DE102005054393B4

DE102005054393B4 - Verfahren zur Herstellung eines isolierenden Substrats

Info

Publication number: DE102005054393B4
Application number: DE102005054393.6A
Authority: DE
Inventors: Kenji Okamoto
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2005-11-15
Publication date: 2018-04-26
Anticipated expiration: 2025-11-16
Also published as: US20060108601A1; CN1783473B; DE102005054393A1; US7256431B2; JP2006179856A; CN1783473A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines isolierenden Substrats mit einer Metallbasis (2), aufweisend:Vermischen von feinen keramischen Partikeln, die aus mindestens einem Element einer ersten Gruppe, bestehend aus Siliziumoxid und Aluminiumoxid, hergestellt sind, mit feinen keramischen Partikeln, die aus mindestens einem Element einer zweiten Gruppe, bestehend aus Siliziumnitrid, Bornitrid und Aluminiumnitrid, hergestellt sind,Schockverfestigen einer Isolierschicht (3) aus den entstehenden feinen keramischen Partikeln mittels eines Aerosolablagerungsverfahrens auf der Metallbasis (2) bei Raumtemperatur, derart, dass die feinen keramischen Partikel dazu gebracht werden, mit der Metallbasis (2) zu kollidieren und eine mit der Metallbasis (2) verbundene, keramische Schicht auszubilden, undAusbilden eines Schaltungsmusters (4) auf der Isolierschicht (3) durch thermisches Sprüh-Beschichten mit einem Metall, das eines der Materialien der Kupfer, Aluminium, Nickel, Eisen, Titan und Molybdän enthaltenden Gruppe oder eine Legierung aus zwei oder mehr dieser Materialien ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines isolierenden Substrats mit vergrößerter Wärmeabstrahlungsfähigkeit.
Halbleiterbauelemente, die über eine Stromrichter-Funktion verfügen, werden für einen breiten Bereich von Geräten angewandt, der Endverbrauchergeräte wie beispielsweise Heim-Klimaanlagen und Kühlschränke, sowie industrielle Geräte wie beispielsweise Wechselrichter und Stellantriebe beinhaltet.
Bei derartigen Halbleiterbauelementen fand bereits eine intensive Entwicklungsarbeit statt, da eine Verringerung des Wärmewiderstandes des isolierenden Substrates insbesondere zu einer Verbesserung der Wärmeabstrahlungseigenschaften beiträgt.
Eine herkömmliche Technik, die ein derartiges isolierendes Substrat betrifft, wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 5 ist ein Querschnitt, der die Struktur eines herkömmlichen isolierenden Substrates 500 zeigt. Das isolierende Substrat 500 ist mit einer Metallbasis 501, einer Isolierschicht 502 und einem Schaltungsmuster 503 versehen.
Die Metallbasis 501 ist eine Aluminiumplatte, eine Aluminiumlegierungsplatte, eine Kupferplatte, eine Kupferlegierungsplatte, oder dergleichen.
Die Isolierschicht 502 ist eine Isolierschicht, die durch Verfestigen eines Epoxidharzes gebildet ist, das einen anorganischen Füllstoff, wie beispielsweise Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AIN), enthält und aktuell eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 7,0 bis 10,0 W/m·K aufweist.
Das Schaltungsmuster 503 ist beispielsweise ein Kupferdünnfilmmuster.
Aufgrund seiner hervorragenden Wärmeabführungsleistung wird das isolierende Substrat 500, das die zuvor beschriebene dreilagige Struktur aufweist, als Verdrahtungssubstrat verwendet, auf dem Komponenten mit großer Wärmeerzeugung wie beispielsweise Leistungshalbleiterbauelemente montiert sind. Insbesondere wird das isolierende Substrat 500 als Substrat für eine Leiterplatte eines Leistungsschaltungsmoduls verwendet, das bei einem Stromversorgungsgerät verwendet wird. Da, wie zuvor beschrieben, seine Wärmeleitfähigkeit aktuell ca. 7,0 bis 10,0 W/m·K beträgt, kann das isolierende Substrat 500 aktuell für ein Leistungsschaltungsmodul verwendet werden, dessen Stromkapazität ca. 50 A oder weniger beträgt. Jedoch ist es schwierig, das isolierende Substrat 500 für ein Leistungsschaltungsmodul zu verwenden, dessen Stromkapazität ca. 50 A überschreitet.
Eine weitere herkömmliche Technik, die ein isolierendes Substrat betrifft, wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beschneben. 6(a) ist ein Querschnitt, der die Struktur eines herkömmlichen isolierenden Substrates 600 von gewöhnlicher Form zeigt, und 6(b) ist ein Querschnitt, der die Struktur eines herkömmlichen isolierenden Substrates zeigt, das ein Metallbasissubstrat beinhaltet. Wie in 6(a) dargestellt, ist das isolierende Substrat 600 mit einem keramischen Basissubstrat 601, einem ersten Schaltungsmuster 602 und einem zweiten Schaltungsmuster 603 versehen.
Das keramische Basissubstrat 601 ist eine Platte, die hauptsächlich aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AIN), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder dergleichen besteht und eine Dicke von ca. 0,2 bis 0,8 mm hat. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt ca. 20 W/m·K im Fall des Aluminiumoxids (Al₂O₃), ca. 160 bis 180 W/m·K im Fall des Aluminiumnitrids (AlN) und ca. 80 W/m·K im Fall des Siliziumnitrids (Si₃N₄), und ist somit eine bis zwei Größenordnungen höher als bei einer Isolierschicht, die aus einem Epoxidharz besteht, das einen anorganischen Füllstoff enthält, und von der Art der in 5 dargestellten Isolierschicht 502 ist.
Das erste Schaltungsmuster 602 ist ein Muster, das unter dem keramischen Basissubstrat 601 ausgebildet ist. Bei dem ersten Schaltungsmuster 602 handelt es sich um eine aus Kupfer oder Aluminium bestehende Metallfolie, die mit dem keramischen Basissubstrat 601 direkt oder Ober ein Hartlotmaterial verbunden ist. Für gewöhnlich handelt es sich beim ersten Schaltungsmuster 602 lediglich um einen massiven Plattenkörper ohne Schaltungsmuster. Das erste Schaltungsmuster 602 ist geerdet.
Das zweite Schaltungsmuster 603 ist ein Muster, das oberhalb des keramischen Basissubstrates 601 ausgebildet ist. Das zweite Schaltungsmuster 603 ist ein gewöhnliches Schaltungsmuster.
