DE102014111439A1 - Elektronikmodul und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Gemäß einem beispielhaften Aspekt ist ein Elektronikmodul bereitgestellt, wobei das Elektronikmodul einen Elektronikchip, der zumindest ein Elektronikbauteil umfasst, ein Beabstandungselement, das eine an dem Elektronikchip angeordnete Hauptoberfläche umfasst und in thermisch leitfähiger Verbindung mit dem zumindest einen Elektronikbauteil steht, und eine Formmasse, die den Elektronikchip und das Beabstandungselement zumindest zum Teil umschließt, umfasst, wobei das Beabstandungselement eine seitliche Oberfläche umfasst, die mit der Formmasse in Kontakt steht und Oberflächenstrukturen umfasst.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronikmodul. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Elektronikmoduls.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Auf dem Gebiet der Erfindung ist eine Vielzahl von Elektronikmodulen bekannt, die einen Elektronik- oder Halbleiterchip umfassen, der eine gewisse elektronische Funktionalität bereitstellt. Der Elektronikchip kann auf einem Substrat angeordnet oder platziert sein und kann von einer den Elektronikchip umschließenden Formmasse eingehäust oder verpackt sein.
  • Insbesondere kann aufgrund der Einhausung durch die Formmasse die durch den Elektronikchip erzeugte Abfuhr von Wärme ein Thema sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Elektronikmodul ein Leistungsmodul ausbildet oder Teil eines solchen ist, d.h. ein für die Bewältigung recht hoher Leistung angepasstes und vorgesehenes Modul, z.B. mehrere Größenordnungen stärker als bei Elektronikmodulen, die auf dem Gebiet der Informationstechnologie verwendet werden.
  • Solche Leistungsmodule kommen in Batterien oder Elektromotoren zum Einsatz, z.B. auf dem Gebiet der Elektrofahrzeuge. Diese Batterien und Elektromotoren werden typischerweise im Betrieb während des Lade- und Entladevorgangs stark belastet oder beansprucht, was zu einer starken und schnellen Wärmebildung führt, die für die Funktion der Batterien und Motoren zerstörerisch sein kann. Somit ist die Abfuhr der erzeugten Wärme ein wichtiges Thema, das zu berücksichtigen ist, wenn solche Leistungsmodule konstruiert oder konzipiert werden. Beispielsweise können Materialien für Substrate eines Chipaufbaus oder bei der Herstellung von Leiterrahmen verwendet werden, wobei die Materialien eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Zusätzlich dazu kann ein thermisch leitfähiges Material als Deckschicht oder Außenschicht des Elektronikmoduls verwendet werden, um eine große Kontakt- oder Grenzfläche zur Umgebung bereitzustellen, die als Wärmesenke für das Modul oder Gehäuse wirken kann.
  • Um die Wärmeabfuhr zu verbessern, können Wärmesenken auf beiden Hauptoberflächen des Leistungsmoduls bereitgestellt werden. Die Wärmesenken sind mit dem Halbleiterchip thermal gekoppelt, wobei eine Wärmesenke zum Kühlen der einen Seite des Chips verwendet werden kann, während die andere Wärmesenke in thermischem Kontakt zu der anderen Seite steht. Die Wärmesenken können ihrerseits mit dem Außen oder der Umgebung durch Luftkonvektion oder Flüssigkühlung thermisch gekoppelt sein.
  • Insbesondere muss die Vorderseite oder die vordere Oberfläche des Halbleiterchips gekühlt werden. Typischerweise steht bei herkömmlichen Elektronikmodulen oder Gehäusen die Vorderseite des Halbleiterchips zusätzlich zu der Formmasse durch Bonddrähte oder Klammern in thermischem Kontakt, was zu einer lokalen Freisetzung der Wärme aufgrund der stark unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit der Formmasse und des Materials der Bondung oder der Klammern führt.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Leistungsmoduls 300, das eine Leiterplatte („printed circuit board“, PCB) oder ein Direct-Bonded-Copper-Substrat („direct copper bond“, DCB) 301 mit einem darauf angeordneten (nicht abgebildeten) Halbleiterchip umfasst. Auf der PCB 301 und/oder dem Chip ist über eine Lötschicht 303 ein Beabstandungselement oder Abstandhalter 302 aufgelötet. Die andere Seite des Beabstandungselements 302 ist mit einem DCB 305, d.h. einer Keramikplatte, die von einer entsprechenden Kupferschicht auf jeder Hauptoberfläche der Keramikplatte bedeckt ist, verbunden, z.B. durch eine weitere Lötschicht 304 verlötet. Das Leistungsmodul wird dann durch eine Formmasse 306, die mit dem Beabstandungselement 302 zumindest an dessen Seitenteilen in Kontakt steht, eingehäust und kann ferner zumindest Teile des DCB und/oder des Substrats bedecken. Die Formmasse oder -komponente ermöglicht, dass der Halbleiterchip vor externen Einflüssen geschützt ist und kann andererseits helfen, die mechanische Belastung des Moduls oder des Gehäuses zu homogenisieren.
