DE102016113479A1 - Robuste hochleistungs-halbleiterbaugruppe - Google Patents

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Abstract

Eine Halbleiterbaugruppe weist ein aufgehängtes Substrat auf, das ein oder mehr Halbleiterbauelemente hierauf aufweist, ein metallisches Gehäuse, das das hängende Substrat überdeckt, wobei das aufgehängte Substrat an entgegengesetzten Seiten der Halbleiterbaugruppe durch eine Vielzahl mechanischer Anschlüsse gelagert wird, wobei zumindest einer der Vielzahl mechanischer Anschlüsse einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist, der im Wesentlichen einem CTE des aufgehängten Substrats entspricht, wobei zumindest einer der Vielzahl mechanischer Anschlüsse elektrisch mit dem aufgehängten Substrat verbunden ist, und wobei die Vielzahl mechanischer Anschlüsse mechanische Stöße absorbieren, um eine Beschädigung der Halbleitergruppe zu verhindern. Die Halbleiterbaugruppe weist außerdem ein thermisches Gel zwischen dem aufgehängten Substrat und dem metallischen Gehäuse auf. Bei dem aufgehängten Substrat kann es sich um eine gedruckte Leiterplatte handeln. Das metallische Gehäuse weist Montageohren auf, um Wärme von der Halbleitergruppe abzuleiten.

Description

  • Leistungshalbleitermodule steuern elektrische Leistung zu Schaltungen und Geräte wie beispielsweise Motoren, Aktoren, Controller oder dergleichen. Wenn für den Einsatz in extremen oder rauen Umgebungen wie beispielsweise Hochleistungsfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Raumfähren und Satelliten eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist, ist es wichtig, Halbleiterbaugruppen bereitzustellen, die mechanisch robust und thermisch effizient sind. Beispielsweise benötigen Halbleiterbaugruppen mit Leistungshalbleiterbauelementen bei einigen Raumfahrt- und Satellitenanwendungen ein Gehäuse (engl.: „packaging“) mit hoher thermischer Leitfähigkeit, um einen sinnvollen Betrieb der Bauelemente aufrechtzuerhalten. Allerdings bieten die meisten Gehäusematerialien mit guten thermischen Eigenschaften keinen zu dem Substrat passenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) des Gehäuses.
  • Bei einer herkömmlichen Halbleiterbaugruppe ist ein Substrat unter Verwendung von Hardware und harter Lotpaste befestigt, die die Halbleiterbaugruppe steif und anfällig für beispielsweise durch mechanische Stöße verursachte Beschädigungen machen. Die Kontaktpunkte zwischen dem Gehäuse und dem Substrat verbrauchen die begrenzte verwendbare Fläche des Substrats. Außerdem erfahren das Substrat und das Gehäuse aufgrund eines Unterschieds der thermischen Ausdehnung (CTE) zwischen dem Substrat und dem Gehäusematerial eine Volumenausdehnung und -kontraktion unterschiedlichen Grades und bringen dabei eine thermische Belastung mit sich, die die Leistungshalbleiterbauelemente und die Schaltung auf dem Substrat beschädigen kann.
  • Demgemäß besteht ein Bedarf, die Nachteile und Mängel des Standes der Technik durch die Bereitstellung einer robusten Hochleistungshalbleiterbaugruppe, die thermisch effizient und widerstandsfähig gegenüber Stößen ist, zu überwinden.
  • Die vorliegende Offenbarung ist auf eine robuste Halbleiterbaugruppe mit hoher Leistungsfähigkeit gerichtet, wie sie im Wesentlichen in zumindest einer der Figuren gezeigt und/oder in Verbindung damit beschrieben und in den Ansprüchen dargelegt ist.
  • 1A veranschaulicht eine Seitenansicht einer Substratanordnung gemäß einer Implementierung der vorliegenden Anmeldung.
  • 1B veranschaulicht eine Draufsicht auf eine Substratanordnung gemäß einer Implementierung der vorliegenden Anmeldung.
  • 1C veranschaulicht eine Ansicht einer Substratanordnung von unten gemäß einer Implementierung der vorliegenden Anmeldung.
  • 2A veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer Halbleiterbaugruppe gemäß einer Implementierung der vorliegenden Anmeldung.
  • 2B veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Halbleiterbaugruppe gemäß einer Implementierung der vorliegenden Anmeldung.
  • 3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Halbleiterbaugruppe gemäß einer Implementierung der vorliegenden Anmeldung.
  • Die folgende Beschreibung enthält konkrete Informationen, die die Implementierungen in der vorliegenden Offenbarung betreffen. Die Zeichnungen in der vorliegenden Anmeldung und deren begleitende, ausführliche Beschreibung sind lediglich auf beispielhafte Implementierungen gerichtet. Sofern nicht anders erwähnt, können innerhalb der Figuren gleiche oder entsprechende Elemente durch gleiche oder entsprechende Bezugszeichen angegeben sein. Weiterhin sind die Zeichnungen und Darstellungen in der vorliegenden Anmeldung im Allgemeinen nicht maßstäblich, und es ist nicht beabsichtigt, dass sie tatsächlichen relativen Abmessungen entsprechen.
