DE102008031297A1 - Halbleitermodul - Google Patents

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Stefan Fruhnert
Martin Dr. Helsper
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Siemens AG
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Abstract

Bekannte Halbleitermodule, insbesondere Leistungshalbleitermodule, sind, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen, in ein Gehäuse eingesetzt und mit einem aushärtbaren Vergusskunststoff, der ein thermoplastischer Schmelzkleber ist, vergossen. Die neue Füllmasse soll eine verbesserte Ableitung der Verlustwärme von dem Halbleitermodul bewirken. Die Füllmasse enthält ein nichthärtendes thermoplastisches Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik. Nach einer bevorzugten Ausführungsform hat die Füllmasse thixotrope oder strukturviskose rheologische Eigenschaften und enthält weiterhin einen wärmeleitenden Füllstoff. Mit der Erfindung lässt sich ein Halbleitermodul, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul, mit reduzierter Materialermüdung und höherer Lebensdauer und/oder für höhere Leistungen und Belastungen herstellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul, umfassend ein Gehäuse, in welchem eine Bodenplatte mit mindestens einem darauf angeordneten Halbleiterchip und Leiterbahnen angeordnet ist, welche Leiterbahnen jeden Halbleiterchip mit mindestens einem aus dem Gehäuse geführten Anschluss und bei mehreren Halbleiterchips diese untereinander elektrisch verbinden. Zumindest in einem Teil des Gehäuses ist eine Füllmasse vorgesehen.
  • Leistungshalbleitermodule sind Komponenten für die Leistungselektronik, in ihnen sind elektronische Leistungsbauelemente zu einem Leistungsbauteil miteinander verschaltet. Dabei beinhaltet ein Modul in der Regel mehrere Leistungshalbleiterbauelemente, wie z. B. Thyristoren, Leistungsdioden, IGBTs oder MOSFETS, die jeweils zu einer logischen Funktionseinheit zusammengefasst werden.
  • Leistungshalbleiter wurden entwickelt, um hohe Energien oder Leistungen bei hoher Integrationsdichte zu übertragen und zu steuern, d. h. Ströme zu leiten und umzuwandeln (AC/DC und DC/AC).
  • Leistungshalbleitermodule werden zur Isolation von Umwelteinflüssen in Gehäuse eingebaut. Diese Gehäuse schützen das Modul vor mechanischen Zerstörungen, Feuchtigkeit und anderen schädlichen Einwirkungen von außen.
  • Das Gehäuse ist üblicherweise mit einer Füllmasse vergossen, die als elektrische Isolationsschicht und zugleich als mechanische Halterung dient. Es resultiert ein Kunststoffkörper, in welchen die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile und Komponenten vollständig eingebettet sind und aus welchem lediglich die elektrischen Zu- und Ableitungen herausragen.
  • Beim Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls kann es aufgrund hoher elektrischer Verlustleistungen zu einer erheblichen Wärmeentwicklung kommen. Einer der dominierenden Ausfallmechanismen ist dabei die thermische Ermüdung der Materialien des Moduls durch eine stark wechselnde thermische Beanspruchung dieser Materialien. Vor allem in Hochleistungsmodulen stellen die thermischen Probleme eine wesentliche Begrenzung der Langzeitzuverlässigkeit dar.
  • Weiterhin müssen Leistungsmodule bei einzelnen Extrembelastungen, wie sie z. B. bei Kurzschlüssen auftreten, kurzfristig sehr hohen thermischen und mechanischen Belastungen standhalten können. Belastungen auf Grund hoher Stoßströme limitieren heutige Leistungsmodule und erfordern konventionell aufwändige zusätzliche Schutzmaßnahmen, z. B. Überdimensionierung ausschließlich für Fehlerfälle bzw. Schutzbeschaltungen.
  • Bei der Konzeption von Halbleitermodulen ist es daher wichtig, die thermische Belastungen zu reduzieren, und das Halbleitermodul so auszulegen, dass die im Betrieb entstehende Wärme effizient abgeleitet werden kann.
  • Die Abführung der Verlustwärme aus Halbleitermodulen stellt jedoch erhebliche Anforderungen an das Design solcher Module.
  • Es wurden weiterhin auch bereits viele Lösungen vorgeschlagen, um das thermische Verhalten der Füllmassen von Halbleitermodulen zu verbessern, jedoch basieren die meisten von diesen Lösungen auf einer Optimierung des statischen Wärmeverhaltens der Füllmassen.
  • Ein derartiges Leistungshalbleitermodul ist beispielsweise aus EP 1 424 728 A1 bekannt. Nach EP 1 424 728 A1 ist in einem Leistungshalbleitermodul mit einem aus einem aushärtbaren Vergusskunststoff gebildeten Gehäuse und mit einer Grundplatte, wobei auf einem Teil der dem Gehäuse zugewandten Fläche der Grundplatte elektrische Leistungshalbleiterbauelemente über eine isolierende Schicht angebracht sind, zumindest der Teil der dem Gehäuse zugewandten Fläche der Grundplatte mit den angebrachten elektrischen Leistungshalbleiterbauelementen mit dem Gehäuse vergossen, wobei der aushärtbare Vergusskunststoff ein thermoplastischer Schmelzklebstoff ist.
  • Problematisch bei dem vorbekannten Leistungshalbleitermodul ist, dass der ausgehärtete Vergusskunststoff spröde und demnach nahezu nicht elastisch deformierbar ist. Bei Erwärmung der Füllmasse durch die eingegossenen elektrischen Leistungshalbleiterbauelemente kann es deshalb zu thermomechanischen Spannungen kommen.
  • Davon ausgehend, besteht eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, ein Halbleitermodul mit einer Füllmasse anzugeben, welches sich durch eine sehr hohe thermische Belastbarkeit und große Langzeitzuverlässigkeit auszeichnet.
  • Erfindungsgemäß wird ein Halbleitermodul, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul, umfassend ein Gehäuse (19) in welchem eine Bodenplatte (2) mit mindestens einem darauf angeordneten Halbleiterchip (8, 12) und Leiterbahnen (5, 6, 7) angeordnet sind, welche Leiterbahnen (5, 6, 7) jeden Halbleiterchip (8, 12) mit mindestens einem aus dem Gehäuse (19) geführten Anschluss (16, 17, 18) und bei mehreren Halbleiterchips diese untereinander elektrisch verbinden, und in welchem zumindest in einem Teil des Gehäuses (19) eine Füllmasse (20) vorgesehen ist, wobei die Füllmasse ein nichtaushärtendes, thermoplastisches Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik enthält, geschaffen.
  • Kerngedanke der Erfindung ist es, das Gehäuse mit einem thermoplastischen Werkstoff zu füllen, der bei Wärmezufuhr durch einen reversiblen Phasenwechsel bei Überschreiten einer Grenztemperatur in einen niedrigviskosen Zustand überführt wird.
  • Die erfindungsgemäße Füllmasse hat die Eigenschaft, dass, wenn die Temperatur der Füllmasse bei Überlastzuständen eine bestimmte kritische Temperatur, das heißt die Temperatur des Phasenänderungsbereichs des nichtaushärtenden, thermoplastischen Polymers erreicht, die Verlustwärme eines Halbleiterchips in der Füllmasse zunächst gespeichert und erst verzögert wieder abgegeben wird. In dieser Phasenänderungsperiode, in der die Füllmasse von einem Festzustand in einen flüssigen Zustand übergeht, bleibt die Temperatur der Füllmasse konstant.
