DE102014100196A1

DE102014100196A1 - Verfahren zum elektrophoretischen Abscheiden (EPD) eines Films auf einer exponierten leitfähigen Oberfläche und ein elektrisches Bauteil daraus

Info

Publication number: DE102014100196A1
Application number: DE102014100196.6A
Authority: DE
Inventors: Tien Shyang Law; Lay Yeap Lim; Sung Hoe Yeong
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2014-07-10
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: DE102014100196B4; US9303327B2; US20140192500A1; CN103943575A

Abstract

Ein System, ein gehäustes Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines gehäusten Bauteils sind offenbart. In einer Ausführungsform weist ein System einen Bauteilträger auf, ein auf dem Bauteilträger angeordnetes Bauteil und eine Isolationsschicht, die auf einer elektrisch leitenden Oberfläche von zumindest einem aus dem Bauteilträger und dem Bauteil abgeschieden ist, wobei die Isolationsschicht ein Polymer und ein anorganisches Material mit einer Durchschlagfestigkeit gleich oder größer als 15 WS-kV/mm und einer Wärmeleitfähigkeit gleich oder größer als 15 W/m·K aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein gehäustes Bauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung, und insbesondere die elektrophoretische Abscheidung (EPD) eines Films auf einem gehäusten Bauteil.
Die Notwendigkeit, kleinere, dünnere, leichtere, kostengünstigere elektronische Systeme mit geringerem Leistungsverbrauch, mannigfaltigeren Funktionalitäten und höherer Zuverlässigkeit bereitzustellen, hat in allen involvierten technischen Bereichen einen Strom von technologischen Innovationen ausgelöst. Dies trifft auf jedem Fall auch auf die Bereiche des Zusammenbaus und der Gehäusung zu, wodurch eine schützende Umhüllung gegen mechanische und thermische Einflüsse von außen sowie chemische oder strahleninduzierte Angriffe bereitgestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein System einen Bauteilträger auf, ein auf dem Bauteilträger angeordnetes Bauteil und eine Isolationsschicht, die auf einer elektrisch leitenden Oberfläche von zumindest einem aus dem Bauteilträger und dem Bauteil abgeschieden ist, wobei die Isolationsschicht ein Polymer und ein anorganisches Material (anorganische Elemente oder anorganische chemische Verbindungen) mit einer Durchschlagfestigkeit gleich oder größer als 15 WS-kV/mm und einer Wärmeleitfähigkeit gleich oder größer als 15 W/m·K aufweist.
In einer Ausgestaltung kann das Polymer ein Epoxidharz aufweisen und das anorganische Material kann Bornitrid aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das Polymer ein Epoxidharz aufweisen und das anorganische Material kann ein Aluminiumoxid aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das Polymer ein Acrylharz aufweisen und das anorganische Material kann Bornitrid aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das Polymer ein Acrylharz aufweisen und das anorganische Material kann Aluminiumoxid aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann die elektrisch leitende Oberfläche ein Kühlkörper sein, und der Kühlkörper kann Teil des Bauteilträgers sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Isolationsschicht eine Dicke von weniger als 35 μm aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Verfahren zur Herstellung eines gehäusten Bauteils auf das Platzieren eines Bauteils auf einem Bauteilträger, das Verkapseln von zumindest einem Teil des Bauteils und des Bauteilträgers mit einem Verkapselungskörper und das gemeinsame elektrophoretische Abscheiden von organischen Molekülen und anorganischen Elementen, wodurch ein Isolationsfilm auf einer leitenden Oberfläche des Bauteils, des Bauteilträgers oder des Verkapselungskörpers ausgebildet wird.
In einer Ausgestaltung kann das Verfahren weiterhin gemeinsam abgeschiedene organische Moleküle und die anorganischen Elemente aufweisen, wodurch der Isolationsfilm als Polymerfilm, der die anorganischen Elemente aufweist, ausgebildet wird. In noch einer Ausgestaltung kann das gemeinsame elektrophoretische Abscheiden das teilweise Eintauchen des gehäusten Bauteils in ein flüssiges Medium eines Geräts zur elektrophoretischen Abscheidung aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das elektrophoretische Abscheiden das vollständige Eintauchen des gehäusten Bauteils in ein flüssiges Medium eines Geräts zur elektrophoretischen Abscheidung aufweisen. In noch einer Ausgestaltung können die organischen Moleküle ein Epoxidharz oder ein Acrylharz sein. In noch einer Ausgestaltung können die anorganischen Elemente Bornitrid oder Aluminiumoxid aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein gehäustes Bauteil einen Bauteilträger auf, ein auf dem Bauteilträger angeordnetes Bauteil und einen Verkapselungskörper, der den Bauteilträger und das Bauteil zumindest teilweise verkapselt. Das gehäuste Bauteil weist ferner eine Isolationsschicht auf, die auf einem Kühlkörper des Bauteilträgers abgeschieden ist, wobei die Isolationsschicht ein Polymer und ein anorganisches Material mit einer Durchschlagfestigkeit gleich oder größer als 15 WS-kV/mm und einer Wärmeleitfähigkeit gleich oder größer als 15 W/m·K aufweist.
