DE102019108932B4

DE102019108932B4 - Halbleitermodul und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102019108932B4
Application number: DE102019108932.8A
Authority: DE
Inventors: André Bastos Abibe; Martin Becker; David Benning
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2039-04-06
Also published as: WO2020201005A1; DE102019108932A1

Abstract

Halbleitermodul (2), das einen geformten Metallkörper (20) aufweist, der an einer oberen Oberfläche eines Halbleiters (26) befestigt ist, wobei eine untere Oberfläche des Halbleiters (26) auf eine obere Schicht (8') eines Substrats (4) gesintert ist, wobei der geformte Metallkörper (20) eine obere Oberfläche (30) aufweist, die mit einer Oberflächenstrukturierung (32, 32', 32'', 32''', 32'''', 32''''') versehen ist, die den Oberflächenbereich der Oberseite (30) vergrößert,dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Metallkörper (20) mittels einer Sinterschicht (22) am Halbleiter (26) befestigt ist, wobei an dem geformten Metallkörper (20) eine oder mehrere Drahtbindungen oder Bandbindungen (18) befestigt sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitermodulnach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitermoduls.
Stand der Technik
Ein derartiges Halbleitermodul ist aus US 5 514 906 A bekannt. Hier ist eine Halbleiterschicht vorgesehen, die mit einer Haftoberfläche aus einem Metall versehen ist. Auf die Haftoberfläche sind wärmeleitende Elemente aufgebracht.
Moderne Leistungselektronik setzt die Festkörperelektronik zur Steuerung und Umwandlung von elektrischer Leistung mit Halbleiterschalteinrichtungen, wie Dioden, Thyristoren und Transistoren, ein. Im Gegensatz zu elektronischen Systemen, die zur Übertragung und Verarbeitung von Signalen und Daten ausgebildet sind, werden in der Leistungselektronik erhebliche Mengen an elektrischer Energie verarbeitet.
Immer mehr Anwendungen setzen auf Leistungselektronik-Technologien, um die Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Steuerung zu verbessern. Halbleiterkomponenten sind für Leistungshalbleiter unerlässlich, und da diese Komponenten empfindlich auf hohe Temperaturen reagieren, ist eine effektive Kühlung erforderlich, um Geräteausfälle durch thermisches Durchbrennen zu vermeiden.
Darüber hinaus hat die wachsende Nachfrage nach verbesserter Funktionalität, kleinerem Formfaktor, höherer Zuverlässigkeit und niedrigeren Kosten bei elektronischen Einrichtungen die Entwicklung von groß angelegten Integrationen und Miniaturisierungen eingeleitet. Diese Miniaturisierungen und großflächigen Integrationen wiederum sind für eine stetige Erhöhung der Verlustleistung durch die elektronischen Chips und andere Komponenten verantwortlich. Dementsprechend haben effektive Kühltechnologien die Aufmerksamkeit von Herstellern und Forschern auf sich gezogen.
Im Allgemeinen bildet Luftkühlung eine einfache, kostengünstige, effektive und zuverlässige Kühllösung. Allerdings ist mit der Zunahme der Wärmestromabfuhr die bisherige Luftkühlungstechnik möglicherweise nicht ausreichend.
DE 10 2016 117 841 A1 zeigt eine Packung mit aufgerauter verkapselter Oberfläche zur Förderung einer Haftung. Eine elektrisch isolierende und wärmeleitende Schicht, die an ihrer Unterseite mit einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht bedeckt ist, ist über Abstandshalterkörper an Halbleiterchips befestigt. Die elektrisch leitfähige Schicht kann Mikrostrukturen aufweisen.
US 2002/0047187 Alzeigt eine Halbleitereinrichtung, bei der ein Halbleiterchip mit einem geformten Metallkörper aus Kupfer verbunden ist. Der geformte Metallkörper hat Vertiefungen in seiner Oberfläche. Der geformte Metallkörper ist über eine Silberplattierung und eine leitfähige Paste mit dem Halbleiterchip verbunden.
US 2004/0135237 A1 zeigt ein weiteres Halbleitermodul mit einem Halbleiterelement, auf dessen Oberfläche ein stromleitendes Material aufgebracht ist und zwar durch Bonden. Das stromleitende Material ist mit einer Oberflächenstruktur versehen.
JP 2013-008748 A zeigt ein weiteres Halbleitermodul mit einem Halbleiter, der als IGBT ausgebildet ist. Eine Metallplatte ist mit dem Halbleiter verlötet.
