DE102009045063B4 - Leistungshalbleitermodul mit angespritztem Kühlkörper, Leistungshalbleitermodulsystem und Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls - Google Patents

Leistungshalbleitermodul mit angespritztem Kühlkörper, Leistungshalbleitermodulsystem und Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls Download PDF

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Abstract

Leistungshalbleitermodul, das ein Substrat (2, 2') und einen auf dem Substrat (2, 2') angeordneten Leistungshalbleiterchip (1), aufweist, sowie einen elektrisch leitenden Kühlkörper (3), der das Substrat (2, 2') unmittelbar kontaktiert, aus einer kunststoffbasierten Spritzgussmasse gebildet ist, die eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 5 W/(m·K) aufweist; und der den Leistungshalbleiterchip (1) nicht kontaktiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft Leistungshalbleitermodule. Leistungshalbleitermodule enthalten einen oder mehrere Leistungshalbleiterchips, deren beim Betrieb des Moduls anfallende Verlustwärme abgeführt werden muss, um eine Überhitzung des Leistungshalbleiterchips zu vermeiden. Hierzu wird ein Kühlkörper auf eine metallische Außenfläche des Leistungshalbleitermoduls geschraubt oder geklemmt. Außerdem werden zwischen das Modul und den Kühlkörper Wärmeleitpasten oder Wärmeleitfolien als dünne Schicht eingebracht, um den Wärmeübergang zu verbessern.
  • Eine besonders gute Wärmeableitung lässt sich dabei mit Flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpern erreichen. In der Regel sind solche Kühlkörper als Aluminiumblock ausgebildet, in den Strukturen eingearbeitet sind, durch die das Kühlmedium strömt.
  • Eine andere Möglichkeit besteht darin, bei Modulen, die eine Bodenplatte aufweisen, auf der ein oder mehrere mit Leistungshalbleiterchips bestückte Schaltungsträger angeordnet sind, die Bodenplatte direkt mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt zu bringen. Die Bodenplatten bestehen in der Regel aus Kupfer oder Aluminum.
  • Um die Wärmeübertragung zum Kühlmedium zu verbessern, kann die Bodenplatte Strukturen, z. B. Rauten oder Dome, enthalten, die zu einer erheblichen Oberflächenvergrößerung führen und Turbulenzen erzeugen, wodurch sich die Kühlwirkung verbessert. Solche Strukturen können mit spanenden Verfahren hergestellt werden. Auch MIM (metal injection molding) und Druckguss sind bedingt möglich.
  • Die Kühlkörper bei all diesen Ausführungen sind aus Metall und besitzen daher ein hohes Gewicht, was beispielsweise beim Einsatz in Automobil- oder Flugzeugbau nicht erwünscht ist. Spanend hergestellte Kühlkörperstrukturen sind aufgrund langer Prozesszeiten teuer und unflexibel. Akzeptable Kosten sind spanend nur durch Sägen zu erreichen. Rotationssymmetrische Dome erfordern hingegen erheblichen Aufwand. Prozessbedingt ist die Geometrie der hergestellten Strukturen stark eingeschränkt.
  • Das MIM Verfahren ist zwar grundsätzlich für die Herstellung von Bodenplatten für Leistungshalbleitermodule geeignet. Es gibt aber nur sehr wenige Hersteller, die den Prozess beherrschen und geeignete Anlagen dafür besitzen. Mit gegossenen Bodenplatten wird in der Regel nicht die erforderliche Oberflächengüte erreicht. Dadurch ist wiederum eine spanende Nachbearbeitung erforderlich.
  • Auf den genannten Kühlkörpern werden die Schaltungsträger durch Löten oder NTV (NTV = Niedertemperaturverbindungstechnik) befestigt. Diese Prozesse sind jedoch sehr kostenintensiv.
  • Aus der US 7 236 368 B2 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einer mit elektrischen Bauelementen bestückten Leiterplatte bekannt, an die ein Kühlkörper aus elektrisch isolierendem Material angespritzt ist und der eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 1,5 W/(m·K) bis 10 W/(m·K) aufweist.
  • Die DE 10 2007 050 405 A1 beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit einem Rippenkühler, bei dem sich ein Bodenblech über die Enden der Rippen erstreckt, so dass Strömungskanäle zur Aufnahme eines Kühlmittels gebildet werden.
  • In der DE 694 28 684 T2 ist eine Anordnung mit einem Substrat beschrieben, auf dem ein IC angeordnet ist. Die Kühlung erfolgt über einen Kühlkörper, der aus einer elektrisch leitenden Spritzmasse gebildet ist und der sich auf derselben Seite des Substrates befindet wie der IC. Außerdem gewährleistet die Spritzmasse einen elektrischen Kontakt zwischen der Rückseite des ICs und einem Masseanschluss, der durch eine Metallisierungsstruktur des Substrates gebildet wird, die sich auf derselben Seite des Substrates befindet wie der IC.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul und ein Leistungshalbleitermodul mit hervorragender Wärmeabfuhr und prozesstechnisch einfacher und kostengünstiger Herstellbarkeit bereitzustellen. Außerdem soll bei Bedarf auch die Möglichkeit bestehen, zur Kühlung ein flüssiges Kühlmedium einzusetzen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit diesen Eigenschaften bereitzustellen.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1, durch ein Leistungshalbleitermodulsystem gemäß Patentanspruch 20 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß Patentanspruch 21 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein nachfolgend erläutertes Leistungshalbleitermodul umfasst ein Substrat, einen oder mehrere auf dem Substrat angeordnete Leistungshalbleiterchips, sowie einen elektrisch leitenden Kühlkörper, der das Substrat unmittelbar kontaktiert, nicht aber den Leistungshalbleiterchip. Der Kühlkörper ist aus einer kunststoffbasierten Spritzgussmasse gebildet, die eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 5 W/(m·K) aufweist. Solche hoch wärmeleitfähigen, kunststoffbasierten Spritzgussmassen sind bislang mit Wärmeleitfähigkeiten bis etwa 100 W/(m·K) verfügbar.
