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Hintergrund
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Technisches Gebiet
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Verschiedene Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen eine elektronische Vorrichtung, eine elektronische Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Packages können als verkapselte elektronische Chips mit Leitungen bezeichnet werden, die aus der Verkapselung herausragen und an einer elektronischen Peripherie befestigt werden, zum Beispiel auf einem Träger, wie einer Leiterplatte.
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Es bestehen jedoch noch potenzielle Möglichkeiten zur Verbesserung der Handhabung elektronischer Vorrichtungen mit einem oder mehreren integrierten Chips, die leicht herzustellen sind.
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Kurzdarstellung
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Es besteht potenzieller Bedarf an einer Möglichkeit zur Herstellung elektronischer Vorrichtungen, die für den Benutzer einfach zu handhaben und mit zumutbarem Aufwand herzustellen sind.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist eine elektronische Vorrichtung vorgesehen, wobei die Vorrichtung einen Träger mit einer Befestigungsfläche umfasst, mindestens einen elektronischen Chip, der auf der Befestigungsfläche angebracht ist, mindestens eine elektrische Verbindungsstruktur, die auf der Befestigungsfläche angebracht ist, eine Verkapselung, die den Träger und den mindestens einen elektronischen Chip mindestens teilweise verkapselt, und die die mindestens eine elektrische Verbindungsstruktur teilweise verkapselt, sodass ein Teil der Fläche der mindestens einen elektrischen Verbindungsstruktur einer Umgebung ausgesetzt ist, und eine Befestigungseinrichtung, die so konfiguriert ist, dass die elektronische Vorrichtung an einer Peripherievorrichtung befestigt werden kann.
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Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist eine elektronische Anordnung vorgesehen, wobei die Anordnung eine elektronische Vorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen und die Peripherievorrichtung umfasst, auf der die elektronische Vorrichtung befestigt ist oder mithilfe der Befestigungseinrichtung befestigt werden kann.
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Gemäß noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung vorgesehen, wobei das Verfahren das Befestigen von mindestens einem elektronischen Chip auf einer Befestigungsfläche eines Trägers, das Befestigen von mindestens einer elektrischen Verbindungsstruktur auf der Befestigungsfläche, das mindestens teilweise Verkapseln des Trägers und des mindestens einen elektronischen Chips und das teilweise Verkapseln der mindestens einen elektrischen Verbindungsstruktur durch eine Verkapselung umfasst, sodass ein Teil der Fläche der mindestens einen elektrischen Verbindungsstruktur einer Umgebung ausgesetzt ist, und das Bilden einer Befestigungseinrichtung umfasst, die so konfiguriert ist, dass die elektronische Vorrichtung an einer Peripherievorrichtung befestigt werden kann.
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Eine beispielhafte Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein verkapselter elektronischer Chip auf einer Befestigungsfläche eines Trägers, der vorzugsweise über eine elektrische Verbindungsstruktur elektrisch an eine elektronische Peripherievorrichtung gekoppelt werden kann, einfach und sicher auf einer Peripherievorrichtung mithilfe einer Befestigungseinrichtung, die einen wesentlichen Bestandteil der elektronischen Vorrichtung bildet, befestigt werden kann. Durch diese Maßnahme ist eine kompakte, einfache und kostengünstig herstellbare elektronische Vorrichtung vorgesehen, die gleichzeitig bei der Befestigung der elektronischen Vorrichtung auf einer Peripherievorrichtung einfach von einem Nutzer gehandhabt werden kann. So wird ein sehr flexibler und einfacher Zusammenbau der elektronischen Vorrichtung mit einer Peripherievorrichtung für den Nutzer ermöglicht.
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Beschreibung weiterer exemplarischer Ausführungsformen
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Im Folgenden werden weitere beispielhafte Ausführungsformen des Verfahrens, der Vorrichtung und der Anordnung beschrieben.
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Das Wesentliche einer beispielhaften Ausführungsform ist das Vorsehen einer elektronischen Vorrichtung mit einer Befestigungseinrichtung zur Herstellung einer reversiblen (zum Beispiel Schraub- oder Klemmverbindung) Verbindung eines geformten Halbleiterchipteils (als verkapselter elektronischer Chip) mit der Möglichkeit einer flexiblen Positionierung eines oder mehrerer Verbindungskontakte (als elektrische Verbindungsstruktur, zum Beispiel eine Reihe von Leitungen). Eine entsprechende Technologie ist hinsichtlich der Massenproduktion mit hohem Durchsatz besonders vorteilhaft. Das ermöglicht eine einfache kundenseitige Montage von elektronischen Vorrichtungen und entsprechenden Peripherievorrichtungen.