  • Um die Wärmeabfuhr des Elektronikmoduls zusätzlich zu der Wärmeabfuhr der Vorderseite des Elektronikchips über das Beabstandungselement und das DCB zu erhöhen, kann die Rückseite des Elektronikchips außerdem mit einer Wärmesenke verbunden werden, die auf der Rückseite des Substrats ausgebildet ist.
  • Zwar kann das beschriebene elektrische Modul gute Wärmeableitung aufweisen, dennoch besteht weiterhin das Potenzial zur Bereitstellung besserer Elektronikmodule.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es kann somit ein Bedarf herrschen, Elektronikmodule und ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitzustellen, wobei das Elektronikmodul langfristig, z.B. über mehrere Temperaturzyklen, für gute Wärmeabfuhr sorgt und eine niedrige Fehlerrate des Elektronikmoduls ermöglicht.
  • Gemäß einem beispielhaften Aspekt ist ein Elektronikmodul bereitgestellt, wobei das Elektronikmodul einen Elektronikchip, der zumindest ein Elektronikbauteil umfasst, ein Beabstandungselement, das eine an oder auf dem Elektronikchip angeordnete Hauptoberfläche umfasst und in thermisch leitfähiger (oder wärmeleitender) Verbindung mit dem zumindest einen Elektronikbauteil steht, und eine Formmasse (die zum Beispiel auch als Mold- oder Verkapselungskörper bezeichnet werden kann), die den Elektronikchip und das Beabstandungselement zumindest zum Teil umschließt, umfasst, wobei das Beabstandungselement eine seitliche Oberfläche umfasst, die mit der Formmasse in Kontakt steht und Oberflächenstrukturen umfasst.
  • Gemäß einem beispielhaften Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung eines Elektronikmoduls bereitgestellt, wobei das Verfahren das Ausbilden eines Beabstandungselements, das ein leitfähiges bzw. leitendes Material umfasst und das eine Hauptoberfläche und eine seitliche Oberfläche umfasst, die zumindest eine Oberflächenstruktur umfasst, das Herstellen eines Kontakts zwischen der Hauptoberfläche des Beabstandungselements und einem Elektronikchip auf thermisch leitfähige Weise, und das Formen einer Formmasse zumindest zum Teil um das Beabstandungselement und den Elektronikchip herum, sodass die Formmasse mit der zumindest einen Oberflächenstruktur des Beabstandungselements in Kontakt steht, umfasst.
  • Gemäß einem beispielhaften Aspekt ist ein Elektronikmodul bereitgestellt, wobei das Modul eine elektronische Anordnung und eine Formmasse, die die elektronische Anordnung zumindest zum Teil umschließt, umfasst, wobei die elektronische Anordnung ein Substrat, einen auf oder an dem Substrat angeordneten Elektronikchip und ein auf oder an dem Elektronikchip angeordnetes Beabstandungselement umfasst, wobei die elektronische Anordnung ferner eine seitliche Oberfläche umfasst, die Oberflächenstrukturen umfasst, die so angepasst sind, dass sie die Oberfläche der elektronischen Anordnung erhöht, wobei die Formmasse in direktem Kontakt mit den Oberflächenstrukturen steht.
  • Durch das Bereitstellen eines Beabstandungselements mit einer seitlichen Oberfläche, die Oberflächenstrukturen umfasst, kann es möglich sein, die Kontakt- oder Schnittstelle zwischen dem Beabstandungselement und der Formmasse zu erhöhen. Durch Erhöhung der Kontakt- oder Schnittstelle zwischen dem Beabstandungselement und der Formmasse kann es möglich sein, die Wahrscheinlichkeit von Schichtablösung zu verringern.
  • Insbesondere kann die Schichtablösung der Formmasse und/oder zwischen dem Elektronikchip und dem Beabstandungselement und/oder der Formmasse reduziert werden. Eine solche Schichtablösung kann insbesondere aufgrund von unterschiedlicher Wärmeausdehnung der Formmasse und des Elektronikchips und/oder des Materials des Beabstandungselements auftreten und kann zum Ausfall des Elektronikmoduls führen, z.B. aufgrund einer Zerstörung elektrischer Bahnen von und zu dem Elektronikbauteil. Da jedoch die Oberflächenstrukturen die Gesamtoberfläche erhöhen können, die zur Herstellung eines direkten Kontakts zwischen der Formmasse und dem Beabstandungselement verfügbar ist, kann das Ausfallsrisiko des Elektronikmoduls verringert werden. Insbesondere kann ein verbessertes Elektronikmodul bereitgestellt werden, das seine Funktionen mehrere Temperaturzyklen, d.h. Aufwärmen und wieder Abkühlen, hindurch erfüllen kann, ohne dass die Elektronik oder elektrische Bahnen in dem Elektronikmodul z.B. aufgrund von Schichtablösungswirkungen zerstört werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die beiliegenden Zeichnungen, die beigefügt sind, um ein tieferes Verständnis der Ausführungsbeispiele der Erfindung bereitzustellen, und einen Teil der Beschreibung darstellen, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
  • In den Zeichnungen:
  • zeigen die 1A bis 1C Querschnittsansichten von Elektronikmodulen gemäß Ausführungsbeispielen;
  • zeigen die 2A bis 2C schematisch Verfahren zur Ausbildung von Oberflächenstrukturen auf einem Beabstandungselement;
  • zeigt 3 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Leistungsmoduls.
