DE102015120109A1 - Leistungshalbleitermodul mit einer einen Leistungshalbleiter bedeckenden Glob-Top-Vergussmasse - Google Patents
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Abstract
Leistungshalbleitermodul (10) mit einem Leistungshalbleiter (20), einem den Leistungshalbleiter (20) kontaktierenden elektrischen Leiter (30) und einer den Leistungshalbleiter (20) vollständig und den elektrischen Leiter (30) wenigstens teilweise bedeckenden Glob-Top-Vergussmasse (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Glob-Top-Vergussmasse (40) ein hochwärmeleitfähiges Polymer ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Leistungshalbleiter, einem den Leistungshalbleiter kontaktierenden elektrischen Leiter und einer die eine Hauptfläche des Leistungshalbleiters wenigstens teilweise und den elektrischen Leiter wenigstens teilweise bedeckenden Glob-Top-Vergussmasse.
- In der Elektronik werden Vergussmassen häufig in Form eines sogenannten Glob-Top zum Schutz von Elektronikkomponenten vor Feuchtigkeit, Staub, Schmutz oder Lösemitteln eingesetzt. Gleichzeitig schützen die bekannten Glob-Tops empfindliche Bauteile auch gegen mechanische Belastung oder gegen Verkratzungen.
- In der Leistungselektronik besteht darüber hinaus das besondere Problem der Kühlung der elektrischen Komponenten, wobei die Wärmeabfuhr des vom Glob-Top bedeckten Leistungshalbleiter über die üblicherweise als Dickdrähte oder Bändchen ausgebildeten Kontaktierungen in Richtung einer am Boden des Leistungshalbleitermoduls angeordneten Kühlstruktur erfolgt.
- Nachteilig an diesem Aufbau ist, dass trotz hoher Sorgfalt bei der Fertigung von Leistungshalbleitermodulen bei Auftreten hoher dynamischer thermischer Lasten eine Materialermüdung der elektrischen Leiter im Bereich der Kontaktierung an den Halbleiterchip und damit Funktionsstörungen oder gar Ausfälle des gesamten Moduls nicht ausgeschlossen werden können.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, dass gegen thermischen Stress unanfällig ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
- Grundgedanke der Erfindung ist es, ein hochwärmeleitfähiges Polymer als Glob-Top-Vergussmasse zu verwenden. Durch Verwendung eines hochwärmeleitfähigen Polymers mit hoher Wärmekapazität in Form eines Glob-Tops kann eine thermische Pufferwirkung für vom Halbleiter entwickelte Wärme und gleichzeitig eine Wärmespreizung erreicht werden, die den auf den Leistungshalbleiter und auf die elektrischen Leiter wirkenden thermomechanischen Stress reduziert. Dadurch sind die erfindungsgemäß ausgestalteten Leistungshalbleitermodule weniger stressanfällig und langlebiger.
- Erfindungsgemäß ist also ein Leistungshalbleitermodul mit einem Leistungshalbleiter, einem den Leistungshalbleiter kontaktierenden elektrischen Leiter und einer die eine Hauptfläche des Leistungshalbleiters wenigstens teilweise und den elektrischen Leiter wenigstens teilweise bedeckenden Glob-Top-Vergussmasse vorgesehen, wobei die Glob-Top-Vergussmasse ein hochwärmeleitfähiges Polymer ist. Der elektrische Leiter ist dabei ein bevorzugt durch ein Bondverfahren mit dem Halbleiter verbundener Draht, Dick-Draht oder ein Bändchen.
- Bevorzugt ist das hochwärmeleitfähige Polymer zugleich ein elektrisch leitfähiges Polymer, wobei die elektrische Leitfähigkeit dadurch gegeben ist, dass das hochwärmeleitfähige Polymer entweder ein intrinsisch leitfähiges Polymer oder ein mit einem Metall gefülltes Polymer ist. Als Metall, speziell in Form eines Füllstoffs in der Art von im Polymer verteilten Metallflocken oder -partikeln, können bevorzugt Aluminium und/oder Kupfer verwendet sein.