  • Zusammen mit einem Kühlkörperzusatz, der mit einem solchen Leistungshalbleitermodul verbindbar ist, entsteht ein Leistungshalbleitermodulsystem. Wenn das Leistungshalbleitermodul mit dem Kühlkörperzusatz verbunden ist, bilden das Leistungshalbleitermodul und der Kühlkörperzusatz einen Kühlmittelkanal zur Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels.
  • Zur Herstellung des beschriebenen Leistungshalbleitermoduls können zunächst eine Spritzgussform und ein Substrats bereitgestellt und das Substrat in die Spritzgussform eingelegt werden. Dann kann ein Kühlkörper erzeugt werden, indem eine kunststoffbasierte Spritzgussmasse, die eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 5 W/(m·K) aufweist, so an das in die Spritzgussform eingelegte Substrat angespritzt wird, dass die Spritzgussmasse das Substrat unmittelbar kontaktiert.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, das sich ein bei einem herkömmlichen Modul erforderlicher Prozessschritt, bei dem das Substrat mit einer Grundplatte des Leistungshalbleitermoduls verbunden wird, erübrigt. Ebenso entfällt die Verwendung einer wärmeleitenden Paste zwischen dem Substrat und dem Kühlkörper. Ein weiterer Vorteil besteht in einer Verringerung des Gewichts: Im Vergleich zu Aluminium, aus dem herkömmliche Kühlkörper hergestellt werden, weist der hoch wärmeleitende Kunststoff des Kühlkörpers eine nur etwa halb so große Dichte auf. Noch ein anderer Vorteil ergibt sich dadurch, dass Kühlkörper aus einem hoch wärmeleitenden, kunststoffbasierten Kühlkörper anders als herkömmliche metallische Kühlkörper in Abhängigkeit von dem verwendeten Kühlmedium nicht mit einer Korrosionsschutzschicht z. B. aus Nickel, Titan oder Chrom versehen werden müssen. Vielmehr kann bei einem solchen hoch wärmeleitenden, kunststoffbasierten Kühlkörper auf jegliche Beschichtung verzichtet werden. Dennoch können optional Beschichtungen aufgebracht werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Vertikalschnitt durch ein Substrat, das beispielhaft als metallisiertes Keramiksubstrat ausgebildet ist, und an das ein Kühlkörper angespritzt ist;
  • 2 einen Vertikalschnitt durch die noch in die Spritzgussform eingelegte Anordnung gemäß 1 nach dem Spritzvorgang;
  • 3 einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung gemäß 2 nach dem Spritzvorgang, wobei das Substrat bereits vor dem Anspritzen des Kühlkörpers mit einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips bestückt wurde;
  • 4 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul, bei dem das Substrat auf seiner dem Kühlkörper abgewandten Seite mit einer herkömmlichen, elektrisch isolierenden und ein Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls bildenden Spritzgussmasse umspritzt ist;
  • 5 einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung gemäß 4 mit dem Unterschied, dass das Substrat nicht als Keramiksubstrat sondern als mit einer Isolatorschicht versehener metallischer Leadframe ausgebildet ist;
  • 6A–6E die mit Verankerungsstrukturen versehenen Unterseiten verschiedener Substrate zur Verbesserung der Anhaftung eines an die jeweilige Unterseite anzuspritzenden Kühlkörpers;
  • 7 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul, das ergänzend zu dem Leistungshalbleitermodul gemäß 4 eine Verbindungsstruktur aufweist, bei der ein Vorsprung am Kühlkörper in eine Vertiefung am Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls eingespritzt ist;
  • 8 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul, das sich von dem Leistungshalbleitermodul 7 dadurch unterscheidet, dass das Gehäuse nicht durch Umspritzen des Leistungshalbleiterchips gebildet ist, sondern durch einen Gehäuserahmen, in den das bestückte Substrat eingesetzt ist;
  • 9 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodulsystem mit einem gemäß 8 ausgebildeten Leistungshalbleitermoduls, das zur Ausbildung eines Kühlmittelkanals, der zur Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels dient, mit einem Kühlkörperzusatz verbunden ist; und
  • 10 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul, das sich von dem in 8 gezeigten Leistungshalbleitermodul durch besonders lang ausgebildete Kühlrippen unterscheidet.
  • Die gezeigten Figuren sind, sofern nichts anders erwähnt ist, nicht maßstäblich. Sie dienen dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigten Ausgestaltungen beschränkt.