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In einer Ausführungsform ist die Befestigungseinrichtung ausschließlich durch das Verkapselungsmaterial definiert oder abgegrenzt. In einer solchen Ausführungsform wird die Befestigungseinrichtung, auf der eine Befestigungsstruktur zur Erreichung der Befestigung angeordnet werden kann, allein durch das Verkapselungsmaterial gebildet und abgegrenzt. Daher kann die Befestigungseinrichtung einen wesentlichen Bestandteil der Verkapselung bilden, ohne dass weitere Komponenten der elektronischen Vorrichtung (wie der Träger) angepasst werden müssen, und kein separates Teil zur Zusammensetzung der Befestigungseinrichtung vorgesehen werden muss. Dies ergibt eine kompakte und leichte elektronische Vorrichtung, die es trotzdem ermöglicht, die elektronische Vorrichtung auf einer Peripherievorrichtung zu befestigen. Es kann zum Beispiel ein Durchgangsloch ausgebildet sein, das sich durch die Verkapselung erstreckt und für die Aufnahme einer Anschlusskonstruktion, wie eine Schraube, konfiguriert ist. Zum Beispiel kann die Wand eines solchen Durchgangslochs für die Aufnahme der Schraube angepasst werden, zum Beispiel kann sie mit einem entsprechenden Gewinde versehen sein. Eine Wand kann jedoch auch glatt sein. Alternativ kann ein Sackloch ausgebildet sein, das sich in die Verkapselung erstreckt und für die Aufnahme einer Anschlusskonstruktion, wie eine Spannschraube, konfiguriert ist.
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In einer Ausführungsform ist die Befestigungseinrichtung mindestens teilweise durch einen separaten Verstärkungskörper definiert (zum Beispiel ist sie ausschließlich durch den Verstärkungskörper definiert und abgegrenzt oder ist teilweise durch den Verstärkungskörper und teilweise durch die Verkapselung definiert und abgegrenzt). In einer solchen stark bevorzugten Ausführungsform kann ein separater Verstärkungskörper die Befestigung der elektronischen Vorrichtung an der Peripherievorrichtung erreichen. Solch eine Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Eigenschaften des Verstärkungskörpers spezifisch hinsichtlich der gewünschten Befestigungsfunktion angepasst werden können. Insbesondere kann eine Montagefestigkeit durch diese Maßnahme deutlich verbessert werden. Zum Beispiel kann eine bei der Befestigung auf dem (zum Beispiel spröden, weichen oder nur moderat mechanisch robusten) Verkapselungsmaterial einwirkende mechanische Belastung dadurch verringert werden, dass der Montagekraftfluss in den Verstärkungskörper geleitet wird. Eine Härte des Verstärkungskörpermaterials (wie Metall) kann höher sein als die Härte des Verkapselungsmaterials, um dadurch die elektronische Vorrichtung zu verstärken. Durch das Vorsehen eines Verstärkungskörpers kann eine mechanische Verstärkung durch mindestens einen passgenauen Inlaykörper erreicht werden. Dadurch können potentielle mechanische Schwachstellen verhindert werden, die aus direktem kraftübertragendem Kontakt zwischen der (zum Beispiel Plastik-)Verkapselung und der Befestigungsstruktur (wie eine Schraube) resultieren.
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In einer Ausführungsform ist der Verstärkungskörper mindestens teilweise innerhalb der Verkapselung verkapselt. Daher kann der Verstärkungskörper mindestens teilweise innerhalb der Verkapselung eingebettet sein, wodurch die gesamte elektronische Vorrichtung robuster wird. Ein Teil der Fläche des Verstärkungskörpers kann jedoch trotzdem einer Umgebung der elektronischen Vorrichtung ausgesetzt sein, um dadurch eine Kontaktfläche der Befestigungseinrichtung zu bilden, die mit einer Befestigungsstruktur zusammenwirkt (zum Beispiel durch direkten physischen Kontakt). Das teilweise Verkapseln des Verstärkungskörpers in die Verkapselung kann problemlos während des Verkapselungsprozesses durchgeführt werden, bei dem auch der mindestens eine elektronische Chip und die mindestens eine elektronische Verbindungsstruktur mindestens teilweise in die Verkapselung eingebettet sind.
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In einer Ausführungsform ist der Verstärkungskörper mechanisch mit dem Träger verbunden (zum Beispiel ist er mit dem Träger mechanisch verankert oder fixiert). Insbesondere kann der Verstärkungskörper sogar elektrisch mit dem Träger gekoppelt sein. Vorzugsweise ist der Verstärkungskörper separat vom Träger vorgesehen, sodass die Freiheit, den Träger spezifisch so auszuformen, dass darauf ein oder mehrere elektronische Chips und die mindestens eine Verbindungsstruktur befestigt werden können, nicht durch das Vorsehen des Verstärkungskörpers beeinflusst wird. Es kann jedoch vorteilhaft sein, den Träger mechanisch mit dem Verstärkungskörper zu verkoppeln, um die gesamte mechanische Integrität der elektronischen Vorrichtung zu stärken. Durch das elektrische Verbinden eines elektrisch leitenden Trägers mit einem elektrisch leitenden Verstärkungskörper zur Kurzschließung ist es möglich zu verhindern, dass unerwünschte elektrische Spannung zwischen diesen beiden Körpern generiert wird. Es ist zum Beispiel möglich, den Verstärkungskörper und/oder den Träger mit elektrischem Erdpotential zu verbinden. Wenn die Befestigungseinrichtung unabhängig auf dem Träger ausgebildet ist, kann eine große Befestigungsfläche und hohe Chipdichte erreicht werden. Weiterhin kann eine verbesserte Durchschlagfestigkeit erreicht werden, indem die Einrichtung der mechanischen Befestigung einerseits und des Trägers mit den darauf angebrachten elektronischen Komponenten andererseits getrennt werden.
