DE102014113238A1 - Elektronische Leistungsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Leistungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine elektronische Vorrichtung weist ein Leistungsmodul auf, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche aufweist, wobei zumindest ein Teil der ersten Hauptfläche als eine Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet ist. Die elektronische Vorrichtung weist eine poröse Metallschicht auf, die an dem Teil der ersten Hauptfläche angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft elektronische Vorrichtungen, die ein Leistungsmodul enthalten, und insbesondere die Technik der Wärmeableitung von elektronischen Vorrichtungen.
  • Hersteller von elektronischen Vorrichtungen sind ständig bestrebt, die Leistungsfähigkeit ihrer Produkte zu verbessern, während deren Herstellungskosten gesenkt werden sollen. In der Herstellung elektronischer Vorrichtungen, die ein Leistungsmodul wie einen Leistungshalbleiterchip enthalten, ist ein Bereich, der signifikant zu Kosten beiträgt, die Verpackung des Leistungsmoduls. Die Leistungsfähigkeit einer elektronischen Leistungsvorrichtung hängt von der Wärmeableitungsfähigkeit ab, die durch die Verpackung bereitgestellt wird. Verpackungsverfahren, die eine hohe Wärmeableitung und hohe mechanische Robustheit bei geringen Kosten bereitstellen, sind in vielen Anwendungsbereichen wünschenswert.
  • Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine elektronische Vorrichtung sowie ein Verfahren zu schaffen, die bzw. das eine kostengünstige und effiziente Entwärmung eines in der elektronischen Vorrichtung enthaltenen Leistungsmoduls ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist eine elektronische Vorrichtung offenbart. Die Vorrichtung enthält ein Leistungsmodul, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche aufweist.
  • Zumindest ein Teil der ersten Hauptfläche ist als Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet. Eine erste poröse Metallschicht ist an dem Teil der ersten Hauptfläche angeordnet.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung offenbart. Das Verfahren enthält ein Bereitstellen eines Leistungsmoduls, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche aufweist. Die erste Hauptfläche ist als Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet. Das Verfahren enthält ferner ein Bilden einer ersten porösen Metallschicht auf der ersten Hauptfläche.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Montieren einer elektronischen Vorrichtung an einer Wärmesenke offenbart. Die elektronische Vorrichtung weist ein Leistungsmodul mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche auf. Die erste Hauptfläche ist als Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet. Eine erste poröse Metallschicht ist an der ersten Hauptfläche angeordnet. Das Verfahren enthält ein Festklemmen der elektronischen Vorrichtung an einer ersten Wärmesenke. Die erste poröse Metallschicht ist zwischen dem Leistungsmodul und der Wärmesenke angeordnet. Ein Klemmdruck gleich oder größer 50 N/mm2, insbesondere gleich oder größer 100 N/mm2 wird angelegt.
  • Die beiliegenden Zeichnungen sind für ein umfassenderes Verständnis von Ausführungsformen bereitgestellt. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsformen und dienen gemeinsam mit der Beschreibung zur Erklärung von Prinzipien von Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile von Ausführungsformen werden sofort offensichtlich, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabgetreu in Bezug zueinander gezeichnet. Merkmale und/oder Elemente sind vorwiegend der Deutlichkeit und des leichteren Verständnisses wegen mit bestimmten Dimensionen relativ zueinander dargestellt; daher können sich relative Dimensionen in tatsächlichen Implementierungen wesentlich von den hier gezeigten Dimensionen unterscheiden. In den Figuren und der Beschreibung werden allgemein durchgehend gleiche Bezugszeichen zur Bezugnahme auf gleiche Elemente verwendet.
  • 1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer beispielhaften elektronischen Vorrichtung, die ein Leistungsmodul aufweist.
  • 2 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer beispielhaften elektronischen Vorrichtung, die ein Leistungsmodul aufweist.
  • 3 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer beispielhaften elektronischen Vorrichtung, die ein Leistungsmodul mit zwei Wärmeableitungsflächen aufweist.
  • 4 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer beispielhaften elektronischen Vorrichtung, die ein Leistungsmodul aufweist, wobei die elektronische Vorrichtung einen seitlichen externen Leistungsanschluss hat.
  • 5 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer beispielhaften elektronischen Vorrichtung, die ein Leistungsmodul aufweist, wobei die elektronische Vorrichtung zwei Wärmeableitungsflächen und seitliche externe Leistungsanschlüsse hat.
  • 6 zeigt ein Basisschaltbild einer elektronischen Halbbrückenvorrichtung.
  • 7 zeigt schematisch ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer porösen Metallschicht durch Befestigen einer Metallschaumschicht an einer Wärmeableitungsfläche der elektronischen Vorrichtung.
  • 8 zeigt schematisch ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer porösen Metallschicht unter Verwendung einer Partikelabscheidungstechnik.
  • 9 zeigt schematisch ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer porösen Metallschicht durch Sintern einer Metallpaste, die an einer Wärmeableitungsfläche der elektronischen Vorrichtung befestigt wird.
  • 10 ist eine Grafik, die die Druckspannungskurve gegenüber der Dehnung eines Metallschaums zeigt.
  • 11 ist ein Elektronenmikroskopbild eines Querschnitts einer porösen Metallschicht, die durch eine Partikelabscheidungstechnik gebildet wird.
  • 12 ist ein Elektronenmikroskopbild eines Querschnitts einer porösen Metallschicht, die durch einen Metallschaum gebildet wird.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in welchen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen dargestellt sind, in welchen die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine richtungsangebende Terminologie, wie "oben", "unten", "vorne", "hinten", "voraneilend", "nacheilend", usw. in Bezug auf die Ausrichtung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten der Ausführungsformen in zahlreichen verschiedenen Ausrichtungen positioniert werden können, wird die richtungsangebende Terminologie zur Veranschaulichung verwendet und ist in keiner Weise einschränkend. Es ist klar, dass andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen.
  • Es ist klar, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, falls nicht speziell anderes angegeben ist.
  • Wie in dieser Schrift verwendet, sollen die Begriffe "gekoppelt" und/oder "verbunden" nicht allgemein bedeuten, dass Elemente direkt aneinander gekoppelt oder miteinander verbunden sein müssen. Zwischen den "gekoppelten" oder "verbundenen" Elementen können dazwischen liegende Elemente bereitgestellt sein. Die Begriffe "gekoppelt" und/oder "verbunden", können jedoch, obwohl sie nicht auf diese Bedeutung beschränkt sind, so verstanden werden, dass sie optional einen Aspekt offenbaren, in dem die Elemente direkt aneinander gekoppelt oder miteinander verbunden sind, ohne dass zwischen den "gekoppelten" oder "verbundenen" Elementen dazwischen liegende Elemente bereitgestellt sind.
  • Hier sind elektronische Vorrichtungen beschrieben, die ein Leistungsmodul enthalten. Das Leistungsmodul kann einen oder mehrere Halbleiterchip(s) enthalten. Insbesondere kann einer oder können mehrere Leistungshalbleiterchip(s) mit einer vertikalen Struktur enthalten sein, das heißt, dass die Leistungshalbleiterchips derart hergestellt sein können, dass elektrische Ströme in eine Richtung senkrecht zu den Hauptflächen der Leistungshalbleiterchips fließen können. Ein Leistungshalbleiterchip mit einer vertikalen Struktur hat Elektroden an seinen zwei Hauptflächen, das heißt, an seiner oberen Seite und unteren Seite. In verschiedenen anderen Ausführungsformen können horizontale Leistungshalbleiterchips enthalten sein.
