen.
Das Paar von Gate-Verdrahtungsschichten 271 sind auf dem Paar von isolierenden Schichten 26 angeordnet. Die Gate-Verdrahtungsschichten 271 haben eine Bandform, die in der ersten Richtung x länglich ist. Das Paar von Sensor-Verdrahtungsschichten 272 sind auf dem Paar von isolierenden Schichten 26 angeordnet. Die Sensor-Verdrahtungsschichten 272 haben eine Bandform, die in der ersten Richtung länglich ist. Das heißt, auf jeder isolierenden Schicht 26 sind eine Gate-Verdrahtungsschicht 272 und eine Sensor-Verdrahtungsschicht 272 angeordnet, so dass sie sich Seite an Seite erstrecken. Die Gate-Verdrahtungsschichten 271 und die Sensor-Verdrahtungsschichten 272 können Schichten aus einer Metallfolie sein, wie Kupfer oder eine Kupferlegierung.
Wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, sind das erste Eingangs-Terminal und das zweite Eingangs-Terminal 32 auf der ersten Seite in der ersten Richtung x angeordnet. Das erste Eingangs-Terminal 31 und das zweite Eingangs-Terminal 32 sind in der zweiten Richtung y voneinander beabstandet. In das erste Eingangs-Terminal 31 und das zweite Eingangs-Terminal 32 wird zu konvertierende bzw. zu wandelnde Gleichstrom-Leistung (Spannung) eingegeben. Das erste Eingangs-Terminal 31 ist ein positives Terminal (P-Terminal). Das zweite Eingangs-Terminal 32 ist ein negatives Terminal (N-Terminal). Das erste Eingangs-Terminal 31 und das zweite Eingangs-Terminal 32 sind mit Metallplatten gebildet. Die Metallplatten sind aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung hergestellt.
Das erste Eingangs-Terminal 31 weist einen abgebogenen Abschnitt („bent portion“) 311 auf, der an dem Ende auf der zweiten Seite in der ersten Richtung x eine Stufe bildet. Der abgebogene Abschnitt 311 ist durch Löten oder Ultraschall-Bonden an die Vorderfläche 20A des ersten leitfähigen Segments 201 gebondet. Auf diese Art und Weise ist das erste Eingangs-Terminal 31 elektrisch mit dem ersten leitfähigen Segment 201 verbunden. Das zweite Eingangs-Terminal 32 weist einen abgebogenen Abschnitt 321 auf, der an dem Ende auf der zweiten Seite in der ersten Richtung x eine Stufe bildet. Der abgebogene Abschnitt 321 ist durch Löten oder Ultraschall-Bonden an die Vorderfläche 20A des dritten leitfähigen Segments 203 gebondet. Auf diese Art und Weise ist das zweite Eingangs-Terminal 32 elektrisch mit dem dritten leitfähigen Segment 203 verbunden.
Wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, sind das erste Ausgangs-Terminal 33 und das zweite Ausgangs-Terminal 34 auf der zweiten Seite in der ersten Richtung x angeordnet. Das erste Ausgangs-Terminal 33 und das zweite Ausgangs-Terminal 34 sind in der zweiten Richtung y voneinander beabstandet. Das erste Ausgangs-Terminal 33 und das zweite Ausgangs-Terminal 34 sind dort, wo Wechselstrom-Leistung (Spannung), die mittels der Halbleiterelemente 40 konvertiert bzw. gewandelt worden ist, austritt. Das erste Ausgangs-Terminal 33 und das zweite Ausgangs-Terminal 34 sind mit Metallplatten hergestellt. Die Metallplatten sind aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung hergestellt. Das erste Ausgangs-Terminal 33 weist einen abgebogenen Abschnitt 331 auf, der an dem Ende auf der ersten Seite in der ersten Richtung x eine Stufe bildet, und das zweite Ausgangs-Terminal 34 weist einen abgebogenen Abschnitt 341 auf, der an dem Ende auf der ersten Seite in der ersten Richtung x eine Stufe bildet. Die abgebogenen Abschnitte 331 und 341 sind auf die Vorderfläche 20A des zweiten leitfähigen Segments 202 gebondet, und zwar durch Löten oder durch Ultraschall-Bonden. Auf diese Art und Weise sind das erste Ausgangs-Terminal 33 und das zweite Ausgangs-Terminal 34 elektrisch mit dem zweiten leitfähigen Segment 202 verbunden.
Das Paar von Gate-Terminals 35 sind auf dem Paar von Sensor-Verdrahtungsschichten 271 angeordnet, und das Paar von Sensor-Terminals 36 sind auf dem Paar von Sensor-Verdrahtungsschichten 272 angeordnet. Sowohl die Gate-Terminals 35 als auch die Sensor-Terminals 36 sind mit einer Metallplatte hergestellt und erstrecken sich in der zweiten Richtung y. Die Metallplatten sind aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung hergestellt.
Sowohl die Gate-Terminals 35 als auch die Sensor-Terminals 36 haben ein Ende, das abgebogen ist, um einen gestuften Abschnitt zu bilden. Das Ende von jedem Gate-Terminal 35 ist durch Löten oder Ultraschall-Bonden mit der entsprechenden Gate-Verdrahtungsschicht 271 verbunden. Das Ende von jedem Sensor-Terminal 36 ist durch Löten oder Ultraschall-Bonden mit der entsprechenden Sensor-Verdrahtungsschicht 272 verbunden.
Die Halbleiterelemente 40 können Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) sein, die aus einem Halbleitermaterial hergestellt sind, das überwiegend Siliciumcarbid (SiC) enthält. Die Halbleiterelemente 40 sind nicht auf MOSFETs beschränkt und können alternativ Feldeffekttransistoren wie Metallisolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MISFETs) oder Bipolar-Transistoren wie Bipolar-Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) sein. Das beschriebene Halbleiterbauteil A10 weist als die Halbleiterelemente 40 MOSFETs vom n-Kanal-Typ auf.
Wie es in 5 gezeigt ist, weist jedes Halbleiterelement 40 eine Elementvorderfläche 40A, eine Elementrückfläche 40B, eine Vorderflächenelektrode 41, eine Rückflächenelektrode 42 und eine Gate-Elektrode (nicht gezeigt) auf. Die Elementvorderfläche 40A und die Elementrückfläche 40B weisen in der Dickenrichtung z in einander entgegengesetzte Richtungen. Die Vorderfläche 40A weist in der Dickenrichtung z hin zu der gleichen Seite wie die Vorderfläche 20A des leitfähigen Substrats 20. Demzufolge weist die Elementrückfläche 20B hin zu der Vorderfläche 20A.
