DE102014211464A1 - Halbleitermodul mit einer elektrisch isolierten Wärmesenke - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul. Das Halbleitermodul weist wenigstens ein Halbleiterbauelement, insbesondere einen Leistungshalbleiter, und ein Substrat auf. Der Leistungshalbleiter, insbesondere ein Halbleiterschalter, ist mit dem Substrat, insbesondere einem Metallblech, elektrisch und wärmeleitend verbunden. Das Halbleitermodul weist eine Wärmesenke auf, wobei das Substrat mit der Wärmesenke wärmeleitfähig verbunden ist. Erfindungsgemäß weist das Substrat eine zu der Wärmesenke weisende Aluminiumschicht auf, welche eine zu der Wärmesenke weisende Aluminiumoxidschicht aufweist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul. Das Halbleitermodul weist wenigstens ein Halbleiterbauelement, insbesondere einen Leistungshalbleiter, und ein Substrat auf. Der Leistungshalbleiter, insbesondere ein Halbleiterschalter, ist mit dem Substrat, insbesondere einem Metallblech, elektrisch und wärmeleitend verbunden. Das Halbleitermodul weist eine Wärmesenke auf, wobei das Substrat mit der Wärmesenke wärmeleitfähig verbunden ist.
  • Bei Halbleitermodulen besteht das Problem, dass Halbleitermodule, bei denen ein Leistungshalbleiter, welcher beispielsweise in einer Mold-Masse eingebettet ist, Verlustwärme erzeugt, welche möglichst effizient abgeführt werden soll. Häufig ist eine Wärmesenke, beispielsweise ein Kühlkörper, mit dem Halbleitermodul und dort mit dem Leistungshalbleiter über ein Substrat, insbesondere ein Metallblech, auch Lead-Frame genannt, wärmeleitend verbunden, wobei der Kühlkörper, beispielsweise ein Aluminium-Kühlkörper, von dem Substrat elektrisch isoliert ist. Zur elektrischen Isolierung ist beispielsweise eine Folie vorgesehen, welche zur Wärmeanbindung von beiden Seiten mit Wärmeleitpaste an den Leistungshalbleiter und an die Wärmesenke angekoppelt ist. Bei elektrisch leitfähigen Substraten, beispielsweise strukturiertem Metallblech, auch Lead-Frame genannt, kann anstelle der Isolierfolie als elektrischer Isolator eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitklebstoff eine elektrische Isolierung zu der Wärmesenke hin erzeugen. Dazu muss die Schichtdicke der Wärmeleitpaste beziehungsweise des Wärmeleitklebstoffs derart dick ausgebildet sein, dass eine sichere elektrische Isolation auch bei zu erwartenden Flittern oder leitfähigen Partikeln gewährleistet ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß weist das Substrat eine zu der Wärmesenke weisende Aluminiumschicht auf, welche eine zu der Wärmesenke weisende Aluminiumoxidschicht aufweist. Die Aluminiumoxidschicht ist bevorzugt mittels eines Wärmeleitmittels, insbesondere einer Wärmeleitpaste oder einem Wärmeleitklebstoff, mit der Wärmesenke wärmeleitfähig verbunden.
  • Dadurch kann vorteilhaft eine Schicht Wärmeleitpaste oder Wärmeleitklebstoff und so ein zusätzlicher Wärmeübergangswiderstand zu der Wärmesenke hin vorteilhaft dünn ausgebildet sein oder entfallen. So kann der Leistungshalbleiter weiter vorteilhaft über einen geringen Wärmeübergangswiderstand zu der Wärmesenke hin entwärmt werden.
  • Das Substrat ist bevorzugt durch ein insbesondere strukturiertes Metallblech gebildet, auch Lead-Frame genannt. Das Metallblech ist bevorzugt ein Kupferblech, Nickelblech oder Stahlblech. Das Metallblech ist bevorzugt mit einer Aluminiumschicht mittels Walzen, Sputtern oder Kaltgasspritzen verbunden.