  • Der oder die Leistungshalbleiterchip(s) kann bzw. können aus speziellem Halbleitermaterial hergestellt sein, wie Si, SiC, SiGe, GaAs, GaN, AlGaN, InGaAs, InAlAs, usw. und kann bzw. können ferner anorganische und/oder organische Materialien enthalten, die nicht Halbleiter sind. Der oder die Leistungshalbleiterchip(s) kann bzw. können von unterschiedlicher Art sein und können durch unterschiedliche Technologien hergestellt werden.
  • Leistungshalbleiterchips können zum Beispiel als Leistungs-MISFETs (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistors – Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), Leistungs-MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors – Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors – bipolare Transistoren mit isoliertem Gate), JFETs (Junction Gate Field Effect Transistors – Sperrschicht-Feldeffekttransistoren) HEMTs (High Electron Mobility Transistors – Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit), bipolare Leistungstransistoren oder Leistungsdioden, wie PIN-Diode oder Schottky-Diode, gestaltet sein. Zum Beispiel können in vertikalen Vorrichtungen die Source-Kontaktelektrode und die Gate-Kontaktelektrode eines Leistungs-MISFET oder eines Leistungs-MOSFET oder eines HEMT an einer Hauptfläche angeordnet sein, während die Drain-Kontaktelektrode des Leistungs-MISFET oder Leistungs-MOSFET oder HEMT an der anderen Hauptfläche angeordnet sein kann.
  • Ferner können die hier beschriebenen elektronischen Vorrichtungen optional eine oder mehrere logische integrierte Schaltung(en) zur Steuerung des Leistungshalbleiterchips enthalten. Die logische integrierte Schaltung kann eine oder mehrere Treiberschaltung(en) zum Antreiben des Leistungshalbleiterchips enthalten. Die logische integrierte Schaltung kann eine Mikrosteuerung sein, die zum Beispiel Speicherschaltungen, Pegelumsetzer usw. enthält.
  • Das Leistungsmodul weist eine erste Hauptfläche auf, wobei zumindest ein Teil der ersten Hauptfläche als eine Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet ist. Dieser Teil der ersten Hauptfläche (oder die gesamte erste Hauptfläche) ist von den Leistungsanschlüssen des Leistungsmoduls isoliert. Der Teil der ersten Hauptfläche kann selbst aus einem Isoliermaterial wie Keramik bestehen. Alternativ kann der Teil der ersten Hauptfläche aus einem elektrisch leitenden Material wie einem Metall bestehen. Im letztgenannten Fall ist das elektrisch leitende Material des Teils der ersten Hauptfläche von jedem externen Leistungsanschluss des Leistungsmoduls elektrisch getrennt (d.h., isoliert oder abgeklemmt). Insbesondere bildet der Teil der ersten Hauptfläche selbst keinen elektrischen Leistungsanschluss des Leistungsmoduls.
  • Zum Beispiel kann der Teil der ersten Hauptfläche eine freiliegende Fläche eines Chipträgers sein, auf der ein Leistungshalbleiterchip oder mehrere Leistungshalbleiterchips montiert sind. In einer Ausführungsform kann der Chipträger eine Metallplatte oder ein Metallblech wie ein Die-Pad eines Anschlussrahmens (Leadframe) sein. In diesem Fall kann der Teil der ersten Hauptfläche durch eine Isolierschicht gebildet sein, die an der Rückseite (d.h., der Seite gegenüber der Rückseite des Anschlussrahmens) befestigt ist. Die Metallplatte oder das Metallblech, z.B. der Anschlussrahmen, kann jedes Metall oder jede Metalllegierung aufweisen, z.B. Kupfer oder eine Kupferlegierung.
  • In anderen Ausführungsformen kann der Chipträger, auf dem der Leistungshalbleiterchip montiert ist, eine Keramikplatte aufweisen, die mit einer Metallschicht überzogen ist, wie eine metallgebondeter Keramikträger. In diesem Fall kann der Teil der ersten Hauptfläche durch den Keramikträger oder durch eine elektrisch leitende Schicht (z.B. Metallschicht) gebildet werden, die an der Rückseite (d.h., der Seite, die der Montageseite gegenüberliegt) des metallgebondeten Keramikträgers aufgetragen ist. Im letztgenannten Fall ist die elektrisch leitende Schicht vom Leistungshalbleiterchip durch den Keramikträger getrennt oder isoliert. Zum Beispiel kann der Chipträger eine DCB (direkt kupfergebondeter) Keramikträger sein.
  • Der oder die Leistungshalbleiterchip(s) kann bzw. können teilweise von einem elektrisch isolierenden Material umgeben oder in dieses eingebettet sein. Das elektrisch isolierende Material kann einen Einkapselungskörper des Leistungsmoduls bilden. Der Einkapselungskörper kann ein Formmaterial aufweisen oder aus diesem bestehen. Es können verschiedene Techniken zur Bildung des Einkapselungskörpers aus einem Formmaterial verwendet werden, zum Beispiel Pressformen, Spritzgussformen, Pulvergussformen oder Flüssigformen. Ferner kann der Einkapselungskörper die Form eines Stücks einer Schicht haben, wie eines Stücks eines Blechs oder einer Folie, das auf die Oberseite des oder der Leistungshalbleiterchip(s) und des Chipträgers laminiert wird. Der Einkapselungskörper kann Teil eines Umfangs des Leistungsmoduls bilden, d.h., kann zumindest teilweise die Form des Leistungsmoduls definieren. Zum Beispiel kann der Teil der ersten Hauptfläche durch eine freiliegende Chipträgerfläche gebildet werden, während zumindest ein Teil oder die Gesamtheit des verbleibenden Teils der ersten Hauptfläche durch eine Fläche des Einkapselungskörpers gebildet werden kann.
  • Das elektrisch isolierende Material, das den Einkapselungskörper bildet, kann ein wärmehärtendes Material oder ein thermoplastisches Material aufweisen. Ein wärmehärtendes Material kann auf der Basis von Epoxidharz hergestellt werden. Ein thermoplastisches kann ein oder mehrere Material(ien) aus der Gruppe von Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyamidimid (PAI) aufweisen. Thermoplastische Materialien schmelzen durch Anwendung von Druck und Wärme während des Formens oder Laminierens und härten (reversibel) beim Abkühlen und bei einer Druckentlastung.
  • Das elektrisch isolierende Material, das den Einkapselungskörper bildet, kann ein Polymermaterial aufweisen. Das elektrisch isolierende Material kann zumindest eines von einem gefüllten oder ungefüllten Formstoff, einem gefüllten oder ungefüllten thermoplastischen Material, einem gefüllten oder ungefüllten wärmehärtenden Material, einem gefüllten oder ungefüllten Laminat, einem faserverstärkten Laminat, einem faserverstärkten Polymerlaminat und einem faserverstärkten Polymerlaminat mit Füllpartikeln aufweisen.
