DE10103084A1 - Halbleitermodul und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Bei einem Halbleitermodul mit wenigstens einem Halbleiterbauelement (1), das unmittelbar auf einen Trägerkörper (3, 4, 5) angeordnet ist, welcher eine mit einer Metallschicht (4) versehene Isolationskeramik (3) aufweist, ist wenigstens ein Anschlussleiter (6, 7) mit der Metallschicht (4) mittels Schweißen, insbesondere Mikrolaserschweißen, verbunden.

Description

In elektrischen und elektronischen Geräten werden die ent­ sprechenden Elektronikschaltungen üblicherweise modular auf­ gebaut, d. h. aus einzelnen Halbleiterbauelementen oder Grup­ pen von Halbleiterbauelementen, die jeweils auf einen gemein­ samen Träger angeordnet sind und die zur vereinfachten Monta­ ge des Gerätes vorgefertigt werden können. Module können im Schadensfall auch leichter ausgetauscht werden als einzelne Bauelemente bzw. ganze Schaltungen.

Beim Bau und Entwurf solcher Halbleitermodule wird eine sta­ bile zuverlässige und kostengünstige Gestaltung angestrebt. Außerdem ist eine möglichst kleine Baugröße der Module er­ wünscht. Dabei ist insbesondere auch die mechanische Stabili­ tät sowie die Möglichkeit der Abfuhr der anfallenden Verlust­ wärme zu berücksichtigen.

Typischerweise werden als Trägerkörper für derartige Hablei­ termodule Isolationskeramiken verwendet, die auf wenigstens ihrer den Halbleiterbauelementen zugewandten Oberseite eine Metallschicht aufweisen, die beispielsweise in Form von Lei­ terbahnen ausgestaltet sein kann.

Ein Problem ist dabei die möglichst dauerhafte, stabile und gut leitende Verbindung der Anschlüsse mit der Metallschicht des Trägerkörpers.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermodul mit we­ nigstens einem Halbleiterbauelement, das unmittelbar auf ei­ nem Trägerkörper angeordnet ist, welcher eine Isolationskera­ mik und eine auf deren dem Halbleiterbauelement zugewandten Oberseite angeordnete, mit der Isolationskeramik fest verbun­ dene Metallschicht aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei derartigen Halbleitermodulen eine feste und dauerhaft gut elektrisch leitende Verbindung zu der Metallschicht des Trägerkörpers zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigs­ tens ein Anschlussleiter mit der Metallschicht mittels Schweißen, insbesondere Mikrolaserschweißen verbunden ist.

Zur Verbindung von Anschlussleitern mit einer Metallschicht eines Trägerkörpers auf der Basis einer Isolationskeramik ist bislang bekannt, die Anschlussleiter mit der Metallschicht zu verlöten oder die Anschlussleiter als Bonddrähte auszubilden, die mittels einer Bondtechnik mit der Metallschicht verbunden werden.

Bei Anwendung der Löttechnik ergibt sich eine mechanisch fes­ te Verbindung, welche die etwa in der Lötverbindung anfallen­ de Verlustwärme gut zu dem Trägerkörper ableitet. Jedoch ist die Lötverbindung anfällig bei mechanischen und thermischen Wechselbelastungen und kann sich mit der Zeit lösen.

Eine Bondverbindung ist wesentlich flexibler und wechsellast­ beständiger als eine Lötverbindung, jedoch kann sie zur Ab­ fuhr von Verlustleistungswärme von Halbleiterbauelementen kaum etwas beitragen.

Eine Schweißverbindung an dieser Stelle hat einerseits den Vorteil, sehr fest und wechsellastbeständig zu sein, anderer­ seits auch wegen der Art der Verbindung des Anschlussleiters mit der Metallschicht einen guten Wärmeübergang zu gewähr­ leisten. Fertigungstechnisch ist vorteilhaft, dass bei der Verbindung des Anschlussleiters mit der Metallschicht kein zusätzliches Material, beispielsweise in Form von Lot, einge­ bracht werden muss.

Die Anwendung der Schweißtechnik bei der Herstellung von elektrisch leitenden Verbindungen ist grundsätzlich bekannt, jedoch nicht die Anwendung innerhalb eines Halbleitermoduls auf einem Trägerkörper, sondern lediglich in größerem Maßstab auf Platinen.

Wegen der geringen Baugröße der Halbleitermodule ist dabei eine sehr präzise Schweißtechnik notwendig, wie sie bei­ spielsweise durch das Mikrolaserschweißen gegeben ist. Der Mikrolaserschweißvorgang ist dabei für die Herstellung von erfindungsgemäßen Halbleitermodulen voll automatisierbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Isolationskeramik des Trägerkörpers aus Al₂O₃ besteht.

