DE102021109666B3

DE102021109666B3 - Elektronisches Gerät und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102021109666B3
Application number: DE102021109666.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Becker; Michael Timmermann; Mohammad Goushegir
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: SEMIKRON DANFOSS GMBH, DE
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2041-04-17
Also published as: WO2022218906A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Geräts (2) mit einer Grundplatte (32) offenbart. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:- Anordnen eines Bauteils (4) auf der Oberseite einer Grundplatte (32) und Einsetzen des Bauteils (4) und der Grundplatte (32) in eine Sinterpresse (40),- Durchführen eines Sinterprozesses, bei dem unter Aufheizen der zu verbindenden Teile (Bauteil (4) und Grundplatte (32)) ein Sinterdruck erzeugt wird, wodurch das Bauteil (4) und die Grundplatte (32) miteinander verbunden werden;- Öffnen der Sinterpresse (40) nach Durchführung des Sinterprozesses und- Entnahme des elektronischen Geräts (2) aus der Sinterpresse (40).Das Verfahren umfasst den Schritt, eine Bodenstruktur (20) während des Sinterprozesses gegen die Bodenfläche der Grundplatte (32) zu drücken und dadurch die Bodenstruktur (20) und die Grundplatte (32) zu verbinden.

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von elektronischen Geräten wie Halbleiter-Leistungsmodulen oder Geräten wie Invertern. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein elektronisches Gerät, das nach diesem Verfahren hergestellt wird.
Stand der Technik
Moderne Hochleistungs-Halbleiter-Leistungsmodule werden häufig durch Anordnen von Bauteilen wie einer Grundplatte, einem Schaltungssubstrat, passiven elektronischen Bauelementen wie Widerständen und Kondensatoren und aktiven Halbleiterbauelementen wie Halbleiterschaltern (z. B. einem IGBT oder einem MOSFET) und anschließendes Verbinden mit einer der verschiedenen Techniken wie Löten, Hartlöten, Schweißen oder Sintern hergestellt. Einige Verbindungstechniken wie das Sintern finden unter Bedingungen hohen Drucks und/oder hoher Temperatur statt und werden in einer speziell angefertigten Presse mit entsprechenden für diese Technik entwickelten Werkzeugen durchgeführt.
Der Einsatz von Sintertechnologie bei der Herstellung von Halbleiter-Leistungsmodulen ist bekannt. Auch die Verwendung von Kühlmerkmale enthaltenden Grundplatten ist bekannt. Bei solchen Kühlmerkmalen kann es sich um einfache Stiftflossen (verlängerte Materialsäulen, die im Betrieb von Kühlmittel umgeben sind) oder um hochentwickelte Kühlmittelverteiler handeln, die das Kühlmittel gleichmäßig über den Bereich verteilen, um ihn effizient zu kühlen. Oft ist es von Vorteil, eine Grundplatte zu haben, die Kühlmittelkanäle vollständig umschließt, aber andere bekannte Ausführungformen haben eine offene Kanalstruktur, die später durch eine Abdeckung verschlossen wird. Für die Herstellung solcher Kühlstrukturen in einer Grundplatte können verschiedene Techniken eingesetzt werden. Dazu gehören das Gießen der Grundplatte, das Herausarbeiten von Kanälen aus einer massiven Grundplatte (subtraktive Fertigung), der Aufbau der dreidimensionalen Struktur unter Verwendung additiver Fertigungstechnologien wie dem dreidimensionalen Druck oder dem Ausstanzen der dreidimensionalen Struktur unter Verwendung von aufzubringendem Hochdruck.
Diese letzte Technik, d. h. das Ausstanzen einer Struktur aus einer massiven Grundplatte, hat sich als sehr vorteilhaft für die effiziente und kostengünstige Herstellung von Grundplatten für Leistungsmodule erwiesen. Sie hat große Vorteile gegenüber einigen der anderen Techniken, da sie extrem schnell und kostengünstig ist, insbesondere bei der Herstellung großer Mengen. Allerdings gibt es starke Einschränkungen, wie tief eine Kanalstruktur mit dieser Technik erzeugt werden kann, und es gibt einige Beschränkungen, wie fein (komplex) ein Muster erzeugt werden kann.
WO 2013 / 126 893 A1 offenbart ein System-in-Package und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Systems. Das System-in-Package umfasst einen Laminatkörper mit einem Substrat, das innerhalb eines Laminatkörpers angeordnet ist. Ein Halbleiterchip wird in den Laminatkörper eingebettet und der Halbleiter wird mit Hilfe einer gesinterten Verbindungsschicht, die aus einer Sinterpaste hergestellt ist, mit Kontaktpads des Substrats verbunden. Das Laminieren des Substrats und weiterer Schichten, die den Laminatkörper bereitstellen, und das Sintern der Sinterpaste können in einem einzigen und gemeinsamen Härtungsschritt durchgeführt werden.
Nachteile des Standes der Technik
Zusätzlich zu den oben genannten Nachteilen müssen auch eine Reihe verschiedener Schritte unternommen werden, um eine zusammengefügte Leistungsmodulstruktur mit gesinterten Komponenten zu schaffen, die auf einer Grundplatte mit einer dreidimensionalen Kühlstruktur befestigt sind. Die Grundplatte muss geformt und in die Presse eingelegt werden. Das Substrat und die elektronischen Bauteile usw. müssen zusammen mit der Sinterpaste auf der Grundplatte positioniert werden. Dann wird die Presse geschlossen und der Sinterprozess kann stattfinden. Außerdem hat sich gezeigt, dass die in einer solchen Presse auftretenden Kräfte eine bereits vorhandene dreidimensionale Struktur in der Grundplatte stark beschädigten.
Solche gestanzten Strukturen auf der Grundplatte könnten später im Verfahren (nach dem Sintern) erzeugt werden, was jedoch nicht praktikabel ist, da solche industriellen Verfahren nicht für die Anwendung auf ein empfindliches, bereits zusammengesetztes elektronisches Bauteil geeignet sind.
Das Wärmemanagement moderner kompakter und effizienter Leistungshalbleiter wird in der Regel durch den Einsatz eines Flüssigkeitskühlsystems erreicht, das Flüssigkeitskanäle umfasst, die so angeordnet und konfiguriert sind, dass die Kühlflüssigkeit entlang der Grundplatte des Leistungsmoduls fließt und diese dadurch kühlt.
Die Herstellung eines Flüssigkeitskühlsystems mit Flüssigkeitskanälen ist in der Regel komplex, zeitaufwändig und teuer.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem Verfahren, mit dem ein Halbleiter-Leistungsbauelement einfacher, schneller oder kostengünstiger hergestellt werden kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiter-Leistungsgerät bereitzustellen, das einfacher, schneller oder kostengünstiger herzustellen ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Halbleiter-Leistungsgerät gemäß Anspruch 15 verwirklicht werden. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert, werden in der folgenden Beschreibung erläutert und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Gerätes mit einer Grundplatte, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- Anordnen eines Bauteils auf der Oberseite einer Grundplatte und Einlegen des Bauteils und der Grundplatte in eine Sinterpresse,
- Durchführen eines Sinterprozesses, bei dem unter Erwärmung des Bauteils und der Grundplatte ein Sinterdruck erzeugt wird, wodurch das Bauteil und die Grundplatte verbunden werden;
- Öffnen der Sinterpresse nach der Durchführung des Sinterprozesses und
- Entnahme des elektronischen Geräts aus der Sinterpresse, wobei das Verfahren den Schritt umfasst, eine Bodenstruktur gleichzeitig mit dem Sinterprozess gegen die Unterseite der Grundplatte zu drücken und dadurch die Bodenstruktur und die Grundplatte zu verbinden.

