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DE4240843A1 - Anordnung zur Verlustwärmeableitung bei Leistungshalbleiterbauelementen - Google Patents

Anordnung zur Verlustwärmeableitung bei Leistungshalbleiterbauelementen

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Publication number
DE4240843A1
DE4240843A1 DE4240843A DE4240843A DE4240843A1 DE 4240843 A1 DE4240843 A1 DE 4240843A1 DE 4240843 A DE4240843 A DE 4240843A DE 4240843 A DE4240843 A DE 4240843A DE 4240843 A1 DE4240843 A1 DE 4240843A1
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DE
Germany
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copper
molybdenum
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arrangement
layer
Prior art date
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Ceased
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DE4240843A
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English (en)
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of DE4240843A1 publication Critical patent/DE4240843A1/de
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    • 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
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/407—Copper
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verlust­ wärmeableitung bei Leistungshalbleiterbauelementen, insbesondere bei Kraftfahrzeuganwendungen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, daß bei Halbleiterbauelementen der Leistungselektronik ein nicht unerheblicher Ver­ lustwärmeanteil entsteht, der auf geeignete Weise abgeleitet werden muß, damit es zu keiner Schä­ digung der Halbleiterbauelemente kommt.
So ist beispielsweise bereits vorgeschlagen worden, die Leistungsbauelemente auf einem Berylliumoxid (BEO-)-Substrat zu installieren, das die Wärme­ ableitung der Verlustwärme übernimmt. Es werden mit dieser Anordnung zwar gute Wärmeableiteergebnisse erzielt, jedoch bei der Entsorgung von verschlis­ senen Bauelementen bereitet die Entsorgung von Berrylium große Probleme, da dieses als Sondermüll zu behandeln ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei der die Verlustwärme problemlos abgeleitet werden kann, die keine höheren Kosten verursacht und die bei Verschleiß keine Entsorgungsprobleme bereitet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Es hat sich gezeigt, daß wenn an Stelle des bisher verwendeten BeO-Substrats eine beidseitig mit Kupfer/Molybdän-Schichten beschichtete Aluminium­ oxydschicht eingesetzt wird, wenigstens die gleiche Wärmeleitfähigkeit erreicht wird.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung des Mehr­ schichtsystems wird gleichzeitig erreicht, daß der mit der Wärmeleitung verbundene Ausdehnungs­ koeffizient des Mehrschichtsystems sehr gut an die bestehenden Verhältnisse angepaßt werden kann.
Die Erfindung soll nachfolgend in einem Aus­ führungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die im Schnitt die erfindungsgemäße Anordnung zeigt, erläutert werden.
Die Figur zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete Anordnung eines in einem Silizium-Chip integriertes Leistungshalbleiterbauelement, beispielsweise einen Leistungstransistor.
Die Anordnung 10 weist eine Aluminiumoxid (Al2O3-)­ schicht 12 auf, die beidseitig mit einer Kupfer/Molybdän-Schicht 14 versehen ist.
Die Schichten bestehen dabei aus einer Kombination sich abwechselnder Kupfer- und Molybdänschichten. Die Anordnung 10 ist über ein Lot 16 an einer vernickelten Grundplatte 18 befestigt.
Der Verlustwärme abgebende Silizium-Chip 20 ist ebenfalls über ein Lot 22 auf der Anordnung 10 be­ festigt.
Die erfindungsgemäße Anordnung übt folgende Funktion aus.
Die im Silizium-Chip 20 entstehende Verlustwärme wird von der oberen Kupfer/Molybdän-Schicht 14 der Anordnung 10 über das Lot 22 aufgenommen. Die Wär­ meableitung erfolgt über die Aluminiumoxydschicht 12 und die untere Kupfer/Molybdän-Schicht 14 und das Lot 16 auf die vernickelte Grundplatte 18. In der Grundplatte 18 wird die Wärme für die Halbleiterbauelemente ungefährlich verteilt.
Es hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, daß durch die Kombination mehrerer Schichten von sprödem Molybdän und weicherem Kupfer der Aus­ dehnungskoeffizient der Kupfer-Molybdän-Schichten 14 sehr gut an den Ausdehnungskoeffizienten der Aluminiumoxydschicht 12 angepaßt werden kann.
Der Ausdehnungskoeffizient von Kupfer beträgt 3,7, von Molybdän 1,4 und von Aluminiumoxid 0,14.
Da die Aluminiumoxydschicht 12 eine geringere Wärmeleitfähigkeit im Verhältnis zum bisher ein­ gesetzten Berylliumoxid aufweist, wird dies durch die größere Wärmeleitfähigkeit der Kupfer/Molybdän- Schichten 14 ausgeglichen, wenn gleichzeitig die Schichtdicke der Aluminiumoxydschicht 14 verringert wird.
Die aus dem Mehrschichtsystem bestehende Anordnung 10 weist keinen schlechteren Wärmeleitfähigkeits­ koeffizienten als das bisher verwendete Beryllium­ oxid auf.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn als Schichtdicke d1 für die Aluminiumoxydschicht 12 ca. 150 µm gewählt wird und die Kupfer/Molybdän- Schichten 14 aus ca. 5 Lagen Kupfer/Molybdän mit einer Schichtdicke d2 von ca. 150 µm bestehen.

Claims (5)

1. Anordnung zur Verlustwärmeableitung bei Lei­ stungshalbleiterbauelementen, wobei die Leistungs­ halbleiterbauelemente auf einer elektrisch iso­ lierenden und wärmeableitenden Substratschicht an­ geordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminiumoxydschicht (12) eine obere Kupfer/Molyb­ dän-Schicht (14) und eine untere Kupfer/Molybdän- Schicht (14) besitzt, ein Silizium-Chip (20) auf der oberen Kupfer/Molybdän-Schicht (14) angeordnet ist und die Anordnung (10) mit ihrer unteren Kupfer/Molybdän-Schicht auf einer Grundplatte (18) befestigt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kupfer/Molybdän-Schichten (14) aus einer Kombination sich abwechselnder Kupfer- und Molybdänschichten bestehen.
3. Anordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer/Molybdän- Schichten (14) jeweils fünf Schichten Kupfer und fünf Schichten Molybdän aufweisen.
4. Anordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d1) der Aluminiumoxydschicht (12) ca. 150 µm beträgt.
5. Anordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d2) der Kupfer/Molybdän-Schicht (14) ca. 150 µm beträgt.
DE4240843A 1992-12-04 1992-12-04 Anordnung zur Verlustwärmeableitung bei Leistungshalbleiterbauelementen Ceased DE4240843A1 (de)

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