DE102019215793A1

DE102019215793A1 - Verdrahtungssubstrat für ein Halbleiterbauteil und Verfahren zur Herstellung eines Verdrahtungssubstrats

Info

Publication number: DE102019215793A1
Application number: DE102019215793.9A
Authority: DE
Inventors: Alexander Pilz; Detlev Bagung
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2021-04-15
Also published as: WO2021073985A1

Abstract

Verdrahtungssubstrat (2) für ein Halbleiterbauteil (1), aufweisend eine metallische Basisplatte (5) mit einer Oberseite (7) und einer Unterseite (9), wobei auf der Oberseite (7) unmittelbar eine dielektrische Schicht (11) mit darauf ausgebildeten Leiterbahnstrukturen (13) angeordnet ist, wobei die Basisplatte (5) gleichzeitig als Kühlkörper ausgebildet ist und auf der Unterseite die Oberfläche vergrößernde Kühlstrukturen (19) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verdrahtungssubstrat für ein Halbleiterbauteil, insbesondere für ein Leistungshalbleiterbauteil. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verdrahtungssubstrats.
Leistungshalbleiterbauteile, die Leistungsbauelemente wie beispielsweise MOSFETs aufweisen, umfassen typischerweise eine Leiterplatte, auf der die Leistungsbauelemente montiert sind und die gleichzeitig als Wärmesenke dient und die Aufgabe hat, im Betrieb entstehende Wärme möglichst wirksam abzuführen. Im Allgemeinen wird dabei die Wärme von der Leiterplatte über thermische Bohrungen und ein thermisches Interfacematerial (Wärmeleitpaste) an das Gerätegehäuse weitergeleitet.
Bei Geräten jedoch, bei denen sehr hohe Verlustleistungen anfallen, wie beispielsweise Ladegeräten für Elektrofahrzeuge, ist diese bekannte Art der Abführung von Wärme häufig nicht ausreichend. Stattdessen kommen teilweise sogenannte IMS (insulated metal substrate) als Verdrahtungssubstrate zum Einsatz, bei denen die Wärme durch eine verhältnismäßig massive Metallplatte abgeführt wird.
Sind die im Betrieb anfallenden Wärmemengen sehr hoch, so wird teilweise eine Flüssigkeitskühlung verwendet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verdrahtungssubstrat für ein Halbleiterbauelement anzugeben, das eine besonders wirksame Entwärmung von auf dem Verdrahtungssubstrat angeordneten Bauelementen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verdrahtungssubstrat für ein Halbleiterbauteil angegeben, das eine metallische Basisplatte mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei auf der Oberseite unmittelbar eine dielektrische Schicht mit darauf ausgebildeten Leiterbahnstrukturen angeordnet ist, wobei die Basisplatte gleichzeitig als Kühlkörper ausgebildet ist und auf der Unterseite die Oberfläche vergrößernde Kühlstrukturen aufweist.
Das Verdrahtungssubstrat hat den Vorteil, dass der Wärmeübergang von einer Oberseite des Verdrahtungssubstrats mit darauf ausgebildeten Leiterbahnstrukturen zu den Kühlstrukturen besonders gut ist, weil insbesondere Grenzflächen zwischen einzelnen Elementen dadurch entfallen, dass die Basisplatte gleichzeitig den Kühlkörper bildet. Es entfällt somit der thermische Widerstand beispielsweise einer Grenzfläche zwischen einem Substrat und einem Kühlkörper, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Entwärmung ist somit besonders wirksam und kann insbesondere auch auf optimal auf den Entwärmungsbedarf des jeweiligen Halbleiterbauteils abgestimmt werden.
Durch das Aufbringen einer dielektrischen Schicht auf der Oberseite der Basisplatte wird diese elektrisch isoliert, sodass das Verdrahtungssubstrat auch konform ist mit den einschlägigen Industrienormen (insbesondere IEC60664-1 und IEC61000-4-5).
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kühlkörper aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet, sodass er besonders gut wärmeleitend ist. Für einen ebenfalls gut wärmeleitenden, darüber hinaus jedoch auch besonders kostengünstigen Kühlkörper kann dieser auch aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet sein.
Als dielektrisches Material kann insbesondere ein mit keramischen Füllstoffen versehener Kunststoff auf Epoxidbasis verwendet werden. Ein derartiges Material stellt einerseits die elektrische Isolation der Leiterbahnstrukturen gegenüber der Basisplatte sicher, ermöglicht andererseits jedoch einen guten Wärmeübergang von der Leiterbahnstruktur in die Basisplatte.
Gemäß einer Ausführungsform ist auf der Oberseite des Verdrahtungssubstrats zumindest ein Halbleiterbauelement zur Bildung eines Halbleiterbauteils angeordnet. Insbesondere kann es sich dabei um ein Leistungsbauelement wie beispielsweise einen Leistungs-MOSFET handeln. Daneben kann das Halbleiterbauteil auch weitere auf der Oberseite des Verdrahtungssubstrats angeordnete Bauelemente umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein derartiges Halbleiterbauteil ferner eine Flüssigkeitskühlung auf, wobei der Kühlkörper einen Teil eines mit Kühlflüssigkeit durchströmten Gehäuses bildet.
Dazu kann dem Kühlkörper insbesondere ein passendes Gehäuseunterteil zugeordnet sein, das zusammen mit dem Kühlkörper einen Hohlraum ausbildet, der von einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, durchströmt werden kann. Dazu sind in dem gebildeten Gehäuse ein Einlass und ein Auslass vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ragen die die Oberfläche vergrößernden Kühlstrukturen auf der Unterseite des Kühlkörpers in die Kühlflüssigkeit und werden von dieser zur Abführung der Wärme umströmt.
Das Halbleiterbauteil weist den Vorteil auf, dass es einerseits besonders einfach aufgebaut ist und andererseits eine besonders wirksame Wärmeabfuhr ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verdrahtungssubstrats für ein Halbleiterbauteil angegeben, das das Bereitstellen einer metallischen Basisplatte mit einer Oberseite und einer Unterseite umfasst, die gleichzeitig als Kühlkörper ausgebildet ist und auf der Unterseite die Oberfläche vergrößernde Kühlstrukturen aufweist. Ferner umfasst das Verfahren das Aufbringen einer dielektrischen Schicht unmittelbar auf die Oberseite der Basisplatte. Das Aufbringen der dielektrischen Schicht kann in bekannter Weise beispielsweise durch Gasphasenabscheidung, Drucken, Laminieren oder andere Verfahren erfolgen.
Auf die dielektrische Schicht können dann Leiterbahnstrukturen aufgebracht werden. Die Leiterbahnstrukturen sind aus Metall, beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung oder auch Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet und umfassen auch Kontaktanschlussflächen zur Kontaktierung der Halbleiterbauelem ente.
Abhängig von der Art des zu bildenden Halbleiterbauteils kann auf der Oberseite der Basisplatte ein mehrschichtiger Aufbau aus mehreren, durch dielektrische Schichten voneinander getrennten Leiterbahnlagen vorgesehen sein.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben.

