DE102014105727A1

DE102014105727A1 - Direkt gekühlte substrate für halbleitermodule und entsprechende herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102014105727A1
Application number: DE102014105727.9A
Authority: DE
Inventors: Alexander Herbrandt; Andre Uhlemann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2015-06-03
Also published as: CN104134636B; US20140321063A1; US20170304922A1; CN104134636A; US9731370B2

Abstract

Ein Halbleitermodul umfasst ein Substrat mit einer metallisierten ersten Seite und einer metallisierten zweiten Seite entgegengesetzt zur metallisierten ersten Seite. Ein Halbleiterchip ist an der metallisierten ersten Seite des Substrats befestigt. Mehrere Kühlstrukturen sind an die metallisierte zweite Seite des Substrats geschweißt. Jede der Kühlstrukturen umfasst mehrere ausgeprägte Schweißperlen, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom Substrat weg erstreckt. Das Substrat kann elektrisch leitfähig oder isolierend sein. Entsprechende Verfahren zur Herstellung solcher Halbleitermodule und Substrate mit solchen geschweißten Kühlstrukturen werden auch angeführt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Halbleitermodule und insbesondere auf direkt gekühlte Substrate für Halbleitermodule und Verfahren zur Herstellung solcher Substrate und Module.
HINTERGRUND
Die Wärmeableitung ist eine wichtige Erwägung bei der Konstruktion von Leistungselektronik und muss sorgfältig gesteuert werden. Um Halbleitervorrichtungen vor einer Überhitzung zu schützen, sollte das Kühlsystem eines Leistungsmoduls sehr effizient sein. Die Kühlmethode basiert typischerweise auf dem Typ des Leistungsmoduls. Leistungsmodule können beispielsweise direkt oder indirekt gekühlt werden. Ferner können Module eine Basisplatte aufweisen oder nicht, wobei die Basisplatte flach oder strukturiert sein kann. Herkömmliche Leistungsmodul-Basisplatten bestehen normalerweise aus Kupfer aufgrund der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit. Andere Materialien wie AlSiC, Aluminium oder Mantelmaterialien sind geeignete Ersatzstoffe mit dem Vorteil niedrigerer Kosten. Leistungsmodule ohne Basisplatte sind günstiger, aber mit verringerter thermischer Leistung im Vergleich zu Modulen, die eine Basisplatte verwenden.
Leistungsmodule mit und ohne Basisplatte können indirekt durch einen Kühler auf Luft- oder Fluidbasis gekühlt werden. Typischerweise strömt die in den Halbleiterplättchen (Halbleiterchips) erzeugte Wärme durch ein Keramiksubstrat mit metallisierten Seiten wie z. B. ein DCB (direkt kupfergebondet), die verschiedenen Lötschichten (Chiplöten, Systemlöten usw.) und die Basisplatte. Der Wärmekontakt für die Wärmeleitung wird durch eine Wärmeleitpaste zwischen der Basisplatte (oder DCB im Fall ohne Basisplatte) und dem Kühler verwirklicht. Das Kühlen von Halbleiterchips in dieser Weise ist weniger als optimal, da die Wärmeleitpaste eine niedrige Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 W/mK aufweist.
Direkt gekühlte Leistungsmodule mit strukturierten Basisplatten schaffen eine effizientere Kühlung von Leistungsvorrichtungen. Solche Basisplatten weisen Stift- oder Rippenkühlstrukturen an der Unterseite der Basisplatte in direktem Kontakt mit einer Kühlflüssigkeit (z. B. Wasser oder einem Wasser-Glycol-Gemisch) auf, so dass hohe Wärmeübertragungskoeffizienten erreicht werden. Verschiedene Technologien für die Herstellung von strukturierten Basisplatten stehen zur Verfügung, wie z. B. ein Metallspritzgießprozess (MIM) oder die Schmiedetechnologie, die gewöhnlich hohe Produktions- und Materialkosten aufweisen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform eines Halbleitermodul-Stützelements umfasst das Stützelement ein Substrat mit einer metallisierten Seite und mehrere Kühlstrukturen, die an die metallisierte Seite des Substrats geschweißt sind. Jede der Kühlstrukturen umfasst mehrere ausgeprägte Schweißperlen, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom Substrat weg erstreckt.
Gemäß einer Ausführungsform eines Halbleitermoduls umfasst das Halbleitermodul ein Substrat mit einer metallisierten ersten Seite und einer metallisiertem zweiten Seite entgegengesetzt zur metallisierten ersten Seite. Ein Halbleiterchip ist an der metallisierten ersten Seite des Substrats befestigt. Mehrere Kühlstrukturen sind an die metallisierte zweite Seite des Substrats geschweißt. Jede der Kühlstrukturen umfasst mehrere ausgeprägte Schweißperlen, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom Substrat weg erstreckt.