US 2008/0246130 A1 zeigt ein weiteres Halbleitermodul mit einem Halbleiter, an dessen oberer Elektrode eine Befestigungsschicht angeordnet ist, die aus Lot oder einem gut leitfähigen Epoxidmaterial gebildet sein kann. Die Befestigungsschicht wiederum ist mit einem elektrisch leitfähigen Clip verbunden.
Es ist eine Aufgabe, ein Halbleitermodul bereitzustellen, das eine verbesserte, effektive und zuverlässige Luftkühlungslösung ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann durch ein in Anspruch 1 definiertes Halbleitermodul und durch ein in Anspruch 11 definiertes Verfahren gelöst werden. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert, in der nachfolgenden Beschreibung erläutert und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Das Halbleitermodul nach der Erfindung ist ein Halbleitermodul, das einen geformten Metallkörper aufweist, der an einer oberen Fläche eines Halbleiters mit einer unteren Fläche befestigt ist, die auf einer anderen Oberfläche eines Substrats gesintert ist, wobei der geformte Metallkörper eine obere Oberfläche aufweist, die mit einer Oberflächenstrukturierung versehen ist, die den Oberflächenbereich der oberen Oberfläche vergrößert.
Hiermit ist es möglich, ein Halbleitermodul bereitzustellen, das eine verbesserte, effektive und zuverlässige Kühllösung ermöglicht. Dementsprechend ist es möglich, die volumetrische Leistungsdichte zu erhöhen.
Die Oberflächenstrukturierung kann von jeder geeigneten Art sein, solange sie den Oberflächenbereich der Oberseite vergrößert. Der vergrößerte Oberflächenbereich der Oberseite erhöht die Kühlleistung der Oberseite. Dementsprechend ist es von Vorteil, eine Oberflächenstruktur zu haben, die den Oberflächenbereich der Oberseite um ein großes Maß vergrößert.
Es werden eine oder mehrere Drahtbindungen oder Bandbindungen an dem geformten Metallkörper befestigt. Auf diese Weise ist es möglich, den Oberflächenbereich des geformten Metallkörpers zu vergrößern und damit die Kühlleistung mit einfachen Mitteln zu erhöhen.
In einer Ausführungsform vergrößert die Oberflächenstrukturierung den Oberflächenbereich des Abschnitts der Oberseite, an dem die Oberflächenstrukturierung vorgesehen ist, um mindestens 10 %.
In einer Ausführungsform vergrößert die Oberflächenstrukturierung den Oberflächenbereich des Abschnitts der Oberseite, an dem die Oberflächenstrukturierung vorgesehen ist, um mindestens 25 %.
In einer Ausführungsform vergrößert die Oberflächenstrukturierung den Oberflächenbereich des Abschnitts der Oberseite, an dem die Oberflächenstrukturierung vorgesehen ist, um mindestens 40 %.
In einer Ausführungsform vergrößert die Oberflächenstrukturierung den Oberflächenbereich des Abschnitts der Oberseite, an dem die Oberflächenstrukturierung vorgesehen ist, um mindestens 50 %.
In einer Ausführungsform vergrößert die Oberflächenstrukturierung den Oberflächenbereich des Abschnitts der Oberseite, an dem die Oberflächenstrukturierung vorgesehen ist, um mehr als 50 %.
In einer Ausführungsform kann das Halbleitermodul ein Leistungsmodul für Automobil-, Solar-, Wind- oder Industrieanwendungen sein.
Der geformte Metallkörper kann ein plattenförmiger Metallkörper sein. In einer Ausführungsform ist der geformte Metallkörper aus Kupfer gebildet.
In einer Ausführungsform ist der geformte Metallkörper eine Kupferfolie.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleitermodul ein Leistungsmodul.
In einer Ausführungsform ist der geformte Metallkörper an einer oberen Oberfläche des Halbleiters befestigt, wobei der Halbleiter eine untere Oberfläche hat, die auf eine obere Schicht des Substrats gesintert ist.
In einer Ausführungsform weist das Halbleitermodul eine Verkapselung auf, die mit der Oberflächenstrukturierung in thermischen Kontakt gebracht ist, wobei die Verkapselung mindestens einen Teil der Oberflächenstrukturierung abdeckt und elektrisch isolierend und wärmeleitend ist.
Durch die Anwendung einer wärmeleitenden Verkapselung ist es möglich, den Wärmeübertragungskoeffizienten der die Oberflächenstrukturierung bedeckenden Medien (Verkapselung) zu erhöhen und damit die Kühlleistung der Oberflächenstrukturierung zu erhöhen. Dementsprechend ist es vorteilhaft, eine Verkapselung mit einer Wärmeleitfähigkeit anzuwenden, die höher ist als ein vordefinierter Wert, wie beispielsweise mehr als 0,1 W/mK.