Wie es in 5 gezeigt ist, ist die Vorderflächenelektrode 41 auf der Elementvorderfläche 40A angeordnet. Die Vorderflächenelektrode 41 leitet den Source-Strom, der aus dem Halbleiterelement 40 herausfließt. Die Rückflächenelektrode 42 ist auf der Elementrückfläche 40B angeordnet. Die Rückflächenelektrode 42 führt den Drain-Strom, der in das Halbleiterelement 40 hineinfließt. Die Rückflächenelektrode 42 ist elektrisch an die Vorderfläche 20A des leitfähigen Substrats 20 gebondet, und zwar über die elektrisch leitfähige Bond-Schicht 29. Die Bond-Schicht 29 kann aus bleifreiem Lötmittel hergestellt sein, das Zinn (Sn) als eine Hauptkomponente enthält, oder aus gebranntem Silber („firedsilver“) . Die Gate-Elektrode (nicht gezeigt) ist auf der Elementvorderfläche 40A angeordnet. Die Gate-Spannung zum Ansteuern des Halbleiterelements 40 wird an die Gate-Elektrode angelegt.
Die Vielzahl von Halbleiterelementen 40 beinhalten eine Vielzahl von ersten Elementen 401 und eine Vielzahl von zweiten Elementen 402. Wie es in den 1, 2 und 4 gezeigt ist, sind die ersten Elemente 401 elektrisch an die Vorderfläche 20A des ersten leitfähigen Segments 201 gebondet. Die ersten Elemente 401 sind mit vorbestimmten Abständen in der ersten Richtung x angeordnet bzw. aufgereiht. Die ersten Elemente 401 bilden eine obere Zweigschaltung des Halbleiterbauteils A10.
Wie es in den 1 bis 4 gezeigt ist, sind die zweiten Elemente 402 elektrisch an die Vorderfläche 20A des zweiten leitfähigen Segments 202 gebondet. Die zweiten Elemente 402 sind in der ersten Richtung x mit vorbestimmten Abständen angeordnet bzw. aufgereiht. Die zweiten Elemente 402 bilden eine untere Zweigschaltung des Halbleiterbauteils A10.
Wie es in 2 gezeigt ist, sind die ersten Elemente 401 und die zweiten Elemente 402 auf dem leitfähigen Substrat 20 in einer gestaffelten Anordnung („staggered arrangement“) angeordnet. Das Halbleiterbauteil A10 dieses Beispiels beinhaltet drei erste Elemente 401 und drei zweite Elemente 402. Die Anzahl der ersten Elemente 401 und der zweiten Elemente 402, die in dem Halbleiterbauteil A10 enthalten sind, ist jedoch nicht besonders eingeschränkt, und kann in Abhängigkeit von den erforderlichen Charakteristika geeignet eingestellt werden.
Obgleich dies in den Figuren nicht gezeigt ist, sind beispielsweise Drähte mit der Vorderflächenelektrode 41 von jedem ersten Element 401 und der ersten Verdrahtungsschicht 251 des zweiten leitfähigen Segments 202 verbunden. Die Drähte verbinden die Vorderflächenelektroden 41 der ersten Elemente 401 elektrisch mit dem zweiten leitfähigen Segment 202. Das heißt, das erste Ausgangs-Terminal 33 ist elektrisch mit den Vorderflächenelektroden 41 der ersten Elemente 401 verbunden, und zwar über das zweite leitfähige Segment 202 und die Drähte. Das erste Ausgangs-Terminal 33 dient daher als das Source-Terminal der ersten Elemente 401.
Die Rückflächenelektrode 42 von jedem ersten Element 401 ist elektrisch mit der ersten Verdrahtungsschicht 251 des ersten leitfähigen Segments 201 verbunden, und zwar über die entsprechende Bond-Schicht 29. Das heißt, das erste Eingangs-Terminal 31 ist elektrisch mit den Rückflächenelektroden 42 der ersten Elemente 401 verbunden, und zwar über das erste leitfähige Segment 201. Das erste Eingangs-Terminal 31 dient daher als das Drain-Terminal der ersten Elemente 401.
Obgleich dies in den Figuren nicht dargestellt ist, sind beispielsweise Drähte mit der Vorderflächenelektrode 41 von jedem zweiten Element 402 und der ersten Verdrahtungsschicht 251 des dritten leitfähigen Segments 203 verbunden. Die Drähte verbinden die Vorderflächenelektroden 41 der zweiten Elemente 402 elektrisch mit dem dritten leitfähigen Segment 203. Das heißt, das zweite Eingangs-Terminal 32 ist elektrisch mit den Vorderflächenelektroden 41 der zweiten Elemente 402 verbunden, und zwar über das dritte leitfähige Segment 203 und die Drähte. Das zweite Eingangs-Terminal 32 dient daher als das Source-Terminal der zweiten Elemente 402.
Die Rückflächenelektrode 42 von jedem zweiten Element 402 ist elektrisch mit der ersten Verdrahtungsschicht 251 des zweiten leitfähigen Segments 202 verbunden, und zwar über die entsprechende Bond-Schicht 29. Bei dieser Konfiguration ist das zweite Ausgangs-Terminal 34 elektrisch mit den Rückflächenelektroden 42 der zweiten Elemente 402 verbunden, und zwar über das zweite leitfähige Element 202 und die Drähte. Das zweite Ausgangs-Terminal 34 dient daher als das Drain-Terminal der zweiten Elemente 402.
Das Halbleiterbauteil A10 beinhaltet zusätzlich Gate-Drähte und Sensor-Drähte, obgleich diese in den Figuren nicht gezeigt sind. Die Gate-Drähte sind für jedes der ersten Elemente 401 und der zweiten Elemente 402 vorgesehen. Die Gate-Drähte, die für die ersten Elemente 401 vorgesehen sind, verbinden die Gate-Elektroden (nicht gezeigt) der ersten Elemente 401 mit der Gate-Verdrahtungsschicht 271, die auf dem ersten leitfähigen Segment 201 angeordnet ist. Die Gate-Drähte, die für die zweiten Elemente 402 vorgesehen sind, verbinden die Gate-Elektroden (nicht gezeigt) der zweiten Elemente 402 mit der Gate-Verdrahtungsschicht 271, die auf dem zweiten leitfähigen Segment 202 angeordnet ist. Von den Gate-Terminals 35, die mit den entsprechenden Gate-Verdrahtungsschichten 271 verbunden sind, wird eines zum Ansteuern der ersten Elemente 401 und das andere zum Ansteuern der zweiten Elemente 402 verwendet.
Die Sensor-Drähte sind für jedes der ersten Elemente 401 und der zweiten Elemente 402 vorgesehen. Die Sensor-Drähte, die für die ersten Elemente 401 vorgesehen sind, verbinden die Vorderflächenelektroden 41 der ersten Elemente 401 mit der Sensor-Verdrahtungsschicht 272, die auf dem ersten leitfähigen Element 201 angeordnet ist. Die Sensor-Drähte, die für die zweiten Elemente 402 vorgesehen sind, verbinden die Vorderflächenelektroden 41 der zweiten Elemente 402 mit der Sensor-Verdrahtungsschicht 272, die auf dem zweiten leitfähigen Segment 202 angeordnet ist. Jedes Sensor-Terminal 36 ist mit einer der zwei Sensor-Verdrahtungsschichten 272 verbunden, und über ein derartiges Sensor-Terminal 36 wird eine Spannung (entsprechend dem Source-Strom) an die Vorderflächenelektroden 41 der ersten Elemente 401 bzw. der zweiten Elemente 402 angelegt.