1 zeigt in einer Schnittansicht einen Ausschnitt aus einem Leistungshalbleiterbauteil mit einem Verdrahtungssubstrat gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine Explosionsansicht zur Darstellung des Schichtaufbaus des Halbleiterbauteils gemäß 1 ;
3 zeigt die als Kühlkörper ausgebildete Basisplatte des Halbleiterbauteils gemäß 2 und
4 zeigt eine Schnittansicht eines wassergekühlten Gehäuses mit einem Verdrahtungssubstrat gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt ein Halbleiterbauteil 1 mit einem Verdrahtungssubstrat 2, auf dem zumindest ein Halbleiterbauelement 3 angeordnet ist. Das Halbleiterbauelement 3 ist in der gezeigten Ausführungsform als Leistungshalbleiterbauelement ausgebildet.
Das Verdrahtungssubstrat 2 umfasst eine metallische Basisplatte 5 mit einer Oberseite 7 und einer Unterseite 9. Auf der Oberseite 7 ist eine dielektrische Schicht 11 aufgebracht, die in der gezeigten Ausführungsform als durchgehende Schicht ausgebildet ist. Darauf ist eine Leiterbahnstruktur 13 angeordnet, die aus einer strukturierten metallischen Schicht gebildet ist. Die Leiterbahnstruktur 13 kann insbesondere Leiterbahnen sowie Kontaktanschlussflächen 17 zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements 3 über dessen Kontaktanschlüsse 15 umfassen.
In der gezeigten Ausführungsform sind auf der Oberseite 7 der Basisplatte 5 lediglich eine einzige dielektrische Schicht 11 und eine einzige leitende Lage angeordnet. Es kann jedoch in einer alternativen Ausführungsform auch ein mehrschichtiger Aufbau aus mehreren dielektrischen und leitenden Lagen vorgesehen sein.
Die oberste Schicht, in der gezeigten Ausführungsform die Leiterbahnstruktur 13, bildet die Oberseite des Verdrahtungssubstrats 2.
Die Basisplatte 5 weist auf ihrer Unterseite 9 die Oberfläche vergrößernde Kühlstrukturen 19 auf. Diese können insbesondere als längliche Rippen oder als Pins ausgebildet sein.
2 zeigt einen Schichtaufbau aus der Basisplatte 5, der darauf angeordneten dielektrischen Schicht 11 sowie der Leiterbahnstruktur 13, die in 2 schematisch als durchgehende Schicht dargestellt ist. Die Basisplatte 5 sowie die dielektrische Schicht 11 und die Leiterbahnstruktur 13 bilden zusammen das Verdrahtungssubstrat 2, auf dessen Oberseite das zumindest eine Halbleiterbauelement aufgesetzt werden kann.
Ferner ist in 2 ein Unterteil 21 zur Bildung eines Gehäuses für eine Flüssigkeitskühlung dargestellt. Das Unterteil 21 ist schalenförmig ausgeformt mit Seitenwänden 22, die einen Hohlraum 27 umgeben. In den Hohlraum 27 ragen bei dem fertig montierten Halbleiterbauteil die Kühlstrukturen 19 der Basisplatte 5. Diese sind in der in 2 gezeigten Ausführungsform als Pins ausgebildet.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform mit als langgestreckte Rippen ausgebildeten Kühlstrukturen 19.
4 zeigt das Gehäuse 30 für eine Flüssigkeitskühlung in einer Schnittansicht. Das Gehäuse 30 umfasst das schalenförmige Unterteil 21 sowie die Basisplatte 5, die als Deckel auf das Unterteil 21 aufgesetzt wird. Die Kühlstrukturen 19 ragen dabei in den Hohlraum 27.
Das Unterteil 21 bildet zusammen mit der Basisplatte 5 als Deckel einen geschlossenen Raum, der von einem flüssigen Kühlmittel, insbesondere Wasser, durchströmt werden kann. Dazu weist das Gehäuse 30 einen Einlass 23 sowie einen Auslass 25 auf, durch die im Betrieb flüssiges Kühlmittel in Richtung der Pfeile 29 durch das Gehäuse 30 geleitet werden kann, um die Strukturen 19 zu umströmen und im Betrieb des Halbleiterbauteils entstehende Wärme wirksam abzuführen.
Auf der Oberseite 7 der Basisplatte 5 sind zur Bildung eines Verdrahtungssubstrats die dielektrische Schicht sowie Leiterbahnstrukturen aufgebracht, die jedoch in 4 nicht dargestellt sind.