In einer Ausführungsform weist die elektrisch isolierende und wärmeleitende Verkapselung eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 15 W/mK auf.
In einer Ausführungsform weist die elektrisch isolierende und wärmeleitende Verkapselung eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,15-10 W/mK auf.
In einer Ausführungsform ist die elektrisch isolierende und wärmeleitfähige Verkapselung aus Epoxid, vorzugsweise Epoxid mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 1 bis 10 W/mK, gebildet.
In einer Ausführungsform ist die elektrisch isolierende und wärmeleitende Verkapselung aus Silikon, vorzugsweise Silikon mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,17 W/mK bis 3 W/mK, gebildet.
In einer Ausführungsform ist die elektrisch isolierende und wärmeleitende Verkapselung aus Zement, vorzugsweise Zement mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 2-10 W/mK, gebildet.
In einer Ausführungsform ist die elektrisch isolierende und wärmeleitende Verkapselung ein zementkeramisches Verkapselungsmaterial, das eine Kalziumaluminiumzementmatrix aufweist. In einer Ausführungsform kann das zementkeramische Verkapselungsmaterial Aluminiumoxidfüllstoffe umfassen.
In einer Ausführungsform bedeckt die Verkapselung die gesamte Oberflächenstrukturierung. Hierdurch ist es möglich, die Kühlleistung der Oberflächenstrukturierung auf ein sehr hohes Niveau zu erhöhen.
In einer Ausführungsform liegt die Wärmeleitfähigkeit der Verkapselung im Bereich von 0,17-10 W/mK.
In einer Ausführungsform weist die Verkapselung eine Spannungsfestigkeit von mindestens 10 kV/mm auf.
Es kann von Vorteil sein, dass die Höhe der Verkapselung mehr als doppelt so groß ist wie die Höhe der Oberflächenstrukturierung.
In einer Ausführungsform ist die Höhe der Verkapselung mehr als viermal größer als die Höhe der Oberflächenstrukturierung. Hierdurch ist es möglich, einen Halbleiter bereitzustellen, wobei die Kühlleistung der Oberflächenstrukturierung erhöht wird.
In einer Ausführungsform sind eine oder mehrere Drahtbindungen oder Bandbindungen elektrisch mit einer Struktur verbunden, die von der oberen Schicht des Substrats elektrisch isoliert ist. Somit werden die Drahtbindungen oder Bandbindungen als Verbinder verwendet, die eine elektrische Verbindung bereitstellen. Der Einsatz von Drahtbindungen oder Bandbindungen mit großem Querschnitt ermöglicht es, den elektrischen Widerstand und damit die Wärmeentwicklung zu vermindern.
In einer Ausführungsform umfasst die Oberflächenstrukturierung Drähte oder Bänder, die an der Oberseite des geformten Metallkörpers befestigt sind. Diese Art der Oberflächenstrukturierung kann mit derselben Bindemaschine erfolgen, die auch für andere Bindungen im Modul verwendet wird, so dass keine zusätzlichen Schritte oder Werkzeuge in dem Herstellungsprozess erforderlich sind, was zu einem effizienten und kostengünstigen Mittel zur Bereitstellung einer effektiven Kühlung führt. Darüber hinaus ist es möglich, einen sehr großen Oberflächenbereich der Oberflächenstrukturierung bereitzustellen.
In einer Ausführungsform umfasst die Oberflächenstrukturierung eine Vielzahl von Strukturen, die durch ein Laserstrukturierungsverfahren hergestellt werden, das auf die Oberseite des geformten Metallkörpers angewendet wird. Hierdurch ist es möglich, die Oberflächenstruktur ohne zusätzliche Strukturen zu vergrößern.
Es kann von Vorteil sein, dass es sich bei den durch den Laserstrukturierungsprozess erzeugten Strukturen um vorstehende Strukturen und/oder nutförmige Strukturen handelt.
In einer Ausführungsform ist der Laserstrukturierungsprozess mit einem anderen Oberflächenstrukturierungsprozess kombiniert. So ist es möglich, den Oberflächenbereich der Oberseite des geformten Metallkörpers noch weiter zu vergrößern.
In einer Ausführungsform weist die Oberflächenstrukturierung Strukturen auf, die durch einen Prägeprozess hergestellt sind, der auf die Oberseite des geformten Metallkörpers angewendet wird. Hierdurch ist es möglich, vorstehende Strukturen und Nutstrukturen abwechselnd anzuordnen.
