DE102006011689B4

DE102006011689B4 - Halbleitervorrichtung und isolierendes Substrat für dieselbe

Info

Publication number: DE102006011689B4
Application number: DE102006011689.5A
Authority: DE
Inventors: Junji Yamada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: CN1835223B; US20060220235A1; JP4722514B2; DE102006011689A1; JP2006261293A; US7919852B2; CN1835223A

Abstract

Halbleitervorrichtung (100) mit: einem Isolationssubstrat (50), 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 (50) angeordnet ist, wobei der zweite metallische Leiter (3) einen Verbindungsbereich (4) aufweist, der mit der zweiten Hauptoberfläche verbunden ist, wobei Nichtverbindungsbereiche (6, 16) zwischen dem Keramiksubstrat (1) und dem zweiten metallischen Leiter (3) ausgebildet sind, wobei ein Nichtverbindungsbereich (16) mit einer annähernd dreieckigen Gestalt an jeder Ecke des zweiten metallischen Leiters (3) entsprechend 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.
JP 2000-349 209 A stellt ein Leistungshalbleitermodul bereit, das Risse verhindert, die aufgrund von thermischer Ermüdung auftreten, welche durch einen Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen einem Isolierteil und einer Grundplatte verursacht wird.
US 6 844 621 B2 offenbart eine Halbleitervorrichtung mit einem Isolationssubstrat, welches aus einer Keramikplatte besteht, auf deren Ober- und Unterseite Leitungsmuster ausgebildet sind. Um Spannungsrisse in der Lotschicht zwischen dem Isolationssubstrat und einer metallischen Grundplatte zu verhindern, wird ein Leitungsmuster auf der Unterseite des Isolationssubstrates so ausgebildet, dass es einen geringeren Umfang als das Isolationssubstrat hat.
EP 0 789 397 A2 offenbart eine Halbleitervorrichtung mit einer metallischen Grundplatte, einem auf der Grundplatte angeordneten Isolationssubstrat, einer leitenden Schicht, welche mit dem Isolationssubstrat über eine Verbindungsschicht 2 verbunden ist, und ein Halbleiterelement, das auf der leitenden Schicht angebracht ist. Ein Randabschnitt der Verbindungsschicht erstreckt sich über die Ränder der leitenden Schicht hinaus.
JP H08-083 864 A beschreibt eine Leistungshalbleitervorrichtung, bei der eine thermische Spannung dadurch verringert werden kann, dass die Dicke einer Verdrahtungskupferschicht auf einer Keramikplatine größer gewählt wird als die Dicke einer Kupferschicht, welche die Keramikplatine mit einem Wärme abführenden Substrat verbindet.
JP H11-265 976 A beschreibt ein Leistungshalbleitermodul, bei dem das Auftreten von Rissen im Bondmaterial verhindert wird, welches ein Isolationsteil und eine Grundplatte verbindet. Dies geschieht dadurch, dass ein überragendes Stufenunterschiedsteil 5 mit kleinerer Fläche als der Verbindungsbereich zwischen einem Isolationsteil und einer Grundplatte bereitgestellt wird.
JP 2000-101 203 A beschreibt ein Keramiksubstrat, das eine Schaltung auf einer Hauptseite und eine Metallplatte auf einer anderen Hauptseite aufweist, wobei die Metallplatte das Keramiksubstrat und eine metallische Grundplatte verbindet.
Die Metallplatte enthält einen Verbindungsbereich und einen Nichtverbindungsbereich, der den Verbindungsbereich umgibt. Die Dicke der Metallplatte in einem Teil des Nichtverbindungsbereichs unterscheidet sich von der Dicke in einem anderen Teil des Nichtverbindungsbereichs.
DE 696 21 222 T2 beschreibt eine Keramikleiterplatte, die derart ausgebildet ist, dass eine Metallleiterplatte mit einem Lotmaterial an ein Keramiksubstrat gebunden ist, und insbesondere eine Keramikleiterplatte, bei der die Bindungsfestigkeit einer Metallleiterplatte hoch ist, die Hitzezyklus-Beständigkeitseigenschaften hervorragend sind und die Zuverlässigkeit hoch ist.
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 2000-349 209 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 7.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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 einem erläuternden Beispiel der vorliegenden Erfindung,