In einer Ausgestaltung kann das Polymer ein Epoxidharz aufweisen und das anorganische Material kann Bornitrid aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann Polymer ein Epoxidharz aufweisen und das anorganische Material kann ein Aluminiumoxid aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das Polymer ein Acrylharz aufweisen und das anorganische Material kann Bornitrid aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das Polymer ein Acrylharz aufweisen und das anorganische Material kann Aluminiumoxid aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann der Bauteilträger ein Leiterrahmen sein und das Bauteil kann einen Leistungshalbleiterchip aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das Bauteil weiterhin einen Logikchip aufweisen, der auf dem Leistungshalbleiterchip angeordnet ist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
1 ein Gerät für ein elektrophoretisches Abscheide-(EPD-)Verfahren zeigt;
2 eine Ausführungsform eines EPD-Verfahrens an einem gehäusten Bauteil zeigt;
3a eine Ausführungsform der durch EPD abgeschiedenen Schicht zeigt;
3b eine Ausführungsform einer durch EPD abgeschiedenen Schicht nach dem Härten zeigt; und
4 eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines gehäusten Bauteils zeigt.
Die Herstellung und Verwendung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen ist nachstehend im Detail erläutert. Es gilt jedoch darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung zahlreiche anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, die in verschiedensten spezifischen Kontexten umgesetzt werden können. Die erläuterten spezifischen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung spezifischer Möglichkeiten zur Herstellung und Verwendung der Erfindung und schränken den Schutzumfang der Erfindung nicht ein.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich bei elektrophoretischer Abscheidung (EPD) eines Isolationsfilms auf Metalloberflächen. Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auch zur EPD eines Films auf anderen Oberflächen (einschließlich leitender Oberflächen) eingesetzt werden. Ferner können Ausführungsformen der Erfindung auch bei anderen elektrochemischen Abscheideverfahren, wie z. B. Galvanisierungsverfahren, eingesetzt werden.
Ausführungsformen der Erfindung stellen eine gleichmäßige Beschichtungsdicke einer Isolationsschicht auf Oberflächen bereit. Weitere Ausführungsformen stellen eine kosteneffiziente Möglichkeit zur Beschichtung von komplexen Oberflächen mit einer Isolationsschicht bereit. Und schließlich stellen Ausführungsformen der Erfindung die gemeinsame Abscheidung von organischen Molekülen mit einem anorganischen Material mit hervorragenden elektrischen Isolationseigenschaften und hervorragenden Wärmeleitungseigenschaften bereit.
1 zeigt ein Beispiel für ein Gerät für ein elektrophoretisches Abscheide-(EPD-)Verfahren 100, das zur Abscheidung einer Isolationsschicht auf einer Oberfläche, wie z. B. einer Kühlkörper, verwendet wird. Das Gerät für das EPD-Verfahren 100 weist eine Reaktorkammer 110 (z. B. ein Bad) auf, die mit einem flüssigen Medium 120 gefüllt ist. Eine erste Elektrode (z. B. Anode) 140 ist in der Mitte der Reaktorkammer 110 positioniert, wo die EPD stattfindet. Zwei zweite Elektroden (z. B. Kathoden) 130 befinden sich im gleichen Abstand von der ersten Elektrode 140 in Randbereichen der Reaktorkammer 110. Eine Gleichspannungsquelle (DC Quelle) 150 steht in leitendem Kontakt mit der ersten Elektrode 140 und den zweiten Elektroden 130. Die Gleichspannungsquelle stellt das elektrische Feld bereit, um die Bewegung von negativ geladenen Teilchen 125, die sich zur ersten Elektrode 140 hin bewegen, zu initiieren und aufrechtzuerhalten. Die geladenen Teilchen 125 sind organische Moleküle, wie z. B. Monomere oder Polymere, die einen leitenden Bestandteil aufweisen. Um Sedimentation zu vermeiden und eine gleichmäßige Polymerabscheidung sicherzustellen, wird das flüssige Medium 120 kontinuierlich gerührt und eine konstante Temperatur wird mithilfe eines Temperaturstabilisierungssystems (nicht dargestellt) aufrechterhalten.