  • 1A zeigt eine Seitenansicht einer Substratanordnung gemäß einer Implementierung der vorliegenden Anmeldung. Wie in 1A gezeigt ist, enthält die Substratanordnung 110 ein Substrat 102 und verschiedene elektrische Komponenten und Halbleiterbauelemente, die darauf integriert sind. Beispielsweise befinden sich, wie in den 1A–1C gezeigt ist, Transformatoren 104a und 104b, eine ringförmige Spule 105, ein Tantal-Kondensator 106, Stapel 107a und 107b keramischer Kondensatoren und verschiedene elektrische Komponenten und Halbleiterbauelemente auf der Oberseite 103a des Substrats 102. Halbleiterbauelemente 108a und 108b sowie verschiedene elektrische Komponenten und Halbleiterbauelemente befinden sich auf der Unterseite 103b des Substrats 102.
  • Bei einer Implementierung kann die Substratanordnung 110 eine Leistungswandlerschaltung wie beispielsweise einen darauf ausgebildeten Point-of-Load-Wandler enthalten. Beispielsweise kann die Substratanordnung 110 einen Pulsweitenmodulator enthalten, der dazu ausgebildet ist, Steuersignale zu erzeugen, die pulsweitenmodulierte Steuersignale sind. Bei einer Implementierung kann der Pulsweitenmodulator eine Pulsweitenmodulation mit zwei und/oder drei Phasen ausführen, um eine Inverterschaltung (die z. B. eine Zwei- oder Drei-Phasen-Brückenschaltung aufweist) anzusteuern, die in die Substratanordnung 110 integriert ist. Bei einer weiteren Implementierung kann es sich bei der Substratanordnung 110 um eine Hybridanordnung handeln, die nackte (engl.: „bare“) Halbleiterchips und direkt daran befestigte, gepackte integrierte Schaltungen aufweist.
  • Bei der vorliegenden Implementierung handelt es sich bei dem Substrat 102 um ein doppelseitiges Substrat, das eine Oberseite 103a und eine Unterseite 103b aufweist. Bei einer Implementierung handelt es sich bei dem Substrat 102 um ein einzelnes Substrat wie beispielsweise eine Leiterplatte (PCB), was es ermöglicht, dass ein oder mehr Halbleiterchips und Schaltungselemente an beiden Seiten des Substrats befestigt werden. Durch die Verwendung von zwei Seiten eines einzelnen Substrats von beispielsweise gleichförmiger Zusammensetzung benötigt das Substrat 102 keine Waferverbindungsschritte, um zwei Substrate, beispielsweise unter Verwendung von Kupfer, miteinander zu verbinden, wodurch die Komplexität und Kosten der Herstellung verringert werden. Bei einer Implementierung handelt es sich bei dem Substrat um ein Dickschichtsubstrat aus Berylliumoxid (BeO). Bei einer anderen Implementierung kann das Substrat 103 ein anderes geeignetes dielektrisches Material wie beispielsweise Aluminiumoxid (AlO) enthalten.
  • Wie in 1B gezeigt ist, sind die Transformatoren 104a und 104b, die ringförmige Spule 105, der Tantal-Kondensator 106, die Stapel 107a und 107b keramischer Kondensatoren und verschiedene elektrische Komponenten und Halbleiterbauelemente auf der Oberseite 103a des Substrats 102 gebildet. Bei einer Implementierung sind die Transformatoren 104a und 104b beispielsweise dazu ausgebildet, einen Spannungs- und/oder Strompegel ihrer jeweiligen Versorgung entweder zu erhöhen oder zu verringern. Bei einer Implementierung ist die ringförmige Spule 105 beispielsweise dazu ausgebildet, in der in der Substratanordnung 110 gebildeten Schaltung Rauschen zu filtern und zu verringern. Bei einer Implementierung ist der Tantal-Kondensator 106 beispielsweise dazu ausgebildet, ein Ausgangsrauschen eines in der Substratanordnung 110 gebildeten Point-of-Load-Wandlers zu verringern. Bei einer Implementierung sind die Stapel 107a und 107b keramischer Kondensatoren beispielsweise dazu ausgebildet, ein Eingangsrauschen des auf der Substratanordnung 110 gebildeten Point-of-Load-Wandlers zu filtern.
  • Wie in 1C gezeigt ist, befinden sich die Halbleiterbauelemente 108a und 108b sowie verschiedene elektrische Komponenten und Halbleiterbauelemente auf der Unterseite 103b des Substrats 102. Bei der vorliegenden Implementierung kann ein jedes der Halbleiterbauelemente 108a und 108b einen oder mehr Halbleiterchips enthalten. Beispielsweise kann jeder dieser Halbleiterchips einen Pulsweitenmodulator und unterschiedliche andere monolithisch darauf integrierte Schaltungen enthalten (1C nicht explizit gezeigt). Bei einer Implementierung können die Halbleiterchips in den Halbleiterbauelementen 108a und 108b Silizium enthalten. Bei einer weiteren Implementierung können die Halbleiterchips in den Halbleiterbauelementen 108a und 108b ein anderes geeignetes Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium-auf-Saphir (SOS), Siliziumkarbid (SiC), oder dergleichen enthalten. Bei einer anderen Implementierung können die Halbleiterchips in den Halbleiterbauelementen 108a und 108b ein anderes geeignetes Halbleitermaterial wie beispielsweise ein Material der Gruppen III-V (z. B. GaN und AlGaN) oder dergleichen enthalten.