Es kann von Vorteil sein, dass die Oberflächenstrukturierung vorstehende Stifte aufweist, die an der Oberseite des geformten Metallkörpers befestigt sind. Die Stifte können einen zylindrischen Abschnitt aufweisen. Die vorstehenden Stifte können einen konischen Abschnitt aufweisen, beispielsweise einen spitzen distalen Abschnitt.
In einer Ausführungsform weist die Oberflächenstrukturierung vorstehende Stifte auf, die an der Oberseite des geformten Metallkörpers befestigt sind, wobei sich die vorstehenden Stifte im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite des geformten Metallkörpers erstrecken.
Es kann vorteilhaft sein, dass der geformte Metallkörper einen seitlichen Abschnitt ohne Oberflächenstrukturierung aufweist. Hierdurch ist es möglich, eine gute elektrische Verbindung (mit einer großen Kontaktfläche) zwischen einem Stecker (z.B. einer Drahtbindung) und dem geformtem Metallkörper im seitlichen Abschnitt herzustellen.
In einer Ausführungsform weist der geformte Metallkörper einen mittleren Abschnitt ohne Oberflächenstrukturierung auf. Hierdurch ist es möglich, eine gute elektrische Verbindung zwischen einem Verbinder, wie beispielsweise eine Drahtbindung, und dem geformten Metallkörper im mittleren Abschnitt herzustellen.
Es kann von Vorteil sein, dass das Substrat auf einer Grundplatte befestigt ist, vorzugsweise durch einen Sinterprozess. Dadurch kann eine feste Verbindung zwischen dem Substrat und der Grundplatte bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform ist der geformte Metallkörper auf die Oberseite des Halbleiters gesintert. Dementsprechend ist es möglich, eine starke und zuverlässige Verbindung zwischen dem geformten Metallkörper und dem Halbleiter bereitzustellen.
In einer Ausführungsform ist das Substrat ein direkt gebundenes Kupfersubstrat (DBC). Hierdurch ist es möglich, eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Die Verwendung anderer Substrate ist ebenfalls möglich, wie beispielsweise keramische (oder keramisch-metallische) Substrate im Allgemeinen und/oder aktiv metallgelötete (AMB) Substrate.
Das Verfahren nach der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitermoduls, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

a) Platzieren eines geformten Metallkörpers auf einer Oberseite eines Halbleiters;
b) Platzieren des Halbleiters auf einem Substrat;
c) Befestigen des geformten Metallkörpers auf der Oberseite des Halbleiters und Befestigen des Halbleiters auf der Oberseite des Substrats,

Hierdurch ist es möglich, ein Haltleitermodul mit einer hohen volumetrischen Leistungsdichte herzustellen wegen der verbesserten Kühleigenschaften, die durch den vergrößerten Oberflächenbereich verursacht werden.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt des Verbindens des geformten Metallkörpers und einer zusätzlichen Komponente unter Verwendung von Drahtbindungen oder Bandbindungen auf.
In einer Ausführungsform wird der geformte Metallkörper vor dem Befestigen des geformten Metallkörper an der Oberseite des Halbleiters mit den gestanzten Strukturen versehen.
In einer Ausführungsform wird der geformte Metallkörper vor oder nach dem Befestigen des geformten Metallkörpers an der Oberseite des Halbleiters mit gelaserten Strukturen versehen. Hierdurch ist es möglich, den Oberflächenbereich der Oberseite zu vergrößern, ohne dem geformten Metallkörper Strukturen hinzuzufügen.
Es kann von Vorteil sein, dass der geformte Metallkörper auf der Oberseite des Halbleiters durch ein Sinterverfahren befestigt wird.
In einer Ausführungsform wird der Halbleiter auf der Oberseite des Substrats durch einen Sinterprozess befestigt.
Es kann von Vorteil sein, dass das Substrat ein DBC-Substrat ist.
Figurenliste
Die Erfindung wird durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung besser verstanden. Die beigefügten Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sind daher nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung. In beigefügten Zeichnungen:

1A zeigt einen Querschnitt durch ein Halbleitermodul nach dem Stand der Technik.
1B zeigt eine Nahansicht des in 1A dargestellten Halbleitermoduls nach dem Stand der Technik.
2A zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleitermoduls nach der Erfindung,
2B zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines Halbleitermoduls nach der Erfindung,
2C zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines anderen Halbleitermoduls nach der Erfindung,
2D zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines weiteren Halbleitermoduls nach der Erfindung,
2E zeigt eine Draufsicht auf das in 2C gezeigte Halbleitermodul,
2F zeigte eine Draufsicht auf das in 2D dargestellte Halbleitermodul,
3A zeigt eine Draufsicht auf einen geformten Metallkörper, der eine Oberseite aufweist, die mit einer Oberflächenstrukturierung versehen ist,
3B zeigt eine Draufsicht auf einen weiteren geformten Metallkörper, der eine Oberfläche aufweist, die mit einer Oberflächenstrukturierung versehen ist,
3C zeigt eine Nahansicht der Oberflächenstrukturierung, die in 3B dargestellt ist.