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In einer Ausführungsform ist der Verstärkungskörper als Hülse, wie eine schlauchförmige Hülse, konfiguriert (zum Beispiel aus Metall). Zur Erreichung der Befestigung kann dann eine Befestigungsstruktur wie eine Schraube oder ein Bolzen oder eine Klemme oder ein Clip durch das Durchgangsloch der Hülse geführt werden. Zum Beispiel kann eine Außenfläche einer zum Beispiel hohlen, zylindrischen Hülse in Direktkontakt mit dem Material des verkapselten stehen oder von diesem umgeben sein, während eine Innenfläche der zum Beispiel hohlen, zylindrischen Hülse der Umgebung ausgesetzt sein kann, um mit einer Befestigungsstruktur in Kontakt zu kommen und zusammenzuwirken. Solch eine Hülse kann aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
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In einer Ausführungsform ist der Verstärkungskörper als Profil konfiguriert, insbesondere als eines der Gruppe bestehend aus einem mindestens teilweise plattenförmigen Profil, einem mindestens teilweise strebenförmigen Profil und einem Rahmen mit einem Durchgangsloch. Solch ein Profil kann eine oder mehrere flache oder gebogene Platten oder eine Anordnung von miteinander verbundenen Plattensegmenten umfassen. Solch ein Profil kann zusätzlich oder alternativ ein oder mehrere flache oder gebogene Streben oder Stangen oder eine Anordnung von miteinander verbundenen Streben- oder Stangensegmenten umfassen. Ein Durchgangsloch, das sich durch das Profil erstreckt, kann dann einen Teil der Befestigungseinrichtung bilden oder die Befestigungseinrichtung darstellen. Ein Flächenanteil des Profils kann weiterhin der Umgebung ausgesetzt sein, sodass er mit einer Befestigungsstruktur, wie einer Schraube oder ein Bolzen oder eine Klemme oder ein Clip, zusammenwirkt. Ein anderer Flächenteil des Profils kann in der Verkapselung eingebettet sein. Solch ein Profil kann aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
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In einer Ausführungsform ist der Verstärkungskörper elektrisch geerdet. Durch diese Maßnahme kann verhindert werden, dass eine unerwünschte elektrische Spannung zwischen dem Verstärkungskörper und anderen elektrisch geerdeten, leitenden Teilen der elektronischen Vorrichtung generiert wird. Das verbessert die Betriebssicherheit der elektronischen Vorrichtung.
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In einer Ausführungsform ist die Befestigungseinrichtung für die Befestigung der elektronischen Vorrichtung an der Peripherievorrichtung durch Klemmung oder Verschraubung konfiguriert. Andere reversible oder irreversible Verbindungsmechanismen sind ebenfalls möglich. Die erwähnten Befestigungsmechanismen ermöglichen eine einfache Handhabung der elektronischen Vorrichtung und machen es möglich, die elektronische Vorrichtung hinsichtlich der Peripherievorrichtung flexibel zu montieren oder zu demontieren.
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In einer Ausführungsform ist die Befestigungseinrichtung zur Aufnahme einer Befestigungsstruktur konfiguriert, um somit eine feste Verbindung zwischen der elektronischen Vorrichtung und der Peripherievorrichtung herzustellen. Die Befestigungsstruktur kann einen Teil der elektronischen Vorrichtung und/oder der Peripherievorrichtung bilden. Solch eine Befestigungsstruktur kann zum Beispiel eine Schraube, ein Bolzen, eine Klemme oder ein Clip sein. Die Befestigung der elektronischen Vorrichtung an der Peripherievorrichtung kann durch ein Zusammenwirken zwischen der Befestigungsstruktur und der Befestigungseinrichtung erreicht werden, zum Beispiel durch das Einsetzen und Festziehen einer Schraube als Befestigungsstruktur in einem Gewindeloch, wobei das Loch Teil der elektronischen Vorrichtung oder der Peripherievorrichtung ist.
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In einer Ausführungsform bildet die Befestigungsstruktur einen Teil der elektronischen Vorrichtung. Die Befestigungsstruktur kann entweder dauerhaft mit einer oder mehreren Komponenten der elektronischen Vorrichtung verbunden sein, zum Beispiel mit der Verkapselung. Alternativ kann die Befestigungsstruktur separat von all den anderen Komponenten der elektronischen Vorrichtung vorgesehen sein, zum Beispiel als ein separater Körper. In noch einer anderen Ausführungsform kann die Befestigungsstruktur als Teil der Peripherievorrichtung ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform ist die Befestigungseinrichtung ein Durchgangsloch, das sich über die gesamte Verkapselung in Dickenrichtung erstreckt, wobei mindestens ein Teil des Durchgangslochs seitlich durch den Verstärkungskörper begrenzt ist. Dies ermöglicht eine kompakte Konstruktion der Befestigungseinrichtung, die nicht seitlich über die Verkapselung hinausragen muss.
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In einer Ausführungsform ist die Befestigungseinrichtung als eine Mehrzahl von Nebeneinrichtungen ausgebildet, von denen jede allein oder in Kombination mit mindestens einer anderen Nebeneinrichtung zur Erreichung der Befestigung der elektronischen Vorrichtung auf der Peripherievorrichtung konfiguriert ist. Zum Beispiel können die Nebeneinrichtungen Durchgangslöcher auf gegenüberliegenden Seiten der elektronischen Vorrichtung sein, die eine Befestigung an mindestens zwei Positionen für eine noch verbesserte Stabilität ermöglichen.