  • Das Substrat, kann in einer anderen Ausfürungsform durch ein DBC-Substrat oder LTCC-Substrat (LTCC = Low-Temperature-Cofired-Ceramics) gebildet sein. Das DBC Substrat oder LTCC Substrat kann beispielsweise eine Kupferschicht aufweisen, welche zu der Wärmesenke hinweist. Diese Kupferschicht kann mit einer Aluminiumschicht verbunden sein, welche in einem weiteren Schritt oxidiert worden ist. So können vorteilhaft mehrschichtig ausgebildete Substrate, welche eine elektrisch leitfähige Kupferschicht zur Wärmesenke hin aufweisen, mittels der Aluminiumoxidschicht zur Wärmesenke hin elektrisch isoliert werden. Ein DBC-Substrat oder ein LTCC-Substrat kann so vorteilhaft effizient gekühlt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aluminiumoxidschicht durch thermisches Oxidieren der Aluminiumschicht erzeugt. Das thermische Oxidieren kann beispielsweise mittels Flammoxidieren, unter Zuführung von Sauerstoff erfolgen. Die so erzeugte Aluminiumoxidschicht weist vorteilhaft eine elektrische Durchschlagfestigkeit von mindestens 35 Kilovolt pro Millimeter auf. Weiter vorteilhaft ist die Aluminiumoxidschicht mit dem Substrat oder einer verbleibenden, nicht oxidierten Aluminiumrestschicht stoffschlüssig verbunden, sodass zwischen der Aluminiumoxidschicht, welche eine Keramikschicht bilden kann, und der Aluminiumschicht beziehungsweise dem Substrat kein zusätzliches Wärmeleitmittel in Form einer Wärmeleitpaste oder eines Luftspalte ausfüllenden Wärmeleitklebstoffs erforderlich ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aluminiumoxidschicht durch elektrisches Oxidieren der Aluminiumschicht erzeugt. So können vorteilhaft Schichtdicken zwischen einigen Mikrometern, bis hin zu 50 Mikrometer Aluminiumoxidschicht, erzeugt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Halbleitermodul zusätzlich zu der Aluminiumoxidschicht ein Wärmeleitmittel auf, welches zwischen der Aluminiumoxidschicht und der Wärmesenke angeordnet ist. Bevorzugt ist das Wärmeleitmittel eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitklebstoff. Die Wärmeleitpaste ist beispielsweise durch ein Silikongel gebildet. Der Wärmeleitklebstoff ist beispielsweise ein partikelgefülltes Silikongel, insbesondere keramikpartikelgefülltes Silikongel. Das Wärmeleitmittel bewirkt eine gute Wärmeanbindung an die Wärmesenke. Durch die Aluminiumoxidschicht kann das Wärmeleitmittel vorteilhaft als besonders dünne Schicht ausgebildet sein, da die Aluminiumoxidschicht den elektrischen Isolator zur Wärmesenke hin bildet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleitermodul ein Mold-Modul, bei dem der Leistungshalbleiter in eine Mold-Masse eingebettet ist. Die Mold-Masse ist bevorzugt durch Epoxidharz gebildet, weiter bevorzugt durch partikelgefülltes Epoxidharz. Die Partikel sind beispielsweise Keramikpartikel. Durch die Ausführung als Mold-Modul kann das Halbleitermodul vorteilhaft kompakt und dicht gegenüber Medien wie Wasser, Benzin oder Öl ausgebildet sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aluminiumoxidschicht durch ein nasschemisches Oxidieren der Aluminiumschicht erzeugt. Das nasschemische Oxidieren kann beispielsweise durch eine Reaktion des Aluminiums mit Natronlauge, nämlich einer wässrigen Lösung von Natriumhydroxid in Wasser, nach Reaktion mit der Aluminiumschicht erzeugt werden. Die so gebildete Aluminiumhydroxidschicht kann unter Abspaltung von Wasser zu einer Aluminiumoxidschicht gewandelt werden.