  • Die Füllmasse nimmt also selbst den größten Teil der thermischen Energie zunächst auf und gibt sie nur verzögert an die angrenzenden Bauteile, z. B. Halbleiter, Leiterbahnen, Anschlüsse und nicht geschmolzene Füllmasse weiter.
  • Eine Füllmasse, die ein nichtaushärtendes, thermoplastisches, Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik enthält, wirkt bei einer unzulässig hohen thermischen Belastung des Moduls wie eine ”Wärmefalle”.
  • Diese temperaturabhängigen Viskositätsänderungen zum niedrigviskosen Bereich sind reversibel und wiederholbar. Auch wenn das Halbleitermodul einem Zyklus von aufeinanderfolgenden Erhitzungen und Abkühlungen ausgesetzt wird, stellt sich eine geringe stationäre Temperatur für die im Inneren liegenden elektrischen Halbleiterbauelemente ein.
  • Durch die intermediäre Wärmespeicherung in der Füllmasse werden die lokalen Temperaturmaxima zwar zeitlich verbreitert, aber die Wärme wird innerhalb der Füllmasse lokal verteilt und die Spitzenwerte werden deutlich herabgesetzt, so dass kritische Grenzwerte an den Bauelementen deutlich unterschritten werden können.
  • Die verbesserte Füllmasse ermöglicht daher die Auslegung des Halbleitermoduls für längere Lebensdauer und/oder für höhere Leistungen. Es kann auch eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Integrationsdichte erzielt werden. Dies gilt insbesondere für ein Leistungshalbleitermodul mit mehreren Leistungshalbleiterbauelementen.
  • Als Elektronikschrott sind die erfindungsgemäßen Halbleitermodule gut recyclebar, weil das Fließverhalten der Thermoplaste bei hohen Temperaturen ein Ausschmelzen der Füllmasse erlaubt.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Halbleitermodul dadurch gekennzeichnet, dass der reversible Phasenwechsel im zulässigen Temperaturbereich des Halbleitermoduls liegt, um die Wechsellastfähigkeit des Moduls und damit seine Lebensdauer zu erhöhen.
  • Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Halbleitermodul dadurch gekennzeichnet, dass der reversible Phasenwechsel im Grenzbereich des Halbleitermoduls liegt. Dadurch erhält das Halbleitermodul eine erhöhte Robustheit gegenüber Extrembelastungen, zum Beispiel gegen Kurzschlüsse. Dadurch können Zerstörungen vermieden werden oder die Folgen von Schäden am Halbleiterbauelement, beispielsweise von Explosionen, reduziert werden.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das nichtaushärtende, thermoplastische Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik aus der Gruppe der teilkristallinen, amorphen und insbesondere der elastomeren Polymere ausgewählt. Ein elastomeres Polymeres hat einen flexiblen Molekülaufbau und zeigt ein sogenanntes viskoselastisches Verhalten. Das heißt, dass die beim Betrieb entstehenden mechanischen Spannungen an der Grenzfläche zwischen Füllmasse und den Halbleiterbauteilen durch Fliessen der Füllmasse auch schon unterhalb einer Schmelz- oder Glastemperatur wieder abgebaut werden können.
  • Das viskoselastische Verhalten erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen Rissausbreitung oder Bruch erheblich, so dass bei Erwärmung der Füllmasse und des Gehäuses durch die eingegossenen Halbleiterbauelemente nahezu keine unerwünschten Spannungen und eine daraus resultierende Rissbildung im Gehäuse oder in der Füllmasse auftreten können.
  • Nach einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist das nicht aushärtende, thermoplastische Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik aus der Gruppe der thixotropen oder strukturviskosen thermoplastischen Polymeren ausgewählt. Nach einer anderen Variante ist die Füllmasse thixotrop oder strukturviskos eingestellt. Nach beiden Varianten bildet die Masse oberhalb einer Schmelz- oder Glastemperatur eine thixotrope Flüssigkeit, die besonders einfach verarbeitet werden kann.
  • Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das nichtaushärtende, thermoplastische Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik eine Schmelz- oder Glastemperatur von 80°C ≤ TS ≤ 220°C aufweist, die je nach Anwendungsfall in einem weiten Bereich eingestellt werden kann.
  • Nach dieser Ausgestaltung der Erfindung liegt der Schmelzbereich bzw. Erweichungsbereich oberhalb der zulässigen Gebrauchstemperatur. Im normalen Betriebsbereich des Halbleitermoduls ist die erfindungsgemäße Füllmasse stets plastisch bzw. elastisch formstabil. Die Masse bildet erst oberhalb der Schmelz- oder Glastemperatur eine viskoselastische Flüssigkeit, die die Oberfläche der Verlustwärme produzierenden Bauteile bzw. Bauelemente abdeckt und als Wärmesenke wirkt.
  • Ein Thermoplast mit einer Schmelztemperatur im niedrigen Temperaturbereich ist geeignet, um eine Reduzierung der Temperaturwechselbeanspruchung im oberen normalen Betriebsbereich zu bewirken, da Temperaturmaxima eines Bauteils des Moduls, die im Schmelzbereich der Füllmasse liegen, reduziert werden.
  • Ein Thermoplast mit einer Schmelztemperatur im höheren Temperaturbereich, oberhalb der zulässigen Betriebstemperatur des Moduls, ist geeignet, um eine Überbeanspruchung zu reduzieren und die Fähigkeit des Moduls, einen extern induzierten Belastungszustand zu überstehen, zu erhöhen.
  • Wesentliche Eigenschaften der erfindungsgemäßen Füllmasse ist auch die Festlegung des Tropfpunktes, welcher sich im Bereich von 60°C ≤ TTR ≤ 180°C bewegen kann. Bevorzugt ist der Bereich zwischen 100°C und 175°C. Ein Auswandern oder Abtropfen des Polymers ist damit im zulässigen Temperaturbereich des Leistungshalbleitermoduls ausgeschlossen.
  • Um eine noch bessere thermische Anbindung der Füllmasse an die Halbleiterbauteile bzw. an die Bodenplatte und das Gehäuse zu erzielen, kann nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Füllmasse einen wärmeleitenden Füllstoff enthalten.
  • Bevorzugt werden pulverförmige, vorzugsweise elektrisch isolierende anorganische Füllstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit λ ≥ 1000 W/m·K zugegeben. Die Wärmeleitfähigkeit solcher gefüllten Füllmassen kann dann λ ≥ 3 W/m·K erreichen und ist damit im Vergleich zu herkömmlichen Massen hoch. Das trägt zur schnelleren Wärmespreizung in dem Halbleitermodul bei.
  • Neben diesen pulverförmigen Grundtypen können diese Werkstoffe auch in Version mit Partikeln anderer Geometrien eingesetzt werden. Auch das Beimengen nanoskaliger Partikel in die Füllmasse ist zweckmäßig, da durch diese Gestaltung die Grenzflächen zwischen Halbleiterbauteilen und Füllmasse eine besonders große Oberfläche aufweisen. Von der großen Oberfläche wird die freigesetzte Wärme besonders stark absorbiert und gleichmäßig verteilt. Diese besonders starke Absorption des Materials stellt eine ebenso hohe Ableitung der Wärme aus dem Gehäuse sicher.