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In einer Ausführungsform ist die Befestigungseinrichtung als mindestens ein Durchgangsloch konfiguriert, das sich vollständig über die gesamte Vorrichtung in Dickenrichtung erstreckt. Alternativ kann die Befestigungseinrichtung ein Sackloch (zum Beispiel begrenzt durch beispielsweise eine federbelastete Hülse) oder eine andere Art von Vertiefung sein, die mit der Peripherievorrichtung mithilfe eines Spannbolzens oder ähnlichem verbunden werden kann, der in das Sackloch eingeführt wird (zum Beispiel durch Anwenden eines bestimmten Spanndrucks).
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In einer Ausführungsform ist der Träger separat von der Befestigungsstruktur vorgesehen. In dieser Ausführungsform ist die Befestigungsstruktur nicht Teil des Trägers. Daher ist es möglich, den Träger vollständig unbeeinträchtigt und unbeeinflusst vom Befestigungsvorgang zu belassen, sodass der gesamte Träger zum Tragen von elektronischen Chips, elektronischen Verbindungsstrukturen, anderen elektronischen Teilen und/oder Strukturen usw. verwendet werden kann.
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In einer Ausführungsform hat der Träger eine freiliegende Fläche gegenüber der Befestigungsfläche, die als Außenflächenteil der elektronischen Vorrichtung ausgebildet ist. Die freiliegende Fläche und die Befestigungsfläche können als zwei gegenüberliegende Hauptflächen des (zum Beispiel plattenförmigen) Trägers ausgebildet sein. Dadurch dass der Träger, der mit mindestens einem elektronischen Chip in Kontakt steht, aus der Verkapselung herausragt, kann er zur Wärmeableitung ohmscher Wärme beitragen, die während des Betriebs der elektronischen Vorrichtung erzeugt wird. Dadurch kann eine Hauptfläche der elektronischen Vorrichtung durch eine Hauptfläche des Trägers ausgebildet sein.
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Alternativ kann der gesamte Träger vollständig im Inneren der Verkapselung verkapselt sein. Das kann den Träger mechanisch vor Schäden schützen, zum Beispiel in einem Szenario, in dem keine Wärmeableitung benötigt wird.
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In einer Ausführungsform kann die Verkapselung ein elektrisch isolierendes Material oder ein dielektrisches Material sein. Zum Beispiel kann eine solche Verkapselung eine Gussmasse oder eine Silikonmasse oder eine Sprühbeschichtung auf Polyimid-Basis sein. Die Verkapselung kann aus einem wärmehärtenden Material oder einem thermoplastischen Material bestehen. Die Verkapselung kann durch Spritzpressen, Spritzguss usw. ausgebildet werden. Die Verkapselung kann auch ein Laminat oder ein Folienstapel (zum Beispiel aus einem Polymermaterial) sein. Für die Kapseln, Formteile oder Verkapselung kann ein Kunststoffmaterial oder ein keramisches Material verwendet werden.
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In einer Ausführungsform schließt ein freies Ende der mindestens einen elektronischen Verbindungsstruktur mit dem freiliegenden Flächenteil der Verkapselung ab. Dadurch wird eine kompakte Konstruktion der Vorrichtung gewährleistet, die dennoch von außen elektrisch an den mindestens einen elektronischen Chip angeschlossen werden kann. Ein freies Ende der mindestens einen elektronischen Verbindungsstruktur (zum Beispiel eine oder mehrere Leitungen) kann alternativ jedoch über einen freiliegenden Flächenteil der Verkapselung hinausragen.
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In einer Ausführungsform umfasst jede der mindestens einen elektronischen Verbindungsstruktur eine elektrisch leitende Hülse mit einer Vertiefung, die zur Aufnahme eines entsprechenden elektrisch leitenden Kontakts konfiguriert ist. Jeder der mehreren Kontakte kann mit entsprechend einer der Hülsen durch eine Klemmverbindung, einen Pressanschluss, eine Lötverbindung oder Ähnlichem verbunden werden. In einer Ausführungsform ragen die Kontakte über eine obere Hauptfläche der elektronischen Vorrichtung hinaus (die als flache Vorrichtung ausgebildet sein kann). Sowohl die Anordnung der Hülsen (mindestens teilweise in einem Inneren der Verkapselung) als auch die Kontakte auf dem Träger können flexibel nutzerseitig gemäß einer gewünschten Anwendung gewählt werden.
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In einer Ausführungsform erstreckt sich die Vertiefung weitestgehend senkrecht zum Träger, der als Platte konfiguriert ist. Dementsprechend haben die Kontakte eine gerade Form und können sich ebenfalls senkrecht zur Hauptfläche der elektronischen Vorrichtung erstrecken.
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In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin den mindestens einen elektrisch leitenden Kontakt, der oder von denen jeder in der entsprechenden mindestens einen Vertiefung aufgenommen wird oder aufzunehmen ist. In der beschriebenen Ausführungsform kann sich der Kontakt bereits in der Hülse befinden, zum Beispiel kann er dort durch Einpressen fixiert werden. Alternativ kann die elektronische Vorrichtung auch nur mit den Hülsen ohne Kontakte ausgestattet sein, wobei die Kontakte dann nutzerseitig gemäß der gewünschten elektronischen Anwendung angebracht werden können.