Beim isolierenden Substrat 600, bei dem die Schaltungsmuster auf beiden Seiten des keramischen Basissubstrates 601 ausgebildet sind, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, wird Wärme, die durch (nicht dargestellte) Leistungshalbleiterbauelemente erzeugt wird, die auf dem zweiten Schaltungsmuster 603 montiert sind, über den Weg keramisches Basissubstrat 601 → erstes Schaltungsmuster 602 abgeführt. Dies ermöglicht die Verwendung eines Leistungsbauelementes von höherer Kapazität (Stromstärke) und eines Leistungshalbleiterbauelementes, dessen Stromkapazität 50 A überschreitet, was durch das zuvor beschriebene isolierende Substrat 500 nicht realisiert werden kann.
6(b) zeigt eine weitere Struktur (Modulstruktur), bei der ein Metallbasissubstrat 604, wie beispielsweise eine Kupferplatte von 2 bis 3 mm Dicke mit dem isolierenden Substrat 600 über einen Weichlotabschnitt 605 verbunden ist.
Bei diesem isolierenden Substrat, bei dem die Schaltungsmuster auf beiden Seiten des keramischen Basissubstrates 601 ausgebildet sind, wird Wärme, die durch (nicht dargestellte) Leistungshalbleiterbauelemente erzeugt wird, die auf dem zweiten Schaltungsmuster 603 montiert sind, über den Weg keramisches Basissubstrat 601 → erstes Schaltungsmuster 602 → Weichlotabschnitt 605 → Metallbasissubstrat 604 abgeführt. Dies ermöglicht die Verwendung eines Leistungsbauelementes von höherer Kapazität und eines Leistungshalbleiterbauelementes, dessen Stromkapazität 50 A überschreitet, was durch das zuvor beschriebene isolierende Substrat 500 nicht realisiert werden kann.
Die JP 2004 - 47863 A (Absätze [0026] bis [0032] und 1 bis 3) offenbart beispielsweise eine weitere herkömmliche Technik, die ein Halbleiterbauelement betrifft, bei dem eine Verbesserung der Wärmeabstrahlungseigenschaften angestrebt wird. Dieses Referenzdokument offenbart eine Technik zur Ausbildung einer keramischen Schicht auf einer Fläche eines Halbleitersubstrates durch ein Aerosolablagerungsverfahren.
Wie zuvor beschrieben, ist die Verwendung des isolierenden Substrates 600, welches das keramische Basismaterial beinhaltet, bei Anwendungen zu bevorzugen, bei denen die Stromkapazität 50 A überschreitet.
Jedoch besteht das Problem, dass das isolierende Substrat 600, das das keramische Basissubstrat enthält, aus dem folgenden Grund teuer ist. Zur Herstellung des isolierenden Substrates 600 wird zuerst das keramische Basissubstrat 601 dadurch erzeugt, dass bei hoher Temperatur ein Blatt bzw. eine Folie (die als „grüne Folie“ bezeichnet wird), die durch Verkneten eines Materialpulvers mit einem Bindemittel erzeugt wurde, gebrannt wird. Dann werden die ersten und zweiten Schaltungsmuster 602 und 203, die jeweils aus Kupferfolie oder Aluminiumfolie bestehen, mit dem keramischen Basissubstrat 601 bei hoher Temperatur verbunden, um das isolierende Substrat 600 fertigzustellen. Das derart beschaffene isolierende Substrat 600, das Keramik als Material enthält, erfordert viele Herstellungsschritte bei der Erzeugung des keramischen Basissubstrates 601, was zu einem hohen Preis führt.
Bei dem in der JP 2004 - 47863 A beschriebenen Halbleiterbauelement ist ein Verdrahtungsmuster durch ein gewöhnliches Plattierverfahren oder dergleichen ausgebildet. Es besteht die Anforderung, dass die Gesamtwärmeabstrahlungseigenschaft durch eine Verbesserung des Verdrahtungsmusters verbessert wird.
Ein Dickschicht-Erhitzer mit einem Aluminiumsubstrat ist aus US 6 222 166 B1 bekannt, wobei auf dem Aluminiumsubstrat mehrere Schichten eines keramischen Oxides mittels Sprühverfahren aufgebracht werden.
Zudem ist aus WO 2004/044672 A2 ein Verfahren zur Herstellung von Drahtlos-Sensoren bekannt, die durch thermische Sprühverfahren gefertigt werden.
Weiterhin kann der US 6 331 680 B1 eine Mehrschicht-Verschaltung und ein Verfahren zur Herstellung dieser entnommen werden, wobei die verschiedenen Schichten mit thermischen Sprühverfahren aufeinander erzeugt werden.
Ferner sind eine Leiterplatte und ein Verfahren zur Herstellung dieser aus JP 2003 - 218 269 A bekannt, wobei zur Herstellung der Leiterplatte kleine Partikel mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Substrates geleitet werden, wodurch sich die Partikel mit dem Substrat verbinden und dadurch eine Schicht ausbilden.
Weiterhin ist ein Leistungs-Halbleitermodul aus JP 2002 - 203 942 A bekannt, bei dem eine keramische Schicht durch ein thermisches Sprühverfahren auf einer Metallbasis erzeugt wird.
Zudem ist eine Komposit-Struktur aus US 7 255 934 B2 bekannt, bei der Partikel von spröden Materialien mit hoher Geschwindigkeit auf eine Substrat-Oberfläche geleitet werden, um sich mit dieser zu verbinden und eine Schicht auszubilden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein isolierendes Substrat bereitzustellen, das preisgünstig ist, da es eine verringerte Anzahl von Herstellungsschritten erfordert, und das eine hervorragende Wärmeabstrahlungs- und Isolierleistung aufweist.
Weiterhin wird beispielhaft ein Halbleiterbauelement beschrieben, das ein derartiges isolierendes Substrat verwendet.
Die zuvor beschriebene Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines isolierenden Substrats gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist Gegenstand des Unteranspruchs.
Mit dieser Erfindung kann ein isolierendes Substrat bereitgestellt werden, das aufgrund einer verringerten Anzahl von Herstellungsschritten preisgünstig ist und eine hervorragende Wärmeabstrahlungs- und Isolierungsleistung aufweist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

1 einen Querschnitt, der die Struktur eines isolierenden Substrates gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2(a) bis 2(d) ein Herstellungsverfahren des isolierenden Substrates;
3 einen Querschnitt, der beispielhaft die Struktur eines Halbleiterbauelementes zeigt;
4 einen Querschnitt, der beispielhaft die Struktur eines weiteren Halbleiterbauelementes zeigt;
5 einen Querschnitt, der die Struktur eines herkömmlichen isolierenden Substrates zeigt;
6(a) einen Querschnitt, der die Struktur eines weiteren herkömmlichen isolierenden Substrates in herkömmlicher Form darstellt; und
6(b) einen Querschnitt, der die Struktur eines weiteren herkömmlichen isolierenden Substrates zeigt, das ein Metallbasissubstrat beinhaltet.

