DE102008029829B4 - Vertikal nach oben kontaktierender Halbleiter und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein vertikal nach oben kontaktierendes Halbleitermodul nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
- Im Stand der Technik sind gelötete DCBs (direct copper bonds) mit Stanzgitter bekannt, die mit einem Überzug vergossen (gemoldet) sind und die mit Anschlüssen seitlich am Bauteil (engl. Package, bestehend aus dem Halbleiter, einem ihn tragenden Schaltungsträger [engl. leadframe] und seinem gemoldeten Verguß) versehen sind.
- Elektrische Anschlüsse des Schaltungsträgers sind zum Teil aus dem Zentrum der Schaltung an den Rand geführt.
- Zur Erzielung von hoher elektrischer Isolation zwischen den potentialtragenden Komponenten (Bondrähten, Halbleitern und Leiterbahnen) und zur Erreichung sehr hoher mechanischer Festigkeit bzw. Robustheit gibt es diese Produkte, bei denen die Baugruppe mit einem duroplastischen Kunststoff umhüllt ist.
- Diese Fertigungstechnik besteht aus dem volumenmäßig vollständigen Ausfüllen des Modulkörpers durch Formpressen (Transfer Molding) mit einem duroplastischen harten, glasartigen Polymerwerkstoff (z. B. Henkel Loctite Hysol®). Dies geschieht mit einzelnen Halbleiterbauelementen (z. B. in TO 220-Gehäuseformen der Fa. ST-Microelectronics IRF-540) und mit Transistorgruppen, wie in der
US 2005/0067719 A1 - Einige Produkte umhüllen neben der Substratbaugruppe auch eine montierte Wärmesenkenplatte z. B. DIP-IPM der Fa. Mitsubishi („A New Version Intelligent Power Module for High Performance Motor Control”; M. Iwasaki et. al.; Power Semiconductor Device Division, Mitsubishi, Japan) [dabei steht DIP für ,dual in line package' und IPM für Intelligentes Power-Modul].
- Die häufigsten Bauformen derartiger Baugruppen sind die Single- und Dual-Inline-Packages (SIP und DIP) z. B. Mitsubishi DIP-IPM PS20341-G als DIP oder Mitsubishi SIP-IPM PS-21661 als SIP.
- Die übliche Herstelltechnik besteht darin, einen Hohlraum zwischen zwei Werkzeughälften mit Duroplast zu füllen. Zwischen den Werkzeughälften wird typischerweise ein Stanzgitter bestehend aus Leiterbahn und Kontakten eingelegt. Dieses Stanzgitter dient zur internen Verbindung und zur Herausführung äußerer Kontakte. Die Halbleiter sind hierbei entweder auf einem elektrisch isolierten Schaltungsträger (DCB, IMS oder PCB) oder auf einem unisiolierten Stanzgitter platziert.
- So ist zum Beispiel aus der
US 4 538 168 A ein mit Moldmasse vergossenes Metallprofil bekannt das die Moldmasse über Ankerelemente an den Wänden anliegend hält. - Nachteilig in diesem Stand der Technik ist, dass zur Erhöhung der erzielbaren Leistung häufig mehrere SIP/DIP-Leistungsbaugruppen parallel geschaltet werden. Bei Anwendungen mit einer oder mehreren elektrischen Phasen sollten diese parallel geschalteten SIP/DIP-Baugruppen in unmittelbarer räumlicher Nähe von einander angeordnet werden. Durch seitlich heraustretende Kontakte in Form von Stanzgitterkontakten besteht dann ein zusätzlicher Platzbedarf rund um den Modulkörper.
- Bei parallel geschalteten Baugruppen werden diese im allgemeinen durch Schweißen oder Schrauben mit verbindenden Leiterstreifen, sog. Verschienungen, verbunden. Diese Verbindungstechnik nimmt weiteren Platz in der Ebene der Modulkörper ein. Beides führt zu verhältnismäßig langen Leiterführungen, insbesondere der Hochstromzuführung und Hochstromabfuhr. Lange, geometrisch komplex geführte Verschienungen der parallel geschalteten Module aber führen ihrerseits zu parasitären Induktivitäten, die sich nachteilig auf die Dimensionierung der Halbleiter und die erzielbare Schaltfrequenz auswirken.
