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Halbleitervorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Dokument DE102006002452A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006002452A1 27.07.2006
Titel Halbleitervorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung
Anmelder Fuji Electric Device Technology Co., Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Nishimura, Yoshitaka, Tokio/Tokyo, JP;
Morozumi, Akira, Tokio/Tokyo, JP;
Ohnishi, Kazunaga, Tokio/Tokyo, JP;
Mochizuki, Eiji, Tokio/Tokyo, JP;
Takahashi, Yoshikazu, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Hoffmann, E., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 82166 Gräfelfing
DE-Anmeldedatum 18.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006002452
Offenlegungstag 27.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.07.2006
IPC-Hauptklasse H01L 23/36(2006.01)A, F, I, 20060118, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 23/12(2006.01)A, L, I, 20060118, B, H, DE   H01L 23/482(2006.01)A, L, I, 20060118, B, H, DE   H01L 21/50(2006.01)A, L, I, 20060118, B, H, DE   H01L 25/07(2006.01)A, L, I, 20060118, B, H, DE   
Zusammenfassung Halbleitervorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit und einer Konstruktion unter Berücksichtigung der Umweltauswirkungen. Bei der Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls wird ein Isoliersubstrat, welches aus einer Keramikplatte und auf den beiden Oberflächen derselben angeordneten Leiterschichten besteht, unter Verwendung eines bleifreien Lots durch eine Lotschicht mit einem Kühlsockel verbunden und wird ein Halbleiter-Chip wie ein IGBT durch eine Lotschicht auf dem Isoliersubstrat befestigt. Ferner wird der Kühlsockel gewölbt, bevor das Isoliersubstrat und der Kühlsockel miteinander verlötet werden, so dass die Oberfläche auf der dem Isoliersubstrat entgegengesetzten Seite konvex ist und durch das Verlöten eben oder annähernd eben gemacht wird. Mithin sind, wenn der Kühlsockel an einer Kühlrippe usw. angebracht wird, deren Wärmewiderstände niedriger, wodurch Wärme des Halbleiter-Chips wirkungsvoll abgeleitet wird, um einen anormalen Temperaturanstieg zu verhindern.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und ein Herstellungsverfahren dafür, insbesondere eine Halbleitervorrichtung wie etwa ein einen Leistungshalbleiter enthaltendes Leistungshalbleitermodul und ein Herstellungsverfahren dafür.

Leistungshalbleitermodule, die auch bei starkem Strom und hoher Spannung funktionieren, kamen in letzter Zeit in verschiedenen Bereichen zum Einsatz. Solche Leistungsmodule enthalten einen Leistungshalbleiter, wie etwa einen Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT) und eine Freilaufdiode (FWD) als wichtigstes Bauteil.

11 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Hauptteil eines herkömmlichen Leistungshalbleitermoduls zeigt.

In einem Leistungshalbleitermodul 100, wie in 11 gezeigt, ist ein Halbleiter-Chip 103 eines Leistungshalbleiters usw. durch eine Lotschicht 102 auf einem Isoliersubstrat 101 befestigt, welches eine Keramikplatte 101a aus Aluminiumnitrid (AlN) usw. und auf ihren beiden Oberflächen gebildete Leiterschichten 101b und 101c aus Kupfer (Cu), Aluminium (Al) usw. umfasst. Die eine Oberfläche des Isoliersubstrats 101 ist auf diese Weise mit dem Halbleiter-Chip 103 verbunden, und die entgegengesetzte Oberfläche ist durch eine Lotschicht 104 mit einem aus einem Metall wie Kupfer zum Ableiten von im Halbleiter-Chip 103 erzeugter Wärme bestehenden Kühlsockel 105 verbunden.

Jedoch werden bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 100 mit einem solchen Aufbau zwei Teile mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, das Isoliersubstrat 101 mit der Keramikplatte 101a und der metallene Kühlsockel 105, durch die Lotschicht 104 verbunden, wodurch sich der ursprünglich ebene Kühlsockel 105 nach dem Löten gelegentlich wölbt.

12 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Hauptteil des gewölbten Kühlsockels zeigt. Es ist anzumerken, dass in 11 und 12 die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um gemeinsame Bauteile zu bezeichnen.

Zum Beispiel im Fall der Verwendung von Aluminiumnitrid für die Keramikplatte 101a des Isoliersubstrats 101 und der Verwendung von Kupfer für den Kühlsockel 105 hat Aluminiumnitrid einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 4,5 ppm/K und hat Kupfer einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 16,5 ppm/K, was einen relativ großen Unterschied der Koeffizienten zur Folge hat. Mithin schrumpft in einem Abkühlungsschritt nach dem Löten Kupfer mehr als Aluminiumnitrid, wodurch sich der Kühlsockel 105 häufig konvex in Richtung des Isoliersubstrats 101 wölbt. Wenn sich der Kühlsockel 105 auf diese Weise wölbt, kommt es je nach Wölbung gelegentlich dazu, dass ein Montageschritt nach dem Löten usw. beeinträchtigt wird oder dass sich die Leistungsfähigkeit des Leistungshalbleitermoduls 100 verschlechtert.

Es wurden einige Vorschläge gemacht, um eine in einem aus Löten usw. bestehenden Verbindungsprozess gebildete konvexe Wölbung von abstrahlenden Teilen wie dem Kühlsockel 105 zu verhindern. Die Vorschläge umfassen ein durch Verbinden einer abstrahlenden Metallschicht mit einer Keramikplatte und durch Verbinden der abstrahlenden Metallschicht mit einem abstrahlenden Teil über eine Hartlotschicht mit einer Verbindungsfläche von 300 mm2 oder weniger hergestelltes Modul (JP-A-2004-140199). Die Vorschläge umfassen ferner ein Verfahren des Verbindens einer Keramikplatte mit einem abstrahlenden Teil nach konvexem Wölben des abstrahlenden Teils zur der Keramikplatte entgegengesetzten Seite hin, wodurch eine im Verbindungsprozess gebildete Wölbung kompensiert wird (JP-A-2003-46032 und JP-A-4-96355). Um außerdem Luftblasen in der Lotschicht zu verringern, umfassen die Vorschläge ferner ein Verfahren des Verbindens einer Keramikplatte mit einem abstrahlenden Teil nach Anbringen von Kupferplatten mit unterschiedlichen Dicken an den beiden Oberflächen der Keramikplatte, wobei die Kupferplatte auf der Seite des abstrahlenden Teils eine größere Dicke aufweist, wodurch sich die Keramikplatte im Verbindungsprozess durch Nutzen des Dickenunterschieds konvex zum abstrahlenden Teil hin wölbt, um Luftblasen in der Lotschicht zu entfernen (JP-A-10-270612).

Jedoch entstehen bei der Herstellung der obigen Leistungshalbleitermodule in den Fällen, in welchen ein Lot zum Verbinden von Teilen, insbesondere Teilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, verwendet wird, die folgenden Probleme.

Gegenwärtig enthalten viele Lote zum Verbinden von Teilen von elektronischen Einrichtungen und Bauteilen einschließlich der Leistungshalbleitermodule Blei (Pb). Wenn bleihaltige Lote verwendende elektronische Einrichtungen und Bauteile weggeworfen, an einem Ort im Freien liegengelassen oder saurem Regen ausgesetzt werden usw., kann Blei in den Loten herausgelöst werden und die Umwelt verschmutzen. Deshalb ist es vorzuziehen, dass sogenannte bleifreie Lote, welche vor allem aus Zinn (Sn) usw. ohne Blei bestehen, in verschiedenen elektronischen Einrichtungen und Bauteilen verwendet werden.

Die bleifreien Lote weisen eine größere Härte auf als die bleihaltigen Lote. Im Fall der Verwendung eines bleihaltigen Lots zum Verbinden des Isoliersubstrats 101 und des ebenen Kühlsockels 105 des in 11 und 12 gezeigten Leistungshalbleitermoduls 100, lässt sich die Lotschicht 104, obwohl der Kühlsockel 105 sich durch Sintern konvex in Richtung des Isoliersubstrats 101 wölben kann, unmittelbar nach dem Löten wegen der Weichheit des Lots kriechverformen, um die Spannung zwischen diesen zu verringern. Folglich verschwindet die Wölbung des Kühlsockels 105 und wird der Kühlsockel 105 in den ursprünglichen ebenen oder annähernd ebenen Zustand zurückversetzt.

