DE102011080299A1 - Schaltungsträger, Schaltungsträgeranordnung und Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger (100) mit einer Unterseite (100b) und einer in einer vertikalen Richtung (v) von der Unterseite (100b) beabstandete Oberseite (100t), sowie einen Keramikkörper (1) aus einem Keramikmaterial. Der Keramikkörper (1) weist eine Vielzahl von Zwischenräumen (3) auf, in denen sich kein Keramikmaterial befindet. Die Gesamtheit dieser Zwischenräume (3) ist teilweise aber nicht vollständig mit einem Füllmetall (2) verfüllt.

Description

  • Schaltungsträger werden beispielsweise bei Leistungshalbleitermodulen als Träger für einen oder mehrere Halbleiterchips eingesetzt. Neben der elektrischen Verschaltung der Halbleiterchips dienen die Schaltungsträger auch dazu, die beim Betrieb der Halbleiterbauelemente anfallende Wärme in Richtung eines Kühlkörpers abzuführen. Außerdem sollen die Schaltungsträger eine ausreichende elektrische Isolationsfestigkeit zwischen den Halbleiterbauelementen einerseits und dem Kühlkörper andererseits gewährleisten. Typischerweise werden als Schaltungsträger metallisierte Keramikplättchen eingesetzt. Um die Keramikplättchen mit den darauf befindlichen Leistungshalbleiterchips mechanisch zu stabilisieren und die in den Halbleiterchips anfallende Verlustwärme weiter abzuführen, werden die Keramikplättchen an ihrer dem Halbleiterbauelementen abgewandten Seite stoffschlüssig mit einer metallischen Bodenplatte verbunden. Als Verbindungstechnik eignet sich beispielsweise Löten.
  • Zur Herstellung eines solchen herkömmlichen Verbundes muss zunächst ein Keramikplättchen erzeugt, metallisiert und mit einer Bodenplatte verbunden werden, was aufwändig und kostenintensiv ist, z.B. wenn ein erster Hersteller das metallisierte Keramikplättchen erzeugt, ein zweiter die Bodenplatte, und dritter das metallisierte Keramikplättchen mit der Bodenplatte verbindet. Außerdem entstehen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik und der metallischen Bodenplatte beim Temperaturwechselbetrieb aufgrund des abrupten Übergangs zwischen verschiedenen Werkstoffen hohe thermomechanische Spannungen im Bereich der Verbindungsschicht, wodurch es in diesem Bereich nach längerem Betrieb des Leistungshalbleitermoduls zu Defekten in der Verbindungsschicht kommen kann, die die Wärmeabfuhr beeinträchtigen. Bei solchen Defekten kann es sich um eine Ablösung der Verbindungsschicht von dem Substrat und/oder von der Bodenplatte handeln (Delamination), oder um Risse innerhalb der Verbindungsschicht.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Schaltungsträger, eine Halbleiteranordnung mit einem Schaltungsträger sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers bereitzustellen, bei denen die vorangehend erläuterten Probleme zumindest teilweise vermieden werden können.
  • Diese Aufgaben werden durch einen Schaltungsträger gemäß Patentanspruch 1, durch eine Halbleiteranordnung gemäß Patentanspruch 15 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Der nachfolgend beschriebene Schaltungsträger umfasst eine Unterseite, eine in einer vertikalen Richtung von der Unterseite beabstandete Oberseite, sowie einen Keramikkörper. Der Keramikkörper besteht aus einem Keramikmaterial und weist eine Vielzahl von Zwischenräumen auf, in denen sich kein Keramikmaterial befindet. Die Gesamtheit der Zwischenräume ist teilweise aber nicht vollständig mit einem festen Füllmetall verfüllt. Bei dem Keramikmaterial kann es sich beispielsweise um Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumkarbid (SiC), Titandiborid (TiB2) oder ein beliebiges anderes Keramikmaterial handeln. Durch die Verwendung eines solchen Schaltungsträgers erübrigt sich die bei herkömmlichen Leistungshalbleitermodulen übliche aber im Langzeitbetrieb anfällige Verbindungsschicht zwischen einem metallisierten Keramikplättchen und einer metallischen Bodenplatte.
  • Die Herstellung eines solchen Schaltungsträgers kann dadurch erfolgen, dass ein poröser, aus einem Keramikmaterial bestehender Keramikkörper bereitgestellt wird, der eine Oberseite aufweist, eine der Oberseite abgewandte Unterseite, sowie eine Vielzahl von Poren. In einen Teil der Poren wird ein flüssiges Füllmetall über die Rückseite eingebracht, ohne dass dabei sämtliche zwischen dem Keramikmaterial befindlichen Zwischenräume mit dem Füllmetall verfüllt werden. Danach wird das Füllmetall bis zu dessen vollständiger Verfestigung abgekühlt. Hierdurch entsteht ein fester und dauerhafter Verbund aus dem Keramikkörper und dem Füllmetall, der als Schaltungsträger verwendet werden kann. Optional kann ein solcher Schaltungsträger außer dem Keramikkörper und dem Füllmetall noch weitere Bestandteile umfassen.