Gemäß einer Ausführungsform zum Ausbilden von Kühlstrukturen für ein Halbleitermodul umfasst das Verfahren Folgendes: Bereitstellen eines Substrats mit einer metallisierten Seite; und Schweißen von mehreren Kühlstrukturen an die metallisierte Seite des Substrats, wobei jede der Kühlstrukturen mehrere ausgeprägte Schweißperlen umfasst, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom Substrat weg erstreckt.
Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitermoduls umfasst das Verfahren Folgendes: Bereitstellen eines Substrats mit einer metallisierten ersten Seite und einer metallisierten zweiten Seite entgegengesetzt zur metallisierten ersten Seite; Befestigen eines Halbleiterchips an der metallisierten ersten Seite des Substrats; und Schweißen von mehreren Kühlstrukturen an die metallisierte zweite Seite des Substrats, wobei jede der Kühlstrukturen mehrere ausgeprägte Schweißperlen umfasst, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom Substrat weg erstreckt.
Der Fachmann erkennt zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und beim Betrachten der begleitenden Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich, wobei stattdessen die Betonung auf die Erläuterung der Prinzipien der Erfindung gelegt ist. Überdies bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile. In den Zeichnungen gilt:
1 stellt eine perspektivische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Stützelements für ein Halbleitermodul während der Ausbildung von Kühlstrukturen am Stützelement dar;
2 stellt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Kühlstruktur dar, die an eine metallisierte Seite eines Halbleitermodul-Stützelements gebondet ist;
3 stellt eine perspektivische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Stützelements für ein Halbleitermodul während der Ausbildung von Kühlstrukturen am Stützelement dar;
4 stellt eine perspektivische Seitenansicht einer Ausführungsform zum Befestigen eines Deckels an einem Halbleitermodul mit einem Stützelement mit Kühlstrukturen dar;
5 stellt eine perspektivische Seitenansicht einer Ausführungsform zum Bonden von Kühlstrukturen an eine freigelegte Seite eines Stützelements, das in einem Halbleitermodul mit einem Deckel enthalten ist, dar;
6 stellt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Halbleitermoduls mit direkt gebondeten Kühlstrukturen dar, die sich in eine Aussparung erstrecken, die in einem am Modul befestigten Kühler ausgebildet ist;
7A stellt eine Draufsicht eines Halbleitermoduls von oben nach unten gemäß noch einer weiteren Ausführungsform dar; und
7B stellt eine Querschnittsansicht des Moduls in 7A dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen werden Kühlstrukturen zur metallisierten Seite eines Stützelements für Halbleitermodule durch einen mehrstufigen Schweißprozess hinzugefügt. Die Kühlstrukturen werden schrittweise über einen Lichtbogenschweiß- oder einen anderen Typ von Schweißprozess aufgebaut, der mehrere Male an einem Substrat angewendet wird. In einer ersten Stufe des Schweißprozesses wird eine Schweißperle auf einer metallisierten Seite des Substrats ausgebildet. In jeder nachfolgenden Stufe wird eine zusätzliche Schweißperle hinzugefügt, um eine gestapelte Anordnung von ausgeprägten Schweißperlen auszubilden, die sich vom Substrat weg erstreckt. Jede gestapelte Anordnung von Schweißperlen bildet eine Kühlstruktur. Das resultierende Stützelement mit direkt geschweißten Kühlstrukturen schafft eine kosteneffiziente Lösung für die Verwendung in Halbleitermodulen, um Wärme effizienter von den in den Modulen enthaltenen Halbleiterchips weg zu übertragen.
1 stellt eine Ausführungsform zum Ausbilden von Kühlstrukturen 100 an einem Stützelement 102 für ein Halbleitermodul dar. Das Stützelement 102 kann ein beliebiger Typ von Substrat mit einer metallisierten Seite zur Verwendung in einem Halbleitermodul sein. Das Substrat 102 kann beispielsweise ein Metallbereich eines Leiterrahmens, TFC (Dickfilmkupfer), einer Metallklemme usw. sein. Alternativ kann das Substrat 102 ein Metallblock sein, der an die Rückseite eines Halbleitersubstrats wie z. B. eines Siliziumsubstrats oder eines Verbundhalbeitersubstrats gebondet ist.
Das in 1 gezeigte Substrat 102 umfasst ein Isolationsmaterial 104 mit entgegengesetzten metallisierten Seiten 106, 108. Die metallisierte erste Seite 106 des Substrats 102 kann dasselbe oder ein anderes Material als die metallisierte zweite Seite 108 des Substrats 102 umfassen. Das Substrat 102 kann beispielsweise ein Standard-DCB-(direkt kupfergebondet), DAB-(direkt aluminiumgebondet), AMB-(aktiv metallhartgelötet) oder IMS-(isoliertes Metallsubstrat)Substrat sein. Ein Standard-DCB-Substrat umfasst Kupferoberflächen, die auf die oberen und unteren Flächen eines Isolationsmaterials wie z. B. Al₂O₃-Keramikmaterials aufgebracht sind. Ein Standard-DAB-Substrat umfasst Aluminiumoberflächen, die auf die oberen und unteren Flächen eines Keramikmaterials aufgebracht sind. Ein Standard-AMB-Substrat umfasst Metallfolien, die an entgegengesetzte Seiten eines Isolationsmaterials wie z. B. eines AlN-Keramikmaterials hartgelötet sind. Ein Standard-IMS-Substrat umfasst ein Isolationsmaterial wie z. B. ein Polymer, das direkt mit einer Modulbasisplatte verbunden ist. In jedem Fall sind mehrere Kühlstrukturen 100 direkt an eine metallisierte Seite 106 des Substrats 102 geschweißt.
