DE102012222012A1 - Leistungshalbleitereinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungshalbleitereinrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Substrat (2), wobei das Substrat (2) einen elektrisch nicht leitenden Isolierstoffkörper (4) und eine auf einer ersten Seite (22) des Isolierstoffkörpers (4) angeordnete und mit dem Isolierstoffkörper (4) verbundene elektrisch leitende erste Leiterbahn (5a) aufweist, wobei auf der ersten Leiterbahn (5a) ein erstes Leistungshalbleiterbauelement (T1), das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss (C, E) aufweist, angeordnet ist und der erste Laststromanschluss (C) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) mit der ersten Leiterbahn (5a) verbunden ist, wobei ein um den lateralen Rand (14) des Leistungshalbleiterbauelements (T1) umlaufender elektrisch nicht leitender Isolationskörper (12, 12') auf der ersten Leiterbahn (5a) angeordnet ist, wobei der Isolationskörper (12, 12') als keramischer Grünling (12') ausgebildet ist oder aus einer gebrannten Keramik (12) besteht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer diesbezüglichen Leistungshalbleitereinrichtung (1). Die Erfindung schafft eine zuverlässige Leistungshalbleitereinrichtung (1) und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitereinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungshalbleitereinrichtung.
- Bei aus dem Stand der Technik bekannten Leistungshalbleitereinrichtungen sind im Allgemeinen auf einem Substrat Leistungshalbleiterbauelemente, wie z.B. Leistungshalbleiterschalter und Dioden angeordnet und mittels einer Leitungsschicht des Substrats und einer elektrischen Verbindungeinrichtung, die z.B. in Form von Bonddrähten und/oder einem Folienverbund vorliegen kann, miteinander elektrisch leitend verbunden.
- Die Leistungshalbleiterschalter liegen im Allgemeinen in Form von Transistoren, wie z.B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), oder in Form von Thyristoren vor.
- Aus der
DE 10 2007 006 706 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit einer Verbindungseinrichtung und einem Halbleiterbauelement bekannt, wobei zwischen der Verbindungseinrichtung und einem zugeordneten Rand des Halbleiterbauelements ein Isolierstoff angeordnet ist. - Aus der
EP 1 772 902 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einem Leistungshalbleiterbauelement bekannt, wobei ein Isolationsformkörper derart angeordnet ist, dass er allseits an den Rändern des Leistungshalbleiterbauelements anliegt und dieses somit umschließt. - Die Leistungshalbleiterbauelemente sind bei techniküblichen Substraten auf der strukturierten elektrisch leitenden Metallschicht des Substrats angeordnet und ragen somit über Ihre gesamte Höhe einschließlich der im Allgemeinen zur Verbindung des Leistungshalbleiterbauelement mit dem Substrat verwendeten Verbindungsmittelschicht über die Leitungsschicht des Substrats hinaus. Die elektrische Verbindungeinrichtung ist mit der dem Substrat abgewandten Seite der Leistungshalbleiterbauelemente verbunden. Zur elektrischen Isolierung und/oder zum Schutz des jeweiligen lateralen Rands der Leistungshalbleiterbauelemente wird techniküblich ein um den jeweiligen lateralen Rand der Leistungshalbleiterbauelemente umlaufender Isolationskörper aus Silikon angeordnet, wobei die Verbindungeinrichtung über dem Isolationskörper aus Silikon angeordnet ist. Aufgrund der stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der im Allgemeinen im Wesentlichen aus Silizium bestehenden Leistungshalbleiterbauelemente und Silikon, kann eine im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung auftretende Erwärmung der Leistungshalbleiterbauelemente und des Silikons dazu führen, dass der Isolationskörper gegen die elektrische Verbindungeinrichtung drückt und die Verbindung zwischen der elektrischen Verbindungeinrichtung und der dem Substrat abgewandten Seite der Leistungshalbleiterbauelemente beschädigt wird oder sich löst. Insbesondere, wenn die elektrische Verbindungeinrichtung als Folienverbund ausgebildet ist, kann dieses Problem in einem verstärkten Maße auftreten.
- Es ist Aufgabe der Erfindung eine zuverlässige Leistungshalbleitereinrichtung zu schaffen und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Substrat, wobei das Substrat einen elektrisch nicht leitenden Isolierstoffkörper und eine auf einer ersten Seite des Isolierstoffkörpers angeordnete und mit dem Isolierstoffkörper verbundene elektrisch leitende erste Leiterbahn aufweist, wobei auf der ersten Leiterbahn ein erstes Leistungshalbleiterbauelement, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss aufweist, angeordnet ist und der erste Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements mit der ersten Leiterbahn verbunden ist, wobei ein um den lateralen Rand des Leistungshalbleiterbauelements umlaufender elektrisch nicht leitender Isolationskörper auf der ersten Leiterbahn angeordnet ist, wobei der Isolationskörper als keramischer Grünling ausgebildet ist oder aus einer gebrannten Keramik besteht.
- Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungshalbleitereinrichtung mit folgenden Verfahrensschritten:
- a) Bereitstellen eines Substrats, wobei das Substrat einen elektrisch nicht leitenden Isolierstoffkörper und eine auf einer ersten Seite des Isolierstoffkörpers angeordnete und mit dem Isolierstoffkörper verbundene elektrisch leitende erste Leiterbahn aufweist,
- b) Anordnen eines ersten Leistungshalbleiterbauelements, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss aufweist, auf der ersten Leiterbahn,
- c1) Aufbringen einer keramischen Suspension umlaufend und anliegend um den lateralen Rand des ersten Leistungshalbleiterbauelements auf der ersten Leiterbahn und Umwandeln der keramischen Suspension in einen keramischen Grünling durch Temperaturbeaufschlagung der keramischen Suspension, oder
- c2) Anordnen eines keramischen Grünlings auf der ersten Leiterbahn, wobei der keramische Grünling eine derartige Form ausweist und derartig angeordnet wird, dass nach dem Anordnen der keramische Grünling umlaufend um den lateralen Rand des ersten Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist, oder
- c3) Anordnen eines aus einer gebrannten Keramik bestehenden elektrisch nicht leitenden Isolationskörpers auf der ersten Leiterbahn, wobei der Isolationskörper eine derartige Form ausweist und derartig angeordnet wird, dass nach dem Anordnen der keramische Isolationskörper umlaufend um den lateralen Rand des ersten Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist.
- Vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu vorteilhaften Ausbildungen der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung und umgekehrt.
- Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
- Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der zweite Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements mit einer elektrischen Verbindungseinrichtung verbunden ist, da mittels einer elektrischen Verbindungseinrichtung auf einfache Art und Weise eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem zweitem Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements und einem weiteren Element der Leistungshalbleitereinrichtung ermöglicht wird.
- Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die elektrische Verbindungseinrichtung als Folienverbund, der eine erste metallische Folienschicht und eine mit der ersten metallischen Folienschicht verbundene elektrisch isolierende Folienschicht aufweist, ausgebildet ist. Ein Folienverbund ermöglicht eine besonders zuverlässige elektrische Verbindung des zweiten Laststromanschlusses des ersten Leistungshalbleiterbauelements mit einem weiteren Element der Leistungshalbleitereinrichtung.
- Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der zweite Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements mit der elektrischen Verbindungseinrichtung verbunden ist, indem der zweite Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements mit der ersten metallischen Folienschicht, mittels einer Löt-, Sinter- oder einer elektrisch leitfähigen Klebeverbindung, verbunden ist, da hierdurch eine besonders zuverlässige Verbindung des zweiten Laststromanschlusses des ersten Leistungshalbleiterbauelements mit der elektrischen Verbindungseinrichtung sichergestellt wird.
- Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn am ersten Leistungshalbleiterbauelement und am Isolationskörper ein elektrisch nicht leitender erster Isolationsformkörper angeordnet ist, der das erste Leistungshalbleiterbauelement mit dem Isolationskörper mechanisch verbindet, da hierdurch eine zuverlässige mechanische Verbindung des ersten Leistungshalbleiterbauelements mit dem Isolationskörper ermöglicht wird und ein eventuell zwischen Isolationskörper und Leistungshalbleiterbauelement vorhandener Spalt durch den ersten Isolationsformkörper abgedeckt wird und vorzugsweise durch den ersten Isolationsformkörper aufgefüllt wird.
- Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Isolationskörper als keramischer Grünling ausgebildet ist und am lateralen Rand des ersten Leistungshalbleiterbauelements umlaufend anliegend angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird auf einfache Art und Weise eine zuverlässige Anbindung des Isolationskörper an das Leistungshalbleiterbauelement ermöglicht. Insbesondere wird durch diese Maßnahme ein Spalt zwischen dem Isolationskörper und dem Leistungshalbleiterbauelement vermieden. Dadurch kann in der Regel auf die Verwendung des ersten Isolationsformkörpers verzichtet werden.
- Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Isolationskörper eine Nase aufweist, die einen Randbereich der dem Isolierstoffkörper abgewandten Seite des ersten Leistungshalbleiterbauelements abdeckt. Durch diese Maßnahme wird der laterale Rand des ersten Leistungshalbleiterbauelements zuverlässig geschützt. Die Nase verläuft vorzugsweise umlaufend um den Randbereich der dem Isolierstoffkörper abgewandten Seite des ersten Leistungshalbleiterbauelements.
- Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die orthogonal zur ersten Leiterbahn verlaufende maximale Höhenausdehnung des Isolationskörpers mindestens so groß ist, wie der Abstand zwischen der dem Isolierstoffkörper abgewandten Seite des ersten Leistungshalbleiterbauelements von der ersten Leiterbahn. Hierdurch wird eine hohe elektrische Isolationsfestigkeit erzielt.
- Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn beim Verfahrensschritt c2) ein Anordnen eines keramischen Grünlings auf der ersten Leiterbahn erfolgt, wobei der keramische Grünling eine derartige Form ausweist und derartig angeordnet wird, dass nach dem Anordnen der keramische Grünling umlaufend um den lateralen Rand des ersten Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist, wobei anschließend, durch Druckbeaufschlagung des keramischen Grünlings, der keramische Grünling am lateralen Rand des ersten Leistungshalbleiterbauelements umlaufend anliegend angeordnet wird. Durch diese Maßnahme wird auf einfache Art und Weise eine zuverlässige Anbindung des Isolationskörper an das Leistungshalbleiterbauelement ermöglicht. Insbesondere wird durch diese Maßnahme ein Spalt zwischen dem Isolationskörper und dem Leistungshalbleiterbauelement vermieden.
- Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der zweite Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements, mit einer elektrischen Verbindungseinrichtung mittels einer Sinterverbindung verbunden wird, wobei die zur Herstellung dieser Sinterverbindung notwendige Druck- und Temperaturbeaufschlagung der elektrischen Verbindungseinrichtung und des ersten Leistungshalbleiterbauelements in einem Prozessschritt mit der Druckbeaufschlagung des keramischen Grünlings erfolgt. Durch diese Maßnahme wir eine besonders rationelle Herstellung der Leistungshalbleitereinrichtung ermöglicht.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematisierte Schnittdarstellung einer Ausbildung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung, -
2 eine schematisierte Detailansicht in Form einer Schnittdarstellung einer Ausbildung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung, -
3 eine zu2 zugehörige Detailansicht von oben auf eine Ausbildung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung, -
4 eine schematisierte Detailansicht in Form einer Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung, -
5 eine zu5 zugehörige Detailansicht von oben auf eine weitere Ausbildung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung und -
6 eine schematisierte Detailansicht in Form einer Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung. - In
1 ist eine schematisierte Schnittdarstellung einer Ausbildung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung1 dargestellt. In2 ist eine schematisierte Detailansicht in Form einer Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung1 und in3 eine zu2 zugehörige Detailansicht von oben auf die erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung1 dargestellt, wobei der in2 dargestellte Schnitt entlang der in3 dargestellten Line A verläuft. - Die erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung
1 weist ein Substrat2 auf, das beim Ausführungsbeispiel in Form eines DCB-Substrats vorliegt. Das Substrat2 weist einen Isolierstoffkörper4 und eine auf einer ersten Seite22 des Isolierstoffkörpers4 angeordnete und mit dem Isolierstoffkörper4 verbundene elektrisch leitende strukturierte erste Leitungsschicht5 auf, die im Rahmen des Ausführungsbeispiels eine erste und eine zweite Leiterbahnen5a und5b ausbildet. Vorzugsweise weist das Substrat2 eine elektrisch leitende, vorzugsweise unstrukturierte zweite Leitungsschicht3 auf, wobei der Isolierstoffkörper4 zwischen der strukturierten ersten Leitungsschicht5 und der zweiten Leitungsschicht3 angeordnet ist. Die strukturierte erste Leitungsschicht5 des Substrats2 kann z.B. aus Kupfer bestehen. Das Substrat2 kann z.B., wie beim Ausführungsbeispiel, in Form eines DCB-Substrats oder in Form eines Insulated Metal Substrats vorliegen. Im Falle eines DCB-Substrat kann der erste Isolierstoffkörper2 z.B. aus einer Keramik bestehen und die zweite Leitungsschicht3 des ersten Substrats z.B. aus Kupfer bestehen. Im Falle eines Insulated Metal Substrats kann der erste Isolierstoffkörper4 z.B. aus einer Schicht aus Polyimid oder Epoxy bestehen und die zweite Leitungsschicht3 des ersten Substrats aus einem Metallformkörper bestehen. Der Metallformkörper kann z.B. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. - Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Leiterbahnen des Substrats
2 , d.h. beim Ausführungsbeispiel die erste und zweite Leiterbahn5a und5b , eine einzelne oder mehrere übereinanderliegende Beschichtungen (z.B. aus einem Edelmetall (z.B. Silber) oder aus einer Edelmetallverbindung), welche z.B. als Haftvermittlungsschichten und/oder Schutzschichten dienen können, aufweisen können. Die erste und/oder die zweite Leiterbahn5a und5b des Substrats2 können somit jeweilig auch mehrere Schichten aufweisen. - Es sei weiterhin angemerkt, dass im einfachsten Falle das Substrat auch nur eine einzelne Leiterbahn und/oder ein einzelnes Leistungshalbleiterbauelement aufweisen kann.
- Auf der ersten Leiterbahn
5a ist ein erstes Leistungshalbleiterbauelement T1, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss C und E aufweist, angeordnet und der erste Laststromanschluss C des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 ist mit der ersten Leiterbahn5a , z.B. mittels einer Löt-, Sinter-, oder einer elektrisch leitfähigen Klebeschicht6a , verbunden. Auf der zweiten Leiterbahn5b ist ein zweites Leistungshalbleiterbauelement D2, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss A und K aufweist, angeordnet und der erste Laststromanschluss A des zweiten Leistungshalbleiterbauelements D2 ist mit der zweiten Leiterbahn5b , z.B. mittels einer Löt-, Sinter-, oder einer elektrisch leitfähigen Klebeschicht6b , verbunden. - Durch die Laststromanschlüsse fließen die Lastströme, welche im Gegensatz zu Steuerströmen eine hohe Stromstärke aufweisen können.
- Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass im Rahmen des Ausführungsbeispiels das erste Leistungshalbleiterbauelement als Leistungshalbleiterschalter und insbesondere in Form eines IGBTs vorliegt und der erste Laststromanschluss C des Leistungshalbleiterschalters T1 in Form des Kollektors des IGBT und der zweite Laststromanschluss E des Leistungshalbleiterschalters T1 in Form des Emitters des IGBT vorliegt. Der Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalter T1 liegt beim Ausführungsbeispiels in Form des Gate des jeweiligen IGBT vor und ist der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht dargestellt.
- Weiterhin sei an dieser Stelle angemerkt, dass im Rahmen des Ausführungsbeispiels das zweite Leistungshalbleiterbauelement D2 als Diode vorliegt und der erste Laststromanschluss K der Diode in Form der Kathode der Diode und der zweite Laststromanschluss A der Diode in Form der Anode der Diode vorliegt.
- Die Leistungshalbleitereinrichtung
1 weist eine elektrische Verbindungseinrichtung11 auf, die den zweiten Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterbauelement T1 elektrisch leitend mit einem weiteren Element der Leistungshalbleitereinrichtung1 verbindet, wobei beim Ausführungsbeispiel das weitere Element in Form des zweiten Laststromanschlusses K des zweiten Leistungshalbleiterbauelement D2 vorliegt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist die elektrische Verbindungseinrichtung11 als Folienverbund11 , der eine erste metallische Folienschicht8 und eine mit der ersten metallischen Folienschicht8 verbundene elektrisch isolierende Folienschicht9 aufweist, ausgebildet. Vorzugsweise weist der Folienverbund11 eine zweite metallische Folienschicht10 auf, wobei zwischen der ersten und eine zweiten metallischen Folienschicht8 und10 die elektrisch isolierende Folienschicht9 angeordnet ist. Die Folienschichten sind, mittels z.B. eine Klebeverbindung, miteinander verbunden. Die erste metallische Folienschicht8 ist vorzugweise strukturiert ausgebildet und weist infolge ihrer Struktur Unterbrechungen30 auf, so dass die erste metallische Folienschicht8 voneinander elektrisch isoliert angeordnete Leitungsbahnen ausbildet, wobei beim Ausführungsbeispiel manche Leitungsbahnen zu Anschlussflächen reduziert ausgebildet sind. Die zweite metallische Folienschicht10 kann ebenfalls strukturiert ausgebildet sein. Der zweite Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 ist mit der ersten metallischen Folienschicht8 , mittels z.B. einer Löt-, Sinter-, oder einer elektrisch leitfähigen Klebeschicht7a verbunden. Weiterhin ist der zweite Laststromanschluss K des zweiten Leistungshalbleiterbauelements D2 mit der ersten metallischen Folienschicht8 , mittels z.B. einer Löt-, Sinter-, oder einer elektrisch leitfähigen Klebeschicht7b , verbunden. Die erste und zweite metallische Folienschicht8 und10 sind über elektrisch leitende Durchkontaktierungen18 elektrisch leitend miteinander verbunden, so dass beim Ausführungsbeispiel der zweite Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 über die zweite metallische Folienschicht10 mit dem zweiten Laststromanschluss K des zweiten Leistungshalbleiterbauelements D2 elektrisch leitend verbunden ist. - Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Folienverbund
11 gegebenenfalls eine oder mehrere weitere strukturierte oder unstrukturierte metallische Folienschichten, die jeweilig über eine jeweilige weitere elektrisch isolierende Folienschicht voneinander getrennt sind, aufweisen kann. Im einfachsten Fall kann der Folienverbund11 auch nur eine einzelne strukturierte oder eine einzelne unstrukturierte metallische Folienschicht aufweisen, die mit einer elektrisch isolierenden Folienschicht verbunden ist. Die metallischen Folienschichten können z.B. aus Kupfer bestehen. Die metallischen Folienschichten des Folienverbunds können jeweilig eine einzelne oder mehrere übereinanderliegende Beschichtungen (z.B. aus einem Edelmetall (z.B. Silber)- oder einer Edelmetallverbindung), welche z.B. als Haftvermittlungsschichten und/oder Schutzschichten dienen können, aufweisen. Die erste und/oder zweite metallische Folienschicht8 und10 des Folienverbunds11 können somit jeweilig auch mehrere Schichten aufweisen. Weiterhin sei angemerkt, dass die Verbindungseinrichtung11 , insbesondere der Folienverbunds11 , die Leistungshalbleiterbauelemente der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung1 auch mit den Leiterbahnen des Substrats2 elektrisch leitend verbinden können. - Im Folgenden wird die Erfindung anhand des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 beschrieben. Die Erfindung ist beim Ausführungsbeispiel in analoger Form, wie