- Im Stand der Technik ist also eine kompakte, seitliche Aneinanderreihung nicht möglich wegen des Platzbedarfs der Anschlüsse seitlich aus dem Package. Weiterer Platzbedarf für Leiterbahnen aus dem Zentrum des Package zum Rand zu den Stanzgittern hin bedeutet, dass keine Kontaktierung in diesen Bereichen möglich ist, und dass hohe parasitäre Induktivitäten, auch die Kreuzung von Montageelementen mit elektrischen Kontakten, als Probleme bestehen.
- Weiter sind die
DE 10 2006 051 454 A1 und dieJP 09 283 681 A - Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, ein Modul zu schaffen, das nach dem Molden direkt kontaktierbare, moldmassefreie elektrische Anschlüsse bietet.
- Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungen der Erfindung und ein Verfahren zum Herstellen dieser Module wieder.
- Erfindungsgemäß wird ein nach oben kontaktierendes Halbleitermodul mit einem Schaltungsträger, der ein Substrat aufweist, einem auf dem Substrat angeordneten Halbleiter und elektrischen Kontakten vorgeschlagen, bei dem die Kontakte als nach oben gerichtete leitfähige Kontaktkörper nach den Merkmalen des Hauptanspruchs ausgebildet sind. Die Richtung „oben” ist die, die der Substratseite entgegengerichtet ist.
- Insbesondere sollen die Kontaktkörper als federnde Metallzungen mit einem Biegebereich versehen sein, der dazu genutzt wird, dass die Metallzungen beim Transfermolden an die Innenseiten eines Werkzeuges einfedern und so in Kontakt mit der Innenseite bündig abschließen, daß kein isolierendes Moldmaterial die Kontaktierung verhindert. Dies bewirkt, dass die Metallzungen in einer Moldmasse eingebettet am Ende deutlich fester sind und eine Oberseite der Kontaktkörper oberflächenbündig mit der Moldmassenoberseite abschliesst.
- Dabei können weiter bevorzugt die Kontaktkörper an ihrem oberen Ende ein Steckeraufnahme-Sackloch aufweisen, das von Moldmasse frei ist (die Sacklöcher bleiben während des Moldens durch Kontakt der Ränder mit dem Werkzeug frei von Moldmasse, oder durch Platzhalter, die entfernt werden).
- Es kann aber auch die Moldmasse benachbart des oberen Endes der Kontaktkörper einen Freiraum ausbilden, indem ein Platzhalterkörper vorgesehen wird. Dieser Freiraum in der Moldmasse kann die Dimensionen eines rechteckigen, eine Reihe benachbarter Kontaktkörper kontaktierenden Steckers erhalten.
- Das erfindungsgemäße Halbleitermodul kann sowohl elastisch federnde Kontaktkörper bis zur Moldmassen-Oberseite, wie auch bis zum Schaltungsträger herabreichende Aussparungen der Moldmasse auf der Oberseite des Halbleitermoduls aufweisen.
- Ein Verfahren zur Herstellung eines mit Moldmasse versehenen Halbleitermoduls besteht darin, dass während des Moldspritzen der Moldmasse in einen Raum oberhalb des Schaltungsträgers Kontaktflächen der Kontaktkörper federnd an dem Oberwerkzeug zur Vermeidung der Bedeckung der Kontaktkörper-Kontaktflächen mit isolierender Moldmasse anliegen.
- Dabei kann in einer Variante zur Beherbergung eines Steckerkörpers während des Moldspritzen der Moldmasse in einen Raum oberhalb des Schaltungsträgers (zwischen Schaltungsträger und Oberwerkzeug), anliegend an wenigstens das Oberwerkzeug, ein Opferkörper aus Teflon oder dispensierfähigem Silikon eingesetzt werden.