1 zeigt zwei Kühlstrukturen 100 in verschiedenen Stufen des Schweißprozesses. Bei der Vollendung des Schweißprozesses umfasst jede der Kühlstrukturen 100 mehrere ausgeprägte Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom Substrat 102 weg erstreckt. Die linke Seite von 1 zeigt eine erste Schweißstufe zum Ausbilden einer Kühlstruktur 100, die das Ausbilden einer ersten ausgeprägten Schweißperle 110 umfasst, die direkt an die metallisierte Seite 106 des Substrats 102 geschweißt wird. In einer Ausführungsform wird die erste Schweißperle 110 durch Lichtbogenschweißen ausgebildet und umfasst dasselbe Material wie die metallisierte Seite 106 des Substrats 102, an die die erste Schweißperle 110 gebondet wird. Lichtbogenschweißen ist ein Prozess, in dem eine Leistungsversorgung verwendet wird, um einen elektrischen Lichtbogen zwischen einer Elektrode 120 und der metallisierten Seite 106 des Substrats 102 zu erzeugen, um die Metalle am Schweißpunkt zu schmelzen. Eine zweite Schweißperle 112 wird auf der ersten Schweißperle 110 ausgebildet, nachdem sich das erste geschmolzene Bad ausreichend verfestigt, um die erste Schweißperle 110 zu bilden. In dieser Weise können ausgeprägte Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 aufeinander gestapelt werden, um Kühlstrukturen 100 auszubilden, die sich vom Substrat 102 weg erstrecken. Der Lichtbogenschweißprozess kann entweder Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) und verbrauchbare oder nicht verbrauchbare Elektroden 120 verwenden. Der Schweißbereich kann durch einen gewissen Typ von Schutzgas, Dampf oder Schlacke geschützt werden, der in 1 wegen der leichten Darstellung nicht gezeigt ist. Der Lichtbogenschweißprozess kann manuell, halbautomatisch oder vollautomatisch sein. Beim Lichtbogenschweißen findet keine mechanische Behandlung des Substrats 102 statt, da das Lichtbogenschweißen auf elektrischem Strom basiert, was Risse des Substrats 102 oder eine andere irreversible Beschädigung beseitigt. Andere Typen von Schweißprozessen wie z. B. Laserschweißen können verwendet werden, um die Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 auszubilden, die direkt an die metallisierte Seite 106 des Substrats 102 geschweißt werden.
In einer zweiten Stufe des Schweißprozesses wird eine dritte ausgeprägte Schweißperle 114 auf jeder der zweiten Schweißperlen 112 ausgebildet, nachdem sich die zweiten Schweißperlen 112 verfestigen. Zusätzliche aufeinander folgende Schweißstufe(n) können ausgeführt werden, um eine oder mehrere zusätzliche ausgeprägte Schweißperlen 116, 118 auf jedem Stapel von bereits existierenden Schweißperlen auszubilden, nachdem sich die vorher ausgebildeten Schweißperlen verfestigen. Im Allgemeinen werden die Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 in jeder gestapelten Anordnung in aufeinander folgenden Stufen durch Lichtbogenschweißen oder einen anderen geeigneten Schweißprozess mit einer Verfestigungsperiode zwischen jeder Schweißstufe ausgebildet, die ermöglicht, dass sich die in der vorangehenden Stufe ausgebildeten Schweißperlen verfestigen, bevor die Schweißperlen in der nächsten Stufe ausgebildet werden. Die rechte Seite von 1 zeigt eine Kühlstruktur 100 während einer fünften Schweißstufe, die das Ausbilden einer fünften ausgeprägten Schweißperle 118 auf der vierten Schweißperle 116 in der gestapelten Anordnung umfasst. Diese Kühlstruktur 100 weist fünf ausgeprägte Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 auf, die aufeinander gestapelt sind und direkt an die metallisierte Seite 106 des Substrats 102 geschweißt sind. Die Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 können Tropfen oder Linien von Schweißmetall sein. An sich können die Kühlstrukturen 100 eine im Allgemeinen säulenartige Form im Fall von tropfenförmigen Schweißperlen oder im Allgemeinen eine Rippentypform im Fall von linienförmigen Schweißperlen aufweisen. Zumindest einige säulenartige Kühlstrukturen 100 können unterschiedliche Durchmesser und Längen aufweisen.