  • Die in der nachfolgenden ausführlichen Figurenbeschreibung verwendete, richtungsgebundene Terminologie (z. B. Begriffe wie ”oben”, ”unten”, ”links”, ”rechts”, ”vorne”, ”hinten”, ”seitlich”, ”auf”, ”unter” usw.) bezieht sich auf die jeweilige Figur. Sie wird lediglich dazu verwendet, das Verständnis der Figuren zu erleichtern. Grundsätzlich können die gezeigten Elemente räumlich beliebig angeordnet werden, sofern sich aus der Beschreibung nichts anders ergibt. Im Übrigen bezeichnen, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt, in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Elemente mit gleicher oder einander entsprechender Funktion.
  • 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Substrat 2, an das ein Kühlkörper 3 angespritzt ist. Das Substrat 2 weist einen Isolationsträger 20 auf, der auf seiner Oberseite mit einer strukturierten oberseitigen Metallisierung 21 und auf seiner Unterseite mit einer unterseitigen Metallisierung 22 versehen ist. Bei dem Isolationsträger 20 kann es sich beispielsweise um ein flaches Keramikplättchen, z. B. aus Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN), Si3N4 oder aus einem anderen Keramikmaterial handeln. Die oberseitige Metallisierung 21 und/oder die unterseitige Metallisierung 22 kann beispielsweise aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Bei dem Substrat 2 kann es sich z. B. um ein DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding), ein DAB-Substrat (DAB = Direct Aluminum Bonding) oder um ein AMB-Substrat (AMB = Active Metal Brazing) handeln.
  • Das Substrat 2 weist eine Oberseite 25 auf, sowie eine Unterseite 26, an die der Kühlkörper 3 angespritzt ist. Die Oberseite 25 und die Unterseite 26 bilden Hauptseiten des Substrats 2. Als Hauptseiten werden dabei die beiden flächenmäßig größten Seiten des Substrats verstanden, d. h. jede weitere Seite des Substrats 2 weist eine Fläche auf, die sowohl kleiner ist als die Fläche der ersten Hauptseite 25 als auch kleiner als die Fläche der zweiten Hauptseite 26.
  • Der Kühlkörper 3 ist so an das Substrat 2 angespritzt, dass er dessen Unterseite 26, nicht jedoch dessen Oberseite 25 kontaktiert. Die Oberseite 25 des Substrats 2 umfasst die Oberseite der oberseitigen Metallisierung 21, sowie die nicht von der oberseitigen Metallisierung 25 bedeckten Abschnitte der Oberseite des Isolationsträgers 20. Entsprechend umfasst die Unterseite 26 des Substrats 2 die Unterseite der unterseitigen Metallisierung 22, sowie die nicht von der unterseitigen Metallisierung 22 bedeckten Abschnitte der Unterseite des Isolationsträgers 20.
  • Die den Kühlkörper 3 bildende Spritzgussmasse und damit der Kühlkörper 3 können elektrisch leitend sein. Bei der Anordnung gemäß 1 ist deshalb der Kühlkörper 3 von der oberseitigen Metallisierung 25 beabstandet und gegenüber dieser elektrisch isoliert. Außerdem weist der Kühlkörper 3 auf seiner dem Substrat 2 abgewandten Seite eine Anzahl von Kühlrippen 31 auf, um die Oberfläche des Kühlkörpers 3 zu vergrößern und damit dessen Kühlwirkung zu verbessern.
  • Während zur Gehäusung von Halbleitern in der Regel Duroplaste wie Epoxydharze eingesetzt werden, eigenen sich für die Ausbildung der Kühlerstrukturen besonders Thermoplaste wie Polyphenylensulfide (PPS), Polykarbonate (PC), thermoplastische Copolyester (TPC), Polyamide (PA), oder Polypropylene (PP). Diese sind eingehend beschrieben in: ”Hochgefüllte Kunststoffe mit definierten magnetischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften”, Hrsg.: G. W. Ehrenstein, D. Drummer; Sonderpublikation VDI-Springer Verlag, Düsseldorf 2002.
  • Anhand von 2 wird ein Verfahren erläutert, bei dem ein Kühlkörper 3 an ein Substrat 2 angespritzt wird. Hierzu wird zunächst eine Spritzgussform 300 bereitgestellt. Diese Spritzgussform 300 kann geöffnet und geschlossen werden. Hierzu weist die Form 300 ein oberes Formteil 301 und ein unteres Formteil 302 auf, die relativ zueinander bewegt werden können, so dass die Form 300 geöffnet und geschlossen werden kann.
  • Die Spritzgussform 300 weist außerdem eine Aussparung auf, in die das Substrat 2 eingelegt werden kann. Außerdem ist eine weitere Aussparung vorgesehen, in die nach dem Schließen der Spritzgussform 300 und bei eingelegtem Substrat 2 eine hoch wärmeleitfähige Spritzgussmasse eingespritzt wird, dabei die Unterseite 26 des Substrats 2 unmittelbar kontaktiert und nach ihrem Abkühlen den Kühlkörper 3 bildet, der aufgrund des Anspritzvorgangs einen festen Verbund mit dem Substrat 2 bildet. Nachdem die Spritzgussmasse ausreichend abgekühlt ist, wird der Verbund aus Substrat 2 und Kühlkörper 3 der Spritzgussform 300 entnommen. Danach kann das Substrat 2 auf mit einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips 1 sowie optionalen weiteren für die zu realisierende Schaltung erforderlichen Komponenten bestückt werden.