Ein gehäustes Bauteil wird auf der ersten Elektrode 140 angeordnet oder zwischen Klammern von dieser festgeklemmt. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes lagern sich die geladenen organischen Moleküle 125 auf einer leitenden Oberfläche eines gehäusten Bauteils an der ersten Elektrode 140 an und bilden eine gleichmäßige organische Materialschicht. Gleichzeitig wird ein anorganisches Isolationsmaterial (z. B. anorganische Elemente oder anorganische chemische Verbindungen) mit hoher Wärmeleitfähigkeit abgeschieden. Die geladenen organischen Moleküle (z. B. Monomere oder Polymere) 125 entladen sich anschließend, um eine kohärente ungeladene organische/anorganische Schicht oder Beschichtung (Isolationsschicht oder -beschichtung) auf einer leitenden Oberfläche des gehäusten Bauteils zu bilden. In manchen Ausführungsformen wird gleichzeitig mehr als eine organische Molekülart abgeschieden. In manchen Ausführungsformen wird mehr als eine Art von anorganischem Isolationsmaterial gleichzeitig abgeschieden. Beispielsweise werden ein Monomer und ein Polymer (oder zwei unterschiedliche Arten von Monomeren oder Polymeren) gleichzeitig abgeschieden und/oder Bornitrid und Aluminiumoxid werden gleichzeitig abgeschieden.
Die Isolationsbeschichtung weist große Einheitlichkeit in der Dicke auf, auch wenn sie auf komplexen Strukturen mit schwer zu erreichenden Oberflächenabschnitten abgeschieden ist. Die Isolationsschicht kann selektiv auf bestimmten leitenden Bereichen des gehäusten Bauteils abgeschieden werden.
Die anfangs hohe Abscheidegeschwindigkeit von geladenen organischen Molekülen 125 (und das anorganische Isolationsmaterial) kann nach einer Zeit aufgrund der zunehmenden Isolation der abgeschiedenen Isolationsbeschichtung abnehmen. So können die EPD-Verfahren in gewissem Ausmaß selbstlimitierend sein.
In manchen Ausführungsformen können die organischen Moleküle (z. B. Monomere oder Polymere) ein Epoxidharz oder ein Acrylharz sein. Alternativ dazu können die organischen Moleküle auch andere Monomere oder Polymere aufweisen. Das anorganische Material (z. B. anorganische chemische Elemente oder Verbindungen) weist Bornitrid (BN) (Durchschlagfestigkeit: 95 WS-kV/mm und Wärmeleitfähigkeit: 30 W/m·K) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) (Durchschlagfestigkeit: 17 WS-kV/mm und Wärmeleitfähigkeit 18 W/m·K) auf. Alternativ dazu kann das anorganische Material auch andere anorganische Materialien mit einer Durchschlagfestigkeit gleich oder größer als 15 WS-kV/mm und einer Wärmeleitfähigkeit gleich oder größer als 15 W/m·K aufweisen.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Abscheidung von Bornitrid und Polymermolekülen auf einem Kühlkörper eines gehäusten Bauteils 200 durch ein elektrophoretisches Abscheide-(EPD-)Verfahren. Das gehäuste Bauteil 208 weist ein Bauteil 250 und einen Kühlkörper oder einen Bauteilträger 210 auf. Das gehäuste Bauteil 200 weist ferner Anschlüsse 280 auf. Die Anschlüsse 280 sind mit einem positiven Potenzial oder mit der ersten Elektrode des Geräts für ein EPD-Verfahren aus 1 verbunden.
Das Bauteil 250 weist eine erste Hauptfläche oder Oberseite 255 und eine zweite Hauptfläche oder Unterseite 256 auf. Die Oberseite 255 kann die Vorderseite des Bauteils 250 sein, und die Unterseite 256 kann die Rückseite des Bauteils 250 sein. In manchen Ausführungsformen ist die erste Hauptfläche 255 die Oberfläche, wo die aktiven Bereiche vorwiegend beschichtet werden, und die zweite Hauptfläche 256 ist die Oberfläche, wo der aktive Bereich frei ist oder die vorwiegend frei von aktiven Bereichen ist.