  • Beschreibung weiterer Ausführungsbeispiele
  • Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele für das Elektronikmodul und das Verfahren zu dessen Herstellung erläutert. Es gilt anzumerken, dass im Kontext des Elektronikmoduls beschriebene Ausführungsformen auch mit Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung des Elektronikmoduls kombiniert werden können, und umgekehrt.
  • Insbesondere umfasst das Beabstandungselement ein leitendes oder leitfähiges Material. Beispielsweise kann das leitende oder leitfähige Material thermisch leitfähig und/oder elektrisch leitfähig sein. Das Beabstandungselement kann auch einen Nivellierungseffekt erfüllen und Höhenunterschiede von Bauteilen oder Schichten des Elektronikmoduls ausgleichen. Insbesondere kann der Elektronikchip einen Leistungstransistor, d.h. ein Schaltelement, das dazu geeignet ist, elektrische Energie in einer Menge von mehreren zig oder Hunderten von Watt zu schalten, umfassen oder von einem solchen ausgebildet sein. Solche Leistungstransistoren sind von Transistoren zu unterscheiden, die zum Schalten von Informationssignalen verwendet werden, z.B. in integrierten Schaltungen eines Prozessors oder Speichers. Alternativ dazu kann das Elektronikmodul eine dicht gepackte Anordnung von elektronischen Schaltungen umfassen, was auch in hohem Maße zur Erzeugung von Wärme führt, die abgeführt werden muss.
  • Der Begriff „Oberflächenstruktur“ kann insbesondere eine Struktur oder ein Merkmal bezeichnen, die/das keine glatte Oberfläche aufweist, d.h. eine im Vergleich zu einer glatten Oberfläche vergrößerte Oberfläche aufweist. In anderen Worten kann eine Oberfläche, die Oberflächenstrukturen aufweist, in einer Querschnittsansicht eine Grenzlinie aufweisen, die nicht gerade ist oder keine gerade Linie bildet. Somit kann eine Oberflächenstruktur eine tatsächlich dreidimensionale Form oder Gestalt der Oberfläche anstelle einer quasi zweidimensionalen Form bereitstellen. Eine solche quasi zweidimensionale Form kann eine Form sein, die mit Ausnahme geringfügiger unbeabsichtigter oder unvermeidlicher Vorwölbungen und/oder Vertiefungen eben oder glatt ist, während eine tatsächlich dreidimensionale Form mit einer nicht planaren Oberfläche einhergeht.
  • Insbesondere kann das Elektronikmodul ein Leistungsmodul, z.B. ein Leistungstransistor oder ein ähnliches Elektronikmodul, sein, das so angepasst ist, dass es Hochspannung standhält. Der Begriff „Hochspannung“ kann insbesondere eine Spannung bezeichnen, die höher ist als typische Spannungen, die für Informationssignale verwendet werden. Beispielsweise kann der Leistungstransistor einer Spannung von hundert oder sogar mehreren Hunderten von Volt standhalten.
  • Insbesondere sind die Oberflächenstrukturen dreidimensionale Strukturen. Solche Oberflächenstrukturen können dafür sorgen, dass die seitliche Oberfläche, auf oder an der die Oberflächenstrukturen ausgebildet sind, eine im Vergleich zu einer glatten oder planaren oder quasi zweidimensionalen Oberfläche erhöhte Oberfläche aufweist. D.h., die seitliche Oberfläche kann durch die Oberflächenstruktur vergrößert sein. Insbesondere kann die seitliche Oberfläche eine Oberfläche sein, die senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht auf die Hauptoberfläche des Beabstandungselements steht. Es gilt anzumerken, dass das Beabstandungselement quasi zweidimensional sein kann, z.B. mit einer Dicke von zwischen 0,1 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 5 mm, noch konkreter zwischen 1,0 mm und 3,5 mm, z.B. etwa 2,5 mm, und dabei einer Fläche von zwischen 0,25 mm2 and 200 mm2, insbesondere zwischen 0,5 mm2 und 100 mm2, z.B. im Bereich von 40 mm2 und 60 mm2. Jedoch kann das Beabstandungselement auch eher die Form eines Blocks, d.h. eines tatsächlichen dreidimensionalen Elements, annehmen, wobei die Erstreckung in alle drei räumlichen Richtungen sich in derselben Größenordnung bewegen kann, wohingegen bei einem quasi zweidimensionalen Element die Erstreckung in eine räumliche Richtung viel geringer ist als in die anderen beiden räumlichen Richtungen. Beispielsweise kann der Elektronikchip auf einem Substrat angeordnet, angebracht oder befestigt sein, z.B. durch die Technologie der Oberflächenmontage durch Löten, Klemmen oder jede beliebige sonstige geeignete Technologie. Insbesondere kann das Elektronikmodul mit dem Substrat elektrisch verbunden sein, z.B. durch Drahtbonden, Löten oder die Technologie der Oberflächenmontage.