3D zeigt eine Querschnittsansicht eines geformten Metallkörpers, der eine Oberseite aufweist, die mit einer Oberflächenstrukturierung nach der Erfindung versehen ist,
3E zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren geformten Metallkörpers, der eine Oberseite aufweist, die mit einer Oberflächenstrukturierung nach der Erfindung versehen ist,
4A zeigt eine Querschnittsansicht eines geformten Metallkörpers, der eine Oberseite aufweist, die mit einer Oberflächenstrukturierung nach der Erfindung versehen ist,
4B zeigt eine Nahansicht einer Querschnittsansicht eines geformten Metallkörpers mit einer Oberseite, die mit einer Oberflächenstrukturierung nach der Erfindung versehen ist, und
4C zeigt den in 4B dargestellten geformten Metallkörper in einer Ausbildung, in der eine Verkapselung die Oberflächenstrukturierung abdeckt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen zum Zweck der Erläuterung von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist in 2A ein Halbleitermodul 2 der vorliegenden Erfindung dargestellt.
2A ist eine schematische Seitenansicht eines Halbleitermoduls 2 nach der Erfindung. Das Halbleitermodul 2 weist einen geformten Metallkörper 20 auf, der an einer oberen Oberfläche eines Halbleiters 26 mit einer unteren Oberfläche befestigt ist, die auf eine obere Schicht 8' eines Substrats 4 gesintert ist. Der geformte Metallkörper 20 weist eine Oberseite auf, die mit einer Oberflächenstrukturierung 32 versehen ist. Hierdurch vergrößert die Oberflächenstrukturierung 32 den Oberflächenbereich der Oberseite.
Das Halbleitermodul 2 weist eine Grundplatte 6 auf. Auf der Oberseite der Grundplatte 6 ist eine Sinterschicht 12 vorgesehen, um (während eines Sinterprozesses) eine Kupferschicht 8 daran anzubringen. Es sind auch andere Befestigungsmöglichkeiten der Kupferschicht 8 auf der Grundplatte möglich, wie z.B. die Verwendung von Lot. Die Kupferschicht 8 bildet den unteren Teil eines direkt gebundenen Kupfer (DBC)-Substrats 4. Das DCB-Substrat 4 weist ein Keramiksubstrat 10 auf, das zwischen der unteren Kupferschicht 8 und einer oberen Kupferschicht 8' angeordnet ist. Ein separat leitender Abschnitt 16 der oberen Kupferschicht ist hier ebenfalls gezeigt, der mit dem oberen Abschnitt des Keramiksubstrats 10 verbunden ist. Dies kann einen separaten Abschnitt des elektrischen Schaltungsmusters auf der Oberseite des DBC bilden.
Auf dem Halbleiter 26 (aus Silicium oder Siliciumcarbid) ist ein geformter Metallkörper 20 befestigt. Der Halbleiter 26 ist mittels einer Sinterschicht 28 an der oberen Kupferschicht 8' befestigt. Die Oberflächenstrukturierung 32 ist an einem geformten Metallkörper 20 befestigt, der mittels einer Sinterschicht 22 am Halbleiter 26 befestigt ist.
Eine Drahtbindung 18 ist elektrisch mit dem geformten Metallkörper 20 und dem leitenden Abschnitt 16 verbunden. Das Halbleitermodul 2 weist eine Verkapselung 34 auf, die mit der Oberflächenstrukturierung 32 in thermischen Kontakt gebracht ist. Die Verkapselung 34 deckt die gesamte Oberflächenstrukturierung 32 ab und ist elektrisch isolierend und wärmeleitend. Man kann erkennen, dass die Höhe H₂ der Verkapselung 34 größer ist als die Höhe H₁ der Oberflächenstrukturierung 32.
In einer Ausführungsform ist der geformte Metallkörper 20 eine Kupferfolie. In einer Ausführungsform kann die Drahtbindung durch eine Bandbindung (z.B. aus Kupfer) ersetzt werden.