  • Füllmassen mit einem Füllstoff aus nanoskaligen Partikeln weisen zudem aufgrund fehlender Fehlstellen und Mikrorisse eine höhere Festigkeit als Füllmassen mit Mikropartikeln auf.
  • Grundsätzlich sind alle Materialien als wärmeleitende Füllstoffe geeignet, sofern diese eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe volumenspezifische Wärmekapazität und eine niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
  • Durch die gute Wärmeleitung und Wärmespreizung in der Füllmasse mit wärmeleitenden Füllstoffen kann die Verlustwärme aus dem Halbleitermodul über seine gesamte Oberfläche abgeführt werden. Damit tragen sämtliche wärmeabgebenden Oberflächen des Halbleitermoduls zur Kühlung bei. Das steigert die Effektivität einer äußeren Kühlung deutlich. Durch die Spreizung der abzuführenden Wärme auf eine wesentlich größere Oberfläche und die gleichzeitig verbesserte Abführung derselben kann die Temperatur in einem Leistungsbauelement deutlich gesenkt werden.
  • Die höhere thermische Leitfähigkeit der Füllmasse mit wärmeleitenden Füllstoffen kann auch genutzt werden, um die Dimensionierung von Bauteilen des Moduls, wie Querschnitt und Anzahl der Terminals, Chipfläche und Bonddrahtanzahl zu reduzieren.
  • Zur weiteren Verbesserung oder Einstellung physikalischer, chemischer oder mechanischer Eigenschaften der Füllmasse ist es möglich, ihr ein weiteres Additiv ausgewählt aus der Gruppe der Basisöle, Verdickungsmittel, Geliermittel, Antioxidantien und Metalldeaktivatoren zuzugeben. Diese Liste der Additive hat keinerlei beschränkende Wirkung.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Füllmasse 0,01–85 Gew.-% eines oder mehrerer wärmeleitender Materialien, 1–80 Gew.-% eines oder mehrerer Basisöle, 0,1–15 Gew.-% eines oder mehrerer Verdickungsmittel, Geliermittel oder Thixotropiermittel, 0,01–1 Gew.-% eines oder mehrerer Antioxi dantien oder 0,01–0,05 Gew.-% eines oder mehrerer Metalldeaktivatoren. Eine derartige Füllmasse ist standfest und gut plastisch verformbar.
  • Eine besonders gute Wärmekoppelung und eine noch weiter verbesserte Ableitung der Wärme an die Umgebung wird erreicht, wenn auch das Material des Gehäuses ein wärmeleitendes Material, insbesondere Nanopartikel, mit einer Wärmeleitfähigkeit λ ≥ 1000 W/m·K, enthält.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass zunächst eine Mischung der Füllmasse hergestellt wird, die mindestens einen Anteil eines thermoplastischen Polymers und bevorzugt einen oder mehrere wärmeleitende Füllstoffe enthält, dass die Mischung durch Energiezufuhr derart aktiviert wird, dass eine Erhöhung der Viskosität der Füllmasse bewirkt wird und dass die so in ihrer Viskosität erhöhte, flüssige Füllmasse einer entsprechenden Gießvorrichtung zugeführt, das Halbleitermodul in einem Gehäuse aufgebaut und mit der Füllmasse vergossen wird.
  • Das erfindungsgemäße Halbleitermodul ist prozesstechnisch sehr einfach herzustellen. Das thermoplastische Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik hat bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes eine ausgezeichnete Schmelzfließfähigkeit. Die Füllmasse ist daher sehr einfach in verschiedensten Formulierungen gießfähig, potentiell kostengünstig herstellbar und somit für die hier vorgesehene Verwendung sehr gut geeignet.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahren wird die Füllmasse thixotrop eingestellt und die Erhöhung der Viskosität der Füllmasse wird durch Scherung bewirkt. Das thixotrope Verhalten der Füllmasse erleichtert die Verarbeitung besonders bei einem hohen Anteil von wärmeleitenden Füllstoffen.
  • Durch das Vergießen der Bauteile oder Baugruppen mit einer Füllmasse ist bereits eine gute Abdichtung und ein sicherer mechanischer Schutz mit geringem Aufwand erreicht.
  • Im Gegensatz zu den herkömmlich verwendeten Füllmassen ist nach dem Vergießen kein langwieriges Aushärten mehr nötig.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile verweisen und wobei
  • 1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls und
  • 2 eine Schnittdarstellung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls bei erhöhter Temperatur zeigt.
  • 1 zeigt den schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform eines Halbleitermoduls, wie es Gegenstand der Erfindung ist.
  • Vorzugsweise ist das Modul ein Leistungshalbleitermodul. Ein Leistungshalbleitermodul mit einem typischen hybriden leistungselektronischen Aufbau weist mehrere auf einem Substrat/Träger zusammengefasste und miteinander verschaltete Leistungshalbleiterbauelemente auf. Die Bestückung eines solchen Leistungshalbleitermoduls umfasst mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement, wie z. B. Thyristoren, GTOs, MCTs, Leistungsdioden, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs. Ein Modul kann aber auch noch andere Beschaltungskomponenten, z. B. passive Bauelemente und Sensoren, beinhalten. Die Halbleiterelemente sind handelsübliche Bauteile, und werden deshalb im Folgenden nicht genauer beschrieben.
  • Das Leistungshalbleitermodul enthält eine Bodenplatte 2. Die Bodenplatte 2 ist im dargestellten Beispiel mit einem Kühlkörper 1 mit Kühlrippen verbunden, um die von den Halbleiterelementen erzeugte Wärme abzuführen. Eine andere günstige Ausführungsform wäre z. B. ein Flüssigkeitskühler.
  • Die Bodenplatte ist bevorzugt aus einem gut wärmeleitenden Material z. B. einem aus Metall, wie Aluminium oder Kupfer oder einem Metall/Matrix-Komposit wie Aluminium-Siliziumkarbid (AlSiC) oder Kupfer Siliziumkarbid (CuSiC) hergestellt.
  • Dabei ist ein Bodenplatte 2 aus einem Metall-Keramik Komposit (AlSiC, CuSiC) gut mit Kühlstrukturen 1 aus dem gleichen Komposit oder aus dem zugehörigen Metall (Al, Cu) kombinierbar.
  • In dem gezeigten Aufbau ist das Leistungshalbleitermodul auf einer Isolationsplatte 4 als Schaltungsträger aufgebaut.
  • Die Isolationsplatte bildet eine elektrische Isolation zwischen Halbleiterelemente und Bodenplatte und weist zudem eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, um die Wärme der Halbleiterelemente 8, 12 zur Bodenplatte 2 abzuführen.
  • Üblicherweise ist die Isolationsplatte 4 aus Keramik gefertigt, wobei Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3), Berylliumoxid (BeO), Siliziumkarbid (SiC) oder Siliziumnitrid (SiN) bevorzugte Materialien sind.