- Hierbei ist zu beachten, dass das Metall gefüllte Polymer lediglich Flächen bedeckt, die das gleiche elektrische Potential tragen. Dies kann z.B. sehr vorteilhaft auf Dioden angewendet werden, die zugleich von einer thermischen Pufferfunktion wie von dem Schutz ihrer oberseitigen Kontakte profitieren. Neben der thermischen Pufferfunktion ermöglicht ein derartig elektrisch leitfähiges Polymer auch die gleichmäßige Verteilung des elektrischen Stroms über die Halbleiterfläche und sorgt insbesondere für einen gleichmäßigeren Übergang des elektrischen Stroms in die Kontakte.
- Im Fall von Leistungshalbleitern, deren Anschlussflächen mehrere elektrische Potentiale tragen, ist bei der Applikation derartig elektrisch leitfähiger Polymere darauf zu achten, dass das Polymer lediglich mit Anschlussflächen eines Potentials in Berührung kommt.
- Gegebenenfalls sind dann zwei oder mehr Glob-Top-Vergussbereiche zu applizieren. Alternativ wird jedoch vorgeschlagen, lediglich die von besonderem thermomechanischen Stress beeinflusster Hauptanschlussfläche mit der elektrisch leitfähigen Vergussmasse ganz oder teilweise zu bedecken und die Anschlussflächen der Steueranschlüsse von der Bedeckung mit der elektrisch leitfähigen Glob-Top-Vergussmasse auszunehmen.
- Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls ist gegeben, wenn das Leistungshalbleitermodul mit einer elektrisch nicht-leitenden Umhüllmasse vergossen ist, wobei einer erster Oberflächenabschnitt des vergossenen Leistungshalbleitermoduls von der Umhüllmasse und ein zweiter Oberflächenabschnitt des vergossenen Leistungshalbleitermoduls von der Glob-Top-Vergussmasse gebildet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips bei vergossenem Halbleitermodul von außerhalb, indem die elektrische Leitfähigkeit der Glob-Top-Vergussmasse für die elektrische Kontaktierung des Leistungshalbleiters nach Außen genutzt wird.
- Bei thermoplastischen mit Füllstoffen gefüllten Polymeren bietet sich zur Herstellung der oben genannten Glob-Top-Vergussmassen ein Verfahren an, bei dem ein vorproduzierter Körper des thermoplastischen mit Füllstoffen gefüllten Polymers auf ein vorerhitztes Leistungsmodul appliziert wird, wobei der vorproduzierte Körper in einer geeigneten Größe der Berührfläche auf dem Leistungshalbleiter verwendet und durch ein ebenfalls beheiztes Werkzeug zugeführt wird. Auf diese Art kann sich der thermoplastische Körper festschmelzen und dabei gegebenenfalls auch die Kontakte umfließen. Durch das Festschmelzen entsteht eine stoffliche Verbindung zwischen dem mit Füllstoffen gefüllten Polymer und dem Leistungshalbleiter mit seinen Kontakten.
- In einem alternativen Verfahren wird der heiß verflüssigte mit Füllstoffen gefüllte Polymerwerkstoff tröpfchenweise (ähnlich einem hot Inkjet) oder als endlose Raupe (wie in einem 3-D-Druckverfahren) auf die vorgewärmte Baugruppe gezielt aufgebracht.