Wie es in 2 bis 4 gezeigt ist, bedeckt das Abdichtungsharz 60 das Trägersubstrat 10, einen Teil von jedem von dem ersten Eingangs-Terminal 31, dem zweiten Eingangs-Terminal 32, dem ersten Ausgangs-Terminal 33 und dem zweiten Ausgangs-Terminal 34, und bedeckt auch das leitfähige Substrat 20 und die Halbleiterelemente 40. Das Abdichtungsharz 60 bedeckt auch das Paar von isolierenden Schichten 26, das Paar von Gate-Verdrahtungsschichten 271, das Paar von Sensor-Verdrahtungsschichten 272 und die oben beschriebenen Drähte. Das Abdichtungsharz 60 bedeckt auch einen Teil von jedem des Paars von Gate-Terminals 35 und einen Teil von jedem des Paars von Sensor-Terminals 36. Das Abdichtungsharz 60 ist beispielsweise aus schwarzem Epoxidharz hergestellt.
Wie es in den 3 und 4 gezeigt ist, weist das Abdichtungsharz 60 eine obere Fläche 61 und eine Bodenfläche 62 auf. Die obere Fläche 61 weist in der Dickenrichtung z hin zu der gleichen Seite wie die Trägerfläche 10A des Trägersubstrats 10. Die Bodenfläche 62 weist in der Dickenrichtung z in die der oberen Fläche 61 entgegengesetzte Richtung. Die Bodenfläche 10B der Bodenplatte 13 (das Trägersubstrat 10) liegt an der Bodenfläche 62 frei. Die Bodenfläche 62 umgibt die Bodenplatte 13 wie ein Rahmen. Die Abschnitte der Gate-Terminals 35 und der Sensor-Terminals 36, die gegenüber dem Abdichtungsharz 60 freigelegt sind, sind in Abhängigkeit von dem bezweckten Anwendungsgebiet des Halbleiterbauteils A10 nach Erfordernis abgebogen.
Als Nächstes werden Vorteile des Halbleiterbauteils A10 beschrieben.
Das Halbleiterbauteil A10 beinhaltet das leitfähige Substrat 20, das Graphit enthält. Genauer gesagt beinhaltet das leitfähige Substrat 20 die erste Basisschicht 211 und die zweite Basisschicht 212, die jeweils aus Graphit hergestellt sind, und beinhaltet die Metallschicht 22, die zwischen der ersten Basisschicht 211 und der zweiten Basisschicht 212 angeordnet ist. Die Halbleiterelemente 40 sind auf die Vorderfläche 20A des leitfähigen Substrats 20 gebondet. Hinsichtlich des Graphits der ersten Basisschicht 211 ist die Stapelrichtung der Graphen-Lagen 211A (die erste Stapelrichtung N1) senkrecht zu der Dickenrichtung z. Das heißt, die Graphen-Lagen 211, die die erste Basisschicht 211 bilden, haben ihre In-Ebenen-Richtung parallel zu der Dickenrichtung. Hinsichtlich des Graphits der zweiten Basisschicht 211 ist die Stapelrichtung der Graphen-Lagen 212A (die zweite Stapelrichtung N2) senkrecht zu der Dickenrichtung z und schneidet die erste Stapelrichtung N1 der Graphen-Lagen 211A. Das heißt, die Graphen-Lagen 212A, die die zweite Basisschicht 212 bilden, haben die In-Ebenen-Richtung, die parallel ist zu der Dickenrichtung z und die die In-Ebenen-Richtung der Graphen-Lagen 211A der ersten Basisschicht 211 schneidet.
Wie oben genannt, hat Graphit eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1500 W/ (m·K) in der In-Ebenen-Richtung der Graphen-Lagen, und dies ist nahezu viermal so groß wie die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer (398 W/(m·K). Demzufolge zeigen die erste Basisschicht 211 und die zweite Schicht 212 eine hohe Wärmeleitfähigkeit in ihren In-Ebenen-Richtungen der Graphen-Lagen 211A und 212A, und deren In-Ebenen-Richtungen sind parallel zu der Dickenrichtung z angeordnet und schneiden einander. Diese Konfiguration gewährleistet, dass von dem Halbleiterelement 40 erzeugte Wärme effektiv dreidimensional über die erste Basisschicht 211 und die zweite Basisschicht 212 und auch über die Metallschicht 22, die zwischen den Basisschichten angeordnet ist, verteilt wird. Das Halbleiterelement A10 ist daher dazu konfiguriert, eine verbesserte Wärmeableitung („heat dissipation“) zu haben.
Bei dem Halbleiterbauteil A10 ist die Stapelrichtung der Graphen-Lagen 212A, die die zweite Basisschicht 212 bilden (die zweite Stapelrichtung N2) , senkrecht zu der Dickenrichtung z und auch zu der Stapelrichtung der Graphen-Lagen 211A, die die erste Basisschicht 211 bilden (die erste Stapelrichtung N1). Das heißt, die In-Ebenen-Richtungen der Graphen-Lagen 211A und 212A der ersten Basisschicht 211 bzw. der zweiten Basisschicht 212 sind parallel zu der Dickenrichtung z und senkrecht zueinander. Diese Konfiguration gewährleistet, dass die von den Halbleiterelementen 40 erzeugte Wärme durch die erste Basisschicht 211 und die zweite Basisschicht 212 isotrop („isotopically“) in drei Dimensionsrichtungen (in dem xyz-Koordinatensystem) verteilt wird. Dies ist günstig dafür, dass das Halbleiterbauteil A10 eine verbesserte Wärmeableitung hat.
Die Metallschicht 22 weist den ersten Metallteil 23 (die zweite Schicht 232) und den zweiten Metallteil 24 (die zweite Schicht 242) auf, die durch Festkörper-Diffusion-Bonden aneinandergefügt sind. Das Fügen der ersten Basisschicht 211 und der zweiten Basisschicht 212 durch Feststoff-Diffusions-Bonden gewährleistet, dass ein Wärmetransfer nicht über die Schichten der Metallschicht 22 in der Dickenrichtung beschränkt ist. Das Halbleiterbauteil A10 ist daher dazu konfiguriert, eine verbesserte Wärmeableitung zu haben.
Das Halbleiterbauteil A10 weist die Vielzahl von Halbleiterelementen 40 (die ersten Elemente 401 und die zweiten Elemente 402) auf. Die ersten Elemente 401 sind mit vorbestimmten Abständen beabstandet voneinander angeordnet und sind elektrisch parallel miteinander verbunden. Die zweiten Elemente 402 sind mit vorbestimmten Abständen voneinander beabstandet angeordnet und sind elektrisch parallel miteinander verbunden. Dies bedeutet, dass Wärme gleichzeitig von den ersten Elementen 401 oder von den zweiten Elementen 402 erzeugt wird, so dass die Wärmemenge tendenziell groß ist. Um dieses Problem der von den Halbleiterelementen 40 erzeugten Wärme zu adressieren bzw. zu lösen, ist das Halbleiterbauteil A10 mit der ersten Basisschicht 211 und der zweiten Basisschicht 212 ausgestattet, die dazu in der Lage sind, Wärme in drei Dimensionsrichtungen isotrop zu verteilen. Demzufolge wird die von den Halbleiterelementen 40 erzeugte Wärme schnell und weit bzw. breit bzw. großflächig in dem leitfähigen Substrat 20 verteilt, was lokal in dem leitfähigen Substrat 20 eingeschlossene Wärme verringert.
