DE69915903T2 - Gehäuse für Halbleiterbauelemente und Halbleitermodul, das das Gehäuse verwendet - Google Patents

Gehäuse für Halbleiterbauelemente und Halbleitermodul, das das Gehäuse verwendet Download PDF

Info

Publication number
DE69915903T2
DE69915903T2 DE69915903T DE69915903T DE69915903T2 DE 69915903 T2 DE69915903 T2 DE 69915903T2 DE 69915903 T DE69915903 T DE 69915903T DE 69915903 T DE69915903 T DE 69915903T DE 69915903 T2 DE69915903 T2 DE 69915903T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
semiconductor elements
cvd diamond
semiconductor
diamond layer
housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE69915903T
Other languages
English (en)
Other versions
DE69915903D1 (de
Inventor
Yoshiyuki 1-1. Koyakita 1-chome Yamamoto
Hirohisa 1-1. Koyakita 1-chome Saito
Takahiro 1-1. Koyakita 1-chome Imai
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Publication of DE69915903D1 publication Critical patent/DE69915903D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE69915903T2 publication Critical patent/DE69915903T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/495—Lead-frames or other flat leads
    • H01L23/49541—Geometry of the lead-frame
    • H01L23/49562—Geometry of the lead-frame for devices being provided for in H01L29/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4814—Conductive parts
    • H01L21/4871—Bases, plates or heatsinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H01L23/142—Metallic substrates having insulating layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3732—Diamonds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/14—Integrated circuits
    • H01L2924/141—Analog devices
    • H01L2924/1423—Monolithic Microwave Integrated Circuit [MMIC]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für Halbleiterelemente und im Besonderen ein stark wärmeableitendes Gehäuse für Halbleiterelemente, das zum Montieren von stark wärmeerzeugenden Hochleistungselementen, wie Hochleistungstransistoren und monolithische integrierte Mikrowellenschaltungen (MMIC), verwendet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Halbleitermodul, mit dem ein Halbleiterelement oder Halbleiterelemente an dem Gehäuse montiert wird/werden.
  • Da die Leistung von Halbleiterelementen und Betriebsfrequenzen steigen, steigt die von diesen Elementen erzeugte Wärme. Große Marktnachfrage nach der Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung von elektronischen Vorrichtungen verursachen die ständig zunehmende Dichte von Halbleiterelementen. Der Anstieg der von Halbleiterelementen erzeugten Wärme in Verbindung mit der Montagedichte verstärkt noch weiter den Bedarf für das Verbessern der wärmeableitenden Eigenschaft von Modulen, mit denen diese Halbleiterelemente montiert werden.
  • Module, die eine solch hohe Wärmeableitung aufweisen müssen, besitzen einen Träger, der stark wärmeleitende Materialien als die Wärmesenke zum Montieren von Halbleiterelementen und wirksamen Ableiten der Wärme von den Elementen umfasst, um Überhitzung der Elemente zu verhindern. (Siehe US-Patent Nr. 4.788.627 und ungeprüfte japanische Patentanmeldung Tokukaihei 7-99268.) Der Träger wird dann auf einem Metallelement verbunden und, soweit erforderlich, hermetisch abgedichtet.
  • Ein typisches Beispiel für ein Gehäuse, das für ein solch herkömmliches Halbleitermodul verwendet wird, wird in 3 und 4 gezeigt. 3 zeigt eine Perspektivansicht des Gehäuses. 4(a) ist eine Schnittansicht des in 3 gezeigten Gehäuses, und 4(b) ist eine Draufsicht. Auf einem Metallelement (11) montiert besitzt ein Träger (12) einen Bereich (15) zum Montieren von Halbleiterelementen auf der Oberseite davon. Der Bereich (15) ist von Kontaktlöchern (14) umgeben, die elektrisch mit dem unteren Metallelement (11) verbunden sind. Leiterrahmen (13) sind durch metallisierte Schichten (16) an einander gegenüberliegenden Kantenabschnitten auf dem Träger (12) angebracht.
  • Bei herkömmlichen Halbleitermodulen wurde bisher weithin Berylliumoxid (BeO) als Träger zum Montieren von Hochleistungstransistoren, MMIC oder anderen Hochleistungs-Halbleiterelementen verwendet, die eine große Wärmemenge erzeugen, da BeO überlegene Wärmeleitfähigkeits- und Dielelektrizitätseigenschaften besitzt.
  • Die oben beschriebenen Umstände, der ständige Anstieg der von Halbleiterelementen erzeugten Wärme und der Montagedichte lassen jedoch selbst Halbleitermodule, die stark wärmeleitendes BeO als Träger einsetzen, für Wärmeableitung unzureichend werden. Auch wenn ein Versuch unternommen wird, den Wärmewiderstand durch Reduzieren der Dicke des BeO-Trägers zu senken, hat die Dicke bereits ihre untere Grenze erreicht, wenn man berücksichtigt, dass BeO selbst eine schlechte Bearbeitbarkeit sowie Toxizität besitzt.
