DE102013112267A1 - Halbleitermodul mit einer einen Halbleiterbaustein bedeckenden Umhüllungsmasse - Google Patents

Halbleitermodul mit einer einen Halbleiterbaustein bedeckenden Umhüllungsmasse Download PDF

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Abstract

Halbleitermodul (10) mit einer einen Halbleiterbaustein (20) bedeckenden Umhüllungsmasse (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse (30) Zement ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit einer einen Halbleiter bedeckenden Umhüllungsmasse.
  • Das Umhüllen von Einzel-Halbleitern und Halbleiter-Baugruppen (inkl. passiver Bauelemente) auf Substrate geschieht heute vorzugsweise durch organische Massen auf Epoxydharzbasis mit z.T. anorganischen Füllstoffen, wie Siliziumdioxid (SiO2).
  • Diese umhüllten Bauelemente und Baugruppen haben typischerweise elektrische Anschlüsse und Kühlanschlussflächen für die eingebauten Leistungsbauelemente. Gehärtete Epoxydharze (unverstärkt) weisen typische thermische Dehnungskoeffizienten (CTE, coefficient of thermal expansion) von ca. 60–80 ppm/K auf. Substrate (Keramik-, Metall- und Organikkernleiterplatten) besitzen deutlich geringere thermische Ausdehnungskoeffizienten (3–20 ppm/K). Für leistungselektronische Anwendungen stehen Bauelemente und Baugruppen mit hohen Verlustleistungen und zum Teil auch hohen Betriebsspannungen, also Isolationsanforderungen im Mittelpunkt. In leistungselektronischen Bauelementen und Baugruppen werden überwiegend keramische Substrate mit Kernen aus Al2O3, AlN oder Si3N4 mit CTEs von 3–8 ppm/K eingesetzt.
  • Dabei werden diese Baugruppen weiter von organischen Massen umhüllt, die die resultierende Fehlanpassung zum keramischen Substrat durch elastische Dehnung und Modulverformung ausgleichen müssen. Diese Fehlanpassung zwischen keramischem Substrat und Umhüllungsmasse führt aber über den mechanischen Scherstress zu Delaminationen und Zerstörung der inneren Kontaktierung z.B. Bonddrähten.
  • Die Anreicherung des organischen Matrixmaterials durch Füllstoffe mit niedriger Dehnung führt zur niedrigen Viskositäten und kritischem Verhalten während der Verarbeitung. Die Massen werden bei hohen Temperaturen verflüssigt und unter hohem Druck in die Kavitäten der Werkzeugschalen gepresst, um eine lunkerfreie Füllung zu gewährleisten. Dieser Prozess ist allerdings mit steigendem Füllgrad fehlerbehaftet (Lunker) und wegen der hohen Temperaturen (160 °C–200 °C) und Drücken (15–25 MPa) sehr energieaufwändig.
  • Schließlich führt die Notwendigkeit einer organischen Matrix zu einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit, die trotz der Füllstoffbeimengungen in der Regel nur unwesentlich über der Wärmeleitfähigkeit von Epoxydharzen liegt (ca. 0,4 W/mK).
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Halbleitermodul, insbesondere eine leistungselektronische Baugruppe, zu schaffen, die gegenüber thermischem Stress beständig ist.
  • Diese Aufgabe wird durch das Halbleitermodul mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
  • Grundgedanke der Erfindung ist es, Zement als rein anorganisches, metallfreies Material für die Umhüllung von Halbleiterbausteinen einzusetzen. Dabei steht im Vordergrund, dass eine angepasste thermische Dehnung zwischen einem Halbleiter (CTE typ. 2,5–4 ppm/K) und dem Umhüllungsmaterial entsteht.
  • Zemente sind oxydische Materialien und besitzen als anorganische und nichtmetallische Baustoffe eine Eigenschaftskombination, die für den Einsatz zur Umhüllung von Halbleitern vorteilhaft sind, nämlich eine hohe elektrische Isolation (20–100 kV/mm), eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit (1–2 W/mK) und eine niedrige thermische Dehnung (2–10 ppm/K). Zemente werden üblicherweise aus den natürlichen Rohstoffen Kalkstein, Ton und Mergel gewonnen und können als Beimengungen Quarzsand und eisenoxidhaltige Stoffe für eine bessere Sinterung aufweisen. Beispielsweise kann ein für die vorliegende Erfindung besonders bevorzugt verwendeter Zement vorteilhafterweise aus den Basisrohstoffen Magnesiumoxid, Zirkonsilikat und Magnesiumphosphat hergestellt sein.
  • Zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit besitzt die anorganische, umhüllende Masse des Leistungsbauelementes bevorzugt als Zuschlagstoff Aluminiumnitrid und/oder Bornitrid. Günstig auf die Wärmeleitung wirken sich (gegebenenfalls in Kombination mit den vorgenannten Stoffen) auch die Zuschlagstoffe Aluminiumoxid und/oder Siliziumnitrid aus.