  • Die Aluminiumschicht ist beispielsweise durch Kaltgasspritzen, durch thermisches Spritzen, insbesondere Plasmaspritzen, Flammspritzen, oder mittels Sputtern, Gasphasenabscheidung oder Plattieren mit dem Substrat insbesondere stoffschlüssig verbunden. Die Aluminiumschicht kann so vorteilhaft eine Opfer-Aluminiumschicht bilden, welche selbst wenigstens teilweise oder vollständig in eine Aluminiumoxidschicht gewandelt wird.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen eines Halbleitermoduls. Bei dem Verfahren wird ein Leistungshalbleiter mit einem Substrat, insbesondere einer Metallschicht, bevorzugt Kupferschicht, oder einem DBC-Substrat (DBC = Direct-Bonded-Copper), elektrisch und wärmeleitfähig lötverbunden. Die Lötverbindung kann beispielsweise in einem Reflow-Lötofen erfolgen.
  • Die Kupferschicht als Substrat ist beispielsweise ein mittels Stanzen erzeugtes Kupferblech, das eine elektrische Verbindungsstruktur bildet.
  • Bei dem Verfahren wird eine zu dem Leistungshalbleiter abgewandte Seite des Substrates – bevorzugt als erster Verfahrensschritt vor einem Verlöten mit dem Leistungshalbleiter – mit einer Aluminiumschicht verbunden. Bei dem Verfahren wird die von dem Substrat abweisende Seite der Aluminiumschicht zu Aluminiumoxid oxidiert und so eine wärmeleitende und elektrisch isolierende Aluminiumoxidschicht auf der verbleibenden, nicht oxidierten Aluminiumschicht, oder im Falle einer vollständigen Oxidation der Aluminiumschicht, auf dem Substrat erzeugt. Die Aluminiumschicht bildet so vorteilhaft eine Opferschicht zum Erzeugen der Aluminiumoxidschicht.
  • So kann vorteilhaft eine luftspaltfreie, bevorzugt stoffschlüssige Verbindung zwischen der elektrischen Isolierschicht, in diesem Fall einer Keramikschicht, und dem Substrat erzeugt werden.
  • Bevorzugt wird die Aluminiumschicht Sputtern auf das Substrat aufgebracht. In einer anderen Ausführungsform wird die Aluminiumschicht durch thermisches Spritzen, insbesondere Hochtemperatur-Flammspritzen, oder durch Walzen, insbesondere Plattieren, auf das Substrat aufgebracht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Aluminiumschicht wenigstens teilweise chemisch in eine Aluminiumoxidschicht gewandelt. Die chemische Wandlung kann beispielsweise – wie bereits beschrieben – mittels Natronlauge erfolgen.
  • In einer anderen Ausführungsform wird die Aluminiumschicht wenigstens teilweise durch Flammoxidieren in eine Aluminiumoxidschicht gewandelt.
  • Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den in den Figuren und in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmalen.
  • 1 zeigt ein Halbleitermodul, bei dem ein mit einem Leistungshalbleiter verbundenes Substrat über eine an das Substrat stoffschlüssig angebundene, elektrisch isolierende Aluminiumoxidschicht mit einer Wärmesenke verbunden ist;
  • 2 zeigt einen Verfahrensschritt zum Erzeugen der in 1 dargestellten Aluminiumoxidschicht mittels Flammoxidieren;
  • 3 zeigt schematisch ein Verfahren zum Erzeugen eines Halbleitermoduls.
  • 1 zeigt ein Halbleitermodul 1 in einer Schnittdarstellung. Das Halbleitermodul 1 umfasst einen Leistungshalbleiter 2, welcher in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Feldeffekttransistor, gebildet ist. Der Leistungshalbleiter 2 ist beispielsweise ein gehäuseloser Halbleiter, auch Bare-Die genannt. Der Leistungshalbleiter 2 ist mittels eines Lotmittels 4 mit einem Substrat 3, in diesem Ausführungsbeispiel einem Kupferblech, insbesondere dem bereits erwähnten gestanzten Kupferblech, oder einer Kupferschiene verbunden.