  • Diamant besitzt dagegen eine höhere Wärmeleitfähigkeit als alle anderen Substanzen und ist ein elementares Material zum Reduzieren des Wärmewiderstands der oben beschriebenen Halbleitermodule. Es besitzt außerdem eine Dielelektrizitätseigenschaft, die mit der von herkömmlichen Trägermaterialien, wie BeO, Aluminiumoxid und AlN, vergleichbar ist. (Siehe ungeprüfte japanische Patentanmeldung Tokukaihei 4-343232.) Diamant ist jedoch zu kostspielig, um die Anforderung zu erfüllen, dass diese Module Bauteile zu minimalen Kosten einsetzen müssen.
  • Diamant besitzt noch einen anderen Nachteil, der darin besteht, dass es einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als ein Halbleiterelement hat, so dass Risse dazu neigen, sich in einem Halbleiterelement bei dem Lötprozess zum Montieren des Elements auf einem Diamantträger zu entwickeln. Wenn ein MMIC montiert werden soll, werden Kontaktlöcher in dem Träger bereitgestellt, um die Induktivität des Erdungskreises der Vorrichtung zu verringern. Auf Grund der schlechten Bearbeitbarkeit von Diamant kommt es zu einem drastischen Anstieg der Bearbeitungskosten. Zusätzlich lösen sich, wenn Leiterplatten direkt an Diamant angebracht werden, die Leiterplatten leicht auf Grund der schwachen Verbindung zwischen den Leiterplatten und Diamant.
  • In Anbetracht der vorgenannten Umstände ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges Gehäuse für Halbleiter und ein das Gehäuse umfassendes Halbleitermodul bereitzustellen, das frei von Toxizität ist, produktionssicher ist, überlegene Wärmeableitung aufweist und die Rissbildung bei Halbleiterelementen während des Montierens verhindern kann.
  • Ein Gehäuse für Halbleiterelemente kann einen chemisch bedampften (CVD-)Diamantträger zum Montieren von Halbleiterelementen auf seiner Oberseite und ein stark wärmeleitendes Metallelement umfassen, das mit dem Diamantträger an der Oberfläche des Trägers gegenüber der zum Montieren von Halbleiterelementen verbunden ist, wobei das Metallelement Vorsprünge um den Diamantträger herum aufweist und die Vorsprünge bis zur Oberseite des Diamantträgers reichen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Gehäuse für Halbleiterelemente bereit, das ein Trägermaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 100 W/m·K oder mehr zum Montieren von Halbleiterelementen; eine CVD-Diamantschicht, die auf einem Teil oder der Gesamtheit der Oberfläche des Trägermaterials auf der Seite zum Montieren von Halbleiterelementen ausgebildet ist; und ein stark wärmeleitendes Metallelement umfasst, das mit dem Trägermaterial an der Oberfläche des Trägermaterials gegenüber der zum Montieren von Halbleiterelementen verbunden ist, wobei das Metallelement Vorsprünge um das Trägermaterial herum aufweist, die mit der Diamantschicht versehen sind, und die Vorsprünge bis zur Oberseite der Diamantschicht reichen. In diesem Fall ist es zu wünschen, dass das Trägermaterial wenigstens eines umfasst, das aus der aus Si, AlN, SiC, Cu-W-Legierung, Cu-Mo-Legierung und Cu-W-Mo-Legierung bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
  • Bei jedem der beiden vorgenannten Gehäuse für Halbleiterelemente kann ein aus Aluminiumoxid (Al2O3) hergestelltes oder hauptsächlich daraus bestehendes Keramikelement an den Verbindungsstellen der Leiterrahmen für das Gehäuse bereitgestellt sein. An der Oberfläche zum Montieren von Halbleiterelementen des CVD-Diamantträgers oder der CVD-Diamantschicht können laminierte Verdrahtungsschichten ausgebildet sein, die eine Vielzahl von Kombinationen aus einer isolierenden Schicht mit einer Dielektrizitätskonstante von 5 oder weniger und einer Metall-Verdrahtungsschicht umfassen.
  • Das mit der vorliegenden Erfindung vorgelegte Halbleitermodul montiert ein Hochleistungs-Halbleiterelement oder Hochleistungs-Halbleiterelemente auf der Oberfläche zum Montieren von Halbleiterelementen des CVD-Diamantträgers oder der CVD-Diamantschicht, der/die auf der Oberseite des Trägermaterials des mit der vorliegenden Erfindung vorgelegten Gehäuses für Halbleiterelemente ausgebildet ist.
  • Die vorliegende Erfindung, die das stark wärmeleitende Trägermaterial mit der CVD-Diamantschicht darauf als den Träger zum Montieren von Halbleiterelementen einsetzt, stellt ein Gehäuse für Halbleiterelemente bereit, das auf Grund des Ausschlusses von toxischem BeO produktionssicher ist, überlegene Wärmeableitung mit niedrigem Wärmewiderstand aufweist und die Rissbildung an einem Halbleiterelement während des Montierens verhindern kann.