Dadurch ist es möglich, ein Halbleiter-Leistungsgerät einfacher, schneller und kostengünstiger herzustellen.
Bei dem auf der Oberseite der Grundplatte angeordneten Bauteil kann es sich um ein Substrat handeln. In einer Ausführungsform ist das Substrat ein direkt gebondetes Kupfersubstrat (DBC).
Das Verfahren umfasst den Schritt des Einlegens des Bauteils und der Grundplatte in eine Sinterpresse und des Durchführens eines Sinterprozesses, bei dem ein Sinterdruck erzeugt wird, während das Bauteil und die Grundplatte erhitzt werden, wodurch das Bauteil und die Grundplatte miteinander verbunden werden. Nach Abschluss des Sintervorgangs wird die Sinterpresse geöffnet und das elektronische Gerät aus der Sinterpresse entnommen.
Der Schritt des Andrückens einer Bodenstruktur an die Unterseite der Grundplatte erfolgt gleichzeitig mit dem Sinterprozess. Das hierdurch erfolgende Verbinden von Bodenstruktur und Grundplatte ist vorteilhaft, da mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden können. Entsprechend kann die Verfahrensdauer reduziert werden.
In einer Ausführungsform ist das elektronische Gerät ein Halbleiter-Leistungsgerät.
In einer Ausführungsform wird gleichzeitig mit dem Schritt des Andrückens der Bodenstruktur gegen die Bodenfläche der Grundplatte eine Kühlstruktur geschaffen, die eine Vielzahl von Kanälen für ein Kühlmittel umfasst, die sich innerhalb der Kühlstruktur erstrecken.
In einer Ausführungsform ist die Grundplatte eine mehrschichtige Grundplatte, die eine obere Schicht umfasst, welche an einer unteren Schicht befestigt ist.
In einer Ausführungsform ist die obere Schicht aus einem anderen Material als die untere Schicht hergestellt.
In einer Ausführungsform ist die untere Schicht aus einer Aluminiumlegierung hergestellt.
In einer Ausführungsform ist die obere Schicht aus einer Kupferlegierung hergestellt
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

- Anordnen eines oder mehrerer elektronischer Bauteile auf einer Oberseite einer elektrisch leitenden Schicht des Bauteils und
- Anordnen der Unterseite des Bauteils, die dem einen oder mehreren elektronischen Elementen gegenüberliegt, auf der Grundplatte vor der Durchführung des Sintervorgangs.

Hierdurch ist es möglich, gleichzeitig mit dem Sinterprozess ein oder mehrere elektronische Bauteile auf einer Oberseite einer elektrisch leitenden Schicht des Bauteils anzubringen. Entsprechend kann die Verfahrensdauer reduziert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

- Anordnen eines oder mehrerer elektronischer Bauteile, einschließlich mindestens eines Halbleiterbauteils, auf der Oberseite einer elektrischen leitenden Schicht des Bauteils und
- Anordnen der Unterseite des Bauteils, die dem einen oder mehreren elektronischen Elementen gegenüberliegt, auf der Grundplatte vor der Durchführung des Sintervorgangs.