Im Gegensatz dazu ist im Fall der Verwendung eines bleifreien Lots für die Verbindung das Lot hart und wird somit die Lotschicht 104 nicht kriechverformt, so dass der Kühlsockel 105 nicht in den ursprünglichen ebenen Zustand zurückversetzt wird und die konvexe Wölbung bestehenbleibt. Der Betrag der Wölbung ist groß, etwa 200 bis 500 &mgr;m, und folglich kommt es wie oben beschrieben gelegentlich dazu, dass ein Montageschritt nach dem Löten beeinträchtigt wird oder dass sich die Leistungsfähigkeit des Leistungshalbleitermoduls 100 verschlechtert.

13 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Hauptteil des Schritts der Montage des Leistungshalbleitermoduls zeigt. Es ist anzumerken, dass in 11, 12 und 13 die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um gemeinsame Bauteile zu bezeichnen.

Wie in 13 gezeigt, werden im Leistungshalbleitermodul 100 das Isoliersubstrat 101 und der Kühlsockel 105 gewöhnlich miteinander verlötet und wird dann der Kühlsockel 105 durch eine Schraube usw. an einer Kühlrippe 200 befestigt.

Im Fall der Verwendung eines bleihaltigen Lots zum Verbinden des Isoliersubstrats 101 und des Kühlsockels 105 verschwindet die im Lötschritt gebildete konvexe Wölbung des Kühlsockels 105 danach. Deshalb ist der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Kühlsockel 105 und der Kühlrippe 200 relativ klein und wird im Halbleiter-Chip 103 erzeugte Wärme wirkungsvoll vom Kühlsockel 105 abgeleitet.

Im Gegensatz dazu bildet sich in einem Fall, in welchem ein bleifreies Lot zum Verbinden mit dem Isoliersubstrat 101 verwendet wird und somit der Kühlsockel 105 sich stark konvex in Richtung des Isoliersubstrats 101 wölbt, ein großer Spalt 201 zwischen dem Kühlsockel 105 und der ebenen Oberfläche der Kühlrippe 200, wie in 13 gezeigt. Wenn sich ein solcher Spalt 201 bildet, erhöht sich der Wärmeübergangswiderstand und verringert sich der Wirkungsgrad des Ableitens von im Halbleiter-Chip 103 erzeugter Wärme, so dass die Temperatur des Verbindungsteils des Halbleiter-Chips 103 abnormal ansteigen kann, was thermische Zerstörung zur Folge hat. Ferner tritt in einem Fall, in welchem der Kühlsockel 105 sich stark konvex zum Isoliersubstrat 101 hin wölbt, gelegentlich ein Problem auf, dass sich zum Beispiel im Schritt des Anschraubens des Kühlsockels 105 an die Kühlrippe 200 in der Keramikplatte 101a ein Riss bildet.

Durch Verwendung von Werkstoffen mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Kupfer-Molybdän-(CuMo-)Verbundwerkstoffen und Aluminium-Silizium-Karbiden (AlSiC) für den Kühlsockel 105 anstelle von Kupfer, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten-Unterschied zwischen dem Kühlsockel 105 und dem Isoliersubstrat 101 zu reduzieren, lässt sich die Wölbung verringern. Gegenüber Kupfer sind diese Werkstoffe jedoch hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit schlechter und hinsichtlich Wärmeableitung ungünstig, obwohl sie niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Ferner sind diese Werkstoffe kostspieliger als Kupfer.

In Anbetracht der obigen Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine preiswerte, hochzuverlässige, unter Berücksichtigung der Umweltauswirkungen konstruierte Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus Patentanspruch 1 und 12. Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, wobei auch andere Kombinationen von Merkmalen als die beanspruchten möglich sind.

Zur Lösung der obigen Probleme wird gemäß der Erfindung eine Halbleitervorrichtung geschaffen, welche einen Kühlsockel, ein mit dem Kühlsockel verlötetes Isoliersubstrat und einen mit dem Isoliersubstrat verlöteten Halbleiter-Chip enthält, welches Isoliersubstrat eine Keramikplatte und auf den beiden Oberflächen der Keramikplatte angeordnete Leiterschichten enthält, wobei das Isoliersubstrat durch ein bleifreies Lot sowohl mit dem Halbleiter-Chip als auch mit dem Kühlsockel verbunden ist und der Kühlsockel in einem annähernd ebenen Zustand bleifrei verlötet ist.

In der Halbleitervorrichtung wird das bleifreie Lot zum Verbinden des Isoliersubstrats und des Kühlsockels und zum Verbinden des Isoliersubstrats und des Halbleiter-Chips verwendet, wodurch ein Herauslösen von Blei aus den Lötabschnitten ausgeschlossen ist, selbst wenn die Einrichtung an einem Ort im Freien liegengelassen wird. Ferner ist in der Halbleitervorrichtung der Kühlsockel im annähernd ebenen Zustand mit dem Isoliersubstrat verlötet, wodurch der Kühlsockel ohne einen großen Spalt und mit einer bevorzugten Kontaktfläche an einer ebenen Oberfläche eines anderen Teils wie einer Kühlrippe angebracht werden kann. Außerdem kann im Anbringungsschritt eine Schädigung der Keramikplatte verhindert werden.

Ferner wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung geschaffen, welche einen Kühlsockel, ein mit dem Kühlsockel verlötetes Isoliersubstrat und einen mit dem Isoliersubstrat verlöteten Halbleiter-Chip enthält, welches Isoliersubstrat eine Keramikplatte und auf den beiden Oberflächen der Keramikplatte angeordnete Leiterschichten enthält, in welchem der Halbleiter-Chip mit einem bleifreien Lot auf dem Isoliersubstrat verlötet wird und das Isoliersubstrat mit dem bleifreien Lot auf dem Kühlsockel verlötet wird, nachdem der Kühlsockel sich gewölbt hat, so dass die Oberfläche auf der dem Isoliersubstrat entgegengesetzten Seite konvex ist und durch das Verlöten annähernd eben gemacht wird.

Beim Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung wird das bleifreie Lot zum Verbinden des Isoliersubstrats und des Kühlsockels und zum Verbinden des Isoliersubstrats und des Halbleiter-Chips verwendet, so dass ein Herauslösen von Blei ausgeschlossen ist. Ferner wird das Isoliersubstrat im Schritt des Verlötens des Kühlsockels und des Isoliersubstrats nach dem Wölben des Kühlsockels mit dem bleifreien Lot verbunden, so dass der Kühlsockel nach dem Löten im annähernd ebenen Zustand mit dem Isoliersubstrat verbunden ist.

In der Halbleitervorrichtung der Erfindung wird das bleifreie Lot zum Verbinden des Isoliersubstrats und des Kühlsockels und zum Verbinden des Isoliersubstrats und des Halbleiter-Chips verwendet, so dass kein Blei herausgelöst wird, um Umweltverschmutzung zu verhindern. Ferner befindet sich in der Halbleitervorrichtung der Erfindung der Kühlsockel nach dem das bleifreie Lot verwendenden Verbindungsschritt im annähernd ebenen Zustand, so dass sich kein großer Spalt zwischen dem Kühlsockel und einer Kühlrippe usw. bildet und der Wärmeübergangswiderstand sich verringert, wodurch im Halbleiter-Chip erzeugte Wärme wirkungsvoll abgeleitet werden kann. Mithin wird eine hochzuverlässige Halbleitervorrichtung geschaffen, welche ohne abnormalen Temperaturanstieg im Halbleiter-Chip stabil funktionieren kann. Ferner können, abgesehen von der Verwendung des bleifreien Lots, Bauteile der Halbleitervorrichtung die gleichen sein wie herkömmliche Bauteile, wodurch eine preisgünstige, hochzuverlässige Halbleitervorrichtung realisiert werden kann.