  • Es gilt anzumerken, dass das Elektronikmodul weitere Beabstandungselemente umfassen kann, die in Bezug aufeinander seitlich angeordnet sein können und/oder in Bezug aufeinander vertikal angeordnet sein können, d.h. eine Stapelanordnung bilden können. Mehrere oder alle zusätzlichen Beabstandungselemente können seitliche oder Seitenoberflächen umfassen, die Oberflächenstrukturen umfassen. Zusätzlich dazu können mehrere Elektronikchips in oder an dem Elektronikmodul horizontal und/oder vertikal in Bezug aufeinander angeordnet werden. Die Formmasse kann ein Thermoplastmaterial, ein Duroplastmaterial, ein Plastomermaterial oder ein Epoxidmaterial umfassen. Es gilt anzumerken, dass sich auf der seitlichen Oberfläche des Beabstandungselements vorzugsweise kein Lot befindet oder diese lotfrei ist, sodass die Haftung oder die Griffigkeit der Formmasse auf der seitlichen Oberfläche erhöht werden kann.
  • Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Elektronikmoduls kann das Ausbilden eines Beabstandungselements das Gestalten einer seitlichen Oberfläche umfassen, die eine im Vergleich zu einer planaren seitlichen Oberfläche, die im Wesentlichen senkrecht auf die Hauptoberfläche des Beabstandungselements steht, erhöhte Oberfläche aufweist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Elektronikmoduls umfasst die zumindest eine Oberflächenstruktur zumindest eine Struktur aus der aus einer Vertiefung, einer Vorwölbung, einer konkaven Struktur, einer konvexen Struktur und einem Widerhaken bestehenden Gruppe.
  • Sämtliche beschriebenen Oberflächenstrukturen oder Oberflächenmerkmale können geeignete Strukturen sein, um die Oberfläche, die mit der Formmasse in Kontakt steht, zu vergrößern, und somit können sie dazu geeignet sein, eine Art Verzahnung bereitzustellen, um die Wahrscheinlichkeit von Schichtablösung zu verringern. Insbesondere können die obigen Strukturen die beschriebene Form oder Gestalt in einer Querschnittsansicht aufweisen. In anderen Worten können die Strukturen, z.B. die Vorwölbung oder die Vertiefung, in der seitlichen Oberfläche des Beabstandungselements in einer im Wesentlichen auf die Fläche oder Ebene der seitlichen Oberfläche senkrechten Richtung ausgebildet werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Elektronikmoduls umfasst das Beabstandungselement ein thermisch leitfähiges Material.
  • Beispielsweise kann das thermisch leitfähige Material Metall oder ein thermisch leitfähiges Kunststoffmaterial sein. Beispiele für ein Metallmaterial können Kupfer, Molybdän, Nickel, Aluminium oder dergleichen sein. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit kann oberhalb eines zuvor festgelegten Wärmegrenzwerts liegen, insbesondere kann sie oberhalb von 10 W/(m·K) oder sogar oberhalb von 100 W/(m·K) liegen. Vorzugsweise kann das Beabstandungselement, insbesondere das Material des Beabstandungselements, so ausgewählt werden, dass es strukturierbar ist, d.h. mit einer Struktur oder einem Muster versehen werden kann, z.B. um leitende Muster oder Bahnen in oder auf dem Beabstandungselement auszubilden. Sämtliche beschriebenen Materialien können für ein Beabstandungselement geeignete Materialien sein, da diese Materialien einerseits leicht strukturierbar sein können und andererseits eine gute Wärmeleitfähigkeit bereitstellen, was eine gute Wärmeleitung oder -abfuhr ermöglicht.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Elektronikmoduls umfasst das Beabstandungselement ein elektrisch leitfähiges Material.
  • Beispielsweise kann die spezifische elektrische Leitfähigkeit des leitenden Materials oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts liegen, insbesondere kann sie oberhalb von 1·105 S/m oder sogar oberhalb von 1·106 S/m liegen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Elektronikmodul ferner zumindest eine äußere Wärmeleitschicht in thermischer Verbindung zu dem Beabstandungselement.
  • Insbesondere kann die zumindest eine äußere Wärmeleitschicht eine Metallschicht oder ein Metallblock sein, etwa ein Kupfer-, Aluminium- oder Molybdänblock oder eine entsprechende Schicht. Die äußere Wärmeleitschicht oder -struktur kann einen Wärmeableiter für das Elektronikmodul ausbilden und an der äußersten Oberfläche des Elektronikmoduls angeordnet sein, sodass es als Wärme abführende Oberfläche des Elektronikmoduls wirken kann. Die zumindest eine äußere Wärmeleitschicht kann auf einer Oberseite des Elektronikmoduls oder auf einer Unterseite des Elektronikmoduls angeordnet sein. Beispielsweise kann die zumindest eine Wärmeleitschicht auf einer Hauptoberfläche des Elektronikmoduls so angeordnet sein, dass das Beabstandungselement zwischen dem Elektronikchip und der zumindest einen äußeren Wärmeleitschicht angeordnet ist. Alternativ dazu ist die zumindest eine äußere Wärmeleitschicht auf einer weiteren Hauptoberfläche des Elektronikmoduls so angeordnet, dass der Elektronikchip zwischen dem Beabstandungselement und der zumindest einen äußeren Wärmeleitschicht angeordnet ist. Die äußere Wärmeleitschicht kann z.B. eine Kappe oder eine Kappenstruktur ausbilden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Elektronikmodul ferner eine weitere äußere Wärmeleitschicht, wobei die weitere äußere Wärmeleitschicht auf einer Hauptoberfläche des Elektronikmoduls angeordnet ist, die zu einer weiteren Hauptoberfläche des Elektronikmoduls, auf der die zumindest eine Wärmeleitschicht angeordnet ist, entgegengesetzt ist.
