DE4133199C2

DE4133199C2 - Halbleiterbauelement mit isolationsbeschichtetem Metallsubstrat

Info

Publication number: DE4133199C2
Application number: DE4133199A
Authority: DE
Inventors: Masahide Miyagi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1990-10-05
Filing date: 1991-10-07
Publication date: 2002-01-31
Anticipated expiration: 2011-10-08
Also published as: US5194933A; DE4133199A1; GB2249670A; GB9121080D0; GB2249670B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem isolationsbeschichte tem Metallsubstrat, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der US 4,920,405 bekannt ist.

In letzter Zeit sind erhebliche Fortschritte für elektronische Ausrüstungen erzielt worden und Integrationsgrade mit höherer Dichte und Miniaturisierung mit geringem Gewicht sind schnell vorangetrieben worden. Als ein führendes Halbleiterbauelement in der Entwicklung sind Leistungsmodule bekannt, die verbreitet in Wechselrichtern und anderen Bauteilen der Motorsteuerung und von Klimaanlagen verwendet werden.

In Fig. 6 ist ein bekannter 3-Phase-Wechselrichterschaltkreis für eine Motorsteuerung dar gestellt. IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistors, Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) sind die Hauptschaltkreisschaltelemente. In diesem Ausführungsbeispiel sind sechs IGBT zwischen einer Gleichspannungshauptstromversorgung V durch eine 3-Phasen-Brücken schaltung verschaltet. Ein Motor 9 wird durch einen 3-Phasen-Wechselstrom des Wechsel richters angetrieben. Eine Hochgeschwindigkeitsdiode 8 zur Stromübertragung ist umgekehrt parallel mit jedem IGBT 7 verschaltet. Ein Treiberschaltkreis 6 zur Ansteuerung der IGBT 7 ist für jeden IGBT vorgesehen. Ein elektrisches Treibernetzteil 10 ist die elektrische Gleichspannungsquelle für den Treiberschaltkreis 6. Ein solcher Schaltkreis ist gemäß Fig. 7 zusammengesetzt.

Fig. 7 zeigt eine konventionelle Bausteinstruktur für ein solches Halbleiterbauelement. Eine Metallgrundplatte 13 zur Wärmeabstrahlung, ein Kunststoffgehäuse 15, welches mit einem Kleber an der Grundplatte 13 befestigt ist und diese umgibt, und eine Gehäuseabdeckung 16 zur Abdeckung einer oberen Öffnung des Gehäuses 15 bilden zusammen einen Behälter für das Bauteil. In diesem ist eine Gerätegruppe von Modulschaltkreisen, die aus Halbleiterelementen 12 gebildet sind, auf dem isolierbeschichteteten Metallsubstrat 11 angeordnet. Außerdem ist ein Versiegelungsharz 4 zur Versiegelung des Inneren des Behälters eingefüllt. Von der Schaltkreisanordnung sind externe Anschlüsse 14 herausgeführt.

Das Leistungsmodul ist durch eine Vielzahl der Halbleiterelemente gebildet, die von dem Substrat getragen und mit einer auf dem Substrat ausgebildeten Verdrahtung verbunden sind. Seit kurzem wird das isolierte Substrat aus einem keramischen Material wie zum Beispiel Al₂O₃ hergestellt und eine relativ dicke Kupferbasis wird zur thermischen Abstrahlung mit dem Substrat verlötet, wobei die Halbleiterbauteile auf dem Kupferträgermaterial befestigt werden. Um allerdings eine Integration mit höherer Dichte und eine Miniaturisierung mit geringem Gewicht zu erzielen, ist häufig ein isolationsbeschichtetes Metallsubstrat verwendet worden, mit einer Aluminiumplatte als Substrat, die eine ausgezeichnete Wärmeübertragungseffektivität aufweist, eine auf der Aluminiumplatte gebildeten Isolationsschicht aus einem organischen Isolationsmaterial, einer auf der Isolationsschicht abgelagerten Kupferkaschierung von mehreren zehn µm Dicke und einer entsprechend eines vorgegebenen Musters gebildeten Verdrahtung.