  • Bei einer Implementierung kann ein jedes der Halbleiterbauelemente 108a und 108b ein oder mehr Leistungshalbleiterbauelemente enthalten (in 1C nicht explizit gezeigt). Beispielsweise kann ein jedes der Halbleiterbauelemente 108a und 108b Leistungshalbleiterbauelemente mit lateraler und/oder vertikaler Leitung wie beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) oder Bipolar-Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) oder dergleichen enthalten.
  • Wie in 1C gezeigt ist, sind die Halbleiterbauelemente 108a und 108b auf die Unterseite 103b des Substrats 102 oberflächenmontiert. Bei einer Implementierung ist zumindest eines der Halbleiterbauelemente 108a und 108b über ein oder mehr durch das Substrat verlaufende Vias (engl.: „trough substrate vias“; TSVs) in dem Substrat 102 mit einem oder mehr Schaltungselementen auf der Oberseite 103a des Substrats 102 elektrisch gekoppelt (in den 1A–1C nicht explizit gezeigt). Bei einer Implementierung können ein oder mehr TSVs dazu verwendet werden, ein Routing und/oder eine elektrische Verbindung zwischen unterschiedlichen Schaltungselementen auf der Oberseite 103a des Substrats 102 und Halbleiterbauelementen auf der Unterseite 103b des Substrats 102 auf eine beliebige gewünschte Weise bereitzustellen.
  • Nunmehr bezugnehmend auf 2A zeigt 2A eine perspektivische Ansicht einer Halbleiterbaugruppe gemäß einer Implementierung der vorliegenden Anmeldung. Die Halbleiterbaugruppe 200 enthält ein metallisches Gehäuse 212, eine Substratanordnung 210, ein thermisches Gel 214, Seitenwand-Abstandhalter 216a und 216b, mechanische Anschlüsse 218, und einen hermetischen Deckel 220.
  • Bei der vorliegenden Implementierung entspricht die Substratanordnung 210 der in den 1A–1C gezeigten Substratanordnung 110. Wie in 2A gezeigt ist, enthält die Substratanordnung 210 ein Substrat 202 und verschiedene darauf integrierte elektrische Komponenten und Halbleiterbauelemente. Beispielsweise befinden sich Transformatoren 204a und 204b, eine ringförmige Spule 205, ein Tantal-Kondensator 206, Stapel 207a und 207b keramischer Kondensatoren und verschiedene elektrische Komponenten und Halbleiterbauelemente auf der Oberseite 203a des Substrats 202. Obwohl in 2A nicht ausdrücklich gezeigt versteht es sich, dass Halbleiterbauelemente wie beispielsweise Halbleiterbauelemente 108a und 108b und verschiedene elektrische Komponenten und Halbleiterbauelemente, wie sie in 1C gezeigt sind, auf der Unterseite 203b des Substrats 202 befinden.
  • Wie in 2A gezeigt ist, enthält das metallische Gehäuse 212 einen oberen Teil 222, Seitenwände 224a, 224b, 224c und 224d (nachfolgend gemeinschaftlich als „Seitenwände 224“ bezeichnet), sowie Montageohren 213a, 213b, 213c und 213d (nachfolgend gemeinschaftlich als „Montageohren 213“ bezeichnet). Bei einer Implementierung kann das metallische Gehäuse 212 eine im Wesentlichen einheitliche Zusammensetzung aufweisen. Bei einer anderen Implementierung kann das metallische Gehäuse 212 eine nicht-einheitliche Zusammensetzung aufweisen.
  • Bei der vorliegenden Implementierung weist das metallische Gehäuse 212 ein Material mit geringer Masse, hoher thermischer Leitfähigkeit und hoher maschineller Bearbeitbarkeit auf. Bei der vorliegenden Implementierung ist das metallische Gehäuse 212 dazu ausgebildet, Wärme, die beispielsweise während des Betriebs von Schaltungselementen (z. B. den Transformatoren 204a und 204b) erzeugt wird, über den oberen Teil 222, die Seitenwände 224 und die Montageohren 213 zu übernehmen. Die Montageohren 213 sind so ausgebildet, dass sie beispielsweise an einem Kühlkörper (in 2A nicht explizit gezeigt) montiert werden können, um Wärme von der Halbleiterbaugruppe 200 abzugeben. Bei einer Implementierung kann das metallische Gehäuse 212 auch Wärme von der Substrateinheit 210 an die die Halbleiterbaugruppe 200 umgebende Umgebung dissipieren.
  • Bei einer Implementierung handelt es sich bei dem metallischen Gehäuse 212 um ein gestanztes Aluminiumgehäuse. Die hohe thermische Leitfähigkeit von Aluminium erleichtert das Abgeben von Wärme, die durch die Schaltungselemente und die Leistungshalbleiterbauelemente auf der Substratanordnung 210 erzeugt wird, nach außerhalb der Halbleiterbaugruppe 200. Das Aluminium aufweisende Metallgehäuse 212 besitzt ein außerordentlich geringes Gewicht und verringert dabei das Gesamtgewicht der Halbleiterbaugruppe 200 wesentlich. Weiterhin ist Aluminium in hohem Maße maschinenbearbeitbar, was bedeutet, dass der Herstellungsprozess des metallischen Gehäuses 212 (z. B. das Stanzen, Schneiden, Entfernen von Teilen hiervon und das Erzielen eines guten Finishs) wenig Leistung und Zeit erfordert. Mit der sehr guten maschinellen Bearbeitbarkeit besteht auch die Möglichkeit, leicht und schnell Konfigurationsänderungen vorzunehmen, um, falls erforderlich, verschiedene Grundflächen von verschiedenen Substraten unterzubringen. Bei anderen Implementierungen kann das metallische Gehäuse 212 ein anderes geeignetes Material mit geringer Masse, guter thermischer Leitfähigkeit und guter maschineller Bearbeitbarkeit aufweisen.