  • Für Leistungshalbleiter werden dabei vorzugsweise wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizienten keramischen Schaltungsträger sog. DCB-Substrate (direct copper bonded) verwendet, welche aus einem keramischen Isolator wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, bestehen, auf dem eine dünne Schicht reinen Kupfers aufgebracht ist. Die Verbindung zur Bodenplatte erfolgt über eine Lotschicht 3. Es lassen sich jedoch grundsätzlich auch andere elektrisch isolierende Materialien verwenden.
  • Nachteilig an diesem Aufbau ist es, dass durch die Isolationsplatte eine zweite Lotschicht erforderlich ist und der thermische Widerstand vergrößert wird. Daher ist es möglich, dass die Halbleiterbauelemente 4 an Stelle über der Isolationsplatte direkt auf der dem Kühlkörper zugewandten Fläche der Bodenplatte 2 angebracht sind, wodurch das Isolationselement vorteilhaft eingespart werden kann.
  • Die Isolationsplatte 4 ist auf ihrer dem Gehäuse zugewandten Seite mit einer metallisierten Kontaktfläche versehen, die nach schaltungstechnischen Erfordernissen zu Leiterbahnen 5, 6, 7 strukturiert ist.
  • Mit den Leiterbahnen sind die elektronische Bauelemente 8, 12 mechanisch und elektrisch verbunden. Die elektrische Verbindung kann durch Lotschichten 9, 13 hergestellt sein.
  • An Stelle der Lotschichten zwischen den Halbleiterchips 8, 12 und der Isolationsplatte kommt auch eine andere stoffschlüssige Verbindung bzw. Befestigung in Frage, die einen guten elektrischen und thermischen Kontakt gewährleistet, beispielsweise über eine Zwischenlage 10 in Form einer Metallplatte.
  • Die Anschlüsse 16, 17, 18 des Leistungshalbleitermoduls werden über die schaltungstechnische Struktur auf der Isolationsplatte an geeigneten Stellen mit Terminals aus dem Gehäuse herausgeführt, um äußere Anschlüsse bereitzustellen.
  • Elektrische Verbindungen zwischen den Leiterbahnen 5, 6, 7, Terminals 16, 17, 18 und den Halbleiterbauelementen 8, 12 sind durch Drahtbonds 11, 14, 15 hergestellt.
  • Das Leistungshalbleitermodul umfasst weiterhin ein Gehäuse 19, das mit der Bodenplatte abgeschlossen ist und somit einen Gehäuseinnenraum bildet. Üblich sind Kunststoffgehäuse. Das Gehäuse 19 kann außer aus Kunststoff auch aus einem anderen Dielektrikum, insbesondere aus einer Keramik, bestehen. Die Keramiken sind billig und resistent und haben für elektrische Isolatoren eine gute thermische Leitfähigkeit. Diese thermische Leitfähigkeit ist wichtig, um die entstandene Wärme abzuführen.
  • Ein effektiver Wärmeübergang über das Gehäuse wird allerdings verhindert, wenn es sich bei dem Material des Gehäuses um einen üblichen Kunststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von nur ca. 0,2 W/mK handelt. Weil das Gehäuse das Modul an fünf von sechs Längsflächen begrenzt, stellt dann auch das Gehäuse selbst wegen der auf Grund der Druckbeständigkeit erforderlichen Wandstärke einen entscheidenden Wärmewiderstand dar. Im Rahmen der Erfindung kann daher auch das Material des Gehäuses wärmeleitende Füllstoffe aufweisen, wobei diese zwischen 0,01 und 85 Gew.-% der Füllmasse ausmachen können. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Material des Gehäuses Nanopartikel mit einer Wärmeleitfähigkeit λ ≥ 1000 W/m·K. Eine vorteilhafte Materialwahl sind auch hier Metall-Keramik Komposit-Materialien, insbesondere Siliziumkarbide, beispielsweise AlSiC oder CuSiC.
  • Die Gehäuseform kann in einem weiten Rahmen variiert werden. Insbesondere kann das Gehäuse Mittel zur Führung eines Wasser- oder Kühlmedienflusses aufweisen.
  • Zur gegenseitigen elektrischen Isolation und zur Abdichtung des Schaltungsaufbaus gegen die Außenatmosphäre wird das Gehäuse zumindest teilweise in Richtung der Bodenplatte mit einer Füllmasse vergossen.
  • Typisch wird das Gehäusevolumens soweit mit Füllmasse aufgefüllt, dass sie die Halbleiterbauelemente gleichmäßig umgibt und die üblichen Normvorschriften erfüllt sind.
  • Nachfolgend wird detaillierter auf die oben genannten Bestandteile der Füllmasse eingegangen.
  • Im einzelnen enthält die Füllmasse erfindungsgemäß einen nichtaushärtenden thermoplastischen Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik. Thermoplaste sind definiert als nichtvernetzte oder nicht homogen vernetzte Polymere, die auch aus einzelnen Blöcken zusammengesetzt sein können, die bei einer Temperatur über der Glasübergangstemperatur bei amorphen Polymeren oder der Schmelztemperatur bei teilkristallinen Polymeren reversibel erweichen und schließlich in eine hochviskose Flüssigkeit übergehen. Sie durchlaufen dabei einen weiten Erweichungs- oder Schmelzbereich. Im Gegensatz zu gehärteten Duroplasten können Erweichung und Erstarrung reversibel mehrfach wiederholt werden.
  • Als solche Polymere können beispielsweise teilkristallines PPS (Poly(Phenylensulfid)), PPA (Polyphatamid), PEEK (Polyetheretherketon), oder amorphes PEI (Polyetherimid), PSU (Polysulfon) oder PES (Polyethersulfon), verwendet werden. All diese Kunststoffe sind auch im Bereich hoher Temperaturen stabil, halten also den üblichen Betriebstemperaturen zwischen –40°C und +150°C ohne Weiteres stand.
  • Besonders bevorzugt sind als thermoplastische Polymere thermoplastische Elastomere aus der Gruppe: TPE-U (thermoplastisches Elastomer auf Polyurethan-Basis), TPE-A (thermoplastisches Elastomer auf Polyamid-Basis), TPE-E (thermoplastisches Elastomer auf Polyester-Basis), TPE-0 (thermoplastisches Elastomer auf Polyolefin-Basis), Styrol Block-Copolymere (SEBS-Blockpolymer, SBS-Blockpolymer), EPDM/PE-Mischungen, EPDM/PP-Mischungen, EVA, oder PEBA (Polyetherblockamide). Durch die Verwendung eines elastomeren, thermoplastischen Polymeren mit reversibler Phasenwechselcharakteristik weist die Füllmasse des Leistungshalbleitermoduls eine besonders hohe elastische Deformierbarkeit und einen definierten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Bei Erwärmung des Gehäuses durch die eingegossenen elektrischen Leistungshalbleiterbauelemente bei deren Betrieb können somit vorteilhaft Spannungen und eine daraus resultierende Rissbildung im Gehäuse weitestgehend verhindert werden.
  • Weiter kann die Füllmasse ein thermoplastisches Polymerblend sein und ihr jeweils ein weiteres thermoplastisches Polymer zugegeben werden.
  • Ein thermoplastisches Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik weist in einem gewissen Temperaturbereich signifikant erhöhte Werte für die spezifische Wärmekapazität auf.