- Dieser Opferkörper kann auch während des Moldspritzen der Moldmasse in einen Raum oberhalb des Schaltungsträgers abnehmbar einen oder eine Mehrzahl von Kontaktkörpern umgeben und nach dem Molden entfernt werden.
- Die erforderlichen Kontakte eines Leistungsmoduls, hergestellt in der Umhüllungstechnik, sind auf der Oberseite des Modulkörpers angeordnet oder zumindest mit von oben zugänglichen Flächen aufgebaut. Die Oberseite des Modulkörpers ist die der Substratseite gegenüberliegende Fläche des Leistungsmoduls. Dabei gibt es kein klassisches Stanzgitter mehr, das zum Beispiel in der Werkzeugtrennebene Kontakte erzeugt.
- Die Kontakte werden durch Kontaktkörper, die sich auf dem Schaltungsträger befinden, bewerkstelligt und erfüllen dabei eine dreifache Funktion:
- • Die Kontakte leiten den Strom vom Schaltungsträger oder vom Stanzgitter durch den Umhüllungskörper zur Oberseite des Leistungsmoduls.
- • Die Kontaktkörper weisen eine federnde Struktur auf, die beim Schließen des Werkzeuges einfedert und oberflächenbündig abschließt. Diese Federeigenschaft besitzt folgende Vorteile:
- – Während des Umhüllungsspritzens werden typische Maßtoleranzen in der Dicke des Schaltungsträgers, des Kontaktkörpers oder der Planarität des Stanzgitters nach Kontakt mit dem schließenden Oberwerkzeug beseitigt.
- – Die federnde Struktur übt eine Kraft auf den Schaltungsträger aus, der damit an den Werkzeugboden gepresst wird und ein ungewolltes Unterspritzen mit Kunststoffmasse verhindert.
- • Die Kontaktkörper sind derart geformt, dass sie auf der Oberseite eine Möglichkeit zur kraftschlüssigen, formschlüssigen oder stoffschlüssigen Verbindung mit einem Gegenkontakt bilden können.
- – Eine ebene Fläche bietet Möglichkeit zum Punktschweißen, Drahtbonden oder Ultraschallreibschweißen oder Drucksintern.
- – Eine Pressverbindung besteht aus einem Stift auf der Gegenkontaktseite und einem untermaßigen Loch, wobei die Verbindung nach dem Verpressen eine Kaltverschweißung bildet (z. B. viereckiger Stift in rundes Loch).
- Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:
-
1 einen erfindungsgemäßen Halbleitermodul-Moldkörper im Querschliff mit Schaltungsträger und Halbleitern mit aufgesetzten Kontaktkörpern; -
2 einen anderen Moldkörper im Querschliff mit Schaltungsträger und Halbleitern mit aufgesetzten Kontaktkörpern einer Geometrie, die eine Verbindung über Gewinde (kein Ausführungsbeispiel) oder Presskontakte ermöglichen; -
3 einen Moldkörper im Querschliff mit Schaltungsträger, Halbleitern mit aufgesetzten Kontaktkörpern wie2 und Freistellung des Moldvolumens durch einen Opferkörper zur Schaffung des Platzes für eine Steckverbindung; -
4 den Moldkörper wie in3 in Draufsicht; -
5 einen Moldkörper wie in3 mit zusätzlich geschaffenem Platz zur Kontaktierung einer Fläche auf dem Schaltungsträger durch Punktschweißen, Drahtbonden oder Ultraschallreibschweißen; -
6 einen Moldkörper wie in5 mit der Möglichkeit in Querrichtung eine Kontaktfläche zu erreichen; -
7 den Moldkörper wie in6 in Draufsicht, d. h. mit Schaltungsträger mit aufgesetzten Kontaktkörpern und Freistellung des Moldvolumens durch einen plastisch-elastischen Opferkörper (z. B. Teflon) zur Schaffung von Platz für eine Verbindung direkt auf dem Schaltungsträger oder Stanzgitters mit der Möglichkeit in Querrichtung die Kontaktflächen zu erreichen (z. B. mit einem Ultraschallschweißarm, Drahtbondwerkzeug); -
8 mehrere Moldkörper-Module im Querschnitt auf einem gemeinsamen Kühlkörper und einer gemeinsamen Verschienungsebene (Busbarebene); -
9 mehrere Moldkörper-Module im Querschnitt auf einem gemeinsamen Kühlkörper wie8 , jedoch mit einer aufgesetzten und verschraubten Verschienungsebene, und -