Das Bauteil 250 weist ein Substrat auf. Das Substrat kann ein Halbleitersubstrat, wie z. B. Silizium oder Germanium, oder ein Verbundsubstrat, wie z. B. SiGe, GaAs, InP, GaN oder SiC, sein. Das Substrat kann dotiert oder undotiert sein und eine oder mehrere Töpfe aufweisen. Das Halbleitersubstrat kann ein Silizium-Einkristall oder Silizium auf einem Isolator (SOI) sein. Auf dem Substrat können eine oder mehrere Zwischenverbindungs-Metallisierungsschichten angeordnet sein. Auf den Zwischenverbindungs-Metallisierungsschichten kann eine Passivierungsschicht angeordnet sein, um Bauteil-Kontaktinseln des Bauteils 250 elektrisch zu isolieren und/oder zu strukturieren.
Das Bauteil 250 kann ein Chip oder ein Nacktchip (Bare Die) sein. Das Bauteil 250 kann einen diskreten Chip, wie z. B. einen einzelnen Halbleiterchip oder einen Chip mit integriertem Schaltkreis (IC), aufweisen. Beispielsweise kann das Bauteil 250 eine Halbleitervorrichtung, wie z. B. einen MOSFET, oder eine Leistungshalbleitervorrichtung, wie z. B. einen Bipolartransistor, einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), einen Leistungs-MOSFET, einen Thyristor oder eine Diode, aufweisen. Alternativ dazu kann das Bauteil 250 beispielsweise ein Widerstand, eine Schutzvorrichtung, ein Kondensator, ein Sensor oder ein Detektor sein. Das Bauteil 250 kann ein Ein-Chip-System (SoC) sein. In manchen Ausführungsformen weist das Bauteil 250 einen diskreten Transistorchip auf, wobei die Oberseite 255 eine Source (oder alternativ dazu ein Drain) aufweist und die Unterseite 256 ein Drain (oder alternativ dazu eine Source) aufweist.
In manchen Ausführungsformen wird ein weiteres Bauteil 251 auf dem Bauteil 250 angeordnet. Das weitere Bauteil 251 kann das Bauteil 250 steuern oder schalten. In einem Beispiel ist das Bauteil 250 ein diskreter Leistungshalbleiterschalterchip und das weitere Bauteil 251 ein Logikchip, der konfiguriert ist, um den diskreten Leistungshalbleiterschalter zu schalten.
Der Bauteilträger 210 kann ein leitendes Material, einen Leiterrahmen oder eine Leiterplatte (PCB) aufweisen. Zumindest ein Abschnitt des Bauteilträgers 210 kann ein Kühlkörper sein. In einer Ausführungsform ist der Bauteilträger 210 ein Leiterrahmen, der ein Metall, wie z. B. Kupfer (Cu) oder eine Kupferlegierung, Nickel (Ni) oder eine Nickellegierung, Silber (Ag) oder eine Silberlegierung, oder eine Kombination davon aufweist.
Das Bauteil 250 ist im Bauteilplatzierbereich mit dem Bauteilträger 210 verbunden. Beispielsweise ist die Unterseite 256 des Bauteils 250 mit der Oberseite des Bauteilträgers 210 verbunden. In manchen Ausführungsformen ist das Bauteil 250 durch eine Weichlötverbindung (Bonden) oder Diffusionslötverbindung (Bonden) mit dem Bauteilträger 210 verbunden. In alternativen Ausführungsformen ist das Bauteil 250 durch eine leitende Klebeverbindung, wie z. B. eine leitende Kleberschicht oder ein leitendes Klebeband, an den Bauteilträger 210 gebondet oder geklebt.
In manchen Ausführungsformen ist der Kühlkörper 210 über der gesamten Unterseite 201 des gehäusten Bauteils 200 angeordnet. In alternativen Ausführungsformen ist der Kühlkörper 210 in einem Abschnitt oder Bereich der Unterseite 201 des gehäusten Bauteils 200 angeordnet. In manchen Ausführungsformen kann der Kühlkörper 210 im Wesentlichen den gleichen Bereich aufweisen wie die Unterseite 256 des Bauteils 250. In weiteren Ausführungsformen kann der Kühlkörper 210 einen größeren Bereich aufweisen als die Unterseite 256 des Bauteils 250, aber einen kleineren Bereich als die Unterseite 201 des gehäusten Bauteils 200.
In manchen Ausführungsformen weist das gehäuste Bauteil 200 ferner leitende Verbindungselemente auf, wie z. B. leitende Klammern oder Drahtverbindungen, welche das Bauteil 250 mit zumindest einem der Anschlüsse 280 verbinden. Beispielsweise sind Bauteilkontakte oder Bauteilkontaktinseln, die auf der Oberseite 255 des Bauteils 250 angeordnet sind, mit manchen der Anschlüsse 280 verbunden, während die Bauteilkontaktfläche auf der Unterseite 256 des Bauteils 250 mit einem oder mehreren anderen Anschlüssen 280 verbunden ist. Die leitenden Verbindungselemente können ein Metall, wie z. B. Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Silber (Ag) oder Gold (Au), aufweisen.