  • In einigen Ausführungsformen kann das elektrisch isolierende Material ein Laminat sein, wie eine Polymerfolie oder -schicht. Wärme und Druck werden über eine geeignete Zeit ausgeübt, um die Polymerfolie oder -schicht an der darunterliegenden Struktur zu befestigen. Während des Laminierens ist die Polymerfolie oder -schicht imstande zu fließen (d.h., ist in einem plastischen Zustand), wodurch Spalte zwischen den Leistungshalbleiterchips und/oder andere topologische Strukturen auf den Chipträgern mit dem Polymermaterial der elektrisch isolierenden Folie oder Schicht gefüllt werden. Die elektrisch isolierende Folie oder Schicht kann jedes geeignete thermoplastische oder wärmehärtende Material aufweisen oder aus diesem bestehen. In einer Ausführungsform kann die elektrisch isolierende Folie oder Schicht ein Prepreg (kurz für vorimprägnierte Fasern) aufweisen oder aus diesem bestehen, das z.B. aus einer Kombination einer Fasermatte, zum Beispiel Glas- oder Kohlenstofffasern, und einem Harz, zum Beispiel einem wärmehärtenden oder thermoplastischen Material, hergestellt ist. Prepreg-Materialien sind in der Technik bekannt und werden typischerweise zur Herstellung von PCBs (gedruckten Leiterplatten) verwendet.
  • Eine erste poröse Metallschicht ist auf dem Teil der ersten Hauptfläche angeordnet. Die erste poröse Metallschicht kann eine offenzellige Metallschaumschicht oder eine Schicht sein, die aus Metallpartikeln besteht, wie eine plasmaabgeschiedene Partikelschicht oder eine gesinterte Metallschicht. Poröse Metallschichten stellen unter Druck eine plastische Verformbarkeit bereit. Wenn die elektronische Vorrichtung mit der ersten porösen Metallschicht an eine erste Wärmesenke geklemmt wird, gleicht die plastische Verformbarkeit der ersten porösen Metallschicht den angelegten Kontaktdruck aus und verhindert das Auftreten lokaler Druckspitzen, die sonst über der ersten Hauptfläche auftreten könnten. Diese Eigenschaft, Druck zu verteilen und aufzunehmen, trägt dazu bei, eine mechanische Beschädigung des Leistungsmoduls zu verhindern (insbesondere, wenn das Leistungsmodul Keramik verwendet, die für eine mechanische Belastung anfällig ist). Sie kann auch ein Ausüben eines höheren Drucks als sonst ermöglichen. Ferner kann eine poröse Metallschicht eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben und die Wärmeleitfähigkeit kann noch durch Verstärken des Kontaktdrucks erhöht werden. Somit kann die Porosität der Metallschicht sowohl für die mechanischen wie auch thermischen Eigenschaften der elektronischen Vorrichtung günstig sein.
  • Eine Vielzahl verschiedener Arten von elektronischen Vorrichtungen können eine oder mehrere poröse Metallschichten zur Wärmeableitung wie hierin beschrieben verwenden, oder sie können durch hierin beschriebene Techniken hergestellt werden. Zum Beispiel kann eine elektronische Vorrichtung gemäß der Offenbarung eine Leistungsversorgung darstellen, die zwei oder mehr Leistungshalbleiterchips, z.B. MOSFETs, und eine oder mehrere logische integrierte Schaltungen enthält. Beispielsweise kann eine hierin offenbarte elektronische Vorrichtung eine Halbbrückenschaltung aufweisen, die einen High-Side-Transistor, einen Low-Side-Transistor und einen logischen integrierten Schaltungschip enthält. Der logische integrierte Schaltungschip kann optional eine oder mehrere Transistortreiberschaltung(en) enthalten.
  • Eine hierin offenbarte Halbbrückenschaltung kann in einer elektronischen Schaltung zum Umwandeln von Gleichoder Wechselspannungen in Gleichspannungen, sogenannte DC/DC-Wandler bzw. AC/DC-Wandler, implementiert sein. DC/DC-Wandler können zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung, die von einer Batterie oder einer wiederaufladbaren Batterie bereitgestellt wird, in eine DC-Ausgangsspannung verwendet werden, die zu den Anforderungen elektronischer Schaltungen passt, die stromabwärts angeschlossen sind. Beispielsweise kann ein hierin beschriebener DC/DC-Wandler ein Aufwärtswandler oder Abwärtswandler sein. AC/DC-Wandler können zum Umwandeln einer AC-Eingangsspannung, die z.B. von einem Hochspannungs-AC-Stromnetz bereitgestellt wird, in eine DC-Ausgangsspannung verwendet werden, die zu den Anforderungen elektronischer Schaltungen passt, die stromabwärts angeschlossen sind.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften elektronischen Vorrichtung 100. Die elektronische Vorrichtung 100 kann ein Leistungsmodul 110 mit einer ersten Hauptfläche 110a und einer zweiten Hauptfläche 110b gegenüber der ersten Hauptfläche 110a aufweisen. Zumindest ein Teil 120a der ersten Hauptfläche 110a ist als Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet. Ferner weist die elektronische Vorrichtung 100 eine erste poröse Metallschicht 170 auf, die auf dem Teil 120a der ersten Hauptfläche 110a angeordnet ist.
  • Das Leistungsmodul 110 kann einen Chipträger 120 und einen Leistungshalbleiterchip 130 aufweisen, der auf einer oberen Fläche 120b des Chipträgers 120 montiert ist. Zum Beispiel kann die obere Fläche 120b des Chipträgers 120 metallisch sein und es kann eine Bondschicht (nicht dargestellt), die zum Beispiel aus AuSn, AgSn, CuSn, AgIn, AuIn, AuGe, CuIn, AuSi, Sn oder Au besteht, zur Montage des Leistungshalbleiterchips 130 an der oberen Fläche 120b des Chipträgers 120 verwendet werden. Es kann eine Diffusionslötmittelbindung, eine Weichlötmittelbindung, eine Hartlötmittelbindung, eine gesinterte Metallbindung und/oder eine elektrisch leitende Haftmittelbindung zur Bildung der Bondschicht verwendet werden.
  • Der Leistungshalbleiterchip 130 kann von jeder Art sein, wie ein GaN-HEMT, ein Si- oder SiC-Leistungs-MOSFET oder eine solche Leistungsdiode. Der Leistungshalbleiterchip 130 kann während des Betriebs hohe thermische Verluste haben, wie einen thermischen Leistungsverlust (eine thermische Dissipation) im Bereich zwischen 1 W und 10 W oder noch mehr. Die thermische Leistung, die im Leistungshalbleiterchip 130 während des Betriebs erzeugt wird, muss abgeleitet werden, um eine Überhitzung, eine Verschlechterung oder einen Durchbruch des Leistungshalbleiterchips 130 zu vermeiden. Der Leistungshalbleiterchip 130 kann für einen Betrieb bei Spannungen von mehr als 50 V, 100 V, 300 V, 500 V oder 1000 V gestaltet sein. Der Leistungshalbleiterchip 130 kann eine Stärke (Dicke) Tc von gleich oder kleiner 300 µm, 200 µm, 100 µm, 80 µm oder 50 µm haben.