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In einer Ausführungsform umfasst der Träger eine elektrisch isolierende Montagebasis und eine elektrisch leitende Struktur, insbesondere eine strukturierte elektrisch leitende Schicht, die die Befestigungsfläche mindestens teilweise definiert. Die elektrisch isolierende Montagebasis kann zwei elektrisch leitende Strukturen auf davon gegenüberliegenden Hauptflächen elektrisch entkoppeln. Eine elektrisch leitende Struktur auf einer Hauptfläche der elektrisch isolierenden Montagebasis, die durch die Verkapselung verkapselt ist, kann vorgesehen sein, um den einen oder mehrere elektronische Chips mit der einen oder den mehreren elektronischen Verbindungsstrukturen und/oder miteinander elektrisch zu verbinden. Eine andere elektrisch leitende Struktur auf einer Hauptfläche der elektrisch isolierenden Montagebasis, die der Umgebung ausgesetzt ist und dadurch eine Außenfläche des Trägers bildet, kann dazu dienen, Wärme abzuleiten, die in einem Inneren der elektronischen Vorrichtung während des Betriebs an die Umgebung abgegeben wird. Dadurch wird eine Überhitzung der elektronischen Komponenten in einem Inneren der elektronischen Vorrichtung verhindert. Insbesondere kann die elektrisch isolierende Montagebasis aus einem wärmeleitenden Material bestehen (zum Beispiel mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/mK).
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In einer Ausführungsform umfasst der Träger einen elektrisch isolierenden (und vorzugsweise wärmeleitenden) Kern und eine elektrisch leitende Struktur darauf und/oder darin. Insbesondere kann der Träger als eine der Gruppen konfiguriert sein, die aus einem Direct-Bonded-Copper(DCB-Substrat und einem Direct-Bonded-Aluminium(DAB)-Substrat bestehen. DCB- und DAB-Substrate ermöglichen eine kostengünstige Befestigungs- und Kühllösung. Der Träger kann jedoch auch einen Leadframe umfassen.
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Der eine elektronische Chip oder die mehreren elektronischen Chips können Halbleiter-Chips sein, insbesondere Halbleiter-Mikroplättchen. In einer Ausführungsform ist der mindestens eine elektronische Chip als Leistungshalbleiter-Chip konfiguriert, der insbesondere mindestens eine der Gruppen umfasst, die aus einer Diode und einem Transistor bestehen, insbesondere einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT). In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung als Leistungsmodul konfiguriert. Zum Beispiel kann der eine oder die mehreren elektronischen Chips als Halbleiter-Chips für Leistungsanwendungen verwendet werden, zum Beispiel im Automobilbereich. In einer Ausführungsform kann der mindestens eine elektronische Chip ein Logik-IC oder einen elektronischen Chip für Hochfrequenz-Leistungsanwendungen umfassen. In einer Ausführungsform kann der oder können die elektronischen Chip(s) als ein oder mehrere Sensoren oder Aktuatoren in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) verwendet werden, zum Beispiel als Drucksensoren oder Beschleunigungssensoren.
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In einer Ausführungsform ist nur eine Hauptfläche der elektronischen Vorrichtung an der Peripherievorrichtung durch die entsprechend konfigurierte Befestigungseinrichtung angebracht. In einer anderen Ausführungsform ist jede der beiden gegenüberliegenden Hauptflächen der elektronischen Vorrichtung durch die entsprechend konfigurierte Befestigungseinrichtung an einer entsprechenden Peripherievorrichtung angebracht.
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In einer Ausführungsform umfasst die Peripherievorrichtung eine Kühlstruktur, insbesondere eine Kühlplatte, wobei die elektronische Vorrichtung mithilfe der Befestigungseinrichtung auf der Kühlstruktur befestigt ist oder befestigt werden kann. Alternativ kann die Peripherievorrichtung eine elektronische Montagebasis mit einem elektrisch isolierenden Träger und einer elektrisch leitenden Struktur darauf und/oder darin umfassen, insbesondere eine der Gruppe, die aus einem Direct-Bonded-Copper(DCB)-Substrat, einem Direct-Bonded-Aluminium(DAB)-Substrat und einer Leiterplatte besteht. Die Peripherievorrichtung kann jedoch auch einen Leadframe umfassen.
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In einer Ausführungsform wird die Befestigungseinrichtung während des Verkapselungsvorgangs gebildet, insbesondere während der Verkapselung durch Formung, insbesondere durch Spritzpressen. Dies ermöglicht eine effiziente Herstellung der elektronischen Vorrichtung.
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Als Substrat oder Wafer für die elektronischen Chips kann ein Halbleiter-Substrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, verwendet werden. Alternativ kann ein Siliziumoxid oder ein anderes Isoliersubstrat vorgesehen sein. Es ist auch möglich, ein Germanium-Substrat oder ein III-V-Halbleiter-Material umzusetzen. Zum Beispiel können beispielhafte Ausführungsformen in der GaN- oder SiC-Technologie umgesetzt werden.
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Die oben genannten und andere Objekte, Merkmale und Vorteile werden anhand der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen deutlich, in denen gleiche Teile oder Elemente die gleichen Referenznummern aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die zugehörigen Zeichnungen, die für ein weitergehendes Verständnis der beispielhaften Ausführungsformen hinzugefügt wurden, stellen einen Teil der Patentschrift dar und veranschaulichen die beispielhaften Ausführungsformen.
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In den Zeichnungen:
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zeigt 1 einen Querschnitt einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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zeigt 2 einen Querschnitt einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform.