  • Bei der vorliegenden Anmeldung werden die Begriffe "Zwischenräume" und "Poren" verwendet. Als Zwischenräume werden diejenigen Bereiche innerhalb des Keramikkörpers bezeichnet, die frei von Keramik sind. Als Unterschied dazu werden mit "Poren" Bereiche des Keramikkörpers bezeichnet, die nicht mit festem Material gefüllt sind. Daher wird eine Pore nach ihrer Verfüllung als Zwischenraum bezeichnet.
  • Zur Herstellung einer Halbleiteranordnung kann ein Halbleiterchip auf der Oberseite oder auf der Unterseite eines vorangehend beschriebenen Schaltungsträgers angeordnet werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleicher oder gleich wirkender Funktion. Zur deutlicheren Veranschaulichung bestimmter Aspekte der Erfindung sind die Darstellungen nicht maßstabsgetreu. Es zeigen:
  • 1 einen Abschnitt eines Schaltungsträgers mit einem Keramikkörper, der an seiner Rückseite mit einem Füllmetall gefüllt ist;
  • 2 einen Vertikalschnitt durch einen Schaltungsträger, der sich von dem Schaltungsträger gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass die Rückseite des Keramikkörpers mit einer durchgehenden metallischen Schicht versehen ist, die aus dem Material des Füllmetalls gebildet ist;
  • 3 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Schaltungsträgers, der sich von dem Schaltungsträger gemäß 2 dadurch unterscheidet, dass die nicht mit dem Füllmetall gefüllten Zwischenräume des Keramikträgers teilweise mit einem festen Dielektrikum gefüllt sind;
  • 4 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Schaltungsträgers, der sich von dem Schaltungsträger gemäß 3 dadurch unterscheidet, dass die nicht mit dem Füllmetall gefüllten Zwischenräume des Keramikträgers vollständig mit einem festen Dielektrikum gefüllt sind;
  • 5A–5J verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstel lung eines Leistungshalbleitermoduls;
  • 6 eine alternative Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls, bei dem der Keramikkörper an seiner Vorderseite nicht mit einem separaten festen Dielektrikum verfüllt ist;
  • 7A–7D verschiedene Schritte eines alternativen Verfahrens zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls; und
  • 8A–8B verschiedene Schritte eines Verfahrens, bei dem in Poren eines Keramikkörpers gleichzeitig ein Füllmetall und ein Dielektrikum eingefüllt werden.
  • 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Schaltungsträgers 100. Der Schaltungsträger 100 weist eine Oberseite 100t und eine der Oberseite 100t entgegengesetzte Unterseite 100b auf, die in einer vertikalen Richtung v voneinander beabstandet sind. In der vertikalen Richtung v weist der Schaltungsträger 100 eine Dicke d100 auf. Diese Dicke d100 kann, wie bei allen anderen erläuterten Ausgestaltungen, beispielsweise wenigstens 0,1 mm, wenigstens 0,5mm, wenigstens 1,0 mm betragen, und/oder beispielsweise kleiner oder gleich 20 mm, kleiner oder gleich 50 mm oder kleiner oder gleich 100 mm sein, wobei jede der Untergrenzen mit jeder beliebigen der Obergrenzen kombiniert werden kann.
  • Die Oberseite 100t und die Unterseite 100b des Schaltungsträgers 100 sind als ebene, parallele Flächen ausgebildet. Abweichend davon können die Oberseite 100t und die Unterseite 100b jedoch auch als nicht ebene Flächen ausgebildet sein. Allerdings ist es für die Montage eines Halbleiterchips vorteilhaft, wenn die Seite, auf die ein Halbleiterchip montiert werden soll, also beispielsweise die Oberseite 100t oder die Unterseite 100b, einen ebenen Abschnitt aufweist, der zumindest der Grundfläche des Halbleiterchips entspricht.
  • Der Schaltungsträger 100 umfasst einen Keramikkörper 1, in dessen Volumenbereich sich Zwischenräume 3 befinden, die frei von Keramik sind. Der Keramikkörper 1 besteht aus einem Keramikmaterial, beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumkarbid (SiC) oder Titandiborid (TiB2). Der Keramikkörper 1 kann durch Sintern hergestellt sein. Insbesondere kann es sich bei dem Keramikkörper 1 um eine Schaumkeramik handeln.
  • Die Zwischenräume 3 des Keramikkörpers 1 können ganz oder teilweise mit festen Materialien verfüllt sein. Im Fall einer nur teilweisen Verfüllung mit festem Material enthalten die beiden Zwischenräume 3 ein Gas oder ein Gasgemisch, beispielsweise Luft. Um größere Fülltiefen zu erreichen ist es zweckmäßig, wenn der bereitgestellte Keramikkörper 1 eine offenporige Struktur aufweist.