  • Die Bereitstellung einer zweiten äußeren Wärmeleitschicht auf einer zur ersten äußeren Wärmeleitschicht entgegengesetzten Seite kann die Wärmeabfuhr des Elektronikmoduls verbessern.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Elektronikmoduls ist das Beabstandungselement an dem Elektronikchip durch ein Verfahren aus der aus Löten, Sintern und Kleben bestehenden Gruppe befestigt.
  • Insbesondere kann beim Löten eine Lotstruktur verwendet werden, wobei diese Lotstruktur eine Lotschicht sein kann. Die Lotstruktur, die z.B. durch Lötkugeln, Lötpaste, Lötpunkte oder dergleichen ausgebildet ist, kann für eine wirksame Art und Weise sorgen, das Beabstandungselement und den Elektronikchip miteinander thermisch zu verbinden und gleichzeitig eine ausreichend starke Verbindung zwischen diesen herzustellen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Elektronikmoduls wird das Beabstandungselement durch das Prägen, Stanzen, Fräsen, Sintern, Drehen, Walzen, Strahlen (z.B. Kugelstrahlen), z.B. unter Verwendung von Schmirgel, eines Vorelements ausgebildet. Insbesondere kann das Prägen so ausgeführt werden, dass eine Erhöhung in der Mitte der seitlichen Oberfläche des Beabstandungselements gebildet wird, wobei diese Erhöhung die Oberflächenstrukturen des Beabstandungselements bilden kann. Eine solche Erhöhung lässt sich durch die Verwendung zweier Platten zum Prägen erreichen, wobei eine von der Oberseite und die andere von der Unterseite auf das Vorelement gepresst wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Elektronikmoduls ist die zumindest eine Oberflächenstruktur zur Erhöhung der Fläche der seitlichen Oberfläche im Vergleich zu einer planaren Seitenwand, die sich senkrecht auf die Hauptoberfläche erstreckt, konfiguriert.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Elektronikmoduls ist die zumindest eine Oberflächenstruktur eine gekrümmte seitliche Oberfläche.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Elektronikmoduls ferner das Ausbilden der zumindest einen Oberflächenstruktur auf einem Vorelement durch zumindest ein Verfahren aus der aus Prägen, Pressformen, Sputtern, Fräsen, Sintern, Strahlen und Walzen bestehenden Gruppe.
  • Alle beschriebenen Verfahren zur Strukturierung des Vorelements können für eine wirksame Art und Weise sorgen, durch das Bereitstellen von Vorwölbungen und/oder Einkerbungen oder Vertiefungen Oberflächenstrukturen in dem Vorelement auszubilden. Beispielsweise kann ein Prägeverfahren mittels zweier Prägeplatten oder -werkzeuge durchgeführt werden, die auf das Vorelement von beiden Seiten einwirken, sodass eine Erhöhung in der Mitte der seitlichen Oberfläche gebildet werden kann, die anschließend die Oberflächenstrukturen des Beabstandungselements ausbilden kann.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens wird das Herstellen eines Kontakts zwischen der Hauptoberfläche des Beabstandungselements und dem Elektronikchip durch ein aus der aus Löten, Sintern und Kleben bestehenden Gruppe ausgewähltes Verfahren durchgeführt.
  • Im Prinzip kann jede beliebige Befestigungsmethode oder jedes beliebige -verfahren ausgewählt werden, die/das eine ausreichend starke oder stabile Befestigung ermöglicht und dabei gleichzeitig einen wirksamen Wärmekontakt herstellt. Beispielsweise kann Löten für eine einfache und wirksame Art und Weise sorgen, das Beabstandungselement und den Elektronikchip aneinander zu befestigen sowie ausreichend Wärmekontakt zwischen den beiden Bauteilen herzustellen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens werden die Oberflächenstrukturen in dem Beabstandungselement ausgebildet.
  • Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch das Substrat Oberflächenstrukturen auf zumindest einer seitlichen Oberfläche umfassen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die elektronische Anordnung ferner eine Mehrzahl von Beabstandungselementen.