1 zeigt, auch beim zweiten Leistungshalbleiterbauelement D2 verwirklicht. Falls die Leistungshalbleitereinrichtung mehr als ein einzelnes Leistungshalbleiterbauelement aufweist, kann die Erfindung bei beliebig vielen der Leistungshalbleiterbauelemente der Leistungshalbleitereinrichtung verwirklicht sein. Das oben genannte gilt für alle Ausführungsbeispiele und Ausführungsvarianten der Erfindung, sowie auch für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Leistungshalbleitereinrichtung. - Erfindungsgemäß ist ein um den lateralen Rand
14 des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 umlaufender elektrisch nicht leitender Isolationskörper12 auf der ersten Leiterbahn5a angeordnet, wobei der Isolationskörper12 bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung aus einer gebrannten Keramik besteht. (Beim zweiten Leistungshalbleiterbauelement D2 ist der Isolationskörper12 mit12' bezeichnet und auf der zweiten Leiterbahn5b angeordnet.) Eine gebrannte Keramik weist einen in der Größenordnung ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie Silizium auf, aus dem vorzugsweise im Wesentlichen das erste Leistungshalbleiterbauelement T1 besteht. Eine im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung1 auftretende Erwärmung des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 und des aus einer gebrannten Keramik bestehenden Isolationskörpers12 führen nun nicht mehr wie beim Stand der Technik dazu, dass der Isolationskörper12 gegen die elektrische Verbindungeinrichtung11 , d.h. insbesondere gegen den Folienverbund11 drückt und die Verbindung zwischen der elektrischen Verbindungeinrichtung11 und dem zweiten Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 beschädigt wird oder sich löst. - Zur Herstellung einer gebrannten Keramik wird techniküblich zunächst eine keramische Suspension, die aus einem keramischen Granulat und einer Suspensions Matrix besteht zwischen 120 °C und 500°C erhitzt, so dass sich die keramische Suspension verfestigt und ein sogenannter keramischer Grünling entsteht. Ein keramischer Grünling wird fachspezifisch auch als keramischer Grünkörper bezeichnet. Gegebenenfalls wird techniküblich die keramische Suspension in eine Formvorrichtung gefüllt, so dass der keramische Grünling nach dem Erhitzten eine entsprechend der Formvorrichtung ausgebildete geometrische Form aufweist. Das keramische Granulat basiert vorzugsweise auf eine Si-, Al- und/oder Zr-Verbindung und die Suspensions Matrix basiert vorzugsweise auf einem Epoxid oder einem Silikat. Anschließend wird der keramische Grünling auf mindestens 1000°C erhitzt, so dass durch keramisches Sintern der Bestandteile des keramischen Gründlings eine gebrannte Keramik entsteht. Eine gebrannte Keramik besteht vorzugsweise aus Al2O3, AlN, Si3N4, SiO2 und/oder ZrO2.
- Ein keramischer Grünling weist vorzugsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 20·10–6 1/K bis 80·10–6 1/K auf. Eine gebrannte Keramik weist vorzugsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 6·10–6 1/K bis 15·10–6 1/K auf. Ein keramischer Grünling oder eine gebrannte Keramik weist somit einen in der Größenordnung ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie Silizium auf.
- Ein keramischer Grünling weist vorzugsweise einen Shore-Härte von 60A Shore bis 90A Shore auf. Eine gebrannte Keramik weist vorzugsweise eine Shore-Härte von größer als 95A Shore auf. Eine keramische Suspension weist vorzugsweise eine Shore-Härte von kleiner als 5A Shore auf.
- Ein keramischer Grünling weist vorzugsweise eine Druckfestigkeit von 3·103 N/m2 bis 9·107 N/m2 auf. Eine gebrannte Keramik weist vorzugsweise eine Druckfestigkeit von größer als 4·108 N/m2 auf.
- Eine keramische Suspension weist vorzugsweise eine Viskosität auf, die größer als 0,2 Pa·s ist.
