DE102006004788A1 - Halbleiterbauelement und Fertigungsverfahren für dieses - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement und ein Fertigungsverfahren für dieses, und insbesondere ein Halbleiterbauelement wie beispielsweise ein Leistungsmodul, das dadurch hergestellt wird, dass mit der einen Seite einer Leiterplatte Halbleiterchips verbunden werden und mit deren anderer Seite eine Metallbasis zum Abführen von in den Halbleiterchips erzeugter Wärme verbunden wird, sowie ein Fertigungsverfahren für dieses.
- Bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen wie beispielsweise Leistungsmodulen wird das Verbinden einer Vielzahl von wärmeabführenden, elektrisch isolierenden Leiterplatten an einer Metallbasis mittels Löten ausgeführt. Dabei wird beim Stand der Technik ein handelsüblicher Löt-Resist auf die Metallbasis aufgedruckt und getrocknet, um ein Verlaufen des Lotes zu verhindern (siehe beispielsweise JP 6-244224 A). In Montageumgebungen, in denen kein Löt-Resist verwendet werden kann, wurde der Lötvorgang bei mit einer Positionieraufspannvorrichtung oder dergleichen fixierten Leiterplatten durchgeführt.
- Es gibt auch das Verfahren, einen Oxidfilm auf der Metallbasis auszubilden oder mit einem Laserstrahl Vertiefungen in dieser auszubilden, um ein Verlaufen des Lotes zu verhindern. Wenn jedoch die Lotmenge groß ist (0,05 mm oder mehr in der Dicke), ist dies weitgehend ineffektiv.
- Jedoch besteht bei dem Löt-Resist des Standes der Technik das Problem, dass die Herstellung eines Siebes für das Drucken und die Prozessschritte vom Druckvorgang bis zum Trocknungsvorgang Kosten- und Zeitaufwand bedingen. _ Da es sich beim Löt-Resist im Allgemeinen um eine organische Substanz wie beispielsweise ein Epoxydharz handelt, ist seine Beständigkeit gegenüber Lötwärme nicht besonders groß. Wenn beispielsweise ein Löten ohne Flussmittel unter Wasserstoffgasatmosphäre ausgeführt wird, wird die Lötfähigkeit durch Ausgasen aus dem Löt-Resist beeinträchtigt, und es treten Probleme wie beispielsweise eine Verunreinigung des Bauelementes auf, und somit war die Verwendung eingeschränkt.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement und ein Fertigungsverfahren für dieses bereitzustellen, mit dem die Erzeugung eines Barrierenmaterials zum Verhindern des Verlaufens des Lotes einfach ist und außerdem die Zuverlässigkeit hoch ist.
- Die zuvor beschriebenen und weitere Probleme können mit einem Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 und 6 und einem Halbleiterbauelement-Fertigungsverfahren gemäß Anspruch 7, 15, 18 und 20 gelöst werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Bei dem beanspruchten Aufbau des Halbleiterbauelementes ist, mittels des Barrierenmaterials, das auf der Metallbasis durch Aufstreichen bzw. Auftragen wie eine Farbe (painting) in einem vorbestimmten Muster angeordnet ist, ein Verlaufen des Lotes eingeschränkt, das zum Verbinden der Vielzahl von Leiterplatten mit der Metallbasis verwendet wird.
- Mit einem Aufbau des Halbleiterbauelementes gemäß Patentanspruch 2 kann das Ausgasen während des Lötvorgangs verhindert werden.
- Mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 7 ist es ohne Weiteres möglich, ein Halbleiterbauelement herzustellen, bei dem ein Verlaufen des Lotes während des Lötvorgangs verhindert werden kann. Und da kein Drucksieb hergestellt wird und kein Druckvorgang ausgeführt wird, ist auch eine Kostenreduktion zu erwarten.
- Mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 9 kann das Ausgasen während des Lötvorgangs verhindert werden. Demzufolge wird beim Lötvorgang die Lötfähigkeit nicht beeinträchtigt, eine Bauelementverunreinigung kann ebenfalls vermieden werden, und ein sehr zuverlässiges Halbleiterbauelement kann hergestellt werden.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils einer bevorzugten Ausführungsform eines Halbleiterbauelementes; -
2 eine Ansicht, die ein Muster eines Barrierenteils zeigt; -
3 eine Ansicht, die ein Muster eines Barrierenteils zeigt; und -
4 eine Ansicht, die eine aus Kohlenstoff bestehende Aufspannvorrichtung zeigt, die an einer Metallbasis befestigt ist. -
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils einer bevorzugten Ausführungsform eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung. - Soweit nichts anderes vermerkt ist, stellt der Begriff "verbinden" in diesem Text eine Übersetzung des englischen Begriffs "bond" dar, unter dem im vorliegenden Zusammenhang in der Regel ein unlösbares Verbinden zu verstehen ist.
- Das Halbleiterbauelement
10 dieser bevorzugten Ausführungsform wird dadurch hergestellt, dass mit einer Seite von Leiterplatten11 Halbleiterchips12 verbunden werden und mit deren anderer Seite eine Metallbasis13 verbunden wird, die zum Abführen der in diesen Halbleiterchips12 erzeugten Wärme dient, wobei beim Verbinden der Vielzahl von Leiterplaten11 mit der Metallbasis13 ein Barrierenmaterial15 zum Einschränken des Verlaufens eines Lotes14 verwendet wird, das auf der Metallbasis13 angeordnet wird. - Die Leiterplatten
11 sind wärmeabführende, elektrisch isolierende Leiterplatten, die durch Bonden von Leitermustern auf die Vorder- und Rückseite einer keramischen Leiterplatte durch Direkt-Bonding oder Active-Metal-Bonding oder dergleichen hergestellt ist. Bei der vorliegenden Beschreibung wird angenommen, dass eine DCB-(Direct Copper Bonding)-Leiterplatte verwendet wird, die dadurch hergestellt wird, dass Kupfer auf die Vorder- und die Rückseite einer keramischen Leiterplatte gebondet wird. - Die Halbleiterchips
12 sind beispielsweise Bauelemente zur Verwendung in einem Leistungsmodul wie beispielsweise IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), die mit einem (nicht dargestellten) Lot mit den Leiterplatten11 verbunden sind. - Die Metallbasis
13 ist eine Wärmesenke (Kühlkörper), welche die Funktion hat, die Wärme abzuführen, die in den auf ihr angeordneten Halbleiterchips12 erzeugt wird. Beispielsweise wird mit Ni (Nickel) plattiertes Cu (Kupfer) verwendet. - Das Barrierenmaterial
15 , das ein kennzeichnendes Merkmal dieser bevorzugten Ausführungsform darstellt, wird als Barrierenteil in einem vorbestimmten Muster durch Aufstreichen, thermisches Aufspritzen oder Plattieren auf der Metallbasis13 ausgebildet. -
2A und2B und3A und3B sind Ansichten, die Muster des Barrierenteiles zeigen. - Bei dem in
2A gezeigten Muster eines Barrierenteils15a handelt es sich um ein typisches Muster, bei dem das Barrierenteil15a so ausgebildet ist, dass es die Kupferplattenumfänge11a der Rückseiten der Leiterplatten11 (mit gestrichelten Linien dargestellt (ähnlich auch in den anderen Zeichnungen)) umgibt.2B zeigt ein Muster, bei dem ein Barrierenteil15b so ausgebildet ist, dass es die Kupferplattenumfänge11a von sechs Leiterplatten11 umgibt. Dieses wird verwendet, wenn die Lotmenge gering ist und nur eine geringe Lotmenge zwischen die Leiterplatten11 ausfließt. - Das Muster eines in