  • Im Besonderen lässt der Träger zum Montieren von Halbleiterelementen, der eine dünne CVD-Diamantschicht auf dem stark wärmeleitenden Trägermaterial aufweist, den effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten des Oberseitenbereichs steigen, wobei die Rissbildung von Halbleiterelementen, die auf demselben montiert sind, zuverlässiger verhindert wird.
  • Die Bereitstellung von Vorsprüngen auf dem Metallelement erleichtert die Erweiterung des Erdpotentials mit niedriger Induktivität und ermöglicht die Produktion von Halbleitermodulen, die frei von Mikrowellen- und Millimeterwellenstreuung sind, wobei eine Umgebung bereitgestellt wird, in der selbst stark wärmeerzeugende Hochleistungs-Halbleiterelemente, wie MMIC, stabil arbeiten.
  • Als Träger zum Montieren von Halbleiterelementen setzt die vorliegende Erfindung ein Trägermaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 100 W/m·K oder mehr und einer auf der Oberfläche davon ausgebildeten CVD-Diamantschicht ein. Der CVD-Diamant, der in den jüngsten Jahren speziell entwickelt wurde, kann mit einer größeren Fläche als natürlicher Diamant oder Diamant, der mit Hochdruck- und Hochtemperaturverfahren gezüchtet wurde, synthetisiert werden, was die Kostensenkung bei Halbleitermodulen und -gehäusen erleichtert. Das Verbinden des Trägermaterials, bei dem die CVD-Diamantschicht auf der Oberfläche davon ausgebildet ist, mit einem stark wärmeleitenden Metallelement ermöglicht das Senken des Wärmewiderstands des Gehäuses für Halbleiter.
  • Es ist zu wünschen, dass das stark wärmeleitende Metallelement beispielsweise aus Cu, Mo, Cu-W-Legierung, Cu-Mo-Legierung oder Cu-W-Mo-Legierung hergestellt ist. Außerdem können Plattiermaterialien davon verwendet werden.
  • Bei dem Gehäuse für Halbleiterelemente der vorliegenden Erfindung ist es zu wünschen, dass das Metallelement Vorsprünge um das Trägermaterial mit der CVD-Diamantschicht herum aufweist, wobei die Vorsprünge bis zu der Oberseite der CVD-Diamantschicht reichen. Das Ausstatten, und das Verbinden mit dem Metallelement, des Trägermaterials mit der CVD-Diamantschicht nur an der Innenseite der Vorsprünge ermöglicht die Miniaturisierung des aus dem CVD-Diamant hergestellten Abschnitts und des Gehäuses selbst, was zu der Kostensenkung des Gehäuses führt. Die Vorsprünge verhindern Mikrowellen- und Millimeterwellenstreuung und statten die zu montierenden Halbleiterelemente mit leichtem Zugriff auf das in Kontaktlöchern befindliche Erdpotenzial aus, was die Verwirklichung eines Hochleistungsgehäuses ermöglicht.
  • Wie oben angegeben, kann der CVD-Diamantträger als der Träger zum Montieren von Halbleiterelementen ein unabhängiges Diamantplättchen sein, das durch Dampfphasensynthese ausgebildet wurde. Für die Dicke des Diamantplättchens gilt, dass, wenn es extrem dünn ist, die stark wärmeleitende Eigenschaft des Diamanten nicht genutzt werden kann, und, wenn es extrem dick ist, die Gesamtkosten steigen. Folglich ist es zu wünschen, dass die Dicke des CVD-Diamantträgers in dem Bereich von 50 bis 700 μm liegt, vorzugsweise in dem Bereich von 100 bis 500 μm.
  • Nach der vorliegenden Erfindung umfasst der Träger zum Montieren von Halbleiterelementen ein Trägermaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 100 W/m·K oder mehr und eine CVD-Diamantschicht, die auf einem Teil oder der Gesamtheit der Oberseite des Trägermaterials ausgebildet ist. Es ist zu wünschen, dass das Trägermaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 100 W/m·K oder mehr wenigstens eins umfasst, das aus der aus Si, AlN, SiC, Cu-W-Legierung, Cu-Mo-Legierung und Cu-W-Mo-Legierung bestehenden Gruppe ausgewählt wird. Es ist außerdem zu wünschen, dass die Dicke des Trägermaterials in dem Bereich von 200 bis 700 μm liegt. Es ist zu wünschen, dass die Dicke der auf dem Trägermaterial ausgebildeten CVD-Diamantschicht in dem Bereich von 5 bis 200 μm liegt, vorzugsweise in dem Bereich von 10 bis 100 μm.
  • In diesem Fall kann, da die auf dem Trägermaterial ausgebildete CVD-Diamantschicht, wie oben gezeigt, dünn gemacht werden kann, ein Gehäuse bei sehr viel geringeren Kosten erzielt werden. Zusätzlich lässt die dünne Diamantschicht auf dem Trägermaterial die effektive Wärmeausdehnungsrate des Bereichs zum Montieren von Halbleiterelementen im Vergleich zu dem aus dem unabhängigen Diamantplättchen hergestellten CVD-Diamantträger beachtlich groß werden und sich der der Halbleiterelemente nähern. Dies verringert daher die in dem Halbleiterelement erzeugte Wärmespannung, was noch wirksamer die Rissbildung des Halbleiterelements, wenn es montiert wird, verhindert.