Ein isolierendes Substrat, das in einigen Varianten gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann, wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Querschnitt, der die Struktur des isolierenden Substrates zeigt. Das isolierende Substrat 1 ist mit einer Metallbasis 2, einer Isolierschicht 3 und einem Schaltungsmuster 4 versehen.
Die Metallbasis 2 ist eine Metallplatte, wie beispielsweise eine Aluminiumplatte, eine Aluminiumlegierungsplatte, eine Kupferplatte oder Kupferlegierungsplatte.
Die Isolierschicht 3 ist ein bei Raumtemperatur schockverfestigter Film, der durch ein Aerosolablagerungsverfahren erzeugt wird. Die Dicke der Isolierschicht 3 wird unter Berücksichtigung des Wärmewiderstandes, der Isoliereigenschaft etc. festgelegt und ist für gewöhnlich auf ca. 30 bis 400 µm festgelegt. Die Isolierschicht 3 wird durch das Aerosolablagerungsverfahren in einem kristallinen Zustand erzeugt, und ihre Wärmeleitfähigkeit wird gleich groß oder annähernd so groß wie die des Grundmaterials selber, egal aus welchem Material sie hergestellt wird. Die Art und Weise der Erzeugung der Isolierschicht 3 durch das Aerosolablagerungsverfahren wird nachfolgend beschrieben.
Die Isolierschicht 3 kann aus einem beliebigen von verschiedenen Arten von Materialien hergestellt sein, jedoch sind nur einige Ausführungsformen von Herstellungsverfahren zur Erzeugung der Isolierschicht beansprucht, wie nachfolgend ausgeführt. Beispielsweise kann die Isolierschicht 3 ein bei Raumtemperatur durch Schockverfestigung erzeugter Film sein, der derart ausgebildet wird, dass feine Partikel aus Siliziumoxid (SiO₂), und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), und/oder Siliziumnitrid (Si₃N₄), und/oder Bornitrid (BN), und/oder Aluminiumnitrid (AIN) bei Raumtemperatur durch Schockverfestigung mittels des Aerosolablagerungsverfahrens erzeugt werden, d.h. die feinen Keramikpartikel werden über Korngrenzenphasen miteinander verbunden, die derart erzeugt werden, dass die Partikeloberflächen aktiviert werden und sich dann miteinander verbinden.
In diesem Fall ist eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 1,3 bis 2,0 W/m·K (im Fall des Siliziumoxids (SiO₂)), ca. 20 W/m·K (im Fall des Aluminiumoxids (Al₂O₃)), ca. 80 W/m·K (im Fall des Siliziumnitrids (Si₃N₄)), 36 bis 75 W/m·K (im Fall des Bornitrids (BN)) oder ca. 160 bis 180 W/m·K (im Fall des Aluminiumnitrids (AIN)) gewährleistet, und die Wärmeabstrahlungseigenschaften werden dadurch verbessert.
Von den zuvor erwähnten Materialien eignen sich Siliziumoxid (SiO₂) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) zur Vergrößerung der Haftfähigkeit bei der Erzeugung eines bei Raumtemperatur schockverfestigten Filmes.
Ein erfindungsgemäßes und beanspruchtes Verfahren zur Erzeugung der lsolierschicht besteht darin, dass feine Partikel, die aus mindestens einem Element einer ersten Gruppe von Materialien hergestellt sind, die aus Siliziumoxid (SiO₂) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht, mit feinen Partikeln vermischt werden, die aus mindestens einem Element einer zweiten Gruppe von Materialien hergestellt sind, die aus Siliziumnitrid (Si₃N₄), Bornitrid (BN) und Aluminiumnitrid (AIN) besteht. Die entstehenden feinen Partikel werden mittels des Aerosolablagerungsverfahrens bei Raumtemperatur schockverfestigt. In diesem Fall wird eine stabile Beschichtung als dichte keramische Schicht ausgebildet, da die feinen Partikel aus Siliziumoxid (SiO₂) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) miteinander eine starke Verbindung eingehen.
Ein anderes, nicht beanspruchtes Verfahren zur Ausbildung der Isolierschicht 3 kann sein, dass feine keramische Partikel aus Siliziumnitrid (Si₃N₄), und/oder Bornitrid (BN), und/oder Aluminiumnitrid (AIN), deren Oberflächen vorab mit einer Aluminiumoxid-(Al₂O₃)-Beschichtung versehen sind, bei Raumtemperatur kollisions-schockverfestigt werden, und zwar durch Aufspritzen dieser feinen Partikel auf die Metallbasis 2 mittels des Aerosolablagerungsverfahrens. In diesem Fall gehen Aluminiumoxid (Al₂O₃) als Oberflächenbeschichtungsmaterial und Siliziumnitrid (Si₃N₄), Bornitrid (BN) oder Aluminiumnitrid (AIN) als Kernmaterial miteinander eine starke Verbindung ein, wodurch ein dichter, bei Raumtemperatur schockverfestigter Film erzeugt wird.
Weiterhin kann ein anderes, nicht beanspruchtes Verfahren zur Ausbildung der Isolierschicht 3 sein, dass feine keramische Partikel aus Siliziumnitrid (Si₃N₄), und/oder Bornitrid (BN), und/oder Aluminiumnitrid (AIN), deren Oberfläche vorab mit einer Siliziumoxid-(SiO₂)-Beschichtung versehen wurde, bei Raumtemperatur kollisions-schockverfestigt werden, und zwar durch Aufspritzen dieser feinen Partikel auf die Metallbasis 2 mittels des Aerosolablagerungsverfahrens. In diesem Fall gehen Siliziumoxid (SiO₂) als Oberflächenbeschichtungsmaterial und Siliziumnitrid (Si₃N₄), Bornitrid (BN) oder Aluminiumnitrid (AIN) als Kernmaterial miteinander eine starke Verbindung ein, wodurch ein dichter, bei Raumtemperatur schockverfestigter Film erzeugt wird.
Das Schaltungsmuster ist ein gewünschtes Schaltungsmuster, bei dem es sich um eine thermische Sprüh-Beschichtung handelt, die auf der Isolierschicht 3 mittels eines „Warmaufspritzens“ eines Metalls ausgebildet wird, bei dem es sich um Kupfer, Aluminium, Nickel, Eisen, Titan, oder Molybdän handelt, und zwar mittels eines Kaltsprüh-Verfahrens. Bei dem Material zur Ausbildung des Schaltungsmusters 4 kann es sich um eine Legierung eines der zuvor erwähnten Metalle handeln. Das Schaltungsmuster 4, bei dem es sich um eine thermische Sprüh-Beschichtung handelt, hat den Vorteil, dass es eine hohe Stromdichte liefern kann, selbst wenn es dünn ist, da es sich um mittels des thermischen Spruh-Verfahrens erzeugte Partikel handelt, die mit der Isolierschicht 3 in engem Kontakt sind.
