DE102019212895A1 - Halbleiterbaugruppe - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Halbleiterbaugruppe (10) mit einem wärmeerzeugenden Bauelement (20), wobei das wärmeerzeugende Bauelement (20) vorzugsweise mit einem Trägerelement (12), insbesondere mittels einer elektrisch leitenden Schicht (16), elektrisch kontaktiert ist, mit einem auf der dem Trägerelement (12) abgewandten Seite des wärmeerzeugenden Bauelements (20) mit dem wärmeerzeugenden Bauelement (20) verbundenen Kontaktelement (28), und mit einem auf der dem wärmeerzeugenden Bauelement (20) abgewandten Seite des Kontaktelements (28) angeordneten zusätzlichen Bauelement (35).
Description
- Technisches Gebiet
- Die Erfindung betrifft eine Halbleiterbaugruppe, wie sie beispielsweise als Bestandteil in Leistungsmodulen, z.B. für Kfz-Anwendungen, eingesetzt wird.
- Stand der Technik
- Eine Halbleiterbaugruppe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2017 207 565 A1 der Anmelderin bekannt. Die bekannte Halbleiterbaugruppe zeichnet sich durch ein (zusätzliches) Bauelement aus, das mittelbar in wärmeleitendem Kontakt mit wärmeerzeugenden Bauelementen angeordnet ist, wobei die wärmeerzeugenden Bauelemente wiederum auf einem Trägerelement angeordnet bzw. befestigt sind. Das auf der dem Trägerelement abgewandten Seite der wärmeerzeugenden Bauteile angeordnete (zusätzliche) Bauelement dient insbesondere dazu, eine verbesserte Wärmeabfuhr von den wärmeerzeugenden Bauelementen zu ermöglichen. - Offenbarung der Erfindung
- Die erfindungsgemäße Halbleiterbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie mit Blick auf thermomechanische Spannungen zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil und einem Kontaktelement, an das das wärmeerzeugende Bauelement angebunden ist, eine verbesserte Zuverlässigkeit aufweist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass trotz relativ hoher thermomechanischer Spannungen, hervorgerufen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kontaktelement und dem wärmeerzeugenden Bauteil, auch über längere Zeiträume bzw. über die gesamte Lebensdauer der Halbleiterbaugruppe betrachtet eine zuverlässige Funktion ermöglicht wird.
- Die erfindungsgemäße Halbleiterbaugruppe kann somit insbesondere für solche Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden, bei denen relativ hohe Bauteiltemperaturen und somit relativ hohe thermomechanische Belastungen bzw. Spannungen auftreten. Insbesondere sind auch Halbleiterbaugruppen angesprochen, die aufgrund des Trends zu immer kleineren Bauelementen verringerte Anbindungsflächen zur Wärmeabfuhr aufweisen. Auch weisen Halbleiter aus SiC einen etwa dreimal höheren E-Modul auf als solche aus Si, wobei die SiC-Halbleiter typischerweise auch dicker sind als die aus Si. Sowohl der höhere E-Modul als auch die vergrößerte Dicke erhöhen tendenziell die Problematik der thermomechanischen Spannungen beim Bauteilen aus SiC.
- Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das zusätzliche Bauelement, das beim Stand der Technik (lediglich) zur verbesserten Wärmeabfuhr von dem wärmeerzeugenden Bauelement dient, dazu einzusetzen, die zwischen dem wärmeerzeugenden Bauelement und der zugewandten Seite des Kontaktelements herrschenden thermomechanischen Spannungen abzubauen bzw. in Bezug zu dem Kontaktelement zu symmetrisieren.
- Hierzu schlägt es die Lehre des Anspruchs 1 vor, dass das zusätzliche Bauelement einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der geringer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kontaktelements. Eine derartige Ausbildung des zusätzlichen Bauelements bewirkt, dass zwischen dem zusätzlichen Bauelement und dem Kontaktelement thermische Spannungen aufgebaut werden, die im besten Fall ähnlich hoch sind wie die thermischen Spannungen zwischen dem Kontaktelement und dem wärmeerzeugenden Bauelement. Dadurch ergeben sich an beiden Seiten des Kontaktelements zu dem jeweils zugewandten Element gleich hohe thermomechanische Spannungen, sodass die Spannungen symmetrisiert werden, was die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem wärmeerzeugenden Bauelement begünstigt.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Halbleiterbaugruppe sind in den Unteransprüchen angeführt.
- Wie bereits erläutert, ist es von besonderem Vorteil, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des zusätzlichen Bauelements etwa dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des wärmeerzeugenden Bauelements entspricht. Dadurch wird mit Blick auf die Ebene des Kontaktelements eine Symmetrisierung der thermomechanischen Spannungen an beiden Kontaktflächen des Kontaktelements zum zusätzlichen Bauteil und zum wärmeerzeugenden Bauelement ermöglicht.