1 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Hauptteil eines Leistungshalbleitermoduls zeigt;

2 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen der Solidustemperatur von Loten und dem Wölbungsbetrag von Kühlsockeln zeigt;

3 ist ein Diagramm, welches Ergebnisse einer Wärmeschockprüfung bei Verwendung bleifreier Lote zeigt;

4 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen dem Wölbungsbetrag eines Kühlsockels und der Verbindungsfläche eines Isoliersubstrats und eines Kühlsockels zeigt;

5 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die Wirkung der Unterteilung eines Isoliersubstrats auf den Wölbungsbetrag eines Kühlsockels zeigt;

6 ist ein erläuterndes Diagramm, welches ein Verfahren des Konstruierens eines Isoliersubstrats zeigt;

7 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Hauptteil eines Isoliersubstrats und eines Kühlsockels in einem Lötschritt zeigt;

8 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen der Dicke einer Kupferfolie und dem Wölbungsbetrag eines Kühlsockels zeigt;

9 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen der Dicke einer Keramikplatte und dem Wölbungsbetrag eines Kühlsockels zeigt;

10 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen der Dicke und dem Wölbungsbetrag eines Kühlsockels zeigt;

11 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Hauptteil eines herkömmlichen Leistungshalbleitermoduls zeigt;

12 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Hauptteil eines gewölbten Kühlsockels zeigt; und

13 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Hauptteil des Schritts der Montage eines Leistungshalbleitermoduls zeigt.

Eine Ausführungsform eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen ausführlich beschrieben.

1 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Hauptteil eines Leistungshalbleitermoduls zeigt.

Im in 1 gezeigten Leistungshalbleitermodul 1 ist ein Halbleiter-Chip 4 durch eine Lotschicht 3 auf einem Isoliersubstrat 2 befestigt, welches Leiterschichten 2b und 2c auf den beiden Oberflächen einer Keramikplatte 2a aufweist. Die eine Oberfläche des Isoliersubstrats 2 ist auf diese Weise mit dem Halbleiter-Chip 4 verbunden, und die entgegengesetzte Oberfläche ist durch eine Lotschicht 5 mit einem Kühlsockel 6 verbunden.

Zum Beispiel kann die Keramikplatte 2a für das Isoliersubstrat 2 eine hauptsächlich aus Aluminiumoxid (Al2O3) bestehende Platte mit einer angemessenen Dicke sein. Ferner können die Leiterschichten 2b und 2c Kupferfolien mit angemessenen Dicken enthalten.

Zum Beispiel können die Lotschicht 3 zum Verbinden des Isoliersubstrats 2 und des Halbleiter-Chips 4 und die Lotschicht 5 zum Verbinden des Isoliersubstrats 2 und des Kühlsockels 6 ein Lot auf Zinngrundlage, welches einen Zinnanteil enthält, sein. Es ist anzumerken, dass in den beiden Lotschichten 3 und 5 ein bleifreies Lot, welches kein Blei enthält, verwendet wird. Das bleifreie Lot wird im folgenden ausführlich beschrieben.

Der Halbleiter-Chip 4 ist zum Beispiel ein Leistungshalbleiter wie ein IGBT oder eine FWD, welcher Silizium (Si) als einen Hauptbestandteil enthält, und kann im Betrieb Wärme mit relativ hoher Temperatur erzeugen.

Zum Beispiel kann der Kühlsockel 6 vor allem unter dem Gesichtspunkt der Wärmeleitfähigkeit und der Kosten aus Kupfer bestehen. Ferner kann an der unteren Oberfläche des Kühlsockels 6 (der Oberfläche auf der dem Isoliersubstrat 2 entgegengesetzten Seite) eine Kühlrippe angebracht sein, obwohl sie dort nicht gezeigt ist.

Wenn das Leistungshalbleitermodul 1 betrieben wird, erzeugt der Halbleiter-Chip 4 Wärme, und die Wärme wird an die Lotschicht 3, das Isoliersubstrat 2, die Lotschicht 5 und den Kühlsockel 6 in dieser Reihenfolge übertragen und abgeleitet. Somit wird ein Temperaturanstieg im Halbleiter-Chip 4 verhindert, wodurch der normale Betrieb und die Verbindung mit der Leiterschicht 2b usw. aufrechterhalten werden.

Bei der Bildung des Leistungshalbleitermoduls 1 mit dem obigen Aufbau wird der Kühlsockel 6 vor dem das bleifreie Lot verwendenden Verlötungsschritt gewölbt, so dass die Oberfläche auf der der Lotschicht 5 entgegengesetzten Seite konvex ist. Somit wird der Kühlsockel 6 vorab konkav gemacht. Zum Beispiel in einem Fall, in welchem der Kühlsockel 6 eben ist und durch das Löten innerhalb des Bereichs von etwa 200 bis 500 &mgr;m konvex zum Isoliersubstrat 2 hin gewölbt wird, beläuft sich der Betrag der vorab gebildeten Wölbung auf etwa 100 bis 600 &mgr;m. Dieser Bereich des Betrags der vorab gebildeten Wölbung ist lediglich beispielhaft, und der Betrag wird je nach den Dicken und Flächen des Kühlsockels, des Isoliersubstrats und der Leiterschichten im Isoliersubstrat geeignet gewählt. Der Betrag der Wölbung lässt sich ferner verringern, indem die folgenden Ausführungsformen kombiniert werden, und kann sich auf 100 &mgr;m oder weniger belaufen.

Der Kühlsockel 6 wölbt sich auf diese Weise um einen angemessenen Betrag, und nachdem das Isoliersubstrat 2 mit der bleifreien Lotschicht 5 daran angebracht wurde, krümmt sich der Kühlsockel 6 in einem Abkühlungsprozess wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zum Isoliersubstrat 2 hin. Folglich kompensiert die Krümmung die vorab im Kühlsockel 6 gebildete Wölbung, und schließlich ist der Kühlsockel 6 im ebenen Zustand oder im annähernd ebenen konkaven oder konvexen Zustand. Obwohl es ideal ist, dass der Kühlsockel 6 schließlich eben gemacht wird, ist der Kühlsockel 6 möglicherweise nicht völlig eben und kann annähernd eben bis konkav oder weiter als eben bis konvex sein. Solange der resultierende Wölbungsbetrag des Kühlsockels 6 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, kann das Produkt ohne Probleme an einer Kühlrippe angebracht werden und verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit nicht.

Zum Beispiel wenn der Kühlsockel 6 ohne vorheriges Wölben des Kühlsockels 6 mittels des bleifreien Lots befestigt wird, gibt es einen Fall, in welchem im Kühlsockel 6 eine konvexe Wölbung von etwa 200 bis 500 &mgr;m zum Isoliersubstrat 2 hin gebildet wird, um einen großen Spalt zwischen dem Kühlsockel 6 und einer Kühlrippe wie oben beschrieben zu erzeugen. Im Gegensatz dazu befindet sich der Kühlsockel 6, durch konkaves Wölben des Kühlsockels 6 vor dem Löten, nach dem das bleifreie Lot verwendenden Verbindungsschritt im ebenen oder annähernd ebenen Zustand, und die Erzeugung eines großen Spalts zwischen dem Kühlsockel 6 und einer Kühlrippe kann verhindert werden. Folglich kann der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Kühlsockel 6 und der Kühlrippe verringert werden, kann der abnormale Temperaturanstieg im Halbleiter-Chip 4 verhindert werden und kann die thermische Zerstörung verhindert werden, um das hochzuverlässige Leistungshalbleitermodul 1 zu schaffen.

Nun wird das für das Leistungshalbleitermodul 1 verwendete bleifreie Lot beschrieben.

Das für das Leistungshalbleitermodul 1 verwendete bleifreie Lot kann ein Lot auf Zinngrundlage, welches Silber (Ag), Wismut (Bi), Kupfer (Cu), Indium (In), Antimon (Sb), Zink (Zn), Aluminium (Al) usw. enthält, sein. Wenn das bleifreie Lot einen niedrigen Schmelzpunkt hat, verringert sich die im Lötschritt an den Kühlsockel 6 übertragene Wärme und verringern sich die Ausdehnung und Schrumpfung des Kupfers, wodurch die Wölbung des Kühlsockels 6 verringert werden kann.