  • Als Verbindungstechnik eignet sich hier beispielsweise Löten. Hierzu kann z. B. ein Dampfphasenlötverfahren eingesetzt werden. Dieses zeichnet sich durch eine hohe Energieübertragungsrate aus, außerdem wird der Aufbau sehr gleichmäßig erwärmt.
  • Der Kühlkörper 3 weist gegenüber herkömmlichen Kühlkörpern aus Aluminium den Vorteil auf, dass sein linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient mit 5 ppm bis 20 ppm an den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats 2 besser angepasst ist, so dass die zwischen dem Substrat 2 und dem Kühlkörper 3 bei Temperaturänderungen auftretenden Scherkräfte gering gehalten werden können.
  • Während das Substrat 2 während des anhand von 2 erläuterten Spritzgießvorgangs unbestückt ist, zeigt 3 eine alternative Ausgestaltung, bei der die oberseitige Metallisierung 21 des Substrats 2 vor dem Spritzgießvorgang mit einem oder mehreren Leistungshalbleiterchips 1 bestückt und im bestückten Zustand in die Form 300 eingesetzt wurde. Das Anspritzen des Kühlkörpers 3 an die Unterseite 26 des Substrats 2 erfolgte ebenfalls im bestückten Zustand des Substrats 2. Der Kühlkörper 3 kontaktiert weder die Oberseite 25 des Substrats 2, noch einen der auf der Oberseite 25 montierten Leistungshalbleiterchips 1.
  • Um bei einem Anspritzen des Kühlkörpers 3 an das bereits mit Leistungshalbleiterchips 1 und gegebenenfalls weiteren elektronischen Komponenten bestückte Substrat 2 eine Beschädigung der Bestückungskomponenten zu vermeiden, kann vor dem Anspritzen des Kühlkörpers 3 an das Substrat 2 eine Trennfolie zwischen die mit Leistungshalbleiterchips 1 und den optionalen weiteren elektronischen Komponenten bestückte Oberseite des Substrats 2 und die Form 300 eingelegt werden, die ein Herauslösen des mit dem Kühlkörper 3 versehenen Substrats 2 aus der Form nach Abschluss des Spritzgießvorgangs erleichtert.
  • Damit das Substrat 2 nicht in der hoch wärmeleitfähigen Vergussmasse aufschwimmt, können optional Niederhalter in die Form eingesetzt werden, die während des Befüllvorgangs zurückfahren und dadurch das Substrat 2 frei geben.
  • 4 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul, welches ein Gehäuse 4 aufweist, das durch eine elektrisch isolierende Kunststoffspritzgussmasse erzeugt wurde, die eine andere Materialzusammensetzung aufweist als die kunststoffbasierte Spritzgussmasse, mit der der Kühlkörper 3 hergestellt ist. Die Kunststoffspritzgussmasse zur Ausbildung des Gehäuses 4, beispielsweise eine Spritzgussmasse auf Epoxidharzbasis, wurde zur Herstellung des Gehäuses 4 an das mit dem Leistungshalbleiterchips 1 bestückte Substrat 2 so angespritzt, dass des Gehäuse 4 die Unterseite 26 des Substrats 2 nicht oder zumindest nicht vollständig kontaktiert. Wie bei allen anderen Ausgestaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Kühlkörper 3 einen elektrischen Volumenwiderstand von weniger als 109 Ω·cm (1 GΩ·cm) aufweisen. Demgegenüber ist der Volumenwiderstand herkömmlicher Vergussmassen, wie sie zur Gehäusung einzelner Leistungshalbleiterchips eingesetzt werden, mit etwa 1012 Ω·cm (1 TΩ·cm) signifikant höher.
  • Zur äußeren Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls 100 sind elektrische Anschlüsse 23 vorgesehen, die elektrisch leitend mit der auf dem Substrat 2 realisierten Schaltung verbunden sind. Die Anschlüsse 23 und die Leistungshalbleiterchips 1 sowie weitere optionale, in 4 nicht dargestellte elektrische Komponenten und Verbindungselemente wie z. B. passive Bauelemente oder Bonddrähte sind ebenfalls mit der das Gehäuse 4 bildenden Spritzgussmasse umspritzt.
  • Die Herstellung des in 4 gezeigten Leistungshalbleitermoduls 100 kann so erfolgen, dass die oberseitige Metallisierung 21 an der Oberseite 25 des Substrats 2 mit den Leistungshalbleiterchips 1 sowie gegebenenfalls weiteren elektronischen Komponenten und Verbindungselementen bestückt, verschaltet und elektrisch leitend an die Außenanschlüsse 23 angeschlossen wird. In einem nachfolgenden Schritt kann dann das Gehäuse 4 mittels eines ersten Spritzgießvorgangs erzeugt werden, wobei die Unterseite 26 des Substrats 2 zumindest teilweise frei bleibt.