2B veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Halbleitermoduls gemäß der Erfindung, die einen geformten Metallkörper 20, der mit einer Oberflächenstrukturierung 32' versehen ist, aufweist. Die Oberflächenstrukturierung 32' ist an einem geformten Metallkörper 20 und einem Chip 30 befestigt. Die Oberflächenstrukturierung 32 ist aus Drahtbindungen gebildet. Die Oberflächenstrukturierung 32 weist mittleren Abschnitt auf, der an dem geformten Metallkörper 20 befestigt ist, und seitliche Abschnitte, die von diesem vorstehen. Dementsprechend wird die Oberfläche und damit die Kühlleistung des geformten Metallkörpers 20 vergrößert. Die Oberflächenstrukturierung 32' kann am geformten Metallkörper 20 mit der gleichen Technik wie bei der Befestigung einer Drahtbindung 18 befestigt werden. Es ist zu erkennen, dass die Oberflächenstrukturierung 32' eine Vielzahl von Elementen aus Drahtbindungen aufweist. Diese Elemente sind voneinander beabstandet.
2C veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines weiteren Halbleitermoduls gemäß der Erfindung, während 2E eine Draufsicht auf das in 2C dargestellte Halbleitermodul in einer Konfiguration veranschaulicht, bei der keine Drahtbindung an dem geformten Metallkörper 20 befestigt ist. Der geformte Metallkörper 20 ist mit einer Oberflächenstrukturierung 32" versehen, die durch eine Vielzahl von Stiften gebildet ist, die aus dem unteren Abschnitt des geformten Metallkörpers 20 herausragen. Der geformte Metallkörper 20 umfasst einen mittleren Abschnitt 36 ohne Oberflächenstrukturierung. Der mittlere Abschnitt 36 ist rechteckig, kann aber auch unterschiedlich geformt sein. In 2C ist am mittleren Abschnitt 36 eine Drahtbindung 18 befestigt.
2D veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Halbleitermoduls nach der Erfindung, während 2F eine Draufsicht auf das in 2D dargestellte Halbleitermodul in einer Konfiguration veranschaulicht, bei der keine Drahtbindung 18 an dem geformten Metallkörper 20 befestigt ist.
Der geformte Metallkörper 20 ist mit einer Oberflächenstrukturierung 32" versehen, die eine Vielzahl von Stiften aufweist, die aus dem unteren Abschnitt des geformten Metallkörpers 20 herausragen. Der geformte Metallkörper 20 weist einen seitlichen Abschnitt 38 ohne Oberflächenstrukturierung auf. Der seitliche Abschnitt 38 erstreckt sich entlang des Umfangs des geformten Metallkörpers 20. In 2D ist eine Drahtbindung 18 am seitlichen Abschnitt 38 befestigt.
1A veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Halbleitermoduls 102 nach dem Stand der Technik. Das Halbleitermodul 102 weist eine Wärmesenke 14 auf, die an der Unterseite einer Grundplatte 6 befestigt ist. Das Halbleitermodul nach dem Stand der Technik weist einen Metallkörper 20 auf, der an einer Oberseite eines Halbleiters 26 mit einer unteren Oberfläche befestigt ist, die auf einer oberen Schicht 8' eines Substrats 4 gesintert ist. Die Oberseite des Metallkörpers 20 ist nicht mit irgendeiner Oberflächenstrukturierung versehen.
Auf der Oberseite der Grundplatte 6 ist eine Sinterschicht 12 vorgesehen, um eine Kupferschicht daran zu befestigen. Andere Mittel zum Befestigen der Kupferschicht 8 an der Grundplatte 6 sind ebenfalls bekannt, wie z.B. die Verwendung von Lot. Die Kupferschicht 8 bildet den unteren Teil eines DBC-Substrats 4, das ein Keramiksubstrat 10 aufweist, das zwischen der unteren Kupferschicht 8 und einer oberen Kupferschicht 8' angeordnet ist. Ein leitender Abschnitt 16 ist am oberen Abschnitt des keramischen Substrats 10 in einem Abstand von der oberen Kupferschicht 8' befestigt.
Der Halbleiter 26 ist an der oberen Kupferschicht 8' mit Hilfe einer Sinterschicht 28 befestigt. Die Oberflächenstrukturierung 32 ist an einem geformten Metallkörper 20 befestigt, der mittels einer Sinterschicht 22 am Halbleiter 26 befestigt ist.
1B veranschaulicht eine Nahansicht des in 1A dargestellten Halbleitermoduls nach dem Stand der Technik.
3A veranschaulicht eine Draufsicht eines geformten Metallkörpers 20 mit einer Oberseite, die mit einer Oberflächenstrukturierung 32''' versehen ist. Die Oberflächenstrukturierung 32''' ist durch ein Prägeverfahren gebildet, das auf die Oberseite des geformten Metallkörpers 20 angewendet wird. Obwohl es nicht dargestellt ist, ist es möglich, sowohl vorstehende Elemente als auch Nutelemente vorzusehen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der Oberseite des geformten Metallkörpers 20 vorstehende Strukturen und Nutstrukturen abwechselnd angeordnet.