2 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen der Solidustemperatur von Loten und dem Wölbungsbetrag von Kühlsockeln zeigt. In 2 stellt die Abszisse die Solidustemperatur (°C) dar und stellt die Ordinate den Wölbungsbetrag (&mgr;m) der Kühlsockel dar.

Hier wurden zwei Muster eines Kühlsockels A mit einer Länge von 43 mm, einer Breite von 90 mm und einer Dicke von 3 mm und eines Kühlsockels B mit einer Länge von 59,6 mm, einer Breite von 119,6 mm und einer Dicke von 3 mm, welche aus Kupfer bestanden und eben, ohne Wölbung waren, als die Kühlsockel verwendet. Ein Isoliersubstrat, welches eine hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehende Platte und auf deren beiden Oberflächen gebildete Kupferfolien enthielt, wurde unter Verwendung bleifreier Lote unterschiedlicher Zusammensetzungen mit jedem der Muster verlötet, und der resultierende Wölbungsbetrag wurde gemessen. In 2 stellen schwarze Zeichen die Fälle der Verwendung des Kühlsockels A dar und stellen Umrisszeichen die Fälle der Verwendung des Kühlsockels B dar.

Der Wölbungsbetrag war ein Abstand eines Endes jedes Kühlsockels A, B, welcher beim Löten aus dem ebenen Zustand mit einem Abstand von 0 &mgr;m bewegt wurde. Hier wird das oberste Stück jedes Kühlsockels A, B als Bezugspunkt verwendet, und die Bewegungsrichtung des Endes ist die Minusrichtung. Ferner wurden in den Loten auf Zinn-Indium-Grundlage die Zusammensetzungen gesteuert, um die Solidustemperaturen zu verändern. In 2 stellen die Werte neben den Elementsymbolen der Lotzusammensetzung die Gehalte (%) der Elemente dar, und zum Beispiel das durch Sn-20In bezeichnete Lot hat eine Zusammensetzung mit 20% Indium.

In 2 ist ein Wölbungsbetrag jedes Kühlsockels A, B über der Solidustemperatur jedes im Verbindungsschritt verwendeten bleifreien Lots aufgetragen. Aus 2 ging hervor, dass in beiden Fällen der Kühlsockel A und B der Wölbungsbetrag abnimmt, wenn die Solidustemperatur gesenkt wird. Insbesondere im Fall von Loten auf Zinn-Indium-Grundlage wird bei Erhöhung des Indiumgehalts auf 5%, 15% und 20% die Solidustemperatur gesenkt und nimmt der Wölbungsbetrag des Kühlsockels A, B ab. Der Wölbungsbetrag des Kühlsockels A ist kleiner als derjenige des Kühlsockels B, und die Wölbung lässt sich selbst im Fall der Verwendung eines bleifreien Lots mit einer Zusammensetzung aus Sn-Sb oder Sn-Ag durch Verwendung des Kühlsockels A verringern. Mithin ist im Fall der Verwendung des bleifreien Lots mit einem Schmelzpunkt unter 250 °C, da der Schmelzpunkt des bleifreien Lots niedriger ist, der Betrag der nach dem Löten im Kühlsockel A, B gebildeten Wölbung kleiner.

In anderen Worten, wenn bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 der Schmelzpunkt des bleifreien Lots gesenkt wird, lässt sich die beim Löten angewendete Wärme verringern, wodurch der Betrag der vorab im Kühlsockel 6 gebildeten Wölbung verringert werden kann. Somit ist es einfacher, den Kühlsockel 6 in den ebenen oder annähernd ebenen Zustand zu versetzen, als in einem Fall, in welchem ein stark gewölbter Kühlsockel 6 mit einer hohen Temperatur behandelt wird, um in den ebenen Zustand verformt zu werden. Deshalb kann verhindert werden, dass der Kühlsockel 6 sich konvex zum Isoliersubstrat 2 hin wölbt.

3 ist ein Diagramm, welches Ergebnisse einer Wärmeschockprüfung bei Verwendung bleifreier Lote zeigt. In 3 stellt die Abszisse die Anzahl der Wärmeschockzyklen dar und stellt die Ordinate die Risslänge (mm) von einer Ecke des Lötverbindungsabschnitts eines Kühlsockels und eines Isoliersubstrats dar.

Hierin wurden durch Verbinden des Kühlsockels A und des Isoliersubstrats aus 2 mit jedem der in 2 gezeigten bleifreien Lote aus Sn-Ag, Sn-Sb und Sn-Ag-Bi-In hergestellte Muster der Wärmeschockprüfung unterzogen. Die Wärmeschockprüfung wurde mittels eines Verfahrens durchgeführt, das die Wiederholung der Schritte des fünfminütigen Haltens des Musters auf minus 40 °C und des fünfminütigen Haltens des Musters auf 125 °C, mit jeweils dazwischenliegendem einminütigem Halten des Musters auf Normaltemperatur, umfasst. Die Wärmeschockprüfung wurde unter Verwendung einer Flüssigkeitsbad-Wärmeschockprüfvorrichtung bei einer Aufwärm- und Abkühlgeschwindigkeit von 50 °C/min durchgeführt.

Aus 3 ging hervor, dass die Länge des im Lötverbindungsabschnitt des Kühlsockels A und des Isoliersubstrats gebildeten Risses im Fall der Verwendung der bleifreien Lote mit einer Zusammensetzung aus Sn-Sb oder Sn-Ag-Bi-In kleiner war als im Fall der Verwendung des bleifreien Lots mit einer Zusammensetzung aus Sn-Ag. Insbesondere im Fall der Verwendung des bleifreien Lots mit der Zusammensetzung aus Sn-Ag-Bi-In bildete sich auch nach 300-maligem Wärmeschockzyklus kein Riss. Mithin lässt sich durch Verwendung des bleifreien Lots auf Zinngrundlage, welches Indium oder Antimon enthält, die Reißfestigkeit der Lötverbindung steigern.

Zum Beispiel wenn sich im Leistungshalbleitermodul 1 ein Riss in der Lotschicht 5 bildet, der gerade bis unter den auf dem Isoliersubstrat 2 befestigten Halbleiter-Chip 4 reicht, gibt es einen Fall, in welchem die Effizienz des Wärmeübergangs vom Halbleiter-Chip 4 auf den Kühlsockel 6 abnimmt, wodurch es zu einem Temperaturanstieg im Halbleiter-Chip 4 kommt, welcher die Lebensdauer des Produkts verkürzt. Durch Verbessern der Reißfestigkeit lässt sich die Lebensdauer des Produkts verlängern. Die Verbesserung der Reißfestigkeit durch Verwendung des bleifreien Lots mit einer bestimmten Zusammensetzung lässt sich natürlich auch in der Lotschicht 3 zwischen dem Isoliersubstrat 2 und dem Halbleiter-Chip 4 beobachten.

Wie oben beschrieben, wird im Fall der Verwendung des bleifreien Lots zum Verbinden des Isoliersubstrats 2 und des Kühlsockels 6 des Leistungshalbleitermoduls 1 der Kühlsockel 6 vorab konkav gewölbt. Ferner wird zusätzlich die Zusammensetzung des bleifreien Lots je nach den gewünschten Eigenschaften des Leistungshalbleitermoduls 1 geeignet gewählt. Mithin kann die konvexe Wölbung des Kühlsockels 6 zum Isoliersubstrat 2 hin verringert werden, um die Bildung eines großen Spalts zwischen dem Kühlsockel 6 und einer Kühlrippe zu verhindern, und lässt sich die Erzeugung eines Risses in der Lotschicht 5 verhindern, um die thermische und elektrische Verbindung zwischen diesen aufrechtzuerhalten. Ferner lässt sich durch Verwendung des bleifreien Lots auch zum Verbinden des Halbleiter-Chips 4 und des Isoliersubstrats 2 des Leistungshalbleitermoduls 1 die Erzeugung eines Risses in der Lotschicht 3 verhindern, um die thermische und elektrische Verbindung zwischen diesen aufrechtzuerhalten. Somit kann das Leistungshalbleitermodul 1 mit hoher Leistungsfähigkeit, hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer hergestellt werden.