  • Zur Vorbereitung eines nachfolgenden zweiten Spritzgießvorgangs, in dem der Kühlkörper 3 hergestellt wird, kann dann das bis auf den Kühlkörper 3 fertiggestellte Leistungshalbleitermodul 100 entsprechend dem anhand der 2 und 3 erläuterten Verfahren in eine Aussparung einer Spritzgussform eingelegt werden. Die Aussparung muss entsprechend an das mit dem Gehäuse 4 versehene, bestückte und verschaltete Substrat 2 und die Außenanschlüsse 23 angepasst sein. Nach dem Einlegen in die Spritzgießform wird in dem zweiten Spritzgießvorgang der Kühlkörper 3 unmittelbar an die Unterseite 26 des Substrats 2 angespritzt, wie dies entsprechend anhand der 2 und 3 erläutert wurde.
  • Alternativ dazu kann auch zunächst der Kühlkörper 3 an das unbestückte (siehe die 2 und 3) oder an das vollständig oder teilweise bestückte Substrat 2 (siehe 3) angespritzt werden. In einem nachfolgenden Schritt kann dann – soweit dies noch erforderlich ist – die Bestückung des Substrats 2 mit den Leistungshalbleiterchips 1, den Außenanschlüssen 23 und den optionalen weiteren Komponenten fertig gestellt und danach das Gehäuse 4 durch Umspritzen der auf dem Substrat 2 angeordneten Leistungshalbleiterchips 1 und der optionalen weiteren Komponenten erzeugt werden.
  • Während das Substrat 2 bei der Anordnung gemäß 4 einen Isolationsträger 20 umfasst, der auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit Metallisierungen 21 und 22 versehen ist, ist der Schaltungsträger 2' bei dem in 5 gezeigten Leistungshalbleitermodul 100 als metallischer Leadframe 27 (”Leiterrahmen”) ausgebildet, der auf seiner den Leistungshalbleiterchips 1 abgewandten Seite mit einer Isolatorschicht 28 versehen ist. Diese Isolatorschicht 28 isoliert den Leadframe 27 gegenüber dem elektrisch leitenden Kühlkörper 3. Der Kühlkörper 3 kontaktiert die Isolatorschicht 28, nicht jedoch den Leadframe 27. Als Isolatorschicht 28 eignet sich beispielsweise eine dünne Keramikschicht oder eine dünne Schicht aus dem Material des Gehäuses 4, oder eine mit Glas oder Keramik gefüllte, isolierende Kunststoff(Epoxidharz-)Schicht. Letztere kann beispielsweise genau einen oder mehrere der folgenden anorganischen Füllstoff umfassen: einem schuppenartigen anorganischen Füllstoff; einem nadelartigen anorganischen Füllstoff; einem anorganischen Füllstoff mit hyperfeinen Körnern, deren mittlerer Durchmesser kleiner oder gleich 1 μm ist. Die Isolatorschicht 28 kann beispielsweise aus denselben Materialkombinationen aus Epoxidharz und Füllstoff(en) bestehen und/oder mit demselben Verfahren hergestellt und auf den Leadframe aufgebracht werden wie die in der DE 103 31 857 A1 , insbesondere in den Absätzen [0054] bis [0065] beschriebene Isolierharzschicht 6. Insoweit wird die DE 103 31 857 A1 ausdrücklich in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen.
  • Um die Haftung zwischen der Unterseite 26 eines Substrats 2 und einem an diese Unterseite 26 angespritzten Kühlkörper 3 zu verbessern, kann die Unterseite 26 mit einer dreidimensionalen Verankerungsstruktur versehen werden, die die Kontaktfläche zwischen dem Substrat 2 und dem Kühlkörper 3 erhöht und somit die Verbindung zwischen dem Substrat 2 und dem Kühlkörper 3 festigt. Die 6A bis 6E zeigen verschiedene Beispiele für auf der Unterseite 26 eines Substrats 2 bzw. 2' ausgebildete Verankerungsstrukturen 24.
  • Bei einem Substrat 2, welches einen Isolationsträger 20 mit einer unterseitigen Metallisierung 22 aufweist (siehe die 1 bis 4), können die dreidimensionalen Verankerungsstrukturen 24 durch eine oder mehrere Vertiefungen 24' in der unterseitigen Metallisierung 22 ausgebildet sein. Die Vertiefungen 24' können sich bis zum Isolationsträger 20 erstrecken, oder aber eine Tiefe aufweisen, die geringer ist als die Dicke der unterseitigen Metallisierung 22, so dass der Isolationsträger 20 in keiner der Vertiefungen 24' frei liegt, d. h. im Bereich einer jeden der Vertiefungen 24' vollständig von der unterseitigen Metallisierung 22 bedeckt ist.
  • Bei der Anordnung gemäß 6A ist lediglich eine Vertiefung 24' vorgesehen, die eine gitterförmige Struktur aufweist, und die sich nicht bis zum Isolationsträger 20 erstreckt. Die Verankerungsstruktur 24 umfasst somit säulenartige Fortsätze 24'', die durch Abschnitte der unterseitigen Metallisierung 22 gebildet sind, und die in dem Beispiel gemäß 6A quadratische oder rechteckige Querschnittsflächen aufweisen können. Beliebige andere Querschnittsflächen können jedoch ebenso gewählt werden.