  • Bevorzugt stellt die Umhüllungsmasse eine Wärmebrücke dar, die den thermischen Pfad zu einem metallischen Kühlkörper aus Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu) herstellt, der die Berandungsfläche der umhüllten Baugruppe verlässt oder ohne Bedeckung in der Ebene der Oberfläche angeordnet ist. Die Haftung der Masse wird besonders bevorzugt durch eine chemische Bindung (also eine stoffliche Verbindung mit besonders guter Wärmeleitung). So kann durch eine einerseits substratverbundene Kühlung und eine Umhüllungsmassen verbundene Kühlung für mehrseitige Abfuhr von Wärme gesorgt werden.
  • Das unbeschichtete Bauelement auf dem Substrat bzw. die unbeschichtete Baugruppe kann bevorzugt eine haftvermittelnde Schicht (Primer) aufweisen, insbesondere aus einer Poly-Acrylatdispersion. Diese Dispersion wird als dünne Schicht auf die Baugruppe aufgebracht (z.B. durch Sprühen) und bedeckt die zu umhüllenden Bauelemente und die bauteilseitige Fläche des Substrates, soweit sie von der Umhüllungsmasse bedeckt wird.
  • Da Zement typischerweise nach dem Abbinden eine Restporosität aufweist, kann ein feuchtebeständiger Überzug vorgesehen sein. Dazu sind zwei Strategien möglich: Entweder Verfüllen der Kapillaren durch niedrig-viskose Schutzmassen, die durch eine Aushärtung dauerhaft die Kapillaren abdichten – dazu sind insbesondere wässrige Lösungen von Kalium- oder Lithiumsilicaten geeignet. Oder Überziehen der Zementoberfläche mit einer Schutzschicht, die nicht oder nur gering von Feuchtigkeit penetriert wird – dazu geeignet sind insbesondere ausgehärtete Epoxydharzschichten (Lacke).
  • Die Dehnungsunterschiede von Halbleiterbauelementen, Substraten und Umhüllung sind zwar erfindungsgemäß durch Wahl von anorganischem Zement minimiert, aber nicht grundsätzlich vermieden. So entstehen durch Temperaturgradienten innerhalb des umhüllten Volumens auch mechanische Spannungen, die insbesondere an den Grenzflächen zu Halbleitern und zum Substrat zu Scherspannung innerhalb des Zementes führen. Zemente sind zwar relativ druckspannungsstabil, aber empfindlich gegenüber Zugspannungen.
  • Daher ist bevorzugt vorgesehen, Fasern in die Rohmasse des Zementes als Zuschlagstoff einzubringen, die die Zugspannung auf ein größeres Volumen verteilen und dadurch die Zugspanungsfestigkeit steigern. Dies führt zu insgesamt höherer Temperaturwechselfestigkeit. Geeignete Fasern müssen, ebenso wie der Zement, elektrisch nicht-leitend und stofflich mit dem Zement verbindungsfähig sein. Anorganische Fasern kommen hier zum Einsatz wie zum Beispiel Glasfasern, Basaltfasern, Borfasern und keramische Fasern, beispielsweise Siliziumkarbidfasern und Aluminiumoxidfasern. Es sind auch hochschmelzende, organische Fasern einsetzbar, wie zum Beispiel Aramidfasern.
  • Die stoffliche Fügemöglichkeit des Zementes ermöglicht eine bevorzugte Wärmeleitung vom verlustleistungsbehafteten Halbleiter über die Zementmasse zum Kühlkörper. Dies kann sowohl einseitig, wie auch – ausgehend vom Halbleiter – mehrseitig sein.
  • Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten besonders bevorzugt ausgebildeten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäß ausgestalteten Halbleitermoduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem die Umhüllungsmasse als glob-top ausgebildet ist;
  • 2 den schematischen Aufbau eines Halbleitermoduls nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, das mit Ausnahme der mechanisch-elektrischen Kontaktzuführungen vollständig von der Umhüllungsmasse umhüllt ist;
  • 3 den schematischen Aufbau eines Halbleitermoduls nach einem dritten Ausführungsbeispiel mit beidseitig des Halbleiters angeordneten Kühlkörpern zur Luftkühlung;
  • 4 den schematischen Aufbau eines Halbleitermoduls nach einem vierten Ausführungsbeispiel mit beidseitig des Halbleiters angeordneten Kühlkörpern zur Wasserkühlung; und
  • 5 den schematischen Aufbau eines Halbleitermoduls nach einem fünften Ausführungsbeispiel mit einem auf der einen Seite des Halbleiters angeordneten Kühlkörper zur Luftkühlung und einem auf der anderen Seite des Halbleiters angeordneten Kühlkörper zur Wasserkühlung.
  • 1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäß ausgestalteten Halbleitermoduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem die Umhüllungsmasse als Glob-top ausgebildet ist.
  • 1 zeigt ein bevorzugt als leistungselektronische Baugruppe ausgebildetes Halbleitermodul 10 mit einem Halbleiterbaustein 20, der mit einer erfindungsgemäß aus Zement bestehenden Umhüllungsmasse bedeckt ist. Bevorzugt sind auch die den Halbleiterbaustein 20 kontaktierenden Bonddrähte mit der Umhüllungsmasse zumindest teilweise, besonders bevorzugt aber vollständig bedeckt bzw. umhüllt.