Außerdem wird das bleifreie Lot zum Verbinden des Isoliersubstrats 2 und des Kühlsockels 6 und zum Verbinden des Halbleiter-Chips 4 und des Isoliersubstrats 2 verwendet, so dass ein Herauslösen von Blei selbst im Fall, dass das Leistungshalbleitermodul 1 an einem Ort im Freien liegengelassen wird, ausgeschlossen ist.

Nachfolgend werden verschiedene Faktoren, die sich bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 auf die Wölbung des Kühlsockels 6 auswirken, untersucht.

Zuerst wird der Einfluss der Verbindungsfläche zwischen dem Isoliersubstrat 2 und dem Kühlsockel 6 auf die Wölbung des Kühlsockels 6 beschrieben.

4 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen dem Wölbungsbetrag eines Kühlsockels und der Verbindungsfläche eines Isoliersubstrats und eines Kühlsockels zeigt. In 4 stellt die Abszisse die Verbindungsfläche (mm2) dar und stellt die Ordinate den Wölbungsbetrag (&mgr;m) des Kühlsockels dar.

4 zeigt die Ergebnisse des Verbindens jedes einzelnen Isoliersubstrats a bis f mit einem ebenen Kupfer-Kühlsockel, welcher nicht vorab konkav gewölbt ist, durch ein bleifreies Lot sowie des Messens des Betrags der konvexen Wölbung des Kühlsockels zum Isoliersubstrat a bis f hin.

Die Isoliersubstrate a bis f sind so beschaffen, dass das Isoliersubstrat a ein ebenes, quadratisches Standardsubstrat ist, welches die kleinste Verbindungsfläche aufweist, die Isoliersubstrate b und c ebene quadratische Substrate mit vergrößeren Flächen mit gleichen Verhältnissen der horizontalen zur vertikalen Länge sind, die Isoliersubstrate d und e ebene rechteckige Substrate mit vergrößerten Längen in Längsrichtung mit gleichen Längen in Querrichtung sind und das Isoliersubstrat fein ebenes, rechteckiges, aus dem Isoliersubstrat e durch Vergrößern der Länge in Querrichtung hervorgegangenes Substrat mit gleicher Länge in Längsrichtung ist. Die Isoliersubstrate b und d haben gleiche Längen in Längsrichtung und unterschiedliche Längen in Querrichtung, und auch die Isoliersubstrate e, f und c haben gleiche Längen in Längsrichtung und unterschiedliche Längen in Querrichtung. Ferner haben die Isoliersubstrate b und f gleiche Längen in Querrichtung und unterschiedliche Längen in Längsrichtung.

Das gleiche bleifreie Lot wurde zum Verbinden jedes einzelnen der Isoliersubstrate a bis f und eines Kühlsockels verwendet. Der Kühlsockel hatte eine Dicke von 3 mm und eine derjenigen jedes einzelnen Isoliersubstrats a bis f entsprechende Flächengröße. Der Kühlsockel hatte eine solche Flächengröße, dass sich der Abstand von einem Ende des ebenen Kühlsockels zu einem Ende jedes einzelnen Isoliersubstrats a bis f auf 10 mm belief. Die Wölbungsbeträge des Kühlsockels nach dem Löten wurden auf Grundlage der Verschiebung des Längs-Endes aus dem ebenen Zustand ausgewertet. Hier ist die Bewegungsrichtung die Plus-Richtung.

Aus 4 ging hervor, dass, was bei den Isoliersubstraten a, b, und c den Einfluss der Verbindungsfläche auf die Wölbung des Kühlsockels anbelangte, der Wölbungsbetrag mit der Verbindungsfläche proportional zunahm. Es zeigte sich, dass, was bei den Isoliersubstraten a, d und e den Einfluss der Länge in Längsrichtung der Verbindungsfläche auf die Wölbung des Kühlsockels anbelangte, der Wölbungsbetrag mit der Länge in Längsrichtung proportional zunahm. Ferner zeigte sich, dass, was bei den Isoliersubstraten e, f, und c den Einfluss der Länge in Querrichtung der Verbindungsfläche auf die Wölbung des Kühlsockels anbelangte, der Wölbungsbetrag mit der Länge in Querrichtung zunahm. Mithin wird der Wölbungsbetrag des durch das bleifreie Lot mit jedem einzelnen Isoliersubstrat a bis f verbundenen Kühlsockels durch die Verbindungsfläche des Isoliersubstrats a bis f stark beeinflusst.

In anderen Worten, bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 kann unter Anwendung der Ergebnisse der Betrag der im Kühlsockel 6 gebildeten Wölbung vor dem Verbinden mittels des bleifreien Lots in Abhängigkeit von der Größe des Isoliersubstrats 2 bestimmt werden. Auf diese Weise kann der Kühlsockel 6 einfach in den ebenen oder annähernd ebenen Zustand gesteuert werden und kann verhindert werden, dass er sich konvex zum Isoliersubstrat 2 hin wölbt.

Es ist anzumerken, dass die in 4 gezeigte Tendenz auch im Fall der Verwendung einer anderen Art von bleifreiem Lot beobachtet wurde.

Der Wölbungsbetrag des Kühlsockels 6 ändert sich auch in Abhängigkeit von der Unterteilung der Isoliersubstrate 2, selbst im Fall fast gleicher Verbindungsflächen.

5 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die Wirkung der Unterteilung eines Isoliersubstrats auf den Wölbungsbetrag eines Kühlsockels zeigt. In 5 stellt die Abszisse die Verbindungsfläche (mm2) dar und stellt die Ordinate den Wölbungsbetrag (&mgr;m) eines Kühlsockels dar.

Zwei Isoliersubstrate a aus 4 wurden mit einem Kühlsockel so verlötet, dass die Substrate mit einem Zwischenraum von 2 mm horizontal angeordnet waren und so anscheinend einem zweigeteilten Isoliersubstrat d (einem Isoliersubstrat d') entsprachen. Auf die gleiche Weise wurden drei Isoliersubstrate a mit einem Kühlsockel so verlötet, dass die Substrate mit Zwischenräumen von 2 mm horizontal angeordnet waren und so anscheinend einem dreigeteilten Isoliersubstrat e (einem Isoliersubstrat e') entsprachen. Ferner wurden vier Isoliersubstrate a, welche vertikal und horizontal angeordnet waren, oder zwei Isoliersubstrate d, welche horizontal angeordnet waren, mit einem Kühlsockel so verlötet, dass die Substrate mit Zwischenräumen von 2 mm angeordnet waren und so anscheinend einem viergeteilten oder zweigeteilten Isoliersubstrat b (Isoliersubstrat b' oder b'') entsprachen.

Das gleiche bleifreie Lot wurde zum Verbinden jedes einzelnen der Isoliersubstrate d', e', b' und b'' und des Kühlsockels auf die gleiche Weise wie in 4 verwendet. Der Kühlsockel hatte eine Dicke von 3 mm und eine derjenigen jedes einzelnen Isoliersubstrats d', e', b', b'' entsprechende Flächengröße. Der Kühlsockel hatte eine solche Flächengröße, dass sich der Abstand von einem Ende des Kühlsockels im ebenen Zustand zu einem Ende jedes einzelnen Isoliersubstrats d', e', b', b'' auf 10 mm belief. Die Wölbungsbeträge des Kühlsockels nach dem Löten wurden auf Grundlage der Verschiebung des Längs-Endes aus dem ebenen Zustand ausgewertet.

Aus 5 ging hervor, dass jedes einzelne Isoliersubstrat d', e', b' und b'' einen auffallend kleineren Wölbungsbetrag des Kühlsockels aufwies als die entsprechenden Isoliersubstrate d, e und b. Es ist anzumerken, dass die in 5 gezeigte Tendenz auch im Fall der Verwendung einer anderen Art von bleifreiem Lot beobachtet wurde.

Mithin kann bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 der Betrag der vor dem Löten im Kühlsockel 6 gebildeten Wölbung in Abhängigkeit von der Unterteilung des Isoliersubstrats 2 mit der gleichen Verbindungsfläche bestimmt werden.