10 mehrere Moldkörper-Module im Querschnitt auf einem gemeinsamen Kühlkörper wie8 oder9 , jedoch mit zusätzlichen Spannpratzen, die auf den Modulkörper vertikale Montagekräfte aufbringen und die wärmeleitenden Flächen der Körper auf den Kühlkörper pressen. - Der in
1 dargestellte, nach oben kontaktierende Schaltungsträger für Leistungselektronik-Halbleiter, der durch Umhüllen mit einer aushärtenden Masse geschützt werden muß, wird als Keramik- oder Metallkern-Leiterplatte oder Stanzgitterleiterbahnen während des Umhüllungsspritzens durch zusätzliche Maßnahmen auf den Werkzeugboden gepresst. Das Pressen verhindert das Unterspritzen (Overmold) der unteren Seite des Schaltungsträgers mit thermisch isolierendem Kunststoff. - In
1 ist unterhalb eines mit Bonddrähten an Kupferleiterbahnen12 kontaktierten Halbleiters eine isolierende Keramikschicht und darunter eine Kupferschicht zur Wärmeableitung dargestellt. Ein Kontaktkörper16 ist durch eine beliebige Verbindungstechnik auf dem Substrat, den Kupferbahnen12 , aufgesetzt und weist zwischen seinem Fuß auf den Kupferleiterbahnen12 und seiner Kontaktfläche24 , die nach dem Molden frei ist kontaktiert zu werden, vorteilhafterweise gerade Bereiche20 auf, die gegeneinander geknickt bei einer Belastung der Kontaktfläche24 in der Knickverbindung einfedern können. Dies ist beim Molden wichtig, um nicht nur ein Unterspritzen, sondern auch eine Bedeckung der Kontaktfläche zu vermeiden. Natürlich kann aber auch später ein Kontakt durch weitere Abtragsschritte freigelegt werden, dies wäre aber vermeidbarer Aufwand. - Die erforderlichen Kontakte
24 eines Leistungsmoduls, hergestellt in der Umhüllungstechnik, sind ausschließlich auf der Oberseite des Modulkörpers40 angeordnet oder zumindest mit von oben zugänglichen Flächen aufgebaut. - • Eine geometrische Variante des Kontaktkörpers
28 ist die Ausbildung einer Stiftleiste („Männchen”), die im oberen Bereich des Modulkörpers40 freigestellt ist, damit ein Stecker („Weibchen)” (nicht dargestellt) mit mehreren Kontakten eingesetzt werden kann. In diesem Fall kann auf ein Federelement verzichtet werden, denn es ist ein zusätzlicher Platzhalterkörper (Opferkörper) erforderlich, z. B. aus hitzebeständigem Teflon oder dispensierfähigem Silikon, der einerseits den Steckerraum schafft, andererseits durch seine Plastizität die beschriebenen Maßtoleranzen ausgleicht. Der Platzhalterkörper wird nach dem Umhüllungsspritzen entfernt und gibt das Steckervolumen im Moldkörper10 frei. Es können auf diese Weise sowohl ein einzelner Leistungsanschluss, als auch eine Gruppe von Leistungsanschlüssen und Steueranschlüssen bewerkstelligt werden. - • Eine weitere Variante mit einem Platzhalterkörper ist die Ausnehmung eines Moldkörpervolumens
10 bis zum Schaltungsträger bzw. Stanzgitter (das die Kupferleiterbahnen12 ausbildet), damit eine Kontaktierung durch externe Kontakte (Verschienungsebene) oder durch Drahtbonden von außen erfolgen kann. - • Durch die Kontaktierung von oben und den Einsatz von mehreren Baugruppen (z. B. eine B6-Brücke zur Steuerung eines drei-phasigen Elektromotors) in einzelnen Halbbrücken lässt sich eine sehr dichte Packung der Baugruppen erreichen und dann gemeinsam mit einer Verschienungsplatte kontaktieren. Damit kann die Verschienungsplatte mit sehr kurzen und sehr niederinduktiven Leiterbahnzügen die einzelnen Modulkörper elektrisch kontaktieren. Bei Bedarf kann diese Verschienungsplatte auch elektronische Komponenten der Ansteuerung, Sensorik (z. B. Strommessung) und Schutzbeschaltung tragen (
8 und9 ). - • Eine Variante ist die Überspannung der Verschienungsplatte mit einer Spannpratze zum intensiven, formschlüssigen Presskontakt der Verschienungsplatte auf den Modulkörpern (inklusive der Kontakte) und der Modulkörper auf den Kühlkörpern. Damit entsteht eine vibrationsbeständige und sichere Verbindung der elektrischen und thermischen Kontaktebene.