- Die Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem zusätzlichen Bauelement sowie zwischen dem Kontaktelement und dem wärmeerzeugenden Bauelement erfolgt jeweils mittels einer Verbindungsschicht, beispielsweise einer Lotschicht oder einer Sinterschicht. Vorzugsweise ist es vorgesehen sein, dass die beiden Verbindungsschichten hinsichtlich ihres Materials und ihrer Schichtdicke (bzw. Geometrie) gleich ausgebildet sind.
- Hinsichtlich des zusätzlichen Bauelements bzw. zur Erzielung des gewünschten Wärmeausdehnungskoeffizienten des zusätzlichen Bauelements gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das zusätzliche Bauelement aus Keramik, einer Metalllegierung, aus Si oder aus SiC besteht. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Material des zusätzlichen Bauteils und des wärmeerzeugenden Bauteil gleich bzw. ähnlich ist.
- Weiterhin kann es vorgesehen sein, dem zusätzlichen Bauelement neben dem Abbau bzw. der Symmetrisierung der thermomechanischen Spannungen eine weitere Funktionalität zuzuordnen. Hierzu kann es vorgesehen sein, dass das zusätzliche Bauelement ein Sensor oder Bestandteil eines Sensors, insbesondere eines Temperatursensors, ist.
- Alternativ oder in Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags kann es auch vorgesehen sein, dass das zusätzliche Bauelement mit einem weiteren Funktionselement verbunden ist. Unter einem weiteren Funktionselement wird beispielsweise eine Kühlstruktur, eine mechanische Verbindung o.ä. angesehen.
- Auch kann es vorgesehen sein, dass die Halbleiterbaugruppe von einer Moldmasse umgeben ist. In diesem Fall kann das zusätzliche Element durch eine Wechselwirkung mit der Moldmasse beispielsweise zu einer Optimierung der Strömungssituation beim Ausbilden bzw. Befüllen der Halbleiterbaugruppe mit der Moldmasse oder zu einer Verbesserung der mechanischen Verbindung (Verkrallung) mit der Vergussmasse (Moldmasse) führen.
- Die erfindungsgemäße Halbleiterbaugruppe findet insbesondere Anwendung bei wärmeerzeugenden Bauelementen, die als Leistungsbauelement, insbesondere in Form eines WBG-(wide-bandgap)Halbleiterbauelements, ausgebildet ist.
- Weiterhin ist es insbesondere vorgesehen, dass das Kontaktelement als Verbindungselement zu dem Trägerelement ausgebildet ist. Dadurch wird eine elektrische Kontaktierung beispielsweise der Oberseite eines Chips zu einer Leiterbahn bzw. einem elektrisch leitenden Bereich am Trägerelement ermöglicht.
- Als bevorzugte Wärmeausdehnungskoeffizienten für das zusätzliche Bauelement hat sich ein Bereich zwischen 2 ppm/K und 6 ppm/K erwiesen, da dieser dann in der Größenordnung typischer wärmeerzeugender Bauelemente liegt.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
- Figurenliste
-
- Die
1 zeigt in einem vereinfachten Längsschnitt eine erfindungsgemäße Halbleiterbaugruppe. - Ausführungsformen der Erfindung
- Die in der
1 dargestellte Halbleiterbaugruppe10 findet beispielsweise Verwendung in Leistungsbaugruppen und/oder elektronischen Schaltungen bzw. Steuergeräten für Kfz-Anwendungen. Die Erfindung soll jedoch nicht auf derartige Anwendungen beschränkt sein. - Die Halbleiterbaugruppe
10 weist ein Trägerelement12 in Form eines Substrats14 auf, das beidseitig mit elektrisch leitenden Schichten bzw. Bereichen16 versehen ist. Auf einer Oberseite des Substrats14 ist über eine Verbindungsschicht18 , beispielsweise einer Lotschicht oder eine Sinterschicht, ein elektrisch leitender Bereich19 eines wärmeerzeugenden Bauelements20 angekoppelt. Bei dem wärmeerzeugenden Bauelement20 handelt es sich insbesondere um ein Halbleiterbauelement in Form eines Leistungsbauelements, insbesondere ein WBG-Halbleiterbauelement. - Die der Verbindungsschicht
18 abgewandte Oberseite des wärmeerzeugenden Bauelements20 weist beispielhaft zwei elektrisch leitende Bereiche22 ,24 auf, wobei der elektrisch leitende Bereich24 über eine Drahtbondverbindung25 mit einem Bereich16 des Substrats14 verbunden ist. Der andere elektrisch leitende Bereich22 ist über eine weitere Verbindungsschicht26 , die hinsichtlich ihres Materials und zumindest ihrer Dicke beispielhaft der Verbindungsschicht18 entspricht, mit einem Kontaktelement28 in Form eines Clips30 verbunden. - Das bügelförmig ausgebildete Kontaktelement
28 ist auf der dem wärmeerzeugenden Bauelement20 abgewandten Seite über eine Verbindungsschicht32 mit einem Bereich16 des Substrats14 gekoppelt. Die dem wärmeerzeugenden Bauelement20 abgewandte Oberseite des Kontaktelements28 ist über eine zusätzliche Verbindungsschicht34 , deren Material und Dicke vorzugsweise der der Verbindungsschicht26 entspricht, mit einem zusätzlichen Bauelement35 verbunden. - Das zusätzliche Bauelement