  • Wie in 2A gezeigt sind die Seitenwand-Abstandhalter 216a und 216b auf zwei entgegengesetzten Seiten der Substratanordnung 210 und auf der Innenseite der Seitenwände 224a bzw. 224c des metallischen Gehäuses 212 angeordnet. Die Seitenwand-Abstandhalter 216a und 216b weisen Durchgangslöcher auf, wobei sich mechanische Anschlüsse 218 durch die Durchgangslöcher erstrecken, so dass sie in das Innere der Halbleiterbaugruppe 200 reichen. Bei der vorliegenden Implementierung weisen die Seitenwand-Abstandhalter 216a und 216b isolierendes Material wie beispielsweise Kunststoff auf, um die mechanischen Anschlüsse 218 voneinander elektrisch zu isolieren. Die Seitenwand-Abstandhalter 216a und 216b können auch eine strukturelle Unterstützung und Beabstandung für die mechanischen Anschlüsse 218 bereitstellen.
  • Bei der vorliegenden Implementierung sind die mechanischen Anschlüsse 218 so ausgebildet, dass sie sich durch die Seitenwand-Abstandhalter 216a und 216b auf entgegengesetzten Seiten metallischen Gehäuses 212 erstrecken, so dass sie in das Innere der Halbleiterbaugruppe 200 reichen. Bei der vorliegenden Implementierung sind die mechanischen Anschlüsse 218 so ausgebildet, dass sie sich unter und in Kontakt mit der Unterseite 203b des Substrats 202 erstrecken. Bei einer Implementierung weisen die mechanischen Anschlüsse 218 ein leitendes Material auf, so dass die mechanischen Anschlüsse 218 zum externen Anschluss elektrisch mit Halbleiterbauelementen und/oder Schaltungselementen, die auf dem Substrat 202 integriert sind, elektrisch gekoppelt sind. Beispielsweise können die mechanischen Anschlüsse 218 ein metallisches Material wie beispielsweise Kupfer oder Kupfer-basierte Metall-Matrix-Komposit-Legierungen aufweisen. Bei anderen Implementierungen können die mechanischen Anschlüsse 218 ein isolierendes Material aufweisen. Die mechanischen Anschlüsse 218 sind so ausgebildet, dass sie die Substratanordnung 210 in dem metallischen Gehäuse 212 mechanisch tragen, so dass das Substrat 202 von dem metallische Gehäuse 212 beabstandet und in diesem aufgehängt (engl.: „suspended“) ist.
  • Bei der vorliegenden Implementierung sind die mechanischen Anschlüsse 218 so ausgebildet, dass sie mechanische Belastungen, die beispielsweise von mechanischen Stößen oder anderen externen Störungen herrühren, absorbieren, um eine Beschädigung der Halbleiterbaugruppe 200 zu vermeiden. Ebenso liegt der CTE der mechanischen Anschlüsse 218 nahe bei dem des Substrats 202. Daher werden die thermischen Belastungen aufgrund des CTE-Unterschieds zwischen dem metallischen Gehäuse 212 und dem Substrat 202 durch die mechanischen Anschlüsse 218 im Wesentlichen eliminiert. Im Ergebnis führt eine Änderung des Volumens (z. B. eine Ausdehnung oder Kontraktion) des metallischen Gehäuses 212 als Reaktion auf eine Änderung der Temperatur nicht zu thermischen Belastungen des Substrats 202. Es versteht sich, dass die mechanischen Anschlüsse 218 an ein anderes Substrat oder einen Kühlkörper oberflächenmontiert, drahtgelötet (engl.: „wire soldered“), über ein Durchgangsloch gerade nach unten montiert werden können.
  • Wie in die 2A und 2B gezeigt befindet sich der hermetische Deckel 220 an der Unterseite des metallischen Gehäuses 212, um die Substratanordnung 210 in der Halbleiterbaugruppe 200 hermetisch abzudichten. Bei einer Implementierung weist der hermetische Deckel 220 eine harte Verkapselung auf. Bei einer anderen Implementierung beinhaltet der hermetische Deckel 220 einen leitenden Deckel. Bei noch einer anderen Implementierung ist der hermetische Deckel 220 optional. Wie in den 2A und 2B gezeigt ist, ist ein thermisches Gel 214 zwischen der Substratanordnung 210 und dem metallischen Gehäuse 212 angeordnet. Bei einer Implementierung kann das thermische Gel 214 den Zwischenraum zwischen der Substratanordnung 210 und dem metallischen Gehäuse 212 teilweise oder vollständig ausfüllen. Bei einer Implementierung kann das thermische Gel 214 ein weiches Gel oder Vergussmaterial mit hoher thermischer Leitfähigkeit aufweisen, um Wärme, die beispielsweise von den Schaltungselementen (z. B. den Transformatoren 204a und 204b) auf der Substratanordnung 210 erzeugt wird, an das metallische Gehäuse 212 abzugeben. Bei einer Implementierung kann das thermische Gel 214 eine thermische Leitfähigkeit in einem Bereich zwischen 0,1 W/mK und 10 W/mK aufweisen. Das thermische Gel 214 ist dazu ausgebildet, Wärme, die von den Schaltungselementen (z. B. den Transformatoren 204a und 204b) auf der Substratanordnung 210 an das metallische Gehäuse 212 abzugeben. Bei einer anderen Implementierung kann das thermische Gel 214 eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die geringer ist als 0,1 W/mK, oder größer als 10 W/mK.