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung; -
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung; und -
3 einen schematischen Ablaufplan eines besonders bevorzugten Verfahrens zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls nach der Erfindung. -
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung. Das in1 dargestellte Leistungshalbleitermodul10 weist einen Leistungshalbleiter20 und einen den Leistungshalbleiter20 kontaktierenden elektrischen Leiter30 auf, wobei die obere Hauptfläche des Leistungshalbleiters20 nahezu vollständig und der elektrische Leiter30 wenigstens teilweise mit einer Glob-Top-Vergussmasse40 bedeckt ist. Gemäß der Erfindung ist die Glob-Top-Vergussmasse40 ein hochwärmeleitfähiges Polymer, das für eine Spreizung der vom Leistungshalbleiter20 erzeugten Wärme sorgt und als Wärmepuffer wirkt. - In dem Fall, dass der Leistungshalbleiter
20 lediglich eine elektrische Potentialfläche auf seiner Oberfläche hat, welche durch den elektrischen Leiter30 kontaktiert ist, ist sowohl der Einsatz eines elektrisch leitfähigen, als auch einer elektrisch nicht leitfähigen Glob-Top-Vergussmasse40 denkbar. -
2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung. Das in2 gezeigte Leistungshalbleitermodul10 weist ebenfalls einen Leistungshalbleiter20 und einen den Leistungshalbleiter20 kontaktierenden elektrischen Leiter30 auf, wobei auch dieser Leistungshalbleiter20 nahezu vollständig und der elektrische Leiter30 wenigstens teilweise mit einer Glob-Top-Vergussmasse40 bedeckt ist. - Gegenüber dem in
1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Leistungshalbleitermodul10 zusätzlich mit einer elektrisch nicht-leitenden Umhüllmasse50 vergossen, wobei ein erster Oberflächenabschnitt des vergossenen Leistungshalbleitermoduls10 von der Umhüllmasse50 und ein zweiter Oberflächenabschnitt des vergossenen Leistungshalbleitermoduls10 von der Glob-Top-Vergussmasse40 gebildet ist. - Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der vergossene Leistungshalbleiter
20 über die leitfähige Glob-Top-Vergussmasse40 kontaktiert werden kann, auch wenn das gesamte Leistungshalbleitermodul10 mit einer elektrisch nicht-leitenden Vergussmasse50 vergossen ist. - Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls weist die in
3 gezeigten Schritte auf, nämlich100 : Fertigen eines eine Glob-Top-Vergussmasse40 aus einem hochwärmeleitfähigen Polymer aufweisenden Körpers,200 : Erwärmen des Körpers und/oder Erwärmen des Leistungshalbleiters20 ,300 : Verbinden der Glob-Top-Vergussmasse40 mit dem Leistungshalbleiter20 durch Einschmelzen des Leistungshalbleiters20 in die Glob-Top-Vergussmasse40 , und400 : Abkühlen des Leistungshalbleitermoduls10 . - Insbesondere ist der Körper dabei aus der Glob-Top-Vergussmasse
40 und einer elektrisch nicht-leitenden Umhüllmasse50 gebildet.
Claims (8)
- Leistungshalbleitermodul (
10 ) mit einem Leistungshalbleiter (20 ), einem den Leistungshalbleiter (20 ) kontaktierenden elektrischen Leiter (30 ) und einer die eine Hauptfläche des Leistungshalbleiters (20 ) wenigstens teilweise und den elektrischen Leiter (30 ) wenigstens teilweise bedeckenden Glob-Top-Vergussmasse (40 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Glob-Top-Vergussmasse (40 ) ein hochwärmeleitfähiges Polymer ist. - Leistungshalbleitermodul (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hochwärmeleitfähige Polymer ein intrinsisch elektrisch leitfähiges Polymer ist. - Leistungshalbleitermodul (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hochwärmeleitfähige Polymer ein mit einem Metall gefülltes Polymer ist. - Leistungshalbleitermodul (
10 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Aluminium (Al) und/oder Kupfer (Cu) ist. - Leistungshalbleitermodul (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (10 ) mit einer elektrisch nicht-leitenden Umhüllmasse (50 ) vergossen ist, wobei ein erster Oberflächenabschnitt des vergossenen Leistungshalbleitermoduls (10 ) von der Umhüllmasse (50 ) und ein zweiter Oberflächenabschnitt des vergossenen Leistungshalbleitermoduls (10 ) von der Glob-Top-Vergussmasse (40 ) gebildet ist. - Leistungshalbleitermodul (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (30 ) ein Draht oder ein Bändchen ist. - Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: – Fertigen eines eine Glob-Top-Vergussmasse (40 ) aus einem hochwärmeleitfähigen Polymer aufweisenden Körpers, – Erwärmen des Körpers und/oder Erwärmen des Leistungshalbleiters (20 ), – Verbinden der Glob-Top-Vergussmasse (40 ) mit dem Leistungshalbleiter (20 ) durch Einschmelzen des Leistungshalbleiters (20 ) in die Glob-Top-Vergussmasse (40 ), und – Abkühlen des Leistungshalbleitermoduls (10 ). - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus der Glob-Top-Vergussmasse (
40 ) und einer elektrisch nicht-leitenden Umhüllmasse (50 ) gebildet ist.
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