  • Das Substrat 3 weist auf einer von dem Leistungshalbleiter 2 abgewandten Seite eine Aluminiumschicht 5 auf. Die Aluminiumschicht 5 weist auf einer von dem Leistungshalbleiter 2 und dem Substrat 3 abgewandten Seite eine Aluminiumoxidschicht 6 auf.
  • Die Aluminiumoxidschicht 6 ist mittels eines Wärmeleitmittels 7, in diesem Ausführungsbeispiel eines Wärmeleitklebstoffs oder einer Wärmeleitpaste, mit einem Kühlkörper 8 verbunden.
  • Der Kühlkörper 8 ist beispielsweise ein massiv ausgebildeter Aluminium- oder Kupferkühlkörper. Der Kühlkörper 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Konvektionskühlkörper und weist Kühlrippen auf.
  • Das Halbleitermodul 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Mold-Modul ausgebildet und weist dazu eine Mold-Masse 9 auf, in welche der Leistungshalbleiter 2 und das Substrat 3 eingebettet sind. Die Mold-Masse 9 ist beispielsweise durch Epoxidharz gebildet.
  • Der Leistungshalbleiter 2 ist mit einer zu dem Substrat 3 zugewandten Oberfläche über das Lotmittel 4 mit dem Substrat 3 elektrisch und thermisch verbunden. Die zu dem Substrat 3 zugewandte Oberfläche bildet einen elektrischen Schaltstreckenanschluss des Leistungshalbleiters, insbesondere Halbleiterschalters.
  • Von dem Leistungshalbleiter 2 erzeugte Verlustwärme 18 kann so durch das Lotmittel 4, in diesem Ausführungsbeispiel eine Reflow-Lötschicht, weiter über das Substrat 3, in diesem Ausführungsbeispiel eine Kupferschicht, und weiter durch die mit dem Substrat 3 verbundene Aluminiumschicht, weiter durch die mit der Aluminiumschicht 5 verbundene, aus der Aluminiumschicht erzeugte Aluminiumoxidschicht 6, und weiter durch das Wärmeleitmittel 7 in den Kühlkörper 8 fließen. Der Kühlkörper 8 bildet eine Wärmesenke, mit der das Halbleitermodul 1 wärmeleitfähig verbunden ist.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Erzeugen einer Aluminiumoxidschicht, beispielsweise der in 1 bereits dargestellten Aluminiumoxidschicht 6 auf der Aluminiumschicht 5. Dazu wird die Aluminiumschicht 5 mittels einer Flamme 10, erzeugt von einem Flammerzeuger 11 und weiter unter Zufuhr eines Sauerstoffstroms 13, erzeugt von einem Sauerstoffgebläse 12, wenigstens teilweise zu der Aluminiumoxidschicht 6 oxidiert.
  • Der Leistungshalbleiter 2 in 1 kann dann in einem weiteren Schritt – dargestellt durch den gestrichelt dargestellten Leistungshalbleiter 2‘ – mit dem Substrat 3 lötverbunden werden.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Erzeugen eines Halbleitermoduls, beispielsweise des in 1 bereits dargestellten Halbleitermoduls 1. Bei dem Verfahren wird in einem Schritt 14 eine Substratschicht, insbesondere eine Kupferschicht, mit einer Aluminiumschicht stoffschlüssig verbunden. Die Aluminiumschicht kann beispielsweise mittels Kaltgasspritzen, Sputtern, Aufdampfen oder Plattieren auf die Kupferschicht aufgebracht uns mit dieser verbundenworden sein.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt 15 wird die zuvor auf die Kupferschicht aufgebrachte Aluminiumschicht wenigstens teilweise oder vollständig auf einer von dem Substrat abgewandten Seite zu Aluminiumoxid oxidiert. Der Oxidationsprozess kann beispielsweise mittels dem in 2 beschriebenen Flammoxidieren, mittels nasschemischem Oxidieren, mittels Natronlauge oder mittels elektrischem Oxidieren, auch Eloxieren genannt, erfolgen.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt 16 wird ein Leistungshalbleiter, insbesondere ein gehäuseloser Halbleiter, auch Bare-Die genannt, mit dem Substrat 3 auf eine zu der Aluminiumschicht, insbesondere der in 1 dargestellten Aluminiumschicht 5 abgewandten Seite mittels eines Lotmittels verlötet.