6 ist ein erläuterndes Diagramm, welches ein Verfahren des Konstruierens des Isoliersubstrats zeigt.

6 zeigt Ergebnisse des Ermittelns der 250 &mgr;m oder weniger des Wölbungsbetrags des 3 mm dicken Kühlsockels entsprechenden Größe des Isoliersubstrats durch Berechnung auf Grundlage der in 4 und 5 gezeigten Messdaten unter der Voraussetzung, dass das Isoliersubstrat die maximale Länge in Querrichtung von 50 mm und die maximale Länge in Längsrichtung (oder den maximalen Gesamtwert der Längen in Längsrichtung einer Vielzahl von angeordneten Isoliersubstraten) von 85 mm aufwies. Im Isoliersubstrat hatten die hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehende Platte und die Kupferfolien die gleiche Dicke von 0,25 mm.

Die für den Wölbungsbetrag von 250 &mgr;m oder weniger erforderliche maximale Größe des Isoliersubstrats belief sich auf 50 mm × 50 mm im Fall der Verwendung eines Isoliersubstrats, auf 70 mm × 46 mm im Fall der Verwendung zweier Isoliersubstrate (Größe eines Isoliersubstrats: 35 mm × 46 mm) und auf 85 mm × 43 mm im Fall der Verwendung dreier Isoliersubstrate (Größe eines Isoliersubstrats: 28 mm × 43 mm).

Mithin kann bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 der Betrag der vor dem Löten im Kühlsockel 6 gebildeten Wölbung geeignet gewählt werden, indem unter Verwendung dieser in 6 gezeigten Daten usw. die Größe und die Unterteilungszahl des Isoliersubstrats 2 bestimmt werden. Ferner kann dadurch das Leistungshalbleitermodul 1 mit einer der maximalen Größe des Isoliersubstrats 2 entsprechenden Größe gebildet werden. Wenn die Größe des Isoliersubstrats 2 erhöht wird, kann die Unterbringungszahl des Halbleiter-Chips 4 erhöht werden und kann auch die Flexibilität bei der Konstruktion der Leiterschichten 2b und 2c erhöht werden.

Nun wird der Einfluss der Dicken der Leiterschichten 2b und 2c im Isoliersubstrat 2 auf den Wölbungsbetrag des Kühlsockels 6 beschrieben.

Bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 wird der Kühlsockel 6 vor dem das bleifreie Lot verwendenden Lötschritt konkav gewölbt, so dass im Lötschritt ein ziemlich großer Raum zwischen dem ebenen Isoliersubstrat 2 und dem Kühlsockel 6 gebildet wird.

7 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Hauptteil des Isoliersubstrats und des Kühlsockels im Lötschritt zeigt;

Wie oben beschrieben, wird durch geeignetes Steuern der Dicken der Leiterschichten 2b und 2c, zum Beispiel indem die Leiterschicht 2c dicker als die Leiterschicht 2b gemacht wird, wie in 7 gezeigt, das Isoliersubstrat 2 im das bleifreie Lot verwendenden Lötschritt zum Kühlsockel 6 hin gewölbt, wodurch der Raum zwischen dem Isoliersubstrat 2 und der vorab im Kühlsockel 6 gebildeten konkaven Wölbung verkleinert wird. Dann wird das Isoliersubstrat 2 nach dem Löten in den ebenen Zustand zurückversetzt, während der Kühlsockel 6 in die ebene oder annähernd ebene Form verformt wird. Folglich wird der Raum zwischen dem Isoliersubstrat 2 und dem Kühlsockel 6 verkleinert, wodurch in der Lotschicht 5 kein Stück der Lotmenge fehlt und die Erzeugung eines nicht verbundenen Stücks verhindert werden kann.

Die dickere der für die Leiterschichten 2b und 2c verwendeten Kupferfolien trägt dazu bei, den Wärmeausdehnungskoeffizienten-Unterschied zwischen dem Isoliersubstrat 2 und dem Kühlsockel 6 zu reduzieren, wodurch eine starke konvexe Wölbung des Kühlsockels 6 zum Isoliersubstrat 2 hin verhindert werden kann.

8 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen der Dicke der Kupferfolie und dem Wölbungsbetrag des Kühlsockels zeigt. In 8 stellt die Abszisse die Dicke (mm) der auf der vorder- oder rückseitigen Oberfläche des Isoliersubstrats gebildeten Kupferfolie dar und stellt die Ordinate den Wölbungsbetrag (&mgr;m) des Kühlsockels dar.

Dabei enthielten die Isoliersubstrate eine hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehende Platte mit gleicher Dicke und Kupferfolien mit unterschiedlichen Dicken und wurde der Kühlsockel A aus 2 verwendet. Die Kupferfolien auf der vorder- und rückseitigen Oberfläche jedes einzelnen Isoliersubstrats hatten die gleiche Dicke. Das gleiche bleifreie Lot wurde zum Verbinden jedes einzelnen Isoliersubstrats und des Kühlsockels A verwendet. Die Wölbungsbeträge des Kühlsockels nach dem Löten wurden auf Grundlage der Verschiebung des Längs-Endes aus dem ebenen Zustand ausgewertet.

Aus 8 geht hervor, dass der Wölbungsbetrag des Kühlsockels A abnimmt, wenn die auf der hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehenden Platte gebildete Kupferfolie eine Dicke von mehr als 0,4 mm aufweist. Somit lässt sich die Wölbung des Kühlsockels A verringern, indem die Dicke der auf der hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehenden Platte gebildeten Kupferfolie erhöht wird, wodurch der Wärmeausdehnungskoeffizienten-Unterschied zwischen dem Isoliersubstrat und dem Kühlsockel A reduziert wird. Es ist anzumerken, dass die in 8 gezeigte Tendenz auch im Fall der Verwendung einer anderen Art von bleifreiem Lot beobachtet wurde.

Bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 unter Verwendung des vor dem Löten konkav gewölbten Kühlsockels 6 kann, wenn die Leiterschicht 2c dicker als die Leiterschicht 2b ist oder wenn alternativ die Leiterschichten 2b und 2c Dicken von mehr als 0,4 mm aufweisen, verhindert werden, dass zwischen dem Isoliersubstrat 2 und dem Kühlsockel 6 ein nicht verbundenes Stück erzeugt wird und dass der Kühlsockel 6 sich konvex zum Isoliersubstrat 2 hin wölbt, nachdem er aus dem konkaven in den ebenen Zustand versetzt wurde. Ferner kann der Betrag der vor dem Löten im Kühlsockel 6 gebildeten Wölbung verringert werden.

In Anbetracht des Beaufschlagens des auf der Leiterschicht 2b gebildeten Halbleiter-Chips 4 mit einem gewünschten Strom, des obigen Wärmeausdehnungskoeffizienten-Unterschieds sowie des Werkstoffs und der Dicke der Keramikplatte 2a betragen die Dicken der Leiterschichten 2b und 2c vorzugsweise 0,4 mm oder mehr und werden sie vorzugsweise so groß wie möglich gemacht. Die Verbindungseigenschaften der Leiterschichten 2b und 2c zur Keramikplatte 2a hängen vom Werkstoff und von der Dicke der Keramikplatte 2a ab. Zum Beispiel können in einem Fall, in welchem die Keramikplatte 2a hauptsächlich aus Siliziumnitrid besteht, die Leiterschichten 2b und 2c mit Dicken von mehr als 0,8 mm mit dieser verbunden werden. Auch in einem Fall, in welchem die Platte hauptsächlich aus Aluminiumoxid besteht, können die Leiterschichten 2b und 2c mit Dicken von mehr als 0,8 mm mit dieser verbunden werden.