Unter Bezugnahme auf 12 wird nachstehend ein Halbleiterbauteil A11 beschrieben, bei dem es sich um eine Variation des Halbleiterbauteils A10 handelt. Das Halbleiterbauteil A11 weist einen ersten Metallteil 23 und einen zweiten Metallteil 24 mit einer unterschiedlichen Konfiguration gegenüber jenen des Halbleiterbauteils A10 auf, das oben beschrieben wurde.
Wie es in 12 gezeigt ist, beinhaltet der erste Metallteil 23 des Halbleiterbauteils A11 zusätzlich eine dritte Schicht 233 zwischen der ersten Schicht 231 und der zweiten Schicht 232. Die dritte Schicht 233 ist beispielsweise aus Aluminium (Al) hergestellt. Die dritte Schicht 233 hat einen Young'schen Modul von 70,3 GPa (vorausgesetzt, dass die dritte Schicht 233 aus Aluminium hergestellt ist) . Verglichen mit den Young'sehen Modulen der ersten Schicht 231 und der zweiten Schicht 232, die oben genannt wurden, hat die dritte Schicht 233 einen niedrigeren Young'schen Modul als die erste Schicht 231 und die zweite Schicht 232. Zusätzlich hierzu hat die dritte Schicht 233 eine Dicke von etwa 10 bis 100 µm, was größer ist als die Dicken der ersten Schicht 231 und der zweiten Schicht 232. Die dritte Schicht 233 kann durch Sputtern oder durch Vakuumabscheidung gebildet sein.
Der zweite Metallteil 24 des Halbleiterbauteils A11 beinhaltet zusätzlich eine dritte Schicht 243 zwischen der ersten Schicht 241 und der zweiten Schicht 242. Die dritte Schicht 243 ist beispielsweise aus einem Material hergestellt, das Aluminium (Al) enthält. Demzufolge hat die dritte Schicht 243 einen niedrigeren Young'schen Modul als die erste Schicht 241 und die zweite Schicht 242. Zusätzlich hierzu hat die dritte Schicht 243 eine Dicke von etwa 10 bis 100 µm, was größer ist als die Dicken der ersten Schicht 241 und der zweiten Schicht 242. Die dritte Schicht 243 kann durch Sputtern oder durch Vakuumabscheidung gebildet sein.
Wie oben beschrieben, haben die dritten Schichten 233 und 243 des Halbleiterbauteils A11 einen niedrigeren Young'schen Modul als die ersten Schichten 231 und 241 und als die zweiten Schichten 232 und 242. Die dritten Schichten 233 und 243 können daher dazu dienen, die Spannung zu reduzieren, die auf den ersten Metallteil 23 und den zweiten Metallteil 24 beim Fügen der zweiten Schicht 232 des ersten Metallteils 23 und der zweiten Schicht 242 des zweiten Metallteils 24 durch Festkörper-Diffusions-Bonden aufgebracht wird. Demzufolge ist die Restspannung („residual stress“) in dem ersten Metallteil 23 und dem zweiten Metallteil 24 reduziert, die sich aus dem Fügen durch Festkörper-Diffusions-Bonden ergibt. Der erste Metallteil 23 und der zweite Metallteil 24 neigen daher weniger zu Brüchen bzw. Rissen während des Betriebs des Halbleiterbauteils A11. Die Konfiguration des ersten Metallteils 23 und des zweiten Metallteils 24 dieser Variation kann bei einem beliebigen der Halbleiterbauteile A13, A20 und A21 eingesetzt werden, die nachstehend beschrieben werden.
Unter Bezugnahme auf 13 wird nachstehend ein Halbleiterbauteil A12 beschrieben, bei dem es sich um eine weitere Variation des Halbleiterbauteils A10 handelt. Das Halbleiterbauteil A12 hat eine Metallschicht 22 mit einer unterschiedlichen Konfiguration gegenüber dem Halbleiterbauteil A10.
Wie es in 13 gezeigt ist, beinhaltet die Metallschicht 22 des Halbleiterbauteils A12 einen ersten Metallteil 23, einen zweiten Metallteil 24 und eine gebrannte Metallschicht („fired metal layer“ ) 220. Die gebrannte Metallschicht 220 ist zwischen dem ersten Metallteil 23 und dem zweiten Metallteil 24 angeordnet. Hinsichtlich der Konstruktionsmaterialien sind die erste Schicht 231 und die zweite Schicht 232 des ersten Metallteils 23 und auch die erste Schicht 241 und die zweite Schicht 242 des zweiten Metallteils 24 die gleichen wie jene des Halbleiterbauteils A10. Der Unterschied liegt darin, dass der erste Metallteil 23 (die zweite Schicht 232) und der zweite Metallteil 24 (die zweite Schicht 242) über die gebrannte Metallschicht 220 aneinandergefügt sind. Die gebrannte Metallschicht 220 ist beispielsweise aus einem Material hergestellt, das Kupfer oder eine Kupferlegierung enthält. Das Material der gebrannten Metallschicht 220 kann Silber enthalten.
Die gebrannte Metallschicht 220, die den ersten Metallteil 23 (die zweite Schicht 232) und den zweiten Metallteil 24 (die zweite Schicht 242) bondet, wird durch Aufbringen einer Metallpaste eines geeigneten Materials zwischen dem ersten Metallteil 23 und dem zweiten Metallteil 24 gebildet, und zwar gefolgt von einem Brennvorgang („firing“) . Der Brennvorgang wird unter Druck mit hohen Temperaturen ausgeführt, um den Bond bzw. die Verbindung zu erzeugen.
Wie es in 13 gezeigt ist, weist die gebrannte Metallschicht 220 Leerstellen 22A auf. Die Leerstellen 22A werden zum Zeitpunkt des Brennens der gebrannten Metallschicht 220 zum Zwecke des Bondens gebildet.
Das Halbleiterbauteil A12 beinhaltet das leitfähige Substrat 20, das Graphit enthält. Genauer gesagt beinhaltet das leitfähige Substrat 20 die erste Basisschicht 211 und die zweite Basisschicht 212, die jeweils aus Graphit hergestellt sind, und beinhaltet auch die Metallschicht 22, die zwischen der ersten Basisschicht 211 und der zweiten Basisschicht 212 angeordnet ist. Die Konfiguration der ersten Basisschicht 211 und der zweiten Basisschicht 212 ist die gleiche wie jene des oben beschriebenen Halbleiterbauteils A10. Das Halbleiterbauteil A12 ist daher mit einer verbesserten Wärmeableitung ausgestattet, und zwar auf eine ähnliche Weise wie das Halbleiterbauteil A10.