3A dargestellten Barrierenteils15c ist ein Beispiel, bei dem das Barrierenteil mit den gleichen Abmessungen oder geringfügig kleiner als die Kupferplattenumfänge11a der Rückseiten der einzelnen Leiterplatten11 ausgebildet ist. Das in3B dargestellte Muster des Barrierenteils15d ist ein Beispiel, bei dem das Barrierenteil lediglich zwischen den Kupferplattenumfängen11a der Leiterplatten11 ausgebildet ist, was dem Beispiel von1 entspricht. Wenn die verwendete Lotmenge groß ist, kann, falls das Barrierenteil15d mit einem Muster großer Breite ausgebildet ist, wie bei dieser3B dargestellt, ein Herausfließen von Lot in effektiver Weise verhindert werden. Und falls kein Muster auf denjenigen Seiten ausgebildet ist, bei denen jegliches Herausfließen vom Lot unproblematisch ist, erfolgt während des Lötvorgangs ein Fließen des Lotes zu diesen Seiten, und das Herausfließen von Lot auf den Seiten, bei denen das Herausfließen verhindert werden muss, kann in effektiver Weise verhindert werden. - Nachfolgend wird ein Verfahren zur Ausbildung des Barrierenmaterials
15 beschrieben. - Für das Barrierenmaterial
15 wird eine Substanz verwendet, die als Hauptbestandteil ein nicht lötbares anorganisches Material mit hoher Lötwärmebeständigkeit aufweist. Speziell wird ein solches verwendet, das als Hauptbestandteil Kohlenstoffpartikel oder ein keramisches Material aufweist und durch Vermischen dieser Partikel mit einem flüchtigen Bindemittel hergestellt wird. Als Barrierenmaterial, das als Hauptbestandteil ein keramisches Material aufweist, kann ein keramischer Klebstoff aufgebracht werden, der zum Verkleben von keramischen Elementen verwendet wird. Keramische Klebstoffe weisen als Hauptbestandteile Kieselsäure und Borsäure auf und sind gegenüber Temperaturen oberhalb 1000 °C oder höher beständig. Unter den verwendbaren keramischen Klebstoffen sind jedoch auch solche, bei denen nach dem Trocknen kein organisches Bindemittel zurückbleibt. In diesem Fall kann er für einen Lötvorgang unter reduzierender Wasserstoffatmosphäre verwendet werden. Im Fall eines keramischen Materials ist es, dadurch, dass man eines mit guter elektrischer Isolierfähigkeit auswählt und dieses dick aufbringt, möglich, den Barriereneffekt und die elektrische Isolierung weiter zu vergrößern. Mittels dieser Materialien kann, beispielsweise unter Verwendung einer Feinbeschichtungstechnik bei Verwendung eines Dispensers, ein Barrierenmaterial15 mit einem vorbestimmten Muster auf der Metallbasis13 durch Aufstreichen bzw. Aufschichten ausgebildet werden. Alternativ kann ein Siebdruckverfahren verwendet werden. Damit ist eine effiziente Fertigung eines großen Volumens eines Massenproduktes durch In-line-Automatisierung möglich, und es können eine hohe Qualität, eine hohe Zuverlässigkeit, niedrige Kosten und eine Verkürzung der Herstellungszeit des Halbleiterbauelementes10 erzielt werden. - Alternativ kann als Barrierenmaterial
15 ein fester Kohlenstoff wie beispielsweise ein Bleistiftkern verwendet werden. Auch wenn der Bleistiftkern neben Kohlenstoff noch Ton enthält, ist dies beim Lötvorgang kein Problem, und der Lotabweisungseffekt ist umso größer. Beim Bestreichen mit einem Bleistift wird beispielsweise eine Schablone darüber gelegt, und das Muster wird durch die Schablone hindurch aufgetragen. Dabei sollte, um mehr Kohlenstoff auf die Metallbasis13 aufzubringen, die Härte des Bleistiftkerns vorzugsweise2B bis6B betragen. Nach dem Auftragen wird unerwünschter (lose auf der Oberfläche befindlicher) Rückstand (Kohlenstoff) mit Druckluft oder dergleichen entfernt. - Der Musterauftrag kann zwar automatisch unter Verwendung einer Ausbringeinrichtung auf der Basis digitaler Daten erfolgen, jedoch kann, insbesondere im Fall eines Auftragens mit einem Bleistift, das Auftragen von Hand ausgeführt werden. Dies ist für eine stark gemischte niedrigvolumige Produktion geeignet. Auch in diesem Fall kann den Anforderungen an Qualität, Zuverlässigkeit, Kosten und Verkürzung der Herstellungszeit gut genügt werden.