  • Bei der Anordnung gemäß 6B ist ebenfalls ist lediglich eine Vertiefung 24' vorgesehen, die in der unterseitigen Metallisierung 22 ausgebildet ist und die eine gitterförmige Struktur aufweist. Allerdings erstreckt sich diese Vertiefung 24' bis zum Isolationsträger 20. Die verbleibenden Abschnitte 24'' der unterseitigen Metallisierung 22 sind somit voneinander beabstandet. Diese Abschnitte 24'' weisen beispielhaft kreisförmige Querschnittsflächen auf. Beliebige andere Querschnittsflächen sind jedoch ebenso möglich.
  • Bei der Anordnung gemäß 6C umfasst die Verankerungsstruktur 24 eine Vielzahl von Vertiefungen 24', die in der unterseitigen Metallisierung 22 ausgebildet und voneinander beabstandet sind, und die sich bis zum Isolationsträger 20 erstrecken. Die Vertiefungen 24' weisen beispielhaft kreisförmige Querschnittsflächen auf. Beliebige andere Querschnittsflächen sind aber ebenso möglich.
  • Die Anordnung gemäß 6D entspricht der Anordnung gemäß 6B mit dem Unterschied, dass die Abschnitte 24'' dreieckförmige Querschnittsflächen aufweisen.
  • Bei der Anordnung gemäß 6E ist die Verankerungsstruktur 24 durch längliche Abschnitte der unterseitigen Metallisierung 22 gebildet. Diese Abschnitte können optional voneinander beabstandet sein. In 6E sind diese Abschnitte beispielhaft als geschlossene, ineinander liegende Ringe ausgebildet.
  • Alternativ oder ergänzend zu einer anhand der 6A bis 6E erläuterten Verankerungsstruktur kann eine Verankerungsstruktur auch durch Aufrauen der Unterseite 26 des betreffenden Substrats 2, 2' erzeugt werden. Als Techniken hierzu eignen sich beispielsweise Sandstrahlen und/oder Anätzen.
  • 7 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 100, dessen Aufbau dem Aufbau des in 5 gezeigten Leistungshalbleitermoduls 100 entspricht, das jedoch zusätzlich wenigstens eine Verbindungsstruktur 5 aufweist, welche das Gehäuse 4 mit dem Kühlkörper 3 verbindet. Jede Verbindungsstruktur 5 weist eine Vertiefung auf, sowie einen Vorsprung, der formschlüssig in die Vertiefung eingreift. Bei der Anordnung gemäß 7 sind die Vorsprünge einstückig mit dem Kühlkörper 3 und die Vertiefungen an dem Gehäuse 4 ausgebildet. Bei dieser Verbindungsstruktur kann ein Vorsprung während des Spritzgießvorgangs zur Herstellung des Kühlkörpers 3 erzeugt werden, während die zugehörige Vertiefung bereits an dem Gehäuse 4 ausgebildet ist.
  • Abweichend davon kann der Vorsprung einer Verbindungsstruktur 5 auch an dem Gehäuse 4 und die Vertiefung an dem Kühlkörper 3 ausgebildet sein. Bei einer solchen Anordnung kann die Vertiefung während des Spritzgießvorgangs zur Herstellung des Kühlkörpers 3 erzeugt werden, während der zugehörige Vorsprung bereits an dem Gehäuse 4 ausgebildet ist.
  • Generell müssen solche Vertiefungen am Kühlkörper 3 und/oder am Gehäuse 4 nicht notwendigerweise während des betreffenden Spritzgießvorgangs zu deren Herstellung erzeugt werden. Sie können auch nachträglich beispielsweise durch gerade oder schräge Bohrungen erzeugt werden.
  • 8 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 100, dessen Gehäuse 4 nicht durch Umspritzen der auf dem Substrat 2 angeordneten Komponenten, also z. B. der Leistungshalbleiterchips 1, gebildet ist, sondern das einen Gehäuserahmen umfasst, in dem das Substrat 2 angeordnet ist und der optional zur Erhöhung der Isolationsfestigkeit von der Oberseite 25 des Substrates 2 bis wenigstens zur Oberseite der Leistungshalbleiterchips 1 beispielsweise mit einem Silikongel 45, vergossen sein kann. Der Gehäuserahmen 41 dient dazu, ein Auslaufen der Weichvergussmasse 45 beim Vergießen zu verhindern. Dazu muss er vor dem Vergießen ausreichend dicht mit dem Substrat 2 verbunden werden.
  • Wie in 8 gezeigt ist, kann der Gehäuserahmen 41 hierzu fest mit dem Kühlkörper 3 und, da der Kühlkörper 3 durch das Anspritzen bereits fest mit dem Substrat 2 verbunden ist, dadurch auch fest mit dem Substrat 2 verbunden werden. Eine Möglichkeit zur Herstellung einer solchen Verbindung besteht darin, den bereits mit dem Substrat 2 verbundenen Kühlkörper 3 mittels einer Verbindungsstruktur 5 durch Einschnappen mit dem Gehäuserahmen 41 zu verbinden. Eine solche Verbindungsstruktur 5 kann beispielsweise durch einen oder mehrere Rastelemente 51, 52 gegeben sein, die fest mit dem Kühlkörper 3 verbunden sind, und die nach dem Einschnappen in korrespondierende Aussparungen am Gehäuserahmen 41 eingreifen.