  • Das Bereitstellen einer CVD-Diamantschicht auf dem Trägermaterial ermöglicht eine hochwirksame Ableitung der von den Halbleiterelementen erzeugten Wärme. Im Besonderen diffundiert die an den Halbleiterelementen erzeugte Wärme zuerst seitlich in der Diamantschicht starker Wärmeleitfähigkeit und breitet sich dann in das stark wärmeleitende Trägermaterial darunter durch den gesamten Bereich der Diamantschicht aus. Auf diese Weise erhält das Gehäuse sogar mit einer dünnen CVD-Diamantschicht eine stark wärmeableitende Eigenschaft. Um eine überlegene seitliche Wärmeübertragung in der Diamantschicht zu erzielen, ist es zu wünschen, dass die CVD-Diamantschicht eine Wärmeleitfähigkeit von 1000 W/m·K oder mehr aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung legt ein Gehäuse für Halbleiter vor, das eine metallisierte Schicht auf dem Bereich zum Montieren von Halbleiterelementen des CVD-Diamantträgers oder der CVD-Diamantschicht auf dem Trägermaterial aufweist. Auf diese metallisierte Schicht werden Halbleiterelemente durch ein Lötmaterial verbunden. Es ist zu wünschen, dass die metallisierte Schicht wenigstens eine Metallart umfasst, die aus der aus Au, Mo, Ni, Pt, Pd, Ti, Cu und Al bestehenden Gruppe; einer Legierung davon; oder laminierten Schichten davon ausgewählt wird. Es ist zu wünschen, dass das Lötmaterial wenigstens eine Metallart umfasst, die aus der aus Au, Si, Ge, Sn, Pb, In, Ag und Ti bestehenden Gruppe oder einer Legierung davon ausgewählt wird. Es ist zu wünschen, dass die Gesamtdicke der metallisierten Schicht und der gelöteten Schicht in dem Bereich von 0,1 bis 50 μm liegt.
  • Es ist zu wünschen, dass die Leiterrahmenverbindungszonen des Gehäuses für Halbleiterelemente mit einem Keramikelement ausgestattet sind, das aus Aluminiumoxid hergestellt ist oder hauptsächlich daraus besteht. Zum Beispiel wird der CVD-Diamantträ ger oder das Trägermaterial mit der CVD-Diamantschicht mit dem Metallelement an der Innenseite der Vorsprünge verbunden, und das Keramikelement kann mit dem Metallelement an der Außenseite der Vorsprünge verbunden werden, um die Leiterrahmen durch die metallisierten Schichten auf der Oberseite des Keramikelements zu verbinden. Auf diese Weise wird neben dem Träger zum Montieren von Halbleiterelementen das Keramikelement zum Verbinden von Leiterrahmen mit dem Metallelement verbunden, so dass eine Kostensenkung erreicht werden kann und die Leiterrahmen einfach mit hoher Bindefestigkeit angebracht werden können.
  • Bei dem Gehäuse für Halbleiterelemente der vorliegenden Erfindung erhöht das Ausbilden von laminierten Verdrahtungsschichten, die eine Vielzahl von Kombinationen aus einer isolierenden Schicht mit einer Dielektrizitätskonstante von 5 oder weniger und einer Metall-Verdrahtungsschicht umfassen, auf der Oberfläche zum Montieren von Halbleiterelementen der CVD-Diamantschicht auf dem Trägermaterial die Montagedichte von Halbleiterelementen noch weiter. Dies trägt zu dem Anstieg der Betriebsfrequenz des Halbleitermoduls und zu der Miniaturisierung von Gehäusen und Modulen bei.
  • Durch Montieren eines Hochleistungs-Halbleiterelements oder von Hochleistungs-Halbleiterelementen auf der CVD-Diamantschicht des Gehäuses für Halbleiterelemente der vorliegenden Erfindung kann ein kostengünstiges, stark wärmeableitendes Halbleitermodul gebildet werden. Das Modul eignet sich zum Montieren eines Hochleistungs-Halbleiterelements oder von Hochleistungs-Halbleiterelementen, die hauptsächlich aus Galliumarsenid oder Si bestehen, im Besonderen Hochleistungs-Transistoren oder MMIC. Es ist zu wünschen, dass die Oberfläche eines Hochleistungs-Halbleiterelements gegenüber der wärmeerzeugenden Zone mit der CVD-Diamantschicht auf dem Trägermaterial verbunden wird.
  • Wie oben angegeben, ermöglicht der Einsatz von CVD-Diamant zum Montieren von Halbleiterelementen die Produktion eines Gehäuses für Halbleiter, das überlegene Wärmeableitung mit niedrigem Wärmewiderstand aufweist, wobei das Gehäuse das Trägermaterial mit der darauf als Wärmesenke ausgebildeten CVD-Diamantschicht aufweist. Das Halbleitermodul, mit dem ein Halbleiterelement oder Halbleiterelemente auf dem Gehäuse für Halbleiterelemente montiert wird/werden, stellt eine Umgebung bereit, in der bislang ungekannte mikrowellenverstärkende Hochleistungstransistoren oder MMIC stabil arbeiten.