Das Merkmal, dass eine geringe Dicke des Schaltungsmusters 4 ermöglicht wird, trägt zur Verbesserung der Wärmeabstrahlungseigenschaft bei.
Als Nächstes wird ein Fertigungsverfahren des isolierenden Substrates 1 mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 2(a) bis 2(d) stellen ein Herstellungsverfahren des isolierenden Substrates 1 dar.
2(a) zeigt einen Isolierschicht-Erzeugungsprozess, bei dem mittels des Aerosolablagerungsverfahrens eine Isolierschicht auf einer vorab erzeugten Metallbasis 2 ausgebildet wird. Insbesondere zeigt 2(a) einen Zustand, bei dem eine Isolierschicht mittels des Aerosolablagerungsverfahrens durch Aufspritzen von feinen keramischen Partikeln auf die Metallbasis 2 ausgebildet wird. Das Gebiet um die Metallbasis 2 herum ist mit einer Maske 5 abgedeckt. Die Maske 5 ist ungefähr so dick wie die dünne Isolierschicht 3.
Das Aerosolablagerungsverfahren ist ein Verfahren zur Ausbildung einer Beschichtung auf einem Substrat, derart dass feine oder ultrafeine Partikel mit einem Gas wie beispielsweise Helium oder Luft, vermischt werden, um ein Aerosol zu bilden, und das Aerosol wird aus einer Düse ausgestoßen und dazu gebracht, mit dem Substrat zu kollidieren, wodurch feine oder ultrafeine Partikel durch Schockverfestigung bei Raumtemperatur auf dem Substrat abgelagert werden.
Die feinen und ultrafeinen Partikel, die bei dieser Ausführungsform verwendet werden, sind feine keramische Partikel, die durch mechanisches Pulverisieren erzeugt werden (Partikeldurchmesser: 0,1 bis 2 µm). Die Beschreibung des Aerosolablagerungsverfahrens wird unter der nicht beanspruchten Annahme fortgesetzt, dass diese feinen keramischen Partikel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), oder Siliziumnitrid (Si₃N₄), oder Bornitrid (BN), oder Aluminiumnitrid (AIN) bestehen.
Die Vorrichtung besteht aus einer Aerosolerzeugungskammer und einer Filmerzeugungskammer. Der Druck im Inneren der Filmerzeugungskammer ist durch eine Vakuumpumpe auf ca. 50 Pa bis 1 kPa reduziert. Ein Aerosol wird in der Aerosolerzeugungskammer dadurch erzeugt, dass trockene keramische Partikel durch Rühren mit einem Gas vermischt werden. Da sie trocken sind, verbinden sich die keramischen Partikel nicht durch Aneinanderhaften zu großen Partikeln.
Die Vorrichtung wird in dem zuvor beschriebenen Zustand gestartet, woraufhin feine keramische Partikel zur Filmerzeugungskammer transportiert werden, wobei diese durch einen Gasstrom befördert werden, der durch den Druckunterschied zwischen den zwei Kammern verursacht wird. Ein Zerkleinerer und ein Klassifizierer sind zwischen der Aerosolerzeugungskammer und der Filmerzeugungskammer angeordnet. Aneinander haftende Partikel werden beim Passieren durch den Zerkleinerer zu feinen keramischen Partikeln zerkleinert, und feine keramische Partikel, die geringen Durchmesser aufweisen, werden durch den Klassifizierer hindurchgelassen. Dank dieser Maßnahmen werden lediglich einzelne feine keramische Partikel von geringem Durchmesser zur Filmerzeugungskammer transportiert. Die feinen keramischen Partikel durchlaufen eine schlitzartige Düse und werden dadurch auf 100 m/s beschleunigt. Die beschleunigten feinen keramischen Partikel werden auf die Metallbasis 2 aufgespritzt.
Feine keramische Partikel, deren Durchmesser in einem Bereich von 5 nm bis 1 µm liegt, kollidieren mit der Metallbasis 2 mit hoher Geschwindigkeit. Wenn feine keramische Partikel verwendet werden, deren Durchmesser unterhalb eines zweistelligen Nanometerwertes liegen, verbinden sich diese miteinander (ein Teil von ihnen wird zerdrückt oder verformt, wie später noch beschrieben wird), wodurch eine dichte keramische Schicht gebildet wird. Wenn feine keramische Partikel verwendet werden, deren Durchmesser in einem Bereich eines zweistelligen Nanometerwertes bis hin zu 1 µm verwendet werden, werden diese zu Teilchen zerdrückt oder deformiert, deren Dicke (Größe) in einem Bereich von 0,5 bis 20 nm liegt, und diese zerdrückten Teilchen verbinden sich miteinander, wodurch eine dichte keramische Schicht gebildet wird. In dieser keramischen Schicht sind keramische Teilchen so dicht miteinander verbunden, dass keine Korngrenzen erkennbar sind. Eine keramische Schicht kann bei Raumtemperatur erzeugt werden, d.h. ohne Notwendigkeit einer Temperaturerhöhung.
Die feinen keramischen Partikel können aus Siliziumoxid, und/oder Aluminiumoxid, und/oder Siliziumnitrid, und/oder Bornitrid, und/oder Aluminiumnitrid bestehen. Eine Verwendung von feinen keramischen Partikeln, die auf diese Weise aus mindestens einer Art von Material hergestellt sind, macht es möglich, eine Isolierschicht zu erzeugen, die so dicht ist, dass keine Korngrenzen erkennbar sind.
Erfindungsgemäß sind die feinen keramischen Partikel aus mindestens einem Element von einer ersten Gruppe von Materialien, die aus Siliziumoxid und Aluminiumoxid besteht, und aus mindestens einem Element von einer zweiten Gruppe von Materialien hergestellt, die aus Siliziumnitrid, Bornitrid und Aluminiumnitrid besteht. Wenn feine keramische Partikel, die aus Materialien bestehen, die durch Auswählen von mindestens einem Material aus jeder der beiden Gruppen von Materialien festgelegt sind, auf diese Weise verwendet werden, gehen die feinen keramischen Partikel der ersten Gruppe und die feinen keramischen Gruppe der zweiten Gruppe eine feste Verbindung miteinander ein, wodurch eine Isolierschicht erzeugt werden kann, die so dicht ist, dass keine Korngrenzen erkennbar sind.