  • Derartige Rastelemente 51, 52 können im selben Spritzgussschritt wie der Kühlkörper 3 erzeugt werden. Hierzu muss die Form 300 (siehe die 2 und 3) entsprechende Aussparungen aufweisen. Solche Rastelemente 51, 52 sind dann einstückig mit dem Kühlkörper 3 ausgebildet. Alternativ dazu können Rastelemente 51, 52 beispielsweise auch als metallische Federn ausgebildet sein, die beim Anspritzen des Kühlkörpers 3 an das Substrat 2 in den Kühlkörper 3 eingespritzt werden. Anstelle von oder ergänzend zu Rastelementen 51, 52 des Kühlkörpers 3 können entsprechende Rastelemente auch am Gehäuserahmen 41 vorgesehen sein, die in korrespondierende Vertiefungen im Kühlkörper 3 eingreifen. Solche Vertiefungen können ebenfalls beim Anspritzen des Kühlkörpers 3 an das Substrat 2 erzeugt oder aber nachträglich, beispielsweise durch Bohren, erzeugt werden.
  • Wie aus 8 außerdem ersichtlich ist, kann ein Spalt 6 zwischen dem Substrat 2 und dem Gehäuserahmen 41 durch Kühlkörper 3 abgedichtet werden, um später ein Auslaufen der Weichvergussmasse 45 zu verhindern. In diesem Fall erstreckt sie die Weichvergussmasse 45 im Bereich des Spalts 6 bis zum Kühlkörper 3 und kontaktiert diesen.
  • 9 zeigt ein Leistungshalbleitermodulsystem mit einem Leistungshalbleitermodul 100, das beispielhaft wie das in 8 gezeigte Leistungshalbleitermodul 100 aufgebaut ist. Das Leistungshalbleitermodul 100 ist mit einem Kühlkörperzusatz 200 verbunden, so dass im Verbund zusammen mit dem Kühlkörper 3 ein Kühlmittelkanal 201 zur Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels entsteht. Der Kühlkörperzusatz 200 kann beispielsweise aus Kunststoff oder aus Metall bestehen. Um eine feste Verbindung zwischen dem Kühlkörper 3 und dem Kühlkörperzusatz 200 zu erreichen, können der Kühlkörper 3 und der Kühlkörperzusatz 200 beispielsweise mittels Schrauben 8 miteinander verschraubt und/oder verklebt werden. Bei einem Kühlkörperzusatz 200 aus Kunststoff ist außerdem Kunststoffschweißen als Verbindungstechnik möglich.
  • Zur Abdichtung kann zwischen dem Kühlkörper 3 und dem Kühlkörperzusatz 200 ein Dichtring 7 vorgesehen sein, der in eine Nut am Kühlkörper 3 und/oder in eine Nut am Kühlkörperzusatz 200 eingelegt ist.
  • Das in 10 gezeigte Leistungshalbleitermodul 100 unterscheidet sich von dem in 8 gezeigten Leistungshalbleitermodul 100 dadurch, dass es besonders lange Kühlrippen 31 aufweist und deshalb besonders gut für Luftkühlung geeignet ist. Beliebige andere Leistungshalbleitermodule 100 können jedoch ebenso mit besonders langen Kühlrippen 31 ausgestattet werden, um eine Luftkühlbarkeit des Leistungshalbleitermoduls 100 zu erreichen.

Claims (25)

  1. Leistungshalbleitermodul, das ein Substrat (2, 2') und einen auf dem Substrat (2, 2') angeordneten Leistungshalbleiterchip (1), aufweist, sowie einen elektrisch leitenden Kühlkörper (3), der das Substrat (2, 2') unmittelbar kontaktiert, aus einer kunststoffbasierten Spritzgussmasse gebildet ist, die eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 5 W/(m·K) aufweist; und der den Leistungshalbleiterchip (1) nicht kontaktiert.
  2. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1, bei dem das Substrat (2, 2') eine erste Hauptseite (25) und eine zweite Hauptseite (26) aufweist, wobei jede weitere Seite des Substrats (2, 2') eine Fläche aufweist, die sowohl kleiner ist als die Fläche der ersten Hauptseite (25) als auch kleiner als die Fläche der zweiten Hauptseite (26).
  3. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 2, bei dem der Leistungshalbleiterchip (1) auf der ersten Seite (26) angeordnet ist.
  4. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem der Kühlkörper (3) die zweite Hauptseite (26) kontaktiert, nicht jedoch die erste Hauptseite (25).
  5. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 4, bei dem der Kühlkörper (3) einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5 ppm bis 20 ppm aufweist.
  6. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Leistungshalbleiterchip (1) keinen Anschlusskontakt aufweist, der zu seiner elektrischen Kontaktierung dient und der außerdem den Kühlkörper (3) kontaktiert.
  7. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – das Substrat (2) aus einem flachen Isolationsträger (20) besteht, der auf einer Oberseite mit einer oberseitigen Metallisierung (21) und auf seiner Unterseite mit einer unterseitigen Metallisierung (22) versehen ist; – der Leistungshalbleiterchip (1) auf der oberseitigen Metallisierung (21) angeordnet und mit dieser elektrisch leitend mittels eines Anschlusskontaktes (23), der zur elektrischen Kontaktierung des Leistungshalbleiterchips (1) dient, verbunden ist.