- Gegebenenfalls ist zwischen dem Isolationskörper
12 und dem ersten Leistungshalbleiterbauelement T1 ein Spalt vorhanden. Der Spalt ist in den Figuren nicht dargestellt. - Vorzugsweise ist am ersten Leistungshalbleiterbauelement T1 und am Isolationskörper
12 ein elektrisch nicht leitender erster Isolationsformkörper13 , z.B. aus Silikon angeordnet, der das erste Leistungshalbleiterbauelement T1 mit dem Isolationskörper12 mechanisch verbindet. Der erster Isolationsformkörper13 deckt einen eventuell zwischen dem Isolationskörper12 und dem ersten Leistungshalbleiterbauelement T1 vorhandenen Spalt ab, wobei der erste Isolationsformkörper13 den Spalt gegebenenfalls auch auffüllen kann. Der erster Isolationsformkörper13 bedeckt vorzugsweise den Randbereich20 des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1. Weiterhin ist vorzugsweise am Isolationskörper12 und an der ersten Leiterbahn5a ein elektrisch nicht leitender zweiter Isolationsformkörper19 , z.B. aus Silikon angeordnet ist, der den Isolationskörper12 mit der ersten Leiterbahn5a mechanisch verbindet. Der zweiter Isolationsformkörper19 ist vorzugsweise umlaufend um den Rand des Isolationskörpers12 angeordnet. - In
4 ist eine schematisierte Detailansicht in Form einer Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung dargestellt. In5 ist eine zu4 zugehörige Detailansicht von oben auf die weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung dargestellt, wobei der in4 dargestellte Schnitt entlang der in5 dargestellten Line B verläuft. Die Ausbildung der Erfindung gemäß4 und5 stimmt dabei mit der Ausbildung der Erfindung gemäß1 bis3 bis auf das Merkmal, dass bei der Ausbildung der Erfindung gemäß4 und5 , der Isolationskörper als keramischer Grünling12' ausgebildet ist, überein. Der keramische Grünling12' ist dabei vorzugsweise am lateralen Rand14 des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 umlaufend anliegend angeordnet. - Vorzugsweise weist der Isolationskörper
12' eine Nase15 auf, die den Randbereich20 der dem Isolierstoffkörper abgewandten Seite des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 abdeckt. Es sei angemerkt, dass der Isolationskörper auch bei den anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung eine entsprechende Nase aufweisen kann. Weiterhin sei angemerkt, dass auch bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Isolationskörper als keramischer Grünling ausgebildet ist, wie in2 bezüglich des vorhergehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt, am ersten Leistungshalbleiterbauelement T1 und am Isolationskörper ein elektrisch nicht leitender erster Isolationsformkörper13 , z.B. aus Silikon angeordnet sein kann, der das erste Leistungshalbleiterbauelement T1 mit dem als keramischen Grünling ausgebildeten Isolationskörper12' mechanisch verbindet. Der erste Isolationsformkörper13 deckt, falls der keramische Grünling12' nicht am lateralen Rand14 des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 umlaufend anliegend angeordnet ist, einen eventuell zwischen dem Isolationskörper12' und dem ersten Leistungshalbleiterbauelement T1 vorhandenen Spalt ab, wobei der erste Isolationsformkörper13 den Spalt gegebenenfalls auch auffüllen kann. Der erste Isolationsformkörper13 bedeckt vorzugsweise und gegebenenfalls zusätzlich zur Nase15 , falls der Isolationskörper12' eine Nase15 aufweist, den Randbereich20 des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1. Weiterhin kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie in2 bezüglich des vorhergehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt, am Isolationskörper12 und an der ersten Leiterbahn5a ein elektrisch nicht leitender zweiter Isolationsformkörper19 , z.B. aus Silikon angeordnet ist, der den Isolationskörper12 mit der ersten Leiterbahn5a mechanisch verbindet. Der zweiter Isolationsformkörper19 ist vorzugsweise umlaufend um den Rand des Isolationskörpers12 angeordnet. - Im Folgenden wir ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung beschrieben.
- In einem ersten Verfahrensschritt a) erfolgt ein Bereitstellen eines Substrats
2 , wobei das Substrat2 einen elektrisch nicht leitenden Isolierstoffkörper4 und eine auf einer ersten Seite22 des Isolierstoffkörpers4 angeordnete und mit dem Isolierstoffkörper4 verbundene elektrisch leitende erste Leiterbahn5a aufweist. - In einem weiteren Verfahrensschritt b) erfolgt ein Anordnen des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss C und E aufweist auf der ersten Leiterbahn
5a . Vorzugsweise wird zwischen dem ersten Laststromanschluss C des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 und der ersten Leiterbahn5a ein Verbindungsmittel, das z.B. in Form eines Lots-, Sinterverbindungsmittels- oder eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs vorliegen kann, angeordnet. - In einem weiteren Verfahrensschritt c1) erfolgt ein Anordnen eines aus einer gebrannten Keramik bestehenden elektrisch nicht leitenden Isolationskörpers