- In
1 ist der Moldkörper40 im Querschliff mit Schaltungsträger12 , Halbleitern14 mit aufgesetzten Kontaktkörpern16 dargestellt, die eine Verbindung über ein Presskontakten ermöglichen. Die Kontaktkörper habe eine eckige, Ω-förmige Form mit zwei durch herkömmliche Verbindungstechniken (Schweißen oder dergleichen auf dem Schaltungträger12 befestigten Füßen und zwei Beinen, die zusätzlich durch einen definierten Knick besser einfedern, und die in einem oberen, die beiden Arme verbindenden und zusätzlich nach außen planen Bereich als Kontaktflächen24 zur Kontaktierung mit zunächst (beim Molden mit Moldmasse10 ) einer Werkzeuginnenseite und später einem Kontaktelement abschließen. - In
2 ist eine Alternative gezeigt, die statt eines planen Bereichs im Anschluß an federnde Beine noch ein Gewinde26 (wie im Stand der Technik) zum Verbinden über einen eingeschraubten Kontakt zeigt. Statt eines Gewindes kann auch eine Bohrung oder ein Vierkantloch zum Presskontakten mit Hilfe eines kantigen oder – bei kantigem Loch – runden leicht über die lichte Weite dimensionierten Stifts zum festen Sitz in der Ausnehmung vorgesehen werden. -
3 zeigt den Moldkörper40 im Querschliff mit Schaltungsträger12 , Halbleitern14 mit aufgesetzten Kontaktkörpern16 und Freistellung eines Volumens in der Moldmasse durch einen plastisch-elastischen Opferkörper (z. B. Teflon) zur Schaffung von Platz für eine Steckverbindung. Ein Stift28 innerhalb des freigelassenen Volumens kann dann durch einen Stecker (nicht dargestellt) kontaktiert werden. In der4 ist dieser Moldkörper in Draufsicht dargestellt, wobei eine Reihe von in3 hintereinander angeordneten Gewinde- oder Sacklöchern26 und Stiften28 erkennbar sind. - Die
5 zeigt, dass ein solcher plastisch-elastischer Opferkörper (z. B. Teflon) auch zur Schaffung eines Platzes50 für eine Verbindung direkt auf dem Schaltungsträger oder Stanzgitter die Moldmasse10 aussparen kann. - Weiter zeigt
6 , dass der Platz für eine Verbindung direkt auf dem Schaltungsträger oder Stanzgitter auch mit der Möglichkeit der Kontaktierung in Querrichtung verbunden werden kann, wenn Moldmasse10 bis zum Rand des Moldkörpers40 reicht. Es kann natürlich auch nachträglich noch Moldmasse entfernt werden, falls beim Molden zuviel Moldmasse stehen bleibt. Aufgrund des Aufwands einer Nachbearbeitung ist es aber gerade Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, eine solche Nachbearbeitung bereits durch richtige Dimensionierung der Platzhalter zu erübrigen. -
7 zeigt das Halbleitermodul der6 in Draufsicht mit seinem Platz für eine Verbindung direkt auf dem Schaltungsträger oder Stanzgitter mit der Möglichkeit, in Querrichtung die Kontaktflächen zu erreichen (z. B. mit einem Ultraschallschweißarm oder -Drahtbondwerkzeug). -
8 schließlich zeigt mehrere Moldkörper-Module im Querschnitt auf einem gemeinsamen Kühlkörper und einer gemeinsamen Verschienungsebene (Busbarebene). Die Verschienungsebene kann wahlweise auch Steuerelemente für die Ansteuerung und Schutzfunktionen für die Leistungsbauelemente in den Moldkörpern tragen. Die Kontaktherstellung erfolgt wahlweise über Schraub-, Steck- oder Klemmverbindungen gemäß1 bis7 . -