2 eine Draufsicht des Isolationssubstrats gemäß einem erläuternden Beispiel der vorliegenden Erfindung,
3 eine teilweise vergrößerte Ansicht der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem erläuternden Beispiel 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.
erläuterndes Beispiel
Die Ausführungsform 1 stellt – bezüglich der Anordnung des Nichtverbindungsbereiches – keine Ausführungsform der beanspruchten Erfindung dar. Allgemeine Aussagen, wie Aussagen zu Materialien, Verwendungen und Vertrieb, sind jedoch allgemein gültig und deshalb auch auf andere Ausführungsformen anwendbar.
1 ist eine Seitenansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem erläuternden Beispiel der vorliegenden Erfindung, die allgemein mit 100 bezeichnet ist. Die Leistungshalbleitervorrichtung 100 beinhaltet eine Isolationssubstrat 10. Das Isolationssubstrat 10 besteht aus einem Keramiksubstrat 1 und metallischen Leitern 2 und 3, die an der Vorderfläche (ersten Hauptoberfläche) bzw. der rückseitigen Oberfläche (zweite Hauptoberfläche) des Keramiksubstrats 1 ausgebildet sind. Das Keramiksubstrat 1 ist beispielsweise aus Aluminiumoxid. Die metallischen Leiter 2 und 3 sind beispielsweise aus Kupfer und sind mit dem Keramiksubstrat 1 verbunden unter Verwendung von beispielsweise einem Aktivmetallverfahren.
Ein Halbleiterelement 20 ist auf dem metallischen Leiter 2 auf der vorderen Oberfläche des Isolationssubstrats 10 befestigt. Ein Leistungs-FET, ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) oder eine FWD (Freilaufdiode) werden beispielsweise als ein Halbleiterelement 20 verwendet.
Der metallische Leiter 3 auf der rückseitigen Oberfläche des Isolationssubstrats 10 und eine metallische Grundplatte 30 sind durch eine Lotschicht 5 aneinander gefügt, so daß das Isolationssubstrat 10 auf der metallischen Grundplatte 30 angebracht ist. Die metallische Grundplatte 30 ist beispielsweise aus Kupfer und wird verwendet zum Abgeben von Wärme, die in dem Halbleiterelement 20 erzeugt wird.
Wie in 1 gezeigt, ist zwischen dem Keramiksubstrat 1 und dem metallischen Leiter 3 ein Nichtverbindungsbereich 6, in dem das Keramiksubstrat 1 und der metallische Leiter 3 nicht verbunden sind, entlang des Umfangs des Keramiksubstrats 1 ausgebildet.
2 ist eine Draufsicht auf das Isolationssubstrat 10 von oben (von der Seite des Halbleiterelements 20). Das Keramiksubstrat 1 ist an die rückseitige Oberfläche des metallischen Leiters 2 gefügt und der metallische Leiter 3 ist an die rückseitige Oberfläche des Keramiksubstrats 1 gefügt. Der metallische Leiter 3 ist groß genug, so daß der Umfangsabschnitt des metallischen Leiters 3 sich über die Kante des Keramiksubstrats 1 hinaus ausdehnt. Es wird bemerkt, daß das Isolationssubstrat 10 für sich verkauft oder auf dem Markt vertrieben werden kann.
Der in 2 gezeigte schraffierte Bereich ist der Nichtverbindungsbereich 6 zwischen dem Keramiksubstrat 1 und dem metallischen Leiter 3. Dies bedeutet, der Nichtverbindungsbereich 6 ist um den Bereich herum angeordnet, der den metallischen Leitern 2, die auf der Vorderfläche des Keramiksubstrats 1 ausgebildet sind, durch das Keramiksubstrat 1 hindurch gegenüberliegt. Ein Verbindungsbereich 4 ist an den Bereichen gegenüber den metallischen Leitern 2 und gegenüber dem Bereich, der zwischen zwei metallischen Leiter 2 vorhanden ist, angeordnet.
3 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht der Leistungshalbleitervorrichtung 100, die in 1 gezeigt ist. Der Verbindungsbereich 4 ist an dem Bereich angeordnet, der dem metallischen Leiter 2 durch das Keramiksubstrat 1 hindurch gegenüberliegt, und der Nichtverbindungsbereich 6 ist um den Verbindungsbereich 4 herum angeordnet.
Bei der Leistungshalbleitervorrichtung 100 gemäß dem erläuternden Beispiel ist der Umfangsabschnitt des metallischen Leiters 3 außerhalb des Rands des Keramiksubstrats 1 angeordnet. Daher ist die in dem Bereich erzeugte thermische Belastung, welche mit „B” bezeichnet ist, in der Lotschicht 5 von 3 abgeschwächt, so daß Risse in diesem Bereich der Lotschicht 5 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 Lotschicht 5 durch Verwendung des Aufbaus gemäß dem erläuternden Beispiel verhindert.