Das gehäuste Bauteil 200 kann ferner einen Verkapselungskörper 260 aufweisen. Der Verkapselungskörper 260 verkapselt zumindest Abschnitte des Bauteils 250, der leitenden Verbindungselemente und des Bauteilträgers 210. Zumindest Abschnitte der Anschlüsse 280 und Abschnitte des Bauteilträgers 210 können nicht verkapselt sein.
Der Verkapselungskörper 260 kann ein Polymer aufweisen. Das Polymer kann beispielsweise Acrylharze, Polyurethanharze, Epoxidharze, Epoxidharze mit einem Härter vom Amintyp oder polare Hochleistungsthermoplaste aufweisen. Alternativ dazu kann der Verkapselungskörper 260 ein Monomer aufweisen. Geeignete Monomere können zumindest eine funktionelle Gruppe, wie z. B. eine Aminstruktur, eine Säurestruktur, eine Carbonylstruktur, eine Sulfonatstruktur, eine Isocyanatstruktur oder eine Hydroxylstruktur, aufweisen.
In manchen Ausführungsformen kann der Verkapselungskörper 260 auf der Seite 202, wo die Anschlüsse 280 aus dem Verkapselungskörper 260 herausragen, dieselbe Gehäusehöhe aufweisen wie auf der gegenüberliegenden Seite 203. In alternativen Ausführungsformen weisen die beiden Seiten 202, 203 des Verkapselungskörpers 260 unterschiedliche Gehäusehöhen auf, z. B. kann die Seite 202, wo die Anschlüsse 280 aus dem Verkapselungskörper 260 herausragen, höher sein als die gegenüberliegende Seite 203.
In manchen Ausführungsformen liegen die Anschlüsse 280 des gehäusten Bauteils 200 in derselben Ebene wie der Kühlkörper 210. In alternativen Ausführungsformen liegen die Anschlüsse 280 des gehäusten Bauteils 200 in einer anderen Ebene. In manchen Ausführungsformen befindet sich der Kühlkörper 210 nicht auf der Unterseite 201 des gehäusten Bauteils 200, sondern auf der Oberseite 204.
2 zeigt, wie die Polymermoleküle 271 und die Bornitridelemente 272 sich auf den Kühlkörper 210 zu bewegen, wenn ein positives Potenzial an das gehäuste Bauteil 200 (insbesondere den Kühlkörper 210) angelegt wird.
3a zeigt eine Isolationsschicht 270 aus Polymermolekülen 271 und Bornitridelementen 272, die auf dem Kühlkörper 210 (z. B. Kupferkühlkörper) ausgebildet ist. Die Polymermoleküle 271 und die Bornitride 272 sind passend gestapelt und geordnet.
3b zeigt die Isolationsschicht 270 nachdem sie in einem Ofen, z. B. einem Vakuumofen, gehärtet wurde. Die Polymermoleküle 271 sind polymerisiert, und Luft und/oder Wasser ist beseitigt. In manchen Ausführungsformen verbleibt das Bornitrid 272 als einzelnes Element in der polymerisierten Isolationsschicht 270.
In manchen Ausführungsformen sind die Polymermoleküle 271 andere organische Moleküle, wie z. B. Monomermoleküle, und das Bornitrid ist ein anderes anorganisches Material, wie z. B. Aluminiumoxid.
4 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines gehäusten Bauteils 400. In einem ersten Schritt 402 wird ein Bauteil auf einem Bauteilträger platziert und daran befestigt. Das Bauteil und der Bauteilträger können dieselben sein wie in Bezug auf 2 beschrieben. Beispielsweise ist das Bauteil ein Leistungshalbleiterchip und der Bauteilträger ein Leiterrahmen, wobei der Drain-(alternativ dazu der Source-) Anschluss des Leistungshalbleiterchips im Platzierungsbereich mit dem Leiterrahmen verbunden ist. Der Leiterrahmen weist einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper kann Teil des Leiterrahmens sein.
Die Unterseite des Bauteils wird mit dem Bauteilträger verbunden. In manchen Ausführungsformen wird eine Metallschicht, die auf der Unterseite des Bauteils abgeschieden ist, durch Löten, eutektisches Bonden oder Epoxidkleben, mit der Oberseite des Bauteilträgers haftschlüssig verbunden. In anderen Ausführungsformen wird die Unterseite des Bauteils unter Verwendung eines leitenden Klebebands, einer Lötpaste oder eines Lötbands, mit der Oberseite des Bauteilträgers verbunden oder daran festgeklebt.