Claims

Verdrahtungssubstrat (2) für ein Halbleiterbauteil (1), aufweisend eine metallische Basisplatte (5) mit einer Oberseite (7) und einer Unterseite (9), wobei auf der Oberseite (7) unmittelbar eine dielektrische Schicht (11) mit darauf ausgebildeten Leiterbahnstrukturen (13) angeordnet ist, wobei die Basisplatte (5) gleichzeitig als Kühlkörper ausgebildet ist und auf der Unterseite die Oberfläche vergrößernde Kühlstrukturen (19) aufweist.
Verdrahtungssubstrat (2) nach Anspruch 1, wobei der Kühlkörper aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist.
Verdrahtungssubstrat (2) nach Anspruch 1, wobei der Kühlkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist.
Verdrahtungssubstrat (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das dielektrische Material ein mit keramischen Füllstoffen versehener Kunststoff auf Epoxidbasis ist.
Halbleiterbauteil (1) aufweisend ein Verdrahtungssubstrat (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 sowie zumindest ein auf einer Oberseite (7) des Verdrahtungssubstrats (2) angeordnetes Halbleiterbauelement (3).
Halbleiterbauteil (1) nach Anspruch 5, das ferner eine Flüssigkeitskühlung aufweist, wobei der Kühlkörper einen Teil eines mit Kühlflüssigkeit durchströmten Gehäuses (30) bildet.
Verfahren zur Herstellung eines Verdrahtungssubstrats (2) für ein Halbleiterbauteil (1), umfassend - Bereitstellen einer metallischen Basisplatte (5) mit einer Oberseite (7) und einer Unterseite (9), die gleichzeitig als Kühlkörper ausgebildet ist und auf der Unterseite (9) die Oberfläche vergrößernde Kühlstrukturen (19) aufweist; - Aufbringen einer dielektrischen Schicht (11) unmittelbar auf die Oberseite (7) der Basisplatte (5); - Aufbringen von Leiterbahnstrukturen (13) auf die dielektrische Schicht (11).