  • Eine Lastleistungselektrode 131 des Leistungshalbleiterchips 130 kann an den Chipträger 120 gebondet sein. In diesem Fall kann der Chipträger 120 als Leistungsleiter und/oder externer Leistungsanschluss des Leistungsmoduls 110 dienen. In anderen Fällen, falls z.B. ein horizontaler Leistungshalbleiterchip 130 verwendet wird, kann das Bezugszeichen 131 einfach eine Rückseitenmetallisierung des Leistungshalbleiterchips 130 bezeichnen, die zum sicheren Anbringen des Leistungshalbleiterchips 130 am Chipträger 120 verwendet wird, aber ohne Leistungsstrom-leitende, elektrische Funktionalität.
  • Eine untere Fläche des Chipträgers 120 kann an der ersten Hauptfläche 110a des Leistungsmoduls 110 freiliegen. Die untere Fläche des Chipträgers 120 kann den Teil 120a der ersten Hauptfläche 110a definieren, die als Wärmeableitungsfläche gestaltet ist und auf der die poröse Metallschicht 170 aufgetragen wird. Die poröse Metallschicht 170 kann so gestaltet sein, dass sie die gesamte untere Fläche des Chipträgers 120 oder einen Teil davon bedeckt. Die poröse Metallschicht 170 kann auch so gestaltet sein, dass sie sich seitlich über die untere Fläche des Chipträgers 120 hinaus erstreckt, siehe z.B. 1.
  • Der Leistungshalbleiterchip 130 und der Chipträger 120 können in einem elektrisch isolierenden Material, wie einem Formmaterial, eingekapselt sein, das einen Einkapselungskörper 140 bildet. Der Einkapselungskörper 140 kann zumindest teilweise den Umfang des Leistungsmoduls 110 definieren. Zum Beispiel kann der Teil 120a der ersten Hauptfläche 110a die freiliegende untere Chipträgerfläche aufweisen, während ein restlicher Teil der ersten Hauptfläche 110a des Leistungsmoduls 110 vom Einkapselungskörper 140 gebildet werden kann. Die poröse Metallschicht 170 kann so gestaltet sein, dass sie ebenfalls teilweise oder vollständig den restlichen Teil der ersten Hauptfläche 110a des Leistungsmoduls 110 bedeckt, der vom Einkapselungskörper 140 gebildet werden kann.
  • Der Chipträger 120 kann von unterschiedlichen Arten sein. Wie zum Beispiel in 1 dargestellt ist, kann der Chipträger 120 eine obere Metallschicht 121 und eine Isolierschicht 122 aufweisen oder sein. Die Isolierschicht 122 kann eine Keramikschicht sein. Ein Chipträger 120 mit einer Keramikschicht und zumindest einer oberen (oder unteren) Metallschicht 121 wird hier auch als metallgebondeter Keramikträger bezeichnet. Der Teil 120a der ersten Hauptfläche kann aus dem metallgebondeten Keramikträger gebildet sein ("freiliegender metallgebondeter Keramikträger").
  • In anderen Ausführungsformen kann der Chipträger 120 einen Anschlussrahmen (Leadframe) aufweisen. Der Teil 120a der ersten Hauptfläche kann durch die Rückseite des metallischen Anschlussrahmens ("freiliegender Anschlussrahmen") gebildet werden, falls der Anschlussrahmen nicht als Leistungsstromleiter und/oder als ein externer elektrischer Leistungsanschluss des Leistungsmoduls 110 verwendet wird. Der Teil 120a der ersten Hauptfläche kann auch aus einer Isolierschicht gebildet sein, die an der Rückseite des Anschlussrahmens befestigt ist. Die Isolierschicht kann eine Keramikschicht sein, wie eine Bornitridschicht oder eine Kalziumoxidschicht. In diesem Fall kann der Anschlussrahmen als Leistungsstromleiter und/oder als ein externer elektrischer Leistungsanschluss der elektronischen Vorrichtung 100 dienen und durch die Isolierschicht wird eine elektrische Isolierung zur ersten porösen Metallschicht 170 erhalten.
  • Wie in der Technik bekannt ist, hängen die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer eines Leistungsmoduls 110 kritisch von der Betriebstemperatur des Leistungshalbleiterchips 130 ab, der im Leistungsmodul 110 enthalten ist. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Wärme, die im Leistungshalbleiterchip 130 während des Betriebs erzeugt wird, effektiv zu entfernen oder abzuleiten.
  • Die erste poröse Metallschicht 170 ist so gestaltet, dass sie an eine Wärmesenke (in 1 nicht dargestellt) geklemmt wird. Wenn die erste poröse Metallschicht 170 an die Wärmesenke geklemmt ist, leitet sie Wärme, die im Leistungshalbleiterchip 130 erzeugt wird, zur Wärmesenke. Die Wärmesenke kann wassergekühlt oder luftgekühlt sein. Mit anderen Worten, die erste poröse Metallschicht 170 wird als Thermobrücke zum Abkühlen des Leistungsmoduls 110 auf Temperaturen verwendet, die für einen guten Betrieb, eine thermische Robustheit und lange Lebensdauer geeignet sind. Die erste poröse Metallschicht 170 braucht nicht mit einem externen elektrischen Leistungsanschluss des Leistungsmoduls 110 in Kontakt stehen und/oder braucht keinen externen elektrischen Leistungsanschluss der elektronischen Vorrichtung 100 zu bilden.
  • Wie zum Beispiel in 1 dargestellt ist, kann das Leistungsmodul 110 eine seitliche Dimension oder eine Breite W im Bereich von 5 bis 15 mm und insbesondere von 7 bis 13 mm haben. Das Leistungsmodul 110 kann eine vertikale Dimension oder Höhe H im Bereich von z.B. 0,5 bis 5 mm, insbesondere von 1 bis 2 mm haben. Der Chipträger 120 kann eine seitliche Ausdehnung Wc von mehr als 60%, 70%, 80%, 90% von W haben. Der Chipträger 120 kann eine vertikale Dimension Hc im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm haben und insbesondere von 0,15 bis 0,3 mm. Die erste poröse Metallschicht 170 kann eine Stärke (Dicke) T zwischen 20 und 200 µm, insbesondere zwischen 20 und 100 µm haben, insbesondere zwischen 30 und 60 µm.
  • Die erste poröse Metallschicht 170 kann ein Metall, das aus der Gruppe bestehend aus Cu, Al, Ag, Ni, Mo und Legierungen davon ausgewählt ist, aufweisen.
  • Die erste poröse Metallschicht 170 kann eine Porosität zwischen 20 und 90% aufweisen und insbesondere zwischen 25 und 50%. Die Porosität ist das Volumen der Poren in Relation zum Gesamtvolumen der Metallschicht.
  • Die erste poröse Metallschicht 170 kann eine Wärmeleitfähigkeit gleich oder größer 10 W/(mK) aufweisen und insbesondere gleich oder größer 15 W/(mK) oder 20 W/(mK). Unter Druck, d.h., falls an eine Wärmesenke angeklemmt, kann die Wärmeleitfähigkeit der (verformten) porösen Metallschicht 170 gleich oder größer als 20, 30, 40 oder 50 W/(mK) sein.
  • Die Beschreibung in Verbindung mit 1 gilt für alle Ausführungsformen von hierin beschriebenen elektronischen Vorrichtungen. Insbesondere sind die oben angegebenen Größen für alle anderen Ausführungsformen anwendbar. Ferner gelten die Eigenschaften der ersten porösen Metallschicht 170, wie oben beschrieben, auch für die zweite poröse Metallschicht, die in der Folge näher beschrieben wird.