Diese Keramik ist besonders kostengünstig und zeigt ein güns­ tiges Isolationsverhalten sowie eine geringe thermische Aus­ dehnung, so dass die bei Temperaturschwankungen auftretenden mechanischen Belastungen an den Fügestellen gering gehalten werden. Dies trägt ebenfalls zur Stabilität der Schweißver­ bindungen bei.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Metallschicht aus Kupfer besteht. Dies ermög­ licht einen guten Wärmeübergang von den Anschlussleitern zu dem Trägerkörper und erlaubt das Herstellen einer dauerhaften Schweißverbindung.

Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, dass der Trägerkörper als DCB-Substrat ausgebildet ist.

Ein DCB(Direct Copper Bonded)-Substrat entsteht dadurch, dass eine mit einer dünnen Oxidschicht versehenen Kupferfolie in Kontakt mit einer Al₂O₃ Keramik gebracht und soweit erhitzt wird, dass sich an der Grenzschicht zwischen Kupfer und Kera­ mik eine eutektische schmelzflüssige Phase ausbildet, wodurch nach Abkühlen des Verbundkörpers eine innige Verbindung zwi­ schen der Kupferschicht und der Keramik hergestellt ist.

Durch diese feste Verbindung wird bewirkt, dass der Verbund­ körper insgesamt einen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich dem der Keramik ist.

Es ergibt sich daher insgesamt eine geringe thermische Expan­ sion bei Temperaturänderungen. Somit werden bei Einsatz eines DCB-Substrats die Fügestellen zwischen der Metallschicht und den Anschlussleitern besonders gering mechanisch belastet.

Es kann jedoch auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Isolationskeramik aus AlN oder BeO besteht.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 mit wenigstens einem Halbleiterbauelement, das unmit­ telbar auf einem Trägerkörper angeordnet ist, welcher eine Isolationskeramik und eine auf deren dem Halbleiterbauelement zugewandten Oberseite angeordnete, mit der Isolationskeramik fest verbundene Metallschicht aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe, auf möglichst einfache Weise eine zu­ verlässige und dauerhafte Verbindung zwischen den Anschluss­ leitern und der Metallschicht zu schaffen, ist erfindungsge­ mäß vorgesehen, dass wenigsten ein Anschlussleiter mit der Metallschicht mittels Schweißen, insbesondere Mikrolaser­ schweißen verbunden wird.

Dieses Verfahren ist einfach und schnell durchführbar und voll automatisierbar. Dabei muss im Rahmen des Fügevorgangs kein weiteres Material eingebracht werden. Die Qualität der Fügestelle lässt sich leicht kontrollieren und steuern.

Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der An­ schlussleiter mit der Metallschicht mittels aufeinanderfol­ gender Punktschweißungen verbunden wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrie­ ben.

Dabei zeigt

Fig. 1: schematisch im Querschnitt einen Teil eines Halb­ leitermoduls,

Fig. 2: eine Schweißverbindung eines Anschlussleiters mit einer Metallschicht in zwei Ansichten,

Fig. 3: eine Schweißverbindung in einer anderen Ausfüh­ rungsform in zwei Ansichten.

Fig. 1 zeigt im Grundsatz den Aufbau eines Halbleitermoduls mit einem Halbleiterbauelement 1, das unmittelbar auf einem Trägerkörper 2 angeordnet ist. Der Trägerkörper 2 ist als DCB (Direct Copper Bonded)-Körper ausgebildet und besteht aus ei­ ner Isolationskeramik 3 aus Al₂O₃, die auf beiden Seiten je­ weils eine Kupferschicht 4, 5 trägt, die mit der Isolations­ keramik fest verbunden ist.

Das Halbleiterbauelement 1 kann direkt auf die Metallschicht 4 aufgeklebt oder aufgelötet sein. Der Anschlussleiter 7 ist gemäß der Erfindung in den Bereichen 8, 9 mit der Metall­ schicht 4 mittels eines Mikrolasers verschweißt.

Der DCB-Körper ist durch die feste Verbindung der Metall­ schichten 4, 5 mit der Isolationskeramik 3 mechanisch derart stabil und mit einem derart geringen Wärmeausdehnungskoeffi­ zienten versehen, dass der Anschlussleiter 7 mit der Metall­ schicht 4 durch Schweißen dauerhaft und wechsellastbeständig verbunden werden können.

Fig. 2 zeigt genauer die Art der Befestigung und Kontaktie­ rung eines Anschlussleiters durch Mikrolaserschweißen.

Dort ist schematisch die Isolationskeramik 3 sowie die Kup­ ferschicht 4 im Querschnitt dargestellt sowie das Ende eines Anschlussleiters 7, der an seinem dem Trägerkörper zugewand­ ten Ende derart abgebogen ist, dass sein Ende 10 parallel zu der Oberfläche der Kupferschicht 4 verläuft.