  • Insbesondere können die Beabstandungselemente vertikal übereinander und/oder seitlich zueinander angeordnet werden. Durch Bereitstellung eines gestapelten Gehäuses oder Moduls kann es möglich sein, die Leistungsfähigkeit des Elektronikmoduls zu erhöhen, während die erforderliche Fläche nicht erhöht wird. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit der Beabstandungselemente und der Bereitstellung einer erhöhten seitlichen Oberfläche (die eine geringere Wahrscheinlichkeit von Schichtablösung mit sich bringt) kann es möglich sein, das Elektronikmodul ausreichend zu kühlen, selbst wenn es in gestapelter Form ausgebildet ist.
  • Zusammenfassend kann der Kern eines Ausführungsbeispiels im Bereitstellen eines verpackten oder eingehäusten Elektronikmoduls gesehen werden, das ein Beabstandungselement zwischen einem Elektronikchip und einer äußeren Wärmeleitschicht umfasst, z.B. einem Direct-Bonded-Copper, wobei seitliche Oberflächen des Beabstandungselements Oberflächenstrukturen umfassen. Diese Oberflächenstrukturen erhöhen die Kontaktherstellungsoberfläche oder die Kontaktfläche zwischen dem Beabstandungselement und einer Formmasse des Elektronikmoduls und können somit zu einer Verringerung der Wahrscheinlichkeit von Schichtablösung und somit zu einer Verringerung der Wahrscheinlichkeit des Ausfalls des Elektronikmoduls führen.
  • Solch eine Schichtablösung kann durch Unterschiede zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien des Elektronikmoduls verursacht werden, die je nach vorliegender Temperatur zu einer mechanischen Belastung in dem Elektronikmodul führen, wobei die mechanische Belastung an den seitlichen Oberflächen des Beabstandungselements am stärksten sein kann. Somit kann die Bereitstellung von Oberflächenstrukturen, die die Oberfläche erhöhen und möglicherweise eine Art von Widerhaken- oder Hakenwirkung bereitstellen, eine wirksame Art und Weise sein, die Wahrscheinlichkeit einer Schichtablösung zu verringern, die in weiterer Folge womöglich Stromausfälle bei Verwendung des Elektronikmoduls verursachen würden. Ohne die Oberflächenstrukturen kann die Schichtablösung insbesondere zwischen der Formmasse und einem oberen Substrat, z.B. einem DCB, auftreten.
  • Zusätzlich dazu sollte erwähnt werden, dass die Oberflächenstrukturen an den seitlichen Oberflächen auch anfängliche Schichtablösung reduzieren oder vermeiden können, d.h. Schichtablösung, die schon vor einem ersten Temperaturzyklus auftritt, möglicherweise verursacht durch geringe Haftung der Formmasse, die aber aufgrund der Widerhakenfunktionalität der Oberflächenstrukturen erhöht werden kann.
  • Ausführliche Beschreibung der Figuren
  • Die obigen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie noch weitere erschließen sich aufgrund der nachstehenden Beschreibung und der beiliegenden Ansprüche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Teile oder Elemente durch gleich Bezugszeichen angegeben sind.
  • Die Veranschaulichung in der Zeichnung ist schematisch und nicht zwangsläufig maßstabgetreu.
  • 1 zeigt Querschnittsansichten von Elektronikmodulen gemäß Ausführungsbeispielen.
  • Insbesondere zeigt 1A eine Querschnittsansicht eines Details auf einem Elektronikmodul 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das ein Substrat 101, z.B. ein Direct-Bonded-Copper-Substrat (DCB), umfasst, das eine Kupfersubschicht und eine Keramiksubschicht umfasst, auf der ein Elektronikchip oder -element, etwa ein Leistungstransistor, z.B. ein IGBT („insulated gate bipolar transistor“, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), angeordnet ist (nicht gezeigt). Auf dem Substrat 101 und dem Elektronikchip ist eine Lotschicht 102 angeordnet, um ein Beabstandungselement 103 auf dem Substrat zu befestigen. Das Beabstandungselement kann eine Dicke von etwa 2,5 mm aufweisen und ist durch eine thermisch leitfähiges Material ausgebildet, z.B. durch Kupfer, Molybdän, Nickel oder dergleichen. Auf dem Beabstandungselement 103 ist ein DCB 104, das eine Kupfersubschicht oder eine Keramiksubschicht umfasst, durch eine zusätzliche Lotschicht 105 platziert. Wie aus 1A hervorgeht, ist eine seitliche Oberfläche 106 des Beabstandungselements 103 nicht planar, umfasst aber eine Oberflächenstruktur 107, die eine im Wesentlichen konkave Vertiefung in der Ausführungsform in 1A ist. Darüber hinaus umfasst das Elektronikmodul ein Gehäuse oder eine Einhausung, das/die durch eine Formmasse 108 ausgebildet ist. Die Formmasse 108 steht mit der Oberflächenstruktur 107, d.h. mit der in dem Beabstandungselement ausgebildeten Vertiefung, in Eingriff, was zu einem verbesserten Kontakt zwischen dem Beabstandungselement 103 und der Formmasse 108 führt. Dieser verbesserte Kontakt kann zu einer Verringerung der Wahrscheinlichkeit einer Schichtablösung führen und somit womöglich die Qualität des Elektronikmoduls 100 erhöhen.