  • Die folgenden Zeichnungen werden in beispielhafter Form bereitgestellt:
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Gehäuses für Halbleiterelemente; (a) ist die Schnittansicht auf der Linie A-A der Draufsicht (b).
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines Gehäuses für Halbleiterelemente der vorliegenden Erfindung; (a) ist die Schnittansicht auf der Linie B-B der Draufsicht (b).
  • 3 ist eine Perspektivansicht eines Beispiels für herkömmliche Gehäuse für Halbleiterelemente.
  • 4 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für herkömmliche Gehäuse für Halbleiterelemente; (a) ist die Schnittansicht auf der Linie C-C der Draufsicht (b).
  • Das Folgende ist die ausführliche Erklärung der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen.
  • BEISPIEL 1
  • Gehäuse für Halbleiterelemente wurden wie in 1 gezeigt hergestellt. Das Gehäuse besitzt ein Metallelement (21) mit zwei parallelen Vorsprüngen (26), die sich von einander getrennt auf dem Metallelement befinden. Auf dem von den beiden Vorsprüngen (26) umgebenen Untermontier-Abschnitt ist ein CVD-Diamantträger (22) verbunden, der aus einem freistehenden Diamantfilm hergestellt ist, der durch Dampfphasensynthese ausgebildet wurde. Auf dem Außenabschnitt der Vorsprünge (26) ist ein aus Aluminiumoxid hergestelltes rahmenförmiges Keramikelement (27) verbunden. Der CVD-Diamantträger (22) hat einen Bereich (25) zum Montieren von Halbleiterelementen auf der Oberseite davon, und Leiterrahmen (23) sind auf der Oberseite des Keramikelements (27) durch metallisierte Schichten (28) angebracht.
  • Dieses Gehäuse für Halbleiterelemente wurde auf die folgende Weise hergestellt: Das aus Cu-W-Legierung hergestellte Metallelement (21) wurde mit den beiden parallelen Vorsprüngen (6) ausgestattet, wobei eine Höhe (H) den Untermontier-Abschnitt umgab. Das aus Aluminiumoxid hergestellte Keramikelement (7) wurde in einem Rahmen mit einer Dicke (H) ausgebildet, damit es gerade außerhalb der Vorsprünge (26) angebracht werden konnte. Die metallisierten Schichten (28) wurden auf der Oberseite des Keramikelements (27) vorbereitet, um die Leiterrahmen durch Silberlot zu verbinden. Die Unterfläche des Keramikelements (27) wurde ebenfalls metallisiert (nicht gezeigt), um dasselbe mit dem Metallelement (21) darunter durch Silberlot zu verbinden.
  • Der freistehende Diamantfilm, der als der CVD-Diamantträger (22) verwendet werden sollte, wurde durch die Gassynthese von Diamant auf einem Si-Träger durch das Heizfaden-CVD-Verfahren unter den in Tafel 1 angegebenen Bedingungen erzielt. Dann wurde die Züchtungsfläche geschliffen, und der Si-Träger wurde durch Säure aufgelöst und entfernt. Die Ergebnisse der Messung der Wärmeleitfähigkeit der erzielten unabhängigen Diamantplättchen durch das Laser-Blitz-Verfahren fielen in den Bereich von 1050 bis 1150 W/m·K.
  • TAFEL 1
    Figure 00090001
  • Um den CVD-Diamantträger (22) zu erzielen, wurde ein Quader durch Laserstrahlen so aus dem freistehenden Diamantfilm geschnitten, dass derselbe in den Untermontier-Abschnitt, der von den Vorsprüngen (26) des Metallelements (21) umgeben war, eingesetzt werden konnte. Der Bereich (25) zum Montieren von Halbleiterelementen auf der Oberseite des CVD-Diamantträgers (22) wurde mit einer metallisierten Schicht in der lami nierten Struktur von 1 μm Au/0,1 μm Pt/0,05 μm Ti in der Reihenfolge Ti, Pt und Au von der unteren Schicht aufgetragen. Die Unterfläche des CVD-Diamantträgers (22) wurde durch AuGe-Lot auf dem Untermontier-Abschnitt verbunden, der von den Vorsprüngen (26) des Metallelements (21) umgeben war.
  • Bei den Abmessungen bei dem vorgenannten Gehäuse für Halbleiter war der CVD-Diamantträger (22) 3 mm breit, 7 mm lang und 0,3 mm dick; die Dicke des Metallelements (21) betrug 1,5 mm; und die Höhe (H) der Vorsprünge (26) betrug 0,45 mm. Auf einem so hergestellten Gehäuse wurde ein MMIC-Chip (Wärmeerzeugung: 60 W) auf dem Bereich (25) zum Montieren von Halbleiterelementen auf der Oberseite des CVD-Diamantträgers (22) montiert, um ein Halbleitermodul zu bilden. Die Betriebsergebnisse zeigten, dass das Modul eine im Wesentlichen starke Wärmeableitung aufwies und den Chip mit dem Erdpotenzial niedriger Induktivität ausstattete, so dass der MMIC-Chip stabil mit hoher Effizienz für eine ausgedehnte Dauer arbeiten konnte.