Weiterhin ist bei der Leistungshalbleitervorrichtung 100 der Verbindungsbereich 4 an dem Bereich angeordnet, der dem metallischen Leiter 2 durch das Keramiksubstrat 1 hindurch gegenüberliegt, und der Nichtverbindungsbereich 6 ist um den Verbindungsbereich 4 herum angeordnet. Dadurch wird die thermische Belastung, die an dem Abschnitt, der in 3 mit „A” bezeichnet ist, erzeugt wird, abgeschwächt und wird kleiner als jene, die in einer Leistungshalbleitervorrichtung ohne den Nichtverbindungsbereich 6 erzeugt wird. Folglich kann in dem Keramiksubstrat 1 die Erzeugung der Risse an dem Abschnitt, der mit „A” bezeichnet ist, verhindert werden.
Wie oben beschrieben, werden bei der Leistungshalbleitervorrichtung 100 gemäß dem erläuternden Beispiel die Erzeugung von Rissen sowohl in dem Keramiksubstrat 1, das in dem Isolationssubstrat 10 beinhaltet ist, als auch in der Lötungsschicht 5, die das Isolationssubstrat 10 mit der metallischen Grundplatte 30 verbindet, verhindert. Dadurch kann die Leistungshalbleitervorrichtung 100 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 mit 50 bezeichnet ist. 5 ist eine Draufsicht auf das Isolationssubstrat 50. In 4 und 5 bezeichnen die Bezugszeichen, die identisch zu jenen von 1 sind, identische und entsprechende Komponenten. Das Isolationssubstrat 50 kann anstelle des Isolationssubstrats 10 der oben erwähnten Leistungshalbleitervorrichtung 100 verwendet werden.
In der Ausführungsform 2 enthält das Isolationssubstrat 50 ein Keramiksubstrat 1 mit einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche, einen ersten metallischen Leiter 2, der auf der ersten Hauptoberfläche angebracht ist und auf dem ein Halbleiterelement 20 anordenbar ist, und einen zweiten metallischen Leiter 3, der auf der zweiten Hauptoberfläche angebracht ist und der mit einer Grundplatte 30 verbindbar ist. Der zweite metallische Leiter 3 weist in der Draufsicht Ecken auf.
Das Isolationssubstrat 50 der Ausführungsform 2 weist einen Verbindungsbereich 4 des zweiten metallischen Leiters 3 auf der mit der zweiten Hauptoberfläche des Keramiksubstrats 1 verbunden ist. Des Weiteren ist ein Nichtverbindungsbereich 16 zwischen dem Keramiksubstrat 1 und dem zweiten metallischen Leiter 3 ausgebildet. Der Nichtverbindungsbereich ist dabei ein annähernd dreieckiger Bereich, der die Ecke des zweiten metallischen Leiters beinhaltet.
Bei dem Isolationssubstrat 50 in 4 ist ein Nichtverbindungsbereich 16 mit einer annähernd dreieckigen Gestalt an jeder Ecke des metallischen Leiters 3 entsprechend ausgebildet. Der Bereich außer den Nichtverbindungsbereichen 16 wird als ein Verbindungsbereich 4 verwendet. Jeder der vier annähernd dreieckigen Nichtverbindungsbereiche 16 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß eine Seite (die längste Seite) des Dreiecks die Ecke des metallischen Leiters 2, durch das Keramiksubstrat 1 gesehen, überdeckt.
Die an dem in 3 mit „A” bezeichneten Abschnitt erzeugte thermische Belastung wächst insbesondere an der Ecke des Keramiksubstrats 1. Durch Ausbilden des Nichtverbindungsbereiches 16 an jeder Ecke des metallischen Leiters 3 wird die thermische Belastung insbesondere an den Ecken des Keramiksubstrats 1 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 Leistungshalbleitervorrichtung 100 die Erzeugung von Rissen sowohl in dem Keramiksubstrat 1, das in dem Isolationssubstrat 50 beinhaltet ist, als auch in der Lotschicht 5, die das Isolationssubstrat 50 mit der metallischen Grundplatte 30 verbindet, verhindert. Dadurch kann eine Leistungshalbleitervorrichtung 100 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 Leiters 3 ist oder eine unterschiedliche Dicke aufweist. Dies ermöglicht die Verringerung der thermischen Belastung, die in den Isolationssubstraten 10 und 50 erzeugt wird.