12 auf der ersten Leiterbahn5a , wobei der Isolationskörper12 eine derartige Form ausweist und derartig angeordnet wird, dass nach dem Anordnen der keramische Isolationskörper12 umlaufend um den lateralen Rand14 des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 angeordnet ist. Anschließend erfolgt vorzugsweise ein Anordnen eines elektrisch nicht leitenden ersten Isolationsformkörpers13 derart, dass der erste Isolationsformkörper13 das erste Leistungshalbleiterbauelement T1 mit dem Isolationskörper12 mechanisch verbindet und vorzugsweise ein Anordnen eines elektrisch nicht leitenden zweiten Isolationsformkörpers19 derart, dass der zweite Isolationsformkörper19 den Isolationskörper12 mit der ersten Leiterbahn5a mechanisch verbindet. Weiterhin erfolgt anschließend vorzugsweise ein Verbinden des zweiten Laststromanschlusses E mit der elektrischen Verbindungseinrichtung11 . - In einem hierzu alternativen Verfahrensschritt c2) erfolgt ein Anordnen eines keramischen Grünlings
12' auf der ersten Leiterbahn5a , wobei der keramische Grünling12' eine derartige Form ausweist und derartig angeordnet wird, dass nach dem Anordnen der keramische Grünling12' umlaufend um den lateralen Rand14 des Leistungshalbleiterbauelements T1 angeordnet ist, wobei vorzugsweise anschließend durch Druckbeaufschlagung (siehe Bezugszeichen D in4 ) des keramischen Grünlings12' der keramische Grünling12' am lateralen Rand14 des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 umlaufend anliegend angeordnet wird, wobei der keramische Grünling12' einen elektrisch nicht leitenden Isolationskörper12' darstellt. Die Druckbeaufschlagung erfolgt vorzugsweise mit einem Druck von mindestens 20 MPa. Vorzugsweise wird dabei zusätzlich eine Temperaturbeaufschlagung des keramischen Grünling12' mit einer Temperatur von 120°C bis 500°C, insbesondere mit einer Temperatur von 120°C bis 300°C durchgeführt. Anschließend erfolgt vorzugsweise ein Anordnen eines elektrisch nicht leitenden ersten Isolationsformkörpers13 derart, dass der erste Isolationsformkörper13 das erste Leistungshalbleiterbauelement T1 mit dem Isolationskörper12' mechanisch verbindet und vorzugsweise ein Anordnen eines elektrisch nicht leitenden zweiten Isolationsformkörpers19 derart, dass der zweite Isolationsformkörper19 den Isolationskörper12 mit der ersten Leiterbahn5a mechanisch verbindet. Anschließend erfolgt vorzugsweise ein Verbinden des zweiten Laststromanschlusses E mit der elektrischen Verbindungseinrichtung11 mittels z.B. einer Löt-, Sinter- oder einer elektrisch leitfähigen Klebeverbindung. Im Falle einer Sinterverbindung kann die zur Herstellung der Sinterverbindung notwendige Druck- und Temperaturbeaufschlagung der elektrischen Verbindungseinrichtung11 und des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 in einem Prozessschritt mit der Druckbeaufschlagung und gegebenenfalls mit der Temperaturbeaufschlagung des keramischen Grünlings12' erfolgen. - In einem hierzu alternativen Verfahrensschritt c3), der in
6 dargestellt ist, erfolgt ein Aufbringen einer keramischen Suspension12'' umlaufend und anliegend um den lateralen Rand14 des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 auf der ersten Leiterbahn5a und ein Umwandeln der keramischen Suspension12'' in einen keramischen Grünling12' , der einen elektrisch nicht leitenden Isolationskörper12' darstellt, durch Temperaturbeaufschlagung der keramischen Suspension12'' . Die Temperaturbeaufschlagung erfolgt vorzugsweise mit einer Temperatur von 120°C bis 500°C, insbesondere mit einer Temperatur von 120°C bis 300°C. Die keramische Suspension12'' wird im Rahmen des Ausführungsbeispiels mittels eines Dispensers15 umlaufend und anliegend um den lateralen Rand14 des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 auf der ersten Leiterbahn5a aufgebracht. Nach dem Umwandeln der keramischen Suspension12'' in den keramischen Grünling12' erfolgt vorzugsweise ein Verbinden des zweiten Laststromanschlusses E mit der elektrischen Verbindungseinrichtung11 mittels z.B. einer Löt-, Sinter- oder einer elektrisch leitfähigen Klebeverbindung. - Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass vorzugsweise die orthogonal zur ersten Leiterbahn
5a verlaufende maximale Höhenausdehnung b des Isolationskörpers mindestens so groß ist, wie der Abstand a zwischen der dem Isolierstoffkörper4 abgewandten Seite des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 von der ersten Leiterbahn5a . Vorzugsweise ist die orthogonal zur ersten Leiterbahn5a verlaufende maximale Höhenausdehnung b des Isolationskörpers mindestens 110% größer, wie der Abstand a zwischen der dem Isolierstoffkörper4 abgewandten Seite des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 von der ersten Leiterbahn5a . Hierdurch wird eine besonders hohe elektrische Isolationsfestigkeit erzielt. - Es sei angemerkt, dass bei den Ausführungsbeispielen, die dem Isolierstoffkörper
4 abgewandte Seite des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 den zweiten Laststromanschluss E bildet. - Die Leistungshalbleiterbauelemente können z.B. in Form von Leistungshalbleiterschalter oder Dioden vorliegen, wobei die Leistungshalbleiterschalter z.B. in Form von Transistoren, wie z.B. IGBTs oder MOSFETs, oder in Form von Thyristoren vorliegen können.
- Weiterhin sei angemerkt, dass bei der Erfindung die Leistungshalbleiterbauelemente auch im Wesentlichen aus einem anderen Halbleitermaterial wie Silizium bestehen können.