  • Bezugnehmend auf 2B veranschaulicht 2B eine Querschnittsansicht einer Halbleiterbaugruppe gemäß einer Implementierung der vorliegenden Anmeldung. Bei der vorliegenden Implementierung zeigt 2B eine Querschnittsansicht der Halbleiterbaugruppe 200 entlang einer Linie B-B in 2A. Indem in 2A ähnliche Bezugszeichen ähnliche Merkmale repräsentieren, weist die Halbleiterbaugruppe 200 in 2B eine Substratanordnung 210, ein metallisches Gehäuse 212, ein thermisches Gel 214, Seitenwand-Abstandhalter 216a und 216b, mechanische Anschlüsse 218a und 218b, sowie einen hermetischen Deckel 220 auf. Wie in 2B veranschaulicht ist, handelt es sich bei dem Substrat 202 um ein aufgehängtes Substrat (engl.: „suspended substrate“), das ein oder mehr Halbleiterbauelemente (z. B. ein Halbleiterbauelement 208a) darauf aufweist. Das Substrat 202 wird durch mechanische Anschlüsse 218a und 218b auf entgegengesetzten Seiten der Halbleiterbaugruppe 200 getragen. Bei einer Implementierung besitzt von den mechanischen Anschlüssen 218a und 218b zumindest einer einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), der im Wesentlichen mit einem CTE des Substrats 202 übereinstimmt. Bei einer Implementierung besitzt von den mechanischen Anschlüssen 218a und 218b und den restlichen in 2A gezeigten mechanischen Anschlüssen 218 ein jeder einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), der im Wesentlichen mit einem CTE des Substrats 202 übereinstimmt.
  • Bei der vorliegenden Implementierung entspricht die Substratanordnung 210 der Substratanordnung 110 in den 1A–1C. Wie in 2B gezeigt ist, weist die Substratanordnung 210 neben anderen elektrischen Komponenten und Halbleiterbauelementen Transformatoren 204a und 204b und eine ringförmige Spule 205 auf der Oberseite 203a des Substrats 202 auf, und das Halbleiterbauelement 208a auf der Unterseite 203b des Substrats 202.
  • Wie in 2D veranschaulicht ist, erstreckt sich der mechanische Anschluss 218a durch den Seitenwand-Abstandhalter 216a auf der Seitenwand 224a des metallischen Gehäuses 212 und erreicht das Innere des metallischen Gehäuses 212 auf einer Seite der Halbleiterbaugruppe 200. Ähnlich erstreckt sich der mechanische Anschluss 218b durch den Seitenwand-Abstandhalter 216b auf der Seitenwand 224c des metallischen Gehäuses 212 und erreicht das Innere des metallischen Gehäuses 212 auf einer anderen Seite der Halbleiterbaugruppe 200. Von daher stellen die mechanischen Anschlüsse 218, die die mechanischen Anschlüsse 218a und 218b enthalten, ein mechanisches Auflager für die Substratanordnung 210 auf der Unterseite 203b des Substrats 202 bereit. Im Ergebnis ist das Substrat 202 und damit die Substratanordnung 210 von dem metallischen Gehäuse 212 beabstandet und in diesem aufgehängt. Bei der vorliegenden Implementierung erstrecken sich die mechanischen Anschlüsse 218 durch Seitenwand-Abstandhalter 216a und 216b auf jeweils entgegengesetzten Seitenwänden 224a und 224c des metallischen Gehäuses 212, um ein Auflager für die Substratanordnung 210 bereitzustellen. Es wird darauf hingewiesen, dass sich die mechanischen Anschlüsse 218 nicht durch die Seitenwände 224b und 224d des metallischen Gehäuses 212 hindurch erstrecken, da die mechanischen Anschlüsse 218 ausreichen, um, wie gezeigt, auf entgegengesetzten Seiten des Substrats 202 ein mechanisches Auflager für die Substratanordnung 210 zu bieten. Als Folge hiervon ist keine zusätzliche Hardware erforderlich, um das Substrat 202 in der Halbleiterbaugruppe 200 zu sichern, wobei das Gesamtgewicht der Halbleiterbaugruppe 200 wesentlich verringert wird. Ebenso können, da die mechanischen Anschlüsse 218 das Substrat 202 an dessen Kanten unterstützen, Kontaktbereiche auf einem Substrat, die dazu reserviert gewesen wären, dass das Substrat ein Gehäuse bei einer herkömmlichen Halbleiterbaugruppe kontaktieren kann, eliminiert werden, was es ermöglicht, dass mehr Schaltungselemente und Halbleiterbauelemente auf beiden Seiten des Substrats 202 verbaut werden können. Somit erhält man ein Substrat mit hoher Dichte.