  8. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 7, bei dem der Isolationsträger (20) als flaches Keramikplättchen ausgebildet ist.
  9. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem das Substrat (2) als DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding), als DAB-Substrat (DAB = Direct Aluminum Bonding) oder als AMB-Substrat (AMB = Active Metal Bonding) ausgebildet ist.
  10. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Substrat (2') als rein metallischer Leadframe ausgebildet ist.
  11. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem – das Substrat (2') als metallischer Leadframe (27) ausgebildet ist, der auf seiner dem Leistungshalbleiterchip (1) abgewandten Seite mit einer Isolatorschicht (28) versehen ist; – der Kühlkörper (3) die Isolatorschicht (28), nicht jedoch den Leadframe (27) kontaktiert.
  12. Leistungshalbleiterchip gemäß Anspruch 11, bei dem der Leadframe (27) durch die Isolatorschicht (28) gegenüber dem Kühlkörper (3) elektrisch isoliert ist.
  13. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem die Isolatorschicht (28) eines der folgenden Materialen oder eine der folgenden Materialzusammensetzungen umfasst oder aus einem der folgenden Materialien oder Materialzusammensetzungen besteht: Keramik; mit Glas und/oder Keramik gefülltes Epoxidharz; demselben Material wie ein Gehäuse (4), in dem der Leistungshalbleiterchip (1) angeordnet ist.
  14. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 13, bei dem die Isolatorschicht (28) aus einem Epoxidharz besteht, dem genau einer oder mehrere der folgenden anorganischen Füllstoffe zugefügt ist: ein schuppenartiger anorganischer Füllstoff; ein nadelartiger anorganischer Füllstoff; ein anorganischer Füllstoff mit hyperfeinen Körnern, deren mittlerer Durchmesser kleiner oder gleich 1 μm ist.
  15. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (2, 2') auf seiner dem Leistungshalbleiterchip (1) abgewandten Seite (26) in dem Bereich, in dem es den Kühlkörper (3) kontaktiert, eine dreidimensionale Verankerungsstruktur (24) aufweist.
  16. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Kühlkörper (3) auf seiner dem Leistungshalbleiterchip (1) abgewandten Seite mit Kühlrippen (31) versehen ist.
  17. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Kühlkörper (3) eines der folgenden Materialen umfasst oder aus einem der folgenden Materialen besteht: einem Polyphenylensulfid (PPS), einem Polykarbonat (PC), einem thermoplastischen Copolyester (TPC), einem Polyamid (PA), einem Polypropylen (PP).
  18. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Kühlkörper (3) einen Volumenwiderstand von weniger als 109 Ω·cm aufweist.
  19. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Gehäuse (4), in dem der Leistungshalbleiterchip (1) angeordnet ist und das mit dem Kühlkörper (3) mittels einer Verbindungsstruktur (5) verbunden ist, die eine Vertiefung aufweist, sowie einen Vorsprung, der formschlüssig in die Vertiefung eingreift, und wobei entweder – der Vorsprung an dem Gehäuse (4) und die Vertiefung an dem Kühlkörper (3); oder – der Vorsprung einstückig mit dem Kühlkörper (3) und die Vertiefung an dem Gehäuse (4) ausgebildet ist.
  20. Leistungshalbleitermodulsystem mit einem Leistungshalbleitermodul (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, sowie mit einem mit dem Leistungshalbleitermodul (100) verbindbaren Kühlkörperzusatz (200), der im verbundenen Zustand mit dem Kühlkörper (3) einen Kühlmittelkanal (201) zur Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels bildet.
  21. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, das gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 ausgebildet ist, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Spritzgussform (300) und eines Substrats (2); – Einlegen des Substrats (2, 2') in die Spritzgussform (300); – Erzeugen eines elektrisch leitenden Kühlkörpers (3) durch Anspritzen einer kunststoffbasierten Spritzgussmasse, die eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 5 W/(m·K) aufweist, an das in die Spritzgussform (300) eingelegte Substrat (2, 2') so, dass die Spritzgussmasse das Substrat (2, 2') unmittelbar kontaktiert.
  22. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem der Leistungshalbleiterchip (1) vor dem Anspritzen des Kühlkörpers (3) an das Substrat (2, 2') mit dem Substrat (2, 2') verbunden wird.
  23. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem der Leistungshalbleiterchip (1) nach dem Anspritzen des Kühlkörpers (3) an das Substrat (2, 2') mit dem Substrat (2, 2') verbunden wird.
  24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, bei dem das Leistungshalbleitermodul (100) gemäß Anspruch 20 ausgebildet ist, und bei dem das Gehäuse (4) vor dem Anspritzen mit dem Substrat (2, 2') verbunden wird.
  25. Verfahren gemäß Anspruch 24, bei dem das Gehäuse (4) einen Gehäuserahmen (24) umfasst, mit folgenden Schritten: – Einschnappen des Gehäuserahmens (41) auf dem mit dem Substrat (2, 2') verbundenen Kühlkörper (3) mittels der Verbindungsstruktur (5); und – Einfüllen einer Vergussmasse (45) in den Gehäuserahmen (41).
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