  • Insbesondere zeigt 1B eine Querschnittsansicht eines Details eines Elektronikmoduls 110 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, das dem in 1A dargestellten ähnlich ist. Jedoch umfasst die Ausführungsform in 1B als Oberflächenstruktur des Beabstandungselements 103 einen Vorsprung 111, der im Wesentlichen ein Dreieck bildet. Ein solcher Vorsprung kann durch Prägen eines Vorelements mittels zweier Prägeplatten von entgegengesetzten Seiten ausgebildet werden.
  • Insbesondere zeigt 1C eine Querschnittsansicht eines Details eines Elektronikmoduls 120 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, das dem in 1B dargestellten ähnlich ist. Jedoch bildet der Vorsprung 111 in dem in 1C gezeigten dritten Ausführungsbeispiel einen Widerhaken oder einen Splitter.
  • 2 zeigt schematisch drei beispielhafte Verfahren zur Ausbildung von Oberflächenstrukturen auf oder in einem Beabstandungselement 200. Das Beabstandungselement 200 kann aus einem Material hergestellt sein, das unzureichende Formmassehaftung aufweist oder das eine zusätzliche Oberfläche (z.B. Au) mit unzureichender Formmassehaftung aufweist. In einem ersten Schritt können manche auf einem Vorelement 201 angeordnete oder ausgebildete Oberflächenelemente, wie z.B. Kontaktschichten oder Verunreinigungen, z.B. durch Ätzen, Schleifen oder Strahlen, z.B. unter Verwendung von Sand, insbesondere von den seitlichen Oberflächen des Vorelements 201 entfernt werden.
  • In einem nächsten Schritt werden Oberflächenstrukturen 202 in den seitlichen Oberflächen 203 des Vorelements 201 ausgebildet. Gemäß 2A werden die Oberflächenstrukturen 202 durch ein Fräswerkzeug 204, wie es in 2A schematisch dargestellt ist, ausgebildet. Das Fräswerkzeug erzeugt Nuten in dem Vorelement 201, wodurch das Beabstandungselement 200 ausgebildet wird.
  • 2B zeigt eine weitere Möglichkeit, Oberflächenstrukturen 212 in den seitlichen Oberflächen von Vorelementen 211 bereitzustellen, um ein Beabstandungselement 210 auszubilden. Insbesondere werden die Oberflächenstrukturen 212 unter Verwendung von Schleifteilchen 213 in einem Sputter- oder Strahlverfahren ausgebildet, das zu Kerben 212 in den seitlichen Oberflächen 214 des Vorelements 211 führt. Während des Sputterverfahrens können mehrere Vorelemente 211 zusammen verarbeitet und zwischen zwei Stempeln oder Backen 213 angeordnet werden, die oberhalb und unterhalb der Vorelemente angeordnet sind und zum Fixieren oder Halten der Vorelemente 211 verendet werden. Auch hier zeigt der untere Teil von 2B das finale Beabstandungselement 210 nach dem Strahlschritt.
  • 2C zeigt eine weitere mögliche Art und Weise, ein Beabstandungselement 220 auszubilden. Gemäß der Ausführungsform in 2C wird zum Herstellen des Beabstandungselements 220 ein Sinterverfahren eingesetzt. In dem Sinterverfahren wird ein Werkzeug 221 verwendet, das mit dem zur Ausbildung des Beabstandungselements verwendeten thermisch leitfähigen Material, z.B. Kupfer, Molybdän oder Nickel, oder einem thermisch leitfähigen Kunststoffmaterial angefüllt wird. Das Material kann als Pulver oder Partikel 223 in einen von dem Werkzeug ausgebildeten Hohlraum 222 gefüllt sein. Darüber hinaus umfasst das Werkzeug 220 Vorsprünge 224 an den Oberflächen des Hohlraums 221. Zur Herstellung des Beabstandungselements 200 wird ein Stempel 225 dazu verwendet, die Materialpartikel zu verdichten, und gleichzeitig wird das Werkzeug einem Sinterverfahren unterzogen, indem das mit dem leitenden Material angefüllte Werkzeug erhitzt wird. Auch hier zeigt der untere Teil von 2C das fertig gebaute Beabstandungselement 220, das ähnlich aussieht wie jenes im unteren Teil von 2A und Oberflächenstrukturen 226 in den seitlichen Oberflächen 227 des Beabstandungselements 220 umfasst.
  • Alle in 2 gezeigten Verfahren stellen ein Beabstandungselement 200, 210, 220 mit Oberflächenstrukturen an seitlichen Oberflächen bereit, wobei diese Oberflächenstrukturen die Haftung zwischen einer künftigen Formmasse und dem Beabstandungselement verbessern können, sodass die Wahrscheinlichkeit einer künftigen Schichtablösung verringert werden kann.