  • Ursache für die hohe spezifische Wärmekapazität sind energieintensive Phasenübergänge, wie Schmelzen und Verfestigen bei Erhitzungen und Abkühlungen in einem gewissen Temperaturbereich, insbesondere in diesem Temperaturbereich verteilt stattfindende Schmelzvorgänge, für die eine hohe Schmelzenergie aus dem Polymeren bereitgestellt werden muss.
  • Durch diese ”verteilten” Schmelzvorgänge geht die Füllmasse nicht in einem punktuellen Schmelzpunkt in den flüssigen Aggregatzustand über. Statt dessen wird die gesamte Füllmasse mit zunehmender Temperatur weicher. Ab einer gewissen Temperatur ist auch das thermoplastische Polymer flüssig.
  • Das Material weist somit einen ”unscharfen”, d. h. einen über einen Temperaturbereich verteilten Schmelzpunkt auf.
  • Damit ist der Vorteil verbunden, dass bei einem zyklischen Wechselspiel von Erhitzungs- und Abkühlphasen Temperaturenspitzen gedämpft sind und sich die stationäre Temperatur im Bereich der Halbleiterbauelemente nur wenig und verzögert ändert.
  • Das nichtaushärtende thermoplastische Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik kann beispielsweise ein teilkristallines Polymer sein, das thermisch schmelzbar ist, d. h. oberhalb einer bestimmten Temperatur vom festen in den flüssigen Zustand übergeht oder ein amorphes Polymer, das progressiv vom festen Zustand in einen plastischen und dann in einen flüssigen Zustand übergeht oder ein thixotropes Polymer, das im Ruhezustand fest ist, jedoch durch mechanische Einwirkung mehr oder weniger flüssig gemacht werden kann.
  • Weist das Polymer eine zumindest teilkristalline Struktur auf, kann erreicht werden, dass eine Steifigkeit des Polymers auch bei hohen Temperaturen zum Erreichen einer Haltefunktion für das Bauteil hinreichend ist. Im Vergleich zu amorphen Thermoplasten weisen teilkristalline Thermoplasten einen schmaleren Übergangsbereich zwischen festem und flüssigem Zustand auf. Ein allmähliches Aufweichen des Materials, wie es in amorphen Thermoplasten bei einer Annäherung von unten an eine Glastemperatur des Materials eintritt, ist durch die teilkristalline Struktur unterdrückt.
  • In neuerer Zeit sind als Variante der thermoplastischen Polymere sogenannte Liquid-Crystal-Polymere auf dem Markt erhältlich. Dabei handelt es sich um thermoplastische aromatische Co-Polyester mit langen gerichteten Fadenmolekülen, die sich gegenseitig verstärken. Ein Liquid Crystal Polymer bildet oberhalb der Schmelztemperatur Tm eine flüssigkristalline Schmelze. Diesen Zustand beschreibt man als Mesophase, die weder als flüssige noch als kristalline Phase zu beschreiben ist. Dies bewirkt eine extrem hohe Festigkeit von aufgeschmolzenen thermoplastischen Liquid-Crystal-Polymeren.
  • Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass das thermoplastische Polymer eine Schmelz- oder Glastemperatur von 80°C ≤ TS ≤ 220°C und einen Tropfpunkt von 60°C ≤ TTR ≤ 180°C, insbesondere von 100°C ≤ TTR ≤ 175°C aufweist.
  • Eine Schmelz- oder Glastemperatur von 80°C ≤ TS ≤ 220°C erlaubt bei der Herstellung des Halbleitermoduls durch Vergießen der Füllmasse eine Vergießtemperatur in diesem Bereich.
  • Durch die geringe Vergießtemperatur und einen niedrigen Vergießdruck kann eine Blasenbildung des flüssigen thermoplastischen Schmelzklebstoffes während des Vergießvorgangs weitest gehend vermieden werden. Die Möglichkeit von auftretenden Teilentladungen während des Betriebs des Leistungshalbleitermoduls infolge Luft- oder Gaseinschlüssen im Gehäuse kann somit auf ein Minimum reduziert werden.
  • Durch die Fliesseigenschaften des thermoplastischen Polymers und die geringe Vergießtemperatur wird eine leichte Verteilung der flüssigen Masse gefördert. Dadurch werden die Halbleiterbauelemente und deren äußerst filigrane Aufbauten vorteilhaft vollständig und schonend eingegossen, abgedichtet, geschützt und in erwünschter Weise elektrisch gegeneinander isoliert werden.
  • Bevorzugt besteht das Material der Füllmasse aus einem Verbundwerkstoff mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Polymeren mit reversibler Phasenwechselcharakteristik, mit einem oder mehreren wärmeleitenden Füllstoffen sowie weiteren Additiven, wie z. B. einem oder mehreren Basisölen, verschiedenen Verdickungsmitteln, verschiedenen Antioxidantien und Metalldeaktivatoren, in einer Menge, die die Aufgabe der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt und die keinen nachteiligen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften ausübt.
  • Mit Vorteil kann dem Polymerausgangsmaterial ein Basisöl in Form von Silikonöl, z. B. ein Gemisch niedrigpolymerer Methylpolysiloxane zugesetzt werden. Ebenso können vorteilhaft Paraffinöle und/oder Weißöle verwendet werden.
  • Die Zugabe eines Basisöl bewirkt, dass die Viskosität der Ausgangsmasse modifiziert und auch die Permeabilität der Masse für Wasserdampf herabsetzt wird.
  • Um das Polymerausgangsmaterial zu einer kohäsiven Masse zum Beschicken eines Mischers oder einer Pumpe oder einer Spritzgussanlage bei niedrigen Temperaturen zu formen, wird die Masse vorteilhaft mit 1–80 Gew.-% Basisölen versetzt.
  • Die Füllmasse hat in einer besonders bevorzugten Ausführungsform thixotrope oder strukturviskose rheologische Eigenschaften.
  • Das als thixotrop oder strukturviskos bezeichnete Viskositätsverhalten beschreibt ein Verhalten der Füllmasse im bewegten Zustand, wie beispielsweise beim Umpumpen in einer Spritzgussanlage. Unter Scherbeanspruchung nimmt die Masse einen niederviskosen Zustand an, der eine gute Verarbeitbarkeit gewährleistet. Ohne Scherbeanspruchung im Ruhezustand hingegen baut sich schnell wieder eine hohe Viskosität auf und gewährleistet auf diese Weise, dass die bereits applizierte Füllmasse eine verringerte Neigung zum Ablaufen zeigt. In gleicher Weise führt die erhöhte Viskosität im unbewegten Zustand, z. B. bei der Lagerhaltung dazu, dass ein Absetzen der Partikel eines Füllstoffes größtenteils verhindert wird oder ein Wiederaufrühren der schwach abgesetzten oder agglomerierten Partikel gewährleistet ist.
  • Thixotropie bezeichnet ein Fließverhalten, bei dem sich unter konstanter Scherintensität eine mit der Zeit abnehmende Viskosität zeigt. Strukturviskosität bezeichnet ein Fließverhalten, das auch von der Scherintensität, aber nicht von der Zeitdauer abhängt.