  • Im Bereich der Unterseite 1b des Keramikkörpers 1 sind die Zwischenräume 3 mit einem Füllmetall 2, beispielsweise Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Antimon (Sb), Strontium (Sr), oder Zink (Zn) gefüllt, oder mit einer Legierung, die zumindest zu 90 Atom% aus einem oder mehreren dieser Metalle besteht. mit zumindest einem dieser Metalle, gefüllt. Zum Beispiel kann das Füllmetall 2 vollständig oder zu mindestens 90 Atom% aus Kupfer bestehen, oder vollständig oder zu mindestens 90 Atom% aus Aluminium, oder ausschließlich aus Aluminium und Kupfer, oder zu mindestens 90 Atom% aus Kupfer und Aluminium.
  • Das Füllmetall 2 erstreckt sich ausgehend von der Unterseite 1b des Keramikkörpers 1 in der vertikalen Richtung v bis in eine Tiefe d12 in den Keramikkörper 1 hinein. Die Tiefe d12 gibt somit den Überlapp zwischen dem Keramikkörper 1 und dem Füllmetall 2 in der vertikalen Richtung v an. Die Tiefe d12 kann beispielsweise wenigstens 1 mm betragen, was natürlich eine Dicke d1 des Keramikkörpers 1 von mehr als 1 mm voraussetzt. Beispielsweise kann die Tiefe d12 auch wenigstens das 0,1-fache und/oder höchstens das 0,9-fache der Dicke d1 des Keramikkörpers 2 betragen. Zum Beispiel können die Zwischenräume 3 des Keramikkörpers 1 in einer senkrecht zur vertikalen Richtung v verlaufenden Schicht 12 von im wesentlichen konstanter Dicke, die gleich der Tiefe d12 sein kann, vollständig mit dem Füllmetall 2 gefüllt sein.
  • In den nicht mit dem Füllmetall 2 verfüllten Zwischenräumen befindet sich kein elektrisch leitendes, festes Material. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Zwischenräume 5, die nicht mit dem festen Metall 2 verfüllt sind, mit einem Gas oder Gasgemisch, beispielsweise Luft, gefüllt.
  • Diejenigen der Zwischenräume 3, die nicht mit dem festen Füllmetall 2 verfüllt sind, dienen dazu, die elektrische Isolation des Schaltungsträgers sicherzustellen. Sie erstrecken sich, bezogen auf die Oberseite 1t des Keramikkörpers 1, in der vertikalen Richtung v bis in eine maximale Tiefe d10 in den Keramikkörper 1 hinein.
  • Der Schaltungsträger gemäß 2 unterscheidet sich von dem Schaltungsträger gemäß 1 dadurch, dass das Füllmetall 2 auf der der Oberseite 1t des Keramikkörpers 1 abgewandten Seite des Keramikkörpers 1 eine durchgehende, ununterbrochene Schicht 20 ausbildet, die in der vertikalen Richtung v eine minimale Dicke d20 aufweist. Diese Dicke d20 kann beispielsweise weniger als 10 mm betragen, z.B. im Bereich von 100 µm bis 500 µm liegen. Die Schicht 20 kann sich in jeder zur vertikalen Richtung v senkrechten Richtung über die gesamten Abmessungen des Keramikkörpers 1 erstrecken, so dass die gesamte Unterseite 1b des Keramikkörpers 1 von der Schicht 20 bedeckt ist.
  • Gemäß einer weiteren optionalen, in 3 gezeigten Ausgestaltung kann ein Keramikkörper 1 im Bereich seiner Oberseite 1t des Keramikkörpers 1 mit einem festen Dielektrikum 4 versehen sein, das sich ausgehend von der Oberseite 1t des Keramikkörpers 1 entgegen der vertikalen Richtung v bis zu einer Tiefe d14 in den Keramikkörper 1 hinein erstreckt. Die Tiefe d14 gibt somit den Überlapp zwischen dem Keramikkörper 1 und dem festen Dielektrikum 4 in der vertikalen Richtung v an. Die Tiefe d14 kann z.B. 10 µm bis 200 µm betragen, oder 0,1 mm bis 3 mm.
  • Bei dem festen Dielektrikum 4 kann es sich z.B. um ein nicht-keramisches Dielektrikum, z.B. ein Polymer, ein Epoxidharz oder ein Polyimid, Glas, handeln, oder aber um ein keramisches Material wie z.B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Berylliumoxid, Titandiborid.
  • Optional kann das feste Dielektrikum 4 oberhalb der Oberseite 1t eine durchgehende, ununterbrochene Schicht 40 aufweisen, die sich in jeder Richtung senkrecht zur vertikalen Richtung v über die gesamten Abmessungen des Keramikkörpers 1 erstreckt, so dass die gesamte Oberseite 100t des Schaltungsträgers 100 durch das feste Dielektrikum 4 gebildet ist. Die Dicke d40 der ununterbrochenen Schicht 40 kann z.B. wenigstens 100 µm betragen.