An der zwischen dem Ende 10 des Anschlussleiters 7 und der Kupferschicht 4 entstehenden Fügekante wird mittels mehrerer aufeinanderfolgender Punktschweißungen eine Punktschweißnaht 11 auf der einen Seite des Anschlussleiters und eine weitere Punktschweißnaht 12 auf der gegenüberliegenden Seite des An­ schlussleiters 7 gebildet, wodurch der Anschlussleiter mit der Kupferschicht 4 mechanisch fest sowie elektrisch zuver­ lässig verbunden ist und wobei auch eine gute thermische An­ kopplung gewährleistet ist.

Die Punktschweißnaht ist mittels eines Mikrolasers herge­ stellt, was durch verschiedene, jeweils symbolisch durch Sterne angedeutete Positionen des Mikrolasers und des Laser­ strahls angedeutet ist.

In Fig. 3 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei der nur aus einer einzigen Richtung bezüglich des Anschluss­ leiters mittels eines Lasers geschweißt wird. Der Laser kann somit während des automatischen Schweißvorgangs grundsätzlich an einer einzigen Stelle verbleiben bzw. das Werkstück in Form des Halbleitermoduls muss nicht auf eine andere Seite des Lasers bewegt werden oder umgekehrt. Die Richtung, in der der Laser 14 angeordnet ist, ist in der Fig. 3 schematisch angedeutet. Es muss zur Herstellung einer mehrteiligen zuver­ lässigen Schweißverbindung lediglich der Einstrahlwinkel des Lasers 14 in engen Grenzen verändert werden.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn ein insbeson­ dere rechtwinklig abgebogener Fuß 15 des Anschlussleiters 13 einen oder mehrere Schlitze 16, 17 aufweist, an denen Fügekanten zwischen dem Fuß 15 und der Kupferschicht 18 des Sub­ strats entstehen, die mittels Punktschweißnähten verschweißt werden können. Hierdurch wird eine genügend lange Schweißnaht erzeugt, um eine mechanisch, thermisch und elektrisch sehr gute Verbindung zwischen dem Fuß 15 des Anschlussleiters 13 und der Kupferschicht 18 zu schaffen.

Die Anwendung der beschriebenen Schweißtechnik ist besonders vorteilhaft bei DCB-Substraten anzuwenden, jedoch ist dies auch bei AlN-Substraten bzw. bei BeO-Substraten jeweils mit Kupferbeschichtung oder einer ähnlichen Metallbeschichtung (z. B. Aluminium) denkbar.

Schießlich kann es auch von Vorteil sein, die Anschlussleiter 7, 13 und die Metallschicht 4, 18 des Trägerkörpers mit me­ tallischen oder nichtmetallischen Überzügen zu beschichten wie beispielsweise Nickel, Siber, Zinn, Oxyde und ähnlichem.

Claims (13)

1. Halbleitermodul mit wenigstens einem Halbleiterbauelement (1), das unmittelbar auf einem Trägerkörper (2) angeordnet ist, welcher eine Isolationskeramik (3) und eine auf deren dem Halbleiterbauelement (1) zugewandten Oberseite angeordne­ te, mit der Isolationskeramik (3) fest verbundene Metall­ schicht (4, 18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass we­ nigstens ein Anschlussleiter (7, 13) eines Halbleiterbauele­ ments (1) mit der Metallschicht (4, 18) mittels Schweißen verbunden ist.

2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationskeramik (3) des Trägerkörpers (2) aus Al₂O₃ besteht.

3. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Metallschicht (4, 18) aus Kupfer und/oder Aluminium besteht.

4. Halbleitermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (2) als DCB-Substrat und/oder AMB- Substrat ausgebildet ist.

5. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationskeramik aus AlN besteht.

6. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationskeramik aus BeO besteht.

7. Halbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Anschlussleiter (7, 13) Cu, Al, CuSn und/oder CuZn aufweisen.

8. Halbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (4, 18) be­ schichtet ist.

9. Halbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Anschlussleiter (13) einen Fuß (15) aufweist, der rechtwinklig gebogen ist.

10. Halbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Fuß (15) mit einem oder mehre­ ren Schlitzen (16, 17) versehen ist.

11. Halbleitermodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des/der Schlitze(s) (16, 17) in etwa gleich der Dicke des Fußes (15) ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit wenigstens einem Halbleiterbauelement (1), das unmittelbar auf einem Träger­ körper (2) angeordnet ist, welcher eine Isolationskeramik (3) und eine auf deren den Halbleiterbauelementen (1) zugewandten Oberseite angeordnete, mit der Isolationskeramik fest verbun­ dene Metallschicht (4, 18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Anschlussleiter (7, 13) mit der Metall­ schicht (4, 18) mittels Schweißen verbunden wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussleiter (7, 13) mit der Metallschicht (4, 18) mittels aufeinanderfolgender Punktschweißungen verbunden wird.