Als weitere Alternative, jedoch nicht beansprucht, können feine keramische Partikel, die aus Siliziumnitrid, und/oder Bornitrid, und/oder Aluminiumnitrid hergestellt sind und deren Oberflächen mit einer Aluminiumoxidbeschichtung ausgebildet sind, oder feine keramische Partikel, die aus Siliziumnitrid, und/oder Bornitrid, und/oder Aluminiumnitrid hergestellt und deren Oberflächen mit einer Siliziumoxidbeschichtung ausgebildet sind, verwendet werden. Wenn feine keramische Partikel verwendet werden, deren Oberflächen mit einer Aluminiumoxidbeschichtung oder einer Siliziumoxidbeschichtung ausgebildet sind, geht das Aluminiumoxid oder das Siliziumoxid eine starke Verbindung mit den feinen keramischen Partikeln ein, die aus Siliziumnitrid, Bornitrid oder Aluminiumnitrid bestehen, wodurch eine Isolierschicht erzeugt werden kann, die so dicht ist, dass keine Korngrenzen erkennbar sind.
Beispielsweise können die feinen keramischen Partikel derart beschaffen sein, dass eine Aluminiumoxid- oder Siliziumoxidbeschichtung, die eine Dicke von 1 bis 100 nm aufweist, auf der Oberfläche eines Kernfüllstoffes ausgebildet ist, der aus Siliziumnitrid, Bornitrid oder Aluminiumnitnd besteht und einen Partikeldurchmesser von 5 nm bis 1 µm aufweist. Eine Verwendung von Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AIN) und Siliziumnitrid (Si₃N₄) ist wünschenswert. Es ist insbesondere erwünscht, als Hauptmaterial Aluminiumnitrid (AIN) zu verwenden, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Die auf diese Weise gebildete Isolierschicht 3 ist eine Keramikschicht, bei der feine keramische Partikel eine dichte Verbindung miteinander eingehen. Daher weist die Isolierschicht 3 eine gewünschte Durchschlagspannung auf, selbst wenn ihre Dicke auf einige Mikrometer bis 100 µm verringert ist.
Eine Verwendung von feinen keramischen Partikeln, deren Durchmesser in einem Bereich eines zweistelligen Nanometerwertes bis hin zu 1 µm liegt, ist im Hinblick auf die Filmerzeugungsgeschwindigkeit der Isolierschicht 3 vorteilhaft. Eine Isolierschicht 3 ist zum Schluss ausgebildet, wie in 2(b) dargestellt, nachdem das Aufspritzen der feinen keramischen Partikel für eine vorbestimmte Zeit durchgeführt wurde.
Die Erzeugung der zuvor beschriebenen Isolierschicht 3 bietet die folgenden Vorteile.
(1) Vergrößerte Durchschlagspannung
Beim Aerosolablagerungsverfahren kann ein Film bei Raumtemperatur erzeugt werden, und feine keramische Partikel von Submikron-Größe werden dazu gebracht, mit einer der Schallgeschwindigkeit vergleichbaren Geschwindigkeit mit einem Substrat zu kollidieren. Daher verbinden sich die feinen keramische Partikel miteinander, bei denen neu erzeugte, aktive Oberflächen freiliegen, wodurch eine Schicht aus feinen keramischen Partikeln erzeugt werden kann, bei der es sich um einen sehr dichten Isolierfilm handelt. Da die auf diese Weise erzeugte Isolierschicht 3 im Inneren des Films keine Hohlräume aufweist, verfügt sie über eine Durchschlagspannung pro Längeneinheit, die ungefähr um das 10-fache größer ist als bei keramischen Substraten, welche mittels des herkömmlichen Brennverfahrens erzeugt werden.
(2) Geringerer Wärmewiderstand
Da die Durchschlagspannung pro Längeneinheit vergrößert ist, wird eine geringere Dicke der Isolierschicht 3 ermöglicht, und somit kann der Wärmewiderstand der gesamten Isolierschicht 3 gesenkt werden.
Sowohl eine verbesserte Isolierleistung als auch ein verringerter Wärmewiderstand können gewährleistet werden, wie in den zuvor beschriebenen Punkten (1) und (2) beschrieben. Weiter kann die Isolierschicht 3 an der Metallbasis 2 in mechanischem Sinn fest anhaften.
Nach der Erzeugung der Isolierschicht 3 wird ein Schaltungsmuster 4 als thermische Sprüh-Beschichtung auf der Isolierschicht 3 ausgebildet.
2(c) zeigt einen Schaltungsmuster-Erzeugungsprozess, d.h. einen Prozess zur Erzeugung eines Schaltungsmusters 4 mittels eines Kaltsprüh-Verfahrens auf der Isolierschicht 3, die mittels des vorhergehenden Prozesses erzeugt wurde. 2(c) zeigt einen Zustand, bei dem ein Metallpulver mittels des Kaltsprüh-Verfahrens auf die Isolierschicht 3 aufgespritzt wird, die auf der Metallbasis 2 ausgebildet ist. Die Isolierschicht 3 ist mit einer Maske 6 abgedeckt. Die Maske 6 ist mit Löchern versehen, die einem benötigten Schaltungsmuster entsprechen, und ist ungefähr so dick wie das Schaltungsmuster 4
Das Kaltsprüh-Verfahren, bei dem es sich um ein thermisches Sprüh-Verfahren handelt, ist derart beschaffen, dass eine Überschallströmung eines Gases, dessen Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes oder des Erweichungspunktes eines thermischen Sprüh-Materials liegt, und Partikel des thermischen Sprüh-Materials in die Strömung eingebracht werden und dadurch beschleunigt werden. Die Partikel, die sich noch in fester Phase befinden, werden dazu gebracht, mit hoher Geschwindigkeit mit einem Basiselement zu kollidieren, wodurch eine Beschichtung auf diesem erzeugt wird. Das Schaltungsmuster 4 kann, anstelle des Kaltsprüh-Verfahrens, mittels eines Plasma-Sprüh-Verfahrens, eines Flammen-Sprüh-Verfahrens, eines Hochgeschwindigkeits-Flammen-Sprüh-Verfahrens, oder dergleichen, erzeugt werden.
Beim Kaltsprüh-Verfahren kann die Temperatur des Arbeitsgases zum Erhitzen und Beschleunigen von Partikeln eines thermischen Sprüh-Materials sehr niedrig sein. Insbesondere kann die Temperatur des Arbeitsgases im Bereich von ungefähr Raumtemperatur bis 600 °C liegen, im Gegensatz zum Fall des Plasma-Sprüh-Verfahrens, bei dem die Temperatur des Arbeitsgases einen hohen Wert von 2.000 bis 8.000 °C haben sollte. Thermischen Sprüh-Partikel werden nicht stark erwärmt und werden somit dazu gebracht, mit einem Basiselement in einem Zustand zu kollidieren, bei dem sie sich noch in fester Phase befinden. Die entstehende Energie bewirkt eine plastische Verformung des Basiselementes und der Partikel, als deren Ergebnis eine Beschichtung erzeugt wird. Daher können die Herstellungsanlagen gegenüber herkömmlichen Fallen vereinfacht werden, was auch zur Verringerung der Herstellungskosten beiträgt. Das Herstellungsverfahren dieser Ausführungsform ist gegenüber anderen Herstellungsverfahren auch im Hinblick auf die Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit eines erzeugten Schaltungsmusters vorteilhaft.