In jedem Fall wird der zuletzt ausgebildeten Schweißperle erlaubt, sich zu verfestigen, bevor die nächste Schweißperle im Stapel ausgebildet wird, so dass die Kühlstrukturen 100 aus gestapelten Anordnungen von ausgeprägten Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 ausgebildet werden. In einer Lichtbogenschweißausführungsform ist eine Schweißgrenzfläche oder -naht zwischen benachbarten der Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 in derselben gestapelten Anordnung vorhanden, wie durch die gestrichelten Linien angegeben, die in der Kühlstruktur 100 gezeigt sind, die in der rechten Seite von 1 dargestellt ist. Die Kühlstrukturen 100 können seriell ausgebildet werden, d. h. jede gestapelte Anordnung von Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 wird auf einmal ausgebildet. Alternativ können zwei oder mehr Kühlstrukturen 100 parallel ausgebildet werden, d. h. zwei oder mehr gestapelte Anordnungen von Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 können gleichzeitig ausgebildet werden. Die Anzahl von Kühlstrukturen 100, die parallel ausgebildet werden, hängt von der Stromhandhabungsfähigkeit des Substrats 102 ab. Je größer die Stromhandhabungsfähigkeit des Substrats 102 ist, desto mehr Kühlstrukturen 100 können parallel ausgebildet werden. Im Allgemeinen bestehen die Kühlstrukturen 100 aus einem Material, das durch hohe Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet ist und das optimal an die metallisierte Seite 106 des Substrats 102 angepasst ist, so dass eine Korrosion vermieden wird. Beispielsweise kann Aluminium für die Kühlstrukturen 100 und für die Substratmetallisierung 106 (z. B. DAB- und AMB-Substrate) verwendet werden. Kupfer kann stattdessen für die Kühlstrukturen 100 sowie für die Substratmetallisierung 106 verwendet werden. Gemäß dieser Ausführungsform kann ein zusätzlicher Prozessschritt wie z. B. Vernickeln oder Verchromen durchgeführt werden, um die Kühlstrukturen 100 vor Korrosion zu schützen. Eine Seite 106 des Substrats 102 kann ein anderes Metall als die entgegengesetzte Seite 108 umfassen.
2 stellt eine Querschnittsansicht einer Kühlstruktur 100 dar, die direkt an die metallisierte Seite 106 eines Substrats 102 gebondet ist. Die Kühlstruktur 100 ist eine gestapelte Anordnung von ausgeprägten Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118. Das Substrat 102 kann ein Metallbereich eines Leiterrahmens, eines TFC (Dickfilmkupfer), einer Metallklemme, eines Metallblocks, der an die Rückseite eines Halbleitersubstrats gebondet ist, ein Isolationsmaterial mit einer oder mehreren metallisierten Seiten usw. sein, wie vorher hier beschrieben. Die gestapelte Anordnung von Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 erstreckt sich vom Substrat 102 weg, um die Kühlstruktur 100 zu bilden. Zumindest einige der Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 können eine gekrümmte äußere Oberfläche 122 infolge des Schweißprozesses aufweisen. In Abhängigkeit von der Steuerbarkeit des Schweißprozesses können eine oder mehrere der Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 in Bezug auf die anderen Schweißperlen in derselben Kühlstruktur 100 ungleichmäßig geformt sein. Einige Schweißperlen können beispielsweise einen anderen Durchmesser aufgrund von Prozessschwankungen aufweisen (z. B. 0,1 bis 0,3 mm im Vergleich zu anderen der Schweißperlen in derselben gestapelten Anordnung). Faktoren, die die Gleichmäßigkeit der Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 steuern, die durch Lichtbogenschweißen ausgebildet werden, umfassen den Lichtbogenschweißstrom, das Elektrodenmaterial, die Substratoberflächenqualität, das Substratmaterial, die Prozesszeit, den Abstand der Elektrode zum Substrat usw. Die Schweißperle 118, die am weitesten vom Substrat 102 entfernt angeordnet ist, weist ein proximales Ende 124, das an die Schweißperle 116 geschweißt ist, die am nächstweitesten vom Substrat 102 entfernt ist, und ein abgerundetes distales Ende 126 auf. Die metallisierte Seite 106 des Substrats 102 und die Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 können dasselbe Material, z. B. Aluminium (einschließlich Aluminiumlegierungen), Kupfer usw., umfassen. Im Allgemeinen bestehen die Kühlstrukturen 100 aus Metall (z. B. Al, Cu) und sind an die metallisierte (z. B. Al, Cu) Seite 106 des Substrats 102 gebondet.