In dem Halbleiterbauteil A12 beinhaltet die Metallschicht 22 die gebrannte Metallschicht 220, die den ersten Metallteil 23 (die zweite Schicht 232) und den zweiten Metallteil 24 (die zweite Schicht 242) aneinanderfügt. Das Fügen der ersten Basisschicht 211 und der zweiten Basisschicht 212 über die gebrannte Metallschicht 220 gewährleistet, dass eine Wärmeübertragung in der Dickenrichtung z nicht über die Schichten der Metallschicht 22 beschränkt ist. Das Halbleiterbauteil A12 ist daher dazu konfiguriert, eine verbesserte Wärmeableitung zu haben. Die Konfiguration der Metallschicht 22 dieser Variation kann in einem beliebigen der Halbleiterbauteil A13, A20 und A21 verwendet werden, die nachstehend beschrieben werden.
Unter Bezugnahme auf 14 wird nachstehend das Halbleiterbauteil A13 beschrieben, bei dem es sich um eine weitere Variation des Halbleiterbauteils A10 handelt. Das Halbleiterbauteil A13 weist den Basisabschnitt 21 (das leitfähige Substrat 20) auf, der eine erste Basisschicht 211 und eine zweite Basisschicht 212 mit unterschiedlichen Konfigurationen gegenüber jenen des zuvor beschriebenen Halbleiterbauteils A10 beinhaltet.
Bei dem Halbleiterbauteil A13 sind die Stapelrichtung von Graphen-Lagen 211A, die die erste Basisschicht 211 bilden (die erste Stapelrichtung N1), als auch die Stapelrichtung von Graphen-Lagen 212A, die die zweite Basisschicht 212 bilden (die zweite Stapelrichtung N2), senkrecht zu der Dickenrichtung z. Wie in 14 gezeigt, ist es zusätzlich so, dass die erste Stapelrichtung N1 der ersten Basisschicht 211 und die zweite Stapelrichtung N2 der zweiten Basisschicht 212 einander schneiden („intersect“). Der Schnittwinkel ist jedoch kein rechter Winkel (ein nicht rechter Winkel), und zwar bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung z. In dem in 14 gezeigten Beispiel schneiden sich die erste Stapelrichtung N1 der ersten Basisschicht 211 und die zweite Stapelrichtung N2 der zweiten Basisschicht 212 bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung z unter einem Winkel von 45°. In einem weiteren Beispiel kann der Winkel, der durch die erste Stapelrichtung N1 und die zweite Stapelrichtung N2 gebildet wird, nach Wunsch eingestellt werden, unter der Bedingung, dass die erste Stapelrichtung N1 und die zweite Stapelrichtung N2 bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung z nicht parallel zueinander sind (unter der Bedingung, dass die erste Stapelrichtung N1 und die zweite Stapelrichtung N2 sich voneinander unterscheiden).
Bei dieser Konfiguration des Halbleiterbauteils A13 wird von den Halbleiterelementen 40 erzeugte Wärme effektiv dreidimensional verteilt, und zwar über die erste Basisschicht 211, die Metallschicht 22 und die zweite Basisschicht 212. Das Halbleiterbauteil A13 ist daher dazu konfiguriert, eine verbesserte Wärmeableitung zu haben.
Unter Bezugnahme auf die 15 bis 17 wird das Halbleiterbauteil A20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. In diesen Figuren sind Komponenten, bei denen es sich um die gleichen oder um ähnliche handelt wie jene des oben beschriebenen Halbleiterbauteils A10, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derartiger Komponenten wird nicht wiederholt. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit zeigen die 15 bis 17 das Abdichtungsharz 60 transparent. In den 15 und 16 ist das Abdichtungsharz 60 als Phantom gezeigt (Strich-Doppelpunkt-Linien).
Das Halbleiterbauteil A20 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Halbleiterbauteil A10 hinsichtlich der Konfiguration eines Basisabschnittes 21, der in dem leitfähigen Substrat 20 enthalten ist.
Wie es in 17 gezeigt ist, beinhaltet der Basisabschnitt 21 in dem Halbleiterbauteil A20 die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212, eine dritte Basisschicht 213, die Metallschicht 22 und eine Metallschicht 28. Hinsichtlich des Volumens machen die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und die dritte Basisschicht 213 den überwiegenden Teil des leitfähigen Substrates 20 aus.
Der Basisabschnitt 21 des Halbleiterbauteils A20 beinhaltet die dritte Basisschicht 213 und die Metallschicht 28, die in dem Basisabschnitt 21 des Halbleiterbauteils A10 nicht enthalten sind. Die dritte Basisschicht 213 ist in Bezug auf die zweite Basisschicht 212 auf der der ersten Basisschicht 211 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Ähnlich zu der ersten Basisschicht 211 und der zweiten Basisschicht 212 ist die dritte Basisschicht 213 aus Einkristall-Graphit zusammengesetzt.
Wie es sich aus 18 verstehen lässt, ist die Stapelrichtung von Graphen-Lagen, die die dritte Basisschicht 213 bilden (dritte Stapelrichtung N3), unterschiedlich gegenüber der Stapelrichtung der Graphen-Lagen 212A, die die zweite Basisschicht 212 bilden (die zweite Stapelrichtung N2). In dem Halbleiterbauteil A20 kann die Stapelrichtung von Graphen-Lagen, die die dritte Basisschicht 213 bilden (die dritte Stapelrichtung N3), mit der Stapelrichtung der Graphen-Lagen 211A zusammenfallen bzw. übereinstimmen, die die erste Basisschicht 211 bilden (die erste Stapelrichtung N1). In diesem Fall hat die erste Basisschicht 211 die xz-Orientierung und die zweite Basisschicht 212 hat die yz-Orientierung, wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, und die dritte Basisschicht 213 hat die xz-Orientierung.
In dem Halbleiterbauteil A20 sind die erste Basisschicht 211 und die dritte Basisschicht 213 dünner als die zweite Basisschicht 212. In einem speziellen Beispiel hat die erste Basisschicht 211 eine Dicke von etwa 0,5 mm, die zweite Basisschicht 212 hat eine Dicke von etwa 1,0 mm, und die dritte Basisschicht 213 hat eine Dicke von etwa 0,5 mm. Das Verhältnis der Dicken der ersten Basisschicht 211, der zweiten Basisschicht 212 und der dritten Basisschicht 213 ist vorzugsweise etwa 1:2:1.