  • 2 zeigt eine elektronische Vorrichtung 200 mit derselben Gestaltung wie die elektronische Vorrichtung 100. In dem Leistungsmodul 210 der elektronischen Vorrichtung 200 ist der Chipträger 120 jedoch durch einen Chipträger 220 ersetzt. Der Chipträger 220 kann die obere Metallschicht 121 und die Isolierschicht 122 des Chipträgers 120 aufweisen und zusätzlich eine untere Metallschicht 221. Zum Beispiel kann der Chipträger 220 ein direkt metallgebondeter Keramikträger sein, wie ein DCB (direkt kupfergebondeter) Keramikträger.
  • Die unter Metallschicht 221 des Chipträgers 220 kann an der ersten Hauptfläche 110a des Leistungsmoduls 110 freiliegen und kann den Teil 120a der ersten Hauptfläche 110a definieren, der als Wärmeableitungsfläche gestaltet ist und auf dem die poröse Metallschicht 170 aufgetragen wird.
  • Wie in 1 und 2 beispielhaft gezeigt, können den Leistungsmodulen 110, 210, wie hierin beschrieben, eine Isolierschicht (wie die Isolierschicht 122 oder eine Isolierschicht, die wie oben erklärt an einem Anschlussrahmen befestigt ist) gemein sein, die sich zwischen dem Leistungshalbleiterchip 130 und der ersten porösen Metallschicht 170 erstreckt. Diese Isolierschicht, z.B. die Keramikschicht, kann zum elektrischen Isolieren der ersten porösen Metallschicht 170 von der oberen (Chipmontage-)Fläche 120b des Chipträgers 120 dienen. Diese Isolierschicht kann eine Durchschlagsfestigkeit größer als 100 V, 500 V, 1000 V oder sogar 10 kV haben. Wenn andererseits der Chipträger 120 nicht als ein elektrischer Leistungsstromleiter und/oder externer Leistungsanschluss des Leistungsmoduls 110, 210 verwendet wird, kann diese Isolierschicht (z.B. die Isolierschicht 122 oder eine isolierende Anschlussrahmenüberzugsschicht) optional weggelassen werden. Falls zum Beispiel der Leistungshalbleiterchip 130 eine horizontale Vorrichtung ist, ist die Isolierschicht nicht unbedingt erforderlich.
  • 3 zeigt eine elektronische Vorrichtung 300 mit derselben Gestaltung wie die elektronische Vorrichtung 100 oder 200 mit der Ausnahme, dass die elektronische Vorrichtung 300 ferner einen anderen Chipträger 320, der an der zweiten Hauptfläche 110b des Leistungsmoduls 310 freiliegt, und eine zweite poröse Metallschicht 370, die an einem Teil 320a der zweiten Hauptfläche 110b angeordnet ist, aufweist, die als Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet ist. Somit liegt das Leistungsmodul 310 zwischen der ersten und zweiten porösen Metallschicht 170, 370, die an dem Leistungsmodul 310 an gegenüberliegenden Seiten befestigt sind. Die zweite poröse Metallschicht 370 kann dieselbe Struktur, Zusammensetzung, dieselben Eigenschaften, Dimensionen, Funktionalitäten usw. wie die erste poröse Metallschicht 170 haben und es wird auf die vorliegende Beschreibung verwiesen, um eine Wiederholung zu vermeiden. Insbesondere kann die zweite poröse Metallschicht 370 so gestaltet sein, dass sie teilweise oder vollständig einen Teil der zweiten Hauptfläche 110b des Leistungsmoduls 310 bedeckt, die als Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet ist, und kann so gestaltet sein, dass sie teilweise oder vollständig einen restlichen Teil der zweiten Hauptfläche 110b des Leistungsmoduls 310 bedeckt, der vom Einkapselungskörper 140 gebildet sein kann.
  • Der Chipträger 320 kann dieselbe Struktur, Zusammensetzung, dieselben Eigenschaften, Dimensionen, Funktionalitäten usw. wie der Chipträger 120 oder der Chipträger 220 haben und es wird auf die obenstehende Beschreibung verwiesen, um eine Wiederholung zu vermeiden. Insbesondere kann der Chipträger 320 eine metallgebondeter Keramikträger oder einen Anschlussrahmen (Leadframe) aufweisen, der mit einer Isolierschicht überzogen ist oder nicht, und das Konzept eines "freiliegenden Chipträgers", wie oben erklärt, kann zur Definition des Teils der zweiten Hauptfläche 110b des Leistungsmoduls 310 verwendet werden, die als Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet ist.
  • Der Leistungshalbleiterchip 130 kann an den Chipträger 320 auf dieselbe Weise und unter Verwendung derselben Bindungsmaterialien wie oben in Bezug auf Chipträger 120, 220 beschrieben gebondet werden und es wird auf die obenstehende Beschreibung verwiesen, um eine Wiederholung zu vermeiden. Insbesondere, falls der Leistungshalbleiterchip 130 eine vertikale Vorrichtung ist, kann eine erste Lastleistungselektrode 131 (z.B. Drain-Elektrode) des Leistungshalbleiterchips 130 an den Chipträger 120 oder 220 gebondet sein und eine zweite Lastleistungselektrode 331 (z.B. Source-Elektrode) des Leistungshalbleiterchips 130 kann an den Chipträger 320 gebondet sein.
  • 4 zeigt eine elektronische Vorrichtung 400 mit vorwiegend derselben Gestaltung wie die elektronische Vorrichtung 100 oder 200. 4 zeigt einen ersten externen Leistungs-(oder Last-)Anschluss 480, der elektrisch an den Chipträger 120 und genauer an die obere Metallschicht 121 des Chipträgers 120 gekoppelt ist. Der erste externe Leistungs-(oder Last-)Anschluss 480 kann an einer lateralen Seite des Leistungsmoduls 410 positioniert sein, das von einem Einkapselungskörper 140 gebildet wird und dasselbe wie die Leistungsmodule 110, 120 sein kann.
  • 5 zeigt eine elektronische Vorrichtung 500 mit derselben Gestaltung wie die elektronische Vorrichtung 300. Zusätzlich zum ersten externen Leistungs-(oder Last-)Anschluss 480 (siehe 4) zeigt 5 jedoch einen zweiten externen Leistungs-(oder Last-)Anschluss 580, der elektrisch an den Chipträger 320 und genauer an die Metallschicht 121 des Chipträgers 320 gekoppelt ist. Der zweite externe Leistungs-(oder Last-)Anschluss 580 kann an derselben lateralen Seite des Leistungsmoduls 510 positioniert sein wie der erste externe Leistungs-(oder Last-)Anschluss 480.
  • Ferner kann das Leistungsmodul 510 mehrere Halbleiterchips aufweisen. Zum Beispiel kann ein zweiter Leistungshalbleiterchip 530 innerhalb des Leistungsmoduls 510 angeordnet sein. Der zweite Leistungshalbleiterchip 530 kann von derselben Art wie der erste Leistungshalbleiterchip 130 sein. Ferner kann der zweite Leistungshalbleiterchip 530 an dem Chipträger 220 und/oder dem Chipträger 320 auf dieselbe Weise wie der erste Leistungshalbleiterchip 130 montiert sein. Es wird auf die obenstehende Beschreibung verwiesen, um eine Wiederholung zu vermeiden.