  • Der Halbleiterbaustein ist dabei – wie bekannt – auf einem Keramiksubstrat 50 befestigt, das wiederum auf der Oberseite einer Wärmespreizplatte 70 aufgebracht ist, deren Unterseite mit einem Kühlkörper 80 verbunden ist. Darüber hinaus weist das Halbleitermodul 10 einen Rahmen 60 als Träger von nach Außen geführten elektrischen Kontakten auf.
  • Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ist die aus Zement bestehende Umhüllungsmasse 30 lediglich als den Halbleiterbaustein 20 und dessen Bonddrähte 40 bedeckender/umhüllender Tropfen („glob-top“) ausgebildet. Der „glob-top“ und die weiteren Oberflächenbereiche des Halbleitermoduls 10 sind dabei von einer Isolationsmasse 90, beispielsweise einem Silikongel, bedeckt.
  • 2 zeigt ein nach einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem rahmenlosen Aufbau konstruiertes Halbleitermodul 10, das mit Ausnahme der elektrischen und thermischen Kontaktflächen vollständig mit der aus Zement bestehenden Umhüllungsmasse umhüllt ist.
  • Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere als Ausgangspunkt für die in den folgenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele:
  • 3 zeigt eine Leistungsbaugruppe mit einer zweiseitig vorgesehenen Luftkühlung, wobei der obere Kühlkörper 80 a mit einer Wärmebrücke bestehend aus der anorganischen Umhüllungsmasse aus Zement, die stofflich den Kühlkörper kontaktiert, und der untere Kühlkörper 80b durch stoffliche Verbindung zum Substrat verbunden ist.
  • Die dargestellte Kühlerstruktur ist jeweils einstückig und mit Kühlrippen oder Kühlstiften versehen, damit ein Luft- oder Wasserdurchtritt möglichst turbulent erfolgt.
  • 4 zeigt eine Leistungsbaugruppe mit zweiseitiger Wasserkühlung entsprechend der in 3 gezeigten Ausgestaltung, wobei die in 4 dargestellte Kühlerstruktur einstückig ausgebildet und mit inneren Wasserführungskanälen versehen, damit ein Wasserdurchtritt möglichst in einer geschlossenen Struktur mit geringer Dichtungslänge erfolgen kann.
  • 5 schließlich zeigt eine Leistungsbaugruppe mit zweiseitiger Kühlung, wobei der untere Kühlkörper 80b erneut einstückig, der obere Kühlkörper 80c aber mehrteilig ausgebildet ist. Die als oberer Kühlkörper 80c dargestellte Kühlerstruktur besteht beispielsweise aus einer Mehrzahl von sich über die Oberseite des Halbleitermoduls 10 erstreckende Kühlplatten oder einer Mehrzahl von sich über der Oberfläche des Halbleitermoduls 10 verteilenden Kühlstiften.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung von Zement als Umhüllungsmasse bzw. Matrix für die Umhüllung von Halbleiterbausteinen oder Halbleiterbaugruppen, insbesondere leistungselektronischen Baugruppen, liegt in einer guten Wärmeleitfähigkeit von 1,2 bis 1,6 W/mK und einer geringen thermischen Dehnung (CTE) von etwa 4,7 ppm/K. Zudem ist Zement halogenfrei und metallverträglich. Da das Umhüllen des Halbleiterbausteins bzw. der Halbleiterbaugruppe unter atmosphärischen Bedingungen und in Temperaturbereichen erfolgen kann, die der Betriebstemperatur des Halbleitermoduls entsprechen, kann sich das Halbleitermodul nicht verziehen. Schließlich ist auch eine Haftung von Zement auf Leiterplattenoberflächen (Cu, Ni/Au) gegeben.

Claims (8)

  1. Halbleitermodul (10) mit einer einen Halbleiterbaustein (20) bedeckenden Umhüllungsmasse (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse (30) Zement ist.
  2. Halbleitermodul (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse (30) als „glob-top“ ausgebildet ist.
  3. Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse (30) die mit dem Halbleiterbaustein (20) verbundenen Bonddrähte (40) wenigstens teilweise umhüllt.
  4. Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zement als Zuschlagstoff Aluminiumnitrid, Bornitrid, Aluminiumoxid und/oder Siliziumnitrid aufweist.
  5. Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zement einen im Zement dispergierten faserigen Bestandteil aufweist.
  6. Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen stofflich mit dem Zement verbundenen Kühlkörper (80, 80a, 80b, 80c).
  7. Halbleitermodul (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (80, 80a, 80b, 80c) ein luftgekühlter oder ein flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper ist.
  8. Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul eine leistungselektronische Baugruppe ist.
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