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zeigt 3 einen Querschnitt einer elektronischen Vorrichtung gemäß noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform.
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zeigt 4 eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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zeigt 5 eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform.
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zeigt 6 eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung gemäß noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform.
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zeigt 7 eine Unteransicht einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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zeigt 8 eine Draufsicht der elektronischen Vorrichtung aus 7.
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zeigt 9 einen Querschnitt einer elektronischen Anordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung
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Die Abbildung in der Zeichnung ist schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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1 zeigt einen Querschnitt einer elektronischen Vorrichtung 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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Die elektronische Vorrichtung 100 ist als Paket konfiguriert und dient als Leistungsmodul für Halbleiter-Leistungsanwendungen. Die in 1 gezeigte elektronische Vorrichtung 100 umfasst einen Träger 102 mit einer Befestigungsfläche 104, der als Direct-Bonded-Copper(DCB)-Substrat ausgeführt ist. Das heißt, dass der Träger 102 eine mittlere Montagebasis 126 mit elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Eigenschaften hat, zum Beispiel aus keramischen Werkstoffen oder Ähnlichem. An beiden gegenüberliegenden Hauptflächen der mittleren Montagebasis 126 ist eine entsprechende elektrisch leitende Struktur 128, 130 aus Kupfer vorgesehen. Die elektrisch leitende Struktur 128 ist eine strukturierte Schicht, während die elektrisch leitende Struktur 130 eine geschlossene Schicht ist. Die elektrisch leitende Struktur 128 dient als eine elektrische Montagebasis zur Befestigung der elektronischen Teile wie folgt beschrieben. Die elektrisch leitende Struktur 130 ist auch wärme-leitend und dient dazu, Hitze abzuleiten, die beim Betrieb der elektronischen Vorrichtung 100 generiert wird.
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Elektronische Chips 108, die hier als Halbleiter-Leistungschips ausgeführt sind (zum Beispiel umfassen sie einen oder mehrere Transistoren, wie IGBTs und eine oder mehrere Dioden), werden auf der Befestigungsfläche 104 des Trägers 102 befestigt, insbesondere auf den jeweiligen Teilen der elektrisch leitenden Struktur 128 des Trägers 102 (siehe Detail 150 von 1).
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Eine Mehrzahl von elektronischen Verbindungsstrukturen 106, die hier als Hülse und Stiftkontakte konfiguriert sind, wie unten ausführlicher erläutert wird, oder auf der Befestigungsfläche 104 befestigt, genauer auf den entsprechenden Teilen der elektrisch leitenden Struktur 128 des Trägers 102 (siehe Detail 150 von 1). Daher können Pads der elektronischen Chips 108 miteinander und/oder mit den entsprechenden Pads der elektronischen Verbindungsstrukturen 106 über Teile der elektrisch leitenden Struktur 128 verbunden werden.
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Eine Verkapselung 110, zum Beispiel eine Vergussmasse aus Kunststoffmaterial, verkapselt einen Teilbereich des Trägers 102 und verkapselt die elektronischen Chips 108 vollständig. Darüber hinaus verkapselt die Verkapselung 110 einen Teilbereich der elektronischen Verbindungsstrukturen 106. Folglich ist ein Teil einer Fläche der elektronischen Verbindungsstrukturen 106 einer Umgebung ausgesetzt, um somit die Herstellung einer elektrischen Verbindung mit einem anderen elektronischen Teil zu gewährleisten, während ein anderer Teil der Fläche der elektronischen Verbindungsstrukturen 106 in der Verkapselung 110 eingebettet ist.
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Eine Befestigungseinrichtung 112, die in der beschriebenen Ausführungsform aus zwei separaten Nebeneinrichtungen (auf der linken Seite von 1 und auf der rechten Seite von 1 gezeigt) besteht, ist zum Befestigen der elektronischen Vorrichtung 100 an einer Peripherievorrichtung konfiguriert (nicht in 1 gezeigt, vgl. zum Beispiel 9), wie eine Kühlplatte, eine Leiterplatte, ein Gehäuse usw. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Befestigungseinrichtung 112 ausschließlich durch die Verkapselung 110 definiert. Daher stellt eine umgebende Wand des Materials der Verkapselung 110, die ein Durchgangsloch 116 begrenzt, das sich über die gesamte Dickenrichtung der Verkapselung 110 erstreckt, die Befestigungseinrichtung 112 dar, die daher separat vom Träger 102 vorgesehen ist und keinen zusätzlichen Hardware-Aufwand erfordert. Wenn eine entsprechende Schraube als entsprechende Befestigungsstruktur 114 durch das entsprechende Durchgangsloch 116 der Befestigungseinrichtung 112 geführt und an der Peripherievorrichtung durch Schrauben befestigt wird, wird die elektronische Vorrichtung 100 sicher an der Peripherievorrichtung befestigt. Mit anderen Worten ist die Befestigungseinrichtung 112 zur Aufnahme der Befestigungsstrukturen 114 konfiguriert, um damit eine feste Verbindung zwischen der elektronischen Vorrichtung 100 und der Peripherievorrichtung herzustellen. Daher kann die Montage der elektronischen Vorrichtung 100 (durch Verwendung der Befestigungsstrukturen 114) auf einer Peripherievorrichtung flexibel kundenseitig von einem Nutzer durchgeführt werden, ohne dass zusätzliche Elemente vonnöten sind, und dadurch wird eine kompakte Konstruktion sowie eine enge und sichere Verbindung gewährleistet.