  • Einige Polymerblends, wie z. B. die Copolymere von Alkydharzen mit Polyamiden, bilden thixotrope Thermoplaste. Durch Variation von Art und Menge der Reaktionspartner und ihrer Umsetzungsbedingungen kann damit jeder gewünschte Thixotropiergrad eingestellt werden. In ähnlicher Weise lassen sich auch IK-PUR-Systeme, wie in EP 300 388 A2 beschrieben, thixotropieren.
  • Das gewünschte rheologische Verhalten der Füllmasse kann aber auch mit Hilfe geeigneter, insbesondere ionischer oder nicht ionischer Thixotropiermittel eingestellt werden.
  • Thixotropiermittel sind rheologische Additive, die Thixotropie bewirken, so dass es beim Verarbeiten des Materials unter Scherbeanspruchung zu einem Viskositätsabbau kommt, Die Thixotropiermittel ergeben mehr oder weniger hochviskose Dispersionen mit plastischem oder pseudoplastischem Fließen bei der üblichen Verarbeitungstemperatur.
  • Daraus leiten sich die funktionellen Eigenschaften ab, die für die erfindungsgemäße Füllmasse erwünscht sind, zum Beispiel, Verdickungswirkung, Stabilisierung von Suspensionen mit wärmeleitfähigen Partikeln und Erstarrung bei den regulären Betriebstemperaturen des Moduls.
  • Thixotropierungsmittel wirken sich insbesondere auch günstig auf das Austropfverhalten aus.
  • Als Thixotropierungsmittel ist insbesondere ein Zusatz von hochdispersiven anorganische Füllstoffe, beispielsweise hochdisperser SiO2 (kolloidale Kieselsäure), pyrogenen Kieselsäuren, Polyacrylaten und Polyoxy-alkylenethern, zweckmäßig. Weiterhin können Thixotropierungsmittel auch aus Aluminiumoxid und/oder Bentoniten sowie Mischungen dieser Stoffe bestehen.
  • Der Zusatz an Thixotropierungsmitteln sollte nicht über 15 Gew.-% betragen, wobei Werte zwischen 7 und 12 Gew.-% besonders vorteilhaft sind.
  • Der Füllmasse kann zusätzlich ein Verdickungsmittel, insbesondere in Form eines organischen Verdickungsmittels zugesetzt sein, wobei vorteilhaft Kohlenwasserstoff-Polymere verwendet werden können. Der Anteil der Verdickungsmittel an der Füllmasse sollte zweckmäßig zwischen 1 und 15 Gew.-% gewählt werden.
  • Thermoplastische Polymere haben in Allgemeinen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Damit für die Abführung der an einem Halbleiterbauelement betriebsmäßig anfallenden Wärme ein möglichst geringer Wärmeflusswiderstand entsteht, wird deshalb die Wärmeleitfähigkeit der Füllmasse vorteilhaft durch den Einsatz von gut wärmeleitfähigen, pulverförmigen Füllstoffen erhöht. Der Zusatz von Füllstoffen kann auch zur Reduzierung der Wärmeausdehnung der Füllmasse zweckmäßig sein.
  • Geeignete Füllstoffe sind – aufgrund ihrer Wärmeleitzahl – Aluminiumoxid, Quarzmehl, Bornitrid, Magnesiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Zinkoxid, amorphe Kohlenstoffmodifikationen sowie Mischungen daraus.
  • Grundsätzlich können Pulver mit sowohl splittrige, sphärische, faserförmige als auch plättchenförmige Partikelgeometrien verwendet werden.
  • Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die beschriebenen Füllmassen mit monodispersen, nanoskaligen Füllstoffen zu versetzen um auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten besonders wirksam zu erniedrigen, wie es beim Betrieb der Halbleitermodule unter hoher Temperatur- bzw. Temperaturwechselbelastung wünschenswert ist. Nanoskalige Feststoffpartikel besitzen einen mittleren Teilchendurchmesser unter 1 μm, in der Regel unter 500 nm.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen Füllstoffen bilden die nichtagglomerierenden Nanopartikel keine viskositätserhöhenden Strukturen aus.
  • Thermoplastische Nanokomposite weisen aufgrund fehlender Fehlstellen und Mikrorisse auch eine höhere Festigkeit als Massen mit Mikropartikeln auf.
  • Ein besonders wichtiger Aspekt bei der Herstellung von Füllmassen ist darüber hinaus, dass bei der Verarbeitung keine Trennung von polymerer Matrix und Füllstoff auftritt, ein Effekt, der beim Einsatz von Mikropartikeln als Füllstoff häufig zu beobachten ist und technische Probleme bei der Weiter verarbeitung bewirkt. Nanopartikel hingegen werden aufgrund ihrer geringen Größe nicht freigelegt.
  • Die Wärmeleitfähigkeit der nanoskaligen Partikel beträgt bevorzugt λ ≥ 1000 W/m·K, wie sie von Werkstoffen, wie (SiC), z. B. AlSiC oder CuSiC erreicht wird.
  • Der Gehalt an wärmeleitendem Füllstoff kann zwischen 1 und 85 Vol%, bevorzugt im hohen Bereich zwischen 50 und 85 Gew.-%, betragen.
  • Ein weiteres mögliches Additiv ist ein Antioxidans. Antioxidantien vermindern die Neigung der thermoplastischen Polymerenmasse durch Oxidation zu altern und auszuhärten. Sie wirken dabei als Radikalfänger, die einen Kettenabbruch bewirken oder als Peroxidzersetzer. Geeignete Verbindungen dieser Art sind beispielsweise Phenole und Phenolderivate, vorzugsweise sterisch gehinderte Phenole, Amine, vorzugsweise sekundäre Acrylamine und ihre Derivate, Chinone, sowie Schwefel- und Phosphorverbindungen.
  • Der Füllmasse wird vorteilhaft mindestens ein Antioxidans zugesetzt, wobei dieses zweckmäßig zwischen 0,01 und 1 Gew.-% der Füllmasse ausmacht.
  • Die erfindungsgemäße Füllmasse kann als weitere Additive Metalldeaktivatoren enthalten. Metalldeaktivatoren inaktivieren katalytisch wirksamen Metalle und vermindern die Neigung thermoplastischer Polymere durch metall-katalytische Reaktionen zu altern und auszuhärten.
  • Durch geeignete Antioxidantien in Kombination mit Metalldeaktivatoren kann ein effektiver Alterungsschutz in einem weiten Temperaturbereich erreicht werden.
  • Eine bevorzugte Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Füllmasse enthält 0,01–85 Gew.-% eines oder mehrerer wärmeleitender Materialien, 1–80 Gew.-% eines oder mehrerer Basisöle, 0,1– 15 Gew.-% eines oder mehrerer Verdickungsmittel, Geliermitttel oder Thixotropiermittel, 0,01–1 Gew.-% eines oder mehrerer Antioxidantien oder 0,01–0,05 Gew.-% eines oder mehrerer Metalldeaktivatoren.
  • Das erfindungsgemäße Halbleitermodul ist durch die einfache Formgebung und die vorstehend genannte Fließfähigkeit der erwärmten thermoplastischen Füllmasse während des Vergießvorgangs prozesstechnisch sehr günstig, insbesondere durch einfaches Gießen, aber beispielsweise auch durch Spritzen, herstellbar, da sich die Füllmasse bereits bei einer niedrigen Temperatur und bei einem besonders geringen Druck vergießen lässt.