Der geformte Metallkörper 20 weist einen seitlichen Abschnitt 38 ohne Oberflächenstrukturierung auf. Hierdurch ist es möglich, eine gute elektrische Verbindung (mit einer großen Kontaktfläche) zwischen einem Verbinder (z.B. einer Drahtbindung) und dem geformten Metallkörper 20 im seitlichen Abschnitt 38 herzustellen. Der seitliche Abschnitt ist auf der rechten Seite des geformten Metallkörpers 20 vorgesehen.
3B veranschaulicht eine Draufsicht auf einen geformten Metallkörper 20 mit einer Oberseite, die mit einer Oberflächenstrukturierung 32'''' versehen ist. Die Oberflächenstrukturierung weist vorstehende Stifte auf, die an der Oberseite des geformten Metallkörpers 20 befestigt sind. Die vorstehenden Stifte haben im Wesentlichen einen zylindrischen Körperabschnitt und einen konischen distalen Abschnitt.
Der geformte Metallkörper 20 weist einen seitlichen Abschnitt 38 ohne Oberflächenstrukturierung auf. Der seitliche Abschnitt 38 erstreckt sich entlang des Umfangs des geformten Metallkörpers 20.
3C veranschaulicht eine Nahansicht der in 3B dargestellten Oberflächenstrukturierung 32''''. Man kann erkennen, dass die Stifte gleichmäßig verteilt und als konvexe Körper ausgebildet sind, die von dem geformten Metallkörper vorstehen.
3D veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines geformten Metallkörpers 20', der eine Oberseite aufweist, die mit einer Oberflächenstrukturierung 32'''' versehen ist, die durch eine Vielzahl von Stiften gebildet ist, die von dem unteren Abschnitt des geformten Metallkörpers 20 vorstehen. Der geformte Metallkörper 20 weist einen mittleren Abschnitt auf, in dem keine Oberflächenstrukturierung vorgesehen ist. Eine Drahtbindung ist an dem mittleren Abschnitt befestigt. Hierdurch wird erreicht, dass eine große Kontaktfläche zwischen der Drahtbindung 18 und dem mittleren Abschnitt des geformten Metallkörpers 20 vorgesehen ist.
3E veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines geformten Metallkörpers 20 mit einer Oberseite, die mit einer Oberflächenstrukturierung 32'''' nach der Erfindung versehen ist. Der geformte Metallkörper 20 ist mit einer Oberflächenstrukturierung 32'''' versehen, die durch eine Vielzahl von Stiften gebildet ist, die von dem unteren Abschnitt des geformten Metallkörpers 20 vorstehen. Der geformte Metallkörper 20 weist einen seitlichen Abschnitt auf, in dem keine Oberflächenstrukturierung vorgesehen ist. Eine Drahtbindung 18 ist an dem seitlichen Abschnitt befestigt. Hierdurch wird eine große Kontaktfläche zwischen der Drahtbindung 18 und dem seitlichen Abschnitt des geformten Metallkörpers 20 vorgesehen.
4A veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines geformten Metallkörpers 20, der eine Oberseite aufweist, die mit einer Oberflächenstrukturierung 32'''' gemäß der Erfindung versehen ist. Der geformte Metallkörper 20 ist mit einer Oberflächenstrukturierung 32'''' versehen, die durch eine Vielzahl von Stiften gebildet ist, die von dem unteren Abschnitt des geformten Metallkörpers 20 vorstehen. Die Oberflächenstrukturierung 32'''' ist an der gesamten Oberseite des geformten Metallkörpers 20 vorgesehen.
Dementsprechend ist eine Drahtbindung 18, die an einem Abschnitt des geformten Metallkörpers 20 befestigt ist, an der Oberflächenstrukturierung 32'''' befestigt.
4B veranschaulicht eine Nahansicht eines geformten Metallkörpers 20, der mit einer Oberflächenstrukturierung 32' nach der Erfindung versehen ist. Die Oberflächenstrukturierung 32' ist durch eine Vielzahl von Drahtbindungen gebildet, die jeweils an beiden Enden an der Oberseite des geformten Metallkörpers 20 befestigt sind. Jede Drahtbindung ist im Wesentlichen U-förmig und ragt von der Oberseite des geformten Metallkörpers 20 hervor. Die Drahtbindungen erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite des geformten Metallkörpers 20.