Obwohl die Dicken der Leiterschichten 2b und 2c des Isoliersubstrats 2 oben vermerkt sind, kann das Volumenverhältnis zwischen den Leiterschichten 2b und 2c geeignet gewählt werden. Zum Beispiel wird das Volumenverhältnis der Leiterschicht 2c zur Leiterschicht 2b auf 1 oder mehr gesteuert. Bei einem solchen Volumenverhältnis kann die Dicke der Leiterschicht 2b je nach der Gestaltungsform der Leiterschichten 2b und 2c größer sein als diejenige, gleich sein derjenigen oder kleiner sein als diejenige der Leiterschicht 2c, können die Erzeugung des obigen nicht verbundenen Stücks und eine starke konvexe Wölbung verhindert werden und kann der Betrag der vorab im Kühlsockel 6 gebildeten Wölbung verringert werden.

Nun wird der Einfluss der Dicke der Keramikplatte 2a im Isoliersubstrat 2 auf den Wölbungsbetrag des Kühlsockels 6 beschrieben.

Die Dicke der Keramikplatte 2a kann verringert werden, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten-Unterschied zwischen dem Isoliersubstrat 2 und dem Kühlsockel 6 auf Grundlage einer Perspektive gleich der obigen des Steuerns der Dicken der Leiterschichten 2b und 2c im Isoliersubstrat 2 zu reduzieren.

9 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen der Dicke der Keramikplatte und dem Wölbungsbetrag des Kühlsockels zeigt. In 9 stellt die Ordinate den Wölbungsbetrag (&mgr;m) des Kühlsockels dar.

Hier wurden die Kühlsockel A und B aus 2 in den ebenen Zuständen, ohne sie vorab konkav zu wölben, verwendet. Und für die Isoliersubstrate wurden jeweils hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehende Platten mit Dicken von 0,25 mm, 0,32 mm und 0,635 mm verwendet, wobei auf jeder Platte Kupferfolien mit gleichen Dicken gebildet waren. Das gleiche bleifreie Lot wurde zum Verbinden der Kühlsockel A und B mit den Isoliersubstraten verwendet. Die Wölbungsbeträge des Kühlsockels nach dem Löten wurden auf Grundlage der Verschiebung des Längs-Endes aus dem ebenen Zustand ausgewertet.

Aus 9 geht hervor, dass in den beiden Fällen der Kühlsockel A und B der Wölbungsbetrag abnimmt, wenn die Dicke der hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehenden Platte verringert wird. Somit kann durch Dünnermachen der hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehenden Platte zwecks Reduzierens des Wärmeausdehnungskoeffizienten-Unterschieds zwischen dem Isoliersubstrat und dem Kühlsockel A, B die Wölbung des Kühlsockels A, B verringert werden. Von den Keramiken ist Aluminiumoxid besonders wirkungsvoll, um die Wölbung des Kühlsockels A, B zu verringern, weil sein Wärmeausdehnungskoeffizient (etwa 8 ppm/K) relativ nah an denjenigen von Metallen liegt. Es ist anzumerken, dass die in 9 gezeigte Tendenz auch im Fall der Verwendung einer anderen Art von bleifreiem Lot beobachtet wurde.

Bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 wird durch geeignetes Steuern der Dicke der hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehenden Keramikplatte 2a zur Bildung des Isoliersubstrats 2 kein nicht verbundenes Stück zwischen dem Isoliersubstrat 2 und dem Kühlsockel 6 gebildet und kann verhindert werden, dass der Kühlsockel 6 sich konvex zum Isoliersubstrat 2 hin wölbt. Dies gilt für eine hauptsächlich aus Siliziumnitrid bestehende Keramikplatte.

Unter dem Gesichtspunkt des effizienten Aufrechterhaltens eines gewissen Wärmeübergangsniveaus und der Festigkeit des Isoliersubstrats 2, zusätzlich zum Verhindern der Erzeugung eines nicht verbundenen Abschnitts und der Wölbung des Kühlsockels 6 zum Isoliersubstrat 2 hin, hat die Keramikplatte 2a im Isoliersubstrat 2 vorzugsweise eine Dicke von 0,635 mm oder weniger. Unter dem Gesichtspunkt der Wärmeleitung der Keramikplatte 2a usw. liegt ferner die Dicke vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 0,2 bis 0,4 mm. Wie in 9 gezeigt, ist der Wölbungsbetrag im Fall, dass die Dicke der Keramikplatte 2a 0,635 mm beträgt, größer als in den Fällen der Dicken von 0,25 mm und 0,32 mm. Durch richtiges Auswählen der Eigenschaften des Kühlsockels 6 kann verhindert werden, dass zwischen dem Isoliersubstrat 2 und dem Kühlsockel 6 ein nicht verbundenes Stück erzeugt wird und dass der Kühlsockel 6 sich konvex zum Isoliersubstrat 2 hin wölbt.

Nun wird der Einfluss der Dicke des Kühlsockels 6 auf den Wölbungsbetrag beschrieben.

10 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen der Dicke und dem Wölbungsbetrag des Kühlsockels zeigt. In 10 stellt die Abszisse die Temperatur (°C) zum Löten dar und stellt die Ordinate den Wölbungsbetrag (&mgr;m) des Kühlsockels dar.

Kühlsockel mit Dicken von 2 mm, 3 mm und 4 mm mit gleichen Flächengrößen wurden unter Bedingungen, welche denjenigen für übliche, ein bleifreies Lot verwendende Lötprozesse glichen, wärmebehandelt, um den Wölbungsbetrag bei jeder Temperatur zu messen. Der Wölbungsbetrag wurde auf Grundlage der Verschiebung so ausgewertet, dass das oberste Ende des Kühlsockels der Bezugspunkt (0 &mgr;m) war und seine Bewegungsrichtung die Minusrichtung war.

Wie in 10 gezeigt, ist, je dicker der Kühlsockel ist, die Änderung des Wölbungsbetrags über die Temperatur desto kleiner. Bei 30 °C wies der dünnste 2-mm-Kühlsockel den maximalen Wölbungsbetrag auf und wies der dickste 4-mm-Kühlsockel den minimalen Wölbungsbetrag auf, wobei die Wölbungsbeträge bei 30 °C die Wölbungsbeträge nach dem Löten meinen. Somit liegt auf der Hand, dass der Wölbungsbetrag mit dicker werdendem Kühlsockel abnimmt. Insbesondere in einem Fall, in welchem der Kühlsockel eine Dicke von 3 mm oder mehr aufweist, ist die Wölbung relativ kleiner, wodurch der Betrag der vorab gebildeten Wölbung verringert werden kann.

Bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 unter Verwendung des vorab konkav gewölbten Kühlsockels 6 kann, wenn der Kühlsockel 6 dicker ist, der Betrag der vorab gebildeten Wölbung kleiner sein und kann verhindert werden, dass der Kühlsockel 6 sich stark konvex zum Isoliersubstrat 2 hin wölbt. Bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 liegt die Dicke des Kühlsockels 6 unter dem Gesichtspunkt des resultierenden Wölbungsbetrags, des einfachen Versetzens in den ebenen oder annähernd ebenen Zustand, der Größe des Leistungshalbleitermoduls 1 usw. vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 3 bis 4 mm. Selbst in einem Fall, in welchem der Kühlsockel 6 eine Dicke von weniger als 3 mm aufweist, kann durch richtiges Wählen der Eigenschaften des Isoliersubstrats 2 der Betrag der vorab gebildeten Wölbung verringert werden und kann verhindert werden, dass der Kühlsockel 6 sich stark konvex in Richtung des Isoliersubstrats 2 wölbt. Unter diesem Aspekt betrachtet, kann die Dicke des Kühlsockels 6 innerhalb des Bereichs von 2 bis 4 mm liegen, um das Leistungshalbleitermodul 1 herzustellen.

Wie oben beschrieben, kann bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 unter Verwendung des bleifreien Lots der Betrag der vor dem Löten im Kühlsockel 6 gebildeten Wölbung in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren mit Einfluss auf den Wölbungsbetrag, also von Eigenschaften des Isoliersubstrats 2 (die Verbindungsfläche zum Kühlsockel 6, der Unterteilungszustand, die Dicken der Leiterschichten 2b und 2c und die Dicke der Keramikplatte 2a) und von Eigenschaften des Kühlsockels 6 (die Flächengröße und die Dicke) bestimmt werden. Das Leistungshalbleitermodul 1 kann durch geeignetes Wählen des Wölbungsbetrags mit einer hohen Reißfestigkeit, einer hohen Leistung, einer hohen Zuverlässigkeit und einer langen Lebensdauer erlangt werden, und das Herauslösen von Blei, die Erzeugung eines nicht verbundenen Stücks zwischen dem Isoliersubstrat 2 und dem Kühlsockel 6 sowie die Bildung eines großen Spalts zwischen dem Kühlsockel 6 und einer Kühlrippe können verhindert werden.