  • Wie bereits erwähnt, können die hier beschriebenen elektronischen Vorrichtungen zum Beispiel als Halbbrükken verwendet werden. Eine Basisschaltung einer Halbbrücke 600, die zwischen zwei Knoten N1 und N2 angeordnet ist, ist in 6 dargestellt. Die Halbbrücke 600 umfasst zwei Schalter S1 und S2, die in Reihe verbunden sind. Der erste Leistungshalbleiterchip 130 kann zum Beispiel als der High-Side-Schalter S2 implementiert sein und der zweite Leistungshalbleiterchip 530 kann als der Low-Side-Schalter S1 implementiert sein. Dann kann der Knoten N1 die Source-Elektrode des zweiten Leistungshalbleiterchips 530 sein und mit dem zweiten externen Leistungsanschluss 580 verbunden sein und der Knoten N2 kann die Drain-Elektrode des ersten Leistungshalbleiterchips 130 sein und mit dem ersten externen Leistungsanschluss 480 verbunden sein.
  • Spannungen, die zwischen Knoten N1 und N2 angelegt werden, können gleich oder größer 30 V, 50 V, 100 V, 300 V, 500 V, 1000 V sein. Insbesondere können Spannungen, die zwischen Knoten N1 und N2 angelegt werden, im Bereich von 30 bis 150 V liegen, falls die elektronische Vorrichtung 600 zum Beispiel ein DC/DC-Wandler ist. Falls ferner die elektronische Vorrichtung 600 ein AC/DC-Wandler ist, können die Spannungen, die zwischen Knoten N1 und N2 angelegt werden, im Bereich von 300 bis 1000 V liegen.
  • 5 zeigt eine erste Wärmesenke 591, die Druck P auf die erste poröse Metallschicht 170 ausübt, und eine zweite Wärmesenke 592, die Druck P auf die zweite poröse Metallschicht 370 ausübt. Der Druck P wird ausgeübt, um einen effizienten Wärmetransport über die Grenzfläche von der Wärmesenke zur porösen Metallschicht zu erhalten, indem eine volle Kontaktfläche an dieser Grenzfläche erhalten wird. Zu diesem Zweck wird die elektronische Leistungsvorrichtung 500 an die erste Wärmesenke 591 geklemmt, wodurch die erste poröse Metallschicht 170 zwischen dem Leistungsmodul 310 und der ersten Wärmesenke 501 angeordnet wird, und es kann ein Klemmdruck P von gleich oder mehr als 50 N/mm2, insbesondere gleich oder mehr als 100 N/mm2, ausgeübt werden. Ebenso kann die zweite Wärmesenke 592 denselben Klemmdruck auf die zweite poröse Metallschicht 370 ausüben.
  • Aufgrund ihrer immanenten Porosität sind die erste poröse Metallschicht 170 und/oder die zweite poröse Metallschicht 370 dazu ausgebildet, als mechanische Polster zu dienen, um Kontaktdruckspitzen effektiv auszugleichen und aufzunehmen. Auf diese Weise tragen die erste und zweite poröse Metallschicht 170, 370 signifikant zur mechanischen Robustheit der elektronischen Vorrichtungen 100 bis 500 bei. Ferner kann die Wärmeleitfähigkeit der ersten und/oder zweiten porösen Metallschicht 170, 370 etwa 10 W/(mK) oder mehr betragen, was höher als die Wärmeleitfähigkeit einer herkömmlichen thermischen Wärmesenkenpaste ist.
  • Eine Verringerung der Porosität der ersten oder zweiten poröse Metallschicht 170, 370 auf gleich oder kleiner 50%, 40%, 30%, 25%, 20% erhöht deren Wärmeleitfähigkeit. Zum Beispiel hat eine poröse Metallschicht 170, 370 der Metallschaumart aus Kupfer mit einer Porosität von etwa 20% eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 50 W/(mK).
  • Die hierin beschriebene poröse Metallschicht 170, 370 kann von verschiedenen Arten sein. Eine Möglichkeit ist eine poröse Metallschicht 170, 370 einer Metallschaumart. Eine Metallschaumschicht hat eine poröse, offenzellige Schaumstruktur, die aus einem dreidimensionalen vermaschten Netz fester Streben besteht, das aus einer Anordnung ähnlich großer Blasen gebildet wird. Zum Beispiel ist Duocel® ein herkömmlicher Metallschaum. 12 ist ein Mikroskopbild eines Querschnitts einer porösen Metallschaumschicht 130, 370.
  • Wenn das Leistungsmodul 100–500 an der porösen Metallschicht 170, 370 festgeklemmt ist, kann sich die poröse Metallschicht 170, 370 elastisch und/oder plastisch verformen, um Druck aufzunehmen. 10 ist eine Grafik, die die Kurve der Druckspannung σ gegenüber der Dehnung ε eines Metallschaums für das Beispiel eines Al-Metallschaums zeigt. Es gibt eine anfängliche lineare Region, wo das Material σ = E × ε folgt, wobei E den Young-Modul für ein Zusammenpressen bezeichnet. Der E-Modul des Schaums kann nur 0,7 GPa groß sein. Bei etwa 5–10 MPa, abhängig von der Dichte des Metallschaums, beginnt eine plastische Verformung. Durch kompressive Verformung wird die Wärmeleitfähigkeit der Metallschaumschicht 170, 370 erhöht. Ferner ermöglicht der Metallschaum eine Nivellierung aller Oberflächenunregelmäßigkeiten oder Unebenheiten in der Region der Hauptfläche, die von der porösen Metallschicht 170, 370 bedeckt ist.
  • Unter Bezugnahme auf 7 kann die poröse Metallschicht 170, 370 als vorgefertigte Folie gestaltet sein. Insbesondere können Metallschaumschichten in Form einer Folie bereitgestellt sein. Die Folie wird dann an der entsprechenden Hauptfläche 110a, 110b des Leistungsmoduls fixiert. Die Fixierung kann durch Laminieren, Kleben oder Löten durchgeführt werden.
  • Eine weitere Art einer porösen Metallschicht 170, 370, die hier in Betracht gezogen wird, ist eine Metallpartikelschicht. 11 ist ein Elektronenmikroskopbild eines Querschnitts einer porösen Metallschicht 170, 370, die durch eine Partikelabscheidungstechnik gebildet wird. In diesem Beispiel kann die poröse Metallschicht 170, 370 eine Stärke von z.B. 97,2 bis 119 µm haben. Die mittlere Partikelgröße ist etwa einige Mikron in 11 und kann im Allgemeinen in einem Bereich von z.B. 1 µm bis 20 µm, insbesondere in einem Bereich von 2 µm bis 8 µm liegen. Die Porosität ist in 11 etwa 50% und kann im Allgemeinen in einem Bereich wie oben spezifiziert liegen.
  • Wie aus 11 erkennbar ist, kann die poröse Metallschicht 170, 370 auf einer mikroskopischen Skala etwas inhomogen sein. Insbesondere sind einige größere Hohlräume in der Größenordnung von 10 Mikron sichtbar. Vom makroskopischen Standpunkt aus sind die Poren jedoch mehr oder weniger gleichmäßig durch die Metallschicht 170, 370 verteilt. Diese gleichmäßige Verteilung kann die Elastizität der Metallschicht 170, 370 verbessern und kann eine mechanische Spannung verringern. In jedem Fall werden die gesamten mechanischen Eigenschaften der Schicht durch die poröse Struktur signifikant verändert.