  • In einem weiteren Schritt 17 wird die aus der Aluminiumschicht erzeugte Aluminiumoxidschicht mittels eines Wärmeleitmittels, beispielsweise eines Wärmeleitklebstoffs oder einer Wärmeleitpaste mit einem Kühlkörper verbunden. Das Wärmeleitmittel kann als möglichst dünne Schicht ausgebildet werden, die einen Luftspalt zwischen der Aluminiumoxidschicht und dem Kühlkörper wärmeleitfähig überbrückt. Bei einer hinreichenden Ebenheit der Aluminiumoxidschicht und einer an diese ankoppelnden Oberfläche des Kühlkörpers kann der Schritt 17, nämlich das Einbinden des Wärmeleitmittels zwischen die Aluminiumoxidschicht des Substrats und den Kühlkörper, entfallen.
  • Die so gebildete Halbleiteranordnung kann in einem weiteren Verfahrensschritt von einer Mold-Masse eingebettet werden und so ein Halbleitermodul, insbesondere ein Mold-Modul, erzeugt werden.

Claims (10)

  1. Halbleitermodul (1) mit wenigstens einem Leistungshalbleiter (2), wobei der Leistungshalbleiter (2) mit einem Substrat (3), insbesondere einer Kupferschicht, elektrisch und wärmeleitend verbunden ist, und das Substrat (3) mit einer Wärmesenke (8) wärmeleitfähig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) eine zu der Wärmesenke weisende Aluminiumschicht (5) aufweist, welche eine zu der Wärmesenke (8) weisende Aluminiumoxidschicht (6) aufweist, wobei die Aluminiumoxidschicht (6) insbesondere mittels eines Wärmeleitmittels (7) mit der Wärmesenke (8) wärmeleitfähig verbunden ist.
  2. Halbleitermodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumoxidschicht (6) durch thermisches Oxidieren der Aluminiumschicht (5) erzeugt ist.
  3. Halbleitermodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumoxidschicht (6) durch elektrisches Oxidieren der Aluminiumschicht (5) erzeugt ist.
  4. Halbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmittel (7) eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitklebstoff ist.
  5. Halbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul (1) ein Mold-Modul ist, bei dem der Leistungshalbleiter (2) in eine Mold-Masse (9) eingebettet ist.
  6. Halbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumoxidschicht (6) durch chemisches Oxidieren der Aluminiumschicht (5) erzeugt ist.
  7. Verfahren zum Erzeugen eines Halbleitermoduls (1), bei dem ein Leistungshalbleiter (2) mit einem Substrat (3) elektrisch und wärmeleitfähig lötverbunden wird, und bei dem auf eine zu dem Leistungshalbleiter (2) abgewandte Seite des Substrates (3) eine Aluminiumschicht (5) aufgebracht wird, wobei eine von dem Substrat abweisende Seite der Aluminiumschicht (5) zu Aluminiumoxid oxidiert wird und so eine wärmeleitende und elektrisch isolierende Aluminiumoxidschicht (6) auf der verbleibenden, nicht oxidierten Aluminiumschicht (5) oder dem Substrat (3) erzeugt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschicht (5) mittels Kaltgasspritzen, Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschicht (5) nasschemisch, insbesondere mittels Natronlauge, wenigstens teilweise oder vollständig in eine Aluminiumoxidschicht (6) gewandelt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschicht (5) wenigstens teilweise durch Flammoxidieren in eine Aluminiumoxidschicht (6) gewandelt wird.
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