  • Wie in 2B gezeigt ist, können die mechanischen Anschlüsse 218, die die mechanischen Anschlüsse 218a und 218b enthalten, an die Unterseite 203b des Substrats 202 gelötet sein. Wie in den 2A und 2B gezeigt kann jeder der mechanischen Anschlüsse 218 um einen Winkel (z. B. näherungsweise 90 Grad) gebogen sein, wobei ein im Wesentlichen horizontaler Teil mit einem im Wesentlichen vertikalen Teil verbunden ist. Der im Wesentlichen horizontale Teil eines jeden mechanischen Anschlusses 218 erstreckt sich vom Äußeren der Halbleitergruppe 200 in dessen Inneres und verläuft im Wesentlichen parallel zu dem Substrat 202. Der im Wesentlichen horizontale Teil eines jeden mechanischen Anschlusses 218 erstreckt sich unter dem Substrat 202 und ist, beispielsweise durch eine Lotpaste, an diesem befestigt. Der im Wesentlichen vertikale Teil eines jeden mechanischen Anschlusses 218 befindet sich auf der Außenseite der Halbleiterbaugruppe 200 und verläuft im Wesentlichen parallel zu Seitenwänden 224 des metallischen Gehäuses 212.
  • Bei der vorliegenden Implementierung sind die mechanischen Anschlüsse 218 so ausgebildet, dass sie als Federn wirken, um mechanische Belastungen, die beispielsweise von mechanischen Stößen oder andern externen Störungen herrühren, zu absorbieren, um eine Beschädigung der Halbleiterbaugruppe 200 zu vermeiden. Ebenso stimmt der CTE der mechanischen Anschlüsse 218 näherungsweise mit dem des Substrats 202 überein. Dadurch wird die thermische Belastung aufgrund des CTE-Unterschieds zwischen dem metallischen Gehäuse 212 und dem Substrat 202 durch die mechanischen Anschlüsse 218 im Wesentlichen eliminiert. Im Ergebnis führt eine Änderung des Volumens (z. B. eine Ausdehnung oder Kontraktion) des metallischen Gehäuses 212 als Reaktion auf eine Änderung der Temperatur nicht zu einer Belastung des Substrats 202.
  • Bei der vorliegenden Implementierung weist die Halbleiterbaugruppe 200 eine Länge in einem Bereich zwischen etwa 15 und 100 mm (d. h. 10–3 Meter) auf, eine Breite in einem Bereich zwischen etwa 15 und 100 mm, und eine Höhe in einem Bereich zwischen etwa 5 und 50 mm. Bei anderen Implementierungen kann die Halbleiterbaugruppe 200 auch andere Abmessungen aufweisen, um den Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu genügen.
  • Bezugnehmend auf 3 veranschaulicht 3 eine Querschnittsansicht einer Halbleiterbaugruppe gemäß einer Implementierung der vorliegenden Anmeldung. Indem in 2B ähnliche Bezugszeichen ähnliche Merkmale repräsentieren, weist die Halbleiterbaugruppe 300 in 3 eine Substratanordnung 310, ein metallisches Gehäuse 312, ein thermisches Gel 314, Seitenwand-Abstandhalter 316a und 316b, mechanische Anschlüsse 318a und 318b, sowie einen hermetischen Deckel 320 auf.
  • Bei der vorliegenden Implementierung entspricht die Substratanordnung 310 beispielsweise der Substratanordnung 110 in den 1A–1C. Wie in 3 gezeigt ist, weist die Substratanordnung 310 ein Substrat 302 und verschiedene, darauf integrierte elektrische Komponenten und Halbleiterbauelemente auf. Beispielsweise befinden sich, wie in 3 gezeigt, Transformatoren 304a und 304b, eine ringförmige Spule 305 und verschiedene elektrische Komponenten und Halbleiterbauelemente auf der Oberseite 303a des Substrats 302. Außerdem befinden sich ein Halbleiterbauelement 308a und verschiedene elektrische Komponenten und Halbleiterbauelemente auf der Unterseite 303b des Substrats 302. Bei der vorliegenden Implementierung können die Transformatoren 304a und 304b, die ringförmige Spule 305 und das Halbleiterbauelement 308a den Transformatoren 204a und 204b, der ringförmigen Spule 205 und dem Halbleiterbauelement 208a in 2B entsprechen.
  • Bei der vorliegenden Implementierung kann das metallische Gehäuse 312 dem metallischen Gehäuse 212 in den 2A und 2B entsprechen. Wie in 3 gezeigt ist, handelt es sich bei dem metallischen Gehäuse 312 um ein gestanztes Aluminiumgehäuse, das einen oberen Teil 322 und entgegengesetzte Seitenwände 324a und 324c aufweist. Auch wenn dies in 3 nicht explizit gezeigt ist, versteht es sich, dass das metallische Gehäuse 312, ähnlich zu den Seitenwänden 224b und 224d des in 2A gezeigten metallischen Gehäuses 212, ein weiteres Paar entgegengesetzter Seitenwände aufweist. Es versteht sich, dass das metallische Gehäuse 312 bei der vorliegenden Implementierung als Wärmespreizer dienen kann, um Wärme von der Substratanordnung 310 an die die Halbleiterbaugruppe 300 umgebende Umgebung zu dissipieren.
  • Wie in 3 gezeigt ist, ist ein jeder der mechanischen Anschlüsse 318a und 318b auf der Außenseite der Halbleiterbauegruppe 300 um einen Winkel (z. B. etwa 90 Grad) gebogen, und im Inneren der Halbleiterbaugruppe 300 um einen anderen Winkel (z. B. etwa 90 Grad) gebogen. Somit weist jeder der mechanischen Anschlüsse 318a und 318b einen im Wesentlichen horizontalen Teil auf, der mit einem im Wesentlichen vertikalen Teil im Inneren der Halbleiterbaugruppe 300 und einem weiteren, im Wesentlichen vertikalen Teil außerhalb der Halbleiterbaugruppe 300 verbunden ist.