9 zeigt das nämliche wie8 , jedoch ist die in8 noch separat dargestellte, aufgesetzte und verschraubte Verschienungsebene90 mit den Modulen verbunden. Und10 zeigt nochmals dieses aus9 , jedoch mit zusätzlichen Spannpratzen94 , die zwischen den Modulkörper vertikale Montagekräfte aufbringen und die wärmeleitenden Flächen der Körper auf den Kühlkörper pressen. Zwischen Spannpratze94 und Verschienungsplatte ist jeweils als Kraftvermittler ein federndes Element92 positioniert, so daß eine Gleichverteilung der Spannkräfte erzeugt wird.
Claims (5)
- Vertikal nach oben kontaktierendes Halbleitermodul mit einem Schaltungsträger, der ein Substrat mit Kupferleiterbahnen (
12 ) aufweist, einen auf dem Substrat angeordneten Halbleiter und elektrische Kontakte ohne Gewinde, wobei die Kontakte ausgehend von der Kupferleiterbahn (12 ) als nach oben entgegen der unter der Kupferleiterbahn liegenden Substratseite gerichtete leitfähige Kontaktkörper (16 ) ausgebildet sind, wobei die Kontaktkörper (16 ) wenigstens mit Teilbereichen in einer den Halbleiter umgebenden, gespritzten Umhüllungs-Moldmasse (40 ) befinden und wobei die Kontaktkörper (16 ) als federnde Metallzungen ausgebildet sind, mit einer eckigen, Omega-förmigen Form mit zwei durch Verbindungstechniken auf der Kupferleiterbahn (12 ) des Schaltungsträgers befestigten Füßen (18 ) und zwei Beinen (20 ), die zusätzlich durch einen definierten Knick (22 ) besser einfedern können und einem oberen, die beiden Beine verbindenden, nach außen planen, mit der Moldmasse (40 ) oberflächenbündigen Bereich (24 ) zum Kontaktieren mit einem Kontaktelement. - Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul zusätzlich zu den elastisch federnden Kontaktkörpern (
16 ) auch einen Freiraum in der Moldmasse (40 ), der die Dimensionen eines rechteckigen, eine Reihe benachbarter stiftförmiger Kontaktkörper (28 ) kontaktierenden Steckers besitzt, aufweist. - Halbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl elastisch federnde Kontaktkörper (
16 ) bis zur Moldmassen-Oberseite wie auch bis zu Kupferleiterbahnen (12 ) des Schaltungsträgers herabreichende Aussparungen (50 ) der Moldmasse auf der Oberseite des Halbleitermoduls vorgesehen sind. - Verfahren zur Herstellung eines mit Moldmasse versehenen Halbleitermoduls nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Moldspritzens der Moldmasse in einen Raum oberhalb des Schaltungsträgers, die Kontaktflächen der Kontaktkörper federnd an dem Oberwerkzeug anliegen, und während des Moldspritzens der Moldmasse in einen anderen Raum oberhalb des Schaltungsträgers zwischen Schaltungsträger und Oberwerkzeug, anliegend an wenigstens das Oberwerkzeug ein Opferkörper aus Teflon oder dispensierfähigem Silikon eingesetzt ist.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Opferkörper während des Moldspritzen der Moldmasse in einen Raum oberhalb des Schaltungsträgers abnehmbar einen oder eine Mehrzahl von Kontaktkörpern umgebend eingesetzt ist und nach dem Molden entfernt wird.
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