DE102006011689A1 - Halbleitervorrichtung und isolierendes Substrat für dieselbe - Google Patents
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Abstract
Eine Halbleitervorrichtung (100) beinhaltet: ein Isolationssubstrat (10), das ein Keramiksubstrat (1) mit einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche, einen ersten metallischen Leiter (2), der auf der ersten Hauptoberfläche angebracht ist, und einen zweiten metallischen Leiter (3), der auf der zweiten Hauptoberfläche angebracht ist, aufweist; ein Halbleiterelement (20), das auf dem ersten metallischen Leiter (2) auf der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist; und eine Grundplatte (30), die mit zweiten metallischen Leiter (3) auf der zweiten Hauptoberfläche verbunden ist, auf welcher das Isolationssubstrat (10) angeordnet ist. Der zweite metallische Leiter (3) beinhaltet einen Verbindungsbereich (4), der mit der zweiten Hauptoberfläche verbunden ist, und einen Nichtverbindungsbereich (6), der um den Verbindungsbereich herum ausgebildet ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und ein isolierendes Substrat für dieselbe und spezieller auf eine Halbleitervorrichtung und ein isolierendes Substrat für dieselbe, durch welche ein durch thermische Belastung verursachter Ausfall verhindert wird zur Vergrößerung der Produktlebensdauer.
- Ein isolierendes Substrat aus einem Keramiksubstrat mit blattartigen metallischen Leitern auf den beiden Seiten wird für eine Leistungshalbleitervorrichtung verwendet. Ein Leistungshalbleiterelement eines IGBT beispielsweise ist auf dem metallischen Leiter auf der Vorderseite des keramischen Substrats mittels einer Lotschicht befestigt. Der metallische Leiter auf der rückseitigen Oberfläche des keramischen Substrats ist auf einer metallischen Grundplatte durch eine Lotschicht befestigt. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient des keramischen Substrats und der metallischen Grundplatte, die über die Lotschicht verbunden sind, unterschiedlich zueinander sind, werden Rissen in der Lotschicht erzeugt, wenn die Temperatur der Leistungshalbleitervorrichtung sich ändert. Folglich wird beispielsweise die Fläche des metallischen Leiters, der auf der rückseitigen Oberfläche des keramischen Substrats befestigt ist, breiter gemacht als die rückseitige Oberfläche der keramischen Platte, so daß die Konzentration der thermischen Belastung nahe den Eckabschnitten des keramischen Substrats besonders verhindert wird und die Generation der Risse in der Lotschicht verhindert wird (JP 2000-349209 A).
- Es gibt jedoch das Problem, daß dem Keramiksubstrat eine thermische Belastung zugefügt wird, wenn die Temperatur der Leistungshalbleitervorrichtung sich ändert, da die Gestalten oder dergleichen der metallischen Leiter, die auf der Vorder- und der Rückseite befestigt sind, unterschiedlich zueinander sind.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die die Erzeugung von Rissen in einem Keramiksubstrat, das in einem isolierenden Substrat beinhaltet ist, verhindert, wenn die Temperatur der Halbleitervorrichtung sich verändert, und das für dieselbige verwendete isolierende Substrat.
- Die Aufgabe wird gelöst durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 und ein Isolationssubstrat nach Anspruch 9.
- Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf eine Halbleitervorrichtung, welche aufweist:
ein Isolationssubstrat, das ein Keramiksubstrat mit einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche aufweist, einen ersten metallischen Leiter, der auf der ersten Hauptoberfläche angebracht ist, und einen zweiten metallischen Leiter, der auf der zweiten Hauptoberfläche angebracht ist, ein Halbleiterelement, das auf dem ersten metallischen Leiter auf der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist und eine Grundplatte, die mit dem zweiten metallischen Leiter auf der zweiten Hauptoberfläche verbunden ist und auf der das Isolationssubstrat angeordnet ist, wobei der zweite metallische Leiter einen Verbindungsbereich aufweist, der mit der zweiten Hauptoberfläche verbunden ist und einen Nichtverbindungsbereich, der um den Verbindungsbereich herum ausgebildet ist. - Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Erzeugung von Rissen in einem Keramiksubstrat, das in einem Isolationssubstrat beinhaltet ist, sogar dann verhindert, wenn die Temperatur der Halbleitervorrichtung sich ändert. Daher ist es möglich, eine zuverlässige und langlebige Halbleitervorrichtung bereitzustellen.
- Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Von den Figuren zeigen:
-
1 eine Seitenansicht der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, -
2 eine Draufsicht des Isolationssubstrats gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, -
3 eine teilweise vergrößerte Ansicht der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, -
4 eine Seitenansicht des Isolationssubstrats gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung und -
5 eine Draufsicht des Isolationssubstrats gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. - Ausführungsform 1
-
1 ist eine Seitenansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, die allgemein mit100 bezeichnet ist. Die Leistungshalbleitervorrichtung100 beinhaltet eine Isolationssubstrat10 . Das Isolationssubstrat10 besteht aus einem Keramiksubstrat1 und metallischen Leitern2 und3 , die an der Vorderfläche (ersten Hauptoberfläche) bzw. der rückseitigen Oberfläche (zweite Hauptoberfläche) des Keramiksubstrats1 ausgebildet sind. Das Keramiksubstrat1 ist beispielsweise aus Aluminiumoxid. Die metallischen Leiter2 und3 sind beispielsweise aus Kupfer und sind mit dem Keramiksubstrat1 verbunden unter Verwendung von beispielsweise einem Aktivmetallverfahren. - Ein Halbleiterelement
20 ist auf dem metallischen Leiter2 auf der vorderen Oberfläche des Isolationssubstrats10 befestigt. Ein Leistungs-FET, ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) oder eine FWD (Freilaufdiode) werden beispielsweise als ein Halbleiterelement20 verwendet. - Der metallische Leiter
3 auf der rückseitigen Oberfläche des Isolationssubstrats10 und eine metallische Grundplatte30 sind durch eine Lotschicht5 aneinander gefügt, so daß das Isolationssubstrat10 auf der metallischen Grundplatte30 angebracht ist. Die metallische Grundplatte30 ist beispielsweise aus Kupfer und wird verwendet zum Abgeben von Wärme, die in dem Halbleiterelement20 erzeugt wird. - Wie in
1 gezeigt, ist zwischen dem Keramiksubstrat1 und der metallischen Leiter3 ein Nichtverbindungsbereich6 , in dem das Keramiksubstrat1 und der metallische Leiter3 nicht verbunden sind, entlang des Umfangs des Keramiksubstrats1 ausgebildet. -
2 ist eine Draufsicht auf das Isolationssubstrat10 von oben (von der Seite des Halbleiterelements20 ). Das Keramiksubstrat1 ist an die rückseitige Oberfläche des metallischen Leiters2 gefügt und der metallische Leiter3 ist an die rückseitige Oberfläche des Keramiksubstrats1 gefügt. Der metallische Leiter3 ist groß genug, so daß der Umfangsabschnitt des metallischen Leiters3 sich über die Kante des Keramiksubstrats1 hinaus ausdehnt. Es wird bemerkt, daß das Isolationssubstrat10 für sich verkauft oder auf dem Markt vertrieben werden kann. - Der in
2 gezeigte schraffierte Bereich ist der Nichtverbindungsbereich6 zwischen dem Keramiksubstrat1 und dem metallischen Leiter3 . Dies bedeutet, der Nichtverbindungsbereich6 ist um den Bereich herum angeordnet, der den metallischen Leitern2 , die auf der Vorderfläche des Keramiksubstrats1 ausgebildet sind, durch das Keramiksubstrat1 hindurch gegenüberliegt. Ein Verbindungsbereich4 ist an den Bereichen gegenüber den metallischen Leitern2 und gegenüber dem Bereich, der zwischen zwei metallischen Leiter2 vorhanden ist, angeordnet. -
3 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht der Leistungshalbleitervorrichtung100 , die in1 gezeigt ist. Der Verbindungsbereich4 ist an dem Bereich angeordnet, der dem metallischen Leiter2 durch das Keramiksubstrat1 hindurch gege nüberliegt, und der Nichtverbindungsbereich6 ist um den Verbindungsbereich4 herum angeordnet. - Bei der Leistungshalbleitervorrichtung