Die Metallschicht 28 ist zwischen der Basisschicht 212 und der dritten Basisschicht 213 angeordnet, um die zweite Basisschicht 212 und die dritte Basisschicht 213 aneinanderzubonden. Die Metallschicht 28 hat im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die Metallschicht 22. Obgleich es in den Figuren nicht deutlich gezeigt ist, beinhaltet die Metallschicht 28 Teile, die dem ersten Metallteil 23 und dem zweiten Metallteil 24 der Metallschicht 22 entsprechen. In der Metallschicht 28 ist der Teil, der dem ersten Metallteil 23 der Metallschicht 22 entspricht, auf der zweiten Basisschicht 212 gebildet. In der Metallschicht 28 ist der Teil, der dem zweiten Metallteil 24 der Metallschicht 22 entspricht, auf der dritten Basisschicht 213 gebildet. In der Metallschicht 28 weist der Teil, der dem ersten Metallteil 23 entspricht, Schichten auf, die der ersten Schicht 231 und der zweiten Schicht 232 entsprechen, die oben beschrieben wurden, und der Teil, der dem zweiten Metallteil 24 entspricht, weist Schichten auf, die der ersten Schicht 241 und der zweiten Schicht 242 entsprechen, die oben beschrieben wurden.
In der Metallschicht 28 ist der Teil, der dem ersten Metallteil 23 der Metallschicht 22 entspricht, an den Teil gefügt, der dem zweiten Metallteil 24 der Metallschicht 22 entspricht, und zwar durch Festkörper-Diffusions-Bonden. Ähnlich zu der Metallschicht 22 weist die Metallschicht 28, die durch Festkörper-Diffusions-Bonden gebildet ist, Leerstellen (nicht gezeigt) auf.
In dem Halbleiterbauteil A20 ist die erste Verdrahtungsschicht 251 auf die dritte Basisschicht 213 gestapelt.
Als Nächstes werden Vorteile des Halbleiterbauteils A20 beschrieben.
Das Halbleiterbauteil A20 beinhaltet das leitfähige Substrat 20, das Graphit enthält. Das leitfähige Substrat 20 weist die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und die dritte Basisschicht 213 auf, die aus Graphit hergestellt sind, und die Basisschichten sind gestapelt, und zwar über die Metallschicht 22 und die Metallschicht 28, die dazwischen liegen. Die Stapelrichtung der Graphen-Lagen, die die dritte Basisschicht 213 bilden (die dritte Stapelrichtung N3), unterscheidet sich von der Stapelrichtung der Graphen-Lagen 212A, die die zweite Basisschicht 212 bilden (die zweite Stapelrichtung N2). Bei dieser Konfiguration des Halbleiterbauteils A20 wird von den Halbleiterelementen 40 erzeugte Wärme effektiv dreidimensional über die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und die dritte Basisschicht 213 verteilt, und auch über die Metallschichten 22 und 28, die zwischen den Basisschichten gestapelt sind. Das Halbleiterbauteil A20 ist daher dazu konfiguriert, eine verbesserte Wärmeableitung zu haben.
Bei dem Halbleiterbauteil A20 ist die Stapelrichtung der Graphen-Lagen 212A, die die zweite Basisschicht 212 bilden (die zweite Stapelrichtung N2) , senkrecht zu der Dickenrichtung z und auch zu der Stapelrichtung der Graphen-Lagen 211A, die die erste Basisschicht 211 bilden (die erste Stapelrichtung N1). Das heißt, die erste Basisschicht 211 hat die xz-Orientierung, und die zweite Basisschicht 212 hat die yz-Orientierung. Die dritte Basisschicht 213 hat die gleiche Stapelrichtung der Graphen-Lagen (die dritte Stapelrichtung N3) wie die Stapelrichtung der Graphen-Lagen 211A, die die erste Basisschicht 211 bilden (die erste Stapelrichtung N1) . Demzufolge hat die dritte Basisschicht 213 die gleiche xz-Orientierung wie die erste Basisschicht 211. Bei dieser Konfiguration wird von den Halbleiterelementen 40 erzeugte Wärme isotrop in drei Dimensionsrichtungen (in dem xyz-Koordinatensystem) verteilt, und zwar über die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und die dritte Basisschicht 213.
Bei dem Halbleiterbauteil A20 ist die Metallschicht 22, die zwischen der ersten Basisschicht 211 und der zweiten Basisschicht 212 angeordnet ist, durch Festkörper-Diffusions-Bonden gefügt, und das Gleiche gilt für die Metallschicht 28, die zwischen der zweiten Basisschicht 212 und der dritten Basisschicht 213 angeordnet ist. Diese Konfiguration gewährleistet, dass eine Wärmeübertragung in der Dickenrichtung z nicht auf eine solche über („across“) die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und die dritte Basisschicht 213 beschränkt ist. Das Halbleiterbauteil A20 ist daher dazu konfiguriert, eine verbesserte Wärmeableitung zu haben.
Das Halbleiterbauteil A20 weist die Vielzahl von Halbleiterelementen 40 (die ersten Elemente 401 und die zweiten Elemente 402) auf. Die ersten Elemente 401 sind mit vorbestimmten Abständen voneinander beabstandet und sind elektrisch parallel verbunden. Die zweiten Elemente 402 sind mit vorbestimmten Abständen voneinander beabstandet und sind elektrisch parallel verbunden. Dies bedeutet, dass Wärme gleichzeitig von den ersten Elementen 401 oder von den zweiten Elementen 402 erzeugt wird, so dass die Wärmemenge tendenziell groß ist. Um dieses Problem von Wärme, die von den Halbleiterelementen 40 erzeugt wird, zu lindern bzw. zu lösen, ist das Halbleiterbauteil A20 mit der ersten Basisschicht 211, der zweiten Basisschicht 212 und der dritten Basisschicht 213 ausgestattet, die dazu in der Lage sind, Wärme isotrop in drei Dimensionsrichtungen (in dem xyz-Koordinatensystem) zu verteilen. Demzufolge wird von den Halbleiterelementen 40 erzeugte Wärme schnell und breit bzw. im weiten Umfang in dem leitfähigen Substrat 20 verteilt, was Wärme reduziert, die lokal in dem leitfähigen Substrat 20 eingegrenzt ist.
Wie oben beschrieben, sind die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und die dritte Basisschicht 213 aus Graphit hergestellt, das eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit hat und folglich eine anisotrope Wärmeausdehnung. Bei dem Halbleiterbauteil A20 haben die erste Basisschicht 211 und die dritte Basisschicht 213 die gleiche Orientierung (die gleiche Stapelrichtung von Graphen-Lagen) , und die zweite Basisschicht 212 ist dazwischen angeordnet. Zusätzlich hierzu sind die erste Basisschicht 211 und die dritte Basisschicht 213 dünner als die zweite Basisschicht 212. Das leitfähige Substrat 20 (die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und die dritte Basisschicht 213) dieser Konfiguration ist weniger empfindlich bzw. empfänglich gegenüber einer unerwünschten Deformation aufgrund von Wärme, die von den Halbleiterelementen 40 erzeugt wird.
Unter Bezugnahme auf die 19 und 20 wird nachstehend das Halbleiterbauteil A21 beschrieben, bei dem es sich um eine Variation des Halbleiterbauteils A20 handelt. Das Halbleiterbauteil A21 weist den Basisabschnitt 21 (das leitfähige Substrat 20) auf, der die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und eine dritte Basisschicht 213 mit unterschiedlichen Konfigurationen gegenüber des Halbleiterbauteils A20 beinhaltet, das oben beschrieben wurde.