Bei einem isolationsbeschichteten Metallsubstrat eines solchen Leistungsmoduls nützt sich das die Isolationsschicht bildende organische Material durch Sprühentladungen ab, falls eine hohe, den montierten Elementen und Schaltkreisstrukturen nicht entsprechende Spannung angelegt wird. Wird die Spannung stetig angelegt, führt dies letztendlich zu einem dielektrischen Durchbruch. Aus Messungen ist bekannt, daß die Anfangsspannung einer solchen Sprühentladung für das Substrat allein 400 bis 600 V beträgt. Aus weiteren Untersuchungen ist bekannt, daß der Abschnitt in dem die Sprühentladung erzeugt wird, ein Kantenabschnitt des Verdrahtungsmusters ist, welches die Kupferkaschierung enthält (siehe die geschlossene gepunktete Linie E in Fig. 2 oder 3). Dies scheint dadurch verursacht zu werden, daß das elektrische Feld an den Kanten des Kupfermusters konzentriert und damit vergrößert ist. Wird zum Beispiel eine Spannung von 200 V an das Metallsubstrat bei einer Isolationsschicht mit 100 µm Dicke angelegt, ist das am Substrat angelegte elektrische Feld 2 kV/mm groß und das elektrische Feld konzentriert sich in den Kanten des Kupfermusters. Als Ausweg ist zum Beispiel nach Fig. 2 möglich, den Kantenabschnitt A des Musters der auf dem Aluminiumsubstrat 1 über der aus einem organischen Material gebildeten Isolationsschicht 2 gebildeten Kupferkaschierung 3 mit einem Versiegelungsmaterial 4 zu Unterdrückung der Abnützung der Isolation bei diesem Versiege lungsmaterial unzureichend.

Aus der US 4 849 803 ist ein Halbleiterbaustein bekannt, wel cher Diodenchips aufweist, die an einer metallischen Anschluß platte angebracht sind, wobei eine Elektrode der Dioden mit der Anschlußplatte in Verbindung steht. Die Dioden sind zusammen mit einem Teil der Anschlußplatte in ein flexibles Harz mit ho hem Ausdehnungskoeffizienten und geringem Wärmeleitkoeffizien ten eingebettet, wobei weitere Anschlußplatten, die mit der je weils anderen Elektrode der Dioden verbunden sind, aus der Harzeinbettung vorstehen. Unmittelbar über den Dioden ist zwi schen der genannten Harzeinbettung und der Anschlußplatte bzw. den Dioden eine Harzschicht mit geringer thermischer Ausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen.

Aus der US 4 443 655 geht ein Halbleiterbaustein für hohe elek trische Leistungen hervor, der ähnlich wie der aus der vorange henden Druckschrift genannte Halbleiterbaustein ein auf einer Metallplatte angeordnetes und damit im elektrischen Kontakt stehendes Halbleiterbauelement aufweist, das im Innern eines mit Epoxidharz oder einem anderen geeigneten Material ausge füllten extrudierten Metallgehäuse angeordnet ist. Das Halblei terbauelement ist gegen das Epoxidharz zusätzlich durch ein Ma terial, wie z. B. Silikon, eingekapselt, durch welches das Bau element vor schädlichen Einflüssen durch die Epoxidharzeinbet tung geschützt wird.

Aus der US 4 677 252 ist eine Leiterkarte mit einem metalli schen Substrat, einer auf dem metallischen Substrat vorgesehe nen Harzschicht und einer auf der Harzschicht vorgesehenen Me tallbeschichtung für die Bildung von Leiterbahnen bekannt, wo bei die Harzschicht zweischichtig mit unterschiedlich flexiblen Schichten ausgebildet ist, so daß die Leiterkarte durch diese Laminierung hinsichtlich ihrer Bruchfestigkeit bei Biegung verbessert ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement mit einem isolationsbeschichte ten Metallsubstrat bereitzustellen, welches die z. T. oben genannten Nachteile ausschließt und eine Abnutzung aufgrund der Sprühentladung auch bei hohen angelegten Spannungen verhindert.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Halbleiterbauelement bereitgestellt, bei dem Halbleiterbauteile von einem isolationsbeschichteten Metallsubstrat getragen werden, welches durch Auftragen einer Isolationsschicht auf einem Metallsubstrat gebildet ist und bei dem eine Verdrahtung durch eine Metallkaschierung der Isolationsschicht gebildet wird, wobei die Halbleiterbauteile mit der Verdrahtung aus der Metallkaschierung verbunden sind, die Halbleiterbauelemente und die Verdrahtung durch ein isolierendes Versiege lungsmaterial bedeckt sind, und eine feste Isolierung mit einer größeren Dieleketrizi tätskonstante als der des Versiegelungsmaterials zwischen dem Kantenabschnitt des Ver drahtungsmusters der aus der Metallkaschierung gebildeten Verdrahtung und dem Versie gelungsmaterial angeordnet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauteil ist das Versiegelungsmaterial aus einem Epoxidharz und die feste Isolierung aus einem Epoxidmelaminharz oder das Versiegelungsmaterial ist aus einem Epoxidharz und die feste Isolierung ist aus Ferriten gebildet.