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Wie in 1 ersichtlich, hat der Träger 102 eine freiliegende Fläche 118 außerhalb der Verkapselung 110 gegenüber der Befestigungsfläche 104 und bildet einen Außenflächenteil der elektronischen Vorrichtung 100. So kann beim Betrieb der elektronischen Vorrichtung 100 Wärme von den elektronischen Chips 108 (die als Leistungschips konfiguriert sind) über die hochwärmeleitenden Komponenten des Trägers 102 abgeleitet werden.
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Zurückkommend auf die elektronischen Verbindungsstrukturen 106, schließt ein freies Ende 120 von ihnen mit einem freiliegenden Flächenteil 122 der Verkapselung 110 ab. Dies ermöglicht eine flache Konstruktion der elektronischen Vorrichtung 100. Die elektronischen Verbindungsstrukturen 106 sind als elektrisch leitende Hülsen mit einer Vertiefung konfiguriert (nicht in 1 gezeigt, vgl. 2), die für die Aufnahme eines entsprechenden Kontakts aus einer Anzahl an elektrisch leitenden Kontakten 124 konfiguriert ist. Die Hülsen haben einen radial engen, axial mittig angeordneten Teil, der einstückig mit zwei gegenüberliegenden radial erweiterten axialen Endbereichen ausgebildet ist oder neben diesen angeordnet ist. Die Kontakte 124 können in die hülsenförmigen elektronischen Verbindungsstrukturen 106 eingebracht und in den Hülsen durch Einpressen oder ähnliches befestigt werden (dies kann werkseitig oder nutzerseitig durchgeführt werden). Sowohl die Kontakte 124 als auch die Vertiefungen erstrecken sich senkrecht zum plattenförmigen Träger 102 und erstrecken sich senkrecht zu einer oberen Hauptfläche der Verkapselung 110.
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2 zeigt einen Querschnitt einer elektronischen Vorrichtung 100 gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform.
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In der Ausführungsform von 2 ist die Befestigungseinrichtung 112 teilweise durch einen separaten Verstärkungskörper 200 definiert und teilweise durch die Verkapselung 110 definiert. Die Durchgangslöcher 116 erstrecken sich entsprechend über die gesamte Verkapselung 110, in der der Verstärkungskörper 200 verkapselt ist. Daher sind die Wände, die die Durchgangslöcher 116 abgrenzen, zum Teil durch das freiliegende Material der Verkapselung 110 ausgebildet oder definiert und zum Teil durch das freiliegende Material des Verstärkungskörpers 200 ausgebildet oder definiert. In der Ausführungsform von 2 ist der Verstärkungskörper 200 als Profil in Form eines Metallrahmens mit Durchgangslöchern konfiguriert, die zur Befestigungseinrichtung 112 beitragen und einen Teil der Durchgangslöcher 116 bilden. In der gezeigten Ausführungsform ist der Verstärkungskörper 200 mit dem Träger 102 mechanisch verbunden und elektrisch gekoppelt, genauer mit der elektrisch leitenden Struktur 128 davon. Diese mechanische und elektrische Verbindung kann durch Löten des Verstärkungskörpers 200 auf die elektrisch leitende Struktur 128 von Träger 102 erreicht werden. Insbesondere kann der Verstärkungskörper 200 als Einlage in der Verkapselung 110 elektrisch geerdet sein. Dies kann eine unerwünschte Bildung von hohem elektrischen Potential an den Verstärkungskörpern 200 verhindern.
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Die Ausführungsform von 2 hat den bedeutenden Vorteil, dass, bei der Befestigung der elektronischen Vorrichtung 100 an der Peripherievorrichtung (nicht gezeigt) mittels der Befestigungsstrukturen 114, wie Schrauben, die Montagekräfte und die entsprechende mechanische Belastung zu einem großen Teil vom metallischen Verstärkungskörper 200 statt von der gelegentlich brüchigen und nur mäßig robusten Verkapselung 110 empfangen werden können. Dies kann Schäden des zum Beispiel brüchigen Materials der Verkapselung 110 verhindern. Daher stabilisiert die Konfiguration der Befestigungseinrichtung 112 gemäß 2 die elektronische Vorrichtung 100 und verhindert dabei die Bruchgefahr des Materials der Verkapselung 110.
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Daher ist in der Ausführungsform von 2 ein mit Bohrungen versehenes, gelötetes Metallprofil teilweise mittels Formmaterial eingelassen, um somit einen Teil der Schraubverbindungsvorrichtung zu bilden. Alternativ ist es auch möglich, dass ein Verstärkungskörper 200 einer anderen Ausführungsform überhaupt nicht durch das Material der Verkapselung 110 verkapselt ist, sondern mit den anderen Komponenten der elektronischen Vorrichtung 100 auf andere Weise als Formung verbunden ist. Als weitere Alternative zu 2 ist es möglich, dass der Verstärkungskörper 200 nicht mit dem Träger 102 verbunden ist, insbesondere nicht durch Löten damit verbunden ist. Zum Beispiel kann der Verstärkungskörper 200 elektrisch vom Träger 102 isoliert sein, zum Beispiel kann er vollständig in dem elektrisch isolierenden Material der Verkapselung 110 eingebettet sein.