In Schritt 404 werden die Bauteilträger-Kontaktinseln (z. B. Anschlüsse) mit der/den Bauteil-Kontaktinsel(n) des Bauteils verbunden. Leitende Verbindungselemente verbinden die Bauteilträger-Kontaktinseln mit der/den Bauteil-Kontaktinsel(n). Die leitenden Verbindungselemente können leitende Klammern oder Drahtverbindungen sein. Die leitenden Verbindungselemente können drahtgebondet, kugelgebondet, klemmgebondet oder auf andere Weise gebondet werden. Die Source des Leistungshalbleiterchips wird beispielsweise mit einem ersten Anschluss verbunden, und das Gate des Leistungshalbleiterchips wird mit einem zweiten Anschluss verbunden. Der Drain des Leistungshalbleiterchips wird mit einem dritten Anschluss verbunden (z. B. entweder über ein leitendes Verbindungselement oder über den Leiterrahmen).
In Schritt 406 werden der Bauteilträger und die leitenden Verbindungselemente zumindest teilweise mit einem Verkapselungskörper verkapselt. Beispielsweise werden das Bauteil, der Bauteilträger und die leitenden Verbindungselemente mit einer Formmasse verkapselt. Die Formmasse kann ein duroplastisches Material oder ein thermoplastisches Material aufweisen. In manchen Ausführungsformen kann die Formmasse ein grobkörniges Material aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann die Formmasse eingesetzt werden, um das Bauteil und zumindest Abschnitte des Bauteilträgers zu verkapseln. In manchen Ausführungsformen kann das Verkapselungsmaterial ein Laminatmaterial, wie z. B. ein Prepregmaterial, sein.
In Schritt 408 wird zumindest ein Abschnitt der Unterseite des Bauteilträgers (z. B. der Kühlkörper) gereinigt. Die Oberflächenreinigung kann die Hafteigenschaften der Oberfläche verbessern, die mit der Isolationsschicht bedeckt wird. Die Reinigungslösung kann ein alkalischer Reiniger sein, der Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid aufweist, und eine Säurebeize, die Schwefelsäure aufweist. Ein Phosphatierbad kann die Verbesserung der Oberflächenhaftung unterstützen.
In Schritt 410 wird zumindest der Abschnitt der Unterseite des Bauteilträgers (z. B. der Kühlkörper) unter Verwendung von Ausführungsformen der Erfindung EPD-beschichtet. Die organischen Moleküle und die anorganischen Materialien werden gemeinsam abgeschieden, um die Isolationsschicht mit hoher Durchschlagfestigkeit und hervorragender Wärmeleitfähigkeit auszubilden.
Das gehäuste Bauteil kann auf einer ersten Elektrode eines Geräts zur elektrophoretischen Abscheidung (EPD) angeordnet oder festgeklemmt sein. Dann wird das gehäuste Bauteil (mit der ersten Elektrode) in das flüssige Medium eingetaucht. In manchen Ausführungsformen wird das gehäuste Bauteil teilweise in das flüssige Medium eingetaucht. Beispielsweise wird das gehäuste Bauteil so in die Flüssigkeit eingetaucht, dass nur der Kühlkörper, nicht aber die Anschlüsse, mit dem flüssigen Medium bedeckt sind. In anderen Ausführungsformen wird das gehäuste Bauteil vollständig in das flüssige Medium eingetaucht.
In manchen Ausführungsformen wird ein anodisches EPD-Verfahren eingesetzt. In anderen Ausführungsformen wird ein kationisches EPD-Verfahren eingesetzt. In manchen Ausführungsformen weist die anodische Abscheidung 2H₂O → O₂ (Gas) + 4H⁺ + 4e^– auf. Das Emulsionsmonomer/-polymer wird abgeschieden und reagiert mittels (Was.)^– + H⁺.
In manchen Ausführungsformen kann die abgeschiedene Isolationsschicht Monomermoleküle oder Polymermoleküle (z. B. Epoxidharze oder Acrylharze) und ein anorganisches Material mit einer Durchschlagfestigkeit gleich oder größer als 15 WS-kV/mm und einer Wärmeleitfähigkeit gleich oder größer als 15 W/m·K aufweisen. Das anorganische Material kann Bornitrid oder Aluminiumoxid sein.