- Weiter kann ein Barrierenmaterial
15 , das als Hauptbestandteil ein Metall geringer Lotbenetzbarkeit (so dass sich das Lot nicht verteilt) oder ein keramisches Material aufweist, durch thermisches Spritzen auf die Metallbasis13 aufgebracht werden, um ein Barrierenteil zu bilden. Thermisches Spritzen ist ein Verfahren, bei dem ein Film dadurch ausgebildet wird, dass eine Beschichtungssubstanz durch Erwärmen geschmolzen oder erweicht wird, sie in Form feiner Partikel beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes zum Auftreffen gebracht wird, und die flach zusammengedrückten Partikel aushärten und sich ansammeln. Thermische Spritzverfahren beinhalten thermisches Spritzen bei Raumtemperatur und Plasmaspritzen. Beispiele für Metalle geringer Lotbenetzbarkeit beinhalten Al (Aluminium), Mo (Molybdän), W (Wolfram) und Cr (Chrom). Durch thermisches Spritzen werden die Kosten geringfügig erhöht, jedoch ist es vielseitig einsetzbar und die Dicke kann frei festgelegt werden, so dass für die Anwendung der Produkte geeignete Materialien ausgewählt werden können. - Mit Barrierenmaterialien wie beispielsweise Chrom ist es möglich, einen Barrierenteil mit vorbestimmtem Muster durch Plattieren auszubilden. Da beim Plattieren die Dicke unterhalb 0,01 mm bleiben kann, wird dieses Verfahren verwendet, wenn eine Begrenzung der Dicke erwünscht ist. Ein Cr-Plattieren in einem vorbestimmten Muster kann folgend auf einen Schritt eines Ni-Plattierens der Metallbasis
13 ausgeführt werden. - Durch Ausbilden eines derartigen Barrierenteils auf der Metallbasis
13 ist es möglich, das Verlaufen von Lot zu begrenzen. Außerdem gibt es kein Ausgasen während des Lötvorgangs, wie dies der Fall ist, wenn ein Löt-Resist verwendet wird, der aus einer organischen Substanz wie beispielsweise Epoxydharz besteht. Demzufolge tritt beim Lötvorgang keine Beeinträchtigung der Lötfähigkeit auf, und eine Bauteilverunreinigung kann ebenfalls vermieden werden. - Wenn weiter eine aus Kohlenstoff bestehende Aufspannvorrichtung zur Leiterplattenpositionierung und eine Trennplatte wie beispielsweise ein Kohlenstoffmaterial für ein Halbleiterbauelement
10 des zuvor beschriebenen Aufbaus verwendet werden, ist es möglich, das Herausfließen von Lot noch effektiver zu verhindern. -
4 ist eine Ansicht, die eine aus Kohlenstoff bestehende Aufspannvorrichtung darstellt, die an einer Metallbasis befestigt ist. - Die aus Kohlenstoff bestehende Aufspannvorrichtung besteht aus einem äußeren Rahmen
16a und einem inneren Rahmen16b , und legt die Positionen der Leiterplatten11 , der Halbleiterchips12 , der Metallbasis13 und des Lotes14 (hier nicht dargestellt) fest. Eine Trennplatte17 ist oberhalb des in1 dargestellten Barrierenteils angeordnet. Wenn die Lotmenge groß ist, kann ein Verlaufen von Lot in effektiver Weise verhindert werden. Da die Trennplatte17 in der Nähe der verlöteten Teile angeordnet ist, ist es erforderlich, für die Trennplatte ein Material geringer Lotbenetzbarkeit zu wählen. Materialien, die eine geringe Lotbenetzbarkeit haben, schließen keramische Materialien ein. Da jedoch keramische Materialien im Vergleich zu Kohlenstoff eine hohe Steifigkeit aufweisen, können die Leiterplatten11 brechen, wenn die Trennplatte17 zwischen die Leiterplatten11 gelegt wird, und zwar bedingt durch das Zusammenziehen der Metallbasis13 nach dem Lötvorgang. Daher ist eine aus Kohlenstoff bestehende Trennplatte17 zu bevorzugen. Beschwerungselemente18 dienen zum Herunterdrücken der Leiterplatten11 . - Das Bonden der Teile (der Leiterplatten