3 stellt eine Ausführungsform eines Teils eines Halbleitermoduls mit direkt gebondeten Kühlstrukturen 100 während des Schweißprozesses dar. Das Modul umfasst ein Substrat 102 mit einem Isolationsmaterial 106 mit entgegengesetzten metallisierten Seiten 106, 108, einen Halbleiterchip 200, der an einer metallisierten Seite 108 des Substrats 102 z. B. durch eine Lötmittel- oder gesinterte Chipbefestigungsschicht 202 befestigt ist, und mehrere Kühlstrukturen 100, die an die entgegengesetzte metallisierte Seite 106 des Substrats 102 geschweißt sind. Jede der Kühlstrukturen 100 umfasst mehrere ausgeprägte Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom Substrat 102 weg erstreckt, wie vorher hier beschrieben. Die Kühlstrukturen 100 können dieselbe oder eine unterschiedliche Anzahl von ausgeprägten Schweißperlen 110, 112, 114, 116, 118 aufweisen. Eine zusätzliche Basisplatte ist für Kühlzwecke nicht erforderlich. Stattdessen sind die Kühlstrukturen 100 direkt an eine metallisierte Seite 106 des Substrats 102 gebondet. Der Halbleiterchip 200 wird auf der entgegengesetzten metallisierten Seite 108 befestigt. Diese Seite 108 des Substrats 102 kann zum Bereitstellen von elektrischen Verbindungen mit dem Chip 200 strukturiert werden. Eine oder mehrere dieser Verbindungen können durch einen Bonddraht 204, ein Band, eine Klemme usw. vollendet werden. Die Kühlstrukturen 100 werden gemäß dieser Ausführungsform an das Substrat 102 als Teil von oder vor dem Chipbefestigungsprozess gebondet.
4 stellt das Halbleitermodul von 3 dar, nachdem die Halbleiterchips 200, Bonddrähte 204 und elektrischen Kontaktstifte 206 zur Herstellung von externen elektrischen Verbindungen mit dem Modul ausgebildet sind und bevor ein Gehäusedeckel 208 am Modul befestigt wird. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Kühlstrukturen 100 bereits an das Substrat 102 gebondet, wenn der Gehäusedeckel 208 am Modul befestigt wird. Der Spalt (g) zwischen den Kühlstrukturen 100 kann im Bereich von 1 mm bis 4 mm liegen. Ein kleinerer oder größerer Abstand kann hergestellt werden. Der Kühlstrukturabstand kann gleichmäßig oder variabel sein. Die Länge (h) der Kühlstrukturen 100 kann im Bereich von z. B. 0,5 cm bis 2 cm liegen. Kürzere oder längere Kühlstrukturen 100 sind auch möglich. Der Durchmesser (d) der Kühlstrukturen 100 kann im Bereich von z. B. 0,5 mm bis 1,8 cm liegen oder kleiner oder größer sein.
5 stellt eine weitere Ausführungsform eines Halbleitermoduls ähnlich zur in 4 gezeigten Ausführungsform dar, die Kühlstrukturen 100 sind jedoch an die metallisierte Seite 106 des Substrats 102 gebondet, die freigelegt bleibt, nachdem der Gehäusedeckel 208 am Modul befestigt ist. Die vorher hier beschriebenen Ausführungsformen mit Schweißperlenausbildung können verwendet werden, um die Kühlstrukturen 100 direkt an die freigelegte metallisierte Seite 106 des Substrats 102 nach der Befestigung des Gehäusedeckels 208 zu bonden.
6 stellt eine Querschnittsansicht des Halbleitermoduls von 3 dar, nachdem die Kühlstrukturen 100 an das Substrat 102 gebondet sind, und der Halbleiterchip 200 und das Substrat 102 mit einer Formvergussmasse 300 wie z. B. einem Epoxid auf der Seite 108 des Substrats 102 ohne den Chip 200 eingekapselt sind. Ein Kühler 302 ist an einem Umfang der metallisierten Seite 106 des Substrats 102 mit den Kühlstrukturen 100 z. B. durch Schrauben oder andere Befestigungsvorrichtungen 304 befestigt. Der Umfang des Substrats 102, an dem der Kühler 302 befestigt ist, ist frei von den Kühlstrukturen 100. Die Kühlstrukturen 100 erstrecken sich vom Substrat 102 weg in einen vertieften Bereich 306 des Kühlers 302. Der vertiefte Bereich 306 kann mit einer Flüssigkeit gefüllt sein. Das Modul kann externe Zuleitungen 308 aufweisen, die aus der Formvergussmasse 300 herausragen und Punkte einer externen elektrischen Verbindung für das eingekapselte Modul bereitstellen.