  • Die Metallpartikel, die die Metallschicht 170, 370 bilden, können fest gebunden werden und können in großem Maßstab angrenzende Flächen bilden. Daher können die thermischen Eigenschaften einer solchen porösen Metallschicht 170 annähernd so gut sein wie jene einer massiven Metallschicht derselben Dimensionen und desselben Materials.
  • 8 ist eine Querschnittsansicht des beispielhaften Leistungsmoduls 100 während des Auftragens der (ersten) porösen Metallschicht 170 unter Verwendung einer Metallpartikelabscheidungstechnik. Eine Abgabeeinheit 800 kann zum Abgeben von Metallpartikeln über die erste Hauptfläche 110a oder die zweite Hauptfläche 110b verwendet werden. Die Abgabeeinheit 800 kann seitlich über das Leistungsmodul 100 bewegt werden oder das Leistungsmodul 100 kann auf einem bewegliche Gleiter für eine seitliche Bewegung unter der Abgabeeinheit 800 positioniert werden. Es können mehrere Durchgänge zur Bildung der porösen Metallschicht 170 in einer gewünschten Stärke notwendig sein.
  • Die Abgabeeinheit 800 kann einen Plasmaspender (Plasmadispenser) aufweisen. Der Plasmaspender kann einen Strahl kalten Arbeitsplasmas abgeben, der ferner Metallpartikel in Pulverform enthalten kann. Das Arbeitsplasma kann Luft oder Stickstoff oder Argon oder ein anderes geeignetes Gas aufweisen. Das Plasmagas kann ferner Zusätze wie Wasserstoff und/oder Sauerstoff aufweisen. Die Partikel können eine Größe im Bereich von 1 µm bis 20 µm und insbesondere im Bereich von 2 µm bis 8 µm aufweisen und können dem Plasmastrahl kontinuierlich zugeführt werden. Die Metallpartikel können durch den Plasmastrahl zu dem Teil 120a der ersten Hauptfläche 110a (oder der zweiten Hauptfläche 110b) befördert werden, der als Wärmeableitungsfläche gestaltet ist, und sie können an diesem Teil 120a haften, um die poröse Metallschicht 170 (oder die poröse Metallschicht 370) zu bilden. Wie oben erwähnt, kann dieser Teil 120a einen freiliegenden Chipträger aufweisen, wie einen freiliegenden Anschlussrahmen oder einen freiliegenden metallgebondeten Keramikträger. Die Metallpartikel, die von dem Plasmastrahl kalten Arbeitsplasmas befördert werden, können im Vergleich zu anderen Techniken, wie Plasmasprühen oder Kaltgassprühen eine geringere Geschwindigkeit aufweisen. Die Porosität kann durch die Temperatur und/oder den Druck, die während der durch Kaltplasma unterstützten Abscheidung von Partikeln verwendet werden, abgestimmt werden.
  • In einer anderen Ausführungsform kann die poröse Metallschicht 170 unter Verwendung anderer geeigneter Partikelabscheidungstechniken hergestellt werden, wie zum Beispiel Strahlausbreitung (Jet-Dispersion) oder Flammspritzen.
  • Die Herstellung einer porösen Metallschicht unter Verwendung einer durch Kaltplasma unterstützten Abscheidung von Partikeln kann keine Zugabe einer Legierung, wie zum Beispiel AuSn, SnAg oder CuSn, oder Zugabe von Flussschmelzmitteln erfordern, die notwendig sind, wenn andere Verfahren zur Herstellung solcher Metallschichten verwendet werden, aber die thermischen oder mechanischen Eigenschaften der Metallschicht verschlechtern können. Ferner beinhaltet die durch Kaltplasma unterstützte Abscheidung von Partikeln keine Verwendung organischer Substanzen, die später abgereinigt werden müssen.
  • Die Herstellung einer Metallschicht durch Kaltplasma unterstützte Abscheidung von Mikropartikeln erfordert keinen Auftrag einer Zwischenverbindungsleitung zwischen dem elektronischen Element und der Metallschicht. Eine Zwischenverbindungsleitung kann die thermischen Eigenschaften der Zwischenverbindung verschlechtern und kann nur eine geringe Leistungszyklusstabilität aufweisen.
  • Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer porösen Metallschicht 170, 370, die aus Metallpartikeln besteht, ist ein Niedertemperatursintern. Dieses Verfahren weist ein Auftragen einer Metallpaste auf die erste Hauptfläche 110a (oder die zweite Hauptfläche 110b) und ein Durchführen eines Niedertemperatursinterns der Metallpaste auf.
  • Insbesondere unter Bezugnahme auf 9 kann eine Pastenschicht 970 über dem Teil 120a der ersten Hauptfläche 110a gebildet werden, der als Wärmeableitungsfläche gestaltet ist. Die Pastenschicht kann durch Auftragen einer Paste gebildet werden, die Metallpartikel enthält, die in einem Polymermaterial verteilt sind. Zum Beispiel kann eine Paste verwendet werden, die Silberpartikel enthält. Die Paste kann flüssig, viskos oder wachsartig sein. Das Polymermaterial kann ein Harz sein, wie ein B-Zustand-Harz, α-Terpineol usw. Das Polymermaterial kann ungefüllt sein, d.h., es können keine Füllpartikel in dem Polymermaterial enthalten sein.
  • Die Größen (durchschnittlichen Durchmesser) der Metallpartikel können in den obengenannten Bereichen liegen.
  • Das Auftragen der Pastenschicht 970, die die (z.B. verschiedenen) Metallpartikel in dem flüssigen, viskosen oder wachsartigen Polymer dispergiert enthält, kann durch Drucktechnologien durchgeführt werden, wie Schablonendruck, Siebdruck, Tintenstrahldruck usw. Andere Techniken zum Auftragen der Paste, wie Folienabsetztechniken oder Vergusstechniken, sind ebenso denkbar. Alle diese Techniken ermöglichen ebenso den Auftrag einer kontrollierbaren Menge an Pastenmaterial auf dem Teil 120a der ersten Hauptfläche 110a (oder auf dem entsprechenden Teil der zweiten Hauptfläche 110b).
  • Die Stärke der Pastenschicht 970 kann im Wesentlichen gleichförmig sein. Andernfalls können Nivellierungstechniken angewendet werden, um eine gleichförmige (konstante) Stärke der Pastenschicht 970 bereitzustellen.
  • Die Pastenschicht kann dann bis zu einer Temperatur Ts zum Niedertemperatursintern erwärmt werden, zum Beispiel 150–250°C, um die Metallpartikel zu sintern. Die Erwärmung der Pastenschicht 970 kann in einem Ofen 980 durchgeführt werden. Das Sintern bewirkt, dass die Pastenschicht 970 eine hohe Wärmeleitfähigkeit und verbesserte mechanische Eigenschaften erlangt. Das Anwenden von Wärme kann auch bewirken, dass das Polymermaterial beim Sintern aus der Pastenschicht 970 zur Metallschicht 170, 370 verdampft. Wie in der Sintertechnik bekannt ist, kann das Polymermaterial als organisches Ausbrennmaterial dienen, das eine Wirkung auf die Struktur (z.B. Porosität, mittleres Porenvolumen, Porendichte) der porösen Metallschicht 170, 370 haben kann. Die poröse Metallschicht 170, 370 kann somit aus gesinterten Metallpartikeln und Hohlräumen bestehen, die in den Räumen zwischen den gesinterten Metallpartikeln gebildet sind.