11 , der Halbleiterchips12 und der Metallbasis13 ) erfolgt mittels Schmelzlöten unter Wasserstoffatmosphäre mit dem in4 dargestellten Aufbau. Damit ist es möglich, ein Herausfließen von Lot in effektiver Weise zu verhindern, und eine gegenseitige mechanische Beschädigung der Leiterplatten11 zu verhindern und eine elektrische Isolierung zu erzielen.
Claims (20)
- Halbleiterbauelement mit wenigstens einer Leiterplatte (
11 ), mit deren einer Seite wenigstens ein Halbleiterchip (12 ) verbunden ist, während die andere Seite mit einer Metallbasis (13 ) zum Abführen von im Halbleiterchip (12 ) erzeugter Wärme verbunden ist, wobei ein Barrierenmaterial (15 ) auf der Metallbasis (13 ) wie Farbe in einem vorbestimmten Muster aufgetragen ist, so dass das Verlaufen eines Lotes (14 ), das beim Verbinden der wenigstens einen oder mehrerer Leiterplatten (11 ) mit der Metallbasis (13 ) verwendet wird, eingeschränkt ist. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem das Barrierenmaterial (
15 ) als Hauptbestandteil eine anorganische Substanz mit hoher Lötwärmebeständigkeit aufweist. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, bei dem das Barrierenmaterial (
15 ) durch Vermischen von Partikeln der anorganischen Substanz mit einem flüchtigen Bindemittel hergestellt ist. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die anorganische Substanz Kohlenstoff ist.
- Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die anorganische Substanz ein keramisches Material ist.
- Halbleiterbauelement mit wenigstens einer Leiterplatte (
11 ), mit deren einer Seite wenigstens ein Halbleiterchip (12 ) verbunden ist, während die andere Seite mit einer Metallbasis (13 ) zum Abführen von im Halbleiterchip (12 ) erzeugter Wärme verbunden ist, wobei ein Barrierenmaterial (15 ), das als Hauptbestandteil Kohlenstoff, ein keramisches Material oder ein Metall mit einer niedrigen Lotbenetzbarkeit aufweist, auf der Metallbasis (13 ) angeordnet ist, so dass das Verlaufen eines Lotes (14 ), das beim Verbinden der wenigstens einen oder mehrerer Leiterplatten (11 ) mit der Metallbasis (13 ) verwendet wird, eingeschränkt ist. - Verfahren zur Fertigung eines Halbleiterbauelementes (
10 ), bei dem eine Seite wenigstens einer Leiterplatte (11 ), mit deren anderer Seite wenigstens ein Halbleiterchip (12 ) verbunden ist, mit einer Metallbasis (13 ) zum Abführen von im Halbleiterchip (12 ) erzeugter Wärme verbunden wird, wobei ein Barrierenteil (15 ) dadurch auf die Metallbasis (13 ) aufgebracht wird, dass ein Barrierenmaterial (15 ) wie Farbe in einem vorbestimmten Muster aufgetragen wird, so dass das Verlaufen eines Lotes (14 ), das beim Verbinden der wenigstens einen oder mehrerer Leiterplatten (11 ) mit der Metallbasis (13 ) verwendet wird, begrenzt wird. - Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine aus Kohlenstoff bestehende Trennplatte (
17 ), welche das Herausfließen des Lotes (14 ) verhindert und die Leiterplatten (11 ) auf vorbestimmte Positionen auf der Metallbasis (13 ) begrenzt, auf dem Barrierenteil (15 ) angeordnet werden. - Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Barrierenmaterial (
15 ) als Hauptbestandteil eine anorganische Substanz von großer Lotwärmebeständigkeit aufweist. - Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Barrierenteil (
15 ) durch Auftragen eines Barrierenmaterials (15 ) ausgebildet wird, das durch Vermischen von Partikeln der anorganischen Substanz mit einem flüchtigen Bindemittel, und Trocknen des Bindemittelbestandteils hergestellt wurde. - Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die anorganische Substanz Kohlenstoff ist.
- Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die anorganische Substanz ein keramisches Material ist.
- Verfahren nach Anspruch 7 oder 10, bei dem das Barrierenteil (
15 ) durch Auftragen eines Barrierenmaterials (15 ) in einem vorbestimmten Muster unter Verwendung einer Ausbringeinrichtung ausgebildet ist. - Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Breite des vorbestimmten Musters in Übereinstimmung mit der für das Verbinden verwendeten Lotmenge variiert.
- Verfahren zur Fertigung eines Halbleiterbauelementes (
10 ), bei dem eine Seite wenigstens einer Leiterplatte (11 ), mit deren anderer Seite wenigstens ein Halbleiterchip (12 ) verbunden ist, mit einer Metallbasis (13 ) zum Abführen von im Halbleiterchip (12 ) erzeugter Wärme verbunden wird, wobei ein Barrierenteil (15 ) thermisch auf die Metallbasis (13 ) aufgespritzt wird, so dass das Verlaufen eines Lotes (14 ), das beim Verbinden der wenigstens einen oder mehrerer Leiterplatten (11 ) mit der Metallbasis (13 ) verwendet wird, begrenzt wird. - Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Barrierenteil (
15 ) unter Verwendung eines Barrierenmaterials (15 ) ausgebildet wird, das aus einem Metall geringer Lotbenetzbarkeit besteht. - Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Barrierenteil (
15 ) unter Verwendung eines keramischen Barrierenmaterials (15 ) ausgebildet wird. - Verfahren zur Fertigung eines Halbleiterbauelementes (
10 ), bei dem eine Seite wenigstens einer Leiterplatte (11 ), mit deren anderer Seite wenigstens ein Halbleiterchip (12 ) verbunden ist, mit einer Metallbasis (13 ) zum Abführen von im Halbleiterchip (12 ) erzeugter Wärme verbunden wird, wobei ein Barrierenteil (15 ) durch Plattieren auf der Metallbasis (13 ) ausgebildet wird, so dass das Verlaufen eines Lotes (14 ), das beim Verbinden der wenigstens einen oder mehrerer Leiterplatten (11 ) mit der Metallbasis (13 ) verwendet wird, begrenzt wird. - Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Barrierenteil (
15 ) unter Verwendung von Chrom als Barrierenmaterial (15 ) ausgebildet wird. - Verfahren zur Fertigung eines Halbleiterbauelementes (
10 ), bei dem eine Vielzahl von Leiterplatten (11 ), mit deren jeweiliger anderer Seite wenigstens ein Halbleiterchip (12 ) verbunden ist, mit einer Metallbasis (13 ) zum Abführen von im Halbleiterchip (12 ) erzeugter Wärme verbunden werden, wobei eine aus Kohlenstoff bestehende Aufspannvorrichtung, die zum Positionieren der Vielzahl der Leiterplatten (11 ) auf der Metallbasis (13 ) verwendet wird, als Barrierenteil (15 ) an der Metallbasis (13 ) befestigt wird, so dass das Verlaufen eines Lotes (14 ), das beim Verbinden der Leiterplatten (11 ) mit der Metallbasis (13 ) verwendet wird, begrenzt wird.
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