Schließlich wird ein Verfahren zum Bilden des Kühlsockels 6 beschrieben.

Der Kühlsockel 6 kann durch Verwendung einer Pressform gebildet werden. Im Fall des Bildens des Kühlsockels 6 mit der Wölbung wird eine Pressform mit einer der Wölbung entsprechenden Form verwendet. Zum Beispiel um einen aus Kupfer bestehenden Kühlsockel 6 zu bilden, wird Kupferpulver in eine Pressform mit einer vorbestimmten Form geladen, zwecks Bildung eines Formkörpers gepresst und in einer Schutzgasatmosphäre wärmebehandelt usw. Ein Kühlsockel 6 mit einer der Pressform entsprechenden Form kann auf diese Weise gebildet werden. In einem solchen Verfahren können Kühlsockel 6 mit verschiedenen Wölbungsbeträgen und Flächengrößen durch Wechseln der Pressform ohne mechanische Arbeiten gebildet werden.

Wie oben beschrieben, wird im Leistungshalbleitermodul 1 mit dem obigen Aufbau das bleifreie Lot zum Verbinden des Halbleiter-Chips 4 und des Isoliersubstrats 2 und zum Verbinden des Isoliersubstrats 2 und des Kühlsockels 6 verwendet, wodurch Umweltverschmutzung verhindert werden kann. Ferner wird, zusätzlich zur Verwendung des bleifreien Lots, der Kühlsockel 6 vor dem Löten konkav gewölbt, so dass er sich nach dem Löten im ebenen oder annähernd ebenen Zustand befindet, wodurch der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Kühlsockel 6 und einer Kühlrippe verringert werden kann. Folglich kann ein hochleistungsfähiges, hochzuverlässiges Leistungshalbleitermodul 1 mit hervorragenden Eigenschaften zur Kühlung des Halbleiter-Chips 4 realisiert werden. Ferner kann die Art des bleifreien Lots je nach den gewünschten Eigenschaften des Leistungshalbleitermoduls 9 gewählt werden, um die Reißfestigkeit und die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls 9 zu verbessern.

Obwohl in der obigen Beschreibung hauptsächlich das Verbinden des Isoliersubstrats 2 und des Kühlsockels 6 mit dem bleifreien Lot im Leistungshalbleitermodul 1 beschrieben wird, kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf das Verbinden von Teilen mit einem relativ großen Wärmeausdehnungskoeffizienten-Unterschied mittels eines bleifreien Lots in anderen Halbleitervorrichtungen angewendet werden.


Anspruch[de]
  1. Halbleitervorrichtung, enthaltend einen Kühlsockel (6), ein mit dem Kühlsockel (6) verlötetes Isoliersubstrat (2) und einen mit dem Isoliersubstrat (2) verlöteten Halbleiter-Chip (4), welches Isoliersubstrat (2) eine Keramikplatte (2a) und auf den beiden Oberflächen der Keramikplatte (2a) angeordnete Leiterschichten (2b, 2c) enthält, bei welcher das Isoliersubstrat (2) durch ein bleifreies Lot sowohl mit dem Halbleiter-Chip (4) als auch mit dem Kühlsockel (6) verbunden ist und der Kühlsockel (6) in einem annähernd ebenen Zustand durch ein bleifreies Lot befestigt ist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das bleifreie Lot einen Schmelzpunkt von 250 °C oder niedriger hat.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das bleifreie Lot Zinn und mindestens ein Element enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silber, Wismut, Indium, Antimon, Zink, Aluminium und Kupfer.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher im Isoliersubstrat (2) die mit dem Halbleiter-Chip (4) verbundene Leiterschicht (2b) eine Dicke aufweist, welche gleich derjenigen oder kleiner als diejenige der mit dem Kühlsockel (6) verbundenen Leiterschicht ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher im Isoliersubstrat (2) das Volumenverhältnis der mit dem Kühlsockel (6) verbundenen Leiterschicht (2c) zu der mit dem Halbleiter-Chip (4) verbundenen Leiterschicht (2b) 1 oder größer ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher im Isoliersubstrat (2) die Leiterschichten (2b, 2c) eine Kupferfolie enthalten und die Keramikplatte (2a) Aluminiumoxid als einen Hauptbestandteil enthält.
  7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Isoliersubstrat (2) sowohl mit dem Kühlsockel (6) als auch mit dem Halbleiter-Chip (4) so verbunden ist, dass das Isoliersubstrat (2) in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt ist.
  8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher im Isoliersubstrat (2) die Leiterschichten (2b, 2c) eine Dicke von 0,4 mm oder größer aufweisen.
  9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher im Isoliersubstrat (2) die Keramikplatte (2a) eine Dicke von 0,2 bis 0,635 mm aufweist.
  10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Kühlsockel (6) Kupfer enthält.
  11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Kühlsockel (6) eine Dicke von 2 bis 4 mm aufweist.
  12. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, enthaltend einen Kühlsockel (6), ein mit dem Kühlsockel (6) verlötetes Isoliersubstrat (2) und einen mit dem Isoliersubstrat (2) verlöteten Halbleiter-Chip (4), welches Isoliersubstrat (2) eine Keramikplatte (2a) und auf den beiden Oberflächen der Keramikplatte (2a) angeordnete Leiterschichten (2b, 2c) enthält, bei welchem der Halbleiter-Chip (4) mit einem bleifreien Lot auf das Isoliersubstrat (2) gelötet wird und das Isoliersubstrat (2) mit dem bleifreien Lot auf dem Kühlsockel (6) verlötet wird, nachdem der Kühlsockel (6) gewölbt wurde, so dass die Oberfläche auf der dem Isoliersubstrat (2) entgegengesetzten Seite konvex ist und durch das Verlöten annähernd eben gemacht wird.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei welchem das bleifreie Lot einen Schmelzpunkt von 250 °C oder niedriger hat.
  14. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei welchem das bleifreie Lot Zinn und mindestens ein Element enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silber, Wismut, Indium, Antimon, Zink, Aluminium und Kupfer.
  15. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei welchem der Kühlsockel (6) in Abhängigkeit von der Art des Isoliersubstrats (2) gewölbt wird.
  16. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, bei welchem der Kühlsockel (6) in Abhängigkeit von der Verbindungsfläche zwischen dem Kühlsockel (6) und dem Isoliersubstrat (2) gewölbt wird.
  17. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 16, bei welchem das Isoliersubstrat (2) in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt ist und der Kühlsockel (6) in Abhängigkeit von der Verbindungsfläche zwischen dem Kühlsockel (6) und dem unterteilten Isoliersubstrat (2) gewölbt wird.
  18. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, bei welchem der Kühlsockel (6) in Abhängigkeit von der Dicke der Leiterschicht im Isoliersubstrat (2) gewölbt wird.
  19. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, bei welchem der Kühlsockel (6) in Abhängigkeit von dem Volumenverhältnis zwischen den auf den beiden Oberflächen der Keramikplatte (2a) im Isoliersubstrat (2) angeordneten Leiterschichten (2b, 2c) gewölbt wird.
  20. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, bei welchem der Kühlsockel (6) in Abhängigkeit von der Dicke der Keramikplatte (2a) im Isoliersubstrat (2) gewölbt wird.
  21. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei welchem der Kühlsockel (6) in Abhängigkeit von der Dicke des Kühlsockels gewölbt wird.
  22. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei welchem im Isoliersubstrat (2) die Leiterschichten (2b, 2c) eine Kupferfolie enthalten und die Keramikplatte (2a) Aluminiumoxid als einen Hauptbestandteil enthält.
  23. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei welchem der Kühlsockel (6) Kupfer enthält.
Es folgen 13 Blatt Zeichnungen






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