Dadurch ist es möglich, ein oder mehrere elektronische Bauteile, einschließlich mindestens eines Halbleiterbauelement, auf einer Oberseite einer elektrisch leitenden Schicht des Bauteils gleichzeitig mit dem Sinterprozess anzubringen.
In einer Ausführungsform verläuft die Kraft, die aufgebracht wird, um die Bodenstruktur gegen die Bodenfläche der Grundplatte zu drücken, senkrecht zur Längsachse der Grundplatte. Hierdurch kann die Stärke der erforderlichen Kraft minimiert werden.
In einer Ausführungsform liegt die Sinterzeit im Bereich von 30-300 s.
In einer Ausführungsform liegt die Sinterzeit im Bereich von 60-200 s.
In einer Ausführungsform liegt die Sintertemperatur im Bereich von 200-300°C.
In einer Ausführungsform liegt die Sintertemperatur im Bereich von 220-270°C.
Die Sintertemperatur ist die Temperatur der Bodenstruktur und der Bodenfläche der Grundplatte während des Zusammenfügens. Dementsprechend kann die Temperatur der Sinterpresse höher sein.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Formens des Halbleiter-Leistungsbauteils während des Sinterverfahrens. Hierdurch kann die Verfahrensdauer noch weiter reduziert werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Bodenstruktur vor dem Zusammenfügen der Bodenstruktur und der Grundplatte eine Vielzahl von vorstehenden Strukturen, die so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie von entsprechenden Hohlräumen in der Bodenfläche der Grundplatte aufgenommen werden können.
In einer Ausführungsform umfasst die Unterseite der Grundplatte vor dem Zusammenfügen der Bodenstruktur und der Grundplatte eine Vielzahl von vorstehenden Strukturen oder vorstehenden Strukturen, die so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie von entsprechenden Hohlräumen oder Löchern in der Bodenstruktur aufgenommen werden können.
In einer Ausführungsform, bevor die Bodenstruktur und die Grundplatte miteinander verbunden werden:

a) umfasst die Bodenstruktur eine Vielzahl von vorstehenden Strukturen, die so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie von entsprechenden Hohlräumen aufgenommen werden, die in der Bodenfläche der Grundplatte vorgesehen sind und/oder
b) umfasst die Bodenfläche der Grundplatte eine Vielzahl von vorstehenden Strukturen oder vorstehenden Strukturen, die so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie von entsprechenden Hohlräumen oder Löchern aufgenommen werden, die in der Bodenstruktur vorgesehen sind.

In einer Ausführungsform sind Rinnen zwischen benachbarten vorstehenden Strukturen der Grundplatte und eine Vertiefung zwischen benachbarten Hohlräumen oder Löchern der Bodenstruktur vorgesehen, wobei die Rinnenbereiche und die Vertiefungen so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie einen Kanal für ein Kühlmittel bilden, wenn die Bodenstruktur und die Grundplatte verbunden wurden.
In einer Ausführungsform erstreckt sich die Kühlstruktur entlang des zentralen Teils der Grundplatte. Hierdurch ist es möglich, eine effiziente Kühlung zu gewährleisten.
In einer Ausführungsform werden die Bodenstruktur und die Grundplatte durch plastische Verformung einer Verzahnung zwischen der Bodenstruktur und der Grundplatte verbunden, wobei die Verzahnung durch Clinchen hergestellt wird.
In einer Ausführungsform umfasst das Oberteil der Sinterpresse eine oder mehrere weibliche Kontaktstrukturen, die eine umgebende Struktur umfassen, die ein Loch umgibt, und der untere Teil der Sinterpresse umfasst einen oder mehrere männliche Kontaktabschnitte, die eine männliche Struktur enthalten, wobei das Loch und die männliche Struktur so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie die Verzahnung erzeugen, wenn sie aufeinander zu gedrückt werden.
In einer Ausführungsform umfasst der untere Teil der Sinterpresse eine oder mehrere weibliche Kontaktstrukturen, die eine umgebende Struktur umfassen, welche ein Loch umgibt, und das Oberteil der Sinterpresse umfasst einen oder mehrere männliche Kontaktabschnitte, die eine männliche Struktur enthalten, wobei das Loch und die männliche Struktur so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie die Verzahnung erzeugen, wenn sie aufeinander zu gedrückt werden.
In einer Ausführungsform

a) umfasst das Oberteil der Sinterpresse eine oder mehrere weibliche Kontaktstrukturen, die eine umgebende Struktur umfassen, welche ein Loch umgibt, und der untere Teil der Sinterpresse umfasst einen oder mehrere männliche Kontaktabschnitte, die eine männliche Struktur enthalten, wobei das Loch und die männliche Struktur so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie die Verzahnung erzeugen, wenn sie gegeneinander gedrückt werden, und/oder
b) umfasst der untere Teil der Sinterpresse eine oder mehrere weibliche Kontaktstrukturen, die eine umgebende Struktur umfassen, welche ein Loch umgibt, und das Oberteil der Sinterpresse umfasst einen oder mehrere männliche Kontaktabschnitte, die eine männliche Struktur enthalten, wobei das Loch und die männliche Struktur so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie die Verzahnung erzeugen, wenn sie gegeneinander gedrückt werden.