  • Optional kann während der Ausübung von Wärme ein externer Druck ausgeübt werden. Selbst wenn externer Druck ausgeübt wird, bleibt die granuläre, partikelartige Struktur der porösen Metallschicht 170, 370 aufrecht. Die Ausübung von Druck kann jedoch die Dichte erhöhen und/oder die Porosität der porösen Metallschicht 170, 370 verringern.
  • Unabhängig von der Art der porösen Metallschicht 170, 370 (z.B. Partikelart oder Schaumart) und dem Bildungsverfahren kann die poröse Metallschicht 170, 370 zusätzlich mit einem Material gefüllt sein, das die Wärmeleitfähigkeit der porösen Metallschicht 170, 370 erhöht. Zum Beispiel könnte eine Wärmesenkenpaste als Füllmaterial verwendet werden. Die thermische Wärmesenkenpaste kann flüssig oder wachsartig sein und kann durch Verteilen, Sprühen, Eintauchen der porösen Metallschicht 170, 370 in die Flüssigkeit usw. aufgetragen werden. Die Wärmesenkenpaste kann auf Metall basieren, Silber- oder Aluminiumpulver enthalten, auf Keramik beruhen, Siliziumdioxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid enthalten oder auf Kohlenstoff basieren. Es ist auch möglich, Druck zu verwenden, um die thermische Wärmesenkenpaste in die Poren der porösen Metallschicht 170, 370 zu pressen. Ferner kann die poröse Metallschicht 170, 370 (z.B. Partikelart oder Schaumart) (teilweise) mit einem Metall wie z.B. Cu, Al, Ag, Ni, Mo und Legierungen davon durch galvanische Abscheidung gefüllt werden, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Die galvanische Abscheidung kann nach dem Auftragen der porösen Schicht 170, 370 auf das Leistungsmodul durchgeführt werden.
  • Ferner kann die poröse Metallschicht 170, 370 separat von dem Leistungsmodul 100–500 durch Verwendung eines separaten Schichtträgers oder zum Beispiel im Fall eines Metallschaums ohne Verwendung eines Schichtträgers hergestellt werden. Die porösen Metallschichten 170, 370 können dann dem Kunden separat vom Leistungsmodul geliefert werden. Der Kunde kann dann diese porösen Metallschichten 170, 370 als Polster an den Leistungsmodulen 100–500 anbringen, bevor die Leistungsmodule 100–500 an der (den) Wärmesenke(n) festgeklemmt werden.
  • Obwohl spezielle Ausführungsformen hier gezeigt und beschrieben wurden, ist für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass eine Reihe anderer und/oder äquivalenter Implementierungen anstelle der gezeigten und beschriebenen speziellen Ausführungsformen verwendet werden können, ohne vom Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll sämtliche Anpassungen oder Variationen der speziellen, hier besprochenen Ausführungsformen abdecken.

Claims (20)

  1. Elektronische Vorrichtung, aufweisend: ein Leistungsmodul, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche aufweist, wobei zumindest ein Teil der ersten Hauptfläche als Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet ist; und eine erste poröse Metallschicht, die auf dem Teil der ersten Hauptfläche angeordnet ist.
  2. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine zweite poröse Metallschicht, die auf einem Teil der zweiten Hauptfläche angeordnet ist, wobei zumindest der Teil der zweiten Hauptfläche als Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet ist.
  3. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste poröse Metallschicht ein Metall aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cu, Al, Ag, Ni, Mo und Legierungen davon.
  4. Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste poröse Metallschicht eine Stärke im Bereich von 20 µm bis 200 µm aufweist.
  5. Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste poröse Metallschicht eine Porosität im Bereich von 20% bis 90% aufweist.
  6. Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste poröse Metallschicht eine Wärmeleitfähigkeit von gleich oder größer als 10 W/(mK) aufweist.
  7. Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste poröse Metallschicht eine offenzellige Metallschaumschicht ist.
  8. Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste poröse Metallschicht eine Partikelschicht ist, die Partikel mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von 1 µm bis 20 µm aufweist.
  9. Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste poröse Metallschicht zur Verformung ausgelegt ist, wenn die elektronische Vorrichtung mit der ersten porösen Metallschicht an einer ersten Wärmesenke festgeklemmt ist.
  10. Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: einen Leistungshalbleiterchip; und eine Isolierschicht, die sich zwischen dem Leistungshalbleiterchip und der ersten porösen Metallschicht erstreckt.
  11. Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungsmodul ferner aufweist: einen Chipträger; und einen Leistungshalbleiterchip, der am Chipträger montiert ist, wobei der Chipträger an dem Teil der ersten Hauptfläche des Leistungsmoduls freiliegt.
  12. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Chipträger eine metallgebondeter Keramikträger oder einen Anschlussrahmen aufweist.
  13. Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: einen ersten Chipträger, der an der ersten Hauptfläche des Leistungsmoduls freiliegt, und einen zweiten Chipträger, der an der zweiten Hauptfläche des Leistungsmoduls freiliegt.
  14. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung, umfassend: Bereitstellen eines Leistungsmoduls, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche aufweist, wobei die erste Hauptfläche als Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet ist; und Bilden einer ersten porösen Metallschicht auf der ersten Hauptfläche.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Bilden der ersten porösen Metallschicht umfasst: Befestigen einer offenzelligen Metallschaumschicht an der ersten Hauptfläche.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Bilden der ersten porösen Metallschicht umfasst: Abscheiden von Metallpartikeln auf der ersten Hauptfläche durch Verwendung einer durch Kaltplasma unterstützten Partikelabscheidungstechnik.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Bilden der ersten porösen Metallschicht umfasst: Auftragen einer Metallpaste auf die erste Hauptfläche; und Durchführen eines Niedertemperatursinterns der Metallpaste.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, ferner umfassend: Einleiten einer Wärmesenkenpaste in die erste poröse Metallschicht und/oder Füllen der ersten porösen Metallschicht durch galvanische Abscheidung eines Metalls, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cu, Al, Ag, Ni, Mo und Legierungen davon.
  19. Verfahren zur Montage einer elektronischen Vorrichtung an einer Wärmesenke, wobei die elektronische Vorrichtung ein Leistungsmodul mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche aufweist, wobei die erste Hauptfläche als eine Wärmeableitungsfläche ohne elektrische Leistungsanschlussfunktionalität gestaltet ist, und wobei eine erste poröse Metallschicht auf der ersten Hauptfläche angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst: Festklemmen der elektronischen Vorrichtung an einer ersten Wärmesenke, wodurch die erste poröse Metallschicht zwischen dem Leistungsmodul und der Wärmesenke angeordnet wird; und Ausüben eines Klemmdrucks von gleich oder größer als 50 N/mm2.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Vorfertigen der porösen Metallschicht separat von dem Leistungsmodul; und Auftragen der vorgefertigten porösen Metallschicht auf die erste Hauptfläche vor dem Festklemmen der elektronischen Vorrichtung an der ersten Wärmesenke.
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