Was die verwendete Vorrichtung betrifft, wird ein Hochdruck-Arbeitsgas von einer Gasquelle wie beispielsweise einem Gaszylinder, sowohl einer Pulverzuführvorrichtung als auch einer Gasheizeinrichtung zugeführt. Beim Gas handelt es sich um Luft, Helium, Stickstoff oder dergleichen.
Ein Teil des Arbeitsgases wird abgezweigt, um der Pulverzuführvorrichtung zugeführt zu werden, und fließt als Trägergas zusammen mit einem thermischen Sprüh-Pulver zum hinteren Ende einer thermischen Sprüh-Pistole.
Der größte Tell des Arbeitsgases strömt als Hauptstrom durch ein spulen- oder wendel-förmiges Gasrohr, das direkt oder indirekt durch einen elektrischen Ofen oder dergleichen erwärmt wird, und seine Temperatur in diesem Verlauf erhöht. Das Arbeitsgas wird dann der thermischen Sprüh-Pistole zugeführt und durch eine Überschalldüse beschleunigt und aus dieser ausgestoßen. Das Arbeitsgas wird nicht immer erhitzt. Jedoch ist das Erhitzen des Arbeitsgases vorteilhaft, da es die Partikelgeschwindigkeit vergrößert und die plastische Verformung der Partikel erleichtert. Das thermische Sprüh-Verfahren wird in dem zuvor beschriebenen Zustand begonnen, woraufhin thermisches Sprüh-Pulver aus der Überschalldüse gemeinsam mit einem Arbeitsgas ausgestoßen wird.
Bei dem in 2(c) dargestellten Kaltsprüh-Verfahren werden Metallpartikel verwendet, deren Durchmesser in einem Bereich von ca. 1,0 bis 50,0 µm liegt. Beispiele für das partikelförmige Material sind Kupfer, Aluminium, Eisen, Titan und Molybdän. Für gewöhnlich wird Kupfer oder Aluminium zur Erzeugung einer Leiterplatte verwendet, wie dies bei dieser Ausführungsform der Fall ist. Derartige Metallpartikel werden auf die Isolierschicht 3 über die Maske 6 mit einer Geschwindigkeit von 500 bis 900 m/s von einer Position aufgespritzt, die von der Isolierschicht 3 um 10 bis 50 mm entfernt ist. Die Metallpartikel werden auf der Isolierschicht 3 abgelagert, wodurch eine thermische Sprüh-Beschichtung auf dieser als Schaltungsmuster 4 ausgebildet wird, wie in 2(d) dargestellt. Um eine erforderliche Filmdicke zu erreichen, wird das Sprüh-Verfahren für eine gegebene Zeit durchgeführt. Die Dicke des Schaltungsmusters 4 wird unter Berücksichtigung der Stromdichte festgelegt und ist für gewöhnlich auf ca. 30 bis 500 µm festgelegt.
Das isolierende Substrat 1, das die Drei-Schicht-Struktur aufweist, wird mittels des zuvor beschriebenen Herstellungsprozesses gefertigt.
Gemäß dem zuvor beschriebenen Fertigungsverfahren kann die keramische Isolierschicht 3 direkt auf der Metallbasis 2 ausgebildet werden und das Schaltungsmuster 4 kann auf der keramischen Isolierschicht 3 ausgebildet werden. Daher kann die Anzahl der Fertigungsschritte stark verringert werden, und somit können viel geringere Herstellungskosten als bei herkömmlichen Verfahren zur Fertigung einer keramischen Leiterplatte erzielt werden. Weiter erfordert weder das Aerosolablagerungsverfahren noch das Kaltsprüh-Verfahren eine Erwärmung auf eine hohe Temperatur, was ebenfalls zur Verringerung der Herstellungskosten beiträgt.
Weiter werden die Wärmeabstrahlungseigenschaften sowohl der Isolierschicht 3 als auch des Schaltungsmusters 4 verbessert, wodurch dem isolierenden Substrat 1 im Vergleich zu herkömmlichen Metallbasis-Leiterplatten eine hervorragende Wärmeabstrahlungsleistung sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit verliehen werden kann, die mit Keramik vergleichbar ist. Außerdem ermöglicht das isolierende Substrat 1 dank des hohen Isolierwiderstandes eine Verwendung von Leistungsbauelementen hoher Abgabeleistung.
Beim zuvor beschriebenen Fertigungsverfahren kann eine Isolierschicht 3 durch das Aerosolablagerungsverfahren derart ausgebildet werden, dass das Keramikmaterial dazu gebracht wird, an der einen Hauptfläche und einem Teil der Seitenfläche der Metallbasis 2 zusammenhängend anzuhaften, dadurch, dass die Öffnung der Maske 5 angepasst wird. Diese Struktur ist zum Erzielen einer hohen Durchschlagspannung vorteilhaft, da die Kriechstrecke zwischen dem Schaltungsmuster 4 auf der Isolierschicht 3 und der Metallbasis vergrößert wird.
Als Nächstes werden beispielhaft, jedoch nicht beansprucht, Halbleiterbauelemente welche das zuvor beschriebene isolierende Substrat verwenden, mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 3 ist ein Querschnitt, der die Struktur eines Halbleiterbauelementes darstellt.
Das Halbleiterbauelement 10 ist ein Halbleitermodul und ist mit einem isolierenden Substrat 1, einem Harzgehäuse 11, Leiteranschlüssen 12, einem Isolierharz 13, einem Leistungsbauelement 14 und Aluminiumdrähten 15 ausgerüstet. Wie in 1 dargestellt, besteht das isolierende Substrat 1 aus der Metallbasis 2, der isolierenden Keramikschicht 3, die auf der Metallbasis 2 mittels Aerosolablagerungsverfahrens ausgebildet ist, und dem Metallschaltungsmuster 4, das auf der Isolierschicht 3 mittels des Kaltsprüh-Verfahrens ausgebildet ist.