- Es sei angemerkt, dass in den Figuren gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
- 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
-
- DE 102007006706 A1 [0004]
- EP 1772902 A1 [0005]
Claims (11)
- Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Substrat (
2 ), wobei das Substrat (2 ) einen elektrisch nicht leitenden Isolierstoffkörper (4 ) und eine auf einer ersten Seite (22 ) des Isolierstoffkörpers (4 ) angeordnete und mit dem Isolierstoffkörper (4 ) verbundene elektrisch leitende erste Leiterbahn (5a ) aufweist, wobei auf der ersten Leiterbahn (5a ) ein erstes Leistungshalbleiterbauelement (T1), das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss (C, E) aufweist, angeordnet ist und der erste Laststromanschluss (C) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) mit der ersten Leiterbahn (5a ) verbunden ist, wobei ein um den lateralen Rand (14 ) des Leistungshalbleiterbauelements (T1) umlaufender elektrisch nicht leitender Isolationskörper (12 ,12' ) auf der ersten Leiterbahn (5a ) angeordnet ist, wobei der Isolationskörper (12 ,12' ) als keramischer Grünling (12' ) ausgebildet ist oder aus einer gebrannten Keramik (12 ) besteht. - Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laststromanschluss (E) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) mit einer elektrischen Verbindungseinrichtung (
11 ) verbunden ist. - Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindungseinrichtung (
11 ) als Folienverbund (11 ), der eine erste metallische Folienschicht (8 ) und eine mit der ersten metallischen Folienschicht (8 ) verbundene elektrisch isolierende Folienschicht (9 ) aufweist, ausgebildet ist. - Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laststromanschluss (E) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) mit der elektrischen Verbindungseinrichtung (
11 ) verbunden ist, indem der zweite Laststromanschluss (E) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) mit der ersten metallischen Folienschicht (8 ), mittels einer Löt-, Sinter- oder einer elektrisch leitfähigen Klebeverbindung, verbunden ist. - Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Isolationskörper (
12 ) ein elektrisch nicht leitender erster Isolationsformkörper (13 ) angeordnet ist, der das erste Leistungshalbleiterbauelement (T1) mit dem Isolationskörper (12 ) mechanisch verbindet. - Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper als keramischer Grünling (
12' ) ausgebildet ist und am lateralen Rand (14 ) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) umlaufend anliegend angeordnet ist. - Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (
12 ,12' ) eine Nase (15 ) aufweist, die einen Randbereich (20 ) der dem Isolierstoffkörper (4 ) abgewandten Seite des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) abdeckt. - Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die orthogonal zur ersten Leiterbahn (
5a ) verlaufende maximale Höhenausdehnung (b) des Isolationskörpers (12 ,12' ) mindestens so groß ist, wie der Abstand (a) zwischen der dem Isolierstoffkörper (4 ) abgewandten Seite des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) von der ersten Leiterbahn (5a ). - Verfahren zur Herstellung einer Leistungshalbleitereinrichtung (
1 ) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Substrats (2 ), wobei das Substrat (2 ) einen elektrisch nicht leitenden Isolierstoffkörper (4 ) und eine auf einer ersten Seite (22 ) des Isolierstoffkörpers (4 ) angeordnete und mit dem Isolierstoffkörper (4 ) verbundene elektrisch leitende erste Leiterbahn (5a ) aufweist, b) Anordnen eines ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1), das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss (C, E) aufweist, auf der ersten Leiterbahn (5a ), c1) Aufbringen einer keramischen Suspension (12'' ) umlaufend und anliegend um den lateralen Rand (14 ) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) auf der ersten Leiterbahn (5a ) und Umwandeln der keramischen Suspension (12'' ) in einen keramischen Grünling (12' ) durch Temperaturbeaufschlagung der keramischen Suspension (12' ), oder c2) Anordnen eines keramischen Grünlings (12' ) auf der ersten Leiterbahn (5a ), wobei der keramische Grünling (12' ) eine derartige Form ausweist und derartig angeordnet wird, dass nach dem Anordnen der keramische Grünling (12' ) umlaufend um den lateralen Rand (14 ) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) angeordnet ist, oder c3) Anordnen eines aus einer gebrannten Keramik (12 ) bestehenden elektrisch nicht leitenden Isolationskörpers (12 ) auf der ersten Leiterbahn (5a ), wobei der Isolationskörper (12 ) eine derartige Form ausweist und derartig angeordnet wird, dass nach dem Anordnen der keramische Isolationskörper (12 ) umlaufend um den lateralen Rand (14 ) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1 ) angeordnet ist. - Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verfahrensschritt c2) ein Anordnen eines keramischen Grünlings (
12' ) auf der ersten Leiterbahn (5a ) erfolgt, wobei der keramische Grünling (12' ) eine derartige Form ausweist und derartig angeordnet wird, dass nach dem Anordnen der keramische Grünling (12' ) umlaufend um den lateralen Rand (14 ) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) angeordnet ist, wobei anschließend, durch Druckbeaufschlagung des keramischen Grünlings (12' ), der keramische Grünling (12' ) am lateralen Rand (14 ) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) umlaufend anliegend angeordnet wird. - Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laststromanschluss (E) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1), mit einer elektrischen Verbindungseinrichtung (
11 ) mittels einer Sinterverbindung verbunden wird, wobei die zur Herstellung dieser Sinterverbindung notwendige Druck- und Temperaturbeaufschlagung der elektrischen Verbindungseinrichtung (11 ) und des ersten Leistungshalbleiterbauelements (T1) in einem Prozessschritt mit der Druckbeaufschlagung des keramischen Grünlings (12' ) erfolgt.
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