Im folgenden sind vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert und beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Kantenab schnitts der Verdrahtung eines Halblei terbauelements gemäß einer Ausführungs form der Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Kantenab schnitts der Verdrahtung bei einem konventionellen Halbleiterbauelement;

Fig. 3 ein Äquivalent-Schaltkreisdiagramm des Halbleiterbauelements aus Fig. 2;

Fig. 4 ein Äquivalent-Schaltkreisdiagramm des Halbleiterbauelements aus Fig. 1;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Kantenab schnitts der Verdrahtung eines Halblei terbauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 ein Schaltkreisdiagramm eines bekannten 3-Phasen-Wechselrichters zur Motor steuerung, und

Fig. 7 eine Ansicht einer bekannten Baustein struktur eines Halbleiterbauelements.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 4 beschrieben. In Fig. 2 ist ein Punkt an der Schnittstelle des Versiegelungsmaterials 4 und der Isolationsschicht 2 mit B bezeichnet. Ein Punkt genau unterhalb eines Punktes A und ein Punkt genau unterhalb des Punktes B auf der Schnittstelle der Isolationsschicht 2 und dem Metallsubstrat 1 ist mit C beziehungsweise D bezeichnet. Der Kondensator C₁ ist zwischen den Punkten A und C gebildet. Der Kondensator C₂ zwischen den Punkten A und B, der Kondensator C_1a zwischen den Punkten B und D, wie es in dem äquivalent Schaltkreis gemäß Fig. 3 dargestellt ist. Wird ein Abschnitt des Kantenteils des Verdrahtungsmusters 3 in Richtung der freigelegten Oberfläche der Isolationsschicht 2 andererseits erfindungsgemäß durch die feste Isolierung 5 gemäß Fig. 1 bedeckt, ergibt sich ein Äquivalent-Schaltkreis nach Fig. 4. Unter der Annahme, daß eine Spannung V₂ an dem Kondensator C₂, eine Spannung V_1a am Kondensator C_1a in Fig. 3, eine Spannung V₃ am Kondensator C₃ und eine Spannung V_1b am Kondensator C_1b in Fig. 4 anliegt, ergibt sich die an der Verdrahtung 3 anliegende Spannung V_Emax folgendermaßen:

V_Emax = V₂ + V_1a = V₃ + V_1b

Das an den Kondensatoren C₂ und C₃ gebildete Potential, wenn die Spannung V_Emax wie oben gezeigt angelegt wird, beträgt:
Für Kondensator C₂; E₂ = V_Emax - V₂ (1)
Für Kondensator C₃; E₃ = V_Emax - V₃ (2)

Die Entladung wird bei einem bestimmten Pegel des erzeugten Potentials eingeleitet. Folglich sollte in dem Fall, wenn die feste Isolierung 5 ausgebildet ist, die Beziehung E₃ < E₂ erfüllt werden, um eine Entladung bei einem größeren Potential als im Falle nur der Versiegelungsschicht 4 zu gestatten. Um diese Beziehung zu erfüllen, muß die spezifische Dielektrizitätskonstante ε₃ der festen Isolierung größer sein als die spezifische Dielektrizitätskonstante ε₂ des Versiegelungsmaterials 4, da nach den Gleichungen (1) und (2) die Beziehung V₂ < V₃ erfüllt werden muß, weiterhin C₂ < C₃, da V umgekehrt proportional zu C ist, und C proportional zur spezifischen Dielektrizitätskonstanten ist.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Detail anhand der Fig. 1 und 5 beschrieben.