  • Es gilt anzumerken, dass der Begriff „umfassend“ andere Elemente oder Merkmale nicht ausschließt und dass „ein“ oder „eine“ eine Mehrzahl nicht ausschließt. Außerdem können Elemente, die im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben sind, kombiniert werden. Es gilt auch anzumerken, dass Bezugszeichen nicht aus den Schutzumfang der Ansprüche einschränkend auszulegen sind. Darüber hinaus ist nicht vorgesehen, dass der Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die konkreten Ausführungsformen des Verfahrens, der Maschine, der Herstellung, der Materialzusammensetzung, der Mittel, Methoden und Schritt, die in der Beschreibung beschrieben sind, beschränkt ist. Somit sollen die beiliegenden Ansprüche in ihrem Schutzumfang solche Verfahren, Maschinen, Herstellung, Materialzusammensetzungen, Mittel, Methoden oder Schritte einschließen.

Claims (16)

  1. Ein Elektronikmodul, das Folgendes umfasst: einen Elektronikchip, der zumindest ein Elektronikbauteil umfasst, ein Beabstandungselement, das eine an dem Elektronikchip angeordnete Hauptoberfläche umfasst und in thermisch leitfähiger Verbindung mit dem zumindest einen Elektronikbauteil steht; und eine Formmasse, die den Elektronikchip und das Beabstandungselement zumindest zum Teil umschließt; wobei das Beabstandungselement eine seitliche Oberfläche umfasst, die mit der Formmasse in Kontakt steht und zumindest eine Oberflächenstruktur umfasst.
  2. Das Elektronikmodul nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Oberflächenstruktur zumindest eine Struktur aus der Gruppe aufweist, die besteht aus: einer Vertiefung, einem Überstand, einer konkaven Struktur, einer konvexen Struktur, und einem Widerhaken.
  3. Das Elektronikmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Beabstandungselement ein thermisch leitfähiges Material umfasst.
  4. Das Elektronikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Beabstandungselement ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
  5. Das Elektronikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner zumindest eine äußere Wärmeleitschicht in thermischer Verbindung mit dem Beabstandungselement umfasst.
  6. Das Elektronikmodul nach Anspruch 5, das ferner eine weitere äußere Wärmeleitschicht umfasst, wobei die weitere äußere Wärmeleitschicht an einer Hauptoberfläche des Elektronikmoduls angeordnet ist, die einer weiteren Hauptoberfläche des Elektronikmoduls gegenüberliegt, an der die zumindest eine Wärmeleitschicht angeordnet ist.
  7. Das Elektronikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Beabstandungselement an dem Elektronikchip durch einen Prozess aus der Gruppe befestigt ist, die besteht aus: Löten; Sintern; und Kleben.
  8. Das Elektronikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Beabstandungselement durch einen Prozess aus der Gruppe ausgebildet ist, die besteht aus: Prägen; Pressen; Formen, insbesondere Spritzgießen; Sputtern; Fräsen; Sintern; Strahlen; und Walzen.
  9. Das Elektronikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zumindest eine Oberflächenstruktur zur Erhöhung der Fläche der seitlichen Oberfläche im Vergleich zu einer planaren Seitenwand, die sich senkrecht zu der Hauptoberfläche erstreckt, konfiguriert ist.
  10. Das Elektronikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zumindest eine Oberflächenstruktur eine gekrümmte seitliche Oberfläche darstellt.
  11. Ein Verfahren zur Herstellung eines Elektronikmoduls, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden eines Beabstandungselements, das ein leitfähiges Material umfasst und das eine Hauptoberfläche und eine seitliche Oberfläche umfasst, die zumindest eine Oberflächenstruktur umfasst; Herstellen eines Kontakts zwischen der Hauptoberfläche des Beabstandungselements und einem Elektronikchip auf thermisch leitfähige Weise; Formen einer Formmasse zumindest zum Teil um das Beabstandungselement und den Elektronikchip herum, sodass die Formmasse mit der zumindest einen Oberflächenstruktur des Beabstandungselements in Kontakt steht.
  12. Das Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfasst: Ausbilden der zumindest einen Oberflächenstruktur an einem Vorelement durch zumindest einen Prozess aus der Gruppe, die besteht aus: Prägen; Pressen; Formen, insbesondere Spritzgießen; Sputtern; Fräsen; Sintern; Strahlen; und Walzen.
  13. Das Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Herstellen eines Kontakts zwischen der Hauptoberfläche des Beabstandungselements und dem Elektronikchip durch einen Prozess erfolgt, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Löten; Sintern; und Kleben.
  14. Ein Elektronikmodul, wobei das Modul umfasst: eine elektronische Anordnung; und eine Formmasse, welche die elektronische Anordnung zumindest zum Teil umschließt, wobei die elektronische Anordnung ein Substrat, einen an dem Substrat angeordneten Elektronikchip und ein an dem Elektronikchip angeordnetes Beabstandungselement umfasst, wobei die elektronische Anordnung ferner eine seitliche Oberfläche umfasst, die Oberflächenstrukturen umfasst, die so angepasst sind, dass sie die Oberfläche der elektronischen Anordnung erhöhen, wobei die Formmasse in direktem Kontakt mit den Oberflächenstrukturen steht.
  15. Das Elektronikmodul nach Anspruch 14, wobei die Oberflächenstrukturen an dem Beabstandungselement ausgebildet sind.
  16. Das Elektronikmodul nach Anspruch 14 oder 15, wobei die elektronische Anordnung ferner eine Mehrzahl von Beabstandungselementen umfasst.
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