  • Dagegen fielen die Betriebsergebnisse an den Gehäusen mit einem herkömmlichen AlN- oder BeO-Träger, anstatt des vorgenannten aus einem freistehenden Diamantfilm hergestellten CVD-Diamantträgers (22), auf dem Untermontier-Abschnitt so aus, dass der MMIC-Chip auf Grund eines übermäßigen Temperaturanstiegs, wenn die Wärmeerzeugung des Chips 10 W überschritt, häufig nicht korrekt arbeitete, was zu dem Ausfall des Chips führte.
  • BEISPIEL 2
  • Gehäuse für Halbleiterelemente wurden, wie in 2 gezeigt, mit einem Trägermaterial (29) mit einer CVD-Diamantschicht (22) auf der Oberseite davon hergestellt, anstatt mit dem aus einem unabhängigen Diamantplättchen hergestellten CVD-Diamantträger (22), der in dem vorgenannten Beispiel 1 verwendet wurde. Die Herstellverfahren und Abmessungen des Gehäuses waren mit Ausnahme des nachfolgend beschriebenen Bildungsverfahrens für die CVD-Diamantschicht (22) dieselben wie in Beispiel 1.
  • Als Trägermaterial (29) wurden Si, AlN, Cu-W-Legierung, SiC und Si3N4 getrennt vorbereitet. Eine gesamte Oberfläche des Trägermaterials (29) wurde unter Verwendung von Diamantpulvern angeraut, um mit dem Heizfaden-CVD-Verfahren Diamanten auf der Oberfläche davon zu züchten. Die Zuchtbedingungen werden in der nachfolgenden Tafel 2 gezeigt.
  • TAFEL 2
    Figure 00110001
  • Auf diese Weise wurde die CVD-Diamantschicht (22) mit hoher Bindefestigkeit über jedes Trägermaterial (29) mit einer Dicke von 0,28 mm ausgebildet. Jede CVD-Diamantschicht (22) wurde auf eine Dicke von 20 μm abgeschliffen. Alle Ergebnisse der Messung der Wärmeleitfähigkeit der Diamantschichten (22) mit dem Laser-Blitz-Verfahren fielen in den Bereich von 1150 bis 1250 W/m·K.
  • Nachdem jede CVD-Diamantschicht (22) geschliffen wurde, wurde die Probe mit Laserstrahlen geschnitten, um einen Quader zu bilden. Der Quader wurde dann wie bei Beispiel 1 mit einer metallisierten Schicht auf die Oberseite davon aufgetragen und auf dem Untermontier-Abschnitt, der von den Vorsprüngen (26) des Metallelements (21) umgeben ist, verbunden, um ein Gehäuse für Halbleiterelemente bereitzustellen.
  • Auf jedes so hergestellte Gehäuse wurde ein MMIC-Chip (Wärmeerzeugung: 60 W) auf den Bereich (25) zum Montieren von Halbleiterelementen auf der Oberseite des CVD-Diamantschicht (22) montiert, um ein Halbleitermodul zu bilden. Die Betriebsergebnisse zeigten, dass der MMIC-Chip wie in Beispiel 1 mit hoher Effizienz für eine ausgedehnte Dauer arbeitete, außer dass, wenn Si3N4 als das Trägermaterial (29) verwendet wurde, der Chip wenige Minuten nach dem Beginn des Betriebs überhitzte und ausfiel. Der Grund besteht möglicherweise darin, dass der S3N4-Sinterkörper eine Wärmeleitfähigkeit von nur 20 bis 50 W/m·K aufweist.

Claims (5)

  1. Gehäuse für Halbleiterelemente, das umfasst: ein Trägermaterial (29) zum Montieren von Halbleiterelementen, das eine Wärmeleitfähigkeit von 100 W/m·K oder mehr hat; eine CVD-Diamantschicht (22) mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 200 μm, die auf einem Teil oder der Gesamtheit der Oberfläche des Trägermaterials auf der Seite zum Montieren von Halbleiterelementen ausgebildet ist; und ein stark wärmeleitendes Metallelement (21), das mit dem Trägermaterial an der Oberfläche des Trägermaterials gegenüber der zum Montieren von Halbleiterelementen verbunden ist, wobei das Metallelement Vorsprünge (26) um das Trägermaterial herum aufweist, das mit der CVD-Diamantschicht versehen ist, und die Vorsprünge bis zur Oberseite der Diamantschicht reichen.
  2. Gehäuse für Halbleiterelemente nach Anspruch 1, wobei das Trägermaterial wenigstens ein Material umfasst, das aus Si, AlN, SiC, Cu-W-Legierung, Cu-Mo-Legierung und Cu-W-Mo-Legierung ausgewählt wird.