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2 zeigt insbesondere, wie die hülsenförmigen elektronischen Verbindungsstrukturen 106 durch die Kontakte 124 ausgefüllt und mit diesen durch Einpressen verbunden werden.
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3 zeigt einen Querschnitt einer elektronischen Vorrichtung 100 gemäß noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform.
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Gemäß 3 sind zwei Verstärkungskörper 200, die als Metallhülsen konfiguriert sind, in die Verkapselung 110 eingeschlossen. In der Ausführungsform von 3 ist die gesamte Befestigungseinrichtung 112 rundum durch das Material der Verstärkungskörper 200 begrenzt, so dass das mechanisch weniger stabile Kunststoffmaterial der Verkapselung 110 bei der Befestigung keinen mechanischen Schaden erleidet. Die entsprechenden Befestigungsstrukturen 114, die wieder als Schrauben ausgeführt sind, werden durch die Durchgangslöcher 116 geführt, die durch Metalleinlagehülsen definiert sind, und in entsprechend ausgebildete Schraublöcher (mit Gewinde) in ein Inneres der Peripherievorrichtung eingeschraubt. Die durch Formung eingelassenen Hülsen, die die Befestigungseinrichtung 112 darstellen, schließen mit dem umgebenden Material der Verkapselung 110 sowohl an einer oberen Hauptfläche als auch an einer unteren Hauptfläche der elektronischen Vorrichtung 100 ab und tragen damit zur Kompaktheit der elektronischen Vorrichtung 100 bei.
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4 zeigt eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 4 zeigt insbesondere die Metalleinlagen, die die Befestigungseinrichtung 112 darstellen, vor der Formung, d. h. vor der Formung der Verkapselung 110.
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5 zeigt eine elektronische Vorrichtung 100 gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform. Hier ist die Befestigungseinrichtung 112 als Sacklöcher konfiguriert, die in den in der Verkapselung 110 geformten Verstärkungskörpern 200 ausgebildet sind. Diese Befestigungseinrichtungen 112 sind dafür geeignet, mit Klemmen (nicht gezeigt) einer Peripherievorrichtung verbunden zu werden. Gemäß 5 ist die Befestigungseinrichtung 112 durch topfförmige Metalleinlagen ausgebildet, in die Gegenstücke als Befestigungsstrukturen (nicht gezeigt) eingesetzt und durch Klemmen befestigt werden können.
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6 zeigt eine flache, plattenförmige elektronische Vorrichtung 100 gemäß noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform von einer Seite, auf der eine zweidimensionale Anordnung der elektronischen Verbindungsstrukturen 106 sichtbar ist.
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7 zeigt eine Unteransicht einer elektronischen Vorrichtung 100 gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform von einer Oberseite. 8 zeigt eine Unteransicht der elektronischen Vorrichtung 100 von 7. Die Verkapselung 110 verjüngt sich hier zu den Seitenflächen der elektronischen Vorrichtung 100 hin, wobei die Befestigungseinrichtung 112 an einem entsprechend engen Endstück der Verkapselung 110 ausgebildet ist. Die elektronische Vorrichtung 100 von 8 ist sehr kompakt.
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9 zeigt einen Querschnitt einer elektronischen Anordnung 900 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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Die elektronische Anordnung 900 umfasst eine elektronische Vorrichtung 100 mit den oben beschriebenen Merkmalen und eine Peripherievorrichtung 902 an der die elektronische Vorrichtung 100 durch die Befestigungseinrichtung 112 mithilfe der Befestigungsstrukturen 114 befestigt ist.
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In der gezeigten Ausführungsform umfasst oder besteht die Peripherievorrichtung 902 aus einer wärmeleitenden Kühlstruktur 904, genauer einer Kühlplatte. Die elektronische Vorrichtung 100 wird auf der Kühlstruktur 904 durch die Befestigungseinrichtung 112 befestigt, so dass die Peripherievorrichtung 902 mechanisch mit der elektronischen Vorrichtung 100 so verbunden ist, dass die Ableitung der Wärme, die während des Betriebes der elektronischen Vorrichtung 100 generiert wird, durch die Kühlstruktur 904 gefördert wird. Die Kühlrippen 906 der Kühlstruktur 904 werden ebenfalls gezeigt. Zwischen den Befestigungsstrukturen 904 (hier Schrauben) und der Verkapselung 110 sind Unterlegscheiben 908 vorgesehen, um die mechanische Einwirkung auf die brüchige Verkapselung 110 pro Kontaktfläche weiter zu verringern.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der Begriff „umfassend” nicht andere Elemente oder Merkmale ausschließt, und dass „ein” oder „eine” die Pluralform nicht ausschließt. Außerdem können Elemente kombiniert werden, die im Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben sind. Es sollte ebenfalls beachtet werden, dass Bezugszeichen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche einschränkend anzusehen sind. Darüber hinaus soll der Umfang der vorliegenden Anwendung nicht auf die spezifischen, in der Patentschrift beschriebenen Ausführungsformen des Vorgangs, der Anlage, Herstellungsweise, Zusammensetzung der Materie, Mittel, Verfahren und Schritte beschränkt sein. Dementsprechend sollen die angehängten Ansprüche in ihrem Umfang auch solche Vorgänge, Anlagen, Herstellungsweisen, Zusammensetzungen der Materie, Mittel, Verfahren und Schritte beinhalten.