35 , das beispielsweise aus keramischem Material, einer Metalllegierung, aus Si oder SiC besteht, weist insbesondere einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 2 ppm/K und 6 ppm/K auf. Damit beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient des zusätzlichen Bauelements35 zumindest näherungsweise etwa dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des wärmeerzeugenden Bauelements20 , der typischerweise zwischen 2 ppm/K und 3 ppm/K beträgt. Demgegenüber betragen die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kontaktelements28 sowie der beiden Verbindungsschichten32 oder26 typischerweise etwa zwischen 15 ppm/K und 25 ppm/K. - Dadurch, dass an dem Kontaktelement
28 an seiner dem wärmeerzeugenden Bauelement20 zugewandten Seite und an der dem zusätzlichen Bauelement35 zugewandten Seite ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten vorhanden sind, werden die zwischen dem wärmeerzeugenden Bauelement20 und dem Kontaktelement28 vorhandenen thermomechanischen Spannungen aufgrund der Wärmeabgabe durch das wärmeerzeugende Bauelement20 über das Kontaktelement28 in Richtung des zusätzlichen Bauelements35 symmetrisiert bzw. reduziert. - Ergänzend wird erwähnt, dass das zusätzliche Bauelement
35 neben seiner Funktion zur Symmetrisierung von thermomechanischen Spannungen an dem Kontaktelement28 auch eine zusätzliche Funktionalität aufweisen kann, indem das zusätzliche Bauelement35 beispielsweise als Bestandteil eines Sensors, insbesondere eines Temperatursensors, oder aber als Verbindung zu weiteren Baugruppen, wie beispielsweise Kühlelementen o.ä., ausgebildet ist. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass zumindest die Oberseite des Trägerelements12 bzw. der Halbleiterbaugruppe10 von einer Moldmasse36 überdeckt ist. - Weiterhin wird erwähnt, dass das Trägerelement
12 nicht zwangsläufig als Substrat14 ausgebildet sein muss, sondern zum Beispiel auch ein Stanzgitter sein kann. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102017207565 A1 [0002]
Claims (10)
- Halbleiterbaugruppe (10) mit einem wärmeerzeugenden Bauelement (20), wobei das wärmeerzeugende Bauelement (20) vorzugsweise mit einem Trägerelement (12), insbesondere mittels einer elektrisch leitenden Schicht (16), elektrisch kontaktiert ist, mit einem auf der dem Trägerelement (12) abgewandten Seite des wärmeerzeugenden Bauelements (20) mit dem wärmeerzeugenden Bauelement (20) verbundenen Kontaktelement (28), und mit einem auf der dem wärmeerzeugenden Bauelement (20) abgewandten Seite des Kontaktelements (28) angeordneten zusätzlichen Bauelement (35), dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Bauelement (35) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der geringer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kontaktelements (28).
- Halbleiterbaugruppe nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des zusätzlichen Bauelements (35) zumindest etwa dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des wärmeerzeugenden Bauelements (20) entspricht. - Halbleiterbaugruppe nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (28) mit dem zusätzlichen Bauelement (35) und mit dem wärmeerzeugenden Bauelement (20) mittels jeweils einer Verbindungsschicht (18, 26) verbunden ist. - Halbleiterbaugruppe nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschichten (18, 26) hinsichtlich ihres Materials und ihrer Schichtdicke gleich ausgebildet sind. - Halbleiterbaugruppe nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Bauelement (35) aus Keramik, einer Metalllegierung, aus Si oder aus SiC besteht. - Halbleiterbaugruppe nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Bauelement (35) ein Sensor oder Bestandteil eines Sensors, insbesondere eines Temperatursensors, ist. - Halbleiterbaugruppe nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Bauelement (35) mit einem weiteren Funktionselement verbunden ist. - Halbleiterbaugruppe nach einem der
Ansprüche 1 bis7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterbaugruppe (10) von einer Moldmasse (36) umgeben ist. - Halbleiterbaugruppe nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeerzeugende Bauelement (20) ein Leistungsbauelement, insbesondere ein WBG(wide-bandgap)-Halbleiterbauelement ist. - Halbleiterbaugruppe nach einem der
Ansprüche 1 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (28) als Verbindungselement zu einer elektrisch leitenden Schicht (16) des Trägerelements (12) ausgebildet ist.
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2019
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