7A und 7B stellen jeweilige Drauf- und Querschnittsansichten eines Halbleitermoduls gemäß noch einer weiteren Ausführungsform dar. Das Leistungsmodul weist zwei thermische Grenzflächen auf entgegengesetzten Seiten des Moduls für die Verwendung in Doppelseiten-Kühlanwendungen auf. Jede thermische Grenzfläche ist durch ein Substrat 400, 410 mit einem Isolationsmaterial 402, 412 wie z. B. einem Keramikmaterial und entgegengesetzten metallisierten Seiten 404/406, 414/416 auf dem Isolationsmaterial 402, 412 verwirklicht. Für eine solche doppelseitige Kühlanwendung weisen Chips 418, die im Modul enthalten sind, eine Oberseiten- und Unterseitenmetallisierung (für eine leichte Darstellung nicht gezeigt) auf, die zum Chiplöten oder Sintern an die jeweiligen Substrate 400, 410 über entsprechende Löt- oder gesinterte Chipbefestigungsschichten 420, 422 verwendet werden. Die Chips 418 werden mit beiden Substraten 400, 410 durch die Chipbefestigungsschichten 420, 422 verbunden. Anschlüsse für den Laststrom und das Gatesignal werden mit dem unteren oder oberen Substrat 400, 410 über jeweilige Zuleitungen 308 verbunden. Ähnlich zu der Modulausführungsform mit der Formvergussmasse 300, wie in 6 gezeigt, kann der restliche Raum zwischen den Substraten 400, 410 mit einer Formvergussmasse 300 gefüllt werden, um die Konfiguration zu stabilisieren und die Position jedes Chips 418 innerhalb des Moduls zu fixieren. Das obere Substrat 410, das in die Formvergussmasse 300 eingebettet ist, ist vom Halbleiterchip 418 durch einen Teil der Formvergussmasse 300 beabstandet.
Die Modulkühlung kann ferner durch Bereitstellen der Kühlstrukturen 100, die an die freigelegte metallisierte Seite 404, 414 von einem oder beiden Substraten 400, 410 geschweißt sind, wie in 7B gezeigt, verstärkt werden. Jede der Kühlstrukturen 100 umfasst mehrere ausgeprägte Schweißperlen, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich von den freigelegten metallisierten Seiten 404, 414 der jeweiligen Substrate 400, 410 weg erstreckt, wie vorher hier beschrieben. Beide Substrate 400, 410 können gleichzeitig bearbeitet werden, wenn ein höheres Niveau an Automatisierung verfügbar ist.
Die hier beschriebenen Kühlstruktur-Schweißprozesse können innerhalb oder nach der Prozesskette für das Leistungsmodul ausgeführt werden. Daher ist es nicht erforderlich, einen zusätzlichen Prozessschritt für Kühlstrukturen in die Modulprozesskette zu integrieren. Die Kühlstrukturen bieten einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten und einen niedrigen thermischen Widerstand, die mit direkt gekühlten Basisplattensystemen vergleichbar sind. Wenn Aluminium für die Kühlstrukturen sowie für die Substratmetallisierung verwendet wird, kann eine Korrosion verhindert werden. Leistungsmodule auf der Basis der hier beschriebenen Substrate mit Kühlstrukturen beseitigen eine Basisplatte und entsprechende Systemlötung. Folglich werden die Produktions- und Materialkosten verringert. Außerdem wird eine signifikante Gewichtsverringerung durch Beseitigen der Basisplatte verwirklicht.
Verschiedene Konzepte von Leistungsmodulen mit direkt gekühlten Substraten, wie hier beschrieben, werden in Erwägung gezogen. Halbleitermodule für eine Halbbrücken-, Vollbrücken- oder eine 3-Phasen-Anwendung können beispielsweise mit den hier beschriebenen Kühlstrukturen verwirklicht werden. Für die Leistungsmodulerzeugung können Leistungsvorrichtungen wie z. B. Dioden, IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate), JFETs (Sperrschicht-Feldeffekttransistoren) und/oder Leistungs-MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) an die Oberseite eines Keramiksubstrats gelötet oder gesintert werden, das durch Ätzen in einer definierten Weise strukturiert ist. Für die elektrischen Verbindungen können Bonddrähte und Anschlüsse für die Steuerkanal- und Laststromverbindungen bereitgestellt sein. Nach den Chiplöt- und -bondschritten kann ein Kunststoffgehäuse mit dem Substrat verschraubt oder zusammengeklebt werden, wie z. B. in 4 und 5 gezeigt. Im letzten Prozessschritt kann eine Formvergussmasse in das Gehäuse für die elektrische Isolation und für eine höhere mechanische Stabilität eingespritzt werden, z. B. wie in 6 und 7 gezeigt. Dies ist eine mögliche Weise zum Aufbauen eines Halbleitermoduls, andere Standard-Montage- und Verbindungstechnologien können jedoch verwendet werden, um ein Leistungsmodul mit direkt gebondeten Kühlstrukturen zu verwirklichen, wie hier beschrieben. Ein anderer möglicher Typ von Leistungsmodul basiert beispielsweise auf einem Keramiksubstrat und einer Formvergussmasse. Das Substrat mit Chips, Bonddrähten und Verbindungen für +/–DC kann beispielsweise mit einer Formvergussmasse ähnlich zur SMD (an der Oberfläche montiertes Bauelement) bedeckt werden, wie z. B. in 5 gezeigt. Die Formvergussmasse stabilisiert das Keramiksubstrat mechanisch und stellt eine elektrische Isolation sicher. Der Kühlstruktur-Schweißprozess kann vor oder nach dem Formprozess angewendet werden, wie z. B. in 6 gezeigt.