4C veranschaulicht den in 4B dargestellten geformten Metallkörper 20 in einer Konfiguration, bei der eine Verkapselung 34 die Oberflächenstrukturierung 32' abdeckt. Der Wärmestrom 42 wird durch wellenförmige Pfeile angezeigt. Es ist zu erkennen, dass der Wärmestrom 42 von der gesamten äußeren Oberfläche der Verkapselung 34 ausgeht.
Die Verkapselung 34 umschließt die Oberflächenstrukturierung 32 und den Abschnitt der Oberseite des geformten Metallkörpers 20, an dem die Drahtbindungen befestigt sind, vollständig.

Claims

Halbleitermodul (2), das einen geformten Metallkörper (20) aufweist, der an einer oberen Oberfläche eines Halbleiters (26) befestigt ist, wobei eine untere Oberfläche des Halbleiters (26) auf eine obere Schicht (8') eines Substrats (4) gesintert ist, wobei der geformte Metallkörper (20) eine obere Oberfläche (30) aufweist, die mit einer Oberflächenstrukturierung (32, 32', 32'', 32''', 32'''', 32''''') versehen ist, die den Oberflächenbereich der Oberseite (30) vergrößert, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Metallkörper (20) mittels einer Sinterschicht (22) am Halbleiter (26) befestigt ist, wobei an dem geformten Metallkörper (20) eine oder mehrere Drahtbindungen oder Bandbindungen (18) befestigt sind.
Halbleitermodul (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul (2) eine Verkapselung (34) aufweist, die mit der Oberflächenstrukturierung (32, 32', 32'', 32''', 32'''', 32''''') in thermischen Kontakt gebracht ist, wobei die Verkapselung (34) zumindest einen Teil der Oberflächenstrukturierung (32, 32', 32'', 32''', 32'''', 32''''') abdeckt und elektrisch isolierend und wärmeleitend ist.
Halbleitermodul (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselung (34) eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,17-10W/mK aufweist.
Halbleitermodul (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselung eine Spannungsfestigkeit von mindestens 10 kV/mm aufweist.
Halbleitermodul (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung (32, 32', 32'', 32''', 32'''', 32''''') Drähte (32') oder Bänder aufweist, die an der Oberseite (30) des geformten Metallkörpers (20) befestigt sind.
Halbleitermodul (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung (32, 32', 32", 32"', 32"", 32''''') eine Vielzahl von Strukturen (32") aufweist, die durch ein Laserstrukturierungsverfahren gebildet sind, das auf die Oberseite (30) des geformten Metallkörpers (20) aufgebracht ist.
Halbleitermodul (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung (32, 32', 32'', 32''', 32'''', 32''''') Strukturen (32''') aufweist, die durch ein Prägeverfahren gebildet sind, das auf die Oberseite (30) des geformten Metallkörpers (20) aufgebracht ist.
Halbleitermodul (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung (32, 32', 32'', 32''', 32'''', 32''''') vorstehende Stifte (32''''') aufweist, die an der Oberseite (30) des geformten Metallkörpers (20) befestigt sind.
Halbleitermodul (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Metallkörper (20) einen seitlichen Abschnitt (38) ohne Oberflächenstrukturierung (32, 32', 32'', 32''', 32'''', 32'''') aufweist.
Halbleitermodul (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Metallkörper (20) einen mittleren Abschnitt (36) ohne Oberflächenstrukturierung (32, 32', 32'', 32''', 32'''', 32''''') aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls (2), wobei das Verfahren den Schritt aufweist von: a) Platzieren eines geformten Metallkörpers (20) auf einer Oberseite eines Halbleiters (26), b) Platzieren des Halbleiters (26) auf einem Substrat (4), c) Befestigen des geformten Metallkörpers (20) auf der Oberseite des Halbleiters (26) und Befestigen des Halbleiters (26) auf der Oberseite (8') des Substrats (4), d) Versehen der Oberseite (30) des geformten Metallkörpers (20) mit einer Oberflächenstrukturierung (32, 32', 32'', 32''', 32'''', 32'''''), die den Oberflächenbereich der Oberseite (30) vergrößert, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt aufweist, Befestigen des geformten Metallkörpers (20) mittels einer Sinterschicht (22) am Halbleiter (26), wobei das Verfahren den Schritt des Verbindens des geformten Metallkörpers (20) und einer zusätzlichen Komponente (16) unter Verwendung von Drahtbindungen oder Bandbindungen (18) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Metallkörper (20) mit geprägten Strukturen (32''') versehen wird, bevor der geformte Metallkörper (20) an der Oberseite des Halbleiters (26) befestigt wird.