Nach Fig. 1 ist eine Kupferkaschierung 3 mit einer Dicke von 30 bis 100 µm auf einem isolierbeschichteten Metallsubstrat aufgetragen. Dieses ist aus einem Alumniumsubstrat 1 von 1 bis 3 mm Dicke mit einer Isolierschicht 2 von 80 bis 150 µm Dicke aus einem organischen Isolationsmaterial gebildet. Ein Verdrahtungsmuster ist durch Ätzen gebildet. Halbleiterbauteile sind auf der Verdrahtung 3 oder der Isolationsschicht 2 befestigt und deren Elektroden über Leiter mit der Verdrahtung 3 verbunden. Eine feste Isolierung 5, wie zum Beispiel Epoxidmelaminharz mit einer spezifischen Dielektrizitätskonstante ε = 4.8 mit einer Dicke von 10 bis 50 µm ist über der gesamten freigelegten Oberfläche der Isolationsschicht 2 durch Drücken oder ähnliches gebildet, um den Kantenteil A der gesamten Verdrahtung 3 aus der Kupferkaschierung zu bedecken. Zusätzlich ist ein Versiegelungsmaterial 4 auf der festen Isolierung und der Verdrahtung durch Spritzgußauftragung eines Epoxidharzes mit ε < 4.2 in einer Dicke von mehreren hundert µm aufgetragen. Die anderen Strukturen sind die gleichen wie bei einem konventionellen Bauelement und daher wird deren Beschreibung ausgelassen.

Außerdem kann das Halbleiterbauelement mit einer aus Ferriten mit ε = 9.5 gebildeten festen Isolierung 5 hergestellt werden. Als Ergebnis in beiden Fällen ist die Startspannung für die Sprühentladung bis auf 1,2 kV oder darüber verbessert worden, während diese 0,4 bis 1,0 kV für das aufgegossene Versiegelungsmaterial ist.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In diesem Fall wird nur der Kantenteil A der gesamten Verdrahtung 3 durch eine feste Isolierung 5 bedeckt. Die Erhöhung der Startspannung der Sprühentladung ist ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß der Erfindung wird die Startspannung der Sprühentladung einer Isolationsschicht von einem . isolationsbeschichteten Metallsubstrat durch Bedecken der Kantenteile des Verdrahtungsmusters mit einer festen Isolierung mit höherer spezifischer Dielektrizitätskonstante als der des Versiegelungsmaterials oberhalb des Kantenteils erhöht. Epoxidmelaminharze oder Ferrite könnten effektiv für solche Festisolierungen verwendet werden, welche eine hohe spezifische Dielektrizitätskonstante aufweisen, wenn das Versiegelungsmaterial aus Epoxidharz gebildet ist.

Claims

1. Ein Halbleiterbauelement mit einem isolationsbeschichteten Metallsubstrat umfaßt:
ein aus einem Metallsubstrat (1) und einer auf diesem aufgetragenen Isolationsschicht (2) gebildetes isolationsbeschichtetes Metallsubstrat,
eine aus einer metallischen Kaschierung auf der Isolationsschicht (2) gebildeten Verdrahtung (3);
Halbleiterbauteile, die von dem isolationsbeschichteten Metallsubstrat getragen und mit der aus der metallischen Kaschierung gebildeten Verdrahtung verbunden sind, und
ein isolierendes Versiegelungsmaterial (4), welches die Halbleiterbauteile und die Verdrahtung bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass eine feste Isolierung (5) mit einer größeren spezifischen Dielektrizitätskonstante als der des Versiegelungsmaterials (4) zwischen einem Kantenteil des Verdrahtungsmusters der Verdrahtung (3) aus der Metallkaschierung und dem Versiegelungsmaterial (4) angeordnet ist.

2. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Versiegelungsmaterial (4) ein Epoxidharz und die feste Isolierung (5) ein Epoxidmelaminharz ist.

3. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Versiegelungsmaterial (4) ein Epoxidharz und die feste Isolierung (5) ein Ferrit ist.