  • Bei dem Schaltungsträger 100 gemäß 3 sind nicht sämtliche der Zwischenräume 3 mit festem Material verfüllt. So befinden sich zwischen dem festen Füllmetall 2 und dem festen Dielektrikum 4 noch Zwischenräume 5, die mit Gas oder einem Gasgemisch gefüllt sind.
  • Gemäß einer davon abweichenden, in 4 gezeigten Ausgestaltung können sämtliche der Zwischenräume 3 des Keramikkörpers 1 mit dem festen Füllmetall 2 und dem festen Dielektrikum 4 verfüllt sein. In diesem Fall reicht das Dielektrikum 4 bis an das Füllmetall 2 heran.
  • Die Ausgestaltungen gemäß den 3 und 4 basieren auf der Anordnung gemäß 2, auf die zusätzlich das feste Dielektrikum 4 aufgebracht wurde. Entsprechend kann auch der in 1 gezeigte Schaltungsträger 100 an der Oberseite 1t des Keramikkörpers 1 mit einem festen Dielektrikum 4 versehen werden.
  • Anhand der 5A bis 5J wird nun beispielhaft ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls erläutert, bei dem ein Schaltungsträger mit einem anhand der 1 bis 4 erläuterten Aufbau verwendet wird. 5A zeigt einen Keramikkörper 1 mit einer Oberseite 1t und einer Unterseite 1b, der an der Unterseite 1b mit einer Kühlstruktur 11, beispielsweise Kühlrippen, versehen ist. An der Oberseite 1t ist der Keramikkörper 1 gemäß einer optionalen Ausgestaltung mittels einer umlaufenden Seitenwand 1w wannenförmig ausgebildet. Der Keramikkörper 1 enthält eine Vielzahl von Poren, die mit einem flüssigen Füllmetall 2 gefüllt werden. Hierzu wird der Keramikkörper 1 mit seiner Unterseite 1b voran so weit in ein flüssiges Füllmetall 2 eingetaucht, so dass die im unteren Bereich des Keramikkörpers 1 befindlichen Poren überwiegend vollständig mit dem Füllmetall 2 gefüllt werden. Das flüssige Füllmetall 2 befindet sich vorzugsweise in einer Wanne 30, die im Wesentlichen eine Negativform der Unterseite 1t des Keramikkörpers 1 darstellt. Anschließend wird das Füllmetall 2 unter seinen Schmelzpunkt abgekühlt, so dass es sich verfestigt. Anstelle einer Wanne kann jedoch auch eine flache Unterlage verwendet werden, wenn der Keramikkörper 1 auf das noch feste Metall aufgelegt und dieses dann aufgeschmolzen wird, da das flüssige Metall dann von dem Keramikkörper 1 aufgesaugt wird.
  • 5B zeigt den Keramikkörper 1 im eingetauchten Zustand. In dieser Ansicht ist auch zu erkennen, dass die Wanne 30 optional so geformt sein kann, dass sich zwischen dem eingesetzten Keramikkörper 1 und der Wanne 30 eine durchgehende Metallschicht 20 ausbilden kann, wie sie bereits in den 2 bis 4 gezeigt ist. Um die Entnahme des mit dem erstarrten Füllmetall 2 versehenen Keramikkörpers 1 aus der Form 30 zu erleichtern, kann diese aus Graphit bestehen oder an ihrer Innenseite mit Graphit beschichtet sein.
  • Gemäß einem optionalen, in den 5C und 5D erläuterten Schritt kann auf die Oberseite 1t des Keramikkörpers 1 ein Dielektrikum 4, beispielsweise ein Polymer, aufgelegt (5C) und aufgeschmolzen werden, so dass es in noch nicht mit dem Füllmetall 2 gefüllte Zwischenräume des Keramikkörpers 1 eindringt. Wie gezeigt kann sich das Dielektrikum 4 nach dem Einfüllen bis zum Füllmetall 2 erstrecken. Nach dem Einfüllen des Dielektrikums 4 wird dieses unter seinen Schmelzpunkt abgekühlt und damit verfestigt. Die Menge des verwendeten Dielektrikums 4 kann dabei so gewählt werden, dass es nach dem Abkühlen eine durchgehende dielektrische Schicht 40 ausbildet, die sich auf der Oberseite 1t des Keramikkörpers 1 befindet. Die Anordnung gemäß 5D entspricht damit der Anordnung gemäß 4.