  • Das erfindungsgemäße Halbleitermodul kann bevorzugt nach der folgenden Verfahrensweise hergestellt werden:
    Es wird zunächst eine Mischung der Füllmasse hergestellt, die mindestens einen Anteil eines thermoplastischen Polymers mit reversibler Phasenwechselcharakteristik umfasst und bevorzugt einen oder mehrere wärmeleitende Füllstoffe enthält. Dies Ausgangsmaterial wird durch Energiezufuhr derart aktiviert wird, dass eine Erhöhung der Viskosität der Füllmasse bewirkt wird. Das Ausgangsmaterial kann beispielsweise durch Einwirkung von Wärme und/oder Druck und/oder mechanische Einwirkung in den zur Verarbeitung erforderlichen deformierbaren oder flüssigen Zustand gebracht werden.
  • Zur Herstellung des Ausgangsmaterials für die Füllmasse kann so vorgegangen werden, dass man unter wasserfreien Bedingungen das thermoplastische Polymer vorlegt, dann bis zum Erweichungspunkt erwärmt, danach die weiteren Additive, z. B. den wärmeleitenden Füllstoff, gegebenenfalls ein Verdickungsmittel, ein Antioxidans und ein Metalldeaktivator homogen einmischt und die so hergestellte erwärmte Mischung weiter verarbeitet.
  • Nach einer anderen Ausführungsform wird ein Granulat des Polymers in einem Basisöl dispergiert. Hierauf werden die weiteren Additive zugesetzt. Das Gemisch wird weiter unter Rühren erwärmt, wodurch die gewünschte geschmolzene Ausgangsmischung erhalten wird.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine thixotrope Füllmasse verwendet. Dafür wird die Mischung bevorzugt trocken vorgemischt und dann in den geschmolzenen Zustand gebracht wird, im welchem die Thixotropie ausgenutzt werden kann.
  • Bevorzugt wird die Masse gerührt, um die Viskosität der Masse zu reduzieren. Die Scherverdünnung der thixotropen oder strukturviskosen Füllmasse kann aber auch durch andere Techniken als durch Rühren erreicht werden. Beispielsweise kann die Masse in einem Hochgeschwindigkeitsmischer durch Scherung und in einer Rüttelvorrichtung durch Vibration verdünnt werden.
  • Die schmelzflüssige, niedrigviskose bzw. durch Scherung verdünnte Zusammensetzung kann dann in der Zeit, in der sie eine ausreichend niedrige Viskosität hat, in das Gehäuse des Halbleitermoduls eingebracht werden.
  • Die Eigenschaften der Füllmasse werden vorteilhaft so eingestellt, dass die Schmelze auch noch bei niedrigen Temperaturen, zwischen 80 und 220°C gut fließfähig ist, so dass sie auch ohne Anwendung von hohem Druck in das Modulgehäuse eingebracht werden kann.
  • Auf diese Weise werden nicht nur hohe Drücke vermieden, welche zu einer Verformung der Bauteile führen könnte, sondern es werden auch solch hohe Temperaturen vermieden, die zu einer thermischen Schädigung der Bauteile führen könnten.
  • Die Füllen erfolgt vorzugsweise durch Spritzguss, was im Hinblick darauf, dass die Füllmasse im erwärmten Zustand flüssig ist, und auch reversibel wieder aufgeschmolzen werden kann, ohne weiteres möglich ist. Es können aber auch andere Gießverfahren verwendet werden.
  • Bei der üblichen Technik werden die Halbleiterbauelemente zunächst auf der Bodenplatte zu einem Modul aufgebaut. In einem weiteren Verfahrensschritt wird der nach Einlegen des Moduls in den Hohlraum des U-förmigen Gehäuseteils entsprechend der Anordnung nach 1 der verbleibende freie Raum zumindest teilweise mit niedrigviskosen schmelzflüssiger Formmasse ausgegossen.
  • Die schmelzflüssige Formmasse wird typischerweise aus einem entsprechenden Vorrat mit einer Temperatur von 80°C bis 220°C und unter einem Druck von vorzugsweise bis 10 bar in das Gießwerkzeug eingeführt.
  • Sobald die flüssige Masse in dem Gehäuse ist, wird sie nach Ablauf einer bestimmten Zeit wieder erstarren, so dass keine Masse auslaufen kann.
  • Besonders bei einer thixotropen Zusammensetzung der Füllmasse beginnt die feste Phase sich sofort wieder zu bilden, wenn die Masse nicht länger einer Scherbeanspruchung unterworfen wird und erstarrt sofort im Inneren des Gehäuses, wodurch ein Auslaufen der Masse verhindert wird.
  • Bei dieser Infiltration bildet sich eine feste Verbindung zwischen den Komponenten des Halbleitermoduls und der Füllmasse. Auf diese Weise wird eine hochfeste, dauerhafte und sehr gut wärmeleitfähige Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Halbleiterbauelementemodul geschaffen.
  • Das schnelle Verfestigen und das Fehlen von Wasser und Lösungsmitteln bevorteilen die thermoplastischen Füllmassen gegenüber anderen Systemen.
  • Nach Abkühlung und Verfestigung der Füllmasse wird das schematisch in 1 dargestellte Halbleitermodul erhalten, das in einem Gehäuse in eine schützende Hülle aus einer erfindungsgemäßen Füllmasse eingebettet ist.
  • Im Betrieb treten in dem Halbleitermodul elektrische Verluste auf, die in Wärme umgewandelt werden.
  • Zunächst wird die auftretende thermische Verlustenergie durch Wärmeleitung über die gut wärmeleitenden Schichten unterhalb der Halbleiterbauelemente zur Bodenplatte des Moduls transportiert. Der Kühlkörper ist unter der Bodenplatte angeordnet und im thermischen Kontakt mit dieser. Es ist leicht verständlich, dass die von den Halbleiternbauelementen erzeugte Wärme über die Füllmasse auf die Bodenplatte zu dem Kühlkörper übertragen wird.
  • Durch die gute Wärmeleitung und Wärmespreizung in der erfindungsgemäßen Füllmasse kann die Verlustwärme jedoch nicht nur über die Schichten unterhalb der Halbleiterbauelemente zur Bodenplatte, sondern über die Füllmasse gespreizt über gesamte Oberfläche des Halbleitermoduls und die freien Flächen neben den Halbleiterbauelementen auch zusätzlich in die Bodenplatte abgeführt werden. Besonders durch den Einsatz eines Gehäuses, dessen Material einen gut wärmeleitenden Füllstoff enthält, können Spitzenwerte in der Verlustleistung des Halbleiterchips durch den guten thermischen Kontakt der Gehäusemasse zu dem in der Füllmasse eingebetteten Halbleiterchip ausgeglichen werden, sodass im Durchschnitt eine kritische Betriebstemperatur nicht überschritten wird.
  • Außerdem wird die Verlustleistung in den meisten Anwendungen nicht in gleichmäßiger und gleichbleibender Höhe über der Zeit erzeugt. Vielmehr sind Perioden von hoher Verlustleistung zeitlich begrenzt und wechseln sich mit Perioden niedriger Verlustleistungen ab.