Eine nicht erfindungsgemäße Sinterpresse kann umfassen:

- ein Oberteil,
- ein Unterteil und
- einen Aufnahmeraum zwischen dem Oberteil und dem Unterteil,

a) sich in einem ersten Modus zum Oberteil hin bewegt, um den unteren Teil gegen die vom Aufnahmeraum aufgenommenen Komponenten zu drücken und dadurch einen ausreichend großen Druck zu erzeugen, um die Elemente zu einem elektronischen Modul zusammenzusintern, und
b) sich in einem zweiten Modus vom Oberteil weg bewegt, um die Sinterpresse zu öffnen, damit das gesinterte Leistungsmodul entnommen werden kann,

In einer Ausführungsform umfasst das Oberteil der Sinterpresse eine oder mehrere weibliche Kontaktstrukturen, die eine umgebende Struktur umfassen, welche ein Loch umgibt, und das Unterteil der Sinterpresse umfasst einen oder mehrere männliche Kontaktabschnitte, die eine männliche Struktur umfassen, wobei das Loch und die männliche Struktur so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie die Verzahnung erzeugen, wenn sie aufeinander zu gedrückt werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Unterteil der Sinterpresse eine oder mehrere weibliche Kontaktstrukturen, die eine umgebende Struktur umfassen, welche ein Loch umgibt, und das Oberteil der Sinterpresse umfasst einen oder mehrere männliche Kontaktabschnitte, die eine männliche Struktur umfassen, wobei das Loch und die männliche Struktur so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie die Verzahnung erzeugen, wenn sie aufeinander zu gedrückt werden.
Es kann von Vorteil sein, eine derartige Sinterpresse zur Herstellung eines elektronischen Gerätes zu verwenden.
In einer Ausführungsform ist das elektronische Modul ein Halbleiter-Leistungsgerät.
Es kann von Vorteil sein, ein elektronisches Modul nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellen zu lassen.
In einer Ausführungsform ist das elektronische Modul ein Halbleiter-Leistungsgerät.
Figurenliste
Das Verständnis der Erfindung wird durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung vertieft. Die beigefügten Zeichnungen dienen lediglich zur Veranschaulichung und schränken die vorliegende Erfindung nicht ein. In den beigefügten Zeichnungen zeigen:

1A eine schematische Querschnittsansicht eines elektronischen Geräts, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird;
1B eine zweite schematische Querschnittsansicht des in 1A gezeigten elektronischen Geräts während eines Schritts, in dem die Grundplatte und die Bodenstruktur verbunden wurden;
2A eine schematische Querschnittsansicht einer Bodenstruktur, die gegen die Unterseite einer Grundplatte eines elektronischen Geräts bewegt wird, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird;
2B eine schematische Querschnittsansicht der Sinterpresse, der Bodenstruktur und der Bodenfläche der in 2A dargestellten Grundplatte in einer Konfiguration, in der das Oberteil und das Unterteil der Sinterpresse gegeneinander gedrückt wurden;
2C eine schematische Querschnittsansicht der Sinterpresse, der Bodenstruktur und der Unterseite der in 2B dargestellten Grundplatte in einer Konfiguration, in der das Oberteil und das Unterteil der Sinterpresse zurückgezogen wurden;
3A eine schematische Querschnittsansicht einer Grundplatte, die über einer Bodenstruktur angeordnet ist;
3B eine weitere schematische Querschnittsansicht der Grundplatte und der in 3A gezeigten Bodenstruktur;
3C eine schematische Nahaufnahme eines Querschnitts eines Teils der Grundplatte und der in 3A und 3B dargestellten Bodenstruktur;
4A eine schematische Ansicht eines elektronischen Geräts mit einer Grundplatte, die über einer Bodenstruktur angeordnet ist, die der in 3A gezeigten entspricht;
4B eine schematische Nahaufnahme eines Querschnitts eines Teils der in 4A dargestellten Grundplatte und Bodenstruktur;
5 ein Flussdiagramm, das die Prozessschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Zur Veranschaulichung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nun in 1A eine schematische Querschnittsansicht eines elektronischen Geräts gezeigt, das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird.
Das elektronische Gerät umfasst eine Grundplatte 32 und ein Bauteil 4, das auf der Oberseite der Grundplatte 32 angeordnet ist. Das Bauteil 4 und die Grundplatte 32 werden in einer Sinterpresse 40 angeordnet. Die Sinterpresse 40 ist so konfiguriert, dass sie ein Sinterverfahren durchführt, bei dem ein Sinterdruck erzeugt wird, während die zu verbindenden Teile (das Bauteil 4 und die Grundplatte 32) erhitzt werden. Hierdurch ist es möglich, das Bauteil 4 und die Grundplatte 32 zu verbinden.
Unterhalb der Bodenstruktur 20 und der Grundplatte 32 ist eine Bodenstruktur 20 angeordnet. Die Bodenstruktur 20 ist so angeordnet und konfiguriert, dass sie gleichzeitig mit dem Sinterprozess in Richtung der Unterseite der Grundplatte 32 bewegt wird, so dass die Bodenstruktur 20 und die Grundplatte 32 verbunden werden (wie in 1B gezeigt).
In einer Ausführungsform umfasst das Bauteil 4 ein Substrat mit einer Keramikschicht, die zwischen einer ersten elektrisch leitenden Schicht und einer zweiten elektrisch leitenden Schicht angeordnet ist. In einer Ausführungsform bestehen die leitenden Schichten aus Kupfer. Zwischen dem unteren Teil der zweiten elektrisch leitenden Schicht des Bauteils 4 und der Grundplatte 32 ist ein Sintermaterial wie Sinterpaste oder eine Sintervorform vorgesehen.
Am oberen Teil des Bauteils 4 ist ein elektronisches Element 22 angebracht.
Der untere Teil der Grundplatte 32 umfasst eine Vielzahl von vorstehenden Teilen 34. Jedes einzelne vorstehende Teil 34 ist durch einen vertieften Bereich 36 getrennt.
Die Bodenstruktur 20 umfasst eine Vielzahl von Löchern 44. Jedes Loch 44 ist so angeordnet und ausgebildet, dass es ein vorstehendes Teil 34 des unteren Teils der Grundplatte 32 aufnimmt. Zwischen benachbarten Löchern 44 ist eine Vertiefung 46 angeordnet.
In 1B sind der untere Teil der Grundplatte 32 und die Bodenstruktur 20 miteinander verbunden. Es ist zu erkennen, dass jedes Loch 44 ein vorstehendes Teil 34 des unteren Teils der Grundplatte 32 aufgenommen hat. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass jede Vertiefung 46 unter einem entsprechenden vertieften Bereich 36 angeordnet ist und dass jede Vertiefung 46 und ihr entsprechender vertiefter Bereich 36 einen Kanal 48 für ein Kühlmittel bilden.
Die Sinterpresse 40 umfasst ein Oberteil 26 und ein Unterteil 28. Das Oberteil 26 und das Unterteil 28 sind relativ zueinander beweglich angeordnet. Dementsprechend kann die Sinterpresse 40 in einer offenen Konfiguration angeordnet werden, in der eine Grundplatte 32 und eine Bodenstruktur 20 in einen Innenraum der Sinterpresse 40 eingesetzt werden können. Die Sinterpresse 40 ist so konfiguriert, dass sie das Oberteil 26 und das Unterteil 28 zusammenpresst (wie in 1B dargestellt) und dadurch die Grundplatte 32 und eine Bodenstruktur 20 verbindet.
In die Sinterpresse 40 ist eine Heizvorrichtung 50 integriert. In einer Ausführungsform ist die Heizvorrichtung 50 in den unteren Teil 28 der Sinterpresse 40 integriert. In einer Ausführungsform ist die Heizvorrichtung 50 in das Oberteil 26 der Sinterpresse 40 integriert.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Schritt des Anordnens des Bauteils 4 auf der Oberseite der Grundplatte 32 und des Einsetzens des Bauteils 4 und der Grundplatte 32 in die Sinterpresse 40.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Schritt der Durchführung eines Sinterprozesses, bei dem unter Erhitzung der zu verbindenden Teile (Bauteil 4 und Grundplatte 32) ein Sinterdruck erzeugt wird, wodurch das Bauteil 4 und die Grundplatte 32 verbunden werden.
Das Verfahren umfasst den Schritt, die Bodenstruktur 20 gleichzeitig mit dem Sinterprozess gegen die Unterseite der Grundplatte 32 zu drücken und dadurch die Bodenstruktur 20 und die Grundplatte 32 zu verbinden.
Es ist zu erkennen, dass eine Kraft F aufgebracht wird, um die Bodenstruktur 20 gegen die Unterseite der Grundplatte 32 zu drücken. Die Kraft F verläuft senkrecht zur Längsachse X der Grundplatte 32. Dadurch kann die Kraft F, die erforderlich ist, um die Bodenstruktur 20 gegen die Bodenfläche der Grundplatte 32 zu drücken, minimiert werden. Die Kraft F kann im Bereich von 20-30 MPa liegen. In einer Ausführungsform beträgt die Kraft F etwa 25 MPa.
2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Bodenstruktur 20, die in Richtung der Bodenfläche einer Grundplatte 32 eines elektronischen Geräts bewegt wird, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Die Bodenstruktur 20 ist unterhalb der Bodenfläche der Grundplatte 32 angeordnet. Die Bodenstruktur 20 und die Grundplatte 32 sind in einer Sinterpresse angeordnet, die ein Oberteil 26 und ein Unterteil 28 umfasst. Das Oberteil 26 und das Unterteil 28 sind so gestaltet, dass sie gegeneinander gedrückt werden, um eine dauerhafte Verformung der Grundplatte 32 und der Bodenstruktur 20 zu erzeugen und dadurch die Grundplatte 32 und die Bodenstruktur 20 zu verbinden (wie in 2B dargestellt).
Das Oberteil 26 umfasst eine weibliche Kontaktstruktur 52, die mit einem Loch 56 versehen ist, das von einer umgebenden Struktur 54 umgeben ist. Die umgebende Struktur 54 ist am distalen Ende der weiblichen Kontaktstruktur 52 vorgesehen.