  • Der im Wesentlichen horizontale Teil des mechanischen Anschlusses 318a erstreckt sich durch den Seitenwand-Abstandhalter 316a auf der Seitenwand 324a des metallischen Gehäuses 312, so dass er in das Innere des metallischen Gehäuses 312 reicht. Der im Wesentlichen vertikale Teil des mechanischen Anschlusses 318a im Inneren der Halbleiterbaugruppe 300 erstreckt sich an einem Ende hiervon durch das Substrat 302 und verläuft im Wesentlichen parallel zur Seitenwand 324a des metallischen Gehäuses 312. Ähnlich erstreckt sich der im Wesentlichen horizontale Teil des mechanischen Anschlusses 318b durch den Seitenwand-Abstandhalter 316b auf der Seitenwand 324c des metallischen Gehäuses 312, so dass er in das Innere des metallischen Gehäuses 312 reicht. Der im Wesentlichen vertikale Teil des mechanischen Anschlusses 318b im Inneren der Halbleiterbaugruppe 300 erstreckt sich an einem anderen Ende hiervon durch das Substrat 302 und verläuft im Wesentlichen parallel zur Seitenwand 324c des metallischen Gehäuses 312. Die mechanischen Anschlüsse 318a und 318b sind über ein Durchgangsloch an dem Substrat 302 montiert und stellen ein mechanisches Auflager für das Substrat 302 dar, um die Substratanordnung 310 in dem metallischen Gehäuse 312 aufzuhängen.
  • Bei der vorliegenden Implementierung sind die mechanischen Anschlüsse 318 so ausgebildet, dass sie als Federn wirken, um mechanische Belastungen, die beispielsweise von mechanischen Stößen oder anderen Störungen herrühren können, zu absorbieren, um eine Beschädigung der Halbleiterbaugruppe zu verhindern. Ebenso ist der CTE der mechanischen Anschlüsse 318 näherungsweise gleich dem des Substrats 302. Daher werden die thermischen Belastungen aufgrund des CTE-Unterschieds zwischen dem metallischen Gehäuse 312 und dem Substrat 302 durch die mechanischen Anschlüsse 318 im Wesentlichen eliminiert. Im Ergebnis führt eine Änderung des Volumens (z. B. eine Ausdehnung oder Kontraktion) des metallischen Gehäuses 312 als Reaktion auf eine Änderung der Temperatur nicht zu einer Belastung des Substrats 302. Es versteht sich, dass die mechanischen Anschlüsse 318 an einem anderen Substrat oder einem Kühlkörper oberflächenmontiert, drahtgelötet (engl.: „wire soldered“) oder mittels Durchgangslöchern gerade nach unten befestigt werden können.
  • Wie in 3 gezeigt ist, befindet sich der hermetische Deckel 320 an der Unterseite des metallischen Gehäuses 312, um die Substratanordnung 310 in der Halbleiterbaugruppe 300 hermetisch abzudichten. Bei der vorliegenden Implementierung sind die mechanischen Anschlüsse 318 so ausgebildet, dass sie als Federn wirken, um mechanische Belastungen, die beispielsweise von Stößen oder anderen externen Störungen herrühren können, zu absorbieren, um eine Beschädigung der Halbleiterbaugruppe 300 zu verhindern. Wie in 3 gezeigt ist, ist ein thermisches Gel 314 zwischen der Substratanordnung 310 und dem metallischen Gehäuse 312 angeordnet. Bei einer Implementierung kann das thermische Gel 314 den Zwischenraum zwischen der Substratanordnung 310 und dem metallischen Gehäuse 312 teilweise oder vollständig ausfüllen. Bei einer Implementierung kann das thermische Gel 314 ein weiches Gel oder Vergussmaterial mit hoher thermischer Leitfähigkeit aufweisen, um Wärme, die beispielsweise von den Schaltungselementen (z. B. den Transformatoren 304a und 304b) auf der Substratanordnung 310 erzeugt wird, an das metallische Gehäuse 312 abzugeben. Bei einer Implementierung kann das thermische Gel 314 eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich zwischen 0,1 W/mK und 10 W/mK aufweisen. Bei einer weiteren Implementierung kann das thermische Gel eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 0,1 W/mK oder von mehr als 10 W/mK aufweisen.
  • Bei der vorliegenden Implementierung besitzt die Halbliterbaugruppe 300 eine Länge in einem Bereich zwischen etwa 15 und 100 mm, eine Breite im Bereich zwischen etwa 15 und 100 mm, und eine Höhe in einem Bereich zwischen etwa 5 und 50 mm. Bei einer anderen Implementierung kann die Halbleiterbaugruppe andere Abmessungen aufweisen, um den Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu genügen.
  • Aus der vorliegenden Offenbarung ist offenkundig, dass verschiedene Verfahren zur Implementierung der hierin beschriebenen Konzepte bei der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden können, ohne vom Bereich jener Konzepte abzuweichen. Des Weiteren wird der Fachmann, während die Konzepte unter konkreter Bezugnahme auf bestimmte Implementierungen beschrieben wurden, erkennen, dass Änderungen in der Ausgestaltung und im Detail vorgenommen werden können, ohne vom Bereich jener Konzepte abzuweichen. Von daher werden die beschriebenen Implementierungen in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht beschränkend verstanden. Es versteht sich außerdem, dass die vorliegende Anmeldung nicht auf die konkreten, hierin beschriebenen Implementierungen beschränkt ist, sondern dass viele Umgestaltungen, Modifikationen und Ersetzungen möglich sind, ohne vom Bereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.