100 gemäß der Ausführungsform 1 ist der Umfangsabschnitt des metallischen Leiters3 außerhalb des Rands des Keramiksubstrats1 angeordnet. Daher ist die in dem Bereich erzeugte thermische Belastung, welche mit „B" bezeichnet ist, in der Lotschicht5 von3 abgeschwächt, so daß Risse in diesem Bereich der Lotschicht5 verhindert werden können. - Vorzugsweise wird eine bleifreie Lötung verwendet, beispielsweise hauptsächlich bestehend aus Zinn und gemischt mit Silber und Kupfer als einem Material der Lotschicht
5 . Da bei thermischer Belastung die bleifreie Lötung im Allgemeinen schwächer ist als eine Blei-Lötung, wird die Erzeugung von Rissen in der Lotschicht5 durch Verwendung des Aufbaus gemäß der Ausführungsform 1 verhindert. - Weiterhin ist bei der Leistungshalbleitervorrichtung
100 der Verbindungsbereich4 an dem Bereich angeordnet, der dem metallischen Leiter2 durch das Keramiksubstrat1 hindurch gegenüberliegt, und der Nichtverbindungsbereich6 ist um den Verbindungsbereich4 herum angeordnet. Dadurch wird die thermische Belastung, die an dem Abschnitt, der in3 mit „A" bezeichnet ist, erzeugt wird, abgeschwächt und wird kleiner als jene, die in einer Leistungshalbleitervorrichtung ohne den Nichtverbindungsbereich6 erzeugt wird. Folglich kann in dem Keramiksubstrat1 die Erzeugung der Risse an dem Abschnitt, der mit „A" bezeichnet ist, verhindert werden. - Wie oben beschrieben, werden bei der Leistungshalbleitervorrichtung
100 gemäß der Ausführungsform 1 die Erzeugung von Rissen sowohl in dem Keramiksubstrat1 , das in dem Isolationssubstrat10 beinhaltet ist, als auch in der Lötungsschicht5 , die das Isolationssubstrat10 mit der metallischen Grundplatte30 verbindet, verhindert. Dadurch kann die Leistungshalbleitervorrichtung100 mit hoher Zuverlässigkeit und einer langen Produktlebensdauer erhalten werden. - Ausführungsform 2
-
4 ist eine Seitenansicht des Isolationssubstrats gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung, das allgemein mit50 bezeichnet ist.5 ist eine Draufsicht auf das Isolationssubstrat50 . In4 und5 bezeichnen die Bezugszeichen, die identisch zu jenen von1 sind, identische und entsprechende Komponenten. Das Isolationssubstrat50 kann anstelle des Isolationssubstrats10 der oben erwähnten Leistungshalbleitervorrichtung100 verwendet werden. - Bei dem Isolationssubstrat
50 ist ein Nichtverbindungsbereich16 mit einer annähernd dreieckigen Gestalt an jeder Ecke des metallischen Leiters3 entsprechend ausgebildet. Der Bereich außer den Nichtverbindungsbereichen16 wird als ein Verbindungsbereich4 verwendet. Jeder der vier annähernd dreieckigen Nichtverbindungsbereiche16 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß eine Seite (die längste Seite) des Dreiecks die Ecke des metallischen Leiters2 , durch das Keramiksubstrat1 gesehen, überdeckt. - Die an dem in
3 mit „A" bezeichneten Abschnitt erzeugte thermische Belastung wächst insbesondere an der Ecke des Keramiksubstrats1 . Durch Ausbilden des Nichtverbindungsbereiches16 an jeder Ecke des metallischen Leiters3 wird die thermi sche Belastung insbesondere an den Ecken des Keramiksubstrats1 abgebaut und dadurch kann die Erzeugung von Rissen verhindert werden. - Wie oben beschrieben werden durch Verwenden des Isolationssubstrats
50 gemäß der Ausführungsform 2 mit der Leistungshalbleitervorrichtung100 die Erzeugung von Rissen sowohl in dem Keramiksubstrat1 , das in dem Isolationssubstrat50 beinhaltet ist, als auch in der Lotschicht5 , die das Isolationssubstrat50 mit der metallischen Grundplatte30 verbindet, verhindert. Dadurch kann eine Leistungshalbleitervorrichtung100 mit hoher Zuverlässigkeit und einer langen Produktlebensdauer erhalten werden. - Es wird bemerkt, daß der erste metallische Leiter
2 aus Metall bestehen kann, das unterschiedlich zu jenem des zweiten metallischen Leiters3 ist oder eine unterschiedliche Dicke aufweist. Dies ermöglicht die Verringerung der thermischen Belastung, die in den Isolationssubstraten10 und50 erzeugt wird.