Claims

Halbleitervorrichtung (100) mit: einem Isolationssubstrat (50), 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 (50) angeordnet ist, wobei der zweite metallische Leiter (3) einen Verbindungsbereich (4) aufweist, der mit der zweiten Hauptoberfläche verbunden ist, wobei Nichtverbindungsbereiche (6, 16) zwischen dem Keramiksubstrat (1) und dem zweiten metallischen Leiter (3) ausgebildet sind, wobei ein Nichtverbindungsbereich (16) mit einer annähernd dreieckigen Gestalt an jeder Ecke des zweiten metallischen Leiters (3) entsprechend ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der der erste metallische Leiter (2) in der Draufsicht Ecken aufweist, und eine Seite jedes annähernd dreieckigen Nichtverbindungsbereiches (16) einer Ecke des ersten metallischen Leiters (2) durch das Keramiksubstrat (1) hindurch gegenüber liegt.
Halbleitervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der der zweite metallische Leiter (3) so ausgebildet ist, dass der gesamte Umfang des zweiten metallischen Leiters (3) sich über den Rand des Keramiksubstrats (1) hinaus ausdehnt.
Halbleitervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der erste und der zweite metallische Leiter (2, 3) aus zueinander unterschiedlichen Metallen sind.
Halbleitervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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 5, 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, wobei Nichtverbindungsbereiche (6, 16) zwischen dem Keramiksubstrat (1) und dem zweiten metallischen Leiter (3) ausgebildet sind, wobei ein Nichtverbindungsbereich (16) mit einer annähernd dreieckigen Gestalt an jeder Ecke des zweiten metallischen Leiters (3) entsprechend ausgebildet ist.
Isolationssubstrat (50) nach Anspruch 7, bei dem der erste metallische Leiter (2) Ecken in der Draufsicht aufweist, und eine Seite jedes annähernd dreieckigen Nichtverbindungsbereiches (16) durch das Keramiksubstrat (1) hindurch einer Ecke des ersten metallischen Leiters (2) gegenüber liegt.
Isolationssubstrat (50) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, bei dem der zweite metallische Leiter (3) so ausgebildet ist, dass der gesamte Umfang des zweiten metallischen Leiters (3) sich über den Rand des Keramiksubstrats (1) hinaus ausdehnt.
Isolationssubstrat (50) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der erste und der zweite metallische Leiter (2, 3) aus zueinander unterschiedlichen Metallen sind.
Isolationssubstrat (50) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem der erste und der zweite metallische Leiter (2, 3) aus Metallen sind, deren Dicke zueinander unterschiedlich ist.