  • Wie in 5E gezeigt ist, kann auf das feste Dielektrikum 4 optional eine Leiterschicht 6 aufgebracht und zu Leiterbahnen und/oder Leiterflächen strukturiert werden. Solche Leiterbahnen bzw. Leiterflächen können als elektrisch leitende Verbindungen eines Schaltkreises des herzustellenden Leistungshalbleitermoduls verwendet werden. Die Herstellung der Leiterschicht 6 kann beispielsweise durch Kaltgasspritzen, oder mittels AMB- oder DCB-Technik erfolgen (AMB = Active Metal Brazing; DCB = Direct Copper Bonding). Zur Herstellung der Leiterschicht 6 kann zunächst eine geschlossene Leiterschicht auf das feste Dielektrikum 4 aufgebracht und nachfolgend strukturiert werden. Als Materialien für die Leiterschicht eignen sich beispielsweise Kupfer, Aluminium, Kohlenstoffverbindungen oder Legierungen mit zumindest einem dieser Metalle.
  • Wie beispielhaft in 5F gezeigt ist, können auf der strukturierten Leiterschicht 6 ein oder mehrere Halbleiterchips 7 montiert und hierzu optional elektrisch leitend mit dieser verbunden werden. Zur Montage können die Halbleiterchips 7 mittels einer Verbindungsschicht 9 stoffschlüssig mit der Leiterschicht 6 verbunden werden. Bei der Verbindungsschicht 9 kann es sich beispielsweise um eine Lotschicht, eine Silber enthaltende Sinterschicht oder um eine Klebstoffschicht aus einem elektrisch leitenden Kleber handeln.
  • Danach kann, sofern dies für die Schaltung des herzustellenden Leistungshalbleitermoduls erforderlich ist, die elektrische Verschaltung des zumindest einen Halbleiterchips 7 vorgenommen werden. Wie in 5G gezeigt ist, können hierzu beispielsweise Bonddrähte 8 eingesetzt werden, die auf die Halbleiterchips 7 und/oder die Leiterschicht 6 und/oder andere Elemente der Schaltung gebondet werden. Anstelle oder zusätzlich von Bonddrähten 8 können auch andere Element wie beispielsweise Verbindungsbleche, Busbars, Bändchen oder beliebige andere elektrisch leitende Verbindungselemente verwendet werden.
  • Um eine externe elektrische Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls zu ermöglichen, können außerdem in 5H gezeigte Anschlusselemente 14 vorgesehen sein, die elektrisch leitend mit der Leiterschicht 6 und/oder mit zumindest einem der Halbleiterchips 7 verbunden werden. Als Verbindungstechniken eigen sich hierbei Löten, Schweißen, Ultraschallbonden, elektrisch leitendes Kleben oder Sintern.
  • Gemäß einer in 5I erläuterten Option kann eine elektrisch isolierende Vergussmasse 16, beispielsweise ein Silikongel, ein Silikonharz oder ein Epoxidharz, auf die Oberseite 100t des Schaltungsträgers aufgebracht werden, das sich zumindest bis zu der der Unterseite 1b des Keramikkörpers 1 abgewandten Seite eines oder aller Halbleiterchips 7 erstreckt. Durch eine derartige Vergussmasse 16 lässt sich die Isolationsfestigkeit des Moduls erhöhen.
  • Optional kann, wie beispielhaft in 5J gezeigt ist, noch ein Gehäusedeckel 13 vorgesehen sein, der den zumindest einen Halbleiterchip 7 auf der der Unterseite 1b des Keramikkörpers 1 abgewandten Seite überdeckt. Hierzu kann der Gehäusedeckel 13 beispielsweise in Nute 15 eingeschnappt werden, sofern der Gehäusedeckel 13 elastisch durchgebogen werden kann. Grundsätzlich kann ein Gehäusedeckel 13 jedoch auch auf beliebige andere Art und Weise oberhalb des mindestens einen Halbleiterchips 7 montiert werden. Optional kann der Gehäusedeckel 13 außerdem Durchführungen aufweisen, durch die die Anschlusselemente 14 bei der Montage des Gehäusedeckels 13 hindurchgeführt werden.
  • Wie aus 5J ebenfalls ersichtlich ist, kann ein Schaltungsträger 100 so ausgestaltet sein, dass ein zusammenhängender, ununterbrochener Raumbereich 18, der die Form eines Quaders mit einer senkrecht zur vertikalen Richtung v verlaufenden Grundfläche von wenigstens 3 mm × 3 mm und in der vertikalen Richtung v eine Dicke d18 von wenigstens 0,1 mm aufweist, zwischen der Oberseite 100t und dem Füllmetall 2 vollständig innerhalb des Keramikkörpers 1 angeordnet ist, frei von elektrisch leitendem Material ist. Ein solcher Raumbereich kann auch bei allen anderen Schaltungsträgern 100 der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein.
  • 6 veranschaulicht eine alternative Ausgestaltung des in 5J gezeigten Moduls, von dem es sich dadurch unterscheidet, dass sich die Leiterschicht 6 unmittelbar auf der Oberseite 1t des Keramikkörpers 1 befindet. Die Herstellung dieses Moduls kann mit denselben, anhand der 5A bis 5J erläuterten Schritte erfolgen, mit dem Unterschied, dass der Schritt des Aufbringens des Dielektrikums 4, also die in den 5C und 5D erläuterten Schritte, entfallen. Somit wird die Leiterschicht unmittelbar auf die Oberseite 1t des Keramikkörpers 1 aufgespritzt.
  • Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, ein Dielektrikum 4 gemäß den 5C und 5D erläuterten Verfahren an der Oberseite 1t des Keramikkörpers 1 vorzusehen mit dem Unterschied, dass sich das Dielektrikum 4 nicht bis zu dem Füllmetall 2 erstreckt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann das feste Dielektrikum 4 auch von dem Füllmetall 2 beabstandet sein. Die Herstellung einer derartigen Ausgestaltung kann gemäß einem anhand der 7A bis 7D erläuterten Verfahren erfolgen, bei dem für das feste Dielektrikum 4 ein LTCC Keramikmaterial verwendet wird (LTCC = Low Temperature Cofired Ceramics). Bei der LTCC Technik wird ein Grünling aus einer keramikhaltigen Paste, die ein keramisches Pulver (z.B. Aluminiumoxid-Pulver), ein Lösungsmittel, ein organisches Bindemittel, ein Dispergiermittel sowie optional mit weitere Bestandteile enthält, in eine gewünschte Form gebracht und gesintert. Der Spitzenwert der Sintertemperatur kann dabei im Bereich von 850°C bis 900°C liegen.
  • Wird ein solcher Grünling 4' entsprechend gemäß 7A auf die Oberseite 1t des Keramikkörpers 1 aufgelegt oder durch Aufsprühen als Schicht auf die Oberseite 1t erzeugt und dann zusammen mit dem Keramikkörper 1, optional unter Einwirkung eines Druckes, mit der die aufgesprühte Schicht gegen den Keramikkörper 1 gepresst wird, gesintert, so kann das Material des Grünlings 4' teilweise in die Zwischenräume des Keramikkörpers 1 eindringen, was im Ergebnis in 7B gezeigt ist. Der Druck kann beispielsweise im Bereich von 5 bar bis 500 bar liegen.
  • Dann können die nicht mit dem festen Dielektrikum 4 gefüllten Zwischenräume oder Poren entsprechend dem anhand der 5A und 5B erläuterten Verfahren ganz oder teilweise mit einem Füllmetall 2 gefüllt werden. Nach dem Sintern liegt der Grünling 4' als festes Dielektrikum 4 vor, das sich, wie in 7C gezeigt ist, bis zum Füllmetall 2 erstrecken kann, das aber alternativ auch vom Füllmetall 2 beabstandet sein kann.
  • Auf die so erhaltene Anordnung kann dann der weitere Aufbau mit der Leiterschicht 6, den Halbleiterchips 7, den Verbindungsschichten 9, den Bonddrähten 8 oder weiteren elektrischen Verbindungselementen, sowie externen Anschlusselementen 14, einer Vergussmasse 16 sowie einem Gehäusedeckel 13 erfolgen, was im Ergebnis in 7D für die Alternative gezeigt ist, bei der sich das Füllmetall 2 bis zum starren Dielektrikum 4 erstreckt.
  • Besonders effizient lässt sich ein teilweise mit einem Füllmetall 2 und einem starren Dielektrikum 4 gefüllter Schaltungsträger 100 fertigen, indem das Einbringen des Füllmetalls 2 und des Dielektrikums 4 gleichzeitig erfolgt. Wie in 8A veranschaulicht ist, wird hierzu ein Keramikkörper 1, der, wie vorangehend unter Bezugnahme auf 7A beschrieben, auf seiner Oberseite 1t mit einem Keramik-Grünling 4' versehen wurde, während eines Temperschrittes mit seiner Unterseite 1t voran in ein flüssiges Füllmetall 2 getaucht, so dass sowohl das flüssige Füllmetall 2 als auch das Material des Grünlings 4' in die Zwischenräume des Keramikkörpers 1 eindringen. Während dieses Temperschrittes wird der Grünling 4' gesintert, so dass daraus ein festes Dielektrikum 4 entsteht. Nach dem Temperschritt wird das Füllmetall 2 unter seinen Schmelzpunkt abgekühlt, so dass es erstarrt. Danach sind die Zwischenräume des Keramikkörpers 1 zumindest teilweise sowohl mit Füllmetall 2 als mit festem Dielektrikum 4 gefüllt, was im Ergebnis in 8B gezeigt ist. Wenn die Temperung des Grünlings gleichzeitig mit dem Einbringen des Füllmetalls 2 in die Zwischenräume 3 des Keramikkörpers 1 erfolgt, ist es zweckmäßig, die Temperung in einem Temperaturbereich von 250° bis 1450° oder in einem Temperaturbereich von 500°C bis 1000°C durchzuführen.