Claims (15)
- Halbleitervorrichtung (
100 ) mit: einem Isolationssubstrat (10 ), welches ein Keramiksubstrat (1 ) mit einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche, einen ersten metallischen Leiter (2 ), der auf der ersten Hauptoberfläche angebracht ist, und einen zweiten metallischen Leiter (3 ), der auf der zweiten Hauptoberfläche angebracht ist, aufweist, einem Halbleiterelement (20 ), das auf dem ersten metallischen Leiter (2 ) auf der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist, und einer Grundplatte (30 ), die mit dem zweiten metallischen Leiter (3 ) auf der zweiten Hauptoberfläche verbunden ist und auf der das Isolationssubstrat (10 ) angeordnet ist, wobei der zweite metallische Leiter (3 ) einen Verbindungsbereich (4 ) aufweist, der mit der zweiten Hauptoberfläche verbunden ist, und einen Nichtverbindungsbereich (6 ), der um den Verbindungsbereich (4 ) herum ausgebildet ist. - Halbleitervorrichtung (
100 ) nach Anspruch 1, bei der der zweite metallische Leiter (3 ) den Verbindungsbereich (4 ) aufweist, der dem ersten metallischen Leiter (2 ) durch das Keramiksubstrat (1 ) hindurch gegenüber liegt, und den Nichtverbindungsbereich (6 ), der entlang des Umfangs des zweiten metallischen Leiters (3 ) ausgebildet ist. - Halbleitervorrichtung (
100 ) nach Anspruch 1, bei der der Nichtverbindungsbereich (16 ) ein annähernd dreieckiger Bereich ist, der die Ecke des zweiten metallischen Leiters (3 ) beinhaltet. - Halbleitervorrichtung (
100 ) nach Anspruch 3, bei der eine Seite des annähernd dreieckigen Nichtverbindungsbereiches (16 ) der Ecke des ersten metallischen Leiters (2 ) durch das Keramiksubstrat (1 ) hindurch gegenüber liegt. - Halbleitervorrichtung (
100 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der zweite metallische Leiter so ausgebildet ist, daß der Umfangsabschnitt des zweiten metallischen Leiters (3 ) sich über den Rand des Keramiksubstrats (1 ) hinaus ausdehnt. - Halbleitervorrichtung (
100 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der erste und der zweite metallische Leiter (2 ,3 ) aus zueinander unterschiedlichen Metallen sind. - Halbleitervorrichtung (
100 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der erste und der zweite metallische Leiter (2 ,3 ) aus Metallen sind, deren Dicken unterschiedlich zueinander sind. - Halbleitervorrichtung (
100 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der zweite metallische Leiter (3 ) und die Grundplatte (30 ) durch eine bleifreie Lötung (5 ) verbunden sind. - Isolationssubstrat (
50 ), das über ein Halbleiterelement (20 ) verfügt, mit: einem Keramiksubstrat (1 ) mit einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche, einem ersten metallischen Leiter (2 ), der auf der ersten Hauptoberfläche angebracht ist und die Anordnung des Halbleiterelements (20 ) darauf ermöglicht, und einem zweiten metallischen Leiter (3 ), der auf der zweiten Hauptoberfläche angebracht ist und die Verbindung mit einer Grundplatte (30 ) ermöglicht, wobei der zweite metallische Leiter (3 ) einen Verbindungsbereich (4 ) aufweist, der mit der zweiten Hauptoberfläche verbunden ist, und einen Nichtverbindungsbereich (6 ), der um den Verbindungsbereich (4 ) herum ausgebildet ist. - Isolationssubstrat (
50 ) nach Anspruch 9, bei dem der zweite metallische Leiter (3 ) den Verbindungsbereich durch das Keramiksubstrat (1 ) dem ersten metallischen Leiter (2 ) gegenüber liegend und den Nichtverbindungsbereich (6 ) entlang des Umfangs des zweiten metallischen Leiters (3 ) ausgebildet, aufweist. - Isolationssubstrat (
50 ) nach Anspruch 9, bei dem der Nichtverbindungsbereich (16 ) ein annähernd dreieckiger Bereich ist, der die Ecke des zweiten metallischen Leiters (3 ) einschließt. - Isolationssubstrat (
50 ) nach Anspruch 11, bei dem eine Seite des annähernd dreieckigen Nichtverbindungsbereiches (16 ) durch das Keramiksubstrat (1 ) hindurch der Ecke des ersten metallischen Leiters (2 ) gegenüber liegt. - Isolationssubstrat (
50 ) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem der zweite metallische Leiter (3 ) so ausgebildet ist, daß der Umfangsabschnitt des zweiten metallischen Leiters (3 ) sich über den Rand des Keramiksubstrats (1 ) hinaus ausdehnt. - Isolationssubstrat (
50 ) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem der erste und der zweite metallische Leiter (2 ,3 ) aus zueinander unterschiedlichen Metallen sind. - Isolationssubstrat (
50 ) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem der erste und der zweite metallische Leiter (2 ,3 ) aus Metallen sind, deren Dicke zueinander unterschiedlich ist.
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