Räumlich relative Begriffe wie z. B. "unter", "unterhalb", "niedriger", "über", "obere" und dergleichen werden für eine leichte Beschreibung verwendet, um die Positionierung eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu erläutern. Diese Begriffe sollen verschiedene Orientierungen der Vorrichtung zusätzlich zu anderen Orientierungen als den in den Figuren dargestellten umfassen. Ferner werden Begriffe wie z. B. "erster", "zweiter" und dergleichen auch verwendet, um verschiedene Elemente, Bereiche, Abschnitte usw. zu beschreiben, und sollen auch nicht begrenzend sein. Gleiche Begriffe beziehen sich in der ganzen Beschreibung auf gleiche Elemente.
Wie hier verwendet, sind die Begriffe "aufweisen", "enthalten", "einschließen", "umfassen" und dergleichen offene Begriffe, die die Anwesenheit von angegebenen Elementen oder Merkmalen angeben, aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel "ein", "eine" und "der" sollen den Plural sowie den Singular umfassen, wenn nicht der Zusammenhang deutlich anderes angibt.
In Anbetracht des obigen Bereichs von Variationen und Anwendungen sollte selbstverständlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die vorangehende Beschreibung begrenzt ist und auch nicht durch die begleitenden Zeichnungen begrenzt ist. Stattdessen ist die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre gesetzlichen Äquivalente begrenzt.

Claims

Halbleitermodul-Stützelement, das Folgendes umfasst: ein Substrat mit einer metallisierten Seite; und mehrere Kühlstrukturen, die an die metallisierte Seite des Substrats geschweißt sind, wobei jede der Kühlstrukturen mehrere ausgeprägte Schweißperlen umfasst, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom Substrat weg erstreckt.
Halbleitermodul-Stützelement nach Anspruch 1, wobei mindestens einige der Schweißperlen eine gekrümmte äußere Oberfläche aufweisen.
Halbleitermodul-Stützelement nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere Schweißperlen von zumindest einigen der Kühlstrukturen in Bezug auf die anderen Schweißperlen in derselben Kühlstruktur ungleichmäßig geformt sind.
Halbleitermodul-Stützelement nach Anspruch 1, wobei die Schweißperle jeder Kühlstruktur, die am weitesten vom Substrat entfernt angeordnet ist, ein proximales Ende, das an die Schweißperle geschweißt ist, die am nächstweitesten vom Substrat liegt, und ein abgerundetes distales Ende aufweist.
Halbleitermodul-Stützelement nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Isolationsmaterial mit einer ersten metallisierten Seite und einer zweiten metallisierten Seite entgegengesetzt zur ersten metallisierten Seite umfasst und wobei die Kühlstrukturen an eine der metallisierten Seiten des Isolationsmaterials geschweißt sind.
Halbleitermodul-Stützelement nach Anspruch 1, wobei die metallisierte Seite des Substrats und die Schweißperlen Aluminium umfassen.
Halbleitermodul-Stützelement nach Anspruch 1, wobei zumindest einige der gestapelten Anordnungen von Schweißperlen säulenartig sind.
Halbleitermodul-Stützelement nach Anspruch 7, wobei zumindest einige der säulenartigen gestapelten Anordnungen von Schweißperlen verschiedene Durchmesser und Längen aufweisen.
Halbleitermodul, das Folgendes umfasst: ein Substrat mit einer metallisierten ersten Seite und einer metallisierten zweiten Seite entgegengesetzt zur metallisierten ersten Seite; einen Halbleiterchip, der an der metallisierten ersten Seite des Substrats befestigt ist; und mehrere Kühlstrukturen, die an die metallisierte zweite Seite des Substrats geschweißt sind, wobei jede der Kühlstrukturen mehrere ausgeprägte Schweißperlen umfasst, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom Substrat weg erstreckt.
Halbleitermodul nach Anspruch 9, das ferner einen Kühler umfasst, der an einem Umfang der metallisierten zweiten Seite des Substrats befestigt ist, wobei der Umfang frei von den Kühlstrukturen ist, wobei die Kühlstrukturen sich vom Substrat weg in einen vertieften Bereich des Kühlers erstrecken.
Halbleitermodul nach Anspruch 10, das ferner eine Formvergussmasse umfasst, die den Halbleiterchip an der metallisierten ersten Seite des Substrats einkapselt.