  • Die Erfindung wurde vorangehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert. Die Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können miteinander auf beliebige Weise und unabhängig voneinander miteinander kombiniert werden, soweit sich solche Merkmale nicht gegenseitig ausschließen. Im einfachsten Fall weist ein Schaltungsträger 100 lediglich einen Keramikkörper 1 auf, der an seiner Unterseite 1b mit einem festen Füllmetall 2 versehen ist (z.B. 1, 2), oder aber zusätzlich ein festes Dielektrikum 4 an seiner Oberseite 1t (z.B. 3, 4). Optional kann das feste Füllmetall 2 auf der Unterseite 1b des Keramikkörpers 1 eine durchgehende, geschlossene Schicht 20 ausbilden, die die gesamte Unterseite 1b des Keramikkörpers 1 überdeckt. Unabhängig davon kann das feste Dielektrikum 4 auf der Oberseite 1t des Keramikkörpers 1 eine durchgehende, geschlossene Schicht 40 ausbilden, die die gesamte Oberseite 1t des Keramikkörpers 1 überdeckt.
  • Bei den Ausgestaltungen, bei denen ein festes Dielektrikum 4 vorgesehen ist, kann die Einfüllen des Füllmetalls 2 in Zwischenräume 3 bzw. Poren des Keramikkörpers 1 vor, nach oder gleichzeitig mit dem Einbringen des festen Dielektrikums 4 in die Zwischenräume 3 bzw. Poren erfolgen.
  • Der Füllgrad des Keramikkörpers 1 kann so gewählt werden, dass das Gesamtvolumen des in den Zwischenräumen 3 befindlichen Füllmetalls 2 mindestens 10% und höchstens 90% vom Gesamtvolumen des Keramikkörpers 1 beträgt, oder mindestens 20% und höchstens 80% vom Gesamtvolumen des Keramikkörpers 1. Hierbei ist das Gesamtvolumen des Keramikkörpers 1 durch die Summe der Volumina des Keramikmaterials und der Zwischenräume 3 gegeben.
  • Der Keramikkörper 1 kann jede beliebige Form aufweisen, z.B. die einer Platte. Seine Unterseite 1t kann eben oder mit Kühlstrukturen 11, beispielsweise Kühlrippen, und/oder anderen Strukturen versehen sein. Unabhängig davon kann die Oberseite 1b eben sein, oder z.B. Seitenwände 1w zur Ausbildung einer Wanne aufweisen.
  • Die bei einzelnen Ausführungsbeispielen angegebenen Dicken, Dickenbereiche bzw. Tiefen lassen sich grundsätzlich und in beliebigen Kombinationen miteinander bei allen beliebigen Ausgestaltungen der Erfindung einsetzen, sofern bestimmte Kombinationen einander nicht ausschließen.

Claims (20)

  1. Schaltungsträger (100) umfassend eine Unterseite (100b); eine in einer vertikalen Richtung (v) von der Unterseite beabstandete Oberseite (100t); einen Keramikkörper (1) aus einem Keramikmaterial, der eine Vielzahl von Zwischenräumen (3) aufweist, in denen sich kein Keramikmaterial befindet; sowie ein festes Füllmetall (2); wobei die Gesamtheit der Zwischenräume (3) teilweise aber nicht vollständig mit dem Füllmetall (2) verfüllt ist.
  2. Schaltungsträger (100) nach Anspruch 1, bei dem der Keramikkörper (1) ein Gesamtvolumen aufweist, das durch die Summe der Volumina des Keramikmaterials und der Zwischenräume (3) gegeben ist, wobei das Volumen des in den Zwischenräumen (3) befindlichen Füllmetalls (2) mindestens 10% und höchstens 90% vom Gesamtvolumen des Keramikkörpers (1) beträgt; oder mindestens 20% und höchstens 80% vom Gesamtvolumen des Keramikkörpers (1) beträgt.
  3. Schaltungsträger (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein zusammenhängender, ununterbrochener Raumbereich (18), der die Form eines Quaders mit einer senkrecht zur vertikalen Richtung (v) verlaufenden Grundfläche von wenigstens 3 mm × 3 mm und in der vertikalen Richtung (v) eine Dicke (d18) von wenigstens 100 µm aufweist, zwischen der Oberseite (100t) und dem Füllmetall (2) vollständig innerhalb des Keramikkörpers (1) angeordnet ist, frei von elektrisch leitendem Material ist.
  4. Schaltungsträger (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Füllmetall (2) einen zwischen der Unterseite (100b) und dem Keramikkörper (1) befindlichen Abschnitt aufweist, in dem das Füllmetall (2) eine durchgehende geschlossene Schicht (20) ausbildet, die die der Oberseite (100t) abgewandte Seite des Keramikkörpers (1) überdeckt.
  5. Schaltungsträger (100) nach Anspruch 4, bei dem die durchgehende geschlossene Schicht (20) in der vertikalen Richtung (v) eine Dicke (d20) von weniger als 10 mm aufweist, oder eine Dicke (d20) im Bereich von 100 µm bis 500 µm.
  6. Schaltungsträger (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Leiterschicht (6), die unmittelbar auf die der Unterseite (100b) abgewandte Seite des Keramikkörpers (1) aufgebracht ist.