Das Unterteil 28 umfasst einen männlichen Kontaktabschnitt 58, der mit einer vorstehenden männlichen Struktur 60 versehen ist. Dementsprechend ist die männliche Struktur 60 im distalen Ende des männlichen Kontaktabschnitts 60 vorgesehen.
2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Sinterpresse, der Bodenstruktur 20 und der Unterseite der in 2A dargestellten Grundplatte 32 in einer Konfiguration, in der das Oberteil 26 und das Unterteil 28 der Sinterpresse gegeneinander gedrückt wurden. Die umgebende Struktur 54 hat die Grundplatte 32 verformt, während die vorspringende männliche Struktur 60 die untere Struktur 20 verformt hat.
2C zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Sinterpresse, der Bodenstruktur 20 und der Bodenfläche der in 2B dargestellten Grundplatte 32 in einer Konfiguration, in der das Oberteil 26 und das Unterteil 28 der Sinterpresse von der Bodenstruktur 20 bzw. der Bodenfläche der Grundplatte 32 zurückgezogen wurden.
Dementsprechend hat der Verformungsprozess einen vorstehenden Bereich 64 in der Grundplatte 32 geschaffen, wobei der vorstehende Bereich 64 von einem Rinnenbereich 66 umgeben ist, die von der umgebenden Struktur 54 der weiblichen Kontaktstruktur 52 geschaffen wurde. Außerdem ist zu erkennen, dass die vorstehende männliche Struktur 60 einen Hohlraum 68 in der Bodenstruktur 20 geschaffen hat.
3A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Grundplatte 32, die über einer Bodenstruktur 20 angeordnet ist. Die Grundplatte 32 und die Bodenstruktur 20 sind so angeordnet und konfiguriert, dass sie durch Zusammenpressen verbunden werden, während sie in einer Sinterpresse (wie in den 1A und 1B gezeigt und erläutert) angeordnet sind. Die Grundplatte 32 umfasst eine obere Schicht 14 und eine untere Schicht 16. In einer Ausführungsform ist die obere Schicht 14 aus Kupfer gefertigt. In einer Ausführungsform ist die untere Schicht 16 aus Aluminium gefertigt.
Es ist zu erkennen, dass die untere Schicht 16 eine Vielzahl von vorspringenden Elementen enthält und dass die vorspringenden Elemente voneinander beabstandet sind.
Es ist zu erkennen, dass die Bodenstruktur 20 eine Vielzahl von vorspringenden Strukturen 18 enthält. Zwischen benachbarten vorspringenden Strukturen 18 ist eine Vertiefung 46 vorgesehen. Dementsprechend sind die vorspringenden Strukturen 18 voneinander beabstandet.
3B zeigt eine weitere schematische Querschnittsansicht der in 3A gezeigten Grundplatte 32 und der Bodenstruktur 20. In 3B wurden die Grundplatte 32 und die Bodenstruktur 20 weiter aufeinander zu bewegt.
3C zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Teils der in 3A und 3B gezeigten Grundplatte und Bodenstruktur in Nahaufnahme. In 3C sind die Grundplatte und die Bodenstruktur jedoch miteinander verbunden, um eine Kühlstruktur 38 zu bilden. Die Kühlstruktur 38 ist mit einer Vielzahl von Kanälen 48 für ein Kühlmittel versehen. Die Kanäle 48 werden durch die Vertiefungen 46 in der Bodenstruktur 20 und die Vertiefungen zwischen benachbarten, vorstehenden Teilen der Bodenschicht der Grundplatte gebildet. Die Kanäle 48 sind so ausgebildet, dass sie ein flüssiges Kühlmittel leiten. Dadurch ist es möglich, die Kühlkapazität der Kühlstruktur 38 zu erhöhen.
Die Erfindung beruht auf dem Prinzip der Verbindung eines ersten Teils 16 und eines zweiten Teils 20 zur Bildung einer Kühlstruktur 38 auf einer Grundplatte 32. Das erste Teil 16 hat eine Seite oder ist an einer Seite befestigt, an der ein oder mehrere zu kühlende Bauteile angeordnet sind. Auf der anderen Seite ist das erste Teil 16 mit einer vordefinierten geometrischen Struktur versehen. Das zweite Teil 20 kann als ein „Deckel“ betrachtet werden, der die Kanäle 48 verschließt. Das zweite Teil 20 umfasst vorzugsweise eine Metallstruktur, auf der eine dreidimensionale Struktur aufgebracht ist. Die dreidimensionale Struktur muss mit der Struktur auf dem ersten Teil 16 übereinstimmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Schritt, in einer Sinterpresse das erste Teil 16 und das zweite Teil 20 zusammenzubringen. Mittels hoher Temperatur und hohem Druck bilden das erste Teil 16 und das zweite Teil 20 eine einzige fest verbundene Einheit 38. Dies geschieht gleichzeitig mit dem Sinterprozess.
Es ist vorteilhaft, dass die geometrische Struktur des ersten Teils 16 und die dreidimensionale Struktur des zweiten Teils 20 durch ein Stanzverfahren hergestellt werden können. Dadurch können diese Strukturen mit einer Strukturtiefe versehen werden, die durch das Stanzverfahren leicht zu erzeugen ist. Wenn das erste Teil 16 und das zweite Teil 20 zusammengeführt werden, können sie eine Kühlstruktur 38 bilden, die mit Kanälen 48 versehen ist, die etwa die doppelte Höhe der gestanzten Konstruktionen aufweisen. Dementsprechend ist es möglich, Kanäle 48 in der endgültigen Grundplatte zu erzeugen, wobei die Kanäle 48 größer sind als die Kanäle, die durch ein Stanzverfahren an einer Struktur erzeugt werden können, die mit einer verschließenden Deckelstruktur verbunden ist.
Die entstehende Verbindung kann als kaltgeschweißt unter Druck und Temperatur im Sinterprozess bezeichnet werden. Das Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, dass sich Aluminium oder andere Werkstoffe beim Sintern durch ausreichend hohe Kräfte verformen lassen. Es ist ein großer Vorteil, dass diese Verformung genutzt werden kann, um zwei Werkstoffe ohne weiteres Medium zu verbinden. Diese Technik kann für Punktverbindungen genutzt werden, wie sie vom Clinchen bekannt sind.
4A zeigt eine schematische Ansicht eines elektronischen Geräts 2 mit einer Grundplatte 32, die über einer Bodenstruktur 20 angeordnet ist, die der in 3A gezeigten entspricht. Das elektronische Gerät 2 umfasst ein Bauteil 4 in Form eines DBC-Substrats mit einer Keramikschicht 8, die zwischen zwei elektrisch leitenden Schichten 8, 10 liegt.
Das elektronische Gerät 2 umfasst ein Vergusselement 12, das ein Bauteil 4 sowie die daran befestigten elektronischen Elemente 22, 24 abdeckt.
4B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Teils der in 4A gezeigten Grundplatte und Bodenstruktur. In 4B sind jedoch die Grundplatte und die Bodenstruktur durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbunden worden. Dementsprechend wird eine Kühlstruktur 38 mit einer Vielzahl von Kanälen 48 für ein Kühlmittel geschaffen.
Die Kanäle 48 werden durch die Vertiefungen in der Bodenstruktur 20 und die Vertiefungen zwischen benachbarten, vorstehenden Elementen der Bodenschicht 16 der Grundplatte 32 gebildet. Durch die Verwendung der Kanäle 48, die zur Führung eines flüssigen Kühlmittels konfiguriert sind, ist es möglich, die Kühlkapazität der Kühlstruktur 38 zu erhöhen.
Es ist zu erkennen, dass zwischen der oberen Schicht 14 und der unteren elektrisch leitenden Schicht 10 des DCB-Substrats eine Sinterverbindung 30 vorgesehen ist. Die Sinterverbindung 30 kann durch Verwendung eines Sintermaterials wie einer Sinterpaste oder einer Sintervorform hergestellt werden.
5 zeigt ein Flussdiagramm, das die Prozessschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert.
Der erste Schritt I umfasst Folgendes:

Anordnen eines Bauteils 4 auf einer Oberseite einer Grundplatte 32 und Einlegen des Bauteils 4 und der Grundplatte 32 in eine Sinterpresse 40.

Der zweite Schritt II umfasst Folgendes:

Durchführen eines Sinterprozesses, bei dem ein Sinterdruck erzeugt wird, während die zu verbindenden Teile erhitzt werden, wodurch das Bauteil 4 und die Grundplatte 32 verbunden werden. Gleichzeitig mit dem Sinterprozess wird ein dreidimensionales Druckformwerkzeug 20 gegen die Unterseite der Grundplatte 32 gedrückt und dadurch eine dreidimensionale Struktur 38 auf einem unteren Teil der Grundplatte 20 erzeugt.

Bei den zu verbindenden Teilen kann es sich um das Bauteil 4 und die Grundplatte 32 handeln.
Der dritte Schritt III umfasst Folgendes:

Öffnen der Sinterpresse 40 nach Durchführung des Sinterprozesses.

Der vierte Schritt IV umfasst Folgendes:

Entnahme des Halbleiter-Leistungsgeräts 2 aus der Sinterpresse 40.

Auch wenn es in 5 nicht dargestellt ist, kann der Sinterprozess vorzugsweise das Aufbringen eines Sintermaterials (z. B. einer Paste) auf eine oder beide Oberflächen eines der zu sinternden Teile unter Anwendung von Druck und/oder Temperatur umfassen.
Das Sintermaterial kann eine Sinterpaste sein. Alternativ kann das Sintermaterial auch eine Sintervorform sein.
Bezugszeichenliste

2: Halbleiter-Leistungsgerät
4: Bauteil (z. B. ein direkt gebundenes Kupfersubstrat (DBC))
6: elektrisch leitende Schicht (z. B. Kupfer)
8: Keramikschicht
10: elektrisch leitende Schicht (z. B. Kupfer)
12: Vergusselement
14: obere Schicht
16: untere Schicht
18: vorstehende Struktur
20: Bodenstruktur
22: elektronisches Element
24: elektronisches Element
26: Oberteil der Sinterpresse
28: Unterteil der Sinterpresse
30: gesinterte Verbindung
32: Grundplatte
34: vorstehendes Teil
36: vertiefter Bereich
38: Kühlstruktur
40: Sinterpresse
44: Loch
46: Vertiefung
48: Kanal für ein Kühlmittel
50: Heizvorrichtung
52: weibliche Kontaktstruktur
54: umgebende Struktur
56: Loch
58: männlicher Kontaktbereich
60: männliche Struktur
62: Hohlräumen
64: vorstehender Bereich
66: Rinnenbereich
68: Hohlraum
F: Druck
XL: Längsachse

Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Geräts (2) mit einer Grundplatte (32), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Anordnen eines Bauteils (4) auf der Oberseite einer Grundplatte (32) und Einsetzen des Bauteils (4) und der Grundplatte (32) in eine Sinterpresse (40), - Durchführen eines Sinterprozesses, bei dem während des Aufheizens des Bauteils (4) und der Grundplatte (32) ein Sinterdruck erzeugt wird, wodurch das Bauteil (4) und die Grundplatte (32) verbunden werden, - Öffnen der Sinterpresse (40) nach der Durchführung des Sinterprozesses und - Entnahme des elektronischen Geräts (2) aus der Sinterpresse (40), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt umfasst, eine Bodenstruktur (20) gleichzeitig mit dem Sinterprozess gegen die Bodenfläche der Grundplatte (32) zu drücken und dadurch die Bodenstruktur (20) und die Grundplatte (32) zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Gerät (2) ein Halbleiter-Leistungsgerät (2) ist
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit dem Schritt des Andrückens der Bodenstruktur (20) gegen die Bodenfläche der Grundplatte (32) eine Kühlstruktur (38) geschaffen wird, die eine Vielzahl von Kanälen (48) für ein Kühlmittel umfasst, die sich innerhalb der Kühlstruktur (38) erstrecken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (32) eine mehrschichtige Grundplatte (32) ist, die eine obere Schicht (14) umfasst, welche an einer unteren Schicht (16) befestigt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht (14) aus einem anderen Material als die untere Schicht (16) gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: - Anordnen eines oder mehrerer elektronischer Bauteile (22, 24), darunter mindestens eines Halbleiterbauelements (22), auf einer Oberseite einer elektrisch leitende Schicht (6) des Bauteils (4) und - Anordnen der dem einen oder mehreren elektronischen Elementen (22, 24) gegenüberliegenden Unterseite des Bauteils (4) auf die Grundplatte (32), vor der Durchführung des Sinterprozesses.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft (F), die aufgebracht wird, um die Bodenstruktur (20) gegen die Bodenfläche der Grundplatte (32) zu drücken, senkrecht zur Längsachse (X) der Grundplatte (32) verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterzeit im Bereich von 30-300 s, vorzugsweise 60-200 s, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur im Bereich von 200-300°C, vorzugsweise 220-270°C, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt des Formens der Halbleiter-Leistungsvorrichtung (2) während des Sinterprozesses umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zusammenfügen der Bodenstruktur (20) und der Grundplatte (32): a) die Bodenstruktur (20) eine Vielzahl von vorstehenden Strukturen (18) umfasst, die so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie von entsprechenden Hohlräumen (62) aufgenommen werden, die in der Bodenfläche der Grundplatte (32) vorgesehen sind, und/oder b) die Bodenfläche der Grundplatte (32) eine Vielzahl von vorstehenden Strukturen oder vorstehenden Strukturen (18, 34) umfasst, die so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie von entsprechenden Hohlräumen oder Löchern (44) aufgenommen werden, die in der Bodenstruktur (20) vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein vertiefter Bereich (36) zwischen benachbarten vorstehenden Strukturen (18, 34) der Grundplatte (32) vorgesehen ist und eine Vertiefung (46) zwischen benachbarten Hohlräumen oder Löchern (44) der Bodenstruktur (20) vorgesehen ist, wobei die vertieften Bereiche (36) und die Vertiefungen (46) so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie einen Kanal (48) für ein Kühlmittel bilden, wenn die Bodenstruktur (20) und die Grundplatte (32) verbunden wurden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenstruktur (20) und die Grundplatte (32) durch plastisches Ausbilden einer Verzahnung zwischen der Bodenstruktur (20) und der Grundplatte (32) verbunden werden, wobei die Verzahnung durch Anwendung von Clinchen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass: a) das Oberteil (26) der Sinterpresse (40) eine oder mehrere aufnehmende Kontaktstrukturen (52) umfasst, die eine umgebende Struktur (54) enthalten, welche ein Loch (56) umgibt, und das Unterteil (28) der Sinterpresse (40) einen oder mehrere männliche Kontaktstrukturen (58) umfasst, die eine männliche Struktur (60) umfassen, wobei das Loch (56) und die männliche Struktur (60) so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie die Verzahnung erzeugen, wenn sie aufeinander zu gedrückt werden, und/oder b) das Unterteil (28) der Sinterpresse (40) eine oder mehrere weibliche Kontaktstrukturen (52) umfasst, die eine umgebende Struktur (54) umfassen, welche ein Loch (56) umgibt, und das Oberteil (26) der Sinterpresse (40) einen oder mehrere männliche Kontaktabschnitte (58) umfasst, die eine männliche Struktur (60) umfassen, wobei das Loch (56) und die männliche Struktur (60) so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie die Verzahnung erzeugen, wenn sie aufeinander zu gedrückt werden.
Elektronisches Modul (2), hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-14.