  3. Gehäuse für Halbleiterelemente nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Keramikelement, das aus Aluminiumoxid hergestellt ist oder hauptsächlich daraus besteht, in dem Gehäuse an den Stellen zum Verbinden mit Leiterrahmen vorhanden ist.
  4. Gehäuse für Halbleiterelemente nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei laminierte Verdrahtungsschichten, die eine Vielzahl von Kombinationen aus einer isolierenden Schicht mit einer Dielektrizitätskonstante von 5 oder weniger und einer Metall-Verdrahtungsschicht umfassen, auf der gleichen Oberfläche zum Montieren von Halbleiterelementen der CVD-Diamantschicht ausgebildet sind, die auf dem Trägermaterial ausgebildet ist.
  5. Halbleitermodul, mit dem ein Hochleistungs-Halbleiterelement oder Hochleistungs-Halbleiterelemente auf der Oberfläche zum Montieren von Halbleiterelementen der CVD-Diamantschicht montiert wird/werden, die auf dem Trägermaterial eines Gehäuses für Halbleiterelemente nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 ausgebildet ist.
DE69915903T 1998-01-16 1999-01-15 Gehäuse für Halbleiterbauelemente und Halbleitermodul, das das Gehäuse verwendet Expired - Lifetime DE69915903T2 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP623898 1998-01-16
JP623898 1998-01-16
JP8423398 1998-03-30
JP8423398 1998-03-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69915903D1 DE69915903D1 (de) 2004-05-06
DE69915903T2 true DE69915903T2 (de) 2005-02-10

Family

ID=26340324

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE69915903T Expired - Lifetime DE69915903T2 (de) 1998-01-16 1999-01-15 Gehäuse für Halbleiterbauelemente und Halbleitermodul, das das Gehäuse verwendet

Country Status (3)

Country Link
US (1) US6335863B1 (de)
EP (1) EP0930648B1 (de)
DE (1) DE69915903T2 (de)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001244357A (ja) * 2000-03-02 2001-09-07 Sumitomo Electric Ind Ltd パッケージ及びその製造方法
AU2003284065A1 (en) * 2002-10-11 2005-05-05 Chien-Min Sung Carbonaceous heat spreader and associated methods
US20050189647A1 (en) * 2002-10-11 2005-09-01 Chien-Min Sung Carbonaceous composite heat spreader and associated methods
US7173334B2 (en) 2002-10-11 2007-02-06 Chien-Min Sung Diamond composite heat spreader and associated methods
US20060113546A1 (en) * 2002-10-11 2006-06-01 Chien-Min Sung Diamond composite heat spreaders having low thermal mismatch stress and associated methods
JP2004146413A (ja) * 2002-10-22 2004-05-20 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置
JP2004200346A (ja) * 2002-12-18 2004-07-15 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体素子収納用パッケージ、その製造方法及び半導体装置
US7061022B1 (en) 2003-08-26 2006-06-13 United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Lateral heat spreading layers for epi-side up ridge waveguide semiconductor lasers
DE10339220B4 (de) * 2003-08-26 2006-08-10 Hitachi Via Mechanics, Ltd., Ebina Spiegel für eine Ablenkeinheit in einem Lasersystem, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Ablenkeinheit für ein Lasersystem
US7147810B2 (en) * 2003-10-31 2006-12-12 Fraunhofer Usa, Inc. Drapable diamond thin films and method for the preparation thereof
US20070175660A1 (en) * 2006-01-27 2007-08-02 Yeung Betty H Warpage-reducing packaging design
US7791188B2 (en) 2007-06-18 2010-09-07 Chien-Min Sung Heat spreader having single layer of diamond particles and associated methods
US7816155B2 (en) * 2007-07-06 2010-10-19 Jds Uniphase Corporation Mounted semiconductor device and a method for making the same
US8256857B2 (en) * 2009-12-16 2012-09-04 Xerox Corporation System and method for compensating for small ink drop size in an indirect printing system
JP5466578B2 (ja) * 2010-05-27 2014-04-09 株式会社神戸製鋼所 ダイヤモンド・アルミニウム接合体及びその製造方法
US8778784B2 (en) 2010-09-21 2014-07-15 Ritedia Corporation Stress regulated semiconductor devices and associated methods
TWI451942B (zh) 2010-09-21 2014-09-11 Ritedia Corp 具實質平坦顆粒尖端之超研磨工具及其相關方法
US9006086B2 (en) 2010-09-21 2015-04-14 Chien-Min Sung Stress regulated semiconductor devices and associated methods
US9902023B1 (en) 2014-10-28 2018-02-27 Western Digital (Fremont), Llc Systems and devices for achieving high throughput attachment and sub-micron alignment of components
WO2017201260A1 (en) * 2016-05-20 2017-11-23 Materion Corporation Copper flanged air cavity packages for high frequency devices

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3678995A (en) * 1970-06-22 1972-07-25 Rca Corp Support for electrical components and method of making the same