Claims (20)

  1. Halbleiterbaugruppe, die aufweist: ein aufgehängtes Substrat, das ein oder mehr darauf befindliche Halbleiterbauelemente aufweist; ein metallisches Gehäuse, das das aufgehängte Substrat überdeckt; wobei das aufgehängte Substrat durch eine Vielzahl mechanischer Anschlüsse auf entgegengesetzten Seiten der Halbleiterbaugruppe gelagert wird; wobei zumindest einer der Vielzahl mechanischer Anschlüsse einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist, der im Wesentlichen mit einem CTE des aufgehängten Substrats übereinstimmt.
  2. Halbleiterbaugruppe gemäß Anspruch 1, wobei zumindest einer der Vielzahl von mechanischen Anschlüssen elektrisch mit dem aufgehängten Substrat gekoppelt ist.
  3. Halbleiterbaugruppe gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der Vielzahl von mechanischen Anschlüssen einen CTE aufweist, der im Wesentlichen mit dem CTE des aufgehängten Substrats übereinstimmt.
  4. Halbleiterbaugruppe gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl mechanischer Anschlüsse mechanische Stöße absorbiert, um eine Beschädigung der Halbleiterbaugruppe zu verhindern.
  5. Halbleiterbaugruppe gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die außerdem ein thermisches Gel zwischen dem aufgehängten Substrat und dem metallischen Gehäuse aufweist.
  6. Halbleiterbaugruppe gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das aufgehängte Substrat eine gedruckte Leiterplatte ist.
  7. Halbleiterbaugruppe gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das metallische Gehäuse Montageohren aufweist, um Wärme von der Halbleiterbaugruppe abzuleiten.
  8. Halbleiterbaugruppe, die aufweist: ein aufgehängtes Substrat, das eines oder mehr darauf befindliche Halbleiterbauelemente aufweist; ein metallisches Gehäuse, das das aufgehängte Substrat überdeckt; wobei das aufgehängte Substrat an entgegengesetzten Seiten der Halbleiterbaugruppe durch eine Vielzahl mechanischer Anschlüsse gelagert wird; wobei zumindest einer der Vielzahl mechanischer Anschlüsse einen horizontalen Teil aufweist, der sich unter dem hängenden Substrat erstreckt und an diesem befestigt ist; wobei die Vielzahl mechanischer Anschlüsse einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist, der im Wesentlichen einem CTE des hängenden Substrats entspricht.
  9. Halbleiterbaugruppe gemäß Anspruch 8, wobei zumindest einer der Vielzahl mechanischer Anschlüsse elektrisch mit dem aufgehängten Substrat verbunden ist.
  10. Halbleiterbaugruppe gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei jeder der Vielzahl von mechanischen Anschlüssen einen CTE aufweist, der im Wesentlichen mit dem CTE des aufgehängten Substrats übereinstimmt.
  11. Halbleiterbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Vielzahl mechanischer Anschlüsse mechanische Stöße absorbiert, um eine Beschädigung der Halbleiterbaugruppe zu verhindern.
  12. Halbleiterbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, die außerdem ein thermisches Gel zwischen dem aufgehängten Substrat und dem metallischen Gehäuse aufweist.
  13. Halbleiterbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das aufgehängte Substrat eine gedruckte Leiterplatte ist.
  14. Halbleiterbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei das metallische Gehäuse Montageohren aufweist, um Wärme von der Halbleiterbaugruppe abzuleiten.
  15. Halbleiterbaugruppe, die aufweist: ein aufgehängtes Substrat, das einen oder mehr Halbleiterbauelemente hierauf aufweist; ein metallisches Gehäuse, das das aufgehängte Substrat überdeckt; wobei das aufgehängte Substrat an entgegengesetzten Seiten der Halbleiterbaugruppe durch eine Vielzahl mechanischer Anschlüsse gelagert wird; wobei zumindest einer der Vielzahl mechanischer Anschlüsse einen vertikalen Teil aufweist, der sich durch das aufgehängte Substrat hindurch erstreckt; wobei die Vielzahl mechanischer Anschlüsse einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist, der im Wesentlichen einem CTE des hängenden Substrats entspricht.
  16. Halbleiterbaugruppe gemäß Anspruch 15, wobei zumindest einer der Vielzahl mechanischer Anschlüsse elektrisch mit dem aufgehängten Substrat verbunden ist.
  17. Halbleiterbaugruppe gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei jeder der Vielzahl mechanischer Anschlüsse einen CTE aufweist, der im Wesentlichen mit dem CTE des aufgehängten Substrats übereinstimmt.
  18. Halbleiterbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Vielzahl mechanischer Anschlüsse mechanische Stöße absorbiert, um eine Beschädigung der Halbleiterbaugruppe zu verhindern.
  19. Halbleiterbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, die außerdem ein thermisches Gel zwischen dem aufgehängten Substrat und dem metallischen Gehäuse aufweist.
  20. Halbleiterbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei das aufgehängte Substrat eine gedruckte Leiterplatte ist.
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