Wie es in 19 gezeigt ist, haben die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und die dritte Basisschicht 213 des Halbleiterbauteils A21 im Wesentlichen die gleiche Dicke.
Wie es in 20 gezeigt ist, sind bei dem Halbleiterbauteil A21 die Stapelrichtung der Graphen-Lagen 211A, die die erste Basisschicht 211 bilden (die erste Stapelrichtung N1), die Stapelrichtung der Graphen-Lagen 212A, die die zweite Basisschicht 212 bilden (die zweite Stapelrichtung N2), und die Stapelrichtung der Graphen-Lagen, die die dritte Basisschicht 213 bilden (die dritte Stapelrichtung N3), senkrecht zu der Dickenrichtung z. Bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung z schneiden die erste Stapelrichtung N1 der ersten Basisschicht 211, die Stapelrichtung N2 der zweiten Basisschicht 212 und die dritte Stapelrichtung N3 der dritten Basisschicht 213 einander. Der Schnittwinkel zwischen den Schichten ist jedoch kein rechter Winkel (ein nicht rechter Winkel) . In dem Halbleiterbauteil A21 sind die erste Stapelrichtung N1, die zweite Stapelrichtung N2 und die dritte Stapelrichtung N3 gegeneinander um einen Winkel von jeweils 60° versetzt.
Bei dieser Konfiguration des Halbleiterbauteils A21 wird von den Halbleiterelementen 40 erzeugte Wärme effektiv dreidimensional verteilt, und zwar über die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und die dritte Basisschicht 213 und auch über die Metallschichten 22 und 28, die zwischen die Basisschichten gestapelt sind. Das Halbleiterbauteil A21 ist daher dazu konfiguriert, eine verbesserte Wärmeableitung zu haben.
Bei dem Halbleiterbauteil A21 haben die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und die dritte Basisschicht 213 im Wesentlichen die gleiche Dicke. Zusätzlich hierzu sind die erste Stapelrichtung N1, die zweite Stapelrichtung N2 und die dritte Stapelrichtung N3 bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung z voneinander unter gleichen Winkeln versetzt. Diese Konfiguration gewährleistet, dass von den Halbleiterelementen 40 erzeugte Wärme durch die erste Basisschicht 211, die zweite Basisschicht 212 und die dritte Basisschicht 213 isotrop in drei Dimensionsrichtungen (in dem xyz-Koordinatensystem) verteilt wird.
Obgleich 21 bzw. 20 das Beispiel zeigt, bei dem die erste Stapelrichtung N1, die zweite Stapelrichtung N2 und die dritte Stapelrichtung N3 um 60° gegeneinander versetzt sind, und zwar bei einer Betrachtung in der Dickenrichtung z, kann diese Winkelbeziehung nach Wunsch eingestellt werden. Ferner können die Dicken der ersten Basisschicht 211, der zweiten Basisschicht 212 und der dritten Basisschicht 213 nach Wunsch eingestellt werden.
Obgleich spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung oben beschrieben worden sind, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf jene Ausführungsformen beschränkt, und es lassen sich verschiedene Modifikationen vornehmen, ohne den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die spezielle Konfiguration von jedem Teil des Halbleiterbauteils gemäß der vorliegenden Offenbarung kann auf viele Art und Weise hinsichtlich der Konstruktion variiert werden.
Die vorliegende Offenbarung beinhaltet Konfigurationen gemäß den folgenden Klauseln.
Klausel 1.
Halbleiterbauteil mit:

einem leitfähigen Substrat, das eine Vorderfläche, die in einer Dickenrichtung zu einer Seite weist, und eine Rückfläche aufweist, die gegenüber der Vorderfläche hin zu einer entgegengesetzten Seite weist; und
wenigstens einem Halbleiterelement, das elektrisch an die Vorderfläche gebondet ist,
wobei das leitfähige Substrat aufweist: eine erste Basisschicht und eine zweite Basisschicht, die jeweils aus Graphit hergestellt sind, das aus gestapelten Graphenen zusammengesetzt ist; und eine Metallschicht, die zwischen der ersten Basisschicht und der zweiten Basisschicht angeordnet ist,
wobei die Graphene der ersten Basisschicht in einer ersten Stapelrichtung gestapelt sind, die senkrecht ist zu der Dickenrichtung, und
wobei die Graphene der zweiten Basisschicht in einer zweiten Stapelrichtung gestapelt sind, die senkrecht ist zu der Dickenrichtung und die die erste Stapelrichtung kreuzt bzw. schneidet.

Klausel 2.
Halbleiterbauteil nach Klausel 1, wobei die zweite Stapelrichtung senkrecht ist zu der Dickenrichtung und zu der ersten Stapelrichtung.
Klausel 3.
Halbleiterbauteil nach Klausel 1 oder 2, wobei die Metallschicht einen ersten Metallteil, der auf der ersten Basisschicht gebildet ist, und einen zweiten Metallteil aufweist, der auf der zweiten Basisschicht gebildet ist und der an den ersten Metallteil gebondet ist.
Klausel 4.
Halbleiterbauteil nach Klausel 3, wobei zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil eine Leerstelle bzw. ein Leerraum vorhanden ist.
Klausel 5.
Halbleiterbauteil nach Klausel 3 oder 4, wobei jeder von dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil eine erste Schicht, die eine entsprechende von der ersten Basisschicht und der zweiten Basisschicht bedeckt, und eine zweite Schicht aufweist, die auf die erste Schicht gestapelt ist, und
wobei die zweite Schicht des ersten Metallteils und die zweite Schicht des zweiten Metallteils durch Feststoff-Diffusions-Bonden aneinandergefügt sind.
Klausel 6.
Halbleiterbauteil nach Klausel 5, wobei jeder von dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil eine dritte Schicht aufweist, die zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet ist, und
wobei die dritte Schicht einen kleineren Young' schen Modul als die erste Schicht und die zweite Schicht hat.
Klausel 7.
Halbleiterbauteil nach Klausel 3 oder 4, wobei die Metallschicht eine erste gebrannte Metallschicht aufweist, die zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil angeordnet ist und die den ersten Metallteil und den zweiten Metallteil bondet.
Klausel 8.
Halbleiterbauteil nach einer beliebigen der Klauseln 1 bis 7, wobei jede von der ersten Basisschicht und der zweiten Basisschicht eine größere Dicke hat als die Metallschicht.
Klausel 9.
Halbleiterbauteil nach einer beliebigen der Klauseln 1 bis 8, wobei das leitfähige Substrat eine aus Graphit hergestellte dritte Basisschicht auf einer Seite der zweiten Basisschicht gegenüberliegend der ersten Basisschicht sowie eine zusätzliche Metallschicht aufweist, die zwischen der zweiten Basisschicht und der dritten Basisschicht angeordnet ist, und
wobei die dritte Basisschicht Graphene aufweist, die in einer dritten Stapelrichtung gestapelt sind, die sich von der zweiten Stapelrichtung unterscheidet.