Die Funktion des Halbleiterbauelementes 10 besteht in der Versorgung mit elektrischem Strom. Das Kunstharzgehäuse 11, das aus einem Harz (Epoxidharz, PPS, PBT oder dergleichen) besteht und das mit den Leiteranschlüssen 12 integral ist, ist mit dem isolierenden Substrat 1 verklebt, wodurch ein Aufnahmeraum gebildet wird. Die hintere Elektrode des Leistungsbauelementes 14 und die Leiteranschlüsse 12 sind mit dem Schaltungsmuster 4 des isolierenden Substrates 1 verbunden (an dieses angeschlossen und an diesem befestigt) und die anderen Elektroden des Leistungsbauelementes 14 sind mit dem Schaltungsmuster 4 über Aluminiumdrähte 15 verbunden. Der durch das Kunstharzgehäuse 11 gebildete Aufnahmeraum ist mit dem Isolierharz 13 angefüllt, das aus einem Silikongel, einem Epoxidharz oder dergleichen von hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, wodurch die Leistungsschaltung eingekapselt ist. Der Öffnungsabschnitt des Harzgehäuses 11 ist mit einem Deckel 16 verschlossen, der aus dem gleichen Harz (Epoxidharz, PPS, PBT oder dergleichen) wie das Harzgehäuse 11 besteht.
Ein intelligentes Leistungsmodul kann dadurch aufgebaut sein, dass eine Steuerschaltung zum Steuern des Leistungsbauelementes 14 auf einer anderen Leiterplatte oder dergleichen ausgebildet wird und die Leiterplatte in den zuvor erwähnten Aufnahmeraum eingesetzt wird.
Wie in einem kreisförmig vergrößerten Teil von 3 dargestellt, kann die Isolierschicht 3 derart beschaffen sein, dass ein Keramikmaterial an der einen Hauptfläche und einem Teil der Seitenflächen 2a der Metallbasis 2 zusammenhängend anhaftet. Diese Struktur ist zum Erzielen einer hohen Durchschlagspannung vorteilhaft, da die Kriechstrecke zwischen dem Schaltungsmuster 4 auf der Isolierschicht 3 und der Metallbasis 2 vergrößert wird.
Beim Leistungsbauelement 14 handelt es sich um ein Leistungshalbleiterbauelement, z.B. um ein Schaltbauelement wie beispielsweise einen IGBT (Isolierschicht-Bipolartransistor) oder eine FWD (Freilaufdiode), und ist an einem Schaltungsmuster 4 montiert, um eine Leistungsschaltung zu bilden. Falls erforderlich, sind ebenfalls Widerstände, Kondensatoren, Spulen etc. am Schaltungsmuster 4 zu montieren. Im Allgemeinen wird die Temperatur einer derartigen Leistungsschaltung bedingt durch die Wärmeerzeugung der Leistungshalbleitervorrichtung hoch, insbesondere die durch eine Schaltoperation des Schaltbauelementes bedingte Wärmeerzeugung. Jedoch wird beim Halbleiterbauelement 10 die erzeugte Wärme über das isolierende Substrat 1, das über eine hervorragende Kühlleistung verfügt, sowie über (nicht dargestellte) Abstrahlungsrippen abgeführt, die an der Metallbasis 2 des isolierenden Substrates 1 befestigt sind.
Betreffend das Fertigungsverfahren des Halbleiterbauelementes 10 wird zuerst das Leistungsbauelement 14 auf dem Schaltungsmuster 4 des isolierenden Substrates 1 montiert, das durch das Aerosolablagerungsverfahren und das Kaltsprüh-Verfahren erzeugt wurde. Dann wird das Harzgehäuse 11 mit einem Silikonklebstoff oder dergleichen mit dem Umfang des isolierenden Substrates 1 verbunden. Die Leiteranschlüsse 12 werden eingesetzt und sind somit integral mit dem Harzgehäuse 11. Dann wird das benötigte Leistungsbauelement 14 mit dem Schaltungsmuster 4 durch Aluminiumdrähte 15 elektrisch verbunden, um eine Leistungsschaltung zu bilden. In ähnlicher Weise werden die Leiteranschlüsse 12 mit den Anschlussabschnitten des Schaltungsmusters 4 über Aluminiumdrähte 15 verbunden. Dann wird das Isolierharz 13, beispielsweise Silikongel oder ein Epoxidharz, auf die Leistungsschaltung eingespritzt, um das Leistungsbauelement 14 etc. und dessen Umgebung zu isolieren und zu schützen. Zum Schluss wird der Harzdeckel 16 auf das offene Ende des Harzgehäuses 11 aufgeklebt.
Wenn das Halbleiterbauelement 10, wie zuvor erwähnt, als intelligentes Leistungsmodul aufgebaut werden soll, wird eine Steuerschaltung zum Steuern des Leistungsbauelementes 14 auf einer weiteren Leiterplatte oder dergleichen ausgebildet, bevor bei dem zuvor beschriebenen Prozess der Kunstharzdeckel 16 aufgeklebt wird und die Leiterplatte in den Aufnahmeraum eingesetzt wird. Im Inneren des Halbleiterbauelementes kann die Leiterplatte mit der Leistungsschaltung und den Leiteranschlüssen auf verschiedene Weisen verbunden werden, beispielsweise durch ein Drahtbondverfahren sowie durch ein Verfahren, bei dem Leiteranschlüsse für interne Verbindungen vorgesehen sind, durch Verbindungsdurchgangslöcher der Leiterplatte eingeführt werden und mit der Leiterplatte verlötet werden. Jedoch entfällt hier eine detaillierte Beschreibung dieser Verfahren.
Als Nächstes wird ein weiteres Halbleiterbauelement mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 4 ist ein Querschnitt, der ein weiteres Halbleiterbauelement darstellt. Dieses Halbleiterbauelement 20 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Halbleiterbauelement darin, dass keine Gehäusestruktur verwendet wird und eine integrale Struktur durch ein Isolierharz 22 eine integrale Struktur realisiert wird. Das Halbleiterbauelement 20 ist auf die folgende Weise ausgebildet. Ein Leistungsbauelement 23 und Leiteranschlüsse 21 werden mit einem Schaltungsmuster 4 auf einer Isolierschicht 3 eines isolierenden Substrates 1 verbunden (an dieses angeschlossen und an diesem befestigt), und dann werden unter Verwendung von Aluminiumdrähten 24 Verbindungen hergestellt. Ein Vergussharz wird auf die Seite der Metallbasis 2 aufgebracht, auf der das Leistungsbauelement 23 montiert ist, so dass die andere Fläche der Metallbasis 2 freiliegt, auf der die Isolierschicht 3 nicht ausgebildet ist, wodurch ein Isolierharzverguss 22 erzeugt wird. Wie in 1 dargestellt, besteht das isolierende Substrat 1 aus der keramischen Isolierschicht 3, die auf der Metallbasis 2 durch das Aerosolablagerungsverfahren ausgebildet ist, und dem Metallschaltungsmuster 4, das auf der Isolierschicht 3 mittels des Kaltsprüh-Verfahrens ausgebildet ist.