Halbleitermodul nach Anspruch 9, das ferner umfasst: eine Formvergussmasse, die den Halbleiterchip und das Substrat einkapselt; ein zusätzliches Substrat, das in die Formvergussmasse über der metallisierten ersten Seite des Substrats eingebettet ist und vom Halbleiterchip durch einen Teil der Formvergussmasse beabstandet ist, wobei das zusätzliche Substrat eine erste Seite, die dem Halbleiterchip zugewandt ist, und eine entgegengesetzte zweite Seite aufweist; und mehrere Kühlstrukturen, die an die zweite Seite des zusätzlichen Substrats geschweißt sind, wobei jede der Kühlstrukturen mehrere ausgeprägte Schweißperlen umfasst, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom zusätzlichen Substrat weg erstreckt, wobei die an die zweite Seite jedes Substrats geschweißten Kühlstrukturen aus der Formvergussmasse herausragen.
Halbleitermodul nach Anspruch 9, wobei die metallisierte zweite Seite des Substrats und die Schweißperlen Aluminium umfassen.
Halbleitermodul nach Anspruch 9, wobei die metallisierte erste Seite des Substrats ein anderes Material umfasst als die metallisierte zweite Seite des Substrats, und wobei die Schweißperlen dasselbe Material wie die metallisierte zweite Seite umfassen.
Verfahren zum Ausbilden von Kühlstrukturen für ein Halbleitermodul, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Substrats mit einer metallisierten Seite; und Schweißen von mehreren Kühlstrukturen an die metallisierte Seite des Substrats, wobei jede der Kühlstrukturen mehrere ausgeprägte Schweißperlen umfasst, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom Substrat weg erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Schweißen der mehreren Kühlstrukturen an die metallisierte Seite des Substrats Folgendes umfasst: Ausbilden von mehreren ersten ausgeprägten Schweißperlen auf der metallisierten Seite des Substrats; Ausbilden einer zweiten ausgeprägten Schweißperle auf jeder der ersten Schweißperlen, nachdem sich die ersten Schweißperlen verfestigen; und Ausbilden einer dritten ausgeprägten Schweißperle auf jeder der zweiten Schweißperlen, nachdem sich die zweiten Schweißperlen verfestigen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die ersten Schweißperlen, die zweiten Schweißperlen und die dritten Schweißperlen in aufeinander folgenden Stufen durch Lichtbogenschweißen mit einer Schweißperlen-Verfestigungsperiode zwischen jeder Stufe ausgebildet werden, die ermöglicht, dass die in der vorangehenden Stufe ausgebildeten Schweißperlen sich verfestigen, bevor die Schweißperlen in der nächsten Stufe ausgebildet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Substrats mit einer metallisierten ersten Seite und einer metallisierten zweiten Seite entgegengesetzt zur metallisierten ersten Seite; Befestigen eines Halbleiterchips an der metallisierten ersten Seite des Substrats; und Schweißen von mehreren Kühlstrukturen an die metallisierte zweite Seite des Substrats, wobei jede der Kühlstrukturen mehrere ausgeprägte Schweißperlen umfasst, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom Substrat weg erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Schweißen der mehreren Kühlstrukturen an die metallisierte zweite Seite des Substrats Folgendes umfasst: Ausbilden von mehreren ersten ausgeprägten Schweißperlen auf der metallisierten zweiten Seite des Substrats; Ausbilden einer zweiten ausgeprägten Schweißperle auf jeder der ersten Schweißperlen, nachdem sich die ersten Schweißperlen verfestigen; und Ausbilden einer dritten ausgeprägten Schweißperle auf jeder der zweiten Schweißperlen, nachdem sich die zweiten Schweißperlen verfestigen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die ersten Schweißperlen, die zweiten Schweißperlen und die dritten Schweißperlen in aufeinander folgenden Stufen durch Lichtbogenschweißen mit einer Schweißperlen-Verfestigungsperiode zwischen jeder Stufe ausgebildet werden, die ermöglicht, dass die in der vorangehenden Stufe ausgebildeten Schweißperlen sich verfestigen, bevor die Schweißperlen in der nächsten Stufe ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner das Befestigen eines Kühlers an einem Umfang der metallisierten zweiten Seite des Substrats umfasst, wobei der Umfang frei von den Kühlstrukturen ist, wobei sich die Kühlstrukturen vom Substrat weg in einen vertieften Bereich des Kühlers erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner Folgendes umfasst: Einkapseln des Halbleiterchips und des Substrats mit einer Formvergussmasse; Einbetten eines zusätzlichen Substrats in die Formvergussmasse über der metallisierten ersten Seite des Substrats, das vom Halbleiterchip durch einen Teil der Formvergussmasse beabstandet ist, wobei das zusätzliche Substrat eine erste Seite, die dem Halbleiterchip zugewandt ist, und eine entgegengesetzte zweite Seite aufweist; und Schweißen von mehreren Kühlstrukturen an die zweite Seite des zusätzlichen Substrats, wobei jede der Kühlstrukturen mehrere ausgeprägte Schweißperlen umfasst, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind, die sich vom zusätzlichen Substrat weg erstreckt, wobei die an die zweite Seite jedes Substrats geschweißten Kühlstrukturen aus der Formvergussmasse herausragen.