  7. Schaltungsträger (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem festen Dielektrikum (4), das die nicht mit dem Füllmetall (2) gefüllten Zwischenräume (3) vollständig oder teilweise verfüllt.
  8. Schaltungsträger (100) nach Anspruch 7, bei dem das feste Dielektrikum (4) einen zwischen der Oberseite (100t) und dem Keramikkörper (2) befindlichen Abschnitt aufweist, in dem das Dielektrikum (4) eine durchgehende geschlossene Schicht ausbildet.
  9. Schaltungsträger (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8 mit einer Leiterschicht (6), die auf die der Unterseite (100b) abgewandte Seite des festen Dielektrikums (4) aufgebracht ist.
  10. Schaltungsträger (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Keramikkörper (1) aus einem der folgenden Materialien besteht oder eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweist: Aluminiumoxid (Al2O3); Aluminiumnitrid (AlN); Siliziumnitrid (Si3N4); Siliziumkarbid (SiC); Titandiborid (TiB2).
  11. Schaltungsträger (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Keramikkörper (1) auf seiner der Unterseite (100b) abgewandten Seite eine wannenförmige Vertiefung aufweist.
  12. Schaltungsträger (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Füllmetall (2) vollständig oder zu mindestens 90 Atom% aus einem der Metalle Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Antimon (Sb), Strontium (Sr), Zink (Zn) besteht; oder aus einer Legierung besteht, die zumindest zu 90 Atom% aus einem oder mehreren der Metalle Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Antimon (Sb), Strontium (Sr), Zink (Zn) besteht.
  13. Schaltungsträger (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, der in der vertikalen Richtung (v) eine Dicke (d100) aufweist, die – wenigstens 0,1 mm oder wenigstens 0,5 mm oder wenigstens 1,0 mm beträgt; und/oder – kleiner oder gleich 20 mm, kleiner oder gleich 50 mm oder kleiner oder gleich 100 mm ist.
  14. Schaltungsträger (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Keramikkörper (1) in der vertikalen Richtung (v) eine Dicke (d1) aufweist und bei dem sich das Füllmetall (2) ausgehend von der Unterseite (100b) des Keramikkörpers 1 in der vertikalen Richtung (v) bis in eine Tiefe (d12) in den Keramikkörper 1 hinein erstreckt, die – wenigstens 1 mm beträgt; oder – wenigstens das 0,1-fache und/oder höchstens das 0,9-fache der Dicke d1 des Keramikkörpers 2 beträgt.
  15. Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterchip (7), der auf der Oberseite (100t) oder auf der Unterseite (100b) eines gemäß einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildeten Schaltungsträgers (100) angeordnet ist.
  16. Verfahren zur Herstellung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildeten Schaltungsträgers (100) mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines porösen, aus einem Keramikmaterial bestehenden Keramikkörpers (1), der eine Oberseite (1t), eine der Oberseite (1t) abgewandte Unterseite (1b), sowie eine Vielzahl von Poren (3) aufweist; Einbringen eines flüssigen Füllmetalls (2) in einen Teil der Poren (3) über die Unterseite (1b), ohne dabei sämtliche im Volumenbereich des Keramikmaterials befindlichen Zwischenräume (3) mit dem Füllmetall (2) zu verfüllen; und nachfolgendes Abkühlen des Füllmetalls (2) bis zu dessen vollständiger Verfestigung.
  17. Verfahren nach Anspruch 16 mit folgenden Schritten: Anordnen eines Dielektrikums (4) in sämtlichen oder einem Teil der nicht mit dem Füllmetall (2) gefüllten Zwischenräume (3).
  18. Verfahren nach Anspruch 17 mit folgenden weiteren Schritten: Bereitstellen eines flüssigen Dielektrikums (4); Vollständiges oder teilweises Verfüllen der nicht mit dem Füllmetall (2) gefüllten Zwischenräume (3) mit dem flüssigen Dielektrikum (4) über die Oberseite (1t) des Keramikkörpers (1); und nachfolgendes Abkühlen des Dielektrikums (4) bis zu dessen vollständiger Verfestigung.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 mit folgenden weiteren Schritten: Bereitstellen einer keramikhaltigen Paste (4') oder Folie; Aufbringen der keramikhaltigen Paste (4') oder Folie auf die Oberseite (1t) des Keramikkörpers (1); Vollständiges oder teilweises Verfüllen der nicht mit dem Füllmetall (2) gefüllten Zwischenräume (3) mit der keramikhaltigen Paste (4') über die Oberseite (1t) des Keramikkörpers (1) während eines Temperschrittes; und Aushärten der keramikhaltigen Paste (4') oder Folie während des Temperschrittes zu einem festen Dielektrikum (4).
  20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem der Temperschritt in einem Temperaturbereich von 250°C bis 1450°C oder von 500°C bis 1000°C durchgeführt wird.
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