Klausel 10.
Halbleiterbauteil nach Klausel 9, wobei jede von der ersten Basisschicht und der dritten Basisschicht eine kleinere Dicke hat als die zweite Basisschicht.
Klausel 11.
Halbleiterbauteil nach Klausel 10, wobei die dritte Stapelrichtung mit der ersten Stapelrichtung übereinstimmt.
Klausel 12.
Halbleiterbauteil nach einer beliebigen der Klauseln 1 bis 11, ferner mit einem Trägersubstrat, das eine Trägerfläche hat, die hin zu der Rückfläche des leitfähigen Substrats weist,
wobei das leitfähige Substrat mit der Rückfläche, die hin zu der Trägerfläche weist, an das Trägersubstrat gebondet ist.
Klausel 13.
Halbleiterbauteil nach Klausel 12, wobei das Trägersubstrat eine erste Trägerplatte, die elektrisch isolierend ist, und eine zweite Trägerplatte aufweist, die aus einem Metall hergestellt ist und die auf die erste Trägerplatte gestapelt ist, wobei die zweite Trägerplatte die Trägerfläche bildet.
Klausel 14.
Halbleiterbauteil nach Klausel 12 oder 13, wobei das Trägersubstrat eine Bodenfläche hat, die gegenüber der Trägerfläche in die entgegengesetzte Richtung weist,
wobei das Halbleiterbauteil ein Abdichtungsharz aufweist, das das leitfähige Substrat, das Halbleiterelement und einen Teil des Trägersubstrats bedeckt, und
wobei die Bodenfläche gegenüber dem Abdichtungsharz freiliegt.
Klausel 15.
Halbleiterbauteil nach einer beliebigen der Klauseln 1 bis 14, wobei das leitfähige Substrat eine erste Verdrahtungsschicht, die die Vorderfläche bildet, und eine zweite Verdrahtungsschicht aufweist, die die Rückfläche bildet, und
wobei das Halbleiterelement über eine elektrisch leitfähige Bond-Schicht elektrisch an die Vorderfläche gebondet ist.
Klausel 16.
Halbleiterbauteil nach einer beliebigen der Klauseln 1 bis 15, wobei das wenigstens eine Halbleiterelement eine Vielzahl von Halbleiterelementen beinhaltet, die voneinander beabstandet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009158787 A [0004]

Claims

Halbleiterbauteil mit: einem leitfähigen Substrat, das eine Vorderfläche, die in einer Dickenrichtung zu einer Seite weist, und eine Rückfläche aufweist, die gegenüber der Vorderfläche hin zu einer entgegengesetzten Seite weist; und wenigstens einem Halbleiterelement, das elektrisch an die Vorderfläche gebondet ist, wobei das leitfähige Substrat aufweist: eine erste Basisschicht und eine zweite Basisschicht, die jeweils aus Graphit hergestellt sind, das aus gestapelten Graphenen zusammengesetzt ist; und eine Metallschicht, die zwischen der ersten Basisschicht und der zweiten Basisschicht angeordnet ist, wobei die Graphene der ersten Basisschicht in einer ersten Stapelrichtung gestapelt sind, die senkrecht ist zu der Dickenrichtung, und wobei die Graphene der zweiten Basisschicht in einer zweiten Stapelrichtung gestapelt sind, die senkrecht ist zu der Dickenrichtung und die die erste Stapelrichtung kreuzt.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, wobei die zweite Stapelrichtung senkrecht ist zu der Dickenrichtung und zu der ersten Stapelrichtung.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallschicht einen ersten Metallteil, der auf der ersten Basisschicht gebildet ist, und einen zweiten Metallteil aufweist, der auf der zweiten Basisschicht gebildet ist und der an den ersten Metallteil gebondet ist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 3, wobei zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil eine Leerstelle vorhanden ist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 3 oder 4, wobei jeder von dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil eine erste Schicht, die eine entsprechende von der ersten Basisschicht und der zweiten Basisschicht bedeckt, und eine zweite Schicht aufweist, die auf die erste Schicht gestapelt ist, und wobei die zweite Schicht des ersten Metallteils und die zweite Schicht des zweiten Metallteils durch Feststoff-Diffusions-Bonden aneinandergefügt sind.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 5, wobei jeder von dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil eine dritte Schicht aufweist, die zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet ist, und wobei die dritte Schicht einen kleineren Young' schen Modul als die erste Schicht und die zweite Schicht hat.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Metallschicht eine erste gebrannte Metallschicht aufweist, die zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil angeordnet ist und die den ersten Metallteil und den zweiten Metallteil bondet.
Halbleiterbauteil nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, wobei jede von der ersten Basisschicht und der zweiten Basisschicht eine größere Dicke hat als die Metallschicht.
Halbleiterbauteil nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, wobei das leitfähige Substrat eine aus Graphit hergestellte dritte Basisschicht auf einer Seite der zweiten Basisschicht gegenüberliegend der ersten Basisschicht sowie eine zusätzliche Metallschicht aufweist, die zwischen der zweiten Basisschicht und der dritten Basisschicht angeordnet ist, und wobei die dritte Basisschicht Graphene aufweist, die in einer dritten Stapelrichtung gestapelt sind, die sich von der zweiten Stapelrichtung unterscheidet.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 9, wobei jede von der ersten Basisschicht und der dritten Basisschicht eine kleinere Dicke hat als die zweite Basisschicht.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 10, wobei die dritte Stapelrichtung mit der ersten Stapelrichtung übereinstimmt.
Halbleiterbauteil nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 11, ferner mit einem Trägersubstrat, das eine Trägerfläche hat, die hin zu der Rückfläche des leitfähigen Substrats weist, wobei das leitfähige Substrat mit der Rückfläche, die hin zu der Trägerfläche weist, an das Trägersubstrat gebondet ist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 12, wobei das Trägersubstrat eine erste Trägerplatte, die elektrisch isolierend ist, und eine zweite Trägerplatte aufweist, die aus einem Metall hergestellt ist und die auf die erste Trägerplatte gestapelt ist, wobei die zweite Trägerplatte die Trägerfläche bildet.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Trägersubstrat eine Bodenfläche hat, die gegenüber der Trägerfläche in die entgegengesetzte Richtung weist, wobei das Halbleiterbauteil ein Abdichtungsharz aufweist, das das leitfähige Substrat, das Halbleiterelement und einen Teil des Trägersubstrats bedeckt, und wobei die Bodenfläche gegenüber dem Abdichtungsharz freiliegt.
Halbleiterbauteil nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 14, wobei das leitfähige Substrat eine erste Verdrahtungsschicht, die die Vorderfläche bildet, und eine zweite Verdrahtungsschicht aufweist, die die Rückfläche bildet, und wobei das Halbleiterelement über eine elektrisch leitfähige Bond-Schicht elektrisch an die Vorderfläche gebondet ist.
Halbleiterbauteil nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 15, wobei das wenigstens eine Halbleiterelement eine Vielzahl von Halbleiterelementen beinhaltet, die voneinander beabstandet sind.