US3641398A (en) 1970-09-23 1972-02-08 Rca Corp High-frequency semiconductor device
US3753056A (en) * 1971-03-22 1973-08-14 Texas Instruments Inc Microwave semiconductor device
US3974518A (en) * 1975-02-21 1976-08-10 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Encapsulation for high frequency semiconductor device
US4425195A (en) * 1982-11-10 1984-01-10 Martin Marietta Corporation Method of fabricating a diamond heat sink
FR2536586B1 (fr) * 1982-11-23 1986-01-24 Thomson Csf Module preadapte pour diode hyperfrequence a forte dissipation thermique
JPS607742A (ja) * 1983-06-27 1985-01-16 Nec Corp 半導体装置
JPS60226143A (ja) 1984-04-25 1985-11-11 Nec Corp 放熱形金属パツケ−ジの製造方法
US4788627A (en) 1986-06-06 1988-11-29 Tektronix, Inc. Heat sink device using composite metal alloy
JPH01216561A (ja) * 1988-02-24 1989-08-30 Mitsubishi Metal Corp 半導体装置のダイボンディング用基板
JPH01317197A (ja) * 1988-06-16 1989-12-21 Kanegafuchi Chem Ind Co Ltd ダイヤモンド薄膜基板およびその製法
US5109268A (en) * 1989-12-29 1992-04-28 Sgs-Thomson Microelectronics, Inc. Rf transistor package and mounting pad
JP2720628B2 (ja) 1991-05-21 1998-03-04 三菱電機株式会社 半導体装置の製造方法
US5309163A (en) * 1991-09-12 1994-05-03 Trw Inc. Active patch antenna transmitter
JP3309492B2 (ja) * 1993-05-28 2002-07-29 住友電気工業株式会社 半導体装置用基板
JP3387221B2 (ja) 1993-06-25 2003-03-17 住友電気工業株式会社 半導体用高熱伝導性セラミックスパッケージ
US5602720A (en) 1993-06-25 1997-02-11 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Mounting structure for semiconductor device having low thermal resistance
US5491449A (en) 1993-11-19 1996-02-13 Endgate Technology Corporation Dual-sided push-pull amplifier
WO1997005757A1 (en) 1995-07-31 1997-02-13 Crystalline Materials Corporation Diamond electronic packages featuring bonded metal
US5858537A (en) * 1996-05-31 1999-01-12 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Compliant attachment

Also Published As

Publication number Publication date
DE69915903D1 (de) 2004-05-06
EP0930648B1 (de) 2004-03-31
US6335863B1 (en) 2002-01-01
EP0930648A3 (de) 2000-04-19
EP0930648A2 (de) 1999-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69915903T2 (de) Gehäuse für Halbleiterbauelemente und Halbleitermodul, das das Gehäuse verwendet
DE60026978T2 (de) Mehrchipgehäuse mit integrierten rf-fähigkeiten
DE102010038246B4 (de) Oberflächenmontierbares drahtloses Package mit offenem Hohlraum für Hochleistungs-HF-Anwendungen, Verfahren zum Herstellen eines HF Halbleiterpackage und einer HF Halbleiterpackagebaugruppe
DE102018116847B4 (de) Keramik-Modul für eine leistungshalbleiter-integrierte Verpackung und dessen Präparationsverfahren
DE60111753T2 (de) Dickschicht-millimeterwellen-sende-empfängermodul
DE10033977B4 (de) Zwischenverbindungsstruktur zum Einsatz von Halbleiterchips auf Schichtträgern
DE112017002961B4 (de) Leistungs-halbleitereinheit
DE60202425T2 (de) Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
DE112011105178B4 (de) Halbleitervorrichtung
DE102004021075B4 (de) Halbleiterbauelement mit anisotrop thermisch leitender Radiatorbasis und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102013208818A1 (de) Zuverlässige Bereichsverbindungsstellen für Leistungshalbleiter
DE102004014207A1 (de) Optoelektronisches Bauteil mit mehrteiligem Gehäusekörper
DE112017007098T5 (de) Halbleitervorrichtung
DE112018007457T5 (de) Halbleitervorrichtung
DE102007032775B4 (de) Leistungsverstärker
DE102016102476A1 (de) Halbleiteranordnung, die einen mehrschichtigen Träger aufweist
DE19935804A1 (de) Millimeterwellen-Modul
EP2108190B1 (de) Elektronisches bauelementmodul und verfahren zu dessen herstellung
DE102004059986A1 (de) Zusammengesetzte Wärmesenkenanordnung mit niedriger thermischer Belastung
JP4412072B2 (ja) 電子部品の実装方法，半導体モジュール及び半導体装置
DE10329329B4 (de) Hochfrequenz-Gehäuse und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102020007677A1 (de) Leiterrahmenabstandshalter für doppelseitiges leistungsmodul
DE10302022B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines verkleinerten Chippakets
DE19651528B4 (de) Chipanordnung und Verfahren zum Herstellen derselben
DE19622650A1 (de) Gehäuse für digitalen Hochleistungs-IC, welcher ein BGA(Kugelgitterarray)-Ein/Ausgabe-Format verwendet sowie keramisches Einschicht-Substrat mit Bimetall gefüllter Durchgangstechnologie

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition
8320 Willingness to grant licences declared (paragraph 23)