Die Temperatur des Leistungsbauelementes 23 wird aufgrund der Wärmeerzeugung bei deren Schaltvorgang hoch. Daher liegt beim Halbleiterbauelement 20 die eine Fläche (d.h. die Fläche, auf der die Isolierschicht 3 nicht ausgebildet ist) der Metallbasis 2 des isolierenden Substrates 1 für eine Wärmeabstrahlung zur Umgebung hin frei. Eine Leistungsschaltung, welche das Leistungsbauelement 23 beinhaltet, bei dem es sich um ein Leistungshalbleiterbauelement oder dergleichen handelt, ist auf dem Schaltungsmuster 4 des isolierenden Substrates 1 ausgebildet und Epoxidharz oder dergleichen von hoher Wärmeleitfähigkeit wird auf die Isolierschicht 3 und das Schaltungsmuster 4 des isolierenden Substrates 1 und das Leistungsbauelement 23 aufgebracht, um den Isolierharzverguss 22 in einem Zustand zu erzeugen, bei dem die Leiteranschlüsse 21 nach außen herausgeführt sind. Die Metallbasis 2 des isolierenden Substrates 1 liegt zur Umgebung hin frei, was die Kühlleistung verbessert.
Wie in einem kreisförmig vergrößerten Teil von 4 dargestellt, kann die Isolierschicht 3 derart beschaffen sein, dass ein Keramikmaterial an der einen Hauptfläche und einem Teil der Seitenflächen 2a der Metallbasis 2 zusammenhängend anhaftet. Diese Struktur ist zum Erzielen einer hohen Durchschlagspannung vorteilhaft, da die Kriechstrecke zwischen dem Schaltungsmuster 4 auf der Isolierschicht 3 und der Metallbasis 2 vergrößert wird.
Das beispielhafte Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelementes 20 ist wie folgt. Zuerst werden das Leistungsbauelement 23 und die Leiteranschlüsse 21 mit dem Schaltungsmuster 4 des isolierenden Substrates 1 verlötet, das vorab ausgebildet wurde. Dann werden das Leistungsbauelement 23, das Schaltungsmuster 4 und die Leiteranschlüsse 21 miteinander mittels Aluminiumdrähten 24 durch Ultraschallbonden elektrisch verbunden, wodurch eine Leistungsschaltung fertiggestellt wird.
Dann wird die entstandene Struktur in ein Formwerkzeug eingesetzt, das an einer Spritzpressmaschine befestigt ist. Die Temperatur des Formwerkzeugs wird auf 170 bis 180 °C gehalten. Ein tablettenförmiges Epoxidharz wird, nachdem es einem vorhergehenden Erhitzen unterzogen wurde, mittels eines Stempels in das Formwerkzeug eingebracht. Das Epoxidharz enthält einen oder mehrere Füllstoffe, die aus einer Gruppe gewählt sind, welche aus Siliziumoxid (SiO₂) Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Aluminiumnitrid (AIN) und Bornitrid (BN) besteht und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,5 bis 5,0 W/m·K aufweist.
Das Epoxidharz härtet einige Zehntelsekunden nach seinem Einspritzen aus. Die Struktur wird aus dem Formwerkzeug unmittelbar nach dem Erstarren des Epoxidharzes herausgenommen, und das Epoxidharz wird dann einer Nachbehandlung in einer thermostatischen Kammer unterzogen. Dadurch wird ein Isolierharzverguss 22 erzeugt.
Das auf diese Weise fertiggestellte Halbleiterbauelement 20 ist derart beschaffen, dass die Metallbasis 2 vom isolierenden Substrat zur Umgebung hin freiliegt und die Isolierschicht 3 und das Schaltungsmuster 4 des isolierenden Substrates 1 sowie das Leistungsbauelement 23 sind durch den Isolierharzverguss 22 eingekapselt und gegenüber der Umgebung isoliert.
Beide Halbleiterbauelemente 10 und 20 wurden im Vorhergehenden so beschrieben, als handle es sich um Leistungsschaltungsmodule, jedoch können die zuvor beschriebenen Halbleiterbauelemente beispielsweise auch derart angewandt werden, dass sie nicht nur mit einem Leistungsschaltungsmodul versehen sind, sondern auch mit einem Steuerschaltungsmodul.
Da die interne Schaltung gegenüber der Umgebung durch ein Epoxidharz oder dergleichen eingekapselt und isoliert ist, das eine hervorragende Isolierleistung, Feuchtigkeitsabsorptionsbeständigkeit und die Funktion eines Blockierens eines korrosiven Gases hat, wird bei den Halbleiterbauelementen 10 und 20 verhindert, dass bedingt durch das Eindringen von Staub oder eine Feuchtigkeitsabsorption ihre Isolierleistung beeinträchtigt wird, und es wird ebenfalls eine Korrosion der Elektroden der elektronischen Bauelemente verhindert, die dadurch bedingt ist, dass diese einem korrosiven Gas, wie beispielsweise Wasserstoffsulfid, ausgesetzt sind.
Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Lichtbogens oder eines Funkens, der durch einen nicht sachgemäßen elektrischen Betrieb oder einen Kurzschluss des Leistungsbauelementes 14 oder 23 bedingt ist, kann verringert werden, was bei der gesamten Vorrichtung eine Brandentstehung verhindert.
Die zuvor beschriebenen Vorteile können gemeinsam für ein äußerst zuverlässiges Halbleiterbauelement sorgen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines isolierenden Substrats mit einer Metallbasis (2), aufweisend: Vermischen von feinen keramischen Partikeln, die aus mindestens einem Element einer ersten Gruppe, bestehend aus Siliziumoxid und Aluminiumoxid, hergestellt sind, mit feinen keramischen Partikeln, die aus mindestens einem Element einer zweiten Gruppe, bestehend aus Siliziumnitrid, Bornitrid und Aluminiumnitrid, hergestellt sind, Schockverfestigen einer Isolierschicht (3) aus den entstehenden feinen keramischen Partikeln mittels eines Aerosolablagerungsverfahrens auf der Metallbasis (2) bei Raumtemperatur, derart, dass die feinen keramischen Partikel dazu gebracht werden, mit der Metallbasis (2) zu kollidieren und eine mit der Metallbasis (2) verbundene, keramische Schicht auszubilden, und Ausbilden eines Schaltungsmusters (4) auf der Isolierschicht (3) durch thermisches Sprüh-Beschichten mit einem Metall, das eines der Materialien der Kupfer, Aluminium, Nickel, Eisen, Titan und Molybdän enthaltenden Gruppe oder eine Legierung aus zwei oder mehr dieser Materialien ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schaltungsmuster (4) als eine thermische Sprüh-Beschichtung durch ein Kaltsprüh-Verfahren erzeugt wird.