  • Für eine begrenzte Zeitspanne wird bei zunehmender Verlustleistung in Abhängigkeit von der Wärmekapazität der Füllmasse und der äußeren Kühlung die Gehäusetemperatur konstant gehalten, ehe sie bei Überschreiten der Wärmespeicherfähigkeit der Füllmasse weiter ansteigt bis zu deren Erweichungstemperaturbereich. In einer Betriebsphase des Halbleiterbauteils, in der die Verlustleistung reduziert wird, kann die gespeicherte Wärme von der gut wärmeleitenden Füllmasse dann wieder abgegeben werden.
  • Wird ein derartiges Halbleitermodul einem zyklischen Wechselspiel von Erhitzungs- und Abkühlphasen ausgesetzt, so stellt sich eine relativ niedrige stationäre Temperatur im Inneren des Gehäuses ein.
  • Nur bei sehr hoher Belastung tritt der in 2 dargestellte Fall ein, dass die Füllmasse im Bereich um die überhitzten Stellen 111, 141, 151, hier um die Bonddrähte, flüssig wird.
  • In Fall dieser sehr hohen thermischen Belastung kommt es im Grenzbereich zwischen der Füllmasse und dem überhitzten Bauteil zum Einsetzen eines Phasenwechselmechanismus.
  • Die thermoplastische Füllmasse schmilzt dabei nur in einem gewissen Umfang, denn wenn das thermoplastische Polymer von der festen in die flüssige Phase übergeht, nimmt es bei diesem Phasenwechsel sehr viel Schmelzwärme auf, ohne dass sich seine Temperatur erhöht.
  • Durch die große Wärmekapazität und die gute Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials wirkt diese in diesem Fall wie eine zusätzliche Wärmesenke. Weil die erzeugte Wärme durch den Schmelzprozess gespeichert und nur mit Verzögerung übertragen wird, wirkt dies auch wie eine Dämpfung auf die Temperaturspitzenwerte.
  • Dadurch werden die angrenzenden Bauteile vor Überhitzung geschützt. Die Überlastfähigkeit und somit die Robustheit des Halbleitermoduls wird dadurch deutlich erhöht, die bisher notwendige Überdimensionierung für hohe Belastungsfälle kann deutlich reduziert werden.
  • Insbesondere wenn die Füllmasse thixotrope Eigenschaften hat, wird die Masse, obwohl sie im schmelzflüssigen Zustand ist, auch nicht wegfließen, da keine zusätzliche äußere Krafteinwirkung erfolgt, die eine Scherung bewirken könnte.
  • Ein weiterer besonderer Vorteil dieses Halbleitermoduls ist es, dass die kritische Temperatur, bei der der Phasenwechselmechanismus einsetzt und somit die Temperatur der Füllmasse konstant bleibt, durch die Einstellung des Schmelzpunktes des thermoplastischen Polymers und seiner Zusammensetzung definiert werden kann.
  • Somit ist es beispielsweise möglich, die Phasenänderungstemperatur, also eine Schmelztemperatur oder eine Kristallisationstemperatur, auf beispielsweise 80° bis 200°C einzustellen, sodass Fehlfunktionen des Halbleitermoduls bei Überschreiten der zulässigen Höchsttemperatur für begrenzte Zeit verhindert werden.
  • Bei diesem Phasenwechsel von Aufschmelzen und nachfolgenden Verfestigung finden keine chemischen Reaktionen statt. Die temperaturabhängigen Viskositätsänderungen sind daher reversibel und wiederholbar.
  • Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebenen Ausführungsformen stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1424728 A1 [0011, 0011]
    • - EP 300388 A2 [0095]

Claims (13)

  1. Halbleitermodul, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul, umfassend ein Gehäuse (19) in welchem eine Bodenplatte (2) mit mindestens einem darauf angeordneten Halbleiterchip (8, 12) und Leiterbahnen (5, 6, 7) angeordnet sind, welche Leiterbahnen (5, 6, 7) jeden Halbleiterchip (8, 12) mit mindestens einem aus dem Gehäuse (19) geführten Anschluss (16, 17, 18) und bei mehreren Halbleiterchips diese untereinander elektrisch verbinden, und zumindest in einem Teil des Gehäuses (19) eine Füllmasse (20) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmasse ein nichtaushärtendes, thermoplastisches Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik enthält.
  2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der reversible Phasenwechsel im zulässigen Temperaturbereich des Halbleitermoduls liegt.
  3. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der reversible Phasenwechsel im Grenzbereich des Halbleitermoduls liegt.
  4. Halbleitermodul nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtaushärtende, thermoplastische Polymer aus der Gruppe der teilkristallinen, amorphen, oder bevorzugt elastomeren Polymeren ausgewählt ist.
  5. Halbleitermodul nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die das nicht aushärtende, thermoplastische Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik aus der Gruppe der thixotropen oder strukturviskosen Polymeren ausgewählt ist.
  6. Halbleitermodul nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmasse thixotrop oder strukturviskos eingestellt ist.
  7. Halbleitermodul nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtaushärtende, thermoplastische Polymer mit reversibler Phasenwechselcharakteristik eine Schmelz- oder Glastemperatur von 80°C ≤ TS ≤ 220°C und einen Tropfpunkt von 60°C ≤ TTR ≤ 180°C, insbesondere von 100°C ≤ TTR ≤ 175°C aufweist
  8. Halbleitermodul nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmasse einen Füllstoff aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere Nanopartikel, mit einer Wärmeleitfähigkeit λ ≥ 1000 W/m·K enthält.
  9. Halbleitermodul nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmasse ein Additiv ausgewählt aus der Gruppe der Basisöle, Verdickungsmittel, Geliermitttel Antioxidantien und Metalldeaktivatoren enthält.
  10. Halbleitermodul nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmasse 0,01–85 Gew.-% eines oder mehrerer wärmeleitender Materialien, 1–80 Gew.-% eines oder mehrerer Basisöle, 0,1–15 Gew.-% eines oder mehrerer Verdickungsmittel, Geliermitttel oder Thixotropiermittel, 0,01–1 Gew.-% eines oder mehrerer Antioxidantien oder 0,01–0,05 Gew.-% eines oder mehrerer Metalldeaktivatoren enthält.
  11. Halbleitermodul nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Gehäuses einen wärmeleitenden Füllstoff, insbesondere Nanopartikel mit einer Wärmeleitfähigkeit λ ≥ 1000 W/m·K, enthält.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Mischung der Füllmasse hergestellt wird, die mindestens einen Anteil eines nichthärtenden, thermoplastischen Polymers mit reversibler Phasenwechselcharakteristik und bevorzugt einen oder mehrere wärmeleitende Füllstoffe enthält, – dass die Mischung durch Energiezufuhr derart aktiviert wird, dass eine Erhöhung der Viskosität der Füllmasse bewirkt wird und – dass die so in ihrer Viskosität erhöhte, flüssige Füllmasse einer entsprechenden – Gießvorrichtung zugeführt, – das Halbleitermodul in einem Gehäuse aufgebaut und – mit der Füllmasse vergossen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – die Füllmasse thixotrop eingestellt und – die Erhöhung der Viskosität der Füllmasse durch Scherung bewirkt wird.
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