Im optionalen Schritt 412 wird die EPD-Isolationsschicht in einem Vakuumofen gehärtet. Beispielsweise wird das abgeschiedene Material bei Temperaturen zwischen 100°C und 200°C oder alternativ dazu zwischen 150°C und 160°C gehärtet. In manchen Ausführungsformen wird Luft und/oder Wasser aus dem abgeschiedenen Isolationsmaterial entfernt. Die Härtung kann die abgeschiedenen Monomer- oder Polymermoleküle polymerisieren. Gegebenenfalls wird das anorganische Material nicht polymerisiert und verbleibt als einzelne Elemente in der Isolationsschicht.
Der Isolationsfilm kann etwa 5 μm bis etwa 30 μm dick sein oder alternativ dazu etwa 8 μm bis etwa 15 μm dick sein. In manchen Ausführungsformen kann der Isolationsfilm weniger als 35 μm, weniger als 20 μm oder weniger als 10 μm dick sein.
In manchen Ausführungsformen kann der Kühlkörper mit einem elektrisch isolierenden Dünnfilm oder einem elektrisch isolierenden Ultradünnfilm beschichtet sein. Der Film kann hervorragende Wärmeleitfähigkeit bereitstellen.
Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, dass gehäuste Bauteile, Systeme oder Vorrichtungen rasch mit Polymeren oder Monomeren beschichtet werden können. Genauer gesagt können die gehäusten Bauteile, Systeme oder Vorrichtungen parallel und in großen Mengen verarbeitet werden. Im Vergleich zu anderen Beschichtungsverfahren muss keine Wärme eingesetzt werden. Demgemäß wird die thermomechanische Belastung während der Beschichtung auf ein Minimum reduziert. Das Verziehen von Leiterrahmen während der Beschichtung könnte beispielsweise durch das EPD-Verfahren verhindert werden.
Andere Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind eine gleichmäßige Abscheidung einer elektrisch isolierenden Schicht auf komplexen Oberflächen. Beispielsweise kann eine isolierende Schicht gleichmäßig auf dreidimensionalen Strukturen von Bauteilen/gehäusten Bauteilen abgeschieden werden.
In manchen Ausführungsformen kann der EPD-Film andere Oberflächen (als den Kühlkörper) von gehäusten Bauteilen bedecken, beispielsweise (andere Teile des) Leiterrahmen(s), die leitenden Verbindungselemente und/oder die Oberseite des Bauteils. Die Oberseite des Bauteils kann beispielsweise mit dem EPD-film beschichtet werden, wenn sie exponiert ist (z. B. nicht durch das Verkapselungsmaterial bedeckt ist). Außerdem können die Anschlüsse mit dem EPD-Film beschichtet werden, mit Ausnahme der Bereiche, wo sie konfiguriert sind, um mit einem separaten Bauteil oder einer separaten Vorrichtung verbunden zu werden.
In manchen Ausführungsformen kann eine beliebige leitende oder metallische Oberfläche des gehäusten Bauteils zur Beschichtung mittels EPD ausgewählt werden (z. B. gemeinsame Abscheidung von organischen Molekülen und anorganischem/n Material(ien)). Beispielsweise werden die Oberseite des Bauteils und die leitenden Verbindungselemente EPD-beschichtet, der Bauteilträger aber nicht (z. B. da der Bauteilträger ein nichtleitendes Substrat ist, wird der Bauteilträger abgedeckt oder nicht eingetaucht).
In manchen Ausführungsformen wird das gehäuste Bauteil EPD-beschichtet (z. B. gemeinsame Abscheidung von organischen Molekülen und anorganischem/n Material(ien)), bevor das (zusammengesetzte) gehäuste Bauteil mit dem Verkapselungskörper verkapselt wird. Das vorgehäuste Bauteil (System) wird teilweise oder vollständig eingetaucht, und die leitenden Oberflächen werden mit einer Isolationsschicht überzogen.
In weiteren Ausführungsformen werden verschiedene Elemente des gehäusten Bauteils EPD-beschichtet (z. B. gemeinsame Abscheidung von organischen Molekülen und anorganischem/n Material(ien)), bevor sie zusammengesetzt werden. Beispielsweise werden Abschnitte des Bauteilträgers EPD-beschichtet, Abschnitte des Bauteils EPD-beschichtet und/oder Abschnitte der leitenden Verbindungselemente EPD-beschichtet, bevor sie zusammengesetzt werden. Weitere Ausführungsformen können in den in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/620.202, eingereicht am 14. September 2012, die für jegliche Zwecke durch Verweis hierin aufgenommen ist, beschriebenen Beispiele angewandt werden.
Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile wurden zwar im Detail beschrieben, es versteht sich aber, dass hierin verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Modifizierungenvorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang der Erfindung, wie sie durch die beiliegenden Ansprüche definiert sind, abzuweichen.
Außerdem ist der Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die speziellen Ausführungsformen des Verfahrens, des Geräts, der Herstellung, der Stoffzusammensetzung, der Mittel, der Methoden und der Schritte, wie sie in der Beschreibung erläutert sind, eingeschränkt. Wie Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung leicht aus der Offenbarung der vorliegenden Erfindung herauslesen können, können Prozesse, Geräte, Herstellungsarten, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte, die schon zur Verfügung stehen oder zu einem späteren Zeitpunkt entwickelt werden und im Wesentlichen dieselbe Funktion erfüllen oder im Wesentlichen dieselben Ergebnisse erzielen wie die entsprechenden hierin beschriebenen Ausführungsformen, gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Demgemäß sind die beiliegenden Ansprüche so zu verstehen, solche Prozesse, Geräte, Herstellungsarten, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte im Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche enthalten sind.

Claims

System, aufweisend: einen Bauteilträger; ein auf dem Bauteilträger angeordnetes Bauteil; und eine Isolationsschicht, die auf einer elektrisch leitenden Oberfläche von zumindest einem aus dem Bauteilträger und dem Bauteil angeordnet ist, wobei die Isolationsschicht ein Polymer und ein anorganisches Material mit einer Durchschlagfestigkeit gleich oder größer als 15 WS-kV/mm und einer Wärmeleitfähigkeit gleich oder größer als 15 W/m·K aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei das Polymer ein Epoxidharz aufweist und das anorganische Material Bornitrid und/oder Aluminiumoxid aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei das Polymer ein Acrylharz aufweist und das anorganische Material Bornitrid und/oder Aluminiumoxid aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elektrisch leitende Oberfläche ein Kühlkörper ist, und wobei der Kühlkörper Teil des Bauteilträgers ist, wobei vorzugsweise die Isolationsschicht eine Dicke von weniger als 35 μm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines gehäusten Bauteils, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Platzieren eines Bauteils auf einem Bauteilträger (402); Verkapseln von zumindest einem Teil des Bauteils und des Bauteilträgers mit einem Verkapselungskörper (406); und gemeinsames elektrophoretisches Abscheiden von organischen Molekülen und anorganischen Elementen, wodurch ein Isolationsfilm auf einer leitenden Oberfläche des Bauteils, des Bauteilträgers oder des Verkapselungskörpers ausgebildet wird (410).
Verfahren nach Anspruch 5, das weiterhin gemeinsam abgeschiedene organische Moleküle und die anorganischen Elemente aufweist, wodurch der Isolationsfilm als Polymerfilm, der die anorganischen Elemente aufweist, ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das gemeinsame elektrophoretische Abscheiden (410) das teilweise Eintauchen des gehäusten Bauteils in ein flüssiges Medium eines Geräts zur elektrophoretischen Abscheidung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das elektrophoretische Abscheiden (410) das vollständige Eintauchen des gehäusten Bauteils in ein flüssiges Medium eines Geräts zur elektrophoretischen Abscheidung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die organischen Moleküle ein Epoxidharz oder ein Acrylharz sind, wobei vorzugsweise die anorganischen Elemente Bornitrid oder Aluminiumoxid aufweisen.
Gehäustes Bauteil, aufweisend: einen Bauteilträger; ein auf dem Bauteilträger angeordnetes Bauteil; einen Verkapselungskörper, der den Bauteilträger und das Bauteil zumindest teilweise verkapselt; und eine Isolationsschicht, die auf einem Kühlkörper des Bauteilträgers abgeschieden ist, wobei die Isolationsschicht ein Polymer und ein anorganisches Material mit einer Durchschlagfestigkeit gleich oder größer als 15 WS-kV/mm und einer Wärmeleitfähigkeit gleich oder größer als 15 W/m·K aufweist.
Gehäustes Bauteil nach Anspruch 10, wobei das Polymer ein Epoxidharz aufweist und das anorganische Material Bornitrid und/oder Aluminiumoxid aufweist.
Gehäustes Bauteil nach Anspruch 10, wobei das Polymer ein Acrylharz aufweist und das anorganische Material Bornitrid und/oder Aluminiumoxid aufweist.
Gehäustes Bauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Bauteilträger ein Leiterrahmen ist und das Bauteil einen Leistungshalbleiterchip aufweist, wobei vorzugsweise das Bauteil weiterhin einen Logikchip aufweist, der auf dem Leistungshalbleiterchip angeordnet ist.